JP2007234727A - 光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置 - Google Patents

光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】従来例のような貼り合わせ技術を用いずに、フォトニック結晶層下部の部材と、該結晶層との屈折率差を確保することが可能となる光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】基板１００上に、第１の層１０８と第２の層１０６とを有する光学素子であって、
前記第２の層は、細孔を含み構成され、且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有し、
前記第１の層は、前記第２の層の細孔の下部側に酸化領域を備えており、該酸化領域の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低い屈折率を備えた構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置に関するものである。
近年、フォトニック結晶に関する研究が盛んに行われている。
フォトニック結晶とは、結晶中における電子状態にバンドギャップが存在するのと同様に、屈折率に周期構造をもたせることで、光の導波を抑制する波長帯（フォトニックバンドギャップ）が生じている構造を意味する。
このフォトニック結晶を用いることで、光を２次元的、３次元的に閉じ込めることが可能であり、光導波路や半導体レーザのミラーとして応用が検討されている。
このようなフォトニック結晶については、様々な方法で２次元、３次元の誘電体周期構造を作製する技術が提案されているが、２次元周期構造を有するフォトニック結晶は、リソグラフィ技術でも作製可能であることから、より現実的なものとなっている。
ところで、理想的な２次元フォトニック結晶は、Ｚ軸方向に一様で無限の長さを持つことになるが、現実的にそのようなものを作製することは不可能である。また、Ｚ軸方向（膜厚方向）の長さが長いと、光がＺ軸方向に広がってしまい、増幅、吸収など光素子に何らかの機能を持たせようとすると不利になる。
そこで、現実的に２次元フォトニック結晶を利用する際には、Ｚ軸方向に対する何らかの光閉じ込めを行わなければならない。
すなわち、基板上に設けられているフォトニック結晶層と、当該基板との屈折率差を大きくする必要がある。
このような必要性に対応するため、例えば特許文献１の図２には、貼り合わせ技術を利用して、半導体層と誘電体層を貼り合わせて高屈折率差のストラブ型フォトニック結晶を実現する技術が開示されている。
特開２０００−２３２２５８号公報
しかしながら、上記従来例の特許文献１のものでは、貼り合わせには、高度なプロセス技術が必要となる。
すなわち、貼り合わせに必要な層が素子としては不必要なためにそれを除去することが必要となり、また一つのエピタキシャル基板で素子を実現することができない、等プロセスが煩雑となり、高度なプロセス技術を要することとなる。
本発明は、上記課題に鑑み、従来例のような貼り合わせ技術を用いずに、フォトニック結晶層下部の部材と、該結晶層との屈折率差を確保することが可能となる光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
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光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置を提供するものである。
本発明の光学素子は、基板上に、第１の層と第２の層とを有する光学素子であって、
前記第２の層は、細孔を含み構成され、且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有し、
前記第１の層は、前記第２の層の細孔の下部側に酸化領域を備えており、該酸化領域の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低いことを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１の層が、Ａｌを含むことを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記酸化領域と前記第２の層との屈折率差が、１．０以上であることを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１の層及び第２の層が、ＡｌとＧａとＡｓを含むことを特徴としている。
また、本発明の光学素子は、前記第１の層が、前記酸化領域と非酸化領域とからなることを特徴としている。
また、本発明の半導体レーザ装置は、上記したいずれかに記載の光学素子が、面発光レーザのミラーとして用いられていることを特徴としている。
また、本発明の光学素子の製造方法は、
基板上に、第１の層と、細孔を含み且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有する第２の層とを有する部材を用意する第１の工程と、
前記第２の層の細孔の下部側に位置する前記第１の層を酸化し、屈折率を該第２の層の屈折率よりも低くした酸化領域を形成する第２の工程と、
を有することを特徴としている。
また、本発明の光学素子の製造方法は、前記第１の層と第２の層とが、Ａｌを含む化合物半導体からなり、
前記第１の層におけるＡｌの含有割合が、前記第２の層における含有割合よりも大きいことを特徴としている。
また、本発明の光学素子の製造方法は、前記第２の工程後に、前記酸化領域を、前記第１の層から除去する工程を有することを特徴としている。
本発明によれば、従来例のような貼り合わせ技術を用いずに、フォトニック結晶層下部の部材と、その結晶層との屈折率差を確保することが可能となる光学素子、光学素子の製造方法及び該光学素子を用いた半導体レーザ装置を実現することができる。
これによれば、組成の異なる複数の層を有する半導体光素子においても、容易なプロセスで高屈折率差のスラブ型フォトニック結晶を形成することが可能となる。
また、パッシブ素子のみならず、レーザ等のアクティブ素子への適用が可能なスラブ型二次元フォトニック結晶素子を得ることが可能となる。
本発明は、光閉じ込めのため、基板とその上に設けられているフォトニック結晶層との屈折率差を大きくする必要があることから、フォトニック結晶層の下側に位置する半導体層が選択的に酸化されることに着目し、これを利用して構成したものである。
すなわち、上記したように基板上に、第１の層と第２の層とを有する光学素子として、
前記第２の層が、細孔を含み構成され、且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有し、
前記第１の層が、前記第２の層の細孔の下部側に酸化領域を備えており、該酸化領域の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低い屈折率を有する光学素子を構成したものである。
以上の構成によると、細孔から構成されるフォトニック結晶下部に酸化領域が存在している時は、酸化領域が無い場合（つまり、エアブリッジ構造の場合）に比べて、フォトニック結晶層が撓むことを防止することができる。
特に、細孔を含み構成されるフォトニック結晶層上に保護層を設ける場合などは、酸化領域があることにより撓み防止の効果が大きい。
更に、第１の層の下側（基板側）に、活性層を含む多層膜が設けられている場合には、当該多層膜へ外部からの不純物の進入を酸化領域で阻止あるいは低減できる。
また、本発明の構成を適用して、スラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた発光素子を作製することにより、つぎのような利点がある。
すなわち、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面発光レーザを得ることができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して構成したスラブ型二次元フォトニック結晶素子について説明する。
本実施例では、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成９０％以上）を選択的に酸化した層をクラッドに適用し、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成７０％以下）をコアに適用したスラブ型フォトニック結晶をＧａＡｓ基板上に形成した。
図１に、本実施例のスラブ型二次元フォトニック結晶素子の構成を示す。
図１において、１００はＧａＡｓ基板、１０２はＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層、１０４はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層、１０６は円柱孔及び１０８は酸化アルミ層である。
図１に示すように、本実施例で作製したスラブ型二次元フォトニック結晶素子の層構成は、ＧａＡｓ基板１００上にＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層１０２を０．５μｍエピタキシャル成長させる。更にその上にＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０４を０．２μｍエピタキシャル成長させたものである。
Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０４には、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を貫通した円柱孔１０６が三角格子配列で周期的に配置されている。
図１に示すように、本実施例においては、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０４（屈折率：３．５）に形成した周期構造（フォトニック結晶、円柱孔１０６）が、その上面では空気（屈折率：１）に接している。
また、その下面においては、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層１０２を選択的に酸化することにより得られた酸化アルミ層１０８（屈折率：１．６）と接している。
そのため、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０４（屈折率：３．５）に形成した周期構造（フォトニック結晶）はコア層として機能する。
このように、本実施例によれば、従来の半導体の積層構造においては屈折率差が０．３程度であったものを１．９程度まで大きく取ることが可能となる。
したがって、本実施例の構造により、コア層への強い閉じ込めが可能となり、図２（ａ）に示すような光損失の少ない導波路や、図２（ｂ）に示すようなＱ値の高い共振器等を作製することが可能となる。
つぎに、本実施例のスラブ型二次元フォトニック結晶素子の製造方法を説明する。
図３に、本実施例の上記製造方法を説明する模式図を示す。
同図において、３００はＧａＡｓ基板、３０２はＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成９３％）、３０４はＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成５０％）である。
また、３０６はレジスト層、３０８はレジストパターン、３１０は円柱孔、及び３１２は酸化アルミ層である。
まず、図３（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板３００上にＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層３０２を０．５μｍ成長させ、続いてＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層３０４を０．２５μｍ成長させる。次に、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターン３０６を形成する。
その後、図３（ｄ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層をドライエッチングする。
この時、エッチング深さは、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層３０２が露出するまで行う。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。この工程において、スラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔３１０、三角格子配列）が形成される。
次に、図３（ｅ）に示すように、酸化装置（４５０℃、水蒸気雰囲気下）に導入し、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層３０４に形成した円柱孔を通じて、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層３０２の一部を選択的に酸化し、酸化アルミ層３１２を得る。
以上説明した工程により、半導体積層構造で形成したスラブ型二次元フォトニック結晶と比較して、コア層とクラッド層との屈折率差の大きくとることのできる半導体コア層と酸化膜クラッド層の積層構造を容易に作製することができる。例えば、スラブ型二次元フォトニック結晶を一部に形成した半導体多層膜構造を容易に作製することができる。
本実施例では、円柱孔の周期を三角格子配列で配置したが、これに限定されるものではなく、正方格子、蜂の巣格子など任意の配列パターンで配列しても良い。また、円柱孔に限定されるものではなく楕円柱孔、四角柱孔、三角柱孔などであってもよい。
また、本実施例では、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％以下）の系においてＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）を選択的に酸化することにより、低屈折率の酸化膜を形成したが、これに限定されるものではない。同様の効果（選択的酸化）の得られる材料系、例えばＡｌＮ／ＧａＮ系などを用いてもよい。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング及びアッシングに用いた手法（装置）は記述手法（装置）に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる手法（装置）であってもよい。
［実施例２］
実施例２においては、本発明によるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた面発光レーザについて説明する。
図４に、本実施例の上記面発光レーザの構成を示す。
図４において、４００はＧａＡｓ基板、４０２はｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層、４０４はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である。
また、４０６はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層、４０８はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、４１０はｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層である。
また、４１２はｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層、４１４は円柱孔、４１６は酸化アルミ層、４１８は窒化シリコン層、４２０はアノードおよび４２２はカソードである。
本実施例にて作製した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（ＤＢＲミラー及びスラブ型二次元フォトニック結晶ミラー）のそれぞれの境界で形成されるように作製した。
多重量子井戸活性層４０６は共振器中央に形成し、利得整合するように形成した。
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したＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡（ＤＢＲミラー）とした。
そして、第２のミラーを本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーとした。
本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーは、基板上に成長した半導体多層膜の最上層に形成した周期構造が、その上面では空気に接している。すなわち、上記半導体多層膜の最上層であるＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層（屈折率：３．５）に形成した周期構造（フォトニック結晶、円柱孔、三角格子配列）が、その上面では空気（屈折率：１）に接している。
また、その下面においては、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層の一部を選択的に酸化することにより得られた酸化アルミ層（屈折率：１．６）と接した構造を採っている。
このスラブ型二次元フォトニック結晶は、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅと呼ばれる効果を利用しミラーとして機能している。
このＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅとは、スラブ型二次元フォトニック結晶に、スラブ面に垂直な方向から光を入射すると、所定の周波数の光がほぼ１００％の効率で反射されるというものである。つまり、スラブ型二次元フォトニック結晶中を導波するモードが特定の放射モードと共鳴することにより生じるものである。
つぎに、本実施例のスラブ型二次元フォトニック結晶素子をミラーとして適用した面発光レーザの製造方法について説明する。
図５に本実施例の上記面発光レーザの製造方法を説明する模式図を示す。
まず、図５（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介して、以下のように各層を成長させる。
ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ−ＭＱＷ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長させる。続いて、ｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を成長させる。
本実施例では、上記各層をこのように成長させて半導体多層膜を構成する。
次に、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターンを形成する。
その後、図５（ｄ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層をドライエッチングする。
この時、エッチング深さは、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層４０２が露出するまで行う。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。この工程において、スラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔、三角格子配列）が形成される。
次に、図５（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターンを形成する。
その後、図５（ｆ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層が露出するまでドライエッチングを行う。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。次に、図５（ｇ）に示すように、窒化シリコン層をＰＥＣＶＤ装置を用いて成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術、ＲＩＥドライエッチング及び酸素アッシングにより、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上に形成した周期構造（フォトニック結晶、円柱孔）が露出するようにする。
次に、図５（ｈ）に示すように、酸化装置（４５０℃、水蒸気雰囲気下）に導入し、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層４１２に形成した円柱孔を通じて、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層の一部を選択的に酸化し、酸化アルミ層を得る。
次に、図５（ｉ）に示すように、リフトオフ技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にＴｉ／Ａｕアノードを形成する。また、電子ビーム蒸着により、ＡｕＧｅ／ＡｕカソードをＧａＡｓ基板裏面に形成する。
以上説明した工程により、垂直共振器を形成するミラーとしてＤＢＲミラーとスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーを用いた構成の面発光レーザを得ることができる。
この構成により、従来の面発光レーザと比較して本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとした面発光レーザにおいては、単層で高反射率のミラーを形成することが可能となる。
また、本実施例によれば、素子の抵抗を小さくすることができるため、従来の面発光レーザと比較して発振しきい値電流の小さな面発光レーザを得ることができる。
本実施例では、円柱孔の周期を三角格子配列で配置したが、これに限定されるものではなく、正方格子、蜂の巣格子など任意の配列パターンで配列してもよい。また、円柱孔に限定されるものではなく楕円柱孔、四角柱孔、三角柱孔などであっても良い。
また、本実施例では、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％以下）の系においてＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）を選択的に酸化することにより、低屈折率の酸化膜を形成したが、これに限定されるものではない。同様の効果（選択的酸化）の得られる材料系、例えばＡｌＮ／ＧａＮ系などを用いてもよい。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法（装置）は記述手法（装置）に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる手法（装置）であっても良い。
また、本実施例では、ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー４０２とスラブ型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、この構成に限定されるものではない。
例えば、図４に示すＤＢＲミラー４０２の変わりに二次元フォトニック結晶ミラーを用いた構成をとってもよい。
［実施例３］
実施例３においては、本発明によるスラブ型二次元フォトニック結晶を用いた実施例２とは別の形態の面発光レーザについて説明する。
図６に、本実施例の上記面発光レーザの構成を示す。
図６において、６００はＧａＡｓ基板、６０２はｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層、６０４はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である。
また、６０６はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層、６０８はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、６１０はｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層、６１２はｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層である。
また、６１４は円柱孔、６１６は欠陥、６１８は酸化アルミ層、６２０は窒化シリコン層、６２２はアノードおよび６２４はカソードである。
本実施例にて作製した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した。
量子井戸活性層６０６は共振器中央に形成し、利得整合するように形成した。
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した多層膜反射鏡とした。
そして、第２のミラーを本発明による欠陥を導入したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーとした。
本実施例によるスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーは、基板上に成長した半導体多層膜の最上層に形成した周期構造が、空気に接している。
すなわち、上記基板上に成長した半導体多層膜の最上層であるＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層（屈折率：３．５）に形成した周期構造（フォトニック結晶、円柱孔、三角格子配列）が、その上面では空気（屈折率：１）に接している。
また、その下面においては、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層の一部を選択的に酸化することにより得られた酸化アルミ層（屈折率：１．６）と接した構造をとっている。
このスラブ型二次元フォトニック結晶は、Ｇｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅと呼ばれる効果を利用しミラーとして機能している。
このＧｕｉｄｅｄ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅとは、スラブ型二次元フォトニック結晶に、スラブ面に垂直な方向から光を入射すると、所定の周波数の光がほぼ１００％の効率で反射されるというものである。
なお、本実施例で形成した周期構造（フォトニック結晶）の一部に、周期構造を乱す部位（欠陥）を導入している。
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スラブ型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。
つぎに、本実施例による欠陥を導入したスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとして適用した面発光レーザの製造方法について説明する。
図７に本実施例の上記製造方法を説明する模式図を示す。
まず、図７（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介して、以下のように各層を成長させる。
ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ−ＭＱＷ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長させる。続いて、ｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を成長させる。
本実施例では、上記各層をこのように成長させて半導体多層膜を構成する。
次に、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターンを形成する。
その後、図７（ｄ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層をドライエッチングする。
この時、エッチング深さは、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層が露出するまで行う。その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。
この工程において、欠陥を導入したスラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔、三角格子配列）が形成される。
次に、図７（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターンを形成する。
その後、図７（ｆ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層が露出するまでドライエッチングを行う。
その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。次に、図７（ｇ）に示すように、窒化シリコン層をＰＥＣＶＤ装置を用いて成膜する。
その後、フォトリソグラフィー技術、ＲＩＥドライエッチング及び酸素アッシングにより、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上に形成した周期構造（フォトニック結晶、円柱孔）が露出するようにする。
次に、図７（ｈ）に示すように、酸化装置（４５０℃、水蒸気雰囲気下）に導入し、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層に形成した円柱孔を通じて、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層の一部を選択的に酸化し、酸化アルミ層を得る。
次に、図７（ｉ）に示すように、リフトオフ技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にＴｉ／Ａｕアノードを形成する。また、電子ビーム蒸着により、ＡｕＧｅ／ＡｕカソードをＧａＡｓ基板裏面に形成する。
以上説明した工程により、垂直共振器を形成するミラーとしてＤＢＲミラーと欠陥を導入したスラブ型二次元フォトニック結晶ミラーを用いた構成の面発光レーザを得ることができる。
本実施例で示した構成により、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、本発明による二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいては、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、本実施例によれば、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。
本実施例による方法で作製した、２０μｍポスト径の二次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、スポットサイズ１５μｍ径の発光（ニアフィールドパターン）を達成した。
また、この実施例の構成により、従来の面発光レーザと比較して本発明によるスラブ型二次元フォトニック結晶をミラーとした面発光レーザにおいては、単層で高反射率のミラーを形成することが可能であり、素子の抵抗を小さくすることができる。そのため、従来の面発光レーザと比較し、発振しきい値電流の小さな面発光レーザを得ることができる。
本実施例では、円柱孔の周期を三角格子配列で配置したが、これに限定されるものではなく、正方格子、蜂の巣格子など任意の配列パターンで配列してもよい。また、円柱孔に限定されるものではなく楕円柱孔、四角柱孔、三角柱孔などであってもよい。
また、本実施例では、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％以下）の系においてＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）を選択的に酸化することにより、低屈折率の酸化膜を形成したが、これに限定されるものではない。同様の効果（選択的酸化）の得られる材料系、例えばＡｌＮ／ＧａＮ系などを用いてもよい。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング、アッシング及び蒸着に用いた手法（装置）は記述手法（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手法（装置）であってもよい。
また本実施例では、ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー６０２と欠陥を導入したスラブ型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、この構成に限定されるものではなくい。
例えば、図６に示すように、ＤＢＲミラー６０２の変わりに二次元フォトニック結晶ミラー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）を用いた構成をとってもよい。
［実施例４］
実施例４においては、本発明を適用して構成したエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子について説明する。
本実施例は、本発明によるＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成９０％以上）の一部を選択的に酸化し、更にその酸化した層のみを選択的にエッチングする。これにより、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成７０％以下）をコアに適用したエアブリッジ型スラブ型フォトニック結晶をＧａＡｓ基板上に形成したものである。
図８に、本実施例のエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子の構成を示す。
図８において、８００はＧａＡｓ基板、８０２はＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層、８０４はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層、８０６は円柱孔及び８０８はエアブリッジ構造である。
図８に示すように、本実施例では、ＧａＡｓ基板８００上にＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層８０２を０．５μｍエピタキシャル成長し、更にその上にＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層８０４を０．２μｍエピタキシャル成長したものである。Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層８０４には、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を貫通した円柱孔８０６が三角格子配列で周期的に配置されている。
図８に示すように、本実施例においては、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層８０４（屈折率：３．５）に形成した周期構造（円柱孔８０６、フォトニック結晶）が、その上面では空気（屈折率：１）に接している。
また、その下面においては、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層８０２を選択的に酸化することにより得られた酸化アルミ層（図示せず、屈折率：１．６）を選択的に除去することにより形成した空気層（屈折率：１）と接したエアブリッジ構造８０８を形成している。
このように本実施例の構成によれば、従来半導体の積層構造においては屈折率差が０．３程度であったものを２．５程度まで大きく取ることが可能となる。
したがって本実施例の構成により、コア層への強い閉じ込めが可能となり、図９（ａ）に示すような光損失の少ない導波路や、図９（ｂ）に示すようなＱ値の高い共振器等を作製することが可能となる。
つぎに、本実施例によるエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子の製造方法を説明する。
図１０に上記製造方法を説明する模式図を示す。
図１０において、１１００はＧａＡｓ基板、１１０２はＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成９３％）、１１０４はＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成５０％）である。
また、１１０６はレジスト層、１１０８はレジストパターン、１１１０は円柱孔、１１１２は酸化アルミ層、および１１１４はエアブリッジ構造である。
まず図１０（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１００上にＭＯＣＶＤ装置によりバッファー層を介してＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層１１０２を０．５μｍ成長し、続いてＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層３０４を０．２５μｍ成長する。次に、図１０（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電子ビームリソグラフィー技術を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層上にレジストパターン１１０６を形成する。
その後、図１０（ｄ）に示すように、ＩＣＰエッチング装置を用いて、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層をドライエッチングする。この時、エッチング深さは、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層が露出するまで行う。その後、レジストを酸素アッシングにより除去する。
この工程において、スラブ型二次元フォトニック結晶（円柱孔、三角格子配列）が形成される。
次に、図１０（ｅ）に示すように、酸化装置（４５０℃、水蒸気雰囲気下）に導入し、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層に形成した円柱孔を通じて、Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層の一部を選択的に酸化し、酸化アルミ層１１１２を得る。
次に、図１０（ｆ）に示すように、酸化アルミ層１１１２をバッファーフッ酸を用いて選択的にエッチングすることにより空気層を形成し、エアブリッジ構造１１１４を形成する。
以上説明した工程により、半導体積層構造で形成したスラブ型二次元フォトニック結晶と比較して、コア層とクラッド層との屈折率差を大きくとることのできる半導体コア層と空気クラッド層の積層構造を容易に作製することができる。
例えば、スラブ型二次元フォトニック結晶を一部に形成した半導体多層膜構造を容易に作製することができる。
本実施例では、円柱孔の周期を三角格子配列で配置したが、これに限定されるものではなく、正方格子、蜂の巣格子など任意の配列パターンで配列してもよい。また円柱孔に限定されるものではなく楕円柱孔、四角柱孔、三角柱孔などであってもよい。
また、本実施例では、ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成７０％以下）の系においてＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９０％以上）を選択的に酸化することにより、低屈折率の酸化膜を形成したが、これに限定されるものではない。同様の効果（選択的酸化）の得られる材料系、例えばＡｌＮ／ＧａＮ系などを用いてもよい。
また、本実施例において示した、成長、リソグラフィー、エッチング及びアッシングに用いた手法（装置）は記述手法（装置）に限るものではなく、同様の効果の得られる装置であればいかなる手法（装置）であってもよい。
本発明の実施例１におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を説明する概略図。 本発明の実施例１におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を説明する図であり、（ａ）は導波路を作製した場合を説明する図、（ｂ）は共振器を作製した場合を説明する図。 本発明の実施例１におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子の製造方法を説明する図。 本発明の実施例２におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた面発光レーザを説明する概略図。 本発明の実施例２におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた面発光レーザをの製造方法を説明する図。 本発明の実施例３におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた面発光レーザを説明する概略図。 本発明の実施例３におけるスラブ型二次元フォトニック結晶素子を用いた面発光レーザの製造方法を説明する図。 本発明の実施例４におけるエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子を説明する概略図。 本発明の実施例４におけるエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子を説明する図であり、（ａ）は導波路を作製した場合を説明する図、（ｂ）は共振器を作製した場合を説明する図。 本発明の実施例４におけるエアブリッジ構造を備えたスラブ型二次元フォトニック結晶素子の製造方法を説明する図。
符号の説明
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層
１０４：Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層
１０６：円柱孔
１０８：酸化アルミ層
３００：ＧａＡｓ基板
３０２：ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成９３％）
３０４：ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成５０％）
３０６：レジスト層
３０８：レジストパターン
３１０：円柱孔
３１２：酸化アルミ層
４００：ＧａＡｓ基板
４０２：ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層
４０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４０６：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層
４０８：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４１０：ｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層
４１２：ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層
４１４：円柱孔、
４１６：酸化アルミ層
４１８：窒化シリコン層
４２０：アノード
４２２：カソード
６００：ＧａＡｓ基板
６０２：ｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲミラー層
６０４：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６０６：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層
６０８：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６１０：ｐ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層
６１２：ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層
６１４：円柱孔
６１６：欠陥
６１８：酸化アルミ層
６２０：窒化シリコン層、
６２２：アノード
６２４：カソード
８００：ＧａＡｓ基板
８０２：Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層
８０４：Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層
８０６：円柱孔
８０８：エアブリッジ構造
１１００：ＧａＡｓ基板
１１０２：ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成９３％）
１１０４：ＡｌＧａＡｓエピタキシャル層（Ａｌ組成５０％）
１１０６：レジスト層
１１０８：レジストパターン
１１１０：円柱孔、１１１２は酸化アルミ層
１１１２：酸化アルミ層
１１１４：エアブリッジ構造

Claims (9)

  1. 基板上に、第１の層と第２の層とを有する光学素子であって、
    前記第２の層は、細孔を含み構成され、且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有し、
    前記第１の層は、前記第２の層の細孔の下部側に酸化領域を備えており、該酸化領域の屈折率が、前記第２の層の屈折率よりも低いことを特徴とする光学素子。
  2. 前記第１の層は、Ａｌを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記酸化領域と前記第２の層との屈折率差が、１．０以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記第１の層及び第２の層が、ＡｌとＧａとＡｓを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  5. 前記第１の層は、前記酸化領域と非酸化領域とからなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学素子が、面発光レーザのミラーとして用いられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 光学素子の製造方法であって、
    基板上に、第１の層と、細孔を含み且つ面内方向の屈折率が周期的に異なる屈折率周期構造を有する第２の層とを有する部材を用意する第１の工程と、
    前記第２の層の細孔の下部側に位置する前記第１の層を酸化し、屈折率を該第２の層の屈折率よりも低くした酸化領域を形成する第２の工程と、
    を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
  8. 前記第１の層と第２の層とが、Ａｌを含む化合物半導体からなり、
    前記第１の層におけるＡｌの含有割合が、前記第２の層における含有割合よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
  9. 前記第２の工程後に、前記酸化領域を、前記第１の層から除去する工程を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光学素子の製造方法。
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