(57)【要約】【課題】隣り合う面発光レーザとのクロストークを抑制することが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイ及びその製造方法を提供する。【解決手段】活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該二次元フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す面発光レーザが、アレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、  前記面発光レーザはメサ状の傾斜した側壁面を有し、  前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記メサ状の傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、  前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満とされている。【選択図】            図２
2010263062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該二次元フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す面発光レーザが、アレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、
前記面発光レーザはメサ状の傾斜した側壁面を有し、
前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記メサ状の傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満とされていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記メサ状の傾斜した側壁面が、前記（９０＋θｍａｘ）°超、または前記（９０−θｍａｘ）°未満による前記なす角度を備えた曲面で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項３】
前記二次元フォトニック結晶は、半導体層によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
前記メサ状の傾斜した側壁面が、｛１−１０１｝面、または｛１１−２２｝面によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
前記半導体層が、窒化物半導体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
基体と、該基体上に形成され開口部を有する選択成長用マスクまたは該選択成長用マスクと同等の成長抑制用マスクと、前記開口部からの選択成長により形成されたメサ状の半導体層と、を有し、
前記二次元フォトニック結晶は、前記メサ状の半導体層に形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記選択成長用マスクまたは該選択成長用マスクと同等の成長抑制用マスクが、電流狭窄層として機能するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項８】
前記開口部は閉じた形状を有することを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項９】
前記二次元フォトニック結晶を構成する半導体層の側壁面が、｛１−１０１｝面によって形成されていることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１０】
前記開口部は、三角格子状、または正方格子状に配列されていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１１】
活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該二次元フォトニック結晶の面に対して垂直方向にする光を取り出す面発光レーザアレイの製造方法であって、
基体上に開口した開口部を有する選択成長用マスクを形成する工程と、
前記開口部から選択成長によってメサ状の傾斜した側壁面を備えた半導体層を形成するに際し、
前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満となるように、該メサ状の傾斜した側壁面による半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に前記二次元フォトニック結晶を形成する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザにおいて、反射鏡に二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが知られている。
特に、近紫外から緑領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に用いられる分布ブラッグ反射鏡の作製が困難なことから、二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが盛んに研究されている（非特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、特許文献１では、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザにおいて、光の利用効率を向上させるため、該二次元フォトニック結晶の結晶面と水平方向の周囲に、光反射領域を設けた面発光レーザが開示されている。
この構成によれば、該二次元フォトニック結晶から水平方向に漏れてきた光の一部を、前記光反射領域によって内部に反射させることで、光の利用効率の向上が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７３４５６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，ｐｐ．３１６−３２６，２０００
【非特許文献２】Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３１９，ｐｐ．４４５−４４７，２５  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１では、二次元フォトニック結晶の周囲に、該二次元フォトニック結晶の結晶面に対して垂直方向に光反射領域を設けることによって、該二次元フォトニック結晶から漏れてきた光の一部を内部に反射させ、光の利用効率を向上させている。
ところで、前記光反射領域は、屈折率差を利用した反射鏡であり、反射率を高めることが困難である。
そのため、前記二次元フォトニック結晶から漏れてきた光の大部分は、該光反射領域の外側に漏れ出してしまうこととなる。
しかしながら、この特許文献１では、前記面発光レーザが単一の場合が想定されていることから、上記したように光反射領域の外側に光が漏れ出しても、それによる影響は少ない。
【０００７】
これに対して、複数個の前記面発光レーザがアレイ状に配列されている場合、前記光反射領域の外側に漏れ出した光は、前記二次元フォトニック結晶の水平方向に伝播して行く。そして、隣に配置された別の面発光レーザの光反射領域を介して、その内部の二次元フォトニック結晶に結合してしまうこととなる。
そのため、隣り合う面発光レーザとのクロストークを引き起こすという問題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、隣り合う面発光レーザとのクロストークを抑制することが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下のように構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイ及びその製造方法を提供するものである。
本発明の面発光レーザアレイは、
活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該二次元フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す面発光レーザが、アレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、
前記面発光レーザはメサ状の傾斜した側壁面を有し、
前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記メサ状の傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満とされていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザアレイの製造方法は、活性層と二次元フォトニック結晶を備え、該二次元フォトニック結晶の面内方向に共振モードを有し、該二次元フォトニック結晶の面に対して垂直方向に光を取り出す面発光レーザアレイの製造方法であって、
基体上に開口した開口部を有する選択成長用マスクを形成する工程と、
前記開口部から選択成長によってメサ状の傾斜した側壁面を備えた半導体層を形成するに際し、
前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満となるように、該メサ状の傾斜した側壁面による半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に前記二次元フォトニック結晶を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、隣り合う面発光レーザとのクロストークを抑制することが可能となる二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイ及びその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザの構造を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態における面発光レーザの側壁面の最大傾斜角度を計算した結果である。図２（ａ）は、計算に用いた構造の模式図である。図２（ｂ）と（ｃ）は、（９０＋θｍａｘ）°を計算した結果である。
【図３】本発明の実施例１における二次元フォトニック結晶を形成する工程を示す図である。
【図４】本発明の実施例１における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを説明する断面図である。
【図５】本発明の実施例２および実施例３における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを説明する断面図である。
【図６】本発明の実施例４における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、図１を用いて、本発明の実施形態における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザがアレイ状に配列されてなる面発光レーザアレイについて説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施形態である面発光レーザアレイを構成するメサ状に形成された面発光レーザ１００の構造を示す図である。まず、メサ状の傾斜した側壁面を有する、二次元フォトニック結晶１２０を含む導波路層１１３の製造プロセスについて説明する。
基体１１０上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる選択成長用マスク１０３を形成し、該基体上に形成された選択成長用マスクに、開口部を形成する。
その際、該選択成長用マスクと同等の成長抑制用マスクを形成するようにしてもよい。
なお、開口部は種々の形状とすることができ、たとえば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることが出来る。
次に、選択成長用マスク１０３が形成された基体１１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、選択成長用マスク１０３が設けられていない個所から、該選択成長用マスク１０３上への横方向成長を、｛１−１０１｝面が形成されるように制御しつつ、たとえばｎ型ＡｌＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、選択成長用マスク１０３の上に、側壁面が｛１−１０１｝面からなる、断面形状が台形状の下部クラッド層１１１が形成される。
【００１３】
このような構造体は、非特許文献１に開示されているようなそれぞれの結晶面の成長速度を制御するような成長条件を用いて形成することができる。
例えば、成長圧力を８０Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
なお、本実施の形態においては、結晶成長にＭＯＣＶＤ法を用いた場合について示した。
しかしながら、結晶成長方法に、たとえばＭＢＥ法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー法）を用いても良い。
次に、下部クラッド層１１１を覆うように、活性層１１２と、ガイド層１１３と、をこの順番で積層する。
その後、電子ビーム露光によって、該ガイド層１１３上に、面内方向に二次元的かつ周期的に配列し、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
続いて、前記レジストをマスクとして該ガイド層１１３をドライエッチングする。その後、該レジストを除去することで、二次元フォトニック結晶１２０を含むガイド層１１３が形成される。
【００１４】
以上のように、本実施形態では、傾斜した側壁面１１４は、選択成長用マスク１０３を用いた選択成長方法によって、｛１−１０１｝面で形成されている。
しかしながら、所定の角度に傾斜した側壁面１１４の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えば、｛１１−２２｝面で形成してもよく、あるいは、ドライエッチング法などの他の方法であってもよい。
上記した特許文献１では、二次元フォトニック結晶の周囲、すなわち、側壁面、に該二次元フォトニック結晶の結晶面に対して垂直方向に、光反射領域を設けている。
そして、これによって、該二次元フォトニック結晶から漏れてきた光の一部を内部に反射させ、光の利用効率を向上させている。
このように、特許文献１では、面発光レーザ内部からの光を所定の角度で反射させるように、側壁面の傾斜角度を決定している。
これに対して、本実施形態では、上記したように面発光レーザ外部からの光を所定の角度で屈折させるように、側壁面の傾斜角度を決定している。
【００１５】
つぎに、本実施形態の面発光レーザアレイにおいて、このように傾斜した側壁面により、隣り合うレーザとのクロストークを抑制することを可能にする具体的構成について、更に説明する。
ここで、本実施の形態における面発光レーザの外部から、該面発光レーザの内部に伝播してきた光が、該二次元フォトニック結晶に結合しない、該面発光レーザの側壁面の傾斜角度の範囲を確認するため、つぎのような計算を行った。
すなわち、図２（ａ）に示す面発光レーザ２００の内部における光路について計算を行った。
ガイド層２０２の屈折率をｎ1、クラッド層２０１の屈折率をｎ2、外部の屈折率をｎ0とした。
また、側壁面２１０とクラッド層２０１の底面とのなす角度をα°、側壁面２１０に対する垂線と外部からの入射光のなす角度をθ°＝（９０−α）°とした。ここで、外部からの入射光は、二次元フォトニック結晶２０３の面に対して、水平方向に入射してくるものとした。
【００１６】
外部から側壁面を通して入射した光が、ガイド層２０２とクラッド層２０１の界面で、全反射条件を満たさなければ、該入射光は該クラッド層２０１に伝播していき、二次元フォトニック結晶２０３には結合しない。
そこで、Ｓｎｅｌｌの法則から、ガイド層２０２とクラッド層２０１の界面で全反射条件を満たす、すなわち、該二次元フォトニック結晶２０３を含む導波路に入射光が結合する傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°として計算した。
図２（ｂ）に、該ガイド層２０２の屈折率ｎ1を２．５４（ＧａＮの屈折率）として、該ガイド層２０２と該クラッド層２０１の比率ｎ2／ｎ1に対する、（９０＋θｍａｘ）°の結果を示す。
ここで、外部の屈折率ｎ0が、１．０（空気の屈折率）および１．５（二酸化ケイ素の屈折率）とした時の２通りについて計算を行った。
二次元フォトニック結晶２０３の面と側壁面２１０とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超のとき、外部から入射した光は、ガイド層２０２とクラッド層２０１の界面で全反射せず、該ガイド層２０２を伝播しない。
そのため、外部から入射した光は、該二次元フォトニック結晶２０３に結合しない。
例えば、ガイド層２０２の屈折率ｎ1を２．５４（ＧａＮの屈折率）、クラッド層２０１の屈折率ｎ2を２．５０（ＡｌＧａＮの屈折率）、外部の屈折率ｎ0を１．０（空気の屈折率）としたとき、（９０＋θｍａｘ）°は１０６．６°となる。
すなわち、二次元フォトニック結晶２０３を含むガイド層２０２と側壁面２１０とのなす角度が１０６．６°超であるように、該側壁面２１０が傾斜していれば、外部から入射した光が該フォトニック結晶２０３に結合することを抑制できる。
【００１７】
また、側壁面２１０が逆メサ形状の場合、Ｓｎｅｌｌの法則から、二次元フォトニック結晶２０３の面と側壁面２１０とのなす角度が、（９０−θｍａｘ）°未満のときに、外部から入射した光は、ガイド層２０２とクラッド層２０１の界面で全反射しない。
そのため、外部から入射した光は、該二次元フォトニック結晶２０３に結合しない。
図２（ｃ）に、ガイド層２０１の屈折率ｎ1を３．６（ＧａＡｓの屈折率）として、該ガイド層２０２とクラッド層２０１の比率ｎ2／ｎ1に対する、（９０＋θｍａｘ）°の結果を示す。
該ガイド層２０１の屈折率ｎ1が３．６のときも、該屈折率ｎ1が２．５４のときと同様の傾向を示している。
【００１８】
ここで、二次元フォトニック結晶２０３から漏れ、ガイド層２０２を伝播し、側壁面２１０に到達した光は、該側壁面２１０が傾斜していることから、大部分は反射されずに、外部に放射される。
また、前述した、図１に示した、選択成長用マスク１０３を用いた選択成長方法によって、傾斜した側壁面１１４を形成した場合においても、二次元フォトニック結晶１２０から漏れてきた光は、つぎのように外部に放射される。
すなわち、該二次元フォトニック結晶１２０から漏れてきた光は、該側壁面１１４の領域で、ガイド層１１３が大きく曲がっていることから、大部分は反射されずに、外部に放射される。
これらにより、有効な反射戻り光をガイド層の外に放射でき、二次元フォトニック結晶における共振モードが不安定になることを抑制することができるという副次的効果も期待できる。
【００１９】
以上のように、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイを構成するに当たり、該二次元フォトニック結晶から、該二次元フォトニック結晶の周囲に漏れ出した光は、該二次元フォトニック結晶を含む導波路を伝播する。
そして、メサ状に形成された面発光レーザの側壁面において導波路外に放射される。
外部に放射された光は、隣に配置された面発光レーザに到達するが、上記本実施形態の構成によれば、該面発光の側壁面が内部の導波路の最大受光角度以上で傾斜しているため、該導波路に結合しない。
それによって、隣り合うレーザとのクロストークを抑制することが可能となる。
【実施例】
【００２０】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図１を用いて説明する。
本実施例の面発光レーザ１００は、二次元フォトニック結晶１２０を含むｐ型ガイド層１１３と、活性層１１２と、ｎ型クラッド層１１１と、ｎ型コンタクト層１１０と、電極１０１および１０２とを備えている。
二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層１１３およびｎ型コンタクト層１１０は、それぞれたとえばｐ型およびｎ型ＧａＮの半導体層からなる。
二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層１１３、および、ｎ型クラッド層１１１は、活性層１１２に注入されるべきキャリアが伝導する伝導層として機能する。
【００２１】
活性層１１２は、窒化物半導体材料を用いた多重量子井戸構造からなっており、該量子井戸構造の井戸層および障壁層は、それぞれＩｎＧａＮおよびＧａＮからなる。
該井戸層のバンドギャップは、該障壁層、二次元フォトニック結晶を含むｐ型光ガイド層１１３のバンドギャップより小さい。
該活性層１１２は、キャリアの注入により発光する。なお、本実施例における活性層１１２は、上記の多重量子井戸構造であるが、単一量子井戸構造であってもよい。
【００２２】
ｎ型コンタクト層１１０の裏面および二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層１０２の表面には、それぞれＡｕ（金）からなるｎ型電極１０１およびｐ型電極１０２が形成されている。
なお、本実施例における電極材料は、Ａｕに特に限定されるものではなく、他の材料であってもよい。
電極１０１、１０２間に電圧を印加することにより活性層１１２が発光し、該活性層１１２からしみ出した光が、二次元フォトニック結晶１２０に入射する。
フォトニック結晶１２０が有する所定の周期に一致する光は、該フォトニック結晶１２０により回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。
フォトニック結晶１２０によって位相が規定された光は、回折により該活性層１１２内の光にフィードバックされ、定在波を発生させる。
この定在波は、該フォトニック結晶１２０において規定される光の波長および位相条件を満足している。
これにより、光は該フォトニック結晶１２０で共振して増幅され、コヒーレントな光が、該フォトニック結晶１２０の面の垂直方向に面発光される。
【００２３】
二次元フォトニック結晶１２０は、格子形状に配列されたフォトニック結晶周期構造体１２１からなっている。
なお、本実施例におけるフォトニック結晶周期構造体１２１は、該二次元フォトニック結晶を形成している半導体層の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）との屈折率の差を大きくとれる、空気（屈折率１．０）からなっていることが好ましい。しかしながら、二次元フォトニック結晶を形成している半導体よりも低屈折率の誘電体材料でフォトニック結晶周期構造体１２１が形成されていてもよい。
フォトニック結晶周期構造体１２１を形成する低屈折率の誘電体材料としては、たとえば、二酸化ケイ素（屈折率１．５）や窒化シリコン（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００２４】
つぎに、本実施例における面発光レーザアレイの製造方法について説明する。まず、図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板からなるｎ型コンタクト層１１０の上に、半導体層の結晶成長を抑制する二酸化ケイ素からなる選択成長用マスク１０３を形成する。
そのために、まず、前記ｎ型コンタクト層１１０の上に、アレイ化するレーザの個数分の円形パターンを施したレジストを形成する。
次に、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用いて、二酸化ケイ素を成膜する。
続いて、リフトオフを行うことにより、円形の開口部を有する選択成長用マスク１０３が形成される。
なお、開口部の形状は、円形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形、四角形などであってもよい。
また、本実施例における選択成長用マスク１０３の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、例えばドライエッチング法などであってもよい。
この場合は、先ず、前記ｎ型コンタクト層１１０の上に、二酸化ケイ素を成膜する。
次に、前記二酸化ケイ素の膜上に、レジストマスクを形成し、所定のパターンを施した後、ドライエッチングを行うことで、選択成長用マスク１０３が完成する。
【００２５】
次に、選択成長用マスク１０３が形成されたｎ型コンタクト層１１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、成長圧力を８０Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃、にそれぞれ設定して、ｎ型ＡｌＧａＮからなる薄膜半導体層を積層する。
これにより、選択成長用マスク１０３が設けられていない個所から、該選択成長用マスク１０３上への横方向成長を、｛１−１０１｝面が形成されるように制御しつつ、ｎ型ＡｌＧａＮを結晶成長させることが出来る。
この結果、選択成長用マスク１０３の上に、側壁面が｛１−１０１｝面からなる、メサ状の下部クラッド層１１１が形成される。
【００２６】
次に、下部クラッド層１１１を覆うように、多重量子井戸構造からなる活性層１１２と、ｐ型ＧａＮからなるガイド層１１３と、をこの順番で積層する。
これにより、図３（ａ）に示すように、順メサ状に形成された六角形状の半導体多層膜構造体３０５が、アレイ上に集積される。
なお、本実施例における、前記構造体の配置は、選択成長用マスク３０３の開口部の位置によって、任意に制御できる。
集積度を向上させるためには、本実施例における六角形状の半導体多層膜構造体３０５においては、三角格子状に配列することが好ましいが、特に限定されるものではなく、例えば、正方格子状などに配列してあってもよい。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体多層膜構造体３０５の周辺部に、二酸化ケイ素３０４を成膜する。
続いて、半導体多層膜構造体３０５の上部にｐ型電極３０２を成膜する。
次に、電子ビーム露光によって、所定形状のパターンが施されたレジストマスクを形成し、ｐ型電極３０２および半導体多層膜構造体３０５の上部をドライエッチングする。
その後、前記レジストマスクを除去することで、図３（ｃ）に示すように、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶３０２が形成される。
次に、ｎ型コンタクト層３１０の裏面にｎ型電極３０１を形成し、面発光レーザアレイ３００が完成する。
【００２８】
ここで、本実施例において、面発光レーザ１００の各々の側壁面１１４は、ＧａＮの｛１−１０１｝面で形成されている。
このとき、二次元フォトニック結晶１２０の面と側壁面１１４とのなす角度は、１１８°となる。この場合、外部から入射した光は、ガイド層１１３とクラッド層１１１の界面で全反射せず、二次元フォトニック結晶１２０に結合しない。
したがって、隣り合うレーザとのクロストークを抑制することができ、素子特性と向上することが可能となる。
なお、本実施例では、ｎ型コンタクト層１１０として、ｎ型ＧａＮ基板を用いる場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、ｎ型コンタクト層１１０の形成は、ｎ型ＧａＮ基板を用いることに、特に限定されるものではない。
例えば、ｎ型ＧａＮ基板に代え、ｎ型ＳｉＣ基板を用いてもよい。
また、サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
この場合は、レーザリフトオフ法により、前記歪緩衝層を熱分解し、前記サファイア基板を剥離した後、ｎ型電極を形成する。
また、前記ｎ型電極の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではなく、別の方法であってもよい。例えば、前記サファイア基板は剥離せずに、面発光レーザアレイの表面側から、ドライエッチング法により、ｎ型ＧａＮ層の一部を露出させ、そこにｎ型電極を形成してもよい。
また、サファイア基板ではなく、シリコン基板などを用いてもよい。
この場合は、シリコン基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、歪緩衝層を介してＧａＮからなる転位低減のためのＧａＮバッファ層を形成し、その上に、ｎ型ＧａＮを形成することで、ｎ型コンタクト層としてもよい。
また、前記シリコン基板にｎ型シリコンを用いる場合は、該ｎ型シリコン基板の裏面に、ｎ型電極を形成することができ、基板剥離の工程が不要となる。
【００２９】
また、本実施例では、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層と、をこの順番に形成しているが、この順番に特に限定されるものではなく、ｐ型層と、活性層と、ｎ型層と、をこの順番で形成してもよい。
この場合は、フォトニック結晶を含むガイド層がｎ型ＧａＮからなる半導体層で形成されることになる。
ここで、ｎ型ＧａＮは、ｐ型ＧａＮと比較して、低抵抗である。
これより、フォトニック結晶を構成する空孔により電流の流れる領域が制限された、該フォトニック結晶を含むガイド層においては、該ガイド層をｎ型ＧａＮで形成することにより、該ガイド層の抵抗を減少させることが可能となる。
【００３０】
つぎに、図４を用いて、本実施例における他の構成例について説明する。
図４において、４０１，４０２は電極、４０３は選択成長用マスク、４１０は基体およびコンタクト層、４１１は下部クラッド層、４１２は活性層である。
４１３は二次元フォトニック結晶を含むガイド層、４２０は二次元フォトニック結晶、４３０はｎ型ＧａＮ層、４３１は下部ガイド層、４３２は上部クラッド層である。
本実施例では、図１に示したように、ｎ型ＧａＮ基板からなる下部コンタクト層１１０上に、下部クラッド層１１１を直接形成している。
しかし、図４（ａ）に示すように、下部コンタクト層４１０上に、ｎ型ＧａＮ層４３０を形成した後、ｎ型ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層４１１を形成してもよい。
このように、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮ層４３０を形成した後、ｎ型ＡｌＧａＮ層４１１を形成する場合は、ｎ型ＧａＮ基板４１１の上に、直接ｎ型ＡｌＧａＮ層４１１を形成する場合と比較して、結晶品質の高いｎ型ＡｌＧａＮ層４１１の形成が可能である。
【００３１】
また、本実施例において、図１に示したように、ｎ型クラッド層１１１上に、活性層１１２を直接形成しているが、図４（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層４３１を形成した後、活性層４１２を形成してもよい。
これにより、ＳＣＨ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：分離閉じ込めヘテロ構造）を形成できる。
このため、発光に寄与するキャリアは活性層４１２に、活性層４１２から発光した光は、活性層４１２、下部ガイド層４３１および上部ガイド層４１３に、それぞれ閉じ込めるようになっている。
【００３２】
また、本実施例において、二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層１１３上にｐ型電極を直接形成している。
しかし、図４（ｂ）に示すように、ｐ型ガイド層４１３の上にｐ型ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層４３２を形成した後、ｐ型電極４０２を形成してもよい。
この場合、先ず、本実施例における、二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層４１３まで形成する。
次に、非特許文献２に開示されているような成長方法を用いることで、該二次元フォトニック結晶４２０をｐ型ＡｌＧａＮからなる上部クラッド層４３２により埋め込む。
これにより、二次元フォトニック結晶４２０とｐ型電極４０２との距離が離れることで、該二次元フォトニック結晶４２０に導入された光が、金属からなるｐ型電極４０２に吸収されることを抑制することができる。
このため、二次元フォトニック結晶と電極が近接した場合と比較して、前記面発光レーザの特性の向上が可能である。
【００３３】
［実施例２］
実施例２では、実施例１と異なり、二次元フォトニック結晶が、活性層の下側に形成された、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図５に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザの構成を示す。
図５（ａ）、（ｂ）において、５０１、５０２は電極、５０３は選択成長用マスク、５１０は基体およびコンタクト層、５１１は下部クラッド層、５１２は活性層、５１３は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
５２０は二次元フォトニック結晶、５２１はフォトニック結晶周期構造体、５３２は上部クラッド層、５３３は上部ガイド層、５４１は開口部である。
まず、図１に示す実施例１と同様の構成で、下部クラッド層５１１まで形成した。
次に、二次元フォトニック結晶の空孔の深さに対応する厚みの、ｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層を積層する。
続いて、ドライエッチング法を用いて、前記二次元フォトニック結晶５２０を形成する。
その後、前述した非特許文献２に開示されているような成長方法を用いることで、前記二次元フォトニック結晶を埋め込んだｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層５１３を形成した。
次に、活性層５１２と、ｐ型ガイド層５３３と、ｐ型クラッド層５３２と、をこの順番で形成する。
続いて、ｎ型コンタクト層５１０にｎ型電極５０１と、ｐ型クラッド層５３２にｐ型電極５０２と、を形成し、面発光レーザアレイが完成する。
【００３４】
本実施例では、実施例１と比較して、二次元フォトニック結晶５２０を形成するためのドライエッチング後に、活性層５１２を形成しているため、ドライエッチングによる活性層５１２へのダメージを抑制することが可能となる。
ここで、本実施例における二次元フォトニック結晶５２０の形成方法は、上記形成方法に特に限定されるものではない。
例えば、先ず、下部クラッド層５１１の上部に、二酸化ケイ素などからなる誘電体層を成膜する。
そして、成膜後において電子ビーム露光によって該誘電体層上に所定形状のレジストを形成する。
なお、本実施例における前記誘電体は、前記二酸化ケイ素に特に限定されるものではなく、空気の屈折率よりも高く、ガイド層５１３の屈折率よりも低い媒質であればよい。
例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）などを用いることも出来る。
続いて、前記レジストをマスクとして、前記誘電体層をドライエッチングする。その後、前記レジストを除去することで、面内方向に二次元的かつ周期的に配列され、該面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶周期構造体５２１が形成される。
次に、ＭＯＣＶＤ法により、前記フォトニック結晶周期構造体５２１を埋め込むように、ｎ型ＧａＮ層を形成する。これにより、二次元フォトニック結晶を含むガイド層５１３が形成される。
【００３５】
［実施例３］
実施例３では、選択成長用マスクの開口部の大きさを制御することで、該選択成長用マスクを電流狭窄層として機能させ、電流注入効率を高めた、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図５（ｂ）に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザの構成を示す。
本実施例では、実施例２と比較して、選択成長用マスク５０３の開口部５４１の大きさが小さくなっている。
本実施例において、選択成長用マスク５０３の開口部５４１の大きさ以外の構成は、実施例２と同様である。
【００３６】
本実施例では、開口部５４１の大きさを縮小した選択成長用マスク５０３を形成する。
その後、ｎ型ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層５１１の上部の面積が、二次元フォトニック結晶５２０に必要な面積に達するまで、ＭＯＣＶＤ法により横方向成長を促進させながら、該下部クラッド層５１１を成長する。
本実施例において、選択成長用マスク５０３の開口部５４１の大きさ、および、下部クラッド層５１１以外の作製工程は、実施例２と同様である。
【００３７】
本実施例では、選択成長用マスク５０３の開口部５４１の大きさが、縮小されていることにより、電流注入時に、該選択成長用マスク５０３が電流狭窄層として機能し、活性層５１２へ高効率な電流注入が可能となる。
なお、本実施例では、二次元フォトニック結晶５２０が、活性層５１２の下側に配置された、実施例２と同様の構成を有する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、二次元フォトニック結晶５２０の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、二次元フォトニック結晶５２０が活性層５１２の上側に配置された、実施例１と同様の構成にしてもよい。
【００３８】
［実施例４］
実施例４では、実施例１から実施例３に示した選択成長用マスクを用いた再成長法による傾斜した側壁面の作製に代え、ドライエッチング法により、傾斜した側壁面が作製された二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイについて説明する。
図６に、本実施例における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイの構成を示す。
図６（ａ）、（ｂ）において、６００は面発光レーザ、６０１、６０２は電極、６１０は基体およびコンタクト層、６１１は下部クラッド層、６１２は活性層、６１３は二次元フォトニック結晶を含むガイド層である。
６１４は側壁面、６２０は二次元フォトニック結晶、６３２は上部クラッド層、６３３は上部ガイド層である。
まず、ｎ型ＧａＮからなる基板６１０の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層６１１と、ｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層６３１と、活性層６１２と、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層６１３と、をこの順番に形成する。
次に、ドライエッチング法を用いて、メサを形成することで、側壁面６１４が傾斜した半導体多層膜構造体を形成する。
ここで、ｐ型ガイド層の表面と、前記側壁面とのなす角度が、図２（ｂ）に示したような角度超、すなわち、ガイド層６１３とクラッド層６１１との界面で全反射が生じない角度で傾斜するように、メサを形成する。
続いて、基本的に図１に示す実施例１と同様の構成で、二次元フォトニック結晶６２０と、電極６０１および６０２と、を形成することで、図６（ｃ）に示すような二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザアレイを作製した。
ここで、本実施例において、面発光レーザの形状は、順メサ状に形成された四角形状であるが、四角形に特に限定されるものではなく、例えば、六角形であってもよいし、八角形であってもよいし、円形などであってもよい。
【００３９】
本実施例のおいて、面発光レーザの側壁面は平面であるが、平面に特に限定されるものではない。
例えば、二次元フォトニック結晶を含むガイド層の側壁面の任意の場所における接線を含む平面と、二次元フォトニック結晶の面とのなす角度が、図２（ｂ）に示したような角度超、
すなわち、ガイド層とクラッド層との界面で全反射が生じない角度であれば、例えば、図６（ｄ）に示すように、曲面であってもよい。
また、本実施例において、面発光レーザアレイの配列は、正方格子状であるが、正方格子に特に限定されるものではなく、例えば、三角格子であってもよく、任意の配列にすることができる。
【００４０】
また、本実施例では、基板として、ｎ型ＧａＮ基板を用いる場合について示したが、ｎ型ＧａＮ基板に特に限定されるものではなく、実施例１と同様に、例えば、ＳｉＣ基板や、Ｓｉ基板や、サファイア基板などを用いてもよい。
本実施例において、二次元フォトニック結晶を含むｐ型ガイド層６１３の上に、ｐ型電極６０２を直接形成しているが、実施例１と同様に、該ｐ型ガイド層６１３の上にｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層を形成し、その上にｐ型電極を形成してもよい。
なお、本実施例では、二次元フォトニック結晶６２０が、活性層６１２の上側に配置された、実施例１と同様の構成を有する場合について示した。
しかし、本発明の面発光レーザアレイにおいて、二次元フォトニック結晶の配置場所は特に限定されるものではない。
例えば、図６（ｂ）に示すように、二次元フォトニック結晶６２０が活性層６１２の下側に配置された、実施例２と同様の構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１００：面発光レーザ
１０１，１０２：電極
１０３：選択成長用マスク
１１０：基体およびコンタクト層
１１１：下部クラッド層
１１２：活性層
１１３：二次元フォトニック結晶を含むガイド層（導波路層）
１１４：側壁面
１２０：二次元フォトニック結晶
１２１：フォトニック結晶周期構造体
【図１】
2010263062.tif 000003
【図２】
2010263062.tif 000004
【図３】
2010263062.tif 000005
【図４】
2010263062.tif 000006
【図５】
2010263062.tif 000007
【図６】
2010263062.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月2日(2010.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶と活性層を備えた複数の面発光レーザがアレイ状に配列された面発光レーザアレイであって、
前記面発光レーザはメサ状の傾斜した側壁面を有し、
前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記メサ状の傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満とされていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記メサ状の傾斜した側壁面が、前記（９０＋θｍａｘ）°超、または前記（９０−θｍａｘ）°未満による前記なす角度を備えた曲面で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項３】
前記二次元フォトニック結晶は、半導体層によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
前記メサ状の傾斜した側壁面が、｛１−１０１｝面、または｛１１−２２｝面によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
前記半導体層が、窒化物半導体であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
基体と、該基体上に形成され開口部を有する選択成長用マスクと、前記開口部からの選択成長により形成されたメサ状の半導体層と、を有し、
前記メサ状の半導体層は前記側壁面を有する層であって、
前記二次元フォトニック結晶は、前記メサ状の半導体層に形成されることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記選択成長用マスクが、電流狭窄層として機能するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項８】
前記開口部は閉じた形状を有することを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項９】
前記二次元フォトニック結晶を構成する半導体層の側壁面が、｛１−１０１｝面によって形成されていることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１０】
面内方向に共振モードを有する二次元フォトニック結晶と活性層を備えた複数の面発光レーザが配列された面発光レーザアレイの製造方法であって、
基体上に開口した開口部を有する選択成長用マスクを形成する工程と、
前記開口部から選択成長によってメサ状の傾斜した側壁面を備えた半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に前記二次元フォトニック結晶を形成する工程と、を有し、
前記半導体層を形成する工程において、前記半導体層は前記二次元フォトニック結晶を含む導波路に入射光が結合する前記傾斜した側壁面に対する最大受光角度をθｍａｘ°としたとき、
前記二次元フォトニック結晶の面と前記メサ状の傾斜した側壁面とのなす角度が、（９０＋θｍａｘ）°超、または（９０−θｍａｘ）°未満となるように形成することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。
【請求項１１】
前記側壁面が、｛１−１０１｝面、または｛１１−２２｝面によって形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項１２】
前記半導体層が、窒化物半導体であることを特徴とする請求項１１に記載の面発光レーザアレイ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
つぎに、図１を用いて、本発明の実施形態における二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザがアレイ状に配列されてなる面発光レーザアレイについて説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本実施形態である面発光レーザアレイを構成するメサ状に形成された面発光レーザ１００の構造を示す図である。まず、メサ状の傾斜した側壁面を有する、二次元フォトニック結晶１２０を含む導波路層１１３の製造プロセスについて説明する。
基体１１０上に、半導体層の結晶成長を抑制する例えば二酸化ケイ素などよりなる選択成長用マスク１０３を形成し、該基体上に形成された選択成長用マスクに、開口部を形成する。
なお、開口部は種々の形状とすることができ、たとえば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることが出来る。
次に、選択成長用マスク１０３が形成された基体１１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、次のように薄膜半導体層を結晶成長させる。
すなわち、選択成長用マスク１０３が設けられていない個所から、該選択成長用マスク１０３上への横方向成長を、｛１−１０１｝面が形成されるように制御しつつ、たとえばｎ型ＡｌＧａＮからなる薄膜半導体層を結晶成長させる。
これにより、選択成長用マスク１０３の上に、側壁面が｛１−１０１｝面からなる、断面形状が台形状の下部クラッド層１１１が形成される。