WO2006062084A1 - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2006062084A1
WO2006062084A1 PCT/JP2005/022350 JP2005022350W WO2006062084A1 WO 2006062084 A1 WO2006062084 A1 WO 2006062084A1 JP 2005022350 W JP2005022350 W JP 2005022350W WO 2006062084 A1 WO2006062084 A1 WO 2006062084A1
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semiconductor laser
refractive index
type cladding
substrate
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Susumu Yoshimoto
Hideki Matsubara
Hirohisa Saitou
Takashi Misaki
Fumitake Nakanishi
Hiroki Mori
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Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device and a method for manufacturing the same, and more specifically to a semiconductor laser device including a two-dimensional diffraction grating including an epitaxial layer of GaN (gallium nitride) and a method for manufacturing the same.
  • a semiconductor laser device including a two-dimensional diffraction grating including an epitaxial layer of GaN (gallium nitride) and a method for manufacturing the same.
  • a DFB (Distributed feedback) laser is a laser that uses a standing wave generated as a result of inducing coupling of a forward wave and a backward wave by a one-dimensional diffraction grating provided inside. This phenomenon occurs only with light of a specific wavelength that satisfies the black condition for a one-dimensional diffraction grating. Therefore, the DFB laser can stably oscillate light in which the longitudinal mode (resonance mode in the optical axis direction of the oscillated light) is a single mode.
  • a two-dimensional photonic crystal laser having a two-dimensional refractive index profile is being developed.
  • the two-dimensional photonic crystal laser diffracts light in various directions existing in the photonic crystal plane to generate standing waves, even if the light is not in the optical axis direction of the oscillated light.
  • the luminous efficiency can be improved.
  • the two-dimensional photonic crystal laser has a feature of emitting light in a direction perpendicular to the main surface of the photonic crystal, the output of the laser light can be increased.
  • a conventional two-dimensional photonic crystal laser has, for example, the following structure.
  • a two-dimensional photonic crystal laser includes an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer formed to form a double heterojunction, an InP substrate, and two electrodes. .
  • the main surface of the InP substrate has a predetermined lattice arrangement (for example, triangular lattice, square lattice, etc.) A number of holes are opened.
  • the main surface of the InP substrate is periodic.
  • a photonic crystal (two-dimensional diffraction grating) having a refractive index distribution is obtained.
  • An n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer are formed in this order on the main surface of the InP substrate.
  • Each of the two electrodes is formed on each of the main surface of the p-type cladding layer and the main surface of the InP substrate on which the photonic crystal is not formed.
  • a conventional two-dimensional photonic crystal laser includes a first component in which a photonic crystal is formed on a first InP substrate, an n-type cladding layer, and an active layer on the second InP substrate. And a second component having a p-type cladding layer formed thereon, and a layer formed on the first InP substrate and the photonic crystal on the second InP substrate. (N-type or p-type clad layer) and then the second InP substrate was removed, and two electrodes were formed.
  • Patent Document 1 discloses a two-dimensional photonic crystal laser in which a photonic crystal structure made of In GaAs or the like is formed on a substrate made of n-type InP.
  • Non-Patent Document 1 discloses a two-dimensional photonic crystal laser in which a photonic crystal made of InP is formed on a substrate made of InP.
  • Non-Patent Document 2 discloses a two-dimensional photonic crystal laser having a photonic crystal in which holes are formed in a substrate made of n-type InP. These two-dimensional photonic crystal lasers are all lasers that emit infrared light.
  • Non-Patent Document 3 discloses a technique for fusing and bonding GaN epitaxial layers together.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-332351
  • Non-Patent Document 1 Hikaru Yokoyama et al., “Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser”, Journal of Japan Infrared Science, 2003, No. 12, No. 2, pp. 17-23
  • Non-patent document 2 M. Imada, et al., Conerent two-dimensional lasing action in surface- emitting laser with triangular-lattice photonic crystal ", App. Phys. Lett., 75 (3) pp. 316-318, 19 July 1999
  • Non-Patent Document 3 T. Tokuda, et al., Wafer Fusion Technique Applied to GaN / GaN Syst em ", Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000) Pt.2, N0.6B pp ⁇ 572— L574 .
  • a photonic crystal and a layer (n-type or p-type cladding layer) formed immediately above the photonic crystal are separated.
  • the photonic crystal and the layer formed immediately above the photonic crystal need to be bonded together.
  • the RMS (root mean square roughness) of the GaN crystal surface is usually 2 nm or more, and the flatness of the GaN crystal surface is low.
  • the photonic crystal made of GaN has a problem that it is difficult to fuse and bond with other layers.
  • the photonic crystal and the clad layer do not form an ohmic junction.
  • Fusion bonding of a photonic crystal made of GaN and a layer formed immediately above the photonic crystal is usually performed in a reducing atmosphere at a high temperature and a high pressure. For this reason, there has been a problem that it is easy to damage the device during the bonding process.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can be manufactured without performing fusion bonding and a manufacturing method thereof. Means for solving the problem
  • the semiconductor laser device of the present invention includes a substrate having a main surface, an epitaxial layer made of GaN formed on the substrate along the direction in which the main surface extends, and a lower refractive index than the epitaxial layer.
  • a two-dimensional diffraction grating including a low refractive index material, a first conductivity type cladding layer formed on the substrate, a second conductivity type cladding layer formed on the substrate, and first and second conductivity type claddings.
  • an active layer that emits light when carriers are injected, and a layer containing GaN that covers the two-dimensional diffraction grating.
  • the layer containing GaN covering the two-dimensional diffraction grating is formed immediately above the above-described epitaxial layer by using an epitaxy method. That is, a clad layer or the like can be formed on the two-dimensional diffraction grating without performing fusion bonding between the two-dimensional diffraction grating and a layer formed immediately above the two-dimensional diffraction grating. Therefore, a semiconductor laser device can be manufactured without performing fusion bonding.
  • the epitaxial layer has a plurality of holes, and a low refractive index material serving as a diffraction grating point is embedded in the plurality of holes.
  • the low refractive index material has a plurality of holes, and GaN constituting an epitaxial layer serving as a diffraction grating point is embedded in the plurality of holes. .
  • the layer containing GaN covering directly above the two-dimensional diffraction grating and the epitaxial layer made of GaN are the same layer or a layer in which the epitaxial growth is continuously performed. It is.
  • a method for manufacturing a semiconductor laser device includes the following steps. ing.
  • the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer are formed on the substrate in this order.
  • a low refractive index material having a predetermined pattern and a lower refractive index than GaN is formed on the substrate.
  • an epitaxial layer made of GaN is formed on the substrate (epitaxial layer forming step).
  • a layer containing GaN is grown along the main surface of the substrate in the region directly above the low refractive index material.
  • the layer containing GaN is on the epitaxial layer! Then, it grows along the main surface of the substrate in the region directly above the low refractive index material.
  • a two-dimensional diffraction grating composed of an epitaxial layer and a low refractive index material and a layer containing GaN covering the two-dimensional diffraction grating are formed. That is, the layer can be formed on the two-dimensional diffraction grating without performing fusion bonding with the layer formed immediately above the two-dimensional diffraction grating. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor laser element without performing fusion bonding.
  • the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer are all formed by an epitaxy method.
  • the crystallinity of the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer is improved, so that when the epitaxial layer is formed above the active layer, the epitaxial layer is formed. Crystallinity can be improved.
  • the low refractive index material is at least one selected from the group consisting of SiO, MgF, CaF, BaF, and LiF.
  • These materials have a refractive index that is sufficiently lower than the refractive index of the epitaxial layer.
  • the epitaxial layer can function as an effective two-dimensional diffraction grating.
  • layers containing GaN are less likely to grow on these materials compared to GaN-based materials, layers containing GaN can be selectively grown only on the underlying GaN-based material.
  • the pattern of the low refractive index material is a pattern of a plurality of columnar portions. It is a turn. As a result, a two-dimensional diffraction grating whose diffraction grating point is made of a low refractive index material is obtained, and a semiconductor laser element that oscillates light by raising a standing wave with respect to TE mode light is obtained. .
  • the pattern of the low refractive index material is a pattern of a plurality of holes.
  • a diffraction grating point is formed by a plurality of columnar portions made of a GaN epitaxial layer, and a two-dimensional diffraction grating is obtained, and a semiconductor that oscillates light by causing a standing wave to stand for TM mode light.
  • a laser element is obtained.
  • the layer containing GaN is formed using an organic metal vapor phase growth method. This facilitates the growth of the layer containing GaN along the main surface of the substrate.
  • the layer containing GaN is formed in a state where the atmospheric pressure is set to 90 kPa or less. This makes it easier to grow a layer containing GaN along the main surface of the substrate.
  • a method of manufacturing a semiconductor laser device includes the following steps.
  • the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer are formed on the substrate in this order by an epitaxy method.
  • An epitaxial layer made of GaN is formed on the substrate.
  • the epitaxial layer is formed into a two-dimensional diffraction grating.
  • a layer containing GaN is grown along the main surface of the substrate in the region directly above the two-dimensional diffraction grating.
  • a layer containing GaN is epitaxially grown along the main surface of the substrate in a region immediately above the two-dimensional diffraction grating.
  • a two-dimensional diffraction grating and a layer containing GaN covering the two-dimensional diffraction grating are formed. That is, the layer can be formed on the two-dimensional diffraction grating without performing fusion bonding with the layer formed immediately above the two-dimensional diffraction grating. Therefore, a semiconductor laser device can be manufactured without performing fusion bonding.
  • a plurality of air holes are formed in the epitaxial layer over the step of forming the two-dimensional diffraction grating.
  • the epitaxial layer is formed into a plurality of columnar shapes after the step of forming the two-dimensional diffraction grating.
  • a two-dimensional diffraction grating is formed in which a gap due to air is formed and a diffraction grating point is formed by a plurality of columnar portions made of an epitaxial layer.
  • a semiconductor laser element that oscillates light can be obtained.
  • the substrate is preferably made of conductive GaN or conductive SiC (silicon carbide)! /
  • GaN is epitaxially grown on conductive GaN or conductive SiC
  • a GaN crystal with low dislocation density and high flatness can be obtained. Therefore, the dislocation density of the epitaxial layer is reduced and flatness is reduced. Can be improved.
  • a current can be injected through the substrate by attaching an electrode to the substrate, so that a current with a high current density can be injected into the active layer.
  • a method of manufacturing a semiconductor laser device includes the following steps.
  • the first conductivity type cladding layer, the active layer, and the second conductivity type cladding layer are formed on the substrate in this order by an epitaxy method.
  • An epitaxial layer made of GaN is formed on the substrate.
  • a plurality of holes are formed in the epitaxial layer.
  • metalorganic vapor phase epitaxy a layer containing GaN is grown along the major surface of the substrate in the region directly above the holes.
  • a layer containing GaN grows along the main surface of the substrate in a region immediately above the plurality of holes.
  • a two-dimensional diffraction grating and a layer containing GaN covering the two-dimensional diffraction grating are formed. That is, a layer can be formed on a two-dimensional diffraction grating without performing fusion bonding with a layer formed immediately above the two-dimensional diffraction grating. Therefore, a semiconductor laser element can be manufactured without performing fusion bonding.
  • the atmospheric pressure is set to 90 kPa or less.
  • a layer containing GaN is formed. This makes it easy for the GaN-containing layer to grow along the main surface of the substrate, and the region immediately above the plurality of holes can be easily covered with the GaN-containing layer.
  • the layer containing GaN in a state where the atmospheric pressure is set to lOkPa or more.
  • the layer containing GaN is promoted to grow in the lateral direction (direction parallel to the main surface of the substrate) in a reduced-pressure atmosphere.
  • the atmospheric pressure is set to lOkPa or more, lateral growth is promoted too much, and the growth of the GaN-containing layer from the side surface of the hole can be suppressed.
  • a low refractive index material having a lower refractive index than gallium nitride is used.
  • a step of forming inside the plurality of holes is further provided.
  • the diffraction grating point can be constituted by a low refractive index material.
  • the step of forming a plurality of holes includes a step of forming a resist on the epitaxial layer other than a portion where the plurality of holes are formed. And a step of etching the epitaxial layer using the resist as a mask.
  • the step of forming the low refractive index material includes a step of forming the low refractive index material using a vapor deposition method inside the plurality of holes and on the resist, and a step of removing the low refractive index material on the resist together with the resist. Including.
  • the low refractive index material is formed using chemical vapor deposition. To do.
  • a low refractive index material is formed along the inner walls (side surface and bottom surface) of the hole. Therefore, the entire inner wall of the hole can be covered with the low refractive index material, and the growth of the GaN-containing layer from the inside of the hole can be suppressed.
  • the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof of the present invention it is possible to manufacture the semiconductor laser device without performing fusion bonding.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a photonic crystal layer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 A drawing of a triangular lattice with a lattice spacing of a as a two-dimensional diffraction grating.
  • FIG. 5 is a drawing showing a reciprocal lattice space of the triangular lattice shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 (a) is a photonic band diagram showing the result of band calculation using the plane wave expansion method for the photonic crystal layer made of InP for the triangular lattice shown in FIG. Yes, especially for TE mode.
  • (B) is an enlarged view in the vicinity of point S in (a).
  • FIG. 7 is a diagram showing a first step of a method of manufacturing a semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a second step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a third step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a fourth step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a state of growth of an epitaxial layer in the fifth step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • (A) shows the first state
  • (b) shows the second state
  • (c) shows the third state
  • (d) shows the fourth state
  • (e) shows the fifth state
  • (f) shows the sixth state. Yes.
  • FIG. 12 shows a sixth step of the method for manufacturing the semiconductor laser element in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 A sectional view showing the structure of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a first step of a method of manufacturing a semiconductor laser element in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing a second step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing a third step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a state of growth of an epitaxial layer in the fourth step of the method for manufacturing a semiconductor laser device in the second embodiment of the present invention.
  • (A) shows the first state
  • (b) shows the second state
  • (c) shows the third state
  • (d) shows the fourth state
  • (e) shows the fifth state
  • (f) shows the sixth state. Yes.
  • FIG. 18 is a diagram showing a fifth step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing a first step of a method of manufacturing a semiconductor laser element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21A is a diagram showing a second step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21B is a diagram showing another form of the second step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing a state of growth of the epitaxial layer in the third step of the method for manufacturing the semiconductor laser device in the third embodiment of the present invention.
  • (A) shows the first state
  • (b) shows the second state
  • (c) shows the third state
  • (d) shows the fourth state.
  • FIG. 23 is a perspective view showing a configuration of a photonic crystal layer in Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram depicting a square lattice with a lattice spacing of d as a two-dimensional diffraction grating.
  • FIG. 25 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor laser element according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a diagram showing a first step of a method of manufacturing a semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27A is a diagram showing a second step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27B is a diagram showing a modification of the second step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a diagram showing a third step of the method of manufacturing the semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a diagram showing a fourth step of the method of manufacturing a semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a diagram showing a first step of another method of manufacturing a semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 31 is a diagram showing a second step of another method of manufacturing a semiconductor laser element in the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 33 is a photomicrograph showing the state of the photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 20 kPa in Example 4 of the present invention.
  • FIG. 34 is a photomicrograph showing the state of a photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 20 kPa in Example 6 of the present invention.
  • FIG. 35 is a photomicrograph showing the state of a photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 60 kPa in Example 6 of the present invention.
  • Example 6 of the present invention when a low refractive index material made of SiO is formed in the hole,
  • Example 6 of the present invention a low refractive index material made of SiO was not formed in the hole. It is a microscope picture which shows the state of the photonic crystal layer at the time of attaching.
  • la Lc semiconductor laser element, 2a epitaxial layer, 2b diffraction grating point (low refractive index material, hole), 2c, 2e, 20a hole, 2d groove, 3 substrate, 3a, 3b substrate main surface 4, 8a n-type cladding layer, 5 active layer, 6, 8 p-type cladding layer, 7, 7a photonic crystal layer (2D diffraction grating), 9 contact layer, 9a light emitting surface, 10, 11 electrodes , 12 GaN layer, 17 photonic crystal layer surface, 18 region just above low refractive index material, 20 resist, 20b columnar part, 24 film made of low refractive index material.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • the semiconductor laser element 1 includes a substrate 3, an n-type cladding layer 4, an active layer 5, a p-type cladding layer 6, and a photonic crystal as a two-dimensional diffraction grating.
  • a layer 7, a GaN layer 12, a p-type cladding layer 8, a contact layer 9, and electrodes 10 and 11 are provided.
  • Substrate 3 is made of, for example, either conductive GaN or conductive SiC, and has main surfaces 3a and 3b.
  • An n-type cladding layer 4 and a p-type cladding layer 6 are formed on the substrate 3, and the active layer 5 is sandwiched between the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6.
  • the photonic crystal layer 7 is formed on the substrate 3 along the direction in which the main surface 3a extends.
  • the photonic crystal layer 7 includes an epitaxial layer 2a and a plurality of diffraction grating points (low refractive index material) 2b having a lower refractive index than the epitaxial layer 2a.
  • the epitaxial layer 2a is made of GaN.
  • a plurality of holes 2c are formed in the epitaxial layer 2a, and a low refractive index material is embedded in the plurality of holes 2c. This low refractive index material is diffraction grating point 2b.
  • the photonic crystal layer 7 and the GaN layer 12 formed so as to cover the photonic crystal layer 7 are both made of GaN and are the same layer (no boundary).
  • the GaN layer 12 is not an essential layer.
  • AlGaN is directly above the photonic crystal layer 7.
  • a p-type cladding layer 8 may be formed.
  • an n-type cladding layer 4 On the substrate 3, an n-type cladding layer 4, an active layer 5, a p-type cladding layer 6, a photonic crystal layer 7, a GaN layer 12, a p-type cladding layer 8, and a contact layer 9 are arranged in this order. Are stacked.
  • a circular electrode 10 is provided on the contact layer 9, and an electrode 11 is provided on one surface of the main surface 3 b opposite to the main surface 3 a of the substrate 3.
  • the electrodes 10 and 11 are made of, for example, Au (gold).
  • the active layer 5 contains GaN, for example, Al Ga In N (0 ⁇ x, y ⁇ l, 0 ⁇ x + y ⁇ l
  • the active layer 5 is provided along the photonic crystal layer 7 and may be formed as a plurality of quantum wires extending in a predetermined direction. Further, it may be provided along the photonic crystal layer 7 and formed as a plurality of quantum boxes.
  • Each quantum wire has a dimension (for example, about several tens of nanometers) such that the energy level of electrons is dispersed in two directions orthogonal to the longitudinal direction.
  • Each quantum box has dimensions (for example, about several tens of nanometers) such that the energy levels of electrons are discrete in three directions orthogonal to each other. With such a quantum structure, the density of states increases, so that the luminous efficiency is enhanced and the emission spectrum is sharpened.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the photonic crystal layer in the first embodiment of the present invention.
  • a plurality of diffraction grating points 2b are provided on the surface 17 of the epitaxial layer 2a so as to form a triangular lattice.
  • the distance between the center of each diffraction grating point 2b and the center of the nearest six adjacent diffraction grating points 2b is an equal value, and the interval between the hole centers is 0.19 m, for example.
  • the diameter is 0.09 ⁇ m.
  • the epitaxial layer 2a has a first refractive index (2.54 in the case of GaN), and the periodically formed low refractive index material 2b has a second refractive index.
  • the low refractive index material 2b should be at least a material having a lower refractive index than the epitaxial layer 2a.
  • MgF, CaF, BaF, or LiF MgF, MgF, CaF, BaF, or LiF.
  • the photonic crystal layer 7 is a diffraction grating having an equal period (a value corresponding to a lattice constant) with respect to the first direction and a second direction that forms a predetermined angle with this direction. Photonic Various selections are possible for the crystal layer 7 with respect to the above-mentioned two directions and the period in those directions. In addition, since the region A directly below the electrode 10 (FIG. 1) in the photonic crystal layer 7 is a region where a high current density current is injected from the electrode 10, it functions as a region that emits light. The light emitting method of the semiconductor laser element 1 will be described later.
  • n-type cladding layer 4 is made of, for example, n-type AlGaN
  • p-type cladding layer 6 is made of, for example, p-type AlGaN!
  • the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6 function as conductive layers through which carriers to be given to the active layer 5 are conducted. Therefore, the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6 are provided so as to sandwich the active layer 5.
  • Both the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6 function as confinement layers that confine carriers (electrons and holes) and light in the active layer 5. That is, the n-type cladding layer 4, the active layer 5, and the p-type cladding layer 6 form a double heterojunction. Therefore, carriers that contribute to light emission can be concentrated in the active layer 5.
  • the p-type cladding layer 6 also functions as a block layer that blocks the entry of electrons into the photonic crystal layer 7. Thereby, non-radiative recombination of electrons and holes in the photonic crystal layer 7 can be suppressed.
  • the p-type cladding layer 8 is made of, for example, p-type AlGaN.
  • the p-type cladding layer 8 functions as a conductive layer through which carriers to be given to the active layer 5 are conducted.
  • the p-type cladding layer 8 functions as a confinement layer that confines carriers (electrons) and light in a layer below the photonic crystal layer 7.
  • the contact layer 9 is formed in order to make the contact with the electrode 10 ohmic contact.
  • the thickness of the substrate 3 is, for example, 100 m
  • the thickness of the photonic crystal layer 7 is, for example
  • the thickness of each of the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 8 is 0.5 ⁇ m
  • the thickness of the active layer 5 and the p-type cladding layer 6 is, for example, 0.1 ⁇ m.
  • the light generated in the active layer 5 is confined in the active layer 5 by the n-type cladding layer 4 and the p-type cladding layer 6, but a part of the light reaches the photonic crystal layer 7 as evanescent light. .
  • a standing wave is induced at the wavelength corresponding to the period. Is done.
  • Such a phenomenon can occur in the region A centering on the electrode 10 and in the vicinity thereof because the active layer 5 and the photonic crystal layer 7 are two-dimensionally widened.
  • Laser oscillation can be caused by the feedback effect of standing waves.
  • Two-dimensional diffraction gratings have the property of overlapping when translated in the same period in at least two directions.
  • Such a two-dimensional lattice is formed by arranging regular triangles, squares, or regular hexagons all over the surface and providing a lattice point at each vertex.
  • a lattice formed using equilateral triangles is called a triangular lattice
  • a lattice formed using squares is called a square lattice
  • a lattice formed using regular hexagons is called a hexagonal lattice.
  • FIG. 4 is a drawing depicting a triangular lattice with a lattice spacing of a as a two-dimensional diffraction grating.
  • the triangular lattice is filled with equilateral triangles whose side is a.
  • the direction of the direction of force from grid point A to grid point B is called the X- ⁇ direction
  • the direction of the grid point A force is directed to grid point C. Called the X—J direction.
  • the wavelength period of light generated in the active layer 5 corresponds to the lattice period in the ⁇ direction will be described.
  • the two-dimensional diffraction grating 7 can be considered to include three one-dimensional diffraction grating groups L, M, and N described below.
  • One-dimensional diffraction grating group L is a one-dimensional grating L provided in the Y-axis direction.
  • One-dimensional diffraction grating group M has an angle of 120 degrees with respect to the X-axis direction.
  • Folded lattice group N is a one-dimensional lattice N, N
  • Each one-dimensional grating group L, N, In M and M the interval between the one-dimensional lattices is d, and the interval within the one-dimensional lattice is a.
  • the light diffracted at the lattice point B in the direction of the lattice point D is diffracted at the lattice point D according to the lattice group M.
  • This diffraction can be considered in the same way as the diffraction phenomenon according to the lattice group L.
  • the light diffracted toward the lattice point H at the lattice point D is diffracted according to the lattice group N. In this way, diffraction is performed sequentially at lattice point H, lattice point I, and lattice point J.
  • Lattice point J force Light diffracted toward lattice point A is diffracted according to the lattice group N.
  • the two-dimensional diffraction grating 7 acts as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.
  • FIG. 5 is a drawing showing the reciprocal lattice space of the triangular lattice shown in FIG.
  • FIG. 6 (a) is a photonic band diagram showing the result of band calculation using the plane wave expansion method for the photonic crystal layer made of InP for the triangular lattice shown in FIG. Especially, it is a calculation result for TE mode.
  • Fig. 6 (b) is an enlarged view in the vicinity of point S in Fig. 6 (a).
  • the photonic crystal layer 7 in FIG. 1 has the dispersion relationship shown in FIG. 6 (a), that is, the photonic band structure.
  • the photonic band structure refers to a dispersion relationship defined for photon energy based on at least a two-dimensional periodic refractive index distribution provided in a medium.
  • a photonic band gap exists in the portion indicated by S and the portion indicated by P.
  • the portion indicated by S is called the “first photonic band gap”
  • the portion indicated by P is called the “second photonic band gap”.
  • the first photonic bandgap standard ⁇ frequency ⁇ is approximately
  • the standard photo frequency ⁇ of the second photonic band gap is approximately 0.61.
  • the standard photon frequency ⁇ of the first photonic band gap is about 0.47, and the second photonic
  • the band gap standard frequency ⁇ is about 0.82.
  • a substrate 3 made of, for example, conductive GaN or conductive SiC is prepared. And, for example, MOCVD (Meta ⁇ organic chemical vapor deposition: Yes The n-type cladding layer 4, the active layer 5, and the p-type cladding layer 6 are epitaxially grown on the substrate 3 in this order by using the metal-organic vapor phase epitaxy method.
  • a buffer layer may be formed directly on the substrate 3 and the n-type cladding layer 4 may be formed on the notch layer.
  • a resist 20 (pattern layer) having a predetermined pattern is formed on p-type cladding layer 6 by an electron beam lithography technique.
  • the resist 20 has a pattern of a plurality of holes 20a arranged in a triangular lattice pattern.
  • a film 24 made of a low refractive index material is formed on resist 20 using, for example, a vapor deposition method so as to fill the inside of the plurality of holes 20a.
  • film 24 formed on resist 20 is removed (lifted off) together with resist 20.
  • a plurality of low refractive index materials 2b having columnar shapes arranged in a triangular lattice pattern remain on the P-type cladding layer 6.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (f) are schematic diagrams sequentially showing the growth of the epitaxial layer in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 (a) is an enlarged view of portion B in FIG.
  • GaN GaN layer 12
  • the growth direction of GaN is along the main surface 3a (FIG. 1) of the substrate 3.
  • the 0 &? ⁇ Layer 12 grows again upward in the figure (((1) ⁇ ) ⁇ (£)).
  • Photonic crystal layer 7 and GaN layer 12 on p-type cladding layer 6 Figure 12 shows the state after the formation.
  • the GaN layer 12 can be formed on the photonic crystal layer 7 without performing fusion bonding.
  • a photonic crystal layer 7 in order to grow a layer covering the photonic crystal layer 7 (in the figure, the GaN layer 12) in the lateral direction in the figure, a photonic crystal It is preferable to form a layer containing any one of Ga, In, and A1 and N as a layer covering the layer 7.
  • the layer covering the photonic crystal layer 7 is formed with the atmospheric pressure set to 90 kPa or less, preferably 70 kPa or less. .
  • the force shown for the configuration in which the epitaxial layer 2a covers the region directly above the low refractive index material 2b is not limited to such a case.
  • the epitaxial layer 2a reaches the upper end of the low refractive index material 2b (as shown in FIG. 11 (c))
  • the epitaxial growth conditions are changed, and the p-type cladding layer 8 containing GaN (for example, AlGaN) 8 May continue to grow.
  • the region 18 immediately above the low refractive index material 2 b is covered with the p-type cladding layer 8.
  • the second embodiment to be described later is the epitaxial layer 8 containing GaN (for example, AlGaN) 8 May continue to grow.
  • p-type cladding layer 8 and contact layer 9 are epitaxially grown on GaN layer 12 in this order using, for example, the MOCVD method. Thereafter, the electrode 10 is formed on the light emission surface 9a of the contact layer 9, and the electrode 11 is formed on the main surface 3b of the substrate 3, whereby the semiconductor laser device 1 is completed.
  • the semiconductor laser device 1 of the present embodiment includes a substrate 3 having a main surface 3a, an epitaxial layer 2a made of GaN, formed on the substrate 3 along the direction in which the main surface 3a extends, and an epitaxy
  • a photonic crystal layer 7 including a low refractive index material 2b having a lower refractive index than the optical layer 2a, an n-type cladding layer 4 formed on the substrate 3, and a p-type formed on the substrate 3.
  • the GaN layer 12 covering the photonic crystal layer 7 is formed directly above the epitaxy layer 2a by using an epitaxy method. Formed. That is, the photonic crystal layer 7 is formed directly above the photonic crystal layer 7. A layer can be formed on the photonic crystal layer 7 without performing fusion bonding with the formed layer. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor laser element without performing fusion bonding.
  • the epitaxy is compared with the case where the diffraction grating point is made of air. Non-radiative recombination of carriers at the interface between the layer 2a and the diffraction grating point occurs. Therefore, the characteristics of the semiconductor laser element can be improved.
  • the semiconductor laser device 1 of the present embodiment since the diffraction grating point is made of the low refractive index material 2b, compared to the case where the diffraction grating point is made of air, Impurities such as moisture contained in can be prevented from entering or remaining inside the device. Thereby, the reliability of the semiconductor laser element can be improved.
  • the epitaxial layer 2a has a plurality of holes 2c, and a low refractive index material 2b that becomes a diffraction grating point is embedded in the plurality of holes 2c. .
  • the GaN layer 12 and the epitaxial layer 2a are the same layer or a layer that is continuously epitaxially grown.
  • the photonic crystal layer 7 is formed in such a manner that the upper and side portions of the low refractive index material 2b are covered with the epitaxial layer.
  • the method of manufacturing the semiconductor laser device 1 in the present embodiment includes the following steps.
  • An n-type cladding layer 4, an active layer 5, and a p-type cladding layer 6 are formed on the substrate 3 in this order.
  • a film 24 made of a low refractive index material 2b having a predetermined pattern and having a lower refractive index than GaN is formed on the substrate 3.
  • an epitaxial layer 2a made of GaN is formed on the substrate 3 (epitaxial layer forming step).
  • the GaN layer 12 is grown along the main surface 3a of the substrate 3 in the region 18 directly above the low refractive index material 2b.
  • the semiconductor laser device 1 is made of GaN.
  • the GaN layer 12 is epitaxially grown on the epitaxial layer 2a, and along the main surface 3a of the substrate 3 in the region 18 directly above the low refractive index material 2b. grow up.
  • the photonic crystal layer 7 and the GaN layer 12 covering the photonic crystal layer 7 are formed. That is, a layer can be formed on the photonic crystal layer 7 without performing fusion bonding with a layer formed immediately above the photonic crystal layer 7. Therefore, a semiconductor laser element can be manufactured without performing fusion bonding.
  • the n-type clad layer 4, the active layer 5, and the p-type clad layer 6 are all formed by an epitaxy method.
  • the low refractive index material 2b is made of SiO, MgF, CaF, BaF, or LiF.
  • These materials all have a refractive index sufficiently lower than the refractive index of the epitaxial layer 2a.
  • a photonic crystal layer having good characteristics can be produced.
  • the GaN layer 12 is less likely to grow on these materials than on the epitaxial layer 2a! /, The GaN layer 12 can be selectively grown only on the epitaxial layer 2a. .
  • the resist 20 has a pattern of a plurality of holes 20a.
  • a photonic crystal layer 7 whose diffraction grating point is composed of the low-refractive index material 2b is obtained, and a semiconductor laser element that oscillates by generating a standing wave with respect to the TE mode light is obtained. It is done.
  • the substrate 3 is made of conductive GaN or conductive SiC.
  • Epitaxial growth of GaN on conductive GaN or conductive SiC yields GaN crystals with low dislocation density and high flatness. Therefore, the dislocation density of the epitaxial layer 2a is reduced and flatness is reduced. Can be improved.
  • current can be injected through the substrate 3 by attaching the electrode 11 to the substrate 3. High current density current can be injected into the active layer.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser element in the second embodiment of the present invention.
  • the configuration of the photonic crystal layer 7 is different from that of the semiconductor laser device 1 of the first embodiment. That is, the low refractive index material 2b has a plurality of holes 2c, and an epitaxial layer 2a having a GaN force serving as a diffraction grating point is embedded in each of the plurality of holes 2c.
  • the force at which the diffraction grating point is configured by the low refractive index material 2b in the semiconductor laser device la of the present embodiment the diffraction grating point is formed by the epitaxial layer 2a. It is configured.
  • the other configuration of the semiconductor laser element la is the same as that of the semiconductor laser element 1 in the first embodiment. Therefore, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. .
  • a resist 20 (pattern layer) having a predetermined pattern is formed on p-type cladding layer 6 by an electron beam lithography technique.
  • the resist 20 has a pattern of a plurality of columnar portions 20b arranged in a triangular lattice pattern.
  • a film 24 made of a low refractive index material is formed on resist 20 by using, for example, a vapor deposition method so as to fill between each of the plurality of columnar portions 20b.
  • film 24 formed on resist 20 is removed (lifted off) together with resist 20.
  • a plurality of low refractive index materials 2b having a plurality of holes 2c arranged in a triangular lattice pattern are formed on the p-type cladding layer 6.
  • FIGS. 17 (a) to (f) are schematic diagrams sequentially illustrating the growth of the epitaxial layer in the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 (a) is an enlarged view of part C in FIG. [0111] Referring to FIGS. 17 (a) to 17 (f), conditions in which the ratio of the Group V source gas and the Group X source gas is higher than the conditions for normal epitaxial growth of GaN, in other words, for example, chlorine gas is used.
  • GaN is grown epitaxially under the condition of a small amount of ammonia gas. Then, GaN does not grow epitaxially from the top or side of the low refractive index material 2b, but is exposed at the bottom of the hole 2c! GaN (epitaxial layer 2a) grows only from the surface of the p-type cladding layer 6 ((&) ⁇ (1))). GaN grows upward in the figure and reaches the upper end of the low refractive index material 2b 5 ((b) ⁇ (c)). As a result, a photonic crystal layer 7 having a configuration in which the insides of the plurality of holes 2c in the low refractive index material 2b are filled with an epitaxial layer is obtained.
  • GaN GaN layer 12
  • the growth direction of the GaN layer 12 is a direction along the main surface 3a of the substrate 3 (FIG. 13).
  • the GaN layer 12 grows upward again in the figure ((e) ⁇ (f)). 12 is formed.
  • the state after the photonic crystal layer 7 and the GaN layer 12 are formed on the p-type cladding layer 6 is shown in FIG.
  • p-type cladding layer 8 and contact layer 9 are epitaxially grown on GaN layer 12 in this order by using, for example, the MOCVD method. Thereafter, the electrode 10 is formed on the light emission surface 9a of the contact layer 9, and the electrode 11 is formed on the main surface 3b of the substrate 3, whereby the semiconductor laser device la is completed.
  • the diffraction grating point is formed of the epitaxial layer 2a, the low refractive index material is used compared to the case where the diffraction grating point is made of air. Non-radiative recombination of carriers at the interface between 2b and the diffraction grating point is less likely to occur. Therefore, the characteristics of the semiconductor laser element can be improved.
  • the diffraction grating point is formed by the epitaxial layer 2a, the diffraction grating point is in the air as compared with the case where the diffraction grating point is made of air. Impurities such as contained moisture can be prevented from entering or remaining inside the device. Thereby, the reliability of the semiconductor laser element can be improved.
  • the low refractive index material 2b has a plurality of holes 2c, and an epitaxial layer 2a serving as a diffraction grating point is embedded in the plurality of holes 2c. .
  • the resist 20 has a pattern of a plurality of columnar portions 20b.
  • the photonic crystal layer 7 in which the diffraction grating point is constituted by the columnar portion made of the epitaxial layer 2a is obtained, and a semiconductor that oscillates light by causing a standing wave to stand for TM mode light.
  • a laser element is obtained.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser element according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the configuration of the photonic crystal layer 7 (two-dimensional diffraction grating) is different from that of the semiconductor laser device 1 of the first embodiment. . That is, the epitaxial layer 2a has a plurality of holes 2b arranged in a triangular lattice pattern, and nothing is embedded in each of the plurality of holes 2b.
  • the diffraction grating points are constituted by air.
  • the GaN layer 12 is not formed, and the p-type cladding layer 8 is directly formed on the photonic crystal layer 7.
  • the other configuration of the semiconductor laser element lb is the same as that of the semiconductor laser element 1 in the first embodiment. Therefore, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. .
  • an epitaxial layer 2 a made of GaN is formed on p-type cladding layer 6.
  • a resist agent is applied to the epitaxial layer 2a using a spin coater, and the resist is patterned using an EB (Electron Beam) exposure apparatus.
  • the resist 20 having a predetermined shape is formed on the epitaxial layer 2a by the electron beam lithography technique. Made.
  • the epitaxial layer 2a is etched by ICP-RIE (Reactive Ion Etching) using the resist 20 (FIG. 20) as a mask, and is diffracted to a predetermined position of the epitaxial layer 2a.
  • a plurality of holes 2b to be lattice points are formed.
  • the epitaxial layer 2 a is formed into the photonic crystal layer 7.
  • the epitaxy layer 2a is formed into a plurality of columnar shapes, thereby forming the epitaxy layer 2a into a photonic crystal.
  • Layer 7 may be formed.
  • the space between each of the plurality of columnar shapes is etched to form grooves 2d.
  • FIG. 22 (a) to 22 (d) are schematic diagrams sequentially showing the growth of the p-type cladding layer in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 (a) is an enlarged view of part D in FIG. 21A.
  • AlGaN is epitaxially grown under conditions where the growth temperature is higher than that of the normal GaN epitaxial growth condition, for example, a small amount of chlorine-based gas is introduced. Let it grow.
  • Layer 8) grows in the horizontal direction in the figure (eg (112-2) direction (R-plane direction)) ((a) ⁇ (b) ⁇ (c)).
  • GaN grows along the main surface 3a (FIG. 19) of the substrate 3 in the region directly above each of the plurality of holes 2b. Note that the hole 2b is not filled with AlGaN due to the force with which AlGaN grows without force in the hole 2b.
  • a layer covering the photonic crystal layer 7 in order to grow a layer covering the photonic crystal layer 7 (p-type cladding layer 8 in the figure) in the horizontal direction in the figure, It is preferable to form a layer containing any one of Ga, In, and A1 and N as a layer covering the photonic crystal layer 7.
  • the atmospheric pressure is 70 kPa or less.
  • a layer covering the photonic crystal layer 7 is formed in a state of 60 kPa or less.
  • the photonic crystal is kept in a state where the atmospheric pressure is set to lOkPa or more, preferably 30 kPa or more. A layer covering layer 7 is formed.
  • contact layer 9 is epitaxially grown on p-type cladding layer 8 using, for example, the MOCVD method. Thereafter, the electrode 10 is formed on the light emitting surface 9a of the contact layer 9, and the electrode 11 is formed on the main surface 3b of the substrate 3, thereby completing the semiconductor laser device lb.
  • the manufacturing method of the semiconductor laser device lb in the present embodiment includes the following steps.
  • An n-type cladding layer 4, an active layer 5, and a p-type cladding layer 6 are formed on the substrate 3 in this order by an epitaxy method.
  • An epitaxial layer 2 a made of GaN is formed on the substrate 3.
  • the epitaxial layer 2a is formed into the photonic crystal layer 7.
  • a p-type cladding layer 8 containing GaN is grown along the main surface of the substrate 3 in a region immediately above the photonic crystal layer 7.
  • the p-type cladding layer 8 containing GaN grows along the main surface 3a of the substrate 3 in the region immediately above the photonic crystal layer 7. To do. As a result, the photonic crystal layer 7 and the p-type cladding layer 8 covering the photonic crystal layer 7 are formed. That is, a layer can be formed on the photonic crystal layer 7 without performing fusion bonding with a layer formed immediately above the photonic crystal layer 7. Therefore, a semiconductor laser element can be manufactured without performing fusion bonding.
  • a plurality of holes 2b are formed in the epitaxial layer 2a.
  • a photonic crystal layer 7 in which a diffraction grating point is constituted by a plurality of holes 2b is obtained, and a semiconductor laser element that oscillates light by generating a standing wave with respect to TE mode light is obtained. can get.
  • the Shall layer 2a is formed into a plurality of columnar shapes.
  • the photonic crystal layer 7 in which the diffraction grating points are constituted by the plurality of columnar portions made of the epitaxial layer 2a is obtained, and the standing wave is raised with respect to the TM mode light to oscillate the light.
  • a semiconductor laser device is obtained.
  • the p-type cladding layer 8 is preferably formed using the MOCVD method.
  • the P-type cladding layer 8 is formed in a state where the atmospheric pressure is not less than lOkPa and not more than 70 kPa, preferably not less than 30 kPa and not more than 60 kPa. This facilitates the growth of the p-type cladding layer 8 along the main surface of the substrate.
  • the photonic crystal layer 7 forms a triangular lattice as shown in FIG.
  • the arrangement of the seven diffraction grating points may be as follows.
  • FIG. 23 is a perspective view showing the configuration of the photonic crystal layer in the fourth embodiment of the present invention.
  • a plurality of diffraction grating points 2b are provided on one surface of the epitaxial layer 2a so as to form a square lattice.
  • FIG. 24 is a diagram depicting a square lattice having a lattice spacing d as a two-dimensional diffraction grating.
  • the square lattice is filled with squares with a side length of d.
  • the direction directed from grid point W to grid point P is called the X- ⁇ direction
  • the grid point W is directed to grid point Q.
  • Direction X Called J direction.
  • the two-dimensional diffraction grating (photonic crystal layer) 7a can be considered to include two one-dimensional diffraction grating groups U and V described below.
  • the one-dimensional diffraction grating group U also has forces such as the one-dimensional gratings U, U, U arranged in the Y-axis direction.
  • One-dimensional diffraction grating group V is in the X-axis direction
  • Folded lattice groups U and V overlap when rotated at an angle of 90 ° around an arbitrary lattice point.
  • the interval between the one-dimensional gratings is d, The distance within the child is also d.
  • the light diffracted toward the lattice point Q at the lattice point P is diffracted according to the lattice group V at the lattice point Q.
  • This diffraction can be considered in the same way as the diffraction phenomenon according to the grating group U.
  • the light diffracted toward the lattice point T at the lattice point Q is diffracted according to the lattice group U. In this way, the light is sequentially diffracted.
  • the light diffracted from the lattice point T toward the lattice point W is diffracted according to the lattice group V.
  • the two-dimensional diffraction grating 7a functions as an optical resonator, that is, a wavelength selector and a reflector.
  • the above-described light diffraction is performed on all the two-dimensionally arranged gratings. Can occur at points. For this reason, the light propagating in each X- ⁇ direction is considered to be coupled two-dimensionally by Bragg diffraction. In the two-dimensional diffraction grating 7a, this two-dimensional coupling is considered to form a coherent state by combining the three ⁇ ⁇ - ⁇ directions.
  • the other configuration of the semiconductor laser element and the manufacturing method thereof are substantially the same as the configuration of the semiconductor laser element 1, la, lb and the manufacturing method thereof in Embodiments 1 to 3, and therefore the same member. Are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the same effects as those of the semiconductor laser devices 1, la, lb of the first to third embodiments can be obtained.
  • the semiconductor laser device of the present invention may have the configuration shown in FIG. 25 in addition to such a case.
  • FIG. 25 is a perspective view showing the configuration of the semiconductor laser element in the fifth embodiment of the present invention.
  • the photonic crystal layer 7 is formed so as to be in contact with the n-type cladding layer 4 formed under the active layer 5. That is, in the semiconductor laser device lc of the present embodiment, the n-type cladding layer 8a, the photonic crystal layer 7, the n-type cladding layer 4, the active layer 5, the p-type cladding layer 6, and the contact layer 9 Formed on the substrate 3 in order.
  • carriers are injected into the active layer 5 by applying a positive voltage to the electrode 10.
  • the same effects as those of the semiconductor laser devices 1, la, lb of the first to third embodiments can be obtained.
  • the structure shown in FIG. 20 is first obtained through the same manufacturing process as in the third embodiment.
  • the resist 20 is formed on the epitaxial layer 2a other than the portion where the plurality of holes 2e are formed in the next step.
  • the epitaxial layer 2a is etched by ICP-RIE to form a plurality of holes 2e serving as diffraction grating points at predetermined positions of the epitaxial layer 2a. Thereby, the epitaxial layer 2a is formed into the photonic crystal layer 7.
  • a film (dielectric film) 24 made of a low refractive index material is formed on the bottom surfaces of the plurality of holes 2e and the resist 20 by using, for example, vapor deposition.
  • film 24 formed on resist 20 is removed (lifted off) together with resist 20.
  • the low refractive index material 2b is formed only on the bottom surfaces of the plurality of holes 2e.
  • the low refractive index material 2b is formed only on the bottom surfaces of the plurality of holes 2e as in the structure of FIG. 27A, the low refractive index material 2b and the low refractive index material 2b in the hole 2e are formed.
  • the air that occupies no part functions as a diffraction grating point.
  • the low refractive index material 24 is formed so as to completely fill the insides of the plurality of holes 20a as shown in FIG. 27B. May be formed.
  • the low refractive index material 2b functions as a diffraction grating point.
  • p-type cladding layer 8 made of GaN, for example, is formed on photonic crystal layer 7 using MOCV D method. To do.
  • the p-type cladding layer 8 is formed along the main surface 3a of the substrate 3 in the region directly above the plurality of holes 2e according to the same principle as described with reference to FIGS. 22 (a) to (d). grow up.
  • the layer covering the photonic crystal layer 7 in order to grow the layer covering the photonic crystal layer 7 (p-type cladding layer 8 in the figure) in the horizontal direction in the figure, It is preferable to form a layer containing any one of Ga, In, and A1 and N as a layer covering the photonic crystal layer 7.
  • the layer covering the photonic crystal layer 7 is formed in a state where the atmospheric pressure is 90 kPa or less, preferably 70 kPa or less.
  • the atmospheric pressure is set to lOkPa or more, preferably 30 kPa or more.
  • a layer covering the photonic crystal layer 7 is formed.
  • the force shown in the case where the p-type cladding layer 8 is formed immediately above the photonic crystal layer 7 is obtained by applying the GaN layer 12 (FIG. 1) directly above the photonic crystal layer 7.
  • the p-type cladding layer 8 may be formed on the Ga N layer 12,
  • contact layer 9 is epitaxially grown on p-type cladding layer 8 by using, for example, the MOCVD method.
  • the electrode 10 is formed on the light emitting surface 9a of the contact layer 9, and the electrode 11 is formed on the main surface 3b of the substrate 3, so that a semiconductor laser having a structure substantially similar to that of the semiconductor laser element lb is completed.
  • the semiconductor laser of the present embodiment differs from the semiconductor laser element lb of FIG. 19 in that the low refractive index material 2b is formed in part or all of the inside of the hole 2e.
  • the method of manufacturing a semiconductor laser device includes the following steps.
  • An n-type cladding layer 4, an active layer 5, and a p-type cladding layer 6 are formed on the substrate 3 in this order by an epitaxy method.
  • An epitaxial layer 2 a made of GaN is formed on the substrate 3.
  • a plurality of holes 2e are formed in the epitaxial layer 2a.
  • a p-type cladding layer 8 containing GaN is grown along the main surface of the substrate 3 in a region immediately above the plurality of holes 2e.
  • p-type cladding layer 8 grows along the main surface of substrate 3 in the region immediately above the plurality of holes 2e.
  • a photonic crystal layer 7 and a p-type cladding layer 8 covering the photonic crystal layer 7 are formed. That is, a layer can be formed on the photonic crystal layer 7 without performing fusion bonding with a layer formed immediately above the photonic crystal layer 7. Therefore, a semiconductor laser element can be manufactured without performing fusion bonding.
  • the p-type cladding layer 8 is formed in a state where the atmospheric pressure is 90 kPa or less, preferably 70 kPa or less, the p-type cladding layer 8 is likely to grow along the main surface of the substrate 3, The region directly above the plurality of holes 2e can be easily covered with the p-type cladding layer 8.
  • a layer having the same component as the p-type cladding layer 8 grows also from the side surface of the hole 2e. Can be suppressed.
  • the low refractive index material 2b in the plurality of holes 2e, it is possible to prevent the layer having the same component as the p-type cladding layer 8 from growing in the lateral force of the hole 2e. Also low bending A diffraction grating point can be formed by the refractive index material 2b.
  • the chemical vapor deposition is used instead of the force vapor deposition method shown for the case where the low refractive index material 2b is formed using the vapor deposition method.
  • the low refractive index material 2b may be formed using a growth method. This method is described below.
  • the film 24 made of a low refractive index material is formed using the CVD method after obtaining the structure of FIG. 26, the top surface and side surface of the resist 20 and the side surface and bottom surface of the hole 2e are formed as shown in FIG. As a result, a film 24 is formed.
  • the upper surface and the side surface film 24 of the resist 20 are removed together with the resist 20 by polishing.
  • the low refractive index material 2b is formed on the side surface and the bottom surface of the hole 2e.
  • the low refractive index material 2b is formed along the inner wall of the hole 2e. Therefore, the entire inner wall of the hole 2e can be covered with the low refractive index material 2b, and the p-type cladding layer 8 can be prevented from growing in the internal force of the hole 2e.
  • a conductive GaN (0001) substrate was prepared.
  • an MOCVD apparatus using an MOCVD apparatus, an n-type buffer layer, an n-type cladding layer 4 made of AlGaN, an active layer 5 made of a GalnN quantum well, and a p-type cladding layer 6 made of AlGaN are separated in this order. It was formed on the substrate 3 by growing it. These layers were formed under growth conditions such that RMS (root mean square surface roughness) was 2 nm or more as the roughness of the layer surface.
  • the emission wavelength of the active layer was 410 nm (blue).
  • the substrate 3 is taken out from the MOCVD apparatus, and a photoresist for electron beam exposure (ZEP520) is applied as a resist 20 to the surface of the p-type cladding layer 6, and an electron beam exposure machine is used.
  • a resist pattern of a plurality of holes 20a was drawn.
  • the resist pattern was a square lattice, and a pattern of holes 20a having a diameter of 0.09 ⁇ m and a pitch of 0.17 ⁇ m was drawn on the resist 20.
  • SiO, MgF, and Ca are formed on the resist 20 so as to fill the insides of the plurality of holes 20a.
  • a film 24 of a low refractive index material 2b made of F, BaF, or LiF was formed.
  • Membrane 24 is vacuum steamed
  • the deposition method Using the deposition method, it was formed with a thickness of 0 .: L m. Thereafter, the resist 20 and the excess film 24 were removed by infiltration with a solvent, and a plurality of low refractive index materials 2b having a columnar shape were formed.
  • the MOCVD apparatus uses the MOCVD apparatus, the ratio of the group V source gas to the group IV source gas is higher than the normal growth conditions performed previously! A layer 12 containing N was formed. Then, selective layer growth as shown in FIGS. L l (a) to (f) was confirmed in all the low refractive index materials 2b. Then, after forming the p-type cladding layer 8 and the contact layer 9, the MOCVD apparatus also takes out the substrate 3, and forms the circular P-type ohmic electrode 10 on the light emitting surface 9a of the contact layer 9, and the main surface of the substrate 3 An n-type ohmic electrode 11 was formed on the entire surface of 3b, and a semiconductor laser device 1 was produced.
  • the semiconductor laser device 1 manufactured as described above was subjected to current injection by continuous energization to examine whether laser oscillation was possible. As a result, it was confirmed that any semiconductor laser element 1 oscillates within a threshold current density range of about 4 to 7 kAZcm 2 .
  • Laser light was emitted from the outer periphery of the circular electrode 10 in a direction perpendicular to the main surface 3 a of the substrate 3.
  • the polarization characteristic of the laser beam was TE polarization.
  • an n-type buffer layer, an n-type cladding layer 4 made of AlGaN, an active layer 5 made of GalnN quantum wells, and a p-type cladding layer 6 made of AlGaN in this order on the substrate 3 Formed.
  • a resist 20 was formed on the surface of the p-type cladding layer 6, and a resist pattern was drawn using an electron beam exposure machine.
  • the resist pattern was a square lattice, and a pattern of a plurality of columnar portions 20b having a diameter of 0.09 m was drawn on the resist 20.
  • MgF is used on the resist 20 so as to fill the space between the columnar portions 20b.
  • the film 24 of the low refractive index material 2b is formed.
  • the film 24 was formed with a thickness of 0.1 ⁇ m using a vacuum deposition method. Then, resist 20 and excess film 24 are removed by infiltration with solvent. Then, a low refractive index material 2b having a plurality of holes 2c was formed.
  • an epitaxial layer 2a made of p-type GaN and a layer 12 containing GaN were formed by the same method as in Example 1. Then, selective layer growth as shown in Figs. 17 (a) to (f) was confirmed. Thereafter, the p-type cladding layer 8, the contact layer 9, the p-type ohmic electrode 10, and the n-type ohmic electrode 11 were formed in the same manner as in Example 1 to produce the semiconductor laser device la.
  • an epitaxial layer 2 a made of p-type GaN was formed on the p-type cladding layer 6.
  • a resist 20 was formed on the surface of the epitaxial layer 2a, and two types of resist patterns were drawn using an electron beam exposure machine.
  • One resist pattern was a triangular lattice, and a pattern having a plurality of holes with a diameter of 0.09 / zm was drawn on the resist 20.
  • the other resist pattern was a triangular lattice and a pattern of a plurality of columnar portions having a diameter of 0.1 l / z m was drawn on the resist 20.
  • the pitch was 0.19 / z m.
  • the epitaxial layer 2a was etched to a depth of 0 .: Lm using the ICP method.
  • a photonic crystal layer 7 having a plurality of holes 2b formed in the epitaxial layer 2a and a plurality of columnar epitaxy layers 2a were formed. A photonic crystal layer of the form was obtained.
  • a p-type cladding layer 8 made of GaN was formed on the photonic crystal layer 7. Then, Figure 2 2 Selective layer growth as shown in (a) to (d) was confirmed. Thereafter, a contact layer 9, a p-type ohmic electrode 10, and an n-type ohmic electrode 11 were formed in the same manner as in Example 1, and a semiconductor laser device lb was produced.
  • the semiconductor laser device lb manufactured as described above current was injected by continuous energization, and the feasibility of laser oscillation was examined. As a result, it was confirmed that any semiconductor laser element lb oscillated at a threshold current density of about 3 kAZcm 2 .
  • the laser light was emitted from the outer peripheral portion of the circular electrode 10 in a direction perpendicular to the main surface 3a of the substrate 3.
  • the semiconductor laser device lb provided with the photonic crystal layer 7 having a shape in which the hole 2b is formed in the epitaxial layer 2a the polarization characteristic of the laser beam was TE polarization.
  • the semiconductor laser element lb including the photonic crystal layer 7 having a form in which a plurality of columnar epitaxial layers 2a are formed the polarization characteristic of the laser light is TM polarized light.
  • the atmospheric pressure when the layer containing GaN is grown in the region directly above the low refractive index material is changed to include the atmospheric pressure force SGaN.
  • the effect on the strata was investigated. Specifically, a plurality of low refractive index materials 2b having a column shape were formed on the p-type cladding layer 6 in the same manner as in Example 1.
  • the epitaxial layer 2a and the GaN layer 12 made of p-type GaN are formed under the conditions in which the ratio of the V group source gas and the V group source gas is higher than the normal growth conditions performed previously. did.
  • the atmospheric pressure was maintained at atmospheric pressure, 90 kPa, 70 kPa, and 20 kPa, respectively. Thereafter, the state of each of the obtained GaN layers 12 was observed using an electron microscope. The results are shown in Table 1.
  • the case where the desired photonic crystal layer is obtained is indicated by A, and the case where the desired photonic crystal layer is obtained in part is indicated by B.
  • the case where a photonic crystal layer is obtained is indicated by C.
  • the vertical growth, in which the GaN layer is difficult to grow laterally is dominant at atmospheric pressure, so the region directly above the low refractive index material is less likely to be covered by the GaN layer 12. It was. On the other hand, the GaN layer easily grew laterally below 90 kPa, and the GaN layer completely covered the region directly above the low refractive index material below 70 kPa.
  • FIG. 32 shows a photomicrograph showing the state of the photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at atmospheric pressure, and a microscope showing the state of the photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 20 kPa.
  • a photograph is shown in Figure 33.
  • the cross section of the p-type cladding layer and the top surface of the GaN layer can be seen.
  • the portion shown by oblique lines is the low refractive index material 2b distributed in a matrix. From this photomicrograph, it can be seen that in the case of atmospheric pressure, the GaN layer is not formed in part on the p-type cladding layer, and there is a region where the low refractive index material is exposed.
  • FIG. 33 the cross section of the p-type cladding layer and the low refractive index material and the upper surface of the GaN layer are visible. From this photomicrograph, it can be seen that a GaN layer is formed on the p-type cladding layer at 20 kPa.
  • the pressure of the atmosphere is changed when the layer containing GaN is grown in the region directly above the low refractive index material, and the pressure of the atmosphere contains GaN.
  • the effect on the strata was investigated.
  • the photonic crystal layer 7 was formed on the p-type cladding layer 6 in the same manner as in Example 3.
  • a p-type cladding layer 8 made of GaN was formed on the photonic crystal layer 7 using a MOCVD apparatus.
  • the atmospheric pressure was kept at 70 kPa, 60 kPa, 30 kPa, 20 kPa, and lOkPa, respectively.
  • the state of each obtained photonic crystal layer and p-type cladding layer was observed using the electron microscope. The results are shown in Table 2.
  • A indicates a case where a desired photonic crystal layer is obtained
  • B indicates a case where a desired photonic crystal layer is partially obtained.
  • the growth in the vertical direction, in which the GaN-containing layer is difficult to grow laterally, is dominant at 70 kPa, the region immediately above the low refractive index material is covered by the GaN layer. It was. Below 20 kPa, the lateral growth of the GaN layer was promoted too much, and the GaN layer also grew the inner wall surface force of the hole, and some of the holes were filled with the GaN layer. On the other hand, in the range from 30 kPa to 6 OkPa, the lateral growth of the GaN layer was moderately accelerated, and the desired photonic crystal layer and p-type cladding layer were obtained.
  • a layer containing GaN is grown in a region directly above the low refractive index material.
  • the effect of the atmospheric pressure on the GaN-containing layer was investigated by changing the atmospheric pressure.
  • the photonic crystal layer 7 was formed on the p-type cladding layer 6.
  • a low refractive index material 24 was formed on the bottom surfaces of the plurality of holes 20a by vapor deposition as shown in FIG. 27A.
  • a p-type cladding layer 8 made of GaN was formed on the photonic crystal layer 7 using a MOCVD apparatus.
  • the atmospheric pressure was maintained at 90 kPa, 70 kPa, 30 kPa, 20 kPa, and lOkPa, respectively. Thereafter, the state of each of the obtained layers 12 containing GaN was observed using an electron microscope. The results are shown in Table 3.
  • A indicates a case where a desired photonic crystal layer is obtained
  • B indicates a case where a desired photonic crystal layer is partially obtained.
  • the lateral growth of the GaN layer is promoted too much, and the GaN layer grows from the inner wall surface of the hole.
  • the inside of the hole was filled with a GaN layer.
  • lateral growth of the GaN layer was moderately accelerated at 30 kPa to 70 kPa, and the desired photonic crystal layer and p-type cladding layer were obtained.
  • FIG. 34 A photomicrograph showing the state of the photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 20 kPa is shown in Fig. 34, and a photomicrograph showing the state of the photonic crystal layer when the atmospheric pressure is kept at 60 kPa.
  • Figure 35 shows.
  • the holes in the photonic crystal layer are filled with a layer containing GaN. From this photomicrograph, it can be seen that in the case of 20 kPa, the inside of some of the holes is filled with the GaN layer.
  • the hole in the photonic crystal layer is not filled with the layer containing GaN, and the p-type cladding layer grows laterally on the upper surface of the hole. From this micrograph, it can be seen that in the case of 60 kPa, the inside of the hole is filled with a GaN layer!
  • the low-refractive-index material made of SiO with an atmospheric pressure of 20 kPa
  • the appearance of the resulting photonic crystal layer was compared between when the material was formed in the hole and when it was not. Specifically, the photonic crystal layer obtained in Example 5 when the atmospheric pressure was 20 kPa and the photonic crystal layer obtained in this example when the atmospheric pressure was 20 kPa. Each was observed with a microscope.
  • Fig. 36 shows the photonic crystal layer when a low refractive index material made of SiO is formed in the hole.
  • Fig. 37 is a photomicrograph showing the state.
  • FIG. 2 is a photomicrograph showing the state of a photonic crystal layer when a low refractive index material consisting of 2 is formed in a hole and pressed. Comparing Fig. 36 and Fig. 37, Fig. 36, in which a low refractive index material made of SiO is formed in the hole, shows that
  • low refractive index material made of SiO

Abstract

　半導体レーザ素子（１）は、主面（３ａ）を有する基板（３）と、主面（３ａ）が延びる方向に沿って基板（３）上に形成され、ＧａＮよりなるエピタキシャル層（２ａ）と、エピタキシャル層（２ａ）よりも低屈折率である低屈折率材料（２ｂ）とを含むフォトニック結晶層（７）と、基板（３）上に形成されたｎ型クラッド層（４）と、基板（３）上に形成されたｐ型クラッド層（６）と、ｎ型クラッド層（４）およびｐ型クラッド層（６）に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層（５）と、フォトニック結晶層（７）の真上を覆うＧａＮ層（１２）とを備えている。これにより、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。

Description

明 細 書
半導体レーザ素子およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、 GaN ( 窒化ガリウム)のェピタキシャル層を含む 2次元回折格子を備えた半導体レーザ素子 およびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] DFB (Distributed feedback)レーザは、内部に設けられた 1次元の回折格子によつ て前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである 。この現象は、 1次元の回折格子に対しブラック条件を満たす特定の波長の光での み生じる。したがって、 DFBレーザによれば、縦モード (発振される光の光軸方向の 共振モード)が単一モードである光を安定して発振することができる。
[0003] 一方、 DFBレーザにぉ 、て、発振される光の光軸方向（言 、換えれば回折格子に 対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはなら ず、フィードバックされない。つまり、 DFBレーザでは、発振される光の光軸方向以外 の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという 欠点があった。
[0004] そこで、近年、 2次元の屈折率分布を持った 2次元フォトニック結晶レーザが開発さ れつつある。 2次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外 の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定 在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、 2次元フォトニック 結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴 を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。従来の 2次元フォト-ッ ク結晶レーザは、たとえば以下の構造を有している。
[0005] 2次元フォトニック結晶レーザは、ダブルへテロ接合を形成するように形成された n 型クラッド層、活性層、および p型クラッド層と、 InP基板と、 2つの電極とを備えている 。 InP基板の主面には、所定の格子配列 (たとえば三角格子や正方格子など)で複 数の孔が開口されている。これにより、孔の開いていない部分は InPの屈折率 (n= 3 . 21)となり、孔の開いている部分は空気の屈折率 (n= l)となり、 InP基板の主面は 周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶（2次元回折格子）となる。この InP基 板の主面上に n型クラッド層、活性層、および p型クラッド層がこの順序で形成されて いる。 p型クラッド層の主面と、フォトニック結晶が形成されていない側の InP基板の主 面との各々に、 2つの電極の各々が形成されている。
[0006] このような 2次元フォトニック結晶レーザでは、 2つの電極間に適当な電圧を印加す ることによって、正孔と電子とが活性層に注入される。そして、正孔と電子とが再結合 すると、所定の波長を持った光が活性層内に発生する。そして、この光が活性層外 へ漏れ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶層に伝搬し、フォトニック結晶 層内における孔の格子点でブラック反射を繰り返す。その結果、各格子点間で定在 波が発生し、波長および位相が揃った光となる。そして、この光がフォトニック結晶の 主面に垂直な方向から発振される。
[0007] 従来の 2次元フォトニック結晶レーザは、第 1の InP基板上にフォトニック結晶が形 成された形態の第 1の部品と、第 2の InP基板上に n型クラッド層、活性層、および p型 クラッド層が形成された形態の第 2の部品とを作製し、第 1の InP基板のフォトニック結 晶と、第 2の InP基板におけるフォトニック結晶の真上に形成される層（n型あるいは p 型クラッド層）とを融着貼り付けし、その後第 2の InP基板を除去し、 2つの電極を形成 することによって製造されて 、た。
[0008] なお、従来の 2次元フォトニック結晶レーザは、たとえば特許文献 1、非特許文献 1、 および非特許文献 2に開示されている。特許文献 1では、 n型 InPよりなる基板上に In GaAsなどよりなるフォトニック結晶構造が形成された 2次元フォトニック結晶レーザが 開示されている。また、非特許文献 1では、 InPよりなる基板上に InPよりなるフォト- ック結晶が形成された 2次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許 文献 2では、 n型 InPよりなる基板に孔を形成したフォトニック結晶を有する 2次元フォ トニック結晶レーザが開示されている。これらの 2次元フォトニック結晶レーザは、全て 赤外光を発振するレーザである。さらに、非特許文献 3には、 GaNェピタキシャル層 同士を融着貼り付けする技術が開示されている。 特許文献 1 :特開 2000— 332351号公報
非特許文献 1 :横山光他、「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」、日本赤外線学 会誌、 2003年、第 12卷、第 2号、第 17頁〜第 23頁
非特干文献 2 : M.Imada, et al., Conerent two-dimensional lasing action in surface- e mitting laser with triangular-lattice photonic crystal " , App. Phys. Lett., 75 (3) pp. 316-318, 19 July 1999
非特許文献 3 : T.Tokuda, et al., Wafer Fusion Technique Applied to GaN/GaN Syst em", Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000) Pt.2, N0.6B pp丄 572— L574.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 近年、青色や紫外光などの短波長の光を発振する 2次元フォトニック結晶レーザへ の要望が高まっている。青色や紫外光などの短波長の光を発振するためには、紫外 光領域のバンドギャップを有する GaNなどの材料をフォトニック結晶として用いること が必要になる。し力しながら、 GaNをフォトニック結晶として用いた場合には、 2次元 フォトニック結晶レーザを製造する際にたとえば以下の問題が生じる。
[0010] 上述のように、 2次元フォトニック結晶レーザの製造の際には、フォトニック結晶と、 フォトニック結晶の真上に形成される層（n型あるいは p型クラッド層）とを別体で作製 した後で、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層とを融着貼り付 けする必要がある。しかし、 GaN結晶表面の RMS (自乗平均面粗さ）は通常 2nm以 上であり、 GaN結晶表面の平坦性は低い。このため、 GaNよりなるフォトニック結晶は 、他の層と融着貼り付けすることが難しいという問題があった。特に、 p型 GaNよりなる フォトニック結晶と、 p型 GaNよりなるクラッド層とを融着貼り付けした場合には、フォト ニック結晶とクラッド層とがォーミック接合しない。
[0011] また、 GaNよりなるフォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層との 融着貼り付けは、通常、還元雰囲気で高温高圧の状態で行なわれる。このため、融 着貼り付けの際にデバイスに歪みなどのダメージを与えやすいという問題があった。
[0012] そこで、本発明の目的は、融着貼り付けを行なわずに製造することのできる半導体 レーザ素子およびその製造方法を提供することである。 課題を解決するための手段
[0013] 本発明の半導体レーザ素子は、主面を有する基板と、主面が延びる方向に沿って 基板上に形成され、 GaNよりなるェピタキシャル層と、ェピタキシャル層よりも低屈折 率である低屈折率材料とを含む 2次元回折格子と、基板上に形成された第 1導電型 クラッド層と、基板上に形成された第 2導電型クラッド層と、第 1および第 2導電型クラ ッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層と、 2次元回折格子の真上を 覆う GaNを含む層とを備えている。
[0014] 本発明の半導体レーザ素子によれば、 2次元回折格子の真上を覆っている GaNを 含む層は、ェピタキシャル法を用いることによって前記のェピタキシャル層の真上に 形成される。すなわち、 2次元回折格子と、 2次元回折格子の真上に形成される層と の融着貼り付けを行なわずに、 2次元回折格子上にクラッド層などを形成することが できる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することが できる。
[0015] 本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、ェピタキシャル層は複数の孔を 有しており、複数の孔内に回折格子点となる低屈折率材料が埋め込まれている。
[0016] これにより、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ 素子となる。
[0017] 本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、低屈折率材料は複数の孔を有し ており、複数の孔内に回折格子点となるェピタキシャル層を構成する GaNが埋め込 まれている。
[0018] これにより、 TMモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ 素子となる。
[0019] 本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、 2次元回折格子の真上を覆って いる GaNを含む層と GaNよりなるェピタキシャル層とが同一の層、もしくは連続してェ ピタキシャル成長した層である。
[0020] これにより、低屈折率材料の上部および側部をェピタキシャル層が覆っているような 形態の 2次元回折格子となる。
[0021] 本発明の一の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備え ている。第 1導電型クラッド層、活性層、および第 2導電型クラッド層をこの順序で基 板上に形成する。所定のパターンを有する、 GaNよりも低屈折率である低屈折率材 料を基板上に形成する。低屈折率材料を形成した後で、 GaNよりなるェピタキシャル 層を基板上に形成する（ェピタキシャル層形成工程)。ェピタキシャル層形成工程後 に、低屈折率材料の真上の領域で基板の主面に沿って GaNを含む層を成長させる
[0022] 本発明の一の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、 GaNよりなる ェピタキシャル層を形成した後で、 GaNを含む層がェピタキシャル層上にお!、てェピ タキシャル成長し、低屈折率材料の真上の領域で基板の主面に沿って成長する。こ れにより、ェピタキシャル層と低屈折率材料とによって構成される 2次元回折格子と、 2次元回折格子上を覆う GaNを含む層とが形成される。つまり、 2次元回折格子の真 上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、 2次元回折格子上に層を形成す ることができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造す ることがでさる。
[0023] 上記製造方法において好ましくは、第 1導電型クラッド層、活性層、および第 2導電 型クラッド層をいずれもェピタキシャル法により形成する。
[0024] これにより、第 1導電型クラッド層、活性層、および第 2導電型クラッド層の結晶性が 良好になるので、活性層よりも上にェピタキシャル層を形成する場合にェピタキシャ ル層の結晶性を向上することができる。
[0025] 本発明の半導体レーザ素子および上記製造方法において好ましくは、低屈折率材 料が SiO、 MgF、 CaF、 BaF、および LiFからなる群より選ばれる少なくも 1種以上
2 2 2 2
の材料よりなっている。
[0026] これらの材料は 、ずれもェピタキシャル層の屈折率よりも十分に低 、屈折率を有し ている。ェピタキシャル層と低屈折率材料との屈折率の差を大きくすることで、ェピタ キシャル層を有効な 2次元回折格子として働かせることができる。また、 GaN系材料 に比べてこれらの材料の上には GaNを含む層が成長しにくいので、 GaNを含む層を 下地である GaN系材料上のみで選択的に成長させることができる。
[0027] 上記製造方法にお!、て好ましくは、低屈折率材料のパターンは複数の柱状部のパ ターンである。これにより、回折格子点が低屈折率材料によって構成されている 2次 元回折格子が得られ、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導 体レーザ素子が得られる。
[0028] 上記製造方法にお!、て好ましくは、低屈折率材料のパターンは複数の孔のパター ンである。これにより、 GaNェピタキシャル層よりなる複数の柱状部によって回折格子 点が構成されて 、る 2次元回折格子が得られ、 TMモードの光に対して定在波を立 たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。
[0029] 上記製造方法において好ましくは、 GaNを含む層を成長させる工程において、有 機金属気相成長法を用いて GaNを含む層を形成する。これにより、 GaNを含む層を 基板の主面に沿って成長させ易くなる。
[0030] 上記製造方法において好ましくは、 GaNを含む層を成長させる工程において、雰 囲気の圧力を 90kPa以下にした状態で GaNを含む層を形成する。これ〖こより、 GaN を含む層を基板の主面に沿って成長させ易くなる。
[0031] 本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備え ている。第 1導電型クラッド層、活性層、および第 2導電型クラッド層をェピタキシャル 法によりこの順序で基板上に形成する。 GaNよりなるェピタキシャル層を基板上に形 成する。ェピタキシャル層を 2次元回折格子に成形する。 2次元回折格子の真上の 領域で基板の主面に沿って GaNを含む層を成長させる。
[0032] 本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、 2次元回折 格子の真上の領域で基板の主面に沿って GaNを含む層がェピタキシャル成長する 。これにより、 2次元回折格子と、 2次元回折格子上を覆う GaNを含む層とが形成され る。つまり、 2次元回折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、 2 次元回折格子上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわず に半導体レーザ素子を製造することができる。
[0033] 本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、 2 次元回折格子を成形する工程にぉ ヽて、ェピタキシャル層に複数の空気孔を形成 する。
[0034] これにより、回折格子点が複数の空気孔によって構成されている 2次元回折格子が 得られ、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子 が得られる。
[0035] 本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、 2 次元回折格子を成形する工程にぉ 、て、ェピタキシャル層を複数の柱形状に成形 する。
[0036] これにより、空気による間隙が形成され、ェピタキシャル層よりなる複数の柱状部に よって回折格子点が構成されている 2次元回折格子が得られ、 TMモードの光に対し て定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。
[0037] 本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法において好ましくは、基板は導電 性 GaNまたは導電性 SiC (炭化シリコン)よりなつて！/、る。
[0038] 導電性 GaNまたは導電性 SiCの上に GaNをェピタキシャル成長すると、転位密度 が低ぐ平坦性の高い GaN結晶が得られる、したがって、ェピタキシャル層の転位密 度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板を用いると、 基板に電極を取り付けることで基板を介して電流を注入することができるので、高電 流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
[0039] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を 備えている。第 1導電型クラッド層、活性層、および第 2導電型クラッド層をェピタキシ ャル法によりこの順序で基板上に形成する。 GaNよりなるェピタキシャル層を基板上 に形成する。ェピタキシャル層に複数の孔を形成する。有機金属気相成長法を用い て、複数の孔の真上の領域で基板の主面に沿って GaNを含む層を成長させる。
[0040] 本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、複数の孔の 真上の領域で基板の主面に沿って GaNを含む層が成長する。これにより、 2次元回 折格子と、 2次元回折格子上を覆う GaNを含む層とが形成される。つまり、 2次元回 折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、 2次元回折格子上に 層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素 子を製造することができる。
[0041] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法にお!、て好ましく は、 GaNを含む層を成長させる工程において、雰囲気の圧力を 90kPa以下にした 状態で GaNを含む層を形成する。これにより、 GaNを含む層が基板の主面に沿って 成長しやすくなり、複数の孔の真上の領域を GaNを含む層で容易に覆うことができる
[0042] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法にお!、て好ましく は、 GaNを含む層を成長させる工程において、雰囲気の圧力を lOkPa以上にした 状態で GaNを含む層を形成する。 GaNを含む層は、減圧雰囲気において横方向（ 基板の主面に平行な方向）への成長が促進される。しかし、雰囲気の圧力を lOkPa 以上にすることにより、横方向の成長が促進されすぎて GaNを含む層が孔の側面か らも成長することを抑止することができる。
[0043] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法にお!、て好ましく は、複数の孔を形成する工程の後に、窒化ガリウムよりも低屈折率である低屈折率材 料を複数の孔の内部に形成する工程がさらに備えられている。これにより、 GaNを含 む層が孔の内部からも成長することを抑止することができる。また、低屈折率材料に よって回折格子点を構成することができる。
[0044] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法にお!、て好ましく は、複数の孔を形成する工程は、複数の孔を形成する部分以外のェピタキシャル層 上にレジストを形成する工程と、レジストをマスクとしてェピタキシャル層をエッチング する工程とを含んでいる。低屈折率材料を形成する工程は、複数の孔の内部および レジスト上に蒸着法を用いて低屈折率材料を形成する工程と、レジストとともにレジス ト上の低屈折率材料を除去する工程とを含んで 、る。
[0045] これにより、レジスト上の余分な低屈折率材料をレジストとともに容易に除去すること ができる。
[0046] 本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法にお!、て好ましく は、低屈折率材料を形成する工程において、化学気相成長法を用いて低屈折率材 料を形成する。
[0047] 化学気相成長法を用いると、孔の内壁 (側面および底面）に沿って低屈折率材料 が形成される。このため、孔の内壁全面を低屈折率材料で覆うことができ、 GaNを含 む層が孔の内部から成長することを抑止することができる。 発明の効果
[0048] 本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、融着貼り付けを行なわ ずに半導体レーザ素子を製造することができる。
図面の簡単な説明
[0049] [図 1]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である [図 2]図 1の Π— II線に沿った断面図である。
[図 3]本発明の実施の形態 1におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である
[図 4]2次元回折格子として、格子間隔が aである 3角格子を描いた図面である。
[図 5]図 4に示された 3角格子が有する逆格子空間を示した図面である。
[図 6] (a)は、図 4に示された 3角格子について、 InPよりなるフォトニック結晶層に関し て、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図で あり、特に TEモードに対する計算結果である。（b)は、（a)における S点近傍におけ る拡大図である。
[図 7]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 1工程を示 す図である。
[図 8]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程を示 す図である。
[図 9]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 3工程を示 す図である。
[図 10]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 4工程を 示す図である。
[図 11]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 5工程に おけるェピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（a)は第 1状態、（b)は 第 2状態、（c)は第 3状態、（d)は第 4状態、（e)は第 5状態、（f)は第 6状態を示して いる。
[図 12]本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の製造方法の第 6工程を 示す図である。
圆 13]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の構成を示す断面図であ る。
圆 14]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の製造方法の第 1工程を 示す図である。
圆 15]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程を 示す図である。
圆 16]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の製造方法の第 3工程を 示す図である。
圆 17]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の製造方法の第 4工程に おけるェピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（a)は第 1状態、（b)は 第 2状態、（c)は第 3状態、（d)は第 4状態、（e)は第 5状態、（f)は第 6状態を示して いる。
圆 18]本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の製造方法の第 5工程を 示す図である。
圆 19]本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の構成を示す断面図であ る。
圆 20]本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の製造方法の第 1工程を 示す図である。
圆 21A]本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程を 示す図である。
圆 21B]本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程の 他の形態を示す図である。
圆 22]本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の製造方法の第 3工程に おけるェピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（a)は第 1状態、（b)は 第 2状態、（c)は第 3状態、（d)は第 4状態を示している。
[図 23]本発明の実施の形態 4におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である [図 24]2次元回折格子として、格子間隔が dである正方格子を描いた図である。 圆 25]本発明の実施の形態 5における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図であ る。
圆 26]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の製造方法の第 1工程を 示す図である。
圆 27A]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程を 示す図である。
圆 27B]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の製造方法の第 2工程の 変形例を示す図である。
圆 28]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の製造方法の第 3工程を 示す図である。
圆 29]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の製造方法の第 4工程を 示す図である。
圆 30]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の他の製造方法の第 1ェ 程を示す図である。
圆 31]本発明の実施の形態 6における半導体レーザ素子の他の製造方法の第 2ェ 程を示す図である。
圆 32]本発明の実施例 4において、雰囲気の圧力を大気圧に保った場合のフォト- ック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
[図 33]本発明の実施例 4において、雰囲気の圧力を 20kPaに保った場合のフォト- ック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
[図 34]本発明の実施例 6において、雰囲気の圧力を 20kPaに保った場合のフォト- ック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
[図 35]本発明の実施例 6において、雰囲気の圧力を 60kPaに保った場合のフォト- ック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
圆 36]本発明の実施例 6において、 SiOよりなる低屈折率材料を孔内に形成した場
2
合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
圆 37]本発明の実施例 6において、 SiOよりなる低屈折率材料を孔内に形成しなか つた場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
符号の説明
[0050] 1, la〜： Lc 半導体レーザ素子、 2a ェピタキシャル層、 2b 回折格子点（低屈折 率材料、孔）、 2c, 2e, 20a 孔、 2d 溝、 3 基板、 3a, 3b 基板主面、 4, 8a n型ク ラッド層、 5 活性層、 6, 8 p型クラッド層、 7, 7a フォトニック結晶層（2次元回折格 子）、 9 コンタクト層、 9a 光放出面、 10, 11 電極、 12 GaN層、 17 フォトニック 結晶層表面、 18 低屈折率材料の真上の領域、 20 レジスト、 20b 柱状部、 24 低 屈折率材料よりなる膜。
発明を実施するための最良の形態
[0051] 以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図で ある。図 2は、図 1の Π— II線に沿った断面図である。図 1および図 2に示すように、半 導体レーザ素子 1は、基板 3と、 n型クラッド層 4と、活性層 5と、 p型クラッド層 6と、 2次 元回折格子としてのフォトニック結晶層 7と、 GaN層 12と、 p型クラッド層 8と、コンタク ト層 9と、電極 10および 11とを備えている。
[0052] 基板 3は、たとえば導電性 GaNまたは導電性 SiCのいずれかよりなつており、主面 3 aおよび 3bを有している。基板 3上には、 n型クラッド層 4および p型クラッド層 6が形成 されており、活性層 5が n型クラッド層 4および p型クラッド層 6に挟まれている。フォト- ック結晶層 7は主面 3aが延びる方向に沿って基板 3上に形成されている。また、フォト ニック結晶層 7は、ェピタキシャル層 2aと、ェピタキシャル層 2aよりも低屈折率である 複数の回折格子点 (低屈折率材料） 2bとを含んでいる。ェピタキシャル層 2aは GaN よりなつている。また、ェピタキシャル層 2aには複数の孔 2cが形成されており、複数 の孔 2cの内部に低屈折率材料が埋め込まれて 、る。この低屈折率材料が回折格子 点 2bである。
[0053] フォトニック結晶層 7と、フォトニック結晶層 7の真上を覆うように形成された GaN層 1 2とは、共に GaNよりなつており、同一の層である（境界がない)。なお、本発明におい て GaN層 12は必須の層ではなぐフォトニック結晶層 7の真上にたとえば AlGaNか らなる p型クラッド層 8が形成されて 、てもよ 、。
[0054] 基板 3上には、 n型クラッド層 4、活性層 5、 p型クラッド層 6、フォトニック結晶層 7、 G aN層 12、 p型クラッド層 8、およびコンタクト層 9が、この順序で積層されている。コン タクト層 9の上には円形状の電極 10が設けられており、基板 3の主面 3aとは反対側の 主面 3bには、一面に電極 11が設けられている。電極 10および 11は、たとえば Au ( 金）などよりなっている。
[0055] 活性層 5は GaNを含んでおり、たとえば Al Ga In N (0≤x, y≤l, 0≤x+y≤l
x Ι-χ-y y
)からなる多重量子井戸により構成されている。活性層 5は、フォトニック結晶層 7に沿 つて設けられ、所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されていてもよい。ま た、フォトニック結晶層 7に沿って設けられ複数の量子箱として形成されていてもよい 。各量子細線は、その長手方向と直交する 2方向に関して電子のエネルギ準位が離 散的になるような寸法 (たとえば数十 nm程度)を有する。各量子箱は、互いに直交す る 3方向に関して電子のエネルギ準位が離散的になるような寸法 (たとえば数十 nm 程度)を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率 が高められると共に、発光スペクトルが先鋭ィ匕される。
[0056] 図 3は、本発明の実施の形態 1におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図で ある。図 3に示すように、フォトニック結晶層 7において、ェピタキシャル層 2aの表面 1 7に複数の回折格子点 2bが 3角格子を形成するように設けられている。各回折格子 点 2bの中心と、これと最も近い隣接の 6個の回折格子点 2bの中心との距離は等 ヽ 値であり、孔の中心の間隔はたとえば 0. 19 mであり、孔 2bの直径はたとえば 0. 0 9 μ mである。
[0057] ェピタキシャル層 2aは第 1の屈折率 (GaNの場合 2. 54)を有し、周期的に形成さ れた低屈折率材料 2bは第 2の屈折率を有する。第 1の屈折率と第 2の屈折率との差 を大きくとると、所望のフォトニック結晶の特性を得ることができる。低屈折率材料 2b は、少なくともェピタキシャル層 2aよりも低屈折率の材料であればよぐたとえば SiO
2
、 MgF、 CaF、 BaF、または LiFなどよりなっている。
2 2 2
[0058] フォトニック結晶層 7は、第 1の方向と、この方向と所定の角度をなす第 2の方向とに 対して、等しい周期 (格子定数に対応する値)を有する回折格子である。フォトニック 結晶層 7には、上記の 2方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能 である。また、フォトニック結晶層 7における電極 10 (図 1)の真下の領域 Aは、電極 1 0から高電流密度の電流が注入される領域であるので、光を放出する領域として機能 する。半導体レーザ素子 1の発光方法については、後ほど説明する。
[0059] 図 1および図 2を参照して、 n型クラッド層 4はたとえば n型 AlGaNよりなつており、 p 型クラッド層 6はたとえば p型 AlGaNよりなつて!/、る。 n型クラッド層 4および p型クラッド 層 6は、活性層 5に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このた め、 n型クラッド層 4および p型クラッド層 6は、活性層 5を挟むように設けられている。 また、 n型クラッド層 4および p型クラッド層 6は、共に、活性層 5にキャリア（電子および 正孔）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6は、ダブルへテロ接合を形成している。このため、発光に寄 与するキャリアを活性層 5に集中させることができる。
[0060] また、 p型クラッド層 6は、フォトニック結晶層 7への電子の進入をブロックするブロッ ク層としても機能する。これにより、フォトニック結晶層 7内で電子と正孔とが非発光再 結合するのを抑止することができる。
[0061] p型クラッド層 8はたとえば p型の AlGaNよりなつている。 p型クラッド層 8は、活性層 5に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。また、 p型クラッド層 8 は、フォトニック結晶層 7より下の層にキャリア（電子）と光とを閉じ込める閉じ込め層と して機能する。また、コンタクト層 9は、電極 10との接触をォーミック接触にするために 形成される。
[0062] なお、本実施の形態における半導体レーザ素子 1の各部分の寸法を例示的に以下 に列挙すると、基板 3の厚さはたとえば 100 mであり、フォトニック結晶層 7の厚さは たとえば 0. 1 μ mであり、 n型クラッド層 4および p型クラッド層 8の各々の厚みはたとえ ば 0. 5 μ mであり、活性層 5および p型クラッド層 6の厚みはたとえば 0. 1 μ mである。
[0063] 次に、半導体レーザ素子 1の発光方法について、図 1〜図 3を用いて説明する。
電極 10に正電圧を印加すると、 p型クラッド層 6および 8から活性層 5へ正孔が注入 され、 n型クラッド層 4から活性層 5へ電子が注入される。活性層 5へ正孔および電子 (キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光 の波長は、活性層 5が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。
[0064] 活性層 5において発生された光は、 n型クラッド層 4および p型クラッド層 6によって 活性層 5内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶 層 7に到達する。フォトニック結晶層 7に到達したエバネッセント光の波長と、フォト- ック結晶層 7が有する所定の周期とがー致する場合には、その周期に対応する波長 にお 、て定在波が誘起される。
[0065] このような現象は、活'性層 5およびフォトニック結晶層 7が 2次元的に広がりをもって 形成されているので、電極 10を中心にした領域 Aおよびその付近において生じうる。 定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。
[0066] 続、て、 2次元回折格子 (フォトニック結晶層） 7につ 、て具体例を掲げながら説明 する。 2次元回折格子は、少なくとも 2方向に同一の周期で並進させたときに重なり合 うような性質を有する。このような 2次元格子は、正三角形、正方形、または正六角形 を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。 ここでは、正三角形を用いて形成される格子を 3角格子、正方形を用いて形成される 格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を 6角格子とそれぞれ呼ぶ。
[0067] 図 4は、 2次元回折格子として、格子間隔が aである 3角格子を描いた図面である。 3 角格子は、一辺の長さが aである正三角形によって埋め尽くされている。図 4におい て、任意に選択された格子点 Aに着目し、格子点 Aから格子点 Bに向力 方向を X— Γ方向と呼び、また格子点 A力 格子点 Cへ向力う方向を X— J方向と呼ぶ。本実施 の形態では、活性層 5において発生される光の波長力な— Γ方向に関する格子周期 に対応して 、る場合にっ 、て説明する。
[0068] 2次元回折格子 7は、以下に説明する 3個の 1次元回折格子群 L、 M、 Nを含むと考 えることができる。 1次元回折格子群 Lは、 Y軸方向に向けて設けられた 1次元格子 L
1
、 L、 Lなど力もなつている。 1次元回折格子群 Mは、 X軸方向に対して 120度の角
2 3
度を方向に向けて設けられた 1次元格子 M、 M、 Mなどからなっている。 1次元回
1 2 3
折格子群 Nは、 X軸方向に対して 60度の方向に向けて設けられた 1次元格子 N、 N
1 2
、 Nなどからなっている。これら 3つの 1次元回折格子群 L， N,および Mは、任意の
3
格子点を中心に 120度の角度で回転すると重なりあう。各 1次元回折格子群 L, N, および Mにおいて、 1次元格子間の間隔は dであり、 1次元格子内の間隔は aである。
[0069] まず、格子群 Lに関して考える。格子点 Aから格子点 Bの方向に進む光は、格子点 Bにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件 2d' sin 0 =m l (m=0、 ± 1、 · ·）によって規定される。ここで、 λはェピタキシャル層 2a内における光の波長 である。 2次のブラッグ反射 (m= ± 2)を満足するように回折格子が形成されて!、る 場合には、 Θ = ± 60°、 ± 120°の角度に別の格子点 D, E, F,および Gが存在する 。また、 m=0に対応する角度 Θ =0、 180°にも格子点 Aおよび Kが存在する。
[0070] 格子点 Bにおいて、たとえば格子点 Dの方向に向けて回折された光は、格子点 Dに おいて格子群 Mに従って回折される。この回折は、格子群 Lに従う回折現象と同様 に考えることができる。次いで、格子点 Dにおいて格子点 Hに向けて回折される光は 、格子群 Nに従って回折される。このようにして順次、格子点 H、格子点 I、格子点 Jと 回折されていく。格子点 J力 格子点 Aに向けて回折される光は、格子群 Nに従って 回折される。
[0071] 以上、説明したように、格子点 Aから格子点 Bに進む光は、複数回の回折を経て、 最初の格子点 Aに到達する。このため、半導体レーザ素子 1においては、ある方向に 進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各格子点間には定 在波が立つ。したがって、 2次元回折格子 7は光共振器、つまり波長選択器および反 射器として作用する。
[0072] また、上記ブラッグ条件 2d ' sin Θ =m l (m=0、 ± 1、 · ·）において、 mが奇数であ る条件でのブラッグ反射の方向は、 Θ = ± 90°となる。これは、 2次元回折格子 7の主 面に対して垂直方向（図 4中紙面に垂直な方向）〖こも回折が強くなることを意味して いる。これにより、 2次元回折格子 7の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面 9a (図 1)から光を放出（面発光)させることができる。
[0073] さらに、 2次元回折格子 7では、上記の説明が任意の格子点 Aにおいて行われたこ とを考慮すると、上記のような光の回折は 2次元的に配置されたすベての格子点にお いて生じ得る。このため、各 X— Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって 2次元 的に相互に結合していると考えられる。 2次元回折格子 7では、この 2次元的結合に よって 3つの Χ—Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる [0074] 図 5は、図 4に示された 3角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子 空間におけるブリリアンゾーンの中心 Γ点、この Γ点と隣接ブリリアンゾーンの Γ点と を結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差する X点、互いに隣接する 3ブリリアン ゾーンが一点において接する J点が示されている。図 5における Γ点、 X点、 J点から 規定される方向は、図 4に説明において参照した Γ X方向および Γ J方向に対 応する。
[0075] 図 6 (a)は、図 4に示された 3角格子について、 InPよりなるフォトニック結晶層に関し て、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図で あり、特に TEモードに対する計算結果である。図 6 (b)は、図 6 (a)における S点近傍 における拡大図である。図 1のフォトニック結晶層 7は、図 6 (a)に示された分散関係、 つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造と は、媒質内に設けられた少なくとも 2次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のェ ネルギに対して規定された分散関係を 、う。
[0076] 図 6 (a)および (b)を参照して、 Γ点およびその付近の波数範囲では、 Sで示す部 分および Pで示す部分において、フォトニックバンドギャップが存在している。ここでは 、 Sで示す部分を「第 1フォトニックバンドギャップ」と呼び、 Pで示す部分を「第 2フォト ニックバンドギャップ」と呼ぶ。第 1フォトニックバンドギャップの規格ィ匕周波数 ωは約
1
0. 35となっており、第 2フォトニックバンドギャップの規格ィ匕周波数 ωは約 0. 61とな
2
つている。ここで、 Γ点は波数ベクトル k=0の点であるので、光の規格化周波数 ωが 規格化周波数 ωおよび ωの場合には、結晶方向に関わらず定在波が立つことにな
1 2
る。同様の計算を本願の GaNよりなるフォトニック結晶（3角格子）に対して行なうと、 第 1フォトニックバンドギャップの規格ィ匕周波数 ωは約 0. 47となり、第 2フォトニック
1
バンドギャップの規格ィ匕周波数 ωは約 0. 82となる。
2
[0077] 次に、本実施の形態における半導体レーザ素子 1の製造方法について、図 7〜図 1 2を用いて説明する。
[0078] 始めに、図 7を参照して、たとえば導電性 GaNまたは導電性 SiCよりなる基板 3を準 備する。そして、にと ば MOCVD (Meta卜 organic chemical vapor deposition :有 機金属気相成長）法を用いて、 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6をこ の順序で基板 3上にェピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板 3の直上 にバッファ層を形成し、ノ ッファ層の上に n型クラッド層 4を形成してもよい。
[0079] 次に、図 8を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有す るレジスト 20 (パターン層）を p型クラッド層 6上に形成する。図 8では、 3角格子状に 配列した複数の孔 20aのパターンをレジスト 20は有している。
[0080] 続いて、図 9を参照して、複数の孔 20aの内部を埋めるように、低屈折率材料よりな る膜 24をたとえば蒸着法を用いてレジスト 20上に形成する。続いて、図 10を参照し て、レジスト 20上に形成された膜 24をレジスト 20とともに除去（リフトオフ）する。これ により、 P型クラッド層 6上には 3角格子状に配列した柱形状を有する複数の低屈折率 材料 2bが残る。
[0081] 次に、 p型クラッド層 6の表面をクリーニングした後、 MOCVD法を用いて、 GaNより なるェピタキシャル層 2aおよび GaN層 12を p型クラッド層 6上に形成する。図 11 (a) 〜(f)は、本発明の実施の形態 1におけるェピタキシャル層の成長の様子を順に示 す模式図である。なお、図 11 (a)は図 10における B部を拡大した図である。
[0082] 図 11 (a)〜（f )を参照して、通常の GaNのェピタキシャル成長の条件よりも V族原 料ガス ΖΠΙ族原料ガスの比の高い条件、言い換えれば、たとえばアンモニアガスが 多い条件で、 GaNをェピタキシャル成長させる。すると、低屈折率材料 2bの上部や 側面からは GaNはェピタキシャル成長せず、露出している p型クラッド層 6の表面から のみ GaN (ェピタキシャル層 2a)が選択的にェピタキシャル成長する（（a)→ (b) )。 G aNは図中上方向に成長し、低屈折率材料 2bの上端に達する（(b)→(c) )。これによ り、ェピタキシャル層 2aにおける複数の孔 2cの内部を低屈折率材料 2bで埋めた構 成のフォトニック結晶層 7 (図 1)が得られる。
[0083] 低屈折率材料 2bの上端に達すると、 GaN (GaN層 12)は低屈折率材料 2bの真上 の領域 18で図中横方向に成長する（（c)→(d) )。 GaNの成長方向は、基板 3の主面 3a (図 1)に沿う方向である。その後、 GaNが低屈折率材料 2bの真上の領域 18を完 全に覆うと、 0&?^層12は再び図中上方向に成長する（（(1)→ )→(£) )。これにより 、 GaN層 12が形成される。フォトニック結晶層 7および GaN層 12を p型クラッド層 6上 に形成した後の状態を図 12に示す。
[0084] このように、 GaNのェピタキシャル成長の条件を調節することで、融着貼り付けを行 なわずにフォトニック結晶層 7上に GaN層 12を形成することができる。
[0085] ここで、図 11 (c)〜（e)で示されるようにフォトニック結晶層 7を覆う層（図では GaN 層 12)を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層 7を覆う層として Ga、 In、 A1のいずれかと、 Nとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック結晶 層 7を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を 90kPa以下、好 ましくは 70kPa以下にした状態でフォトニック結晶層 7を覆う層を形成する。
[0086] なお、本実施の形態では、ェピタキシャル層 2aが低屈折率材料 2bの真上の領域を 覆っている構成について示した力 本発明はこのような場合に限定されるものではな ぐたとえばェピタキシャル層 2aが低屈折率材料 2bの上端に達した時点（図 11 (c) の時点）でェピタキシャル成長の条件を変えて、 GaNを含む（たとえば AlGaNなどの ) p型クラッド層 8を引き続き成長させてもよい。この場合には低屈折率材料 2bの真上 の領域 18が p型クラッド層 8で覆われる。後述する実施の形態 2についても同様であ る。
[0087] 次に、図 2を参照して、たとえば MOCVD法を用いて、 p型クラッド層 8およびコンタ タト層 9をこの順序で GaN層 12上にェピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層 9の光放出面 9aに電極 10を形成し、基板 3の主面 3bに電極 11を形成し、半導体レ 一ザ素子 1が完成する。
[0088] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1は、主面 3aを有する基板 3と、主面 3aが延び る方向に沿って基板 3上に形成され、 GaNよりなるェピタキシャル層 2aと、ェピタキシ ャル層 2aよりも低屈折率である低屈折率材料 2bとを含むフォトニック結晶層 7と、基 板 3上に形成された n型クラッド層 4と、基板 3上に形成された p型クラッド層 6と、 n型ク ラッド層 4および p型クラッド層 6に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層 5と 、フォトニック結晶層 7の真上を覆う GaN層 12とを備えて 、る。
[0089] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1によれば、フォトニック結晶層 7の真上を覆つ て!、る GaN層 12は、ェピタキシャル法を用いることによってェピタキシャル層 2aの真 上に形成される。すなわち、フォトニック結晶層 7と、フォトニック結晶層 7の真上に形 成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォトニック結晶層 7上に層を形成するこ とができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造するこ とがでさる。
[0090] また、本実施の形態の半導体レーザ素子 1によれば、回折格子点が低屈折率材料 2bよりなつているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、ェピタキシ ャル層 2aと回折格子点との界面でのキャリアの非発光再結合が起こりに《なる。した がって、半導体レーザ素子の特性を向上することができる。
[0091] さらに、本実施の形態の半導体レーザ素子 1によれば、回折格子点が低屈折率材 料 2bよりなつているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、空気中に 含まれる水分などの不純物が素子の内部に進入したり、残留したりすることを防止す ることができる。これにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。
[0092] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1において、ェピタキシャル層 2aは複数の孔 2c を有しており、複数の孔 2c内に回折格子点となる低屈折率材料 2bが埋め込まれて いる。
[0093] これにより、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ 素子となる。
[0094] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1においては、 GaN層 12とェピタキシャル層 2a とが同一の層、もしくは連続してェピタキシャル成長した層である。
[0095] これにより、低屈折率材料 2bの上部および側部をェピタキシャル層が覆っているよ うな形態のフォトニック結晶層 7となる。
[0096] 本実施の形態における半導体レーザ素子 1の製造方法は、以下の工程を備えてい る。 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6をこの順序で基板 3上に形成す る。所定のパターンを有する、 GaNよりも低屈折率である低屈折率材料 2bよりなる膜 24を基板 3上に形成する。膜 24の形成後に、 GaNよりなるェピタキシャル層 2aを基 板 3上に形成する（ェピタキシャル層形成工程)。ェピタキシャル層形成工程後に、低 屈折率材料 2bの真上の領域 18で基板 3の主面 3aに沿って GaN層 12を成長させる
[0097] 本実施の形態における半導体レーザ素子 1の製造方法によれば、 GaNよりなるェ ピタキシャル層 2aを形成した後で、 GaN層 12がェピタキシャル層 2a上にお!ヽてェピ タキシャル成長し、低屈折率材料 2bの真上の領域 18で基板 3の主面 3aに沿って成 長する。これにより、フォトニック結晶層 7と、フォトニック結晶層 7上を覆う GaN層 12と が形成される。つまり、フォトニック結晶層 7の真上に形成される層との融着貼り付け を行なわずに、フォトニック結晶層 7上に層を形成することができる。したがって、融着 貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。
[0098] 上記製造方法にお!、ては、 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6を ヽ ずれもェピタキシャル法により形成する。
[0099] これにより、 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6の結晶性が良好にな るので、活性層 5よりも上にェピタキシャル層 2aを形成する場合にェピタキシャル層 2 aの結晶性を向上することができる。
[0100] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1およびその製造方法においては、低屈折率 材料 2bが SiO、 MgF、 CaF、 BaF、または LiFからなつている。
2 2 2 2
[0101] これらの材料はいずれもェピタキシャル層 2aの屈折率よりも十分に低い屈折率を有 して 、る。ェピタキシャル層 2aと低屈折率材料 2bとの屈折率の差を大きくすることで 、良好な特性を持つフォトニック結晶層を作ることができる。また、ェピタキシャル層 2 a上に比べてこれらの材料の上には GaN層 12が成長しにく!/、ので、 GaN層 12をェ ピタキシャル層 2a上のみで選択的に成長させることができる。
[0102] 上記製造方法において好ましくは、レジスト 20は複数の孔 20aのパターンを有して いる。これにより、回折格子点が低屈折率材料 2bによって構成されているフォトニック 結晶層 7が得られ、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レ 一ザ素子が得られる。
[0103] 本実施の形態の半導体レーザ素子 1およびその製造方法において、基板 3は導電 性 GaNまたは導電性 SiCよりなつて!/、る。
[0104] 導電性 GaNまたは導電性 SiCの上に GaNをェピタキシャル成長すると、転位密度 が低ぐ平坦性の高い GaN結晶が得られる、したがって、ェピタキシャル層 2aの転位 密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、導電性を有する基板を用いると 、基板 3に電極 11を取り付けることで基板 3を介して電流を注入することができるので 、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。
[0105] (実施の形態 2)
図 13は、本発明の実施の形態 2における半導体レーザ素子の構成を示す断面図 である。図 13に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子 laにおいては、フォ トニック結晶層 7の構成が、実施の形態 1における半導体レーザ素子 1の場合と異な つている。すなわち、低屈折率材料 2bは複数の孔 2cを有しており、複数の孔 2cの各 々の内部に回折格子点となる GaN力もなるェピタキシャル層 2aが埋め込まれている 。言い換えれば、実施の形態 1の半導体レーザ素子 1では、回折格子点が低屈折率 材料 2bによって構成されていた力 本実施の形態の半導体レーザ素子 laでは、回 折格子点がェピタキシャル層 2aによって構成されている。
[0106] なお、これ以外の半導体レーザ素子 laの構成は、実施の形態 1における半導体レ 一ザ素子 1と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略 する。
[0107] 続いて、本実施の形態における半導体レーザ素子 laの製造方法について、図 14 〜図 18を用いて説明する。
[0108] 本実施の形態では、始めに、図 7に示す実施の形態 1と同様の製造工程を経る。次 に、図 14を参照して、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレ ジスト 20 (パターン層）を p型クラッド層 6上に形成する。図 14では、 3角格子状に配 列した複数の柱状部 20bのパターンをレジスト 20は有している。
[0109] 続いて、図 15を参照して、複数の柱状部 20bの各々の間を埋めるように、低屈折率 材料よりなる膜 24をたとえば蒸着法を用いてレジスト 20上に形成する。続いて、図 1 6を参照して、レジスト 20上に形成された膜 24をレジスト 20とともに除去（リフトオフ） する。これにより、 p型クラッド層 6上には 3角格子状に配列した複数の孔 2cを有する 複数の低屈折率材料 2bが形成される。
[0110] 次に、 p型クラッド層 6の表面をクリーニングした後、 MOCVD法を用いて、 GaNより なるェピタキシャル層 2aおよび GaN層 12を p型クラッド層 6上に形成する。図 17 (a) 〜(f)は、本発明の実施の形態 2におけるェピタキシャル層の成長の様子を順に示 す模式図である。なお、図 17 (a)は図 16における C部を拡大した図である。 [0111] 図 17 (a)〜（f)を参照して、通常の GaNのェピタキシャル成長の条件よりも V族原 料ガス ΖΠΙ族原料ガスの比の高い条件、言い換えれば、たとえば塩素ガスが少なく 、アンモニアガスが多い条件で、 GaNをェピタキシャル成長させる。すると、低屈折率 材料 2bの上部や側面からは GaNはェピタキシャル成長せず、孔 2cの底部に露出し て！、る p型クラッド層 6の表面からのみ GaN (ェピタキシャル層 2a)がェピタキシャル成 長する（（&)→(1)) )。 GaNは図中上方向に成長し、低屈折率材料 2bの上端に達す 5 ( (b)→(c) )。これにより、低屈折率材料 2bにおける複数の孔 2cの内部をェピタキ シャルで埋めた構成のフォトニック結晶層 7が得られる。
[0112] 低屈折率材料 2bの上端に達すると、 GaN (GaN層 12)は低屈折率材料 2bの真上 の領域 18で図中横方向に成長する（（c)→ (d)→ (e) )。 GaN層 12の成長方向は、 基板 3の主面 3a (図 13)に沿う方向である。その後、 GaN層 12が低屈折率材料 2bの 真上の領域 18を完全に覆うと、 GaN層 12は再び図中上方向に成長する（（e)→ (f) ) oこれにより、 GaN層 12が形成される。フォトニック結晶層 7および GaN層 12を p型 クラッド層 6上に形成した後の状態を図 18に示す。
[0113] 次に、図 13を参照して、たとえば MOCVD法を用いて、 p型クラッド層 8およびコン タクト層 9をこの順序で GaN層 12上にェピタキシャル成長させる。その後、コンタクト 層 9の光放出面 9aに電極 10を形成し、基板 3の主面 3bに電極 11を形成し、半導体 レーザ素子 laが完成する。
[0114] 本実施の形態の半導体レーザ素子 laであっても、実施の形態 1の半導体レーザ素 子 1と同様の効果を得ることができる。
[0115] また、本実施の形態の半導体レーザ素子 laによれば、回折格子点がェピタキシャ ル層 2aよりなつているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、低屈折 率材料 2bと回折格子点との界面でのキャリアの非発光再結合が起こりにくくなる。し たがって、半導体レーザ素子の特性を向上することができる。
[0116] さらに、本実施の形態の半導体レーザ素子 laによれば、回折格子点がェピタキシ ャル層 2aよりなつているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、空気 中に含まれる水分などの不純物が素子の内部に進入したり、残留したりすることを防 止することができる。これにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる [0117] 本実施の形態の半導体レーザ素子 laにおいて、低屈折率材料 2bは複数の孔 2c を有しており、複数の孔 2c内に回折格子点となるェピタキシャル層 2aが埋め込まれ ている。
[0118] 本実施の形態の半導体レーザ素子 laの製造方法において、レジスト 20は複数の 柱状部 20bのパターンを有して!/、る。
[0119] これにより、ェピタキシャル層 2aよりなる柱状部によって回折格子点が構成されてい るフォトニック結晶層 7が得られ、 TMモードの光に対して定在波を立たせて光を発振 する半導体レーザ素子が得られる。
[0120] (実施の形態 3)
図 19は、本発明の実施の形態 3における半導体レーザ素子の構成を示す断面図 である。図 19に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子 lbにおいては、フォ トニック結晶層 7 (2次元回折格子）の構成が、実施の形態 1における半導体レーザ素 子 1の場合と異なっている。すなわち、ェピタキシャル層 2aは 3角格子状に配列した 複数の孔 2bを有しており、複数の孔 2bの各々の内部には何も埋め込まれていない。 言い換えれば、本実施の形態の半導体レーザ素子 lbでは、回折格子点が空気によ つて構成されている。また、 GaN層 12は形成されておらず、フォトニック結晶層 7上に は p型クラッド層 8が直接形成されて 、る。
[0121] なお、これ以外の半導体レーザ素子 lbの構成は、実施の形態 1における半導体レ 一ザ素子 1と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略 する。
[0122] 続いて、本実施の形態における半導体レーザ素子 lbの製造方法について、図 20 〜図 22を用いて説明する。
[0123] 本実施の形態では、始めに、図 7に示す実施の形態 1と同様の製造工程を経る。次 に、図 20を参照して、 GaNよりなるェピタキシャル層 2aを p型クラッド層 6上に形成す る。次に、たとえばスピンコータを用いてレジスト剤をェピタキシャル層 2aに塗布し、 E B (Electron Beam)露光装置を用いてレジストをパターユングする。これにより、電子 ビームリソグラフィ技術によってェピタキシャル層 2a上に所定形状のレジスト 20が形 成される。
[0124] 続いて、図 21Aを参照して、レジスト 20 (図 20)をマスクとしてェピタキシャル層 2aを ICP-RIE (Reactive Ion Etching)でエッチングし、ェピタキシャル層 2aの所定の位 置に回折格子点となる複数の孔 2bを形成する。これにより、ェピタキシャル層 2aがフ オトニック結晶層 7に成形される。
[0125] なお、上記のようなフォトニック結晶層 7を成形する代わりに、図 21Bに示すように、 ェピタキシャル層 2aを複数の柱形状に成形することによって、ェピタキシャル層 2aを フォトニック結晶層 7に成形してもよい。この場合、複数の柱形状の各々の間はエッチ ングされて溝 2dとなる。
[0126] 次に、レジスト 20を除去し、フォトニック結晶層 7の表面をクリーニングした後、 MO CVD法を用いて、たとえば GaNよりなる p型クラッド層 8をフォトニック結晶層 7上に形 成する。図 22 (a)〜（d)は、本発明の実施の形態 3における p型クラッド層の成長の 様子を順に示す模式図である。なお、図 22 (a)は図 21Aにおける D部を拡大した図 である。
[0127] 図 22 (a)〜（d)を参照して、通常の GaNのェピタキシャル成長の条件よりも成長温 度を高くし、たとえば塩素系ガスを少量導入する条件で、 AlGaNをェピタキシャル成 長させる。すると、ェピタキシャル層 2aが図中上方向（たとえば (0001)方向（C面成 長）など）に成長していたにもかかわらず、ェピタキシャル層 2a上に形成される AlGa N (p型クラッド層 8)は図中横方向（たとえば（112— 2)方向（R面方向）など）に成長 する（（a)→ (b)→ (c) )。 GaNは、複数の孔 2bの各々の真上の領域で基板 3の主面 3a (図 19)に沿って成長する。なお、孔 2b内にもわず力に AlGaNが成長する力 こ れによって孔 2bが AlGaNで埋められることはない。
[0128] その後、 AlGaNが孔 2bの真上の領域を完全に覆うと、 AlGaNは再び図中上方向 に成長する（（じ)→((1) )。これにより、 AlGaNよりなる p型クラッド層 8が形成される。
[0129] ここで、図 22 (a)〜（c)で示されるようにフォトニック結晶層 7を覆う層（図では p型ク ラッド層 8)を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層 7を覆う層として Ga、 In、 A1のいずれかと、 Nとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック 結晶層 7を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を 70kPa以下 、好ましくは 60kPa以下にした状態でフォトニック結晶層 7を覆う層を形成する。また、 フォトニック結晶層 7を覆う層と同じ成分の層が孔 2bの側面からも成長することを抑止 するためには、雰囲気の圧力を lOkPa以上、好ましくは 30kPa以上にした状態でフ オトニック結晶層 7を覆う層を形成する。
[0130] 次に、図 19を参照して、たとえば MOCVD法を用いて、コンタクト層 9を p型クラッド 層 8上にェピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層 9の光放出面 9aに電極 10 を形成し、基板 3の主面 3bに電極 11を形成し、半導体レーザ素子 lbが完成する。
[0131] 本実施の形態における半導体レーザ素子 lbの製造方法は、以下の工程を備えて いる。 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6をェピタキシャル法によりこの 順序で基板 3上に形成する。 GaNよりなるェピタキシャル層 2aを基板 3上に形成する 。ェピタキシャル層 2aをフォトニック結晶層 7に成形する。フォトニック結晶層 7の真上 の領域で基板 3の主面に沿って GaNを含む p型クラッド層 8を成長させる。
[0132] 本実施の形態における半導体レーザ素子 lbの製造方法によれば、フォトニック結 晶層 7の真上の領域で基板 3の主面 3aに沿って GaNを含む p型クラッド層 8が成長 する。これにより、フォトニック結晶層 7と、フォトニック結晶層 7上を覆う p型クラッド層 8 とが形成される。つまり、フォトニック結晶層 7の真上に形成される層との融着貼り付け を行なわずに、フォトニック結晶層 7上に層を形成することができる。したがって、融着 貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。
[0133] また、融着貼り付けを行なう場合に比べて、フォトニック結晶層 7と、フォトニック結晶 層 7上の p型クラッド層 8との密着性が向上するので、空気中に含まれる水分などの不 純物が素子の内部に進入することを防止することができる。これにより、半導体レーザ 素子の信頼性を向上することができる。
[0134] 上記製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層 7を成形する際に、ェピタキ シャル層 2aに複数の孔 2bを形成する。
[0135] これにより、回折格子点が複数の孔 2bによって構成されているフォトニック結晶層 7 が得られ、 TEモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素 子が得られる。
[0136] 上記製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層 7を成形する際に、ェピタキ シャル層 2aを複数の柱形状に成形する。
[0137] これにより、ェピタキシャル層 2aよりなる複数の柱状部によって回折格子点が構成 されているフォトニック結晶層 7が得られ、 TMモードの光に対して定在波を立たせて 光を発振する半導体レーザ素子が得られる。
[0138] 上記製造方法において好ましくは、 MOCVD法を用いて p型クラッド層 8を形成す る。また、雰囲気の圧力を lOkPa以上 70kPa以下，好ましくは 30kPa以上 60kPa以 下にした状態で P型クラッド層 8を形成する。これにより、 p型クラッド層 8が基板の主面 に沿って成長しやすくなる。
[0139] (実施の形態 4)
実施の形態 1〜3においては、フォトニック結晶層 7の回折格子点 2bが図 3に示す ような 3角格子を形成している場合について示した。しかしながら、フォトニック結晶層
7の回折格子点の配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。
[0140] 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層の構成を示す斜視図 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層 7aにおいて、ェピタ キシャル層 2aの一表面に複数の回折格子点 2bが正方格子を形成するように設けら れている。
[0141] 図 24は、 2次元回折格子として、格子間隔が dである正方格子を描いた図である。
正方格子は、一辺の長さが dである正方形で埋め尽くされている。図 24において、任 意に選択された格子点 Wに着目し、格子点 Wから格子点 Pに向力う方向を X— Γ方 向と呼び、また格子点 Wから格子点 Qへ向力う方向 X— J方向と呼ぶ。ここでは、活性 層 5にお 、て発生される光の波長力 — Γ方向に関する格子周期に対応して 、る場 合について説明する。
[0142] 2次元回折格子 (フォトニック結晶層） 7aは、以下に説明する 2個の 1次元回折格子 群 U、 Vを含むと考えることができる。 1次元回折格子群 Uは、 Y軸方向に向けて設け られた 1次元格子 U、 U、 Uなど力もなつている。 1次元回折格子群 Vは、 X軸方向
1 2 3
に向けて設けられた 1次元格子 V、 V、 Vなどからなっている。これら 2つの 1次元回
1 2 3
折格子群 Uおよび Vは、任意の格子点を中心に 90°の角度で回転すると重なりあう。 各 1次元回折格子群 Uおよび Vにおいて、 1次元格子間の間隔は dであり、 1次元格 子内の間隔も dである。
[0143] まず、格子群 Uに関して考える。格子点 Wから格子点 Pの方向に進む光は、格子点 Pにおいて回折現象を生じる。回折方向は、 3角格子の場合と同様に、ブラッグ条件 2d · 5ίη θ = X (m= 0、 ± 1、 · ·）によって規定される。 2次のブラッグ反射（m= ± 2)を満足するように回折格子が形成されている場合には、 Θ = ± 90°の角度に別の 格子点 Q、 Rが存在し、 m= 0に対応する角度 Θ = 0、 180°にも格子点 W、 Sが存在 する。
[0144] 格子点 Pにおいて格子点 Qの方向に向けて回折された光は、格子点 Qにおいて格 子群 Vに従って回折される。この回折は、格子群 Uに従う回折現象と同様に考えるこ とができる。次いで、格子点 Qにおいて格子点 Tに向けて回折される光は、格子群 U に従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点 Tから格子点 Wに 向けて回折される光は、格子群 Vに従って回折される。
[0145] 以上、説明したように、格子点 Wから格子点 Pに進む光は、複数回の回折を経て、 最初の格子点 Wに到達する。このため、本実施の形態の半導体レーザ素子におい ては、ある方向に進む光が複数回の回折を介して元の格子点の位置の戻るので、各 格子点間には定在波が立つ。したがって、 2次元回折格子 7aは光共振器、つまり波 長選択器および反射器として作用する。
[0146] また、上記ブラッグ条件 2d ' sin Θ =m l (m= 0、 ± 1、 · ·）において、 mが奇数であ る条件でのブラッグ反射の方向は、 Θ = ± 90°となる。これは、 2次元回折格子 7aの 主面に対して垂直方向（図 15中紙面に垂直な方向）〖こも回折が強くなることを意味し ている。これにより、 2次元回折格子 7aの主面に対して垂直方向、すなわち光放出面 9a (図 1)から光を放出（面発光)させることができる。
[0147] さらに、 2次元回折格子 7aでは、上記の説明が任意の格子点 Wにおいて行われた ことを考慮すると、上記のような光の回折は 2次元的に配置されたすベての格子点に おいて生じ得る。このため、各 X— Γ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって 2次 元的に相互に結合していると考えられる。 2次元回折格子 7aでは、この 2次元的結合 によって 3つの Χ— Γ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられ る。 [0148] なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成およびその製造方法は、実施の形態 1 〜3における半導体レーザ素子 1, la, lbの構成およびその製造方法とほぼ同様で あるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
[0149] 本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態 1〜3の半導体レーザ 素子 1, la, lbと同様の効果を得ることができる。
[0150] (実施の形態 5)
実施の形態 1〜3においては、たとえば図 1に示すように、活性層 5の上に形成され た p型クラッド層 6に接するようにフォトニック結晶層 7が形成されている場合について 示した。しかし、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、たとえば図 25に 示す構成であってもよ ヽ。
[0151] 図 25は、本発明の実施の形態 5における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図 である。図 25に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子 lcにおいては、活性 層 5の下に形成された n型クラッド層 4に接するようにフォトニック結晶層 7が形成され ている。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子 lcにおいては、 n型クラッド層 8a、フォトニック結晶層 7、 n型クラッド層 4、活性層 5、 p型クラッド層 6、およびコンタク ト層 9が、この順序で基板 3上に形成されている。半導体レーザ素子 Idから光を発振 する際には、電極 10に正電圧を印加することで活性層 5にキャリアを注入する。
[0152] なお、これ以外の半導体レーザ素子 lcの構成およびその製造方法は、実施の形 態 1〜3における半導体レーザ素子 1, la, lbの構成およびその製造方法とほぼ同 様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
[0153] 本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態 1〜3の半導体レーザ 素子 1, la, lbと同様の効果を得ることができる。
[0154] (実施の形態 6)
本実施の形態では、実施の形態 3における半導体レーザ素子の製造方法の変形 例について、図 26〜図 29を用いて説明する。
[0155] 本実施の形態では、始めに実施の形態 3と同様の製造工程を経て、図 20に示され る構造を得る。図 20においてレジスト 20は、次工程において複数の孔を 2e形成する 部分以外のェピタキシャル層 2a上に形成されている。次に、図 26を参照して、レジス ト 20をマスクとしてェピタキシャル層 2aを ICP—RIEでエッチングし、ェピタキシャル 層 2aの所定の位置に回折格子点となる複数の孔 2eを形成する。これにより、ェピタ キシャル層 2aがフォトニック結晶層 7に成形される。
[0156] 次に、図 27Aを参照して、たとえば蒸着法を用いて複数の孔 2eの底面およびレジ スト 20上に低屈折率材料よりなる膜 (誘電体膜) 24を形成する。続いて、図 28を参照 して、レジスト 20上に形成された膜 24をレジスト 20とともに除去（リフトオフ）する。これ により、複数の孔 2eの底面にのみ低屈折率材料 2bが形成される。図 27Aの構造の ように複数の孔 2eの底面にのみ低屈折率材料 2bが形成されている場合には、低屈 折率材料 2bと、孔 2e内における低屈折率材料 2bが形成されていない部分を占める 空気とが、回折格子点として機能する。
[0157] なお、図 27Aのように複数の孔 20aの底面に低屈折率材料 24を形成する代わりに 、図 27Bのように複数の孔 20aの内部を完全に埋めるように低屈折率材料 24を形成 してもよい。この場合には、低屈折率材料 2bが回折格子点として機能する。
[0158] 次に、図 29を参照して、フォトニック結晶層 7の表面をクリーニングした後、 MOCV D法を用いて、たとえば GaNよりなる p型クラッド層 8をフォトニック結晶層 7上に形成 する。 p型クラッド層 8は、図 22 (a)〜（d)を用いて説明した原理と同様の原理によつ て、複数の孔 2eの真上の領域で基板 3の主面 3aに沿って成長する。
[0159] ここで、図 22 (a)〜（c)で示されるようにフォトニック結晶層 7を覆う層（図では p型ク ラッド層 8)を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層 7を覆う層として Ga、 In、 A1のいずれかと、 Nとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック 結晶層 7を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を 90kPa以下 、好ましくは 70kPa以下にした状態でフォトニック結晶層 7を覆う層を形成する。低屈 折率材料 2bを孔 2bの内部に形成すると、実施の形態 3のように低屈折率材料を孔 の内部に形成しない場合に比べて、雰囲気の圧力が大気圧に近い状態でもフォト二 ック結晶層 7を覆う層を図中横方向に成長させることができる。さらに、フォトニック結 晶層 7を覆う層と同じ材料よりなる層が孔 2eの側面からも成長することを抑止するた めには、雰囲気の圧力を lOkPa以上、好ましくは 30kPa以上にした状態でフォト-ッ ク結晶層 7を覆う層を形成する。 [0160] なお、本実施の形態では、フォトニック結晶層 7の真上に p型クラッド層 8を形成する 場合について示した力 フォトニック結晶層 7の真上に GaN層 12 (図 1)を形成し、 Ga N層 12上に p型クラッド層 8を形成してもよい、
その後、図 19を参照して、たとえば MOCVD法を用いて、コンタクト層 9を p型クラッ ド層 8上にェピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層 9の光放出面 9aに電極 10 を形成し、基板 3の主面 3bに電極 11を形成し、半導体レーザ素子 lbとほぼ同様の 構造を有する半導体レーザが完成する。本実施の形態の半導体レーザは、孔 2eの 内部の一部または全部に低屈折率材料 2bが形成されている点において図 19の半 導体レーザ素子 lbと異なっている。
[0161] 本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えてい る。 n型クラッド層 4、活性層 5、および p型クラッド層 6をェピタキシャル法によりこの順 序で基板 3上に形成する。 GaNよりなるェピタキシャル層 2aを基板 3上に形成する。 ェピタキシャル層 2aに複数の孔 2eを形成する。 MOCVD法を用いて、複数の孔 2e の真上の領域で基板 3の主面に沿って GaNを含む p型クラッド層 8を成長させる。
[0162] 本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法によれば、複数の孔 2eの真 上の領域で基板 3の主面に沿って p型クラッド層 8が成長する。これにより、フォト-ッ ク結晶層 7と、フォトニック結晶層 7上を覆う p型クラッド層 8とが形成される。つまり、フ オトニック結晶層 7の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォト-ッ ク結晶層 7上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半 導体レーザ素子を製造することができる。
[0163] また、雰囲気の圧力を 90kPa以下、好ましくは 70kPa以下にした状態で p型クラッド 層 8を形成することにより、 p型クラッド層 8が基板 3の主面に沿って成長しやすくなり、 複数の孔 2eの真上の領域を p型クラッド層 8で容易に覆うことができる。
[0164] また、雰囲気の圧力を lOkPa以上、好ましくは 30kPa以下にした状態で p型クラッド 層 8を形成することにより、 p型クラッド層 8と同じ成分の層が孔 2eの側面からも成長す ることを抑止することができる。
[0165] また、低屈折率材料 2bを複数の孔 2eの内部に形成することにより、 p型クラッド層 8 と同じ成分の層が孔 2eの側面力もも成長することを抑止することができる。また、低屈 折率材料 2bによって回折格子点を構成することができる。
[0166] さらに、レジスト 20とともにレジスト上の低屈折率材料 24を除去することにより、新た な工程を加えることなくレジスト 24上の余分な低屈折率材料 24を除去することができ る。
[0167] なお、本実施の形態にぉ ヽては、蒸着法を用いて低屈折率材料 2bを形成する場 合について示した力 蒸着法の代わりに CVD (chemical vapor deposition：ィ匕学気 相成長）法を用いて低屈折率材料 2bを形成してもよ 、。この方法につ 、て以下に説 明する。
[0168] 図 26の構造を得た後で CVD法を用いて低屈折率材料よりなる膜 24を形成すると 、図 30に示すように、レジスト 20の上面および側面と、孔 2eの側面および底面とに膜 24が形成される。
[0169] 次に、図 31を参照して、研磨により、レジスト 20の上面および側面の膜 24をレジス ト 20とともに除去する。その結果、孔 2eの側面および底面に低屈折率材料 2bが形成 される。
[0170] このように、 CVD法を用いると、孔 2eの内壁に沿って低屈折率材料 2bが形成され る。このため、孔 2eの内壁全面を低屈折率材料 2bで覆うことができ、 p型クラッド層 8 が孔 2eの内部力 成長することを抑止することができる。
[0171] 以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例 1)
本実施例では、実施の形態 1に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製 を試みた。基板 3として、導電性 GaN (0001)基板を準備した。次に、 MOCVD装置 を用いて、 n型バッファ層、 AlGaNよりなる n型クラッド層 4、 GalnNの量子井戸よりな る活性層 5、および AlGaNよりなる p型クラッド層 6を、この順序でェピタキシャル成長 させることにより基板 3上に形成した。これらの層については、層表面の平坦性のラフ ネス度として RMS (自乗平均面粗さ）が 2nm以上となるような成長条件で形成した。 活性層の発光波長は 410nm (青色）とした。
[0172] 次に、 MOCVD装置から基板 3を取り出し、 p型クラッド層 6の表面に、レジスト 20と して電子ビーム露光用フォトレジスト (ZEP520)を塗布し、電子ビーム露光機を用い て複数の孔 20aのレジストパターンを描画した。レジストパターンは正方格子とし、 0. 17 μ mのピッチで直径 0. 09 μ mの孔 20aのパターンをレジスト 20に描画した。続い て、複数の孔 20aの内部を埋めるようにレジスト 20上に、それぞれ SiO、 MgF、 Ca
2 2
F、 BaF、または LiFよりなる低屈折率材料 2bの膜 24を形成した。膜 24は、真空蒸
2 2
着法を用いて 0.： L mの厚さで形成した。その後、溶媒に浸潤することで、レジスト 2 0および余分な膜 24を除去し、柱形状を有する複数の低屈折率材料 2bを形成した。
[0173] 次に、 MOCVD装置を用いて、先に実施した通常の成長条件よりも V族原料ガス ΖΙΠ族原料ガスの比の高!、条件で、 ρ型 GaNよりなるェピタキシャル層 2aおよび Ga Nを含む層 12を形成した。すると、図 l l (a)〜(f)に示すような選択的な層成長が、 全ての低屈折率材料 2bで確認された。その後、 p型クラッド層 8およびコンタクト層 9 を形成した後、 MOCVD装置力も基板 3を取り出し、コンタクト層 9の光放出面 9aに 円形状の P型ォーミック電極 10を形成し、基板 3の主面 3b全面に n型ォーミック電極 11を形成し、半導体レーザ素子 1を作製した。
[0174] 上記のようにして製造された半導体レーザ素子 1について、連続通電で電流注入し 、レーザ発振の可否を調べた。その結果、いずれの半導体レーザ素子 1においても、 約 4〜7kAZcm2の閾値電流密度の範囲でレーザ発振することが確認された。レー ザ光は、基板 3の主面 3aに垂直な方向へ、円形状の電極 10における外周部から出 射した。レーザ光の偏光特性は TE偏光であった。
[0175] (実施例 2)
本実施例では、実施の形態 2に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製 を試みた。実施例 1と同様の方法で、 n型バッファ層、 AlGaNよりなる n型クラッド層 4 、 GalnNの量子井戸よりなる活性層 5、および AlGaNよりなる p型クラッド層 6を、この 順序で基板 3上に形成した。そして、 p型クラッド層 6の表面にレジスト 20を形成し、電 子ビーム露光機を用いてレジストパターンを描画した。レジストパターンは正方格子と し、直径 0. 09 mの複数の柱状部 20bのパターンをレジスト 20に描画した。
[0176] 続いて、複数の柱状部 20bの各々の間を埋めるようにレジスト 20上に、 MgFよりな
2 る低屈折率材料 2bの膜 24を形成した。膜 24は、真空蒸着法を用いて 0. 1 μ mの厚 さで形成した。その後、溶媒に浸潤することで、レジスト 20および余分な膜 24を除去 し、複数の孔 2c有する低屈折率材料 2bを形成した。
[0177] 次に、実施例 1と同様の方法で、 p型 GaNよりなるェピタキシャル層 2aおよび GaN を含む層 12を形成した。すると、図 17 (a)〜(f)に示すような選択的な層成長が確認 された。その後、実施例 1と同様の方法で、 p型クラッド層 8、コンタクト層 9、 p型ォーミ ック電極 10、および n型ォーミック電極 11を形成し、半導体レーザ素子 laを作製した
[0178] 上記のようにして製造された半導体レーザ素子 laについて、連続通電で電流注入 し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、約 3. 5kAZcm2の閾値電流密度でレー ザ発振することが確認された。レーザ光は、基板 3の主面 3aに垂直な方向へ、円形 状の電極 10における外周部から出射した。レーザ光の偏光特性は TM偏光であった
[0179] (実施例 3)
本実施例では、実施の形態 3に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製 を試みた。実施例 1と同様の方法で、 n型バッファ層、 AlGaNよりなる n型クラッド層 4 、 GalnNの量子井戸よりなる活性層 5、および AlGaNよりなる p型クラッド層 6を、この 順序で基板 3上に形成した。そして、 p型クラッド層 6上に p型 GaNよりなるェピタキシ ャル層 2aを形成した。
[0180] 続いて、ェピタキシャル層 2aの表面にレジスト 20を形成し、電子ビーム露光機を用 いて 2種類のレジストパターンを描画した。一方のレジストパターンは 3角格子とし、直 径 0. 09 /z mの複数の孔を有するパターンをレジスト 20に描画した。もう一方のレジ ストパターンは 3角格子とし、直径 0. l l /z mの複数の柱状部のパターンをレジスト 20 に描画した。ピッチは 0. 19 /z mとした。
[0181] 続いて、このレジストパターンをマスクとして、 ICP法を用いてェピタキシャル層 2aを 0. ： L mの深さまでエッチングした。次に、有機溶剤を用いてレジストパターンを除去 したところ、ェピタキシャル層 2aに複数の孔 2bが形成された形態のフォトニック結晶 層 7と、複数の柱形状のェピタキシャル層 2aが形成された形態のフォトニック結晶層 とが得られた。
[0182] 次に、 GaNよりなる p型クラッド層 8をフォトニック結晶層 7上に形成した。すると、図 2 2 (a)〜(d)に示すような選択的な層成長が確認された。その後、実施例 1と同様の方 法で、コンタクト層 9、 p型ォーミック電極 10、および n型ォーミック電極 11を形成し、 半導体レーザ素子 lbを作製した。
[0183] 上記のようにして製造された半導体レーザ素子 lbについて、連続通電で電流注入 し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、いずれの半導体レーザ素子 lbにおいて も、約 3kAZcm2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、 基板 3の主面 3aに垂直な方向へ、円形状の電極 10における外周部から出射した。 ェピタキシャル層 2aに孔 2bが形成された形態のフォトニック結晶層 7を備える半導体 レーザ素子 lbでは、レーザ光の偏光特性は TE偏光であった。一方、複数の柱形状 のェピタキシャル層 2aが形成された形態のフォトニック結晶層 7を備える半導体レー ザ素子 lbでは、レーザ光の偏光特性は TM偏光であった。
[0184] (実施例 4)
本実施例では、図 2に示す構造 (柱状構造）において、低屈折率材料の真上の領 域に GaNを含む層を成長させる際における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気の圧力 力 SGaNを含む層に与える影響について調べた。具体的には、実施例 1と同様の方法 で、柱形状を有する複数の低屈折率材料 2bを p型クラッド層 6上に形成した。次に、 MOCVD装置を用いて、先に実施した通常の成長条件よりも V族原料ガス ΖΠΙ族原 料ガスの比の高い条件で、 p型 GaNよりなるェピタキシャル層 2aおよび GaN層 12を 形成した。 GaN層 12を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ大気圧、 90kPa、 70k Pa、および 20kPaに保った。その後、得られたそれぞれの GaN層 12の状態を電子 顕微鏡を用いて観察した。その結果を表 1に示す。
[0185] [表 1]
Figure imgf000037_0001
表 1において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Aで示し、一部において 所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Bで示しており、ごく一部にお 、て所望の フォトニック結晶層が得られた場合を Cで示している。表 1を参照して、大気圧では Ga N層が横方向に成長しにくぐ縦方向の成長が支配的であるため、低屈折率材料の 真上の領域が GaN層 12によって覆われにくくなつていた。これに対して、 90kPa以 下では GaN層が横方向に成長しやすくなり、 70kPa以下では GaN層が低屈折率材 料の真上の領域を完全に覆って 、た。
[0187] 雰囲気の圧力を大気圧に保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写 真を図 32に示し、雰囲気の圧力を 20kPaに保った場合のフォトニック結晶層の状態 を示す顕微鏡写真を図 33に示す。図 32では、 p型クラッド層の断面および GaN層の 上面が見えて 、る。図中斜線で見える部分がマトリクス状に分布した低屈折率材料 2 bである。この顕微鏡写真から、大気圧の場合には p型クラッド層上の一部に GaN層 が形成されておらず、低屈折率材料の露出している領域があるのが分かる。
[0188] これに対して、図 33では、 p型クラッド層および低屈折率材料の断面および GaN層 の上面が見えている。この顕微鏡写真から、 20kPaの場合には p型クラッド層上全体 に GaN層が形成されているのが分力る。
[0189] (実施例 5)
本実施例では、図 19に示す構造 (エアブリッジ構造）において、低屈折率材料の真 上の領域に GaNを含む層を成長させる際における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気 の圧力が GaNを含む層に与える影響について調べた。具体的には、実施例 3と同様 の方法で、 p型クラッド層 6上にフォトニック結晶層 7を形成した。次に、 MOCVD装置 を用いて、 GaNよりなる p型クラッド層 8をフォトニック結晶層 7上に形成した。 p型クラ ッド層 8を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ 70kPa、 60kPa、 30kPa、 20kPa、 および lOkPaに保った。その後、得られたそれぞれのフォトニック結晶層および p型ク ラッド層の状態を電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を表 2に示す。
[0190] [表 2] 雰囲気の圧力
10 20 30 60 70
(kPa)
Ga を含む層の
B B A A B
状態 [0191] 表 2において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Aで示し、一部において 所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Bで示している。表 2を参照して、 70kPa では GaNを含む層が横方向に成長しにくぐ縦方向の成長が支配的であるため、低 屈折率材料の真上の領域が GaN層によって覆われに《なっていた。また 20kPa以 下では、 GaN層の横方向の成長が促進されすぎて GaN層が孔の内壁面力 も成長 し、一部の孔の内部が GaN層によって埋められていた。これに対して、 30kPa以上 6 OkPa以下では GaN層の横方向の成長が適度に促進され、所望のフォトニック結晶 層および p型クラッド層が得られた。
[0192] (実施例 6)
本実施例では、実施の形態 6に記載の方法 (孔 2eの底面に低屈折率材料 2bを形 成する方法)を用いて、低屈折率材料の真上の領域に GaNを含む層を成長させる際 における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気の圧力が GaNを含む層に与える影響につ いて調べた。具体的には、 p型クラッド層 6上にフォトニック結晶層 7を形成した。次に 、蒸着法を用いて図 27Aのように複数の孔 20aの底面に低屈折率材料 24を形成し た。次に、 MOCVD装置を用いて、 GaNよりなる p型クラッド層 8をフォトニック結晶層 7上に形成した。 p型クラッド層 8を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ 90kPa、 70 kPa、 30kPa、 20kPa、および lOkPaに保った。その後、得られたそれぞれの GaN を含む層 12の状態を電子顕微鏡を用 V、て観察した。その結果を表 3に示す。
[0193] [表 3]
Figure imgf000039_0001
[0194] 表 3において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Aで示し、一部において 所望のフォトニック結晶層が得られた場合を Bで示している。表 3を参照して、 90kPa では GaN層が横方向に成長しにくぐ縦方向の成長が支配的であるため、低屈折率 材料の真上の領域力 ¾型クラッド層で覆われに《なって 、た。また 20kPa以下では
、 GaN層の横方向の成長が促進されすぎて GaN層が孔の内壁面からも成長し、一 部の孔の内部が GaN層によって埋められていた。これに対して、 30kPa以上 70kPa 以下では GaN層の横方向の成長が適度に促進され、所望のフォトニック結晶層およ び p型クラッド層が得られた。
[0195] 雰囲気の圧力を 20kPaに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写 真を図 34に示し、雰囲気の圧力を 60kPaに保った場合のフォトニック結晶層の状態 を示す顕微鏡写真を図 35に示す。図 34では、フォトニック結晶層の孔が GaNを含む 層によって埋められている。この顕微鏡写真から、 20kPaの場合には一部の孔の内 部が GaN層によって埋められて 、ることが分かる。
[0196] これに対して、図 35では、フォトニック結晶層の孔が GaNを含む層によって埋めら れておらず、孔の上面を p型クラッド層が横方向に成長している。この顕微鏡写真か ら、 60kPaの場合には孔の内部が GaN層によって埋められて!/ヽな 、ことが分かる。
[0197] また、本実施例においては、雰囲気の圧力を 20kPaとし、 SiOよりなる低屈折率材
2
料を孔内に形成した場合と形成しない場合とで、得られるフォトニック結晶層の外観 の比較を行なった。具体的には、実施例 5において雰囲気の圧力を 20kPaとした場 合に得られたフォトニック結晶層と、本実施例において雰囲気の圧力を 20kPaとした 場合に得られたフォトニック結晶層との各々につ ヽて顕微鏡観察を行なった。
[0198] 図 36は SiOよりなる低屈折率材料を孔内に形成した場合のフォトニック結晶層の
2
状態を示す顕微鏡写真であり、図 37は SiO
2よりなる低屈折率材料を孔内に形成しな 力つた場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。図 36と図 37とを 比較すると、 SiOよりなる低屈折率材料を孔内に形成した図 36の方が、孔内を GaN
2
層によって埋められに《なっている。このことから、 SiOよりなる低屈折率材料を孔
2
内に形成することによって、良好なフォトニック層が得られ易くなることが分かる。
[0199] 以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的 なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および 実施例ではなぐ請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲 内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

Claims

請求の範囲
[1] 主面（3a)を有する基板 (3)と、
前記主面が延びる方向に沿って前記基板上に形成され、窒化ガリウムよりなるェピ タキシャル層 (2a)と、前記ェピタキシャル層よりも低屈折率である低屈折率材料（2b )とを含む 2次元回折格子 (7)と、
前記基板上に形成された第 1導電型クラッド層 (4)と、
前記基板上に形成された第 2導電型クラッド層 (6)と、
前記第 1および前記第 2導電型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光す る活性層（5)と、
前記 2次元回折格子の真上を覆う窒化ガリウムを含む層（12)とを備える、半導体レ 一ザ素子（1)。
[2] 前記ェピタキシャル層 (2a)は複数の孔（2c)を有し、前記複数の孔内に回折格子 点となる前記低屈折率材料 (2b)が埋め込まれている、請求の範囲第 1項に記載の 半導体レーザ素子（1)。
[3] 前記低屈折率材料 (2b)は複数の孔 (2c)を有し、前記複数の孔内に回折格子点と なる前記ェピタキシャル層（2a)を構成する窒化ガリウムが埋め込まれている、請求の 範囲第 1項に記載の半導体レーザ素子（la)。
[4] 前記 2次元回折格子 (7)の真上を覆う前記窒化ガリウムを含む層（12)と前記窒化 ガリウムよりなるェピタキシャル層（2a)とが同一の層、もしくは連続してェピタキシャル 成長した層である、請求の範囲第 1項に記載の半導体レーザ素子（1)。
[5] 前記低屈折率材料 (2b)が SiO
2、 MgF
2、 CaF
2、 BaF、および LiF力もなる群より選 2
ばれる少なくも 1種以上の材料よりなる、請求の範囲第 1項に記載の半導体レーザ素 子 (1)。
[6] 前記基板 (3)は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンよりなる、請求の範 囲第 1項に記載の半導体レーザ素子（1)。
[7] 第 1導電型クラッド層 (4)、活性層 (5)、および第 2導電型クラッド層（6)をこの順序 で基板 (3)上に形成する工程と、
所定のパターンを有する、窒化ガリウムよりも低屈折率である低屈折率材料 (2b)を 前記基板 (3)上に形成する工程と、
前記低屈折率材料を形成する工程後に、窒化ガリウムよりなるェピタキシャル層 (2 a)を前記基板上に形成するェピタキシャル層形成工程と、
前記ェピタキシャル層形成工程後に、前記低屈折率材料の真上の領域で前記基 板の主面に沿って窒化ガリウムを含む層（12)を成長させる工程とを備える、半導体 レーザ素子（1)の製造方法。
[8] 前記第 1導電型クラッド層 (4)、前記活性層 (5)、および前記第 2導電型クラッド層（
6)をいずれもェピタキシャル法により形成する、請求の範囲第 7項に記載の半導体レ 一ザ素子（1)の製造方法。
[9] 前記低屈折率材料 (2b)が SiO aF
2、 MgF
2、 C
2、 BaF、および LiF力もなる群より選 2
ばれる少なくも 1種以上の材料よりなる、請求の範囲第 7項に記載の半導体レーザ素 子（1)の製造方法。
[10] 前記低屈折率材料 (2b)のパターンは複数の柱状部のパターンである、請求の範 囲第 7項に記載の半導体レーザ素子（1)の製造方法。
[11] 前記低屈折率材料（2b)のパターンは複数の孔のパターンである、請求の範囲第 7 項に記載の半導体レーザ素子（la)の製造方法。
[12] 前記窒化ガリウムを含む層（12)を成長させる工程において、有機金属気相成長法 を用 、て前記窒化ガリゥムを含む層を形成する、請求の範囲第 7項に記載の半導体 レーザ素子（lb)の製造方法。
[13] 前記窒化ガリウムを含む層（12)を成長させる工程において、雰囲気の圧力を 90k
Pa以下にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求の範囲第 7項に記 載の半導体レーザ素子（lb)の製造方法。
[14] 第 1導電型クラッド層（4)、活性層 (5)、および第 2導電型クラッド層（6)をェピタキ シャル法によりこの順序で基板 (3)上に形成する工程と、
窒化ガリウムよりなるェピタキシャル層 (2a)を前記基板上に形成する工程と、 前記ェピタキシャル層を 2次元回折格子（7)に成形する工程と、
前記 2次元回折格子の真上の領域で前記基板の主面に沿って窒化ガリウムを含む 層（12)を成長させる工程とを備える、半導体レーザ素子（1)の製造方法。
[15] 前記 2次元回折格子（7)に成形する工程において、前記ェピタキシャル層 (2a)に 複数の空気孔 (2b)を形成する、請求の範囲第 14項に記載の半導体レーザ素子（1) の製造方法。
[16] 前記 2次元回折格子（7)に成形する工程において、前記ェピタキシャル層（2a)を 複数の柱形状に成形する、請求の範囲第 15項に記載の半導体レーザ素子（la)の 製造方法。
[17] 前記基板 (3)は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンよりなる、請求の範 囲第 15項に記載の半導体レーザ素子（1)の製造方法。
[18] 第 1導電型クラッド層（4)、活性層 (5)、および第 2導電型クラッド層（6)をェピタキ シャル法によりこの順序で基板 (3)上に形成する工程と、
窒化ガリウムよりなるェピタキシャル層 (2a)を前記基板上に形成する工程と、 前記ェピタキシャル層に複数の孔（2e)を形成する工程と、
有機金属気相成長法を用いて、前記複数の孔の真上の領域で前記基板の主面に 沿って窒化ガリウムを含む層（8)を成長させる工程とを備える、半導体レーザ素子（1 b)の製造方法。
[19] 前記窒化ガリウムを含む層（8)を成長させる工程にぉ 、て、雰囲気の圧力を 90kP a以下にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求の範囲第 18項に記 載の半導体レーザ（lb)の製造方法。
[20] 前記窒化ガリウムを含む層（8)を成長させる工程において、雰囲気の圧力を 10kP a以上にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求の範囲第 18項に記 載の半導体レーザ（lb)の製造方法。
[21] 前記複数の孔（2e)を形成する工程の後に、窒化ガリウムよりも低屈折率である低 屈折率材料（2b)を前記複数の孔の内部に形成する工程をさらに備える、請求の範 囲第 18項に記載の半導体レーザ素子（lb)の製造方法。
[22] 前記複数の孔 (2e)を形成する工程は、前記複数の孔を形成する部分以外の前記 ェピタキシャル層 (2a)上にレジスト（20)を形成する工程と、前記レジストをマスクとし て前記ェピタキシャル層をエッチングする工程とを含み、
前記低屈折率材料（2b)を形成する工程は、前記複数の孔の内部および前記レジ スト上に蒸着法を用いて前記低屈折率材料を形成する工程と、前記レジストとともに 前記レジスト上の前記低屈折率材料を除去する工程とを含む、請求の範囲第 21項 に記載の半導体レーザ素子（lb)の製造方法。
前記低屈折率材料 (2b)を形成する工程にお!ヽて、化学気相成長法を用いて前記 低屈折率材料を形成する、請求の範囲第 21項に記載の半導体レーザ素子（lb)の 製造方法。
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