JP2008205278A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性を向上することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１は、ＧａＮを含むｐ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層６に隣接して形成されたフォトニック結晶層７とを備えている。フォトニック結晶層７は、ＧａＮを含むエピタキシャル層２ａと、ＡｌＯ_xよりなる低屈折率層２ｂとを有している。エピタキシャル層２ａは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃ内に回折格子点となる低屈折率層２ｂが埋め込まれている。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）のエピタキシャル層を含む２次元回折格子を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。

ＤＦＢ（Distributed feedback）レーザは、内部に設けられた１次元の回折格子によって前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである。この現象は、１次元の回折格子に対しブラック条件を満たす特定の波長の光でのみ生じる。したがって、ＤＦＢレーザによれば、縦モード（発振される光の光軸方向の共振モード）が単一モードである光を安定して発振することができる。

一方、ＤＦＢレーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い換えれば回折格子に対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはならず、フィードバックされない。つまり、ＤＦＢレーザでは、発振される光の光軸方向以外の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという欠点があった。

そこで、近年、２次元の屈折率分布を持った２次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。２次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、２次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。

従来の２次元フォトニック結晶レーザは、たとえば国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット（特許文献１）に開示されている。特許文献１の２次元フォトニック結晶レーザは、基板と、基板上に形成された２次元回折格子（フォトニック結晶）と、基板上に形成されたｎ型クラッド層と、基板上に形成されたｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層に挟まれた活性層と、２次元回折格子の真上を覆うＧａＮ層とを備えている。

２次元回折格子は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層と低屈折率材料とによって構成されている。エピタキシャル層および低屈折率材料のうちいずれか一方が回折格子点を占めるように形成されており、いずれか他方が回折格子点の周囲を埋めるように形成されている。

低屈折率材料が回折格子点を占める場合、２次元回折格子は以下の方法によって形成される。まず、レジストを基板上に形成し、レジストにおける回折格子点となる位置に孔を形成する。次に、これらの孔内に低屈折率材料を蒸着する。次に、レジスト上に形成された余分な低屈折率材料をレジストとともに除去（リフトオフ）する。その後、下地層の表面からＧａＮをエピタキシャル成長させ、低屈折率材料の周囲にエピタキシャル層を形成する。

２次元回折格子は、回折格子点において光を反射させ、各回折格子点間において定在波を発生させる役割を果たす。このため、２次元回折格子の低屈折率材料としてはＧａＮよりも低い屈折率を有する材料が用いられる。従来においては、低屈折率材料としてＳｉＯ₂、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＢａＦ₂、またはＬｉＦなどが用いられていた。
国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット

従来の２次元フォトニック結晶レーザにおいては、高品質な２次元回折格子を形成することができないために、十分な電気的特性を得ることができなかった。すなわち、上述の形成方法においてリフトオフを行なう際に、レジストを含む残渣が十分に除去されず、下地層の表面に残渣が残っていた。また、低屈折率材料の蒸着およびリフトオフの際に、レジストと低屈折率材料とに由来する残渣が生じていた。その結果、典型的には以下の３つの問題が生じる。第１の問題としては、下地層に残渣が存在していると、２次元回折格子の構造が理想的な屈折率の周期構造からずれ、２次元回折格子自体の品質が低下する。この結果、設計した波長の光が定在波として効率的に立たなくなり、半導体レーザ素子の発光効率の低下を招く。第２の問題としては、下地層に残渣が存在していると、下地層表面が清浄な表面でなくなり、ＧａＮエピタキシャル層の良好な再成長の妨げになる。これにより、エピタキシャル層が成長せず下地層表面が露出したり、モフォロジーが悪化したりする。第３の問題としては、残渣が電気的な障壁となったり、残渣の影響を受けて２次元回折格子より上に形成される層の品質が低下したりすることにより、半導体レーザ素子の動作電圧が上昇するなどの電気的特性の悪化が起こる。

ここで、残渣を十分に除去するために、リフトオフに用いる薬液として溶解能力のより高いものを使用することが考えられる。しかし、溶解能力の高い薬液を使用した場合には、下地層から低屈折率材料が剥離したり、低屈折率材料の形状が劣化したりするので、低屈折率材料の品質が低下し、２次元回折格子の対称性が劣化する。

したがって、本発明の目的は、電気的特性を向上することのできる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体レーザ素子は、ＧａＮを含む下地層と、下地層に隣接して形成された２次元回折格子とを備えている。２次元回折格子は、ＧａＮを含むエピタキシャル層と、ＡｌＯ_x（酸化アルミニウム）よりなる低屈折率層とを有している。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、ＧａＮを含む下地層上に２次元回折格子を形成する回折格子工程を備えている。回折格子工程は、下地層上に溝を有するレジストを形成する工程と、ＡｌＯ_Xよりなる低屈折率層を溝内およびレジスト上に形成する工程と、レジスト上の低屈折率層をレジストとともに除去する工程と、ＧａＮを含むエピタキシャル層を下地層上に形成する工程とを含んでいる。

本願発明者らは、低屈折率層としてＡｌＯ_Xを用いることにより、溶解能力の高い薬液を用いてレジストを含む残渣を十分に除去しつつ、レジストを除去する際の、下地層からの低屈折率層の剥離および低屈折率層の形状の劣化を抑止することができることを見出した。これは、ＡｌＯ_XがＧａＮを含む下地層との間で高い接合性を有しているためであると考えられる。したがって、本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、電気的特性を向上することができる。

なお、本発明のＡｌＯ_Xにおいて、アルミニウム（Ａｌ）と酸素（Ｏ）との組成比は任意である。また、本願発明において「溝」とは、ある層の一部に形成された窪みを意味しており、線状のものに限定されない。

本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、エピタキシャル層は複数の孔を有しており、複数の孔内に回折格子点となる低屈折率層が埋め込まれている。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、レジストは複数の孔を有している。

これにより、２次元回折格子の回折格子点が低屈折率層で形成されるので、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子となる。

本発明の半導体レーザにおいて好ましくは、低屈折率層は複数の孔を有しており、複数の孔内に回折格子点となるエピタキシャル層が埋め込まれている。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、レジストは複数の柱形状を有している。

これにより、２次元回折格子の回折格子点がＧａＮよりなるエピタキシャル層で形成されるので、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子となる。

本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、電気的特性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザ素子１は、基板３と、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、下地層としてのｐ型クラッド層６と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７と、ＧａＮ層１２と、ｐ型クラッド層８と、コンタクト層９と、電極１０および１１とを備えている。基板３は主面３ａおよび３ｂを有しており、基板３の主面３ａ上には、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、フォトニック結晶層７、ＧａＮ層１２、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９が、この順序で積層されている。コンタクト層９の上には円形状の電極１０が設けられており、基板３の主面３ａとは反対側の主面３ｂには、一面に電極１１が設けられている。電極１０および１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。

フォトニック結晶層７はｐ型クラッド層６上に形成されており、エピタキシャル層２ａと、低屈折率層２ｂとを含んでいる。エピタキシャル層２ａには複数の孔２ｃが形成されており、複数の孔２ｃの内部に低屈折率層２ｂが埋め込まれている。つまり、低屈折率層２ｂがフォトニック結晶層７の回折格子点となっている。エピタキシャル層２ａはＧａＮを含んでいる。また、低屈折率層２ｂはＡｌＯ_xよりなっている。

活性層５はＧａＮを含んでおり、たとえばＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる多重量子井戸により構成されている。活性層５はフォトニック結晶層７に沿って設けられ、所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されていてもよい。また、フォトニック結晶層７に沿って設けられ複数の量子箱として形成されていてもよい。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。

フォトニック結晶層７上にはＧａＮ層１２が形成されている。フォトニック結晶層７のエピタキシャル層２ａと、ＧａＮ層１２とは、共にＧａＮを含む材料よりなっており、たとえばＧａＮよりなっている。そして、エピタキシャル層２ａとＧａＮ層１２とは同一の層である（境界がない）。なお、本発明においてＧａＮ層１２は必須の層ではなく、フォトニック結晶層７の真上にたとえばＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層８が形成されていてもよい。

基板３は、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれかよりなっている。ｎ型クラッド層４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型クラッド層６はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、活性層５に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、活性層５を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、共に、活性層５にキャリア（電子および正孔）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６は、ダブルヘテロ接合を形成している。このため、発光に寄与するキャリアを活性層５に集中させることができる。

また、ｐ型クラッド層６は、フォトニック結晶層７への電子の進入をブロックするブロック層としても機能する。これにより、フォトニック結晶層７内で電子と正孔とが非発光再結合するのを抑止することができる。

ｐ型クラッド層８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層８は、活性層５に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、ｐ型クラッド層８は、フォトニック結晶層７より下の層にキャリア（電子）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。また、コンタクト層９は、電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。

なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板３の厚さはたとえば１００μｍであり、フォトニック結晶層７の厚さはたとえば０．１μｍであり、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、活性層５およびｐ型クラッド層６の厚みはたとえば０．１μｍである。

図３は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図３に示すように、フォトニック結晶層７において、エピタキシャル層２ａの表面１７に複数の低屈折率層（回折格子点）２ｂが３角格子を形成するように設けられている。各回折格子点２ｂの中心と、これと最も近い隣接の６個の回折格子点２ｂの中心との距離は等しい値であり、回折格子点２ｂの中心の間隔はたとえば０．１９μｍであり、回折格子点２ｂの直径はたとえば０．０９μｍである。

エピタキシャル層２ａは第１の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）を有し、周期的に形成された低屈折率層２ｂは第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。低屈折率層２ｂの屈折率は、蒸着条件からＡｌＯ_xの組成を制御することで調整可能であり、好ましくは１．６０以下である。第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとると、所望のフォトニック結晶の特性を得ることができる。

フォトニック結晶層７は、第１の方向と、この方向と所定の角度をなす第２の方向とに対して、等しい周期（格子定数に対応する値）を有する回折格子である。フォトニック結晶層７には、上記の２方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。また、フォトニック結晶層７における電極１０（図１）の真下の領域Ａは、電極１０から高電流密度の電流が注入される領域であるので、光を放出する領域として機能する。半導体レーザ素子１の発光方法については、後ほど説明する。

次に、半導体レーザ素子１の発光方法について、図１〜図３を用いて説明する。
電極１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層６および８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層４から活性層５へ電子が注入される。活性層５へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層５が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。

活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６によって活性層５内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層７に到達する。フォトニック結晶層７に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層７が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。

このような現象は、活性層５およびフォトニック結晶層７が２次元的に広がりをもって形成されているので、電極１０を中心にした領域Ａおよびその付近において生じうる。定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。

続いて、２次元回折格子（フォトニック結晶層）７について具体例を掲げながら説明する。２次元回折格子は、少なくとも２方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような２次元格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を３角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を６角格子とそれぞれ呼ぶ。

図４は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。３角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図４において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向をＸ−Ｊ方向と呼ぶ。本実施の形態では、活性層５において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。

２次元回折格子７は、以下に説明する３個の１次元回折格子群Ｌ、Ｍ、Ｎを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｌは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０度の方向に向けて設けられた１次元格子Ｎ₁、Ｎ₂、Ｎ₃などからなっている。これら３つの１次元回折格子群Ｌ，Ｎ，およびＭは、任意の格子点を中心に１２０度の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群Ｌ，Ｎ，およびＭにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔はａである。

まず、格子群Ｌに関して考える。格子点Ａから格子点Ｂの方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。ここで、λはエピタキシャル層２ａ内における光の波長である。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０゜、±１２０゜の角度に別の格子点Ｄ，Ｅ，Ｆ，およびＧが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点ＡおよびＫが存在する。

格子点Ｂにおいて、たとえば格子点Ｄの方向に向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして順次、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと回折されていく。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。

以上、説明したように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体レーザ素子１においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）において、ｍが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ＝±９０゜となる。これは、２次元回折格子７の主面に対して垂直方向（図４中紙面に垂直な方向）にも回折が強くなることを意味している。これにより、２次元回折格子７の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。

さらに、２次元回折格子７では、上記の説明が任意の格子点Ａにおいて行なわれたことを考慮すると、上記のような光の回折は２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子７では、この２次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。

図５は、図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子空間におけるブリリアンゾーンの中心Γ点、このΓ点と隣接ブリリアンゾーンのΓ点とを結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差するＸ点、互いに隣接する３ブリリアンゾーンが一点において接するＪ点が示されている。図５におけるΓ点、Ｘ点、Ｊ点から規定される方向は、図４に説明において参照したΓ−Ｘ方向およびΓ−Ｊ方向に対応する。

図６（ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行なった結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。図１のフォトニック結晶層７は、図６（ａ）に示された分散関係、つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも２次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のエネルギに対して規定された分散関係をいう。

図６（ａ）および（ｂ）を参照して、Γ点およびその付近の波数範囲では、Ｓで示す部分およびＰで示す部分において、フォトニックバンドギャップが存在している。ここでは、Ｓで示す部分を「第１フォトニックバンドギャップ」と呼び、Ｐで示す部分を「第２フォトニックバンドギャップ」と呼ぶ。第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₁は約０．３５となっており、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₂は約０．６１となっている。ここで、Γ点は波数ベクトルｋ＝０の点であるので、光の規格化周波数ωが規格化周波数ω₁およびω₂の場合には、結晶方向に関わらず定在波が立つことになる。同様の計算を本願のＧａＮよりなるフォトニック結晶（３角格子）に対して行なうと、第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₁は約０．４７となり、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω₂は約０．８２となる。

次に、本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法について、図７〜図１３を用いて説明する。

始めに、図７を参照して、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなる基板３を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal-organic chemical vapor deposition）法を用いて、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をこの順序で基板３上にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板３の直上にバッファ層を形成し、バッファ層の上にｎ型クラッド層４を形成してもよい。

次に、図８を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト２０（パターン層）をｐ型クラッド層６上に形成する。図８では、３角格子状に配列した複数の孔２０ａ（溝）のパターンをレジスト２０は有している。

続いて、図９を参照して、たとえば蒸着法を用いて、複数の孔２０ａの内部およびレジスト２０上に、ＡｌＯ_xよりなる低屈折率層２４を形成する。

続いて、図１０を参照して、レジスト２０を含む残渣を溶解するための薬液２１に基板３を浸漬する。これにより、レジスト２０上に形成された低屈折率層２４がレジスト２０とともに除去（リフトオフ）される。

このリフトオフの工程では、ｐ型クラッド層６の表面からレジスト２０および余分な不要な低屈折率層２４を完全に除去することが求められる。これは、レジスト２０を溶解しやすい条件に薬液２１の種類および温度条件を調節することによって達成される。また、薬液２１に超音波振動を加えてもよい。一方で、リフトオフの条件を上記のように厳しくしても、ＡｌＯ_xよりなる低屈折率層２４を形成することにより、ｐ型クラッド層６から低屈折率層２４が剥離したり、低屈折率層２４の形状が劣化したりすることを抑止することができる。

リフトオフの結果、図１１に示すように、ｐ型クラッド層６上には３角格子状に配列した柱形状を有する複数の低屈折率層２ｂが残る。

次に、ｐ型クラッド層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成する。図１２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１におけるエピタキシャル層の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１２（ａ）は図１１におけるＢ部を拡大した図である。

図１２（ａ）〜（ｆ）を参照して、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比や圧力などを制御して、ＧａＮをエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率層２ｂの上部や側面からはＧａＮはエピタキシャル成長せず、露出しているｐ型クラッド層６の表面からのみＧａＮ（エピタキシャル層２ａ）が選択的にエピタキシャル成長する（（ａ）→（ｂ））。ＧａＮは図中上方向に成長し、低屈折率層２ｂの上端に達する（（ｂ）→（ｃ））。これにより、エピタキシャル層２ａにおける複数の孔２ｃの内部を低屈折率層２ｂで埋めた構成のフォトニック結晶層７（図１）が得られる。

低屈折率層２ｂの上端に達すると、ＧａＮ（ＧａＮ層１２）は低屈折率層２ｂの真上の領域１８で図中横方向に成長する（（ｃ）→（ｄ））。ＧａＮの成長方向は、基板３の主面３ａ（図１）に沿う方向である。その後、ＧａＮが低屈折率層２ｂの真上の領域１８を完全に覆うと、ＧａＮ層１２は再び図中上方向に成長する（（ｄ）→（ｅ）→（ｆ））。これにより、ＧａＮ層１２が形成される。フォトニック結晶層７およびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成した後の状態を図１３に示す。

なお、本実施の形態では、エピタキシャル層２ａが低屈折率層２ｂの真上の領域を覆っている構成について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、たとえばエピタキシャル層２ａが低屈折率層２ｂの上端に達した時点（図１２（ｃ）の時点）でエピタキシャル成長の条件を変えて、ＧａＮを含む（たとえばＡｌＧａＮなどの）ｐ型クラッド層８を引き続き成長させてもよい。この場合には低屈折率層２ｂの真上の領域１８がｐ型クラッド層８で覆われる。後述する実施の形態２についても同様である。

次に、図２を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９をこの順序でＧａＮ層１２上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１が完成する。

本実施の形態における半導体レーザ素子１は、ＧａＮを含むｐ型クラッド層６と、ｐ型クラッド層６に隣接して形成されたフォトニック結晶層７とを備えている。フォトニック結晶層７は、ＧａＮを含むエピタキシャル層２ａと、ＡｌＯ_xよりなる低屈折率層２ｂとを有している。

本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法は、ＧａＮを含むｐ型クラッド層６上にフォトニック結晶層７を形成する回折格子工程を備えている。回折格子工程は、ｐ型クラッド層６上に複数の孔２０ａを有するレジスト２０を形成する工程と、ＡｌＯ_Xよりなる低屈折率層２ｂを複数の孔２０ａ内およびレジスト２０上に形成する工程と、レジスト２０上の低屈折率層２ｂをレジスト２０とともに除去する工程と、ＧａＮを含むエピタキシャル層２ａをｐ型クラッド層６上に形成する工程とを含んでいる。

本実施の形態における半導体レーザ素子１およびその製造方法によれば、溶解能力の高い薬液を用いてレジスト２０を含む残渣を十分に除去しつつ、ｐ型クラッド層６からの低屈折率層２ｂの剥離および低屈折率層２ｂの形状の劣化を抑止することができる。加えて、レジスト２０および低屈折率層２ｂに由来する残渣が生じにくくなる。

ここで、残渣がフォトニック結晶層７に与える影響は大きいと考えられる。一つには、残渣があることにより、フォトニック結晶層７の構造が理想的な屈折率の周期構造からずれ、フォトニック結晶自体の品質が低下する。この結果、設計した波長の光が定在波として効率的に立たなくなり、半導体レーザ素子の発光効率の低下を招く。また、残渣があるとｐ型クラッド層６の表面が清浄な表面でなくなり、エピタキシャル層２ａの良好な再成長の妨げになる。その結果、エピタキシャル層２ａが成長せずｐ型クラッド層６の表面の露出や、モフォロジーの悪化などが生じる。さらに、残渣が電気的な障壁となったり、残渣の影響を受けてフォトニック結晶層７より上に形成される層の品質が低下したりすることにより、半導体レーザ素子の動作電圧が上昇するなどの電気的特性の悪化が起こる。本実施の形態における半導体レーザ素子１によれば、上記の残渣の問題を解決し、電気的特性を向上することができる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１において、エピタキシャル層２ａは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃ内に回折格子点となる低屈折率層２ｂが埋め込まれている。

上記製造方法において好ましくは、レジスト２０は複数の孔２０ａのパターンを有している。

これにより、回折格子点が低屈折率層２ｂによって構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

（実施の形態２）
図１４は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図１４に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいては、フォトニック結晶層７の構成が、実施の形態１における半導体レーザ素子１の場合と異なっている。すなわち、低屈折率層２ｂは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃの各々の内部にＧａＮを含むエピタキシャル層２ａが埋め込まれている。言い換えれば、実施の形態１の半導体レーザ素子１では、回折格子点が低屈折率層２ｂによって構成されていたが、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａでは、回折格子点がエピタキシャル層２ａによって構成されている。

なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成は、実施の形態１における半導体レーザ素子１と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

続いて、本実施の形態における半導体レーザ素子１ａの製造方法について、図１５〜図１９を用いて説明する。

本実施の形態では、始めに、図７に示す実施の形態１と同様の製造工程を経る。次に、図１５を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト２０をｐ型クラッド層６上に形成する。レジスト２０は、３角格子状に配列した複数の柱状部２０ｂのパターンを有している。

続いて、図１６を参照して、複数の柱状部２０ｂの各々の間を埋めるように、低屈折率層２４をたとえば蒸着法を用いてレジスト２０上に形成する。続いて、図１０に示す実施の形態１と同様の方法を用いて、レジスト２０上に形成された低屈折率層２４をレジスト２０とともに除去（リフトオフ）する。これにより、図１７に示すように、ｐ型クラッド層６上には３角格子状に配列した複数の孔２ｃを有する複数の低屈折率層２ｂが形成される。

次に、ｐ型クラッド層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成する。図１８（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態２におけるエピタキシャル層の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１８（ａ）は図１７におけるＣ部を拡大した図である。

図１８（ａ）〜（ｆ）を参照して、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比や圧力などを制御して、ＧａＮをエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率層２ｂの上部や側面からはＧａＮはエピタキシャル成長せず、孔２ｃの底部に露出しているｐ型クラッド層６の表面からのみＧａＮ（エピタキシャル層２ａ）がエピタキシャル成長する（（ａ）→（ｂ））。ＧａＮは図中上方向に成長し、低屈折率層２ｂの上端に達する（（ｂ）→（ｃ））。これにより、低屈折率層２ｂにおける複数の孔２ｃの内部をエピタキシャルで埋めた構成のフォトニック結晶層７が得られる。

低屈折率層２ｂの上端に達すると、ＧａＮ（ＧａＮ層１２）は低屈折率層２ｂの真上の領域１８で図中横方向に成長する（（ｃ）→（ｄ）→（ｅ））。ＧａＮ層１２の成長方向は、基板３の主面３ａ（図１）に沿う方向である。その後、ＧａＮ層１２が低屈折率層２ｂの真上の領域１８を完全に覆うと、ＧａＮ層１２は再び図中上方向に成長する（（ｅ）→（ｆ））。これにより、ＧａＮ層１２が形成される。フォトニック結晶層７およびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成した後の状態を図１９に示す。

次に、図１４を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９をこの順序でＧａＮ層１２上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ａが完成する。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａによれば、実施の形態１の半導体レーザ素子１と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、低屈折率層２ｂは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃ内に回折格子点となるエピタキシャル層２ａが埋め込まれている。

本実施の形態の半導体レーザ素子１ａの製造方法において、レジスト２０は複数の柱状部２０ｂのパターンを有している。

これにより、エピタキシャル層２ａによって回折格子点が構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。

（実施の形態３）
実施の形態１および２においては、フォトニック結晶層７の回折格子点２ｂが図３に示すような３角格子を形成している場合について示した。しかしながら、フォトニック結晶層７の回折格子点の配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。

図２０は、本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図２０に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶層７ａにおいて、エピタキシャル層２ａの一表面に複数の回折格子点２ｂが正方格子を形成するように設けられている。

図２１は、２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。正方格子は、一辺の長さがｄである正方形で埋め尽くされている。図２１において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層５において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。

２次元回折格子（フォトニック結晶層）７ａは、以下に説明する２個の１次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。１次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃などからなっている。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃などからなっている。これら２つの１次元回折格子群ＵおよびＶは、任意の格子点を中心に９０゜の角度で回転すると重なりあう。各１次元回折格子群ＵおよびＶにおいて、１次元格子間の間隔はｄであり、１次元格子内の間隔もｄである。

まず、格子群Ｕに関して考える。格子点Ｗから格子点Ｐの方向に進む光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、３角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０゜の角度に別の格子点Ｑ、Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０、１８０゜にも格子点Ｗ、Ｓが存在する。

格子点Ｐにおいて格子点Ｑの方向に向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて格子群Ｖに従って回折される。この回折は、格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔに向けて回折される光は、格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗに向けて回折される光は、格子群Ｖに従って回折される。

以上、説明したように、格子点Ｗから格子点Ｐに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。このため、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７ａは光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。

また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）において、ｍが奇数である条件でのブラッグ反射の方向は、θ＝±９０゜となる。これは、２次元回折格子７ａの主面に対して垂直方向（図２１中紙面に垂直な方向）にも回折が強くなることを意味している。これにより、２次元回折格子７ａの主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。

さらに、２次元回折格子７ａでは、上記の説明が任意の格子点Ｗにおいて行なわれたことを考慮すると、上記のような光の回折は２次元的に配置されたすべての格子点において生じ得る。このため、各Ｘ−Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって２次元的に相互に結合していると考えられる。２次元回折格子７ａでは、この２次元的結合によって３つのＸ−Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。

なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成およびその製造方法は、実施の形態１および２における半導体レーザ素子１，１ａの構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体レーザ素子によれば、実施の形態１および２の半導体レーザ素子１，１ａと同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
実施の形態１および２においては、図１に示すように、活性層５の上に形成されたｐ型クラッド層６に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている場合について示した。しかし、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、たとえば図２２に示す構成であってもよい。

図２２は、本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。図２２に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、活性層５の下に形成されたｎ型クラッド層４（下地層）に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、ｎ型クラッド層８ａ、フォトニック結晶層７、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、およびコンタクト層９が、この順序で基板３上に形成されている。半導体レーザ素子１ｂから光を発振する際には、電極１０に正電圧を印加することで活性層５にキャリアを注入する。

なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｂの構成およびその製造方法は、実施の形態１および２における半導体レーザ素子１，１ａの構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態１および２の半導体レーザ素子１，１ａと同様の効果を得ることができる。

本実施例においては、ＡｌＯ_xよりなる低屈折率層２ｂを形成することの効果を調べた。具体的には、本発明例として実施の形態１の方法で半導体レーザ素子を製造した。複数の孔２０ａについては、ＥＢ露光装置を用いてレジスト２０に形成した。低屈折率層２ｂについては、蒸着法により形成した。リフトオフ後のｐ型クラッド層６の表面をＳＥＭ（電子走査顕微鏡）にて観察したところ、レジスト２０を含む残渣は完全に除去されており、また低屈折率層２ｂの劣化は見られなかった。リフトオフ後にエピタキシャル層２ａをｐ型クラッド層６上に形成すると、低屈折率層２ｂが完全に埋め込まれ、この後にｐ型クラッド層８などの層を積層して形成することができた。こうして得られた半導体レーザ素子において、ダイオードとしての電気的特性を調べると、立ち上がり電圧が３Ｖであった。

一方、比較例として、低屈折率層を酸化シリコン（ＳｉＯ_x）にて形成した半導体レーザ素子を、実施の形態１とほぼ同様の方法で製造した。リフトオフ後のｐ型クラッド層の表面をＳＥＭにて観察したところ、レジストを含む残渣が残っていた。こうして得られた半導体レーザ素子において、ダイオードとしての電気的特性を調べると、立ち上がり電圧が４．５Ｖであった。

以上の結果により、本発明の半導体レーザ素子によれば、良好な電気的特性が得られることが分かった。

以上に開示された実施の形態および実施例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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、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修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。 ２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。 図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。 （ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行なった結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。（ｂ）は、図６（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第４工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第５工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第６工程におけるエピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（ａ）は第１状態、（ｂ）は第２状態、（ｃ）は第３状態、（ｄ）は第４状態、（ｅ）は第５状態、（ｆ）は第６状態を示している。 本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第７工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第４工程におけるエピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（ａ）は第１状態、（ｂ）は第２状態、（ｃ）は第３状態、（ｄ）は第４状態、（ｅ）は第５状態、（ｆ）は第６状態を示している。 本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第５工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。 ２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。 本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 半導体レーザ素子、２ａ エピタキシャル層、２ｂ，２４ 低屈折率層（回折格子点）、２ｃ，２０ａ 孔、３ 基板、３ａ，３ｂ 基板主面、４，８ａ ｎ型クラッド層、５ 活性層、６，８ ｐ型クラッド層、７，７ａ フォトニック結晶層（２次元回折格子）、９ コンタクト層、９ａ 光放出面、１０，１１ 電極、１２ ＧａＮ層、１７ フォトニック結晶表面、１８ 低屈折率層の真上の領域、２０ レジスト、２０ａ レジストの孔、２０ｂ レジストの柱状部、２１ 薬液。

Claims (6)

1. 窒化ガリウムを含む下地層と、
   前記下地層に隣接して形成された２次元回折格子とを備え、
   前記２次元回折格子は、窒化ガリウムを含むエピタキシャル層と、酸化アルミニウムよりなる低屈折率層とを有する、半導体レーザ素子。
2. 前記エピタキシャル層は複数の孔を有し、前記複数の孔内に回折格子点となる前記低屈折率層が埋め込まれている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記低屈折率層は複数の孔を有し、前記複数の孔内に回折格子点となる前記エピタキシャル層が埋め込まれている、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 窒化ガリウムを含む下地層上に２次元回折格子を形成する回折格子工程を備え、
   前記回折格子工程は、
   前記下地層上に溝を有するレジストを形成する工程と、
   酸化アルミニウムよりなる低屈折率層を前記溝内および前記レジスト上に形成する工程と、
   前記レジスト上の前記低屈折率層を前記レジストとともに除去する工程と、
   窒化ガリウムを含むエピタキシャル層を前記下地層上に形成する工程とを含む、半導体レーザ素子の製造方法。
5. 前記レジストは複数の孔を有する、請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
6. 前記レジストは複数の柱形状を有する、請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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