JP2006165309A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 青色や紫外光などの短波長の光を発振することのできる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子１は、主面３ａを有する基板３と、主面３ａが延びる方向に沿って基板３上に形成されたフォトニック結晶層７と、基板３上に形成されたｎ型クラッド層４と、基板３上に形成されたｐ型クラッド層６と、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層５とを備えている。フォトニック結晶層７は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａと、エピタキシャル層２ａよりも低屈折率である複数の孔２ｂとを含んでいる。活性層５から出た光のうち素子の内部に存在する光の３％以上をフォトニック結晶層７に導入できる程度に、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁が規定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体レーザ素子に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む２次元回折格子を備えた半導体レーザ素子に関する。

ＤＦＢ（Distributed feedback）レーザは、内部に設けられた１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、１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。

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。

そこで、近年、２次元の屈折率分布を持った２次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。２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、２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２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。

２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。

このような２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しみ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶に導入され、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。

なお、従来の２次元フォトニック結晶レーザは、たとえば特許文献１および非特許文献１〜３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ＩｎＧａＡｓなどよりなるフォトニックバンド構造が形成された２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および２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２次元フォトニック結晶レーザが開示されている。さらに、非特許文献３には、ｎ型ＧａＡｓよりなる基板上にＧａＡｓよりなるフォトニック結晶を有し、活性層とフォトニック結晶との距離が８０ｎｍである２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２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。
特開２０００−３３２３５１号公報 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 M.Imada, et al., "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal ", App. Phys. Lett., 75 （3） pp.316-318, 19 July 1999 D.Ohnishi, et al., "Continuous wave operation of surface emitting two-dimensional photonic crystal laser ", ELECTRONICS LETTERS, 3rd April 2003, Vol.39, No.7

近年、赤外光よりも短波長（青色や紫外光など）の光を発振する２次元フォトニック結晶レーザへの要望が高まっている。しかしながら、２次元フォトニック結晶レーザにおいては、短波長の光を発振することができないという問題があった。これについて以下に説明する。

上述のように、２次元フォトニック結晶レーザでは、活性層外へしみ出したエバネッセント光をフォトニック結晶に導入し、フォトニック結晶において波長および位相を揃えて光を発振している。ここで、エバネッセント光が活性層から漏れ出す距離（光の強度が１／ｅとなる界面からの距離）ｄは、以下の式（１）で表わされる。

ｄ＝λ／４π（ｎ₁ ²ｓｉｎ²θ−ｎ₂ ²）^1/2 ・・・（１）
式（１）において、λは活性層における光の波長であり、ｎ₁は活性層に隣接する領域（通常クラッド層）の屈折率であり、ｎ₂は活性層の屈折率である。式（１）に示すように、エバネッセント光が活性層から漏れ出す距離ｄは、光の波長λに比例する。つまり、赤外光を発振する２次元フォトニック結晶レーザに比べて、赤外光よりも短波長の光を発振する２次元フォトニック結晶では、エバネッセント光が活性層から漏れ出す距離ｄが短くなる。このため、青色や紫外光などの短波長の光の発振を目指した、通常の２次元フォトニック結晶レーザでは、素子の内部に存在する光のうち１％以下の光しかフォトニック結晶層へ導入することができず、発振することができなかった。

ここで、より多くの光をフォトニック結晶へ導入するために、２つのフォトニック結晶を、活性層を挟むように配置し、活性層の上下からしみ出すエバネッセント光をそれぞれのフォトニック結晶へ導入する方法も考えられる。しかし、２つのフォトニック結晶の回折格子点の位置を完全に揃えることは困難であるため、活性層の上下に２つのフォトニック結晶を配置することはできなかった。

したがって、本発明の目的は、青色や紫外光などの短波長の光を発振することのできる半導体レーザ素子を提供することである。

本発明の半導体レーザ素子は、主面を有する基板と、基板の主面が延びる方向に沿って基板上に形成された２次元回折格子と、基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、基板上に形成された第２導電型の第２クラッド層と、第１および第２導電型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層とを備えている。活性層から出た光のうち素子の内部に存在する光の３％以上を２次元回折格子に導入できる程度に、２次元回折格子と活性層との距離が規定されている。

本発明の半導体レーザ素子によれば、活性層からしみ出すエバネッセント光を十分に２次元回折格子に導入できるので、２次元回折格子において波長および位相を揃えて光を発振することができる。したがって、青色や紫外光などの短波長の光を発振することができる。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子と活性層との距離が０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下である。

２次元回折格子と活性層との距離を０．０７μｍ以下とすることで、素子の内部に存在する光のうち３％以上の光を２次元回折格子に導入できる。したがって、青色や紫外光などの短波長の光を発振することができる。また、２次元回折格子と活性層との距離を０．０１μｍ以上にすることで、活性層から２次元回折格子へ少数キャリアが進入しにくくなり、２次元回折格子内でのキャリアの非発光再結合が起こりにくくなる。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第１クラッド層は２次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつ第２クラッド層は第１クラッド層よりも２次元回折格子に近い。さらに、２次元回折格子の一方の主面側に形成され、第２クラッド層よりも広いバンドギャップを有する第２導電型の少数キャリアブロック層をさらに備えている。

２次元回折格子と活性層との距離を小さくすると、第１クラッド層から活性層へ注入されたキャリアが第２クラッド層を通過して２次元回折格子に進入しやすくなる。特に、２次元回折格子が空気孔を有している場合には、２次元回折格子の空気孔の表面でのキャリアの非発光再結合が非常に起こりやすい。そこで、２次元回折格子と活性層との間に少数キャリアブロック層を形成することによって、少数キャリアが２次元回折格子に進入することを防止することができるので、２次元回折格子内でのキャリアの非発光再結合を防止することができる。これにより、半導体レーザ素子の閾値を低下することができる。

本発明の半導体レーザ素子においてこのましくは、少数キャリアブロック層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１６≦ｘ≦１）よりなっている。

ｘが０．１６以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮは、広いバンドギャップを有しているので、少数キャリアブロック層として適している。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第１および第２クラッド層は、共に２次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつ第２クラッド層は第１クラッド層よりも２次元回折格子に近く、第１クラッド層の屈折率は第２クラッド層の屈折率よりも低い。

これにより、第１クラッド層の屈折率が低くなるので、活性層から第１クラッド層側へエバネッセント光がしみ出しにくくなる。これにより、活性層から第２クラッド層側へしみ出すエバネッセント光の光量が増加し、２次元回折格子に導入される光の光量が増加する。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、第１クラッド層は、厚さが０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１３≦ｘ≦１）よりなっている。

ｘが０．１３以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮは、低い屈折率を有しているので、この層を０．１μｍ以上の厚さで形成することで、活性層から第１クラッド層へエバネッセント光がしみ出しにくくなる。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、エピタキシャル層よりなる２次元回折格子は複数の孔を有しており、複数の孔によって回折格子点が構成されている。

これにより、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子を形成するエピタキシャル層は複数の柱形状であり、複数の柱形状によって回折格子点が構成されている。

これにより、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、基板は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）よりなっている。

導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮ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結晶が得られる、したがって、エピタキシャル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。

本発明の半導体レーザ素子によれば、活性層からしみ出すエバネッセント光を十分に２次元回折格子に導入できるので、フォトニック結晶において波長および位相を揃えて光を発振することができる。したがって、青色や紫外光などの短波長の光を発振することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

（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、第１クラッド層としてのｎ型クラッド層４と、活性層５と、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層６と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７と、もう一つの第２クラッド層としての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。

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。フォトニック結晶層７はｐ型ＧａＮよりなっており、主面３ａが延びる方向に沿ってｐ型クラッド層６上に形成されている。フォトニック結晶層７上には、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９がこの順で形成されている。コンタクト層９の上には円形状の電極１０が設けられており、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。

また、フォトニック結晶層７から見た場合には、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共にフォトニック結晶層７の裏面１７ａ（一方の主面）側に形成されている。また、フォトニック結晶層７の表面１７ｂ（他方の主面）側にはｐ型クラッド層８が形成されている。ｐ型クラッド層６およびｐ型クラッド層８はｎ型クラッド層４よりもフォトニック結晶層７に近い。

距離ｄ₁はフォトニック結晶層７と活性層５との距離であり、詳細には、フォトニック結晶層７の裏面１７ａと活性層５の表面５ａとの距離である。本実施の形態においては、活性層５からしみ出すエバネッセント光を十分にフォトニック結晶層７に導入できる程度（たとえば素子の内部に存在する光のうち３％以上の光をフォトニック結晶層７に導入できる程度）に、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁が規定されている。距離ｄ₁は、たとえば０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下である。

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、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、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）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、発光に寄与するキャリアを活性層５に集中させることができる。

活性層５はたとえばＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（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、フォトニック結晶層７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、フォトニック結晶層７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。

図３は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図１〜図３を参照して、フォトニック結晶層７は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａと、複数の孔２ｂとを含んでいる。エピタキシャル層２ａの表面１７ｂに複数の孔２ｂが３角格子を形成するように設けられており、複数の孔２ｂの各々によって回折格子点が構成されている。各孔２ｂは、柱状（例えば、円柱形状）の空間部として設けられている。各孔２ｂの中心と、これと最も近い隣接の６個の孔２ｂの中心との距離は等しい値であり、孔の中心の間隔はたとえば０．１５μｍであり、孔２ｂの直径はたとえば０．０８μｍである。

エピタキシャル層２ａは第１の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）を有し、周期的に形成された孔２ｂは、第１の屈折率よりも低屈折率である第２の屈折率（孔２ｂ内に空気が埋め込まれている場合１）を有する。孔２ｂ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２ｂ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、より厳格には、後に説明する接合工程における雰囲気に含まれる気体が存在する状態）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の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、孔２ｂ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（ＳｉＮ_x）などを用いることができる。

フォトニック結晶層７は、第１の方向と、この方向と所定の角度をなす第２の方向とに対して、等しい周期（格子定数に対応する値）を有する回折格子である。フォトニック結晶層７には、上記の２方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。また、領域Ａ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、光を放出する領域として機能する。半導体レーザ素子１の発光方法については、後ほど説明する。

図１および図２を参照して、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、ｐ型クラッド層８は、フォトニック結晶層７より下の層にキャリア（電子）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。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。

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、フォトニック結晶層７の厚さはたとえば０．１μｍであり、ｎ型クラッド層４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。

次に、半導体レーザ素子１の発光方法について、図１〜図３を用いて説明する。

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。

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によって活性層５内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層７に到達する。フォトニック結晶層７に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層７が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。フォトニック結晶層７によって位相が規定された光は、活性層５内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層７において規定される光の波長および位相条件を満足している。

このような現象は、活性層５およびフォトニック結晶層７が２次元的に広がりをもって形成されているので、電極１０を中心にした領域Ａおよびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層７の主面１７に垂直な方向（図１中上方向）、つまり光放出面９ａから誘導放出される。

続いて、２次元回折格子（フォトニック結晶層）７について具体例を掲げながら説明する。２次元回折格子は、少なくとも２方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような２次元回折格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を３角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を６角格子とそれぞれ呼ぶ。

図４は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。３角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図４において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向をＸ−Ｊ方向と呼ぶ。本実施の形態では、活性層５において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。

２次元回折格子７は、以下に説明する３個の１次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｎ₁、Ｎ₂、Ｎ₃などからなっている。これら３つの１次元回折格子群Ｌ，Ｎ，およびＭは、任意の格子点を中心に１２０度の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群Ｌ，Ｎ，およびＭにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はａである。

まず、格子群Ｌに関して考える。格子点Ａから格子点Ｂの方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。ここで、λはエピタキシャル層２ａ内における光の波長である。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０゜、±１２０゜の角度に別の格子点Ｄ，Ｅ，Ｆ，およびＧが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点ＡおよびＫが存在する。

格子点Ｂにおいて、たとえば格子点Ｄの方向に向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして順次、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと回折されていく。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。

以上、説明したように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体レーザ素子１においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。

また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）において、ｍが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ＝±９０゜となる。これは、２次元回折格子７の主面に対して垂直方向（図４中紙面に垂直な方向）にも回折が強くなることを意味している。これにより、２次元回折格子７の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。

さらに、２次元回折格子７では、上記の説明が任意の格子点Ａにおいて行なわれたことを考慮すると、上記のような光の回折は２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子７では、この２次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。

図５は、図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子空間におけるブリリアンゾーンの中心Γ点、このΓ点と隣接ブリリアンゾーンのΓ点とを結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差するＸ点、互いに隣接する３ブリリアンゾーンが一点において接するＪ点が示されている。図５におけるΓ点、Ｘ点、Ｊ点から規定される方向は、図４に説明において参照したΓ−Ｘ方向およびΓ−Ｊ方向に対応する。

図６（ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行なった結果の一例を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。図１のフォトニック結晶層７は、図６（ａ）に示された分散関係、つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも２次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のエネルギに対して規定された分散関係をいう。

図６（ａ）および（ｂ）を参照して、Γ点およびその付近の波数範囲では、Ｓで示す部分およびＰで示す部分において、フォトニックバンドギャップが存在している。ここでは、Ｓで示す部分を「第１フォトニックバンドギャップ」と呼び、Ｐで示す部分を「第２フォトニックバンドギャップ」と呼ぶ。第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₁は約０．３５となっており、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₂は約０．６１となっている。ここで、Γ点は波数ベクトルｋ＝０の点であるので、光の規格化周波数ωが規格化周波数ω₁およびω₂の場合には、結晶方向に関わらず定在波が立つ。同様の計算を本願のＧａＮよりなるフォトニック結晶層７（３角格子）に対して行なうと、第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₁は約０．４７となり、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₂は約０．８２となる。

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７〜図１３を用いて説明する。

始めに、図７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（Metal-organic chemical vapor deposition）法を用いて、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、およびＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａをこの順序で基板３上にエピタキシャル成長させる。活性層５とエピタキシャル層２ａとの距離については、ｐ型クラッド層６の膜厚によって調整することができる。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８を参照して、電子ビーム露光によってエピタキシャル層２ａ上に所定形状のレジスト２０を形成する。続いて、図９を参照して、レジスト２０をマスクとしてエピタキシャル層２ａをＩＣＰ（Inductively coupled plasma）でエッチングし、エピタキシャル層２ａの所定の位置に回折格子点となる孔２ｂを形成する。これにより、フォトニック結晶層７が形成される。

一方、図１０を参照して、図９に示す構造とは別に、剥離層２２、コンタクト層９、およびｐ型クラッド層８をこの順序で基板２１上に形成する。これらの層は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて基板２１上にエピタキシャル成長させることによって形成する。

次に、図１１を参照して、フォトニック結晶層７とｐ型クラッド層８とが互いに対向するような向きで基板３と基板２１とを融着貼り付けする。融着貼り付けは、たとえば窒素雰囲気において７００℃の温度で所定の圧力をかけて行なわれる。この方法により、接着剤を用いることなしにｐ型クラッド層８とフォトニック結晶層７とをくっつけることができる。

次に、図１２を参照して、図中横方向からエッチングすることにより剥離層２２を選択的に除去する。これにより、基板２１と基板３とが分離し、コンタクト層９の上面である光放出面９ａが露出する。その後、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を形成し、図２に示す半導体レーザ素子１が完成する。なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法は、上記製造方法に限定されるものではなく、他の方法であってもよい。

本実施の形態の半導体レーザ素子１は、主面３ａを有する基板３と、主面３ａが延びる方向に沿って基板３上に形成されたフォトニック結晶層７と、基板３上に形成されたｎ型クラッド層４と、基板３上に形成されたｐ型クラッド層６と、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層５とを備えている。フォトニック結晶層７は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａと、エピタキシャル層２ａよりも低屈折率である複数の孔２ｂとを含んでいる。活性層５から出た（活性層５で発光した）光のうち素子の内部に存在する光の３％以上をフォトニック結晶層７に導入できる程度に、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁が規定されている。

本実施の形態の半導体レーザ素子１によれば、活性層５からしみ出すエバネッセント光を十分にフォトニック結晶層７に導入できるので、フォトニック結晶層７において波長および位相を揃えて光を発振することができる。したがって、ＧａＮを含むフォトニック結晶層７を用いて青色や紫外光などの短波長の光を発振することができる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１においては、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁が０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下である。

フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁を０．０７μｍ以下とすることで、素子の内部に存在する光のうち３％以上の光をフォトニック結晶層７に導入できる。したがって、ＧａＮを含むフォトニック結晶層７を用いて青色や紫外光などの短波長の光を発振することができる。また、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁を０．０１μｍ以上にすることで、活性層５からフォトニック結晶層７へ電子が進入しにくくなり、２次元回折格子内でのキャリアの非発光再結合が起こりにくくなる。

本願発明者らは、上記効果を確認すべく、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁を０．０７μｍに規定し、半導体レーザ素子１の内部に存在する光の分布についてシミュレーションを行なった。この結果を図１３に示す。図１３を参照して、実線は半導体レーザ素子１の内部の光強度分布を示しており、光強度分布を積分したもの（面積）が光量となる。光強度は電界強度の２乗に比例する。また、点線は各層の屈折率を示している。シミュレーションの結果、半導体レーザ素子１の内部に存在する光の総量Ｂ₀に対する、フォトニック結晶層７に導入された光の光量Ｂの割合（Ｂ／Ｂ₀）は、３％を超えていた。以上の結果から、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁を０．０７μｍ以下とすることで、素子の内部に存在する光のうち３％以上の光をフォトニック結晶層７に導入できることが分かる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１において、エピタキシャル層２ａは複数の孔２ｂを有しており、複数の孔２ｂによって回折格子点が構成されている。

これにより、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１において好ましくは、基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）よりなっている。

導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮ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結晶が得られる、したがって、エピタキシャル層２ａ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５内へ注入することができる。

（実施の形態２）
図１４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１４に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａは、ｐ型クラッド層６（図１）の代わりに、少数キャリアブロック層２４を備えている。少数キャリアブロック層２４は、フォトニック結晶層７の裏面１７ａ側に形成されており、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層８よりも広いバンドギャップを有している。少数キャリアブロック層２４は、たとえばｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１６≦ｘ≦１）よりなっている。なお、半導体レーザ素子１ａにおいて、少数キャリアブロック層２４は、ｐ型クラッド層６と同様の機能も有している。具体的には、少数キャリアブロック層２４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し、また、活性層５にキャリアと光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。

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。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、ｎ型クラッド層４はフォトニック結晶層７の裏面１７ａ側に形成されており、かつｐ型クラッド層８はｎ型クラッド層４よりもフォトニック結晶層７に近い。半導体レーザ素子１ａは、フォトニック結晶層７の裏面１７ｂ側に形成され、ｐ型クラッド層８よりも広いバンドギャップを有するｐ型の少数キャリアブロック層２４をさらに備えている。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａによれば、閾値を低下することができる。これについて以下に説明する。

図１５は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の各層のバンドギャップを模式的に示す図である。図１５を参照して、半導体レーザ素子１ａから光が発振される際には、ｎ型クラッド層４から電子が活性層５内へ注入され、ｐ型クラッド層８から活性層５へ正孔が注入される。図１５においては、電子および正孔が活性層５内へ注入される様子を示している。これらのキャリアのうち、電子は、活性層５内に留まらずにフォトニック結晶層７へ少数キャリアとして進入しやすい。本実施の形態のように活性層５とフォトニック結晶層７との距離ｄ₁が小さい場合には、電子がフォトニック結晶層７へ特に進入しやすくなる。電子がフォトニック結晶層７へ進入すると、ｐ型クラッド層８から注入された正孔と非発光再結合する。特に、フォトニック結晶層７において複数の孔２ｂの内部に空気が埋め込まれている場合には、非発光再結合が起こりやすい。

そこで、本実施の形態では、フォトニック結晶層７と活性層５との間に、広いバンドギャップを有する少数キャリアブロック層２４を形成し、少数キャリアブロック層２４の高い障壁によって電子がフォトニック結晶層７に進入することを防止している。少数キャリアブロック層２４のバンドギャップｈ₁は、ｐ型クラッド層８のバンドギャップｈ₂よりも広い。これにより、フォトニック結晶層７内でのキャリアの非発光再結合を防止することができ、半導体レーザ素子１ａの閾値を低下することができる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、少数キャリアブロック層２４はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１６≦ｘ≦１）よりなっている。

ｘが０．１６以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮは、広いバンドギャップを有しているので、少数キャリアブロック層として適している。

なお、本実施の形態では、半導体レーザ素子１ａがｐ型クラッド層６の代わりに少数キャリアブロック層２４を備えている場合について示したが、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、図１６に示すように、ｐ型クラッド層６と少数キャリアブロック層２４との両方を備えていてもよい。また、図１６では、少数キャリアブロック層２４上にｐ型クラッド層６が形成されているが、ｐ型クラッド層６上に少数キャリアブロック層２４が形成されていてもよい。

（実施の形態３）
図２を参照して、上述のように、半導体レーザ素子１における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にキャリアを閉じ込める閉じ込め層として機能する。このため、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、通常、同程度の屈折率を有している。

しかし、本実施の形態では、２つのクラッド層のうちフォトニック結晶層７から見て遠い方のクラッド層であるｎ型クラッド層４の屈折率が、ｐ型クラッド層６の屈折率よりも低くなっている。ｎ型クラッド層４は、たとえば厚さｄ₂が０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１３≦ｘ≦１）よりなっている。

なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成は、実施の形態１の半導体レーザ素子１と同様であるので、その説明は省略する。

本実施の形態の半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共にフォトニック結晶層７の裏面１７ａ側に形成されており、かつｐ型クラッド層６はｎ型クラッド層４よりもフォトニック結晶層７に近く、ｎ型クラッド層４の屈折率はｐ型クラッド層６の屈折率よりも低い。

これにより、ｎ型クラッド層４の屈折率が低くなるので、活性層５からｎ型クラッド層４側へエバネッセント光がしみ出しにくくなる。これにより、活性層５からｐ型クラッド層６側へしみ出すエバネッセント光の光量が増加し、フォトニック結晶層７に導入される光の光量が増加する。

本実施の形態の半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層４は、厚さｄ₂が０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１３≦ｘ≦１）よりなっている。

ｘが０．１３以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮは、低い屈折率を有しているので、この層を０．１μｍ以上の厚さで形成することで、活性層５からｎ型クラッド層４へエバネッセント光がしみ出しにくくなる。

なお、エピタキシャル成長層全体がＧａＮ系材料よりなっている半導体レーザ素子の場合、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層４を厚く形成すると、基板３とエピタキシャル成長層との格子が不整合になりやすい。しかし、ＧａＮやＳｉＣよりなる基板３を用いてエピタキシャル成長層を形成することで、その結晶性を良好にすることができるので、上記不整合を回避することができる。

本願発明者らは、上記効果を確認すべく、０．２μｍの厚さｄ₂を有するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１５）よりなるｎ型クラッド層 ４を用いて、フォトニック結晶層７と活性層５との距離ｄ₁を０．０４μｍに規定し、半導体レーザ素子の内部に存在する光の分布についてシミュレーションを行なった。この結果を図１７に示す。図１７を参照して、シミュレーションの結果、半導体レーザ素子の内部に存在する光の総量Ｃ₀に対する、フォトニック結晶層７に導入された光の光量Ｃの割合（Ｃ／Ｃ₀）は、６％を超えていた。以上の結果から、ｎ型クラッド層４の屈折率を低屈折率にすることで、より多くの光をフォトニック結晶層７に導入できることが分かる。

（実施の形態４）
実施の形態１においては、フォトニック結晶層７の回折格子点２ｂが図３に示すような３角格子を形成している場合について示した。しかしながら、フォトニック結晶層の回折格子点の配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。

図１８は、本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図１８に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶層７ａにおいて、エピタキシャル層２ａの表面１７ｂには、複数の回折格子点（孔）２ｂが正方格子を形成するように設けられている。

図１９は、２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。正方格子は、一辺の長さがｄである正方形で埋め尽くされている。図１９において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層５において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。

２次元回折格子（フォトニック結晶層）７ａは、以下に説明する２個の１次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃などからなっている。これら２つの１次元回折格子群ＵおよびＶは、任意の格子点を中心に９０゜の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群ＵおよびＶにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はｂである。

まず、格子群Ｕに関して考える。格子点Ｗから格子点Ｐの方向に進む光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、３角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０゜の角度に別の格子点Ｑ、Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ｗ、Ｓが存在する。

格子点Ｐにおいて格子点Ｑの方向に向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて格子群Ｖに従って回折される。この回折は、格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔに向けて回折される光は、格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、格子群Ｖに従って回折される。

以上、説明したように、格子点Ｗから格子点Ｐに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。このため、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７ａは光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。

また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）において、ｍが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ＝±９０゜となる。これは、２次元回折格子７ａの主面に対して垂直方向（図１５中紙面に垂直な方向）にも回折が強くなることを意味している。これにより、２次元回折格子７ａの主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。

さらに、２次元回折格子７ａでは、上記の説明が任意の格子点Ｗにおいて行なわれたことを考慮すると、上記のような光の回折は２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子７ａでは、この２次元的結合によって２つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。

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。

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１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態５）
実施の形態１におけるフォトニック結晶層７では、エピタキシャル層２ａの表面１７ｂに複数の孔２ｂが３角格子を形成するように設けられており、複数の孔２ｂの各々によって回折格子点が構成されている場合について示した。しかし、本発明の２次元回折格子はこのような場合の他、たとえば図２０に示す構成であってもよい。

図２０は、本発明の実施の形態５におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図２０に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶層７ｂにおいて、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａは複数の柱形状であり、複数の柱形状によって回折格子点が構成されている。複数の柱形状の各々の間２ｃには空気が充填されており、エピタキシャル層２ａよりも低屈折率とされている。

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。

本実施の形態の半導体レーザ素子において、エピタキシャル層２ａは複数の柱形状であり、複数の柱形状によって回折格子点が構成されている。

これにより、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

（実施の形態６）
実施の形態１においては、図１に示すように、活性層５の上に形成されたｐ型クラッド層６に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている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、たとえば図２１に示す構成であってもよい。

図２１は、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斜視図である。図２１に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、活性層５の下に形成されたｎ型クラッド層４に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、ｎ型クラッド層８ａ、フォトニック結晶層７、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、およびコンタクト層９が、この順序で基板３上に形成されている。半導体レーザ素子１ｂから光を発振する際には、電極１０に正電圧を印加し、電極１１に負電圧を印加することで活性層５にキャリアを注入する。

また、図２１に示す半導体レーザ素子１ｂにおいて少数キャリアブロック層を形成する場合には、ｎ型クラッド層８ａよりも広いバンドギャップを有する少数キャリアブロック層をｎ型クラッド層４の位置に形成する。これによって、ｐ型クラッド層６から活性層５へ注入された正孔がフォトニック結晶層７に進入するのを抑止することができる。

なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｂ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。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいても、実施の形態１の半導体レーザ素子１と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本実施例では、活性層からしみ出すエバネッセント光を十分に２次元回折格子に導入できる程度に、２次元回折格子と活性層との距離を規定することの効果について調べた。具体的には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、およびＧａＮよりなるエピタキシャル層を、この順序で一方の基板上に作製した。活性層とエピタキシャル層（フォトニック結晶層）との距離ｄ₁が０．１μｍであるものと、０．０７μｍであるものとの２種類を作製した。また、活性層の発光波長を４１０ｎｍとした。次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、剥離層、ｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層を、この順序で他方の基板上に作製した。

続いて、得られたエピタキシャル層の表面に、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微細孔のレジストパターンを描画した。レジストのパターンは３角格子とし、０．１９μｍのピッチで孔の開口率を約２０％とした。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）法を用いてエピタキシャル層をエッチングし、フォトニック結晶層を作製した。

続いて、ｐ型クラッド層とフォトニック結晶層とが互いに対向するような向きで、一方の基板と他方の基板とを融着貼り付けした。融着貼り付けは、窒素雰囲気において７００℃の温度で所定の圧力をかけて行なわれた。次に、エッチングにより剥離層を選択的に溶解させ、他方の基板のみを分離した。その後、ｐ型コンタクトの上にｐ型オーミック電極を形成し、基板の裏面全面にｎ型オーミック電極を形成し、半導体レーザ素子を作製した。ｐ型オーミック電極については、直径１００μｍの円形ベタ電極とした。

上記のようにして製造された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、活性層とフォトニック結晶層との距離ｄ₁が０．１μｍである半導体レーザ素子では、構造が破壊される電流密度（約２０ｋＡ／ｃｍ²）までのどの電流密度領域でもレーザ発振することはなかった。一方、活性層とフォトニック結晶層との距離ｄ₁が０．０７μｍである半導体レーザ素子では、約１０ｋＡ／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、基板面に垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。

この結果から、活性層からしみ出すエバネッセント光を十分に２次元回折格子に導入できる程度に、２次元回折格子と活性層との距離を規定することで、短波長の光を発振することができることが分かる。

（実施例２）
本実施例では、半導体レーザ素子が少数キャリアブロック層を備えていることの効果について調べた。具体的には、実施例１とほぼ同様の製造方法を用いて、図１４に示す構造の半導体レーザ素子１ａを作製した。本実施例の半導体レーザ素子１ａにおける各層の具体的構成を図２２に示す。図２２を参照して、ｎ型ＧａＮよりなる基板３上に、１μｍの厚さのｎ型ＧａＮよりなるバッファ層と、１μｍの厚さのｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０８）よりなるｎ型クラッド層４と、０．０６μｍの厚さのアンドープＧａＮよりなるガイド層とがこの順序で形成されている。また、ガイド層上には、厚さ０．０１５μｍのアンドープＧａ_xＩｎ_1-xＮ（ｘ＝０．０２）よりなるバリア層と、厚さ０．００５μｍのアンドープＧａ_xＩｎ_1-xＮ（ｘ＝０．０７）よりなるウェル層と、厚さ０．０１５μｍのアンドープＧａ_xＩｎ_1-xＮ（ｘ＝０．０２）よりなるバリア層と、厚さ０．００５μｍのアンドープＧａ_xＩｎ_1-xＮ（ｘ＝０．０７）よりなるウェル層とにより構成される活性層５が形成されている。活性層５上には、０．０２μｍの厚さのｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１８）よりなる少数キャリアブロック層２４と、０．０５μｍの厚さのｐ型ＧａＮよりなるガイド層と、０．１μｍの厚さのＧａＮおよび複数の空気孔により構成されるフォトニック結晶層７とが形成されている。フォトニック結晶層７上には、０．４μｍの厚さのｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０８）よりなるｐ型クラッド層８と、０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層９とが形成されている。活性層５とフォトニック結晶層７との距離ｄ₁は、０．０７μｍとした。また、少数キャリアブロック層２４のキャリア濃度は２×１０¹⁷個／ｃｍ³とし、活性層の発光波長を４１０ｎｍとした。

上記のようにして製造された半導体レーザ素子１ａ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、約６ｋＡ／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、基板面に垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。この結果から、少数キャリアブロック層２４の存在によって少数キャリアの漏れが防止され、キャリアが効率的に活性層５へ注入されるので、半導体レーザ素子の閾値が低下することが分かった。

（実施例３）
本実施例では、フォトニック結晶層７から遠い側のクラッド層であるｎ型クラッド層４の屈折率を、ｐ型クラッド層６の屈折率よりも低くすることの効果について調べた。具体的には、図１４に示す構造の半導体レーザ素子１ａを作製し、各層の具体的構成を図２３に示す構成とした。図２３を参照して、本実施例の半導体レーザ素子は、以下の点で図２２に示す実施例２の半導体レーザ素子と異なっている。１μｍの厚さのｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０８）よりなるｎ型クラッド層４の代わりに、０．８μｍの厚さのｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．０８）と、０．２μｍの厚さのｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．１５）とにより構成されるｎ型クラッド層４を形成した。また、少数キャリアブロック層２４上のガイド層の厚さを０．０５μｍから０．０２μｍに変更し、活性層５とフォトニック結晶層７との距離ｄ₁を０．０４μｍとした。

上記のようにして製造された半導体レーザ素子１ａ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、約１．５ｋＡ／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、基板面に垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。この結果から、ｎ型クラッド層４の屈折率を低くして、活性層５とフォトニック結晶層７との距離ｄ₁をさらに小さくすることで、半導体レーザ素子の閾値が一層低下することが分かった。

以上に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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、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修正や変形を含むものと意図される。

本発明の半導体レーザ素子は、面発光構造であるので、同一素子あるいは異種素子のアレイ化がいずれも容易になる。また、たとえばＤＶＤ（Digital versatile disc）読取り機などの多波長光源が求められる用途にも有用である。

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１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。 ２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。 図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。 （ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行なった結果の一例を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。（ｂ）は、（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。 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。 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。 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。 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４工程を示す断面図である。 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５工程を示す断面図である。 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６工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の内部に存在する光の分布についてのシミュレーション結果である。 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。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の各層のバンドギャップを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の他の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の内部に存在する光の分布についてのシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。 ２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。 本発明の実施の形態５におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。 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斜視図である。 本発明の実施例２における半導体レーザ素子の構成を示す図である。 本発明の実施例３における半導体レーザ素子の構成を示す図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 半導体レーザ素子、２ａ エピタキシャル層、２ｂ 孔（回折格子点）、２ｃ 柱形状の間、３，２１ 基板、３ａ，３ｂ 基板主面、４，８ａ ｎ型クラッド層、５ 活性層、５ａ 活性層表面、６ ｐ型クラッド層、７，７ａ，７ｂ フォトニック結晶層（２次元回折格子）、８ ｐ型クラッド層、９ コンタクト層、９ａ 光放出面、１０，１１ 電極、１７ａ フォトニック結晶層裏面、１７ｂ フォトニック結晶層表面、２０ レジスト、２２ 剥離層、２４ 少数キャリアブロック層。

Claims (9)

1. 主面を有する基板と、
   窒化ガリウムよりなるエピタキシャル層と、前記エピタキシャル層よりも低屈折率である低屈折率部分とを含み、前記主面が延びる方向に沿って前記基板上に形成された２次元回折格子と、
   前記基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、
   前記基板上に形成された第２導電型の第２クラッド層と、
   前記第１および前記第２導電型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層とを備え、
   前記活性層から出た光のうち素子の内部に存在する光の３％以上を前記２次元回折格子に導入できる程度に、前記２次元回折格子と前記活性層との距離が規定されている、半導体レーザ素子。
2. 前記２次元回折格子と前記活性層との距離が０．０１μｍ以上０．０７μｍ以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第１クラッド層は前記２次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつ前記第２クラッド層は前記第１クラッド層よりも前記２次元回折格子に近く、
   前記２次元回折格子の一方の主面側に形成され、前記第２クラッド層よりも広いバンドギャップを有する第２導電型の少数キャリアブロック層をさらに備える、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記少数キャリアブロック層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１６≦ｘ≦１）よりなる、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第１および前記第２クラッド層は、共に前記２次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつ前記第２クラッド層は前記第１クラッド層よりも前記２次元回折格子に近く、
   前記第１クラッド層の屈折率は前記第２クラッド層の屈折率よりも低い、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記第１クラッド層は、厚さが０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１３≦ｘ≦１）よりなる、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記エピタキシャル層よりなる前記２次元回折格子は複数の孔を有し、前記複数の孔によって回折格子点が構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
8. 前記２次元回折格子を形成する前記エピタキシャル層は複数の柱形状であり、前記複数の柱形状によって回折格子点が構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
9. 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。

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