JP2009130110A - Ｉｉｉ族窒化物系面発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】融着法による貼り合わせを行なうことなく製造することを可能としつつ、孔の形状を容易に制御し、かつ種々の構造の発光装置に適用可能なＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザ１は、ＧａＮからなるｎ型基板１０と、ｎ型基板１０の一方の主面１０Ａ上に形成され、底壁７３Ａを有する複数の孔７３が周期的に形成されたフォトニック結晶層７０とを備えている。底壁７３Ａは、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層７４で覆われており、孔７３は、底壁７３Ａに対向するように形成された閉鎖層７２により閉じられている。
【選択図】図１

Description

本発明はＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法に関し、より特定的には、フォトニック結晶層を備えたＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法に関する。

近年、２次元の屈折率分布を有するフォトニック結晶層を備えることにより、面発光するとともに、発光効率を向上させることが可能な２次元フォトニック結晶レーザなどの面発光素子の開発が進められている。フォトニック結晶層を備えた面発光素子は、たとえば基板上においてダブルヘテロ接合を形成するように配置されたｎ型層、発光層およびｐ型層と、２つの電極とを備えている。そして、フォトニック結晶層は、当該ｎ型層またはｐ型層内に配置される。

このような面発光素子は、２つの電極間に適切な電圧が印加されると、正孔と電子とが発光層内に注入されて再結合することにより発光層内に光が発生する。そして、当該光はフォトニック結晶内に形成された周囲とは屈折率の異なる孔を格子点としてブラッグ反射を繰返し、定在波となる。その結果、当該面発光素子からレーザ光が発振される。

ここで、従来のフォトニック結晶層を備えた面発光素子は、たとえば以下のように製造されていた。すなわち、まず、第１の基板上にフォトニック結晶層が形成された第１の部材と、第２の基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層が形成された第２の部材とが準備される。次に、第１の基板上に形成されたフォトニック結晶層と、第２の基板上に形成され、フォトニック結晶層と接触して配置されるべきｐ型層またはｎ型層とが融着法により貼り合わされる。その後、第１の基板または第２の基板のいずれか一方が除去されたあと、２つの電極が形成されて、フォトニック結晶層を備えた面発光素子が完成する（たとえば、非特許文献１参照）。

一方、近年、短波長の光を発生する発光装置の実用化が進められている。このような短波長の光を発生する発光装置に、上記フォトニック結晶層を備えた発光装置を適用するためには、バンドギャップの大きい半導体、たとえばＩＩＩ族窒化物からなるフォトニック結晶層、ｐ型層およびｎ型層を形成する必要がある。しかし、ＩＩＩ族窒化物などのバンドギャップの大きい半導体は、表面の平坦性を向上させ、高い平坦性を確保することが難しいものも多く、表面の平坦性を管理することが必要な上述のような融着法による貼り合わせを用いた従来の製造方法では、フォトニック結晶層を備えた発光装置を効率よく生産することが困難であるという問題があった。

これに対し、マストランスポート法を用いてフォトニック結晶層を形成し、当該フォトニック結晶層上にｐ型層、発光層およびｎ型層を形成する発光装置の製造方法が提案されている。これにより、融着法による貼り合わせを用いた従来の製造方法の問題点を解消することができる（たとえば、特許文献１参照）。さらに、まず周期的な孔を有するエピタキシャル層を形成し、当該孔の底壁にＳｉＯ₂（二酸化珪素）などの低屈折率材料を被覆した後、エピタキシャル成長層をさらに形成することにより当該孔を閉鎖してフォトニック結晶層を形成する工程を含む、発光装置の製造方法が提案されている。これによっても、融着法による貼り合わせを用いた従来の製造方法の問題点を解消することができる（たとえば、特許文献２参照）。
Ｍａｓａｏ Ｉｍａｄａ, ｅｔ ａｌ．， "Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌａｓｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ−ｌａｔｔｉｃｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ", ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，７５ （３） ｐ．３１６−３１８， １９ Ｊｕｌｙ １９９９ 特開２００４−１１１７６６号公報 国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット

しかしながら、マストランスポート法を用いた特許文献１に記載の発光装置の製造方法では、フォトニック結晶層に形成される孔の断面形状が丸みを帯び、縦方向（フォトニック結晶層の厚み方向）に垂直な断面における孔の形状が、縦方向において変化する。そのため、縦方向において孔の断面形状を制御することが必ずしも容易ではないという問題点がある。また、特許文献２に開示された発光装置の製造方法では、被覆に用いる低屈折率材料によっては、孔を閉鎖する際に孔の形状が維持されず、孔の形状を制御することが困難となる場合がある。そのため、孔の形状の制御が難しいという問題が生じ得る。また、被覆に用いる低屈折率材料としてＳｉＯ₂を採用した場合、ＳｉＯ₂に含まれるＳｉ（珪素）原子がフォトニック結晶内に拡散してｎ型不純物として機能し、発光装置の特性を悪化させるおそれがある。そのため、発光装置内におけるフォトニック結晶層の位置が制限され、当該製造方法を適用可能な発光装置の構造が限られるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、融着法による貼り合わせを行なうことなく製造することを可能としつつ、孔の形状を容易に制御し、かつ種々の構造の発光装置に適用可能なＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明に従ったＩＩＩ族窒化物系面発光素子は、少なくとも一方の主面がＩＩＩ族窒化物からなる基板と、基板の当該少なくとも一方の主面上に形成され、底壁を有する複数の孔が周期的に形成されたフォトニック結晶層とを備えている。上記底壁は、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層で覆われている。そして、上記孔は、底壁に対向するように形成されたエピタキシャル成長層により閉じられている。

本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子においては、フォトニック結晶層内に形成された孔の底壁がチタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層で覆われている。そのため、孔の内部からのエピタキシャル成長を効果的に抑制しつつ、当該底壁に対向するようにエピタキシャル成長層を形成することにより、孔の形状を維持しながら当該孔を閉鎖可能な構造となっている。また、上記チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物を被覆層の素材として採用しているため、ＳｉＯ₂を採用した場合のように、発光装置の特性を悪化させる可能性のある不純物がフォトニック結晶層に拡散することが回避される。そのため、発光装置内におけるフォトニック結晶層の位置が被覆層の素材に起因して制限されず、種々の構造の発光装置に適用可能な構成となっている。

以上のように、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子によれば、融着法による貼り合わせを行なうことなく製造することを可能としつつ、孔の形状を容易に制御し、かつ種々の構造の発光装置に適用可能なＩＩＩ族窒化物系面発光素子を提供することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子において好ましくは、上記被覆層は、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの少なくともいずれか１つから構成されている。

被覆層の素材に、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムを採用することにより、孔の内部からのエピタキシャル成長を特に効果的に抑制することが可能となる。そのため、上記構成によれば、孔の形状の制御が一層容易な構造を有するＩＩＩ族窒化物系面発光素子を提供することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子において好ましくは、上記孔の側壁の一部または全部が、被覆層により覆われている。孔を閉鎖するためのエピタキシャル成長を実施する場合、孔の底壁だけでなく、孔の側壁からも結晶が成長する可能性がある。そのため、孔の底壁だけでなく、孔の側壁の一部または全部が被覆層に覆われていることにより、孔の形状の制御が一層容易となる。なお、孔の側壁からの結晶の成長は、底壁からの成長ほど容易には起こらないため、被覆層により覆われる孔の側壁は、必ずしも側壁全体である必要はなく、側壁の一部であっても、側壁からの結晶の成長を有効に抑制することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子において好ましくは、基板の上記少なくとも一方の主面上に形成された、導電型がｐ型であるｐ型積層構造と、基板の上記少なくとも一方の主面上に形成された、導電型がｎ型であるｎ型積層構造とを備えており、フォトニック結晶層は、ｐ型積層構造に含まれている。

本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子では、被覆層の素材にチタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物が採用されている。そのため、ｐ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置しても、たとえばＳｉＯ_２のように、被覆層を構成する元素がフォトニック結晶層内に拡散してｎ型不純物として機能し、発光装置の特性を悪化させることが回避されている。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子は、フォトニック結晶層がｐ型積層構造内に配置される構造を有するＩＩＩ族窒化物系面発光素子に、特に有効に適用することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子において好ましくは、上記基板は、窒化ガリウムから構成されている。上記基板を、たとえばサファイア基板と当該サファイア基板上に形成された半導体層からなる基板等ではなく、窒化ガリウムから構成される基板とすることにより、歪の小さい結晶からなる発光装置を構成することが可能となり、当該歪による発光効率の低下を抑制することができる。

本発明に従ったＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法は、少なくとも一方の主面がＩＩＩ族窒化物からなる基板を準備する工程と、基板の当該少なくとも一方の主面上に、底壁を有する複数の孔が周期的に形成されたフォトニック結晶層を形成する工程とを備えている。フォトニック結晶層を形成する工程は、上記基板の上記少なくとも一方の主面上に、フォトニック結晶層となるべきベース層を形成する工程と、ベース層に、底壁を有する複数の孔を周期的に形成する工程と、当該孔の底壁を覆うように、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層を形成する工程と、ベース層上にエピタキシャル成長層を形成することにより、上記孔を閉鎖する工程とを含んでいる。

本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法では、フォトニック結晶層を形成する工程において、フォトニック結晶層となるべきベース層に形成された孔の底壁を覆うように、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層が形成され、孔の内部からのエピタキシャル成長が抑制される。そして、その後にエピタキシャル成長層を形成することにより、当該孔が閉鎖されるため、孔の形状の変化を抑制しつつ孔を閉鎖することができる。

また、上記チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物を被覆層の素材として採用しているため、ＳｉＯ₂を採用した場合のように、発光装置の特性を悪化させる可能性のある不純物がフォトニック結晶層に拡散することが回避される。そのため、発光装置内におけるフォトニック結晶層の位置が被覆層の素材に起因して制限されず、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法は種々の構造の発光装置に適用可能である。

以上のように、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法によれば、融着法による貼り合わせを行なうことなく、孔の形状を容易に制御し、かつ種々の構造の発光装置に適用可能なＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法を提供することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法において好ましくは、被覆層を形成する工程では、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの少なくともいずれか１つから構成される被覆層が形成される。

被覆層の素材に、酸化チタン、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムを採用することにより、孔の内部からのエピタキシャル成長を特に効果的に抑制することが可能となる。そのため、上記構成によれば、孔の形状の制御が一層容易となる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法において好ましくは、被覆層を形成する工程では、上記孔の側壁の一部または全部を覆うように被覆層が形成される。

上記孔を閉鎖する工程においては、孔の底壁だけでなく、孔の側壁からも結晶が成長する可能性がある。そのため、被覆層を形成する工程において、孔の底壁だけでなく、孔の側壁の一部または全部を被覆層により覆うことにより、孔の形状の制御が一層容易となる。なお、孔の側壁からの結晶の成長は、底壁からの成長ほど容易には起こらないため、必ずしも側壁全体を覆う必要はなく、側壁の一部を覆うことによっても、側壁からの結晶の成長を有効に抑制することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法において好ましくは、孔を閉鎖する工程では、雰囲気の圧力が６０ｋＰａ以下の条件下で、エピタキシャル成長層が形成される。

雰囲気の圧力を６０ｋＰａ以下にまで減圧した条件下でエピタキシャル成長層を形成することにより、孔を閉鎖する工程において、上記ベース上に形成されるエピタキシャル成長層が横方向（ベース層の上部表面に沿う方向）に成長しやすくなる。これにより、孔の形状が変形することを抑制しつつ、当該孔を閉鎖することができるため、孔の形状の制御が一層容易となる。なお、孔の形状の制御を一層容易にするためには、雰囲気の圧力が３０ｋＰａ以下の条件下で、エピタキシャル成長層が形成されることが好ましい。一方、孔の側壁から横方向に結晶が成長することを抑制する観点から、上記雰囲気の圧力は１ｋＰａ以上であることが好ましい。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法において好ましくは、基板の上記少なくとも一方の主面上に導電型がｐ型であるｐ型積層構造を形成する工程と、基板の上記少なくとも一方の主面上に導電型がｎ型であるｎ型積層構造を形成する工程とを備えており、フォトニック結晶層を形成する工程は、ｐ型積層構造を形成する工程に含まれる。

本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法では、被覆層の素材にチタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物が採用されている。そのため、ｐ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置しても、たとえばＳｉＯ_２のように、被覆層を構成する元素がフォトニック結晶層内に拡散してｎ型不純物として機能し、発光装置の特性を悪化させることが回避されている。したがって、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法は、フォトニック結晶層がｐ型積層構造内に配置される構造を有するＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法に、特に有効に適用することができる。

上記ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法において好ましくは、基板を準備する工程では、窒化ガリウムから構成される基板が準備される。上記基板を窒化ガリウムから構成される基板とすることにより、歪の小さい結晶からなる発光装置を製造することが容易となり、当該歪による発光効率の低下を抑制することができる。

ここで、ＩＩＩ族窒化物とは、ＩＩＩ族元素と窒素とを含む化合物であって、たとえばＧａＮ（窒化ガリウム）のほか、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが挙げられる。

以上の説明から明らかなように、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法によれば、融着法による貼り合わせを行なうことなく製造することを可能としつつ、孔の形状を容易に制御し、かつ種々の構造の発光装置に適用可能なＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法を提供することができる。

以下、図面に基づいて本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、本発明の一実施の形態である実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザの構成を示す概略断面図である。図１を参照して、実施の形態１におけるフォトニックレーザの構成を説明する。

図１を参照して、実施の形態１におけるフォトニックレーザ１は、導電型が第１導電型としてのｎ型であるｎ型基板１０と、ｎ型基板１０上に形成された導電型がｎ型であるｎ型クラッド層２０と、ｎ型クラッド層２０上に形成された導電型がｎ型であるｎ型ガイド層３０と、ｎ型ガイド層３０上に形成された量子井戸発光層である発光層４０とを備えている。さらに、実施の形態１におけるフォトニックレーザ１は、発光層４０上に形成されたアンドープの（キャリアとなる正孔や電子を生成させる不純物が添加されていない）ガイド層５０と、ガイド層５０上に形成された導電型が第２導電型としてのｐ型である電子ブロック層６０と、電子ブロック層６０上に形成されたフォトニック結晶層７０と、フォトニック結晶層７０上に形成された導電型がｐ型であるｐ型クラッド層８０と、ｐ型クラッド層８０上に形成された導電型がｐ型であるｐ型コンタクト層９０を備えている。

ｎ型基板１０は、たとえばＩＩＩ族窒化物である窒化ガリウム（ＧａＮ）からなっていることにより、一方の主面１０ＡがＩＩＩ族窒化物からなっている。また、ｎ型基板１０は、たとえば３０μｍ以上８００μｍ以下程度の厚みを有しているとともに、ｎ型不純物を含むことにより、導電型がｎ型となっている。そして、ｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０は、この一方の主面１０Ａ上に形成されている。

ｎ型クラッド層２０は、たとえば０．０１μｍ以上５μｍ以下程度の厚みを有し、ｎ型不純物を含む窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなっている。また、ｎ型ガイド層３０は、たとえば０．００１μｍ以上３μｍ以下程度の厚みを有し、ｎ型不純物を含むＧａＮからなっている。

さらに、発光層４０は、たとえばＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）発光層である。また、ガイド層５０は、たとえば０．００１μｍ以上１μｍ以下程度の厚みを有し、キャリアとなる正孔や電子を生成させる不純物が添加されていないアンドープのＧａＮからなっている。さらに、電子ブロック層６０は、たとえば０．００１μｍ以上１μｍ以下程度の厚みを有し、ｐ型不純物を含むＡｌＧａＮからなっている。

また、フォトニック結晶層７０は、たとえば０．０１μｍ以上１μｍ以下程度の厚みを有し、ｐ型不純物を含むＧａＮからなっている。そして、フォトニック結晶層７０には、当該フォトニック結晶層７０内に底壁７３Ａを有する複数の孔７３が形成されている。この底壁７３Ａは、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層７４で覆われている。さらに、この孔７３は、底壁７３Ａに対向するように形成されたエピタキシャル成長層としての閉鎖層７２により閉じられている。

別の観点から説明すると、フォトニック結晶層７０は、ｎ型基板１０の側とは反対側に開口を有する孔７３が周期的に形成されたベース層７１と、ベース層７１上に形成され、孔７３の開口を閉鎖する閉鎖層７２とを含んでいる。そして、孔７３の開口から底壁７３Ａまでの距離である孔の深さは、たとえば１ｎｍ以上１０００ｎｍ程度である。この孔７３は、被覆層７４により完全に充填されていてもよいが、本実施例では、被覆層７４の厚みは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度、たとえば１０ｎｍ程度となっており、孔７３の底壁７３Ａと、底壁７３Ａに対向する閉鎖層７２との間には、空洞部７５が形成されている。また、被覆層７４は、たとえば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）および酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の少なくともいずれか１つから構成されていることが好ましい。

さらに、ｎ型クラッド層２０およびｎ型ガイド層３０は、導電型がｎ型であるｎ型積層構造１２を構成しており、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０は、導電型がｐ型であるｐ型積層構造１１を構成している。そして、フォトニック結晶層７０は、ｐ型積層構造１１に含まれている。

次に、実施の形態１におけるフォトニックレーザ１の動作について説明する。図１を参照して、ｎ型基板１０の一方の主面とは反対側の主面である他方の主面１０Ｂ上に形成された図示しない電極と、ｐ型コンタクト層９０のｎ型基板１０の側とは反対側の主面９０Ｂ上に形成された図示しない電極との間に、所定に電圧が印加されると、ｎ型基板１０、ｎ型クラッド層２０およびｎ型ガイド層３０を介してキャリアである電子が、ｐ型コンタクト層９０、ｐ型クラッド層８０、フォトニック結晶層７０、電子ブロック層６０およびガイド層５０を介してキャリアである正孔が、発光層４０に注入される。そして、注入された正孔および電子が発光層４０内において再結合することにより、発光層４０内に光が発生する。

一方、フォトニック結晶層７０には、上述のように空洞部７５を有する孔７３が周期的に形成されている。このフォトニック結晶層７０の孔７３以外の領域と空洞部７５とは屈折率が異なっている。そのため、上述のように発光層４０内で発生した光は、孔７３を格子点としてブラッグ反射を繰返し、定在波となる。その結果、コヒーレントな状態が形成され、フォトニックレーザ１からレーザ光が発振される。

上記実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザ１では、フォトニック結晶層７０内に形成された孔７３の底壁７３Ａがチタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つ、たとえばＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２の少なくともいずれか１つから構成されている被覆層７４で覆われている。そのため、孔７３の内部からのエピタキシャル成長を効果的に抑制しつつ、底壁７３Ａに対向するように閉鎖層７２を形成することにより、孔７３の形状を維持しながら当該孔７３を閉鎖可能な構造となっている。

また、上記チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物を被覆層７４の素材として採用しているため、ＳｉＯ₂を採用した場合のように、フォトニックレーザ１の特性を悪化させる可能性のある不純物がフォトニック結晶層７０に拡散することが回避されている。そのため、フォトニックレーザ１内におけるフォトニック結晶層７０の位置が被覆層７４の素材に起因して制限されず、上述のようにフォトニック結晶層７０が、ｐ型積層構造１１に含まれる構造を採用することが可能となっている。

以上のように、本実施の形態におけるフォトニックレーザ１は、融着法による貼り合わせを行なうことなく製造することが可能であり、孔７３の形状を容易に制御し、かつフォトニック結晶層７０がｐ型積層構造１１に含まれる構造を採用しても、これに起因して発光特性が低下しないフォトニックレーザとなっている。

また、本実施の形態におけるフォトニックレーザ１においては、ｎ型基板１０が、ＧａＮから構成されているため、ｎ型基板１０上に形成されるｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０と、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０、特に発光層４０を構成する結晶の歪が小さくなっている。その結果、当該歪によるフォトニックレーザ１の発光効率の低下が抑制されている。

なお、上記実施の形態１におけるフォトニックレーザ１では、フォトニック結晶層７０がベース層７１と閉鎖層７２とを含んでいる場合について説明したが、閉鎖層７２は必ずしも必要ではない。すなわち、上記ベース層７１上に直接エピタキシャル成長層としてのｐ型クラッド層８０が形成されることにより、孔７３が閉じられる構造を採用することもできる。

次に、本発明の一実施の形態である実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザの製造方法について説明する。以下に説明する製造方法により、上記フォトニックレーザ１を製造することができる。

図２は、実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図３は、実施の形態１におけるフォトニックレーザの製造方法を説明するための概略断面図である。また、図４は、図２におけるフォトニック結晶層形成工程の手順を示すフローチャートである。また、図５は、実施の形態１におけるフォトニック結晶層形成工程を説明するための概略断面図である。また、図６〜図１０は、フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。

図２を参照して、実施の形態１におけるフォトニックレーザ１の製造方法においては、まず、工程（Ｓ１０）として、基板準備工程が実施される。具体的には、図３を参照して、ＧａＮからなり、ｎ型不純物を含むことにより導電型がｎ型となっているｎ型基板１０が準備される。

次に、図２を参照して、工程（Ｓ２０）および工程（Ｓ３０）として、ｎ型クラッド層形成工程およびｎ型ガイド層形成工程がこの順に実施される。具体的には、図３を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたｎ型基板１０の一方の主面１０Ａ上に、ｎ型不純物を含むことにより導電型がｎ型となっているＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２０を形成する工程（Ｓ２０）と、工程（Ｓ２０）において形成されたｎ型クラッド層２０上に、ｎ型不純物を含むことにより導電型がｎ型となっているＧａＮからなるｎ型ガイド層３０を形成する工程（Ｓ３０）とが順次実施される。これらの工程（Ｓ２０）および工程（Ｓ３０）は、図２に示すように導電型がｎ型であるｎ型積層構造を形成するｎ型積層構造形成工程を構成しており、たとえばＯＭＶＰＥ（ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ；有機金属気相成長）法により実施することができる。

次に、図２を参照して、工程（Ｓ４０）、工程（Ｓ５０）および工程（Ｓ６０）として、発光層形成工程、ガイド層形成工程および電子ブロック層形成工程がこの順に実施される。具体的には、図３を参照して、工程（Ｓ３０）において形成されたｎ型ガイド層３０上に、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸発光層である発光層４０を形成する工程（Ｓ４０）と、工程（Ｓ４０）において形成された発光層４０上に、アンドープのＧａＮからなるガイド層５０を形成する工程（Ｓ５０）と、工程（Ｓ５０）において形成されたガイド層５０上にｐ型不純物を含むことにより導電型がｐ型となっているＡｌＧａＮからなる電子ブロック層６０を形成する工程（Ｓ６０）とが順次実施される。これらの工程（Ｓ４０）〜（Ｓ６０）も、たとえばＯＭＶＰＥ法により実施することができる。

次に、図２を参照して、工程（Ｓ７０）として、フォトニック結晶層形成工程が実施される。具体的には、図１を参照して、工程（Ｓ６０）において形成された電子ブロック層６０上に、底壁７３Ａを有する複数の孔７３が周期的に形成されたフォトニック結晶層７０が形成される。この工程（Ｓ７０）の詳細については、後述する。

次に、図２を参照して、工程（Ｓ８０）および工程（Ｓ９０）として、ｐ型クラッド層形成工程およびｐ型コンタクト層形成工程がこの順に実施される。具体的には、図１を参照して、工程（Ｓ７０）において形成されたフォトニック結晶層７０上に、ｐ型クラッド層８０を形成する工程（Ｓ８０）と、工程（Ｓ８０）において形成されたｐ型クラッド層８０上に、ｐ型コンタクト層９０を形成する工程（９０）とが順次実施される。これらの工程（Ｓ８０）および（Ｓ９０）も、たとえばＯＭＶＰＥ法により実施することができる。なお、上記工程（Ｓ６０）〜（Ｓ９０）は、図２に示すように、導電型がｐ型であるｐ型積層構造を形成するｐ型積層構造形成工程を構成する。そして、フォトニック結晶層形成工程は、このｐ型積層構造形成工程に含まれている。

さらに、図２を参照して、工程（Ｓ１００）として、電極形成工程が実施される。具体的には、図１を参照して、工程（Ｓ１０）において準備されたｎ型基板１０の上記一方の主面１０Ａとは反対側の主面である他方の主面１０Ｂ上と、工程（Ｓ９０）において形成されたｐ型コンタクト層９０のｎ型基板１０の側とは反対側の主面９０Ｂ上とのそれぞれに、金（Ａｕ）などを含み、ｎ型基板１０およびｐ型コンタクト層９０のそれぞれとオーミック接触するオーミック電極（図示しない）が形成される。これにより、本実施の形態におけるフォトニックレーザ１は完成する。

次に、上記フォトニック結晶層形成工程の詳細について説明する。工程（Ｓ７０）であるフォトニック結晶層形成工程においては、図４を参照して、まず工程（Ｓ７１）としてベース層形成工程が実施される。具体的には、図５を参照して、工程（Ｓ６０）において形成された電子ブロック層６０上に、ｐ型不純物を含むことにより導電型がｐ型となっているＧａＮからなり、フォトニック結晶層７０となるべきベース層７１が形成される。この工程（Ｓ７１）は、たとえばＯＭＶＰＥ法により実施することができる。

次に、図４を参照して、工程（Ｓ７２）として、工程（Ｓ７１）において形成されたベース層７１に、当該ベース層７１内に底壁を有する複数の孔を周期的に形成する孔形成工程が実施される。具体的には、まず、図６を参照して、ベース層７１上にレジスト９９が塗布された後、露光および現像が行なわれ、所望の孔７３（図１参照）の形状および配置に応じた開口９９Ａを有するマスクパターンが形成される。上記露光は、たとえば電子ビーム露光装置を用いたＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）露光法により実施することができる。また、露光および現像に代えて、ナノインプリント法により、マスクパターンが形成されてもよい。その後、図７を参照して、上記マスクパターンが形成されたレジスト９９がマスクとして用いられて、たとえばＩＣＰ―ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ − Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ；誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチング）によりベース層７１がエッチングされ、ベース層７１内に底壁７９Ａを有する複数の孔７９が周期的に形成される。

次に、図４を参照して、工程（Ｓ７３）として、工程（Ｓ７２）において形成された孔７９の底壁７９Ａを覆うように、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層を形成する被覆層形成工程が実施される。具体的には、図８を参照して、まず、工程（Ｓ７２）において形成された孔７９の底壁７９Ａおよびレジスト上に、ＥＢ蒸着装置をもちいたＥＢ蒸着法により、ＺｒＯ_２層７８が形成される。このとき、孔７９は、ＺｒＯ_２層７８により完全には充填されず、その一部が充填される。その後、図８および図９を参照して、アセトンなどの有機溶剤により、レジスト９９がレジスト９９上のＺｒＯ_２層７８とともに除去される（リフトオフ）。これにより、図９に示すように、ＺｒＯ_２からなり、孔７９の底壁７９Ａを覆う被覆層７４が形成される。

なお、レジスト９９の除去をより確実に行なうために、レジスト９９とベース層７１との間にアルミニウム（Ａｌ）からなるＡｌ層を形成してもよい。すなわち、工程（Ｓ７２）においてレジスト９９を塗布する前に、図５を参照して、まずベース層７１上に、蒸着法によりＡｌ膜を形成する。その後、図６を参照して、当該Ａｌ膜上にレジスト９９を塗布し、上述の手順でレジスト９９にマスクパターンを形成する。そして、当該マスクパターンが形成されたレジスト９９をマスクとして用いて、たとえばＩＣＰ―ＲＩＥによりＡｌ膜とともにベース層７１をエッチングする。さらに、工程（Ｓ７３）において、上述の手順でリフトオフを行なった後、混酸などを用いてＡｌ膜を除去する。これにより、レジスト９９をより確実に除去することができる。

次に、図４を参照して、工程（Ｓ７４）として、ベース層７１上にエピタキシャル成長層を形成することにより、孔７９を閉鎖する孔閉鎖工程が実施される。具体的には、図９および図１０を参照して、孔７９が形成されたベース層７１上に、エピタキシャル成長層としての閉鎖層７２を形成することにより、孔７９が閉鎖される。これにより、空洞部７５を有し、かつ底壁７３Ａが被覆層７４により覆われた孔７３が形成される。この閉鎖層７２の形成は、たとえばＯＭＶＰＥ法により実施することができる。

ここで、図９および図１０を参照して、閉鎖層７２を成長させる際には、上述のように孔７３の底壁７３Ａが被覆層７４により覆われているため、閉鎖層７２を構成する結晶は、孔７３の内部ではほとんど成長せず、ベース層７１の上部表面７１Ａ上において成長する。そして、ベース層７１の上部表面７１Ａ上で成長する結晶が横方向（上部表面７１Ａに沿う方向）に成長して互いに結合することにより、孔７３を閉鎖する閉鎖層７２が形成される。また、この工程（Ｓ７４）では、雰囲気の圧力が６０ｋＰａ以下、たとえば２０ｋＰａの条件下で閉鎖層７２が形成されることにより、横方向への結晶の成長が起こりやすくなり、工程（Ｓ７４）を容易に実施することが可能となる。以上の工程（Ｓ７１）〜（Ｓ７４）により、複数の孔７３が周期的に形成されたフォトニック結晶層７０が形成される。

なお、上述のように、上記工程（Ｓ２０）〜（Ｓ６０）、（Ｓ８０）〜（Ｓ９０）、（Ｓ７１）および（Ｓ７４）は、いずれもＯＭＶＰＥ法により実施することができる。そのため、以下の手順で工程（Ｓ２０）〜（Ｓ９０）を実施することができる。すなわち、まず工程（Ｓ１０）において準備したｎ型基板１０をＯＭＶＰＥ炉に挿入し、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ７１）までを連続的に実施して、ｎ型基板１０上にｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０およびベース層７１が形成された構造体（図５参照）を作製する。その後、当該構造体をＯＭＶＰＥ炉から取り出し、工程（Ｓ７２）および（Ｓ７３）を実施した上で、さらに当該構造体をＯＭＶＰＥ炉に再度挿入して工程（Ｓ７４）、（Ｓ８０）および（Ｓ９０）を実施する。これにより、工程（Ｓ２０）〜（Ｓ９０）を効率的に実施することができる。

本実施の形態におけるフォトニックレーザ１の製造方法では、フォトニック結晶層を形成する工程（Ｓ７０）において、フォトニック結晶層７０となるべきベース層７１に形成された孔７９の底壁７９Ａを覆うように、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層７４が形成され、孔７９の内部からのエピタキシャル成長が抑制される。そして、その後にエピタキシャル成長層としての閉鎖層７２を形成することにより、当該孔７９が閉鎖されるため、孔７９の形状の変化を抑制しつつ孔７９を閉鎖することができる。

また、上記チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物を被覆層７４の素材として採用しているため、ＳｉＯ₂を採用した場合のように、フォトニックレーザ１の特性を悪化させる可能性のある不純物がフォトニック結晶層７０に拡散することが回避されている。そのため、フォトニックレーザ１内におけるフォトニック結晶層７０の位置が被覆層７４の素材に起因して制限されず、上述のようにフォトニック結晶層７０が、ｐ型積層構造１１に含まれる構造のフォトニックレーザ１を製造することができる。

以上のように、本実施の形態におけるフォトニックレーザの製造方法によれば、融着法による貼り合わせを行なうことなく、孔７９の形状を容易に制御し、かつフォトニック結晶層７０がｐ型積層構造１１に含まれる構造を採用しても、これに起因して発光特性が低下しないフォトニックレーザを製造することができる。

また、本実施の形態におけるフォトニックレーザ１の製造方法では、工程（Ｓ１０）において準備されるｎ型基板１０が、ＧａＮから構成されているため、ｎ型基板１０上に形成されるｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０と、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０、特に発光層４０を構成する結晶の歪を小さくすることができる。その結果、当該歪による発光効率の低下が抑制されたフォトニックレーザ１を製造することができる。

なお、図２および図４を参照して、上記実施の形態１におけるフォトニックレーザ１の製造方法では、工程（Ｓ７２）においてベース層７１に形成された孔７９が、工程（Ｓ７４）において形成される閉鎖層７２により閉鎖されるプロセスについて説明したが、閉鎖層７２を形成することなく、ベース層７１上に直接エピタキシャル成長層としてのｐ型クラッド層８０を形成することにより、孔７９を閉鎖するプロセスが採用されてもよい。すなわち、工程（Ｓ７４）を省略し、工程（Ｓ８０）を工程（Ｓ７３）の直後に実施するプロセスを採用することも可能である。

（実施の形態２）
次に、本発明の一実施の形態である実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザについて説明する。図１１は、実施の形態２におけるフォトニックレーザの構成を示す概略断面図である。

図１１を参照して、実施の形態２におけるフォトニックレーザ１と、図１に基づいて説明した実施の形態１におけるフォトニックレーザ１とは、基本的には同様の構成を有し、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２におけるフォトニックレーザ１は、フォトニック結晶層７０の配置およびフォトニック結晶層７０の孔７３内に形成される被覆層７４の配置において、図１のフォトニックレーザ１とは異なっている。

すなわち、図１１を参照して、実施の形態１においては、電子ブロック層６０とｐ型クラッド層８０との間に配置されていたフォトニック結晶層７０が、実施の形態２においては、ｎ型クラッド層２０とｎ型ガイド層３０との間に配置されている。すなわち、実施の形態２においては、フォトニック結晶層７０は導電型がｎ型であるｎ型積層構造１２に含まれている。このように配置される場合でも、フォトニック結晶層７０は実施の形態１の場合と同様に機能することができる。

また、図１１を参照して、実施の形態２におけるフォトニックレーザ１では、フォトニック結晶層７０に形成された孔７３の底壁７３Ａだけでなく、側壁７３Ｂも被覆層７４により覆われている。孔７３を閉鎖するためのエピタキシャル成長を実施する場合、孔７３の底壁７３Ａだけでなく、孔７３の側壁７３Ｂからも結晶が成長する可能性がある。そのため、底壁７３Ａだけでなく側壁７３Ｂが被覆層７４に覆われていることにより、孔７３の形状の制御が一層容易となっている。なお、側壁７３Ｂからの結晶の成長は、底壁７３Ａからの成長ほど容易には起こらないため、被覆層７４により覆われる孔７３の側壁７３Ｂは、必ずしも側壁７３Ｂ全体である必要はなく、側壁７３Ｂの一部であっても、側壁７３Ｂからの結晶の成長を有効に抑制することができる。

次に、本発明の一実施の形態である実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザの製造方法について説明する。図１２は、実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図１３は、実施の形態２におけるフォトニックレーザの製造方法を説明するための概略断面図である。また、図１４は、実施の形態２におけるフォトニック結晶層形成工程を説明するための概略断面図である。また、図１５〜図１７は、フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。

図１２を参照して、実施の形態２におけるフォトニックレーザの製造方法と、図２に基づいて説明した実施の形態１におけるフォトニックレーザの製造方法とは、基本的には同様の手順で実施される。しかし、実施の形態２におけるフォトニックレーザの製造方法では、フォトニック結晶層形成工程が実施される順序およびフォトニック結晶層形成工程の実施手順において、実施の形態１の場合とは異なっている。

すなわち、図１２を参照して、実施の形態１においては、工程（Ｓ６０）である電子ブロック層形成工程と工程（Ｓ８０）であるｐ型クラッド層形成工程との間で実施された工程（Ｓ７０）であるフォトニック結晶層形成工程が、実施の形態２においては、工程（Ｓ２０）であるｎ型クラッド層形成工程と工程（Ｓ３０）であるｎ型ガイド層形成工程との間で実施される。つまり、実施の形態２においては、図１２および図１３を参照して、まず、工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）が実施の形態１の場合と同様に実施されることにより、ｎ型基板１０上にｎ型クラッド層２０が形成される。その後、後述する工程（Ｓ７０）が実施された上で、工程（Ｓ３０）〜（Ｓ６０）および工程（Ｓ８０）〜（Ｓ１００）が実施の形態１の場合と同様に順次実施され、図１１に示す実施の形態２のフォトニックレーザ１が製造される。

すなわち、実施の形態２においては、フォトニック結晶層形成工程は、導電型がｎ型であるｎ型積層構造を形成するｎ型積層構造工程に含まれる。これにより、フォトニック結晶層７０がｎ型積層構造１２に含まれる実施の形態２におけるフォトニックレーザ１を製造することができる。

次に、実施の形態２におけるフォトニック結晶層形成工程の実施手順について説明する。図１２を参照して、実施の形態２の工程（Ｓ７０）であるフォトニック結晶層形成工程は、基本的には、図４に基づいて説明した実施の形態１の場合と同様に実施される。

図４および図１４を参照して、実施の形態２においては、まず、工程（Ｓ２０）において形成されたｎ型クラッド層２０上に、実施の形態１と同様の方法により、ベース層７１が形成されるベース層形成工程が工程（Ｓ７１）として実施される。次に、図６および図７に基づいて説明した実施の形態１の場合と同様に、孔形成工程が工程（Ｓ７２）として実施される。

その後、図４を参照して、工程（Ｓ７３）として、被覆層形成工程が実施される。ここで、実施の形態２では実施の形態１の場合とは異なり、図１５に示すように、孔７９の底壁７９Ａだけでなく側壁７９Ｂをも覆うようにＺｒＯ_２層７８が形成される。なお、底壁７９Ａだけでなく側壁７９Ｂをも覆うようにＺｒＯ_２層７８を形成するためには、たとえば蒸着時の真空度を調整（抑制）してもよいし、側壁７９Ｂの底壁７９Ａに対する角度が９０°からわずかに傾く（たとえば８０〜８５°程度）ように（孔７９の深さ方向に垂直な断面における断面積が孔７９の入り口よりも底壁７９Ａにおいて小さくなるように）、孔７９を形成してもよい。

そして、図１５および図１６を参照して、アセトンなどの有機溶剤により、レジスト９９がレジスト９９上のＺｒＯ_２層７８とともに除去される（リフトオフ）。これにより、孔７９の底壁７９Ａおよび側壁７９ＢにＺｒＯ_２からなる被覆層７４が形成される。さらに、図４および図１７を参照して、工程（Ｓ７４）として、実施の形態１と同様に、孔閉鎖工程が実施される。

ここで、図４、図１６および図１７を参照して、工程（Ｓ７４）において閉鎖層７２を成長させる際には、孔７９の底壁７９Ａだけでなく、側壁７９Ｂからも結晶が成長する可能性がある。これに対し、実施の形態２においては、上述のように工程（Ｓ７３）において孔７９の底壁７９Ａだけでなく側壁７９Ｂが被覆層７４により覆われている。そのため、工程（Ｓ７４）において、孔７９の底壁７９Ａからだけでなく、側壁７９Ｂからの結晶の成長も抑制されている。その結果、図１１を参照して、フォトニック結晶層７０の孔７３の形状を高い精度で制御することが可能となっている。

なお、図４および図１７を参照して、工程（Ｓ７４）において、孔７９の側壁７９Ｂからの結晶の成長は、底壁７９Ａからの成長ほど容易には起こらない。そのため、工程（Ｓ７３）において、必ずしも側壁７３Ｂ全体を被覆層７４により覆う必要はなく、一部を覆うように工程（Ｓ７３）が実施されても側壁７３Ｂからの結晶の成長を有効に抑制することができる。

なお、上記実施の形態１においては、フォトニック結晶層７０がｐ型積層領域１１に含まれるように形成され、孔７３の側壁７３Ｂが被覆層７４により覆われていない場合について説明し、実施の形態２においては、フォトニック結晶層７０がｎ型積層領域１２に含まれるように形成され、孔７３の側壁７３Ｂが被覆層７４により覆われている場合について説明したが、本発明のフォトニック結晶層７０の構成はこれに限られない。すなわち、フォトニック結晶層７０がｐ型積層領域１１に含まれるように形成され、孔７３の側壁７３Ｂが被覆層７４により覆われていてもよいし、フォトニック結晶層７０がｎ型積層領域１２に含まれるように形成され、孔７３の側壁７３Ｂが被覆層７４により覆われていなくてもよい。

以下、実施例１について説明する。本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザを実際に作製し、フォトニック結晶層の孔の形状および電気特性を確認する実験を行なった。実験の具体的手順は以下のとおりである。

まず、実験の対象となるフォトニックレーザの作製方法について説明する。本発明の実施例として、上記実施の形態１と同様の方法により、実施の形態１と同様の構成を有するフォトニックレーザを作製した。すなわち、まず、上記実施の形態１において説明した手順で図２の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）を実施した。次に、図２の工程（Ｓ７０）に含まれる図４の工程（Ｓ７１）を実施の形態１と同様に実施した後、図４の工程（Ｓ７２）では、ＥＢ露光法を用いて直径７０ｎｍの開口が１６０ｎｍピッチで形成されたレジストからなるマスクパターンを形成した。そして、当該マスクパターンが形成されたレジストをマスクとして、塩素（Ｃｌ_２）ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、深さ７０ｎｍの孔を形成した。その後、図４の工程（Ｓ７３）において、ＥＢ蒸着装置を用いて厚さ１００ÅのＺｒＯ_２膜を形成し、リフトオフによりレジストおよびレジスト上のＺｒＯ_２膜を除去した。そして、図４の工程（Ｓ７４）において、圧力２０ｋＰａの条件下で閉鎖層を形成した。

さらに、図２の工程（Ｓ８０）〜（Ｓ１００）までを上記実施の形態１において説明した手順で実施することにより、図１に示す本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザを完成させた。ｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０と、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０の形成は、いずれもＯＭＶＰＥ法により実施した（実施例Ａ）。

また、上記実施例Ａと同様の製造方法において、ＺｒＯ_２膜に代えて酸化チタン（ＴｉＯ_２）膜を採用したフォトニックレーザも作製した（実施例Ｂ）。

一方、比較のため、上述と同様の製造方法において、ＺｒＯ_２膜に代えてＳｉＯ_２膜、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）膜および酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）膜を採用した本発明の範囲外のフォトニックレーザもそれぞれ作製した（比較例Ａ、ＢおよびＣ）。

さらに、本発明の実施例として、上記実施の形態２と同様の方法により、実施の形態２と同様の構成を有するフォトニックレーザを作製した。すなわち、まず、上記実施の形態２において説明した手順で図１２の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ２０）を実施した。次に、図１２の工程（Ｓ７０）に含まれる図４の工程（Ｓ７１）を実施の形態２と同様に実施した後、図４の工程（Ｓ７２）では、ナノインプリント法を用いて直径６５ｎｍの開口が１５０ｎｍピッチで形成されたレジストからなるマスクパターンを形成した。そして、当該マスクパターンが形成されたレジストをマスクとして、塩素（Ｃｌ_２）ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、深さ６０ｎｍの孔を形成した。その後、図４の工程（Ｓ７３）において、ＥＢ蒸着装置を用いて厚さ１００ÅのＺｒＯ_２膜を形成し、リフトオフによりレジストおよびレジスト上のＺｒＯ_２膜を除去した。そして、図４の工程（Ｓ７４）において、圧力２０ｋＰａの条件下で閉鎖層を形成した。

そして、図１２の工程（Ｓ４０）〜（Ｓ１００）までを上記実施の形態２において説明した手順で実施することにより、図１１に示す本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザ１を完成させた。ｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０と、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０の形成は、いずれもＯＭＶＰＥ法により実施した（実施例Ｃ）。

また、上記実施例Ｃと同様の製造方法において、ＺｒＯ_２膜に代えてＳｉＯ_２膜を採用した本発明の範囲外のフォトニックレーザも作製した（比較例Ｄ）。

そして、上記実施例Ａ、Ｂおよび比較例Ａ〜Ｃについて、フォトニックレーザを基板の主面に垂直な断面において切断し、フォトニック結晶層を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）にて観察することにより、フォトニック結晶層の孔の形状を確認した。また、実施例ＡおよびＣと、比較例ＡおよびＤとについて、順方向電圧を印加した場合の順方向電流を測定することにより、電気特性を調査した。

次に、実験結果について説明する。まず、フォトニック結晶層の孔の形状に関する実験結果は以下のとおりであった。

図１８は、実施例Ａにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。また、図１９は、実施例Ｂにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。また、図２０は、比較例Ａにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。また、図２１は、比較例Ｂにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。また、図２２は、比較例Ｃにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。なお、図１８〜図２２において、写真右上部には、孔の形状の状態に関する評価が○、△、×の３段階で表示されている。○は孔の形状が良好であったことを示し、△は孔の形状が確認できたことを示し、×は孔の形状が確認できなかったことを示している。

図１８を参照して、フォトニック結晶層の孔の底壁を覆う被覆層の素材にＺｒＯ_２を採用した実施例Ａにおいては、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した孔の形状がほぼ維持されており、孔の形状が十分に制御可能であることが確認された。また、図１９を参照して、フォトニック結晶層の孔の底壁を覆う被覆層の素材にＴｉＯ_２を採用した実施例Ｂにおいては、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した孔の形状が変形しているものの、孔の形状がある程度制御可能であるといえる。さらに、図２０を参照して、フォトニック結晶層の孔の底壁を覆う被覆層の素材にＳｉＯ_２を採用した比較例Ａにおいては、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した孔の形状がほぼ維持されており、孔の形状が十分に制御可能である。一方、図２１および図２２を参照して、フォトニック結晶層の孔の底壁を覆う被覆層の素材にそれぞれＣｅＯ_２およびＣｒ_２Ｏ_３を採用した比較例ＢおよびＣにおいては、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した孔がほぼ完全に消失している。これは、被覆層の素材にＣｅＯ_２やＣｒ_２Ｏ_３を採用した場合、ＩＣＰ−ＲＩＥにより形成した孔を閉鎖する工程において、当該孔の内部においても結晶が成長したためであると考えられる。このことから、被覆層の素材にＣｅＯ_２やＣｒ_２Ｏ_３を採用した場合、所望のフォトニック結晶層を形成することができないことが分かった。

次に、電気特性に関する実験結果について説明する。図２３は、実施例Ａの電気特性を示す図である。また、図２４は、比較例Ａの電気特性を示す図である。また、図２５は、実施例Ｃの電気特性を示す図である。また、図２６は、比較例Ｄの電気特性を示す図である。図２３〜図２６において、横軸はフォトニックレーザに印加された順方向電圧の値、縦軸はフォトニックレーザに流れた順方向電流の値を示している。

被覆層の素材にＺｒＯ_２を採用し、ｐ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置した実施例Ａのフォトニックレーザは、図２３に示すように、３Ｖ付近から電流値が立ち上がる良好なダイオード特性を有していることが確認された。また、図２５を参照して、被覆層の素材にＺｒＯ_２を採用し、ｎ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置した実施例Ｃのフォトニックレーザも、実施例Ａと同様に、３Ｖ付近から電流値が立ち上がる良好なダイオード特性を有している。

これに対し、被覆層の素材にＳｉＯ_２を採用し、ｐ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置した比較例Ａのフォトニックレーザは、図２４に示すように、電流値の立ち上がり電圧が上昇するとともに、電流値の立ち上がり前に僅かな電流が流れる現象（電流リーク）が確認される。これは、ｐ型積層構造内に配置されたフォトニック結晶層の孔の内部に被覆層としてＳｉＯ_２の層を形成した結果、Ｓｉが拡散してｎ型不純物としてはたらき、ダイオード特性を悪化させたものと考えられる。また、図２６を参照して、被覆層の素材にＳｉＯ_２を採用し、ｎ型積層構造内にフォトニック結晶層を配置した比較例Ｄのフォトニックレーザは、上記実施例ＡおよびＢの場合と同様に、３Ｖ付近から電流値が立ち上がるダイオード特性を有している。

以上の実験結果より、フォトニック結晶層の孔の形状を制御する観点からは、上記被覆層の素材として、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２およびＳｉＯ_２を採用することが好ましいものの、ＳｉＯ_２はフォトニック結晶層をｐ型積層構造内に配置した場合、電気特性が低下するという問題点がある。そのため、上記被覆層の素材としては、ＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２が好ましく、孔の形状の制御が特に容易なＺｒＯ_２を採用することが特に好ましいことが確認された。

以下、実施例２について説明する。本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザを実際に作製し、発光を確認する実験を行なった。実験の具体的手順は以下のとおりである。

本発明の実施例として、上記実施の形態１と同様の方法により、実施の形態１と同様の構成を有するフォトニックレーザを作製した。すなわち、まず、上記実施の形態１において説明した手順で図２の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）を実施した。次に、図２の工程（Ｓ７０）に含まれる図４の工程（Ｓ７１）を実施の形態１と同様に実施した後、図４の工程（Ｓ７２）では、レジストを塗布する前に、まずベース層上に、蒸着法によりＡｌ膜を形成した。そして、ＥＢ露光法を用いて直径６５ｎｍの開口が１５０ｎｍピッチで形成されたレジストからなるマスクパターンを形成した。さらに、当該マスクパターンが形成されたレジストをマスクとして、塩素（Ｃｌ_２）ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥにより、深さ１００ｎｍの孔をベース層に形成した。その後、図４の工程（Ｓ７３）において、ＥＢ蒸着装置を用いて厚さ１００ÅのＺｒＯ_２膜を形成し、リフトオフによりレジストおよびレジスト上のＺｒＯ_２膜を除去した。さらに、リン酸：硝酸：酢酸：水＝１６：１：２：１の混酸にてＡｌ膜を除去した。そして、図４の工程（Ｓ７４）において、圧力２０ｋＰａの条件下で閉鎖層を形成した。

さらに、図２の工程（Ｓ８０）〜（Ｓ１００）までを上記実施の形態１において説明した手順で実施することにより、図１に示す本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子であるフォトニックレーザを完成させた。ｎ型クラッド層２０、ｎ型ガイド層３０と、発光層４０、ガイド層５０、電子ブロック層６０、フォトニック結晶層７０、ｐ型クラッド層８０およびｐ型コンタクト層９０の形成は、いずれもＯＭＶＰＥ法により実施した（実施例Ｄ）。

上述のように作製された本発明の実施例Ｄのフォトニックレーザに電圧を印加して通電したところ、遠視野がドーナツ状のレーザ光が観察された。このことから、本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子としてのフォトニックレーザは、良好な発光特性を有していることが確認された。

今回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えられるべきである。本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。

本発明のＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法は、フォトニック結晶層を備えたＩＩＩ族窒化物系面発光素子およびその製造方法に、特に有利に適用され得る。

実施の形態１におけるフォトニックレーザの構成を示す概略断面図である。 実施の形態１におけるフォトニックレーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態１におけるフォトニックレーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 図２におけるフォトニック結晶層形成工程の手順を示すフローチャートである。 実施の形態１におけるフォトニック結晶層形成工程を説明するための概略断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 実施の形態２におけるフォトニックレーザの構成を示す概略断面図である。 実施の形態２におけるフォトニックレーザの製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態２におけるフォトニックレーザの製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態２におけるフォトニック結晶層形成工程を説明するための概略断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 フォトニック結晶層形成工程を説明するための概略部分断面図である。 実施例Ａにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。 実施例Ｂにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。 比較例Ａにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。 比較例Ｂにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。 比較例Ｃにおけるフォトニック結晶層の孔のＳＥＭ写真である。 実施例Ａの電気特性を示す図である。 比較例Ａの電気特性を示す図である。 実施例Ｃの電気特性を示す図である。 比較例Ｄの電気特性を示す図である。

符号の説明

１ フォトニックレーザ、１０Ａ 一方の主面、１０Ｂ 他方の主面、１０ ｎ型基板、１１ ｐ型積層構造、１２ ｎ型積層構造、２０ ｎ型クラッド層、３０ ｎ型ガイド層、４０ 発光層、５０ ガイド層、６０ 電子ブロック層、７０ フォトニック結晶層、７１ ベース層、７１Ａ 上部表面、７２ 閉鎖層、７３ 孔、７３Ａ 底壁、７３Ｂ 側壁、７４ 被覆層、７５ 空洞部、７８ ＺｒＯ_２層、７９ 孔、７９Ａ 底壁、７９Ｂ 側壁、８０ ｐ型クラッド層、９０ ｐ型コンタクト層、９０Ｂ 主面、９９ レジスト、９９Ａ 開口。

Claims (11)

1. 少なくとも一方の主面がＩＩＩ族窒化物からなる基板と、
   前記基板の前記少なくとも一方の主面上に形成され、底壁を有する複数の孔が周期的に形成されたフォトニック結晶層とを備え、
   前記底壁は、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層で覆われており、
   前記孔は、前記底壁に対向するように形成されたエピタキシャル成長層により閉じられている、ＩＩＩ族窒化物系面発光素子。
2. 前記被覆層は、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの少なくともいずれか１つから構成されている、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子。
3. 前記孔の側壁の一部または全部が、前記被覆層により覆われている、請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子。
4. 前記基板の前記少なくとも一方の主面上に形成された、導電型がｐ型であるｐ型積層構造と、
   前記基板の前記少なくとも一方の主面上に形成された、導電型がｎ型であるｎ型積層構造とを備え、
   前記フォトニック結晶層は、前記ｐ型積層構造に含まれる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子。
5. 前記基板は、窒化ガリウムから構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子。
6. 少なくとも一方の主面がＩＩＩ族窒化物からなる基板を準備する工程と、
   前記基板の前記少なくとも一方の主面上に、底壁を有する複数の孔が周期的に形成されたフォトニック結晶層を形成する工程とを備え、
   前記フォトニック結晶層を形成する工程は、
   前記基板の前記少なくとも一方の主面上に、前記フォトニック結晶層となるべきベース層を形成する工程と、
   前記ベース層に、底壁を有する複数の孔を周期的に形成する工程と、
   前記孔の前記底壁を覆うように、チタン、ジルコニウムまたはハフニウムの酸化物、窒化物、フッ化物、硼化物または炭化物からなる群から選択される少なくとも１つから構成される被覆層を形成する工程と、
   前記ベース層上にエピタキシャル成長層を形成することにより、前記孔を閉鎖する工程とを含む、ＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。
7. 前記被覆層を形成する工程では、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよび酸化ハフニウムの少なくともいずれか１つから構成される前記被覆層が形成される、請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。
8. 前記被覆層を形成する工程では、前記孔の側壁の一部または全部を覆うように前記被覆層が形成される、請求項６または７に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。
9. 前記孔を閉鎖する工程では、雰囲気の圧力が６０ｋＰａ以下の条件下で、前記エピタキシャル成長層が形成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。
10. 前記基板の前記少なくとも一方の主面上に導電型がｐ型であるｐ型積層構造を形成する工程と、
    前記基板の前記少なくとも一方の主面上に導電型がｎ型であるｎ型積層構造を形成する工程とを備え、
    前記フォトニック結晶層を形成する工程は、前記ｐ型積層構造を形成する工程に含まれる、請求項６〜９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。
11. 前記基板を準備する工程では、窒化ガリウムから構成される前記基板が準備される、請求項６〜１０のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系面発光素子の製造方法。