(57)【要約】【課題】結晶性の高い柱状結晶を用いた光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイス１０は、複数の集合体２０を含む。集合体２０は、基板４００に形成された複数の柱状結晶３０が規則的に配列して成る。柱状結晶３０はIII-V族半導体を含む。複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置する。そして、同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい光デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶の幅は５００ｎｍ以下である光デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子の格子定数は５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である光デバイス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記基板に垂直な方向から見て、前記第１の格子の単位格子における前記柱状結晶の充填率は３０％以上である光デバイス。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
ｄｉ／ｄｏが０．２以上０．９５以下である光デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て線対称である光デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見てｎ回対称性を有し、ｎは２以上の整数である光デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において前記複数の柱状結晶のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第２の格子の互いに異なる格子点に位置している光デバイス。
【請求項９】
請求項７または８に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て２回対称性を有する光デバイス。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において、前記複数の柱状結晶は直線状に並んでいる光デバイス。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶は角柱状である光デバイス。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子は、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである光デバイス。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶における貫通転位の密度は５×１０４ｃｍ−２以下である光デバイス。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶はウルツ鉱型結晶構造を有し、前記柱状結晶の側面にはｍ面が露出している光デバイス。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記基板の表面に、開口が設けられた膜をさらに備え、
前記柱状結晶は、前記開口を通っている光デバイス。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体は、フォトニック結晶を構成している光デバイス。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
当該光デバイスは、発光デバイス、光フィルタ、または受光デバイスである光デバイス。
【請求項１８】
基板の第１面に、開口が設けられた膜を形成する工程と、
前記膜の前記開口から柱状結晶を成長させて構造体を得る工程とを含み、
前記構造体は、複数の前記柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光デバイスおよび光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
屈折率が互いに異なる領域を周期的に形成することにより、光を制御する技術として、フォトニック結晶がある。
【０００３】
特許文献１および２には、III族窒化物半導体のナノコラムを基板上に形成することが記載されている。また、特許文献１には、成長面の断面積を小さくすることにより、界面における歪応力を低く抑えて、柱状結晶単位の貫通転位の発生を低く抑え、結晶における貫通転位密度を低下させることが記載されている。
【０００４】
特許文献３には、化合物半導体素子において、柱状構造体の配置および柱径が二次元フォトニック結晶状に制御されていることが記載されている。また、特許文献３には、個々のナノコラムの配置を、二次元フォトニック結晶による回折格子パターン状に配置することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／０２５４０７号
【特許文献２】国際公開第２０１０／０２３９２１号
【特許文献３】特開２００８−０３４４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献３の方法では、光の波長に応じてナノコラムの配置周期および太さに設計上の制限が生じ、特に光の波長を長くする場合、ナノコラムをある程度太くする必要があった。その結果、ナノコラムの成長面の断面積が大きくなり、ナノコラムの結晶性が低下する場合があった。
【０００７】
本発明は、結晶性の高い柱状結晶を用いた光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
基板に形成された複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい光デバイス
が提供される。
【０００９】
本発明によれば、
基板の第１面に、開口が設けられた膜を形成する工程と、
前記膜の前記開口から柱状結晶を成長させて構造体を得る工程とを含み、
前記構造体は、複数の前記柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい光デバイスの製造方法
が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、結晶性の高い柱状結晶を用いた光デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する平面図である。
【図２】第１の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る光デバイスの構造の変形例１を示す断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態に係る光デバイスの製造方法を例示する図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ柱状結晶の頂部の形状の変形例を示す図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。
【図８】（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。
【図９】第１の格子が正方格子である例を示す平面図である。
【図１０】複数の集合体の構造を例示する平面図である。
【図１１】凝集率について説明するための図である。
【図１２】第２の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。
【図１３】（ａ）は第２の実施形態に係る光デバイスの一例を基板に垂直な方向から電子顕微鏡で観察した結果を示す図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る柱状結晶の一例を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図１４】第２の実施形態に係る光デバイスの構造の変形例を示す断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例１および実施例１に係る構造を示す平面図であり、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ比較例１および実施例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ比較例２および実施例２〜実施例４に係る構造を示す平面図であり、（ｅ）〜（ｈ）はそれぞれ比較例２および実施例２〜実施例４の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ実施例５〜実施例７、および比較例３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図１９】（ａ）は、実施例７および比較例３の光デバイス構造に対し、光励起ＰＬ測定を行った結果を示す図であり、（ｂ）は、実施例７の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。
【図２０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例５および実施例６の光デバイス構造に対し、ＰＬ強励起測定を行った結果を示す図である。
【図２１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例４および実施例８に係る光デバイス構造の平面図であり、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、比較例４および実施例８の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。
【図２２】（ａ）および（ｂ）は、実施例８の光デバイス構造を光励起発振させた結果を示す図である。
【図２３】（ａ）から（ｃ）は、それぞれ実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図２４】フォトニックバンド端波長が５２０ｎｍとなるときの、格子定数α１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係を計算した結果を示す図である。
【図２５】比較例５−１から比較例５−５、および実施例１３−１から実施例１３−１０に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図２６】比較例６−１から比較例６−４、および実施例１４−１から実施例１４−３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図２７】比較例７−１から比較例７−４、および実施例１５−１から実施例１５−３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図２８】（ａ）〜（ｄ）は、比較例８および比較例９に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。
【図２９】（ａ）〜（ｃ）は、実施例１６に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。
【図３０】実施例１７に係る光デバイス構造に対し、フォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。
【図３１】柱状結晶が太さ方向に積層された複数の層を含む例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する平面図である。本図は、基板４００に垂直な方向から見た状態を示している。本実施形態に係る光デバイス１０は、複数の集合体２０を含む。集合体２０は、基板４００に形成された複数の柱状結晶３０が規則的に配列して成る。柱状結晶３０はIII-V族半導体を含む。複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置する。そして、同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい。以下に詳しく説明する。
【００１４】
III-V族半導体を、ナノスケールの柱状構造にボトムアップ成長させると、結晶性の高い柱状結晶が得られる。この理由としては、成長断面積が小さいことにより、結晶歪みが緩和されやすくなる歪み緩和効果、および、結晶内に生じた貫通転位が壁面に逃げて消失しやすくなる貫通転位の離脱効果が挙げられる。詳しくは、柱状結晶を成長させるための下地結晶にたとえば１０１１ｃｍ−２を超えるような高い密度で転位が含まれ、その転位が柱状結晶内に貫通することがあっても、転位が柱状結晶の下部で曲がり、その側面に抜けて消失する。すなわち、結晶性の低い下地結晶を用いる場合でも、高品質の柱状結晶が得られる。
【００１５】
柱状結晶をトップダウンで形成する場合、柱状結晶に含まれる転位数は元となる膜構造または層構造の転位密度に依存する。この場合においても、歪み緩和効果が発現し、結晶性の高い柱状結晶が得られる。
【００１６】
ただし、このような歪み緩和効果、および貫通転位の離脱効果を得るためには、柱状結晶の径はある程度小さい必要がある。
【００１７】
柱状結晶の配列に関しては、構造体内に個々の柱状結晶を格子状に配置して、柱状結晶の格子配置に基づくフォトニック結晶を構成しようとする場合、すなわち集合体を形成しない場合、柱状結晶の間隔（格子定数）と太さは、その構造体をフォトニック結晶として機能させようとする光の波長（フォトニックバンド端波長）に応じて決める必要があった。波長、柱状結晶の間隔、および太さの間には所定の関係があるからである。具体的には、長波長の光を構造体と相互作用させるためには、柱状結晶の太さが同じであれば間隔を大きくする必要があった。また波長は間隔でほぼ決まるものの、太さによっても変化し、長波長の光を構造体と相互作用させるためには、間隔が同じであれば柱状結晶を太くする必要があった。したがって、波長に依存して柱状結晶の太さと間隔の設計自由度が制限されていた。
【００１８】
その上、柱状結晶を細くし空間での柱状結晶の密度が小さくなりすぎると、構造体がフォトニック結晶として十分機能しなくなる場合があった。たとえば結晶品質を高めるために柱状結晶を細くしていくと、動作波長が短くなるため、間隔を大きくする必要があり、充填率は加速度的に小さくなる。その結果、デバイスとしての動作が難しくなる。また、細い柱状結晶を広い間隔で独立に配置すると、柱状結晶が機械的に弱くなるという問題もあった。そして、柱状結晶内に発光層等の活性層を設ける場合には、発光体の体積が小さくなり、ひいては発光強度が小さくなる。この結果、レーザ等ではレーザ利得を得にくくなることにより発振が起こりにくくなるという問題が生じ得た。さらに、柱状結晶の上に電極を配置する場合には、柱状結晶間への電極の入り込みが生じるおそれがあった。
【００１９】
このように、長波長に対応するフォトニック結晶を得ようとする場合には、柱状結晶の径を太くする必要があり、結晶の質が損なわれる場合があった。結晶の質は柱状結晶の発光特性に影響するため、特に長波長の光を高輝度で出力する光デバイスを得ることは難しかった。
【００２０】
これに対し、本実施形態に係る光デバイス１０では、集合体２０を格子状に配置して、集合体２０の格子配置に基づくフォトニック結晶を構成する。そして、集合体２０に含まれる柱状結晶３０の太さは、その格子定数に縛られることなく決定することができる。したがって、フォトニック結晶を利用した光デバイスにおいて、出力光の波長によらず結晶の質が高い柱状結晶を用いることができる。そして、良好な光出力特性を有する光デバイスを実現できる。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面に相当する。なお、図１において、後述する膜４１０は省略されている。本実施形態に係る光デバイス１０は、発光デバイス、光フィルタ、または受光デバイスである。光デバイス１０において、複数の集合体２０は、フォトニック結晶を構成している。光デバイス１０はたとえば光励起、電子線励起、または電流注入により光を出力するデバイスである。光デバイス１０が励起により光を出力する場合、たとえば、光デバイス１０は入力された励起光を所定の波長の光に変換して出力する。光デバイス１０が電子線励起により光を出力する場合、光デバイス１０は電子線のエネルギーを所定の波長の光に変換して出力する。光デバイス１０が電流注入により光を出力する場合、電子とホールを柱状結晶３０内で再結合させ、所定の波長の光を出力する。光デバイス１０が受光デバイスである場合、光デバイス１０では受光した光を電気エネルギーに変換する。このとき、受光デバイスは所定の波長について特に高効率で光電変換を行える。受光デバイスにおいては、特に高い結晶品質が求められることから、本実施形態の構造が特に有益である。ここで、所定の波長はフォトニック結晶の格子定数に依存する。言い換えると、所定の波長は、集合体２０の配置、すなわち第１の格子に基づく波長である。
【００２２】
以下において、柱状結晶３０のうち基板４００側の一端を「底部」と呼び、基板４００側とは反対側の一端を「頂部」と呼ぶ。また、柱状結晶３０の底部と頂部を結ぶ高さ方向を、柱状結晶３０の「軸方向」とも呼ぶ。柱状結晶３０の軸方向は、基板４００の第１面４０１に垂直である。
【００２３】
柱状結晶３０は、III-V族半導体を含む。III-V族半導体は、III族元素とＶ族元素とを含む結晶である。III族元素はＢ、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎからなる群から選択される一以上の元素である。Ｖ族元素は、Ｎ、Ａｓ、およびＰからなる群から選択される一以上の元素である。柱状結晶３０はIII-V族半導体としてIII族窒化物半導体を含んでも良い。III族窒化物半導体は窒素と、一以上のIII族元素とを含む結晶である。ここで、III族窒化物半導体は、たとえば一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。なお、柱状結晶３０は一部に酸化物を含んでも良い。また、柱状結晶３０はドーパント等の不純物をさらに含んでも良い。
【００２４】
たとえば、長波長の出力光を得ようとする場合、柱状結晶３０はＩｎを含むことが好ましい。本実施形態に係る光デバイス１０では、細い柱状結晶３０を用いることができることから、格子不一致が生じやすい複数の原子を柱状結晶３０が含んだ場合でも、格子ひずみが緩和されて混和性が高くなり、均質かつ良質な結晶が得られやすい。さらに、格子定数の異なる結晶層を含む場合でも、不整合転位が発生する膜厚（臨界膜厚）が大きくなり、転位の発生が抑制される。
【００２５】
柱状結晶３０は、柱状結晶３０の高さ方向に積層された複数の層を含んでも良い。また柱状結晶３０は、柱状結晶３０の太さ方向に積層された複数の層を含んでも良い。複数の層のうち互いに隣り合う二層は、組成が互いに異なる。なお、組成が互いに異なるとは、結晶に含まれる元素の組み合わせ、および各元素の含有比率の少なくとも一方が互いに異なることをいう。
【００２６】
柱状結晶３０はｐ型半導体層と、ｎ型半導体層を含んでも良い。たとえば柱状結晶３０の軸方向の一端をｐ型半導体層およびｎ型半導体層の一方とし、柱状結晶３０の他端を、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の他方とする。そうすることで、柱状結晶３０に電子およびホールを注入することができる。また柱状結晶３０は、活性層３０２として量子井戸構造等のヘテロ構造を含んでも良い。ヘテロ構造はたとえばｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成される。本図は、柱状結晶３０が活性層３０２を備える例を示している。なお、柱状結晶３０の幅は、層の組成の違いや柱状結晶３０の充填率の大小、または成長条件の違い等に起因して長さ方向に変化していても良いし、変化していなくても良い。
【００２７】
図３１は、柱状結晶３０が太さ方向に積層された複数の層を含む例を示す断面図である。本図は、基板４００に平行な断面を示している。柱状結晶３０は、高さ方向の少なくとも一部分において、太さ方向に積層された複数の層を含んでもよい。本図の例において、柱状結晶３０は、中心から外側に向かって、中心部３１０、第１外周層３１１、および第２外周層３１２がこの順に積層された構造を有する。第１外周層３１１は中心部３１０の外周を囲っており、第２外周層３１２は第１外周層３１１の外周を囲っている。たとえば中心部３１０および第２外周層３１２の一方はｎ型半導体であり、他方はｐ型半導体であり、第１外周層３１１は活性層である。このような構造はたとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。なお、本図では柱状結晶３０の基板４００に平行な断面の形状が六角形である例を示しているが、柱状結晶３０の断面の形状は他の多角形であっても良いし、円形であっても良い。
【００２８】
図２に戻り、光デバイス１０は基板４００をさらに含む。複数の柱状結晶３０は基板４００の同一面に設けられている。基板４００としてはたとえば、半導体、ガラス、および金属の少なくともいずれかを含む基板が挙げられる。基板４００は、複数の層から成っていても良い。本図の例において、基板４００は、第１の層４０３および第２の層４０４を含む。第１の層４０３はたとえばサファイア、Ｓｉ、またはシリカガラス（ＳｉＯ２）であり、第２の層４０４はたとえばIII-V族半導体である。第２の層４０４は、柱状結晶３０と接合している。III-V族半導体としては、柱状結晶３０に関して説明した通りである。また、基板４００はさらに多層膜反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を含んでも良い。基板４００は、最表面にIII-V族半導体を含むことが好ましい。また、基板４００は、最表面に金属を含んでも良い。
【００２９】
基板４００はたとえば、サファイア基板などの下地基板（第１の層４０３）上にIII-V族半導体層（第２の層４０４）をエピタキシャル成長させて得ることができる。具体的には、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により、下地基板上に窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどのバッファ層（図示せず）を低温プロセスで成長させ、このバッファ層上にIII-V族半導体層を成長させる。
【００３０】
本図の例において光デバイス１０は、基板４００の表面に膜４１０をさらに備える。膜４１０には開口４１１が設けられており、柱状結晶３０は、開口４１１を通っている。より詳しくは、膜４１０は基板４００の第１面４０１に形成されている。膜４１０には複数の開口が設けられており、各開口を通って一つの柱状結晶３０が、第１面４０１に垂直な方向に延びている。また、本図の例では柱状結晶３０の底部において、柱状結晶３０の側面は第１面４０１に垂直である。膜４１０は柱状結晶３０を成長させる際、マスク、すなわち成長抑制膜として機能する。膜４１０はたとえばＴｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｗ、およびＭｏからなる群から選択される一以上の金属を含む膜である。膜４１０は金属の酸化物および窒化物のうち少なくとも一方を含んでも良い。また、膜４１０は窒化シリコン、酸化シリコン等の、シリコンを含む膜であっても良いし、グラフェンであっても良い。膜４１０の厚さは例えば２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。なお、光デバイス１０は膜４１０を備えていなくても良い。
【００３１】
なお、複数の柱状結晶３０の間には、絶縁材料等、柱状結晶３０の材料とは異なる材料が充填されていても良い。
【００３２】
図３は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造の変形例１を示す断面図である。本変形例に係る光デバイス１０は、第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂをさらに有する点を除いて実施形態に係る光デバイス１０と同様である。第１電極４３０ａは柱状結晶３０の頂部に接続されている。詳しくは、第１電極４３０ａは複数の柱状結晶３０の頂部にわたって連続して形成されている。一方第２電極４３０ｂは基板４００に接続されている。本図の例において、膜４１０には、第２電極４３０ｂを設けるための開口がさらに設けられている。光デバイス１０が発光デバイスである場合、本実施例において光デバイス１０は、電流注入により光を出力する。具体的には第１電極４３０ａと第２電極４３０ｂとの間に電圧を印加することにより、複数の柱状結晶３０に電子およびホールを注入し、柱状結晶３０を発光させることができる。また、光デバイス１０が受光デバイスである場合、発生した電気エネルギーが第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂを通じて取り出される。
【００３３】
第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂは、それぞれ金属膜および透明導電膜の少なくともいずれかを含む電極である。第１電極４３０ａの材料と第２電極４３０ｂの材料とは互いに異なっていてもよいし同じであっても良い。金属膜としてはＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ等が挙げられる。また、透明導電膜としては、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ等の金属酸化物やグラフェン等が挙げられる。また、電極は、金属の多層構造または金属酸化物層と金属層とを含む多層構造を有していても良い。金属酸化物層と金属層とを含む多層構造としては、ＩＴＯ、Ａｇ、およびＩＴＯをこの順に積層した構造や、ＡＺＯ、Ａｇ、およびＡＺＯをこの順に積層した構造等が挙げられる。さらに、第１電極４３０ａは、柱状結晶３０側から光透過性が高い金属の薄膜導電膜と透明導電膜とを積層させた構造であっても良い。
【００３４】
図４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る光デバイス１０の製造方法を例示する図である。本製造方法は、膜４１０を形成する工程および構造体１００を得る工程を含む。膜４１０を形成する工程では、基板４００の第１面４０１に、開口４１１が設けられた膜４１０を形成する。構造体１００を得る工程では、膜４１０の開口４１１から柱状結晶３０を成長させて構造体１００を得る。構造体１００は、複数の柱状結晶３０が規則的に配列して成る集合体２０を複数含む。柱状結晶３０はIII-V族半導体を含む。複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置する。そして、同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｉは、互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄｏよりも小さい。
【００３５】
本製造方法では、構造体１００をそのまま光デバイス１０としてもよい。また、本製造方法は構造体１００に対して電極を形成する工程をさらに含んでも良い。電極を形成する工程では、構造体１００に対して第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂ等を形成して光デバイス１０を得る。
【００３６】
本実施形態に係る光デバイス１０の製造方法について以下に詳しく説明する。膜４１０を形成する工程では、まず基板４００の第１面４０１に蒸着法等により膜４１０を成膜する。次いで膜４１０に開口４１１を形成する。開口４１１を形成する方法としては、たとえばレジストパターンをエッチングマスクとして膜４１０の一部をエッチングする方法、およびＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用い、収束イオンビームを膜４１０に照射して開口４１１を形成する方法が挙げられる。開口４１１を形成する工程において、基板４００にはわずかに凹部が形成されても良い。開口４１１は柱状結晶３０を形成しようとする位置に形成される。開口４１１の形状は第１面４０１に垂直な方向から見て円、矩形、多角形等であり得る。
【００３７】
構造体１００を得る工程では、開口４１１に露出した基板４００から、柱状結晶３０を成長させる。柱状結晶３０の成長させる方法としてはたとえばＭＯＣＶＤ法、およびＲＦ（Radio Frequency）−ＭＢＥ法等のＭＢＥ法が挙げられる。柱状結晶３０は開口４１１内の全体に形成され、膜４１０の上方まで成長する。なお、上方とは、膜４１０を基準に基板４００とは反対側の方向である。ただし、本方向は、光デバイス１０の製造および使用状態における上下方向とは無関係である。
【００３８】
膜４１０の上方まで成長した柱状結晶３０を、さらに膜４１０の第１面４１２で、第１面４０１に平行な方向に横方向成長させても良い。ここで、第１面４１２は、膜４１０のうち、基板４００に対向する面とは反対側の面である。その場合、柱状結晶３０の断面積は膜４１０の第１面４１２側で開口４１１の面積よりも大きくなる。なお、柱状結晶３０を横方向成長させるためには、相対的に窒素供給量を増加する方法や、成長温度を相対的に下げる方法、ＡｌやＩｎを添加する方法等がある。すべての柱状結晶３０が同時に形成されることにより、基板４００に形成された同じパターン内の複数の柱状結晶３０の高さは互いにほぼ同じとなる。
【００３９】
柱状結晶３０を成長させる間に、原料の種類や供給量等を制御することにより、柱状結晶３０に複数の層を形成することができる。
【００４０】
柱状結晶３０をボトムアップで形成することにより、良質な柱状結晶３０を制御性よく得ることができる。また、柱状結晶３０のアスペクト比を高くすることができ、フォトニック結晶構造による光制御効果が高まる。柱状結晶３０の幅をｗとし、柱状結晶３０の高さをｈとしたとき、ｈ／ｗはたとえば１以上５０以下である。ｈ／ｗは１．５以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましい。
【００４１】
柱状結晶３０の高さｈはたとえば０．２μｍ以上である。また柱状結晶３０の高さｈはたとえば５μｍ以下である。柱状結晶３０の幅ｗはたとえば５００ｎｍ以下である。上述の貫通転位の離脱効果および歪み緩和効果をより効果的に発現させるために、柱状結晶３０の幅ｗは３００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。柱状結晶３０の幅ｗはたとえば１０ｎｍ以上である。
【００４２】
細い柱状結晶３０をボトムアップ成長させることで、基板４００を問わず貫通転位密度が低い柱状結晶３０が得られる。たとえば、基板４００の柱状結晶３０と接合する層が、Ｓｉ層や、金属層、または貫通転位密度の高い半導体層等であったとしても、柱状結晶３０における貫通転位の密度をたとえば５×１０４ｃｍ−２以下とすることができる。基板４００等の条件によって、貫通転位の密度は好ましくは１０４ｃｍ−２以下とすることができ、より好ましくは１０３ｃｍ−２以下とすることができ、さらに好ましくは１０２ｃｍ−２以下とすることができる。また、柱状結晶３０の貫通転位密度を、基板４００のうち柱状結晶３０と接合する層の貫通転位密度の１００分の１以下とすることができる。さらに、柱状結晶３０に含まれる層において、不整合転位が発生する臨界厚さを厚くすることができる。
【００４３】
なお、柱状結晶３０の高さｈとは、基板４００と柱状結晶３０の接合面から柱状結晶３０の最頂点までの高さであり、第１面４０１に垂直な方向の高さである。また、柱状結晶３０の幅ｗとは、基板４００の第１面４０１に平行な柱状結晶３０の基準断面における内接円の直径である。ここで、基準断面は柱状結晶３０の根元部分での断面である。柱状結晶３０の根元部分とは、たとえば第１面４０１から２００ｎｍ以内の範囲である。なお、光デバイス１０の製造において、膜４１０の上で柱状結晶３０を横方向成長させる場合、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面は一様でない。そして、根元部分で第１面４０１側から順に、細い部分と太い部分とが存在し、これらの部分の境界では柱状結晶３０の断面積がステップ状に大きくなる。この境界は、膜４１０の上面、すなわち、膜４１０の第１面４０１側とは反対側の面と同一平面上にある。そして、この太い部分の断面を基準断面とする。具体的には、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面が一様でなく、かつ光デバイス１０が膜４１０を有する場合、基準断面は、膜４１０を基準に基板４００とは反対側で、膜４１０に接する部分の断面である。また、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面が一様でなく、かつ膜４１０が取り除かれて光デバイス１０が膜４１０を有さない場合、第１面４０１から２００ｎｍ以内の範囲内で、かつ第１面４０１との接合部に比べて断面積が大きい部分の断面を基準断面とする。
【００４４】
柱状結晶３０の断面形状は特に限定されないが、たとえば円形、矩形、多角形等であり得る。ここで、柱状結晶３０の断面形状とは、第１面４０１に平行な断面の形状である。柱状結晶３０の断面形状は、開口４１１と同じであっても良いし異なっていても良い。また、柱状結晶３０の中心軸は必ずしも開口４１１の中心を通らなくても良い。
【００４５】
一例として柱状結晶３０は角柱状でありえる。なかでも、柱状結晶３０がウルツ鉱型結晶構造を有し、柱状結晶３０の側面にｍ面、すなわち（１０−１０）面が露出する場合、柱状結晶３０は正六角柱となる。
【００４６】
図２の例において、柱状結晶３０はその頂部に斜面を含まず、柱状結晶３０の頂面は第１面４０１に平行な平面である。
【００４７】
図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ柱状結晶３０の頂部の形状の変形例を示す図である。これらの変形例では、柱状結晶３０はその頂部にファセット構造を有する。すなわち、柱状結晶３０はその頂部に斜面を有する。斜面は、第１面４０１に対して傾いた面である。ウルツ鉱型結晶構造のIII-V族半導体を、ｃ面（＝（０００１）面）と呼ばれる極性面の方向に成長させて柱状結晶３０を形成した場合、柱状結晶３０の断面形状は、六角形となる。図５（ａ）および（ｂ）の例において、柱状結晶３０の頂部は、斜め上方を向いたファセット面として、ウルツ鉱型結晶構造の半極性面３０４からなる傾斜面を有している。ここで、半極性面３０４としては、たとえば、（１０−１−１）面、（１０−１−３）面、（１１−２２）面、（１１−２４）面、（１０−１２）面が挙げられる。図５（ａ）の例において、柱状結晶３０の頂部は六角錐状である。図５（ｂ）の例において、柱状結晶３０の頂部はさらに、第１面４０１に平行な極性面３０５を有している。結晶の成長条件を調整することで、図５（ａ）または（ｂ）に示す形状の柱状結晶３０が形成できる。
【００４８】
なお、光デバイス１０の製造方法は上記したボトムアップの例に限定されない。光デバイス１０はエッチングによるトップダウンで複数の柱状結晶３０を形成することにより製造されてもよい。
【００４９】
図６（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、本実施形態に係る複数の集合体２０を例示する平面図である。図６（ａ）は各集合体２０が柱状結晶３０を３個含む例を示しており、図６（ｂ）は各集合体２０が柱状結晶３０を４個含む例を示しており、図６（ｃ）は各集合体２０が柱状結晶３０を７個含む例を示しており、図６（ｄ）は各集合体２０が柱状結晶３０を９個含む例を示しており、図６（ｅ）は各集合体２０が柱状結晶３０を１２個含む例を示している。
【００５０】
集合体２０が含む柱状結晶３０の数は特に限定されないが、３個以上であることが好ましく、７個以上であることがより好ましい。そうすれば、より小さい径の柱状結晶３０を用いることができる。
【００５１】
集合体２０内での柱状結晶３０の配置は特に限定されない。複数の集合体２０のぞれぞれは、基板４００に垂直な方向から見てｎ回対称性を有する構造とすることができる。ここで、ｎは２以上の整数である。具体的にはたとえば、集合体２０において複数の柱状結晶３０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第２の格子の互いに異なる格子点に位置してもよい。中でも、集合体２０の充填率を高める観点から、柱状結晶３０は第２の格子において、一の閉じた外周線の内側で全ての格子点に配置されていることが好ましい。第２の格子はたとえば、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである。
【００５２】
複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て２回対称性を有してもよい。たとえば、集合体２０において、複数の柱状結晶３０は直線状に並んだ配置とすることができる。複数の集合体２０のそれぞれが２回対称性を有することにより、光デバイス１０の出力光の偏光を制御したり、光の出力方向や指向性を制御したりすることができる。また、複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て線対称であり得る。この場合でも、光デバイス１０の出力光の偏光を制御したり、光の出力方向や指向性を制御したりすることができる。たとえばレーザをディスプレイに応用する場合等、偏光方向を制御したレーザが求められる場合に、このような偏光が制御された光デバイス１０が特に有効である。このような光デバイス１０の応用例としては、液晶のバックライト光源が挙げられる。
【００５３】
図７（ａ）〜（ｅ）および図８（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ、本実施形態に係る複数の集合体２０を例示する平面図である。図７（ａ）および（ｂ）は各集合体２０が３回対称性を有する例を示しており、図７（ｃ）〜（ｅ）は各集合体２０が２回対称性を有する例を示している。図８（ａ）は各集合体２０が６回対称性を有する例を示しており、図８（ｂ）〜（ｆ）は各集合体２０が対称性を有さない例を示している。図７（ａ）〜（ｅ）、図８（ａ）および（ｇ）の例では各集合体２０が線対称である。図８（ｇ）の例では各集合体２０は回転対称性を有さないが、線対称である。
【００５４】
光デバイス１０が有する集合体２０の数は特に限定されない。ただし良好な光制御効果を得るために、光デバイス１０は１０個以上の集合体を含むことが好ましい。また、複数の集合体２０における柱状結晶３０の配置は、全ての集合体２０について同じであっても良いし、同じでなくても良い。
【００５５】
上述した通り、複数の集合体２０はそれぞれ第１の格子の互いに異なる格子点に位置している。そして光デバイス１０の動作波長は、第１の格子の格子定数に依存する。第１の格子はたとえば、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである。図１、図６（ａ）〜（ｅ）、図７（ａ）〜（ｅ）、および図８（ａ）〜（ｇ）の例において、第１の格子は三角格子であり、かつ六角格子である。
【００５６】
図９は、第１の格子が正方格子である例を示す平面図である。
【００５７】
第１の格子の格子定数α１はたとえば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。そうすれば、光デバイス１０は紫外域から赤外域まで間の波長帯で動作することができる。また、第１の格子の格子定数α１が２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であれば、光デバイス１０を可視光域の波長帯で動作するフォトニック結晶を有する構造とすることができる。ここで、格子定数α１は、単位格子を構成する辺の長さである。なお、第１の格子が長方格子等であり複数の格子定数が存在する場合、格子定数α１はそれらのうち最も大きな格子定数を示す。
【００５８】
基板４００に垂直な方向から見て、第１の格子の単位格子における柱状結晶３０の充填率ｆはたとえば３０％以上であり、好ましくは４０％以上である。そうすれば、フォトニック結晶による光制御の効果が高まるとともに、柱状結晶３０の頂部に電極を設ける場合にも金属の回り込みによる電流リークを低減できる。
【００５９】
なお充填率ｆは、基準断面における単位格子の面積をＳｕとし、単位格子中の柱状結晶３０が占める面積をＳｐとしたとき、Ｓｐ／Ｓｕ×１００［％］で表される。基準断面については上述した通りである。
【００６０】
図１０は、複数の集合体２０の構造を例示する平面図である。本図を参照し、ｄｏおよびｄｉについて詳しく説明する。上述した通り、光デバイス１０においてｄｉはｄｏよりも小さい。ｄｉは同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値であり、ｄｏは互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値である。ｄｏおよびｄｉについては、以下のように言い換えることができる。光デバイス１０が第１の集合体２０ａと、第１の集合体２０ａに最も近い第２の集合体２０ｂとを有する。そして、第１の集合体２０ａに含まれる一の柱状結晶３０と第２の集合体２０ｂに含まれる一の柱状結晶３０との組み合わせのうち、最も近い組み合わせである二つの柱状結晶３０の中心軸間距離がｄｏである。一方、第１の集合体２０ａに含まれる複数の柱状結晶３０のうち互いに最も近い二つの柱状結晶３０の中心間距離がｄｉである。ｄｉ／ｄｏはたとえば０．２以上０．９５以下であり、好ましくは０．４以上０．９５以下である。ｄｉがｄｏよりも小さいことにより、複数の柱状結晶３０が互いに寄り合った集合体２０が構成される。そして、第１の格子に基づくフォトニック結晶の光制御効果が発現する。
【００６１】
また、充填率を高める観点から、同一の集合体２０内の柱状結晶３０の側面間の最小距離ｄｗは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ｄｗは上記した基準断面での距離である。そして、同様に充填率を高める観点から、ｄｉ／α１で表される値は０．２以上０．６以下であることが好ましい。
【００６２】
図１１は、凝集率Ｃについて説明するための図である。光デバイス１０において、凝集率Ｃは５％以上５０％以下であることが好ましく、５％以上３０％以下であることがより好ましい。ここで、凝集率Ｃは、Ｃ＝（α０−α２）／α０×１００［％］で得られる値である。ここで、定数βを用いて、α０＝α１／βが成り立つ。α１は第１の格子の格子定数であり、α２は第２の格子の格子定数である。本図において、第１の格子と第２の格子がいずれもが六角格子である。その上で本図のように集合体２０が３個の柱状結晶３０からなる場合βは√３である。また、図６（ｂ）のように集合体２０が４個の柱状結晶３０からなる場合βは２であり、図６（ｃ）のように集合体２０が７個の柱状結晶３０からなる場合βは√７である。
【００６３】
凝集率Ｃの意味について以下に説明する。光デバイス１０における柱状結晶３０の配置の設計方法としては、たとえば以下のような方法がある。まず、第３の格子の格子点に一様に配置された複数の柱状結晶を仮定する。この複数の柱状結晶から基準となる基準柱状結晶と、一つの集合体に含める柱状結晶を決める。この基準柱状結晶は、第１の格子の互いに異なる格子点に位置するようにする。そして、各柱状結晶の径を小さくするとともに、基準柱状結晶の周りの柱状結晶を、基準柱状結晶に寄せることにより集合体を形成する。その結果、各集合体中の複数の柱状結晶は、第２の格子の互いに異なる格子点に位置する。
【００６４】
このような設計方法において、α０は第３の格子の格子定数に相当する。そして、凝集率Ｃは、第３の格子の格子定数を基準とした、第２の格子の凝集の程度を意味する。凝集率Ｃは、たとえば複数の柱状結晶３０のそれぞれが第３の格子の互いに異なる格子点に一様に配置された構造（凝集率Ｃ＝０％）と、集合体２０が形成された構造との対比に用いることができる。
【００６５】
凝集率Ｃが５％以上であれば、第１の格子に基づくより良好なフォトニックバンド構造が得られる。また、凝集率Ｃが３０％以下であれば、柱状結晶３０の充填率ｆが小さくなりすぎない。
【００６６】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、複数の柱状結晶３０からなる集合体２０を格子状に配置することにより、柱状結晶３０の太さをフォトニック結晶の格子定数に縛られることなく決定することができる。したがって、動作波長によらず結晶の質が高い柱状結晶を用いることができ、良好な光出力特性または変換特性を有する光デバイスを実現できる。
【００６７】
（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。本図は第１の実施形態の図２に対応する。本実施形態に係る光デバイス１０は、柱状結晶３０の太さが軸方向に変化している点を除いて第１の実施形態に係る光デバイス１０と同じである。すなわち本実施形態では、柱状結晶３０は、第１の幅を有する第１領域と、第１の幅とは異なる第２の幅を有する第２領域とを含む。
【００６８】
柱状結晶３０は少なくとも一部において互いに離れていれば良く、隣接する他の柱状結晶３０と繋がった部分を一部に有していても良い。
【００６９】
本図の例において、具体的には各柱状結晶３０は基板４００から離れるほど太くなっている。そして、複数の柱状結晶３０は頂部において互いに繋がっている。この場合、柱状結晶３０の頂部付近で柱状結晶３０の充填率が高まることにより、等価的な屈折率が上がる。その結果、キャップレイヤーモードが発現し、より強いフォトニック結晶効果が得られる。さらに、光デバイス１０の機械的強度を高めることもできる。
【００７０】
図１３（ａ）は本実施形態に係る光デバイス１０の一例を基板４００に垂直な方向から電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。また、図１３（ｂ）は本実施形態に係る柱状結晶３０の一例を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図１３（ｂ）は、柱状結晶３０を光デバイス１０から取り出し、柱状結晶３０の長さ方向に垂直な方向から柱状結晶３０を見た結果である。
【００７１】
図１３（ａ）および（ｂ）の例において、各集合体２０は３個の柱状結晶３０を含み、Ｃ＝２０％、α１＝３５０ｎｍである。図１３（ａ）では、少なくとも各集合体２０内において、複数の柱状結晶３０の頂部が直接繋がっていることが分かる。また、図１３（ｂ）では、柱状結晶３０の太さが長さ方向に変化していることが分かり、このことから柱状結晶３０の底部では各柱状結晶３０が独立していることが分かる。なお、複数の柱状結晶３０は各集合体２０内においてのみ繋がっていてもよいし、複数の集合体２０にわたって繋がっていてもよい。また、各柱状結晶３０は中間部にＩｎＧａＮからなる活性層を含み、この活性層では複数の柱状結晶３０は互いに直接繋がっていない。
【００７２】
図１４は、第２の実施形態に係る光デバイス１０の構造の変形例を示す断面図である。本変形例では、柱状結晶３０の頂部付近のみで幅が変化している。具体的には、柱状結晶３０の頂部付近において、柱状結晶３０の幅は基板４００から離れるほど大きくなっている。この場合も、柱状結晶３０の頂部付近で柱状結晶３０の充填率が高まることにより、等価的な屈折率が上がる。その結果、キャップレイヤーモードが発現し、より強いフォトニック結晶効果が得られる。さらに、光デバイス１０の機械的強度を高めることができる。
【００７３】
本実施形態に係る光デバイス１０において、複数の柱状結晶３０は少なくとも活性層３０２の部分および底部で互いに独立している。
【００７４】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。くわえて、より強いフォトニック結晶効果が得られるとともに、光デバイス１０の機械的強度を高めることができる。
【００７５】
（第３の実施形態）
図１５は、第３の実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。本図は第１の実施形態の図２に対応する。本実施形態に係る光デバイス１０は、柱状結晶３０がクラッド層、光閉じ込め層、および活性層を有する点を除いて第１の実施形態および第２の実施形態の少なくともいずれかに係る光デバイス１０と同じである。
【００７６】
本図の例において、柱状結晶３０は、バッファ層３０９、ｎ型クラッド層３０６、光閉じ込め層３０７、活性層３０２、光閉じ込め層３０７、およびｐ型クラッド層３０８を基板４００側からこの順に含む。そして、柱状結晶３０の頂部にはコンタクト層４４０および第１電極４３０ａが形成されている。たとえばバッファ層３０９はｎ−ＧａＮであり、ｎ型クラッド層３０６はｎ−ＡｌＧａＮであり、光閉じ込め層３０７はｉ−ＧａＮであり、活性層３０２はＩｎＧａＮであり、ｐ型クラッド層３０８はｐ−ＡｌＧａＮであり、コンタクト層４４０はｐ＋−ＧａＮであり、第１電極４３０ａはＩＴＯである。ただし、各層および電極の材料は特に限定されない。コンタクト層４４０および第１電極４３０ａは、複数の柱状結晶３０にわたり連続して形成されている。
【００７７】
バッファ層３０９は基板４００とｎ型クラッド層３０６との間を接続し、柱状結晶３０の結晶品質を高める機能を有する。ｎ型クラッド層３０６、ｐ型クラッド層３０８、および光閉じ込め層３０７は、活性層３０２に光を閉じ込める機能を有する。柱状結晶３０がこのような構造を有することにより、柱状結晶３０には本図中破線で示したような光電界分布を生じる。すなわち、柱状結晶３０の高さ方向の光電界分布のピークが活性層３０２に位置する。
【００７８】
本実施形態に係る光デバイス１０では、柱状結晶３０の歪み緩和効果、および貫通転位の離脱効果により、ＩｎＧａＮの活性層３０２をバルク（厚膜）にした場合でも層内に不整合転位が入りにくい。そして活性層３０２を厚くできることにより、容易に活性層３０２に光が閉じ込められ、基板４００に平行な方向の光導波路が形成され、導波モードが発生する。その結果、一定の光電界分布を保ちつつ横方向に光が伝搬でき、フォトニック結晶とこの層とが有効に作用する。
【００７９】
また、活性層３０２をＩｎＧａＮ多重量子井戸とする場合には、光閉じ込め層３０７はＩｎＧａＮであることが好ましい。その上で、活性層３０２のＩｎ組成比よりも光閉じ込め層３０７のＩｎ組成比が小さいことが好ましい。
【００８０】
上記した例の他、たとえばｎ型クラッド層３０６はｎ−ＩｎＡｌＮであってもよい。また、ｐ型クラッド層３０８はｐ−ＩｎＡｌＮであってもよい。このようにクラッド層がＩｎＡｌＮであり、光閉じ込め層３０７がｉ−ＧａＮ等のＧａＮである場合、光閉じ込め層とクラッド層の間の格子定数の違いを小さく抑えつつ、クラッド層の屈折率を小さくすることができる。その結果、活性層３０２における光電界分布のピークをよりシャープにし、光閉じ込め効果を強めることができる。特にｐ型クラッド層３０８がＩｎＡｌＮである場合には、柱状結晶３０の頂部側の光閉じ込め効果がより強まることにより、コンタクト層４４０や第１電極４３０ａによる光の吸収が低減され、特にレーザとして好適に用いられる光デバイス１０が得られる。
【００８１】
なお、層の組成の違いや成長条件の違いに起因して、柱状結晶３０の幅は長さ方向に変化していても良い。各層内で柱状結晶３０の太さは変化していても良いし、一定でも良い。また、柱状結晶３０はクラッド層および光閉じ込め層のうち少なくともいずれかを含んでいなくても良い。
【００８２】
本実施形態に係る柱状結晶３０は、さらに第２の実施形態または第２の実施形態の変形例に係る柱状結晶３０のように、太さが軸方向に変化していても良い。
【００８３】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【実施例】
【００８４】
以下、上記した実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
【００８５】
以下において、各比較例の構造では、柱状結晶間の距離が一様であり、すなわち集合体が構成されていない。そして、柱状結晶は格子定数をα０とする六角格子（第３の格子）の格子点に一様に配置されている。一方、各実施例の構造は複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含む。複数の集合体のそれぞれは、第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、ｄｉはｄｏよりも小さくなっている。各集合体中、複数の柱状結晶はそれぞれ第２の格子の互いに異なる格子点に位置している。第１の格子の格子定数をα１とし、第２の格子の格子定数をα２とする。ｄｉ、ｄｏ、柱状結晶の幅ｗ、充填率ｆおよび凝集率Ｃの定義はそれぞれ実施形態で説明した通りである。また、各実施例および比較例において、柱状結晶は六角柱状とし、第１の格子および第２の格子はいずれも六角格子とした。
【００８６】
実施例１〜１１、および比較例１〜４に関する各値等は表１〜表３に示す通りである。
【００８７】
【表１】
2018142660.tif 000003
【表２】
2018142660.tif 000004
【表３】
2018142660.tif 000005
【００８８】
＜フォトニックバンド＞
ＰＷＥ（Plane Wave Expansion）法を用いてシミュレーションを行い、構造とフォトニックバンドの関係を調べた。比較例１、２、実施例１〜４についてそれぞれ構造のモデルを作成し、各構造を元にＰＷＥ法でＴＥモードについてのフォトニックバンド図を算出した。なお比較例１、２、実施例１〜４の構造では、屈折率ｎ＝１の空気中に正六角柱状のＧａＮ結晶である柱状結晶が配置されている。
【００８９】
図１６（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例１および実施例１に係る構造を示す平面図である。そして、図１６（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ比較例１および実施例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。実施例１において、各集合体は３つの柱状結晶を含み、第１の格子はα１＝３００ｎｍの六角格子である。実施例１および比較例１においてｆ＝３３．３％、ｗ＝１００ｎｍとした。実施例１においてｄｉ＝α２＝１０４ｎｍとし、比較例１において格子定数α０は１７３ｎｍとした。凝集率Ｃは比較例１において０％とし、実施例１において４０％とした。
【００９０】
図１６（ｃ）および（ｄ）中、「ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ」で示した線は、比較例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。そして、図１６（ｃ）中、「３−ｃｌｕｓｔｅｒ  Ｃ＝０％」で示した線は「ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ」の線で示したバンド図を第１の格子の格子定数に合わせて規格化したものである。そして、図１６（ｄ）中、「３−ｃｌｕｓｔｅｒ  Ｃ＝４０％」で示した線は実施例１で示した構造に基づいてシミュレーションを行った結果である。図１６（ｃ）および（ｄ）に示す結果より、実施例１のように柱状結晶の集合体を形成することで、第１の格子に基づくΓ１１バンド端が下がることが分かる。また、実施例１では比較例１に比べてバンド端の曲線が緩やかになっていることから、より発振しやすい構造であることが分かった。
【００９１】
図１７（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ比較例２および実施例２〜実施例４に係る構造を示す平面図である。そして、図１７（ｅ）〜（ｈ）はそれぞれ比較例２および実施例２〜実施例４の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。実施例２〜実施例４において、各集合体は７個の柱状結晶を含む。凝集率Ｃは、比較例２、実施例２、実施例３、実施例４の順に大きくなっており、順に０％、１０％、２０％、３０％である。図１７（ｅ）〜（ｈ）に示す結果より、凝集率Ｃが高くなるにつれてΓ１点でフォトニックバンドがより大きく開くことが分かった。
【００９２】
＜フォトルミネッセンス測定＞
基板上に柱状結晶を成長させて第１の実施形態で説明したような光デバイス構造を作製した。そして、作製した構造に対してＰＬ（Photoluminescence）測定を行った。
【００９３】
図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ実施例５〜７、および比較例３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図１８（ａ）〜（ｄ）は、基板に垂直な方向から観察した結果を示している。実施例５〜７、および比較例３に係る光デバイス構造は、それぞれ以下のようにして作製した。まず、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を成長させることで基板を準備した。そして、基板の一面にＴｉ膜を形成し、複数の開口を形成した。そして、ＲＦ−ＭＢＥ法を用いて各開口から柱状結晶を成長させた。柱状結晶は、ｎ型ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層が基板側からこの順に積層された構造とした。実施例５ではα１＝２５０ｎｍ、ｗ＝１２０ｎｍとし、実施例６ではα１＝３００ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍとした。実施例７ではα１＝３００ｎｍ、ｗ＝９７ｎｍ、Ｃ＝２０％とし、比較例３ではα０＝１１３ｎｍ、ｗ＝９９ｎｍとした。各集合体に含まれる柱状結晶の数は、実施例５において３個、実施例６において４個、実施例７において７個とした。
【００９４】
図１９（ａ）は、実施例７および比較例３の光デバイス構造に対し、ＩｎＧａＮレーザ（波長４０５ｎｍ、ＣＷ、ＲＴ）による光励起ＰＬ測定を行った結果を示す図である。波長５１８ｎｍの発光ピークが、比較例３よりも実施例７で鋭かった。
【００９５】
図１９（ｂ）は、実施例７の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。本図中の複数の線の内、ＴＥモードの線を矢印で指し示している。その他の線はＴＭモードの線である。本図から、実施例７の構造において、集合体の配置、すなわち第１の格子に基づくバンド構造が確認された。さらに、ＰＷＥ法による解析結果と照らし合わせると、この波長５１８ｎｍの発光ピークはフォトニックバンドのΓ１点に起因することが分かった。
【００９６】
図２０（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例５および実施例６の光デバイス構造に対し、ＰＬ強励起測定を行った結果を示す図である。図２０（ａ）および（ｂ）には、ＰＬスペクトルと共に、発光スポットの画像が示されている。励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いた。励起光強度は実施例５において２．００ＭＷ／ｃｍ２、実施例６において０．６ＭＷ／ｃｍ２とし、測定温度はいずれも室温とした。図２０（ａ）および（ｂ）に示すように、実施例５および実施例６のそれぞれにおいて、集合体の配置に基づく波長、すなわち第１の格子に基づく波長に、鋭い発光ピークが確認された。このように、各実施例に係る光デバイスにおいて、青や緑のような比較的短波長の光の出力が可能であることが確かめられた。
【００９７】
なお、実施例６と実施例７とでは、集合体内での柱状結晶が互いに異なり、充填率が互いに異なることによりフォトニック結晶のバンド端波長が互いに異なる。すなわち、充填率が変化すれば空間の等価的な屈折率が変化し、光学長が変わるので、動作波長が変化する。
【００９８】
図２１（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例４および実施例８に係る光デバイス構造の平面図である。比較例４および実施例８に係る光デバイス構造は、それぞれ以下のようにして作製した。まず、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を成長させ、さらにＲＦ−ＭＢＥ法でＤＢＲ構造を積層することで基板を準備した。ＤＢＲ構造はＡｌＧａＮとＧａＮをそれぞれ４層、交互に設けた積層構造とした。そして、基板の一面にＴｉ膜（厚さ５ｎｍ）をＥＢ（Electron Beam）蒸着法により形成した。次いで、Ｔｉ膜にＥＢリソグラフィおよびドライエッチング（ＣＦ４，Ｃｌ２）により複数の開口を形成した。そして、ＲＦ−ＭＢＥ法を用いて各開口から柱状結晶を成長させた。柱状結晶は、ＳｉをドープしたＧａＮ層、活性層、およびＧａＮ層が基板側からこの順に積層された構造とした。活性層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを含む歪層多重量子井戸（strained-layer multiple quantum well）構造とした。
【００９９】
比較例４ではα０＝１４４ｎｍ、ｗ＝１２３ｎｍ、Ｃ＝０％とし、実施例８ではα１＝２５０ｎｍ、ｗ＝１２０ｎｍ、Ｃ＝２０％とした。実施例８において各集合体に含まれる柱状結晶の数は３個とした。また、比較例４の充填率と実施例８の充填率とは同じとした。
【０１００】
図２１（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、比較例４および実施例８の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。図２１（ｃ）の縦軸は、２５０ｎｍで規格化されている。図２１（ｄ）中の複数の線の内、ＴＭモードの線を矢印で指し示している。その他の線はＴＥモードの線である。図２１（ｃ）および（ｄ）に示すように、比較例４ではバンド構造が確認されなかったのに対し、実施例８では集合体の配置に基づくバンド構造が確認された。比較例４ではフォトニックバンドが図２１（ｃ）のバンド図の範囲よりも上方にあり、発光波長と整合していないため、バンド構造が確認されなかったと考えられる。
【０１０１】
図２２（ａ）および（ｂ）は、実施例８の光デバイス構造を光励起発振させた結果を示す図である。励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、励起光の波長は３５５ｎｍとした。また、励起光のパルス条件はパルス幅５ｎｓ、周波数２０Ｈｚとし、室温で測定した。図２２（ａ）は励起光強度は２．００ＭＷ／ｃｍ２とした場合のＰＬスペクトルである。そして、図２２（ｂ）は励起光強度と発光強度との関係を示す図である。その結果、図２２（ａ）に示すように、波長λ＝４７６ｎｍにおいて鋭い発振ピークが確認された。ここで、α１／λ＝０．５２５であり、図２１（ｄ）のバンド図と照らし合わせると、Γ点バンド端で発振したことが分かった。
【０１０２】
図２３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２３（ａ）および（ｂ）は、基板に垂直な方向から観察した結果を示しており、図２３（ｃ）は、基板に対して斜め方向から観察した結果を示している。
【０１０３】
実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造は、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。実施例９においてα１＝３００ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍとし、実施例１０においてα１＝３２５ｎｍ、ｗ＝８５ｎｍとし、実施例１１においてα１＝３００ｎｍ、ｗ＝９７ｎｍとした。各集合体に含まれる柱状結晶の数は、実施例９において３個、実施例１０および実施例１１においてそれぞれ７個とした。
【０１０４】
実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造についても、ＰＬ測定で集合体の配置に基づく発光が確認された。
【０１０５】
＜電流注入による発光＞
実施例１２では、第３の実施形態で説明したような光デバイスを作製した。すなわち、Ａｌ２Ｏ３基板（サファイア基板）の表面にＧａＮ層を形成したＧａＮテンプレート基板の上にｎ−ＧａＮバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｉ−ＧａＮ光閉じ込め層、ＩｎＧａＮバルク活性層、ｉ−ＧａＮ光閉じ込め層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層、ＩＴＯ透明電極をこの順に成長させた。また、基板表面に、基板と電気的に接続した金属電極を設けた。本光デバイスにおいて、集合体に含まれる柱状結晶の数は３個とし、α１＝３５０ｎｍとし、ｗ＝１４５ｎｍとした。
【０１０６】
本実施例の光デバイスのＩＴＯ透明電極と金属電極との間に電圧を印加したところ、ＩＴＯ透明電極側に赤色の発光を確認した。また、同じ基板上に形成した柱状結晶において、ＩｎＧａＮバルク活性層に不整合転位が存在しないことを確認した。
【０１０７】
＜格子定数α１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係＞
図２４は、フォトニックバンド端波長が５２０ｎｍとなるときの、格子定数α１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係を計算した結果を示す図である。計算はＰＷＥ法を用いて行った。計算においては柱状結晶は全体がＧａＮであると仮定した。本図中、「３つ組」は各集合体が柱状結晶を３個含む場合の結果を示し、「４つ組」は各集合体が柱状結晶を４個含む場合の結果を示し、「７つ組」は各集合体が柱状結晶を７個含む場合の結果を示している。また、ｄｗ＝１０ｎｍとした。
【０１０８】
本図の結果から、α１がほぼ同じであっても、各集合体に含まれる柱状結晶を増やすほど、ｗを小さくできることが分かった。したがって、同じ波長でフォトニック結晶を動作させようとする場合にも、より細い柱状結晶を用いることができることが確認された。また、凝集率を高めるほど、ｗを小さくできることが分かった。
【０１０９】
＜柱状結晶の成長＞
図２５は、比較例５−１から比較例５−５、および実施例１３−１から実施例１３−１０に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２６は、比較例６−１から比較例６−４、および実施例１４−１から実施例１４−３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２７は、比較例７−１から比較例７−４、および実施例１５−１から実施例１５−３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【０１１０】
実施例１３−１から実施例１５−３、および比較例５−１から比較例７−４において、Ｃ、ｗ、α０、およびα１の値等は表４〜表７に示した通りである。なお、比較例５−１から比較例５−５、実施例１３−１から実施例１３−１０、比較例６−１から比較例６−４、実施例１４−１から実施例１４−３、比較例７−１から比較例７−４、および実施例１５−１から実施例１５−３のそれぞれにおいて、Ｃを高くする程ｄｗを小さくし、ｗを大きくする程ｄｗを小さくした。なお、ＦＢＩ法を用いてマスクをパターニングする際のドーズ量は、ｗを大きくする程多くした。
【０１１１】
【表４】
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【表５】
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【表６】
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【表７】
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【０１１２】
実施例１３−１から実施例１５−３、および比較例５−１から比較例７−４のいずれにおいても制御性よく柱状結晶が形成された。なお、図２５〜図２７には、それぞれ基板上に付着したドット状の結晶も観察されている。Ｃが高く、かつ、ｗが大きい実施例において、一部の柱状結晶同士が結合しているのが確認された。また、各実施例の光デバイスに対しフォトルミネッセンス測定を行ったところ、第１の格子に基づくフォトニック結晶の動作が確認された。
【０１１３】
＜偏光特性＞
光デバイスの偏光特性を調べた。実施例１６に係る光デバイス構造は、実施例６に係る光デバイス構造と同じである。比較例８に係る光デバイス構造は、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。比較例８において、α０＝２６０ｎｍとした。比較例９に係る光デバイス構造は、ＤＢＲ構造を有する基板の代わりに上記したようなＧａＮテンプレート基板を用いた点、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。比較例９において、α０＝２４５ｎｍとした。
【０１１４】
図２８（ａ）〜（ｄ）は、比較例８および比較例９に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。具体的に、図２８（ａ）は、比較例８の光デバイス構造の、励起強度と発光波長５０６．６ｎｍにおける発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｂ）は、比較例８の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｃ）は、比較例９の光デバイス構造の、励起強度と発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｄ）は、比較例９の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。
【０１１５】
図２９（ａ）〜（ｃ）は、実施例１６に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。具体的には、図２９（ａ）および（ｂ）は、実施例１６の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。図２９（ｃ）は、実施例１６は光デバイス構造のフォトルミネッセンススペクトルである。波長５４６．４ｎｍ、線幅２．１ｎｍの鋭い発光ピークが確認された。
【０１１６】
比較例８および比較例９の結果から分かるように、集合体を有さない光デバイス構造では、偏光方向はケースバイケースで変化した。それに対し、実施例１６の光デバイス構造の出力光では直線偏光に近い特性を確認した。これは集合体における柱状結晶の配列の非対称性を反映した結果と思われる。実施例１６における出力光では、Ｐ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で得られる偏光度Ｐが８０．４％であった。ここで、Ｉｍａｘは最大強度であり、Ｉｍｉｎは最小出力強度である。なお、配列方向に対して測定された偏光方向が４°傾いているが、これは、測定誤差であると考えられる。以上の結果から、比較例のように集合体を形成しない場合には、わずかな結晶成長の揺らぎで偏光方向が構造ごとに変化するのに対し、集合体を配列させた実施例では、偏光方向を制御できることが確かめられた。
【０１１７】
＜赤色発光＞
実施例１２と同様に、Ａｌ２Ｏ３基板（サファイア基板）の表面にＧａＮ層を形成したＧａＮテンプレート基板の上にｎ−ＧａＮバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｉ−ＧａＮ光閉じ込め層、ＩｎＧａＮバルク活性層、ｉ−ＧａＮ光閉じ込め層、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ＋−ＧａＮコンタクト層、ＩＴＯ透明電極をこの順に成長させて実施例１７に係る光デバイス構造を得た。ただし、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層において基板から離れるほど柱状結晶の幅を大きくした。その結果、ＩｎＧａＮバルク活性層では柱状結晶同士が結合しておらず、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の上部で複数の柱状結晶が繋がった構造が得られた。本光デバイス構造において、α１＝３５０ｎｍ、α２＝ｄｉ＝１６０ｎｍとした。また、各集合体に含まれる柱状結晶の数は３とした。
【０１１８】
図３０は、実施例１７に係る光デバイス構造に対し、フォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。本図から分かるように、波長６３０ｎｍの赤色の強い発光が確認された。
【０１１９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【０１２０】
１０  光デバイス
２０  集合体
２０ａ  第１の集合体
２０ｂ  第２の集合体
３０  柱状結晶
１００  構造体
３０２  活性層
３０４  半極性面
３０５  極性面
３０６  ｎ型クラッド層
３０７  光閉じ込め層
３０８  ｐ型クラッド層
３０９  バッファ層
４００  基板
４０１  第１面
４０３  第１の層
４０４  第２の層
４１０  膜
４１１  開口
４１２  第１面
４３０ａ  第１電極
４３０ｂ  第２電極
４４０  コンタクト層
【図１】
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【図２】
2018142660.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018142660.tif 000015
【図７】
2018142660.tif 000016
【図８】
2018142660.tif 000017
【図９】
2018142660.tif 000018
【図１０】
2018142660.tif 000019
【図１１】
2018142660.tif 000020
【図１２】
2018142660.tif 000021
【図１３】
2018142660.tif 000022
【図１４】
2018142660.tif 000023
【図１５】
2018142660.tif 000024
【図１６】
2018142660.tif 000025
【図１７】
2018142660.tif 000026
【図１８】
2018142660.tif 000027
【図１９】
2018142660.tif 000028
【図２０】
2018142660.tif 000029
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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