(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と
前記上部クラッド層に接続され、共振器方向に延びるストライプ状の上部電極と、
前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、
前記半導体積層体は、複数の凹部または凸部が共振器方向に周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有し、
前記フォトニック結晶構造は、平面視において、少なくとも一部が前記上部電極と重ならず、しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように形成されており、
前記凹部または凸部は四角格子状に配列されており、前記凹部または凸部の一の配列方向が共振器方向と同一であり、他の配列方向が共振器方向と直交し、
前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異なり、
前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合に、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域から光を放射する、半導体発光素子。
【請求項２】
前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層に形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層、前記活性層、および前記下部クラッド層に亘って形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記凹部または凸部の形状が円柱状である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記凹部または凸部の形状が平板状である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記共振器の幅は２μｍ以上１０μｍ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記共振器の長さは２０μｍ以上５０μｍ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記共振器方向は＜１１０＞方向または＜−１１０＞方向である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔は、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べて大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記半導体積層体の両端面には反射膜が形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記半導体積層体の周囲には所定の間隔で配列された複数の凹部または凸部からなるフォトニック結晶構造が形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記凹部または凸部は前記半導体積層体の上面の全面に亘って形成されている請求の項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域は、前記半導体積層体の中央部である請求項１２に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
共振器方向において隣り合う凹部または凸部のうちの一部の凹部または凸部間の間隔が、他の凹部または凸部間の間隔と比べて、波長／（実効屈折率×４）だけ大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
複数の前記半導体積層体を備え、
前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と、前記上部クラッド層に接続される上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長させる工程と、
前記半導体積層体にエッチングを施すことにより、四角格子状に周期的に配列され、一の配列方向である共振器方向における凹部間の間隔と他の配列方向である共振器方向と直交する方向における凹部間の間隔とが異なる複数の凹部から構成されるフォトニック結晶構造を形成する工程と、
平面視において、前記フォトニック結晶構造の少なくとも一部とは重ならず、しかも前記フォトニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、共振器方向に延びるストライプ状の前記上部電極を前記上部クラッド層上部に形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と、前記上部クラッド層に接続される上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長させる工程と、
前記半導体積層体の前記上部クラッド層上に結晶を選択成長させることにより、四角格子状に周期的に配列され、一の配列方向である共振器方向における凹部間の間隔と他の配列方向である共振器方向と直交する方向における凹部間の間隔とが異なる複数の凹部から構成されるフォトニック結晶構造を形成する工程と、
平面視において、前記フォトニック結晶構造の少なくとも一部とは重ならず、しかも前記フォトニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、共振器方向に延びるストライプ状の前記上部電極を前記上部クラッド層上部に形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に成長したフォトニック結晶を用いた垂直出射型の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフォトニック結晶を用いた半導体発光素子としては、例えば特開平１１−３３０６１９号公報、特開２００１−３０８４５７号公報、特開２００１−９８００号公報（米国特許出願公開第２００２／０１０９１３４号明細書）、特開昭６３−２０５９８４（米国特許第４８４７８４４号明細書）、および特開２００２−０６２５５４号公報などに開示されている。
【０００３】
また、同様に「今田他：アプライドフィジックスレターズ７５（１９９９）３１６（Appl. Phys. Lett. ７５（１９９９）３１６）」にも開示されている。図１は、この「今田他」に開示されているフォトニック結晶を用いた従来の半導体発光素子の構成を示す斜視図である。図１に示すとおり、ｎ型ＩｎＰ基板５１上には、ｎ型ＩｎＰフォトニック結晶層５２、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層５３、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸活性層５４、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５５が順に積層されている。また、ｎ型ＩｎＰ基板５１の裏面には下部電極５７が、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５５の表面には直径が３５０μｍ程度の円形の上部電極５６がそれぞれ形成されている。さらに、ｎ型ＩｎＰフォトニック結晶層５２には直径が０．２μｍ程度の円形の凹部５９が周期的に複数形成されている。
【０００４】
複数の凹部５９が形成されるようにｎ型ＩｎＰフォトニック結晶層５２をｎ型ＩｎＰ基板１上で成長させる一方で、他の基板上にｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５５、量子井戸活性層５４、およびｎ型ＩｎＰ下部クラッド層５３をこの順で成長させる。そして、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層５３とｎ型ＩｎＰフォトニック結晶層５２の表面とを接触させ、水素雰囲気中でアニールすることにより融着させる（矢符６０参照）。その後、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５５を成長させた基板を除去し、その表面に円形の上部電極５６を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に下部電極５７を形成することにより、前述したように構成された半導体発光素子を製造する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のようにして製造された半導体発光素子において、上部電極５６と下部電極５７との間に電流を流すと、閾値電流２Ａ以上で誘導放出が確認され、発振波長が１．３μｍの単一モードが得られた。また、発光は上部電極５６の外周部５８より得られた。
【０００６】
このように、従来の半導体発光素子では閾値電流が２Ａと比較的大きいという問題があった。
【０００７】
また、上部電極５６が円形の電極であるために、光の偏波面がいろいろな方向を持つという問題があった。なお、凹部５９の形状を楕円形にすることにより偏波面を揃えることも考えられるが、形状がそろった楕円形状の凹部５９を複数形成することは非常に困難である。
【０００８】
また、同一の偏波面を有する光であっても、２つの安定する発光モードが存在することにより、発光波長が不安定になるという問題があった。
【０００９】
さらに、前述したように結晶同士を融着させることにより半導体発光素子を製造しているが、大口径の基板全面を融着させることは困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされており、その目的は、閾値電流が低く、しかも光の偏波面が制御された半導体発光素子、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と前記上部クラッド層に接続され、共振器方向に延びるストライプ状の上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体積層体は、複数の凹部または凸部が共振器方向に周期的に配列されたフォトニック結晶構造を有し、前記フォトニック結晶構造は、平面視において、少なくとも一部が前記上部電極と重ならず、しかも前記上部電極と共振器方向で並ぶように形成されており、前記凹部または凸部は四角格子状に配列されており、前記凹部または凸部の一の配列方向が共振器方向と同一であり、他の配列方向が共振器方向と直交し、前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔とが異なり、前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加した場合に、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域から光を放射する。
【００１２】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層に形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は、前記上部クラッド層、前記活性層、および前記下部クラッド層に亘って形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部の形状が円柱状であることが好ましい。
【００１５】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部の形状が平板状であることが好ましい。
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器の幅は２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器の長さは２０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記共振器方向は＜１１０＞方向または＜−１１０＞方向であることが好ましい。
【００１８】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記一の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔は、前記他の配列方向における隣り合う凹部または凸部間の間隔と比べて大きいことが好ましい。
【００１９】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記半導体積層体の両端面には反射膜が形成されていることが好ましい。
【００２０】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記半導体積層体の周囲には所定の間隔で配列された複数の凹部または凸部からなるフォトニック結晶構造が形成されていることが好ましい。
【００２１】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記凹部または凸部は前記半導体積層体の上面の全面に亘って形成されていることが好ましい。
【００２２】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、前記フォトニック結晶構造の平面視において前記上部電極と重ならない領域は、前記半導体積層体の中央部であることが好ましい。
【００２３】
また、前記発明に係る半導体発光素子において共振器方向において隣り合う凹部または凸部のうちの一部の凹部または凸部間の間隔が、他の凹部または凸部間の間隔と比べて、波長／（実効屈折率×４）だけ大きいことが好ましい。
【００２４】
また、前記発明に係る半導体発光素子において、複数の前記半導体積層体を備え、前記複数の前記半導体積層体は互いに交差するように配置されていることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と、前記上部クラッド層に接続される上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長させる工程と、前記半導体積層体にエッチングを施すことにより、四角格子状に周期的に配列され、一の配列方向である共振器方向における凹部間の間隔と他の配列方向である共振器方向と直交する方向における凹部間の間隔とが異なる複数の凹部から構成されるフォトニック結晶構造を形成する工程と、平面視において、前記フォトニック結晶構造の少なくとも一部とは重ならず、しかも前記フォトニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、共振器方向に延びるストライプ状の前記上部電極を前記上部クラッド層上部に形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
さらに、本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された下部クラッド層、前記半導体基板に対して平行な方向の共振器を有している活性層、および上部クラッド層を含む半導体積層体と、前記上部クラッド層に接続される上部電極と、前記下部クラッド層に接続される下部電極とを備え、前記半導体基板に対して略垂直な方向に光を放射するように構成されている半導体発光素子の製造方法であって前記半導体基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長させる工程と、前記半導体積層体の前記上部クラッド層上に結晶を選択成長させることにより、四角格子状に周期的に配列され、一の配列方向である共振器方向における凹部間の間隔と他の配列方向である共振器方向と直交する方向における凹部間の間隔とが異なる複数の凹部から構成されるフォトニック結晶構造を形成する工程と、平面視において、前記フォトニック結晶構造の少なくとも一部とは重ならず、しかも前記フォトニック結晶構造と共振器方向で並ぶように、共振器方向に延びるストライプ状の前記上部電極を前記上部クラッド層上部に形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の前記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の半導体発光素子は、閾値電流を低くすることができ、しかも光の偏波面を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
（参考例１）
図２は本発明の参考例１に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。また、図３は図２のIII−III線矢視図であり、図４は図２のIV−IV線矢視図である。なお、本実施の形態の半導体発光素子の発光波長は１．３μｍとした。
【００３１】
図２から図４に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上にはストライプ構造１０が形成されている。このストライプ構造１０は、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３（厚み１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層４（以下、単に活性層４という）、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み５０ｎｍ）６が順に積層されて構成されている。ここで、活性層４は、５ペアーのＩｎ0.9Ｇａ0.1Ａｓ0.2Ｐ0.8バリア層（厚み１０ｎｍ、組成波長１．１μｍ、格子歪０％）、Ｉｎ0.9Ｇａ0.1Ａｓ0.5Ｐ0.5井戸層（厚み４ｎｍ、量子井戸波長１．３μｍ、格子歪１％）、および導波路（ガイド）層からなる歪量子井戸構造である。ストライプ構造１０の端面は劈開されており、その結果活性層４はｎ型ＩｎＰ基板１に対して平行な方向の共振器として機能する。また、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５には、複数の円柱状の凹部９を四角格子状に配列することによって得られたフォトニック結晶構造２が形成されている。そして、隣り合う凹部９の２つの配列方向（図２中のα方向およびβ方向）のうち、何れか一方の方向（図２ではα方向）と共振器方向とが一致している。
【００３２】
なお、本明細書において、「共振器方向」とは、図２においてα方向として表記されている方向のことであって、すなわち、矩形の共振器の長手方向を意味する。
【００３３】
ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面には下部電極７が形成されている。一方、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面であって、平面視において、フォトニック結晶構造２が形成されていない領域には、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５と比べて幅の狭いストライプ状の上部電極６が形成されている。ここで、フォトニック結晶構造２と上部電極６とは平面視において共振器方向に並べられている。
【００３４】
なお、活性層４、すなわち共振器の幅が２μｍ程度と狭い場合には外部微分量子効率が上昇することになるが、注入電流が増加するにしたがって出力光強度が飽和してくる。一方、このストライプ構造の幅Ｗを１０μｍ程度まで広げた場合、フォトニック結晶構造２内では横方向（共振器の幅方向）にも光を閉じこめることができるので出力飽和は抑制できるが、フォトニック結晶構造２以外の領域では光のモードが不安定になる。したがって、フォトニック結晶構造２の結合係数が比較的小さい場合には、共振器の幅Ｗの増大には限界がある。このような事情により、共振器の幅Ｗは２μｍから１０μｍ程度が好ましい。
【００３５】
次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３６】
図５は本発明の参考例１に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【００３７】
図５（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、Ｓｉをドーピングしたｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３（厚み１００ｎｍ）、アンドープの活性層４（厚み１４ｎｍ）、およびＺｎをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み５０ｎｍ）をＭＯＶＰＥ（Metalorganic vapor phase epitaxy）法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる。ここで、活性層４に意図的に不純物を添加せずアンドープとしたのは、荷電子帯の吸収および自由電子の吸収を抑制するためである。
【００３８】
次に、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスおよびＣＨ４ガスを用いて円形状にＩＣＰドライエッチングすることにより複数の円柱状の凹部９を形成する。この場合、図５（ｂ）に示すとおり、各凹部９は四角格子状に並ぶように形成する。これらの複数の凹部９が周期的に配列された領域がフォトニック結晶構造２となる。この凹部９の周期（隣り合う凹部間の間隔）は光の波長と同程度である。したがって、本実施の形態の場合では１．３μｍ程度である。
【００３９】
次に、図５（ｃ）に示すように、ストライプ構造を形成するために、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５からｎ型ＩｎＰ基板１の一部までを燐酸系エッチャントでエッチングする。そして、図５（ｄ）に示すように、上部電極６としてストライプ状のＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ電極をｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面に、下部電極（図示せず）としてＡｕ−Ｓｎ電極をｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にそれぞれ蒸着させる。この場合、上部電極６は、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面上に、平面視においてフォトニック結晶構造２と共振器方向に並ぶように形成させるために、リフトオフにより成形される。
【００４０】
前述したように複数の凹部９は四角格子状に配列されるが、図５（ｄ）に示すように、凹部９の配列方向のうちα方向は共振器方向と一致するように配列されている。
【００４１】
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。
【００４２】
なお、前述したように凹部９を形成する場合であって、フォトニック結晶構造２の長さ（α方向）を２μｍ以上とするときは、図３に示すように、活性層４をエッチングしないようにｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５中でエッチングを停止することが好ましい。これにより、活性層４に及ぼすダメージを抑制することができるので、発光効率を向上させることが可能となる。
【００４３】
また、フォトニック結晶構造２の長さ（α方向）が１０μｍ以下のときは、図６に示すように、活性層４を通り越してｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３までエッチングすることが好ましい。このようにフォトニック結晶構造２の長さが１０μｍ以下と比較的小さい場合には、フォトニック結晶による効果が小さくなってしまう。そのため、光がフォトニック結晶とカップリングしやすくするために、光の分布の大部分がフォトニック結晶による回折を受けるようにｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３までエッチングする。この場合、ドライエッチングによるダメージを受けることになるが、Ｃｌ２ガスでエッチングした後に、ダメージを受けた領域をＣＨ４またはＳＦ６ガスでエッチングすることにより、閾値電流の増大を抑制することができる。
【００４４】
本実施の形態の場合、共振器方向は劈開性に優れた＜１１０＞または＜−１１０＞方向とする。しかし、ドライエッチングにより共振器を形成する場合には特に共振器方向に限定はない。ただし、エッチング端面の垂直性を良好にするためには共振器方向を＜１１０＞または＜−１１０＞方向とすることが好ましい。
【００４５】
また、共振器の長さは２０μｍから５０μｍ程度とする。これは、フォトニック結晶構造２内で回折されて取り出される光強度が小さいために、端面コートなどによりストライプ構造１０の端面における損失を抑制させることによって光損失を通常のレーザと比べて極めて小さくすることができ、短共振器にして利得が低下したとしても十分な光を外部に放出させることができるためである。ここで共振器の長さを５０μｍにした場合には閾値電流が２０μＡ程度となり、同じく２０μｍにした場合には閾値となる電流値は存在せず、光出力が注入電流に正比例して増加することが分かった。
【００４６】
本実施の形態では、フォトニック結晶として円柱状の凹部を周期的に形成しているが、円柱状の凸部であってもよい。本実施の形態で円柱状の凸部ではなく凹部としたのは、凹部の方がドライエッチングする容積が小さいためにエッチングによるダメージを抑制させることができるためである。また、凸部とした場合には強度に問題があると考えられる。一方、円柱状の凸部とした場合には、等価屈折率が小さくなるため、凹部の場合と比べて配列する際の周期を大きくすることができるというメリットがある。したがって、光の波長が例えば０．８５μｍなどのように短くなる場合には凸部とした方が好ましい。以上の点については後述する他の実施の形態においても同様である。
【００４７】
なお、円柱状ではなく角柱状の凹部または凸部を周期的に形成することによってフォトニック結晶を得るようにしてもよい。しかし、形状のそろった角柱を作製することは円柱の場合と比べて困難である。このことは断面が楕円である円柱状の凹部または凸部の場合も同様で、楕円率が大きくなるほど形状のばらつきが大きくなる。したがって、本実施の形態では断面が真円の円柱状とした。以上の点については後述する他の実施の形態においても同様である。
【００４８】
以上のように製造された半導体発光素子の動作について説明する。上部電極６と下部電極７との間に、上部電極６を正電位とし、下部電極７を負電位とした電圧を印加することにより、活性層４に電流を流す。その結果、活性層４のｎ型領域からｐ型領域へ電子が注入され、ｐ型領域からｎ型領域へホールが注入される。注入された電子とホールとは、活性層４のｎ型領域とｐ型領域との界面に形成されるｐ−ｎ接合の近傍で誘導放出を起こす。これにより活性層４で光が発生する。この光は、活性層４内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造２において、ｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に回折される。その結果、フォトニック結晶構造２からｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に光８が放出される。
【００４９】
図７は本発明の参考例１に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ａ）はフォトニック結晶が形成されていない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）はフォトニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、フォトニック結晶が形成されていない領域においては、波数が大きくなるにしたがってエネルギーが直線的に上昇する。なお、図７（ａ）では、光のエネルギーが小さい領域におけるエネルギーと波数との関係であって、周期構造により折り返された後の関係を示している。そのため、波数が減少するにしたがってエネルギーが上昇し、その後再び折り返され、波数が大きくなるにしたがってエネルギーが上昇している。その結果、フォトニック結晶による摂動が起こらないため、波数とエネルギーとは連続的に変化しており、フォトニックバンドギャップは形成されない。また、図７（ａ）において光強度を横軸として波長を縦軸とした場合、自然放出光はローレンツ分布を示している。
【００５１】
一方、図７（ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造においては、フォトニック結晶による摂動が起きるため、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）が形成される。このフォトニックバンドギャップ内では自然放出光は存在することができない。これに対して、フォトニックバンドギャップの高エネルギー端以上および低エネルギー端以下においては自然放出光が存在することができる。フォトニックバンドギャップの中心エネルギーに対応する光の角速度ω０は、フォトニック結晶の周期（隣り合う凹部９間の間隔）をΛとした場合、ｎｅｆｆ・ω０／ｃ＝π／Λの関係で表される。ここでｎｅｆｆは光の等価屈折率を、ｃは光速をそれぞれ示している。フォトニックバンドギャップの大きさΔωは、Δω＝２ｋｃ／ｎｅｆｆとなる。ここで、ｋは結合係数を表している。フォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光のエネルギーとが一致した場合には、自然放出光を発生する電子と光との関係に加えてフォトニック結晶の摂動による関係が付加されるため、電子と光との遷移確率も摂動を受ける。その結果、図７（ｂ）に示すように、自然放出光とフォトニックバンドギャップとがカップリングして超放射による高い自然放出光強度が得られる。この場合の自然放出光の半値幅は０．２ｎｍ以下であり、発光強度は約３０倍程度となる。
【００５２】
なお、図７（ｂ）においてはフォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光の波長とが一致しているが、フォトニックバンドギャップの低エネルギー端と自然放出光の波長とが一致している場合でも同様の結果が得られる。ただし、フォトニック結晶を構成する複数の凹部が四角格子状に配列されている場合には、フォトニックバンドギャップの高エネルギー端と自然放出光の波長とを一致させる方が、バンド間隔が大きく離れているために縮退の影響が無いという利点がある。
【００５３】
本実施の形態の半導体発光素子の場合、特に閾値となる電流値は存在せず、注入電流に応じて光出力が増加する。波長が１．３μｍの場合、外部微分量子効率は６０％程度となることを明らかにした。また、注入電流が２ｍＡ以上の場合、動作速度は１０ＧＨｚとなることがわかった。発光領域から同一周波数で位相のそろったコヒーレント光が得られるため、レンズのＮＡに対応する値までスポットを絞り込むことができる。また、ＴＥ光の偏波面はストライプ構造のストライプ方向（共振器方向）となる。比較的強い電流をパルス状に注入した場合においては、ピコ秒の強い発光が生ずる超放射現象も得られることがわかった。
【００５４】
なお、本実施の形態では半導体基板をＩｎＰ結晶としているが、フォトニック結晶の作製精度が上がれば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、またはＧａＰ結晶を使用することも可能である。また、半導体基板はｎ型としているがｐ型であってもよい。ｎ型結晶の方が一般的には抵抗値が低いため、活性層までの間にフォトニック結晶がある方をｎ型にする方が、電流が均一に活性層に注入されることになるので好ましい。
【００５５】
前述したように、フォトニック結晶構造の長さ（α方向）は、図３に示す構成の場合（凹部９がｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５内にのみ形成されている）では２μｍ以上、図６に示す構成の場合（凹部９がｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５からｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３の途中まで形成されている）では１０μｍ以下とすることが好ましい。したがって、このフォトニック結晶構造の長さ（α方向）が２μｍ以上１０μｍ以下の場合では図３に示す構成でもよく、図６に示す構成でもよいことになる。どちらが好ましいのかは、ドライエッチングによるダメージの大きさおよびエッチング表面の形状の平坦性などに依存する。例えば、ドライエッチングの際に、Ｃｌ２ガスで平坦性の良好な表面を形成し、ＣＦ４ガスでダメージ領域を除去することによって、図６に示す構成にすることが可能となる。
【００５６】
（実施の形態１）
実施の形態１では、参考例１の場合と同様にフォトニック結晶を有しているが、共振器方向におけるフォトニック結晶の周期と、その共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶の周期とが異なるように構成された半導体発光素子について示す。
【００５７】
図８は本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。図８に示すように、四角格子状に複数の凹部９を配列させることによってフォトニック結晶構造２が形成されている。ここで、共振器方向における凹部９の周期（隣り合う凹部９間の間隔）Ｆ１は、その共振器方向と直交する方向における凹部９の周期Ｆ２と比べて長くなっている。また図中の１３はｐ型ＩｎＰ上部クラッド層を後述するように選択成長させたときの成長領域を示している。なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については参考例１の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００５８】
次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。なお、参考例１ではドライエッチングを用いてフォトニック結晶を作製する方法について説明したが、本実施の形態では選択成長を用いてフォトニック結晶を作製する方法について説明する。もちろん、本実施の形態でも参考例１の場合と同様にしてドライエッチングを用いた方法でも作製することは可能である。本明細書において示すすべての実施の形態において、ドライエッチングを用いる方法および選択成長を用いる方法の何れの方法によってもフォトニック結晶を作製することが可能である。
【００５９】
図９は本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【００６０】
図９（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、Ｓｉをドーピングしたｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３（厚み１００ｎｍ）、アンドープの活性層４（厚み１４ｎｍ）、およびＺｎをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み１０ｎｍ）をＭＯＶＰＥ法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる。また、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５上にＳｉＯ２膜１２を形成する。
【００６１】
次に、図９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜１２を選択成長マスクとしてｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み１００ｎｍ）を選択成長させて、四角格子状に配列された複数の円柱状の凹部９を形成することによってフォトニック結晶構造２を形成する。この場合、共振器方向と同一の方向における凹部９の周期Ｆ１が、その長さ方向と直交する方向における凹部９の周期Ｆ２と比べて長くなるように凹部９を配列する。
【００６２】
なお、以上のようにしてフォトニック結晶構造２を形成する場合において、選択成長のときにファセットが形成されるおそれがある。しかし、膜厚が２００ｎｍ以下程度のように小さい場合にはファセットは形成されなかった。
【００６３】
次に、図９（ｃ）に示すように、ストライプ構造を形成するためにｎ型ＩｎＰ基板１の一部に至るまでを燐酸系エッチャントでエッチングする。なお、図中の１３は前述したようにｐ型ＩｎＰ上部クラッド層を選択成長させたときの成長領域を示している。そして、図９（ｄ）に示すように、上部電極６としてＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ電極をストライプ構造１０におけるｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１３の表面に蒸着させる。また、図示しないが、下部電極７としてＡｕ−Ｓｎ電極をｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に蒸着させる。この場合、上部電極６は、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面上に、平面視においてフォトニック結晶構造２と共振器方向に並ぶように形成させるために、リフトオフにより成形される。
【００６４】
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。
【００６５】
ところで、図６に示すように凹部９がｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３の途中まで形成されている構成を得るためには、まずｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３の一部までエピタキシャル成長させておき、その後に前述したようにＳｉＯ２膜を選択成長マスクとしてｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３、活性層４、およびｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５を選択成長させるようにすればよい。この場合、選択成長マスクの近傍ではファセットが形成されるために各層の膜厚が薄くなって耐圧が低下し、リーク電流が生ずるおそれがある。そこで、膜厚が小さい領域をエッチングして除去する工程を設けることが好ましい。具体的には、選択成長工程が終了した後にＣＨ４またはＳＦ６ガスで膜厚が小さい領域をエッチングする。これにより、閾値電流の増大を防止することができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では円柱状の凹部９を設けているが、円柱状の凸部を設けるようにしてもよい。しかし、凸形状の場合では、孤立した円柱状の結晶を選択成長させることになる。この場合、各凸部の成長は独立に進行する。その結果、各凸部の高さがそれぞれ異なる事態が容易に生ずるため、選択成長時の安定性の確保という観点から問題があった。また、成長速度が比較的大きい場合においては凸部の先端にファセットが形成されることになるため、平坦にならないという問題があった。そこで、選択成長条件を注意深く選択し、例えば成長温度の低下などの成長条件の最適化により円柱状の凸部を有するフォトニック結晶構造を作製しなければならない。
【００６７】
以上のようにして製造された半導体発光素子において、参考例１の場合と同様に、上部電極６と下部電極７との間に電圧を印加すると活性層４において誘導放出が起きる。これにより活性層４で光が発生する。この光は、活性層４内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造２において、ｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に回折される。その結果、フォトニック結晶構造２からｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に光が放出される。
【００６８】
図１０は本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ａ）は共振器方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）はその共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【００６９】
本実施の形態の場合、共振器方向においては、フォトニック結晶の周期Λを、自然放出光の波長とフォトニックバンドギャップの高エネルギー端とが一致するように設定してある。ここで、共振器方向と直交する方向においては、共振器方向と同一の方向の場合と比べてフォトニック結晶の周期Λを小さくしてあるため、ｎｅｆｆ・ω／ｃ＝π／Λより、図１０（ａ）および（ｂ）に示すようにフォトニックバンドギャップの中心エネルギー（ωと等価）は増加することになる。
【００７０】
図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、共振器方向では自然放出光とバンド端とがカップリング（結合）しているが、共振器方向と垂直な方向では自然放出光の波長はフォトニックバンドギャップ内部に位置することになる。したがって、共振器方向と垂直な方向には自然放出光が伝播しないことになる。その結果、ストライプ構造の外部への光の染み出しが減少するため、共振器方向およびその共振器方向と垂直な方向におけるフォトニック結晶の周期が等しい場合と比べて、低閾値電流での発振を実現することができる。
【００７１】
また、本実施の形態の半導体発光素子では、断面が真円の円柱状の凹部を用いたとしても偏波面の制御が可能となる。参考例１においては、共振器方向にＴＥモードが形成されることを示したが、このストライプ構造の幅が大きくなるとモードの安定性が低下するという問題があった。本実施の形態の場合、フォトニック結晶のピッチを変化させて共振器方向に垂直な方向においてフォトニックバンドギャップを形成することによって、この垂直な方向においてはＴＥモードが存在できなくなる。これにより、ストライプ構造の幅が大きい場合であっても、安定して共振器方向にＴＥモードを誘起することが可能になる。
【００７２】
ところで、選択成長をさせる場合では、成長時にファセットが形成されるために矩形の構造を再現性良く作製することができる。特に、凸部を選択成長させるような場合には、ファセット成長を行うことにより形状均一性に優れた凸部を作製することができる。したがって、成長条件を最適化することにより凸部を選択成長で作製する場合には、角柱状の凸部からなるフォトニック結晶構造を容易に得ることができる。
【００７３】
（参考例２）
参考例２では、ストライプ構造の端面に光を反射させる反射膜を形成することによって自然放出光および誘導放出光が共振器方向で漏れることを防止することができる半導体発光素子について示す。
【００７４】
図１１は本発明の参考例２に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、ストライプ構造１０の両端面にはアルミナとチタニアとからなる絶縁体多層薄膜１１が形成されている。なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については参考例１の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００７５】
次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００７６】
まず、参考例１の場合と同様にしてフォトニック結晶構造２を作製する。次に、ストライプ構造の両端面をドライエッチングで垂直に成形した後、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、その両端面にアルミナとチタニアとからなる絶縁体多層薄膜１１をそれぞれ積層させる。その後、ドライエッチングした溝に沿って素子を分離する。本実施の形態においては、絶縁体多層薄膜１１をストライプ構造１０の垂直な端面に堆積（デポ）させるために、ＥＣＲスパッタ法を用いて高反射多層膜を積層させることによって絶縁体多層薄膜１１を形成した。絶縁体多層薄膜１１の層数を４とした場合、９８％の反射率を得た。このような高反射の絶縁体多層薄膜１１を形成することにより、ストライプ構造１０の端面における反射損失を大きく低減することが可能となる。これにより、参考例１にも示したとおり、長さ５０μｍ程度の短共振器において閾値電流を２０μｍ程度とすることが可能となる。
【００７７】
しかしながら、垂直な面に絶縁体多層薄膜１１を形成した場合、各層のデポ時において絶縁体薄膜の膜厚が不均一となり、反射損失が増大するおそれがあるという問題があった。そこで、次のような構成とすることが好ましい。
【００７８】
図１２は本発明の参考例２に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。この変形例では絶縁体多層薄膜に代えてフォトニック結晶により反射鏡を構成している。
【００７９】
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５からｎ型ＩｎＰ基板１に至るまで、平面視でストライプ状になるように分離溝１８が形成されている。この分離溝１８で囲まれた領域１７内のｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面にはフォトニック結晶構造２および上部電極６が形成されている。一方、分離溝１８で囲まれた領域１７を取り囲むように、当該領域１７の外側のｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５には円柱状の反射用凹部１５が四角格子状に形成されている。ここで、α方向およびβ方向の何れの方向においても、反射用凹部１５の周期（隣り合う反射用凹部１５間の間隔）は、凹部９の周期よりも短くなっている。この反射用凹部１２は、上部クラッド層５から下部クラッド層３の途中に至るまで形成されている。このようにして反射用凹部１２が形成されている領域が反射鏡領域となる。領域１７と反射鏡領域とを分離溝１８により分離させているのは、領域１７から反射鏡領域への電流のリークを抑制するためである。
【００８０】
前述した例のようにストライプ構造の端面に絶縁体多層薄膜を形成して反射鏡を構成した場合には、共振器方向と同一の方向の光しか反射することができないため、レーザ用の反射鏡としては問題ない。しかし、本発明のように自然放出光を制御する場合には、共振器方向からわずかにずれた方向の自然放出光を十分に反射できないという問題があった。これに対して、本変形例の場合、反射鏡領域において反射用凹部１２を片側に４周期程度設けた場合には９８％の反射率が得られ、図１２（ａ）に示すように同じく片側に２周期設けた場合であっても９５％程度の反射率が得られることがわかった。その結果、参考例１にも示したとおり、長さ２０μｍ程度の短共振器において閾値電流のないレーザ発振を実現することが可能となる。
【００８１】
（参考例３）
参考例３では、ストライプ構造の全体に亘ってフォトニック結晶構造を形成することにより、反射面における光の位相の揺らぎによってモードが不安定になることを防止することができる半導体発光素子を示す。
【００８２】
図１３は本発明の参考例３に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視図である。
【００８３】
図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、ストライプ形状をなしているｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の全体に亘って円柱状の凹部９が四角格子状に形成されている。なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成は参考例２の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００８４】
次に、以上のように構成された本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００８５】
まず、参考例１の場合と同様にしてフォトニック結晶構造２を作製するが、この際に円柱状の凹部９をドライエッチングによりストライプ構造１０の上面の全体に亘って形成する。次に、フォトニック結晶構造２の一部の表面上にストライプ状の上部電極６を蒸着する。そして、共振器を形成するためにストライプ構造１０の両端面をドライエッチングで垂直に成形した後、その両端面にアルミナとアモルファスシリコンとからなる絶縁体多層薄膜１１を積層させる。その後、ドライエッチングした溝に沿って素子を分離する。これにより、図１３（ａ）および（ｂ）に示す本実施の形態の半導体発光素子を得ることができる。
【００８６】
なお、上部電極を形成する工程においては、凹部９の内部に電極金属が回り込むのを防止するために、全ての電極材料を蒸着させるのではなく、フォトニック結晶構造２上に薄くＣｒ／Ｐｔを堆積させてコンタクト抵抗を低下させた後にＰｔ／Ａｕからなる金属箔を接着させることにより上部電極を形成する。ところで、図６に示したように凹部９を下部クラッド層３の途中まで形成する場合においては、電極材料が回り込むことによるリーク電流の増大が著しい。そこで、この場合においては、フォトニック結晶構造２の表面に薄くＳｉＯ２膜を堆積させ、ＣＨＦ３を用いたＩＣＰドライエッチングで当該ＳｉＯ２膜の平坦部表面のみをエッチングで除去した後に上部電極６を蒸着させることが好ましい。
【００８７】
以上のようにして製造された半導体発光素子において、参考例１の場合と同様に、上部電極６と下部電極７との間に電圧を印加すると活性層４において誘導放出が起きる。これにより活性層４で光が発生する。この光は、活性層４内で増幅されると共に、フォトニック結晶構造２において、ｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に回折される。その結果、フォトニック結晶構造２の上部電極６と平面視において重ならない領域からｎ型ＩｎＰ基板１に垂直な方向に光が放出される。
【００８８】
以上のように、ストライプ構造１０の上面の全体に亘ってフォトニック結晶を設けることによって、半導体発光素子を高速で変調させる場合においても共振器内に形成される定在波が安定する。これは、半導体発光素子に変調電流を注入した場合、共振器内部におけるキャリア密度の変動により屈折率が変化するため、フォトニック結晶が存在していない領域では定在波が乱れるためである。本実施の形態においては、ストライプ構造１０の上面の全体に亘ってフォトニック結晶構造２を形成することによって、フォトニック結晶の周期に光の摂動を強制的に同期させている。これにより、４０ＧＨｚ程度の変調速度の場合においても安定した発光モードを得ることができることがわかった。しかし、共振器（活性層４）の長さが１００μｍ以上と大きくなった場合には、共振器内の光密度に共振器方向の分布が生じることになるため、動作速度が制限されるという問題が生じる。したがって、本実施の形態では共振器の長さを１００μｍ以下にすることが好ましい。
【００８９】
ところで、閾値電流を低下させることよりもモードの安定性が要求されるような場合では、図１４（ａ）に示すように、円柱状の凹部９の一部を平板状の凹部１６とすることが好ましい。図１４（ａ）では、上部電極６が形成されている領域に複数の平板状の凹部１６が形成されている。なお、ここでモードの安定性の評価指標としては偏波面の安定性までを含めることとする。図１３（ａ）に示すような円柱状の凹部９を四角格子状に配列してある二次元フォトニック結晶の場合では、β方向（共振器方向と直交する方向）へも光が結合しているためにβ方向の光分布の変動によって偏波面が回転することとなり、偏波面が不安定となる。これに対して、平板状の凹部１６を設けた場合では、β方向への自然放出光の摂動は生じず、α方向（共振器方向）に進行する波動しか結合しない。そのため、自然放出光を十分に利用することができず、閾値電流は上昇することになる。しかしながら、ストライプ構造の厚み方向において一様な位相で光が摂動を受けることになるため、偏波面の回転は生じない。その結果、閾値電流は０．１ｍＡ程度となるが、光出力強度によらず一定の偏波面を有する出力光を得ることができる。
【００９０】
一方、光強度よりもモードの安定性が要求される場合には、図１４（ｂ）および（ｃ）に示すように、上部電極６を２つに分け、ストライプ構造１０の中央部を除く両端部に形成する。これにより、ストライプ構造１０の中央部が光出力領域となる。図１４（ｅ）に示すように強い出力光を得るためには、共振器内の光強度が大きくなる反射面の近傍から光を取り出すことが望ましい。しかしながら、端面の近傍では、端面に近づくにしたがって光強度が急激に大きくなるためにホールバーニングが生じて偏波面が不安定になるという問題があった。そこで、図１４（ｂ）および（ｃ）に示すように発光領域を共振器（活性層４）の中央に設けることによって、フォトニック結晶が存在する領域は光強度の弱い領域となるが、ホールバーニングが生じないためにモードが安定化する。
【００９１】
さらに、偏波面の安定性を向上させるために、図１４（ｄ）に示すようにストライプ構造の上面の全体に亘って平板状の凹部１６を設けるようにしてもよい。しかしながら、このような構成の場合では偏波面は一定となるが、出力光が共振器内の光と十分に結合することができず、しかも自然放出光を有効に利用することができないため、光出力は低下する。
【００９２】
本実施の形態では、円柱状または平板状の凹部によりフォトニック結晶構造を構成しているが、円柱状または平板状の凸部によりフォトニック結晶構造を構成するようにしてもよい。本実施の形態で凸部ではなく凹部としたのは、凹部の方がドライエッチングによるダメージを抑制することができ、しかもフォトニック結晶の上に電極を形成する場合に凹部とした方が結晶の表面が連続しているためにより平坦となって電極を容易に形成できるためである。特に本実施の形態の場合は、凸部によりフォトニック結晶構造を構成することとすると、下部クラッド層までエッチングしたり、活性層を選択成長させたりしたときに、凸部の周辺にも電極金属が蒸着されてしまい短絡を起こすおそれがあるため、凹部とすることが好ましい。
【００９３】
（参考例４）
参考例４では、フォトニック結晶構造に位相シフト構造を導入することにより発光モードをより一層安定させることができる半導体発光素子を示す。
【００９４】
図１５は本発明の参考例４に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は変形例の構成を示す断面図、（ｃ）はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。
【００９５】
図１５（ａ）に示すように、上部電極６は、上部クラッド層５の両端部の上面に形成されており、上部クラッド層５の中央部には形成されていない。したがって、本実施の形態の場合はストライプ構造１０（共振器）の中央部から光が出射することになる。
【００９６】
共振器の中央部以外の領域に位置する共振器方向において隣り合う凹部９間の間隔をＬとする。一方、共振器の中央部に位置する共振器方向において隣り合う凹部９間の間隔をＬ＋λ／４ｎに広げる。ここでλは光の波長、ｎは等価屈折率である。以下では、このようにλ／４ｎだけ凹部９間の間隔を広げた構造のことをλ／４ｎシフト構造と呼ぶ。
【００９７】
なお、本実施の形態の半導体発光素子のその他の構成については参考例２の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【００９８】
以上のように共振器方向においてλ／４ｎシフト構造を導入することによって左向きの波動と右向きの波動とがカップリングし、図１５（ｃ）に示すように、共振器の中央部における光強度が増大することになる。その結果、光は出射する領域の対称性が良くなるため、光ファイバとの接合が容易になるという利点がある。また、光を出射する領域が共振器の中央部に位置することによってより強い光出力を得ることができる。
【００９９】
図１６は本発明の参考例４に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ｃ）は図１５（ａ）のα方向（共振器方向）におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）は同じくβ方向（共振器方向と直交する方向）におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【０１００】
前述したように左向きの波動と右向きの波動とがカップリングして得られる光のエネルギーは、図１６（ａ）に示すようにλ／４ｎシフトを起源とする格子欠陥が導入された場合と等価となり、フォトニックバンドギャップ内に、欠陥順位と対応する光のエネルギーレベルが形成される。λ／４ｎシフト構造を導入した場合、格子欠陥に対応するエネルギーはｎｅｆｆ・ω０／ｃ＝π／Λにより求められる値となる。したがって、このエネルギーは、フォトニックバンドギャップエネルギーの中心のエネルギーに対応することになる。また、フォトニックバンドギャップのエネルギーは、参考例３において図１４（ｂ）に示したような凹部９が等間隔に四角格子状に配列された場合のΔω＝２ｋｃ／ｎｅｆｆの２倍となる。このように等間隔に四角格子状に配列された場合では、図１０（ａ）に示すように高エネルギー端と低エネルギー端とで発光する可能性があるが、λ／４ｎシフト構造を導入することにより最も発光しやすいフォトニックバンドギャップの中央で発光することになる。また、λ／４ｎシフト構造の場合、欠陥の高エネルギー側も低エネルギー側もフォトニックバンドギャップ内に位置するため、図７（ｂ）に示した片側にフォトニックバンドギャップが形成されないような均一格子構造の場合と比べてより強く光が摂動を受けることになる。したがって、大きなＱ値を持ち、半値幅が小さく、大きな強度の自然放出光の特定モードによる増幅が可能となる。
【０１０１】
本実施の形態において自然放出光の波長と欠陥準位とが一致した場合には、強い摂動による発光が実現されることが分かった。α方向およびβ方向における周期（隣り合う凹部間の間隔）を調整することによって、横方向（共振器方向と直交する方向）にはフォトニックバンドギャップ内に自然放出光レベルを存在させることができるようになる。その結果、横方向における光の伝播が不可能となり、共振器方向に単一モードの発光が観測されることになる。
【０１０２】
なお、フォトニック結晶構造２は、前述したように円柱状の凹部９で構成されてもよいが、図１５（ｂ）に示すように平板状の凹部１６で構成されていてもよい。平板状の凹部を用いた場合、閾値電流が大きく光出力の強度が大きくなるとともに、偏波面の安定性が高くなるという特徴がある。
【０１０３】
（参考例５）
参考例５では、フォトニック結晶構造を有したストライプ構造を直交させて設けることにより発光モードをより一層安定させることができる半導体発光素子を示す。
【０１０４】
図１７は本発明の参考例５に係る半導体発光素子について説明するための図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図、（ｂ）はその半導体発光素子の動作原理を示す図、（ｃ）は電界の挙動を示す図である。
【０１０５】
本実施の形態の場合、他の実施の形態におけるストライプ構造と同様な構造が２つ設けられ、それらの構造は直交して配置されている。より具体的には、図１７（ａ）に示すように、他の実施の形態と同様にフォトニック結晶構造を有しているストライプ構造１０Ａおよびストライプ構造１０Ｂを備えており、これらのストライプ構造１０Ａとストライプ構造１０Ｂとは直交するようにα方向、β方向（α方向と直交する方向）にそれぞれ配置されている。また、ストライプ構造１０Ａとストライプ構造１０Ｂとが交差している領域Ｂには上部電極６が形成されておらず、それ以外の領域Ａ上に上部電極６が形成されている。
【０１０６】
なお、本実施の形態のその他の構成については参考例１の場合と同様であるので同一符号を付して説明を省略する。
【０１０７】
次に本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。図１９は本発明の参考例５に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【０１０８】
参考例１において図５（ａ）を参照して前述したように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、Ｓｉをドーピングしたｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３（厚み１００ｎｍ）、アンドープの活性層４（厚み１４ｎｍ）、およびＺｎをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み５０ｎｍ）をＭＯＶＰＥ法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる（図１９（ａ））。
【０１０９】
次に、参考例１と同様に、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスおよびＣＨ４ガスを用いて円形状にＩＣＰドライエッチングすることにより複数の円柱状の凹部９を形成する。この場合、図１９（ｂ）に示すとおり、各凹部９は四角格子状に並ぶように形成され、しかもそれらの凹部９が十字状となるように配列される。これらの複数の凹部９が配列された領域がフォトニック結晶構造となる。
【０１１０】
次に、参考例１と同様に、ストライプ構造を形成するために、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５からｎ型ＩｎＰ基板１の一部までを燐酸系エッチャントでエッチングする（図１９（ｃ））。そして、図１９（ｄ）に示すように、上部電極６としてＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ電極をｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面に、下部電極（図示せず）としてＡｕ−Ｓｎ電極をｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にそれぞれ蒸着させる。この場合、上部電極６は、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５の表面であって、十字の交差部分以外の領域に形成させるために、リフトオフにより成形される。これによりストライプ構造１０Ａおよびそのストライプ構造１０Ａと直交するストライプ構造１０Ｂが作製される。
【０１１１】
以上の工程により本実施の形態の半導体発光素子を製造することができる。
【０１１２】
次に本実施の形態の半導体発光素子の動作原理について図１７（ｂ）を参照して説明する。図１７（ｂ）において縦軸はエネルギーを、横軸は波数をそれぞれ示している。ストライプ構造１０Ａおよび１０Ｂが交差している領域Ｂ以外の領域Ａにおいては、共振器方向にモードが局在するため、縮退が解けて、高エネルギー端が２つのバンドにスプリットする。一方、ストライプ構造１０Ａおよび１０Ｂが交差している領域Ｂにおいては、α方向とβ方向とが対称であるため、１つのエネルギー準位に縮退する。ここで、領域Ａにおける光が領域Ｂに入射した場合、領域Ａの低エネルギー側の光Ａ１は領域Ｂのバンドギャップ内に位置するために伝播できず、その結果放射モードとなる。一方、高エネルギー側の光Ａ２は領域Ｂを通過するために増幅される。領域Ｂの回折効率κおよび周期Λを調節することによって得られた領域Ｂ’において、領域Ａの光Ａ２と領域Ｂの高エネルギー端のエネルギーとが一致するようにすると、領域Ａの光Ａ２のみが増幅され、外部に取り出されることになる。この場合の電界の挙動は、図１７（ｃ）に示すようにα方向の電場の変動とβ方向の電場の変動とが直交することにより、光の周波数で偏波面が回転することになる。通常の観測では、電場が直交しており、磁場と電場とが重なって観測されることになる。その結果、電場の方向は共振器方向、すなわちフォトニック結晶構造の周期ポインティングベクトルの方向となる。通常のフォトニック結晶素子の場合には、電場が周期ポインティングベクトルからずれることが問題となっているが、本実施の形態の場合ではポインティングベクトルの方向に直交する電場が存在することが分かった。
【０１１３】
なお、本実施の形態の半導体発光素子は、参考例２において図１４（ａ）から（ｄ）を参照して前述したような種々の構成を応用することができる。
【０１１４】
図１８は、本発明の参考例５に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、（ａ）はその変形例の構成を示す平面図、（ｂ）は他の変形例の構成を示す平面図である。図１８（ａ）に示す変形例では、ストライプ構造１０Ａおよび１０Ｂの領域Ａにおけるフォトニック結晶構造が平板状の凹部１６によって構成されている。また、図１８（ｂ）に示す変形例では、ストライプ構造１０Ａの領域Ａにおけるフォトニック結晶構造は円柱状の凹部９によって構成されており、ストライプ構造１０Ｂの領域Ａにおけるフォトニック結晶構造は平板状の凹部１６によって構成されている。このように構成した場合、領域Ａにおける光（図１７（ｂ）におけるＡ１）の発光が抑制されることになる。
【０１１５】
また、図２０（ａ）から（ｄ）は、本発明の参考例５に係る半導体発光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。図２０（ａ）に示す変形例では、光出力領域となる領域Ｂにおいて、平面視で平方格子状の凹部１９が形成されている。また、図２０（ｂ）に示す変形例では、同じく領域Ｂにおいて、平面視で四角管状の凹部２０が入れ子状に形成されている。このような構成の場合でもポインティングベクトルの回転が抑制されることが分かった。特に、共振器構造を形成するストライプ構造の外部に漏れ出す自然放出光を抑制するために、ストライプ構造の外部に発光波長がフォトニックバンドギャップ内になるように周期を調整した円柱状の凹部を形成することによって、発光効率を増大することができた。
【０１１６】
また、図２０（ｃ）に示す変形例においては、発光波長がフォトニックバンドギャップ内に存在するフォトニック結晶構造が共振器（ストライプ構造１０Ａおよび１０Ｂ）の周囲に形成されている。この場合には共振器端面に高反射膜を形成する必要がないという利点がある。図２１にこのような変形例の製造方法を示している。
【０１１７】
図２１は本発明の参考例５に係る半導体発光素子の変形例の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその変形例の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその変形例の構成を示す平面図である。
【０１１８】
参考例１において図５（ａ）を参照して前述したように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、Ｓｉをドーピングしたｎ型ＩｎＰ下部クラッド層３（厚み１００ｎｍ）、アンドープの活性層４（厚み１４ｎｍ）、およびＺｎをドーピングしたｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５（厚み５０ｎｍ）をＭＯＶＰＥ法などの公知の結晶成長方法によりエピタキシャル成長させる（図２１（ａ））。
【０１１９】
次に、十字状となるように、複数の平板状の凹部１６および円柱状の凹部９を並べて形成する。具体的には、図２１（ｂ）に示すように、十字状の交差領域には円柱状の凹部９を四角格子状に配列し、その他の領域には平板状の凹部１６を所定の間隔で配列する。そして、このようにして得られた十字状の領域の周囲には、当該十字状の領域を取り囲むように、円柱状の反射用凹部２１が四角格子状に形成されている。
【０１２０】
次に、図２１（ｃ）に示すように、平板状の凹部１６および円柱状の凹部９により構成される十字状の領域を取り囲むように、分離溝２２を形成する。そして、図２１（ｄ）に示すように、十字状の交差領域以外の領域に上面電極を蒸着させる。
【０１２１】
以上の工程により、図２０（ｃ）に示すような本実施の形態の半導体発光素子の変形例を製造することができる。
【０１２２】
以上で説明した本実施の形態およびその変形例におけるフォトニック結晶は、凹部を平方格子または長方格子状に配列することにより構成されているが、図２０（ｄ）に示すように凹部を三角格子状に配列することにより構成するようにしてもよい。この場合には３つのストライプ構造１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが設けられることになり、各ストライプ構造１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは６０°の角度で交差することになる。そのため、交差領域は六角形状となる。ところで、この場合、共振器方向が３つあるために３重縮退していることになる。そのため、フォトニックバンドギャップの構造が複雑となり、設計が困難であるという問題がある。ただし、発光領域の大部分からの自然放出光を利用することができるため、高出力発光素子を実現できるという利点がある。
【０１２３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明に係る半導体発光素子は、光通信システムなどに用いられる半導体発光素子として有用である。また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、光通信システムなどに用いられる半導体発光素子の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】従来のフォトニック結晶を用いた従来の半導体発光素子の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の参考例１に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図３】図２のIII−III線矢視図である。
【図４】図２のIV−IV線矢視図である。
【図５】本発明の参考例１に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の参考例１に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の参考例１に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ａ）はフォトニック結晶が形成されていない領域における光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）はフォトニック結晶構造における光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ａ）は共振器方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）はその共振器方向と直交する方向におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の参考例２に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図１２】本発明の参考例２に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図１３】本発明の参考例３に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視図である。
【図１４】本発明の参考例３に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はその構成を示す平面図、（ｅ）はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。
【図１５】本発明の参考例４に係る半導体発光素子の構成を示す図であって、（ａ）はその構成を示す平面図、（ｂ）は変形例の構成を示す断面図、（ｃ）はその半導体発光素子のストライプ構造内部における光強度の変化を示す図である。
【図１６】本発明の参考例４に係る半導体発光素子の発光状態を説明するための説明図であり、（ｃ）は図１５（ａ）のα方向（共振器方向）におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図であり、（ｂ）は同じくβ方向（共振器方向と直交する方向）におけるフォトニック結晶構造の光の波数とエネルギーとの関係を示す図である。
【図１７】本発明の参考例５に係る半導体発光素子について説明するための図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図、（ｂ）はその半導体発光素子の動作原理を示す図、（ｃ）は電界の挙動を示す図である。
【図１８】本発明の参考例５に係る半導体発光素子の変形例の構成を示す図であって、（ａ）はその変形例の構成を示す平面図、（ｂ）は他の変形例の構成を示す平面図である。
【図１９】本発明の参考例５に係る半導体発光素子の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその半導体発光素子の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図２０】本発明の参考例５に係る半導体発光素子の他の変形例の構成を示す平面図である。
【図２１】本発明の参考例５に係る半導体発光素子の変形例の製造方法を説明するための説明図であって、（ａ）はその変形例の構成を示す断面図、（ｂ）から（ｄ）はその変形例の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【０１２６】
１   ｎ型ＩｎＰ基板
２   フォトニック結晶構造
３   ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
４   活性層
５   ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
６   上部電極
７   下部電極
９   凹部
１０   ストライプ構造
１１   絶縁体多層薄膜
１２   反射用凹部
１３   成長領域
１５   反射用凹部
１６   凹部
１８   分離溝
１９   凹部
２１   反射用凹部
２２   分離溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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