(57)【要約】【課題】  短波長の光に効果を及ぼす、良好な特性を持った２次元回折格子を有する半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  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上に形成された２次元回折格子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とを備えている。２次元回折格子７は、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複数の回折格子点２ｂとを含んでいる。基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている。【選択図】        図２
2006165255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を有する基板と、
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エピタキシャル層と、前記エピタキシャル層よりも低屈折率である複数の回折格子点とを含む２次元回折格子と、
前記基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記基板上に形成された第２導電型クラッド層と、
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とを備え、
前記基板は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンのいずれか一方よりなる、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記２次元回折格子上に形成され、前記キャリアを注入するための電極をさらに備え、
前記基板および前記エピタキシャル層における少なくとも前記電極の真下の領域の転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記複数の回折格子点は空気よりなり、前記２次元回折格子の構造から計算されるフォトニックバンド構造において、Γ点で生じるフォトニックバンドギャップに対応する規格化周波数のうち０より大きく最も小さい値の規格化周波数をω1とし、２番目に小さい値の規格化周波数をω2とし、発光する光の波長をλとした場合、前記２次元回折格子の屈折率分布を規定する格子定数が（ω1×λ）以上（ω2×λ×３）以下の値である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記２次元回折格子の屈折率分布を規定する格子定数が（ω2×λ）以上の値である、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）層を含む多層構造よりなり、かつ発光する光の波長λが３６０ｎｍ≦λ≦５００ｎｍの範囲にあり、かつ前記２次元回折格子の格子定数が１４７ｎｍ以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子に関し、より特定的には、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む２次元回折格子を備えた半導体レーザ素子に関する。
【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っ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レーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い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次元フォトニック結晶レーザは、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＝１）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、フォトニック結晶に伝搬し、フォトニック結晶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】
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および非特許文献１〜３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ＩｎＧａＡｓなどよりなるフォトニックバンド構造が形成された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および２では、ＩｎＰよりなる基板上にＩｎＰよりなるフォトニ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。さらに、非特許文献３には、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓよりなる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。
【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巻、第２号、第１７頁〜第２３頁
【非特許文献２】M.Imada, et al., "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal ", App. Phys. Lett., 75 （3） pp.316-318, 19 July 1999
【非特許文献３】D.Ohnishi, et al., "Room temperature continuous wave operation of a surface-emitting two-dimensional photonic crystal diode", OPTICS EXPRESS. 12 （8） pp.1562-1568, 19 April 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。しかしながら、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作製する際にたとえば以下の問題が生じる。
【０００９】
すなわち、従来においてＧａＮ結晶を作製することは非常に難しく、サファイア基板上にＧａＮをエピタキシャル成長させた場合にのみ、ある程度の結晶性を持ったＧａＮ結晶を作製することができた。しかし、この方法で得られるＧａＮ結晶は、平坦性が悪く、転位密度が高かった。このため、ＧａＮ結晶に形成した孔にはピットや面荒れが生じやすく、ＧａＮ結晶を微細加工して良好な特性のフォトニック結晶（２次元回折格子）を作製することができなかった。
【００１０】
特に、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を作製する場合には、赤外光を発振する２次元フォトニック結晶レーザの場合よりも、フォトニック結晶における孔の間隔を小さく（定在波の波長を短く）する必要がある。この理由からも、フォトニック結晶となるＧａＮ結晶には高い微細加工性が要求される。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、短波長の光に効果を及ぼす、良好な特性を持った２次元回折格子を有する半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子は、主面を有する基板と、基板の主面が延びる方向に沿って基板上に形成された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を備えている。２次元回折格子は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層と、エピタキシャル層よりも低屈折率である複数の回折格子点とを含んでいる。基板は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）のいずれか一方よりなっている。
【００１３】
本願発明者らは、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなる基板の上にエピタキシャル成長させたＧａＮ結晶は、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させたＧａＮ結晶に比べて、平坦性が高く、転位密度が低いことを見出した。そこで、本発明の半導体レーザ素子によれば、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている基板上に、ＧａＮよりなるエピタキシャル層を成長させることで、エピタキシャル層の平坦性を向上し、転位密度を低減することができる。したがって、回折格子点を形成するためにエピタキシャル層を微細加工しても、回折格子点にピットや面荒れが生じにくくなる。その結果、短波長の光に効果を及ぼす、良好な特性を持った２次元回折格子を微細加工することができる。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。
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子上に形成され、キャリアを注入するための電極をさらに備えている。基板およびエピタキシャル層における少なくとも電極の真下の領域の転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下である。
【００１５】
これにより、回折格子点を形成する領域のエピタキシャル層に転位の集合体ができにくくなり、微細加工時の加工表面の乱れを一層抑えることができる。
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、複数の回折格子点は空気よりなり、２次元回折格子の構造から計算されるフォトニックバンド構造において、Γ点で生じるフォトニックバンドギャップに対応する規格化周波数のうち０より大きく最も小さい値の規格化周波数をω1とし、２番目に小さい値の規格化周波数をω2とし、発光する光の波長をλとした場合、２次元回折格子の屈折率分布を規定する格子定数が（ω1×λ）以上（ω2×λ×３）以下の値である。
【００１７】
これにより、格子定数を（ω1×λ）、（ω1×λ×２）、または（ω1×λ×３）とした場合に、Γ点においてフォトニックバンドギャップを有する規格化周波数で規定される周波数の光の定在波が発生し、発光する。但し、格子定数が（ω2×λ×３）を超えると、２次元回折格子の回折効果は著しく減少し、所望の特性を得ることが困難となる。
【００１８】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子の屈折率分布を規定する格子定数が（ω2×λ）以上の値である。
【００１９】
これにより、格子定数を（ω2×λ）、（ω2×λ×２）、または（ω2×λ×３）とした場合に、Γ点においてフォトニックバンドギャップを有する規格化周波数で規定される周波数の光の定在波が発生し、発光する。この場合の格子定数は、規格化周波数ω1の周波数を有する定在波が発生する場合の格子定数（ω1×λ）、（ω1×λ×２）、および（ω1×λ×３）よりもそれぞれ大きくすることができる。格子定数が大きくなれば、回折格子点を形成するために必要な微細加工の条件が緩和される。したがって、２次元回折格子を微細加工し易くなり、半導体レーザ素子を製造する際の歩留まりを向上することができる。
【００２０】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、活性層はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）層を含む多層構造よりなり、かつ発光する光の波長λが３６０ｎｍ≦λ≦５００ｎｍの範囲にあり、かつ２次元回折格子の格子定数が１４７ｎｍ以上である。
【００２１】
これにより、１０ｋＡ／ｃｍ2以下の閾値電流密度でレーザ発振させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子によれば、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている基板上に、ＧａＮよりなるエピタキシャル層を成長させることで、エピタキシャル層の平坦性を向上し、転位密度を低減することができる。したがって、回折格子点を形成するためにエピタキシャル層を微細加工しても、回折格子点にピットや面荒れが生じにくくなる。その結果、短波長の光に効果を及ぼす、良好な特性を持った２次元回折格子を微細加工することができる。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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
（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斜視図である。図２は、図１のＩＩ−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、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。
【００２５】
基板３は主面３ａ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。フォトニック結晶層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、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複数の回折格子点２ｂとを含んでいる。エピタキシャル層２ａはＧａＮよりなっており、エピタキシャル層２ａに形成された孔が回折格子点２ｂである。つまり、回折格子点２ｂは空気よりなっている。本実施の形態においては、基板３が導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている。
【００２６】
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、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。
【００２７】
活性層５はたとえばＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）よりなる多重量子井戸により構成されている。また、単一の半導体材料よりなっていてもよい。活性層５は、フォトニック結晶層７に沿っ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ることができ、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ることができる。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化される。
【００２８】
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、エピタキシャル層２ａの一表面に複数の回折格子点（孔）２ｂが３角格子を形成するように設けられている。各孔２ｂは、柱状（例えば、円柱形状）の空間部として設けられている。各孔２ｂの中心と、これと最も近い隣接の６個の孔２ｂの中心との距離は等しい値であり、孔の中心の間隔はたとえば０．１９μｍであり、孔２ｂの直径はたとえば０．０９μｍである。
【００２９】
エピタキシャル層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孔２ｂは第２の屈折率（空気の場合１）を有する。孔２ｂには、エピタキシャル層２ａと異なる物質を埋め込むことが可能である。しかしながら、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるためには、孔２ｂは何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気が存在する状態、より厳格には、後に説明する接合工程における雰囲気に含まれる気体が存在する状態）であることが好ましい。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、孔２ｂを埋め込む材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００３０】
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、少なくとも電極１０の真下の領域Ａに存在する基板３およびエピタキシャル層２ａの転位密度を１×１０7個／ｃｍ2以下にすることにより、領域Ａに存在するエピタキシャル層２ａに転位の集合体が生じなくなる。領域Ａおよびその周辺の領域は電極１０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。
【００３１】
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よりなっており、ｐ型クラッド層６はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。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）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、ダブルヘ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。
【００３２】
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。特に、回折格子点２ｂが空気よりなっている場合には、回折格子点２ｂの表面において非発光再結合が起こりやすくなるので、ブロック層としての機能が重要になる。
【００３３】
ｐ型クラッド層８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。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）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との接触をオーミック接触にするために形成される。
【００３４】
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１００μｍであり、フォトニック結晶層７の厚さはたとえば０．１μｍ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０．５μｍであり、活性層５およびｐ型クラッド層６の各々の厚みはたとえば０．１μｍである。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、フォトニック結晶層７が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層７によって位相が規定された光は、活性層５内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層７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。
【００３８】
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。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層７の主面１７に垂直な方向（図１中上方向）、つまり光放出面９ａから誘導放出される。
【００３９】
続いて、２次元回折格子（フォトニック結晶層）７につい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。
【００４０】
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に向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ａから格子点Ｃへ向かう方向を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がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００４１】
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Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3などからなっている。１次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０度の角度を方向に向けて設けられた１次元格子Ｍ1、Ｍ2、Ｍ3などからなっている。１次元回折格子群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Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3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。
【００４２】
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・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・）によって規定される。ここで、λはエピタキシャル層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いる場合には、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。
【００４３】
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から格子点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。
【００４４】
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。  
【００４５】
また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（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）に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。
【００４６】
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べ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Ｘ−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。
【００４７】
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。
【００４８】
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の一例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エネルギに対して規定された分散関係をいう。
【００４９】
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化周波数ω1は約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化周波数ω2は約０．６１となっている。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ω1およびω2の場合には、結晶方向に関わらず定在波が立つ。同様の計算を本願のＧａＮよりなるフォトニック結晶層７（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化周波数ω1は約０．４７となり、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω2は約０．８２となる。
【００５０】
ここで、規格化周波数ωと、図４に示す格子定数ａとの間には、ａ＝ω×λ（λ：活性層５の発光波長）の関係を持たせることができる。たとえば第１フォトニックバンドギャップを利用して青色（４１０ｎｍ）発光させる場合には、格子定数ａを０．４７×４１０ｎｍ＝１９３ｎｍとすればよい。さらに、格子定数ａを０．４７×４１０ｎｍ×２＝３８５ｎｍとしてもよく、０．４７×４１０ｎｍ×３＝５７８ｎｍとしてもよい。また、第２フォトニックバンドギャップを利用して青色発光させる場合には、格子定数ａを０．８２×４１０ｎｍ＝３３６ｎｍとすればよい。さらに、格子定数ａを０．８２×４１０ｎｍ×２＝６７２ｎｍとしてもよく、０．８２×４１０ｎｍ×３＝１００９ｎｍとしてもよい。つまり、第２フォトニックバンドギャップを利用することで、第１フォトニックバンドギャップを利用した場合よりも格子定数ａを大きくすることができ、回折格子点２ｂを形成するために必要な微細加工の条件が緩和される。同様に第３フォトニックバンドギャップや第４フォトニックバンドギャップを利用して、フォトニック結晶層７の格子定数を決定することも可能である。ここでは、３角格子に関する設計について述べたが、正方格子などの他の格子についても、規格化周波数ω1やω2などの具体的数値が変わること以外は全く同様である。
【００５１】
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１３を用いて説明する。
【００５２】
始めに、図７を参照して、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなる基板３を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal-organic  chemical  vapor  deposition）法を用いて、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、およびＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａをこの順序で基板３上にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル層２ａの結晶性は、基板３の結晶特性の影響を受ける。現在、ＧａＮよりなる基板３としては転位密度が１×１０6個／ｃｍ2のものが存在している。このＧａＮ基板を用いることで、転位密度が１×１０6個／ｃｍ2、つまり基板３と同程度の転位密度のエピタキシャル層２ａを形成することができる。また、ＳｉＣよりなる基板３としては転位密度が１×１０2個／ｃｍ2のものが存在している。このＳｉＣ基板を用いても、転位密度が１×１０6個／ｃｍ2のエピタキシャル層２ａを形成することができる。なお、図示しないが、基板３の直上にバッファ層を形成し、バッファ層の上にｎ型クラッド層４を形成してもよい。
【００５３】
次に、図８を参照して、電子ビーム露光によってエピタキシャル層２ａ上に所定形状のレジスト２０を形成する。続いて、図９を参照して、レジスト２０をマスクとしてエピタキシャル層２ａをＩＣＰ（Inductively  coupled  plasma）でエッチングし、エピタキシャル層２ａの所定の位置に回折格子点となる孔２ｂを形成する。これにより、フォトニック結晶層７が形成される。本実施の形態では、エピタキシャル層２ａの平坦性が高く、転位密度が低いので、エピタキシャル層２ａをエッチングする際に、孔２ｂにピットや面荒れが生じにくくなる。
【００５４】
一方、図１０を参照して、図９に示す構造とは別に、剥離層２２、コンタクト層９、およびｐ型クラッド層８をこの順序で基板２１上に形成する。これらの層は、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて基板２１上にエピタキシャル成長させることによって形成する。
【００５５】
次に、図１１を参照して、フォトニック結晶層７とｐ型クラッド層８とが互いに対向するような向きで基板３と基板２１とを融着貼り付けする。融着貼り付けは、たとえば窒素雰囲気において７００℃の温度で所定の圧力をかけて行なわれる。この方法により、接着剤を用いることなしにｐ型クラッド層８とフォトニック結晶層７とをくっつけることができる。
【００５６】
次に、図１２を参照して、図中横方向からエッチングすることにより剥離層２２を選択的に除去する。これにより、基板２１と基板３とが分離し、コンタクト層９の上面である光放出面９ａが露出する。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、図２に示す半導体レーザ素子１が完成する。
【００５７】
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上に形成された２次元回折格子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とを備えている。２次元回折格子７は、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複数の回折格子点２ｂとを含んでいる。基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている。
【００５８】
本実施の形態の半導体レーザ素子１によれば、導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれか一方よりなっている基板３上に、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを成長させることで、エピタキシャル層２ａの平坦性を向上し、転位密度を低減することができる。したがって、回折格子点２ｂを形成するためにエピタキシャル層２ａを微細加工しても、回折格子点２ｂにピットや面荒れが生じにくくなる。その結果、短波長の光に効果を及ぼす、良好な特性を持った２次元回折格子７を微細加工することができる。また、基板３は導電性を有しているので、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５内へ注入することができる。
【００５９】
本実施の形態の半導体レーザ素子１においては、２次元回折格子７上に形成され、キャリアを注入するための電極１０をさらに備えている。基板３およびエピタキシャル層２ａにおける少なくとも電極１０の真下の領域Ａの転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下である。
【００６０】
これにより、回折格子点を形成する領域Ａのエピタキシャル層２ａに転位の集合体ができにくくなり、微細加工時の加工表面の乱れを一層抑えることができる。
【００６１】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、複数の回折格子点２ｂは空気よりなり、２次元回折格子７の構造から計算されるフォトニックバンド構造において、Γ点で生じるフォトニックバンドギャップに対応する規格化周波数のうち０より大きく最も小さい値の規格化周波数をω1とし、２番目に小さい値の規格化周波数をω2とし、発光する光の波長をλとした場合、２次元回折格子の屈折率分布を規定する格子定数が（ω1×λ）以上（ω2×λ×３）以下の値である。
【００６２】
これにより、Γ点においてフォトニックバンドギャップを有する規格化周波数で規定される周波数の光の定在波が発生し、発光する。
【００６３】
また、２次元回折格子７の屈折率分布を規定する格子定数ａが（ω2×λ）以上の値であることが好ましい。
【００６４】
これにより、Γ点においてフォトニックバンドギャップを有する規格化周波数で規定される周波数の光の定在波が発生し、発光する。この場合の格子定数ａは、規格化周波数ω1の周波数を有する定在波が発生する場合の最小の格子定数（ω1×λ）よりも大きくすることができる。格子定数ａが大きくなれば、回折格子点２ｂを形成するために必要な微細加工の条件が緩和される。したがって、２次元回折格子７を微細加工し易くなり、半導体レーザ素子１を製造する際の歩留まりを向上することができる。
【００６５】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、活性層５はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）層を含む多層構造よりなり、かつ発光する光の波長λが３６０ｎｍ≦λ≦５００ｎｍの範囲にあり、かつ２次元回折格子の格子定数が１４７ｎｍ以上である。
【００６６】
これにより、１０ｋＡ／ｃｍ2以下の閾値電流密度でレーザ発振させることができる。これについては実施例４において詳細に述べる。
【００６７】
なお、本実施の形態においては、図１および図２に示すように、基板３の上にｎ型クラッド層４が形成されており、活性層５の上にｐ型クラッド層６が形成されており、フォトニック結晶層７の上にｐ型クラッド層８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１３に示す構成であってもよい。
【００６８】
図１３は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の他の構成を示す斜視図である。図１３に示すように、半導体レーザ素子１ａにおいては、基板３の上にｐ型クラッド層６が形成されており、活性層５の上にｎ型クラッド層４が形成されており、フォトニック結晶層７の上にｎ型クラッド層８ａが形成されている。半導体レーザ素子１ａから光を発振する際には、電極１０に負電圧を印加することで活性層５にキャリアを注入する。この構成では、基板３の導電型はｐ型となるが、これは特にＳｉＣ基板で実現される。
【００６９】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成およびその製造方法は、図１および図２に示す半導体レーザ素子１の構成およびその製造方法と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
（実施の形態２）
実施の形態１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。
【００７１】
図１４は、本発明の実施の形態２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１４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、エピタキシャル層２ａの一表面に複数の回折格子点（孔）２ｂが正方格子を形成するように設けられている。
【００７２】
図１５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１５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に向かう方向をＸ−Γ方向と呼び、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向Ｘ−Ｊ方向と呼ぶ。ここでは、活性層５において発生される光の波長がＸ−Γ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００７３】
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Ｕ1、Ｕ2、Ｕ3などからなっている。１次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた１次元格子Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3などからなっている。これら２つの１次元回折格子群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。
【００７４】
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・ｓｉｎθ＝ｍλ（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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
また、上記ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（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）に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。
【００７８】
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べ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２つのＸ−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。
【００７９】
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における半導体レーザ素子１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。
【００８０】
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。
【００８１】
（実施の形態３）
実施の形態１においては、図１および図２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１６に示す構成であってもよい。
【００８２】
図１６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１６に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、活性層５の下に形成された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。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、ｐ型クラッド層８、フォトニック結晶層７、ｐ型クラッド層６、活性層５、ｎ型クラッド層４、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１ｂから光を発振する際には、電極１０に負電圧を印加することで活性層５にキャリアを注入する。
【００８３】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂの製造方法について、図１７および図１８を用いて説明する。
【００８４】
始めに、図１７を参照して、ｐ型クラッド層８およびエピタキシャル層２ａを基板３の上に形成する。そして、エピタキシャル層２ａをエッチングすることにより、複数の孔２ｂを形成し、フォトニック結晶層７を作製する。
【００８５】
一方、図１８を参照して、図１７に示す構造とは別に、剥離層２２、コンタクト層９、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２１上に形成する。その後、ｐ型クラッド層６とフォトニック結晶層７とが互いに対向するような向きで基板３と基板２１との融着貼り付けを行なう。
【００８６】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｂの構成およびその製造方法は、実施の形態１における半導体レーザ素子１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。
【００８７】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいても、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。
【００８８】
なお、本実施の形態においては、図１６に示すように、基板３の上にｐ型クラッド層８が形成されており、フォトニック結晶層７の上にｐ型クラッド層６が形成されており、活性層５の上にｎ型クラッド層４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１９に示す構成であってもよい。
【００８９】
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他の構成を示す断面図である。図１９に示すように、半導体レーザ素子１ｃにおいては、基板３の上にｎ型クラッド層８ａが形成されており、フォトニック結晶層７の上にｎ型クラッド層４が形成されており、活性層５の上にｐ型クラッド層６が形成されている。半導体レーザ素子１ｃ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。
【００９０】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｃの構成およびその製造方法は、実施の形態１における半導体レーザ素子１の構成およびその製造方法と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【実施例】
【００９１】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００９２】
（実施例１）
本実施例では、導電性ＧａＮよりなる基板を用いることの効果を調べた。基板として、転位密度が５×１０6個／ｃｍ2である導電性ＧａＮ基板（本発明例１）と、転位密度が５×１０7個／ｃｍ2である導電性ＧａＮ基板（本発明例２）と、サファイア基板（比較例１）とをそれぞれ準備した。次に、各基板の特性に合わせて低温成長または高温成長させることによりバッファ層を基板上に形成し、その上に単層のｎ型ＧａＮエピタキシャル層を形成した。バッファ層およびｎ型ＧａＮエピタキシャル層についてはＭＯＣＶＤ法により形成した。また、ｎ型ＧａＮエピタキシャル層については、特に層表面の平坦性に注意して、ラフネス度としてＲＭＳ（自乗平均面粗さ）が２ｎｍ以下となるような成長条件で形成した。ｎ型ＧａＮエピタキシャル層を形成した後で、ｎ型ＧａＮエピタキシャル層の転位密度をＴＥＭ（Transmission  electron  microscope）やＣＬ（Cathodoluminescence）法で評価したところ、比較例１のＧａＮエピタキシャル層の転位密度は１×１０10個／ｃｍ2であったのに対して、本発明例１および２のＧａＮエピタキシャル層の転位密度は、共に下層のＧａＮ基板の転位密度とほぼ同じであった。
【００９３】
続いて、得られたエピタキシャル層の表面に、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微細孔のレジストパターンを描画した。レジストのパターンは正方格子とし、０．１９μｍのピッチで直径０．０９μｍの微細孔パターンをレジストに描画した。このレジストパターンが理想的なパターン形状である場合には、レジストが形成されている表面全体に対する微細孔の占有率は約２０％となる。本発明例１、本発明例２、および比較例１のいずれのレジストパターンも、理想的なパターン形状になっていた。
【００９４】
続いて、このレジストパターンをマスクとして、ＩＣＰ（Inductively  coupled  plasma）−ＲＩＥ（Reactive  ion  etching）法を用いてエピタキシャル層をエッチングし、０．１μｍの深さの孔を形成した。エッチングの際は、塩素と、少量の希ガスとを混合してエッチングガスとし、０．４Ｐａ程度の高真空中でエッチングを行なった。これにより、平坦性および垂直性の高いエッチングができるようにした。次に、有機溶剤を用いてレジストパターンを除去し、孔の観察を行なった。
【００９５】
図２０（ａ）は、比較例１における孔の様子を模式的に示す図である。図２０（ｂ）は、本発明例１における孔の様子を模式的に示す図である。図２０（ｃ）は、本発明例２における孔の様子を模式的に示す図である。図２０（ａ）を参照して、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａをサファイア基板上に形成すると、エピタキシャル層２ａの転位密度が１×１０10個／ｃｍ2程度になった。この場合、大量のピット２５や面荒れが孔２ｂ内に生じた。一方、図２０（ｂ）を参照して、転位密度が５×１０7個／ｃｍ2であるＧａＮ基板上にエピタキシャル層２ａを形成すると、エピタキシャル層２ａの転位密度が５×１０7個／ｃｍ2程度になった。この場合、孔２ｂ内のピット２５や面荒れが大きく減少した。さらに図２０（ｃ）を参照して、転位密度が５×１０6個／ｃｍ2であるＧａＮ基板上にエピタキシャル層２ａを形成すると、エピタキシャル層２ａの転位密度が５×１０6個／ｃｍ2程度になった。この場合、ピットや面荒れは孔２ｂ内にほとんど生じなかった。
【００９６】
このようなピットや面荒れの原因を探るべく、ＴＥＭを用いてエピタキシャル層を詳細に観察した。その結果、比較例１および本発明例１には、多数の転位が集合している転位束集合体が散見され、この転位束集合体がピットや面荒れの原因になっていることが分かった。一方で、本発明例２では、転位束集合体がほとんど見られず、このためピットや面荒れが生じないことが分かった。さらに、ＧａＮ基板の転位密度を１×１０7個／ｃｍ2以下とすることで、転位束集合体生じなくなり、ピットや面荒れが非常に生じにくいことが分かった。
【００９７】
（実施例２）
本実施例では、サファイア基板、導電性ＧａＮ基板、および導電性ＳｉＣ基板を用いて半導体レーザ素子の作製を試みた。基板として、転位密度が１×１０6個／ｃｍ2である導電性ＧａＮ基板（本発明例３）と、転位密度が１×１０2個／ｃｍ2である導電性ＳｉＣ基板（本発明例４）と、サファイア基板（比較例２）とをそれぞれ２枚ずつ準備した。
【００９８】
本発明例３および４については、実施の形態１に示す方法を用いて半導体レーザ素子を作製した。具体的には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、およびエピタキシャル層を、この順序で一方の基板上に作製した。活性層の発光波長は４１０ｎｍとした。また、ＭＯＣＶＤ法を用いて、剥離層、ｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層を、この順序で他方の基板上に作製した。
【００９９】
続いて、実施例１と同様の方法によって、３角格子を形成するように一方の基板上のエピタキシャル層に直径９１ｎｍの孔を形成し、フォトニック結晶層を作製した。３角格子の格子定数は、実施の形態１で説明した規格化周波数ω1を満たす格子定数とした。具体的には、４１０（発光波長）×０．４７＝１９３ｎｍを格子定数とした。
【０１００】
続いて、ｐ型クラッド層とフォトニック結晶層とが互いに対向するような向きで、一方の基板と他方の基板とを融着貼り付けする。融着貼り付けは、窒素雰囲気において７００℃の温度で所定の圧力をかけて行なわれる。次に、エッチングにより剥離層を選択的に溶解させ、他方の基板のみを分離した。その後、ｐ型コンタクトの上にｐ型オーミック電極を形成し、基板の裏面全面にｎ型オーミック電極を形成し、半導体レーザ素子を作製した。ｐ型オーミック電極については、直径１００μｍの円形ベタ電極とした。
【０１０１】
比較例２については、サファイア基板が絶縁性であり、基板の裏面に電極を形成してもｎ型クラッド層に電圧を印加することはできないので、別の場所でｎ型クラッド層との電気的接続を確保する必要がある。このため、比較例２については、図２１に示すような半導体レーザ素子の構造とした。図２１を参照して、半導体レーザ素子１００において、基板３の上にｎ型コンタクト層１２が形成されており、ｎ型コンタクト層１２の上にｎ型クラッド層４が形成されている。ｎ型コンタクト層１２は図中右方向に延びており、ｎ型コンタクト層１２の右側において、ｎ型コンタクト層１２の表面１２ａの一部が露出している。そして、この露出した表面１２ａにｎ型オーミック電極１１が形成されている。上記構造の比較例２については、以下の方法によって製造した。本発明例３および４と同様の製造方法を用いて、ｎ型コンタクト層１２、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、ｐ型クラッド層８、およびｐ型コンタクト層９を形成し、ｐ型コンタクト層９の上にｐ型オーミック電極１０を形成した。ｎ型コンタクト層１２は、電極形成に耐え得る厚さで形成した。次に、ｐ型オーミック電極１０の形成されていない領域に存在するｐ型コンタクト層９、ｐ型クラッド層８、フォトニック結晶層７、ｐ型クラッド層６、活性層５、およびｎ型クラッド層４をエッチングしてｎ型コンタクト層１２の表面１２ａの一部を露出した。次に、ｎ型コンタクト層１２の表面１２ａに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１００を作製した。
【０１０２】
上記のようにして製造された半導体レーザ素子について、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、比較例２では、構造が破壊される電流密度までのどの電流密度領域でも、レーザ発振することはなかった。一方、本発明例３および４では、約３ｋＡ／ｃｍ2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、基板面に垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。この結果から、ＧａＮ基板もしくはＳｉＣ基板を用いて半導体レーザ素子を作製することは、サファイア基板を用いて半導体レーザ素子を作製することに比べて有効な手段であることが分かる。この理由としては、ＧａＮ基板もしくはＳｉＣ基板を用いれば低転位密度のＧａＮエピタキシャル層を形成できるので、フォトニック結晶層の加工精度が良好になり、設計通りの特性を得られるという理由と、導電性基板を用いると垂直方向に通電できるので、通電時の過剰な発熱が起こらないという理由とが考えられる。
【０１０３】
（実施例３）
本実施例では、第２フォトニックバンドギャップを利用することの効果について調べた。具体的には、実施例２と同様の方法を用いて半導体レーザ素子（本発明例５）を製造した。ただし、フォトニック結晶層については、３角格子を形成するようにエピタキシャル層に直径１５８ｎｍの孔を形成した。３角格子の格子定数は、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω2を満たす格子定数とした。具体的には、４１０（発光波長）×０．８２＝３３６ｎｍを格子定数とした。
【０１０４】
上記のようにして製造された半導体レーザ素子に対して、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、本発明例５では、約４ｋＡ／ｃｍ2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、基板面に垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。また、本発明例で特徴的だったのは、製造の際の歩留まりは非常に良好であったことである。実施例２における本発明例３および４では、実質的な歩留まりが３割程度であったのに対して、本実施例における本発明例５では、９割というほぼ理想的な歩留まりを達成することができた。この理由としては、フォトニック結晶層における孔の直径と格子定数とが大きくなることで、加工精度に対する許容度が著しく上昇したためであると考えられる。
【０１０５】
（実施例４）
本実施例では、発光波長およびフォトニック結晶層の格子定数をそれぞれ変化させて半導体レーザ素子の作製を試みた。具体的には、実施例２と同様の方法を用いて半導体レーザ素子を製造した。ただし、活性層の量子井戸を形成する材料としてＡｌＩｎＮもしくはＧａＩｎＮを用い、活性層の成分を変化させることで、発光波長λがそれぞれ３６０ｎｍ，３８５ｎｍ，４００ｎｍ，４３０ｎｍ，４６０ｎｍ，および５００ｎｍである６種類の活性層を形成した。また、フォトニック結晶層については、正方格子を形成するようにエピタキシャル層に孔を形成した。また、第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω1を満たす格子定数の３種類のフォトニック結晶層と、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω2を満たす格子定数の３種類のフォトニック結晶層との計６種類のフォトニック結晶層を作製した。具体的には、第１フォトニックバンドギャップの場合には、発光波長λ×０．４１、λ×０．４１×３、およびλ×０．４１×５を格子定数とし、第２フォトニックバンドギャップの場合には、発光波長λ×０．５８、λ×０．５８×３、およびλ×０．５８×５を格子定数とした。また、孔の直径は、格子定数の約半分の大きさとした。
【０１０６】
上記のようにして作製された６種類の活性層と、６種類のフォトニック結晶層とを組み合わせて、３６種類の半導体レーザ素子を製造した。そして、これら３６種類の半導体レーザ素子に対してパルス通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、全ての半導体レーザ素子において、２０ｋＡ／ｃｍ2以下の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。また、連続通電で電流注入してレーザ発振の可否を調べたところ、表１に示すように、連続発振するものとしないものとがあった。なお、表１において、２０ｋＡ／ｃｍ2以下の電流密度で連続発振した場合には○と表わしており、連続発振しない場合には×と表わしている。
【０１０７】
【表１】
2006165255.tif 000003
【０１０８】
表１を参照して、第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω1を満たす格子定数（ω1×λ）のフォトニック結晶層を用いて、発光波長λが３６０ｎｍである発生層を用いた場合と、各々５倍の格子定数を用いた場合とを除いては、発光波長λが３６０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲で連続発振することが分かった。第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω1を満たす格子定数（ω1×λ）のフォトニック結晶層を用いて、発光波長λが３６０ｎｍである発生層を用いた場合に連続発振しなかったのは、格子定数が小さすぎて加工精度の限界に達しているためであると考えられる。また、各々５倍の格子定数を用いた場合には、フォトニック結晶層の回折効果が十分ではなくて連続発振には至らなかったと考えられる。一方、発光波長λが５００ｎｍである発生層を用いた場合に連続発振しなかったのは、活性層のエピタキシャル成長上の問題で、発光層の発光効率が低いことに起因していると考えられる。
【０１０９】
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く、特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【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斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−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の一例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工程を示す断面図である。
【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工程を示す断面図である。
【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工程を示す断面図である。
【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工程を示す断面図である。
【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工程を示す断面図である。
【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工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の他の構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施の形態２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１５】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。
【図１６】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１７】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工程を示す断面図である。
【図１８】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工程を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の他の構成を示す断面図である。
【図２０】（ａ）は、比較例１における孔の様子を模式的に示す図である。（ｂ）は、本発明例１における孔の様子を模式的に示す図である。（ｃ）は、本発明例２における孔の様子を模式的に示す図である。
【図２１】比較例２の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１，１ａ〜１ｃ，１００  半導体レーザ素子、２ａ  エピタキシャル層、２ｂ  回折格子点（孔）、３，２１  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（２次元回折格子）、９  コンタクト層、９ａ  光放出面、１０，１１  電極、１２  ｎ型コンタクト層、１２ａ  ｎ型コンタクト層表面、１７  フォトニック結晶層主面、２０  レジスト、２２  剥離層、２５  ピット。
【図１】
2006165255.tif 000004
【図２】
2006165255.tif 000005
【図３】
2006165255.tif 000006
【図４】
2006165255.tif 000007
【図５】
2006165255.tif 000008
【図６】
2006165255.tif 000009
【図７】
2006165255.tif 000010
【図８】
2006165255.tif 000011
【図９】
2006165255.tif 000012
【図１０】
2006165255.tif 000013
【図１１】
2006165255.tif 000014
【図１２】
2006165255.tif 000015
【図１３】
2006165255.tif 000016
【図１４】
2006165255.tif 000017
【図１５】
2006165255.tif 000018
【図１６】
2006165255.tif 000019
【図１７】
2006165255.tif 000020
【図１８】
2006165255.tif 000021
【図１９】
2006165255.tif 000022
【図２０】
2006165255.tif 000023
【図２１】
2006165255.tif 000024