半導体レーザ素子およびその製造方法
【課題】 融着貼り付けを行なわずに製造することができ、かつレーザ発振することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子１は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、光放出面９ａに形成された電極１０と、電極１０の垂直真下以外に存在し、活性層５で発生した光を回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、電極１０の垂直真下に存在する発光領域とを備えている。フォトニック結晶領域は、積層構造と、二次元回折格子を構成するように設けられた複数の孔２ａとを有しており、かつ複数の孔２ａは光放出面９ａにまで伸びている。発光領域は、複数の孔を有しておらず、かつ発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【解決手段】 半導体レーザ素子１は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、光放出面９ａに形成された電極１０と、電極１０の垂直真下以外に存在し、活性層５で発生した光を回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、電極１０の垂直真下に存在する発光領域とを備えている。フォトニック結晶領域は、積層構造と、二次元回折格子を構成するように設けられた複数の孔２ａとを有しており、かつ複数の孔２ａは光放出面９ａにまで伸びている。発光領域は、複数の孔を有しておらず、かつ発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む材料からなる活性層と、光を回折させるフォトニック結晶領域とを備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＦＢ（Distributed feedback）レーザは、内部に設けられた一次元の回折格子によって前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである。この現象は、一次元の回折格子に対しブラック条件を満たす特定の波長の光でのみ生じる。したがって、ＤＦＢレーザによれば、縦モード（発振される光の光軸方向の共振モード）が単一モードである光を安定して発振することができる。
【０００３】
一方、ＤＦＢレーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い換えれば回折格子に対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはならず、フィードバックされない。つまり、ＤＦＢレーザでは、発振される光の光軸方向以外の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという欠点があった。
【０００４】
そこで、近年、二次元の屈折率分布を持った二次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。二次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、二次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。従来の二次元フォトニック結晶レーザは、たとえば以下の構造を有している。
【０００５】
二次元フォトニック結晶レーザは、ダブルへテロ接合を形成するように形成されたｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層と、ＩｎＰ基板と、２つの電極とを備えている。ＩｎＰ基板の主面には、所定の格子配列（たとえば三角格子や正方格子など）で複数の孔が開口されている。これにより、孔の開いていない部分はＩｎＰの屈折率（ｎ＝３．２１）となり、孔の開いている部分は空気の屈折率（ｎ＝１）となり、ＩｎＰ基板の主面は周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶（二次元回折格子）となる。このＩｎＰ基板の主面上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層がこの順序で形成されている。ｐ型クラッド層の主面と、フォトニック結晶が形成されていない側のＩｎＰ基板の主面との各々に、２つの電極の各々が形成されている。
【０００６】
このような二次元フォトニック結晶レーザでは、２つの電極間に適当な電圧を印加することによって、正孔と電子とが活性層に注入される。そして、正孔と電子とが再結合すると、所定の波長を持った光が活性層内に発生する。そして、この光が活性層外へ漏れ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶に伝搬し、フォトニック結晶内における孔の格子点でブラック反射を繰り返す。その結果、各格子点間で定在波が発生し、波長および位相が揃った光となる。そして、この光がフォトニック結晶の主面に垂直な方向から発振される。
【０００７】
従来の二次元フォトニック結晶レーザは、第１のＩｎＰ基板上にフォトニック結晶が形成された形態の第１の部品と、第２のＩｎＰ基板上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層が形成された形態の第２の部品とを作製し、第１のＩｎＰ基板のフォトニック結晶と、第２のＩｎＰ基板におけるフォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを融着貼り付けし、その後第２のＩｎＰ基板を除去し、２つの電極を形成することによって製造されていた。
【０００８】
なお、従来の二次元フォトニック結晶レーザは、たとえば特許文献１、特許文献２、非特許文献１、および非特許文献２に開示されている。特許文献１では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板上にＧａＡｓなどよりなるフォトニックバンド構造が形成された二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献１では、ＩｎＰよりなる基板上にＩｎＰよりなるフォトニック結晶が形成された二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献２では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板に孔を形成したフォトニック結晶を有する二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。これらの二次元フォトニック結晶レーザは、全て赤外光を発振するレーザである。さらに、特許文献２では、フォトニック結晶周期構造体が発光領域平面に形成されていて、上部電極の垂直真下には設けられていない構成のレーザが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３４５３号公報
【非特許文献１】横山光他、「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」、日本赤外線学会誌、２００３年、第１２巻、第２号、第１７頁〜第２３頁
【非特許文献２】M.Imada, et al., "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure", App. Phys. Lett., 75 （3） pp.316-318, 19 July 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、青色や紫外光などの短波長の光を発振する二次元フォトニック結晶レーザへの要望が高まっている。青色や紫外光などの短波長の光を発振するためには、紫外光領域のバンドギャップを有するＧａＮなどの材料をフォトニック結晶として用いることが必要になる。しかしながら、ＧａＮをフォトニック結晶として用いた場合には、二次元フォトニック結晶レーザを製造する際にたとえば以下の問題が生じる。
【００１０】
上述のように、二次元フォトニック結晶レーザの製造の際には、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを別体で作製した後で、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層とを融着貼り付けする必要がある。しかし、ＧａＮ結晶表面のＲＭＳ（自乗平均面粗さ）は通常２ｎｍ以上であり、ＧａＮ結晶表面の平坦性は低い。このため、ＧａＮよりなるフォトニック結晶は、他の層と融着貼り付けすることが難しいという問題があった。特に、ｐ型ＧａＮよりなるフォトニック結晶と、ｐ型ＧａＮよりなるクラッド層とを融着貼り付けした場合には、フォトニック結晶とクラッド層とがオーミック接合しない。
【００１１】
ここで、特許文献２には、融着貼り付けを行なわずに製造することのできる二次元フォトニック結晶面発光レーザが開示されている。しかし、特許文献２に開示されたレーザでは、光のフィードバックが起こるフォトニック結晶領域と、電流注入によってゲインを得る発光領域との関係が明確ではない。このため、実際に光のフィードバックによるゲインは起こらず、レーザ発振する構造にはなっていない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、融着貼り付けを行なわずに製造することができ、かつレーザ発振することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は、キャリアの注入により光を発光する活性層と、素子表面に形成された電流注入用電極と、電流注入用電極の垂直真下以外に存在し、活性層で発生した光を回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域とを備えている。フォトニック結晶領域は、第１の屈折率を有する部分と、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有しており、かつ第２の屈折率を有する部分は素子表面にまで伸びている。発光領域は、第２の屈折率を有する部分を有しておらず、かつ発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、キャリアの注入により光を発光する活性層と、活性層にキャリアを注入するための第１および第２クラッド層と、活性層で発生した光を面内で回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域とを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板上に積層する。素子表面に電流注入用電極を形成する。素子表面からエッチングすることにより、第１の屈折率を有する部分と第２の屈折率を有する部分とを有するフォトニック結晶領域を電流注入用電極の垂直真下以外に形成する。電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００１５】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、活性層を含む層と電流注入用電極とを形成した後で、素子表面における電流注入用電極のない領域から第２の屈折率を有する部分を形成することで、フォトニック結晶領域が作製され、これによって融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。また、電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域には第２の屈折率を有する部分を形成する必要がないので、発光領域へのキャリア注入が第２の屈折率を有する部分によって阻害されることがない。さらに、発光領域の面内方向長さが、フォトニック結晶領域において発生する定在波が発光領域に存在する際の波長の整数倍もしくは半整数倍であることで、発光領域が共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶領域において発生する定在波に対応する波長の定在波が、発光領域にも発生する。したがって、フォトニック結晶領域と発光領域とで定在波が繋がり、２つの領域の全体に定在波が発生することで、フィードバックによるゲインが起こり、レーザ発振することができる。
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分が活性層にまで伸びている。これによって、第２の屈折率を有する部分に要求される深さ方向の設計精度が緩和される。なお、フォトニック結晶領域に存在する活性層の部分には電流が注入されないので、たとえばエッチング加工によるダメージなどによって素子の特性が劣化することはない。
【００１７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、フォトニック結晶領域における第２の屈折率を有する部分は、入射された光を素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている。
【００１８】
第２の屈折率を有する部分が素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件を満たすことで、フォトニック結晶領域内で定在波を発生させることができる。また、第２の屈折率を有する部分が素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件を満たすことで、素子は面発光を実現することができる。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は素子表面に形成された複数の孔であり、フォトニック結晶領域は二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分を有している。
【００２０】
これにより、フォトニック結晶領域内で発生した定在波が欠陥部分から漏れ、素子表面に対して垂直な方向への光が発生する。
【００２１】
なお、「欠陥部分」とは、結晶構造の欠陥を意味しているのではなく、二次元回折格子の配列の欠陥部分を意味している。具体的には、たとえば回折格子点のあるべき位置に格子点がない部分や、他の回折格子点に比べて大きな回折格子点となっている部分などを意味している。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、電流注入用電極は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。
【００２３】
これにより、電極の多角形状の辺方向に沿って、強度の等しい長方形の発光領域を形成することができる。これにより発光領域は丸型電極の場合よりも広がることになるため、光の取り出し効率が高くなる。また、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００２４】
なお、「平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる」とは、半導体レーザ素子を電流注入用電極側から平面的に見たときに多角形の全ての辺の各々が二次元回折格子の回折格子点同士を結ぶ線に平行であるように構成された、多角形よりなることを意味する。
【００２５】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は三角回折格子を構成するように設けられており、電流注入用電極の平面的な外形形状は六角形状である。これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００２６】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は正方格子を構成するように設けられており、電流注入用電極の平面的な外形形状は四角形状である。これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００２７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、電流注入用電極は複数の単位電極からなっている。半導体レーザ素子は、複数の単位電極の各々を電気的に接続するための透明電極をさらに備えている。
【００２８】
これにより、光の取り出しを妨げることなく、複数の単位電極を電気的に接続することができる。その結果、複数の発光領域を同一のアレイとして通電できるようになり、高出力化を図ることができる。
【００２９】
なお、本明細書中において「半導体レーザ素子」とは、アレイ状に配列した複数の半導体レーザ素子によって構成される半導体レーザアレイを含む意味である。
【００３０】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、活性層は、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）よりなる基板上に形成されており、活性層はＧａＮを含む材料よりなっている。
【００３１】
上記製造方法において好ましくは、基板は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣからなり、かつ活性層はＧａＮを含む材料からなっている。
【００３２】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮを含む材料の層をエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ系結晶が得られる、したがって、活性層の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板を用いると、基板に電極を取り付けることで基板を介して電流を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
【００３３】
上記製造方法において好ましくは、第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層は、ＭＯＣＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition)法あるいはＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法を用いて連続的に形成される。
【００３４】
これにより、一度のエピタキシャル成長で第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層が形成できるので、半導体レーザ素子の製造が単純化され、高歩留まり化および低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、融着貼り付けを行なわずに製造することができ、かつレーザ発振することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、特にＧａＮ系材料を活性層に用いる短波長発光のレーザに関して、図に基づいて説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザ素子１は、基板３と、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層８と、コンタクト層９と、電極１０および１１とを備えている。
【００３８】
基板３はたとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなっており、主面３ａを有している。基板３の主面３ａ上には、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６が形成されており、活性層５がｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれている。ｐ型クラッド層６上には、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９がこの順序で形成されている。コンタクト層９の上面である光放出面９ａ（素子表面）には、電流注入用電極としての電極１０が設けられている。電極１０はたとえば円の平面形状を有している。また、基板３の主面３ａとは反対側の主面３ｂには、一面に電極１１が設けられている。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態１におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態の半導体レーザ素子１は、フォトニック結晶領域Ａと発光領域Ｂとをさらに備えている。言い換えれば、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８は、平面的に見て、電極１０の垂直真下以外に存在するフォトニック結晶領域Ａと、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂとに分けられている。フォトニック結晶領域Ａは、第１の屈折率を有する積層構造（ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を含む積層構造）と、光放出面９ａ（図１）に二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有している。本実施の形態では、第２の屈折率を有する部分が複数の孔２ａによって構成されている。複数の孔２ａは二次元回折格子（本実施の形態においては三角格子）を構成するように設けられており、複数の孔２ａの各々は回折格子点として機能する。各孔２ａは、柱状（例えば、円柱形状）の空間部として設けられている。複数の孔２ａは、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を貫通して光放出面９ａにまで伸びている。各孔２ａの中心と、これと最も近い隣接の６個の孔２ａの中心との距離は等しい値であり、格子定数ａ（孔の中心の間隔）はたとえば０．１９μｍであり、孔２ａの直径はたとえば０．０９μｍである。
【００４０】
なお、孔２ａには、第１の屈折率よりも低屈折率である材料を埋め込むことも可能である。しかしながら、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、孔２ａは何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気を埋め込んだ状態）であることが好ましい。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の積層構造内に光を閉じ込めることができる。なお、孔２ａを埋め込む低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００４１】
一方、発光領域Ｂには複数の孔２ａが形成されておらず、積層構造のみが存在している。フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａおよび発光領域Ｂの面内方向長さｂが満たす条件については、後に詳細に説明する。
【００４２】
図１および図２を参照して、ｎ型クラッド層４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型クラッド層６および８はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共に、活性層５にキャリアを注入し、かつ活性層５へ注入されるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共に、活性層５にキャリア（電子および正孔）および光を閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６は、ダブルヘテロ接合を形成している。このため、キャリアと発光とを活性層５に集中させることができる。
【００４３】
活性層５はたとえばＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる多重量子井戸によって構成されている。また、単一の半導体材料よりなっていてもよい。活性層５は、フォトニック結晶領域Ａに沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、フォトニック結晶領域Ａに沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。
【００４４】
ｐ型クラッド層８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層８は、活性層５に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、コンタクト層９は、電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。電極１０および１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。
【００４５】
なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板３の厚さはたとえば１００μｍであり、ｎ型クラッド層４、ｐ型クラッド層６、およびｐ型クラッド層８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、活性層５の厚みはたとえば０．１μｍである。
【００４６】
次に、半導体レーザ素子１の発光方法について、図１〜図４を用いて説明する。
【００４７】
電極１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層６および８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層４から活性層５へ電子が注入される。活性層５へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層５が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
【００４８】
活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６によって垂直方向には活性層５内に閉じ込められるが、光放出面９ａに平行な方向（水平方向）にはフォトニック結晶領域Ａに到達する。フォトニック結晶領域Ａに到達した光の波長と、フォトニック結晶領域Ａの有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は面内で回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶領域Ａにおいて、光は、光放出面９ａに垂直な方向Ｓ（図１）にも回折される。一方、発光領域Ｂは、その領域長さの規定により、共振器として働くことができる。フォトニック結晶領域および発光領域における光の回折を模式的に図４に示す。フォトニック結晶領域Ａにおいて位相が規定された光は、発光領域Ｂ内の光にフィードバックされ、発光領域Ｂの共振器としての作用により定在波を発生させる。この発光領域Ｂ内の定在波は、フォトニック結晶領域Ａにおいて規定される定在波と繋がっている。つまり、定在波は２つの領域に繋がりながら広がる。
【００４９】
電流は、電極１０の垂直真下の領域に主に注入されるので、発光およびゲインは、電極１０を中心にした発光領域Ａにおいてのみ生じる。上記の定在波により２つの領域に十分な量の光が蓄積されると、波長および位相条件の揃った光が、光放出面９ａから方向Ｓへ誘導放出される。
【００５０】
図５は、フォトニック結晶領域および発光領域に発生する定在波を模式的に示す平面図である。図３および図５を参照して、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａの各々は、隣接する発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａに対して平行な方向へ回折される回折条件（０度の回折条件）と、発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａ（図１）に対して垂直な方向、すなわち方向Ｓへ回折される回折条件（９０度の回折条件）とを同時に満たすように設けられている。
【００５１】
上記回折条件を満たす複数の孔２ａの配列の一例を挙げると、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａの間隔、すなわちフォトニック結晶領域Ａの格子間隔（格子定数）ａは、以下の式（１）の関係を満たしている。
【００５２】
Ｎeff×ａ＝ｍ×（λ／２） ・・・（１）
式（１）において、Ｎeffは活性層を含むフォトニック結晶領域Ａの全スラブ構造の実効屈折率であり、λは真空中における活性層発光の波長であり、ｍは偶数である。格子定数ａが式（１）の条件を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向と、光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓとに、発光領域Ｂからの入射光が回折される。面内での回折が繰り返された結果、フォトニック結晶領域Ａにおいて一定の波長（λ／Ｎeff）を有する定在波が規定される。図５では、ｍ＝２の場合の定在波を示している。
【００５３】
一方、発光領域Ｂの面内方向長さｂは、発光領域Ｂにおいて発生する（規定される）定在波の波長（λ／Ｎeff0）の整数倍もしくは半整数倍となっている（Ｎeff0：活性層を含む発光領域Ｂの全スラブ構造の実効屈折率）。具体的には、発光領域Ｂの面内方向長さｂ（図３）は、以下の式（２）の関係を満たしている。
【００５４】
ｂ＝（ｎ／２）×（λ／Ｎeff0） ・・・（２）
式（２）において、ｎは整数である。発光領域Ｂの面内方向長さｂが式（２）を満たすことによって、発光領域Ｂにおいても定在波が発生する。このとき、発光領域Ｂは共振器として働く。たとえばｎ＝１００の場合には、ｂ＝５０λ／Ｎeff0となる。図５では、ｎ＝８の場合の定在波を示している。発光領域Ｂおよびその周辺の領域は、電極１０から高電流密度の電流が注入される領域であるので、光を増幅するゲイン領域として機能する。
【００５５】
なお、「発光領域Ｂの面内方向長さ」とは、発光領域Ｂの共振器としてのサイズを規定するもので、発光領域Ｂが円の平面形状である場合にはその直径を指し、発光領域Ｂが多角形の場合には互いに平行な２つの辺の間の距離を指す。
【００５６】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法について、図６〜図８を用いて説明する。
【００５７】
始めに、図６を参照して、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣなどよりなる基板３を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ法などを用いて、第１クラッド層としてのｎ型クラッド層４、活性層５、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層６、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９をこの順序で基板３の主面３ａ上に連続的にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板３の直上にバッファ層を形成し、バッファ層の上にｎ型クラッド層４を形成してもよい。次に、図７を参照して、たとえば蒸着法などを用いて、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成する。
【００５８】
次に、図８を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって、所定のパターンを有するレジスト２０をコンタクト層９上における電極１０の周囲に形成する。続いて、レジスト２０をマスクとして光放出面９ａから、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８をＩＣＰ（Inductively coupled plasma）でエッチングする。これによって、電極１０の垂直真下以外の領域がフォトニック結晶領域Ａとなり、電極１０の垂直真下の領域が発光領域Ｂとなる。また、上述のように、発光領域Ｂの面内方向長さｂが、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波が発光領域Ｂ内に存在する際の波長の整数倍もしくは半整数倍となるように、複数の孔２ａの各々を形成する。その後、レジスト２０を除去し、図２に示す半導体レーザ素子１が完成する。
【００５９】
本実施の形態の半導体レーザ素子１は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、光放出面９ａに形成された電極１０と、電極１０の垂直真下以外に存在し、活性層５で発生した光を回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域Ａと、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂとを備えている。フォトニック結晶領域Ａは、積層構造と、二次元回折格子を構成するように設けられた複数の孔２ａとを有しており、かつ複数の孔２ａは光放出面９ａにまで伸びている。発光領域Ｂは、複数の孔を有しておらず、かつ発光領域Ｂの面内方向長さｂは、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００６０】
本実施の形態の半導体レーザ素子１の製造方法は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、活性層５にキャリアを注入するためのｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６と、活性層５で発生した光を面内で回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓに光を発するフォトニック結晶領域Ａとを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板３上に積層する。光放出面９ａに電極１０を形成する。光放出面９ａからエッチングすることにより、第１の屈折率を有する積層構造と第２の屈折率を有する複数の孔２ａとを有するフォトニック結晶領域Ａを電極１０の垂直真下以外に形成する。電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂの面内方向長さｂは、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００６１】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、活性層５と電極１０とを形成した後で、光放出面９ａにおける電極１０のない領域から複数の孔２ａを有する部分を形成することで、フォトニック結晶領域Ａが作製され、これによって融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。
【００６２】
また、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂには孔を形成する必要がないので、発光領域Ｂへのキャリア注入が孔によって阻害されることがない。
【００６３】
さらに、発光領域Ｂの面内方向長さｂが、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍であることで、発光領域Ｂが共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波と対応する波長の定在波が、発光領域Ｂにも発生する。したがって、フォトニック結晶領域Ａと発光領域Ｂとで定在波が繋がり、２つの領域の全体に定在波が発生することで、フィードバックによるゲインが起こり、レーザ発振することができる。
【００６４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａは、入射された光を光放出面９ａに対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓへ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている。
【００６５】
複数の孔２ａが光放出面９ａに対して平行な方向へ回折する回折条件を満たすことで、フォトニック結晶領域Ａ内で定在波を発生させることができる。また、複数の孔２ａが光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓへ回折する回折条件を満たすことで、素子は面発光を実現することができる。
【００６６】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、活性層５は、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなる基板３上に形成されており、活性層５はＧａＮを含む材料よりなっている。
【００６７】
上記製造方法において、基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣからなり、かつ活性層５はＧａＮを含む材料からなっている。
【００６８】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮを含む材料の層をエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ系結晶が得られる、したがって、活性層５の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板３を用いると、基板３に電極１１を取り付けることで基板３を介して電流を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
【００６９】
上記製造方法において、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６は、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いて連続的に形成される。
【００７０】
これにより、一度のエピタキシャル成長でｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６が形成できるので、半導体レーザ素子の製造が単純化され、高歩留まり化および低コスト化を図ることができる。
【００７１】
（実施の形態２）
実施の形態１では、複数の孔２ａが活性層５にまで達していない場合について示した。しかし、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、たとえば以下に示す構成であってもよい。
【００７２】
図９は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図９に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、複数の孔２ａの各々は、コンタクト層９、ｐ型クラッド層８、ｐ型クラッド層６、活性層５、およびｎ型クラッド層４を貫通して、光放出面９ａから基板３の主面３ａにまで達している。このような構成の半導体レーザ素子１ａは、実施の形態１における図８に示す製造工程において、光放出面９ａから、コンタクト層９、ｐ型クラッド層８、ｐ型クラッド層６、活性層５、およびｎ型クラッド層４をエッチングすることによって得られる。
【００７３】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成およびその製造方法は、実施の形態１の半導体レーザ素子１およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、複数の孔２ａの各々は活性層５にまで伸びている。これによって、複数の孔２ａの各々に要求される深さ方向の設計精度が緩和される。なお、フォトニック結晶領域Ａに存在する活性層５の部分には電流が注入されないので、複数の孔２ａを形成することによって素子の特性が劣化することはない。
【００７５】
（実施の形態３）
実施の形態１では、フォトニック結晶領域Ａの複数の孔２ａが図３に示すような三角格子を構成するように設けられている場合について示した。しかしながら、複数の孔２ａの配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。
【００７６】
図１０は、本発明の実施の形態３におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。図１０に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶領域Ａには、複数の孔２ａが正方格子を形成するように設けられている。正方格子の格子定数はｄとなっている。
【００７７】
また、フォトニック結晶領域Ａは、二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分１４を有している。図１０においては、孔２ａがあるべき部分に孔が形成されていない部分が欠陥部分１４となっている。
【００７８】
なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成およびその製造方法は、実施の形態１における半導体レーザ素子１の構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７９】
本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態１の半導体レーザ素子と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
本実施の形態の半導体レーザ素子において、第２屈折率を有する部分は複数の孔２ａであり、フォトニック結晶領域Ａは二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分１４を有している。
【００８１】
実施の形態１では、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは上記式（１）の関係を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向とに、光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓとに発光領域Ｂからの入射光が回折される場合について示した。しかし、本実施の形態では、フォトニック結晶領域Ａ内で発生した定在波が欠陥部分１４から漏れ、方向Ｓへの光が発生する。したがって、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、上記式（１）を満たさなくてもよいことになり、発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａに対して平行な方向へ回折される回折条件を少なくとも満たせばよいことになる。
【００８２】
上記回折条件を満たすためには、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、ｍが整数である場合の上記式（１）を満たせばよい。言い換えれば、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、上記式（１）においてｍが偶数である場合の値の他、ｍが奇数である場合の値であってもよい。この回折条件を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向に発光領域Ｂからの入射光が回折され、欠陥部分１４から漏れる光によって方向Ｓへの光が発生する。その結果、フォトニック結晶領域Ａにおいて一定の波長（λ／Ｎeff）を有する定在波が規定される。一方で、発光領域Ｂでは、実施の形態１と同様に波長（λ／Ｎeff0）を有する定在波が規定され、両者は繋がる。そして、発振した光が光放出面９ａから放出される。
【００８３】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。図１１に示すように、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｃでは、電極１０の平面的な外形形状が実施の形態１の場合と異なっている。本実施の形態において、光放出面９ａ上に設けられた電極１０は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。具体的には、電極１０は平面的な外形形状が六角形であり、六角形の全ての辺の各々が複数の孔２ａ同士を結ぶ線Ｃに平行であるように構成されている。
【００８４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ｃによれば、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを円形電極の場合と比較して詳細に説明する。
【００８５】
図１２は、電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図１２を参照して、複数の孔１０２ａの配列パターンは三角格子となっている。発光強度は電極１１０の寸法に依存する。具体的には格子配列に沿った方向について考えてみる。位置Ｃ１０１と位置Ｃ１０２との間の長さＣ１１が式（２）を満たしているとする。すると、位置Ｃ１０１と位置Ｃ１０２との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ１０５と位置Ｃ１０６との間の長さＣ１３が式（２）を満たしているとすると、位置Ｃ１０５と位置Ｃ１０６との間には定在波が発生し、発光する。一方、位置Ｃ１０３と位置Ｃ１０４との間の長さＣ１２は、式（２）を満たしていない。このため、位置Ｃ１０３と位置Ｃ１０４との間には定在波が発生せず、発光しない。その結果、実際に発光する領域Ｓ１１は、発光領域Ｂの円周に沿った一部の領域のみとなるので、発光強度が不均一になる。
【００８６】
これに対して本実施の形態においては、図１３を参照して、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有している。このため、発光強度が六角電極１０の各辺に沿って均一になる。具体的には、位置Ｃ１と位置Ｃ２とは、格子配列に沿った位置にあり、かつ位置Ｃ１と位置Ｃ２との間の長さＣ５は、式（２）を満たしている。このため、位置Ｃ１と位置Ｃ２との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ３と位置Ｃ４との間の長さＣ６は、式（２）を満たしているので、位置Ｃ３と位置Ｃ４との間には定在波が発生し、発光する。これにより図中太線の矢印で示すように、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、六角電極１０の各辺の周囲に生じる、実際に発光する領域Ｓ１は平面的に見て長方形となる。また六角電極１０の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００８７】
このように本実施の形態によれば、円形電極ではムラのあった発光する領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また六角電極１０の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００８８】
（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。図１４に示すように、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｄでは、複数の孔２ａの配列パターンと、電極１０の平面的な外形形状とが実施の形態１の場合と異なっている。本実施の形態において、複数の孔２ａは、実施の形態３で説明したような正方格子を形成するように設けられている。また、光放出面９ａ上に設けられた電極１０は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。具体的には、電極１０は平面的な外形形状が四角形であり、四角形の全ての辺の各々が複数の孔２ａ同士を結ぶ線Ｃに平行であるように構成されている。
【００８９】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９０】
本実施の形態によれば、実施の形態４と同様、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを円形電極の場合と比較して詳細に説明する。
【００９１】
図１５は、電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図１５を参照して、複数の孔１０２ａの配列パターンは正方格子となっている。実施の形態４で説明したように、発光強度は電極１１０の寸法に依存する。具体的には、格子配列に沿った方向について考えてみる。位置Ｃ１０７と位置Ｃ１０８との間の長さＣ１４が式（２）を満たしているとする。すると、位置Ｃ１０７と位置Ｃ１０８との間には定在波が発生し、発光する。一方、位置Ｃ１０９と位置Ｃ１１０との間の長さＣ１５は、式（２）を満たしていない。このため、位置Ｃ１０９と位置Ｃ１１０との間には定在波が発生せず、発光しない。その結果、二次元格子配列が正方格子であるときにも、実際に発光する領域Ｓ１２は、発光領域Ｂの円周に沿った一部の領域のみとなるので、発光強度が不均一になる。
【００９２】
これに対して本実施の形態においては、図１６を参照して、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有している。このため、発光強度が四角電極１０の各辺に沿って均一になる。具体的には、位置Ｃ７と位置Ｃ８とは、格子配列に沿った位置にあり、かつ位置Ｃ７と位置Ｃ８との間の長さＣ１１は、式（２）を満たしている。このため、位置Ｃ７と位置Ｃ８との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ９と位置Ｃ１０との間の長さＣ１２は、式（２）を満たしているので、位置Ｃ９と位置Ｃ１０との間には定在波が発生し、発光する。これにより図中太線の矢印で示すように、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、四角電極１０の各辺の周囲に生じる、実際に発光する領域Ｓ２は平面的に見て長方形となる。また四角電極１０の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００９３】
このように本実施の形態によれば、円形電極においてムラのあった発光する領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また四角電極１０の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００９４】
（実施の形態６）
図１７は、本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子（アレイ）の構成を示す断面図である。図１７を参照して、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｅは、透明電極１６をさらに備えている。また、電極１０は複数の単位電極１０ａ，１０ｂを有している。透明電極１６は複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を覆うようにコンタクト層９上一面に形成されており、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を電気的に接続している。透明電極１６はたとえばＩＴＯ（indium-tin oxide）よりなっている。
【００９５】
また、半導体レーザ素子１ｅにおいては、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下の領域には複数の発光領域の各々がアレイ状に配列して形成されており、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下以外の領域にはフォトニック結晶領域が形成されている。つまり、複数の孔２ａは、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下以外の領域に形成されている。
【００９６】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｅの構成は、実施の形態１における半導体レーザ素子１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９７】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ｅにおいて、電極１０は複数の単位電極１０ａ，１０ｂを有している。半導体レーザ素子１ｅは、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を電気的に接続するための透明電極１６をさらに備えている。
【００９８】
これにより、光の取り出しを妨げることなく、複数の単位電極１０ａ，１０ｂを電気的に接続することができる。その結果、複数の発光領域を同一の素子として通電できるようになり、高出力化を図ることができる。
【実施例】
【００９９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１００】
（実施例１）
本実施例では、以下の製造方法を用いて、本発明例Ａ〜Ｃの半導体レーザ素子の作製を試みた。
【０１０１】
本発明例Ａ：基板３として、低転位導電性ＧａＮ基板を準備した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９を、この順序でエピタキシャル成長させることにより基板３上に形成した。活性層５の発光波長は４１０ｎｍ（紫色）とした。続いて、コンタクト層９の光放出面９ａに円形状のｐ型オーミック電極１０を形成し、基板３の主面３ｂ全面にｎ型オーミック電極１１を形成した。ｐ型オーミック電極１０の直径（すなわち発光領域Ｂの面内長さｂ）は、５０λ／Ｎeff0とした。次に、コンタクト層９上における電極１０の周囲に、レジスト２０として電子ビーム露光用フォトレジスト（ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光機を用いて複数の孔のレジストパターンを描画した。続いて、このレジストパターンをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥ（Reactive ion etching）法を用いて、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８をエッチングし、複数の孔２ａを形成した。これによって、フォトニック結晶領域Ａを作製し、半導体レーザ素子を得た。フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが正方格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝２の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。
【０１０２】
本発明例Ｂ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、複数の孔２ａを形成する際、ｐ型クラッド層８でエッチングを止めずにさらにｐ型クラッド層６および活性層５までエッチングし、活性層５に達する孔２ａを形成した。
【０１０３】
本発明例Ｃ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが三角格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／２Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝１の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。また、フォトニック結晶領域Ａには、空気孔１１個に対して１個の割合で、孔を形成しない欠陥部分１４を形成した。
【０１０４】
上記の３種類の半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、本発明例Ａ〜Ｃの全てにおいて、約７ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、光放出面９ａにおける電極１０の外周部から出射した。特に本発明例Ｃについては、電極１０の外周部の狭い位置からレーザ光が出射した。
【０１０５】
（実施例２）
本実施例では、電流注入用電極の平面形状を規定することの効果について調べた。具体的には、以下の製造方法を用いて、本発明例ＤおよびＥの半導体レーザ素子を作製した。
【０１０６】
本発明例Ｄ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、電極１０については、正方格子の方位に合わせた四角形の平面形状とした。
【０１０７】
本発明例Ｅ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが三角格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝２の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。電極１０については、三角格子の方位に合わせた六角形の平面形状とした。
【０１０８】
上記の２種類の半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、本発明例ＤおよびＥのいずれにおいても、約４ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、光放出面９ａにおける電極１０の外周部から出射した。このことから、円形電極を用いた場合に比べてレーザ光発振の閾値を低下できることが分かる。
【０１０９】
（実施例３）
本実施例では、電流注入用電極が複数の単位電極と透明電極とを有することの効果について調べた。具体的には、以下の製造方法を用いて、本発明例Ｆを作製した。
【０１１０】
本発明例Ｆ：本発明例Ｄとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、電極１０が有する単位電極として、光放出面９ａ内に１０個×１０個のアレイ状の単位電極を形成した。また、これによって複数の単位電極の各々における垂直真下の領域に複数の発光領域を形成した。さらに、電極１０が有する透明電極１６として、ＩＴＯよりなる透明電極を光放出面９ａ全面に蒸着し、複数の単位電極の各々を電気的に接続した。
【０１１１】
上記の本発明例Ｆの半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、それぞれの発光領域から約４ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。また、本発明例Ｄの半導体レーザ素子におけるレーザ光の出力は０．７ｍＷであったのに対して、本発明例Ｆの半導体レーザ素子におけるレーザ光の出力は７０ｍＷであった。このことから、電流注入用電極が複数の単位電極と透明電極とを有することで、閾値電流密度を同程度に保ちつつレーザアレイが簡便に構成できることが分かる。
【０１１２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、ＧａＮを含むフォトニック結晶領域を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。
【図４】フォトニック結晶領域および発光領域における光の回折を模式的に示す断面図である。
【図５】フォトニック結晶領域および発光領域に発生する定在波を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図１２】電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１３】電極の平面形状が六角形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図１５】電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１６】電極の平面形状が四角形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１，１ａ，１ｃ〜１ｅ 半導体レーザ素子、２ａ，１０２ａ 孔、３ 基板、３ａ，３ｂ 基板主面、４ ｎ型クラッド層、５ 活性層、６，８ ｐ型クラッド層、９ コンタクト層、９ａ 光放出面、１０，１１，１１０ 電極、１０ａ，１０ｂ 単位電極、１４ 欠陥部分、１６ 透明電極、２０ レジスト。
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む材料からなる活性層と、光を回折させるフォトニック結晶領域とを備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＦＢ（Distributed feedback）レーザは、内部に設けられた一次元の回折格子によって前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである。この現象は、一次元の回折格子に対しブラック条件を満たす特定の波長の光でのみ生じる。したがって、ＤＦＢレーザによれば、縦モード（発振される光の光軸方向の共振モード）が単一モードである光を安定して発振することができる。
【０００３】
一方、ＤＦＢレーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い換えれば回折格子に対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはならず、フィードバックされない。つまり、ＤＦＢレーザでは、発振される光の光軸方向以外の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという欠点があった。
【０００４】
そこで、近年、二次元の屈折率分布を持った二次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。二次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、二次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。従来の二次元フォトニック結晶レーザは、たとえば以下の構造を有している。
【０００５】
二次元フォトニック結晶レーザは、ダブルへテロ接合を形成するように形成されたｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層と、ＩｎＰ基板と、２つの電極とを備えている。ＩｎＰ基板の主面には、所定の格子配列（たとえば三角格子や正方格子など）で複数の孔が開口されている。これにより、孔の開いていない部分はＩｎＰの屈折率（ｎ＝３．２１）となり、孔の開いている部分は空気の屈折率（ｎ＝１）となり、ＩｎＰ基板の主面は周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶（二次元回折格子）となる。このＩｎＰ基板の主面上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層がこの順序で形成されている。ｐ型クラッド層の主面と、フォトニック結晶が形成されていない側のＩｎＰ基板の主面との各々に、２つの電極の各々が形成されている。
【０００６】
このような二次元フォトニック結晶レーザでは、２つの電極間に適当な電圧を印加することによって、正孔と電子とが活性層に注入される。そして、正孔と電子とが再結合すると、所定の波長を持った光が活性層内に発生する。そして、この光が活性層外へ漏れ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶に伝搬し、フォトニック結晶内における孔の格子点でブラック反射を繰り返す。その結果、各格子点間で定在波が発生し、波長および位相が揃った光となる。そして、この光がフォトニック結晶の主面に垂直な方向から発振される。
【０００７】
従来の二次元フォトニック結晶レーザは、第１のＩｎＰ基板上にフォトニック結晶が形成された形態の第１の部品と、第２のＩｎＰ基板上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層が形成された形態の第２の部品とを作製し、第１のＩｎＰ基板のフォトニック結晶と、第２のＩｎＰ基板におけるフォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを融着貼り付けし、その後第２のＩｎＰ基板を除去し、２つの電極を形成することによって製造されていた。
【０００８】
なお、従来の二次元フォトニック結晶レーザは、たとえば特許文献１、特許文献２、非特許文献１、および非特許文献２に開示されている。特許文献１では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板上にＧａＡｓなどよりなるフォトニックバンド構造が形成された二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献１では、ＩｎＰよりなる基板上にＩｎＰよりなるフォトニック結晶が形成された二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献２では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板に孔を形成したフォトニック結晶を有する二次元フォトニック結晶レーザが開示されている。これらの二次元フォトニック結晶レーザは、全て赤外光を発振するレーザである。さらに、特許文献２では、フォトニック結晶周期構造体が発光領域平面に形成されていて、上部電極の垂直真下には設けられていない構成のレーザが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３４５３号公報
【非特許文献１】横山光他、「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」、日本赤外線学会誌、２００３年、第１２巻、第２号、第１７頁〜第２３頁
【非特許文献２】M.Imada, et al., "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure", App. Phys. Lett., 75 （3） pp.316-318, 19 July 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、青色や紫外光などの短波長の光を発振する二次元フォトニック結晶レーザへの要望が高まっている。青色や紫外光などの短波長の光を発振するためには、紫外光領域のバンドギャップを有するＧａＮなどの材料をフォトニック結晶として用いることが必要になる。しかしながら、ＧａＮをフォトニック結晶として用いた場合には、二次元フォトニック結晶レーザを製造する際にたとえば以下の問題が生じる。
【００１０】
上述のように、二次元フォトニック結晶レーザの製造の際には、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを別体で作製した後で、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層とを融着貼り付けする必要がある。しかし、ＧａＮ結晶表面のＲＭＳ（自乗平均面粗さ）は通常２ｎｍ以上であり、ＧａＮ結晶表面の平坦性は低い。このため、ＧａＮよりなるフォトニック結晶は、他の層と融着貼り付けすることが難しいという問題があった。特に、ｐ型ＧａＮよりなるフォトニック結晶と、ｐ型ＧａＮよりなるクラッド層とを融着貼り付けした場合には、フォトニック結晶とクラッド層とがオーミック接合しない。
【００１１】
ここで、特許文献２には、融着貼り付けを行なわずに製造することのできる二次元フォトニック結晶面発光レーザが開示されている。しかし、特許文献２に開示されたレーザでは、光のフィードバックが起こるフォトニック結晶領域と、電流注入によってゲインを得る発光領域との関係が明確ではない。このため、実際に光のフィードバックによるゲインは起こらず、レーザ発振する構造にはなっていない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、融着貼り付けを行なわずに製造することができ、かつレーザ発振することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は、キャリアの注入により光を発光する活性層と、素子表面に形成された電流注入用電極と、電流注入用電極の垂直真下以外に存在し、活性層で発生した光を回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域とを備えている。フォトニック結晶領域は、第１の屈折率を有する部分と、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有しており、かつ第２の屈折率を有する部分は素子表面にまで伸びている。発光領域は、第２の屈折率を有する部分を有しておらず、かつ発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、キャリアの注入により光を発光する活性層と、活性層にキャリアを注入するための第１および第２クラッド層と、活性層で発生した光を面内で回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域とを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板上に積層する。素子表面に電流注入用電極を形成する。素子表面からエッチングすることにより、第１の屈折率を有する部分と第２の屈折率を有する部分とを有するフォトニック結晶領域を電流注入用電極の垂直真下以外に形成する。電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域の面内方向長さは、フォトニック結晶領域において発生する定在波の、発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００１５】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、活性層を含む層と電流注入用電極とを形成した後で、素子表面における電流注入用電極のない領域から第２の屈折率を有する部分を形成することで、フォトニック結晶領域が作製され、これによって融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。また、電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域には第２の屈折率を有する部分を形成する必要がないので、発光領域へのキャリア注入が第２の屈折率を有する部分によって阻害されることがない。さらに、発光領域の面内方向長さが、フォトニック結晶領域において発生する定在波が発光領域に存在する際の波長の整数倍もしくは半整数倍であることで、発光領域が共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶領域において発生する定在波に対応する波長の定在波が、発光領域にも発生する。したがって、フォトニック結晶領域と発光領域とで定在波が繋がり、２つの領域の全体に定在波が発生することで、フィードバックによるゲインが起こり、レーザ発振することができる。
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分が活性層にまで伸びている。これによって、第２の屈折率を有する部分に要求される深さ方向の設計精度が緩和される。なお、フォトニック結晶領域に存在する活性層の部分には電流が注入されないので、たとえばエッチング加工によるダメージなどによって素子の特性が劣化することはない。
【００１７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、フォトニック結晶領域における第２の屈折率を有する部分は、入射された光を素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている。
【００１８】
第２の屈折率を有する部分が素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件を満たすことで、フォトニック結晶領域内で定在波を発生させることができる。また、第２の屈折率を有する部分が素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件を満たすことで、素子は面発光を実現することができる。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は素子表面に形成された複数の孔であり、フォトニック結晶領域は二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分を有している。
【００２０】
これにより、フォトニック結晶領域内で発生した定在波が欠陥部分から漏れ、素子表面に対して垂直な方向への光が発生する。
【００２１】
なお、「欠陥部分」とは、結晶構造の欠陥を意味しているのではなく、二次元回折格子の配列の欠陥部分を意味している。具体的には、たとえば回折格子点のあるべき位置に格子点がない部分や、他の回折格子点に比べて大きな回折格子点となっている部分などを意味している。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、電流注入用電極は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。
【００２３】
これにより、電極の多角形状の辺方向に沿って、強度の等しい長方形の発光領域を形成することができる。これにより発光領域は丸型電極の場合よりも広がることになるため、光の取り出し効率が高くなる。また、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００２４】
なお、「平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる」とは、半導体レーザ素子を電流注入用電極側から平面的に見たときに多角形の全ての辺の各々が二次元回折格子の回折格子点同士を結ぶ線に平行であるように構成された、多角形よりなることを意味する。
【００２５】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は三角回折格子を構成するように設けられており、電流注入用電極の平面的な外形形状は六角形状である。これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００２６】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第２の屈折率を有する部分は正方格子を構成するように設けられており、電流注入用電極の平面的な外形形状は四角形状である。これにより、辺方向に沿って強度の等しい長方形の発光領域を形成することが可能となる。
【００２７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、電流注入用電極は複数の単位電極からなっている。半導体レーザ素子は、複数の単位電極の各々を電気的に接続するための透明電極をさらに備えている。
【００２８】
これにより、光の取り出しを妨げることなく、複数の単位電極を電気的に接続することができる。その結果、複数の発光領域を同一のアレイとして通電できるようになり、高出力化を図ることができる。
【００２９】
なお、本明細書中において「半導体レーザ素子」とは、アレイ状に配列した複数の半導体レーザ素子によって構成される半導体レーザアレイを含む意味である。
【００３０】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、活性層は、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）よりなる基板上に形成されており、活性層はＧａＮを含む材料よりなっている。
【００３１】
上記製造方法において好ましくは、基板は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣからなり、かつ活性層はＧａＮを含む材料からなっている。
【００３２】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮを含む材料の層をエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ系結晶が得られる、したがって、活性層の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板を用いると、基板に電極を取り付けることで基板を介して電流を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
【００３３】
上記製造方法において好ましくは、第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層は、ＭＯＣＶＤ（metal-organic chemical vapor deposition)法あるいはＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法を用いて連続的に形成される。
【００３４】
これにより、一度のエピタキシャル成長で第１クラッド層、活性層、および第２クラッド層が形成できるので、半導体レーザ素子の製造が単純化され、高歩留まり化および低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、融着貼り付けを行なわずに製造することができ、かつレーザ発振することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、特にＧａＮ系材料を活性層に用いる短波長発光のレーザに関して、図に基づいて説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザ素子１は、基板３と、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層８と、コンタクト層９と、電極１０および１１とを備えている。
【００３８】
基板３はたとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなっており、主面３ａを有している。基板３の主面３ａ上には、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６が形成されており、活性層５がｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれている。ｐ型クラッド層６上には、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９がこの順序で形成されている。コンタクト層９の上面である光放出面９ａ（素子表面）には、電流注入用電極としての電極１０が設けられている。電極１０はたとえば円の平面形状を有している。また、基板３の主面３ａとは反対側の主面３ｂには、一面に電極１１が設けられている。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態１におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態の半導体レーザ素子１は、フォトニック結晶領域Ａと発光領域Ｂとをさらに備えている。言い換えれば、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８は、平面的に見て、電極１０の垂直真下以外に存在するフォトニック結晶領域Ａと、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂとに分けられている。フォトニック結晶領域Ａは、第１の屈折率を有する積層構造（ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を含む積層構造）と、光放出面９ａ（図１）に二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有している。本実施の形態では、第２の屈折率を有する部分が複数の孔２ａによって構成されている。複数の孔２ａは二次元回折格子（本実施の形態においては三角格子）を構成するように設けられており、複数の孔２ａの各々は回折格子点として機能する。各孔２ａは、柱状（例えば、円柱形状）の空間部として設けられている。複数の孔２ａは、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を貫通して光放出面９ａにまで伸びている。各孔２ａの中心と、これと最も近い隣接の６個の孔２ａの中心との距離は等しい値であり、格子定数ａ（孔の中心の間隔）はたとえば０．１９μｍであり、孔２ａの直径はたとえば０．０９μｍである。
【００４０】
なお、孔２ａには、第１の屈折率よりも低屈折率である材料を埋め込むことも可能である。しかしながら、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、孔２ａは何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気を埋め込んだ状態）であることが好ましい。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の積層構造内に光を閉じ込めることができる。なお、孔２ａを埋め込む低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００４１】
一方、発光領域Ｂには複数の孔２ａが形成されておらず、積層構造のみが存在している。フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａおよび発光領域Ｂの面内方向長さｂが満たす条件については、後に詳細に説明する。
【００４２】
図１および図２を参照して、ｎ型クラッド層４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型クラッド層６および８はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共に、活性層５にキャリアを注入し、かつ活性層５へ注入されるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共に、活性層５にキャリア（電子および正孔）および光を閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６は、ダブルヘテロ接合を形成している。このため、キャリアと発光とを活性層５に集中させることができる。
【００４３】
活性層５はたとえばＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる多重量子井戸によって構成されている。また、単一の半導体材料よりなっていてもよい。活性層５は、フォトニック結晶領域Ａに沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、フォトニック結晶領域Ａに沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。
【００４４】
ｐ型クラッド層８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層８は、活性層５に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、コンタクト層９は、電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。電極１０および１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。
【００４５】
なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板３の厚さはたとえば１００μｍであり、ｎ型クラッド層４、ｐ型クラッド層６、およびｐ型クラッド層８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、活性層５の厚みはたとえば０．１μｍである。
【００４６】
次に、半導体レーザ素子１の発光方法について、図１〜図４を用いて説明する。
【００４７】
電極１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層６および８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層４から活性層５へ電子が注入される。活性層５へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層５が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
【００４８】
活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６によって垂直方向には活性層５内に閉じ込められるが、光放出面９ａに平行な方向（水平方向）にはフォトニック結晶領域Ａに到達する。フォトニック結晶領域Ａに到達した光の波長と、フォトニック結晶領域Ａの有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は面内で回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶領域Ａにおいて、光は、光放出面９ａに垂直な方向Ｓ（図１）にも回折される。一方、発光領域Ｂは、その領域長さの規定により、共振器として働くことができる。フォトニック結晶領域および発光領域における光の回折を模式的に図４に示す。フォトニック結晶領域Ａにおいて位相が規定された光は、発光領域Ｂ内の光にフィードバックされ、発光領域Ｂの共振器としての作用により定在波を発生させる。この発光領域Ｂ内の定在波は、フォトニック結晶領域Ａにおいて規定される定在波と繋がっている。つまり、定在波は２つの領域に繋がりながら広がる。
【００４９】
電流は、電極１０の垂直真下の領域に主に注入されるので、発光およびゲインは、電極１０を中心にした発光領域Ａにおいてのみ生じる。上記の定在波により２つの領域に十分な量の光が蓄積されると、波長および位相条件の揃った光が、光放出面９ａから方向Ｓへ誘導放出される。
【００５０】
図５は、フォトニック結晶領域および発光領域に発生する定在波を模式的に示す平面図である。図３および図５を参照して、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａの各々は、隣接する発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａに対して平行な方向へ回折される回折条件（０度の回折条件）と、発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａ（図１）に対して垂直な方向、すなわち方向Ｓへ回折される回折条件（９０度の回折条件）とを同時に満たすように設けられている。
【００５１】
上記回折条件を満たす複数の孔２ａの配列の一例を挙げると、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａの間隔、すなわちフォトニック結晶領域Ａの格子間隔（格子定数）ａは、以下の式（１）の関係を満たしている。
【００５２】
Ｎeff×ａ＝ｍ×（λ／２） ・・・（１）
式（１）において、Ｎeffは活性層を含むフォトニック結晶領域Ａの全スラブ構造の実効屈折率であり、λは真空中における活性層発光の波長であり、ｍは偶数である。格子定数ａが式（１）の条件を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向と、光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓとに、発光領域Ｂからの入射光が回折される。面内での回折が繰り返された結果、フォトニック結晶領域Ａにおいて一定の波長（λ／Ｎeff）を有する定在波が規定される。図５では、ｍ＝２の場合の定在波を示している。
【００５３】
一方、発光領域Ｂの面内方向長さｂは、発光領域Ｂにおいて発生する（規定される）定在波の波長（λ／Ｎeff0）の整数倍もしくは半整数倍となっている（Ｎeff0：活性層を含む発光領域Ｂの全スラブ構造の実効屈折率）。具体的には、発光領域Ｂの面内方向長さｂ（図３）は、以下の式（２）の関係を満たしている。
【００５４】
ｂ＝（ｎ／２）×（λ／Ｎeff0） ・・・（２）
式（２）において、ｎは整数である。発光領域Ｂの面内方向長さｂが式（２）を満たすことによって、発光領域Ｂにおいても定在波が発生する。このとき、発光領域Ｂは共振器として働く。たとえばｎ＝１００の場合には、ｂ＝５０λ／Ｎeff0となる。図５では、ｎ＝８の場合の定在波を示している。発光領域Ｂおよびその周辺の領域は、電極１０から高電流密度の電流が注入される領域であるので、光を増幅するゲイン領域として機能する。
【００５５】
なお、「発光領域Ｂの面内方向長さ」とは、発光領域Ｂの共振器としてのサイズを規定するもので、発光領域Ｂが円の平面形状である場合にはその直径を指し、発光領域Ｂが多角形の場合には互いに平行な２つの辺の間の距離を指す。
【００５６】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法について、図６〜図８を用いて説明する。
【００５７】
始めに、図６を参照して、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣなどよりなる基板３を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ法などを用いて、第１クラッド層としてのｎ型クラッド層４、活性層５、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層６、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９をこの順序で基板３の主面３ａ上に連続的にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板３の直上にバッファ層を形成し、バッファ層の上にｎ型クラッド層４を形成してもよい。次に、図７を参照して、たとえば蒸着法などを用いて、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成する。
【００５８】
次に、図８を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって、所定のパターンを有するレジスト２０をコンタクト層９上における電極１０の周囲に形成する。続いて、レジスト２０をマスクとして光放出面９ａから、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８をＩＣＰ（Inductively coupled plasma）でエッチングする。これによって、電極１０の垂直真下以外の領域がフォトニック結晶領域Ａとなり、電極１０の垂直真下の領域が発光領域Ｂとなる。また、上述のように、発光領域Ｂの面内方向長さｂが、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波が発光領域Ｂ内に存在する際の波長の整数倍もしくは半整数倍となるように、複数の孔２ａの各々を形成する。その後、レジスト２０を除去し、図２に示す半導体レーザ素子１が完成する。
【００５９】
本実施の形態の半導体レーザ素子１は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、光放出面９ａに形成された電極１０と、電極１０の垂直真下以外に存在し、活性層５で発生した光を回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域Ａと、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂとを備えている。フォトニック結晶領域Ａは、積層構造と、二次元回折格子を構成するように設けられた複数の孔２ａとを有しており、かつ複数の孔２ａは光放出面９ａにまで伸びている。発光領域Ｂは、複数の孔を有しておらず、かつ発光領域Ｂの面内方向長さｂは、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００６０】
本実施の形態の半導体レーザ素子１の製造方法は、キャリアの注入により光を発光する活性層５と、活性層５にキャリアを注入するためのｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６と、活性層５で発生した光を面内で回折させるとともに光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓに光を発するフォトニック結晶領域Ａとを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、以下の工程を備えている。ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板３上に積層する。光放出面９ａに電極１０を形成する。光放出面９ａからエッチングすることにより、第１の屈折率を有する積層構造と第２の屈折率を有する複数の孔２ａとを有するフォトニック結晶領域Ａを電極１０の垂直真下以外に形成する。電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂの面内方向長さｂは、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍である。
【００６１】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、活性層５と電極１０とを形成した後で、光放出面９ａにおける電極１０のない領域から複数の孔２ａを有する部分を形成することで、フォトニック結晶領域Ａが作製され、これによって融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。
【００６２】
また、電極１０の垂直真下に存在する発光領域Ｂには孔を形成する必要がないので、発光領域Ｂへのキャリア注入が孔によって阻害されることがない。
【００６３】
さらに、発光領域Ｂの面内方向長さｂが、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波の、発光領域Ｂにおける波長の整数倍もしくは半整数倍であることで、発光領域Ｂが共振器として機能する。これによって、フォトニック結晶領域Ａにおいて発生する定在波と対応する波長の定在波が、発光領域Ｂにも発生する。したがって、フォトニック結晶領域Ａと発光領域Ｂとで定在波が繋がり、２つの領域の全体に定在波が発生することで、フィードバックによるゲインが起こり、レーザ発振することができる。
【００６４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、フォトニック結晶領域Ａにおける複数の孔２ａは、入射された光を光放出面９ａに対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓへ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている。
【００６５】
複数の孔２ａが光放出面９ａに対して平行な方向へ回折する回折条件を満たすことで、フォトニック結晶領域Ａ内で定在波を発生させることができる。また、複数の孔２ａが光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓへ回折する回折条件を満たすことで、素子は面発光を実現することができる。
【００６６】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、活性層５は、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなる基板３上に形成されており、活性層５はＧａＮを含む材料よりなっている。
【００６７】
上記製造方法において、基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣからなり、かつ活性層５はＧａＮを含む材料からなっている。
【００６８】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮを含む材料の層をエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ系結晶が得られる、したがって、活性層５の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板３を用いると、基板３に電極１１を取り付けることで基板３を介して電流を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
【００６９】
上記製造方法において、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６は、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いて連続的に形成される。
【００７０】
これにより、一度のエピタキシャル成長でｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６が形成できるので、半導体レーザ素子の製造が単純化され、高歩留まり化および低コスト化を図ることができる。
【００７１】
（実施の形態２）
実施の形態１では、複数の孔２ａが活性層５にまで達していない場合について示した。しかし、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、たとえば以下に示す構成であってもよい。
【００７２】
図９は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図９に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、複数の孔２ａの各々は、コンタクト層９、ｐ型クラッド層８、ｐ型クラッド層６、活性層５、およびｎ型クラッド層４を貫通して、光放出面９ａから基板３の主面３ａにまで達している。このような構成の半導体レーザ素子１ａは、実施の形態１における図８に示す製造工程において、光放出面９ａから、コンタクト層９、ｐ型クラッド層８、ｐ型クラッド層６、活性層５、およびｎ型クラッド層４をエッチングすることによって得られる。
【００７３】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成およびその製造方法は、実施の形態１の半導体レーザ素子１およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、複数の孔２ａの各々は活性層５にまで伸びている。これによって、複数の孔２ａの各々に要求される深さ方向の設計精度が緩和される。なお、フォトニック結晶領域Ａに存在する活性層５の部分には電流が注入されないので、複数の孔２ａを形成することによって素子の特性が劣化することはない。
【００７５】
（実施の形態３）
実施の形態１では、フォトニック結晶領域Ａの複数の孔２ａが図３に示すような三角格子を構成するように設けられている場合について示した。しかしながら、複数の孔２ａの配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。
【００７６】
図１０は、本発明の実施の形態３におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。図１０に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶領域Ａには、複数の孔２ａが正方格子を形成するように設けられている。正方格子の格子定数はｄとなっている。
【００７７】
また、フォトニック結晶領域Ａは、二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分１４を有している。図１０においては、孔２ａがあるべき部分に孔が形成されていない部分が欠陥部分１４となっている。
【００７８】
なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成およびその製造方法は、実施の形態１における半導体レーザ素子１の構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７９】
本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態１の半導体レーザ素子と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
本実施の形態の半導体レーザ素子において、第２屈折率を有する部分は複数の孔２ａであり、フォトニック結晶領域Ａは二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分１４を有している。
【００８１】
実施の形態１では、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは上記式（１）の関係を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向とに、光放出面９ａに対して垂直な方向Ｓとに発光領域Ｂからの入射光が回折される場合について示した。しかし、本実施の形態では、フォトニック結晶領域Ａ内で発生した定在波が欠陥部分１４から漏れ、方向Ｓへの光が発生する。したがって、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、上記式（１）を満たさなくてもよいことになり、発光領域Ｂからの入射光が光放出面９ａに対して平行な方向へ回折される回折条件を少なくとも満たせばよいことになる。
【００８２】
上記回折条件を満たすためには、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、ｍが整数である場合の上記式（１）を満たせばよい。言い換えれば、フォトニック結晶領域Ａの格子定数ａは、上記式（１）においてｍが偶数である場合の値の他、ｍが奇数である場合の値であってもよい。この回折条件を満たすことによって、光放出面９ａに対して平行な方向に発光領域Ｂからの入射光が回折され、欠陥部分１４から漏れる光によって方向Ｓへの光が発生する。その結果、フォトニック結晶領域Ａにおいて一定の波長（λ／Ｎeff）を有する定在波が規定される。一方で、発光領域Ｂでは、実施の形態１と同様に波長（λ／Ｎeff0）を有する定在波が規定され、両者は繋がる。そして、発振した光が光放出面９ａから放出される。
【００８３】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。図１１に示すように、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｃでは、電極１０の平面的な外形形状が実施の形態１の場合と異なっている。本実施の形態において、光放出面９ａ上に設けられた電極１０は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。具体的には、電極１０は平面的な外形形状が六角形であり、六角形の全ての辺の各々が複数の孔２ａ同士を結ぶ線Ｃに平行であるように構成されている。
【００８４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ｃによれば、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを円形電極の場合と比較して詳細に説明する。
【００８５】
図１２は、電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図１２を参照して、複数の孔１０２ａの配列パターンは三角格子となっている。発光強度は電極１１０の寸法に依存する。具体的には格子配列に沿った方向について考えてみる。位置Ｃ１０１と位置Ｃ１０２との間の長さＣ１１が式（２）を満たしているとする。すると、位置Ｃ１０１と位置Ｃ１０２との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ１０５と位置Ｃ１０６との間の長さＣ１３が式（２）を満たしているとすると、位置Ｃ１０５と位置Ｃ１０６との間には定在波が発生し、発光する。一方、位置Ｃ１０３と位置Ｃ１０４との間の長さＣ１２は、式（２）を満たしていない。このため、位置Ｃ１０３と位置Ｃ１０４との間には定在波が発生せず、発光しない。その結果、実際に発光する領域Ｓ１１は、発光領域Ｂの円周に沿った一部の領域のみとなるので、発光強度が不均一になる。
【００８６】
これに対して本実施の形態においては、図１３を参照して、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの三角格子の方位に合わせた六角形状の外形を有している。このため、発光強度が六角電極１０の各辺に沿って均一になる。具体的には、位置Ｃ１と位置Ｃ２とは、格子配列に沿った位置にあり、かつ位置Ｃ１と位置Ｃ２との間の長さＣ５は、式（２）を満たしている。このため、位置Ｃ１と位置Ｃ２との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ３と位置Ｃ４との間の長さＣ６は、式（２）を満たしているので、位置Ｃ３と位置Ｃ４との間には定在波が発生し、発光する。これにより図中太線の矢印で示すように、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、六角電極１０の各辺の周囲に生じる、実際に発光する領域Ｓ１は平面的に見て長方形となる。また六角電極１０の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００８７】
このように本実施の形態によれば、円形電極ではムラのあった発光する領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また六角電極１０の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００８８】
（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。図１４に示すように、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｄでは、複数の孔２ａの配列パターンと、電極１０の平面的な外形形状とが実施の形態１の場合と異なっている。本実施の形態において、複数の孔２ａは、実施の形態３で説明したような正方格子を形成するように設けられている。また、光放出面９ａ上に設けられた電極１０は、平面的な外形形状が二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなっている。具体的には、電極１０は平面的な外形形状が四角形であり、四角形の全ての辺の各々が複数の孔２ａ同士を結ぶ線Ｃに平行であるように構成されている。
【００８９】
なお、これ以外の本実施の形態の構成については上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９０】
本実施の形態によれば、実施の形態４と同様、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有しているため、光の取り出し効率を高くできるとともに、発振強度のムラを抑制することができる。以下、そのことを円形電極の場合と比較して詳細に説明する。
【００９１】
図１５は、電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。図１５を参照して、複数の孔１０２ａの配列パターンは正方格子となっている。実施の形態４で説明したように、発光強度は電極１１０の寸法に依存する。具体的には、格子配列に沿った方向について考えてみる。位置Ｃ１０７と位置Ｃ１０８との間の長さＣ１４が式（２）を満たしているとする。すると、位置Ｃ１０７と位置Ｃ１０８との間には定在波が発生し、発光する。一方、位置Ｃ１０９と位置Ｃ１１０との間の長さＣ１５は、式（２）を満たしていない。このため、位置Ｃ１０９と位置Ｃ１１０との間には定在波が発生せず、発光しない。その結果、二次元格子配列が正方格子であるときにも、実際に発光する領域Ｓ１２は、発光領域Ｂの円周に沿った一部の領域のみとなるので、発光強度が不均一になる。
【００９２】
これに対して本実施の形態においては、図１６を参照して、電極１０がフォトニック結晶領域Ａの正方格子の方位に合わせた四角形状の外形を有している。このため、発光強度が四角電極１０の各辺に沿って均一になる。具体的には、位置Ｃ７と位置Ｃ８とは、格子配列に沿った位置にあり、かつ位置Ｃ７と位置Ｃ８との間の長さＣ１１は、式（２）を満たしている。このため、位置Ｃ７と位置Ｃ８との間には定在波が発生し、発光する。同様に、位置Ｃ９と位置Ｃ１０との間の長さＣ１２は、式（２）を満たしているので、位置Ｃ９と位置Ｃ１０との間には定在波が発生し、発光する。これにより図中太線の矢印で示すように、各格子配列に沿う部分の各々で発光強度が等しくなり、四角電極１０の各辺の周囲に生じる、実際に発光する領域Ｓ２は平面的に見て長方形となる。また四角電極１０の各辺に沿って発光強度が均一になる。
【００９３】
このように本実施の形態によれば、円形電極においてムラのあった発光する領域の形状を長方形にして広げることができるため、より多くの光を取り出すことが可能となり、光の取り出し効率を高めることができる。また四角電極１０の各辺に沿って発光強度を均一にすることができるため、発振強度のムラを抑制することができる。
【００９４】
（実施の形態６）
図１７は、本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子（アレイ）の構成を示す断面図である。図１７を参照して、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｅは、透明電極１６をさらに備えている。また、電極１０は複数の単位電極１０ａ，１０ｂを有している。透明電極１６は複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を覆うようにコンタクト層９上一面に形成されており、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を電気的に接続している。透明電極１６はたとえばＩＴＯ（indium-tin oxide）よりなっている。
【００９５】
また、半導体レーザ素子１ｅにおいては、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下の領域には複数の発光領域の各々がアレイ状に配列して形成されており、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下以外の領域にはフォトニック結晶領域が形成されている。つまり、複数の孔２ａは、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々における垂直真下以外の領域に形成されている。
【００９６】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｅの構成は、実施の形態１における半導体レーザ素子１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９７】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ｅにおいて、電極１０は複数の単位電極１０ａ，１０ｂを有している。半導体レーザ素子１ｅは、複数の単位電極１０ａ，１０ｂの各々を電気的に接続するための透明電極１６をさらに備えている。
【００９８】
これにより、光の取り出しを妨げることなく、複数の単位電極１０ａ，１０ｂを電気的に接続することができる。その結果、複数の発光領域を同一の素子として通電できるようになり、高出力化を図ることができる。
【実施例】
【００９９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１００】
（実施例１）
本実施例では、以下の製造方法を用いて、本発明例Ａ〜Ｃの半導体レーザ素子の作製を試みた。
【０１０１】
本発明例Ａ：基板３として、低転位導電性ＧａＮ基板を準備した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９を、この順序でエピタキシャル成長させることにより基板３上に形成した。活性層５の発光波長は４１０ｎｍ（紫色）とした。続いて、コンタクト層９の光放出面９ａに円形状のｐ型オーミック電極１０を形成し、基板３の主面３ｂ全面にｎ型オーミック電極１１を形成した。ｐ型オーミック電極１０の直径（すなわち発光領域Ｂの面内長さｂ）は、５０λ／Ｎeff0とした。次に、コンタクト層９上における電極１０の周囲に、レジスト２０として電子ビーム露光用フォトレジスト（ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光機を用いて複数の孔のレジストパターンを描画した。続いて、このレジストパターンをマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥ（Reactive ion etching）法を用いて、コンタクト層９およびｐ型クラッド層８をエッチングし、複数の孔２ａを形成した。これによって、フォトニック結晶領域Ａを作製し、半導体レーザ素子を得た。フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが正方格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝２の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。
【０１０２】
本発明例Ｂ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、複数の孔２ａを形成する際、ｐ型クラッド層８でエッチングを止めずにさらにｐ型クラッド層６および活性層５までエッチングし、活性層５に達する孔２ａを形成した。
【０１０３】
本発明例Ｃ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが三角格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／２Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝１の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。また、フォトニック結晶領域Ａには、空気孔１１個に対して１個の割合で、孔を形成しない欠陥部分１４を形成した。
【０１０４】
上記の３種類の半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、本発明例Ａ〜Ｃの全てにおいて、約７ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、光放出面９ａにおける電極１０の外周部から出射した。特に本発明例Ｃについては、電極１０の外周部の狭い位置からレーザ光が出射した。
【０１０５】
（実施例２）
本実施例では、電流注入用電極の平面形状を規定することの効果について調べた。具体的には、以下の製造方法を用いて、本発明例ＤおよびＥの半導体レーザ素子を作製した。
【０１０６】
本発明例Ｄ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、電極１０については、正方格子の方位に合わせた四角形の平面形状とした。
【０１０７】
本発明例Ｅ：本発明例Ａとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、フォトニック結晶領域Ａとしては、複数の孔２ａが三角格子を構成するように設けられていて、格子定数ａがａ＝λ／Ｎeff（つまり、上記式（１）においてｍ＝２の場合）の関係を満たすフォトニック結晶領域を作製した。電極１０については、三角格子の方位に合わせた六角形の平面形状とした。
【０１０８】
上記の２種類の半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、本発明例ＤおよびＥのいずれにおいても、約４ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、光放出面９ａにおける電極１０の外周部から出射した。このことから、円形電極を用いた場合に比べてレーザ光発振の閾値を低下できることが分かる。
【０１０９】
（実施例３）
本実施例では、電流注入用電極が複数の単位電極と透明電極とを有することの効果について調べた。具体的には、以下の製造方法を用いて、本発明例Ｆを作製した。
【０１１０】
本発明例Ｆ：本発明例Ｄとほぼ同様の製造方法によって半導体レーザ素子を作製した。但し、電極１０が有する単位電極として、光放出面９ａ内に１０個×１０個のアレイ状の単位電極を形成した。また、これによって複数の単位電極の各々における垂直真下の領域に複数の発光領域を形成した。さらに、電極１０が有する透明電極１６として、ＩＴＯよりなる透明電極を光放出面９ａ全面に蒸着し、複数の単位電極の各々を電気的に接続した。
【０１１１】
上記の本発明例Ｆの半導体レーザ素子について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、それぞれの発光領域から約４ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。また、本発明例Ｄの半導体レーザ素子におけるレーザ光の出力は０．７ｍＷであったのに対して、本発明例Ｆの半導体レーザ素子におけるレーザ光の出力は７０ｍＷであった。このことから、電流注入用電極が複数の単位電極と透明電極とを有することで、閾値電流密度を同程度に保ちつつレーザアレイが簡便に構成できることが分かる。
【０１１２】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、ＧａＮを含むフォトニック結晶領域を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。
【図４】フォトニック結晶領域および発光領域における光の回折を模式的に示す断面図である。
【図５】フォトニック結晶領域および発光領域に発生する定在波を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３におけるｐ型クラッド層の構成を示す部分平面図である。
【図１１】本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図１２】電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１３】電極の平面形状が六角形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図１５】電極の平面形状が円形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１６】電極の平面形状が四角形である場合の発光領域を説明するための平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１，１ａ，１ｃ〜１ｅ 半導体レーザ素子、２ａ，１０２ａ 孔、３ 基板、３ａ，３ｂ 基板主面、４ ｎ型クラッド層、５ 活性層、６，８ ｐ型クラッド層、９ コンタクト層、９ａ 光放出面、１０，１１，１１０ 電極、１０ａ，１０ｂ 単位電極、１４ 欠陥部分、１６ 透明電極、２０ レジスト。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアの注入により光を発光する活性層と、
素子表面に形成された電流注入用電極と、
前記電流注入用電極の垂直真下以外に存在し、前記活性層で発生した光を回折させるとともに前記素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、
前記電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域とを備え、
前記フォトニック結晶領域は、第１の屈折率を有する部分と、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有し、かつ前記第２の屈折率を有する部分は前記素子表面にまで伸びており、
前記発光領域は、第２の屈折率を有する部分を有しておらず、かつ前記発光領域の面内方向長さは、前記フォトニック結晶領域において発生する定在波の、前記発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の屈折率を有する部分が前記活性層にまで伸びている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶領域における前記第２の屈折率を有する部分は、入射された光を前記素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を前記素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２の屈折率を有する部分は前記素子表面に形成された複数の孔であり、前記フォトニック結晶領域は前記二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流注入用電極は、平面的な外形形状が前記二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２の屈折率を有する部分は三角回折格子を構成するように設けられており、前記電流注入用電極の平面的な外形形状は六角形状である、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２の屈折率を有する部分は正方格子を構成するように設けられており、前記電流注入用電極の平面的な外形形状は四角形状である、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記電流注入用電極は複数の単位電極からなり、
前記複数の単位電極の各々を電気的に接続するための透明電極をさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記活性層は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンよりなる基板上に形成されており、前記活性層は窒化ガリウムを含む材料よりなる、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
キャリアの注入により光を発光する活性層と、前記活性層に前記キャリアを注入するための第１および第２クラッド層と、前記活性層で発生した光を面内で回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域とを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記第１クラッド層、前記活性層、および前記第２クラッド層をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板上に積層する工程と、
前記素子表面に電流注入用電極を形成する工程と、
前記素子表面からエッチングすることにより、第１の屈折率を有する部分と第２の屈折率を有する部分とを有するフォトニック結晶領域を前記電流注入用電極の垂直真下以外に形成する工程とを備え、
前記電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域の面内方向長さは、前記フォトニック結晶領域において発生する定在波の、前記発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１クラッド層、前記活性層、および前記第２クラッド層は、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いて連続的に形成される、請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記基板は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンからなり、かつ前記活性層は窒化ガリウムを含む材料からなる、請求項１０または１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１】
キャリアの注入により光を発光する活性層と、
素子表面に形成された電流注入用電極と、
前記電流注入用電極の垂直真下以外に存在し、前記活性層で発生した光を回折させるとともに前記素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域と、
前記電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域とを備え、
前記フォトニック結晶領域は、第１の屈折率を有する部分と、二次元回折格子を構成するように設けられた第２の屈折率を有する部分とを有し、かつ前記第２の屈折率を有する部分は前記素子表面にまで伸びており、
前記発光領域は、第２の屈折率を有する部分を有しておらず、かつ前記発光領域の面内方向長さは、前記フォトニック結晶領域において発生する定在波の、前記発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２の屈折率を有する部分が前記活性層にまで伸びている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶領域における前記第２の屈折率を有する部分は、入射された光を前記素子表面に対して平行な方向へ回折する回折条件と、入射された光を前記素子表面に対して垂直な方向へ回折する回折条件とを同時に満たすように設けられている、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２の屈折率を有する部分は前記素子表面に形成された複数の孔であり、前記フォトニック結晶領域は前記二次元回折格子の構成を崩すような欠陥部分を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流注入用電極は、平面的な外形形状が前記二次元回折格子の方位に合わせた多角形状よりなる、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２の屈折率を有する部分は三角回折格子を構成するように設けられており、前記電流注入用電極の平面的な外形形状は六角形状である、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第２の屈折率を有する部分は正方格子を構成するように設けられており、前記電流注入用電極の平面的な外形形状は四角形状である、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記電流注入用電極は複数の単位電極からなり、
前記複数の単位電極の各々を電気的に接続するための透明電極をさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記活性層は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンよりなる基板上に形成されており、前記活性層は窒化ガリウムを含む材料よりなる、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
キャリアの注入により光を発光する活性層と、前記活性層に前記キャリアを注入するための第１および第２クラッド層と、前記活性層で発生した光を面内で回折させるとともに素子表面に対して垂直な方向に光を発するフォトニック結晶領域とを含む半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記第１クラッド層、前記活性層、および前記第２クラッド層をエピタキシャル成長法によってこの順序で基板上に積層する工程と、
前記素子表面に電流注入用電極を形成する工程と、
前記素子表面からエッチングすることにより、第１の屈折率を有する部分と第２の屈折率を有する部分とを有するフォトニック結晶領域を前記電流注入用電極の垂直真下以外に形成する工程とを備え、
前記電流注入用電極の垂直真下に存在する発光領域の面内方向長さは、前記フォトニック結晶領域において発生する定在波の、前記発光領域における波長の整数倍もしくは半整数倍である、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１クラッド層、前記活性層、および前記第２クラッド層は、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いて連続的に形成される、請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記基板は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンからなり、かつ前記活性層は窒化ガリウムを含む材料からなる、請求項１０または１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−１７９５７３（Ｐ２００６−１７９５７３Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３６９２７６（Ｐ２００４−３６９２７６）
【出願日】平成１６年１２月２１日（２００４．１２．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２１日（２００４．１２．２１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]