JP2010003918A - 面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを提供する。
【解決手段】活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法に関する。

面発光レーザの一つとして、反射鏡に二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが知られている。
近紫外から青色領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲと記す）が広く用いられる。
しかし、このＤＢＲは作製が困難なことから、上記した二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが、近年において盛んに研究されている。

このような二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザにおいて、非特許文献１では、図３（ａ）に示すような面発光レーザが開示されている。
図３（ａ）において、３００は面発光レーザ、３０１はｎ側電極、３０３は基板、３０４はｎ型クラッド層、３０５は二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層、３１１はマスク、３１２は柱状空孔、３１３は二次元フォトニック結晶である。
３０６は活性層、３０７はｐ型光ガイド層、３０８はｐ型光クラッド層、３０９はｐ型コンタクト層である。
この面発光レーザ３００においては、ＧａＮからなる半導体層に、ドライエッチング法により該二次元フォトニック結晶を形成し、マスクによる再成長で該二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層３０５を形成し、その上に活性層３０６が形成されている。
具体的には、図３（ｂ）から図３（ｅ）に示される工程により、つぎのようにして上記二次元フォトニック結晶３１３と活性層３０６が形成される。
先ず、図３（ｂ）に示すように、ＧａＮからなる半導体層にドライエッチングにより柱状空孔３１２からなる二次元フォトニック結晶３１３を形成する。
次に、該柱状空孔３１２の底部に結晶成長を抑制するマスク３１１を形成する。
次に、図３（ｃ）〜３（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）により、つぎのように光ガイド層を形成する。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて、前記柱状空孔３１２を徐々に覆うようにＧａＮからなる半導体層を、表面が平坦になる膜厚以上積層することで、前記二次元フォトニック結晶３１３を含む光ガイド層３０５を形成する。
続いて、前記活性層３０６を積層する。

上記形成方法によれば、前記二次元フォトニック結晶を形成した後に前記活性層を形成するため、該二次元フォトニックを形成するためのドライエッチングに起因する半導体結晶の劣化を、該活性層の部位に関して抑制することが可能となる。

また、特許文献１では、図７（ａ）に示すような半導体レーザ素子（面発光レーザ）が開示されている。
図７（ａ）において、７００は面発光レーザ、７０３は基板、７０４はｎ型クラッド層、７０５は活性層、７０６はｐ型クラッド層、７０７はフォトニック結晶層、７０８はｐ型クラッド層、７０９はコンタクト層、７１０と７１１は電極である。
この面発光レーザ７００においては、活性層７０５上に、ドライエッチング法により形成されたフォトニック結晶層７０７と、該フォトニック結晶層上に別の基板を接合して形成された上層と、を備えている。
具体的には、図７（ｂ）から図７（ｅ）に示される工程により、つぎのようにして活性層７０５上に、フォトニック結晶層７０７が形成され、該フォトニック結晶層上に上層が形成される。
まず、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板７０３上に、ｎ型クラッド層７０４、活性層７０５、ｐ型クラッド層７０６及びＧａＮよりなるエピタキシャル層７０２ａを、この順で形成する（図７（ｂ））。
次に、上記エピタキシャル層７０２ａ上に、所定形状のレジスト層７２０を形成する（図７（ｃ））。
次に、上記レジスト層７２０をマスクとして、上記エピタキシャル層７０２ａをドライエッチング（ＩＣＰ；Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａでエッチング）し、フォトニック結晶層７０７を形成する（図７（ｄ））。
一方、別の基板７２１上に、剥離層７２２、コンタクト層７０９、およびｐ型クラッド層７０８を、この順で形成する（図７（ｅ））。
そして、上記フォトニック結晶層７０７に対し、上記別の基板７２１上に形成されたｐ型クラッド層７０８を接合した後、剥離層７２２を介して上記基板７２１側を剥離することにより、図７（ａ）に示す面発光レーザ７００が形成される。
Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３１９，ｐｐ．４４５−４４７，２５ Ｊａｎｕａｒｙ ２００８ 特開２００６−１６５３０９号公報

上記したように、非特許文献１では、ＧａＮからなる半導体層にドライエッチングにより二次元フォトニック結晶を形成した後、再成長で該二次元フォトニック結晶を含む光ガイド層を形成し、その上に活性層を形成するようにされている。
これによれば、二次元フォトニック結晶を作製する際、ドライエッチングによって活性層にダメージを与えることが防がれ、活性層の結晶性劣化を抑制することが可能となる。
しかしながら、非特許文献１では、上記図３（ｃ）〜３（ｅ）に示す工程で説明したように、柱状空孔を徐々に覆うようにＧａＮからなる半導体層を積層させることで、表面が平坦なフォトニック結晶を含む光ガイド層を形成する。
そのため、図３（ａ）に示されるように、活性層３０６とフォトニック結晶３１３との距離ｄを、近接させることが困難となる。
その結果、活性層から発光した光を、フォトニック結晶に効率良く導入することができないという課題が生じる。
また、活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面部分が、横方向成長による埋め込みで柱状空孔を徐々に覆うように形成されるため、平坦性や形状精度を得る上で制約がある。

また、特許文献１のものにおいては、活性層上に、フォトニック結晶層が形成されることから、活性層とフォトニック結晶との距離を近接させることが可能となる。
しかしながら、特許文献１のものでは、フォトニック結晶を作製する際、ＧａＮよりなるエピタキシャル層がドライエッチングされることにより、下層の活性層がダメージを受けることとなる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔よりも高屈折率であり、かつ、前記半導体層よりも低屈折率の材料により構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記結晶成長抑制用マスクが、前記空孔が形成された部位における前記活性層と二次元フォトニック結晶との間に設けられた光ガイド層との界面に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記空孔が、円錐状の形状を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、活性層と、半導体層と空孔とによる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面発光レーザの製造方法であって、
前記活性層を備えた基板上に、二次元周期で配列された結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクが設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、前記半導体を結晶成長させることにより、該結晶成長抑制用マスク上に前記空孔を形成する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、該結晶成長抑制用マスクを前記活性層上または前記活性層に設けられた光ガイド層上に形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記結晶成長抑制用マスクを二酸化ケイ素で形成することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記基板に導電性基板を用いることを特徴とする。

本発明によれば、二次元フォトニック結晶を作製する際の活性層のダメージを低減することができると共に、活性層からの光を二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、
活性層に近い側の二次元フォトニック結晶界面の形状精度を向上させ、素子特性の向上を図ることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。
図１に、本実施形態における面発光レーザの構造を説明する断面図を示す。
図１において、１００は面発光レーザ、１０１はｐ側電極、１０３はｎ側電極、１１１はｐ型コンタクト層、１１２はｐ型コンタクト面、１１３はｐ型クラッド層、１１４はｐ型光ガイド層である。
１１５は活性層、１１６は活性層表面、１３１は二次元フォトニック結晶を構成する半導体層、１３２は柱状空孔、１３３は円柱空孔天井面、１３４は二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層である。
１３５はｎ型クラッド層、１３６はｎ型コンタクト層、１３７は光放出面である。
本実施形態の半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列されてなる二次元フォトニック結晶は、具体的にはつぎのような構成を備えている。
二次元フォトニック結晶を構成する半導体層１３１が、第１の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）を有している。
また、周期的に形成された柱状空孔１３２は、第１の屈折率よりも低屈折率である第２の屈折率（柱状空孔内に空気が埋め込まれている場合１．０）を有している。

ここで、二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４の製造プロセスについて説明する。
活性層１１５を形成した後、活性層１１５上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる結晶成長抑制用マスク１２１を、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状に形成する。
次に、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク１２１が形成された活性層１１５上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、つぎのように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、結晶成長抑制用マスク１２１が設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、たとえばｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、マスク１２１の上に柱状空孔１３２を設け、二次元フォトニック結晶１３１が形成される。

このような構造体は、非特許文献２（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，ｐｐ．３１６−３２６，２０００）に開示されているような横方向成長を抑制するような成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長温度を通常の成長温度より１００℃低い１０５０℃に設定し、かつ、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率が６０％以上になるように設定する。
なお、本実施の形態においては、結晶成長にＭＯＣＶＤ法を用いた場合について示した。
しかしながら、結晶成長方法に、たとえばＭＢＥ法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー法）を用いても良い。

次に、柱状空孔１２１を覆うように、たとえばｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層することで、ｎ型ＧａＮからなる二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４を形成する。
このような構造体は、上記非特許文献２に開示されているような横方向成長を促進するような所定の成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長温度を１１５０℃以上に上昇させ、かつ、前記反応炉内ガス雰囲気の水素比率が８０％以上になるように設定する。
図１に示された本実施形態の構成例では、活性層１１５と二次元フォトニック結晶１３１は近接して配置されているが、活性層１１５と二次元フォトニック結晶１３１の距離に特に限定はなく、離れていても良い。
その場合には、活性層１１５を形成し、ｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、ｎ型光ガイド層１３４の一部を形成した後、結晶成長抑制用マスク１２１を形成する。
これにより、フォトニック結晶１３１と活性層１１５の距離を任意に設定可能である。

以上のように、二次元フォトニック結晶１３１と活性層１１５との間には、柱状空孔３１２を埋め込むための半導体層を設ける必要がない。
そのため、非特許文献１に開示されている活性層の下側に二次元フォトニック結晶を形成する場合と比較して、該二次元フォトニック結晶と該活性層とを近接させることが出来る。
ここで、非特許文献１と比較して、活性層に対する柱状空孔と結晶成長抑制用マスクの位置は異なる。
これにより、非特許文献１では、活性層から発光した光が、該マスクを介さずに二次元フォトニック結晶を構成する該柱状空孔に導入されるのに対して、本実施の形態では、該活性層から発光した光が、該マスクを介して該柱状空孔に導入される。
すなわち、該マスクとして屈折率が１．５である二酸化ケイ素という材料を用いた場合、非特許文献１と比較して、本実施の形態では、該活性層に近い側の該二次元フォトニック結晶の界面における実効的な屈折率差が小さくなる。

この形態の差異が、面発光レーザ内部での光分布に及ぼす影響を確認すべく、図４（ａ）に示す面発光レーザ４００の内部における導波モードの電界分布についてシミュレーションを行った。
活性層と二次元フォトニック結晶との距離や、屈折率等を、つぎのような値として計算を行った。
活性層４０６と二次元フォトニック結晶４０２との距離、すなわち、下部光ガイド層４０５の厚さを１００ｎｍ、上部光ガイド層４０７の厚さを１００ｎｍとした。
また、結晶成長抑制用マスク４０３の厚さを１０ｎｍ、柱状空孔４０４の高さを９０ｎｍ、下部クラッド層４０１および上部クラッド層４０８の厚さをそれぞれ無限大とした。
また、屈折率に関しては、下部クラッド層４０１および上部クラッド層４０８の屈折率を２．５、下部光ガイド層４０５および上部光ガイド層４０７の屈折率を２．５４とした。
また、活性層４０６の屈折率を２．７３、結晶成長抑制用マスク４０３の屈折率を１．５、柱状空孔４０４の屈折率を１．０とした。

図４（ａ）に示す非特許文献１と同様の形態における、すなわち、二次元フォトニック結晶４０２の柱状空孔４０４の部位において、活性層４０６から遠い側に、結晶成長抑制用マスク４０３が設けられている場合の結果を図４（ｂ）に示す。
図４（ａ）を参照して、実線は面発光レーザの内部における導波モードの電界分布、灰色の境界部分は二次元フォトニック結晶４０２の位置を、それぞれ示している。
面発光レーザ４００の内部の光の総量（Ｐ_０）に対する、二次元フォトニック結晶４０２に閉じ込められる光の光量Ｐの割合（Ｐ／Ｐ_０）は、２．９１％であった。

これに対し、本実施の形態における、すなわち、二次元フォトニック結晶４０２の柱状空孔４０４の部位において、活性層４０６から近い側に、結晶成長抑制用マスク４０３が設けられている場合の結果を図４（ｃ）に示す。
このとき、面発光レーザ４００の内部の光の総量（Ｐ_０）に対する、二次元フォトニック結晶４０２に閉じ込められる光の光量Ｐの割合（Ｐ／Ｐ_０）は、３．０１％となり、非特許文献１の形態と比較して増加する結果となった。
これは、非特許文献１と比較して、本実施の形態では、つぎのように二次元フォトニック結晶４０２への光の導入される割合が増加することによる。
すなわち、本実施の形態では、活性層４０６に近い側の二次元フォトニック結晶４０２の界面における実効的な屈折率差が小さくなり、下部光ガイド層４０５から二次元フォトニック結晶４０２への光の導入される割合が増加することによる。
以上のように、本実施の形態では、非特許文献１の形態と比較して、二次元フォトニック結晶４０２への光閉じ込めを高められるという効果があることが分かる。
これにより、活性層から発光した光を、該二次元フォトニック結晶に効率良く導入することができ、面発光レーザの特性を向上することが出来る。

ここで、結晶成長抑制用マスク４０３に適用できる材料の範囲は、柱状空孔４０４（屈折率１．０）よりも高屈折率、かつ、二次元フォトニック結晶４０２および下部光ガイド層４０５を形成する半導体材料よりも低屈折率の関係にあるものである。
なお、柱状空孔４０４は、より厳格には、結晶成長工程における雰囲気に含まれる気体、すなわち、窒素または水素を主成分とする気体が充填されている。
二次元フォトニック結晶４０２および下部光ガイド層４０５の構成材料が、ＧａＮ（屈折率２．５４）の場合において、マスク４０３の材料としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_Ｘ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_Ｘ）などを用いることが出来る。一方、二次元フォトニック結晶４０２および下部光ガイド層４０５の構成材料が、赤外用途のＧａＡｓ（屈折率３．５４）の場合においても、マスク４０３の材料としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_Ｘ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_Ｘ）などを用いることができる。

次に、図１に示すように、二次元フォトニック結晶１３１の円柱空孔１３２の部位において、活性層１１５の表面１１６側に、結晶成長抑制用マスク１２１が設けられており、
且つ、フォトニック結晶１３１と活性層１１５が近接している場合の計算結果を図４（ｄ）に示す。
面発光レーザ１００の内部の光の総量（Ｐ_０）に対する、二次元フォトニック結晶１３１に閉じ込められる光の光量Ｐの割合（Ｐ／Ｐ_０）は、４．６９％であった。
以上のように、活性層１１５と二次元フォトニック結晶１３１との距離を近接させることでフォトニック結晶１３１への光閉じ込めを高められることが分かる。

次に、活性層１１５と二次元フォトニック結晶１３１との距離、および、結晶成長抑制用マスク１２１の膜厚（柱状空孔４０４の部位における該マスクの充填率）を変化させた場合の計算結果を図５に示す。
これより、マスク１２１の膜厚が１０ｎｍ（充填率１０％）の場合において、活性層１１５と該二次元フォトニック結晶１３１との距離は、１０ｎｍ以上、かつ、２０ｎｍ以下という範囲がより好ましい。
一方、該マスク１２１の膜厚が５０ｎｍ（充填率５０％）の場合において、活性層１１５と二次元フォトニック結晶１３１との距離は、２０ｎｍ以下という範囲がより好ましい。

次に、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二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図１を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ１００は、ｐ型コンタクト層１１１と、ｐ型クラッド層１１３と、ｐ型光ガイド層１１４と、活性層１１５を備えている。
また、二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４と、ｎ型クラッド層１３５と、ｎ型コンタクト層１３６と、電極１０１および１０３とを備えている。
ｐ型光ガイド層１１４および二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４は、それぞれ例えばｐ型およびｎ型ＧａＮの半導体層からなる。
ｐ型クラッド層１１３およびｎ型クラッド層１３５は、それぞれたとえばｐ型およびｎ型ＡｌＧａＮの半導体層であり、それぞれ該ｐ型ガイド層１１４および該ｎ型ガイド層１３４よりも屈折率が低い。

ｐ型光ガイド層１１４、二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４、ｐ型クラッド層１１３、およびｎ型クラッド層１３５は、活性層１１５に注入されるべきキャリアが伝導する伝導層として機能する。
また、ｐ型光ガイド層１１４およびｎ型光ガイド層１３４により活性層１１５を挟み、ｐ型クラッド層１１３およびｎ型クラッド層１３５によりｐ型光ガイド層１１４、活性層１１５およびｎ型光ガイド層１３４を挟んで、
ＳＣＨ構造（ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込めヘテロ構造）を形成している。
このため、発光に寄与するキャリアは活性層１１５に、活性層１１５から発光した光は活性層１１５、ｐ型光ガイド層１１４およびｎ型光ガイド層１３４に、それぞれ閉じ込めるようになっている。

活性層１１５は、半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、該量子井戸構造の井戸層および障壁層は、それぞれＩｎＧａＮおよびＧａＮの半導体層からなる。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、ｐ型光ガイド層１１４および二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層１３４のバンドギャップより小さい。
活性層１１５は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層１１５は、上記の多重量子井戸構造に特に限定されるものではなく、単一量子井戸構造であってもよい。

ｎ型コンタクト面１３７およびｐ型コンタクト面１１２には、それぞれＡｕ（金）からなるｎ型電極１０３およびｐ型電極１０１が形成されている。
なお、本実施例における電極材料は、Ａｕに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極１０３、１０１間に電圧を印加することにより活性層１１５が発光し、該活性層１１５からしみ出した光が、二次元フォトニック結晶１３１に入射する。
フォトニック結晶１３１が有する所定の周期に一致する光は、フォトニック結晶１３１により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶１３１によって位相が規定された光は、回折により活性層１１５内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、フォトニック結晶１３１において規定される光の波長および位相条件を満足している。これにより、光はフォトニック結晶１３１で共振して増幅され、コヒーレントな光が、光放出面１３７から面発光される。

二次元フォトニック結晶１３１は、格子形状に配列された円柱空孔１３２からなっている。
また、該円柱空孔１３２の部位において、活性層１１５の表面１１６側に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる結晶成長抑制用マスク１２１が設けられている。なお、本実施例におけるマスク材料は、二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気（屈折率１．０）よりも高屈折率、かつ、ｎ型光ガイド層１３４（ＧａＮの場合、屈折率２．５４）よりも低屈折率の媒質であれば、他の材料であってもよい。
例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_Ｘ）などを用いることも出来る。

つぎに、本実施例における面発光レーザの製造方法について、図２（ａ）〜図２（ｆ）を用いて、説明する。
先ず、図２（ａ）に示すように、サファイアからなる基板２０１上に、つぎの順に積層構造を形成する。サファイアからなる基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層２０２を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層２０３と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１１を形成する。
次に、その上にｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２１２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層２１３と、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層２１４を形成する。
なお、本実施例における基板２０１は、前記サファイア基板に特に限定されるものではなく、たとえばシリコン基板であってもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、二酸化ケイ素などよりなる結晶成長抑制用マスク２２１を、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用い、上記した活性層上に成膜する。そして、成膜後において電子ビーム露光によって該マスク２２１上に所定形状のレジスト２２２を形成する。
なお、本実施例における結晶成長抑制用マスク２２１は、前記二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高くｎ型光ガイド層２３３の屈折率よりも低い媒質であればよい。
例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ_Ｘ）などを用いることも出来る。
続いて、図２（ｃ）に示すように、レジスト２２２をマスクとして結晶成長抑制用マスク２２１をドライエッチングする。
その後、レジスト２２２を除去することで、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状の該マスク２２１が形成される。

次に、図２（ｄ）に示すように、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク２２１が形成された活性層２１４上に、ＭＯＣＶＤ法により、成長温度を１０５０℃、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率を６７％、にそれぞれ設定する。
そして、マスク２２１が設けられていない場所から、マスク２２１上への横方向成長を抑制しつつ、ｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させることにより、マスク２２１の上に柱状空孔２３２を形成する。
これにより、柱状空孔２３２からなる二次元フォトニック結晶２３１が形成される。

ここで、二酸化ケイ素は、ＧａＮと比べ、低パワーでドライエッチングすることができる。
このため、ドライエッチングする層の下に配置されている層へのダメージは、ＧａＮのエッチングに比べ、二酸化ケイ素のエッチングの方が小さくなる。
したがって、図７に示す特許文献１の面発光レーザのように、ＧａＮよりなるエピタキシャル層７０２ａをドライエッチングしてフォトニック結晶層７０７を形成する場合と比べ、本実施例では活性層へのダメージを低減することができる。低パワーでドライエッチングすることができ、活性層へのダメージを低減可能となる。
このように、本実施例によれば、ＧａＮと比べ、低パワーでドライエッチングすることができるマスク２２１を用いて結晶成長によりフォトニック結晶２３１を形成することで、ドライエッチングによる活性層２１４へのダメージを低減することが可能となる。
また、本実施例におけるマスク２２１の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、たとえばウェットエッチング法などであってもよい。
この場合は、活性層２１４へのダメージのより一層の低減が可能である。
また、柱状空孔２３２が形成された部位における活性層２１４に近い側の界面にマスク２２１が設けられていることにより、柱状空孔２３２と半導体層（本実施例の場合、活性層２１４）との界面における屈折率差が小さくなる。
このため、活性層２１４から発光した光は、マスク２２１が設けられていない場合に比べ、フォトニック結晶２３１内に進入しやすくなる。

本実施例において、活性層２１４と二次元フォトニック結晶２３１は近接して配置されているが、該活性層２１４と該二次元フォトニック結晶２３１の距離に特に限定はなく、離れていても良い。
その場合には、活性層２１４を形成し、ｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を必要な膜厚で積層することで、ｎ型光ガイド層２３３の一部を形成した後、該光ガイド層上に結晶成長抑制用マスク２２１を形成する。
これにより、フォトニック結晶２３１と活性層２１４の距離を任意に設定可能である。

次に、図２（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、成長温度を１１７０℃、結晶成長を生じさせる反応炉内ガス雰囲気の水素比率を８３％、にそれぞれ設定して、円柱空孔２３２を覆うようにｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、ｎ型ＧａＮからなる二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層２３３が形成される。
続いて、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２３４と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２３５と、をこの順で形成して積層構造を形成する。

次に、図２（ｆ）に示すように、レーザリフトオフ法により、歪緩衝層２０２を熱分解し、基板２０１を剥離する。
なお、本実施例における基板２０１の除去方法は、上記除去方法に特に限定されるものではなく、例えば、機械研磨などの他の方法であってもよい。
続いて、ドライエッチング法により、ＧａＮバッファ層２０３を剥離面２４２からエッチングし、ｐ型コンタクト層２１１を露出させる。
なお、本実施例におけるｐ型コンタクト層２１１の露出方法は、上記露出方法に特に限定されるものではなく、他の方法であってもよい。
次に、図１に示すように、ｐ型コンタクト層２１１のｐ型コンタクト面１１２にｐ型電極１０１と、ｎ型コンタクト層１３６のｎ型コンタクト面１３７にｎ型電極１０３と、を形成し、面発光レーザ１００が完成する。

なお、本実施例では、活性層２１４の上側に、二次元フォトニック結晶２３１を形成する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザにおいて、二次元フォトニック結晶２３１の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、結晶成長抑制用マスク２２１が柱状空孔２３２よりも活性層２１４に近い側に設けられていれば、活性層２１４の下側に二次元フォトニック結晶２３１を形成するようにしてもよい。

［実施例２］
実施例２では、実施例１のサファイア基板に代え、導電性基板を用いて作製された二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
先ず、ｐ型ＳｉＣからなる基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層を積層した。
これ以外は、基本的に図１に示す実施例１と同様の構成を備えた面発光レーザを作製した。
但し、本実施例では、実施例１のように基板を剥離する工程は行わず、ｐ型電極が該ｐ型ＳｉＣ基板の裏面（半導体層を積層する面と反対の面）に直接形成される。

本実施例では、実施例１と比較して、ｐ型電極を形成する際に、基板を剥離する工程およびドライエッチング法によりＧａＮバッファ層を除去する工程といった複雑な工程を必要としない作製上の利点がある。
また、ＳｉＣ基板は、サファイア基板と比較して、その格子定数がＧａＮの格子定数と近いために、作製工程（半導体層の積層工程）において、格子不整合に起因した欠陥の導入を抑制することができる。
すなわち、本実施例では、実施例１のサファイア基板を用いた場合と比較して、結晶品質の高い該レーザを作製できる利点がある。

［実施例３］
実施例３では、二次元フォトニック結晶を構成する空孔の形状を円錐状にすることによって面発光される光の利用効率を高めた該二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて説明する。
図６に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザ６００の構成を示す。
図６に示すように、該二次元フォトニック結晶６３１を構成する空孔６３２の形状が円錐状になっている。
本実施例において、該空孔６３２以外の構成は、実施例１と同様である。

本実施例では、フォトニック結晶の形状の結晶成長抑制用マスク６２１が形成された活性層６１５上に、ＭＯＣＶＤ法により、徐々に横方向成長するように、成長温度を１０５０℃から１１７０℃まで上昇させながらｎ型ＧａＮからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、マスク６２１上に円錐状空孔６３２が形成されることで、該円錐状空孔６３２からなる二次元フォトニック結晶６３１が形成される。
本実施例において、該二次元フォトニック結晶６３１以外の作製工程は、実施例１と同様である。

本実施例では、二次元フォトニック結晶６３１を形成する空孔６３２が、光放出面６３７に向かって、円錐状に漸減していることにより、下方向（本実施例の場合、該フォトニック結晶６３１から活性層６１５に向かう方向）への１次回折光を抑え、
その分上方向（本実施例の場合、該フォトニック結晶６３１から光放出面６３７に向かう方向）への１次回折光の光量の増大を図ることができる。
また、本実施例では、非特許文献１とは異なり、活性層６１５の上側、すなわち、二次元フォトニック結晶６３１の空孔６３２の部位において活性層６１５から近い側の界面に、結晶成長抑制用マスク６２１が設けられている。
そのため、活性層６１５から光放出面６３７に向かって、空孔６３２を円錐状に漸減できるため、上記のような効果を得ることが可能となる。

本発明の実施形態における面発光レーザの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態における面発光レーザの製造工程を示す断面図である。 非特許文献１における面発光レーザを説明する図である。図３（ａ）は、非特許文献１における面発光レーザの構造を示す断面図であり、図３（ｂ）から（ｅ）は、非特許文献１における面発光レーザの製造工程のうちの二次元フォトニック結晶を形成する工程を示す断面図である。 本発明の実施形態と非特許文献１の面発光レーザにおける導波モードの電界分布の相違を説明する図である。図４（ａ）は、本発明の実施形態および非特許文献１と同様の形態において面発光レーザ内部の導波モードの電界分布についての計算に用いた構造の模式図である。図４（ｂ）は、非特許文献１と同様の形態における導波モードの電界分布についての計算結果である。図４（ｃ）は、本発明の実施形態における導波モードの電界分布についての計算結果を示す図である。図４（ｄ）は、本発明の実施形態における結晶成長を抑制するマスクと活性層を近接して配置した時の導波モードの電界分布についての計算結果を示す図である。 本発明の実施形態における活性層と二次元フォトニック結晶との距離、及び結晶成長抑制用マスクの膜厚（柱状空孔の部位におけるマスクの充填率）を変化させた場合の、フォトニック結晶への光閉じ込め係数についての計算結果を示す図である。 本発明の実施例３おける面発光レーザの構造を示す断面図である。 特許文献１における面発光レーザを説明する図である。図７（ａ）は、特許文献１における面発光レーザの構造を示す断面図であり、図７（ｂ）から（ｅ）は、特許文献１における面発光レーザの製造工程のうちの二次元フォトニック結晶を形成する工程を示す断面図である。

符号の説明

１００、４００、６００：面発光レーザ
１０１、６０１：ｐ側電極
１０３、６０３：ｎ側電極
１１１、２１１、６１１：ｐ型コンタクト層
１１２：ｐ型コンタクト面
１１３、２１２、６１３：ｐ型クラッド層
１１４、２１３、、６１４：ｐ型光ガイド層
１１５、２１４、６１５：活性層
１１６：活性層表面
１２１、２２１、６２１：マスク
１３１、２３１、６３１：二次元フォトニック結晶を構成する半導体層
１３２、２３２：柱状空孔（円柱空孔）
１３３：円柱空孔天井面
１３４、２３３、６３４：二次元フォトニック結晶を含むｎ型光ガイド層
１３５、２３４、６３５：ｎ型クラッド層
１３６、２３５、６３６：ｎ型コンタクト層
１３７、２４１、６３７：ｎ型コンタクト面、および、光放出面
２０１：基板
２０２：歪緩衝層
２０３：ＧａＮバッファ層
２２２：レジスト
２４２：剥離面
ｄ：活性層と二次元フォトニック結晶との距離
４０１：下部クラッド層
４０２：二次元フォトニック結晶
４０３：マスク
４０４：柱状空孔
４０５：下部光ガイド層
４０６：活性層
４０７：上部光ガイド層
４０８：上部クラッド層
６３２：円錐状空孔

Claims (9)

1. 活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有する面発光レーザであって、
   二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成され、
   前記空孔よりも前記活性層に近い側に、該空孔を形成する際に前記半導体層の結晶成長を抑制するために用いられた結晶成長抑制用マスクを有することを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔よりも高屈折率であり、かつ、前記半導体層よりも低屈折率の材料により構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。
3. 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔が形成された部位における前記活性層との界面に形成されてい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。
4. 前記結晶成長抑制用マスクは、前記空孔が形成された部位における前記活性層と二次元フォトニック結晶との間に設けられた光ガイド層との界面に形成されてい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。
5. 前記空孔が、円錐状の形状を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
6. 活性層と、半導体層と空孔とによる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面発光レーザの製造方法であって、
   前記活性層を備えた基板上に、二次元周期で配列された結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
   前記結晶成長抑制用マスクが設けられていない個所から、該結晶成長抑制用マスク上への横方向成長を抑制しつつ、前記半導体を結晶成長させることにより、該結晶成長抑制用マスク上に前記空孔を形成する工程と、
   を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
7. 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、該結晶成長抑制用マスクを前記活性層上または前記活性層に設けられた光ガイド層上に形成する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザの製造方法。
8. 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記結晶成長抑制用マスクを二酸化ケイ素で形成することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
9. 前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程において、前記基板に導電性基板を用いることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
   

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