JP2008135441A - ２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる２次元フォトニック結晶面発光レーザと、２次元フォトニック結晶面発光レーザの容易な製造方法を提供する。
【解決手段】この２次元フォトニック結晶面発光レーザは、活性層２と、ガイド層３、４と、クラッド層５、６とを備える。クラッド層６は、２次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体１０ａを含む。フォトニック結晶周期構造体１０ａは、出射光Ｌ１の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる固体材料１１ａ、１１ｂから構成されている。そのため、光は出射光Ｌ１の出射方向へより多く１次回折される。出射光Ｌ１を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得られる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。また、従来のように基板同士を張り合わせることなく製造することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関し、特に、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、２次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光する２次元フォトニック結晶面発光レーザおよびその製造方法に関する。

従来、基板面から垂直方向にレーザ光を出射する面発光レーザが種々開発、研究されている。面発光レーザは同一基板上に多数の素子を集積（アレイ化）でき、各素子からコヒーレントな光が並列的に出射されるため、並列光ピックアップ、並列光伝送、光並列情報処理の分野での用途が期待されている。

面発光レーザとして、従来、フォトニック結晶を利用した２次元フォトニック結晶面発光レーザが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。フォトニック結晶とは、光の波長と同程度またはより小さい屈折率周期を有する結晶である。２次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層の近傍に、２次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を備え、フォトニック結晶により共振して面発光するものである。

特許文献１で提案されている２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶周期構造体は円柱状、楕円柱状あるいは四角柱状に形成されている。図１４は、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の一例を示す断面模式図である。図１４に示すように、フォトニック結晶周期構造体１１０ａの基板面に対する垂直方向の断面形状は四角形状になっている。この場合、１次回折による光は上方への出射光Ｌ１と下方への出射光Ｌ２に同じ強度（５０％および５０％）で分かれる。レーザ光として使用される光は出射光Ｌ１、Ｌ２のいずれか一方である。そのため、面発光される光の利用効率が低いという問題点を有していた。

そこで、面発光される光の利用効率を５０％以上に高めるための検討が進められている。図１５は、従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の他の例を示す断面模式図である。図１５に示すように、フォトニック結晶周期構造体１１０ｂの基板面に対する垂直方向の断面形状の幅を、主たる発光方向に沿って漸減させる、２次元フォトニック結晶面発光レーザが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２０００−３３２３５１号公報 特開２００３−２７３４５５号公報

特許文献２で提案されている２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、フォトニック結晶周期構造体の形状を円錐形状などとすることで、主たる発光方向（たとえば図１５では、基板側から活性層側に向かう基板面の法線方向であって、出射光Ｌ１の出射方向）への光の取り出し効率を高めている。しかし、円錐形状を形成するのは困難である。たとえば薄い円柱を、径を変化させながら多段階に形成するという方法で作製することができるが、この場合、その多段階の数に応じて露光プロセスが必要となり、プロセス数が増加するとともに、基板同士を張り合わせる方法を用いなければ作製が困難である。よって、作製工程が複雑かつ多数に渡り、かつ位置合わせが困難であるという問題がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザと、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させた２次元フォトニック結晶面発光レーザの容易な製造方法とを提供することである。

この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザは、キャリアの注入により発光する活性層を備える。また、発光した光を活性層に閉じ込めるガイド層を備える。また、活性層にキャリアを注入するためのクラッド層を備える。活性層は、ガイド層およびクラッド層により挟み込まれるように配置されている。ガイド層またはクラッド層は、２次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を含む。そして、フォトニック結晶周期構造体は、２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成されている。

この場合は、活性層から漏れた光がフォトニック結晶周期構造体によって２次回折（共振）して増幅され、１次回折によってクラッド層から面発光する。フォトニック結晶周期構造体を構成する２種以上の固体材料は、屈折率がガイド層およびクラッド層の屈折率よりも小さいものである。そして、２種以上の固体材料は、異なる屈折率を有しており、かつ出射光の出射方向に沿って並べられている。そのため、フォトニック結晶周期構造体の形状は円柱形状であるにも関わらず、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えられるため、光は特定の方向へより多く１次回折される。したがって、当該方向に１次回折される光を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。

好ましくは、２種以上の固体材料が、屈折率の昇順または降順に並べられ配置されている。この場合は、フォトニック結晶周期構造体の屈折率の傾斜を特定の方向に与えることができる。たとえば、屈折率のより小さい固体材料から、屈折率のより大きい固体材料へ向かう方向を、主たる発光方向とすることができる。

この発明に係る２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、基板を準備する工程を備える。また、基板の表面上に、第１半導体層を積層する工程を備える。また、第１半導体層の表面上に、２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程を備える。また、フォトニック結晶周期構造体を埋め込ませるように、第１半導体層の表面上に第２半導体層を積層する工程を備える。また、電極を形成する工程を備える。

この場合は、フォトニック結晶周期構造体を屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成して、屈折率分布を作ることによって、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。この製造方法によれば、１枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって２次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができるので、従来の製造方法のように基板同士を張り合わせる方法を用いる必要がない。よって、作製工程を簡略化することができ、その結果、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造コストの低減を達成することができる。

好ましくは、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、一の固体材料を成膜する工程を含む。また、一の固体材料の表面上にレジストを塗布する工程を含む。また、レジストに孔を形成する工程を含む。また、孔の内部に、他の固体材料を成膜する工程を含む。また、レジストを除去する工程を含む。また、孔の内部であった位置に残存する他の固体材料をマスクとして、露出している一の固体材料を部分的に除去する工程を含む。この製造方法によれば、基板同士を張り合わせることなく、１枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって２次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。

また好ましくは、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、第１半導体層の表面上にレジストを塗布する工程を含む。また、レジストに孔を形成する工程を含む。また、孔の内部に、一の固体材料と他の固体材料とを順に積層する工程を含む。また、レジストを除去する工程を含む。この製造方法によれば、基板同士を張り合わせることなく、１枚の基板の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって２次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができる。

以上のように、この発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザは、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。また、この発明の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法によると、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを容易に製造することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面模式図である。図１に示すように、この２次元フォトニック結晶面発光レーザは、基板１を備える。基板１の表面の法線方向に、基板１の一方の表面側に出射する出射光をＬ１、基板１の他方の表面側に出射する出射光をＬ２で示している。この場合、出射光Ｌ１は出射光Ｌ２よりも強度の大きな光である。以下、より強度の大きな光が出射する方向、つまり主たる発光方向側の２次元フォトニック結晶面発光レーザの表面を、主面と称する。

基板１の表面上の主面側には、第１半導体層２１が積層されている。第１半導体層２１は、キャリア（すなわち、電子および正孔）の注入により発光する活性層２と、発光した光を活性層２に閉じ込める下部ガイド層３および上部ガイド層４と、活性層２にキャリアを注入するための下部クラッド層５とにより、構成されている。第１半導体層２１においては、基板１側から主面側へ向かって、下部クラッド層５、下部ガイド層３、活性層２、上部ガイド層４の順に、積層されている。活性層２は、下部ガイド層３および上部ガイド層４により、挟み込まれるように配置されている。

第１半導体層２１の表面の主面側には、当該表面が延びる方向に沿って２次元的に配置された、フォトニック結晶周期構造体１０ａが形成されている。フォトニック結晶周期構造体１０ａは、屈折率の異なる２種の固体材料１１ａ、１１ｂから構成されている。固体材料１１ａ、１１ｂは、２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光Ｌ１の出射方向に沿って並べられている。この場合、固体材料１１ａの屈折率は、固体材料１１ｂの屈折率よりも小さい。つまり、２種の固体材料１１ａ、１１ｂは、基板１側から主面側へ向かって屈折率の昇順に並べられ配置されている。屈折率のより小さい固体材料１１ａから、屈折率のより大きい固体材料１１ｂへ向かう方向が、主たる発光方向となっており、より強度の大きい出射光Ｌ１が出射されている。

また、第１半導体層２１の主面側の表面上に、フォトニック結晶周期構造体１０ａを埋め込ませるように、第２半導体層２２が積層されている。第２半導体層２２は、活性層２にキャリアを注入するための上部クラッド層６と、コンタクト層７とにより構成されている。第２半導体層２２においては、基板１側から主面側へ向かって、上部クラッド層６、コンタクト層７の順に積層されている。活性層２は、下部クラッド層５および上部クラッド層６により、挟み込まれるように配置されている。

フォトニック結晶周期構造体１０ａを構成する固体材料１１ａとして、たとえば、ＳｉＯ_２を用いることができ、ＳｉＯ_２の屈折率は、約１．４５である。固体材料１１ｂとして、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３を用いることができ、Ａｌ_２Ｏ_３の屈折率は、約１．７６である。固体材料１１ａ、１１ｂの屈折率は、ガイド層およびクラッド層の屈折率よりも小さければよい。そこで、ガイド層およびクラッド層としては、たとえばＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などを採用することができ、これらの屈折率は、約２．５である。

第２半導体層２２の主面側の表面には、上部電極９が形成されている。つまり、コンタクト層７は、上部クラッド層６と上部電極９とをつなぐための層として設けられている。上部電極９は、アノード電極とすることができ、たとえば円柱形状や多角柱形状に成形することができる。上部電極９が形成されていない第２半導体層２２の主表面側の表面は、光放出領域として機能する。上部電極９の平面的な外形形状は、たとえば後述する２次元フォトニック結晶に合わせた多角形形状とすることができる。また、基板１の主面側と反対側の表面上には、下部電極８が一面に形成されている。下部電極８はカソード電極とすることができる。下部電極８および上部電極９は、金（Ａｕ）系電極を用いることができる。この材料に限られるものではなく、活性層２で発生される光に対して透明な導電性の材料を用いることもできる。

活性層２は、たとえば、単一の半導体材料により構成することができる。またたとえば、活性層２は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの半導体材料を用いた多重量子井戸構造とすることができる。つまり、活性層２は、キャリアが注入されると発光する複数の発光部と、複数の発光部を分離するように設けられた分離部とを有することができる。上述のように、下部ガイド層３および上部ガイド層４により活性層２を挟んでダブルヘテロ接合を形成し、活性層２にキャリアを閉じ込めて、発光に寄与するキャリアを活性層２に集中させるようになっている。下部電極８および上部電極９間に電圧を印加することにより活性層２が発光し、活性層２から漏れた光が、フォトニック結晶周期構造体１０ａが形成する２次元フォトニック結晶に入射する。

フォトニック結晶周期構造体１０ａは、たとえば、第１半導体層２１の主面側の表面において、２次元的に正方形を敷き詰めた各頂点に配置され、公知の２次元フォトニック結晶を形成している。つまり、ある１つのフォトニック結晶周期構造体１０ａと、これと最も近い隣接する４つのフォトニック結晶周期構造体１０ａとの距離が、等しい値（２次元フォトニック結晶の格子間隔）となるように、配置されている。２次元フォトニック結晶の配置パターンは、正方形を用いて形成される形状に限らず、正三角形や、正六角形を用いて形成されてもよい。２次元フォトニック結晶の格子間隔に波長が一致する光は、２次元フォトニック結晶により共振して増幅される。つまり、フォトニック結晶周期構造体１０ａは、活性層２において発生された光の波長を規定するように配置される。これにより、第２半導体層２２の主面側の表面における、光放出領域から、コヒーレントな光が面発光される。

このとき、フォトニック結晶周期構造体１０ａは、２種の固体材料１１ａ、１１ｂから構成されており、固体材料１１ａ、１１ｂの屈折率はガイド層３、４およびクラッド層５、６の屈折率よりも小さい。固体材料１１ａ、１１ｂは、出射光Ｌ１の出射方向に沿って並べられており、当該方向に沿って屈折率の昇順に並べられ配置されている。よって、フォトニック結晶周期構造体１０ａの形状は、たとえば円柱形状などの、基板面に対する垂直方向の断面形状が四角形となる形状であるにも関わらず、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができる。そのため、光は特定の方向（すなわち基板１から主面側へ向かう方向であって、屈折率のより小さい固体材料１１ａから屈折率のより大きい固体材料１１ｂへ向かう方向）へより多く１次回折される。したがって、当該方向に出射される出射光Ｌ１を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。

次に、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。図２は、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の概略を示す流れ図である。図３は、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の一例を示す流れ図である。図４は、図２に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成する前の各工程の模式図である。図５は、図３に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。図６は、図２に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成した後の各工程の模式図である。図７は、図５（ｄ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。図２〜図７を参照して、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。なお、以下説明する製造方法において適用される半導体材料および製造技術などは例示であり、本発明はこれに限られるものではない。

図２に示すように、まず工程（Ｓ１００）において、たとえばｎ型のＧａＮ基板などの、基板１を準備する。次に工程（Ｓ２００）において、基板１の主面側の表面に、第１半導体層２１を積層する。具体的には、たとえばｎ型のＡｌＧａＮからなる下部クラッド層５を積層し、ｎ型のＧａＮからなる下部ガイド層３を積層し、続いて活性層２を積層し、さらにｐ型のＧａＮからなる上部ガイド層４を積層する（図１参照）。第１半導体層２１は、たとえばＯＭＶＰＥ法（有機金属気相成長法：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などのエピタキシャル結晶成長法によって、積層することができる。図４（ａ）は準備された基板１の模式図、図４（ｂ）は基板１に第１半導体層２１が積層された後の模式図である。

なお、基板１の主面側の表面直上にバッファ層を積層し、バッファ層の上に第１半導体層２１を積層してもよい。基板上に直接他の層を積層すると結晶性が悪くなる可能性があるが、バッファ層を介在させて第１半導体層を積層すれば、第１半導体層の結晶性を高めることができる。次に工程（Ｓ３００）において、第１半導体層の表面上に、２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する。工程（Ｓ３００）の詳細を、図３に示す。図３に示す各工程に基づいて、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する工程の詳細を説明する。

図３に示すように、工程（Ｓ３１０）において、一の固体材料を成膜する。具体的には、第１半導体層２１の主面側の表面（すなわち、上部ガイド層４の主面側の表面）に、たとえばＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの、薄膜原料を反応させて成膜するＣＶＤプロセスによって、たとえば一の固体材料としてのＳｉＯ_２の膜を厚さ１０００Åとして、全面に成膜することができる。図５（ａ）は一の固体材料１１ａが成膜された後の模式図である。

次に工程（Ｓ３２０）において、一の固体材料の表面上の全面に、レジストを塗布する。図５（ｂ）はレジスト３１が塗布された後の模式図である。次に工程（Ｓ３３０）において、レジスト３１に、たとえばＥＢ（電子ビーム、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）露光法などのリソグラフィ技術によって、直径１０００Åの円柱形状の孔を、２０００Åピッチで正方格子状に（つまり、２次元的に敷き詰められた辺長さ２０００Åの正方形の各頂点において）、形成する。図５（ｃ）は孔３２が形成された後の模式図である。

次に工程（Ｓ３４０）において、孔３２の内部に、他の固体材料を成膜する。たとえばＥＢ（電子ビーム）蒸着法などの真空蒸着法によって、一の固体材料よりも屈折率の大きい他の固体材料としてのＡｌ_２Ｏ_３の膜を厚さ５００Åとして、成膜することができる。図５（ｄ）は他の固体材料１１ｂが成膜された後の模式図である。このとき、図７に示すように、他の固体材料１１ｂとしてのＡｌ_２Ｏ_３の厚さが、レジスト３１の厚さよりも薄く孔３２を完全に閉塞させない厚さとなるように、他の固体材料１１ｂは成膜される。次に工程（Ｓ３５０）において、レジスト３１を有機系溶剤で除去し、レジスト３１に孔３２が形成されていた位置以外に堆積していた他の固体材料１１ｂを除去する、リフトオフが行なわれる。図５（ｅ）はレジストが除去された後の模式図である。レジスト３１に形成されていた孔３２の内部であった位置に、固体材料１１ｂが正方格子状に配列されている。そして固体材料１１ｂは、固体材料１１ａの表面上に、直径１０００Å、厚さ５００Åの円板形状に形成されている。

次に工程（Ｓ３６０）において、円板形状の他の固体材料１１ｂをマスクとして、露出した一の固体材料１１ａを部分的に除去する。たとえば、活性ガスとしてフルオロカーボン（たとえばＣＦ_４、ＣＨＦ_３など）を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などのドライエッチング法によって、露出した一の固体材料１１ａを除去することができる。図５（ｆ）は一の固体材料が部分的に除去された後の模式図である。第１半導体層２１の表面上に、固体材料１１ａ、固体材料１１ｂが積層した直径１０００Åの円柱形状が正方格子状に配列され、フォトニック結晶周期構造体１０ａが形成された状態である。

図２に戻って、次に工程（Ｓ４００）において、フォトニック結晶周期構造体１０ａを埋め込ませるように、第１半導体層の表面上に第２半導体層を積層する。たとえば上部クラッド層６を、第１半導体層２１の表面上に、フォトニック結晶周期構造体１０ａを埋め込ませるように積層し、さらにコンタクト層７を積層して、第２半導体層２２を構成する（図１参照）。たとえばＯＭＶＰＥ法によって、第２半導体層を積層することができる。図６（ａ）は、第２半導体層が積層された後の模式図である。第２半導体層２２が第１半導体層２１の表面上に積層されており、固体材料１１ａ、１１ｂから構成されるフォトニック結晶周期構造体１０ａは、第２半導体層２２によって埋め込まれている。

上部クラッド層６の材料としては、ｐ型のＡｌＧａＮを用いてもよいが、ｐ型のＧａＮがより好ましい。フォトニック結晶周期構造体１０ａを埋め込むように上部クラッド層６を積層するとき、適切に積層しなければ、第１半導体層２１の表面直上とフォトニック結晶周期構造体１０ａの円柱の上部とに、上部クラッド層６の材料が同じ厚みに積層される。その結果、円柱形状が残存し、上部クラッド層６の主面側の表面を平面状に整えることができない。上部クラッド層６の材料としてＧａＮを用いれば、積層するときに横に広がりやすい成長条件を適用できるので、円柱の上部に積層しないような調整（つまり、積層された上部クラッド層６（第２半導体層２２）の上部表面を平坦化するような調整）がより容易である。

次に工程（Ｓ５００）において、電極を形成する。基板１の主面側と反対側の表面上に、下部電極８が形成され、第２半導体層２２の主面側の表面（すなわちコンタクト層７の主面側の表面）に、上部電極９が形成される（図１参照）。図６（ｂ）は、電極が形成された後の模式図である。最後に、工程（Ｓ６００）において、後処理として所定の寸法に切り出され、２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。

以上説明したように、この２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法においては、フォトニック結晶周期構造体１０ａを屈折率の異なる固体材料１１ａ、１１ｂから構成する。固体材料１１ａ、１１ｂを出射光Ｌ１の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べて配置することで、屈折率分布を作る。これによって、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることが可能な２次元フォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。この製造方法によれば、１枚の基板１の片側の表面上に半導体層を順に積層することによって２次元フォトニック結晶面発光レーザを作製することができるので、従来の製造方法のように基板同士を張り合わせる方法を用いる必要がない。よって、作製工程を簡略化することができ、その結果、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造コストの低減を達成することができる。

（実施の形態２）
図８は、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の他の例を示す流れ図である。図９は、図８に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。図１０は、図９（ｃ）のＸ−Ｘ線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。図８〜図１０を参照して説明する２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の他の例では、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する工程の詳細において、実施の形態１で説明した製造方法とは異なっている。

具体的には、図８に示すように、工程（Ｓ３２１）において、第１半導体層２１の表面直上の全面に、レジストを塗布する。図９（ａ）はレジスト３１が塗布された後の模式図である。次に工程（Ｓ３３１）において、レジスト上に、たとえばＥＢ露光法によって、直径１０００Åの円柱形状の孔を、２０００Åピッチで正方格子状に形成する。図９（ｂ）は孔３２が形成された後の模式図である。

次に工程（Ｓ３４１）において、孔３２の内部に、たとえばＥＢ蒸着法によって、一の固体材料としてのＳｉＯ_２の膜を厚さ５００Åとして成膜する。続いて、一の固体材料よりも屈折率の大きい他の固体材料としてのＡｌ_２Ｏ_３の膜を厚さ５００Åとして成膜する。図９（ｃ）は一の固体材料１１ａ、他の固体材料１１ｂが成膜され積層された後の模式図である。このとき、図１０に示すように、第１半導体層２１の主面側の表面に一の固体材料１１ａとしてのＳｉＯ_２の膜が成膜されており、一の固体材料１１ａに積層するように、他の固体材料１１ｂとしてのＡｌ_２Ｏ_３の膜が成膜されている。一の固体材料１１ａと他の固体材料１１ｂとを積層させた厚さが、レジスト３１の厚さよりも薄く孔３２を完全に閉塞させない厚さとなるように、一の固体材料１１ａと他の固体材料１１ｂとは成膜される。

次に工程（Ｓ３５１）において、レジストを有機系溶剤で除去し、レジストに孔３２が形成されていた位置以外に堆積していた固体材料を除去する、リフトオフが行なわれる。図９（ｄ）はレジストが除去された後の模式図である。第１半導体層２１の表面上に、固体材料１１ａ、固体材料１１ｂが積層した直径１０００Åの円柱形状が正方格子状に配列され、フォトニック結晶周期構造体１０ａが形成された状態である。なお、実施の形態２の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法における、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する工程の前後の工程については、実施の形態１において説明した通りであるので、その説明は繰り返さない。

以上説明した２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の他の例では、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する工程において、第１半導体層２１の表面にレジスト３１が塗布され、レジスト３１に形成された孔３２の内部に固体材料１１ａ、１１ｂが積層されて円柱形状を成し、フォトニック結晶周期構造体１０ａを形成する。つまり、実施の形態１に比べて固体材料１１ａを形成するためのエッチング工程を省略することができるので、２次元フォトニック結晶面発光レーザの作製工程をさらに簡略化することができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２の説明においては、フォトニック結晶周期構造体が２種の固体材料１１ａ、１１ｂによって構成される例を述べているが、３種以上の固体材料によって構成することも可能である。図１１は、２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例１を示す断面模式図である。図１１においては、フォトニック結晶周期構造体１０ｂは３種の固体材料１１ａ、１１ｂ、１１ｃによって構成されており、上部クラッド層６に埋め込まれるように形成されている。固体材料１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを出射光Ｌ１の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べて配置することで、屈折率分布を作る。この構成によって、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができ、出射光Ｌ１をより強度の大きな光とすることができる。出射光Ｌ１を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。

なお、固体材料としては、既に例示したＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の他に、ジルコニア（ＺｒＯ_２、屈折率約２．１９）や窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４、屈折率約２．０２）などを用いることができる。固体材料は、フォトニック結晶周期構造体が埋め込まれる半導体材料との屈折率の差が大きいほど好ましい。なお、固体材料が導体であれば、固体材料に光が入っていかず、また周囲の半導体材料の特性が変化するという問題が発生するため、固体材料は半導体または絶縁体であればよい。

（実施の形態４）
実施の形態１から実施の形態３までの説明においては、フォトニック結晶周期構造体が上部クラッド層６に埋め込まれるように形成される例を述べているが、上部クラッド層６以外のガイド層３、４またはクラッド層５に埋め込まれるように形成されてもよい。図１２は、２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例２を示す断面模式図である。図１２においては、出射光Ｌ１の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種の固体材料１１ａ、１１ｂによって構成されるフォトニック結晶周期構造体１０ｃは、下部ガイド層３に埋め込まれるように形成されている。この構成によっても、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えられるため、出射光Ｌ１を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。

（実施の形態５）
実施の形態１から実施の形態４までの説明においては、屈折率の異なる２種以上の固体材料は、上部電極９側の出射光Ｌ１の出射方向に沿って屈折率の昇順に並べられ配置される例を述べているが、当該方向に沿って屈折率の降順に並べられてもよい。図１３は、２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例３を示す断面模式図である。図１３においては、フォトニック結晶周期構造体１０ｄは上部クラッド層６に埋め込まれるように形成されている。フォトニック結晶周期構造体１０ｄを構成する固体材料１１ａ、１１ｂは、第１半導体層２１の表面上に、より屈折率の大きい固体材料１１ｂ、より屈折率の小さい固体材料１１ａの順に並べられている。つまり、２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光Ｌ１の出射方向に沿って、屈折率の異なる２種の固体材料は、屈折率の降順に並べられ配置されている。

この構成によっても、フォトニック結晶周期構造体１０ｄは屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成され、屈折率分布が作られており、レーザ中の光が感じる屈折率に傾斜を与えることができる。より屈折率の大きい固体材料１１ｂが下部電極８側に並べられているため、下部電極８側の出射光Ｌ２がより強度の大きい出射光として、出射されている。そのため、この実施の形態の２次元フォトニック結晶面発光レーザでは、出射光Ｌ２を面発光として利用することにより、５０％以上の光利用効率を得ることができる。つまり、主たる発光方向への光の取り出し効率を増加させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成を示す断面模式図である。 ２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の概略を示す流れ図である。 フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の一例を示す流れ図である。 図２に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成する前の各工程の模式図である。 図３に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。 図２に示す２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法の、フォトニック結晶周期構造体を形成した後の各工程の模式図である。 図５（ｄ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。 フォトニック結晶周期構造体を形成する工程の詳細の他の例を示す流れ図である。 図８に示すフォトニック結晶周期構造体の製造方法の各工程の模式図である。 図９（ｃ）のＸ−Ｘ線による断面におけるフォトニック結晶周期構造体の断面を示す模式図である。 ２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例１を示す断面模式図である。 ２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例２を示す断面模式図である。 ２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の変形例３を示す断面模式図である。 従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の一例を示す断面模式図である。 従来の２次元フォトニック結晶面発光レーザの構成の他の例を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 基板、２ 活性層、３ 下部ガイド層、４ 上部ガイド層、５ 下部クラッド層、６ 上部クラッド層、７ コンタクト層、８ 下部電極、９ 上部電極、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ フォトニック結晶周期構造体、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 固体材料、２１ 第１半導体層、２２ 第２半導体層、３１ レジスト、３２ 孔、１０１ 基板、１０２ 活性層、１０３ 下部ガイド層、１０４ 上部ガイド層、１０５ 下部クラッド層、１０６ 上部クラッド層、１０７ コンタクト層、１０８ 下部電極、１０９ 上部電極、１１０ａ，１１０ｂ フォトニック結晶周期構造体、Ｌ１，Ｌ２ 出射光。

Claims (5)

1. キャリアの注入により発光する活性層と、
   発光した光を前記活性層に閉じ込めるガイド層と、
   前記活性層に前記キャリアを注入するためのクラッド層とを備え、
   前記活性層は、前記ガイド層および前記クラッド層により挟み込まれるように配置されており、
   前記ガイド層または前記クラッド層は、２次元的に配置されたフォトニック結晶周期構造体を含む、２次元フォトニック結晶面発光レーザにおいて、
   前記フォトニック結晶周期構造体は、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成されていることを特徴とする、２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
2. 前記２種以上の固体材料が、屈折率の昇順または降順に並べられ配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザ。
3. ２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
   基板を準備する工程と、
   前記基板の表面上に、第１半導体層を積層する工程と、
   前記第１半導体層の表面上に、前記２次元フォトニック結晶面発光レーザから出射する出射光の出射方向に沿って並べられた屈折率の異なる２種以上の固体材料から構成される、フォトニック結晶周期構造体を形成する工程と、
   前記フォトニック結晶周期構造体を埋め込ませるように、前記第１半導体層の表面上に第２半導体層を積層する工程と、
   電極を形成する工程とを備える、２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
4. 前記フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、
   一の固体材料を成膜する工程と、
   前記一の固体材料の表面上にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに孔を形成する工程と、
   前記孔の内部に、他の固体材料を成膜する工程と、
   前記レジストを除去する工程と、
   前記孔の内部であった位置に残存する前記他の固体材料をマスクとして、露出している前記一の固体材料を部分的に除去する工程とを含む、請求項３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
5. 前記フォトニック結晶周期構造体を形成する工程は、
   前記第１半導体層の表面上にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに孔を形成する工程と、
   前記孔の内部に、一の固体材料と他の固体材料とを順に積層する工程と、
   前記レジストを除去する工程とを含む、請求項３に記載の２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。

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