JP2010114384A - フォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上できるフォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】フォトニック結晶面発光レーザ１０ａは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板と、ｎ型クラッド層１２と、発光層１５と、ｐ型クラッド層１６と、フォトニック結晶層１３とを備えている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、極性面または半極性面である主面１１ａと裏面１１ｂとを含み、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含んでいる。ｎ型クラッド層１２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面１１ａ上に形成される。発光層１５は、ｐ型クラッド層１２上に形成される。ｐ型クラッド層１６は、発光層１５上に形成される。フォトニック結晶層１３は、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１６との間、ｎ型クラッド層１２中、またはｐ型クラッド層１６中のいずれかに形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法に関する。

従来より、フォトニック結晶を２次元回折格子として用いたフォトニック結晶面発光レーザが知られている。このようなフォトニック結晶面発光レーザは、たとえば特許第３９８３９３３号公報（特許文献１）に開示されている。この特許文献１に開示のフォトニック結晶面発光レーザは、基板と、フォトニック結晶層と、ｎ型閉じ込め層と、活性層と、ｐ型閉じ込め層と、アノード電極と、カソード電極とを備えている。具体的には、ＩｎＰ（インジウムリン）よりなる基板上に２次元回折格子が形成されており、２次元回折格子上には、ＩｎＰよりなるｎ型閉じ込め層と、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）／ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）よりなる多重量子井戸構造の活性層が形成されている。この活性層上には、ＩｎＰよりなるｐ型閉じ込め層が形成されている。ｐ型閉じ込め層の上面には円形のアノード電極が形成されており、基板の下面にはカソード電極が形成されている。２次元回折格子は、ＩｎＰなどよりなる高屈折率部と、低屈折率部とを有している。低屈折率部は、高屈折率部の表面に周期的に複数の孔を形成することによって作成されている。孔内を埋めない（空間とする）場合には、低屈折率部は空気よりなっており、また孔内を埋める場合には、低屈折率部はシリコン窒化膜などよりなっている。

図３９〜図４１は、特許文献１に開示のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための斜視図である。図３９〜図４１を参照して、特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明する。すなわち、図３９に示すように、基板１１０と、フォトニック結晶層１１３とを備える第１の部品１２８を形成する。次に、図４０に示すように、第２の基板１３０と、ｐ型閉じ込め層１１８と、活性層１１６と、ｎ型閉じ込め層１３１とを備えた第２の部品１３２を形成する。次に、図４１に示すように、第１の部品１２８と、第２の部品１３２とを、熱と圧力を加えて融着によって接合する（融着法）。次に、第２の基板１３０を除去する。

また、ＧａＮ（窒化ガリウム）系のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法が、たとえば国際公開第０６／０６２０８４号パンフレット（特許文献２）に開示されている。特許文献２では、フォトニック結晶層を構成する低屈折率部の上部および側面からＧａＮがエピタキシャル成長せずに露出しているＧａＮ層の表面からのみＧａＮを選択的にエピタキシャル成長する、という方法が開示されている。
特許第３９８３９３３号公報 国際公開第０６／０６２０８４号パンフレット

上記特許文献１および２のフォトニック結晶面発光レーザにおいては、活性層からしみ出したエバネッセント光とフォトニック結晶構造とが充分に光結合することで、レーザ発振が可能となる。エバネッセント光の広がる領域はその波長に比例することから、可視光から近赤外および近紫外の波長領域では、エバネッセント光の広がる領域は小さい。このため、０．４〜１．５５μｍの波長の近赤外もしくは可視光のフォトニック結晶面発光レーザを製造するためには、フォトニック結晶層を活性層近傍（たとえば活性層とフォトニック結晶層との距離を０．５μｍ以内）に形成することが必要である。

しかしながら、上記特許文献１の融着法により活性層の近傍にフォトニック結晶層を形成する場合には、活性層近傍で熱履歴、熱応力が加えられるので、活性層へのダメージが導入される。このため、フォトニック結晶面発光レーザの信頼性が低下するという問題があった。

また、上記特許文献２ではＧａＮを選択的にエピタキシャル成長している。しかし、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰなどのＧａＮ以外のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、エピタキシャル成長時の特徴がＧａＮと異なっている。図４２および図４３は、Ｖ族元素としてリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が空気であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。図４２に示すように、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１１１上にｎ型クラッド層１１２および活性層１１５を順に形成する。その後、活性層１１５上に、孔１１３ｃを有し、かつＶ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる高屈折率部１１３ａを形成する。次に、図４３に示すように、ブロック層１１４を成長する。このとき、孔１１３ｃ内を埋めず空気を低屈折率部１１３ｂとするようにブロック層１１４を形成できず、かつ孔１１３ｃ上のブロック層１１４の表面には凹部１１４ａが形成される。この凹部１１４ａの側面が傾斜していることからも、ブロック層１１４の成長方向が制御されず、欠陥が導入されている。このため、低屈折率部が空気であるフォトニック結晶層を形成することができない。したがって、特性を維持したフォトニック結晶面発光レーザを製造することができず、信頼性が低下するという問題がある。

図４４および図４５は、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が誘電体であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。図４４に示すように、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１１１上にｎ型クラッド層１１２、活性層１１５およびブロック層１１４を順に形成する。その後、微細柱である誘電体を低屈折率部１１３ｂとして形成する。この低屈折率部１１３ｂを埋め込むようにＶ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を高屈折率部１１３ａとして成長すると、図４５に示すように、低屈折率部１１３ｂ上の高屈折率部１１３ａには凸部１１３ｅが形成される。特に、この凸部１１３ｅの側面が傾斜していることからも、高屈折率部１１３ａの成長方向が制御されず、欠陥が導入されていることがわかる。このため、高屈折率部１１３ａには欠陥が導入され、高屈折率部１１３ａの結晶性が悪くなる。このため、このフォトニック結晶層１１３を有するフォトニック結晶面発光レーザの特性が悪くなり、信頼性が低下するという問題がある。

それゆえ本発明の目的は、信頼性を向上できるフォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を提供することである。

本発明者は、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を上記特許文献２のＧａＮと同様にフォトニック結晶面発光レーザに適用できない理由は、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は基板表面（主面）に沿った方向の成長（ラテラル成長）の結晶成長速度が、基板表面に垂直な方向への結晶成長速度に対して遅いことを鋭意研究の結果、見い出した。つまり、ＧａＮ（０００１）面上にＧａＮ系を結晶成長させる場合には、ラテラル成長（横方向の成長）速度は、基板表面に垂直な方向の成長（縦方向の成長あるいは垂直成分）速度の１００倍以上である。一方、ＧａＡｓ（００１）面またはＩｎＰ（００１）面上にＧａＡｓ系またはＩｎＰ系を成長させる場合には、ラテラル成長速度は、基板表面に垂直な方向の成長速度と同じ、または１０倍程度である。このため、周期的な空気孔の開いた構造面へのエピタキシャル成長および微細柱の誘電体の載った構造面へのエピタキシャル成長において、ＧａＮ系では空気孔を保持したまま平坦な成長面を形成すること、および誘電体を埋め込んで平坦な成長面を形成することは可能である。一方、ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系では、空気孔が保持できなくなってしまったり、微細柱による凹凸が成長面に形成されて平坦化できない。このため、ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系の良好な結晶性のフォトニック結晶構造を結晶成長により作製することが困難であった。

そこで、本発明者は、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系などのＶ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においてＧａＮ系と同様のラテラル成長速度に向上する方法を鋭意研究した。その結果、２次元成長核の形成を抑制することで、基板表面に垂直な方向の成長を抑制してフォトニック結晶層を形成することを見い出した。

すなわち、本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板と、第１導電型のクラッド層と、発光層と、第２導電型のクラッド層と、フォトニック結晶層とを備えている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、極性面または半極性面である主面とこの主面と反対側の裏面とを含み、Ｖ族元素としてリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含んでいる。第１導電型のクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に形成されている。発光層は、第１導電型のクラッド層上に形成され、光を発生する。第２導電型のクラッド層は、発光層上に形成されている。フォトニック結晶層は、第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層との間、第１導電型のクラッド層中、または第２導電型のクラッド層中のいずれかに形成されるとともに、フォトニック結晶構造を有している。

本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、以下の工程を備えている。極性面または半極性面である主面と主面と反対側の裏面とを含み、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を準備する。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面上に第１導電型のクラッド層を形成する。第１導電型のクラッド層上に、光を発生する発光層を形成する。発光層上に第２導電型のクラッド層を形成する。第１導電型のクラッド層と第２導電型のクラッド層との間、第１導電型のクラッド層中、または第２導電型のクラッド層中のいずれかに、フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成する。

本発明のフォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面は極性面または半極性面である。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面には、構成するＩＩＩ族元素およびＶ族元素のうちの１種の元素が、他の元素よりも多く露出している。このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面に、少なく露出している元素または存在していない元素を相対的に多く含まない原料を用いてフォトニック結晶層を形成すると、主面に多く露出している元素の原子と原料中の同じ元素の原子とが結合することを抑制できるので、ＩＩＩ族原子とＶ族原子とが結合してなる２次元成長核が形成されることが抑制される。つまり、ＩＩＩ−Ｖ族化合物基板の主面に垂直な方向の成長（垂直方向の成長）を抑制することができる。このため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面に沿った方向の成長、すなわちラテラル成長の速度を相対的に大きく向上することができる。したがって、結晶性の良好なフォトニック結晶層を形成することができる。

また、フォトニック結晶を形成する際に、融着法に必要な熱履歴、熱応力が加えられることを防止することができる。このため、活性層に歪み、応力などが加えられることを抑制でき、かつ不純物となる異種元素の熱拡散の発生を抑制することができる。したがって、活性層近傍にフォトニック結晶層を形成しても、活性層へのダメージを抑制することができる。

以上より、信頼性を向上できるフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。

なお、上記「極性面または半極性面」とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を構成する元素のうち１種類の元素の原子が、他の元素の原子よりも多く露出している面である。たとえばミラー指数で表示される面では、主面においてＩＩＩ族元素の原子数とＶ族元素の原子数との比が１対１と等しくなる（１００）面、（０１１）面などは「無」極性面であり、ＩＩＩ族元素の原子数とＶ族元素の原子数との比が１対１とはならずに等しくない（３１１）面、（５１１）面などは「半」極性面となる。このうち、（１１１）面は、ＩＩＩ族元素の原子数とＶ族元素の原子数との比、またはＶ族元素の原子数の比とＩＩＩ族元素の原子数との比が１：０となって片方の元素のみが並ぶ「完全」極性面である。

上記フォトニック結晶面発光レーザにおいて好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、主面が（１１１）面から−５°以上５°以下であるガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、または主面が（１１１）面から−５°以上５°以下であるインジウムリン（ＩｎＰ）基板である。

ＧａＡｓ基板の（１１１）面は、Ｇａ（ガリウム）原子およびＡｓ原子の一方のみが存在している。ＩｎＰ基板の（１１１）面は、Ｉｎ（インジウム）原子およびＰ原子の一方のみが存在している完全極性面である。このため、この面またはこの面から微傾斜した面上に、Ｇａ原子およびＡｓ原子の他方の原子、または、Ｉｎ原子およびＰ原子の他方の原子を相対的に少なく含む材料を用いてフォトニック結晶層を形成すると、Ｇａ原子とＡｓ原子とが結合してなる２次元成長核、またはＩｎ原子とＰ原子とが結合してなる２次元成長核が形成されることを効果的に抑制することができる。したがって、結晶性のより良好なフォトニック結晶層を形成することができるので、信頼性をより向上したフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。

上記フォトニック結晶面発光レーザにおいて好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、主面が（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であるＧａＡｓ基板、または主面が（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であるＩｎＰ基板である。

ＧａＡｓ（１１１）Ａ面は、Ｇａ原子のみが並ぶ完全極性面である。ＩｎＰ（１１１）Ａ面は、Ｉｎ原子のみが並ぶ面である。この面またはこの面から微傾斜した面上に、Ａｓ原子またはＰ原子が相対的に少ない原料を用いてフォトニック結晶層を形成すると、ＧａＡｓ基板の主面またはＩｎＰ基板の主面に垂直方向な方向の成長を大きく抑制することができ、ラテラル成長の速度を縦方向の成長の速度の１００倍以上にすることができる。したがって、結晶性のより一層良好なフォトニック結晶層を形成することができるので、信頼性をより一層向上したフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。

上記フォトニック結晶面発光レーザにおいて好ましくは、フォトニック結晶層は、低屈折率部と、低屈折率部の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部とを有し、高屈折率部は、半導体からなり、低屈折率部は、空気および誘電体の少なくとも一方である。

上記フォトニック結晶面発光レーザの製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層を形成する工程は、半導体層を形成する工程と、半導体層をエッチングすることにより、半導体からなる高屈折率部を形成する工程と、高屈折率部上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面に相対的に多く並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて結晶成長させることにより、高屈折率部よりも屈折率の低い空気よりなる低屈折率部を形成する工程とを含んでいる。

上記フォトニック結晶面発光レーザの製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層を形成する工程は、誘電体層よりなる低屈折率部を形成する工程と、低屈折率部を埋め込むように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面に相対的に多く並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて半導体を結晶成長させることにより、低屈折率部よりも屈折率の高い半導体からなる高屈折率部を形成する工程とを含んでいる。

低屈折率部が空気のフォトニック結晶層は、高屈折率部となる半導体層の形成とエッチングなどによる孔の形成という比較的簡単な工程で形成できる。さらに、孔の内部に空気を保持した状態で、高屈折率部からラテラル成長を促進することにより、フォトニック結晶層を形成することができる。このため、フォトニック結晶層上に形成される層の結晶性を向上でき、かつ製造工程を簡略化できるので、信頼性を向上し、かつ低コストなフォトニック結晶面発光レーザを実現できる。

低屈折率部が誘電体のフォトニック結晶層は、低屈折率部となる誘電体の形成と半導体層で埋め込むという比較的簡単な工程で形成できる。さらに、半導体で埋め込む際に、ラテラル成長を促進することにより、半導体層（高屈折率部）の表面に凹凸が発生することを抑制できる。このため、高屈折率部の結晶性を向上し、かつ製造工程を簡略化できるので、信頼性を向上し、かつ低コストなフォトニック結晶面発光レーザを実現できる。

上記フォトニック結晶面発光レーザにおいて好ましくは、低屈折率部は、高屈折率部に形成された孔に充填された空気であり、フォトニック結晶層は、孔の底部に形成されるとともに、高屈折率部と異なる材料の膜をさらに有している。

これにより、孔底面からＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面に垂直な方向の結晶成長をより抑制することができる。このため、低屈折率部である孔内部の空気をより確実に保持することができる。したがって、信頼性をより一層向上したフォトニック結晶面発光レーザを実現することができる。

このように、本発明のフォトニック結晶面発光レーザおよびフォトニック結晶面発光レーザの製造方法によれば、極性面または半極性面である主面上にフォトニック結晶層を形成しているので、信頼性を向上できるフォトニック結晶面発光レーザを実現できる。

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符号を付しその説明は繰り返さない。また、本明細書中においては、個別面を（）で示している。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、本明細書中では、数字の前に負の符号を付けている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａを概略的に示す断面図である。図２は、図１における上方（図１において上側）から見たときの平面図である。図３は、図１における下方（図１において下側）から見たときの平面図である。図４は、本実施の形態におけるフォトニック結晶層１３を概略的に示す斜視図である。図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａを説明する。なお、フォトニック結晶構造とは、相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率部と相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率部とを有し、屈折率が周期的に変化する構造体を意味する。

図１〜図４に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａは、基板１１と、ｎ型クラッド層１２と、フォトニック結晶層１３と、ｎ型ガイド層１４と、活性層１５と、ｐ型クラッド層１６と、ｐ型コンタクト層１７と、ｐ型電極１８と、ｎ型電極１９とを備えている。

基板１１は、主面１１ａと、この主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを含んでいる。主面１１ａは、極性面または半極性面である。また基板１１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であり、Ｖ族元素としてリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含んでいる。なお、「極性面または半極性面」とは、基板１１を構成する元素のうち１種類の元素の原子が、他の元素の原子よりも多く露出している面である。基板１１が２種類の元素からなる場合には、極性面または半極性面とは、１種類の元素の原子が他の１種類の元素の原子よりも多く露出している面である。

本実施の形態では、基板１１としてＧａＡｓ基板を用い、主面１１ａは（１１１）面から−５°以上５°以下であり、（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であることが好ましい。

なお、（１１１）面は、Ｇａ原子およびＡｓ原子のいずれか一方のみが並ぶ完全極性面である。言い換えると、（１１１）面は、Ｇａ原子およびＡｓ原子のいずれか一方の原子が終端している面である。たとえばＧａ原子のみが現れている面を（１１１）面となるように結晶方位をとると、Ａｓ原子のみが現れている面は（−１−１−１）面となる。また、（１１１）Ａ面とは、Ｇａ原子のみが現れている面である。

主面１１ａが（１１１）面の場合、Ｇａ原子およびＡｓ原子のいずれか一方のみが表面に並ぶ。主面１１ａが（１１１）面から−５°以上５°以下の場合には、主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａの表面をＧａ原子およびＡｓ原子のいずれか一方の原子のみが並ぶ面にできる。このため、このいずれか一方の原子層ステップおよびキンクのみによりいずれか一方の原子を捕獲する成長状態してｎ型ガイド層１４を形成できるので、この主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂの形状を保持してｎ型ガイド層１４を形成できる。

主面１１ａが（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下の場合には、主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａの表面をＧａ原子のみが並ぶ面にできる。このため、Ｇａ原子層ステップおよびキンクのみによりＧａ原子を捕獲する成長状態してｎ型ガイド層１４を形成できるので、この主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂの形状を保持してｎ型ガイド層１４を形成できる。

また、主面１１ａが半極性面の場合には、（ｎ１１）面（ｎは２以上６以下）であることが好ましい。

ｎ型クラッド層１２は、基板１１の主面１１ａ上に形成されている。ｎ型クラッド層１２は、たとえばｎ型ＡｌＧａＡｓよりなっており、１μｍの厚みを有している。

フォトニック結晶層１３は、基板１１の主面１１ａが延びる方向に沿って、ｎ型クラッド層１２上に形成されている。フォトニック結晶層１３は、相対的に高屈折率の材料からなる高屈折率部１３ａと、相対的に低屈折率の材料からなる低屈折率部１３ｂとを有している。つまり、高屈折率部１３ａは、低屈折率部１３ｂの屈折率よりも高い屈折率を有している。フォトニック結晶層１３は、高屈折率部１３ａと低屈折率部１３ｂとが周期的に配置されている。フォトニック結晶層１３は、たとえば０．１μｍの厚みを有している。

本実施の形態の高屈折率部１３ａを構成する材料は、屈折率が３．６のｎ型ＧａＡｓからなっている。また低屈折率部１３ｂを構成する材料は、図４に示すように高屈折率部１３ａに形成された孔１３ｃに充填された屈折率が１の空気からなっている。高屈折率部１３ａおよび低屈折率部１３ｂを構成する材料の屈折率の差を大きくとると、高屈折率部１３ａの媒質内に光を閉じ込めることができるため、有利である。なお、低屈折率部１３ｂを構成する材料は、高屈折率部１３ａを構成する材料の屈折率よりも低ければ特に限定されない。

高屈折率部１３ａおよび低屈折率部１３ｂは、三角格子や正方格子など一定の向きに整列している。なお、三角格子とは、フォトニック結晶層１３を上方から見た時に、左右方向および当該左右方向に対して６０°の傾斜角度で延びる方向であり、任意の低屈折率部１３ｂ（または高屈折率部１３ａ）と近接（または隣接）する低屈折率部１３ｂ（または高屈折率部１３ａ）の数が６となる場合を意味する。また、正方格子とは、任意の低屈折率部１３ｂ（または高屈折率部１３ａ）と近接（または隣接）する低屈折率部１３ｂ（または高屈折率部１３ａ）の数が８となる場合を意味する。一定の向きに整列した低屈折率部１３ｂまたは高屈折率部１３ａの中心間を結ぶ距離であるピッチは、波長が０．６５〜１．５５μｍの光に有効である観点から、たとえば２３５ｎｍ以上５６０ｎｍ以下としている。

ｎ型ガイド層１４は、フォトニック結晶層１３上に形成されている。ｎ型ガイド層１４は、たとえばｎ型ＧａＡｓよりなっており、０．１μｍの厚みを有している。

活性層１５は、ｎ型ガイド層１４上に形成され、キャリアの注入により光を発光する。活性層１５は、たとえばアンドープＧａＡｓよりなるバリア層と、ＩｎＧａＡｓよりなる井戸層とが積層されたＭＱＷ（Multiple-Quantum Well：多重量子井戸）構造により構成されている。なお、活性層１５は、単一の半導体材料よりなっていてもよい。

ｐ型クラッド層１６は、活性層１５上に形成され、たとえばｐ型ＡｌＧａＡｓよりなり、１μｍの厚みを有している。

ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１６は、活性層１５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１２およびｐ型クラッド層１６は、活性層１５を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１６は、それぞれ、活性層１５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１２、活性層１５およびｐ型クラッド層１６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１５に集中させることができる。なお、ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１６は、キャリアと光とを閉じ込める効果を効率的にするために、１μｍ以上の厚みを有していることが好ましい。

ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型クラッド層１６上に形成され、たとえばｐ型のＧａＡｓよりなっている。ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型電極１８との接触をオーミック接触にするために形成される。

ｐ型電極１８は、ｐ型コンタクト層１７上に形成されている。ｐ型電極１８は、ｐ型コンタクト層１７の中央部に形成されている。ｐ型電極１８は、たとえば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の合金などよりなっている。ｐ型電極１８は、レーザ発振に必要な電流密度が得られる程度の大きさであることが好ましく、たとえば平面形状が１００μｍ四方程度の大きさを有している。

ｎ型電極１９は、基板１１の裏面１１ｂ上に形成されている。ｎ型電極１９は、中央部が開口した窓開け電極である。ｎ型電極１９は、たとえばＡｕとＧｅとＮｉとの合金構造からなっている。

続いて、図１〜図１１を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法について説明する。なお、図５〜図１１は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法を説明するための断面図である。

まず、図５に示すように、極性面または半極性面である主面１１ａと主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを含み、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１を準備する。本実施の形態では、主面１１ａが（１１１）面から−５°以上５°以下であるＧａＡｓ基板を準備する。ＧａＡｓ基板の主面１１ａは、（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であることが好ましい。つまり、ＧａＡｓ基板の主面１１ａにはＧａ原子が並んでおり、裏面１１ｂにはＡｓ原子が並んでいる。

次に、図５に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａ上にｎ型クラッド層１２を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相堆積）法により、ｎ型ＡｌＧａＡｓよりなり、１μｍの厚みを有するｎ型クラッド層１２を形成する。

次に、図６〜図１０に示すように、ｎ型クラッド層１２上に、フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層１３を形成する。本実施の形態では、低屈折率部１３ｂが空気であるフォトニック結晶層１３を形成している。具体的には、以下のような処理を行なう。

まず、図６に示すように、高屈折率部１３ａとなるべき材料である半導体層１３ａ１をｎ型クラッド層１２上に形成する。その後、図７に示すように、半導体層１３ａ１上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト２１を形成する。このレジスト２１においては、図１および図４に示したフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂを構成する孔１３ｃが形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。この開口パターンの平面形状は孔１３ｃの平面形状と同様であり、たとえば円形状とすることができる。次に、図８に示すように、レジスト２１をマスクとして用いて、半導体層１３ａ１を部分的にエッチングにより除去することにより、凹部としての孔１３ｃを形成する。この後、図９に示すように、レジスト２１を除去する。これにより、半導体からなる高屈折率部１３ａと、孔１３ｃで囲まれた空気よりなる低屈折率部１３ｂとを有するフォトニック結晶層１３を形成することができる。

次に、図１０に示すように、フォトニック結晶層１３上にｎ型ガイド層１４を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓよりなり、０．１μｍの厚みを有するｎ型ガイド層１４を形成する。ｎ型ガイド層１４を形成することにより、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂは孔１３ｃおよびｎ型ガイド層１４で取り囲まれる。

この工程では、高屈折率部１３ａ上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて結晶成長させることにより、高屈折率部１３ａよりも屈折率の低い空気よりなる低屈折率部１３ｂを形成する。具体的には、この工程では、たとえば通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長（たとえば高屈折率部１３ａ、ｐ型コンタクト層１７などのＧａＡｓよりなる他の層の成長）の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、すなわち、たとえばアルシン（ＡｓＨ₃）ガスが多い条件で、エピタキシャル成長する。すると、孔１３ｃの下部（孔１３ｃから露出しているｎ型クラッド層１２）や孔１３ｃの側面からはエピタキシャル成長せず、高屈折率部１３ａの表面からのみＧａＡｓが選択的にエピタキシャル成長する。

本実施の形態では、基板１１の主面１１ａがＧａ原子のみが並んでいる極性面上にｎ型クラッド層１２およびフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａを形成している。このため、ｎ型クラッド層１２および高屈折率部１３ａの成長面もＧａ原子のみが並んでいる極性面にできる。そこで、この工程では、Ｇａ原子を有するガスとＡｓ原子を有するガスとを含む通常の原料ガスよりも、Ｇａ原子を有するガスをＡｓ原子を有するガスよりも多く含むガスを原料ガスとして用いる。これにより、Ａｓ原子のボンド（ダングリングボンド）を成長表面からなくすことで、ｎ型ガイド層１４を構成するＧａ原子の捕獲が表面のＧａ原子層のステップやキンクのみにより生じるような成長状態にすることができる。このため、基板１１の主面１１ａのＧａ原子と原料中のＡｓ原子とが結合することを抑制できるので、基板１１の主面１１ａに垂直な方向に結晶成長するＧａＡｓよりなる２次元成長核の生成が抑制され、垂直方向の成長速度成分を小さくできる。したがって、高屈折率部１３ａからＧａＡｓ結晶をラテラル成長する速度を相対的に大きくすることにより、Ｇａ原子の成長表面での平均自由工程（止まらずに横方向に成長する距離）を大きくすることができるので、孔１３ｃの形状を保持しながらｎ型ガイド層１４を形成することができる。

また、この工程では、通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも高温で、エピタキシャル成長することが好ましい。この場合、垂直方向の成長速度成分を効果的に小さくすることができるので、ラテラル成長の速度を相対的に大きくすることに寄与できる。

次に、図１１に示すように、ｎ型ガイド層１４上に、光を発生する活性層１５を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ法によりアンドープＧａＡｓよりなるバリア層と、ＩｎＧａＡｓよりなる井戸層とを含む多重量子井戸構造の活性層１５を形成する。

次に、図１１に示すように、活性層１５上にｐ型クラッド層１６を形成する。この工程では、たとえばＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＡｌＧａＡｓよりなり、１μｍの厚みを有するｐ型クラッド層１６を形成する。

次に、図１に示すように、ｐ型クラッド層１６上に、ｐ型コンタクト層１７を形成する。この工程では、たとえばＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＡｓよりなるｐ型コンタクト層１７を形成する。

次に、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１７上にｐ型電極１８を形成する。この工程では、たとえば、ｐ型コンタクト層１７上に、たとえば蒸着法により、ＡｕとＺｎとＡｕとをこの順で蒸着して、合金化のための熱処理を施して、ｐ型電極１８を形成する。

次に、基板１１の裏面１１ｂにｎ型電極１９を形成する。この工程では、たとえば、基板１１の裏面１１ｂに、Ａｕ−ＧｅとＮｉとＡｕとを順に蒸着法により積層し、合金化のための熱処理を施す。

以上の工程を実施することによって、図１〜図４に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ａを製造できる。

次に、本実施の形態のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの発光方法について、図１〜図４を用いて説明する。

ｐ型電極１８に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層１６から活性層１５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層１２から活性層１５へ電子が注入される。活性層１５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１５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１５において発生された光は、ｎ型クラッド層１２およびｐ型クラッド層１６によって活性層１５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１３に到達する。フォトニック結晶層１３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１３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光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層１３によって位相が規定された光は、活性層１５内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層１３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。

このような現象は、活性層１５およびフォトニック結晶層１３が２次元的に広がりをもって形成されているので、ｎ型電極１９を中心にした領域およびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層１３の主面１１ａに垂直な方向（図１において矢印の方向）へ回折され、つまり基板１１の裏面１１ｂを光放出面として放出される。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａおよびその製造方法によれば、主面１１ａが極性面または半極性面であり、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を基板１１として用いている。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａには、構成するＩＩＩ族元素およびＶ族元素のうちの１種の元素が他の元素より多く並んでいる、または１種の元素のみが並んでいる。このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに相対的に多く存在していない元素（本実施の形態ではＡｓ）を相対的に多く含まない原料（本実施の形態ではＡｓ）を用いてフォトニック結晶層１３を形成すると、ＩＩＩ族原子とＶ族原子とが結合してなる２次元成長核（本実施の形態では主面１１ａに存在するＧａ原子と原料中に多く含まれないＡｓ原子とが結合してなるＧａＡｓよりなる２次元成長核）が形成されることが抑制される。つまり、基板１１の主面１１ａに垂直な方向の成長（垂直方向の成長）を抑制することができる。このため、基板１１の主面１１ａに沿った方向の成長、すなわちラテラル成長の速度を相対的に大きく向上することができる。したがって、結晶性の良好で、かつ低屈折率部１３ｂを保持したフォトニック結晶層１３を形成することができる。

また、フォトニック結晶層１３を形成する際に、融着法のような熱履歴、熱応力が加えられることを防止することができる。このため、活性層１５に歪み、応力などが加えられることを抑制でき、かつ不純物となる異種元素の熱拡散の発生を抑制することができる。したがって、活性層１５近傍（たとえば活性層１５とフォトニック結晶層１３との距離が０．５μｍ以内）にフォトニック結晶層１３を形成しても、活性層１５へのダメージを抑制することができる。

以上より、活性層１５近傍に微細な構造のフォトニック結晶層１３を結晶性を向上して形成できるので、フォトニック結晶面発光レーザ１０ａは以下の利点を有する。まず、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１６との間に活性層１５を形成できるので、キャリアを活性層１５内に閉じ込めて反転分布を起こさせ、かつ発光した光を活性層１５に閉じ込めて効率よくフィードバックすることができる。次に、フォトニック結晶層１３をｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１６との間、ｎ型クラッド層１２中、またはｐ型クラッド層１６中のいずれかに形成できるので、活性層１５からしみ出したエバネッセント光と２次元フォトニック結晶構造とを充分に光結合させることで、レーザ発振をすることができる。よって、たとえば０．６５〜１．５５μｍの波長の近赤外もしくは可視光のフォトニック結晶面発光レーザを信頼性を向上することができる。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂを概略的に示す断面図である。図１２を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂは、図１に示す実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザと基本的には同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３は、孔１３ｃの底部に形成されるとともに、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄをさらに有している点において異なる。

具体的には、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂは、高屈折率部１３ａに形成された孔１３ｃに保持されている空気である。膜１３ｄは、孔１３ｃの底部に形成され、かつ孔１３ｃを埋めない。つまり、この膜１３ｄと、ｎ型ガイド層１４と、高屈折率部１３ａとで囲まれる低屈折率部１３ｂには空気が充填されている。膜１３ｄは、高屈折率部１３ａと異なる材料であれば特に限定されないが、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などを用いることができる。

図１３〜図１６は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂの製造方法を説明するための断面図である。図１３〜図１６に示すように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂの製造方法は、実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法と基本的には同様の構成を備えているが、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄを、孔１３ｃの底部に形成する工程をさらに備えている点において異なる。

具体的には、まず、図５〜図８に示すように、実施の形態１と同様に、基板１１、ｎ型クラッド層１２およびフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａおよび孔１３ｃを形成する。

次に、図１３に示すように、レジスト２１を形成した状態で、孔１３ｃから露出しているｎ型クラッド層１２の表面およびレジスト２１の上に、膜１３ｄを形成する。膜１３ｄの形成方法は、特に限定されないが、たとえば蒸着法により形成することができる。

次に、図１４に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された膜１３ｄをリフトオフにより除去する。これにより、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄを、孔１３ｃの底部に形成することができる。

次に、実施の形態１と同様に、図１５に示すようにｎ型ガイド層１４を形成し、図１６に示すように活性層１５およびｐ型クラッド層１６を順に形成する。さらに、実施の形態１と同様に、図１２に示すように、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を順に形成する。

以上の工程を実施することにより、図１２に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂおよびその製造方法によれば、フォトニック結晶層１３は、孔１３ｃの底部に形成されるとともに、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄをさらに有している。これにより、孔１３ｃ底面からＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに垂直な方向の結晶成長をより効果的に抑制することができる。このため、低屈折率部１３ｂである孔１３ｃ内部の空気をより確実に保持することができる。したがって、信頼性をより一層向上したフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂを実現することができる。

（実施の形態３）
図１７は、本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。図１７に示すように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃは、基本的には実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａと同様の構成を備えているが、低屈折率部１３ｂが誘電体である点において異なっている。

具体的には、フォトニック結晶層１３は、低屈折率部１３ｂと、低屈折率部１３ｂを覆うように形成された高屈折率部１３ａとを有している。低屈折率部１３ｂは、誘電体であり、たとえば屈折率が１．４２の酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いることができる。

図１８〜図２２は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃの製造方法を説明するための断面図である。続いて、図１８〜図２２を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃの製造方法は、基本的には実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法と同様の構成を備えているが、誘電体からなる低屈折率部１３ｂを有するフォトニック結晶層１３を形成する点において異なる。

具体的には、図５に示すように、実施の形態１と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２を形成する。

次に、図１８に示すように、ｎ型クラッド層１２上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト２１を形成する。このレジスト２１においては、図１７に示したフォトニック結晶層１３の柱状の低屈折率部１３ｂが形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。この開口パターンの平面形状は低屈折率部１３ｂの平面形状と同様である。

次に、図１９に示すように、レジスト２１から露出しているｎ型クラッド層１２の表面およびレジスト２１の上に、低屈折率部１３ｂを形成する。低屈折率部１３ｂの形成方法は、特に限定されないが、たとえば蒸着法により形成することができる。

次に、図２０に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された低屈折率部１３ｂをリフトオフにより除去する。これにより、誘電体からなる低屈折率部１３ｂを形成することができる。

次に、図２１に示すように、低屈折率部１３ｂを埋め込むように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて半導体を結晶成長させることにより、低屈折率部１３ｂよりも屈折率の高い半導体からなる高屈折率部１３ａを形成する。具体的には、この工程では、実施の形態１におけるｎ型ガイド層を形成する工程と同様に、たとえば通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件でエピタキシャル成長する。すると、低屈折率部１３ｂの上部および側面からはＧａＡｓがエピタキシャル成長せず、露出しているｎ型クラッド層１２の表面からのみＧａＡｓが選択的にエピタキシャル成長する。

本実施の形態では、基板１１の主面１１ａがＧａ原子がより多く並んでいる極性面または半極性面上にｎ型クラッド層１２を形成している。このため、ｎ型クラッド層１２の成長面もＧａ原子がより多く並んでいる極性面または半極性面となる。そこで、この工程では、Ｇａ原子を有するガスとＡｓ原子を有するガスとを含む通常の原料ガスよりも、Ｇａ原子を有するガスをＡｓ原子を有するガスよりも多く含むガスを原料ガスとして用いる。これにより、Ａｓ原子のボンドを成長表面から少なくすることで、高屈折率部１３ａを構成するＧａ原子の捕獲が表面のＧａ原子層のステップやキンクのみにより生じるような成長状態にすることができる。このため、基板１１の主面１１ａに垂直な方向に結晶成長する２次元成長核の生成が抑制され、垂直方向の成長速度成分を小さくできる。したがって、ｎ型クラッド層１２からＧａＡｓ結晶をラテラル成長することにより、Ｇａ原子の成長表面での平均自由工程を大きくすることができるので、成長表面を平坦に維持しながら高屈折率部１３ａを形成することができる。

また、この工程では、通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも高温で、エピタキシャル成長することが好ましい。この場合、垂直方向の成長速度成分を効果的に小さくすることができるので、ラテラル成長の速度を相対的に大きくすることに寄与できる。

これにより、半導体よりなる高屈折率部１３ａと、誘電体よりなる低屈折率部１３ｂとを有するフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層１３を形成できる。

次に、図２２に示すように、フォトニック結晶層１３上にｎ型ガイド層１４を形成する。この工程では、実施の形態１と異なり、通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件で成長する。

次に、実施の形態１と同様に、図２２に示すように活性層１５およびｐ型クラッド層１６、図１７に示すようにｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成する。

以上の工程を実施することにより、図１７に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃおよびその製造方法によれば、誘電体層よりなる低屈折率部１３ｂを形成する工程と、低屈折率部１３ｂを埋め込むように、基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて半導体を結晶成長させることにより、低屈折率部１３ｂよりも屈折率の高い半導体からなる高屈折率部１３ａを形成する工程とを含んでいる。高屈折率部１３ａを形成する際に、基板１１の主面１１ａの垂直な方向の結晶成長を抑制できるので、成長面を平坦にして高屈折率部１３ａを成長することができる。これにより、高屈折率部１３ａに欠陥が導入されることを抑制できるので、高屈折率部１３ａの結晶性を向上することができる。このため、信頼性を向上したフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃを実現することができる。

（実施の形態４）
図２３は、本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄを概略的に示す断面図である。図２３に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄは、基本的には図１に示す実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａと同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３が活性層１５とｐ型クラッド層１６との間に形成されている点において主に異なる。

具体的には、フォトニック結晶面発光レーザ１０ｄは、基板１１と、基板１１上に形成されたｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２上に形成された活性層１５と、活性層１５上に形成されたｐ型ブロック層２４と、ｐ型ブロック層２４上に形成されたフォトニック結晶層１３と、フォトニック結晶層１３上に形成されたｐ型クラッド層１６と、ｐ型クラッド層１６上に形成されたｐ型コンタクト層１７と、ｐ型コンタクト層上に形成されたｐ型電極１８と、基板１１の裏面１１ｂ下に形成されたｎ型電極１９とを備えている。

本実施の形態における基板１１は、主面１１ａが（１１１）面から−５°以上５°以下であるＩｎＰ基板である。基板１１は、主面１１ａが（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であるＩｎＰ基板であることが好ましい。

なお、ＩｎＰ基板の（１１１）面は、Ｉｎ原子およびＰ原子のいずれか一方のみが並ぶ完全極性面である。言い換えると、（１１１）面は、Ｉｎ原子およびＰ原子のいずれか一方の原子が終端している面である。たとえばＩｎ原子のみが現れている面を（１１１）面となるように結晶方位をとると、Ｐ原子のみが現れている面は（−１−１−１）面となる。また、（１１１）Ａ面とは、Ｉｎ原子のみが現れている面である。

主面１１ａが（１１１）面の場合、Ｉｎ原子およびＰ原子のいずれか一方のみが表面に並ぶ。主面１１ａが（１１１）面から−５°以上５°以下の場合には、主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａの表面をＩｎ原子およびＰ原子のいずれか一方の原子のみが並ぶ面にできる。このため、この表面のいずれか一方の原子層ステップおよびキンクのみによりいずれか一方の原子を捕獲する成長状態してｐ型クラッド層１６を形成できるので、この主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂの形状を保持してｐ型クラッド層１６を形成できる。

主面１１ａが（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下の場合には、主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａの表面をＩｎ原子のみが並ぶ面にできる。このため、この表面のＩｎ原子層ステップおよびキンクのみによりＩｎ原子を捕獲する成長状態してｎ型ガイド層１４を形成できるので、この主面１１ａ上に形成されるフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂを保持してｐ型クラッド層１６を形成できる。

ｎ型クラッド層１２は、基板１１の主面１１ａ上に形成されている。ｎ型クラッド層１２は、たとえばｎ型ＩｎＰよりなっており、２μｍの厚みを有している。

活性層１５は、ｎ型クラッド層１２上に形成され、キャリアの注入により光を発光する。活性層１５は、たとえばアンドープＩｎＧａＡｓＰよりなるバリア層と、バリア層よりもバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓＰよりなる井戸層とが積層されたＭＱＷ構造により構成されている。なお、活性層１５は、単一の半導体材料よりなっていてもよい。

ｐ型ブロック層２４は、活性層１５上に形成されている。ｐ型ブロック層２４は、たとえばｐ型ＩｎＰよりなっており、０．１μｍの厚みを有している。

フォトニック結晶層１３は、基板１１の主面１１ａが延びる方向に沿って、ｐ型ブロック層２４上に形成されている。本実施の形態の高屈折率部１３ａを構成する材料は、屈折率が３．５のｎ型ＩｎＰからなっている。また低屈折率部１３ｂを構成する材料は、屈折率が１の空気からなっている。

ｐ型クラッド層１６は、フォトニック結晶層１３上に形成され、たとえばｐ型ＩｎＰよりなり、２μｍの厚みを有している。

ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型クラッド層１６上に形成され、たとえばｐ型ＩｎＧａＡｓよりなっている。

その他の構成については、実施の形態１とほぼ同様であるので、その説明は繰り返さない。

図２４〜図２８は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄの製造方法を説明するための断面図である。続いて、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄの製造方法について説明する。本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄの製造方法は、基本的には実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法と同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３を形成する工程を活性層１５を形成する工程とｐ型クラッド層１６を形成する工程との間に実施する点、および、主面１１ａが（１１１）面のＩｎＰ基板を基板１１として準備する点において主に異なる。

まず、図２４に示すように、基板１１を準備する。本実施の形態では、上述した基板１１を準備する。

次に、図２４に示すように、たとえばＭＯＣＶＤ法により、上述したｎ型クラッド層１２、活性層１５およびｐ型ブロック層２４をこの順に形成する。

次に、図２４〜図２８に示すように、ｐ型ブロック層２４上に、フォトニック結晶層１３を形成する。本実施の形態では、高屈折率部１３ａがＩｎＰであり、かつ低屈折率部１３ｂが空気であるフォトニック結晶層１３を形成している。具体的には、以下のような処理を行なう。

まず、図２４に示すように、高屈折率部１３ａとなるべき材料である半導体層１３ａ１をｐ型ブロック層２４上に形成する。その後、図２５に示すように、実施の形態１と同様に、半導体層１３ａ１上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト２１を形成する。このレジスト２１においては、図２３に示したフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂを構成する孔１３ｃが形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。次に、図２６に示すように、レジスト２１をマスクとして用いて、半導体層１３ａ１を部分的にエッチングにより除去することにより、凹部としての孔１３ｃを形成する。この後、図２７に示すように、レジスト２１を除去する。これにより、ＩｎＰからなる高屈折率部１３ａと、孔１３ｃで囲まれた空気よりなる低屈折率部１３ｂとを有するフォトニック結晶層１３を形成することができる。

次に、図２８に示すように、フォトニック結晶層１３上にｐ型クラッド層１６を形成する。この工程では、たとえば、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰよりなり、０．２μｍの厚みを有するｐ型クラッド層１６を形成する。ｐ型クラッド層１６を形成することにより、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂは孔１３ｃおよびｐ型クラッド層１６で取り囲まれる。

この工程では、実施の形態１と同様に、高屈折率部１３ａ上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて結晶成長させることにより、高屈折率部１３ａよりも屈折率の低い空気よりなる低屈折率部１３ｂを形成する。具体的には、この工程では、たとえば通常のＩｎＰのエピタキシャル成長（たとえばｎ型クラッド層１２、ｐ型ブロック層２４などのＩｎＰよりなる層の成長）の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、すなわち、たとえばホスフィン（ＰＨ₃）ガスが多い条件で、エピタキシャル成長する。すると、孔１３ｃの下部（孔１３ｃから露出しているｐ型ブロック層２４）や孔１３ｃの側面からはエピタキシャル成長せず、高屈折率部１３ａの表面からのみＩｎＰが選択的にエピタキシャル成長する。

本実施の形態では、基板１１の主面１１ａがＩｎ原子のみが並んでいる完全極性面上にｐ型ブロック層２４およびフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａを形成している。このため、ｐ型ブロック層２４および高屈折率部１３ａの成長面もＩｎ原子のみが並んでいる完全極性面となる。そこで、この工程では、Ｉｎ原子を有するガスとＰ原子を有するガスとを含む通常の原料ガスよりも、Ｉｎ原子を有するガスをＰ原子を有するガスよりも多く含むガスを原料ガスとして用いる。これにより、Ｐ原子のボンドを成長表面からなくすことで、ｐ型クラッド層１６を構成するＩｎ原子の捕獲が表面のＩｎ原子層のステップやキンクのみにより生じるような成長状態にすることができる。このため、基板１１の主面１１ａに垂直な方向に結晶成長する２次元成長核の生成が抑制され、垂直方向の成長速度成分を小さくできる。したがって、高屈折率部１３ａからＩｎＰ結晶をラテラル成長することにより、Ｉｎ原子の成長表面での平均自由工程を大きくすることができるので、孔１３ｃを保持しながらｐ型クラッド層１６を形成することができる。

また、この工程では、通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりも高温で、エピタキシャル成長することが好ましい。この場合、垂直方向の成長速度成分を効果的に小さくすることができるので、ラテラル成長の速度を相対的に大きくすることに寄与できる。

次に、実施の形態１と同様に、図２３に示すように、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成する。

以上の工程を実施することにより、図２３に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄおよびその製造方法によれば、主面１１ａが（１１１）面から−５°以上５°以下であるＩｎＰ基板を基板１１として用いている。これにより、基板１１の主面１１ａにはＩｎ原子またはＰ原子のみが並んでいる。このため、この面またはこの面から微傾斜した面上に、主面１１ａに並んでいない方の原子を相対的に少なく含む材料を用いてフォトニック結晶層１３上に接して設けられる層（ｐ型クラッド層１６）を形成することによりフォトニック結晶層１３を形成すると、Ｉｎ原子とＰ原子とが結合してなる２次元成長核が形成されることを効果的に抑制することができる。したがって、孔１３ｃの内部の空気を保持してフォトニック結晶層１３上に接して設けられる層を形成できるので、信頼性をより向上したフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄを実現することができる。

（実施の形態５）
図２９は、本発明の実施の形態５のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅを概略的に示す断面図である。図２９を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅは、基本的には図２３に示す実施の形態４のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄと同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３は、孔１３ｃの底部に形成されるとともに、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄをさらに有している点において異なる。

また、図２９を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅは、基本的には図１２に示す実施の形態２のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂと同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３が活性層１５とｐ型クラッド層１６との間に形成されている点において異なる。具体的には、フォトニック結晶面発光レーザ１０ｅは、高屈折率部１３ａと、空気よりなる低屈折率部１３ｂと、膜１３ｄとを有するフォトニック結晶層１３を備えている。膜１３ｄは、実施の形態２と同様である。

その他の構成は、実施の形態２または４とほぼ同一であるので、その説明は繰り返さない。

図３０〜図３２は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅの製造方法を説明するための断面図である。図３０〜図３２に示すように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅの製造方法は、実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄの製造方法と基本的には同様の構成を備えているが、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄを、孔１３ｃの底部に形成する工程をさらに備えている点において異なる。また本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅの製造方法は、実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂの製造方法と同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３を形成する工程を活性層１５を形成する工程とｐ型クラッド層１６を形成する工程との間に実施する点において異なる。

具体的には、まず、図２４〜図２６に示すように、実施の形態１と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２、活性層１５、ｐ型ブロック層２４、およびフォトニック結晶層１３の高屈折率部１３ａおよび孔１３ｃを形成する。その後、図３０に示すように、レジスト２１を形成した状態で、孔１３ｃから露出しているｐ型ブロック層２４の表面およびレジスト２１の上に、膜１３ｄを形成する。次に、図３１に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された膜１３ｄをリフトオフにより除去する。次いで、図３２に示すように、実施の形態４と同様に、高屈折率部１３ａ上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素（本実施の形態ではＩｎ）を相対的に多く含む原料を用いて結晶成長させることにより、高屈折率部１３ａよりも屈折率の低い空気よりなる低屈折率部１３ｂを形成するとともにｐ型クラッド層１６を形成する。

次に、実施の形態１と同様に、図２９に示すように、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成する。

以上の工程を実施することにより、図２９に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅおよびその製造方法によれば、フォトニック結晶層１３は、孔１３ｃの底部に形成されるとともに、高屈折率部１３ａと異なる材料の膜１３ｄをさらに有している。これにより、孔１３ｃ底面から基板１１の主面１１ａに垂直な方向の結晶成長をより効果的に抑制することができる。このため、低屈折率部１３ｂである孔１３ｃ内部の空気をより確実に保持することができる。したがって、信頼性をより一層向上したフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅを実現することができる。

（実施の形態６）
図３３は、本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆを概略的に示す断面図である。図３３に示すように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆは、基本的には図２３に示す実施の形態４のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄと同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂが誘電体である点において異なっている。また、図３３を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅは、基本的には図１７に示す実施の形態３のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃと同様の構成を備えているが、フォトニック結晶層１３が活性層１５とｐ型クラッド層１６との間に形成されている点において異なる。

具体的には、フォトニック結晶層１３は、誘電体からなる低屈折率部１３ｂと、低屈折率部１３ｂを覆うように形成され、かつＩｎＰからなる高屈折率部１３ａとを有している。

その他の構成については、実施の形態３または４とほぼ同様であるので、その説明は繰り返さない。

図３４〜図３８は、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆの製造方法を説明するための断面図である。続いて、図３４〜図３８を参照して、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆの製造方法は、基本的には実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法と同様の構成を備えているが、誘電体からなる低屈折率部１３ｂを有するフォトニック結晶層１３を形成する点において異なる。

具体的には、図３４に示すように、実施の形態４と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２、活性層１５およびｐ型ブロック層２４を形成する。

次に、図３５に示すように、ｐ型ブロック層２４上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト２１を形成する。このレジスト２１においては、図３３に示したフォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂが形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。

次に、図３６に示すように、レジスト２１から露出しているｐ型ブロック層２４の表面およびレジスト２１の上に、低屈折率部１３ｂを形成する。次に、図３７に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された低屈折率部１３ｂをリフトオフにより除去する。これにより、誘電体からなる低屈折率部１３ｂを形成することができる。

次に、図３８に示すように、低屈折率部１３ｂを埋め込むように、ＩｎＰよりなる基板１１の主面１１ａに並ぶ１種類の元素（本実施の形態ではＩｎ）を相対的に多く含む原料を用いてＩｎＰを結晶成長させることにより、低屈折率部１３ｂよりも屈折率の高いＩｎＰからなる高屈折率部１３ａを形成する。具体的には、この工程では、実施の形態１におけるｎ型ガイド層を形成する工程と同様に、たとえば通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件でエピタキシャル成長する。すると、低屈折率部１３ｂの上部や側面からはエピタキシャル成長せず、露出しているｐ型ブロック層２４の表面からのみＩｎＰが選択的にエピタキシャル成長する。

本実施の形態では、基板１１の主面１１ａがＩｎ原子のみが並んでいる完全極性面上にｐ型ブロック層２４を形成している。このため、ｐ型ブロック層２４の成長面もＩｎ原子のみが並んでいる完全極性面となる。そこで、この工程ではＩｎ原子を有するガスとＰ原子を有するガスとを含む通常の原料ガスよりも、Ｉｎ原子を有するガスをＰ原子を有するガスよりも多く含むガスを原料ガスとして用いる。これにより、Ｐ原子のボンドを成長表面からなくすことで、高屈折率部１３ａを構成するＩｎ原子の捕獲が表面のＩｎ原子層のステップやキンクのみにより生じるような成長状態にすることができる。このため、基板１１の主面１１ａに垂直な方向に結晶成長する２次元成長核の生成が抑制され、垂直方向の成長速度成分を小さくできる。したがって、ｐ型ブロック層２４からＩｎＰ結晶をラテラル成長することにより、Ｉｎ原子の成長表面での平均自由工程を大きくすることができるので、成長表面を平坦に維持しながら高屈折率部１３ａを形成することができる。

これにより、ＩｎＰよりなる高屈折率部１３ａと、誘電体よりなる低屈折率部１３ｂとを有するフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層１３を形成できる。

次に、図３３に示すように、フォトニック結晶層１３上にｎ型クラッド層１６を形成する。この工程では、実施の形態１と異なり、通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件で成長する。

次に、実施の形態１と同様に、図３３に示すようにｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成する。

以上の工程を実施することにより、図３３に示すフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆを製造することができる。

以上説明したように、本実施の形態におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆおよびその製造方法によれば、誘電体層よりなる低屈折率部１３ｂと、ＩｎＰからなる高屈折率部１３ａとを有するフォトニック結晶層１３を備えている。高屈折率部１３ａを形成する際に、基板１１の主面１１ａの垂直な方向の結晶性を抑制できるので、成長面を平坦にして高屈折率部１３ａを成長することができる。これにより、良好な結晶性の高屈折率部１３ａを形成することができる。このため、信頼性を向上したフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆを実現することができる。

なお、上述した実施の形態１〜６では、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板を例に挙げて説明したが、特にこれに限定されない。なお、本明細書において、「ＩＩＩ族」および「Ｖ族」とは、旧ＩＵＰＡＣ（The International Union of Pure and Applied Chemistry）方式のＩＩＩＢ族およびＶＢ族を意味する。すなわち、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体とは、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴＩ（タリウム）の少なくとも１つの原子と、ＡｓまたはＰとを含む半導体を意味する。

また、実施の形態１〜３のＧａＡｓ系のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａ〜１０ｃではｎ型クラッド層１２と活性層１５との間にフォトニック結晶層１３を配置し、実施例４〜６のＩｎＰ系のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄ〜１０ｆでは活性層１５とｐ型クラッド層１６との間にフォトニック結晶層１３を配置しているが、特にこれに限定されない。フォトニック結晶層１３は、材料に関わらず、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１６との間、ｎ型クラッド層１２中、またはｐ型クラッド層１６中に形成されていればよい。

また、フォトニック結晶層１３は、半導体からなる高屈折率部１３ａと、空気および誘電体の少なくとも一方からなる低屈折率部１３ｂとを有する構造を例に挙げて説明したが、特にこれに限定されない。高屈折率部１３ａおよび低屈折率部１３ｂは、屈折率に差があればよく、互いに異なる材料の半導体からなっていてもよい。

本実施例では、極性面または半極性面である主面１１ａと主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを含み、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１を備えることの効果について調べた。

（実施例１）
実施例１のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａは、図１〜図１１に示す実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ａの製造方法に従って製造した。

具体的には、まず、図６に示すように、主面１１ａが（１１１）Ａ面であるｎ型ＧａＡｓ基板を基板１１として準備した。この主面１１ａは、Ｇａ原子のみが並んでいる面であった。

次に、図６に示すように、ＭＯＣＶＤ法により基板１１の主面１１ａ上にｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓよりなるｎ型クラッド層１２を形成した。

次に、図６に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型クラッド層１２上に、高屈折率部１３ａとなるべき半導体層１３ａ１を形成した。半導体層１３ａ１は、ＧａＡｓよりなり、０．１μｍの厚さを有していた。なお、ｎ型クラッド層１２および半導体層１３ａ１は、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２０以上で、成長温度が６００℃である通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件で成長した。

その後、ＭＯＣＶＤ装置からこの積層体を取り出し、半導体層１３ａ１上に電子ビームリソグラフィにより低屈折率部１３ｂを構成する孔１３ｃが形成されるべき領域上に開口パターンを有するレジスト２１を形成した。開口パターンは、直径が１４０ｎｍの円形の開口部を有し、開口部の中心間を結ぶ距離であるピッチが３３５ｎｍの三角格子であった。

次に、図８に示すように、レジスト２１をマスクとして用いて、ドライエッチングにより半導体層１３ａ１を０．１μｍ掘って、孔１３ｃを形成した。この後、図９に示すように、レジスト２１を除去した。

次に、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２〜３と通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも低くし、かつ成長温度を６８０℃と通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも高くして、フォトニック結晶層１３上にｎ型ガイド層１４を形成した。ｎ型ガイド層１４は、ｎ型ＧａＡｓよりなり、０．１μｍの厚みを有していた。ｎ型ガイド層１４を形成することにより、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂの充填率は１５％であった。

次に、図１１に示すように、ｎ型ガイド層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によりアンドープＧａＡｓよりなるバリア層と、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓよりなる井戸層とを含む多重量子井戸構造の活性層１５を形成した。次に、図１１に示すように、活性層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓよりなり、１μｍの厚みを有するｐ型クラッド層を形成した。次に、図１に示すように、ｐ型クラッド層１６上に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＡｓよりなるｐ型コンタクト層１７を形成した。これらの工程では、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２０以上で、成長温度が６００℃である通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件にした。

次に、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１７に、蒸着法により、ＡｕとＺｎとＡｕとをこの順で蒸着して、合金化のための熱処理を施して、５０μｍ四方の矩形のｐ型電極１８を形成した。

次に、基板１１の裏面１１ｂに、蒸着法により、Ａｕ−ＧｅとＮｉとＡｕとを順に蒸着法により積層して、合金化のための熱処理を施して、ｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することによって、図１に示す実施例１のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａを製造した。

（実施例２）
実施例２のフォトニック結晶面発光レーザは、図１２〜図１６に示す実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂの製造方法に従って製造した。

具体的には、実施例１と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２、半導体層１３ａ１および孔１３ｃを形成した。

その後、図１３に示すように、レジスト２１を形成した状態で、孔１３ｃから露出しているｎ型クラッド層１２の表面およびレジスト２１の上に、ＳｉＯ₂よりなり、１０ｎｍの厚みを有する膜１３ｄを蒸着法により形成した。次いで、図１４に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された膜１３ｄをリフトオフにより除去した。

次に、実施例１と同様に、図１５に示すようにｎ型ガイド層１４を形成し、図１６に示すように活性層１５およびｐ型クラッド層１６を形成した。さらに、実施例１と同様に、図１２に示すように、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することによって、図１２に示す実施例２のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｂを製造した。

（実施例３）
実施例３のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図１７〜図２２に示す実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃの製造方法に従って製造した。

具体的には、図５に示すように、実施例１と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２を形成した。

次に、図１８に示すように、ＭＯＣＶＤ装置からこの積層体を取り出し、ｎ型クラッド層１２上に電子ビームリソグラフィにより低屈折率部１３ｂが形成されるべき領域上に開口パターンを有するレジストを形成した。

次に、図１９に示すように、レジスト２１から露出しているｎ型クラッド層１２の表面およびレジスト２１の上に、蒸着法により０．１μｍの厚みを有するＳｉＯ₂を低屈折率部１３ｂとして形成した。

次に、図２０に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された低屈折率部１３ｂをリフトオフにより除去した。

次に、図２１に示すように、低屈折率部１３ｂを埋め込むように、基板１１の主面１１ａに並ぶＧａを相対的に多く含む原料を用いてＧａＡｓを結晶成長させることにより、低屈折率部１３ｂよりも屈折率の高いＧａＡｓからなる高屈折率部１３ａを形成した。より具体的には、ＭＯＣＶＤ法により、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２〜３と通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも低くし、かつ成長温度を６８０℃と通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件よりも高くして、０．２μｍの厚みを有する高屈折率部１３ａを形成した。

次に、図２２に示すように、通常のＧａＡｓのエピタキシャル成長の条件で、フォトニック結晶層１３上にｎ型ガイド層１４を形成した。次に、実施例１と同様に、図２２に示すように活性層１５およびｐ型クラッド層１６、図１７に示すようにｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することにより、図１７に示す実施例３におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｃを製造した。

（実施例４）
実施例４のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図２３〜図２８に示す実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄの製造方法に従って製造した。

具体的には、まず、主面１１ａが（１１１）Ａ面から（０１１）方向へ２°傾斜したｎ型ＩｎＰ基板を基板１１として準備した。この主面１１ａは、ほぼＩｎ原子のみが並んでいる完全極性面であった。

次に、図２４に示すように、ＭＯＣＶＤ法により基板１１の主面１１ａ上にｎ型ＩｎＰよりなるｎ型クラッド層１２を形成した。

次に、図２４に示すように、ｎ型クラッド層１２上に、ＭＯＣＶＤ法によりアンドープＩｎ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ_0.1Ｐ_0.9よりなるバリア層と、Ｉｎ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ_0.85Ｐ_0.15よりなる井戸層とを含む多重量子井戸構造の活性層１５を形成した。次に、活性層１５上に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰよりなり、０．１μｎの厚みを有するｐ型ブロック層２４を形成した。次に、ｐ型ブロック層２４上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＩｎＰよりなり、０．２μｍの厚みを有する半導体層１３ａ１を形成した。これらの工程では、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２０以上で、成長温度が５８０℃である通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件にした。

その後、ＭＯＣＶＤ装置からこの積層体を取り出し、半導体層１３ａ１上に電子ビームリソグラフィにより低屈折率部１３ｂを構成する孔１３ｃが形成されるべき領域上に開口パターンを有するレジスト２１を形成した。開口パターンは、直径が２３０ｎｍの円形の開口部を有し、開口部の中心間を結ぶ距離であるピッチが３００ｎｍの三角格子であった。

次に、図２６に示すように、レジスト２１をマスクとして用いて、ドライエッチングにより半導体層１３ａ１を０．２μｍ掘って、孔１３ｃを形成した。この後、図２７に示すように、レジスト２１を除去した。

次に、図２８に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２〜３と通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりも低くし、かつ成長温度を７２０℃と通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりも高くして、フォトニック結晶層１３上にｐ型クラッド層１６を形成した。ｐ型クラッド層１６は、ｎ型ＩｎＰよりなり、０．２μｍの厚みを有していた。ｐ型クラッド層１６を形成することにより、フォトニック結晶層１３の低屈折率部１３ｂの充填率は１５％であった。

次に、図２３に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ｎよりなるｐ型コンタクト層１７を形成した。次に、実施例１と同様に、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することにより、図２３に示す実施例４のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄを製造した。

（実施例５）
実施例５のフォトニック結晶面発光レーザは、図２９〜図３２に示す実施の形態５におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅの製造方法に従って製造した。

具体的には、実施例４と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２、活性層１５、ｐ型ブロック層２４、半導体層１３ａ１および孔１３ｃを形成した。

その後、図３０に示すように、レジスト２１を形成した状態で、孔１３ｃから露出しているｐ型ブロック層２４の表面およびレジスト２１の上に、ＳｉＯ₂よりなり、１０ｎｍの厚みを有する膜１３ｄを蒸着法により形成した。次いで、図３１に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された膜１３ｄをリフトオフにより除去した。

次に、実施例４と同様に、図３２に示すようにｐ型クラッド層１６を形成し、図３３に示すようにｐ型コンタクト層１７を形成した。さらに、実施例４と同様に、図２９に示すように、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することによって、図２９に示す実施例５のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｅを製造した。

（実施例６）
実施例６のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、図３３〜図３８に示す実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆの製造方法に従って製造した。

具体的には、図３４に示すように、実施例４と同様に、基板１１を準備し、ｎ型クラッド層１２、活性層１５およびｐ型ブロック層２４を形成した。

次に、図３５に示すように、ＭＯＣＶＤ装置からこの積層体を取り出し、ｐ型ブロック層２４上に電子ビームリソグラフィにより低屈折率部１３ｂが形成されるべき領域上に開口パターンを有するレジストを形成した。

次に、図３６に示すように、レジスト２１から露出しているｐ型ブロック層２４の表面およびレジスト２１の上に、蒸着法により０．２μｍの厚みを有するＳｉＯ₂を低屈折率部１３ｂとして形成した。

次に、図３７に示すように、レジスト２１およびレジスト２１上に形成された低屈折率部１３ｂをリフトオフにより除去した。

次に、図３８に示すように、低屈折率部１３ｂを埋め込むように、基板１１の主面１１ａに並ぶＩｎを相対的に多く含む原料を用いてＩｎＰを結晶成長させることにより、低屈折率部１３ｂよりも屈折率の高いＩｎＰからなる高屈折率部１３ａを形成した。より具体的には、ＭＯＣＶＤ法により、Ｖ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比が２〜３と通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりも低くし、かつ成長温度を７２０℃と通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件よりも高くして、０．３μｍの厚みを有する高屈折率部１３ａを形成した。

次に、図３３に示すように、通常のＩｎＰのエピタキシャル成長の条件で、フォトニック結晶層１３上にｐ型クラッド層１６を形成した。次に、実施例４と同様に、図３４に示すようにｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８およびｎ型電極１９を形成した。

以上の工程を実施することにより、図３３に示す実施例６におけるフォトニック結晶面発光レーザ１０ｆを製造した。

（実施例７）
実施例７のフォトニック結晶面発光レーザは、基本的には実施例１のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａと同様に製造したが、主面１１ａが半極性面の（３１１）面であるｎ型ＧａＡｓ基板を用いた点においてのみ異なっていた。

（実施例８）
実施例８のフォトニック結晶面発光レーザは、基本的には実施例１のフォトニック面発光レーザ１０ａと同様に製造したが、主面１１ａが半極性面の（５１１）面であるｎ型ＧａＡｓ基板を用いた点においてのみ異なっていた。

（比較例１）
比較例１のフォトニック結晶面発光レーザは、基本的には実施例１のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａと同様に製造したが、主面１１ａが無極性面である（１００）面であるｎ型ＧａＡｓ基板を用いた点においてのみ異なっていた。

（比較例２）
比較例２のフォトニック結晶面発光レーザは、基本的には実施例１のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａと同様に製造したが、主面１１ａが無極性面の（０１１）面であるｎ型ＧａＡｓ基板を用いた点においてのみ異なっていた。

（評価結果）
実施例１〜３のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａ〜１０ｃについて、電流を流して、基板１１の裏面１１ｂから観察した結果、いずれも閾値電流密度が１．５ｋＡ／ｃｍ²にて室温発振を達成した。また、実施例１〜３のフォトニック結晶面発光レーザ１０ａ〜１０ｃの発振波長は、９８０ｎｍの単一波長であった。さらに、遠視野像（ＦＦＰ）を見ると基板１１の裏面１１ｂと主直な方向に放射角が１．５度でドーナツ状のパターンとなり、シングルモードであることがわかった。

また実施例４〜６のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄ〜１０ｆについて、電流を流して、基板１１の裏面１１ｂから観察した結果、いずれも閾値電流密度が２．０ｋＡ／ｃｍ²にて室温発振を達成した。また、実施例４〜６のフォトニック結晶面発光レーザ１０ｄ〜１０ｆの発振波長は、いわゆるＣバンド帯に相当する１５５０ｎｍの単一波長であった。さらに、遠視野像（ＦＦＰ）を見ると基板１１の裏面１１ｂと主直な方向に放射角が１．０度でドーナツ状のパターンとなり、シングルモードであることがわかった。

また、複数の面方位のＧａＡｓ基板上に作製した実施例７、８、比較例１、２について、その特性を比較した。半極性面が主表面１１ａである基板１１を用いた実施例７および８では、一部の形状変形はあるものの、空気孔が保持できていることが判明した。一方、無極性面が主表面１１ａである基板１１を用いた比較例１および２では、ＭＯＣＶＤ法の再成長後の表面は微小な凹凸だらけであり、空気孔を保持することができていないことが判明した。

また、実施例７および８について、電流を流して、基板１１の裏面１１ｂから観察した結果、閾値電流密度はそれぞれ３．０ｋＡ／ｃｍ²、５．０ｋＡ／ｃｍ²にて室温発振を達成し、さらにＦＦＰから、シングルモード発振であることがわかった。一方、比較例１および２のフォトニック結晶面発光レーザは、レーザ発振が全く起こらなかった。

以上より、本実施例によれば、極性面または半極性面である主面１１ａと主面１１ａと反対側の裏面１１ｂとを含み、Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる基板１１を備えることにより、フォトニック結晶層を結晶性を向上して製造できたので、シングルモードでレーザ発振ができることを確認した。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、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実施の形態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。

本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 図１における上方（図１において上側）から見たときの平面図である。 図１における下方（図１において下側）から見たときの平面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２のフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 本実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本実施の形態２におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態５のフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態５におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態５におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態５におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザを概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態６におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための断面図である。 特許文献１に開示のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための斜視図である。 特許文献１に開示のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための斜視図である。 特許文献１に開示のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明するための斜視図である。 Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が空気であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。 Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が空気であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。 Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が誘電体であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。 Ｖ族元素としてＰまたはＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いて低屈折率部が誘電体であるフォトニック結晶層を形成する従来の方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ フォトニック結晶面発光レーザ、１１ 基板、１１ａ 主面、１１ｂ 裏面、１２ ｎ型クラッド層、１２ ｎ型ブロック層、１３ フォトニック結晶層、１３ａ 高屈折率部、１３ａ１ 半導体層、１３ｂ 低屈折率部、１３ｃ 孔、１３ｄ 膜、１４ ｎ型ガイド層、１５ 活性層、１６ ｐ型クラッド層、１７ ｐ型コンタクト層、１８ ｐ型電極、１９ ｎ型電極、２１ レジスト、２４ ｐ型ブロック層。

Claims (7)

1. 極性面または半極性面である主面と前記主面と反対側の裏面とを含み、Ｖ族元素としてリンまたは砒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板と、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の前記主面上に形成された第１導電型のクラッド層と、
   前記第１導電型のクラッド層上に形成され、光を発生する発光層と、
   前記発光層上に形成された第２導電型のクラッド層と、
   前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との間、前記第１導電型のクラッド層中、または前記第２導電型のクラッド層中のいずれかに形成されるとともに、フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層とを備えた、フォトニック結晶面発光レーザ。
2. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、前記主面が（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であるガリウム砒素基板、または前記主面が（１１１）Ａ面から−５°以上５°以下であるインジウムリン基板である、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
3. 前記フォトニック結晶層は、低屈折率部と、前記低屈折率部の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部とを有し、
   前記高屈折率部は、半導体からなり、
   前記低屈折率部は、空気および誘電体の少なくとも一方である、請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
4. 前記低屈折率部は、前記高屈折率部に形成された孔に充填された空気であり、
   前記フォトニック結晶層は、前記孔の底部に形成されるとともに、前記高屈折率部と異なる材料の膜をさらに有する、請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
5. 極性面または半極性面である主面と前記主面と反対側の裏面とを含み、Ｖ族元素としてリンまたは砒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を準備する工程と、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の前記主面上に第１導電型のクラッド層を形成する工程と、
   前記第１導電型のクラッド層上に、光を発生する発光層を形成する工程と、
   前記発光層上に第２導電型のクラッド層を形成する工程と、
   前記第１導電型のクラッド層と前記第２導電型のクラッド層との間、前記第１導電型のクラッド層中、または前記第２導電型のクラッド層中のいずれかに、フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層を形成する工程とを備えた、フォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
6. 前記フォトニック結晶層を形成する工程は、
   半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層をエッチングすることにより、半導体からなる高屈折率部を形成する工程と、
   前記高屈折率部上に、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の前記主面に相対的に多く並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて結晶成長させることにより、前記高屈折率部よりも屈折率の低い空気よりなる低屈折率部を形成する工程とを含む、請求項５に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
7. 前記フォトニック結晶層を形成する工程は、
   誘電体層よりなる低屈折率部を形成する工程と、
   前記低屈折率部を埋め込むように、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の前記主面に相対的に多く並ぶ１種類の元素を相対的に多く含む原料を用いて半導体を結晶成長させることにより、前記低屈折率部よりも屈折率の高い半導体からなる高屈折率部を形成する工程とを含む、請求項５に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。

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