二维光子晶体面发光激光器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体激光器，特别涉及使用二维光子晶体对光进行放大的二维光子晶体面发光激光器及其制造方法。

背景技术：

半导体激光器具有小型、廉价、耗电低、寿命长等诸多优点，在光记录用光源、通信用光源、激光显示器、激光打印机、激光指示器等广泛的领域中得到普及。另一方面，在激光器加工的领域中需要光输出至少超过1W的激光器，但当前实用化的半导体激光器由于以下的理由而达不到该输出。因此，现状下，在激光器加工的领域中，不是使用半导体激光器，而是使用二氧化碳激光器等气体激光器。

当前实用化的半导体激光器中的光输出小的理由如以下所述。为了提高半导体激光器的光输出，最好是从元件出射的激光束的截面积(出射面积)大。另一方面，为了提高加工精度，最好是照射到被加工物的激光束的截面积(光点面积)小。因此，理想上，希望从激光源出射的激光束不扩展而保持不变地到达被加工物。但是，在半导体激光器中，越加大出射面积，激光振荡就会在越多的模式中产生，因此激光的波阵面会发生紊乱。若激光的波阵面发生紊乱，则即使使用光学系统进行聚光也难以减小光点面积。因此，在当前实用化的半导体激光器中，很难在减小光点面积的同时得到高的光输出。

在专利文献1中记载了半导体激光器中的一种，即，二维光子晶体面发光激光器。二维光子晶体面发光激光器在板状的母材具有二维光子晶体和活性层，其中，该二维光子晶体周期性地配置有折射率与该母材不同的异折射率区域。异折射率区域典型地由形成于母材的空穴构成。在二维光子晶体面发光激光器中，在因电流注入到活性层而在该活性层产生的光当中，仅与异折射率区域的周期相对应的给定的波长的光会被放大而发生激光振荡，作为激光束向与二维光子晶体垂直的方向出射。二维光子晶体面发光激光器由于从二维光子晶体中的一定范围内进行发光(面发光)，因此与端面发光形的半导体激光器相比，不仅出射面积大，易于提高光输出，而且还能够减小扩散角。

迄今为止，已知异折射率区域的形状、配置等不同的各种二维光子晶体，在专利文献1记载的二维光子晶体面发光激光器的二维光子晶体中，具有以下结构，即，在与配置成周期a的正方格子状的异折射率区域(主异折射率区域)的每一个稍稍离开的位置，设置平面形状的面积比主异折射率区域小的副异折射率区域。将这些主异折射率区域和副异折射率区域合起来称作“异折射率区域对”。

在专利文献1的结构中，在副异折射率区域距主异折射率区域的x方向上的距离dx以及y方向上的距离dy都是0.25a的情况下，在二维光子晶体内，对于波长λ为a的光当中被主异折射率区域反射从而行进方向变化180°的光、和被副异折射率区域反射从而行进方向变化180°的光来说，它们的光路长度之差成为0.5λ，通过干涉而被削弱。另一方面，对于在主异折射率区域中行进方向变化90°的光、和在副异折射率区域中行进方向变化90°的光来说，它们的光路长度之差成为0.25λ，这两个光不会通过干涉而被削弱。并且，在异折射率区域对中行进方向变化90°的光由于与在x方向或y方向上相邻的异折射率区域对中行进方向变化成相同方向的光的光路长度之差成为λ，因此通过干涉而被增强。光被反射到180°方向这一情况成为重复该反射后光局部存在于二维光子晶体内的一部分区域的原因，与此相对，光的行进方向变化90°这一情况有助于在二维光子晶体中的大范围内进行面发光。因此，通过设为上述结构，能够在抑制光局部存在于二维光子晶体内的一部分区域的同时通过干涉在二维光子晶体内的大范围内增强光，由此能提高激光的输出。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2008-243962号公报

专利文献2：JP特开2007-180120号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在专利文献1记载的二维光子晶体面发光激光器中，在想要如上述那样通过由异折射率区域对带来的干涉的效果来提高激光的输出的情况下，为了最大限度获得其效果，需要充分分析各异折射率区域对中的主异折射率区域与副异折射率区域的相互关系。

本发明想要解决的课题在于，提供二维光子晶体面发光激光器及其制造方法，在使用了异折射率区域对的二维光子晶体面发光激光器中，能更加提高异折射率区域对中的干涉的效果，从而得到更大输出的激光。

用于解决课题的手段

本发明的发明者发现，在专利文献1记载的具有异折射率区域对的二维光子晶体面发光激光器中，对由主异折射率区域和副异折射率区域带来的干涉的作用详细进行分析的结果是，在因两异折射率区域中的光的反射导致的干涉中，重要的是两者之间的距离和主异折射率区域以及副异折射率区域各自中的反射的方式。即，在专利文献1记载的异折射率区域对中，相对于主异折射率区域，副异折射率区域的平面形状的面积小，两者中的光的反射的方式是不平衡的。

另外，根据二维光子晶体的制作时所一般使用的干式蚀刻法，空穴(异折射率区域)的平面形状越小，蚀刻气体越难以侵入到空穴内，因此蚀刻速度会变慢，厚度自然会变薄(深度变浅)。因此，平面形状比主异折射率区域小的副异折射率区域的厚度也薄于主异折射率区域(参考专利文献2)。其结果是，对于主异折射率区域和副异折射率区域来说，相比它们的平面形状的面积的相异，它们具有更大的体积上的差异。因此，在使用了具有专利文献1记载的结构的二维光子晶体的面发光激光器中，在实际的产品中，主异折射率区域和副异折射率区域中的光的反射变得更加不平衡，得不到充分利用了干涉效果的激光器发光的高输出化。

因此，为了解决上述课题而完成的本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器在板状的母材具有：二维光子晶体，周期性地配置有由折射率与该母材不同的第1异折射率区域以及第2异折射率区域构成的异折射率区域对；和活性层，设于该母材的一侧，所述二维光子晶体面发光激光器的特征在于，所述第1异折射率区域的平面形状与所述第2异折射率区域的平面形状相比，面积更大或相同，所述第1异折射率区域的厚度薄于所述第2异折射率区域的厚度。

根据本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器，第1异折射率区域与第2异折射率区域相比，平面形状的面积更大或相同，厚度更薄。因此，易于设定第1异折射率区域和第2异折射率区域的面积以及厚度，以使得它们的体积接近。通过使第1异折射率区域和第2异折射率区域的体积接近，能减小在主异折射率区域中行进方向发生变化的光、和在副异折射率区域中行进方向发生变化的光的强度之差，由此能加强这些光的干涉的作用。第1异折射率区域的体积V1与第2异折射率区域的体积V2之比V1/V2期望值是0.25～4.0。

在本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器中，期望所述异折射率区域对在与该母材平行的x方向上按周期长度a并且在与该母材平行且与该x方向垂直的y方向上按周期长度a配置成正方格子状，所述第1异折射率区域的重心和所述第2异折射率区域的重心彼此在所述x方向上错开0.15a～0.35a且在所述y方向上错开0.15a～0.35a地配置。

更期望这些x方向以及y方向的错开的大小是0.23a～0.28a，最期望是0.25a。

通过将第1异折射率区域和第2异折射率区域错开上述的大小来配置，可防止被第1异折射率区域反射从而行进方向变化180°的光、和被第2异折射率区域反射从而行进方向变化180°的光通过干涉而被削弱从而使光局部存在于二维光子晶体内的一部分区域。由此，在二维光子晶体内的大范围内，能通过干涉使在第1异折射率区域以及第2异折射率区域中光的行进方向变化90°的光得到增强，从而能进一步提高二维光子晶体面发光激光器的输出。

在本发明中，第1异折射率区域的重心和第2异折射率区域的重心的x方向以及y方向上的错开的大小并不限定于上述的0.15a～0.35a。对应于上述错开的大小，可获得起到由干涉带来的各种效果的二维光子晶体面发光激光器，该各种效果例如是通过干涉而使光局部存在于二维光子晶体内从而生成局部强的激光、调节向面垂直方向的辐射的强度等。

另外，若无论两个异折射率区域的重心的x方向以及y方向上的错开的大小如何，都在设计二维光子晶体层时所进行的计算时，使两个异折射率区域的平面形状的面积以及厚度逐渐变化，则二维光子晶体层内的光的振动模式就会逐渐变化，基本振动模式与高阶振动模式的能量增益差也会变化。该能量增益差越大，则二维光子晶体面发光激光器就会在单一的振动模式下越稳定地进行激光振荡。如此，根据本发明，对可得到稳定的激光振荡的二维光子晶体面发光激光器进行设计的自由度变高。进而，通过得到如此稳定的激光振荡，能加大二维光子晶体的面积，由此能加大激光的强度。

从相比具有正三角形等更复杂的形状的异折射率区域(特别在是空穴的情况下)来说更容易制作这一点考虑，期望所述第1异折射率区域以及所述第2异折射率区域中的任意一方或两方的平面形状是圆形。另外，圆形的异折射率区域由于没有尖的部分，因此易于加大与相邻的异折射率区域之间的距离，具有难以出现与相邻的异折射率区域无意相连的情况这样的优点。

由异折射率区域对形成的、折射率与母材不同的区域的形状在将两个异折射率区域的重心连起来的直线的方向上更加扩展。如此一来，对于在二维光子晶体内在相对于该直线倾斜的方向上传播的光当中在异折射率区域对中行进方向变化+90°的光、和变化-90°的光来说，与任意一方相比，另一方的强度会变弱，通过干涉而被增强的作用会变弱。因此，所述第1异折射率区域以及所述第2异折射率区域中的任意一方或两方的平面形状是椭圆形，该椭圆形的长轴期望配置成相对于将该第1异折射率区域的重心以及该第2异折射率区域的重心连起来的直线成为45°～135°的范围内的方向。由此，能抑制与母材不同的折射率的分布在所述直线的方向上扩展，从而能抑制光通过干涉而被增强的作用变弱。即使取代椭圆形而使用长方形的异折射率区域，配置成长边相对于所述直线成为45°～135°的范围内的方向，也能起到同样的效果。

进而，如此抑制光通过干涉而被增强的作用变弱的效果还能通过椭圆形和长方形以外的非圆形的异折射率区域达成。即，期望所述第1异折射率区域以及所述第2异折射率区域中的任意一方或两方的平面形状是非圆形，且配置成基准轴(详细情况后述)相对于将该第1异折射率区域的重心以及该第2异折射率区域的重心连起来的直线成为45°～135°的范围内的方向，其中，该基准轴由在该平面形状中确定为在重心正交且使得截面惯性积成为0的两条直线当中截面二次惯性矩更小的直线规定。

基准轴如以下那样确定。首先，对异折射率区域的平面形状，以重心为原点对该平面形状内的微小面积要素dS距x轴的距离Y和距y轴的距离X之积XY进行面积积分，由此求得截面惯性积Ixy

Ixy＝∫∫X·YdS...(1)，

并确定相互正交的x轴以及y轴，使得Ixy成为0。接下来，求取对距离Y的平方进行面积积分而可求取到的与x轴相关的截面二次惯性矩Ix

Ix＝∫∫Y²dS...(2)

和对距离X的平方进行面积积分而可求取到的与y轴相关的截面二次惯性矩Iy

Iy＝∫∫X²dS...(3)。

然后，若IX＜IY，就将x轴定义为基准轴，若IX＞IY，就将y轴定义为基准轴。例如，在平面形状是椭圆的情况下，长轴成为基准轴，在平面形状是长方形的情况下，与长边平行且通过重心的直线成为基准轴。另外，一般将上述两个轴当中截面二次惯性矩大的轴称作“强轴”，将截面二次惯性矩小的轴称作“弱轴”。

在使用这样的非圆形的异折射率区域的情况下，期望所述第1异折射率区域以及所述第2异折射率区域中的任意一方是所述非圆形，另一方是圆形。由此，能抑制在形成于异折射率区域对的周围的电场中出现非对称性从而电场的强度因干涉而变小，能增大光的强度。

本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器能适于通过以下的方法制造。本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器制造方法制造二维光子晶体面发光激光器，所述二维光子晶体面发光激光器在板状的母材具有：二维光子晶体，周期性地配置有由折射率与该母材不同的两个异折射率区域构成的异折射率区域对；和活性层，设于该母材的一侧，该二维光子晶体面发光激光器制造方法的特征在于，具有如下工序：下部掩模层制作工序，在所述母材之上制作下部掩模层；第1上部掩模形成工序，在所述下部掩模层之上形成以与所述异折射率区域对相同的周期设置有由第1孔以及第2孔构成的孔对的第1上部掩模；第1蚀刻工序，通过所述第1孔以及所述第2孔而将所述下部掩模层以及所述母材最大蚀刻到给定的第1深度；第1上部掩模除去工序，除去所述第1上部掩模；第2上部掩模形成工序，在所述下部掩模层之上形成在与所述第1孔以及所述第2孔中的一方对应的位置具有大于该一方孔的孔且将与另一方对应的位置堵塞的第2上部掩模；第2蚀刻工序，通过所述第2上部掩模的孔而将所述母材蚀刻到给定的第2深度；第2上部掩模除去工序，除去所述第2上部掩模；和下部掩模层除去工序，除去所述下部掩模层。

根据本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器制造方法，在第1上部掩模形成工序中，将具有第1孔以及第2孔的第1上部掩模形成在下部掩模层(在该时间点未在下部掩模层设置孔)之上。在此基础上，在第1蚀刻工序中，通过第1孔以及第2孔而将下部掩模层以及母材最大蚀刻到给定的第1深度，由此以与该异折射率区域对相同的周期形成与所述异折射率区域对的两个异折射率区域对应的两个孔。在此，在第1孔和第2孔的面积不同的情况下，由于这两个孔当中面积大的一方易于被蚀刻材侵入，因此从该孔蚀刻到最大的深度、即第1深度，而从另一方孔蚀刻到比第1深度浅的位置。接下来，形成在与第1孔以及第2孔中的一方对应的位置具有大于该一方孔的孔且将与另一方对应的位置堵塞的第2上部掩模，在此基础上，通过第2上部掩模的孔而将母材蚀刻到给定的第2深度。由此，能仅将与所述异折射率区域对的两个异折射率区域对应的两个孔当中的一方蚀刻得更深。这时，即使第1上部掩模的第1孔或第2孔和第2上部掩模的孔的位置多少有些错开，也能在这两个孔公共的部分将母材蚀刻到给定的第2深度。另一方面，虽然即使第1上部掩模和第2上部掩模的位置发生错开，在第1蚀刻工序中未蚀刻的部分，蚀刻剂也会在第2蚀刻工序中通过第2上部掩模的孔，但在该部分仅下部掩模层被蚀刻，母材能仅在与第1蚀刻工序相同的位置进行蚀刻。

在本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器制造方法中，所述第1孔的面积大于所述第2孔的面积，所述第2上部掩模的孔设于与所述第2孔对应的位置，通过选取这样的结构，能形成第1异折射率区域的平面形状的面积大于第2异折射率区域的平面形状的面积且第1异折射率区域的厚度薄于第2异折射率区域的厚度的异折射率区域对。另外，在所述第1孔和所述第2孔的面积相同的情况下，能形成平面形状相同而厚度不同的异折射率区域对。无论在这些当中的哪一种情况下，都能用该制造方法制造本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器。

另外，所述第1孔的面积大于所述第2孔的面积，所述第2上部掩模的孔设于与所述第1孔对应的位置，通过选取这样的结构，能与专利文献1记载的二维光子晶体面发光激光器同样地形成第1异折射率区域的平面形状的面积大于第2异折射率区域的平面形状的面积且第1异折射率区域的厚度厚于第2异折射率区域的厚度的异折射率区域对。在该情况下，与用专利文献1记载的方法制作的情况相比，面积大于第2异折射率区域的面积的第1异折射率区域的厚度更进一步变厚。

发明效果

根据本发明，能更加提高异折射率区域对中的干涉的效果，从而得到更大输出的激光。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的实施方式中的整体结构的两个示例的立体图。

图2是本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的二维光子晶体的俯视图(a)以及纵截面图(b)。

图3是本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的另一示例的二维光子晶体的俯视图(a)以及纵截面图(b)。

图4是表示从第1电极以及第2电极注入的电流的范围的图。

图5是表示在本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中在二维光子晶体内给定波长的光被放大的原理的图。

图6是表示对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出形成于一个异折射区域对的周围的电场的方向以及强度的结果的图。

图7是表示对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出阈值增益的结果的曲线图。

图8是表示对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出阈值增益差的结果的曲线图。

图9是表示对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出第1异折射率区域以及第2异折射率区域的厚度不同的多个示例中的阈值增益差的结果的曲线图。

图10是表示对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出第1异折射率区域以及第2异折射率区域的厚度和器件的大小不同的示例中的阈值增益的结果的曲线图。

图11是表示计算出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器中的多个示例(实施例1以及2)和比较例1以及2中的器件的大小与阈值增益差的关系的结果的曲线图。

图12是对两个异折射率区域双方使用了非圆形的区域的二维光子晶体面发光激光器的实施方式中的二维光子晶体的俯视图(a)、纵截面图(b)以及部分放大俯视图(c)。

图13是表示对两个异折射率区域中的任意一方或两方使用了非圆形的区域的多个变形例中的异折射率区域对的俯视图。

图14是表示对使用了图12所示的二维光子晶体的二维光子晶体面发光激光器以及其他实施例同其他实施例以及比较例一起计算出阈值增益差的结果的曲线图。

图15是对两个异折射率区域中的一方使用了非圆形的区域且对另一方使用了圆形的区域的二维光子晶体面发光激光器的实施方式中的二维光子晶体的俯视图(a)、纵截面图(b)、以及部分放大俯视图(c)。

图16是表示对两个异折射率区域中的一方使用了非圆形的区域且对另一方使用了圆形的区域的多个变形例中的异折射率区域对的俯视图。

图17是表示对使用了图15所示的二维光子晶体的二维光子晶体面发光激光器以及其他实施例同其他实施例以及比较例一起计算出阈值增益差的结果的曲线图。

图18是表示本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的制造方法的一个实施方式的图。

图19是表示利用本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的制造方法制作中的二维光子晶体层的上表面(a)以及纵截面(b)的电子显微镜照片。

具体实施方式

使用图1～图19来说明本发明所涉及的二维光子晶体面发光激光器的实施方式。

(1)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的结构

本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10如图1的(a)所示那样，具有按照第1电极15、第1包覆层141、活性层11、间隔层13、二维光子晶体层12、第2包覆层142以及第2电极16的顺序将它们层叠的结构。其中，活性层11和二维光子晶体层12的顺序可以与上述相反。在图1的(a)中为了方便而将第1电极15作为上侧示出，将第2电极16作为下侧示出，但使用时的二维光子晶体面发光激光器10的朝向并不限定于图中所示。以下，说明各层以及电极的结构。以下，首先说明二维光子晶体层12以外的结构，之后详述二维光子晶体层12的结构。

活性层11通过从第1电极15以及第2电极16被注入电荷而发出具有给定的波长段的光。活性层11的材料在本实施方式中是InGaAs/AlGaAs多重量子阱(发光波长段：935～945nm)，但本发明中并不限定于该材料。活性层11的厚度为约50～100nm。

间隔层13并不是本发明中的必须的结构要素，其为了将材料不同的活性层11和二维光子晶体层12连接而设。间隔层13的材料在本实施方式中是AlGaAs，但可根据活性层11以及二维光子晶体层12的材料而适当变更。

第1包覆层141以及第2包覆层142并不是本发明中的必须的结构要素，其具有如下作用：将第1电极15和活性层11、以及第2电极16和二维光子晶体层12连接，并且使电流易于从第1电极15以及第2电极16注入到活性层11。为了起到这些作用，分别在第1包覆层141的材料中使用p型半导体，在第2包覆层142的材料中使用n型半导体。第1包覆层141从第1电极15侧起依次具有由p-GaAs构成的层和由p-AlGaAs构成的层这2层结构，同样地，第2包覆层142从第2电极16侧起依次具有由n-GaAs构成的层和由n-AlGaAs构成的层这2层结构(均未图示2层结构)。在这些第1包覆层141以及第2包覆层142中，本发明中也并不限定于上述材料。第1包覆层141以及第2包覆层142的平面尺寸与活性层11以及二维光子晶体层12的母材121相同。厚度在第1包覆层141中是2μm，在第2包覆层142中是200μm，但并不限定于这些值。

第1电极15是一边的长度L为约200μm的正方形形状，小于在活性层11、二维光子晶体层12中形成二维光子晶体的区域。另外，在第1电极15的周围，在与第1电极15之间隔着绝缘体设置由相对于激光不透明的金属构成的反射层(未图示)。反射层同第1电极15一起具有对在二维光子晶体面发光激光器10的内部产生的激光进行反射而使其从第2电极16侧放出到外部的作用。

第2电极16在本实施方式中是n型半导体，由作为相对于上述激光透明的材料的氧化铟锡(ITO)形成，但本发明中并不限定于该材料，例如还能使用氧化铟锌(IZO)。第2电极16是一边为约800μm的正方形形状，具有与活性层11以及以下叙述的二维光子晶体层12的母材121相同或比它们稍小的平面尺寸。

在本实施方式中，也可以取代上述的由透明电极构成的第2电极16而使用图1的(b)所示的第2电极16A。另外，在图1的(b)中，与(a)上下反转表示。该第2电极16A具有将由相对于激光不透明的金属构成的正方形的板状构件的中央挖空成正方形形状的结构。将板状构件被挖空的部分称作窗部161A，将板状构件被保留的部分称作框部162A。板状构件(框部162A的外侧)的正方形的一边是800μm，窗部161A的正方形的一边是600μm。在该情况下，在第1电极15A中使用比第2电极16A的板状构件小的、一边为200μm的正方形形状。

这里举出的各结构要素的尺寸是一例，本发明中并不限定于这些尺寸。

二维光子晶体层12如图2的(a)所示那样在板状的母材121以正方格子状配置有折射率与该母材121不同的异折射率区域对122。异折射率区域对122配置在母材121当中的正方形的区域(以下称作“光子晶体区域”)内，光子晶体区域内作为光子晶体起作用。光子晶体区域的大小与前述的第2电极16或16A相同或比其稍大。另外，光子晶体区域可以是圆形形状或六边形形状等正方形形状以外的形状。正方格子的周期长度a在考虑了光子晶体区域内的折射率的情况下设为与活性层11中的发光波长段内的波长对应的287nm。母材121的材料是GaAs，平面尺寸与活性层11等相同，厚度约300nm。这些周期长度a和厚度可根据活性层11中的发光波长段适当变更。

异折射率区域对122由第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222构成。第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222均是形成于母材121的圆筒状的空穴。第1异折射率区域1221与第2异折射率区域1222相比，平面形状的圆的面积更大，厚度更薄(图2的(b))。例如，在第1异折射率区域1221中，将平面形状的圆的半径设为39.6nm(将面积设为4940nm²)，将厚度设为165nm，在第2异折射率区域1222中，将平面形状的圆的半径设为32.4nm(将面积设为3290nm²)，将厚度设为200nm。一个异折射率区域对122内的第1异折射率区域1221的重心和第2异折射率区域1222的重心在x方向上错开0.25a且在y方向上错开0.25a地配置。该错开在x方向、y方向上都设为0.15a～0.35a的范围内即可(参考专利文献1)。

也可以取代具有图2所示的平面形状的面积不同的两个异折射率区域的异折射率区域对，如图3所示那样使用具有由平面形状的面积相等而厚度不同的第1异折射率区域1221A和第2异折射率区域1222A构成的异折射率区域对122A的二维光子晶体层12A。在该异折射率区域对122A中，第1异折射率区域1221A和第2异折射率区域1222A的平面形状是相同面积的圆形，厚度是第1异折射率区域1221A薄于第2异折射率区域1222A。

另外，第1异折射率区域以及第2异折射率区域的平面形状并不限于圆形，也可以是三角形或四边形等。另外，第1异折射率区域和第2异折射率区域不需要平面形状是相同形状，例如也可以是一方为圆形，而另一方为三角形。进而，第1异折射率区域以及第2异折射率区域不需要是空穴，也可以是将折射率与母材不同的构件埋入而成的结构。第1异折射率区域和第2异折射率区域可以由相互不同的材料构成。

(2)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的动作

接下来，说明本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10的动作。在此，以具有图2所示的二维光子晶体层12的情况为例进行说明，但这以外的上述各结构的情况也同样。

通过对第1电极15与第2电极16之间施加给定的电压来从两电极对活性层11注入电流。这时，由于与第1电极15(15A)相比，第2电极16(第2电极16A的框部162A)的面积更大，因此在活性层11中，电流(电荷)集中注入到比第2电极16窄且比第1电极15大的范围(电流注入范围111)内(图4的(a)、(b))。由此，从活性层11的电流注入范围111产生具有给定的波长段内的波长的发光。关于这样产生的发光，在二维光子晶体层12的配置有异折射率区域对122的范围内，与正方格子的周期长度a对应的波长的光如后述那样被有选择地放大，进行激光振荡。振荡的激光从第1电极15侧出射到外部。这时，在二维光子晶体面发光激光器10中，激光通过作为透明电极的第1电极15，在二维光子晶体面发光激光器10A中，激光通过窗部161A。另外，激光当中的往第2电极16侧去的部分被第2电极16反射，最终从第1电极15侧出射到外部。

对本实施例中的二维光子晶体内的光的放大进行说明。从活性层11的电流注入范围111导入到二维光子晶体层12的光在与二维光子晶体层12平行的方向上传播。并且，在异折射率区域对122中，以根据其形状等确定的概率，传播方向变化90°或180°(图5)。相邻的两个异折射率区域对122中传播方向分别从x方向向y方向(或者反过来)变化90°的光的光路长度差成为a，通过干涉而被增强。另外，相邻的两个异折射率区域对122中传播方向分别在x方向(或y方向)上变化180°的光的光路长度差成为2a，它们也通过干涉而被增强。在此，传播方向变化90°这一情况有助于光在二维光子晶体层12内以面状扩展分布而使激光进行面发光，与此相对，传播方向变化180°这一情况成为光局部存在而妨碍稳定的面发光的原因。

但是，在本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10中，出于以下的理由而不会妨碍稳定的面发光。在同一异折射率区域对122内，因第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222，光的传播方向分别变化90°或180°(图5)。这当中传播方向从x方向向y方向(或者反过来)变化90°的光的光路长度差成为0，通过干涉而被增强。与此相对，传播方向在x方向(或y方向)上变化180°的光的光路长度差成为0.5a，通过干涉而被削弱。由此，能抑制传播方向在x方向(或y方向)上变化180°，防止光局部存在，并且能更加进一步增强传播方向从x方向向y方向(或者反过来)变化90°的光的强度。如此，二维光子晶体层12内的波长为a的光通过干涉而被增强，该干涉在二维光子晶体层12内的大区域内重复发生，由此进行激光振荡。

在本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10中，进一步地，由于第1异折射率区域1221A与第2异折射率区域1222A相比，平面形状的面积更大或相同，厚度更薄，因此第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222的体积比较接近。因此，第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222中行进方向分别变化180°的光的强度接近，由干涉导致的相互削弱的作用变大。因此，本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10与使用了现有的异折射率区域对的方案相比能进一步抑制光的局部存在化，能得到更大输出的激光。

(3)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的详细设计

本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10如上述那样具有第1异折射率区域1221和第2异折射率区域1222的体积比较接近这一点所带来的长处，并且还具有对可得到稳定的激光振荡的二维光子晶体面发光激光器进行设计的自由度高这样的长处。以下，示出本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的详细设计的示例。

在图6示出计算出形成于一个异折射区域对的周围的电场的方向以及强度的结果。在此，分别在图5所示的与二维光子晶体层12平行的截面1以及截面2中进行计算。截面2包含第1异折射率区域1221A和第2异折射率区域1222A双方，与此相对，截面1仅包含第2异折射率区域1222A。根据图6的计算结果，在截面2中形成以第1异折射率区域1221A与第2异折射率区域1222A之间的点为中心点对称的电场，第1异折射率区域1221A内的电场和第2异折射率区域1222A的电场是相同的大小且是180°不同的朝向。因此，与截面2平行的电场分量被抵消。与此相对，在截面1中，电场的方向与截面1是同样的，由于仅存在第2异折射率区域1222A，因而第2异折射率区域1222A的部分和与其对置的第1异折射率区域1221A的正下方的没有空穴的部分的电场分量被抵消。由此，易于在与二维光子晶体层12(以及与截面2平行的电场分量)垂直的方向上出射激光。

在图7示出对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器计算出阈值增益的一例。在此，第1异折射率区域1221A和第2异折射率区域1222A都是占据平面的5％的面积的圆形，第1异折射率区域1221A的厚度d1是180nm，第2异折射率区域1222A的厚度d2是200nm，光子晶体区域的一边是400μm，针对这样的情况进行计算。以下，将第1异折射率区域以及第2异折射率区域在平面所占的面积的比例为x％以及Y％的情况称作“FFx&y％”(图7的示例中是“FF5&5％”)。“FF”是“填充因子(Filling Factor)”的简称。根据该计算，关于被称作“带端A”以及“带端B”的、不同的两种振动模式，能得到阈值增益最小的基本振动模式、阈值增益其次小的第1高阶模式、以及阈值增益更大的第2高阶模式以后的高阶模式的阈值增益的值。将基本振动模式与第1高阶模式的阈值增益的值之差称作“阈值增益差Δα”，该阈值增益差Δα的值越大，可得到仅基本振动模式越稳定的激光振荡。根据计算结果，由于在该示例中与带端A相比，带端B的阈值增益更小，因此在带端A进行振荡。

在图7中，若着眼于阈值增益差Δα，则可知与带端A相比，带端B的阈值增益差Δα的值更大，能期待稳定的激光振荡。因此，只要进行设计来使得带端B的阈值增益成为最低，就能期待更大面积下的稳定的振荡。因此，进行与阈值增益α的值有关联的向面垂直方向的辐射系数αv的计算。在图8以曲线图示出由图7的示例仅改变第1异折射率区域1221A的厚度d1来计算出带端A以及带端B中的向面垂直方向的辐射系数αv的结果。另外，在图9以曲线图示出对厚度d1和d2双方做出各种改变来计算出带端A以及带端B中的向面垂直方向的辐射系数αv的结果。这些曲线图的横轴在图8中设为厚度d2与d1之差，在图9中设为厚度d2。如此能对厚度d1以及d2的值做出各种改变来进行二维光子晶体面发光激光器的详细设计。

在图10示出对将光子晶体区域设为比图7的示例大的一边为800μm的情况计算出阈值增益的一例。在此，设为FF5&5％，将d1设为205nm，将d2设为240nm。就算光子晶体区域的尺寸大于图7的示例，阈值增益差Δα也在带端B得到了与图7的示例大致同等的4.8cm^-1这样的值。越加大器件就越能增大激光的输出，在该示例中认为能得到20～30W级的输出的激光元件。

在图11以曲线图示出改变器件的大小来计算出阈值增益差Δα的结果。在此，示出使FF、d1以及d2的值与图7以及图10的计算中所用的值相同的两个示例(实施例1以及2)。作为比较例，示出第1异折射率区域与第2异折射率区域相比面积更大且厚度更厚的示例(比较例1)以及在格子点仅配置一个异折射率区域的示例(比较例2)。另外，在比较例1以及2中，使用被认为与迄今为止使用圆形的异折射率区域的情况相比能使激光的输出更大的、平面形状为直角等腰三角形的异折射率区域。根据该计算结果可知，实施例1以及2与比较例1以及2相比，在得到相同值的阈值增益差Δα的情况下能使器件更大。因此，实施例1以及2与比较例1以及2相比能使激光的输出更大。

(4)使用了非圆形的异折射率区域的实施方式的二维光子晶体面发光激光器

在图12示出在第1异折射率区域1221B以及第2异折射率区域1222B使用具有椭圆形的平面形状的异折射率区域对122B的二维光子晶体层12B。具有该二维光子晶体层12B的二维光子晶体面发光激光器的、二维光子晶体层12B以外的结构与前述的二维光子晶体面发光激光器10是同样的。第1异折射率区域1221B配置成基准轴(椭圆的长轴)1221BL相对于将第1异折射率区域1221B的重心1221BG和第2异折射率区域1222B的重心1222BG连起来的直线122BS成为90°的方向。同样地，第2异折射率区域1222B配置成基准轴(椭圆的长轴)1222BL相对于直线122BS成为90°的方向(图12的(c))。另外，第1异折射率区域1221B的基准轴1221BL以及/或者第2异折射率区域1222B的基准轴1222BL不需要相对于直线122BS是90°的方向，例如如图13的(a)以及(b)所示那样是45°～135°的范围内的方向即可。另外，在图13的(a)以及(b)中以虚线示出45°以及135°的方向。

第1异折射率区域1221B的重心1221BG和第2异折射率区域1222B的重心1222BG在本实施方式中在x方向上错开0.25a且在y方向上错开0.25a地配置，但本发明中重心的错开的大小以及方向并不限定于该示例。第1异折射率区域1221B以及第2异折射率区域1222B的椭圆的形状在本实施方式中设为长轴与短轴之比都是5：3的相似形，但本发明中并不限定于该比，另外，也不限定于是相似形。第1异折射率区域1221B的厚度薄于平面形状更小的第2异折射率区域1222B的厚度(图12的(b))。

对使用了图12所示的二维光子晶体层12B的二维光子晶体面发光激光器(实施例3)改变器件的大小来计算阈值增益差Δα，在图14的曲线图中示出其结果。图14中还一并示出与图11相同的实施例以及比较例的数据。另外，器件的大小在比图11大的范围(最大1800μm)内求取。根据该结果可知，实施例3与实施例1以及2(以及各比较例)相比，在得到相同值的阈值增益差Δα的情况下，能使器件更大。这是因为，在实施例3中，与使用了由两个圆形的异折射率区域构成的异折射率区域对的实施例1以及2相比，通过抑制折射率的分布在将两个异折射率区域的重心连起来的直线122BS的方向上扩展，使异折射率区域对作为整体更接近于圆形，能抑制光通过干涉而被增强的作用变弱。

两个异折射率区域的平面形状在图12和图13的(a)以及(b)所示的结构中都设为椭圆形，但也可以如图13的(c)所示那样设为长方形或其他正方形以外的四边形，或如图13的(d)所示那样设为等腰三角形或其他正三角形以外的三角形。进而，也可以是正多边形以外的五边形以上的多边形、由任意的闭合曲线构成的不定形。无论在哪种情况下，两个异折射率区域只要配置成截面惯性积Ixy成为0的x轴以及y轴(与前述的以正方格子规定的x方向以及y方向不同)当中截面二次惯性矩Ix，、Iy小的一方的轴(基准轴)相对于将两个异折射率区域的重心连起来的直线成为45°～135°的方向即可。

在图15示出使用了由作为非圆形的椭圆形的第1异折射率区域1221C和圆形的第2异折射率区域1222C构成的异折射率区域对122C的二维光子晶体层12C。具有该二维光子晶体层12C的二维光子晶体面发光激光器的、二维光子晶体层12C以外的结构与到此为止叙述的二维光子晶体面发光激光器10是同样的。第1异折射率区域1221C配置成基准轴(椭圆的长轴)1221CL相对于将第1异折射率区域1221C的重心1221CG和第2异折射率区域1222C的重心1222CG连起来的直线122CS成为90°的方向(图15的(c))。另外，该椭圆的长轴1221CL的方向并不限于所述90°的方向，只要如图16的(a)以及(b)所示那样是45°～135°的范围内的方向即可。第1异折射率区域1221C的厚度薄于平面形状更小的第2异折射率区域1222C的厚度(图15的(b))。

对使用了图15所示的二维光子晶体层12B的二维光子晶体面发光激光器(实施例4)改变器件的大小来计算阈值增益差Δα，在图17的曲线图中示出其结果。图17中还一并示出与图11相同的实施例以及比较例的数据。器件的大小在与图14的示例相同的范围内求取。根据该结果可知，与实施例1以及2(以及各比较例)相比，在得到相同值的阈值增益差Δα的情况下，能使器件更大。另外，与图14所示的实施例3比较，在得到相同值的阈值增益差Δα的情况下，也能使器件更大。这是因为，能抑制折射率的分布在将两个异折射率区域的重心连起来的直线122CS的方向上扩展，并且能抑制在形成于异折射率区域对122C的周围的电场产生非对称性从而电场的强度因干涉而变小，由此能增大光的强度。

在图15和图16的(a)以及(b)的示例中将第1异折射率区域1221C设为椭圆形，但也可以如图16的(c)所示那样将第1异折射率区域1221C1设为圆形，将第2异折射率区域1222C1设为椭圆形等非圆形。在该示例中，配置成第2异折射率区域1222C1的基准轴(椭圆的长轴)1221C1L相对于将第1异折射率区域1221C1的重心1221C1G和第2异折射率区域1222C1的重心1222C1G连起来的直线122C1S成为90°的方向。或者，也可以如图16的(d)以及(e)所示那样，将非圆形的异折射率区域设为长方形或其他正方形以外的四边形、等腰三角形或其他正三角形以外的三角形、或者正多边形以外的五边形以上的多边形、由任意的闭合曲线构成的不定形。无论在哪种情况下，非圆形的异折射率区域只要配置成截面惯性积Ixy成为0的x轴以及y轴(与前述的以正方格子规定的x方向以及y方向不同)当中截面二次惯性矩Ix、Iy小的一方的轴(基准轴)相对于将两个异折射率区域的重心连起来的直线成为45°～135°的方向即可。

(5)本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的制造方法

使用图18，以二维光子晶体层12的制作方法为中心对本实施方式的二维光子晶体面发光激光器10的制造方法进行说明。

首先，在第2包覆层142之上制作活性层11，在该活性层11之上制作间隔层13。进而，在间隔层13之上制作二维光子晶体层12的母材121(图18的(a))。这些第2包覆层142、活性层11、间隔层13以及母材121的制作方法由于与现有的二维光子晶体面发光激光器中所用的方法相同，因此省略详细的说明。

接下来，在母材121之上制作下部掩模层21(图18的(b))。下部掩模层21由氮化硅(SiNx)构成，能用等离子CVD法制作。

接下来，在下部掩模层21之上涂布第1抗蚀剂221，用曝光法或电子束法形成配置有与第1异折射率区域1221以及第2异折射率区域1222的平面形状分别对应的第1孔2221以及第2孔2222的图案，由此制作第1上部掩模22(图18的(c))。

接下来，通过经由第1上部掩模22的第1孔2221以及第2孔2222导入蚀刻气体(蚀刻剂)来将这些第1孔2221以及第2孔2222的正下方的下部掩模层21以及母材121蚀刻到给定的第1深度d1(图18的(d))。在蚀刻气体中使用碘化氢-氙混合气体。也可以取代碘化氢-氙混合气体而使用氯作为蚀刻气体，还可以取代蚀刻气体而使用液体的蚀刻剂。在第1孔2221和第2孔2222的面积不同的情况下，由于面积大的一方易于被蚀刻剂浸透，因此蚀刻得更深。在该情况下，进行蚀刻，直到使面积大的一方的深度达到第1深度d1。

接下来，在除去第1上部掩模22的基础上(图18的(e))，在下部掩模层21之上涂布第2抗蚀剂231，仅在与厚度厚于第1异折射率区域1221的厚度的第2异折射率区域1222对应的位置，用曝光法或电子束法在该第2抗蚀剂231形成孔232，由此制作第2上部掩模23(图18的(f))。孔232只要将对应的第2异折射率区域1222的平面形状的整体内包，且不落到第1异折射率区域1221的平面形状，就不问大小和形状。只要满足该条件，孔232和第2异折射率区域1222的位置就不需要那么严密地匹配。

接下来，通过经由第2上部掩模23的孔232导入蚀刻气体(蚀刻剂)，从而仅将第2异折射率区域1222蚀刻到给定的第2深度d2(图18的(g))。这时，在第2上部掩模23的孔232形成为从第2异折射率区域1222的平面形状突出的情况下，在该突出的部分，下部掩模层21被蚀刻，但通过适当地设定下部掩模层21的厚度，母材121就不会从第2异折射率区域1222突出地被蚀刻。

接下来，除去第2上部掩模23(图18的(h))，进而除去下部掩模层21，由此完成二维光子晶体层12(图18的(i))。下部掩模层21的除去使用作为不将母材121的材料即GaAs蚀刻而能将下部掩模层21的材料即SiNx蚀刻的蚀刻剂的氟化氢来进行。

之后，在二维光子晶体层12之上制作第1包覆层141，在第1包覆层141的表面制作第1电极15，在第2包覆层142的表面制作第2电极16，由此完成二维光子晶体面发光激光器10。第1包覆层141、第1电极15以及第2电极16的制作方法由于与现有的二维光子晶体面发光激光器中所用的方法相同，因此省略详细的说明。

在图19示出用本实施方式的二维光子晶体面发光激光器的制造方法制作的二维光子晶体层的电子显微镜照片。该照片是在制作二维光子晶体层后且除去第2上部掩模23以及下部掩模层21前(相当于图18的(g))的阶段拍摄的。从这些电子显微镜照片可知，在二维光子晶体层12形成了深度的不同约为30nm的两个孔的对(异折射率区域对)。虽然在下部掩模层21形成了比二维光子晶体层12的孔大的孔，但由于之后除去下部掩模层21，因此没有关系。

附图标记的说明

10、10A 二维光子晶体面发光激光器

11 活性层

111 电流注入范围

12、12A、12B、12C 二维光子晶体层

121 母材

122、122A、122B、122C 异折射率区域对

1221、1221A、1221B、1221C 第1异折射率区域

1221BG、1221CG、1221C1G 第1异折射率区域的重心

1221BL、1221CL 第1异折射率区域的基准轴

1222、1222A、1222B、1222C 第2异折射率区域

1222BG、1222CG、1222C1G 第2异折射率区域的重心

1221BL、1221CL、1222C1L 第2异折射率区域的基准轴

122BS、122CS 将第1异折射率区域的重心和第2异折射率区域的重心连起来的直线

13 间隔层

141 第1包覆层

142 第2包覆层

15、15A 第1电极

16、16A 第2电极

161A 第2电极的窗部

162A 第2电极的框部

21 下部掩模层

22 第1上部掩模

221 第1抗蚀剂

2221 第1孔

2222 第2孔

23 第2上部掩模

231 第2抗蚀剂

232 第2上部掩模的孔