端面発光型フォトニック結晶レーザ素子
【課題】 安定したレーザ光を出射可能な端面発光型フォトニック結晶レーザ素子を提供する。
【解決手段】 端面発光型フォトニック結晶レーザ素子１０は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、端面のうちの１つはレーザ光出射面ＳＦであり、端面のうちのレーザ光出射面ＳＦに対向する面を逆側端面ＳＢとし、端面のうちの残りの一対の端面を側方端面ＳＲ，ＳＬとする。端面発光型フォトニック結晶レーザ素子１０をＸ軸方向から見た場合、上部電極Ｅ２の一端はレーザ光出射面ＳＦに重なり、上部電極Ｅ２と逆側端面ＳＢとは離間し、上部電極Ｅ２と双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとは離間し、且つ、活性層３Ｂの一端はレーザ光出射面ＳＦに重なっている。
【解決手段】 端面発光型フォトニック結晶レーザ素子１０は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、端面のうちの１つはレーザ光出射面ＳＦであり、端面のうちのレーザ光出射面ＳＦに対向する面を逆側端面ＳＢとし、端面のうちの残りの一対の端面を側方端面ＳＲ，ＳＬとする。端面発光型フォトニック結晶レーザ素子１０をＸ軸方向から見た場合、上部電極Ｅ２の一端はレーザ光出射面ＳＦに重なり、上部電極Ｅ２と逆側端面ＳＢとは離間し、上部電極Ｅ２と双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとは離間し、且つ、活性層３Ｂの一端はレーザ光出射面ＳＦに重なっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、半導体基板上に、Ｎ型クラッド層、活性層、回折格子層（フォトニック結晶層）、Ｐ型クラッド層を順次形成し、これらからなる基板の上下面に、それぞれ駆動電極を配置したものである。これらの半導体材料はＡｌＧａＡｓ系の材料からなり、Ａｌの組成比を変更することで、屈折率とエネルギーバンドギャップを変えることができる。基板の厚み方向をＸ軸方向とし、長手方向をＺ軸方向とし、幅方向をＹ軸方向とすると、上面電極は細長くＺ軸方向に沿って延びている。Ｚ軸方向に垂直な両端面の一方には、無反射コーティング、他方には高反射コーティングが施されている。高反射コーディングがされない場合においても、半導体の屈折率は、空気の屈折率（＝１）よりも高いので、内部で発生した光は、半導体内部に閉じ込められる傾向がある。
【０００３】
活性層で発生した光は、フォトニック結晶層内にも存在し、フォトニック結晶層による回折の影響を受けて、二次元的な共振状態が発生する。２次元的な共振状態の光のうち一部が、無反射コーティングが施された端面から光出力として取り出される。通常のファブリペローレーザと異なり、±Ｙおよび±Ｚ方向においてもフォトニック結晶の効果によりモードが規定されるため、ブロードエリアの縦横単一モード半導体レーザが実現される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】渡邉明佳他、「２次元フォトニック結晶を用いた端面出射型半導体レーザの作製（Ｉ）」：第５８回応用物理学関係連合講演会予稿集２６ａ−ＫＡ−３ （２０１１）
【非特許文献２】酒井恭輔他、”Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ Ｓｑｕａｒｅ−Ｌａｔｔｉｃｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌａｓｅｒｓ Ｗｉｔｈ ＴＥ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔμｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ４６， ７８８−７９５ （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような端面発光型フォトニック結晶レーザ素子においては、Ｚ軸方向に垂直な両端面間の光の往復により発生するモード（ファブリペローモードとする）、２次元フォトニック結晶からなる回折格子層内の光に起因して発生するモードが混在するため、これらのモード混在の影響により、安定したレーザ光の発生が不十分であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、安定したレーザ光を出射可能な端面発光型フォトニック結晶レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、半導体からなる下部クラッド層と、半導体からなる上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた量子井戸層からなる活性層であって、この量子井戸層が前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する複数のバリア層と前記バリア層間に位置する井戸層とを有する活性層と、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくともいずれか一方と前記活性層との間に設けられた領域を有する回折格子層と、前記下部クラッド層の表面上に設けられた下部電極と、前記上部クラッド層の表面上に設けられた上部電極と、を備え、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に沿ってレーザ光出射面が位置する端面発光型フォトニック結晶レーザ素子において、この端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、前記端面のうちの１つは前記レーザ光出射面であり、前記端面のうちの前記レーザ光出射面に対向する面を逆側端面とし、前記端面のうちの残りの一対の端面を側方端面とし、Ｘ軸方向から見た場合、前記上部電極の一端は前記レーザ光出射面に重なり、前記上部電極と前記逆側端面とは離間し、前記上部電極と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、前記活性層の一端は前記レーザ光出射面に重なっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子における上述の２種のモードのうち、相対的に後者のモード（回折格子層依存のモード）を支配的にさせるため、ファブリペローモードを抑制している。
【０００９】
すなわち、上部電極と下部電極との間に駆動電流を流すと、活性層内においてキャリアの再結合が生じて発光が生じる。活性層内にキャリアを注入して反転分布を形成した状態で、発生した光が活性層内を通ると、誘導放出が生じてレーザ光が生成される。ここで、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードを抑制する。すなわち、上部電極は、逆側端面とは離間しているため、この離間領域には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードが抑制される。
【００１０】
また、上部電極は、側方端面とも離間しているため、この離間領域に対応した活性層内には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードが抑制される。
【００１１】
したがって、相対的には、ファブリペローモードが抑制され、回折格子層依存のモードが支配的になる。活性層におけるキャリア再結合によって発生した光は、回折格子層内にも到達し、特定の波長成分が選択的に回折格子層内を通過し、活性層内に戻る。この光に誘導されて活性層内で発生するレーザ光は、一部分がレーザ光出射面から出射される。
【００１２】
なお、活性層における光出射面以外の端面においては、上述のファブリペローモードを抑制するために、当該端面における反射が抑制されることが好ましい。反射面が存在すれば、これは共振器の１つの反射鏡となり、ファブリペローモードを誘起しうるからである。空気の屈折率を１とすると、半導体の屈折率は１よりも大きい。したがって、半導体からなる活性層の端面が、空気に対して露出している場合には、これらの間には大きな屈折率差があり、反射が生じる。反射率は、屈折率差が大きいほど高くなる。活性層の端面に、半導体材料が接触している場合には、屈折率差は小さくなり、反射率は低下し、ファブリペローモードは抑制される。
【００１３】
また、活性層の端面に接触する半導体材料が、ファブリペローモードのレーザ共振波長に対して、透明であれば、すなわち、広いエネルギーバンドギャップを有していれば、半導体材料内部における吸収や反射が抑制される。このレーザ共振波長は、概ね活性層における井戸層に対応するエネルギーバンドギャップに対応する波長である。なお、一般には、波長λ（ｎｍ）とエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇの関係があり、λとＥｇは反比例の関係にある。すなわち、半導体材料のエネルギーバンドギャップが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも広ければ、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得る。
【００１４】
したがって、本発明に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸方向から見た場合、前記活性層と前記逆側端面とは離間し、前記活性層と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記レーザ光出射面を除き、前記活性層は、前記井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料に接触していることが好ましい。
【００１５】
この場合、上記の如く、活性層端面が半導体材料に接触していることにより、活性層と半導体材料の間の屈折率差は、空気に接している場合の屈折率差よりも小さくなり、更に、半導体材料が広いエネルギーバンドギャップを有していることにより、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得るので、ファブリペローモードが更に抑制されることになる。なお、屈折率は、光伝搬に関わる領域内の平均屈折率を意味するものとする。
【００１６】
半導体材料の透明性に関して、レーザ共振波長は、井戸層のバンド端のエネルギーバンドギャップよりも、若干広いエネルギーバンドギャップに対応した波長成分を有している。
【００１７】
そこで、前記半導体材料は、前記活性層内におけるＺ軸方向のレーザ共振波長に対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有していることが好ましい。この場合には、当該レーザ共振波長のレーザ光に対して、半導体材料は透明となる。
【００１８】
また、前記回折格子層は、前記半導体材料からなる基本層と、前記基本層内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部と、を備え、前記基本層は、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記活性層に接触していることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、回折格子層を構成する基本層の一部領域を、前述の半導体材料として、活性層の端面に接触させるという簡単な構成で、上述のファブリペローモードの抑制構造を形成することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子によれば、回折格子層に起因するレーザ光のモードに対して混在するファブリペローモードを抑制することが可能なので、安定したレーザ光を出射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】半導体レーザ素子の平面図である。
【図３】半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印縦断面図である。
【図４】半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ矢印水平断面図である。
【図５】半導体レーザ素子のＶ−Ｖ矢印水平断面図である。
【図６】活性層に接触する半導体材料を示す図である。
【図７】半導体レーザ素子の層構造を示す図である。
【図８】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図９】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図１０】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図１１】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の変形例を示す図である。
【図１２】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の別の変形例を示す図である。
【図１３】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の更に別の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、実施の形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子について説明する。同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２３】
図１は、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子の斜視図である。
【００２４】
半導体レーザ素子１０の立体形状は、直方体である。ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に平行にレーザ光出射面が位置する。レーザ光出射面からは、Ｚ軸方向に沿ってレーザ光ＬＢが出射される。なお、斜方晶の半導体構成材料を採用する場合には、半導体レーザ素子１０の立体形状は平行六面体とすることも可能である。この場合、半導体レーザ素子が直方体である場合と同様に、レーザ光出射面は、ＸＹ平面に沿ってはいるものの、ＸＹ平面から若干の傾斜を有することとなる。
【００２５】
半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、回折格子層４、上部クラッド層５、コンタクト層６を順次備えている。これらの材料は、いずも半導体からなる。発光層３は、下部クラッド層２と回折格子層４との間に位置する半導体層とし、量子井戸層からなる活性層を含んでいる。本例では、好適には、発光層３は、図７に示すように、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅを順次積層してなる。ガイド層３Ａのエネルギーバンドギャップは、活性層３Ｂにおけるバリア層のエネルギーバンドギャップ以上の広さを有し、いずれのクラッド層のエネルギーバンドギャップよりも狭い。スペーサ層３Ｃは、半導体層間の適当な距離を確保するための層であり、バリア層と同等のエネルギーバンドギャップを有する。なお、コンタクト層６上には、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の絶縁層Ｆが必要に応じて設けられ、上部電極Ｅ２は絶縁層Ｆに設けられた開口内に形成される。
【００２６】
半導体レーザ素子１０は、半導体基板１の裏面の全領域上に設けられた下部電極Ｅ１と、上部クラッド層５の表面の一部領域上に設けられた上部電極Ｅ２とを備えている。下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の特定の波長を決定している。
【００２７】
半導体レーザ素子１０においては、Ｚ軸方向に沿ったレーザ共振であるファブリペローモードの他、回折格子層４に起因するレーザ共振のモードなどが混在し得る。
【００２８】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる上部電極Ｅ２の直下の領域である。上部電極Ｅ２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｌなどの金属、或いは、１×１０１９／ｃｍ３以上の高濃度に不純物が添加された化合物半導体を用いることができる。下部電極Ｅ１の材料も同様である。
【００２９】
なお、活性層３Ｂについて詳説すれば、活性層３Ｂは、下部クラッド層２と上部クラッド層５との間に設けられた量子井戸層からなる。活性層３Ｂを構成する量子井戸層は、図６に示すように、複数のバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５と、これらのバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５間に位置する井戸層３Ｂ２，３Ｂ４からなる。バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５は、下部クラッド層２及び上部クラッド層５のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する。なお、井戸層３Ｂ２，３Ｂ４は、バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５よりも小さなエネルギーバンドギャップを有する。
【００３０】
回折格子層４は、活性層３Ｂと上部クラッド層５との間に位置しているが、これは活性層４Ｂと下部クラッド層２との間に位置していてもよく、双方に回折格子層を有する構成も可能である。すなわち、回折格子層４は、下部クラッド層２及び上部クラッド層５の少なくともいずれか一方と活性層３Ｂとの間に設けられた領域を有している。
【００３１】
図２は、図１に示した半導体レーザ素子の平面図である。
【００３２】
半導体レーザ素子１０は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有している。すなわち、Ｚ軸正方向の前面側に位置し、ＸＹ平面に沿ったレーザ光出射面ＳＦ、これとは逆の後側に位置する逆側端面ＳＢ、ＸＺ平面に沿った側方端面ＳＲ,ＳＬである。換言すれば、４つの端面のうちの１つはレーザ光出射面ＳＦであり、これらの端面のうちのレーザ光出射面ＳＦに対向する面が逆側端面ＳＢであり、これらの端面のうちの残りの一対の端面が側方端面ＳＲ，ＳＬである。ＹＺ平面とこれらの各端面との構成は線分であり、長方形を構成している。
【００３３】
半導体レーザ素子１０を、Ｘ軸方向から見た場合、上部電極Ｅ２の前側の一端Ｅ２Ｆはレーザ光出射面ＳＦに重なり、上部電極Ｅ２の後側の一端Ｅ２Ｂと逆側端面ＳＢとは距離ＺＢ１だけ離間し、上部電極Ｅ２の両側の一端Ｅ２Ｒ，Ｅ２Ｌと双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとはそれぞれ距離ＹＲ１、ＹＬ１だけ離間している。また、Ｘ軸方向から見た場合、活性層３Ｂの前側の一端（ＹＺ平面内では電極Ｅ２の一端Ｅ２Ｆと同じ位置）はレーザ光出射面ＳＦに重なっている。
【００３４】
回折格子層４は、Ｘ軸方向から見た場合、回折格子形成領域ＲＰＣを備えている。回折格子形成領域ＲＰＣ内においては、ＹＺ平面内において屈折率が周期的に変化している。なお、Ｘ軸方向から見た回折格子形成領域ＲＰＣは、活性層の形成領域よりも広く設定されている。活性層３Ｂの存在する光伝搬に関与する領域に、常に回折格子形成領域ＲＰＣを存在させるためである。
【００３５】
上述の半導体レーザ素子においては、Ｘ軸方向から見た場合に、上部電極Ｅ２の外側の領域には、活性層３Ｂを含む発光層３が存在しないマージン領域がある。このマージン領域は、活性層３Ｂにおける端面における反射及び基本層４Ａ内部における反射を抑制する機能もあるため、端面反射抑制領域ということができる。
【００３６】
上部電極Ｅ２直下の領域の外側に位置する端面反射抑制領域には、原則として、活性層３Ｂとしての量子井戸層が存在しないが、上部電極Ｅ２を上記構造とすることで、端面反射抑制領域に電流（キャリア）が注入されないのであれば、この領域内に量子井戸層が存在することとしても、レーザ共振は生じないこととなる。なお、端面反射抑制領域はレーザ共振波長の光に対してゲインを有せず、端面反射抑制領域ではレーザ共振波長の光に対して吸収が抑制されている。
【００３７】
図３は、半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印縦断面図である。
【００３８】
回折格子層４は、発光層３の上部電極Ｅ２側に接触し、また、発光層３の側面に接触している。回折格子層４は、半導体材料からなる基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部４Ｂとを備えている。このような屈折率の異なる材料の界面では光が散乱されるが、散乱体を周期的に配置することにより、特定波長の光が強め合って定在波状態を形成し、回折格子層４Ｂ内において共振する。
【００３９】
上部電極Ｅ２と下部電極Ｅ１との間に駆動電流を流すと、活性層３Ｂ内においてキャリアの再結合が生じて発光が生じる。活性層３Ｂ内にキャリアを注入して反転分布を形成した状態で、発生した光が活性層内を通ると、誘導放出が生じてレーザ光が生成される。ここで、レーザ光出射面ＳＦと逆側端面ＳＢとの間に生じるファブリペローモードを抑制する。すなわち、図２に示すように、上部電極Ｅ２は、逆側端面３Ｂとは距離ＺＢ１だけ離間しているため、この離間領域には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面ＳＦと逆側端面ＳＢとの間に生じるファブリペローモードのレーザ光の発生が抑制される。
【００４０】
また、上部電極Ｅ２は、図２に示したように側方端面とも距離ＹＲ１、ＹＬ１だけ離間しているため、この離間領域に対応した活性層内には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、側方端面ＳＲ，ＳＬの間で生じるファブリペローモードのレーザ光発生が抑制される。
【００４１】
なお、上部電極Ｅ２の幅方向の寸法をＹ１とし、活性層３Ｂ（発光層３）の幅方向の寸法をＹ２とすると、Ｙ１≦Ｙ２の関係を満たしている。また、図２に示したように、Ｘ軸方向から見た場合、活性層３Ｂ（発光層３）と逆側端面３Ｂとは距離ＺＢ２だけ離間し、活性層３Ｂ（発光層３）と双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとは距離ＹＲ２、ＹＬ２だけ離間している。また、活性層３Ｂ（発光層３）を含むＹＺ平面内において、レーザ光出射面ＳＦを除き、活性層３Ｂ（発光層３）は、半導体材料（基本層４Ａ）に接触している。半導体材料（基本層４Ａ）は、活性層を構成する井戸層３Ｂ２，３Ｂ４（図６参照）のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有している。
【００４２】
上述の構造によれば、半導体レーザ素子の各端面と上部電極Ｅ２とが離間していることにより、かかる離間領域におけるキャリア注入が抑制され、また、各端面とは活性層３Ｂとが離間していることにより、かかる離間領域におけるキャリア再結合自体が抑制され、したがって、端面間の反射によるファブリペローモードが抑制され、回折格子層依存のレーザ光発生モードが支配的になる。
【００４３】
活性層３Ｂにおけるキャリア再結合によって発生した光は、その一部が回折格子層４内にも存在するため、回折格子層４による回折効果によって特定の波長成分が選択的に強められ、Ｙ−Ｚ面内で２次元的な定在波状態を形成する。この２次元的な定在波状態が光を閉じ込める共振器の作用を有するため、活性層に十分なゲインを与えることによりレーザ発振する。こうしてレーザ発振した光は一部分がレーザ光出射面ＳＦから出射される。ファブリペローモードではなく、回折格子層に依存するモードの発生原理は、以下の通りである。
【００４４】
下部電極Ｅ１から活性層３Ｂまでの離隔距離ＬＡ１は１００μｍ以上であり、上部電極Ｅ２から活性層３Ｂまでの離隔距離ＬＡ２は、ＬＡ１よりも小さく数μｍである。これにより、活性層３Ｂのうち上部電極Ｅ２に対応した部分近傍（上部電極直下領域）のみ選択的に駆動することができる。活性層３Ｂの光のうち上部電極Ｅ２に対応した部分で発生した光は、その一部が回折格子層４にも存在する。そのため活性層３Ｂの光は回折格子層４により２次元的なフィードバックを受け、大面積の定在波状態を形成する。十分な電流を注入することによって、この定在波状態は発振に至り、ＹＺ面内方向に大面積単一モード発振が実現される。この発振した光のうち一部を＋Ｚ方向からレーザ光出力として取り出す。このとき、回折格子層４により得られるフィードバック効果と電極サイズを適切に設定することにより、上部電極Ｅ２の領域全体で縦横単一モードが得られるため、レーザ光出射面からは縦横単一モードで、ブロードエリアとなるレーザ光出力が得られる。
【００４５】
端面反射抑制領域では、上部電極Ｅ２から漏れてきた光を上部電極領域側へフィードバックする効果を有するとともに、この光は吸収されない。このため、光出力端面とその対向する−Ｚ方向の逆側端面との間に生じるファブリペローモードの形成を抑制しつつ、損失の少ない、高効率な単一モード発振を実現することができる。
【００４６】
上部電極Ｅ２の形状として、上記では正方形形状を採用している。レーザ光の基本モードの横モード分布としては回転対称な分布が期待出来る。従って、上部電極の形状が正方形或いは真円に近いほど、光反射抑制領域にかかる光の割合が減ると期待される。本実施形態では光反射抑制領域として、光吸収領域を用いているため、光反射抑制領域にかかる光の割合が減るほど２次元フォトニック結晶に由来するモードの損失が低減すると期待される。
【００４７】
図４は、図３に示した半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ矢印水平断面図である。
【００４８】
回折格子層４における回折格子形成領域ＲＰＣ内では、複数の異屈折率部４Ｂが基本層４Ａ内に埋め込まれている。異屈折率部４Ｂは、Ｙ軸方向に整列すると同時に、Ｚ軸方向に整列し、ＹＺ平面内において正方格子を構成し、二次元的に広がっている。それぞれの異屈折率部４Ｂの基本層４Ａ内の深さは１００ｎｍ〜２００ｎｍであり、ＹＺ平面内における平面形状は概ね円形であり、その平均直径は１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。異屈折率部４ＢのＹ軸方向の周期は３００ｎｍ、Ｚ軸方向の周期は３００ｎｍである。異屈折率部４ＢのＹＺ平面内における平面形状は、円形でなくてもよく、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形とすることができる。また、二次元的な広がりとして、それぞれの重心位置がＹＺ平面内で正方格子における格子点を構成するものでなく、三角格子における格子点を構成することとしてもよい。また、上記の形状は発振波長９８０ｎｍにて、格子点間に１波長が含まれるような発振状態、いわゆるΓ点発振での例を示したものであり、発振波長に比例して周期構造を拡大縮小することにより、他の発振波長でも同様に対応することが可能であるとともに、Γ点以外でも例えばバンド構造上でＭ点（非特許文献２に記載）と呼ばれる点など、対称性の高い他の点でも発振は可能である。
【００４９】
上述の構造の半導体レーザ素子の場合、半導体レーザ素子の端面から、レーザ光をＺ軸方向に沿って出射することができる。
【００５０】
図５は、図３に示した半導体レーザ素子のＶ−Ｖ矢印水平断面図である。
【００５１】
ＹＺ平面内において、活性層３Ｂ（発光層３）は、Ｘ軸回りに４つの端面ＳＦ、３ＳＲ、３ＳＦ、３ＳＢを有する。端面ＳＦはレーザ光出射面、端面３ＳＲ、３ＳＦは側方端面、端面３ＳＢはレーザ光出射面に対向する逆側端面である。活性層３Ｂを含むＹＺ平面内において、活性層３Ｂ（発光層３）の光出射面ＳＦ以外の端面３ＳＲ、３ＳＦ、３ＳＢには、回折格子層４の基本層４Ａからなる半導体材料が接触している。
【００５２】
活性層３Ｂ（発光層）と基本層４Ａとの間の屈折率差は、活性層３Ｂが空気に接触している場合よりも小さくなる。反射率は、屈折率差が大きいほど高くなる。したがって、活性層３Ｂの端面における反射率は、これが空気に接触した場合よりも低下し、端面反射が抑制される。したがって、活性層３Ｂと基本層４Ａの間の端面反射に起因するファブリペローモードのレーザ光の発生が抑制される。
【００５３】
なお、活性層３Ｂ（発光層３）の端面に接触する半導体材料（基本層４Ａ）は、活性層内におけるＺ軸方向に共振するファブリペローモードのレーザ共振波長λに対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有している。この場合には、当該レーザ共振波長のレーザ光に対して、半導体材料は透明となる。したがって、半導体材料からなる基本層４Ａの内部における吸収や反射が抑制される。このレーザ共振波長は、概ね活性層における井戸層に対応するエネルギーバンドギャップに対応する。一般には、波長λ（ｎｍ）とエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇの関係があり、λとＥｇは反比例の関係にある。すなわち、基本層４Ａを構成する半導体材料のエネルギーバンドギャップが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも広ければ、当該半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得る。
【００５４】
なお、半導体材料の透明性に関して、レーザ共振波長は、井戸層３Ｂ２、３Ｂ４（図６参照）のバンド端のエネルギーバンドギャップよりも、若干広いエネルギーバンドギャップに対応した波長成分を有している。
【００５５】
以上のように、回折格子層４を構成する基本層４Ａの一部領域を、前述の半導体材料として、活性層３Ｂの端面に接触させるという簡単な構成で、上述のファブリペローモードの抑制構造を形成することが可能である。この場合、上記の如く、活性層端面が半導体材料（基本層４Ａ）に接触していることにより、活性層３Ｂ（発光層３）と半導体材料（基本層４Ａ）の間の屈折率差は、空気に接している場合の屈折率差よりも小さくなり、更に、半導体材料が広いエネルギーバンドギャップを有していることにより、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得るので、ファブリペローモードが更に抑制されることになる。なお、屈折率は、光伝搬に関わる対象領域内の平均屈折率を意味するものとする。
【００５６】
図６は、活性層３Ｂ（発光層３）に接触する半導体材料（基本層４Ａ）を示す図である。
【００５７】
同図では、活性層３Ｂ（発光層３）の＋Ｙ方向、−Ｙ方向、又は−Ｚ方向に接触する基本層４Ａが示されている。
【００５８】
発光層３は、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅを順次積層してなる。これらの化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物を含んでいる。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さくなり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、更にエネルギーバンドギャップは小さくなる。
【００５９】
エネルギー障壁を増加させて、キャリアを活性層３Ｂ内に閉じ込めようとするキャリアブロック層３Ｄ（Ｘ＝０．４）においては、Ａｌの組成比Ｘを、スペーサ層３Ｃ（Ｘ＝０．１）、ガイド層３Ａ，３Ｅ（Ｘ＝０．１）、活性層３Ｂにおけるバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５（Ｘ＝０．１）よりも高くして、エネルギーバンドギャップを大きくする。
【００６０】
ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなる活性層３Ｂにおけるバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５間には、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層３Ｂ２，３Ｂ４が介在するが、これらのＡｌの組成比ＸはゼロであってＩｎを含むものであり、エネルギーバンドギャップはバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５よりも小さくなっている。なお、下部クラッド層２及び上部クラッド層５のＡｌ組成比Ｘ（Ｘ＝０．７、Ｘ＝０．４）は、それぞれガイド層のＡｌ組成比Ｘよりも高く、これよりも相対的にエネルギーバンドギャップは広く、屈折率は低くなっている。なお、一般的に、エネルギーバンドギャップと屈折率は、負の相関がある。
【００６１】
基本層４Ａ（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率は、波長０．９μｍの場合には、ＧａＡｓの屈折率（３．５９）とＡｌＡｓの屈折率（２．９７）との間にあり、Ａｌの組成比に拘らず、空気の屈折率（＝１）よりも高い。反射率は屈折率差に依存するので、活性層３Ｂ（発光層３）と基本層４Ａとの間の屈折率差（換言すれば反射率）は、活性層３Ｂ（発光層３）と空気との間の屈折率差（換言すれば反射率）よりも、小さい。なお、活性層３Ｂ（発光層３）の屈折率は、その平均の屈折率である。
【００６２】
なお、発光層３の内部においては、大部分の層が、Ａｌ組成Ｘ＝０．１のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、隣接する基本層４Ａも、Ａｌ組成Ｘがこれと同一のＸ＝０．１のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなるため、これらの界面における反射は著しく抑制される。なお、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層３Ｂ２，３Ｂ４と、ＡｌＧａＡｓからなる基本層４Ａとの間には若干の屈折率差があり、これらの界面において若干の反射があるが、これらの厚みは薄いので、全体としての界面反射量は少ない。バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５の屈折率と、基本層４Ａの屈折率が同程度（Ａｌ組成比が同一）か、又は、基本層４Ａの屈折率の方が高ければ（Ａｌ組成比が小さい）、界面反射は十分に抑制される。
【００６３】
以上のように、実施の形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザにおいては、ファブリペローモードを抑制し、相対的に回折格子層依存のモードを支配的にさせるため、レーザ光が安定して出力される。
【００６４】
図７は、半導体レーザ素子の半導体層構造の具体例を示す図である。
【００６５】
半導体基板１上には、下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、上部クラッド層５、コンタクト層６が順次積層されている。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓ、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）、活性層３ＢはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）／ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層、スペーサ層３ＣがＧａＡｓ、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）、回折格子層４は基本層４ＡがＧａＡｓ、異屈折率部がＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）、コンタクト層６はＰ型のＧａＡｓからなる。
【００６６】
コンタクト層６とクラッド層２，５を除く化合物半導体層には原則的にはノンドープであって、不純物は添加されておらず、ガイド層３Ａ，活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４の不純物濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以下である。コンタクト層６の不純物濃度は１×１０１９／ｃｍ３以上、クラッド層２，５の不純物濃度は例えば１×１０１７／ｃｍ３以上とすることができる。ＰＮ接合ダイオードレーザを構成するため、クラッド層間の化合物半導体層には不純物を添加しないが、若干の添加を行って、ガイド層３Ａを僅かなＮ型とし、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ及び回折格子層４を僅かなＰ型とすることもできる。Ｎ型の不純物としては、Ｓｉ、Ｓｅ等を用いることができ、Ｐ型の不純物としてはＺｎ、Ｍｇ等を用いることができる。
【００６７】
また、下部クラッド層２の厚みは１．０〜３．０μｍ、ガイド層３Ａの厚みは０〜３００ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは１０〜１００ｎｍ、スペーサ層３Ｃの厚みは１０〜２００ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは５０〜２００ｎｍ、回折格子層４の厚みは５０〜２００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは１．０〜３．０μｍ、コンタクト層６の厚みは５０〜５００ｎｍとすることができる。また、上記の例では、活性層３Ｂを構成する多重量子井戸層の井戸層の数は２である場合を示したが、これは１又は３以上であってもよい。なお、本発明は、上述の半導体層構造の半導体レーザ素子にも適用可能である。
【００６８】
図８〜図９は、上述の半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【００６９】
半導体レーザ素子を構成する各化合物半導体層の形成においては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることができる。ＭＯＣＶＤ法では、アルミニウム原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、インジウム原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いることができ、各原料ガスの比率を制御することで、化合物半導体の組成比を調整することができる。以下の説明において、各化合物半導体層における組成比は原料ガスの分圧を変更して適宜設定する。
【００７０】
化合物半導体層の成長時において、同時にＰ型又はＮ型の不純物を含むガスを添加することができる。Ｐ型の不純物（Ｚｎ、Ｍｇ）を含む原料としては、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）やビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）があり、Ｎ型の不純物（Ｓｉ、Ｓｅ）を含む原料としては、ＳｉＨ４、Ｈ２Ｓｅ等がある。
【００７１】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する。次に、半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２と発光層３を順次エピタキシャル成長させる（図８（Ａ））。発光層３は、化合物半導体層３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ、３Ｅを順次積層して形成する。化合物半導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｄ、３ＥはＡｌＧａＡｓからなるが、活性層３Ｂは、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓの積層構造となっているため、ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓを交互に積層する。
【００７２】
次に、活性層３Ｂを含む発光層３を、図５に示した形状にエッチングする（図８(Ｂ)〜図８（Ｅ））。すなわち、発光層３の表面上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなる絶縁層ＦＬを形成し、この上にレジストＲＧを塗布した後（図８（Ｂ））、レジストＲＧを露光してパターニングし、現像処理を行って、レジストのマスク層とする（図８（Ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２またはＡｒでガスを希釈する。このマスク層を用いて、絶縁層ＦＬをエッチングすることで、絶縁層ＦＬからなるマスク層を形成することができる（図８（Ｄ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。
【００７３】
レジストＲＧをアッシングすることにより、これを除去した後、絶縁層ＦＬのマスク層を用いて、発光層３をエッチングすることで、図５に示した形状の発光層３を下部クラッド層２上に残留させる（図８（Ｅ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。このマスク層の平面形状は長方形であり、Ｚ軸方向はレーザ光出射面ＳＦから逆側端面ＳＢに至らない位置まで延び、Ｙ軸方向は素子幅方向の中心から側方端面ＳＲ，ＳＦに至らない位置まで延びている。
【００７４】
発光層４のエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを用いたエッチングを採用することもできる。
【００７５】
次に、残留した発光層３及び露出した下部クラッド層２上に、ＡｌＧａＡｓからなる基本層４Ａを成長させ、発光層３の上面及び側面を基本層４Ａで被覆する（図８（Ｆ））。
【００７６】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図９（Ｇ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２またはＡｒでガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図９（Ｈ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００７７】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図９（Ｉ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００７８】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図９（Ｊ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００７９】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図９（Ｋ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００８０】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図９（Ｌ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００８１】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する（図１０（Ｍ））。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡよりもＡｌの組成比が高い。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、回折格子層４上に、Ｐ型（第２導電型とする）のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図１０（Ｎ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、異屈折率部４ＢにおけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００８２】
次に、コンタクト層６上に、レジストＲＧ２を塗布する（図１０（Ｏ））。このレジストＲＧ２に対して、現像処理後にレーザ光出射面から延びた長方形スロットの開口が形成されるようなパターンの露光を行う。すなわち、ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を一辺がレーザ光出射面に一致した長方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を一辺がレーザ光出射面に一致した長方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ２に対して現像処理を行い、レーザ光出射面を一辺とする長方形スロットの開口パターンをレジストＲＧ２の端部に形成する（図１０（Ｐ））。開口パターンを有するレジストＲＧ２をマスクとして、レジストＲＧ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料Ｅ２’を堆積する（図１０（Ｑ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００８３】
更に、レジストＲＧ２をリフトオフにより除去し、コンタクト層６上に長方形の電極材料を残留させ、上部電極Ｅ２を形成する（図１０（Ｒ））。しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を研磨し、続いて、研磨された裏面上の全体に下部電極Ｅ１を形成する。この電極の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。なお、上部電極Ｅ２のＺ軸方向長は、発光層３のＺ軸方向長と概ね同一であり、完全に一致していてもよいが、本例では、発光層３の方が若干長くなっている。なお、コンタクト層６上に開口パターンを有する絶縁層Ｆを形成し、この開口を含む領域内に上部電極Ｅ２をパターニングすることもできる。この開口パターンは長方形であり、その一辺は光出射端面をＸ軸方向から見たライン上に重複する。
【００８４】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去すればよい。
【００８５】
なお、上記孔Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。また、なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００８６】
なお、上記では活性層３ＢのＹＺ平面内の形状を長方形としたが、これは他の形状であってもよい。
【００８７】
図１１は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、円の一部を切断した形状である点である。この形状は、円の重心位置を通る直線に平行な直線で、円を切断し、この直線とレーザ光出射面ＳＦとをＹＺ平面内で重ね合わせた形状である。切断位置が、円の重心を通る場合には、この形状は半円となる。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００８８】
図１２は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の別の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、六角形の一部を切断した形状である点である。この形状は、正六角形の重心位置を通り、且つ、２つの頂点を通る直線に平行な直線で、六角形を切断し、この直線とレーザ光出射面ＳＦとをＹＺ平面内で重ね合わせた形状である。切断位置が、六角形の重心を通ることとしてもよい。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００８９】
図１３は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の更に別の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、三角形である点である。この二等辺三角形の底辺は、レーザ光出射面ＳＦとＹＺ平面内で重ね合わせられる。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００９０】
なお、上記実施形態では、回折格子層４の基本層４Ａが、発光層３の側面に隣接することとしたが、基本層４Ａ内に埋め込まれた異屈折率部４Ｂの深さを上部電極直下の領域の外側で深くすれば、活性層３Ｂ（発光層）を通るＹＺ平面内において、活性層３Ｂの側方に、実効的な回折格子が位置することとなる。このような回折格子からなる分布型光反射領域を有する場合、回折格子による光閉じ込め効果を大きく出来るという効果がある。この分布型光反射領域はフォトニック結晶からなる。
【００９１】
以上、説明したように、実施形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子によれば、ファブリペローモードのレーザ発振が抑制されるので、回折格子層に起因するモードのレーザ発振が支配的となり、安定したレーザ光を出射させることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１０…端面発光型フォトニック結晶レーザ素子、ＳＦ…レーザ光出射面、ＳＢ…逆側端面、ＳＲ，ＳＬ…側方端面、Ｅ２…上部電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、半導体基板上に、Ｎ型クラッド層、活性層、回折格子層（フォトニック結晶層）、Ｐ型クラッド層を順次形成し、これらからなる基板の上下面に、それぞれ駆動電極を配置したものである。これらの半導体材料はＡｌＧａＡｓ系の材料からなり、Ａｌの組成比を変更することで、屈折率とエネルギーバンドギャップを変えることができる。基板の厚み方向をＸ軸方向とし、長手方向をＺ軸方向とし、幅方向をＹ軸方向とすると、上面電極は細長くＺ軸方向に沿って延びている。Ｚ軸方向に垂直な両端面の一方には、無反射コーティング、他方には高反射コーティングが施されている。高反射コーディングがされない場合においても、半導体の屈折率は、空気の屈折率（＝１）よりも高いので、内部で発生した光は、半導体内部に閉じ込められる傾向がある。
【０００３】
活性層で発生した光は、フォトニック結晶層内にも存在し、フォトニック結晶層による回折の影響を受けて、二次元的な共振状態が発生する。２次元的な共振状態の光のうち一部が、無反射コーティングが施された端面から光出力として取り出される。通常のファブリペローレーザと異なり、±Ｙおよび±Ｚ方向においてもフォトニック結晶の効果によりモードが規定されるため、ブロードエリアの縦横単一モード半導体レーザが実現される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】渡邉明佳他、「２次元フォトニック結晶を用いた端面出射型半導体レーザの作製（Ｉ）」：第５８回応用物理学関係連合講演会予稿集２６ａ−ＫＡ−３ （２０１１）
【非特許文献２】酒井恭輔他、”Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ Ｓｑｕａｒｅ−Ｌａｔｔｉｃｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌａｓｅｒｓ Ｗｉｔｈ ＴＥ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔμｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ４６， ７８８−７９５ （２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような端面発光型フォトニック結晶レーザ素子においては、Ｚ軸方向に垂直な両端面間の光の往復により発生するモード（ファブリペローモードとする）、２次元フォトニック結晶からなる回折格子層内の光に起因して発生するモードが混在するため、これらのモード混在の影響により、安定したレーザ光の発生が不十分であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、安定したレーザ光を出射可能な端面発光型フォトニック結晶レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、半導体からなる下部クラッド層と、半導体からなる上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた量子井戸層からなる活性層であって、この量子井戸層が前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する複数のバリア層と前記バリア層間に位置する井戸層とを有する活性層と、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくともいずれか一方と前記活性層との間に設けられた領域を有する回折格子層と、前記下部クラッド層の表面上に設けられた下部電極と、前記上部クラッド層の表面上に設けられた上部電極と、を備え、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に沿ってレーザ光出射面が位置する端面発光型フォトニック結晶レーザ素子において、この端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、前記端面のうちの１つは前記レーザ光出射面であり、前記端面のうちの前記レーザ光出射面に対向する面を逆側端面とし、前記端面のうちの残りの一対の端面を側方端面とし、Ｘ軸方向から見た場合、前記上部電極の一端は前記レーザ光出射面に重なり、前記上部電極と前記逆側端面とは離間し、前記上部電極と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、前記活性層の一端は前記レーザ光出射面に重なっていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子における上述の２種のモードのうち、相対的に後者のモード（回折格子層依存のモード）を支配的にさせるため、ファブリペローモードを抑制している。
【０００９】
すなわち、上部電極と下部電極との間に駆動電流を流すと、活性層内においてキャリアの再結合が生じて発光が生じる。活性層内にキャリアを注入して反転分布を形成した状態で、発生した光が活性層内を通ると、誘導放出が生じてレーザ光が生成される。ここで、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードを抑制する。すなわち、上部電極は、逆側端面とは離間しているため、この離間領域には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードが抑制される。
【００１０】
また、上部電極は、側方端面とも離間しているため、この離間領域に対応した活性層内には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面と逆側端面との間に生じるファブリペローモードが抑制される。
【００１１】
したがって、相対的には、ファブリペローモードが抑制され、回折格子層依存のモードが支配的になる。活性層におけるキャリア再結合によって発生した光は、回折格子層内にも到達し、特定の波長成分が選択的に回折格子層内を通過し、活性層内に戻る。この光に誘導されて活性層内で発生するレーザ光は、一部分がレーザ光出射面から出射される。
【００１２】
なお、活性層における光出射面以外の端面においては、上述のファブリペローモードを抑制するために、当該端面における反射が抑制されることが好ましい。反射面が存在すれば、これは共振器の１つの反射鏡となり、ファブリペローモードを誘起しうるからである。空気の屈折率を１とすると、半導体の屈折率は１よりも大きい。したがって、半導体からなる活性層の端面が、空気に対して露出している場合には、これらの間には大きな屈折率差があり、反射が生じる。反射率は、屈折率差が大きいほど高くなる。活性層の端面に、半導体材料が接触している場合には、屈折率差は小さくなり、反射率は低下し、ファブリペローモードは抑制される。
【００１３】
また、活性層の端面に接触する半導体材料が、ファブリペローモードのレーザ共振波長に対して、透明であれば、すなわち、広いエネルギーバンドギャップを有していれば、半導体材料内部における吸収や反射が抑制される。このレーザ共振波長は、概ね活性層における井戸層に対応するエネルギーバンドギャップに対応する波長である。なお、一般には、波長λ（ｎｍ）とエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇの関係があり、λとＥｇは反比例の関係にある。すなわち、半導体材料のエネルギーバンドギャップが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも広ければ、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得る。
【００１４】
したがって、本発明に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸方向から見た場合、前記活性層と前記逆側端面とは離間し、前記活性層と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記レーザ光出射面を除き、前記活性層は、前記井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料に接触していることが好ましい。
【００１５】
この場合、上記の如く、活性層端面が半導体材料に接触していることにより、活性層と半導体材料の間の屈折率差は、空気に接している場合の屈折率差よりも小さくなり、更に、半導体材料が広いエネルギーバンドギャップを有していることにより、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得るので、ファブリペローモードが更に抑制されることになる。なお、屈折率は、光伝搬に関わる領域内の平均屈折率を意味するものとする。
【００１６】
半導体材料の透明性に関して、レーザ共振波長は、井戸層のバンド端のエネルギーバンドギャップよりも、若干広いエネルギーバンドギャップに対応した波長成分を有している。
【００１７】
そこで、前記半導体材料は、前記活性層内におけるＺ軸方向のレーザ共振波長に対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有していることが好ましい。この場合には、当該レーザ共振波長のレーザ光に対して、半導体材料は透明となる。
【００１８】
また、前記回折格子層は、前記半導体材料からなる基本層と、前記基本層内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部と、を備え、前記基本層は、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記活性層に接触していることを特徴とする。
【００１９】
すなわち、回折格子層を構成する基本層の一部領域を、前述の半導体材料として、活性層の端面に接触させるという簡単な構成で、上述のファブリペローモードの抑制構造を形成することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子によれば、回折格子層に起因するレーザ光のモードに対して混在するファブリペローモードを抑制することが可能なので、安定したレーザ光を出射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】半導体レーザ素子の平面図である。
【図３】半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印縦断面図である。
【図４】半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ矢印水平断面図である。
【図５】半導体レーザ素子のＶ−Ｖ矢印水平断面図である。
【図６】活性層に接触する半導体材料を示す図である。
【図７】半導体レーザ素子の層構造を示す図である。
【図８】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図９】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図１０】半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図１１】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の変形例を示す図である。
【図１２】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の別の変形例を示す図である。
【図１３】図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の更に別の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、実施の形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子について説明する。同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２３】
図１は、端面発光型フォトニック結晶レーザ素子の斜視図である。
【００２４】
半導体レーザ素子１０の立体形状は、直方体である。ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に平行にレーザ光出射面が位置する。レーザ光出射面からは、Ｚ軸方向に沿ってレーザ光ＬＢが出射される。なお、斜方晶の半導体構成材料を採用する場合には、半導体レーザ素子１０の立体形状は平行六面体とすることも可能である。この場合、半導体レーザ素子が直方体である場合と同様に、レーザ光出射面は、ＸＹ平面に沿ってはいるものの、ＸＹ平面から若干の傾斜を有することとなる。
【００２５】
半導体レーザ素子１０は、半導体基板１上に、下部クラッド層２、発光層３、回折格子層４、上部クラッド層５、コンタクト層６を順次備えている。これらの材料は、いずも半導体からなる。発光層３は、下部クラッド層２と回折格子層４との間に位置する半導体層とし、量子井戸層からなる活性層を含んでいる。本例では、好適には、発光層３は、図７に示すように、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅを順次積層してなる。ガイド層３Ａのエネルギーバンドギャップは、活性層３Ｂにおけるバリア層のエネルギーバンドギャップ以上の広さを有し、いずれのクラッド層のエネルギーバンドギャップよりも狭い。スペーサ層３Ｃは、半導体層間の適当な距離を確保するための層であり、バリア層と同等のエネルギーバンドギャップを有する。なお、コンタクト層６上には、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等の絶縁層Ｆが必要に応じて設けられ、上部電極Ｅ２は絶縁層Ｆに設けられた開口内に形成される。
【００２６】
半導体レーザ素子１０は、半導体基板１の裏面の全領域上に設けられた下部電極Ｅ１と、上部クラッド層５の表面の一部領域上に設けられた上部電極Ｅ２とを備えている。下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に駆動電圧を印加し、これらの間の駆動電流を流すと、発光層３における活性層３Ｂ内にキャリアが集中し、かかる領域内において注入された電子と正孔が再結合し、発光が生じる。この発光は、クラッド層間の領域、すなわち発光層３及び回折格子層４を含むコア層内において、共振し、レーザ光ＬＢとして外部へ出力される。回折格子層４は、共振するレーザ光の特定の波長を決定している。
【００２７】
半導体レーザ素子１０においては、Ｚ軸方向に沿ったレーザ共振であるファブリペローモードの他、回折格子層４に起因するレーザ共振のモードなどが混在し得る。
【００２８】
発光が生じるのは、原則的には駆動電流が流れる経路、すなわち電気抵抗が小さくなる上部電極Ｅ２の直下の領域である。上部電極Ｅ２の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ又はＡｌなどの金属、或いは、１×１０１９／ｃｍ３以上の高濃度に不純物が添加された化合物半導体を用いることができる。下部電極Ｅ１の材料も同様である。
【００２９】
なお、活性層３Ｂについて詳説すれば、活性層３Ｂは、下部クラッド層２と上部クラッド層５との間に設けられた量子井戸層からなる。活性層３Ｂを構成する量子井戸層は、図６に示すように、複数のバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５と、これらのバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５間に位置する井戸層３Ｂ２，３Ｂ４からなる。バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５は、下部クラッド層２及び上部クラッド層５のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する。なお、井戸層３Ｂ２，３Ｂ４は、バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５よりも小さなエネルギーバンドギャップを有する。
【００３０】
回折格子層４は、活性層３Ｂと上部クラッド層５との間に位置しているが、これは活性層４Ｂと下部クラッド層２との間に位置していてもよく、双方に回折格子層を有する構成も可能である。すなわち、回折格子層４は、下部クラッド層２及び上部クラッド層５の少なくともいずれか一方と活性層３Ｂとの間に設けられた領域を有している。
【００３１】
図２は、図１に示した半導体レーザ素子の平面図である。
【００３２】
半導体レーザ素子１０は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有している。すなわち、Ｚ軸正方向の前面側に位置し、ＸＹ平面に沿ったレーザ光出射面ＳＦ、これとは逆の後側に位置する逆側端面ＳＢ、ＸＺ平面に沿った側方端面ＳＲ,ＳＬである。換言すれば、４つの端面のうちの１つはレーザ光出射面ＳＦであり、これらの端面のうちのレーザ光出射面ＳＦに対向する面が逆側端面ＳＢであり、これらの端面のうちの残りの一対の端面が側方端面ＳＲ，ＳＬである。ＹＺ平面とこれらの各端面との構成は線分であり、長方形を構成している。
【００３３】
半導体レーザ素子１０を、Ｘ軸方向から見た場合、上部電極Ｅ２の前側の一端Ｅ２Ｆはレーザ光出射面ＳＦに重なり、上部電極Ｅ２の後側の一端Ｅ２Ｂと逆側端面ＳＢとは距離ＺＢ１だけ離間し、上部電極Ｅ２の両側の一端Ｅ２Ｒ，Ｅ２Ｌと双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとはそれぞれ距離ＹＲ１、ＹＬ１だけ離間している。また、Ｘ軸方向から見た場合、活性層３Ｂの前側の一端（ＹＺ平面内では電極Ｅ２の一端Ｅ２Ｆと同じ位置）はレーザ光出射面ＳＦに重なっている。
【００３４】
回折格子層４は、Ｘ軸方向から見た場合、回折格子形成領域ＲＰＣを備えている。回折格子形成領域ＲＰＣ内においては、ＹＺ平面内において屈折率が周期的に変化している。なお、Ｘ軸方向から見た回折格子形成領域ＲＰＣは、活性層の形成領域よりも広く設定されている。活性層３Ｂの存在する光伝搬に関与する領域に、常に回折格子形成領域ＲＰＣを存在させるためである。
【００３５】
上述の半導体レーザ素子においては、Ｘ軸方向から見た場合に、上部電極Ｅ２の外側の領域には、活性層３Ｂを含む発光層３が存在しないマージン領域がある。このマージン領域は、活性層３Ｂにおける端面における反射及び基本層４Ａ内部における反射を抑制する機能もあるため、端面反射抑制領域ということができる。
【００３６】
上部電極Ｅ２直下の領域の外側に位置する端面反射抑制領域には、原則として、活性層３Ｂとしての量子井戸層が存在しないが、上部電極Ｅ２を上記構造とすることで、端面反射抑制領域に電流（キャリア）が注入されないのであれば、この領域内に量子井戸層が存在することとしても、レーザ共振は生じないこととなる。なお、端面反射抑制領域はレーザ共振波長の光に対してゲインを有せず、端面反射抑制領域ではレーザ共振波長の光に対して吸収が抑制されている。
【００３７】
図３は、半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印縦断面図である。
【００３８】
回折格子層４は、発光層３の上部電極Ｅ２側に接触し、また、発光層３の側面に接触している。回折格子層４は、半導体材料からなる基本層４Ａと、基本層４Ａ内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部４Ｂとを備えている。このような屈折率の異なる材料の界面では光が散乱されるが、散乱体を周期的に配置することにより、特定波長の光が強め合って定在波状態を形成し、回折格子層４Ｂ内において共振する。
【００３９】
上部電極Ｅ２と下部電極Ｅ１との間に駆動電流を流すと、活性層３Ｂ内においてキャリアの再結合が生じて発光が生じる。活性層３Ｂ内にキャリアを注入して反転分布を形成した状態で、発生した光が活性層内を通ると、誘導放出が生じてレーザ光が生成される。ここで、レーザ光出射面ＳＦと逆側端面ＳＢとの間に生じるファブリペローモードを抑制する。すなわち、図２に示すように、上部電極Ｅ２は、逆側端面３Ｂとは距離ＺＢ１だけ離間しているため、この離間領域には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、レーザ光出射面ＳＦと逆側端面ＳＢとの間に生じるファブリペローモードのレーザ光の発生が抑制される。
【００４０】
また、上部電極Ｅ２は、図２に示したように側方端面とも距離ＹＲ１、ＹＬ１だけ離間しているため、この離間領域に対応した活性層内には、キャリアが注入されず、この領域ではレーザ光が発生しない。したがって、側方端面ＳＲ，ＳＬの間で生じるファブリペローモードのレーザ光発生が抑制される。
【００４１】
なお、上部電極Ｅ２の幅方向の寸法をＹ１とし、活性層３Ｂ（発光層３）の幅方向の寸法をＹ２とすると、Ｙ１≦Ｙ２の関係を満たしている。また、図２に示したように、Ｘ軸方向から見た場合、活性層３Ｂ（発光層３）と逆側端面３Ｂとは距離ＺＢ２だけ離間し、活性層３Ｂ（発光層３）と双方の側方端面ＳＲ，ＳＬとは距離ＹＲ２、ＹＬ２だけ離間している。また、活性層３Ｂ（発光層３）を含むＹＺ平面内において、レーザ光出射面ＳＦを除き、活性層３Ｂ（発光層３）は、半導体材料（基本層４Ａ）に接触している。半導体材料（基本層４Ａ）は、活性層を構成する井戸層３Ｂ２，３Ｂ４（図６参照）のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有している。
【００４２】
上述の構造によれば、半導体レーザ素子の各端面と上部電極Ｅ２とが離間していることにより、かかる離間領域におけるキャリア注入が抑制され、また、各端面とは活性層３Ｂとが離間していることにより、かかる離間領域におけるキャリア再結合自体が抑制され、したがって、端面間の反射によるファブリペローモードが抑制され、回折格子層依存のレーザ光発生モードが支配的になる。
【００４３】
活性層３Ｂにおけるキャリア再結合によって発生した光は、その一部が回折格子層４内にも存在するため、回折格子層４による回折効果によって特定の波長成分が選択的に強められ、Ｙ−Ｚ面内で２次元的な定在波状態を形成する。この２次元的な定在波状態が光を閉じ込める共振器の作用を有するため、活性層に十分なゲインを与えることによりレーザ発振する。こうしてレーザ発振した光は一部分がレーザ光出射面ＳＦから出射される。ファブリペローモードではなく、回折格子層に依存するモードの発生原理は、以下の通りである。
【００４４】
下部電極Ｅ１から活性層３Ｂまでの離隔距離ＬＡ１は１００μｍ以上であり、上部電極Ｅ２から活性層３Ｂまでの離隔距離ＬＡ２は、ＬＡ１よりも小さく数μｍである。これにより、活性層３Ｂのうち上部電極Ｅ２に対応した部分近傍（上部電極直下領域）のみ選択的に駆動することができる。活性層３Ｂの光のうち上部電極Ｅ２に対応した部分で発生した光は、その一部が回折格子層４にも存在する。そのため活性層３Ｂの光は回折格子層４により２次元的なフィードバックを受け、大面積の定在波状態を形成する。十分な電流を注入することによって、この定在波状態は発振に至り、ＹＺ面内方向に大面積単一モード発振が実現される。この発振した光のうち一部を＋Ｚ方向からレーザ光出力として取り出す。このとき、回折格子層４により得られるフィードバック効果と電極サイズを適切に設定することにより、上部電極Ｅ２の領域全体で縦横単一モードが得られるため、レーザ光出射面からは縦横単一モードで、ブロードエリアとなるレーザ光出力が得られる。
【００４５】
端面反射抑制領域では、上部電極Ｅ２から漏れてきた光を上部電極領域側へフィードバックする効果を有するとともに、この光は吸収されない。このため、光出力端面とその対向する−Ｚ方向の逆側端面との間に生じるファブリペローモードの形成を抑制しつつ、損失の少ない、高効率な単一モード発振を実現することができる。
【００４６】
上部電極Ｅ２の形状として、上記では正方形形状を採用している。レーザ光の基本モードの横モード分布としては回転対称な分布が期待出来る。従って、上部電極の形状が正方形或いは真円に近いほど、光反射抑制領域にかかる光の割合が減ると期待される。本実施形態では光反射抑制領域として、光吸収領域を用いているため、光反射抑制領域にかかる光の割合が減るほど２次元フォトニック結晶に由来するモードの損失が低減すると期待される。
【００４７】
図４は、図３に示した半導体レーザ素子のＩＶ−ＩＶ矢印水平断面図である。
【００４８】
回折格子層４における回折格子形成領域ＲＰＣ内では、複数の異屈折率部４Ｂが基本層４Ａ内に埋め込まれている。異屈折率部４Ｂは、Ｙ軸方向に整列すると同時に、Ｚ軸方向に整列し、ＹＺ平面内において正方格子を構成し、二次元的に広がっている。それぞれの異屈折率部４Ｂの基本層４Ａ内の深さは１００ｎｍ〜２００ｎｍであり、ＹＺ平面内における平面形状は概ね円形であり、その平均直径は１００ｎｍ〜１５０ｎｍである。異屈折率部４ＢのＹ軸方向の周期は３００ｎｍ、Ｚ軸方向の周期は３００ｎｍである。異屈折率部４ＢのＹＺ平面内における平面形状は、円形でなくてもよく、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形とすることができる。また、二次元的な広がりとして、それぞれの重心位置がＹＺ平面内で正方格子における格子点を構成するものでなく、三角格子における格子点を構成することとしてもよい。また、上記の形状は発振波長９８０ｎｍにて、格子点間に１波長が含まれるような発振状態、いわゆるΓ点発振での例を示したものであり、発振波長に比例して周期構造を拡大縮小することにより、他の発振波長でも同様に対応することが可能であるとともに、Γ点以外でも例えばバンド構造上でＭ点（非特許文献２に記載）と呼ばれる点など、対称性の高い他の点でも発振は可能である。
【００４９】
上述の構造の半導体レーザ素子の場合、半導体レーザ素子の端面から、レーザ光をＺ軸方向に沿って出射することができる。
【００５０】
図５は、図３に示した半導体レーザ素子のＶ−Ｖ矢印水平断面図である。
【００５１】
ＹＺ平面内において、活性層３Ｂ（発光層３）は、Ｘ軸回りに４つの端面ＳＦ、３ＳＲ、３ＳＦ、３ＳＢを有する。端面ＳＦはレーザ光出射面、端面３ＳＲ、３ＳＦは側方端面、端面３ＳＢはレーザ光出射面に対向する逆側端面である。活性層３Ｂを含むＹＺ平面内において、活性層３Ｂ（発光層３）の光出射面ＳＦ以外の端面３ＳＲ、３ＳＦ、３ＳＢには、回折格子層４の基本層４Ａからなる半導体材料が接触している。
【００５２】
活性層３Ｂ（発光層）と基本層４Ａとの間の屈折率差は、活性層３Ｂが空気に接触している場合よりも小さくなる。反射率は、屈折率差が大きいほど高くなる。したがって、活性層３Ｂの端面における反射率は、これが空気に接触した場合よりも低下し、端面反射が抑制される。したがって、活性層３Ｂと基本層４Ａの間の端面反射に起因するファブリペローモードのレーザ光の発生が抑制される。
【００５３】
なお、活性層３Ｂ（発光層３）の端面に接触する半導体材料（基本層４Ａ）は、活性層内におけるＺ軸方向に共振するファブリペローモードのレーザ共振波長λに対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有している。この場合には、当該レーザ共振波長のレーザ光に対して、半導体材料は透明となる。したがって、半導体材料からなる基本層４Ａの内部における吸収や反射が抑制される。このレーザ共振波長は、概ね活性層における井戸層に対応するエネルギーバンドギャップに対応する。一般には、波長λ（ｎｍ）とエネルギーバンドギャップＥｇ（ｅＶ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇの関係があり、λとＥｇは反比例の関係にある。すなわち、基本層４Ａを構成する半導体材料のエネルギーバンドギャップが、井戸層のエネルギーバンドギャップよりも広ければ、当該半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得る。
【００５４】
なお、半導体材料の透明性に関して、レーザ共振波長は、井戸層３Ｂ２、３Ｂ４（図６参照）のバンド端のエネルギーバンドギャップよりも、若干広いエネルギーバンドギャップに対応した波長成分を有している。
【００５５】
以上のように、回折格子層４を構成する基本層４Ａの一部領域を、前述の半導体材料として、活性層３Ｂの端面に接触させるという簡単な構成で、上述のファブリペローモードの抑制構造を形成することが可能である。この場合、上記の如く、活性層端面が半導体材料（基本層４Ａ）に接触していることにより、活性層３Ｂ（発光層３）と半導体材料（基本層４Ａ）の間の屈折率差は、空気に接している場合の屈折率差よりも小さくなり、更に、半導体材料が広いエネルギーバンドギャップを有していることにより、半導体材料内部における吸収や反射が抑制され得るので、ファブリペローモードが更に抑制されることになる。なお、屈折率は、光伝搬に関わる対象領域内の平均屈折率を意味するものとする。
【００５６】
図６は、活性層３Ｂ（発光層３）に接触する半導体材料（基本層４Ａ）を示す図である。
【００５７】
同図では、活性層３Ｂ（発光層３）の＋Ｙ方向、−Ｙ方向、又は−Ｚ方向に接触する基本層４Ａが示されている。
【００５８】
発光層３は、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、ガイド層３Ｅを順次積層してなる。これらの化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物を含んでいる。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さくなり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、更にエネルギーバンドギャップは小さくなる。
【００５９】
エネルギー障壁を増加させて、キャリアを活性層３Ｂ内に閉じ込めようとするキャリアブロック層３Ｄ（Ｘ＝０．４）においては、Ａｌの組成比Ｘを、スペーサ層３Ｃ（Ｘ＝０．１）、ガイド層３Ａ，３Ｅ（Ｘ＝０．１）、活性層３Ｂにおけるバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５（Ｘ＝０．１）よりも高くして、エネルギーバンドギャップを大きくする。
【００６０】
ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）からなる活性層３Ｂにおけるバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５間には、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層３Ｂ２，３Ｂ４が介在するが、これらのＡｌの組成比ＸはゼロであってＩｎを含むものであり、エネルギーバンドギャップはバリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５よりも小さくなっている。なお、下部クラッド層２及び上部クラッド層５のＡｌ組成比Ｘ（Ｘ＝０．７、Ｘ＝０．４）は、それぞれガイド層のＡｌ組成比Ｘよりも高く、これよりも相対的にエネルギーバンドギャップは広く、屈折率は低くなっている。なお、一般的に、エネルギーバンドギャップと屈折率は、負の相関がある。
【００６１】
基本層４Ａ（ＡｌＧａＡｓ）の屈折率は、波長０．９μｍの場合には、ＧａＡｓの屈折率（３．５９）とＡｌＡｓの屈折率（２．９７）との間にあり、Ａｌの組成比に拘らず、空気の屈折率（＝１）よりも高い。反射率は屈折率差に依存するので、活性層３Ｂ（発光層３）と基本層４Ａとの間の屈折率差（換言すれば反射率）は、活性層３Ｂ（発光層３）と空気との間の屈折率差（換言すれば反射率）よりも、小さい。なお、活性層３Ｂ（発光層３）の屈折率は、その平均の屈折率である。
【００６２】
なお、発光層３の内部においては、大部分の層が、Ａｌ組成Ｘ＝０．１のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなり、隣接する基本層４Ａも、Ａｌ組成Ｘがこれと同一のＸ＝０．１のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓからなるため、これらの界面における反射は著しく抑制される。なお、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層３Ｂ２，３Ｂ４と、ＡｌＧａＡｓからなる基本層４Ａとの間には若干の屈折率差があり、これらの界面において若干の反射があるが、これらの厚みは薄いので、全体としての界面反射量は少ない。バリア層３Ｂ１，３Ｂ３，３Ｂ５の屈折率と、基本層４Ａの屈折率が同程度（Ａｌ組成比が同一）か、又は、基本層４Ａの屈折率の方が高ければ（Ａｌ組成比が小さい）、界面反射は十分に抑制される。
【００６３】
以上のように、実施の形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザにおいては、ファブリペローモードを抑制し、相対的に回折格子層依存のモードを支配的にさせるため、レーザ光が安定して出力される。
【００６４】
図７は、半導体レーザ素子の半導体層構造の具体例を示す図である。
【００６５】
半導体基板１上には、下部クラッド層２、ガイド層３Ａ、活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４、上部クラッド層５、コンタクト層６が順次積層されている。半導体基板１はＮ型のＧａＡｓ、下部クラッド層２はＮ型のＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．７）、ガイド層３ＡはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）、活性層３ＢはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１）／ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層、スペーサ層３ＣがＧａＡｓ、キャリアブロック層３ＤはＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）、回折格子層４は基本層４ＡがＧａＡｓ、異屈折率部がＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）からなり、上部クラッド層５はＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．４）、コンタクト層６はＰ型のＧａＡｓからなる。
【００６６】
コンタクト層６とクラッド層２，５を除く化合物半導体層には原則的にはノンドープであって、不純物は添加されておらず、ガイド層３Ａ，活性層３Ｂ、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ、回折格子層４の不純物濃度は、１×１０１６／ｃｍ３以下である。コンタクト層６の不純物濃度は１×１０１９／ｃｍ３以上、クラッド層２，５の不純物濃度は例えば１×１０１７／ｃｍ３以上とすることができる。ＰＮ接合ダイオードレーザを構成するため、クラッド層間の化合物半導体層には不純物を添加しないが、若干の添加を行って、ガイド層３Ａを僅かなＮ型とし、スペーサ層３Ｃ、キャリアブロック層３Ｄ及び回折格子層４を僅かなＰ型とすることもできる。Ｎ型の不純物としては、Ｓｉ、Ｓｅ等を用いることができ、Ｐ型の不純物としてはＺｎ、Ｍｇ等を用いることができる。
【００６７】
また、下部クラッド層２の厚みは１．０〜３．０μｍ、ガイド層３Ａの厚みは０〜３００ｎｍ、活性層３Ｂの厚みは１０〜１００ｎｍ、スペーサ層３Ｃの厚みは１０〜２００ｎｍ、キャリアブロック層３Ｄの厚みは５０〜２００ｎｍ、回折格子層４の厚みは５０〜２００ｎｍ、上部クラッド層５の厚みは１．０〜３．０μｍ、コンタクト層６の厚みは５０〜５００ｎｍとすることができる。また、上記の例では、活性層３Ｂを構成する多重量子井戸層の井戸層の数は２である場合を示したが、これは１又は３以上であってもよい。なお、本発明は、上述の半導体層構造の半導体レーザ素子にも適用可能である。
【００６８】
図８〜図９は、上述の半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【００６９】
半導体レーザ素子を構成する各化合物半導体層の形成においては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることができる。ＭＯＣＶＤ法では、アルミニウム原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、インジウム原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用いることができ、各原料ガスの比率を制御することで、化合物半導体の組成比を調整することができる。以下の説明において、各化合物半導体層における組成比は原料ガスの分圧を変更して適宜設定する。
【００７０】
化合物半導体層の成長時において、同時にＰ型又はＮ型の不純物を含むガスを添加することができる。Ｐ型の不純物（Ｚｎ、Ｍｇ）を含む原料としては、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）やビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）があり、Ｎ型の不純物（Ｓｉ、Ｓｅ）を含む原料としては、ＳｉＨ４、Ｈ２Ｓｅ等がある。
【００７１】
まず、Ｎ型（第1導電型とする）の半導体基板（ＧａＡｓ）１を用意する。次に、半導体基板１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ｎ型の下部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２と発光層３を順次エピタキシャル成長させる（図８（Ａ））。発光層３は、化合物半導体層３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ、３Ｅを順次積層して形成する。化合物半導体層３Ａ，３Ｃ，３Ｄ、３ＥはＡｌＧａＡｓからなるが、活性層３Ｂは、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓの積層構造となっているため、ＡｌＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓを交互に積層する。
【００７２】
次に、活性層３Ｂを含む発光層３を、図５に示した形状にエッチングする（図８(Ｂ)〜図８（Ｅ））。すなわち、発光層３の表面上に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなる絶縁層ＦＬを形成し、この上にレジストＲＧを塗布した後（図８（Ｂ））、レジストＲＧを露光してパターニングし、現像処理を行って、レジストのマスク層とする（図８（Ｃ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２またはＡｒでガスを希釈する。このマスク層を用いて、絶縁層ＦＬをエッチングすることで、絶縁層ＦＬからなるマスク層を形成することができる（図８（Ｄ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。
【００７３】
レジストＲＧをアッシングすることにより、これを除去した後、絶縁層ＦＬのマスク層を用いて、発光層３をエッチングすることで、図５に示した形状の発光層３を下部クラッド層２上に残留させる（図８（Ｅ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。このマスク層の平面形状は長方形であり、Ｚ軸方向はレーザ光出射面ＳＦから逆側端面ＳＢに至らない位置まで延び、Ｙ軸方向は素子幅方向の中心から側方端面ＳＲ，ＳＦに至らない位置まで延びている。
【００７４】
発光層４のエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを用いたエッチングを採用することもできる。
【００７５】
次に、残留した発光層３及び露出した下部クラッド層２上に、ＡｌＧａＡｓからなる基本層４Ａを成長させ、発光層３の上面及び側面を基本層４Ａで被覆する（図８（Ｆ））。
【００７６】
次に、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１を基本層４Ａ上に形成する（図９（Ｇ））。ＳｉＮを形成する場合のプラズマＣＶＤの原料ガスとしては、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４を用い、Ｎ原料としてＮ２、ＮＨ３などを用い、必要に応じてＨ２またはＡｒでガスを希釈する。更に、マスク層ＦＬ１上にレジストＲＧ１を塗布し、電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジストＲＧ１に２次元（又は１次元）の微細パターン（異屈折率部の位置に対応）を形成する（図９（Ｈ））。これにより、レジストＲＧ１には微細パターンとなる複数の孔Ｈ１が形成され、各孔Ｈ１は、マスク層ＦＬ１の表面にまで到達している。
【００７７】
次に、マスク層ＦＬ１を、レジストＲＧ１をマスクとしてエッチングし、レジストの微細パターンをマスク層ＦＬ１に転写する（図９（Ｉ））。このエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ＳｉＮのエッチングガスとしては、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を一般的に用いることができる。このエッチングにより、マスク層ＦＬ１には、孔Ｈ２が形成され、各孔Ｈ２は、基本層４Ａの表面にまで到達している。
【００７８】
次に、剥離液をレジストＲＧ１に与え、更に、レジストＲＧをアッシングすることにより、レジストＲＧ１を除去する（図９（Ｊ））。アッシングには、光励起アッシング又はプラズマアッシングを用いることができる。これにより、複数の孔Ｈ３を有する微細パターンを有するマスク層ＦＬ１のみが、基本層４Ａ上に残留することとなる。
【００７９】
しかる後、マスク層ＦＬ１をマスクとして、基本層４Ａをエッチングし、マスク層ＦＬ１の微細パターンを基本層４Ａに転写する（図９（Ｋ））。このエッチングには、ドライエッチングを用いる。ドライエッチングでは、エッチングガスとして塩素系又はフッ素系のガスを用いることができる。例えば、Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４又はＳＦ６等を主なエッチングガスとして、これにＡｒガス等を混入させたものを用いることができる。通常のプラズマエッチングの他、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを用いたエッチングを採用することもできる。このエッチングにより、基本層４Ａ内に形成される孔Ｈ４の深さは、２００ｎｍ程度であり、孔Ｈ４の深さは基本層４Ａの厚みよりも小さい。なお、孔Ｈ４は、基本層４Ａの下地となる半導体層の表面まで到達していてもよい。
【００８０】
次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＮからなるマスク層ＦＬ１のみを除去し、孔Ｈ４に連続した穴Ｈ５の開口端面を露出させ、すなわち基本層４Ａの表面を露出させる（図９（Ｌ））。ＳｉＮのエッチングガスとしては、上述の通り、フッ素系ガス（ＣＦ４，ＣＨＦ３，Ｃ２Ｆ６）を採用することができる。しかる後、基本層４Ａのサーマルクリーニングを含めた表面洗浄などの表面処理を行う。
【００８１】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基本層４Ａの穴Ｈ５内に異屈折率部（埋め込み層）４Ｂを形成（再成長）する（図１０（Ｍ））。この再成長工程では、ＡｌＧａＡｓを基本層４Ａの表面に供給する。供給されるＡｌＧａＡｓは、基本層４ＡよりもＡｌの組成比が高い。再成長の初期段階においては、ＡｌＧａＡｓは、穴Ｈ５内を埋めていき、異屈折率部４Ｂとなる。穴Ｈ５が埋まった場合、その後に供給されるＡｌＧａＡｓは、バッファ層として、基本層４Ａの上に積層される。しかる後、ＭＯＣＶＤ法により、回折格子層４上に、Ｐ型（第２導電型とする）のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５、Ｐ型のコンタクト層（ＧａＡｓ）６を順次成長させる（図１０（Ｎ））。Ｐ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）５におけるＡｌの組成比Ｘは、異屈折率部４ＢにおけるＡｌの組成比Ｘ以上であり、本例ではこれらは等しいとするが、Ｘ＝０．４を採用することができる。もちろん、異屈折率部４Ｂ及びバッファ層におけるＡｌの組成比Ｘを例えばＸ＝０．３５とし、成長に伴って徐々にＡｌの組成比Ｘを増加させ、上部クラッド層５におけるＡｌの組成比ＸをＸ＝０．４とすることも可能である。なお、上述の結晶成長は全てエピタキシャル成長であり、各半導体層の結晶軸は一致している。
【００８２】
次に、コンタクト層６上に、レジストＲＧ２を塗布する（図１０（Ｏ））。このレジストＲＧ２に対して、現像処理後にレーザ光出射面から延びた長方形スロットの開口が形成されるようなパターンの露光を行う。すなわち、ポジ型のレジストを用いる場合には、露光領域を一辺がレーザ光出射面に一致した長方形とし、ネガ型のレジストを用いる場合には、非露光領域を一辺がレーザ光出射面に一致した長方形として周辺領域を露光する。しかる後、レジストＲＧ２に対して現像処理を行い、レーザ光出射面を一辺とする長方形スロットの開口パターンをレジストＲＧ２の端部に形成する（図１０（Ｐ））。開口パターンを有するレジストＲＧ２をマスクとして、レジストＲＧ２及びコンタクト層６の露出表面上に、電極材料Ｅ２’を堆積する（図１０（Ｑ））。この電極材料の形成には、蒸着法やスパッタ法を用いることができるが、本例では蒸着法とする。
【００８３】
更に、レジストＲＧ２をリフトオフにより除去し、コンタクト層６上に長方形の電極材料を残留させ、上部電極Ｅ２を形成する（図１０（Ｒ））。しかる後、Ｎ型の半導体基板１の裏面を研磨し、続いて、研磨された裏面上の全体に下部電極Ｅ１を形成する。この電極の形成には、蒸着法又はスパッタ法を用いることができる。なお、上部電極Ｅ２のＺ軸方向長は、発光層３のＺ軸方向長と概ね同一であり、完全に一致していてもよいが、本例では、発光層３の方が若干長くなっている。なお、コンタクト層６上に開口パターンを有する絶縁層Ｆを形成し、この開口を含む領域内に上部電極Ｅ２をパターニングすることもできる。この開口パターンは長方形であり、その一辺は光出射端面をＸ軸方向から見たライン上に重複する。
【００８４】
なお、複数の半導体レーザ素子を１枚のウェハから製造する場合には、素子分離用の溝を形成する必要があるが、これはコンタクト層６上に、レジストを塗布し、レジストを感光及び現像することにより、素子分離用の開口パターンを形成し、このレジストを用いて、コンタクト層６をウエットエッチングして溝を形成する。エッチングする深さは１０μｍ程度とする。しかる後、有機溶剤を用いてレジストを除去すればよい。
【００８５】
なお、上記孔Ｈ１の作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、ステッパを用いた光学露光等、その他の微細加工技術を用いることも可能である。また、なお、上記では、活性層３Ｂの上側に１つの回折格子層４を備える例について説明したが、これは活性層３Ｂの下側に回折格子層を備えることとしてもよく、また、活性層３Ｂの上下それぞれに回折格子層を備える構成とすることもできる。
【００８６】
なお、上記では活性層３ＢのＹＺ平面内の形状を長方形としたが、これは他の形状であってもよい。
【００８７】
図１１は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、円の一部を切断した形状である点である。この形状は、円の重心位置を通る直線に平行な直線で、円を切断し、この直線とレーザ光出射面ＳＦとをＹＺ平面内で重ね合わせた形状である。切断位置が、円の重心を通る場合には、この形状は半円となる。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００８８】
図１２は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の別の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、六角形の一部を切断した形状である点である。この形状は、正六角形の重心位置を通り、且つ、２つの頂点を通る直線に平行な直線で、六角形を切断し、この直線とレーザ光出射面ＳＦとをＹＺ平面内で重ね合わせた形状である。切断位置が、六角形の重心を通ることとしてもよい。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００８９】
図１３は、図５に示した半導体レーザ素子の水平断面の更に別の変形例を示す図である。図５に示したものとの相違点は、活性層３Ｂ（発光層３）のＹＺ平面内の形状が長方形ではなく、三角形である点である。この二等辺三角形の底辺は、レーザ光出射面ＳＦとＹＺ平面内で重ね合わせられる。十分な端面反射が抑制されるための活性層３Ｂ（発光層３）と半導体レーザ素子の３端面ＳＢ，ＳＲ，ＳＬとの最短距離ＺＢ２、ＹＲ２、ＹＬ２は、それぞれ、５０μｍ以上、５０μｍ以上、５０μｍ以上である。
【００９０】
なお、上記実施形態では、回折格子層４の基本層４Ａが、発光層３の側面に隣接することとしたが、基本層４Ａ内に埋め込まれた異屈折率部４Ｂの深さを上部電極直下の領域の外側で深くすれば、活性層３Ｂ（発光層）を通るＹＺ平面内において、活性層３Ｂの側方に、実効的な回折格子が位置することとなる。このような回折格子からなる分布型光反射領域を有する場合、回折格子による光閉じ込め効果を大きく出来るという効果がある。この分布型光反射領域はフォトニック結晶からなる。
【００９１】
以上、説明したように、実施形態に係る端面発光型フォトニック結晶レーザ素子によれば、ファブリペローモードのレーザ発振が抑制されるので、回折格子層に起因するモードのレーザ発振が支配的となり、安定したレーザ光を出射させることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１０…端面発光型フォトニック結晶レーザ素子、ＳＦ…レーザ光出射面、ＳＢ…逆側端面、ＳＲ，ＳＬ…側方端面、Ｅ２…上部電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる下部クラッド層と、
半導体からなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた量子井戸層からなる活性層であって、この量子井戸層が前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する複数のバリア層と、前記バリア層間に位置する井戸層とを有する活性層と、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくともいずれか一方と前記活性層との間に設けられた領域を有する回折格子層と、
前記下部クラッド層の表面上に設けられた下部電極と、
前記上部クラッド層の表面上に設けられた上部電極と、
を備え、
ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に沿ってレーザ光出射面が位置する端面発光型フォトニック結晶レーザ素子において、
この端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、
前記端面のうちの１つは前記レーザ光出射面であり、
前記端面のうちの前記レーザ光出射面に対向する面を逆側端面とし、
前記端面のうちの残りの一対の端面を側方端面とし、
Ｘ軸方向から見た場合、
前記上部電極の一端は前記レーザ光出射面に重なり、
前記上部電極と前記逆側端面とは離間し、
前記上部電極と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、
前記活性層の一端は前記レーザ光出射面に重なっている、
ことを特徴とする端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項２】
Ｘ軸方向から見た場合、
前記活性層と前記逆側端面とは離間し、
前記活性層と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、
前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記レーザ光出射面を除き、前記活性層は、前記井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料に接触している、
ことを特徴とする請求項１に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体材料は、前記活性層内におけるＺ軸方向のレーザ共振波長に対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有していることを特徴とする請求項２に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項４】
前記回折格子層は、
前記半導体材料からなる基本層と、
前記基本層内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部と、
を備え、
前記基本層は、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記活性層に接触している、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項１】
半導体からなる下部クラッド層と、
半導体からなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に設けられた量子井戸層からなる活性層であって、この量子井戸層が前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のいずれよりも小さなエネルギーバンドギャップを有する複数のバリア層と、前記バリア層間に位置する井戸層とを有する活性層と、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の少なくともいずれか一方と前記活性層との間に設けられた領域を有する回折格子層と、
前記下部クラッド層の表面上に設けられた下部電極と、
前記上部クラッド層の表面上に設けられた上部電極と、
を備え、
ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸を素子厚み方向、Ｙ軸を素子幅方向、Ｚ軸を素子長さ方向とした場合、ＸＹ平面に沿ってレーザ光出射面が位置する端面発光型フォトニック結晶レーザ素子において、
この端面発光型フォトニック結晶レーザ素子は、Ｘ軸を囲む４つの端面を有し、
前記端面のうちの１つは前記レーザ光出射面であり、
前記端面のうちの前記レーザ光出射面に対向する面を逆側端面とし、
前記端面のうちの残りの一対の端面を側方端面とし、
Ｘ軸方向から見た場合、
前記上部電極の一端は前記レーザ光出射面に重なり、
前記上部電極と前記逆側端面とは離間し、
前記上部電極と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、
前記活性層の一端は前記レーザ光出射面に重なっている、
ことを特徴とする端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項２】
Ｘ軸方向から見た場合、
前記活性層と前記逆側端面とは離間し、
前記活性層と双方の前記側方端面とは離間し、且つ、
前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記レーザ光出射面を除き、前記活性層は、前記井戸層のエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料に接触している、
ことを特徴とする請求項１に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体材料は、前記活性層内におけるＺ軸方向のレーザ共振波長に対応するエネルギーバンドギャップよりも、広いエネルギーバンドギャップを有していることを特徴とする請求項２に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【請求項４】
前記回折格子層は、
前記半導体材料からなる基本層と、
前記基本層内に周期的に位置し、これと異なる屈折率を有する複数の異屈折率部と、
を備え、
前記基本層は、前記活性層を含むＹＺ平面内において、前記活性層に接触している、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の端面発光型フォトニック結晶レーザ素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７７７５７（Ｐ２０１３−７７７５７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７７３６（Ｐ２０１１−２１７７３６）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]