(57)【要約】【課題】  簡単に製造することができ、発光波長の制約が小さい、発光部端面において光の進行方向を変える機構を有する半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  活性層１５を含む半導体発光層領域３０を形成する工程と、半導体発光層領域３０に隣り合うように、ＧａＮ系材料の結晶方位が反転した結晶反転層領域４４を形成する工程と、結晶反転層領域をウェットエッチングして複数個の錐体３４から構成される錐体配置領域３５を形成する工程とを備える。【選択図】        図１
2006165396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む半導体発光層領域を形成する工程と、
前記半導体発光層領域に隣り合うように、ＧａＮ系材料の結晶方位が反転した結晶反転層領域を形成する工程と、
前記結晶反転層領域をウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
基板上にパターンマスクを形成する工程と、
前記基板上に、活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長して前記パターンマスク上には前記複数のＧａＮ系半導体層それぞれの結晶反転層を形成する工程と、
前記結晶反転層領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
基板上に錐体配置領域用パターンマスクおよびフォトニック結晶用パターンマスクを有するパターンマスクを形成する工程と、
基板上に活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には複数のＧａＮ系半導体層それぞれの結晶反転層を形成する工程と、
前記フォトニック結晶用パターンマスク上の結晶反転層領域の複数のＧａＮ系半導体層それぞれをアルカリ性液剤でウェットエッチングして除去する工程と、
前記錐体配置領域用パターンマスク上の結晶反転層領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記フォトニック結晶用パターンマスクは、前記錐体配置領域に面する部分に、前記活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を発光層領域とするための部分を含む、請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
パターンマスクがＳｉを含む材料層で形成されている、請求項２〜４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記Ｓｉを含む材料層がＳｉＯ2およびＳｉ3Ｎ4の少なくとも１つで形成される、請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記錐体の表面に反射膜を形成する工程を備える、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記基板が、単結晶Ｓｉ（１１１）面基板、単結晶ＧａＡｓ（１１１）面基板、単結晶ＧａＮ（０００１）面基板、高配向ＧａＮ（０００１）面基板、およびサファイア（０００１）面基板のうちから選ばれた基板である、請求項２〜７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記結晶反転層領域はＧａＮ系材料のＮ面方位（０００−１）の領域であり、その端面がＧａ面方位（０００１）が主である領域の端面に面している、請求項２〜８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記パターンマスクは、その開口端部が、平面的に見て、前記活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層端面に沿うような部分を有する、請求項２〜９のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ＧａＮ系半導体層の結晶反転領域のウェットエッチングに、ＮａＯＨおよびＫＯＨのうちの１種を含む液剤を用いる、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
活性層を含み、端面から光を出射させる半導体発光層領域と、
前記半導体発光層領域の端面に面して、複数個の錐体が配置された錐体配置領域とを備える、半導体発光素子。
【請求項１３】
基板上に位置するパターンマスクと、
前記基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体層と、
前記ＧａＮ系半導体層の結晶反転層材料で形成され、前記ＧａＮ系半導体層の端面に面して、前記パターンマスク上に位置する複数の錐体を含む錐体配置領域とを備える、半導体発光素子。
【請求項１４】
第１および第２の領域を有して基板上に位置するパターンマスクと、
前記基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体発光層と、
前記活性層を含むＧａＮ系半導体発光層の端面に面して前記パターンマスクの第１の領域上に位置し、前記ＧａＮ系半導体発光層の結晶反転材料で形成された錐体が複数個配置された錐体配置領域とを備え、
前記ＧａＮ系半導体発光層には、前記パターンマスクの第２の領域上に位置して２次元周期パターンを構成する空隙部を有するＧａＮ系フォトニック結晶が形成されている、半導体発光素子。
【請求項１５】
前記錐体配置領域に面する端面を有して、前記フォトニック結晶に囲まれるように位置する前記活性層を有するＧａＮ系半導体発光層を有する、請求項１４に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
パターンマスクがＳｉを含む材料層で形成されている、請求項１３〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記Ｓｉを含む材料層がＳｉＯ2およびＳｉ3Ｎ4の少なくとも１つで形成される、請求項１６に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記錐体配置領域の錐体の表面に反射膜が形成されている、請求項１２〜１７のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記基板が、単結晶Ｓｉ（１１１）面基板、単結晶ＧａＡｓ（１１１）面基板、単結晶ＧａＮ（０００１）面基板、高配向ＧａＮ（０００１）面基板、およびサファイア（０００１）面基板のうちから選ばれた基板である、請求項１３〜１８のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
前記錐体配置領域の錐体が、前記ＧａＮ系半導体層の結晶反転層から形成されている、請求項１３〜１９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項２１】
前記パターンマスクは、その開口端部が、平面的に見て、前記活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層端面に沿うような部分を有する、請求項１３〜２０のいずれかに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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】
ＧａＮ系半導体発光素子の中でも、特に半導体レーザ（ＬＤ）は、その発光波長が４００ｎｍ近辺と従来の半導体レーザよりも短波長なことから、高密度記録媒体用の光源として開発が進められてきた。その形態は端面発光型が大多数であり、近年、高出力化が進んできている。
【０００３】
一方、面発光型の開発も進められている。垂直共振器構造とする構成においては、通常よく用いられるサファイア基板とＧａＮとの格子定数不適合により、反射を得る構造が採用される。しかし、反射を得る構造（ミラー）を形成する途中でクラックが発生するなどの問題があるため、未だ十分な発光がなされていないという状況である。
【０００４】
また、近年、ＩｎＰ系材料を用い、フォトニック結晶構造により面発光レーザを形成する次のような技術が提案されている（非特許文献１）。光バンドギャップに相当する波長域の光は、光周期構造体中を伝播することはできない。そこでフォトニックバンド構造におけるバンド端の光を発光させ、その光が多方向の面内分布帰還を受けることにより定在波が生じることを利用して作製される面発光素子などが提案されている。
【０００５】
一方、上記のように、発光素子から直接に面状発光を得なくても、端面発光の光を進行方向に対して４５°に配置したミラーに照射して光の向きを９０°変え、面状に出射する面発光素子が提案されている（非特許文献２）。この場合、各単位発光素子は繰り返し面上に配置して面状の発光を得る。この方式によれば、従来から用いられてきた水平共振器または水平共振器の端部領域を改変した曲がり共振器を用いて、容易に面状の光を出射させることができる。
【０００６】
しかし、上記の端面発光素子のレーザをＧａＮ系材料で形成した場合、レーザを構成するＧａＮ系材料の表面であるＧａ面エピタキシャル成長層は、化学的に安定である。このため、上記４５°傾斜ミラーの形成にイオンビームを用いる方法が提案されている（非特許文献３）。
【非特許文献１】横山光、野田進「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、第12巻2号  2003年
【非特許文献２】伊賀健一、小山二三夫「面発光レーザ」オーム社(1990)、p.7
【非特許文献３】T.H.Windhorn and W.D.Goodhue,Appl.Phys.Lett.48(24),16 June 1986 "Monolithic GaAs/AlGaAs diode laser/deflector devices for light emission normal to the surface"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記非特許文献１に開示された手法は斬新であるが、波長がフォトニックバンド端に限られるという大きな制約を受ける。
【０００８】
また、上記非特許文献３に示されたイオンビームを用いる方法では、４５°傾斜面を高精度で形成することは容易ではない。一般に、上記非特許文献２に示される４５°反射鏡構造は簡単な方法では製造できず、このため反射鏡の必要な位置に別途作製した部材を貼り付けるという手法がとられていた。また別途再成長により反射鏡を形成する方法もあった。このため、上記４５°の傾斜の反射鏡を有する発光素子の製造には精度を要する多くの工数を要し、面状発光素子のコスト高をもたらしていた。
【０００９】
本発明は、非常に簡単に製造することができ、発光波長の制約が小さい、発光部端面において光の進行方向を変える機構を有する半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層を含む半導体発光層領域を形成する工程と、半導体発光層領域に隣り合うように、ＧａＮ系材料の結晶方位が反転した結晶反転層領域を形成する工程とを有する。そして、結晶反転層領域をウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記方法によれば、半導体発光層の種類を問わず、その端面から出射された光は、錐体配置領域の錐体に当たって進路を変えられ、またその照射範囲を少し広げられる場合もあり、錐体配置領域から基板面に交差する方向に放射される。錐体配置領域は、ＧａＮ系材料の結晶方位が反転した結晶反転層領域（Ｎ面領域）をウェットエッチングすることにより簡単に形成することができる。上記の錐体配置領域および半導体発光層領域は、これを１単位として繰り返し面に配列することができる。このため、面倒な手順を経ることなく面状の発光素子を形成することができる。
【００１２】
本発明の別の半導体発光素子の製造方法は、基板上にパターンマスクを形成する工程と、基板上に、活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には複数のＧａＮ系半導体層それぞれの結晶反転層を形成する工程とを備える。そして、結晶反転層領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この方法によれば、活性層にＧａＮ系半導体層を用いた上で、結晶反転領域にＮ面領域を形成して、ウェットエッチングにより簡単にＮ面領域から錐体配置領域を形成することができる。この方法では、結晶反転領域と半導体発光層領域とを同じ機会に成膜できるので、非常に効率的に面状の半導体発光素子を形成することができる。なお、パターンマスクは、当然、開口部分を有し、ＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長したときそのエピタキシャル成長層は開口部分の基板上に形成され、またそれらＧａＮ系半導体層の結晶反転層はパターンマスク材料層の上に形成される。繰り返し説明しないが以後でも同様である。パターンマスク材料層の材料は周囲の開口部におけるエピタキシャル層の結晶反転層が成長できる材料であればどのような材料であってもよい。
【００１４】
本発明のさらに別の半導体発光素子の製造方法は、基板上に錐体配置領域用パターンマスクおよびフォトニック結晶用パターンマスクを有するパターンマスクを形成する工程と、基板上に、活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には複数のＧａＮ系半導体層それぞれの結晶反転層を形成する工程とを備える。また、本製造方法は、フォトニック結晶用パターンマスク上の結晶反転層領域の複数のＧａＮ系半導体層それぞれをアルカリ性液剤でウェットエッチングして除去する工程と、錐体配置領域用パターンマスク上の結晶反転層領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体から構成される錐体配置領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記方法により、フォトニック結晶で囲まれた発光層の錐体配置領域に面する端面から光を層に沿うように出射し、複数個の錐体によって反射して向きを変えて、錐体が伸び立つ方向に光を出すことができる。上記の構成では、フォトニック結晶中に２次元周期性がない発光層領域（光伝播領域）を設け、その発光層領域を上記端面以外は周囲を囲むようにフォトニック結晶を配置することができる。このため、上記端面に対向する側の端面に反射層を設けなくても、光は上記端面から錐体配置領域に向けて出射されるので、反射層形成の工数を省略することができる。なお、フォトニック結晶中の結晶反転領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして除去する工程では、錐体配置領域のパターンマスク上の結晶反転領域（複数のＧａＮ系半導体層）は保護しておく。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、活性層を含み、端面から光を出射させる半導体発光層領域と、半導体発光層領域の端面に面して、複数個の錐体が配置された錐体配置領域とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この構造により、半導体発光層領域の端面から出射された光は、錐体によって進路を変えられて、基板面に交差する方向の照射光となる。上記の構成を１単位として面上に繰り返し配列することにより面状発光素子をシンプルな構成で得ることができる。また製造は簡単化されて、製造コスト低減や半導体発光素子の小型化を得ることができる。
【００１８】
本発明の別の半導体発光素子は、基板上に位置するパターンマスクと、基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層の結晶反転層材料で形成され、ＧａＮ系半導体層の端面に面して、パターンマスク上に位置する複数の錐体を含む錐体配置領域とを備えることを特徴とする。上記「基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体層」は、パターンマスクの開口部において露出した基板に接してエピタキシャル成長されるＧａＮ系半導体層をさす。
【００１９】
この構造によれば、パターンマスク上にはＧａＮ系半導体層のＮ面領域を、またパターンマスクのない開口部の基板（ＧａＮ系基板）上には直接、ＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させて活性層を含む発光層領域を、同じ成膜機会に形成することができる。ウェットエッチングに対して、ＧａＮ系半導体層のＧａ面領域は安定であり、またＮ面領域は容易にエッチングされて特徴的な錐体形状を有するようにされる。とくに角錐形状にされる。このため、簡単に面状の半導体発光素子を得ることが可能となる。
【００２０】
本発明のさらに別の半導体発光素子は、第１および第２の領域を有して基板上に位置するパターンマスクと、基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体発光層とを有する。そして、活性層を含むＧａＮ系半導体発光層の端面に面してパターンマスクの第１の領域上に位置し、ＧａＮ系半導体発光層の結晶反転材料で形成された錐体が複数個配置された錐体配置領域とを備え、ＧａＮ系半導体発光層には、パターンマスクの第２の領域上に位置して２次元周期パターンを構成する空隙部を有するＧａＮ系フォトニック結晶が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成により、フォトニック結晶中に発光層である光伝播領域を形成することにより漏れなく光を錐体配置領域に導き、錐体が伸び立つ方向に進行方向を変えることができる。このような構成を、面にわたって繰り返し設けることにより、効率のよい面状発光素子を得ることができる。なお、上記のフォトニック結晶の端面等の２次元周期性のない領域は発光層領域（光伝播領域）となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体発光素子を示す断面図である。また、図２はその平面図である。図１および図２を参照して、半導体発光素子は、発光層領域３０と、反射領域である錐体配置領域３５とを有する。基板１上にはクラッド層１４、１６で挟まれた活性層１５が形成され、２つの電極２１、２２の間に電圧が印加されて電流が導入されることにより光が端面３０ａから側方外部に出射される。
【００２４】
活性層１５の下にはｎ型クラッド層１４が配置されるが、ｎ型クラッド層１４の下にｎ型バッファ層を、またｎ型クラッド層１４の上にｎ型ガイド層などを配置してもよい。また、活性層１５の上にｐ型クラッド層１６を配置するが、その下にｐ型電子ブロック層を、またｐ型クラッド層１６の上にｐ型コンタクト層を形成してもよい。活性層１５は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造などを用いることができる。
【００２５】
錐体配置領域３５における錐体３４は、パターンマスク３２上に、上方に伸び立つように位置している。この錐体３４の下面（パターンマスク３２と接する面）はＧａ面となっている。錐体の形状は通常は６角錐状であるが６角錐状に限定されない。端面３０ａから出射された光は、錐体に照射して反射され上方（錐体が伸び立つ、基板表面に対して交差する方向）に放射される。図２に示す半導体発光素子は、所定の面積にわたって平面的に繰り返し構成される。すなわち、図２の半導体発光素子は、面状発光素子の各発光点（箇所）を表わす。
【００２６】
次に上記半導体発光素子の製造方法について、その製造原理も含めて説明する。
【００２７】
（製造原理）
図３は、ＧａＮの結晶構造の模式図である。図３を参照して、ウルツ鉱構造のｃ軸に垂直にＧａ面とＮ面とが交互に配置される。ｃ軸は成長方向でもあり、単結晶基板、高配向基板またはエピタキシャル層はｃ軸に垂直な表面を形成しやすい。ｃ軸方向に関して、ＧａとＮとの結合は、図３に示す点線部Ｂ1、Ｂ2で切れやすいため、ＧａＮ基板はその上面（表面）１ａでたとえばＧａ面の極性を、また下面（裏面）１ｂでＮ面の極性を有する。結晶反転領域のＮ面領域ではアルカリ液によって腐食されやすく、Ｇａ面領域は非常に安定であり腐食されにくい。アルカリ液によるウェットエッチングを行なったあとのＧａＮ基板のＮ面の状態（図４）と、Ｇａ面の状態（図５）とは大きな相違がある。
【００２８】
図４に示すように、Ｎ面では角錐状となるようにエッチングされるのに比して、Ｇａ面では図５に示すようにほとんどエッチングされず、元の表面が維持される。図４の状態の後、さらにアルカリ液によるエッチングを続行すると錐体もエッチングにより除去されて空隙とされる。本実施の形態では、ＧａＮ系半導体層の結晶反転領域（Ｎ面領域）をアルカリ液でエッチングすることにより、発光層の端面に面する領域に錐体を形成することにポイントがある。
【００２９】
もう一つのポイントは、パターンマスクを形成した後の基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長したとき、パターンマスクの開口部に露出する基板上にはＧａＮ系半導体層がエピタキシャル成長し、パターンマスク上にはＧａＮ系半導体の結晶反転層が形成される点にある。したがって基板上におけるエピタキシャル層表面にはＧａ面が表れ、またパターンマスク上におけるエピタキシャル層表面にはＮ面が表れる。このため、基板表面にパターンマスクを形成した場合、表面側をアルカリ溶液でエッチングすると、パターンマスク上の部分がエッチングされ、錐体が形成され、パターンマスク上にない部分ではＧａ面がエッチングされずに維持される。パターンマスクは、基板上にＧａＮ系半導体層を形成する際にパターンマスク材料上にその結晶反転層が形成されるものであれば何でもよい。
【００３０】
（製造方法）
図６に示す基板１の表面１ａに、図７に示すパターンマスク３２を形成する。パターンマスク３２は、錐体構造領域３５に形成され、他の領域（発光層領域）３０においては基板１の表面１ａを露出している。図８は、図７におけるＶＩＩＩ-ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。パターンマスク３２は、Ｓｉを含む酸化物または窒化物で形成されることができる。
【００３１】
次いでこの状態の基板上にＧａＮ系半導体層を積層することにより、図９を参照して、活性層１５を挟むようにクラッド層１４、１６を形成する。この際、塩素（塩素系ガス）を導入した雰囲気中でＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させることにより、パターンマスク３２の上にはこれら複数のＧａＮ系半導体層の結晶反転層４４が積層される。図９における結晶反転層４４では、上記の各ＧａＮ系半導体層１４、１５、１６の結晶反転層を区別して表示してはいないが、これらＧａＮ系半導体層１４、１５、１６の結晶反転層が含まれていることはいうまでもない。
【００３２】
図９の状態の基板１を、裏面１ｂを保護した上でアルカリ溶液を用いてエッチングを行なうと、上面がＮ面となる結晶反転層４４のみが選択的に除去されて、図１０に示すような錐体３４が結晶反転層４４から形成される。図１１は、電極形成前の半導体発光素子の基本単位を示す図である。錐体３４は発光層領域３０の端面３０ａに、その側面が面するように形成される。このため、端面３０ａから基板面に沿うように出射された光は、錐体３４により基板面に交差する方向、すなわち錐体が伸び立つ方向に進行方向を変えられる。なお、ＧａＮ系半導体層のＧａ面はアルカリ溶液に安定であり、エッチングされない。
【００３３】
上記のエッチングの後、図１２を参照して、裏面の防護層を除去して、表裏面に電極層２１、２２を形成する。次いで図１３に示すように錐体３４の表面に反射膜３７を形成する。
【００３４】
端面発光素子は、レーザ（ＬＤ:Laser Diode）の場合は共振構造を形成するために端面３０ａに部分反射鏡を、また他方の端面に反射鏡を配置することができる。本発明の半導体発光素子によれば、既存のどのような端面発光素子を用いても、錘体３４により光の進行方向を容易に基板面に交差する方向に変えることができ、面発光の半導体発光素子を得ることができる。
【００３５】
本実施の形態の製造方法は、包括的に述べれば、活性層を含む半導体発光層領域３０を形成する工程と、半導体発光層領域３０に隣り合うように、ＧａＮ系材料の結晶方位が反転した結晶反転層領域４４を形成する工程と、結晶反転層領域をウェットエッチングして複数個の錐体３４から構成される錐体配置領域３５を形成する工程とを備える、ということができる。また、本実施の形態の製造方法は、より具体的には、基板１上にパターンマスク３２を形成する工程と、基板１上に、活性層１５を含む複数のＧａＮ系半導体層１４、１５、１６をエピタキシャル成長してパターンマスク３２上には複数のＧａＮ系半導体層のそれぞれの結晶反転層４４を形成する工程と、結晶反転層４４領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体３４から構成される錐体配置領域３５を形成する工程とを備える、ということができる。
【００３６】
また、本実施の形態における半導体発光素子は、包括的に述べれば、活性層１５を含み、端面から光を出射させる半導体発光層領域３０と、半導体発光層領域の端面３０ａに面して、複数個の錐体３４が配置された錐体配置領域３５とを備える、ということができる。また、本実施の形態の発光素子は、より具体的には、基板１上に位置するパターンマスク３２と、基板上に位置する活性層１５を含むＧａＮ系半導体層１４、１５、１６と、ＧａＮ系半導体層の結晶反転層材料で形成され、ＧａＮ系半導体層の端面３０ａに面して、パターンマスク３２上に位置する複数の錐体３４を含む錐体配置領域３５とを備える、ということができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図１４は本発明の実施の形態２における半導体発光素子を示す平面図であり、図１５は図１４の半導体発光素子の発光層領域において電極を省略して示す平面図である。図１４を参照して、本実施の形態における半導体発光素子は、発光層領域３０がフォトニック結晶を含むことに特徴がある。この発光層領域３０には、ｎ型クラッド層１４と活性層１５とｐ型クラッド層とを含むＧａＮ系半導体層１４、１５、１６が形成されている。そして発光層領域３０のＧａＮ系半導体層１４、１５、１６には空隙５が平面的に見て２次元周期配列（たとえば三角格子配列）をなすように形成されることで、フォトニック結晶が構成されている。
【００３８】
ただし、電極２１の下には、図１５に示すように空隙５が周期配列されていない、ＧａＮ系半導体層１４、１５、１６からなる光伝播領域２７が形成されている。空隙５は、光伝播領域２７を取り囲むように配置されている。つまり、ＧａＮ系半導体層１４、１５、１６の空隙５が形成された領域がフォトニック結晶領域となり、空隙５が形成されていない領域が光伝播領域２７となる。
【００３９】
図１６は、図１５に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。図１６を参照して、空隙５は、図９と同様、パターンマスク３２上に配置されている。図１６では、光は模式的に追加して描かれている。
【００４０】
本実施の形態における活性層は、フォトニック結晶のバンドギャップ域内の波長の光を発光するように設定されており、光はフォトニック結晶中を伝播できない。このため、光伝播領域２７においてのみ光が伝播され、その端面３０ａから、錐体配置領域３５に向けて出射される。発光層領域３０の端面３０ａには反射防止膜２５が形成されているが、反射防止膜２５はなくてもよい。上記のフォトニック結晶で囲まれた光伝播領域２７では、上記波長域の光を発光し、この発光領域はたとえば帯状に形成し、その一方の端が露出して錐体配置領域３５に面し、他方の端はフォトニック結晶内に接している。
【００４１】
本実施の形態では、光導波路にフォトニック結晶に囲まれた光伝播領域２７を用いることにより、反射鏡などを用いることなく光を錐体配置領域３５に出射することができる。図１４に示す半導体発光素子では、フォトニック結晶は錐体配置領域３５にその１端面を向けるように配置されている。しかし、錐体配置領域３５の２辺、３辺に接して、または四周を取り囲むように光伝播領域２７とその上の電極２１を配置して、それを取り囲むようにその２辺、３辺または４辺に沿うようにフォトニック結晶を配置してもよい。上記の半導体発光素子を、１単位として縦横にわたって繰り返して配置することにより、面発光の半導体発光素子を容易に得ることができる。
【００４２】
（製造方法）
上記の錐体配置領域の形成は、図６〜図１０に示す工程で行なうことができる。ここで、フォトニック結晶の作製は、錐体配置領域３５の錐体３４の形成と同時に行なわれる。つまり図７に示すパターンマスク３２の形成の際に、錐体配置領域３５に形成された錐体３４形成用のパターン(第１の領域）と、発光層領域３０に形成された図１７または図２０に示すフォトニック結晶形成用のパターン（第２の領域）とを有するパターンマスクを形成する。この後、活性層１５を含むＧａＮ系半導体層１４、１５、１６を積層する。このとき、パターンマスクがない基板上にはＧａＮ系半導体層１４、１５、１６が形成され、第１の領域のパターンマスク上および第２の領域のパターンマスク上に、ともに結晶反転層が積層される。図１７に示すパターンマスク３２を用いた場合、第２の領域では、図１８に示すようにパターンマスク３２上には結晶反転層４４が形成され、それ以外の領域上ではＧａＮ系半導体層３（１４、１５、１６）が形成される。また図２０に示すパターンマスクを用いた場合、第２の領域では、図２１に示すようにパターンマスク３２上には結晶反転層４４が形成され、それ以外の領域上にはＧａＮ系半導体層３（１４、１５、１６）が形成される。なお、図１７、図１８および図２０、図２１では、第２の領域のフォトニック結晶部分の光伝播領域を含まないパターン部分を示している。
【００４３】
次いで、第１の領域（錐体配置領域）の結晶反転領域を保護した上でアルカリ溶液でエッチングして第２の領域（フォトニック結晶領域）のパターンマスク上の結晶反転層を除去する。このエッチングにより活性層を含むＧａＮ系半導体層１４、１５、１６は除去され、これにより２次元周期配列された空隙が形成される。
【００４４】
図１９および図２２は、エッチング後の第２の領域におけるフォトニック結晶を示す図であり、光伝播領域２７を含む図である。図１７および図１８の工程を経て形成されたフォトニック結晶では、図１９に示すようにパターンマスク上に孔（空隙）が離散的に周期配列されたものとなる。また図２０および図２１の工程を経て形成されたフォトニック結晶では、図２２に示すようにパターンマスク３２上に空隙が形成され、この空隙で取囲まれることによりＧａＮ系半導体層３（１４、１５、１６）が柱状構造を構成するように周期配列されている。また図２２に示すフォトニック結晶では、柱状構造のＧａＮ系半導体層３（１４、１５、１６）は光伝播領域２７のＧａＮ系半導体層１４、１５、１６と空隙により分離している。
【００４５】
このあと第１の領域（錐体配置領域）のパターンマスク上の上記結晶反転層４４の防護層を除いてアルカリ溶液でエッチングすることにより、錐体配置領域３５に錐体３４を形成する。
【００４６】
本実施の形態では、フォトニック結晶を用いることにより光伝播領域２７を反射層などを用いることなく発光層を形成することができる。このため、単位となる半導体発光素子を、非常に簡単に面上に繰り返し配列した面状発光素子を形成することができる。この半導体発光素子は反射面などによるロスがないため効率に優れている。
【００４７】
本実施の形態の製造方法は、包括的に述べれば、基板１上に錐体配置領域用パターンマスクおよびフォトニック結晶用パターンマスクを有するパターンマスク３２を形成する工程と、基板上に活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層１４，１５、１６をエピタキシャル成長してパターンマスク上には複数のＧａＮ系半導体層それぞれの結晶反転層４４を形成する工程とを有する。そして、フォトニック結晶用パターンマスク上の結晶反転層領域の複数のＧａＮ系半導体層それぞれをアルカリ性液剤でウェットエッチングして除去する工程と、錐体配置領域用パターンマスク上の結晶反転層領域をアルカリ性液剤でウェットエッチングして複数個の錐体３４から構成される錐体配置領域３５を形成する工程とを備える、ということができる。
【００４８】
また、上記製造方法において、フォトニック結晶用パターンマスクは、錐体配置領域３５に面する部分に、活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層１４、１５、１６を光伝播領域とするための部分を含むようにできる。
【００４９】
また、本実施の形態における半導体発光素子は、包括的に述べれば、第１および第２の領域を有して基板上に位置するパターンマスク３２と、基板上に位置する活性層を含むＧａＮ系半導体発光層１４、１５、１６とを有する。そして、活性層を含むＧａＮ系半導体発光層の端面３０ａに面してパターンマスクの第１の領域上に位置し、ＧａＮ系半導体発光層の結晶反転材料で形成された錐体３４が複数個配置された錐体配置領域とを備え、ＧａＮ系半導体発光層には、パターンマスクの第２の領域上に位置して２次元周期パターンを構成する空隙部５を有するＧａＮ系フォトニック結晶が形成されている、ということができる。
【００５０】
また、上記半導体発光素子において、錐体配置領域３５に面する端面３０ａを有してフォトニック結晶に囲まれるように位置する活性層を有するＧａＮ系半導体発光層を有する構成をとることができる。この構成により、簡単に発光領域を形成することができる。
【００５１】
上記実施の形態１および２において、上記のパターンマスク３２がＳｉを含む材料層で形成されるようにできる。とくにＳｉＯ2およびＳｉ3Ｎ4の少なくとも１つで形成されるようにできる。この構成により、既存の成膜装置を用いて簡単にパターンマスクを形成することができる。またパターンマスク３２はＰｔやＷを含む材料層で形成されるようにもできる。
【００５２】
また、上記の錐体３４の表面に反射膜３７を形成することができる。この構成により高効率の面状発光素子を得ることができる。
【００５３】
また、上記基板が、単結晶Ｓｉ（１１１）面基板、単結晶ＧａＡｓ（１１１）面基板、単結晶ＧａＮ（０００１）面基板、高配向ＧａＮ（０００１）面基板、およびサファイア（０００１）面基板のうちから選ばれた基板としてもよい。この構成により、基板上にＧａ面のＧａＮ系半導体層を、またパターンマスク上にその結晶反転層を形成することができる。
【００５４】
また、結晶反転層領域はＧａＮ系材料のＮ面方位（０００−１）の領域であり、その端面がＧａ面方位（０００１）が主である領域の端面に面しているようにできる。この構成により、ＧａＮ系発光層に隣り合うように錐体配置領域を簡単に形成することができる。
【００５５】
錐体は、ＧａＮ系半導体層の結晶反転層から形成されることができる。この構成により、基板面に沿うように端面から出射された光を基板面に交差する方向に進路を変える錐体を、非常に簡単に配置することができる。
【００５６】
上記のパターンマスクは、その開口端部が、平面的に見て、活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層端面に沿うような部分を有することができる。この構成により、その開口部に錐体を形成して錐体配置領域を簡単に設けることができる。
【００５７】
上記のＧａＮ系半導体層の結晶反転領域のウェットエッチングに、ＮａＯＨおよびＫＯＨのうちの１種を含む液剤を用いることができる。ＧａＮ結晶のＮ面領域を優先的にエッチングすることができる。
【００５８】
ＧａＮ系半導体層の形成方法は、有機金属ＣＶＤ法、ＣＶＤ法、各種の真空蒸着法などを用いることができる。これら既存の装置を用いて、ＧａＮ系半導体層を基板に、またパターンマスク上にその結晶反転層を簡単に形成することができる。
【００５９】
パターンマスクが形成された基板上にＧａＮ系半導体層を形成したのち、内部に大きなダメージを与えない方法として通常知られている任意の平坦化方法を用いてもよい。
【実施例】
【００６０】
次に実施例について説明する。本実施例では、図１４に示す半導体発光素子を１単位として繰り返し配置した面状発光素子を形成した。
【００６１】
３０ｍｍのｎ型ＧａＮ（０００１）基板を用意した。その基板を洗浄した後、基板のＧａ面全面にスパッタ蒸着で厚さ０．１μｍのＳｉＯ2膜をつけた。次いで、露光技術により、錐体配置領域（第１の領域）と、光伝播領域を含むフォトニック結晶領域（第２の領域）とを備えるパターンマスク３２を作製した。第２の領域は、径０．３μｍ、ピッチ０．５μｍのパターンを所定の配置で形成した。第１の領域は全面にマスク材料層を形成した。
【００６２】
このパターンマスクの上に有機金属ＣＶＤ法で順にｎ型ＧａＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ型ＧａＮガイド層、ＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸構造の活性層１５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、ｐ型ＧａＮコンタクト層をエピタキシャル成長させた。マスク材料層の上には上記の各ＧａＮ系半導体層の結晶反転層が積層される。
【００６３】
次いで錐体配置領域（第１の領域）をレジスト膜で保護した上でフォトニック結晶用領域（第２の領域）をアルカリ溶液でエッチングして孔（空隙）を２次元周期配列して、光伝播領域２７を含むフォトニック結晶を作製した。このあと、上記基板のＧａＮ基板面（第２の領域）をレジストで保護しながら、５規定のＫＯＨアルカリ液中で１時間エッチング処理した。取り出すとエピタキシャル成長し形成した端面発光型レーザの出射面の位置に、直線状の溝が形成され、さらに出射端前方に六角錐状の突起３４が、その側面が出射端を向くように作製できた。すなわち錐体配置領域に、溝および六角錐３４が形成された。
【００６４】
この基板の表裏面にそれぞれｐ型電極とｎ型電極を形成した。また、六角錐の反射側面にＡｌ反射膜３７を、発振端部にＡｌ2Ｏ3で反射防止膜２５を形成した。こうして作製した端面発光型レーザのチップはＡｌＮ製のサブマウントに搭載し、発振試験を実施した。この結果、基板面の上方への発振を確認できた。
【００６５】
今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法を用いることにより、発光波長の制約が小さく、簡単に製造することが可能な面状の半導体発光素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体発光素子を示す図である。
【図２】図１の半導体発光素子の平面図である。
【図３】ＧａＮ半導体層の結晶構造を示す図である。
【図４】ＧａＮ基板のＮ面をアルカリ溶液でエッチングしたあとの状態を示す図である。
【図５】図４の状態におけるＧａＮ基板のＧａ面を示す図である。
【図６】図１の半導体発光素子の製造における基板を示す図である。
【図７】基板上にパターンマスクを形成した状態を示す図である。
【図８】図７におけるＶＩＩＩ-ＶＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図９】基板上にＧａＮ系半導体層を形成してパターンマスク上にはその結晶反転層を形成した状態を示す図である。
【図１０】結晶反転層をアルカリ溶液でエッチングして垂体を形成した状態を示す図である。
【図１１】電極形成前の半導体発光素子の１単位を示す図である。
【図１２】電極を形成した状態を示す図である。
【図１３】錐体に反射膜を形成した状態を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体発光素子を示す図である。
【図１５】図１４の半導体発光素子の電極を除いた状態を示す図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ-ＸＶＩ線に沿う断面図である（光は追加的に記載）。
【図１７】フォトニック結晶の空隙を孔パターンとするパターンマスクを示す図である。
【図１８】ＧａＮ系半導体層を基板にエピタキシャル成長して図１７のパターンマスク上にその結晶反転層を形成した状態を示す図である。
【図１９】空隙が孔パターンのフォトニック結晶を示す図である。
【図２０】フォトニック結晶の空隙が柱状構造における空間となるパターンマスクを示す図である。
【図２１】ＧａＮ系半導体層を基板にエピタキシャル成長して図２０のパターンマスク上にその結晶反転層を形成した状態を示す図である。
【図２２】空隙が柱状構造における空間であるフォトニック結晶を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  基板、１ａ  基板表面、１ｂ  基板裏面、３  フォトニック結晶中のＧａＮ系半導体層、５  フォトニック結晶空隙部、１４，１６  クラッド層、１５  活性層、２１，２２  電極、２５  反射防止膜、２７  光伝播領域、３０  発光層領域、３０ａ  端面、３２  パターンマスク、３４  錐体、３５  錐体配置領域、３７  反射膜、４４  ＧａＮ系半導体の結晶反転層。
【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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【図２２】
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