JP4250257B2 - 半導体近接場光源、及びその製造方法 - Google Patents
半導体近接場光源、及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高分解顕微鏡や超高分解フォトリソグラフィなどに用いることができる半導体近接場光源の構造、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用して波長以下の分解能で測定及び加工を可能にする近接場光学系及びその応用システムが、近年、活発に提案されている。
【０００３】
これらに用いられる近接場光発生装置は幾つかの例がある。例えば、ファイバプローブ（Ｓ． Ｍｏｎｏｎｏｂｅ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３６， １４９６（１９９７））は、コアにＧｅＯ２を分布を持たせドーピングした石英ファイバを選択的にエッチングして、微小突起及び微小開口を形成するものである。極めて細い開口のピンホールが作製できるだけでなく、不純物分布を制御することで多段テーパ構造にできることから、微小開口近傍の光強度の減衰率を小さくすることが出来る。よって、近接場発生効率を高くすることが出来る。
【０００４】
反面、生産性が低く、特に、今後多くのアプリケーションで必須と思われるアレイ化に対しては適していないことや、開口形状に自由度が少ないなど、将来的には問題が多い。
【０００５】
また、半導体プロセスを用いてアレイ化を考慮した例として、特開平５−１００１６８号公報に開示されたもの（図９参照）がある。この文献には、「面発光レーザの活性層８０５上に電極中央部にホトリソグラフィにより形成された波長同等以下のピンホール８１３が開けられており、このピンホールからエバネッセント光が放射される」と記載されているのみで、具体的なデバイス構造や製作方法については記載されていない。また、効率良く近接場光を取り出す方法も述べられていないため、現実的な構成とはいえない。尚、図９において、８０１はレーザ基板、８０２はバッファ層、８０３は半導体多層膜ミラー、８０４、８０８、８０９は電流狭窄用半導体層、８０６はクラッド層、８０７はコンタクト層、８１０は絶縁層、８１２はレーザ電極である。
【０００６】
よって、本発明の目的は、高効率で、アレイ化可能で、作製の容易な半導体近接場光源の構造、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の半導体近接場光源は、化合物半導体基板表面の正三角形の基板露出面上に、その露出面を１面として有する三角錐構造の化合物半導体層が積層され、該三角錐構造が、層厚方向に積層された一対の半導体多層膜反射鏡及び活性層を少なくとも含む面発光レーザ構造を有し、該三角錐構造の頂点近傍に該面発光レーザの発振波長オーダ以下の微小開口が形成され、該面発光レーザの発振光が該微小開口に導かれて近接場光を発生することを特徴とする。
【０００８】
この基本構成に基づいて下記の如き態様が可能である。
前記化合物半導体基板は（１１１）面を有する化合物半導体基板であり、前記三角錐構造は、該化合物半導体基板表面上に選択成長マスクとして形成された正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を用いて該基板露出面上に選択的に形成されたものである。このとき、前記正三角形の基板露出面の１辺が〈−１１０〉方向に沿う様に設定されている。
【０００９】
また、前記面発光レーザ構造は、ＩＩＩ−ＶＮ材料（ＩＩＩ族及びＶ族からなる化合物半導体材料のうち、Ｖ族材料としてＮ（窒素）を含むものを本明細書ではこう表記する）を含む活性層を有する。この効果については、後述の実施例の説明中に述べられている。
【００１０】
前記三角錐構造は、前記微小開口を除いて、電極と光シールド膜を兼ねる金属膜で覆われている。この効果についても、後述の実施例の説明中に述べられている。
【００１１】
前記微小開口は以下の様な方法で作製され得る。
第１に、前記微小開口は、前記三角錐構造を頂点まで完全に形成した後、この頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチング、収束イオンビームなどで頂点付近の金属及び半導体を除去して形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第１実施例参照）。
【００１２】
第２に、前記微小開口は、前記三角錐構造を頂点まで完全に形成した後、この頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチング、収束イオンビームなどで頂点付近の金属及び半導体を除去して発振波長オーダ程度或は以上の開口部を形成した後、塩素などのエッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで前記開口部に形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第２実施例参照）。
【００１３】
第３に、前記微小開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、発振波長オーダ以下の微小開口を開けてから、該微小開口を含む頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチングなどにより頂点付近のみ該金属を除去して前記微小開口を露出させることで形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第３実施例参照）。
【００１４】
また、前記微小開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、発振波長オーダ以下の微小開口を開けてから、該微小開口を含む頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、塩素などのエッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで頂点付近のみ該金属を除去して前記微小開口を露出させることで形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第３実施例参照）。
【００１５】
更に、上記目的を達成する本発明の半導体近接場光源の製造方法は、（１１１）面を有する化合物半導体基板表面上に正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を形成する工程と、該誘電体膜を選択成長マスクとして用いることで、一対の半導体多層膜反射鏡及びそれに挟まれた活性層を少なくとも含む面発光レーザ構造を結晶成長して前記基板露出面上にのみ三角錐構造を選択的に形成する工程と、該三角錐構造の頂点近傍に面発光レーザの発振波長オーダ以下の微小開口を作製する工程を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体近接場光源の製造方法においても、この基本構成に基づいて下記の如き態様が可能である。
前記正三角形の基板露出面の１辺が〈−１１０〉方向に沿う様に設定される。前記活性層は、ＩＩＩ−ＶＮ材料を含んで成膜される。前記三角錐構造を、電極と光シールド膜を兼ねる金属膜で覆う工程を有する。また、前記微小開口は上記の如き方法で作製され得る。
【００１７】
更に、上記目的を達成する本発明の近接場光学システムは、同一平面上にアレイ化された上記の半導体近接場光源、及び該半導体近接場光源が独立或はマトリクス駆動可能になる様に形成された電極を有し、該半導体近接場光源アレイに近接配置した被加工物に対し、高密度に且つ高速に加工、露光、記録或は読み取りなどの作業を行うことを特徴としたり、曲面形状の基板に接合（接着材を用いないで圧着される）或は接着（接着材を用いる）されたアレイ化された上記の半導体近接場光源、及び該半導体近接場光源が独立或はマトリクス駆動可能になる様に形成された電極を有し、該半導体近接場光源アレイに近接配置した曲面を有する被加工物に対し、高密度に且つ高速に加工、露光、記録或は読み取りなどの作業を行うことを特徴とする。
【００１８】
【作用】
本発明は、典型的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が成長条件によって大幅に成長速度の面方位依存性が大きくなることを利用し、面発光レーザと微小開口をほぼ同時に化合物半導体で作製するものである。図１は面発光レーザと微小開口の関係を模式的に示したものである。化合物半導体基板１１上に、選択成長マスクを介して、層面に垂直な方向に面発光レーザ１２の層構成を成長すると、基板温度とＶ族、ＩＩＩ族ソースなどの結晶成長条件で成長速度の面方位依存性を利用することにより、正三角形で囲まれた三角錐構造になる。三角錐構造の面発光レーザは、頂点付近に光が集中するため、頂点付近に微小開口１３を作製すれば極めて高効率の近接場発生光源が実現できる。微小開口１３はドライエッチングなどでも作製できるが、微小開口位置を発振ビームでセルフアライン方式で特定できれば、さらに高効率で近接場光が発生できる。
【００１９】
面発光レーザの作製プロセスによれば、２次元アレイ化が容易なため、平面に高密度に近接場光源を配置できる。また、エピタキシャルリフトオフ等のプロセスを適用すれば、曲面にも近接場光源をアレイ化して配置できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【００２１】
［第１実施例］
第１実施例は、正三角錐状に半導体層を成長してから頂点部に微小開口を作る例に係る。図１は本発明の第１の実施例を説明する模式的斜視図である。図１において、１１は基板であり、１２は基板１１上に積層された正三角錐形状の面発光レーザであり、１３はその頂点部に形成された微小開口１３である。図２は製造工程を説明する図である。
【００２２】
図２に沿って作製方法を説明しつつ構造について説明する。
ＭＯＣＶＤやＣＢＥなどのガスソース系結晶成長法では、面方位に依存して選択的に結晶成長面を得ることが出来る（例えば、文献Ｆｕｋｕｉ他、Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、２５巻、４１０頁、１９８９年参照）。本実施例ではこのことを利用する。
【００２３】
（１）選択成長マスク作製
先ず、（１１１）Ｂ面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、１辺が５μｍの正三角形の基板露出面をもつＳｉＯ２膜（厚さ約２００ｎｍ）１０２を形成する。この際、図２（ｂ）に示す様に三角形の１辺が〈−１１０〉方向に沿うように設定する。
【００２４】
（２）選択成長による面発光レーザ構造作製
前記基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ或はＣＢＥなどを用いて、選択的に面発光レーザ構造の半導体層を積層する。高温低砒素圧下（例えば、基板温度７５０℃、Ｖ族ＩＩＩ族比５）で成長することにより、露出面（図２（ｂ）で三角形に見える３つの面）が（１１０）ファセットになった三角錐構造をエピタキシャルに形成することが出来る。
【００２５】
このときの層構造は以下の通りである。ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ ＭＱＷ活性層１０４、ｐ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０５及びｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層１０６を積層する（図２（ａ）正面断面図、図２（ｂ）平面図）。ｐ型キャップ層１０６が３つの露出面からなる頂点部（各面の角度約１００度）を形成すると、成長は自動的に停止するため、この方法は極めて制御性が高い。
【００２６】
また、近接場発生光源の設計面からは、頂点部が３面で構成されるため、４面以上で構成される頂点部より先端の開口径を小さくすることができ、近接場光源としての分解能を上げるのに有効な構造となっている。
【００２７】
本実施例の場合、活性層をＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ ＭＱＷ活性層１０４（Ｖ族元素にＮを含むＩＩＩ−Ｖ半導体材料から成る活性層）としているが、これは以下の２つの観点による。
１つは、ＧａＡｓ基板１０１を用いていながら発振波長を長波長化（本実施例では１．３μｍ）でき、微小開口を作製する上で、０．６μｍや０．８μｍなどの短波光源に比べ、許容度が大きい。
【００２８】
第２に、近接場光源同士の近接配置を可能にすることである。後述するように、半導体近接場光源は２次元的にアレイ配置できるだけでなく、物理的には数１０μｍ間隔で近接配置することも可能である。しかし、実際の配置間隔は、熱、電気及び光のクロストークで決まる。特に熱に関しては、低消費電力及び温度特性の優れた（周囲温度が変化しても特性が変わりにくいこと）レーザ構造を選ぶことが必要である。井戸が深いＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層１０４を用いた面発光レーザはこの要求を満たすものである。これ以外のもの、例えば、１．３μｍ帯で通常用いられているｌｎＧａＡｓＰ／ｌｎＧａＡｓ系の面発光レーザでは、消費電力及び温度特性両方が悪いため、熱的クロストークによる特性の劣化が無視できず、このような近接配置は極めて困難である。
【００２９】
無論、用途に応じて波長は任意に選択してよい。例えば、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮ ＭＱＷを活性層に選べば３００ｎｍ帯の波長を選べるし、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷを活性層に選べば８００ｎｍ帯の波長を選ぶことが出来る。本実施例の場合、発振波長に合わせてｐ型及びｎ型多層膜層１０３、１０５の層厚や組成も最適化してある。
【００３０】
（３）電極形成
ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３及び活性層１０４を完全に覆うようにＳｉＮ膜等の絶縁膜１０７を形成した後、全体を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８を蒸着する（図２（ｃ））。このとき、スパッタ或は電子ビーム蒸着などを用いた斜め蒸着法やマスク蒸着法を用いることで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８は頂点付近のみ薄く成膜する。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８の夫々の金属の厚さは、斜面部で５０ｎｍ／５０ｎｍ／２００ｎｍ程度である。この金属膜１０８は、正電極の機能及び内部で発生した光のシールド膜の機能の両方を兼ねている。又、基板１０１裏面には負電極１０９を形成した。
【００３１】
（４）微小開口作製
微小開口１１０を作製するため、Ａｒ−イオンミリングを用いて基板１０１に対して垂直にＡｒビームを照射することで、先端部において最初に金属膜１０８が剥離される。これは先端部の金属膜１０８が最も薄いためである。引き続きＡｒプラズマでＡｌＧａＡｓ層１０６をエッチングすることで、開口径１００ｎｍ 程度の微小開口１１０を形成することが出来る（図２（ｄ））。
【００３２】
次に本実施例の動作原理について説明する。
正電極１０８と負電極１０９の間に電圧をかけ、数ｍＡの電流を流すことで、ｐ型多層膜１０５及びｎ型多層膜１０３を介して活性層１０４にキャリアが注入され、しきい電流密度に至ると面に垂直な方向に発振を開始する。発振光の波長は空気中で１３００ｎｍに設定してあるが、レーザ内では、半導体積層構造の屈折率との関係で約４００ｎｍである。
【００３３】
発振光は微小開口１１０に至ると、近接場成分のみが開口から染み出し、他の光は、一部共振器で吸収されるが、シールド膜である金属膜１０８で反射されて活性層１０４に戻り、再利用される。この様に、微小開口部以外の斜面に到達した光は反射されて、結局、活性層１０４に吸収され再び発振に寄与するため、単に面発光レーザの表面に微小開口を形成しただけの場合に比べ、極めて光の利用効果が高くなっている。
【００３４】
［第２実施例］
第２実施例は、正三角錐状に半導体層を成長してから頂点部に下記のセルフアライン方式で微小開口を開ける例に係る。第１実施例の微小開口形成方法は、工程は簡単であるが、微小開口の形成プロセスの終点（ＡｌＧａＡｓ層１０６のエッチングの終点）を確認するには、時間制御で行う必要があった。本実施例は、微小開口形成プロセス工程は増えるが、確実に微小開口作製を行うとともに、さらに高性能の近接場光発生光源を実現できる例である。
【００３５】
図３はその作製工程を示す模式的断面図である。図３において、図２に示す部分と同一の機能部分は同一の符号で示す。電極形成工程（３）までは第１実施例と同様である。工程（４）において、金属膜１０８が除去された後、開口径が約３００〜４００ｎｍ（内部波長程度）になるまでオーバーエッチングすることで、ＡｌＧａＡｓ１０６もエッチングされ、図３（ａ）のような状態になる。このあと、該サンプルをドライエッチングチャンバ２００に装填する（図３（ｂ））。このとき、例えば、塩素ガス雰囲気２０１中で該面発光レーザに通電して発振状態にすることで、光密度が高い部分のみ塩素によるエッチングが進行し（光熱アシスト効果）、微小開口２０４が形成される（図３（ｃ））。このプロセスの終点検出は、近接場プローブで行ってもよいし（形成される微小開口２０４から染み出す近接場光をプローブで検出する）、時間制御で行ってもよい。
【００３６】
本実施例特有の効果として下記の効果がある。
（１）近接場発生効率が高い光源を容易に作製できる。従来、微小開口から漏れ出す近接場光の取り出し効率は１０−５程度であるが、本実施例では１０−３程度に飛躍的に改善される。
【００３７】
（２）発振によるセルフアラインで開口個所を設定できるため、プロセスが容易である。
（３）微小開口形成プロセス終点を容易に確認できる。
（４）駆動時の電流を制御することで、任意の開口形ないし径を制御性良く作製できる。
（５）光源をアレイ化した場合に各光源の駆動電流を制御することで、それぞれに独立に開口（例えば、径の異なる所望の微小開口）を作製できる。
（６）発振光の偏光やニアフィールドパターンに応じた形状の微小開口を開けられる。これにより、例えば、使用時の発振光の偏光に応じて微小開口から近接場光が出たり出なかったりできる。
【００３８】
［第３実施例］
第３実施例は、１回の結晶成長でＶＣＳＥＬと微小開口を同時に形成する例に係る。図４は本発明の第３の実施例を説明する模式的断面図である。図３において、図２に示す部分と同一の機能部分は同一の符号で示す。本実施例においても、工程（１）と工程（２）の選択成長による面発光レーザ構造作製工程の途中までは第１及び第２実施例と同じである。
【００３９】
（２）選択成長によるＶＣＳＥＬ構造作製
前記基板１０１上にＭＯＣＶＤ或はＣＢＥなどを用いて選択的にＶＣＳＥＬ構造のエピを積層する。高温低砒素圧下（例えば、基板温度７５０℃、Ｖ族ＩＩＩ族比５）で成長することにより、選択マスク１０２の開口部だけに（１１０）ファセットからなる三角錐構造（正確には頂点部が未形成の三角錐構造）をエピキシャルに形成できる（図４（ａ））。
【００４０】
このときの層構造は以下の通りである。上記実施例とは電流狭窄構造の存否の点で異なるが、この構造を上記実施例で採用してもよい。ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多層膜反射層１０３、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ ＭＱＷ活性層１０４、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層１１１、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０５及びｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層１０６を積層する。
【００４１】
第１実施例では、完全に頂点部が形成されるまでＡｌＧａＡｓキャップ層１０６の成長を行ったが、本実施例では、時間制御により、頂点付近の径が約１００ｎｍ以下になった時点で成長を停止する（図４（ａ））。成長の終点判断が簡単ではない点や開口形状が三角形に制限されるという制約はあるが、１回の成長でレーザ構造と微小開口１１０を同時に作製できるというメリットがある。
【００４２】
本実施例では、電流狭窄層として、ＡｌＡｓ層１１１を導入して一層の低消費電力化を図っている。この形成は以下の様に行なわれる。
【００４３】
（３）電流狭窄層酸化
高温水蒸気中で、熱処理することで、ｐ型ＡｌＡｓ層１１１のみを外部から内部に向かって部分的に酸化する（図４（ａ）中の層１１１で黒く塗った部分）。本実施例では電流経路が１μｍφ程度になるまで酸化を行った。こうして電流狭窄構造が作製できる。
【００４４】
（４）電極形成
ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３及び活性層１０４を完全に覆うようにＳｉＮ膜等の絶縁膜１０７を形成した後、全体を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８を蒸着する（図４（ｂ））。このとき、スパッタ或は電子ビーム蒸着などを用いることで頂点付近のみ薄く成膜する。それぞれの厚さは斜面部で５０ｎｍ／５０ｎｍ／２００ｎｍ程度である。この金属膜１０８は正電極及び内部で発生した光のシールド膜を兼ねている。これらのことは、上記実施例と同じである。
【００４５】
（４）微小開口作製
微小開口１１０（径が約１００ｎｍのキャップ層１０６の頂上面）はすでに開いているので、開口を覆っている金属膜１０８を除去すればよい。第１実施例の方法（ドライエッチング）でも、第２実施例の方法（光熱アシストドライエッチング）でも、どちらの方法でも可能であるが、除去部と光軸を合わせるという観点からは後者の方法が望ましい。
【００４６】
本実施例では、電流狭窄構造が存在することもあって、極めて微小電流（１ｍＡ以下）且つ高効率（＞１０−２）で近接場光が発生できることが大きな特徴である。
【００４７】
［第４実施例］
第４実施例は、本発明の近接場光源をアレイ化した例に係る。図５は第４の実施例を説明する模式的平面図である。図５において、５０２は２次元アレイ状に並べられた微小開口５０１を有する面発光レーザであり、５０３は各面発光レーザ５０２をマトリクス態様（電圧のかけられた行と列の電極配線が交差する所のレーザ５０２が励起される態様）で駆動する為のマトリスク配線であり、５０４はマトリスク配線５０３を施した基板である。基板５０４は、面発光レーザ５０２を成長した基板そのものを用いてもよい。
【００４８】
ここでは、各デバイス５０２を５０μｍ間隔で４×４＝１６個２次元アレイ状に配置した例を示したが、間隔やレイアウトはこれに限るものではない。
【００４９】
本実施例の動作は、例えば、縦・横（行・列）の電極それぞれに電気信号を印加することで、或る時間に１つの近接場光源５０２を選択的に駆動できる。ここではマトリスク配線５０３の例を示したが、独立配線で各面発光レーザ５０２を独立に駆動する方法も、無論、可能である。
【００５０】
図６には、この様な近接場光源アレイの実際の使用の一例を示した。正面図である図６において、６０１は基板上の該近接場光源アレイであり、６０２はこのアレイ６０１を支え、機械移動するための支持体であり、６０３は被加工物或はサンプルである。
【００５１】
例えば、サンプル６０３が、レジストを塗布したサンプルとすると、近接場光源アレイ６０１を近接して近づけることにより、１００ｎｍ以下の分解能を有するレジストパターンを高速に露光することが出来る。また、６０３を回転する記録媒体としてみると、６０１及び６０２は光ピックアップとなり、やはり高速且つ高密度にデータを書き込み且つ読み出すことが出来る。
【００５２】
［第５実施例］
第５実施例は、他の応用例として、曲面に本発明の近接場光源をアレイ化した例に係る。図７はその使用例を模式的に示したものである。一部正面図である図７において、７０１は本発明の近接場光源であり、７０２は、近接場光源７０１がアレイ状に配置されて貼り付けられた曲面形状を有する基板であり、７０３は、例えばボール状の、曲面形状を有する被加工物体である。
【００５３】
この様な配置を用いれば、第４実施例の平面のときと同様に、曲面にも高速で高密度の記録或は加工が可能である。
【００５４】
近接場光源７０１を曲面に配置する方法について簡単に説明する。図８はその工程を示す模式的断面図である。この方法はエピタキシャルリフトオフ法として知られている方法（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ誌、５１巻、２２２２ページ（１９８７年）参照）である。まず、（１１１）Ｂ面を有するＧａＡｓ基板９００上にＡｌＡｓ犠牲層（厚さ０．５μｍ）９０２及びＧａＡｓバッファ層（厚さ１μｍ）を積層しておき、この基板を用いて第１乃至第３実施例のいずれかの方法で近接場光源アレイ９０１を作製する。このあと、犠牲層９０２を完全に貫くように、各レーザを分離する平面パターンで素子分離溝９０３を形成する（図８（ａ））。
【００５５】
次に、ワックス９０５などを介して仮支持基板（例えばＳｉ基板）９０４に近接場光源アレイ９０１を貼り付けたあと、ＨＦなどを用いて、ＡｌＡｓ犠牲層９０２のみをエッチングして完全に基板９００から各素子９０１を分離する（図８（ｂ）参照）。そして、最終的な支持基板９０６に接合或は接着により近接場光源９０１を貼り付ける（図８（ｃ））。
【００５６】
支持基板９０６は、曲面形状をした固いものでもよいし、フレキシブルなフィルムな様なものでもよい。後者の場合、さらに所望の形状をした固い基板に貼り付けてもよい。何れの方法でも、図７に示したような基板７０２に支持された近接場光源アレイが実現できる。使用法は第４実施例と同じである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば以下の通りの効果が奏される。
（１）近接場光発生効率が高い光源を実現できる。
（２）近接場光発生用の微小開口を容易に作製できる。
（３）微小開口と半導体レーザを同時に作製できる（第３実施例参照）。
（４）駆動電流を制御することで、任意の開口径ないし形の近接場光発生用微小開口を作製できる（第２実施例参照）。
（５）同じく駆動電流を制御することで、近接場光源アレイにおいて夫々に独立に開口（径ないし形の異なる近接場光発生用微小開口）を作製できる（第２実施例参照）。
（６）平面でも曲面上でもアレイ化して近接場光源を配置できる（第４及び第５実施例参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の半導体近接場光源（面発光レーザ）の模式的斜視図である。
【図２】図２は本発明の第１実施例の作製工程図である。
【図３】図３は本発明の第２実施例の作製工程を示す模式的断面図である。
【図４】図４は本発明の第３実施例の作製工程を示す模式的断面図である。
【図５】図５は本発明の第４実施例を示す模式的平面図である。
【図６】図６は本発明の第４実施例を示す模式的正面図である。
【図７】図７は本発明の第５実施例を示す模式的正面図である。
【図８】図８は本発明の第５実施例の作製工程例を示す模式的断面図である。
【図９】図９は従来例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１１、１０１、５０４、９００ 基板
１２、５０２ 近接場光源（面発光レーザ）
１３、１１０、２０４、５０１ 微小開口
１０２ 選択成長マスク
１０３、１０５ ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）多層膜
１０４ 活性層
１０６ キャップ層
１０７ 絶縁膜
１０８ 正電極
１０９ 負電極
１１１ 電流狭窄層
２００ ドライエッチングチャンバ
２０１ 塩素ガス雰囲気
２０２ 通電装置
２０３ 発振光
５０３ マトリクス配線
６０１、７０１、９０１ 近接場光源アレイ
６０２、７０２、９０６ 支持体（支持基板）
６０３、７０３ 被加工物体
９０２ 犠牲層
９０３ 素子分離溝
９０４ 仮支持基板
９０５ ワックス
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高分解顕微鏡や超高分解フォトリソグラフィなどに用いることができる半導体近接場光源の構造、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を利用して波長以下の分解能で測定及び加工を可能にする近接場光学系及びその応用システムが、近年、活発に提案されている。
【０００３】
これらに用いられる近接場光発生装置は幾つかの例がある。例えば、ファイバプローブ（Ｓ． Ｍｏｎｏｎｏｂｅ ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３６， １４９６（１９９７））は、コアにＧｅＯ２を分布を持たせドーピングした石英ファイバを選択的にエッチングして、微小突起及び微小開口を形成するものである。極めて細い開口のピンホールが作製できるだけでなく、不純物分布を制御することで多段テーパ構造にできることから、微小開口近傍の光強度の減衰率を小さくすることが出来る。よって、近接場発生効率を高くすることが出来る。
【０００４】
反面、生産性が低く、特に、今後多くのアプリケーションで必須と思われるアレイ化に対しては適していないことや、開口形状に自由度が少ないなど、将来的には問題が多い。
【０００５】
また、半導体プロセスを用いてアレイ化を考慮した例として、特開平５−１００１６８号公報に開示されたもの（図９参照）がある。この文献には、「面発光レーザの活性層８０５上に電極中央部にホトリソグラフィにより形成された波長同等以下のピンホール８１３が開けられており、このピンホールからエバネッセント光が放射される」と記載されているのみで、具体的なデバイス構造や製作方法については記載されていない。また、効率良く近接場光を取り出す方法も述べられていないため、現実的な構成とはいえない。尚、図９において、８０１はレーザ基板、８０２はバッファ層、８０３は半導体多層膜ミラー、８０４、８０８、８０９は電流狭窄用半導体層、８０６はクラッド層、８０７はコンタクト層、８１０は絶縁層、８１２はレーザ電極である。
【０００６】
よって、本発明の目的は、高効率で、アレイ化可能で、作製の容易な半導体近接場光源の構造、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の半導体近接場光源は、化合物半導体基板表面の正三角形の基板露出面上に、その露出面を１面として有する三角錐構造の化合物半導体層が積層され、該三角錐構造が、層厚方向に積層された一対の半導体多層膜反射鏡及び活性層を少なくとも含む面発光レーザ構造を有し、該三角錐構造の頂点近傍に該面発光レーザの発振波長オーダ以下の微小開口が形成され、該面発光レーザの発振光が該微小開口に導かれて近接場光を発生することを特徴とする。
【０００８】
この基本構成に基づいて下記の如き態様が可能である。
前記化合物半導体基板は（１１１）面を有する化合物半導体基板であり、前記三角錐構造は、該化合物半導体基板表面上に選択成長マスクとして形成された正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を用いて該基板露出面上に選択的に形成されたものである。このとき、前記正三角形の基板露出面の１辺が〈−１１０〉方向に沿う様に設定されている。
【０００９】
また、前記面発光レーザ構造は、ＩＩＩ−ＶＮ材料（ＩＩＩ族及びＶ族からなる化合物半導体材料のうち、Ｖ族材料としてＮ（窒素）を含むものを本明細書ではこう表記する）を含む活性層を有する。この効果については、後述の実施例の説明中に述べられている。
【００１０】
前記三角錐構造は、前記微小開口を除いて、電極と光シールド膜を兼ねる金属膜で覆われている。この効果についても、後述の実施例の説明中に述べられている。
【００１１】
前記微小開口は以下の様な方法で作製され得る。
第１に、前記微小開口は、前記三角錐構造を頂点まで完全に形成した後、この頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチング、収束イオンビームなどで頂点付近の金属及び半導体を除去して形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第１実施例参照）。
【００１２】
第２に、前記微小開口は、前記三角錐構造を頂点まで完全に形成した後、この頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチング、収束イオンビームなどで頂点付近の金属及び半導体を除去して発振波長オーダ程度或は以上の開口部を形成した後、塩素などのエッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで前記開口部に形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第２実施例参照）。
【００１３】
第３に、前記微小開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、発振波長オーダ以下の微小開口を開けてから、該微小開口を含む頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、ドライエッチングなどにより頂点付近のみ該金属を除去して前記微小開口を露出させることで形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第３実施例参照）。
【００１４】
また、前記微小開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、発振波長オーダ以下の微小開口を開けてから、該微小開口を含む頂点付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、塩素などのエッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで頂点付近のみ該金属を除去して前記微小開口を露出させることで形成された発振波長オーダ以下の微小開口である（後述する第３実施例参照）。
【００１５】
更に、上記目的を達成する本発明の半導体近接場光源の製造方法は、（１１１）面を有する化合物半導体基板表面上に正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を形成する工程と、該誘電体膜を選択成長マスクとして用いることで、一対の半導体多層膜反射鏡及びそれに挟まれた活性層を少なくとも含む面発光レーザ構造を結晶成長して前記基板露出面上にのみ三角錐構造を選択的に形成する工程と、該三角錐構造の頂点近傍に面発光レーザの発振波長オーダ以下の微小開口を作製する工程を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体近接場光源の製造方法においても、この基本構成に基づいて下記の如き態様が可能である。
前記正三角形の基板露出面の１辺が〈−１１０〉方向に沿う様に設定される。前記活性層は、ＩＩＩ−ＶＮ材料を含んで成膜される。前記三角錐構造を、電極と光シールド膜を兼ねる金属膜で覆う工程を有する。また、前記微小開口は上記の如き方法で作製され得る。
【００１７】
更に、上記目的を達成する本発明の近接場光学システムは、同一平面上にアレイ化された上記の半導体近接場光源、及び該半導体近接場光源が独立或はマトリクス駆動可能になる様に形成された電極を有し、該半導体近接場光源アレイに近接配置した被加工物に対し、高密度に且つ高速に加工、露光、記録或は読み取りなどの作業を行うことを特徴としたり、曲面形状の基板に接合（接着材を用いないで圧着される）或は接着（接着材を用いる）されたアレイ化された上記の半導体近接場光源、及び該半導体近接場光源が独立或はマトリクス駆動可能になる様に形成された電極を有し、該半導体近接場光源アレイに近接配置した曲面を有する被加工物に対し、高密度に且つ高速に加工、露光、記録或は読み取りなどの作業を行うことを特徴とする。
【００１８】
【作用】
本発明は、典型的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が成長条件によって大幅に成長速度の面方位依存性が大きくなることを利用し、面発光レーザと微小開口をほぼ同時に化合物半導体で作製するものである。図１は面発光レーザと微小開口の関係を模式的に示したものである。化合物半導体基板１１上に、選択成長マスクを介して、層面に垂直な方向に面発光レーザ１２の層構成を成長すると、基板温度とＶ族、ＩＩＩ族ソースなどの結晶成長条件で成長速度の面方位依存性を利用することにより、正三角形で囲まれた三角錐構造になる。三角錐構造の面発光レーザは、頂点付近に光が集中するため、頂点付近に微小開口１３を作製すれば極めて高効率の近接場発生光源が実現できる。微小開口１３はドライエッチングなどでも作製できるが、微小開口位置を発振ビームでセルフアライン方式で特定できれば、さらに高効率で近接場光が発生できる。
【００１９】
面発光レーザの作製プロセスによれば、２次元アレイ化が容易なため、平面に高密度に近接場光源を配置できる。また、エピタキシャルリフトオフ等のプロセスを適用すれば、曲面にも近接場光源をアレイ化して配置できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【００２１】
［第１実施例］
第１実施例は、正三角錐状に半導体層を成長してから頂点部に微小開口を作る例に係る。図１は本発明の第１の実施例を説明する模式的斜視図である。図１において、１１は基板であり、１２は基板１１上に積層された正三角錐形状の面発光レーザであり、１３はその頂点部に形成された微小開口１３である。図２は製造工程を説明する図である。
【００２２】
図２に沿って作製方法を説明しつつ構造について説明する。
ＭＯＣＶＤやＣＢＥなどのガスソース系結晶成長法では、面方位に依存して選択的に結晶成長面を得ることが出来る（例えば、文献Ｆｕｋｕｉ他、Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、２５巻、４１０頁、１９８９年参照）。本実施例ではこのことを利用する。
【００２３】
（１）選択成長マスク作製
先ず、（１１１）Ｂ面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、１辺が５μｍの正三角形の基板露出面をもつＳｉＯ２膜（厚さ約２００ｎｍ）１０２を形成する。この際、図２（ｂ）に示す様に三角形の１辺が〈−１１０〉方向に沿うように設定する。
【００２４】
（２）選択成長による面発光レーザ構造作製
前記基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ或はＣＢＥなどを用いて、選択的に面発光レーザ構造の半導体層を積層する。高温低砒素圧下（例えば、基板温度７５０℃、Ｖ族ＩＩＩ族比５）で成長することにより、露出面（図２（ｂ）で三角形に見える３つの面）が（１１０）ファセットになった三角錐構造をエピタキシャルに形成することが出来る。
【００２５】
このときの層構造は以下の通りである。ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ ＭＱＷ活性層１０４、ｐ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０５及びｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層１０６を積層する（図２（ａ）正面断面図、図２（ｂ）平面図）。ｐ型キャップ層１０６が３つの露出面からなる頂点部（各面の角度約１００度）を形成すると、成長は自動的に停止するため、この方法は極めて制御性が高い。
【００２６】
また、近接場発生光源の設計面からは、頂点部が３面で構成されるため、４面以上で構成される頂点部より先端の開口径を小さくすることができ、近接場光源としての分解能を上げるのに有効な構造となっている。
【００２７】
本実施例の場合、活性層をＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ ＭＱＷ活性層１０４（Ｖ族元素にＮを含むＩＩＩ−Ｖ半導体材料から成る活性層）としているが、これは以下の２つの観点による。
１つは、ＧａＡｓ基板１０１を用いていながら発振波長を長波長化（本実施例では１．３μｍ）でき、微小開口を作製する上で、０．６μｍや０．８μｍなどの短波光源に比べ、許容度が大きい。
【００２８】
第２に、近接場光源同士の近接配置を可能にすることである。後述するように、半導体近接場光源は２次元的にアレイ配置できるだけでなく、物理的には数１０μｍ間隔で近接配置することも可能である。しかし、実際の配置間隔は、熱、電気及び光のクロストークで決まる。特に熱に関しては、低消費電力及び温度特性の優れた（周囲温度が変化しても特性が変わりにくいこと）レーザ構造を選ぶことが必要である。井戸が深いＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ活性層１０４を用いた面発光レーザはこの要求を満たすものである。これ以外のもの、例えば、１．３μｍ帯で通常用いられているｌｎＧａＡｓＰ／ｌｎＧａＡｓ系の面発光レーザでは、消費電力及び温度特性両方が悪いため、熱的クロストークによる特性の劣化が無視できず、このような近接配置は極めて困難である。
【００２９】
無論、用途に応じて波長は任意に選択してよい。例えば、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮ ＭＱＷを活性層に選べば３００ｎｍ帯の波長を選べるし、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷを活性層に選べば８００ｎｍ帯の波長を選ぶことが出来る。本実施例の場合、発振波長に合わせてｐ型及びｎ型多層膜層１０３、１０５の層厚や組成も最適化してある。
【００３０】
（３）電極形成
ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３及び活性層１０４を完全に覆うようにＳｉＮ膜等の絶縁膜１０７を形成した後、全体を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８を蒸着する（図２（ｃ））。このとき、スパッタ或は電子ビーム蒸着などを用いた斜め蒸着法やマスク蒸着法を用いることで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８は頂点付近のみ薄く成膜する。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８の夫々の金属の厚さは、斜面部で５０ｎｍ／５０ｎｍ／２００ｎｍ程度である。この金属膜１０８は、正電極の機能及び内部で発生した光のシールド膜の機能の両方を兼ねている。又、基板１０１裏面には負電極１０９を形成した。
【００３１】
（４）微小開口作製
微小開口１１０を作製するため、Ａｒ−イオンミリングを用いて基板１０１に対して垂直にＡｒビームを照射することで、先端部において最初に金属膜１０８が剥離される。これは先端部の金属膜１０８が最も薄いためである。引き続きＡｒプラズマでＡｌＧａＡｓ層１０６をエッチングすることで、開口径１００ｎｍ 程度の微小開口１１０を形成することが出来る（図２（ｄ））。
【００３２】
次に本実施例の動作原理について説明する。
正電極１０８と負電極１０９の間に電圧をかけ、数ｍＡの電流を流すことで、ｐ型多層膜１０５及びｎ型多層膜１０３を介して活性層１０４にキャリアが注入され、しきい電流密度に至ると面に垂直な方向に発振を開始する。発振光の波長は空気中で１３００ｎｍに設定してあるが、レーザ内では、半導体積層構造の屈折率との関係で約４００ｎｍである。
【００３３】
発振光は微小開口１１０に至ると、近接場成分のみが開口から染み出し、他の光は、一部共振器で吸収されるが、シールド膜である金属膜１０８で反射されて活性層１０４に戻り、再利用される。この様に、微小開口部以外の斜面に到達した光は反射されて、結局、活性層１０４に吸収され再び発振に寄与するため、単に面発光レーザの表面に微小開口を形成しただけの場合に比べ、極めて光の利用効果が高くなっている。
【００３４】
［第２実施例］
第２実施例は、正三角錐状に半導体層を成長してから頂点部に下記のセルフアライン方式で微小開口を開ける例に係る。第１実施例の微小開口形成方法は、工程は簡単であるが、微小開口の形成プロセスの終点（ＡｌＧａＡｓ層１０６のエッチングの終点）を確認するには、時間制御で行う必要があった。本実施例は、微小開口形成プロセス工程は増えるが、確実に微小開口作製を行うとともに、さらに高性能の近接場光発生光源を実現できる例である。
【００３５】
図３はその作製工程を示す模式的断面図である。図３において、図２に示す部分と同一の機能部分は同一の符号で示す。電極形成工程（３）までは第１実施例と同様である。工程（４）において、金属膜１０８が除去された後、開口径が約３００〜４００ｎｍ（内部波長程度）になるまでオーバーエッチングすることで、ＡｌＧａＡｓ１０６もエッチングされ、図３（ａ）のような状態になる。このあと、該サンプルをドライエッチングチャンバ２００に装填する（図３（ｂ））。このとき、例えば、塩素ガス雰囲気２０１中で該面発光レーザに通電して発振状態にすることで、光密度が高い部分のみ塩素によるエッチングが進行し（光熱アシスト効果）、微小開口２０４が形成される（図３（ｃ））。このプロセスの終点検出は、近接場プローブで行ってもよいし（形成される微小開口２０４から染み出す近接場光をプローブで検出する）、時間制御で行ってもよい。
【００３６】
本実施例特有の効果として下記の効果がある。
（１）近接場発生効率が高い光源を容易に作製できる。従来、微小開口から漏れ出す近接場光の取り出し効率は１０−５程度であるが、本実施例では１０−３程度に飛躍的に改善される。
【００３７】
（２）発振によるセルフアラインで開口個所を設定できるため、プロセスが容易である。
（３）微小開口形成プロセス終点を容易に確認できる。
（４）駆動時の電流を制御することで、任意の開口形ないし径を制御性良く作製できる。
（５）光源をアレイ化した場合に各光源の駆動電流を制御することで、それぞれに独立に開口（例えば、径の異なる所望の微小開口）を作製できる。
（６）発振光の偏光やニアフィールドパターンに応じた形状の微小開口を開けられる。これにより、例えば、使用時の発振光の偏光に応じて微小開口から近接場光が出たり出なかったりできる。
【００３８】
［第３実施例］
第３実施例は、１回の結晶成長でＶＣＳＥＬと微小開口を同時に形成する例に係る。図４は本発明の第３の実施例を説明する模式的断面図である。図３において、図２に示す部分と同一の機能部分は同一の符号で示す。本実施例においても、工程（１）と工程（２）の選択成長による面発光レーザ構造作製工程の途中までは第１及び第２実施例と同じである。
【００３９】
（２）選択成長によるＶＣＳＥＬ構造作製
前記基板１０１上にＭＯＣＶＤ或はＣＢＥなどを用いて選択的にＶＣＳＥＬ構造のエピを積層する。高温低砒素圧下（例えば、基板温度７５０℃、Ｖ族ＩＩＩ族比５）で成長することにより、選択マスク１０２の開口部だけに（１１０）ファセットからなる三角錐構造（正確には頂点部が未形成の三角錐構造）をエピキシャルに形成できる（図４（ａ））。
【００４０】
このときの層構造は以下の通りである。上記実施例とは電流狭窄構造の存否の点で異なるが、この構造を上記実施例で採用してもよい。ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多層膜反射層１０３、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ ＭＱＷ活性層１０４、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層１１１、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０５及びｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層１０６を積層する。
【００４１】
第１実施例では、完全に頂点部が形成されるまでＡｌＧａＡｓキャップ層１０６の成長を行ったが、本実施例では、時間制御により、頂点付近の径が約１００ｎｍ以下になった時点で成長を停止する（図４（ａ））。成長の終点判断が簡単ではない点や開口形状が三角形に制限されるという制約はあるが、１回の成長でレーザ構造と微小開口１１０を同時に作製できるというメリットがある。
【００４２】
本実施例では、電流狭窄層として、ＡｌＡｓ層１１１を導入して一層の低消費電力化を図っている。この形成は以下の様に行なわれる。
【００４３】
（３）電流狭窄層酸化
高温水蒸気中で、熱処理することで、ｐ型ＡｌＡｓ層１１１のみを外部から内部に向かって部分的に酸化する（図４（ａ）中の層１１１で黒く塗った部分）。本実施例では電流経路が１μｍφ程度になるまで酸化を行った。こうして電流狭窄構造が作製できる。
【００４４】
（４）電極形成
ｎ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層多層膜反射層１０３及び活性層１０４を完全に覆うようにＳｉＮ膜等の絶縁膜１０７を形成した後、全体を覆うようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜１０８を蒸着する（図４（ｂ））。このとき、スパッタ或は電子ビーム蒸着などを用いることで頂点付近のみ薄く成膜する。それぞれの厚さは斜面部で５０ｎｍ／５０ｎｍ／２００ｎｍ程度である。この金属膜１０８は正電極及び内部で発生した光のシールド膜を兼ねている。これらのことは、上記実施例と同じである。
【００４５】
（４）微小開口作製
微小開口１１０（径が約１００ｎｍのキャップ層１０６の頂上面）はすでに開いているので、開口を覆っている金属膜１０８を除去すればよい。第１実施例の方法（ドライエッチング）でも、第２実施例の方法（光熱アシストドライエッチング）でも、どちらの方法でも可能であるが、除去部と光軸を合わせるという観点からは後者の方法が望ましい。
【００４６】
本実施例では、電流狭窄構造が存在することもあって、極めて微小電流（１ｍＡ以下）且つ高効率（＞１０−２）で近接場光が発生できることが大きな特徴である。
【００４７】
［第４実施例］
第４実施例は、本発明の近接場光源をアレイ化した例に係る。図５は第４の実施例を説明する模式的平面図である。図５において、５０２は２次元アレイ状に並べられた微小開口５０１を有する面発光レーザであり、５０３は各面発光レーザ５０２をマトリクス態様（電圧のかけられた行と列の電極配線が交差する所のレーザ５０２が励起される態様）で駆動する為のマトリスク配線であり、５０４はマトリスク配線５０３を施した基板である。基板５０４は、面発光レーザ５０２を成長した基板そのものを用いてもよい。
【００４８】
ここでは、各デバイス５０２を５０μｍ間隔で４×４＝１６個２次元アレイ状に配置した例を示したが、間隔やレイアウトはこれに限るものではない。
【００４９】
本実施例の動作は、例えば、縦・横（行・列）の電極それぞれに電気信号を印加することで、或る時間に１つの近接場光源５０２を選択的に駆動できる。ここではマトリスク配線５０３の例を示したが、独立配線で各面発光レーザ５０２を独立に駆動する方法も、無論、可能である。
【００５０】
図６には、この様な近接場光源アレイの実際の使用の一例を示した。正面図である図６において、６０１は基板上の該近接場光源アレイであり、６０２はこのアレイ６０１を支え、機械移動するための支持体であり、６０３は被加工物或はサンプルである。
【００５１】
例えば、サンプル６０３が、レジストを塗布したサンプルとすると、近接場光源アレイ６０１を近接して近づけることにより、１００ｎｍ以下の分解能を有するレジストパターンを高速に露光することが出来る。また、６０３を回転する記録媒体としてみると、６０１及び６０２は光ピックアップとなり、やはり高速且つ高密度にデータを書き込み且つ読み出すことが出来る。
【００５２】
［第５実施例］
第５実施例は、他の応用例として、曲面に本発明の近接場光源をアレイ化した例に係る。図７はその使用例を模式的に示したものである。一部正面図である図７において、７０１は本発明の近接場光源であり、７０２は、近接場光源７０１がアレイ状に配置されて貼り付けられた曲面形状を有する基板であり、７０３は、例えばボール状の、曲面形状を有する被加工物体である。
【００５３】
この様な配置を用いれば、第４実施例の平面のときと同様に、曲面にも高速で高密度の記録或は加工が可能である。
【００５４】
近接場光源７０１を曲面に配置する方法について簡単に説明する。図８はその工程を示す模式的断面図である。この方法はエピタキシャルリフトオフ法として知られている方法（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ誌、５１巻、２２２２ページ（１９８７年）参照）である。まず、（１１１）Ｂ面を有するＧａＡｓ基板９００上にＡｌＡｓ犠牲層（厚さ０．５μｍ）９０２及びＧａＡｓバッファ層（厚さ１μｍ）を積層しておき、この基板を用いて第１乃至第３実施例のいずれかの方法で近接場光源アレイ９０１を作製する。このあと、犠牲層９０２を完全に貫くように、各レーザを分離する平面パターンで素子分離溝９０３を形成する（図８（ａ））。
【００５５】
次に、ワックス９０５などを介して仮支持基板（例えばＳｉ基板）９０４に近接場光源アレイ９０１を貼り付けたあと、ＨＦなどを用いて、ＡｌＡｓ犠牲層９０２のみをエッチングして完全に基板９００から各素子９０１を分離する（図８（ｂ）参照）。そして、最終的な支持基板９０６に接合或は接着により近接場光源９０１を貼り付ける（図８（ｃ））。
【００５６】
支持基板９０６は、曲面形状をした固いものでもよいし、フレキシブルなフィルムな様なものでもよい。後者の場合、さらに所望の形状をした固い基板に貼り付けてもよい。何れの方法でも、図７に示したような基板７０２に支持された近接場光源アレイが実現できる。使用法は第４実施例と同じである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば以下の通りの効果が奏される。
（１）近接場光発生効率が高い光源を実現できる。
（２）近接場光発生用の微小開口を容易に作製できる。
（３）微小開口と半導体レーザを同時に作製できる（第３実施例参照）。
（４）駆動電流を制御することで、任意の開口径ないし形の近接場光発生用微小開口を作製できる（第２実施例参照）。
（５）同じく駆動電流を制御することで、近接場光源アレイにおいて夫々に独立に開口（径ないし形の異なる近接場光発生用微小開口）を作製できる（第２実施例参照）。
（６）平面でも曲面上でもアレイ化して近接場光源を配置できる（第４及び第５実施例参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の半導体近接場光源（面発光レーザ）の模式的斜視図である。
【図２】図２は本発明の第１実施例の作製工程図である。
【図３】図３は本発明の第２実施例の作製工程を示す模式的断面図である。
【図４】図４は本発明の第３実施例の作製工程を示す模式的断面図である。
【図５】図５は本発明の第４実施例を示す模式的平面図である。
【図６】図６は本発明の第４実施例を示す模式的正面図である。
【図７】図７は本発明の第５実施例を示す模式的正面図である。
【図８】図８は本発明の第５実施例の作製工程例を示す模式的断面図である。
【図９】図９は従来例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１１、１０１、５０４、９００ 基板
１２、５０２ 近接場光源（面発光レーザ）
１３、１１０、２０４、５０１ 微小開口
１０２ 選択成長マスク
１０３、１０５ ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）多層膜
１０４ 活性層
１０６ キャップ層
１０７ 絶縁膜
１０８ 正電極
１０９ 負電極
１１１ 電流狭窄層
２００ ドライエッチングチャンバ
２０１ 塩素ガス雰囲気
２０２ 通電装置
２０３ 発振光
５０３ マトリクス配線
６０１、７０１、９０１ 近接場光源アレイ
６０２、７０２、９０６ 支持体（支持基板）
６０３、７０３ 被加工物体
９０２ 犠牲層
９０３ 素子分離溝
９０４ 仮支持基板
９０５ ワックス
Claims (6)
- 化合物半導体基板表面の正三角形の露出面上に、該露出面を１面とする三角錐構造の化合物半導体層が積層され、
該三角錐構造が、層厚方向に積層された一対の半導体多層膜反射鏡及び活性層を含む面発光レーザ構造を有し、
該三角錐構造の頂点の近傍に該面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口が形成され、該発振光が該開口に導かれて近接場光を発生する半導体近接場光源であって、
前記開口は、前記三角錐構造を頂点まで形成し、該頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着し、該頂点の付近の金属及び半導体を除去して前記発振光の波長オーダ程度或は以上の開口部を形成した後、エッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで前記開口部に形成されたことを特徴とする半導体近接場光源。 - 化合物半導体基板表面の正三角形の露出面上に、該露出面を１面とする三角錐構造の化合物半導体層が積層され、
該三角錐構造が、層厚方向に積層された一対の半導体多層膜反射鏡及び活性層を含む面発光レーザ構造を有し、
該三角錐構造の頂点の近傍に該面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口が形成され、該発振光が該開口に導かれて近接場光を発生する半導体近接場光源であって、
前記開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、前記発振光の波長オーダ以下の開口部を開けてから、該開口部を含む頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、該頂点の付近のみ該金属を除去して前記開口部を露出させることで形成されたことを特徴とする半導体近接場光源。 - 化合物半導体基板表面の正三角形の露出面上に、該露出面を１面とする三角錐構造の化合物半導体層が積層され、
該三角錐構造が、層厚方向に積層された一対の半導体多層膜反射鏡及び活性層を含む面発光レーザ構造を有し、
該三角錐構造の頂点の近傍に該面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口が形成され、該発振光が該開口に導かれて近接場光を発生する半導体近接場光源であって、
前記開口は、前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、前記発振光の波長オーダ以下の開口部を開けてから、該開口部を含む頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、エッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで該頂点の付近のみ該金属を除去して前記開口部を露出させることで形成されたことを特徴とする半導体近接場光源。 - （１１１）面を有する化合物半導体基板表面上に正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を形成する工程と、
該誘電体膜を選択成長マスクとして用いることで、一対の半導体多層膜反射鏡及びそれに挟まれた活性層を含む面発光レーザ構造を結晶成長して前記基板露出面上に三角錐構造を選択的に形成する工程と、
該三角錐構造の頂点の近傍に面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口を作製する工程と、を有する半導体近接場光源の製造方法であって、
前記開口を作製する工程が、
前記三角錐構造を選択的に形成する工程において形成された三角錐構造の頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着し、該頂点の付近の金属及び半導体を除去して前記発振光の波長オーダ程度或は以上の開口部を形成した後、エッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで前記開口部に前記開口を開ける工程を含むことを特徴とする半導体近接場光源の製造方法。 - （１１１）面を有する化合物半導体基板表面上に正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を形成する工程と、
該誘電体膜を選択成長マスクとして用いることで、一対の半導体多層膜反射鏡及びそれに挟まれた活性層を含む面発光レーザ構造を結晶成長して前記基板露出面上に三角錐構造を選択的に形成する工程と、
該三角錐構造の頂点の近傍に面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口を作製する工程と、を有する半導体近接場光源の製造方法であって、
前記開口を作製する工程が、
前記三角錐構造を選択的に形成する工程において前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、前記発振光の波長オーダ以下の開口部を開ける工程と、
該開口部を含む頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、該頂点の付近のみ該金属を除去して前記開口部を露出させる工程と、を含むことを特徴とする半導体近接場光源の製造方法。 - （１１１）面を有する化合物半導体基板表面上に正三角形の基板露出面を有する誘電体膜を形成する工程と、
該誘電体膜を選択成長マスクとして用いることで、一対の半導体多層膜反射鏡及びそれに挟まれた活性層を含む面発光レーザ構造を結晶成長して前記基板露出面上に三角錐構造を選択的に形成する工程と、
該三角錐構造の頂点の近傍に面発光レーザの発振光の波長オーダ以下の開口を作製する工程と、を有する半導体近接場光源の製造方法であって、
前記開口を作製する工程が、
前記三角錐構造を選択的に形成する工程において前記三角錐構造が頂点を形成する前に結晶成長を停止し、前記発振光の波長オーダ以下の開口部を開ける工程と、
該開口部を含む頂点の付近が他に比べ薄くなるように金属を蒸着した後、エッチングガス中で、該三角錐構造の面発光レーザを発光させながら、光熱励起エッチングを行うことで該頂点の付近のみ該金属を除去して前記開口部を露出させる工程と、を含むことを特徴とする半導体近接場光源の製造方法。
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