JP2007073945A - 面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることができ、モード制御が容易となる面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】活性層と、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶とを有する面発光レーザが、つぎのような構成を有する。
すなわち、前記二次元フォトニック結晶が、二次元周期構造を有する第１の層と、第２の層とを備え、前記第１の層と第２の層とを接するように配置し、前記二次元フォトニック結晶の屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成された構成を有している。
【選択図】 図１
【解決手段】活性層と、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶とを有する面発光レーザが、つぎのような構成を有する。
すなわち、前記二次元フォトニック結晶が、二次元周期構造を有する第１の層と、第２の層とを備え、前記第１の層と第２の層とを接するように配置し、前記二次元フォトニック結晶の屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成された構成を有している。
【選択図】 図１
Description
本発明は、面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法に関するものである。
電子写真技術における画像書き込みの高密度化及び高速化に対応するために面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイを用いたマルチビームによる画像形成技術の開発が行われている。
より高精細な画像形成のためには、レーザビームスポット径を小さくすることが求められており、この小径化実現のための一つの技術として、より波長の短いレーザを使用する手法がある。
現在、赤色乃至は赤外（６５０ｎｍ〜）領域の面発光レーザアレイの電流注入による駆動は達成されているが、より波長の短い青色領域における面発光レーザの電流注入による駆動は達成されていない。
青色面発光レーザの電流注入駆動が実現されていない原因として、高反射率かつ電気伝導特性の優れた半導体ＤＢＲミラーの作製が困難であることが挙げられる。また、面発光レーザには、偏光制御が困難であり、単一横モード発振を達成すると必然的に発光スポットが小さくなってしまうという問題がある。
より高精細な画像形成のためには、レーザビームスポット径を小さくすることが求められており、この小径化実現のための一つの技術として、より波長の短いレーザを使用する手法がある。
現在、赤色乃至は赤外（６５０ｎｍ〜）領域の面発光レーザアレイの電流注入による駆動は達成されているが、より波長の短い青色領域における面発光レーザの電流注入による駆動は達成されていない。
青色面発光レーザの電流注入駆動が実現されていない原因として、高反射率かつ電気伝導特性の優れた半導体ＤＢＲミラーの作製が困難であることが挙げられる。また、面発光レーザには、偏光制御が困難であり、単一横モード発振を達成すると必然的に発光スポットが小さくなってしまうという問題がある。
面発光レーザにおいて、ＤＢＲミラーを用いずに実現する方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、二次元フォトニック結晶を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザが知られている。このような二次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層が積層されて構成されており、下部クラッド層中には活性層の近傍に二次元フォトニック結晶が内蔵されている。この二次元フォトニック結晶は、半導体層に空孔を形成して構成され、屈折率の異なる媒質が所定の二次元周期で配列された三角格子乃至は正方格子からなっている。また、上部クラッド層の上面及び基板の底面には電極が形成されており、電圧を印加することにより活性層が発光し、活性層から漏れ出た光が二次元フォトニック結晶に入射する。入射した光のうち、二次元フォトニック結晶の格子間隔に波長が一致する光が二次元フォトニック結晶により共振して増幅され、放射モードにより面垂直方向に出射される。以上の機構により、二次元フォトニック結晶面発光レーザが面発光してコヒーレントな光を出射する。これにより、ＤＢＲミラーを用いずに面発光レーザが実現される。
しかしながら、上記した面発光レーザにおいては、出射される光の偏光方向が揃っていないという課題を有している。そのため、例えば特許文献２のように、一定の偏光を出射することを可能とした二次元フォトニック結晶面発光レーザが提案されている。この面発光レーザは、二次元フォトニック結晶の基本格子がその対角線に対して非対称な屈折率分布を形成するように、この基本格子とは別の周期構造を有する第２の基本格子を導入する構成が採られている。これにより一定の偏光を出射することの可能な二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ている。
特開２０００−３３２３５１号公報
特開２００３−２３１９３号公報
しかしながら、上記した従来例の特許文献２では、その二次元フォトニック結晶面発光レーザの作製方法について、具体的に記述されていないが、このような二次元フォトニック結晶面発光レーザは、その作製が非常に困難である。特に、前述のより高精細な画像形成のための短波長化に伴い、格子間隔を狭める必要があることから、その作製はより困難となる。
また、特許文献２のものではフォトニックバンド端付近での互いが近接した準位が使用されているため、モード選択が困難であり、発振モードの制御が困難となるという問題を有している。
また、特許文献２のものではフォトニックバンド端付近での互いが近接した準位が使用されているため、モード選択が困難であり、発振モードの制御が困難となるという問題を有している。
本発明は、上記課題に鑑み、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることができ、モード制御が容易となる面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を提供するものである。
すなわち、本発明の面発光レーザは、活性層と、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶とを有する面発光レーザをつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明においては、前記二次元フォトニック結晶が、二次元周期構造を有する第１の層と、第２の層とを備えている。
そして、前記第１の層と第２の層とを接するように配置し、前記二次元フォトニック結晶の屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されていることを特徴としている。
なお、本発明においては、第２の層自体は、欠陥として機能するものであればよく、第２の層が有する構造（例えば細孔）自体に周期性は必ずしも必要とするものではない。
また、本発明の面発光レーザは、活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶を有するものを含む。ここで、活性層の「近傍」とは、活性層で生じる光が光学的に届く範囲を意味している。
このような面発光レーザを構成するに際して、本発明においては、前記第１の層と前記第２の層とを、つぎのように構成することができる。
すなわち、前記第１の層を、第１の屈折率を有する第１媒質中に、第２の屈折率を有する第２媒質よりなる柱状構造体が一定間隔で周期的に形成された第１の二次元周期構造層とすることができる。
また、前記第２の層を、第３の屈折率を有する第３媒質中に、第４の屈折率を有する第４媒質よりなる柱状構造体が形成された第２の二次元周期構造層とする。そして、その周期は前記第１の二次元周期構造層とは異なるように形成され、且つその柱状構造体の大きさを含む形状が前記第１の二次元周期構造層における柱状構造体と異なる形状として構成することができる。
その際、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とを同一の媒質とする構成を採ることができる。
また、前記第１の屈折率を有する第１媒質と前記第３の屈折率を有する第３媒質とを同一の媒質とし、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とを同一の媒質とする構成を採ることができる。
また、前記第１の屈折率を有する第１媒質と第３の屈折率を有する第３媒質を半導体層とし、第２の屈折率を有する第２媒質及び第４の屈折率を有する第４媒質を空気とする構成を採ることができる。
また、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質のいずれか一方を、多孔質半導体層とする構成を採ることができる。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（１−１）から（１−３）各工程を有することを特徴としている。
（１−１）．基板上に形成された第１の半導体層に、第１の柱状空孔を後の工程における第３の半導体層に形成される第２の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成し、該第１の柱状空孔に第２の半導体層を埋め込む工程。
（１−２）．前記第２の半導体層が埋め込まれた第１の半導体層上に、第３の半導体層を形成し、該第３の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第２の柱状空孔を、前記第１の柱状空孔に埋め込まれた第２の半導体層が露出する深さで形成する工程。
（１−３）．前記露出した第２の半導体層を、該第１の柱状空孔から除去しあるいは除去しないでおく工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（２−１）から（２−３）各工程を有することを特徴としている。
（２−１）．基板上に形成された第１の半導体層に、該半導体層の一部を多孔質化した柱状形状部を、後の工程で形成される第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成する工程。
（２−２）．前記多孔質化された柱状形状部の形成された前記第１の半導体層上に、第２の半導体層を形成し、該第２の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を、前記多孔質化された柱状形状部が露出する深さで形成する工程。
（２−３）．前記露出した前記多孔質化された柱状形状部から、該多孔質化された部分を除去して第２の柱状空孔を形成し、あるいは該多孔質化された部分を除去しないでおく工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（３−１）から（３−２）各工程を有することを特徴としている。
（３−１）．基板上に積層された上層の半導体層に、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程。
（３−２）．前記第１の工程後に、前記基板上における下層の半導体層に前記上層の半導体層に形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（４−１）から（４−２）各工程を有することを特徴としている。
（４−１）．基板上に積層された半導体層の上面側から、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程。
（４−２）．前記第１の工程後に、前記半導体層の下面側から、前記上面側から形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程。
すなわち、本発明の面発光レーザは、活性層と、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶とを有する面発光レーザをつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明においては、前記二次元フォトニック結晶が、二次元周期構造を有する第１の層と、第２の層とを備えている。
そして、前記第１の層と第２の層とを接するように配置し、前記二次元フォトニック結晶の屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されていることを特徴としている。
なお、本発明においては、第２の層自体は、欠陥として機能するものであればよく、第２の層が有する構造（例えば細孔）自体に周期性は必ずしも必要とするものではない。
また、本発明の面発光レーザは、活性層の近傍に、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶を有するものを含む。ここで、活性層の「近傍」とは、活性層で生じる光が光学的に届く範囲を意味している。
このような面発光レーザを構成するに際して、本発明においては、前記第１の層と前記第２の層とを、つぎのように構成することができる。
すなわち、前記第１の層を、第１の屈折率を有する第１媒質中に、第２の屈折率を有する第２媒質よりなる柱状構造体が一定間隔で周期的に形成された第１の二次元周期構造層とすることができる。
また、前記第２の層を、第３の屈折率を有する第３媒質中に、第４の屈折率を有する第４媒質よりなる柱状構造体が形成された第２の二次元周期構造層とする。そして、その周期は前記第１の二次元周期構造層とは異なるように形成され、且つその柱状構造体の大きさを含む形状が前記第１の二次元周期構造層における柱状構造体と異なる形状として構成することができる。
その際、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とを同一の媒質とする構成を採ることができる。
また、前記第１の屈折率を有する第１媒質と前記第３の屈折率を有する第３媒質とを同一の媒質とし、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とを同一の媒質とする構成を採ることができる。
また、前記第１の屈折率を有する第１媒質と第３の屈折率を有する第３媒質を半導体層とし、第２の屈折率を有する第２媒質及び第４の屈折率を有する第４媒質を空気とする構成を採ることができる。
また、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質のいずれか一方を、多孔質半導体層とする構成を採ることができる。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（１−１）から（１−３）各工程を有することを特徴としている。
（１−１）．基板上に形成された第１の半導体層に、第１の柱状空孔を後の工程における第３の半導体層に形成される第２の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成し、該第１の柱状空孔に第２の半導体層を埋め込む工程。
（１−２）．前記第２の半導体層が埋め込まれた第１の半導体層上に、第３の半導体層を形成し、該第３の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第２の柱状空孔を、前記第１の柱状空孔に埋め込まれた第２の半導体層が露出する深さで形成する工程。
（１−３）．前記露出した第２の半導体層を、該第１の柱状空孔から除去しあるいは除去しないでおく工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（２−１）から（２−３）各工程を有することを特徴としている。
（２−１）．基板上に形成された第１の半導体層に、該半導体層の一部を多孔質化した柱状形状部を、後の工程で形成される第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成する工程。
（２−２）．前記多孔質化された柱状形状部の形成された前記第１の半導体層上に、第２の半導体層を形成し、該第２の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を、前記多孔質化された柱状形状部が露出する深さで形成する工程。
（２−３）．前記露出した前記多孔質化された柱状形状部から、該多孔質化された部分を除去して第２の柱状空孔を形成し、あるいは該多孔質化された部分を除去しないでおく工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（３−１）から（３−２）各工程を有することを特徴としている。
（３−１）．基板上に積層された上層の半導体層に、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程。
（３−２）．前記第１の工程後に、前記基板上における下層の半導体層に前記上層の半導体層に形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程。
また、本発明は、二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている上記した面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明の面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法は、つぎの（４−１）から（４−２）各工程を有することを特徴としている。
（４−１）．基板上に積層された半導体層の上面側から、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程。
（４−２）．前記第１の工程後に、前記半導体層の下面側から、前記上面側から形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程。
本発明によれば、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることができ、モード制御が容易となる面発光レーザ、該面発光レーザにおける二次元フォトニック結晶の製造方法を実現することができる。
上記構成によれば、第１の二次元フォトニック結晶層と第２の二次元フォトニック結晶層を接するように配置することにより、第１の二次元フォトニック結晶層により形成される屈折率周期構造に、屈折率周期を乱す部位（欠陥）が形成される。この欠陥の形成により、二次元フォトニック結晶ミラーへの入射光が結晶面内でより広範囲に共振し、出射光のスポットサイズを拡大することができる。また欠陥の形状等を変えることで、発振モード及び偏光モードを制御することが可能となる。
また、この構成においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。したがって、このような構成によれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。したがって、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることができ、その結果光出力も大きい面発光レーザを得ることが可能となる。
また、本発明の実施の形態においては、本発明の上記構成を適用した二次元フォトニック結晶によって、面発光レーザの垂直共振器を構成するミラーの一部を形成する構成を採ることができる。
また、この構成においては、欠陥を導入することによりフォトニックバンド中に欠陥に起因した準位が形成され、二次元フォトニック結晶ミラーに入射した光が、欠陥準位に起因したモードのみで面内方向で共振し、単一モード化が図られる。この単一モード化した光が、入射光側の垂直方向に出射され、活性層を挟むように形成した上下二つのミラー（少なくとも一方が欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー）間を共振し、最終的に面発光レーザとしてコヒーレントな光を出射する。この時、空間的に局在した単一モード化した光が結合することにより、スポット径の大きい単一モード光を得ることが可能となる。したがって、このような構成によれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。したがって、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることができ、その結果光出力も大きい面発光レーザを得ることが可能となる。
また、本発明の実施の形態においては、本発明の上記構成を適用した二次元フォトニック結晶によって、面発光レーザの垂直共振器を構成するミラーの一部を形成する構成を採ることができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本発明の実施例１においては、本発明を適用して二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する。
図１に、本実施例における二次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す。図１において、１００は基板、１０２は第１のミラー、１０４は量子井戸活性層、１０６は第２のミラー（二次元フォトニック結晶）である。
［実施例１］
本発明の実施例１においては、本発明を適用して二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する。
図１に、本実施例における二次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す。図１において、１００は基板、１０２は第１のミラー、１０４は量子井戸活性層、１０６は第２のミラー（二次元フォトニック結晶）である。
本実施例にて作製される二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、共振器中に形成される定在波の腹が、共振器中央及び活性層と上下ミラー（第１及び第２のミラー）のそれぞれの境界で形成するよう作製する。量子井戸活性層１０４は共振器中央に形成し、利得整合するように形成する。
また、本実施例では第１のミラーを１／４波長厚の高屈折率媒質と１／４波長厚の低屈折率媒質を交互に積層される多層膜反射鏡とし、第２のミラーを本発明を適用した二次元フォトニック結晶ミラーとする。
本実施例による二次元フォトニック結晶ミラーは、第１の二次元周期構造層と、第２の二次元周期構造層とが互いに接するように配置し形成されている。
ここで、第１の二次元周期構造層は、第１の屈折率を有する第１媒質中に、第２の屈折率を有する第２媒質よりなる柱状構造体が一定間隔で周期的に形成された二次元周期構造層を備えている。また、第２の二次元周期構造層は、第３の屈折率を有する第３媒質中に、第４の屈折率を有する第４媒質よりなる柱状構造体が、該第１の二次元周期構造層中の該第２媒質よりなる柱状構造体の周期と異なる間隔で形成された二次元周期構造層を備えている。また、第２の二次元周期構造層は、第１の二次元周期構造層の周期性を乱す働きをするのであれば、必ずしも当該第２の二次元周期構造層自体は周期性を備えている必要は無い。
また、本実施例では第１のミラーを１／４波長厚の高屈折率媒質と１／４波長厚の低屈折率媒質を交互に積層される多層膜反射鏡とし、第２のミラーを本発明を適用した二次元フォトニック結晶ミラーとする。
本実施例による二次元フォトニック結晶ミラーは、第１の二次元周期構造層と、第２の二次元周期構造層とが互いに接するように配置し形成されている。
ここで、第１の二次元周期構造層は、第１の屈折率を有する第１媒質中に、第２の屈折率を有する第２媒質よりなる柱状構造体が一定間隔で周期的に形成された二次元周期構造層を備えている。また、第２の二次元周期構造層は、第３の屈折率を有する第３媒質中に、第４の屈折率を有する第４媒質よりなる柱状構造体が、該第１の二次元周期構造層中の該第２媒質よりなる柱状構造体の周期と異なる間隔で形成された二次元周期構造層を備えている。また、第２の二次元周期構造層は、第１の二次元周期構造層の周期性を乱す働きをするのであれば、必ずしも当該第２の二次元周期構造層自体は周期性を備えている必要は無い。
つぎに、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザに含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図２に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図２において、２００はサファイア基板、２０２は第１の窒化物半導体層である。
また、２０４はレジストパターン１、２０６は第１の柱状空孔、２０８は第２の半導体層、２１０は第３の窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）、２１２はレジストパターン２及び２１４は第２の柱状空孔である。
図２に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図２において、２００はサファイア基板、２０２は第１の窒化物半導体層である。
また、２０４はレジストパターン１、２０６は第１の柱状空孔、２０８は第２の半導体層、２１０は第３の窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）、２１２はレジストパターン２及び２１４は第２の柱状空孔である。
その作製は、つぎのように行う。
まず、サファイア基板２００上に、ＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮ層の順に成長させる。これにより第１の窒化物半導体層２０２を形成する（図２（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上に２０４のレジストパターン１を形成する（図２（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、第１の窒化物半導体層２０２のｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第１の柱状空孔２０６を形成する（図２（ｃ））。この第１の柱状空孔２０６は、後工程において第３の半導体層２１０に形成される第２の柱状空孔２１４と、異なった周期・形状等により形成されている。
次に、図２（ｃ）で形成される第１の柱状空孔２０６に、窒化シリコン乃至は酸化シリコンを埋め込み第２の半導体層２０８を形成する（図２（ｄ））。
この工程は、まずレジストパターンを除去し、その後、スパッタ乃至はＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン乃至は酸化シリコンを堆積する。その後、第１の柱状空孔２０６にのみ窒化シリコン乃至は酸化シリコンによる第２の半導体層２０８が形成されるように、余分な部分を除去することで行っている。
または、図２（ｃ）に示した工程終了後、続いて、スパッタ乃至はＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン乃至は酸化シリコンを堆積する。その後レジストパターンを除去することにより、リフトオフ法で第１の柱状空孔２０６にのみ窒化シリコン乃至は酸化シリコンによる第２の半導体層２０８が形成されるようにしてもよい。
まず、サファイア基板２００上に、ＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮ層の順に成長させる。これにより第１の窒化物半導体層２０２を形成する（図２（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上に２０４のレジストパターン１を形成する（図２（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、第１の窒化物半導体層２０２のｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第１の柱状空孔２０６を形成する（図２（ｃ））。この第１の柱状空孔２０６は、後工程において第３の半導体層２１０に形成される第２の柱状空孔２１４と、異なった周期・形状等により形成されている。
次に、図２（ｃ）で形成される第１の柱状空孔２０６に、窒化シリコン乃至は酸化シリコンを埋め込み第２の半導体層２０８を形成する（図２（ｄ））。
この工程は、まずレジストパターンを除去し、その後、スパッタ乃至はＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン乃至は酸化シリコンを堆積する。その後、第１の柱状空孔２０６にのみ窒化シリコン乃至は酸化シリコンによる第２の半導体層２０８が形成されるように、余分な部分を除去することで行っている。
または、図２（ｃ）に示した工程終了後、続いて、スパッタ乃至はＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン乃至は酸化シリコンを堆積する。その後レジストパターンを除去することにより、リフトオフ法で第１の柱状空孔２０６にのみ窒化シリコン乃至は酸化シリコンによる第２の半導体層２０８が形成されるようにしてもよい。
次に、ＭＯＣＶＤ装置乃至はＭＢＥ装置を用いて、第１の柱状空孔２０６に窒化シリコン乃至は酸化シリコンが埋め込まれた第１の窒化物半導体層２０２であるｐ−ＧａＮ層上に、第３の窒化物半導体層２１０であるｐ−ＧａＮ層を成長させる（図２（ｅ））。
その後、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、このｐ−ＧａＮ層上にレジストパターンを形成する（図２（ｆ））。
図２（ｆ）に示されているように、ここで形成するレジストパターン２は、図２（ｄ）で形成した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部の上には形成されていない。そのため、窒化シリコン乃至は酸化シリコン部上に形成するレジストパターンは必ず抜き（レジストが存在しない）パターンとなっている。
次に、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第２の柱状空孔２１４を形成する（図２（ｇ））。
この第２の柱状空孔２１４は、前記した第１の柱状空孔２０６とは異なり、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。この時、エッチング深さは、図２（ｄ）で形成した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部が露出するまで行う。
その後、露出した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部を選択的にエッチングにより除去する（図２（ｈ））。
以上により、第１の柱状空孔２０６の形成された二次元周期構造層と、第２の柱状空孔２１４の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第２の柱状空孔２１４の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
その後、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、このｐ−ＧａＮ層上にレジストパターンを形成する（図２（ｆ））。
図２（ｆ）に示されているように、ここで形成するレジストパターン２は、図２（ｄ）で形成した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部の上には形成されていない。そのため、窒化シリコン乃至は酸化シリコン部上に形成するレジストパターンは必ず抜き（レジストが存在しない）パターンとなっている。
次に、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第２の柱状空孔２１４を形成する（図２（ｇ））。
この第２の柱状空孔２１４は、前記した第１の柱状空孔２０６とは異なり、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。この時、エッチング深さは、図２（ｄ）で形成した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部が露出するまで行う。
その後、露出した窒化シリコン乃至は酸化シリコン部を選択的にエッチングにより除去する（図２（ｈ））。
以上により、第１の柱状空孔２０６の形成された二次元周期構造層と、第２の柱状空孔２１４の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第２の柱状空孔２１４の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
以上のとおり本実施例によれば、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶を作製することができ、このような二次元フォトニック結晶によって垂直共振器を形成するミラーの一部を構成した二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本実施例においては、空孔部に窒化シリコンを形成したが、本発明はこのようなものに限定されるものではなく、酸化シリコン、酸化マグネシウム、酸化アルミなどであっても良い。
また、本実施例においては、空孔部に形成した窒化シリコンを除去したが、必ずしも除去する必要はない。
また、本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は、これらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
また、本実施例においては、空孔部に形成した窒化シリコンを除去したが、必ずしも除去する必要はない。
また、本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は、これらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
本実施例で作製した二次元フォトニック結晶面発光レーザの断面概念図を図７に示す。本構造は、ポストを形成するエッチングを反応性イオンビームエッチング装置を用いて行った後、カソード７００及びアノード７０２を形成したものである。
また本実施例では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層と周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを用い共振器構造を構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー６００と、ＤＢＲミラーの代わりに二次元フォトニック結晶ミラー６０２乃至は欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー（図示せず）を用いた構成としてもよい。
また本実施例では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層と周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを用い共振器構造を構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー６００と、ＤＢＲミラーの代わりに二次元フォトニック結晶ミラー６０２乃至は欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー（図示せず）を用いた構成としてもよい。
［実施例２］
本発明の実施例２においては、本発明を適用して実施例１とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する方法を説明する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図３に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図３において、３００はサファイア基板、３０２は窒化物半導体層、３０４はＧａＮ層である。また、３０６はレジストパターン１、３０８は多孔質ＧａＮ化した柱状形状部、３１０はＧａＮ層、３１２はレジストパターン２、３１４は第１の柱状空孔、３１６は第２の柱状空孔である。
本発明の実施例２においては、本発明を適用して実施例１とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する方法を説明する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図３に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図３において、３００はサファイア基板、３０２は窒化物半導体層、３０４はＧａＮ層である。また、３０６はレジストパターン１、３０８は多孔質ＧａＮ化した柱状形状部、３１０はＧａＮ層、３１２はレジストパターン２、３１４は第１の柱状空孔、３１６は第２の柱状空孔である。
その作製は、つぎのように行う。
まず、サファイア基板３００上に、ＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮ層の順に成長させる。そして、窒化物半導体層３０２を形成する（図３（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図３（ｂ））。
その後、陽極化成技術により、選択的にｐ−ＧａＮ層の一部を多孔質ＧａＮ化した柱状形状部３０８を形成する（図３（ｃ））。この柱状形状部３０８は、後工程においてＧａＮ層３１０に形成される第１の柱状空孔３１４と、異なった周期・形状等により形成する。続いて、レジストパターン３０６を酸素プラズマアッシングにより除去する（図３（ｄ））。
まず、サファイア基板３００上に、ＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ−ＧａＮ層の順に成長させる。そして、窒化物半導体層３０２を形成する（図３（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図３（ｂ））。
その後、陽極化成技術により、選択的にｐ−ＧａＮ層の一部を多孔質ＧａＮ化した柱状形状部３０８を形成する（図３（ｃ））。この柱状形状部３０８は、後工程においてＧａＮ層３１０に形成される第１の柱状空孔３１４と、異なった周期・形状等により形成する。続いて、レジストパターン３０６を酸素プラズマアッシングにより除去する（図３（ｄ））。
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｐ−ＧａＮ層３１０を成長させる（図３（ｅ））。
その後、電子線リソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層３１０上にレジストパターン２を形成する（図３（ｆ））。
図３（ｆ）に示されているように、ここで形成するレジストパターン２は、図３（ｃ）で形成した多孔質ＧａＮ上のｐ−ＧａＮ部を除去するため、多孔質ＧａＮ上に形成するレジストパターンは必ず抜き（レジストが存在しない）パターンとなっている。
次に、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第１の柱状空孔３１４を形成する（図３（ｇ））。この第１の柱状空孔３１４は、前記した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部とは異なり、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
この時、エッチング深さは、図３（ｃ）で形成した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部が露出するまで行う。
その後、露出した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部の多孔質ＧａＮを除去し、第２の柱状空孔３１６を形成する（図３（ｈ））。なお、この多孔質ＧａＮは除去せず、多孔質ＧａＮ化した柱状形状部としてそのまま残してもよい。
以上により、第１の柱状空孔３１４が形成されている二次元周期構造層と、第２の柱状空孔３１６の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔３１４の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
その後、電子線リソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層３１０上にレジストパターン２を形成する（図３（ｆ））。
図３（ｆ）に示されているように、ここで形成するレジストパターン２は、図３（ｃ）で形成した多孔質ＧａＮ上のｐ−ＧａＮ部を除去するため、多孔質ＧａＮ上に形成するレジストパターンは必ず抜き（レジストが存在しない）パターンとなっている。
次に、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングし、第１の柱状空孔３１４を形成する（図３（ｇ））。この第１の柱状空孔３１４は、前記した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部とは異なり、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
この時、エッチング深さは、図３（ｃ）で形成した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部が露出するまで行う。
その後、露出した多孔質ＧａＮ化した柱状形状部の多孔質ＧａＮを除去し、第２の柱状空孔３１６を形成する（図３（ｈ））。なお、この多孔質ＧａＮは除去せず、多孔質ＧａＮ化した柱状形状部としてそのまま残してもよい。
以上により、第１の柱状空孔３１４が形成されている二次元周期構造層と、第２の柱状空孔３１６の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔３１４の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
以上のとおり本実施例によれば、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶を作製することができ、このような二次元フォトニック結晶によって垂直共振器を形成するミラーの一部を構成した二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
本発明による二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本発明による二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本実施例で作製した二次元フォトニック結晶面発光レーザの断面概念図を図７に示す。本構造は、ポストを形成するエッチングを反応性イオンビームエッチング装置を用いて行った後、カソード７００及びアノード７０２を形成したものである。
また本実施例では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層と周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを用い共振器構造を構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー６００と、ＤＢＲミラーの代わりに二次元フォトニック結晶ミラー６０２乃至は欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー（図示せず）を用いた構成としてもよい。
また本実施例では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層と周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを用い共振器構造を構成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー６００と、ＤＢＲミラーの代わりに二次元フォトニック結晶ミラー６０２乃至は欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー（図示せず）を用いた構成としてもよい。
本実施例においては、陽極化成技術により多孔質ＧａＮを選択的に形成したが、ｐ−ＧａＮ層３０６をｐ−ＡｌＮ層に変更し、陽極化成技術により多孔質ＡｌＮを形成してもよい。また、多孔質ＡｌＮを形成した場合は、図３（ｈ）に示すように、多孔質ＡｌＮを選択的にエッチングにより除去し、空孔３１６を得る構成をとってもよい。
また、本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は、これらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
また、本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置は、これらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
［実施例３］
本発明の実施例３においては、本発明を適用して上記各実施例とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する方法を説明する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図４に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図４において、４００は基板、４０２はＧａＮ層、４０４はＡｌＮ層、４０６はＧａＮ層、４０８はレジストパターン１、４１０は第１の柱状空孔、４１２は窒化物半導体層（基板含む）、４１４はレジストパターン２、４１６は第２の柱状空孔である。
本発明の実施例３においては、本発明を適用して上記各実施例とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製する方法を説明する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図４に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図４において、４００は基板、４０２はＧａＮ層、４０４はＡｌＮ層、４０６はＧａＮ層、４０８はレジストパターン１、４１０は第１の柱状空孔、４１２は窒化物半導体層（基板含む）、４１４はレジストパターン２、４１６は第２の柱状空孔である。
作製に際しては、まず、サファイア基板４００上にＭＯＣＶＤ装置によりｐ−ＧａＮ層４０２を５００ｎｍ、ｐ−ＡｌＮ層４０４を２０ｎｍ、ｐ−ＧａＮ層４０６を２００ｎｍ、の順に成長させる（図４（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図４（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングする（図４（ｃ））。
その後、レジストパターン４０８を酸素プラズマアッシングにより除去し、第１の柱状空孔４１０を形成する（図４（ｄ））。この第１の柱状空孔４１０は、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図４（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングする（図４（ｃ））。
その後、レジストパターン４０８を酸素プラズマアッシングにより除去し、第１の柱状空孔４１０を形成する（図４（ｄ））。この第１の柱状空孔４１０は、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
次に、図４（ａ）から図４（ｄ）の工程で作製される構造と、これとは別に、ＭＯＣＶＤ法の作製にてサファイア基板上に形成される窒化物半導体層４１２とを加熱加圧接合により直接接合する（図４（ｅ））。この窒化物半導体層４１２はＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層で構成されている。次に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いたレーザリフトオフ法により、サファイア基板４００を分離する（図４（ｆ））。
次に、ＧａＮ層４０２を反応性イオンビームエッチング装置を用い、塩素と酸素の混合ガスによるエッチングにより、ＡｌＮ層４０４をエッチストップ層として選択的に除去する（図４（ｇ））。
続いて、電子線リソグラフィー技術を用い、レジストパターン４１４をＡｌＮ層４０４上に形成する（図４（ｈ））。
次に、ＡｌＮ層４０４を反応性イオンビームエッチングにより除去し、第２の柱状空孔４１６を形成する（図４（ｉ））。この第２の柱状空孔４１６は、前記した第１の柱状空孔４１０と、異なった周期・形状等により形成する。
その後、レジストパターン４１４を酸素プラズマアッシングにより除去する（図４（ｊ））。
以上により、第１の柱状空孔４１０が形成されている二次元周期構造層と、第２の柱状空孔４１６の形成されている二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔４１０の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
次に、ＧａＮ層４０２を反応性イオンビームエッチング装置を用い、塩素と酸素の混合ガスによるエッチングにより、ＡｌＮ層４０４をエッチストップ層として選択的に除去する（図４（ｇ））。
続いて、電子線リソグラフィー技術を用い、レジストパターン４１４をＡｌＮ層４０４上に形成する（図４（ｈ））。
次に、ＡｌＮ層４０４を反応性イオンビームエッチングにより除去し、第２の柱状空孔４１６を形成する（図４（ｉ））。この第２の柱状空孔４１６は、前記した第１の柱状空孔４１０と、異なった周期・形状等により形成する。
その後、レジストパターン４１４を酸素プラズマアッシングにより除去する（図４（ｊ））。
以上により、第１の柱状空孔４１０が形成されている二次元周期構造層と、第２の柱状空孔４１６の形成されている二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔４１０の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
以上のとおり本実施例によれば、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶を作製することができ、このような二次元フォトニック結晶によって垂直共振器を形成するミラーの一部を構成した二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
本実施例で作製した二次元フォトニック結晶面発光レーザの断面概念図を図７に示す。本構造は、ポストを形成するエッチングを反応性イオンビームエッチング装置を用いて行った後、カソード７００及びアノード７０２を形成したものである。
本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置はこれらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置はこれらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
［実施例４］
本発明の実施例４においては、本発明を適用して実施例３とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製した。具体的には、実施例３では図４（ｆ）に示す工程において、ＧａＮ層４０６を除去した後にＡｌＮ層４０４を加工することにより、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを形成したが、本実施例ではこれとは別の形態を採用する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図５に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図５において、５００は基板、５０２はＧａＮ層、５０４はＡｌＮ層、５０６はＧａＮ層、５０８はレジストパターン１、５１０は第１の柱状空孔、５１２は窒化物半導体層（基板含む）、５１４はレジストパターン２、５１６は第２の柱状空孔である。
本発明の実施例４においては、本発明を適用して実施例３とは別の形態の二次元フォトニック結晶面発光レーザを作製した。具体的には、実施例３では図４（ｆ）に示す工程において、ＧａＮ層４０６を除去した後にＡｌＮ層４０４を加工することにより、周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラーを形成したが、本実施例ではこれとは別の形態を採用する。
以下に、本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法に含まれる、二次元フォトニック結晶ミラーの作製手順について説明する。
図５に、本実施例の二次元フォトニック結晶ミラーの作製工程を説明する模式図を示す。図５において、５００は基板、５０２はＧａＮ層、５０４はＡｌＮ層、５０６はＧａＮ層、５０８はレジストパターン１、５１０は第１の柱状空孔、５１２は窒化物半導体層（基板含む）、５１４はレジストパターン２、５１６は第２の柱状空孔である。
作製に際しては、まずサファイア基板５００上にＭＯＣＶＤ装置によりｐ−ＧａＮ層５０２を５００ｎｍ、ｐ−ＡｌＮ層５０４を２０ｎｍ、ｐ−ＧａＮ層５０６を４００ｎｍ、の順に成長させる（図５（ａ））。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図５（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングする（図５（ｃ））。
その後、レジストパターン５０８を酸素プラズマアッシングにより除去し、第１の柱状空孔５１０を形成する（図５（ｄ））。この第１の柱状空孔５１０は、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
次に、フォトリソグラフィー乃至は電子ビームリソグラフィー技術を用いて、ｐ−ＧａＮ層上にレジストパターン１を形成する（図５（ｂ））。
その後、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングする（図５（ｃ））。
その後、レジストパターン５０８を酸素プラズマアッシングにより除去し、第１の柱状空孔５１０を形成する（図５（ｄ））。この第１の柱状空孔５１０は、柱状空孔を一定間隔で周期的に形成する。
次に、図５（ａ）から図５（ｄ）の工程で作製した構造と、これとは別に、ＭＯＣＶＤ法の作製にてサファイア基板上に成長した窒化物半導体層５１２とを加熱加圧接合により直接接合する（図５（ｅ））。
この窒化物半導体層５１２は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層により構成されている。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いたレーザリフトオフ法により、サファイア基板５００を分離する（図５（ｆ））。
次に、ＧａＮ層５０２を反応性イオンビームエッチング装置において、塩素と酸素の混合ガスを用いたエッチングにより、ＡｌＮ層５０４をエッチストップ層として選択的に除去する（図５（ｇ））。続いて、反応性イオンビームエッチング装置において、塩素ガスを用いたエッチングにより、ＡｌＮ層５０４を除去する。
次に、電子線リソグラフィー技術を用い、レジストパターン５１４をＧａＮ層５０６上に形成する（図５（ｈ））。
次に、ＧａＮ層５０６の一部を反応性イオンビームエッチングにより除去し、第２の柱状空孔５１６を形成する（図５（ｉ））。この第２の柱状空孔５１６は、前記した第１の柱状空孔５１０と、異なった周期・形状等により形成する。
その後、レジストパターン５１４を酸素プラズマアッシングにより除去し、空孔５１６を得る（図５（ｊ））。
以上により、第１の柱状空孔５１０の形成された二次元周期構造層と、第２の柱状空孔５１６の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔５１０の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
この窒化物半導体層５１２は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＤＢＲミラー層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層により構成されている。
次に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波を用いたレーザリフトオフ法により、サファイア基板５００を分離する（図５（ｆ））。
次に、ＧａＮ層５０２を反応性イオンビームエッチング装置において、塩素と酸素の混合ガスを用いたエッチングにより、ＡｌＮ層５０４をエッチストップ層として選択的に除去する（図５（ｇ））。続いて、反応性イオンビームエッチング装置において、塩素ガスを用いたエッチングにより、ＡｌＮ層５０４を除去する。
次に、電子線リソグラフィー技術を用い、レジストパターン５１４をＧａＮ層５０６上に形成する（図５（ｈ））。
次に、ＧａＮ層５０６の一部を反応性イオンビームエッチングにより除去し、第２の柱状空孔５１６を形成する（図５（ｉ））。この第２の柱状空孔５１６は、前記した第１の柱状空孔５１０と、異なった周期・形状等により形成する。
その後、レジストパターン５１４を酸素プラズマアッシングにより除去し、空孔５１６を得る（図５（ｊ））。
以上により、第１の柱状空孔５１０の形成された二次元周期構造層と、第２の柱状空孔５１６の形成された二次元周期構造層とを接するように配置させた構成の二次元フォトニック結晶を形成することができる。これにより、第１の柱状空孔５１０の形成された二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成される二次元フォトニック結晶を、容易に製造することができる。
以上のとおり本実施例によれば、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶を作製することができ、このような二次元フォトニック結晶によって垂直共振器を形成するミラーの一部を構成した二次元フォトニック結晶面発光レーザを得ることができる。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
なお、本実施例で作製した二次元フォトニック結晶レーザは、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶ミラー部の構成に違いはあるが、素子の基本的構成は図７に示した概念図と基本的に同様の構成を採用している。
本実施例の二次元フォトニック結晶面発光レーザによれば、単一横モード化を達成するために電流狭窄構造形成により達成していた従来の面発光レーザと比較して、ポスト構造全体で単一横モード動作を得ることが可能となる。また、従来の単一モード光と比較してスポット径の大きなレーザ光を得ることが可能となり、その結果光出力も大きいものを得ることができる。
なお、本実施例で作製した二次元フォトニック結晶レーザは、周期的な欠陥を有する二次元フォトニック結晶ミラー部の構成に違いはあるが、素子の基本的構成は図７に示した概念図と基本的に同様の構成を採用している。
本実施例で作製した二次元フォトニック結晶面発光レーザの断面概念図を図７に示す。本構造は、ポストを形成するエッチングを反応性イオンビームエッチング装置を用いて行った後、カソード７００及びアノード７０２を形成したものである。
本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置はこれらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
本実施例においては、窒化物半導体を用いた二次元フォトニック結晶面発光レーザについて示したが、本発明はこのような窒化物半導体に限定されるものではなく、ガリウム砒素系及びインジウム燐系にも適用可能である。また、紫外から赤外領域の波長の面発光レーザに適用可能である。
また、本実施例において示した、成長、成膜及びエッチングに用いた装置はこれらの装置に限られるものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる装置であっても良い。
１００：基板
１０２：第１のミラー
１０４：量子井戸活性層
１０６：第２のミラー（二次元フォトニック結晶）
２００：サファイア基板
２０２：第１の窒化物半導体層
２０４：レジストパターン１
２０６：第１の柱状空孔
２０８：第２の半導体層
２１０：第３の窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）
２１２：レジストパターン２
２１４：第２の柱状空孔
３００：サファイア基板
３０２：窒化物半導体層
３０４, ３１０：ＧａＮ層
３０６：レジストパターン１
３０８：多孔質ＧａＮ化した柱状形状部
３１２：レジストパターン２
３１４：第１の柱状空孔
３１６：第２の柱状空孔
４００：基板
４０２, ４０６：ＧａＮ層
４０４：ＡｌＮ層
４０８：レジストパターン１
４１０：第１の柱状空孔
４１２：窒化物半導体層（基板含む）
４１４：レジストパターン２
４１６：第２の柱状形状
５００：基板
５０２, ５０６：ＧａＮ層
５０４：ＡｌＮ層
５０８：レジストパターン１
５１０：第１の柱状空孔
５１２：窒化物半導体（基板含む）
５１４：レジストパターン２
５１６：第２の柱状空孔
６００：周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー
６０２：二次元フォトニック結晶ミラー
７００：カソード
７０２：アノード
１０２：第１のミラー
１０４：量子井戸活性層
１０６：第２のミラー（二次元フォトニック結晶）
２００：サファイア基板
２０２：第１の窒化物半導体層
２０４：レジストパターン１
２０６：第１の柱状空孔
２０８：第２の半導体層
２１０：第３の窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）
２１２：レジストパターン２
２１４：第２の柱状空孔
３００：サファイア基板
３０２：窒化物半導体層
３０４, ３１０：ＧａＮ層
３０６：レジストパターン１
３０８：多孔質ＧａＮ化した柱状形状部
３１２：レジストパターン２
３１４：第１の柱状空孔
３１６：第２の柱状空孔
４００：基板
４０２, ４０６：ＧａＮ層
４０４：ＡｌＮ層
４０８：レジストパターン１
４１０：第１の柱状空孔
４１２：窒化物半導体層（基板含む）
４１４：レジストパターン２
４１６：第２の柱状形状
５００：基板
５０２, ５０６：ＧａＮ層
５０４：ＡｌＮ層
５０８：レジストパターン１
５１０：第１の柱状空孔
５１２：窒化物半導体（基板含む）
５１４：レジストパターン２
５１６：第２の柱状空孔
６００：周期的な欠陥を有した二次元フォトニック結晶ミラー
６０２：二次元フォトニック結晶ミラー
７００：カソード
７０２：アノード
Claims (12)
- 活性層と、屈折率の異なる媒質が二次元周期で配列された二次元フォトニック結晶とを有する面発光レーザにおいて、
前記二次元フォトニック結晶が、二次元周期構造を有する第１の層と、第２の層とを備え、前記第１の層と第２の層とを接するように配置し、前記二次元フォトニック結晶の屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第１の層が、第１の屈折率を有する第１媒質中に、第２の屈折率を有する第２媒質よりなる柱状構造体が一定間隔で周期的に形成された第１の二次元周期構造層であり、
前記第２の層が、第３の屈折率を有する第３媒質中に、第４の屈折率を有する第４媒質よりなる柱状構造体が形成された第２の二次元周期構造層であり、その周期は、前記第１の二次元周期構造とは異なるように形成され、
且つ、その柱状構造体の大きさを含む形状が前記第１の二次元周期構造層における柱状構造体と異なる形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。 - 前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とが、同一の媒質であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
- 前記第１の屈折率を有する第１媒質と前記第３の屈折率を有する第３媒質とが同一の媒質であり、前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質とが同一の媒質であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
- 前記第１の屈折率を有する第１媒質と第３の屈折率を有する第３媒質が半導体層であり、第２の屈折率を有する第２媒質と第４の屈折率を有する第４媒質が空気であることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ。
- 前記第２の屈折率を有する第２媒質と前記第４の屈折率を有する第４媒質のいずれか一方が、多孔質半導体層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
- 前記面発光レーザは、垂直共振器を構成する上下ミラーの少なくとも一方のミラーが前記二次元フォトニック結晶によって形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 前記上下のミラーの他方のミラーが、二次元周期構造層の周期構造中に屈折率周期を乱す欠陥が形成されていない二次元フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
- 二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている請求項１に記載の面発光レーザを構成する二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
基板上に形成された第１の半導体層に、第１の柱状空孔を後の工程における第３の半導体層に形成される第２の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成し、該第１の柱状空孔に第２の半導体層を埋め込む工程と、
前記第２の半導体層が埋め込まれた第１の半導体層上に、第３の半導体層を形成し、該第３の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第２の柱状空孔を、前記第１の柱状空孔に埋め込まれた第２の半導体層が露出する深さで形成する工程と、
前記露出した第２の半導体層を、該第１の柱状空孔から除去しあるいは除去しないでおく工程と、
を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。 - 二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている請求項１に記載の面発光レーザを構成する二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
基板上に形成された第１の半導体層に、該半導体層の一部を多孔質化した柱状形状部を、後の工程で形成される第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なるように形成する工程と、前記多孔質化された柱状形状部の形成された前記第１の半導体層上に、第２の半導体層を形成し、該第２の半導体層に一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を、前記多孔質化された柱状形状部が露出する深さで形成する工程と、
前記露出した前記多孔質化された柱状形状部から、該多孔質化された部分を除去して第２の柱状空孔を形成し、あるいは該多孔質化された部分を除去しないでおく工程と、
を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。 - 二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている請求項１に記載の面発光レーザを構成する二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
基板上に積層された上層の半導体層に、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後に、前記基板上における下層の半導体層に前記上層の半導体層に形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程と、を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。 - 二次元周期構造を有する第１の層と第２の層とを接するように配置し、屈折率周期を乱す部位が前記第２の層に形成されている請求項１に記載の面発光レーザを構成する二次元フォトニック結晶の製造方法であって、
基板上に積層された半導体層の上面側から、一定間隔で周期的構造を有する第１の柱状空孔を形成する第１の工程と、
前記第１の工程後に、前記半導体層の下面側から、前記上面側から形成された第１の柱状空孔と周期あるいは形状の少なくとも一方が異なる第２の柱状空孔を形成する第２の工程と、を有することを特徴とする二次元フォトニック結晶の製造方法。
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