二维光子晶体激光器的制作方法

1.本发明涉及一种使用二维光子晶体将光进行放大的二维光子晶体激光器。


背景技术：

2.二维光子晶体激光器具备活性层和二维光子晶体层。活性层通过被注入载流子(空穴、电子)而产生特定的发光波长范围的发光。二维光子晶体层具有在板状的母材上周期性地呈二维状地配置有折射率与该母材的折射率不同的异折射率区域的结构。异折射率区域包括形成于母材的空穴(空气)或与母材的材料不同的构件。在二维光子晶体激光器中，在活性层产生的光中，只有与异折射率区域的配置的周期长度对应的规定波长的光被放大而进行激光振荡，来作为激光束向与光子晶体层垂直的方向射出。
3.一般来说，二维光子晶体激光器除了具备上述活性层和二维光子晶体层以外，还具备具有各种功能的层。例如专利文献1所记载的二维光子晶体激光器具有在基板上将第一包覆层、活性层、载流子阻挡层、二维光子晶体层、第二包覆层以及接触层按此顺序层叠而成的构造。在基板的下侧和接触层的上侧分别设置有电极。电极以外的各层是通过在基板上外延生长而制作出的。在基板的材料中使用比p型半导体廉价的n型半导体。而且，在第一包覆层中使用与基板相同极性的n型半导体，在载流子阻挡层、二维光子晶体层的母材、第二包覆层以及接触层中使用p型半导体。在该二维光子晶体激光器中，从上侧的电极穿过接触层、第二包覆层以及二维光子晶体层的母材向活性层注入空穴，从下侧的电极穿过基板和第一包覆层向活性层注入电子。
4.第一包覆层和第二包覆层是为了通过易于在它们之间封入光来提高活性层中的发光效率和光子晶体层中的光的放大效率而设置的。载流子阻挡层是为了防止电子侵入光子晶体层而设置的。接触层是为了易于从上侧的电极注入空穴而设置的。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2007-258262号公报
8.专利文献2：日本特开2012-033705号公报
9.专利文献3：日本特开2018-144664号公报


技术实现要素：

10.发明要解决的问题
11.在专利文献1所记载的二维光子晶体激光器中，如上所述，在二维光子晶体层的母材的材料中使用了由p型半导体构成的材料。一般来说，空穴的迁移率比电子的迁移率低，因此在二维光子晶体层的母材的材料中使用被设定了带隙、杂质的浓度等的p型半导体，使得二维光子晶体层中的载流子(空穴)的密度比由n型半导体构成的基板、由n型半导体构成的第一及第二包覆层中的载流子(电子)的密度高。但是，产生以下问题：在使在活性层产生的光在二维光子晶体层内放大时，该光的一部分被作为自由载流子的空穴吸收，因此如果
二维光子晶体层内的空穴的密度变高，则激光振荡的效率降低。
12.另一方面，在专利文献2中记载有以下内容：在具有与专利文献1同样的构造的二维光子晶体激光器中，也可以在基板和第一包覆层中使用由p型半导体构成的材料，在第二包覆层和接触层中使用由n型半导体构成的材料。在该结构的情况下，由于在二维光子晶体层的母材中使用n型半导体，因此与使用p型半导体的情况相比，能够降低载流子(电子)密度。因此，能够抑制光的吸收。但是，基板需要比其它层厚，因此如果在基板中使用比n型半导体昂贵的p型半导体，则二维光子晶体激光器的材料成本上升。
13.另外，在专利文献3中记载了一种光子晶体激光器，其具有在由n型半导体构成的基板上将由n型半导体构成的包覆层、具有由n型半导体构成的母材的二维光子晶体层、活性层、由p型半导体构成的载流子阻挡层、由p型半导体构成的包覆层以及由p型半导体构成的接触层按此顺序层叠而成的结构。在该结构中，二维光子晶体层的母材也是n型半导体，因此与使用p型半导体的情况相比，能够抑制自由载流子对光的吸收。但是，在二维光子晶体层的异折射率区域包括空穴的情况下，在二维光子晶体层的与基板相反的一侧的表面形成有凹凸。在异折射率区域包括材料与母材的材料不同的构件的情况下，以在二维光子晶体层的表面不形成凹凸的方式制作异折射率区域也非常困难。即使在这样的存在凹凸的面上形成其它层，在该层的上表面也会残留有凹凸。专利文献3的半导体发光元件必须在这种存在凹凸的面上制作活性层，但活性层一般是通过层叠多个比二维光子晶体激光器内的其它层薄的半导体层而制作出的，因此难以在这种存在凹凸的面上形成具有期望特性的活性层。
14.本发明要解决的课题在于提供一种能够抑制在二维光子晶体层中降低激光振荡的效率、并且能够不使材料成本上升地容易地制作的二维光子晶体激光器。
15.用于解决问题的方案
16.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激光器具备：
17.a)基板，其由n型半导体构成；
18.b)p型半导体层，其设置在所述基板的上侧，由p型半导体构成；
19.c)活性层，其设置在所述p型半导体层的上侧；
20.d)二维光子晶体层，其设置在所述活性层的上侧，是在由n型半导体构成的板状的母材内周期性地配置由折射率与该母材的折射率不同的材料构成的异折射率区域而形成的；
21.e)第一隧穿层，其设置在所述基板与所述p型半导体层之间，由载流子密度比所述基板的载流子密度高的n型半导体构成；
22.f)第二隧穿层，其以与所述第一隧穿层接触的方式设置在该第一隧穿层与所述p型半导体层之间，由载流子密度比所述p型半导体层的载流子密度高的p型半导体构成；
23.g)第一电极，其设置在所述基板的下侧或所述基板内；以及
24.h)第二电极，其设置在所述二维光子晶体层的上侧。
25.此外，在此，为了说明各构成要素的位置关系，方便起见，使用了“上”、“下”这样的词语，但这些词语并非用于限定本发明所涉及的二维光子晶体激光器的方向。
26.在说明本发明所涉及的二维光子晶体激光器的动作之前，说明第一隧穿层和第二隧穿层的作用。一般来说，在由n型半导体构成的n型半导体层与由p型半导体构成的p型半
导体层接触的情况下，空穴在被施加以p型半导体层侧为正的电压时能够穿过，与此相对地，空穴在被施加以n型半导体层侧为正的电压时无法穿过。但是，通过在n型半导体层与p型半导体层之间的靠近n型半导体层的位置设置载流子(电子)密度比该n型半导体层的载流子(电子)密度高的第一隧穿层，在n型半导体层与p型半导体层之间的靠近p型半导体层的位置设置载流子(空穴)密度比该p型半导体层的载流子(空穴)密度高的第二隧穿层，由此即使在施加了以n型半导体层侧为正的电压时，也能够通过隧穿效应使空穴从n型半导体层穿到p型半导体层内。能够通过减小p型或n型半导体的带隙、提高杂质浓度等来设定这些载流子(电子、空穴)密度。
27.对本发明所涉及的二维光子晶体激光器的动作进行说明。在该二维光子晶体激光器中，通过对两电极间施加第一电极侧为正、第二电极侧为负的电压，来从第一电极注入空穴并从第二电极注入电子。于是，第一隧穿层的载流子密度比基板(相当于n型半导体层)的载流子密度高，第二隧穿层的载流子密度比p型半导体层的载流子密度高，因此，从第一电极注入的空穴如上述那样通过隧穿效应从基板穿过第一隧穿层和第二隧穿层而到达p型半导体层，并被注入到活性层。另一方面，从第二电极注入的电子穿过二维光子晶体而被注入到活性层。通过像这样将空穴和电子注入到活性层而在活性层发光，通过在二维光子晶体层中将光放大来进行激光振荡。
28.根据本发明所涉及的二维光子晶体激光器，在二维光子晶体层的母材中使用n型半导体，因此与在母材中使用p型半导体的情况相比，能够降低流过相同大小的电流时的载流子密度。因此，能够抑制在二维光子晶体层内由于光的一部分被自由载流子吸收而导致激光振荡的效率降低。
29.另外，在本发明所涉及的二维光子晶体激光器中，在基板中使用比p型半导体廉价的n型半导体，因此能够防止材料成本上升。
30.并且，本发明所涉及的二维光子晶体激光器的二维光子晶体层设置在从活性层来看与基板相反的一侧，因此能够不受二维光子晶体层的表面的凹凸的影响地形成活性层，因此能够容易地制作具有期望特性的活性层。
31.也可以在基板与第一隧穿层之间、活性层与光子晶体层之间和/或光子晶体层与第二电极之间设置由n型半导体构成的其它层。例如，也可以在活性层与二维光子晶体层之间设置由n型半导体构成的载流子阻挡层。也可以在二维光子晶体层与第二电极之间设置由n型半导体构成的包覆层、由n型半导体构成的接触层。
32.另外，也可以在第二隧穿层与p型半导体层之间和/或p型半导体层与活性层之间设置由p型半导体构成的其它层(例如，如下所述的第二隧穿层与p型半导体层之间的反射层)。在该情况下，激光从第二电极侧向二维光子晶体激光器的外部射出。
33.第一隧穿层和第二隧穿层的载流子密度比基板、p型半导体层的载流子密度高，因此易于发生自由载流子对激光的吸收。因此，期望本发明所涉及的二维光子晶体激光器还在所述第二隧穿层与所述p型半导体层之间具备使在所述二维光子晶体层生成的激光反射的反射层。由此，能够防止激光的一部分在载流子密度比其它层的载流子密度高的第一隧穿层和第二隧穿层中被吸收。作为这种反射层，例如能够使用分布布喇格反射镜(distribution bragg reflector：dbr)，该分布布喇格反射镜是将由折射率不同的两种p型半导体构成的层以多个层为单位交替地层叠而得到的。
34.或者，也可以在二维光子晶体层与第二电极之间设置反射层。在该情况下，也可以在二维光子晶体层与反射层之间和/或反射层与第二电极之间存在由n型半导体构成的其它层(上述的包覆层、接触层)。在该情况下，激光从第一电极侧向二维光子晶体激光器的外部射出。
35.在本发明所涉及的二维光子晶体激光器中，能够取以下结构：
36.还具备槽，该槽从所述二维光子晶体激光器的上侧的表面起进行设置，该槽在所述基板的上表面与下表面之间的位置具有底面，该槽的与所述二维光子晶体层平行的截面的形状为框状，
37.所述第一电极设置在所述槽的底面。
38.通过像这样将第一电极设置于在基板的上表面与下表面之间的位置具有底面的槽的该底面(因而，在基板内)，与在基板的下表面设置第一电极的情况相比，第一电极与活性层之间的电阻变小，能够更高效地向活性层供给电荷。另外，通过在平面形状为框状的槽的底面设置有第一电极，第一电极的形状也为框状，在二维光子晶体层进行了激光振荡的激光在该第一电极的框内穿过而从基板的表面向外部射出。因此，能够抑制激光的射出受到第一电极的妨碍或产生不必要的衍射。并且，在基板的下表面设置第一电极的情况下，在基板的两个表面中的一个表面制作第二隧穿层、第一隧穿层、p型半导体层等，在另一个表面制作第一电极，因此需要在制作中使基板上下反转，与此相对地，在这样的在槽的底面设置第一电极的情况下，在与第二隧穿层等相同的一侧制作第一电极，因此在制作中不需要使基板上下反转，制造变得容易。
39.在基板以及二维光子晶体层的母材的材料中例如能够使用将gaas或gaas中的ga的一部分置换为al而得到的n型的gaas或n型的algaas，在p型半导体层中能够使用p型的gaas或p型的algaas。在该例子中，在第一隧穿层和第二隧穿层中优选使用ingaas。ingaas在gaas和algaas中带隙小，能够提高载流子密度。但是，ingaas易于吸收光，因此在将ingaas用作第一隧穿层或第二隧穿层的材料的情况下，期望如上述那样在第二隧穿层与p型半导体层之间设置反射层。
40.在本发明所涉及的二维光子晶体激光器中，也可以在所述母材的整体或者一部分使用未被进行载流子掺杂(carrier doping)的半导体来代替n型半导体。在母材的一部分使用未被进行载流子掺杂的半导体(在其余的部分使用n型半导体)的情况下，与母材整体由n型半导体构成的情况相比，抑制由自由载流子引起的光的吸收损耗，并且与母材整体由未被进行载流子掺杂的半导体构成的情况相比，电流容易从第二电极侧流向活性层侧。另外，通过在母材的整体使用未被进行载流子掺杂的半导体，能够进一步抑制光的吸收损耗。
41.发明的效果
42.根据本发明所涉及的二维光子晶体激光器，能够抑制在二维光子晶体层中激光振荡的效率降低，并且能够不使材料成本上升地容易地制作。
附图说明
43.图1是示出本发明所涉及的二维光子晶体激光器的第一实施方式的概要结构图。
44.图2是示出第一实施方式的二维光子晶体激光器所具有的光子晶体层、第一电极以及第二电极的立体图。
45.图3是示意性地示出第一实施方式的二维光子晶体激光器的活性层中的载流子注入区域的图。
46.图4是示出本发明所涉及的二维光子晶体激光器的第二实施方式的概要结构图。
47.图5是示出针对第二实施方式和比较例的二维光子晶体激光器进行的光输出特性的模拟的结果的图表。
48.图6是示出本发明所涉及的二维光子晶体激光器的第三实施方式的概要纵截面图(a)和俯视图(b)。
49.图7是示出第一实施方式的二维光子晶体激光器的变形例(a)和另一个变形例(b)的概要结构图。
具体实施方式
50.使用图1～图7来说明本发明所涉及的二维光子晶体激光器的实施方式。
51.(1)第一实施方式的二维光子晶体激光器的结构
52.第一实施方式的二维光子晶体激光器10具有从图1的下侧起依次将基板11、第一隧穿层121、第二隧穿层122、p型包覆层(本发明中的p型半导体层)131、活性层14、载流子阻挡层15、二维光子晶体层16、n型包覆层132以及接触层17进行层叠而得到的结构。在基板11的下侧(与第一隧穿层121相反的一侧)设置有第一电极181，在接触层17的上侧(与n型包覆层132相反的一侧)设置有第二电极182。
53.基板11由n型半导体构成，第一隧穿层121由载流子(电子)密度比基板11的载流子(电子)密度高的n型半导体构成。p型包覆层131由p型半导体构成，第二隧穿层122由载流子(空穴)密度比p型包覆层131的载流子(空穴)密度高的p型半导体构成。
54.活性层14通过被注入空穴和电子而产生特定的发光波长范围的发光。活性层14例如由多量子阱(multiple-quantum well；mqw)构成，该多量子阱是将由铟镓砷(ingaas)构成的薄膜和由砷化镓(gaas)构成的薄膜交替地层叠多个而得到的。
55.如图2所示，二维光子晶体层16具有在由n型半导体构成的板状的母材161周期性地呈二维状地配置有多个异折射率区域162的结构。异折射率区域162典型地由空穴(空气)构成，但也可以使用由母材161以外的材料构成的构件。关于异折射率区域162的配置，在图2示出的例子中设为正方格子状，但也可以设为三角格子状等其它形状。另外，关于异折射率区域162的平面形状，在图2示出的例子中设为正三角形，但也可以设为直角三角形等除正三角形以外的三角形、圆形、椭圆形等其它形状。另外，也可以将多个空穴或由除母材161以外的材料构成的构件进行组合来构成一个异折射率区域162。
56.载流子阻挡层15、n型包覆层132以及接触层17均由n型半导体构成。
57.第一电极181具有板状的导电体的中央被挖空的形状，且具有框部1811和窗部1812(参照图2)，其中，该框部1811是残留有导电体的部分，该窗部1812是导电体被挖空的部分。第二电极182由设置在与第一电极181的窗部1812相向的位置且面积比该窗部1812的面积小的导电体板构成(参照图2)。
58.示出二维光子晶体激光器10中的各构成要素的材料的具体例。在基板11中能够使用n型gaas，在第一隧穿层121中能够使用杂质浓度比基板11的杂质浓度高(例如，10倍～100倍)的n型gaas，在p型包覆层131中能够使用p型的algaas，在第二隧穿层122中能够使用
杂质浓度比p型包覆层131的杂质浓度高(例如，10倍～100倍)的gaas。另外，在载流子阻挡层15、二维光子晶体层16的母材161以及n型包覆层132中均能够使用n型algaas，这三层的杂质浓度既可以相同，也可以不同。在接触层17中能够使用n型gaas。关于除第一隧穿层121和第二隧穿层122以外的各层中的杂质浓度，由p型半导体构成的各层中的杂质浓度比由n型半导体构成的各层中的杂质浓度高(例如，10倍～100倍)。此外，在此所述的各层的材料是一例，在例示了p型的gaas或algaas的各层中也能够使用其它p型半导体，在例示了n型的gaas或algaas的各层中也能够使用其它n型半导体。这些gaas和algaas能够使0.7μm～1.0μm的波长范围内的光透过。
59.在这些各层的材料中也可以使用除gaas和algaas以外的inp、gan、alingaasp等半导体。
60.第一隧穿层121能够通过在基板11上外延生长而制作出。同样地，从第二隧穿层122到接触层17的各层也能够通过在各层的基板11侧的最近的层上外延生长而制作出。
61.第一电极181和第二电极182能够使用蒸镀法等方法以金等金属为材料来制作。
62.基板11的厚度与从第一隧穿层121到接触层17的各层的厚度相比足够厚。由此，第二电极182与活性层14的距离充分小于第一电极181与活性层14的距离。另外，第一隧穿层121和第二隧穿层122的厚度与从基板11和p型包覆层131到接触层17的各层的厚度相比足够薄。由此，如后述那样，从第一电极181注入的空穴易于到达p型包覆层131(进而，易于经由p型包覆层131到达活性层14)。关于各层的厚度，例如，基板11设为60μm以上，第一隧穿层121设为10nm～2000nm，第二隧穿层122设为10nm～2000nm，p型包覆层131设为1μm～10μm，活性层14设为1nm～100nm，载流子阻挡层15设为10nm～100nm，二维光子晶体层16设为10nm～1000nm，n型包覆层132设为1μm～2μm，接触层17设为10nm～500nm。
63.(2)第一实施方式的二维光子晶体激光器的动作
64.对第一实施方式的二维光子晶体激光器10的动作进行说明。在使用该二维光子晶体激光器10时，将第一电极181侧为正、第二电极182侧为负的电压施加于这两个电极之间。由此，从第一电极181向二维光子晶体激光器10内注入空穴，从第二电极182向二维光子晶体激光器10内注入电子。
65.从第一电极181注入的空穴穿过基板11、第一隧穿层121、第二隧穿层122以及p型包覆层131而被导入到活性层14。在此，由于基板11和第一隧穿层121由n型半导体构成、并且第二隧穿层122和p型包覆层131由p型半导体构成，因此在第一隧穿层121与第二隧穿层122的边界处被施加n型半导体侧为正、p型半导体侧为负的反向偏置电压。如在二极管中众所周知的那样，当被施加这种反向偏置电压时，通常情况下几乎不会流过超越n型半导体与p型半导体的边界的电流。但是，在本发明中，由于第一隧穿层121的杂质浓度比基板11的杂质浓度高，且第二隧穿层122内的杂质浓度比p型包覆层131的杂质浓度高，由此能够实现第一隧穿层121内的载流子(电子)密度和第二隧穿层122内的载流子(空穴)密度高的状态。由此，从第一电极181注入并从基板11侧被导入到第一隧穿层121中的空穴能够通过隧穿效应而向第二隧穿层122移动，并从第二隧穿层122穿过p型包覆层131而被导入到活性层14。
66.另一方面，从第二电极182注入的电子穿过接触层17、二维光子晶体层16、载流子阻挡层15而被导入到活性层14。此外，载流子阻挡层15用于防止空穴从活性层14向二维光子晶体层16移动，从二维光子晶体层16侧供给的电子能够向活性层14移动。
67.通过以这种方式向活性层14导入空穴和电子，在活性层14内产生特定的发光波长范围的发光。此时，由于第一电极181的面积大于第二电极182的面积，并且第二电极182与活性层14的距离充分小于第一电极181与活性层14的距离，由此活性层14中的被注入空穴和电子的电荷注入区域19(参照图3)的面积接近第二电极182的面积且充分小于第一电极181的面积。通过像这样向小面积的电荷注入区域19内集中地注入电荷，能够增大在活性层14生成的光的每单位面积的输出。此外，在图1和图3中，为了便于说明，均没有准确地示出各层的厚度之比，但以使基板11与其它层相比足够厚的方式示出的图3接近于实际的基板11与其它层的厚度之比。
68.在活性层14产生的光在二维光子晶体层16中，只有与异折射率区域162的配置的周期长度对应的规定波长的光被放大来进行激光振荡。在此，在第一实施方式的二维光子晶体激光器10中，二维光子晶体层16的母材161由n型半导体构成，电子的迁移率比空穴的迁移率高，因此与母材161由p型半导体构成的情况相比，能够减小流过相同大小的电流时的载流子密度。因此，能够抑制在母材161中光的一部分被自由载流子(电子)吸收，能够抑制激光振荡的效率降低。
69.例如，在母材161的材料由n型的gaas构成的情况下，与由p型的gaas构成的情况相比，由于电子的迁移率比空穴的迁移率高，因此能够将流动相同大小的电流所需的载流子密度设为约1/2。除此以外，在gaas的情况下，与p型相比，n型能够将载流子密度相同的情况下的光的吸收系数抑制为约40％(载流子密度为2
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10
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的情况)。如果一并考虑这些因素，则通过在母材161的材料中使用n型的gaas，与使用p型的gaas的情况相比，能够将光的吸收抑制为约1/3～1/5。此外，在此以母材161的材料为n型的gaas为例进行了说明，但在母材161的材料使用了algaas等其它n型半导体的情况下(数值不同)，也能够抑制载流子密度以及光的吸收系数，因此发挥同样的效果。
70.同时，通过如上述那样增大在活性层14生成的光的每单位面积的输出，能够易于发生二维光子晶体层16中的激光振荡。
71.这样生成的激光从第一电极181的窗部1812向外部射出。
72.根据本实施方式所涉及的二维光子晶体层16，通过在二维光子晶体层16的母材161的材料中使用n型半导体，能够抑制光的一部分被自由载流子(电子)吸收，能够抑制激光振荡的效率降低。
73.另外，由于使用由n型半导体构成的母材161，因此不需要使用由p型半导体构成的基板，能够使用由更廉价的n型半导体构成的基板11来抑制材料成本。
74.并且，通过在基板11与p型包覆层131之间设置第一隧穿层121和第二隧穿层122，能够在母材161和基板11这双方使用n型半导体，并且能够将母材161设置在从活性层14来看与基板11相反的一侧。由此，无需在二维光子晶体层16的上方制作活性层14，因此不会受到在二维光子晶体层16的表面产生的凹凸的影响，能够容易地制作具有期望特性的活性层14。
75.(3)第二实施方式的二维光子晶体激光器的结构
76.第二实施方式的二维光子晶体激光器20具有从图4的下侧起依次将基板11、第一隧穿层121、第二隧穿层122、反射层21、p型包覆层(本发明中的p型半导体层)131、活性层14、载流子阻挡层15、二维光子晶体层16、n型包覆层132以及接触层17进行层叠而得到的结
构。在基板11的下侧(与第一隧穿层121相反的一侧)设置有第一电极281，在接触层17的上侧(与n型包覆层132相反的一侧)设置有第二电极282。这些各构成要素中的基板11、p型包覆层131、活性层14、载流子阻挡层15、二维光子晶体层16、n型包覆层132及接触层17与第一实施方式的二维光子晶体激光器10所具有的各构成要素相同，因此省略说明。
77.反射层21由dbr构成。在本实施方式中使用的dbr是将由折射率不同的两种p型半导体构成的层以多个层为单位交替地层叠而得到的。例如，能够使用将由p型的algaas构成且al的含有率不同的两种层交替地层叠而成的层来作为反射层21。
78.第一隧穿层121由载流子密度比基板11的载流子密度高的n型半导体构成，第二隧穿层122由载流子密度比p型包覆层131的载流子密度高的p型半导体构成，这一点与第一实施方式的二维光子晶体激光器10相同。在本实施方式中，在第一隧穿层121和第二隧穿层122这双方使用与第一实施方式相比载流子密度更高的n型半导体(第一隧穿层121)和p型半导体(第二隧穿层122)。在基板11和p型包覆层131这双方使用gaas或algaas(例如，在基板11中使用n型的gaas，在p型包覆层131中使用p型的algaas)的情况下，能够在第一隧穿层121中优选使用n型的ingaas并且在第二隧穿层122中优选使用p型的ingaas。ingaas是由于带隙比gaas、algaas的带隙小而能够提高载流子密度的半导体。
79.第一电极281设置在基板11的下表面，第二电极282设置在接触层17的上表面。第一电极281的面积大于第二电极282的面积。例如，优选的是，第一电极281设置在基板11的整个下表面，第二电极282仅设置在接触层17的上表面的中央附近。第二电极282的材料使用对于在二维光子晶体层16中进行振荡的激光而言透明的材料。另一方面，第一电极281的材料无论对于激光而言是透明的还是不透明的均可。例如，第一电极281的材料能够使用金等金属材料，第二电极282的材料能够使用铟锡氧化物(ito)。
80.(4)第二实施方式的二维光子晶体激光器的动作
81.对第二实施方式的二维光子晶体激光器20的动作进行说明。与第一实施方式同样地，当施加第一电极281侧为正、第二电极282侧为负的电压时，从第一电极281注入空穴，从第二电极282注入电子，在活性层14内发生特定的发光波长范围的发光。此时，第一电极281的面积大于第二电极282的面积，并且第二电极282与活性层14的距离充分小于第一电极281与活性层14的距离，由此，向活性层14中的比第一电极281小的区域内集中地注入电荷，能够增大在活性层14生成的光的每单位面积的输出。在活性层14产生的光在二维光子晶体层16中，只有与异折射率区域162的配置的周期长度对应的规定波长的光被放大来进行激光振荡。
82.这样生成的激光从二维光子晶体层16的上下两面分别射出，但是其中的向第一电极281侧射出的激光被反射层21反射，不会侵入第二隧穿层122和第一隧穿层121内而去向第二电极282侧。因而，激光中的从二维光子晶体层16的上下两面中的任一个面射出的激光均从接触层17的上表面直接向外部射出或者透过第二电极182向外部射出。
83.根据第二实施方式的二维光子晶体激光器20，与第一实施方式的二维光子晶体激光器10同样地，通过在二维光子晶体层16的母材161的材料中使用n型半导体，能够抑制光的一部分被自由载流子(电子)吸收，能够抑制激光振荡的效率降低。另外，无需使用由p型半导体构成的基板，能够使用由更廉价的n型半导体构成的基板11来抑制材料成本。并且，通过在基板11与p型包覆层131之间设置第一隧穿层121和第二隧穿层122，能够在母材161
和基板11这双方使用n型半导体，并且能够将母材161设置在从活性层14来看与基板11相反的一侧，因此能够不受在二维光子晶体层16的表面产生的凹凸的影响地容易地制作具有期望特性的活性层14。
84.除了这些与第一实施方式相同的效果以外，根据第二实施方式的二维光子晶体激光器20，通过在第二隧穿层122与p型包覆层131之间设置反射层21，激光不会侵入载流子密度比其它层的载流子密度高的第一隧穿层121和第二隧穿层122内，能够防止激光的一部分在这些第一隧穿层121和第二隧穿层122中被吸收。另外，由于以这种方式防止激光的吸收，因此在第一隧穿层121和第二隧穿层122的材料中能够使用如ingaas那样载流子密度比在第一实施方式中使用的材料的载流子密度高的材料，由此，能够进一步提高被注入到活性层14的载流子密度，进而能够进一步提高激光的强度。
85.在图5中示出专利文献1的构造的设备(使用由p型半导体构成的母材的情况。以下设为“比较例”。)和本发明的第二实施方式的构造的设备(使用由n型半导体构成的母材的情况。以下设为“实施例”。)各自的光输出特性的模拟结果。如上所述，通过使用n型半导体(n型的gaas)，与使用p型半导体(p型的gaas)的情况相比，能够将光的吸收抑制为1/3～1/5，因此在比较例中吸收损耗设为5cm-1
而进行了模拟，在实施例中吸收损耗设为比较例的1/5即1cm-1
而进行了模拟。另外，此时，面内损耗(在与表面平行的方向上向设备外侧辐射的损耗)在比较例和实施例中均设为3cm-1
，在比较例中辐射系数设为12cm-1
并进行了计算，在实施例中辐射系数设为8cm-1
并进行了计算。通过降低损耗，阈值电流密度从0.6ka
·
cm-2
(比较例)降低为0.2ka
·
cm-2
(实施例)，振荡阈值电流值降低。并且，在比较例中斜率效率为0.79w/a，与此相对地，在实施例中斜率效率为0.88w/a。如以上那样，在实施例中，通过降低损耗，能够进行低阈值下的振荡以及高斜率效率下的动作。
86.(5)第三实施方式的二维光子晶体激光器
87.图6示出第三实施方式的二维光子晶体激光器30的概要结构。该二维光子晶体激光器30与第一实施方式的二维光子晶体激光器10及第二实施方式的二维光子晶体激光器20的不同点在于：具备槽32，在该槽32的底面设置有第一电极381；以及在n型包覆层132与接触层17之间设置有反射层31。下面，对与第一实施方式的二维光子晶体激光器10及第二实施方式的二维光子晶体激光器20相同的结构省略说明，仅对上述的不同点进行说明。
88.槽32从接触层17的表面起贯穿反射层31、n型包覆层132、二维光子晶体层16、载流子阻挡层15、活性层14、p型包覆层131、第二隧穿层122以及第一隧穿层121，并深挖至基板11的上表面与下表面之间的位置。槽32的与二维光子晶体层16(接触层17等其它层也同样)平行的截面处的形状(平面形状)是框状。在该槽32的底面设置的第一电极381的形状是与槽32的平面形状相同的框状，与第一实施方式中的第一电极181的框部1811的形状类似。通过以这种方式将第一电极381设置在槽32的底面，第一电极381在上下方向的位置成为基板11的上表面与下表面之间的位置。
89.反射层31如上述那样设置在n型包覆层132与接触层17之间。与第二实施方式中的反射层21同样地，反射层31能够使用由dbr构成的反射层。
90.根据第三实施方式的二维光子晶体激光器30，在基板11的上表面与下表面之间的位置具有底面的槽32在该底面设置第一电极381，由此与第一实施方式的在基板11的下表面设置有第一电极181的情况相比，第一电极381与活性层14之间的电阻变小。由此，能够更
高效地向活性层14供给电荷。
91.另外，根据第三实施方式的二维光子晶体激光器30，第一电极381的平面形状是框状，因此激光在第一电极381的框内穿过而从基板11的表面向外部射出。因此，能够抑制激光的射出受到第一电极381的妨碍或产生不必要的衍射。
92.并且，第三实施方式的二维光子晶体激光器30在以下方面也易于制作。在第一实施方式的二维光子晶体激光器10和第二实施方式的二维光子晶体激光器20中，在基板11的上表面制作第二隧穿层122等各层，在下表面制作第一电极181、281，因此需要在制作上述各层时与制作第一电极181、281时之间使基板11上下反转。与此相对地，在第三实施方式的二维光子晶体激光器30中，在基板11的上表面制作第二隧穿层122等各层和第一电极381这双方，因此不需要使基板11上下反转，制造变得容易。
93.以上，对本发明所涉及的两个实施方式进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式，能够在本发明的主旨的范围内进行各种变形。
94.例如，在上述各实施方式的二维光子晶体激光器10中，在母材161的材料中使用了n型半导体，但也可以如图7的(a)所示那样在二维光子晶体层16a的母材161a的材料中使用未被进行载流子掺杂的半导体(在图中记载为“i”)，以进一步抑制由自由载流子引起的光的吸收损耗。或者，也可以如图7的(b)所示那样在二维光子晶体层16b的母材161b的一部分1611(在一例中，面积比占3成)使用n型半导体，并且在其余的部分1612(在上述的一例中，面积比占7成)使用未被进行载流子掺杂的半导体，以使电流易于从第二电极182侧流向活性层14侧。
95.在第二实施方式的二维光子晶体激光器20中，将面积比第一电极281的面积小的第二电极282设置在接触层17的上表面的中央附近，但也可以取而代之地将具有与第一实施方式中的第一电极181相同的框部及窗部的窗状电极作为第二电极而设置在接触层17的上表面。一般来说，在如第二实施方式的第一电极281那样将覆盖整个基板的电极设置为一个电极的情况下，如果将窗状电极设置为另一个电极，则难以向二维光子晶体层的中央附近供给电荷。但是，如第二实施方式那样，通过在设置在第二电极282与二维光子晶体层16之间的包覆层(n型包覆层132)、接触层17中使用n型半导体，能够提高电荷(电子)的迁移率，因此即使第二电极282使用窗状电极，也能够向二维光子晶体层16的中央附近供给电荷。
96.在第三实施方式的二维光子晶体激光器30中，在槽32的底面设置有第一电极381，并且在n型包覆层132与接触层17之间设置有反射层31，但也可以在槽32的底面设置了第一电极381之后，在第二隧穿层122与p型包覆层131之间设置反射层21来代替反射层31。或者，也可以在n型包覆层132与接触层17之间设置了反射层31之后，不设置槽32以及该槽32的底面的第一电极381，而在基板11的下表面设置第一电极181。
97.此外，也可以将上述各实施方式以及变形例的二维光子晶体激光器的构成要素适当组合。
98.附图标记说明
99.10、20、30：二维光子晶体激光器；11：基板；121：第一隧穿层；122：第二隧穿层；131：p型包覆层；132：n型包覆层；14：活性层；15：载流子阻挡层；16、16a、16b：二维光子晶体层；161、161a、161b：母材；1611：母材的一部分；1612：母材的一部分1611以外的部分；162：
异折射率区域；17：接触层；181、281、381：第一电极；1811：框部；1812：窗部；182、282：第二电极；19：电荷注入区域；21、31：反射层；32：槽。