(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と空孔または溝とによる屈折率の異なる媒質を周期的に配列して構成されたフォトニック結晶の製造方法であって、
基体の表面に、開口パターンを有するマスクを形成する第１の工程と、
前記開口パターンの開口に対応する前記基体の表面の露出部と前記マスクの上に、半導体層を形成して前記マスクを埋め込む第２の工程と、
前記半導体層に空孔または溝を形成する第３の工程と、
前記基体の表面の露出部に形成された半導体層の少なくとも一部を除去する第４の工程と、
前記マスクの少なくとも一部を除去する第５の工程と、を有し、
前記第３の工程において、前記基体の表面垂直方向から見て、前記空孔または溝の少なくとも一部が、前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層と重なるように、前記半導体層に前記空孔または溝を形成し、
前記開口パターンの開口は、前記基体の表面垂直方向から見て、前記空孔の内側または前記溝の内側に位置することを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
【請求項２】
半導体層と空孔または溝とによる屈折率の異なる媒質を周期的に配列して構成されたフォトニック結晶の製造方法であって、
基体の表面に、開口パターンを有するマスクを形成する第１の工程と、
前記開口パターンの開口に対応する前記基体の表面の露出部と前記マスクの上に、半導体層を形成して前記マスクを埋め込む第２の工程と、
前記半導体層に空孔または溝を形成する第３の工程と、
前記基体の表面の露出部に形成された半導体層の少なくとも一部を除去する第４の工程と、
前記マスクの少なくとも一部を除去する第５の工程と、を有し、
前記第３の工程において、前記基体の表面垂直方向から見て、前記空孔または溝の少なくとも一部が、前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層と重なるように、前記半導体層に前記空孔または溝を形成し、
前記半導体層と前記基体とは、伝導性を有する半導体からなり、
前記基体と前記半導体層とのいずれかに活性層を含み、
前記開口パターンは、第１の開口パターンと前記第１の開口パターンと異なる第２の開口パターンとを有し、
前記第３の工程は、前記基体の表面垂直方向から見て、前記空孔または溝が、前記第２の開口パターンに対応する前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層と重ならず、かつ、前記第１の開口パターンに対応する前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層の少なくとも一部と重なるように、前記半導体層に前記空孔または溝を形成する工程であり、
前記第４の工程は、前記第２の開口パターンに対応する前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層は残して、前記第１の開口パターンに対応する前記基体の表面の露出部に形成された前記半導体層の少なくとも一部を除去する工程であることを特徴とするフォトニック結晶の製造方法。
【請求項３】
前記第１の開口パターンの開口は、前記基体の表面垂直方向から見て、前記空孔の内側または前記溝の内側に位置することを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項４】
前記第４の工程において前記第２の開口パターンに対応して残された半導体層は、前記活性層に電流注入するための半導体層であることを特徴とする請求項２に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項５】
前記第５の工程は、前記マスクの少なくとも一部を除去することにより、前記構造体の下部の少なくとも一部に空洞を形成する工程であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項６】
前記構造体は、窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法。
【請求項７】
活性層と、半導体層と空孔または溝とによる屈折率の異なる媒質を周期的に配列して構成されたフォトニック結晶と、を有する面発光レーザの製造方法であって、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶の製造方法を用いて前記フォトニック結晶を形成する工程と、
活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶の製造方法及び面発光レーザ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や一次元フォトニック結晶の１つである高コントラストグレーティング（Ｈｉｇｈ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ：以下、ＨＣＧと記す）を利用した面発光レーザが知られている。
フォトニック結晶は、光の波長以下の周期で屈折率が周期的に変調した微細構造である。
半導体からなるフォトニック結晶は、半導体に空孔や溝を形成し、半導体と空気との屈折率周期構造を利用するものが多い。
前記フォトニック結晶で構成された反射鏡の波長帯域を大きくするには、該フォトニック結晶の上下が空気と接するようにエアギャップを形成し、該フォトニック結晶と該フォトニック結晶の上下の層との屈折率差を大きくすることが有効である。
フォトニック結晶の下にエアギャップ（空洞）を形成する方法としては、ウェットエッチングによって除去できる半導体層（犠牲層）の上に該フォトニック結晶を形成し、その後、該犠牲層を除去することで該空洞を形成する方法が、よく知られている。
【０００３】
しかしながら、例えば、窒化物半導体はウェットエッチングが困難であり、窒化物半導体からなるフォトニック結晶において、前記犠牲層を用いた方法で前記空洞を形成することが困難であるという問題がある。
このような空洞を形成するため、特許文献１ではつぎのような窒化物半導体基板の製造方法が提案されている。
この手法では、窒化物半導体からなる支持基板上に、開口部を有する保護膜を形成し、該支持基板の露出部より該保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて該保護膜を該第１の窒化物半導体層間に隙間を設けた状態で止め、該保護膜を除去する。
そして、保護膜を除去することにより、横方向成長した第１の窒化物半導体の前記隙間の下部に空間を形成する。
その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させ、該第２の窒化物半導体同士を該空間上で接合させることで、該第２の窒化物半導体が互いに接合する部分の下に空洞を形成するようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５８９２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された手法では、保護膜の開口部、すなわち、支持基板の表面の露出部に成長させた窒化物半導体は除去することができず、該露出部の上部に空洞を形成することができない。
したがって、特許文献１に開示された手法を用いて形成された空洞の上部の半導体層に、フォトニック結晶を形成することで、該フォトニック結晶の下部に空洞を形成する場合、該空洞が形成できない領域が多く存在してしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、ウェットエッチングが困難な半導体からなるフォトニック結晶を製造する際に、該フォトニック結晶の下部に空洞を形成することが可能となるフォトニック結晶の製造方法及び面発光レーザの製造方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフォトニック結晶の製造方法は、半導体層と空孔または溝とによる屈折率の異なる媒質を周期的に配列して構成されたフォトニック結晶の製造方法であって、
基体の表面に、開口した開口パターンを有する選択成長のための保護マスクを形成する第１の工程と、
前記基体の表面の前記保護マスクが形成されていない露出部から、柱状半導体を選択成長させて、前記保護マスクの上に半導体層を横方向成長させ、該保護マスクを埋め込む第２の工程と、
前記開口パターンにおける開口の少なくとも一部と、前記フォトニック結晶を構成する前記空孔または溝の少なくとも一部とが、前記基体の表面垂直方向から見て重なるように前記半導体層に該フォトニック結晶を形成する第３の工程と、  前記柱状半導体の少なくとも一部を除去する第４の工程と、
前記保護マスクの少なくとも一部を除去する第５の工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の、面発光レーザの製造方法は、上記したフォトニック結晶の製造方法を用いてフォトニック結晶による面発光レーザを製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ウェットエッチングが困難な半導体からなるフォトニック結晶を製造する際に、該フォトニック結晶の下部に空洞を形成することが可能となるフォトニック結晶の製造方法及び面発光レーザの製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１のフォトニック結晶の製造方法を説明する断面図である。
【図２】実施形態２のフォトニック結晶の製造方法を説明する断面図である。
【図３】実施例１におけるフォトニック結晶の製造方法の一例を説明する断面図であり、（ａ）〜（ｄ）はその第１の工程から第４の工程を示す図。
【図４】実施例１におけるフォトニック結晶の製造方法の一例を説明する断面図であり、（ｅ）は図３（ｄ）の第４の工程に続く第５の工程を示す図。
【図５】実施例２における製造方法の一例を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶の製造方法について説明する。
（実施形態１）
図１を用いて、本発明を適用した実施形態１における、窒化物半導体からなる二次元フォトニック結晶の製造方法を説明する。
まず、二次元フォトニック結晶を形成する半導体層を選択成長させるための保護マスクのパターンを用意する工程である第１の工程について説明する。
図１（ａ）に示すように、１００はフォトニック結晶構造であり、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保護マスク１０１を形成し、該保護マスク１０１に開口した開口パターンを形成する。
なお、開口は種々の形状とすることができ、例えば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることが出来る。
基体１１０は、例えば、ＧａＮ、Ｇａ1-xＩｎxＮ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ1-yＧａyＮ（０＜ｙ＜１）、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ1-wＩｎwＮ（０＜ｗ＜１）、ＡｌuＧａ1-v-uＩｎvＮ（０＜ｖ＜１，０＜ｕ＋ｖ＜１）のいずれかの窒化物半導体である。
【００１１】
つぎに、二次元フォトニック結晶を形成する半導体層を選択成長させる工程である第２の工程について説明する。
図１（ｂ）に示すように、開口した開口パターンを有する保護マスク１０１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１０２を結晶成長させる。
すなわち、保護マスク１０１が形成されていない個所、すなわち、基体１１０の表面の露出部から、例えばＧａＮからなる柱状半導体１２０を選択成長させ、引き続き、該保護マスク１０１上へ薄膜半導体層１０２を横方向成長させ、該保護マスク１０１を埋め込む。
そして、前記二次元フォトニック結晶を形成するのに必要な膜厚になるまで前記薄膜半導体層１０２を結晶成長させる。
このような構造体は、非特許文献１（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，Ｖｏｌ．２２１，ｐｐ．３１６−３２６，２０００）に開示されているような、横方向成長を促進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３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃に設定する。
【００１２】
つぎに、二次元フォトニック結晶を形成する工程である第３の工程について説明する。
まず、図１（ｃ）に示すように、電子ビーム露光によって、薄膜半導体層１０２の上に、二次元周期で配列して構成された二次元フォトニック結晶のパターンの開口部１０４を有するレジスト１０３を形成する。
このとき、第１の工程で形成した保護マスク１０１の開口パターンにおける開口の少なくとも一部と、
前記レジスト１０３に形成された前記二次元フォトニック結晶のパターンの開口部１０４の少なくとも一部とが、基体１１０の表面垂直方向から見て重なるように、該レジスト１０３を形成する。
続いて、前記レジスト１０３をマスクとして前記薄膜半導体層１０２をドライエッチングすることにより、二次元フォトニック結晶を構成する空孔を形成する。これにより、図１（ｄ）に示すように、二次元フォトニック結晶１３０が形成される。
【００１３】
つぎに、前記二次元フォトニック結晶１３０を構成する空孔の下部の少なくとも一部に、空洞を形成する工程である第４の工程について説明する。
前記第３の工程において、ドライエッチングにより前記二次元フォトニック結晶１３０を構成する空孔を形成した後、引き続き、レジスト１０３をマスクとしてドライエッチングする。
これにより、図１（ｅ）に示すように、該空孔下部の半導体層、すなわち、前記第２の工程において基体１１０の表面の露出部から結晶成長させた柱状半導体１２０の少なくとも一部が除去され、空洞が形成される。
【００１４】
つぎに、保護マスク１０１の少なくとも一部を除去する工程である第５の工程について説明する。
保護マスク１０１の除去は、ウェットエッチングにより行う。
前記ウェットエッチングは、例えば、前記保護マスク１０１が二酸化ケイ素からなる該保護マスク１０１であれば、つぎのようにすることができる。
例えば、フッ酸などのエッチャントに、前記第４の工程までを行った前記基体１１０を所定時間浸漬するなどして、該エッチャントに晒すことにより行うことができる。
すなわち、前記第３の工程において形成した前記二次元フォトニック結晶１３０を構成する空孔および前記第４の工程において形成した該空孔の下部の空洞を介して、前記保護マスク１０１が前記エッチャントに晒され、該保護マスク１０１がエッチングされる。
これにより、図１（ｆ）に示すように、二次元フォトニック結晶１３０の下部に空洞が形成された、該二次元フォトニック結晶１３０が形成される。
【００１５】
ところで、前記二次元フォトニック結晶の層の厚さは、該二次元フォトニック結晶に注入された光の導波モードや、該二次元フォトニック結晶を構成する空孔の作製条件等を考慮して決定される。
すなわち、前記二次元フォトニック結晶が機能を発揮するのに十分な光量を該二次元フォトニック結晶に導入するには、該二次元フォトニック結晶の厚さは厚い方が好ましい。
一方、前記二次元フォトニック結晶の厚さが増すと、該二次元フォトニック結晶を構成する空孔の深さと該空孔の孔径との比、すなわち、アスペクト比（深さ／孔径）が大きくなり、該空孔を設計値通りに形成することが困難になる。
特に、二次元フォトニック結晶の場合、空孔の孔径は、回折効率の大きさを決定する重要なパラメータであり、設計通りの二次元フォトニック結晶を精度良く製造することが重要となる。
したがって、前記二次元フォトニック結晶の層の厚さは、該二次元フォトニック結晶が機能を十分に発揮する範囲で、薄い方が好ましく、例えば、１００ｎｍから１μｍの範囲である。
【００１６】
ここで、特許文献１と比較した場合、保護マスクの横幅が異なる。
特許文献１では、横方向成長させる距離をなるべく大きくするため、前記保護マスクをストライプ状に形成した場合は、ストライプ幅、すなわち、該保護マスクの横幅は５〜２０μｍであることが好ましいと記載されている。
また、特許文献１では、前記保護マスクを格子状に形成する場合には、格子幅は１０〜２０μｍであることが好ましいと記載されている。
これに対して、本実施形態では、前記保護マスクの横幅、言い換えれば、該保護マスクに形成されている隣り合う開口部の距離を、より小さくしている。
【００１７】
前記第２の工程において前記二次元フォトニック結晶を形成する半導体層を形成するために、前記保護マスク１０１上へ前記薄膜半導体層１０２を横方向成長させる場合、該薄膜半導体層１０２は横方向に結晶成長させると同時に、縦方向にも結晶成長させる。
そのため、隣り合う保護マスク１０１が設けられていない個所の距離、すなわち、隣り合う基体１１０の表面の露出部の距離が離れていると、該保護マスク１０１を埋め込むための横方向成長に時間を要する。
その結果、前記縦方向の結晶成長も進み、前記二次元フォトニック結晶を形成する半導体の層の厚さを薄くすることが困難になる。
したがって、前記保護マスク１０１の開口パターンの隣り合う開口の距離は近い方が好ましい。
【００１８】
また、前記第４の工程において、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔を介して、基体１１０の表面の露出部から結晶成長させた柱状半導体１２０をドライエッチングし、該空孔の下部に空洞を形成する。
そのため、前記空孔の下部の空洞の領域を大きくするには、前記空孔のパターンの周期と、前記基体１１０の表面の露出部、すなわち、前記保護マスク１０１の開口パターンの周期とを一致させることが好ましい。
このとき、基体１１０の表面垂直方向から見て、前記空孔のパターンと前記開口パターンとの少なくとも一部が重なるように配置する。
これにより、前記空孔の全ての個所において、前記柱状半導体１２０の少なくとも一部を除去することができ、該空孔の下部に空洞を形成することが可能となる。
また、この場合においては、前記保護マスク１０１の開口パターンの隣り合う開口の距離が数十ｎｍから数百ｎｍ程度になることから、前記薄膜半導体層１０２を設計値通りの膜厚で形成することが容易となる。
【００１９】
また、前記保護マスク１０１の開口パターンのそれぞれの開口の大きさ、すなわち、開口径を、前記空孔の孔径以下にして、かつ、該保護マスク１０１の開口パターンの周期と該空孔のパターンの周期とを一致させることがより好ましい。このとき、基体１１０の表面垂直方向から見て、前記開口パターンの全ての開口が前記空孔のパターンのいずれかの空孔の内側に重なるように配置させ、前記第４の工程において、柱状半導体１２０をドライエッチングする。
これにより、前記二次元フォトニック結晶１３０に直結する全ての前記柱状半導体１２０の少なくとも上部を除去することができる。
したがって、前記第５の工程において、保護マスク１０１の少なくとも前記二次元フォトニック結晶１３０に接する領域を除去すれば、該二次元フォトニック結晶１３０の下部に連続した空洞を形成することが可能となる。
【００２０】
また、前記第４の工程において前記柱状半導体１２０をドライエッチングするとき、前記基体１１０の表面の高さまでエッチングすることが好ましい。
これにより、第５の工程において保護マスク１０１を除去したとき、前記二次元フォトニック結晶１３０の下部に一定の高さの連続した空洞を形成することが可能となる。
その結果、前記二次元フォトニック結晶１３０の表面垂直方向における屈折率分布が該二次元フォトニック結晶１３０の面内で一様になり、該二次元フォトニック結晶に導入される光の分布も該面内で一様にすることが可能となる。
なお、本実施形態１では、第３の工程において、レジストをマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶１３０を形成する場合について示した。
しかしながら、前記マスクとして、たとえば二酸化ケイ素を用いても良い。
すなわち、二酸化ケイ素を成膜した後、該二酸化ケイ素膜上に、二次元フォトニック結晶の形状のレジストを形成する。
【００２１】
次に、前記レジストをマスクとして該二酸化ケイ素膜をドライエッチングする。
これにより、該二次元フォトニック結晶の形状の二酸化ケイ素膜が形成される。続いて、該二酸化ケイ素膜をマスクとして、前記薄膜半導体層をドライエッチングすることで、二次元フォトニック結晶１３０を形成しても良い。
この場合、第４の工程において、第３の工程に引き続き、前記二酸化ケイ素膜をマスクとしてドライエッチングを行い、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔の下部に空洞を形成する。
【００２２】
なお、本実施形態では、基体１１０および該基体１１０上に成長させた半導体が窒化物半導体である場合について示したが、これに特に限定されるものではなく、例えば、砒化物半導体や燐化物半導体であっても良い。
また、本実施形態では、二次元フォトニック結晶の製造方法について示したが、これに特に限定されるものではなく、高コントラストグレーティングである一次元フォトニック結晶の製造も、同様の工程を利用して製造することが可能である。
この場合、前記第１の工程で形成する保護マスク１０１の開口パターンの形状は、ストライプ形状、あるいは、例えば、円形、六角形、四角形などの形状の開口がストライプ状に配列された形状を用いることができる。
また、前記第３の工程において、薄膜半導体層１０２の上に、一次元フォトニック結晶のパターンの開口部１０４を有するレジスト１０３を形成する。
すなわち、一次元の分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ：以下、ＤＦＢと記す）の反射鏡あるいはＨＣＧとして機能するように配列されたストライプ形状の開口部１０４を有するレジスト１０３を形成する。
これにより、前記一次元フォトニック結晶を形成することができ、続いて、前記第４の工程および前記第５の工程を施すことで、該一次元フォトニック結晶の下部に空洞を形成することが可能となる。
【００２３】
（実施形態２）
本実施形態２では、実施形態１の工程を利用して、エアギャップが形成された該二次元フォトニック結晶を反射鏡に利用した面発光レーザの製造方法において、
該二次元フォトニック結晶を介して活性層に電流注入が可能となる該二次元フォトニック結晶の製造工程の例を、図２を用いて説明する。
以下、その工程を説明する。
まず、第１の工程において、図２（ａ）に示すように、電流注入により発光する構造体を構成する基体２１０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保護マスク２０１を形成し、該保護マスク２０１に開口した開口パターンを形成する。
なお、開口は種々の形状とすることができ、例えば、円形、六角形、四角形などの形状を用いることが出来る。
基体２１０は、例えば、窒化物半導体からなり、ｎ型ＧａＮと活性層とｐ型ＧａＮとがこの順番で形成されている。
ここで、前記開口パターンは、第２の工程において二次元フォトニック結晶を形成する薄膜半導体層を形成するための開口パターン２４０と、
該薄膜半導体層から前記基体２１０に電流注入するために用いられる柱状構造体を形成するための開口パターン２４１と、からなる。
なお、前記開口パターン２４０と前記開口パターン２４１とは共有されていないことが好ましいが、特にそれに限定されるものではなく、該開口パターン２４０の一部と該開口パターン２４１の一部とが共有されていても良い。
【００２４】
次に、第２の工程において、実施形態１と同様の工程で、二次元フォトニック結晶を形成する薄膜半導体層２０２を形成する。
すなわち、保護マスク２０１が設けられていない基体２１０の表面の露出部、すなわち、前記開口パターン２４０の領域および前記開口パターン２４１の領域に、柱状半導体２２０を選択成長させる。
続いて、該保護マスク２０１上へ薄膜半導体層を横方向成長させ、該保護マスク２０１を埋め込む。
そして、前記二次元フォトニック結晶を形成するのに必要な膜厚になるまで前記薄膜半導体層２０２を結晶成長させる。
ここで、前記柱状半導体２２０と、前記薄膜半導体層２０２の少なくとも底部とは、前記基体２１０の表面と同じ極性の伝導性を有する半導体からなる。
【００２５】
次に、第３の工程および第４の工程を、実施形態１と同様の工程で行う。
すなわち、先ず、第３の工程において、図２（ｂ）に示すように、薄膜半導体層２０２の上に、二次元フォトニック結晶のパターンの開口部２０４を有するレジスト２０３を形成する。
このとき、第１の工程で形成した前記保護マスク２０１を構成する、前記開口パターン２４１と共有されていない前記開口パターン２４０の少なくとも一部と、  前記開口部２０４の少なくとも一部とが、前記基体２１０の表面垂直方向から見て重なるように、前記レジスト２０３を形成する。
続いて、前記レジスト２０３をマスクとして前記薄膜半導体層２０２をドライエッチングすることにより、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔を形成する。
【００２６】
引き続き、第４の工程において、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングにより、前記空孔の下部の半導体層、すなわち、前記開口パターン２４０の領域に形成された柱状半導体２２０の少なくとも一部が除去され、空洞が形成される。
このとき、ドライエッチングされずに残る柱状半導体２２０、すなわち、前記開口パターン２４１の領域に形成された柱状半導体２２０が、前記活性層への電流注入のための柱状半導体２４５として機能する。
なお、前記開口パターン２４０の周期と前記空孔のパターンの周期とを一致させておくことが好ましい。
また、前記開口パターン２４０のそれぞれの開口径を、前記空孔の孔径以下にして、かつ、該開口パターン２４０の周期と該空孔のパターンの周期とを一致させておくことがより好ましい。
このとき、基体２１０の表面垂直方向から見て、前記開口パターン２４０の全ての開口部が前記空孔のパターンのいずれかの空孔の内側に重なるように配置させておくことが好ましい。
これにより、前記開口パターン２４０の領域に形成された全ての前記柱状半導体２２０の少なくとも上部を除去し、空洞を形成することが可能となる。
また、前記第４の工程において前記柱状半導体２２０をドライエッチングするとき、前記基体２１０の表面の高さまでエッチングすることが好ましい。
【００２７】
次に、第５の工程において、実施形態１と同様の工程で、保護マスク２０１の少なくとも一部を除去する。
すなわち、前記空孔および該空孔の下部の空洞を介して、ウェットエッチングにより、前記保護マスク２０１を除去する。
なお、保護マスク２０１の少なくとも二次元フォトニック結晶２３０に接する領域を除去することが好ましい。
また、該保護マスク２０１は全て除去されることがより好ましい。
これにより、図２（ｄ）に示すように、基体２１０と二次元フォトニック結晶２３０とが電流注入用の柱状半導体２４５で連結され、該柱状半導体２４５を除く該二次元フォトニック結晶２３０の下部に空洞が形成された、該二次元フォトニック結晶２３０が形成される。
【００２８】
なお、本実施の形態では、二次元フォトニック結晶の製造方法について示したが、これに特に限定されるものではなく、一次元フォトニック結晶についても、同様の工程を利用して製造することが可能である。
この場合、前記第１の工程で形成する保護マスク２０１の開口パターンの形状は、ストライプ形状、あるいは、例えば、円形、六角形、四角形などの形状の開口がストライプ状に配列された形状を用いることができる。
また、前記第３の工程において、薄膜半導体層２０２の上に、一次元フォトニック結晶のパターンの開口部２０４を有するレジスト２０３を形成する。
すなわち、ＤＦＢ型の反射鏡あるいはＨＣＧとして機能するように配列されたストライプ形状の開口部２０４を有するレジスト２０３を形成する。
【００２９】
次に、前記レジスト２０３をマスクとして、ドライエッチングを行うことで、前記一次元フォトニック結晶を形成することができる。
続いて、前記第４の工程および前記第５の工程を施す。
これにより、基体２１０と一次元フォトニック結晶２３０とが電流注入用の柱状半導体２４５で連結され、該柱状半導体２４５を除く該一次元フォトニック結晶２３０の下部に空洞が形成された、該一次元フォトニック結晶２３０を形成することが可能となる。
【実施例】
【００３０】
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フォトニック結晶を備えた垂直共振器型面発光レーザの製造方法について、図３を用いて説明する。
先ず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板３１０上に、
ｎ型ＧａＮ／ｎ型ＡｌＧａＮの薄膜を４０周期積層した分布ブラッグ反射鏡３０２、下部クラッド（スペーサ）３０３であるｎ型ＧａＮ、活性層３０４、上部クラッド３０５であるｐ型ＧａＮを、ＭＯＣＶＤ法によって、この順番で結晶成長させる。
ここで、基板３１０および基板３１０上に結晶成長させた分布ブラッグ反射鏡３０２から上部クラッド３０５までの半導体層構造が、実施形態２に示した基体２１０に相当する。
すなわち、上部クラッド３０５の表面が、実施形態２に示した基体２１０の表面に相当する。
活性層３０４は、３周期の多重量子井戸構造を形成しており、材料は、井戸層がＧａＩｎＮで、障壁層がＧａＮである。
活性層３０４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３０４は、上記の多重量子井戸構造に特に限定されるものではなく、単一量子井戸構造であってもよい。
【００３１】
つぎに、本実施例における第１の工程について、図３（ａ）を用いて説明する。
先ず、上部クラッド３０５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、保護マスク３０１が完成する。
ここで、保護マスク３０１が、実施形態２に示した保護マスク２０１に相当する。
前記レジストマスクに施す前記所定のパターンは、２種類のパターンを足し合わせたものからなる。
すなわち、実施形態２に示した開口パターン２４０に相当する第１のパターン３４０と、実施形態２に示した開口パターン２４１に相当する第２のパターン３４１とを足し合わせたパターンである。
前記第１のパターン３４０は、本発明を適用して構成する二次元フォトニック結晶の周期と一致する周期で、前記レジストマスクの面内方向に二次元的かつ周期的に配列された、開口のパターンである。
ここで、前記第１のパターン３４０の開口の口径は、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔の孔径よりも小さい。
また、前記第１のパターン３４０の開口部の位置は、前記二次元フォトニック結晶を形成する位置に一致させておく。
すなわち、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記第１のパターン３４０の全ての開口部が、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔の内側に重なるように予め配置させておく。
前記第２のパターン３４１は、前記第１のパターン３４０の開口が形成されていない前記レジストマスクの個所のうち、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、活性層３０４の電流を注入したい領域の少なくとも一部に配置された開口のパターンである。
【００３２】
なお、本実施例における保護マスク３０１は、上記の二酸化ケイ素に特に限定されるものではない。
前記二次元フォトニック結晶を形成する半導体層の成長を抑制する保護マスクとして機能し、かつ、該半導体層とのエッチング選択比が大きい媒質であれば、他の材料であってもよい。
例えば、窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどを用いることができる。
また、本実施例では、保護マスク３０１の形成に、上記の方法を用いたが、これに限定されるものではない。
例えば、本実施例では、保護マスク３０１の開口パターンの形成にドライエッチング法を用いたが、ウェットエッチング法を用いてもよい。
また、上部クラッド３０５上に所定形状のレジスト膜を形成し、例えば、二酸化ケイ素を成膜した後、リフトオフすることで、前記保護マスク３０１を形成してもよい。
【００３３】
つぎに、本実施例における第２の工程について説明する。
図３（ｂ）は、図３（ａ）の工程に続く、第２の工程を説明する図である。
すなわち、保護マスク３０１が設けられていない上部クラッド３０５の表面の露出部、すなわち、第１の開口パターン３４０の領域および第２の開口パターン３４１の領域に、ｐ型ＧａＮからなる柱状半導体３２０を選択成長させる。
続いて、次のように薄膜半導体層３０２を結晶成長させる。
すなわち、横方向成長を促進するような所定の成長条件、例えば、成長圧力を３００Ｔｏｒｒ、成長温度を１０５０℃、にそれぞれ設定する。
そして、保護マスク３０１上へ、ｐ型ＧａＮからなる薄膜半導体層３０２を横方向成長させ、該保護マスク３０１を埋め込む。
引き続き、前記二次元フォトニック結晶を形成するのに必要な膜厚になるまで前記薄膜半導体層３０２を成長させる。
【００３４】
つぎに、本実施例における第３の工程について説明する。
図３（ｃ）は、図３（ｂ）の工程に続く、第３の工程を説明する図である。
まず、図３（ｃ）に示すように、薄膜半導体層３０２の上にｐ型電極３５０を成膜する。
続いて、電子ビーム露光によって、ｐ型電極３５０の上に、二次元フォトニック結晶のパターンの開口部３０４を有するレジスト３０３を形成する。
このとき、第１の工程で形成した保護マスク３０１の開口部のうち、第１のパターン３４０に対応する該開口部が、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記レジスト３０３に形成された開口部３０４の内側に重なるように、該レジスト３０３を形成する。
続いて、前記レジスト３０３をマスクとして、ｐ型電極３５０および前記薄膜半導体層３０２をドライエッチングする。
これにより、図３（ｄ）に示すように、前記二次元フォトニック結晶の形状の空孔３３５を有する該二次元フォトニック結晶３３０が形成される。
【００３５】
つぎに、本実施例における第４の工程について説明する。
図３（ｄ）は、図３（ｃ）の工程に続く第４の工程を説明する図である。
すなわち、前記第３の工程において、ドライエッチングにより前記空孔３３５を形成した後、引き続き、レジスト３０３をマスクとしてドライエッチングする。これにより、図３（ｄ）に示すように、前記空孔３３５の下部の柱状半導体、すなわち、前記第１の開口パターン３４０の領域に形成された柱状半導体３２０がエッチングされる。
なお、前記柱状半導体３２０をドライエッチングするとき、上部クラッド３０５の表面の高さまでエッチングすることが好ましい。
しかしながら、これに特に限定されるものではない。第５の工程において前記柱状半導体３２０の周辺に形成されている保護マスク３０１の少なくとも一部を、該保護マスクを除去するためのエッチャントに晒せる程度の空洞が形成されるように、該柱状半導体３２０の上部が除去されていれば良い。
【００３６】
つぎに、本実施例における第５の工程について説明する。
図４（ｅ）は、図３（ｄ）の工程に続く第５の工程を説明する図である。
すなわち、前記空孔３３５および該空孔３３５の下部に形成された空洞を介して、ウェットエッチングにより、前記保護マスク３０１を除去する。
前記ウェットエッチングは、例えば、フッ酸などのエッチャントに、前記第４の工程までを行った前記基板３１０を所定時間浸漬するなどして、該エッチャントに晒すことにより行うことができる。
すなわち、前記二次元フォトニック結晶３３０を構成する空孔３３５および該空孔３３５の下部の空洞を介して、前記保護マスク３０１が前記エッチャントに晒され、該保護マスク３０１がエッチングされる。
これにより、図４（ｅ）に示す二次元フォトニック結晶３３０が形成される。
すなわち、上部クラッド３０５と二次元フォトニック結晶３３０とが、電流注入のための柱状半導体３２０で連結され、該柱状半導体３２０を除く該二次元フォトニック結晶３３０の下部に空洞が形成された、該二次元フォトニック結晶３３０が形成される。
なお、前記保護マスク３０１は全て除去されることが好ましいが、これに特に限定されるものではなく、前記二次元フォトニック結晶３３０に接する該保護マスク３０１の少なくとも一部が除去されれば、本発明の効果は少なからず生じる。次に、基板３１０の裏面に、ｎ型電極３５１をフォトリソグラフィと電子ビーム蒸着法とリフトオフ法により形成する。
以上の工程により、上部反射鏡が二次元フォトニック結晶で構成され、該二次元フォトニック結晶の下部に空洞が形成された垂直共振器型面発光レーザの製造が可能である。
【００３７】
なお、本実施例では、最後の工程でｎ型電極３５１を形成する場合について示したが、これに特に限定されるものではなく、例えば、第１の工程の前に、基板３１０の裏面にｎ型電極３５１を形成しても良い。
また、本実施例では、薄膜半導体層３０２の上にｐ型電極３５０を成膜した後、該ｐ型電極３５０および該薄膜半導体層３０２をドライエッチングして、二次元フォトニック結晶３３０を構成する空孔３３５を形成する場合について示した。しかしながら、これに特に限定されるものではなく、二次元フォトニック結晶３３０を形成した後、フォトリソグラフィと電子ビーム蒸着法とリフトオフ法により、該二次元フォトニック結晶３３０の上にｐ型電極３５０を形成しても良い。
【００３８】
なお、本実施例では、前記第１のパターン３４０の周期が、前記二次元フォトニック結晶３３０の周期と一致する周期である場合について示した。
また、本実施例では、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記第１のパターン３４０の開口部が、前記二次元フォトニック結晶３３０を構成する空孔３３５の内側に重なるように配置している場合について示した。
しかしながら、これらに特に限定されるものではなく、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記第１のパターン３４０の開口部と前記空孔との少なくとも一部が重なるように配置されていれば良い。
これにより、第４の工程において、前記第１の開口パターン３４０の領域に形成された柱状半導体３２０の少なくとも一部を除去することができ、前記空孔の下部に空洞を形成され、本発明の効果を少なからず生じさせることが可能となる。なお、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記空孔と重ならない領域に形成された前記柱状半導体３２０は、活性層３０４へ電流を注入するための柱状半導体として機能する。
すなわち、この場合には、第１のパターン３４０の一部が、第２のパターン３４１の機能を兼ねることになる。
【００３９】
また、本実施例では、第１のパターン３４０の開口の口径は、前記二次元フォトニック結晶を構成する空孔の孔径よりも小さい場合について示したが、特にこれに限定されるものではなく、等しくても良いし、大きくても良い。
また、本実施例では、第１のパターン３４０の開口が形成される領域と、第２のパターン３４１の開口が形成される領域とが異なっているが、特にこれに限定されるものではなく、重なっていても良い。
第１のパターン３４０の開口の口径が、前記空孔の孔径よりも大きい場合には、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、該空孔と重ならない該開口の領域に、活性層３０４に電流を注入するための柱状半導体が形成されることになる。すなわち、この場合には、第１のパターン３４０の一部が、第２のパターン３４１の機能を兼ねることになる。
なお、この場合には、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、該空孔と前記保護マスク３０１との少なくとも一部が重なるようにして、第５の工程において、該保護マスク３０１の少なくとも一部を除去できるようにしておく。
【００４０】
なお、本実施例では、基板３１０として、ｎ型ＧａＮ基板を用いる場合について示した。
しかしながら、これに特に限定されるものではなく、例えば、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バッファ層を形成し、その上に、前記分布ブラッグ反射鏡３０２を形成しても良い。
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、面発光レーザの表面側から、ドライエッチング法により、分布ブラッグ反射鏡の一部を露出させ、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、分布ブラッグ反射鏡を形成しても良い。
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。
【００４１】
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、二次元フォトニック結晶が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、二次元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る。これにより抵抗が増加する該二次元フォトニック結晶においては、該二次元フォトニック結晶をｎ型ＧａＮで形成することにより、該二次元フォトニック結晶の抵抗を減少させることが可能となる。
【００４２】
また、本実施例では、分布ブラッグ反射鏡３０２がｎ型半導体で構成され、導電性を有する場合について示した。
しかしながら、これに特に限定されるものではなく、分布ブラッグ反射鏡３０２が高抵抗なアンドープ半導体で構成されていても良い。
ここで、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの多層膜からなる分布ブラッグ反射鏡において、該分布ブラッグ反射鏡の反射特性を向上させるには、該ＧａＮと該ＡｌＧａＮの屈折率差を大きくする。すなわち、該ＡｌＧａＮのＡｌ組成を増加させることが有効である。
一方、ｎ型ＡｌＧａＮはＡｌ組成の増加に伴い、ｎ型不純物のドーピング制御が困難になり、該ｎ型ＡｌＧａＮの導電性が悪化する。
また、前記ｎ型ＡｌＧａＮの抵抗を下げるために、ｎ型不純物のドーピング量を増加させていくと、該ｎ型ＡｌＧａＮの結晶性が劣化し、前記分布ブラッグ反射鏡の反射特性の劣化をもたらす。
これより、前記分布ブラッグ反射鏡３０２をアンドープＧａＮ／アンドープＡｌＧａＮの多層膜で構成することで、ｎ型半導体で構成した場合と比較して、該分布ブラッグ反射鏡３０２の反射特性を向上させることが容易となる。
なお、この場合には、面発光レーザの表面側から、ドライエッチング法により、下部クラッド３０３の一部を露出させ、露出した該クラッド３０３の表面にｎ型電極を形成する。
【００４３】
また、本実施例では、上部反射鏡が二次元フォトニック結晶で構成された場合について示した。
しかしながら、これに特に限定されるものではなく、上部反射鏡がＨＣＧで構成されていても良い。
この場合、前記第１の工程において、保護マスク３０１に形成される第１のパターン３４０の開口部は、本発明を適用して構成するＨＣＧの周期と一致する周期で、ストライプ状に形成された開口のパターンである。
ここで、前記第１のパターン３４０の開口の幅（ストライプ状の溝幅）は、前記ＨＣＧを構成する開口、すなわち、ストライプ状の溝、の溝幅以下である。
また、前記第１のパターン３４０の開口部の位置は、前記ＨＣＧを構成するストライプ状の溝を形成する位置に一致させておく。
すなわち、上部クラッド３０５の表面垂直方向から見て、前記第１のパターン３４０の全ての開口部が、前記ＨＣＧを構成するストライプ状の溝の内側に重なるように予め配置させておく。
また、第３の工程において、前記ＨＣＧのパターンの開口部３０４を有するレジスト３０３を形成し、該レジスト３０３をマスクとしてドライエッチングを行うことで、薄膜半導体層３０２に該ＨＣＧが形成される。
続いて、前記第４の工程および前記第５の工程を施すことで、上部反射鏡がＨＣＧで構成された面発光レーザが製造される。
【００４４】
［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単体をレーザ共振器として構成し、水平方向（面内方向）にレーザ増幅を生じさせ、結晶面に対して垂直方向に光を取り出す、分布帰還型の面発光レーザの製造方法について、図５を用いて説明する。
図５において、４００は面発光レーザ、４５０、４５１は電極、４１０は基体およびコンタクト層、４０３は下部クラッド、４０４は活性層、４０５は上部クラッドである。
【００４５】
先ず、図３（ａ）に示す実施例１の第１の工程と同様の工程で、ｎ型ＧａＮからなる基板４１０上に、所定のパターンの保護マスクを形成する。
前記所定のパターンは、２種類のパターンを足し合わせたものからなる。
すなわち、本発明を適用して構成する二次元フォトニック結晶４３０の周期と一致する周期で面内方向に二次元的かつ周期的に配列された第１のパターンと、
活性層４０４の電流を注入したい領域に配置された第２のパターンと、を足し合わせたものである。
次に、図３（ｂ）に示す実施例１の第２の工程と同様の工程で、保護マスクをｎ型ＧａＮからなる下部クラッド４０３で埋め込む。
続いて、前記下部クラッド４０３上に、活性層４０４とｐ型ＧａＮからなる上部クラッド４０５とを、この順番で成長させる。
次に、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示す実施例１の第３の工程と同様の工程で、上部クラッド４０５の表面からドライエッチングにより、前記二次元フォトニック結晶４３０を構成する空孔４３５を形成する。
このとき、前記空孔４３５は、上部クラッド４０５と、活性層４０４と、下部クラッド４０３とを貫通し、前記保護マスクに達するまでドライエッチングを行うことにより形成される。
【００４６】
続いて、図３（ｄ）に示す実施例１の第４の工程と同様の工程で、前記空孔４３５の下部の柱状半導体をドライエッチングにより除去する。
次に、実施例１の第５の工程と同様の工程で、前記保護マスクを除去する。
次に、基体およびコンタクト層４１０であるｎ型ＧａＮ基板の裏面に、ｎ型電極４５１を形成することにより、面発光レーザ４００が完成する。
【００４７】
本実施例によれば、下部クラッド４０３の下部に、該下部クラッド４０３の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）との屈折率差を大きくとれる、空気（屈折率１．０）の層を形成できる。
その結果、活性層４０４および二次元フォトニック結晶４３０への光閉じ込めが向上され、面発光レーザ４００の特性を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１００：フォトニック結晶構造
１０１：保護マスク
１０２：薄膜半導体層
１０３：レジスト
１０４：開口部
１１０：基体
１２０：柱状半導体
１３０：フォトニック結晶
【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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