專利名稱：光子晶體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體器件，具體涉及使用半導(dǎo)體微腔的半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體光開關(guān)。
背景技術(shù)：
最近，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的劇增，連接節(jié)點(diǎn)的傳輸中使用光來(lái)增加節(jié)點(diǎn)之間的傳輸容量。其通過運(yùn)用光所具有的損失低的特點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大容量。另一方面，在搭載于數(shù)據(jù)通信裝置內(nèi)的板之間、架之間的近距離傳輸中也運(yùn)用速度快這一特點(diǎn)來(lái)替換電布線。另外，電布線應(yīng)用于各LSI芯片間的連接以及芯片內(nèi)部連接時(shí)也被指存在局限性，從而進(jìn)行了關(guān)于通過光進(jìn)行布線的可能性的研究。微腔激光器是微米數(shù)量級(jí)尺寸的激光器，所述微腔激光器用于如上所述的用途中，并以大規(guī)模的光集成電路或者與LSI的集成作為目標(biāo)。其中，如非專利文獻(xiàn)1所示，提議了具有光子晶體諧振器的光激發(fā)型微腔激光器。 在此，圖18A示出了非專利文獻(xiàn)1的Fig. 1 (b)所示的HO納米激光的電子顯微鏡所表示的放大圖，圖18B示出了非專利文獻(xiàn)1的Fig. 2(c)示出的激光閾值下的模式強(qiáng)度特性和激光光譜，圖18C示出了非專利文獻(xiàn)1的Fig. 2(d)示出的標(biāo)準(zhǔn)激發(fā)功率和強(qiáng)度之間的關(guān)系。 根據(jù)上述內(nèi)容，確認(rèn)了通過使用光子晶體諧振器之一的二維平板二維平板光子晶體進(jìn)行室溫連續(xù)工作的振蕩激光。然而，雖然能觀察到明確的閾值，但還只能確認(rèn)閾值之上的激光振蕩工作。這是由以下的原因造成的與通常的激光器相比較而言，在微腔激光器中，活性層(芯層)的體積要小兩位數(shù)以上，因此為了得到室溫下的連續(xù)振蕩，需要擴(kuò)大諧振器的限制，因此在二維平板二維平板光子晶體中使用了半導(dǎo)體和空氣的較大折射率之差。由此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的光限制，從而能夠得到室溫連續(xù)工作，但是在另一方面，由于空氣的導(dǎo)熱性極小，因此在活性層產(chǎn)生的熱不能得到有效的散發(fā)。因此，當(dāng)激發(fā)強(qiáng)度增大時(shí)活性層的溫度上升從而導(dǎo)致停止振蕩，從而不能得到較大的光強(qiáng)度。另外，為了實(shí)現(xiàn)較高的光限制，使夾在空氣中的二維平板膜厚度的變化減小顯得尤為重要，因此在微腔激光器的光所擴(kuò)散的全區(qū)域中使用了具有相同組成的外延生長(zhǎng)基板。但是使用了這種具有相同組成的外延基板的情況下，通過光激發(fā)生成的載流子則等向擴(kuò)散至諧振器的外側(cè)，因此，被激發(fā)的載流子不能有效地轉(zhuǎn)換為振蕩激光，導(dǎo)致了閾值上升和降低輸出強(qiáng)度的缺點(diǎn)。通過利用在光子晶體內(nèi)激發(fā)載流子時(shí)引起的折射率變化，可將光子晶體諧振器用作光開關(guān)。例如在非專利文獻(xiàn)2中，在設(shè)置于光子晶體內(nèi)的諧振器中生成載流子，可將由諧振器的折射率調(diào)制引起的透過率的變化應(yīng)用于光開關(guān)。不過，與上述的激光器同樣地，在這種情況下也不考慮對(duì)載流子的限制，因此在微小空間激發(fā)的載流子迅速擴(kuò)散，從而成為效率極差的器件。另外，由于在該結(jié)構(gòu)中熱難于擴(kuò)散，因此當(dāng)載流子趨于緩和時(shí)所產(chǎn)生的熱發(fā)生蓄積，由此引起的溫度上升使器件的特性發(fā)生劣化。非專利文獻(xiàn) 1 :Kengo Nozaki et al.，“Room temperature continuous waveoperation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser，，，Optics Express，Vol. 15，No. 12，pp. 7506-7514，2007 年 6 月 11 日非專利文獻(xiàn)2 :Takasumi Tanabe et al. ,"All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities，，,APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 151112-1 3，200
發(fā)明內(nèi)容
如上所述，光子晶體諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的光限制，但是，由于在諧振器內(nèi)生成的載流子還向活性部以外的區(qū)域擴(kuò)散，因此載流子的利用效率低。另外，由于在該結(jié)構(gòu)中熱難于擴(kuò)散，因此，在使用了光子晶體諧振器的器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱蓄積在光子晶體諧振器內(nèi)，從而還存在器件特性劣化的缺點(diǎn)。本發(fā)明是鑒于這種缺點(diǎn)而提出的，其目的在于提供能夠防止器件特性發(fā)生劣化且能夠有效限制載流子的光子晶體器件。為了達(dá)到這種目的，本發(fā)明的光子晶體器件具備由光子晶體結(jié)構(gòu)形成的諧振器， 其特征在于，包括芯層以及帶隙相比于芯層更大的埋入生長(zhǎng)層。S卩，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，光子晶體器件的特征在于，包括規(guī)律性地排列有折射率不同的第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的光子晶體以及所述光子晶體中的芯層區(qū)域，所述芯層區(qū)域包括活性層和分別設(shè)置在所述活性層的上部和下部且限制載流子的載流子限制層，構(gòu)成所述光子晶體的所述第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之中折射率大的第一介質(zhì)的帶隙相比于所述芯層區(qū)域的帶隙更長(zhǎng)。在所述活性層中通過注入載流子來(lái)使光發(fā)生振蕩。根據(jù)第一個(gè)方面的光子晶體部件，能夠減小載流子向芯層區(qū)域的外部擴(kuò)散的現(xiàn)象。另外，本發(fā)明的第二個(gè)方面的特征在于，在第一個(gè)方面中，所述第一介質(zhì)的導(dǎo)熱率相比所述活性層的導(dǎo)熱率更大。由此，能夠有效地向諧振器外擴(kuò)散在芯層區(qū)域產(chǎn)生的熱，從而能夠減小元件運(yùn)行時(shí)芯層區(qū)域的溫度上升的現(xiàn)象。本發(fā)明第三個(gè)方面的特征在于，在第一或者第二方面中，在所述光子晶體設(shè)置有與所述芯層區(qū)域耦合進(jìn)行導(dǎo)光的波導(dǎo)。由此，通過將輸入輸出光與波導(dǎo)發(fā)生耦合，從而能夠?qū)⒐飧咝c波導(dǎo)耦合。結(jié)果，可構(gòu)成連接激光器和接收元件或者連接這些元件的開關(guān)的波導(dǎo)，從而能夠制造大規(guī)模的光集成電路等。本發(fā)明第四方面的特征在于，在第三方面中，所述波導(dǎo)設(shè)置在共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)延長(zhǎng)線上，其中，所述共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)被限制在所述光子晶體器件的光限制區(qū)域中。與現(xiàn)有方法同樣地，在本發(fā)明的光子晶體器件中，也通過將構(gòu)成光子晶體的多個(gè)空氣孔中的一部分空氣孔相比其他空氣孔的周期發(fā)生稍微的偏移，從而能夠制造諧振器， 而且還能夠在空氣孔不偏移的情況下形成諧振器。即，本發(fā)明第五方面的特征在于，在第一至第四方面中的任意一方面中，所述光子晶體中周期性地設(shè)置有多個(gè)空氣孔，在所述多個(gè)空氣孔中，與所述芯層區(qū)域相鄰的空氣孔中的相鄰的空氣孔之間的距離是將所述活性層和所述第一介質(zhì)之間的等效折射率之差減小的距離。本發(fā)明第六方面的特征在于，在第一至第五方面中的任意一方面中，所述芯層區(qū)域被所述第一介質(zhì)覆蓋。根據(jù)本發(fā)明，即使所述芯層區(qū)域與設(shè)置在所述第一介質(zhì)下部的犧牲層的組成相同，由于所述芯層區(qū)域被所述第一介質(zhì)覆蓋而不與空氣孔接觸，因此，可通過僅腐蝕所述犧牲層而不腐蝕該芯層區(qū)域的方式腐蝕來(lái)制造空氣橋結(jié)構(gòu)的二維平板光子晶體。另外，本發(fā)明第七方面的半導(dǎo)體激光器的特征在于，包括如權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)記載的光子晶體器件，其具有如下所述的結(jié)構(gòu)，即，通過光激發(fā)進(jìn)行激光振蕩，并且， 激發(fā)光主要被所述芯層區(qū)域吸收，所述第一介質(zhì)中的激發(fā)光的吸收系數(shù)相比在所述載流子限制層中的吸收系數(shù)更小。由此，能夠防止與激光振蕩沒有直接聯(lián)系的不需要的光吸收，還防止發(fā)熱。結(jié)果，可抑制由發(fā)熱引起的活性層的溫度上升的現(xiàn)象，從而能夠?qū)嵤┹^高的輸出ο本發(fā)明第八方面的半導(dǎo)體激光器的特征在于，在第七方面中，振蕩波長(zhǎng)被設(shè)定在 1500nm至ieOOnm之間的情況下，所述芯層區(qū)域的帶隙的光致發(fā)光波長(zhǎng)被設(shè)定在1300nm至 1400nm之間。由此，與現(xiàn)有的980nm波長(zhǎng)范圍的激發(fā)光的情況相比，能夠降低不需要的發(fā)熱，并且能夠以廣泛用于接入網(wǎng)系統(tǒng)激光器等的1300nm波長(zhǎng)范圍的激光實(shí)施激發(fā)，還能夠降低激發(fā)光源的價(jià)格。另外，本發(fā)明第九方面的半導(dǎo)體光開關(guān)是利用由折射率調(diào)制所引起的透過率變化的半導(dǎo)體光開關(guān)，其特征在于，包括第一至第六方面中的任意一方面的光子晶體器件。根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)到目前為止未能實(shí)現(xiàn)的、適于集成的低閾值且高效率的光子晶體器件(半導(dǎo)體激光器)和可實(shí)現(xiàn)低功耗工作的光子晶體器件(半導(dǎo)體光開關(guān))。


圖1是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的光子晶體器件結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2A是本發(fā)明第一實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖2B是沿圖2A的I IB_I IB線的截面圖；圖3是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的光子晶體器件的載流子注入結(jié)構(gòu)的一實(shí)例的示意圖；圖4A是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的光子晶體器件的載流子注入結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例的平面圖；圖4B是沿圖4A的IVB-IVB線的截面圖；圖5A是本發(fā)明第二實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖5B是圖沿5A的VB-VB線的截面圖；圖6是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的光子晶體器件的制造方法的步驟的流程圖；圖7是表示本發(fā)明第四實(shí)施方式的光子晶體器件的制造方法的步驟的流程圖；圖8是本發(fā)明第五實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖9是本發(fā)明第六實(shí)施方式的光子晶體器件的截面圖；圖10是本發(fā)明第七實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖11是表示第七實(shí)施方式的光子晶體器件的振蕩特性的圖表；圖12是本發(fā)明第八實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖13是本發(fā)明第九實(shí)施方式的光子晶體器件的平面圖；圖14是表示圖13的光子晶體器件120的諧振器(光限制區(qū)域)部分中限制的共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果的圖；圖15是表示實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器時(shí)的實(shí)施例的圖，其中，在所述半導(dǎo)體激光器中， 在被限制在諧振器中的共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)延長(zhǎng)線上設(shè)置有輸出波導(dǎo)；圖16A是表示圖15的半導(dǎo)體激光器的電子顯微鏡照片的圖；圖16B是表示圖15的半導(dǎo)體激光器的測(cè)定結(jié)果的圖；圖17是表示實(shí)現(xiàn)光開關(guān)時(shí)的實(shí)施例的圖，其中，在所述光開關(guān)中，在被限制在諧振器中的共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)延長(zhǎng)線上設(shè)置有輸入輸出波導(dǎo)；圖18A是表示現(xiàn)有光子晶體的電子顯微鏡照片的圖；圖18B是表示現(xiàn)有光子晶體的振蕩特性的圖；圖18C是表示現(xiàn)有光子晶體的標(biāo)準(zhǔn)振蕩特性的圖。
具體實(shí)施例方式下面，參考附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。(第一實(shí)施方式)參考圖1說明本發(fā)明第一實(shí)施方式的光子晶體器件。第一實(shí)施方式的光子晶體器件具有折射率不同的介質(zhì)規(guī)律性排列的光子晶體。例如，光子晶體是周期性地設(shè)置有多個(gè)空氣孔的二維平板。在圖1所示的光子晶體器件10中，芯層區(qū)域11設(shè)置在由埋入生長(zhǎng)層區(qū)域15形成的光子晶體中。芯層區(qū)域11包括活性層12 ；以及分別設(shè)置在該活性層12的上部和下部的載流子限制層13、14?；钚詫?2由通過注入載流子以激發(fā)光的化合物(III-V族混合晶體)形成，例如可以列舉出hGaAs、GaAsUnGaAsP等。載流子限制層13、14由防止載流子擴(kuò)散的化合物(III-V族混合晶體)形成，例如,可以列舉出AlGaAs、InGaAsP, InP等。埋入生長(zhǎng)層區(qū)域15由導(dǎo)熱率相比芯層區(qū)域11更大、并且?guī)断啾刃緦訁^(qū)域11更寬的化合物(III-V族混合晶體)形成，例如可以列舉出GaAs、InP, InGaAsP, InAlAsP等。 例如，埋入生長(zhǎng)層區(qū)域15的厚度可以為200nm-400nm等。在此參考圖2-圖4，對(duì)包括上述構(gòu)成的光子晶體的光子晶體器件用于半導(dǎo)體激光器(光半導(dǎo)體裝置)的情況進(jìn)行說明。如圖2A和圖2B所示，光子晶體器件20包括光子晶體，其中，在所述光子晶體中， 通過腐蝕，在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域21形成多個(gè)空氣孔22。多個(gè)空氣孔22之中相鄰的空氣孔之間的間隔&1調(diào)整為由(光子晶體器件20的工作波長(zhǎng)λ)/(埋入生長(zhǎng)層區(qū)域21的折射率 N)求出的大小，多個(gè)空氣孔22是規(guī)律性地排列的。在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域21中設(shè)置有折射率的周期結(jié)構(gòu)散亂(缺陷區(qū)域)即未形成空氣孔的區(qū)域。在該缺陷區(qū)域內(nèi)設(shè)置有芯層區(qū)域23。從而，芯層區(qū)域23與空氣孔22不接觸。 換言之，芯層區(qū)域23被埋入生長(zhǎng)層區(qū)域21覆蓋。芯層區(qū)域23包括活性層M ；分別設(shè)置在活性層M的上部和下部的載流子限制層25、26。由此，在與活性層M —致的區(qū)域形成有限制載流子的載流子限制區(qū)域觀，其中，所述活性層M是被上下的載流子限制層25 J6包圍的區(qū)域。通過具有上述構(gòu)成，在上下方向上通過空氣、而在二維面方向上通過根據(jù)多個(gè)空氣孔22而形成了諧振器。S卩，由空氣孔22、光子晶體器件20的上表面20a和其下表面20b 所包圍的區(qū)域成為限制光的光限制區(qū)域27，其中，所述空氣孔22位于自載流子限制區(qū)域觀起的至少第二層。這樣，光限制區(qū)域27成為相比活性層M更向外側(cè)擴(kuò)展的區(qū)域。其中，向活性層M注入載流子是通過電流注入或者光激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過電流注入來(lái)實(shí)現(xiàn)的情況下，例如，如圖3所示，接近載流子限制區(qū)域觀注入離子而分別形成有P層 31和N層32，在P層31和N層32的上部分別設(shè)置有P電極33和N電極34。電流注入是在光子晶體的平面方向(橫向)上實(shí)施的。通過向電極33、34注入電流，注入到活性層M 的載流子受到載流子限制層25、26的限制。另一方面，參考圖4，對(duì)通過光激發(fā)向活性層M注入載流子的情況進(jìn)行說明。如圖4所示，激發(fā)光被載流子限制層25 J6和活性層M吸收時(shí)，載流子被限制在活性層的整體區(qū)域中。即，芯層區(qū)域23整體成為光激發(fā)載流子限制區(qū)域48。由此，能夠向活性層對(duì)注入載流子。從而，根據(jù)本實(shí)施方式的光子晶體器件20，在光子晶體中設(shè)置有包括活性層M和載流子限制層25 J6的芯層區(qū)域23，并且光子晶體由具有相比芯層區(qū)域23更寬的帶隙的埋入生長(zhǎng)層21形成，從而能夠減小載流子向芯層區(qū)域23的外側(cè)擴(kuò)散的現(xiàn)象。(第二實(shí)施方式)參考圖5，對(duì)本發(fā)明第二實(shí)施方式的光子晶體器件進(jìn)行說明。第二實(shí)施方式的光子晶體器件是在缺陷區(qū)域和包括空氣孔的區(qū)域均設(shè)置芯層區(qū)域的器件，除此之外，其結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式的光子晶體器件相同。如圖5A和圖5B所示，光子晶體器件50包括在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域21周期性地設(shè)置有多個(gè)空氣孔22的光子晶體。在光子晶體器件50設(shè)置有缺陷區(qū)域，以該區(qū)域?yàn)橹行脑O(shè)置有芯層區(qū)域53。芯層區(qū)域53以缺陷區(qū)域?yàn)橹行男纬?，并且其相比空氣孔的部分更大，例如，設(shè)置至第四層的空氣孔22。芯層區(qū)域53構(gòu)成光子晶體器件50的上表面50a的一部分和其下表面50b的一部分。芯層區(qū)域53包括活性層M ；以及分別設(shè)置在活性層M的上部和下部的載流子限制層55、56。由此，在與活性層M—致的區(qū)域形成有限制載流子的載流子限制區(qū)域58，其中， 所述活性層M為被上下的載流子限制層55、56包圍的區(qū)域。通過上述的構(gòu)成，在上下方向上通過空氣、而在二維面方向上則通過多個(gè)空氣孔 22形成諧振器。即，以缺陷區(qū)域?yàn)橹行?，被至少第二層的空氣?2、光子晶體器件50的上表面50a和其下表面50b所包圍的區(qū)域成為限制光的光限制區(qū)域57。這樣，在光子晶體器件50的面方向上，光限制區(qū)域57成為活性層M的內(nèi)側(cè)區(qū)域。從而，根據(jù)本實(shí)施方式的光子晶體器件50，與上述第一實(shí)施方式的光子晶體器件 20相同地，能夠減少載流子向芯層區(qū)域53的外側(cè)擴(kuò)散。另外，能夠在光限制區(qū)域57的外側(cè)設(shè)置載流子限制區(qū)域58。另外，以上，使用將載流子限制區(qū)域58設(shè)置在光限制區(qū)域57外側(cè)的光子晶體器件 50來(lái)進(jìn)行了說明，但也可以采用下述結(jié)構(gòu)的光子晶體器件，即，通過調(diào)整芯層區(qū)域53的尺寸，在光子晶體器件的面方向上，所述光子晶體器件的限制載流子的載流子限制區(qū)域和限制光的光限制區(qū)域形成為相同的尺寸。在這種光子晶體器件中，由于在光限制區(qū)域57內(nèi)的折射率是均勻的，因此與現(xiàn)有的方法同樣地，通過使缺陷區(qū)域付近的空氣孔相比其他空氣孔的周期發(fā)生稍微偏移，從而能夠制造具有高限制的諧振器，能夠獲得與上述的光子晶體器件50相同的作用和效果，而且還能夠減小振蕩閾值。(第三實(shí)施方式)參考圖6說明本發(fā)明第三實(shí)施方式的光子晶體器件。第三實(shí)施方式的光子晶體器件包括與上述第二實(shí)施方式的光子晶體器件相同的構(gòu)成，由導(dǎo)熱率相比活性層的導(dǎo)熱率更大的化合物(III-V族混合晶體)形成埋入生長(zhǎng)層區(qū)域。在本實(shí)施方式中，將AlAs層用作制造氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)的犧牲層，埋入生長(zhǎng)層區(qū)域和載流子限制層使用相同的化合物(III-V族混合晶體)。按照?qǐng)D6所示的步驟制造本實(shí)施方式的光子晶體器件。首先，如圖6(a)所示，通過分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy,簡(jiǎn)稱為MBE法)，在GaAs基板61上依次形成 AlAs犧牲層62、GaAs層(埋入生長(zhǎng)層區(qū)域和載流子限制層)63、InGaAs活性層64。接下來(lái)，如圖6(b)所示，通過腐蝕去除在InGaAs活性層64中構(gòu)成后述的芯層區(qū)域的部分以外的部分。如圖6(c)所示，再次根據(jù)MBE法，在整個(gè)表面形成GaAs層(載流子限制層和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域)65，從而能夠得到外延生長(zhǎng)基板。接下來(lái)，如圖6(d)，通過干法腐蝕上述的外延生長(zhǎng)基板，從而形成多個(gè)空氣孔66。 多個(gè)空氣孔66形成在GaAs層65和GaAs層63中，并且形成在GaAs層65、InGaAs活性層 64以及GaAs層63中。多個(gè)空氣孔66按照下述方式形成相鄰的空氣孔66彼此是周期性地設(shè)置的，并且InGaAs活性層64成為缺陷區(qū)域的中心。接下來(lái)，高溫氧化AlAs犧牲層72之后，通過空氣孔66用氫氟酸僅對(duì)被氧化后的層進(jìn)行濕法腐蝕。由此，如圖6(e)所示，在二維方向上被空氣孔66包圍的區(qū)域的下層形成空氣孔67。由此，通過上述的步驟能夠制造如下所述的光子晶體器件，即在由GaAs形成的埋入生長(zhǎng)層區(qū)域63內(nèi)設(shè)置有芯層區(qū)域69，在該芯層區(qū)域69中，在由InGaAs形成的活性層 64上、下分別設(shè)置有由GaAs形成的載流子限制層68a和68b。并且，在包括芯層區(qū)域69的埋入生長(zhǎng)層區(qū)域63內(nèi)設(shè)置有多個(gè)空氣孔66。即，能夠制造光場(chǎng)分布和載流子分布幾乎一致的微腔激光器。(第四實(shí)施方式)參考圖7說明本發(fā)明第四實(shí)施方式的光子晶體器件。第四實(shí)施方式的光子晶體器件是包括與上述第一實(shí)施方式的光子晶體器件相同的構(gòu)成的器件，是由導(dǎo)熱率相比活性層的導(dǎo)熱率更大的化合物(III-V族混合晶體)形成埋入生長(zhǎng)層區(qū)域的器件。在本實(shí)施方式中，將InGaAs層用作制造氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)的犧牲層，埋入生長(zhǎng)層區(qū)域和載流子限制層使用相同的化合物(III-V族混合晶體)。按照如圖7所示的步驟制造本實(shí)施方式的光子晶體器件。首先，如圖7(a)所示，通過有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor D印osition，簡(jiǎn)稱為MOCVD 法)，在InP基板71上依次形成InGaAs犧牲層72、InP層73、InGaAsP層(載流子限制層區(qū)域)78b、InGaAs活性層74、InGaAsP層(載流子限制層區(qū)域)78a。接下來(lái)，如圖7(b)所示，通過腐蝕去除構(gòu)成將在后述的芯層區(qū)域79的部分以外的InGaAsP層(載流子限制層區(qū)域)78b、InGaAs活性層74、InGaAsP層(載流子限制層區(qū)域)78a部分。如圖7(c)所示，再次通過MOCVD法，在整個(gè)表面形成InP層(埋入生長(zhǎng)層區(qū)域)75， 從而能夠得到外延生長(zhǎng)基板。接下來(lái)，如圖7(d)所示，通過對(duì)上述的外延生長(zhǎng)基板實(shí)施干法腐蝕，從而形成多個(gè)空氣孔76。多個(gè)空氣孔76形成在InP層75和InP層73中。多個(gè)空氣孔76按照下述方式形成相鄰的空氣孔彼此是周期性地設(shè)置的，并且^GaAs活性層74成為缺陷區(qū)域的中心。接下來(lái)，通過空氣孔76對(duì)hGaAs犧牲層72實(shí)施濕法腐蝕。由此，如圖7(e)所示， 在二維方向上被空氣孔76包圍的區(qū)域的下層形成空氣孔77。由此，通過上述的步驟能夠制造如下所述的光子晶體器件，即在由InP層73和 InP層75形成的埋入生長(zhǎng)層區(qū)域內(nèi)形成的芯層區(qū)域79，在該芯層區(qū)域79中，在由hGaAs形成的活性層74的上、下分別設(shè)置了由InGaAsP形成的載流子限制層78a、78b，并且，在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域73和75內(nèi)設(shè)置有多個(gè)空氣孔76。另外，在本實(shí)施方式中，采用了單個(gè)hGaAs 層74的兩側(cè)被InGaAsP層夾持的單量子阱結(jié)構(gòu)，但是活性層的結(jié)構(gòu)并不限于此，還可以使用如下所述的結(jié)構(gòu)的活性層，即，反復(fù)使用多個(gè)InGaAs阱層和InGaAsP勢(shì)壘層的多重量子阱結(jié)構(gòu)的活性層或者不使用量子阱結(jié)構(gòu)的體相結(jié)構(gòu)的活性層。(第五實(shí)施方式)參考圖8說明本發(fā)明第五實(shí)施方式的光子晶體器件。第五實(shí)施方式的光子晶體器件是包括光子晶體的器件，是設(shè)置有與芯層區(qū)域耦合的波導(dǎo)的器件。如圖8所示，光子晶體器件80是包括在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域81中在二維方向上周期性地形成有多個(gè)空氣孔82的光子晶體的器件，在圖中的中心的長(zhǎng)度方向上設(shè)置有未形成有空氣孔82的缺陷區(qū)域。這樣，將光子晶體中呈線狀設(shè)置的缺陷稱為線缺陷，其起到光波導(dǎo)作用。在該缺陷區(qū)域的長(zhǎng)度方向的中心附近形成有芯層區(qū)域83。作為芯層區(qū)域83和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域81的組合，可以列舉出InGaAs和GaAs的組合或者InGaAs和InP的組合。通過這種構(gòu)成，激光的振蕩波長(zhǎng)相比埋入生長(zhǎng)層區(qū)域81的帶隙波長(zhǎng)更長(zhǎng)，吸收極少。由此，在芯層區(qū)域83的左側(cè)形成第一輸出波導(dǎo)84，在芯層區(qū)域83的右側(cè)形成第二輸出波導(dǎo)85。在以1. 5微米波長(zhǎng)范圍振蕩的激光中，相鄰的空氣孔之間的距離為420nm左右。從而，從芯層區(qū)域83的活性層振蕩的光向反射率最低的方向輸出得較多，不會(huì)從光子晶體器件80的正面和背面射出，而是通過第一輸出波導(dǎo)84從光子晶體器件80的左側(cè)射出，并且通過第二輸出波導(dǎo)85從光子晶體器件80右側(cè)射出。由此，在二維平板面內(nèi)能夠有效地進(jìn)行光取出。由此，根據(jù)本實(shí)施方式的光子晶體器件80，通過波導(dǎo)84、85能夠簡(jiǎn)單地與相鄰設(shè)置的其他光器件連接，例如，能夠構(gòu)成連接激光和接收元件的波導(dǎo)等，從而能夠制造大規(guī)模的光集成電路等。(第六實(shí)施方式)參考圖9說明本發(fā)明第六實(shí)施方式的光子晶體器件。第六實(shí)施方式的光子晶體器件是包括與上述第一實(shí)施方式的光子晶體器件相同構(gòu)成的器件，其由導(dǎo)熱率相比活性層的導(dǎo)熱率更大的化合物(III-V族混合晶體)形成埋入生長(zhǎng)層。在本實(shí)施方式中，將hGaAs層用作制造氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)的犧牲層，埋入生長(zhǎng)層和載流子限制層使用不同的化合物(III-V族混合晶體)。如圖9所示，本實(shí)施方式的光子晶體器件90是在InP基板91上依次形成有InGaAs 犧牲層92、InP埋入生長(zhǎng)層區(qū)域93的器件。在InP埋入生長(zhǎng)層區(qū)域93內(nèi)設(shè)置有芯層區(qū)域 94。芯層區(qū)域94包括由hGaAs形成的活性層95 ；分別設(shè)置在活性層95的上部和下部、由上部和下部的InGaAsP形成的載流子限制層96、97。將上部和下部的載流子限制層96、97 的帶隙波長(zhǎng)λ g分別設(shè)為1. 35 μ m。將根據(jù)量子阱的活性層95的帶隙波長(zhǎng)設(shè)為1. 55 μ m。 換言之，在光子晶體器件90中，振蕩波長(zhǎng)設(shè)定在1500nm至ieOOnm之間，光吸收層的帶隙的光致發(fā)光波長(zhǎng)則設(shè)定在1300nm至1400nm之間。由此，與使用通常用于光激發(fā)的980nm激光的情況相比，能夠抑制一半左右的不需要的發(fā)熱現(xiàn)象。另外，能夠以用于接入網(wǎng)系統(tǒng)激光器等的1300nm波長(zhǎng)范圍的激光實(shí)施激發(fā)，還能夠降低激發(fā)光源的價(jià)格。從而，根據(jù)上述的光子晶體器件90，其結(jié)構(gòu)為，通過光激發(fā)實(shí)施激光振蕩且激發(fā)光主要被芯層區(qū)域94吸收，埋入生長(zhǎng)層區(qū)域93對(duì)激發(fā)光的吸收系數(shù)相比載流子限制層97、 97中的吸收系數(shù)更小，由此防止與激光振蕩沒有直接聯(lián)系的不需要的光吸收，從而能夠防止由此引起的活性層95的溫度上升的現(xiàn)象，從而能夠達(dá)到較高的輸出。(第七實(shí)施方式)參考圖10和圖11說明本發(fā)明第七實(shí)施方式的光子晶體器件。第七實(shí)施方式的光子晶體器件是包括光子晶體的器件，是設(shè)置有與芯層區(qū)域耦合的波導(dǎo)的器件。如圖10所示，光子晶體器件100是包括在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域101在二維方向上周期性地形成有多個(gè)空氣孔102的光子晶體的器件，在圖中的中心的長(zhǎng)度方向上設(shè)置有未形成有空氣孔102的缺陷區(qū)域。在該缺陷區(qū)域的長(zhǎng)度方向的中心附近形成有芯層區(qū)域103。作為芯層區(qū)域103，可以列舉出與上述第六實(shí)施方式的光子晶體器件90所包括的芯層區(qū)域94 相同的化合物。由此，在芯層區(qū)域103的左側(cè)形成輸入波導(dǎo)104，在芯層區(qū)域103的右側(cè)形成輸出波導(dǎo)105。由此，能夠在長(zhǎng)度方向上實(shí)現(xiàn)芯層區(qū)域103的光激發(fā)。由此，載流子限制層對(duì) 1.3μπι光具有較大的吸收系數(shù)(5000cm-l以上)，因此能夠以數(shù)微米吸收80%以上。其中，圖11示出了這樣制造的光子晶體器件(半導(dǎo)體激光器)的輸入輸出特性。 在該圖11中，橫軸表示輸入光強(qiáng)度，縱軸表示光纖輸出強(qiáng)度。如圖11和圖18b所示，能夠以比閾值高2位數(shù)以上的輸入光強(qiáng)度實(shí)施激發(fā)。另外，能通過光激發(fā)產(chǎn)生的載流子能夠有效地限制在活性層中，因此閾值變?yōu)?. 5微瓦，即閾值也變得非常小。(第八實(shí)施方式)參考圖12說明本發(fā)明第八實(shí)施方式的光子晶體器件。第八實(shí)施方式的光子晶體器件是包括光子晶體的器件，是設(shè)置有與芯層區(qū)域耦合的波導(dǎo)的器件。如圖12所示，光子晶體器件110是包括在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域111在二維方向上周期性地形成有多個(gè)空氣孔112(例如，相鄰的空氣孔112之間的間隔a為420nm)的光子晶體的器件，在圖中的中心長(zhǎng)度方向上設(shè)置有未形成有空氣孔112的缺陷區(qū)域。在該缺陷區(qū)域的長(zhǎng)度方向的中心附近形成有芯層區(qū)域116。芯層區(qū)域116是包括芯層以及分別形成在芯層的下部和上部且限制載流子的載流子限制層的區(qū)域。在芯層區(qū)域116的左側(cè)形成有輸入波導(dǎo)117，在芯層區(qū)域116的右側(cè)形成有輸出波導(dǎo)118。與芯層區(qū)域116相鄰的第一層的空氣孔113形成在向遠(yuǎn)離芯層區(qū)域116的方向偏
10移7nm的位置處。具體而言，在芯層區(qū)域116的上側(cè)，第一層的空氣孔113形成在向光子晶體器件110的一側(cè)部IlOa偏移7nm的位置處，在芯層區(qū)域116的下側(cè)，第一層的空氣孔113 形成在向光子晶體器件110的另一側(cè)部IlOb偏移7nm的位置處。與芯層區(qū)域116相鄰的第二層空氣孔114形成在向遠(yuǎn)離芯層區(qū)域116的方向偏移 5nm的位置處。具體而言，在芯層區(qū)域116的上側(cè)，第二層的空氣孔114形成在向光子晶體器件110的一側(cè)部IlOa偏移5nm的位置處，在芯層區(qū)域116的下側(cè)，第二層的空氣孔114 形成在向光子晶體器件110的另一側(cè)部IlOb偏移5nm的位置處。與芯層區(qū)域116相鄰的第三層的空氣孔115形成在向遠(yuǎn)離芯層區(qū)域116的方向偏移3nm的位置處。具體而言，在芯層區(qū)域116的上側(cè)，第三層的空氣孔115形成在向光子晶體器件110的一側(cè)部IlOa偏移3nm的位置處，在芯層區(qū)域116的下側(cè)，第三層的空氣孔115 形成在向光子晶體器件110的另一側(cè)部IlOb偏移3nm的位置處。如上所述，通過在芯層區(qū)域116的周圍設(shè)置發(fā)生稍微偏移的空氣孔113、114、115， 從而能夠得到具有較高的Q值的諧振器。(第九實(shí)施方式)參考圖13說明本發(fā)明第九實(shí)施方式的光子晶體器件。第九實(shí)施方式的光子晶體器件是包括光子晶體的器件，是設(shè)置有與芯層區(qū)域耦合的波導(dǎo)的器件。如圖13所示，光子晶體器件120是包括在埋入生長(zhǎng)層區(qū)域121在二維方向上周期性地形成有多個(gè)空氣孔122的光子晶體的器件，在圖中的中心的長(zhǎng)度方向上設(shè)置有未形成有空氣孔122的缺陷區(qū)域。在該缺陷區(qū)域的長(zhǎng)度方向的中心附近形成有芯層區(qū)域123。芯層區(qū)域123是包括芯層以及分別形成在芯層的下部和上部且限制載流子的載流子限制層的區(qū)域。輸入波導(dǎo)124形成在芯層區(qū)域123的左側(cè)，輸出波導(dǎo)125形成在芯層區(qū)域123的右側(cè)。在本實(shí)施方式中，在與芯層區(qū)域123接近的區(qū)域126中，多個(gè)空氣孔122也與設(shè)置在其他位置處的多個(gè)空氣孔122同樣地進(jìn)行周期性設(shè)置。即，與芯層區(qū)域123相鄰的多個(gè)空氣孔122中的相鄰的空氣孔之間的距離和與芯層區(qū)域123不相鄰的多個(gè)空氣孔122中的相鄰空氣孔之間的距離是相同的，在此為422nm。從而，根據(jù)本實(shí)施方式的光子晶體器件120，無(wú)需偏移用于形成諧振器的空氣孔的位置，就能通過活性層的高折射率而限制光，能夠減小不需要的共振峰值。當(dāng)芯層區(qū)域123的活性層和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域121的折射率之差變大的情況下，顯得尤為有效。當(dāng)活性層和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域121的折射率之差變大的情況下，由于空氣孔的偏移所形成的諧振器區(qū)域和活性層的高折射率區(qū)域的兩個(gè)空間分布是不同的。在這種情況下成為復(fù)合諧振器，雖然存在多個(gè)振蕩中不需要的共振峰值，但是，由于消除了空氣孔122 的位置偏移，因此能夠避免上述問題。即使消除了空氣孔的位置偏移芯層區(qū)域123的活性層和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域121的折射率之差依然較大而變?yōu)閺?fù)合諧振器從而導(dǎo)致在振蕩中存在多個(gè)不需要的共振峰值等情況下，使空氣孔122向靠近芯層區(qū)域123的活性層的方向偏移，從而減小與活性層和埋入生長(zhǎng)層區(qū)域121的折射率差之間的折射率差，由此能夠改善諧振器的特性。如上所述，在本實(shí)施方式以及上述的第八實(shí)施方式中，對(duì)與芯層區(qū)域接近的區(qū)域中空氣孔所引起的等效折射率變化的微調(diào)整進(jìn)行了說明，其中的任意一個(gè)都是用于得到較高的Q值而使光子晶體的諧振器中的等效折射率的變化趨于平緩的部件。另外，在上述的第一至第九實(shí)施方式中，說明了作為光子晶體器件而適用于半導(dǎo)體激光器的情況，還可以適用于半導(dǎo)體光開關(guān)中，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)利用折射率調(diào)制所引起的透過率的變化。適用于半導(dǎo)體光開關(guān)的情況下，也起到與上述的光子晶體器件相同的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)適于集成的低功耗工作。根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)低閾值且高效率的光子晶體激光器和可實(shí)現(xiàn)低功耗工作的光開關(guān)，從而能夠適用于光通信等工業(yè)。圖14是圖13的光子晶體器件120的諧振器(光限制區(qū)域)部分中被限制的共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果的圖。如圖14所示，可知下述現(xiàn)象，S卩，在光子晶體的線缺陷波導(dǎo)中埋入折射率大的芯層的結(jié)構(gòu)中，在四個(gè)角的斜方向上延伸有光場(chǎng)。從而，在輸出波導(dǎo)與具有這種光場(chǎng)的諧振器耦合的情況下，如圖13所示，相比在芯層的長(zhǎng)度方向上設(shè)置輸入輸出波導(dǎo)，在光場(chǎng)的延長(zhǎng)線上設(shè)置波長(zhǎng)，可更有效地實(shí)現(xiàn)諧振器和波導(dǎo)的耦合。圖15表示了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器時(shí)的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，以波長(zhǎng)為1. 3微米的激發(fā)光激發(fā)了芯層，從而輸出1. 55微米的激光。對(duì)于1. 3微米的激發(fā)光而言，具有1. 55微米的諧振器波長(zhǎng)的諧振器與通常的線缺陷相同地運(yùn)行，從而與圖13相同地，將設(shè)置在芯層的長(zhǎng)度方向上的線缺陷波導(dǎo)用作輸入波導(dǎo)124。但是，如圖14所示，通過激發(fā)光振蕩的1. 55 微米的激光的光場(chǎng)從活性層向傾斜方向延伸，因此將輸出波導(dǎo)125設(shè)置為與其中的一個(gè)光場(chǎng)耦合。圖16A和16B示出了以這種設(shè)計(jì)制造的元件的電子顯微鏡照片和測(cè)定結(jié)果。與圖 11相比，輸出光強(qiáng)度顯著地增加，最大為-10. 5daii的輸出光與輸出波導(dǎo)耦合。另外，圖13 所示的諧振器中，光場(chǎng)在四個(gè)方向上等向延伸，因此，可自由設(shè)定1至4個(gè)輸出波導(dǎo)。圖17示出了本器件適用于以1.55微米實(shí)施輸入輸出的光開關(guān)時(shí)的構(gòu)成。在這種情況下，由于向諧振器輸入輸出1. 55微米的光，因此，任何波導(dǎo)都向從活性層觀察時(shí)的傾斜方向設(shè)置。另外，可根據(jù)芯層和波導(dǎo)的距離及位置自由設(shè)定輸入輸出波導(dǎo)和諧振器的光的耦合系數(shù)。
權(quán)利要求
1.光子晶體器件，其特征在于，包括光子晶體，規(guī)律性地排列有折射率不同的第一介質(zhì)和第二介質(zhì)；以及所述光子晶體中的芯層區(qū)域；所述芯層區(qū)域具有活性層以及分別設(shè)置在所述活性層的上部和下部、且限制載流子的載流子限制層，構(gòu)成所述光子晶體的所述第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之中折射率較大的第一介質(zhì)的帶隙相比于所述芯層區(qū)域的帶隙更長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體器件，其特征在于， 所述第一介質(zhì)的導(dǎo)熱率相比于所述活性層的導(dǎo)熱率更大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子晶體器件，其特征在于，在所述光子晶體中設(shè)置有與所述芯層區(qū)域耦合以進(jìn)行導(dǎo)光的波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體器件，其特征在于，所述波導(dǎo)設(shè)置在共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)的延長(zhǎng)線上，其中，所述共振波長(zhǎng)的光場(chǎng)被限制在所述光子晶體器件的光限制區(qū)域中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的任意一項(xiàng)所述的光子晶體器件，其特征在于， 在所述光子晶體中周期性地設(shè)置有多個(gè)空氣孔，在所述多個(gè)空氣孔中，與所述芯層區(qū)域相鄰的空氣孔中的相鄰空氣孔之間的距離是用于縮小所述活性層和所述第一介質(zhì)之間的等效折射率之差的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任意一項(xiàng)所述的光子晶體器件，其特征在于，所述芯層區(qū)域被所述第一介質(zhì)覆蓋。
7.半導(dǎo)體激光器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的光子晶體器件，并且具有如下所述的結(jié)構(gòu)，即，通過光激發(fā)進(jìn)行激光振蕩，并且，激發(fā)光主要被所述芯層區(qū)域吸收，所述第一介質(zhì)中的激發(fā)光的吸收系數(shù)相比于所述載流子限制層中的吸收系數(shù)更小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，振蕩波長(zhǎng)設(shè)定在1500nm至ieOOnm之間的情況下，所述芯層區(qū)域的帶隙的光致發(fā)光波長(zhǎng)設(shè)定在1300nm至1400nm之間。
9.半導(dǎo)體光開關(guān)，所述半導(dǎo)體光開關(guān)利用由折射率調(diào)制所引起的透過率的變化，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的光子晶體器件。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供能夠防止器件特性發(fā)生劣化且能夠有效地限制載流子的光子晶體器件。本發(fā)明的光子晶體器件包括規(guī)律性地排列有不同折射率的介質(zhì)的光子晶體，在光子晶體中設(shè)置有包括活性層(12)和載流子限制層(13、14)的芯層區(qū)域(11)，該載流子限制層(13、14)分別設(shè)置在活性層(12)的上部和下部并且限制載流子，光子晶體由帶隙相比芯層區(qū)域(11)的帶隙更大的埋入生長(zhǎng)層(15)形成。
文檔編號(hào)H01S5/04GK102576979SQ20108003887
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者新家昭彥, 松尾慎治, 硴冢孝明, 納富雅也 申請(qǐng)人:日本電信電話株式會(huì)社