(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有する２次元回折格子と、
前記２次元回折格子の一方の主面側に形成された発光層とを備え、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状であり、前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とは隙間なく配置されており、
前記前記低屈折率部分と前記高屈折率部分との主成分が窒化ガリウム成分であり、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか一方を構成するべき材料層を、ドライエッチングを用いて部分的に除去した後、さらにウエットエッチングを用いて部分的に除去することにより、前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状に加工され、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか他方は、前記２次元回折格子の一方の主面に対して垂直な方向に成長したエピタキシャル成長層である、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記２次元回折格子の主表面は（０００１）面であり、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのうち平面形状が六角形状である一方の、前記主表面に交差する方向に延びる側面は、{１−１００}面である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記低屈折率部分はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０２≦ｘ≦０．５）よりなり、
前記高屈折率部分はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．２）よりなる、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とは隙間なく配置されており、前記低屈折率部分と前記高屈折率部分との主成分が窒化ガリウム成分である２次元回折格子を形成する工程と、
前記２次元回折格子の一方の主面側に形成された発光層を形成する工程とを備え、
前記２次元回折格子を形成する工程では、前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状に形成され、さらに、
前記２次元回折格子を形成する工程は、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか一方を構成する材料層を形成する工程と、
前記材料層をドライエッチングを用いて部分的に除去した後、さらにウエットエッチングを用いて部分的に除去することにより、前記材料層の平面形状を六角形状に加工する工程と、
前記低屈折率部分と前記高屈折率部分とのいずれか他方を、前記２次元回折格子の一方の主面に対して垂直な方向にエピタキシャル成長させる工程とを含む、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記２次元回折格子の主表面は（０００１）面であり、
前記ウエットエッチングは、前記材料層における{１−１００}面でのエッチング速度が他の結晶面に対するエッチング速度より遅い条件で行なわれる、請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記ウエットエッチングは、加熱した硫酸と過酸化水素水の混合液、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを含むアルカリ水溶液、有機系アルカリ洗浄液からなる群から選択される１つを処理液として用いて実施される、請求項４または５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、２次元回折格子を備えた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトニック結晶を２次元回折格子として用い半導体レーザ素子が知られている（たとえば、特開２０００−３３２３５１号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）参照）。
【０００３】
この半導体レーザ素子は、基板と、フォトニック結晶層である２次元回折格子と、ｎ型閉じ込め層と、活性層と、ｐ型閉じ込め層と、アノード電極と、カソード電極とを備えている。具体的には、ＩｎＰ（インジウムリン）よりなる基板上に２次元回折格子が形成されており、２次元回折格子上には、ＩｎＰよりなるｎ型閉じ込め層と、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰよりなる多重量子井戸構造の活性層が形成されている。この活性層上には、ＩｎＰよりなるｐ型閉じ込め層が形成されている。ｐ型閉じ込め層の上面には円形のアノード電極が形成されており、基板の下面にはカソード電極が形成されている。２次元回折格子は、ＩｎＰなどよりなる高屈折率部分と、低屈折率部分とを有している。低屈折率部分は、高屈折率部分の表面に周期的に複数の孔を形成することによって作成されている。孔内を埋めない（空間とする）場合には、低屈折率部分は空気よりなっており、また孔内を埋める場合には、低屈折率部分はシリコン窒化膜などよりなっている。
【０００４】
また、基板としてＧａＮ（窒化ガリウム）基板を用いた半導体レーザ素子における２次元回折格子の製造方法も従来提案されている（たとえば、特開２００７−６７１８２号公報（以下、特許文献２と呼ぶ）参照）。特許文献２では、２次元回折格子を構成する孔部または柱部の製造方法として、ドライエッチングなどによりベースとなる孔部または柱部を形成した後、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なう、という方法が提案されている。このような方法を用いることで、平面形状がほぼ同一の孔部または柱部を形成できるとしている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【特許文献２】特開２００７−６７１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、２次元回折格子の低屈折率部分を、高屈折率部分の材質（たとえばＩｎＰやＧａＮなど）と異なる材料であるシリコン窒化膜などの屈折率の小さい誘電体で構成する場合、以下のような問題があった。すなわち、ＩｎＰやＧａＮなどに比べて低屈折率の誘電体は、いずれもＧａＮやＩｎＰなどと格子定数や熱膨張係数が大きく異なる。そのため、たとえば低屈折率部分となるシリコン窒化膜などからなる柱部が、ＧａＮなどからなる高屈折率部分に埋め込まれた構造を形成する際に、熱膨張係数の差に起因する大きな応力や歪みを発生することになる。また、たとえば先にシリコン窒化膜などからなる柱部を形成しておき、当該柱部を埋め込むようにＧａＮなどからなる高屈折率部分を形成する場合、柱部を構成する元素が高屈折率部分中へ拡散し、高屈折率部分の組成が目標とする組成からずれる可能性も考えられる。この場合、２次元回折格子における光学特性が設計値に比べて不十分となり、結果的に半導体レーザ素子の特性が劣化するといった問題の発生が考えられる。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、優れた特性の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは、ＧａＮ系材料を垂直エッチング性の高いドライエッチング工程によりメサ形状にエッチングした後に、所定の薬剤によるウエットエッチング処理を実施することにより、ドライエッチングによって荒れたメサ形状の側壁のみを平滑な面に変える技術を発見している。このウエットエッチング処理工程では、ＧａＮの（０００１）面（ｃ面）に対してエッチングは全く起こらないが、ｃ面に垂直な方向の面に対しては非常に遅いレートではあるがエッチングが進行する。さらに、当該ウエットエッチングでは、（１−１００）面（ｍ面；劈開面）とその等方位面である（−１１００）面、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面に対しては（つまり｛１−１００｝面に対しては）エッチングが進行しない。つまり、｛１−１００｝面が律速面となる。この作用により、エッチングされた側面の荒れた円柱は、当該側面が平滑面からなる六角柱となり、エッチングされた側面の荒れた円形孔は、当該側面が平滑面からなる六角形孔になる。
【０００８】
発明者らは、上記円柱を最表面に有する構造と、六角柱を最表面に有する構造とに対して、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ系材料による埋め込み再成長を行なった。この結果、側面の荒れた円柱構造に対しては空隙が形成される、あるいは埋め込み層の表面に凹凸が形成されるなど一様な再成長埋め込みができないのに対して、平滑な側面を有する六角柱構造に対しては、空隙などの発生がなく、非常にスムースな再成長埋め込みが容易に実現できることを見出した。また、側面の荒れた円柱構造においては、側面にドライエッチング時のプラズマダメージが残存しているが、六角柱構造においては、上記ウエットエッチングを行なうことにより当該プラズマダメージが残存する部分をも除去できることが確認された。
【０００９】
上述した技術を用いれば、ＧａＮ系の低屈折率材料からなる六角柱を適当なピッチで配列させた構造を、ＧａＮ系の高屈折率材料で隙間無く埋め込むことが可能となり、光学特性の一様なＧａＮ系フォトニック結晶を、素子中の自由な位置に導入することが可能となる。ここで、低屈折材料からなる構造を高屈折材料からなる層で埋め込む際に、空隙のある埋め込みではフォトニック結晶の本来の光学特性は期待できない。そのため、上記のように隙間の無い埋め込みを実現できれば、フォトニック結晶の光学特性の劣化を防止でき、優れた特性のフォトニック結晶を実現できる。
【００１０】
また、上述した技術によれば、低屈折材料により構成された構造においてドライエッチングによるプラズマダメージが残る部分を除去できる。さらに、高屈折材料および低屈折材料を構成する材料として、格子整合性の良い材料を選べる。このため、埋め込みの際に余分な応力や歪みがフォトニック結晶へ新たに導入される可能性を低減できる。さらに、低屈折材料と高屈折材料として同じＧａＮ系材料を用いることで、フォトニック結晶の構造において余分な不純物の拡散の可能性は極めて低く、埋め込み層自体の特性を劣化させることはない。この結果、当該不純物の拡散に起因してフォトニック結晶構造の下部にある層の特性劣化が起こる可能性も低い。
【００１１】
特に、フォトニック結晶面発光レーザ構造について、エピタキシャル層を積層していく工程の途中でフォトニック結晶層を埋め込み再成長技術により形成した面発光レーザ構造を採用する場合、特性向上のため活性層とフォトニック結晶構造の近接化を行なう必要があった。これは埋め込み再成長を行なうフォトニック結晶層と発光する活性層の間の距離をできるだけ小さくすることを意味する。しかし、このようにフォトニック結晶層と活性層とを近接して配置する場合、フォトニック結晶層での埋め込み再成長に伴う応力や歪み、さらにドライエッチングによるダメージの残存などにより、活性層の発光特性が劣化するという問題があった。そこで、低屈折率材料としてＧａＮ系の材料であるＡｌＧａＮを用い、微細柱を形成して当該微細柱を高屈折材料としてのＧａＮなどで埋め込む構造を用いれば、低屈折材料と高屈折材料との格子整合性が良いことから、ＳｉＯ２等により誘電体微細柱を用いる場合に比べてフォトノック結晶層における歪みが少ないことが期待できる。しかし、円柱状のＡｌＧａＮ微細柱は、ドライエッチングで形成する際の側壁表面の乱れが大きく、上記のように埋め込み成長時に空隙が出来るなどの問題があった。そこで、円柱状の微細柱に対してウエットエッチングを行なうことで形成された六角形状柱をフォトニック結晶層に用いる本技術を採用すれば、埋め込み再成長時に空隙はほとんど形成されないので理想的な光学特性のフォトニック結晶構造を作製することができる。この結果、応力や歪み、ドライエッチングによるダメージの残存により活性層の品質が劣化する、という問題の発生も抑制される。このため、非常に特性の良いレーザ素子が出来ることが分かった。
【００１２】
なおフォトニック結晶としての作用を保証するには、六角柱を形成する低屈折率材料とそれを埋め込む高屈折率材料との屈折率差が大きいほど良いことが分かっているが、今回発明者らが検討した結果、フォトニック結晶層における埋め込み再成長が、隙間の発生などなく良好に実施された場合には、当該屈折率差がある程度小さくても、十分な光学特性のフォトニック結晶層を実現できることが分かった。たとえば、後述するように低屈折率材料により構成される六角柱の材料として、Ａｌ組成が０．０２以上のＡｌＧａＮを用い、埋め込み層を構成する高屈折材料としてＧａＮもしくはＩｎ組成０．２以下のＩｎＧａＮを用いることで、充分な光結合係数κを有するフォトニック結晶が作製できる。
【００１３】
上記のような発明者の知見に基づいて、この発明に従った半導体レーザ素子は、２次元回折格子と発光層とを備える。２次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有する。発光層は、２次元回折格子の一方の主面側に形成されている。低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状は六角形状である。低屈折率部分と高屈折率部分とは隙間なく配置されている。低屈折率部分と高屈折率部分との主成分は窒化ガリウム成分である。低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方を構成するべき材料層を、ドライエッチングを用いて部分的に除去した後、さらにウエットエッチングを用いて部分的に除去することにより、低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状に加工されている。低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか他方は、２次元回折格子の一方の主面に対して垂直な方向に成長したエピタキシャル成長層である。
【００１４】
このようにすれば、低屈折率部分と高屈折率部分との格子定数や熱膨張係数を比較的近似したものとすることができるので、２次元回折格子において低屈折率部分と高屈折率部分との材質の違いによる格子不整合、また応力やひずみの発生を抑制することができる。この結果、２次元回折格子の特性の劣化を抑制できるので、半導体レーザ素子の特性の劣化を抑制できる。
【００１５】
また、低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状となっているため、当該平面形状の外周部を構成する側面を、所定の結晶面（たとえば等価な結晶面）により構成することができる。このため、平面形状が円形状などである場合より、低屈折率部分と高屈折率部分との接触界面において結晶の乱れや空隙などが形成される可能性を低減できる。そのため、２次元回折格子の特性の劣化を抑制できるので、半導体レーザ素子の特性の劣化を抑制できる。
【００１６】
上記半導体レーザ素子において、上述のように低屈折率部分と高屈折部分との主成分は窒化ガリウム（ＧａＮ）成分であってもよい。この場合、ＧａＮを主体とする半導体レーザ素子に本発明を容易に適用できる。
【００１７】
上記半導体レーザ素子において、２次元回折格子の主表面は（０００１）面であってもよい。低屈折率部分と高屈折率部分とのうち平面形状が六角形状である一方の、上記主表面に交差する方向に延びる側面は、{１−１００}面であってもよい。この場合、上記｛１−１００｝面（いわゆるｍ面）を反応律速面とするウエットエッチングを実施することで、上述した平面形状が六角形状の構造を容易に形成することができる。
【００１８】
上記半導体レーザ素子において、低屈折率部分はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０２≦ｘ≦０．５）より構成されていてもよい。また、高屈折率部分はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．２）より構成されていてもよい。これらの材料は、物性が互いに類似しているので、高屈折率部分および低屈折率部分の材料として特に適している。
【００１９】
この発明に従った半導体レーザ素子の製造方法では、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、低屈折率部分と高屈折率部分とは隙間なく配置されており、低屈折率部分と高屈折率部分との主成分が窒化ガリウム成分である２次元回折格子を形成する工程を実施する。また、２次元回折格子の一方の主面側に形成された発光層を形成する工程を実施する。２次元回折格子を形成する工程では、低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状に形成される。さらに、２次元回折格子を形成する工程は、低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方を構成する材料層を形成する工程と、当該材料層をドライエッチングを用いて部分的に除去した後、さらにウエットエッチングを用いて部分的に除去することにより、材料層の平面形状を六角形状に加工する工程と、低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか他方を、２次元回折格子の一方の主面に対して垂直な方向にエピタキシャル成長させる工程とを含む。このようにすれば、本発明に従った半導体レーザ素子を容易に形成できる。
【００２０】
上記半導体レーザ素子の製造方法において、２次元回折格子の主表面は（０００１）面であってもよい。ウエットエッチングは、材料層における{１−１００}面でのエッチング速度が他の結晶面に対するエッチング速度より遅い条件で行なわれてもよい。この場合、ウエットエッチングにより{１−１００}面を側面とする、平面形状が六角形状の部分を容易に形成できる。
【００２１】
上記半導体レーザ素子の製造方法において、ウエットエッチングは、加熱した硫酸と過酸化水素水の混合液、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを含むアルカリ水溶液、有機系アルカリ洗浄液からなる群から選択される１つを処理液として用いて実施されてもよい。この場合、上述のエッチング液を用いることによりＧａＮの{１−１００}面でのエッチング速度が他の結晶面に対するエッチング速度より遅い条件（｛１−１００｝面が反応律速面となるエッチング条件）を容易に実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、２次元回折格子の光学特性の劣化を抑制することにより、優れた特性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態および実施例について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【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構成を示す斜視模式図である。図２は、図１に示した半導体レーザ素子の上面模式図である。図３は、図１および図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面模式図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態における半導体レーザ素子１の構成について説明する。
【００２５】
半導体レーザ素子１は、基板２と、ｎ型バッファ層２３と、ｎ型クラッド層３と、ガイド層４と、活性層５と、ｐ型電子ブロック層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、ｐ型コンタクト層９と、ｐ型電極１０と、ｎ型電極１１とを備えている。
【００２６】
基板２は、互いに対向する２つの上面２１および下面２２を有している。基板２の上面２１側には、ｎ型バッファ層２３が形成されている。ｎ型バッファ層２３上にはｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３上にはガイド層４が形成されている。ガイド層４上には発光層としての活性層５が形成されている。活性層５上にはｐ型電子ブロック層６が形成されている。また、ｐ型電子ブロック層６上にはｐ型ガイド層としても機能するフォトニック結晶層７が形成されている。フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２から離れた位置に形成されている。さらに、フォトニック結晶層７上にはｐ型クラッド層８が形成されている。ｐ型クラッド層８上にはｐ型コンタクト層９が形成されている。活性層５はｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層８との間に挟まれている。
【００２７】
基板２の上面２１側では、ｐ型コンタクト層９の上部表面上にｐ型電極１０が形成されている。基板２の下面２２にはｎ型電極１１が形成されている。ｐ型電極１０は、たとえば円形の平面形状を有しており、ｐ型コンタクト層９の上面９１の中央部においてｐ型コンタクト層９に接触している。ｎ型電極１１は、基板２の下面２２と接触している。ｎ型電極１１は、たとえば基板２の下面２２全面と接触している。
【００２８】
図４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模式図である。図４を参照して、フォトニック結晶層７は、高屈折率部分７１と、低屈折率部分７２とを有している。低屈折率部分７２は、高屈折率部分７１の屈折率よりも低い屈折率を有している。低屈折率部分７２の平面形状は六角形状となっている。低屈折率部分７２は複数であり、高屈折率部分７１の内部において均一に分布している。図４に示したフォトニック結晶層７は、低屈折率部分７２が三角格子の格子点１３に配置された形態の２次元回折格子を構成している。低屈折率部分７２の各々は、三角格子の格子点１３となる位置（すなわち正三角形の頂点の位置）に形成されている。一つの格子点１３の中心と、この格子点に隣接する６つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
【００２９】
高屈折率部分７１および低屈折率部分７２の各々の主成分はＧａＮ成分である。たとえば、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）や、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）や、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１）などを用いることができる。好ましくは、高屈折率部分７１がＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）（つまりＧａＮまたはＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦０．１５））よりなっており、かつ低屈折率部分７２はＡｌxＧａ1-xＮ（０．０２≦ｘ≦０．５）よりなっている。
【００３０】
また、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２とは、高屈折率部分７１の屈折率と低屈折率部分７２の屈折率との差が０．０４以上であるような組み合わせであることが好ましい。高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との組み合わせとしては、たとえば、ＧａＮとＡｌxＧａ1-xＮとの組み合わせ（この場合、０＜ｘ＜１）、ＩｎyＧａ1-yＮ（この場合、０＜ｙ＜１）とＧａＮとの組み合わせ、またはＩｎyＧａ1-yＮとＡｌxＧａ1-xＮとの組み合わせが挙げられる。
【００３１】
図１〜図３を参照して、ｎ型クラッド層３およびｐ型電子ブロック層６は、活性層５にキャリアを注入する層として機能する。このため、ｎ型クラッド層３およびｐ型電子ブロック層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３およびｐ型電子ブロック層６は、共に、活性層５にキャリア（電子および正孔）と光と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３、活性層５、およびｐ型電子ブロック層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。さらに、ｐ型電子ブロック層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ことを抑制できる。
【００３２】
ｐ型クラッド層８は、活性層５にキャリアを注入する層として機能する。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）と光とを閉じ込める閉じ込め層として機能する。ｐ型コンタクト層９は、ｐ型電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。ガイド層４は、活性層５の量子井戸内にキャリアと光とを閉じ込める役割を有する。
【００３３】
基板２の材料としては、たとえばｎ型ＧａＮ、ＳｉＣ、またはサファイアなどを用いることができるが、基板２として特にＧａＮ基板を用いることが好ましい。この場合、基板２の上面２１はたとえば（０００１）面であることが好ましい。ｎ型バッファ層２３はたとえばｎ型ＧａＮにより構成される。また、ｎ型クラッド層３はたとえばｎ型ＡｌＧａＮにより構成される。また、ガイド層４はたとえばアンドープのＧａＮにより構成される。また、活性層５はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮを交互に積層した多重量子井戸構造を有している。ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８はたとえばｐ型ＡｌＧａＮにより構成される。ｐ型コンタクト層９はたとえばｐ型ＧａＮにより構成される。
【００３４】
次に、図１〜３に示した半導体レーザ素子１の発光原理について説明する。
ｐ型電極１０とｎ型電極１１との間に電圧を印加すると、ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層３から活性層５へ電子が注入される。活性層５へ正孔および電子が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生する。発生した光の波長は、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。
【００３５】
活性層５において発生した光は、ｎ型クラッド層３と、ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８とによって活性層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定在波が誘起される。
【００３６】
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、ｐ型電極１０の真下の領域およびその付近の領域において生じ得る。そして、定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことが可能となる。
【００３７】
フォトニック結晶層７（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次元回折格子は、たとえば正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷詰めて配置し、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三角格子、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六角格子とそれぞれ呼ぶ。
【００３８】
図５は、三角格子における光の回折を説明するための模式図である。三角格子は、一辺の長さがａである正三角形を敷詰め、当該正三角形の頂点に格子点１３を配置した状態になっている。図５において、複数の格子点１３のうち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（図３）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。
【００３９】
２次元回折格子は、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度の角度を成す方向に向けて整列するように設けられた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度の角度を成す方向に向けて整列するように設けられた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合う。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距離ｄであり、１次元格子内の隣接する格子点１３の間の間隔は距離ａである。
【００４０】
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は高屈折率部分７１（図３）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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、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、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。
【００４３】
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次元回折格子の主面に対して垂直方向（図２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次元回折格子の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面である上面９１（図１参照）から光を放出（面発光）させることができる。
【００４４】
さらに、この２次元回折格子では、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。この２次元回折格子では、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。
【００４５】
図６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他の構成を示す斜視模式図である。図６において、フォトニック結晶層７は正方格子の形態の２次元回折格子を構成している。平面形状が六角形状である角柱状の低屈折率部分７２の各々は、正方格子の格子点１３となる位置（つまり正方形の頂点の位置）に形成されている。一つの格子点１３の中心と、この格子点に隣接する８つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しくなっている。
【００４６】
図７は、正方格子における光の回折を説明するための模式図である。正方格子は、一辺の長さが距離ｄである正方形を敷詰めて、正方形の各頂点に格子点１３を配置した構成となっている。図７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（図３参照）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。
【００４７】
フォトニック結晶層７における２次元回折格子は、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軸方向に向けて複数の格子点１３が整列して設けられた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軸方向に向けて複数の格子点１３が整列して設けられた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距離ｄであり、１次元格子内の隣接する格子点１３間の間隔も距離ｄである。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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へ戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用することができる。
【００５１】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法について説明する。  図８は、図１〜図３に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。図９は、図８に示したフォトニック結晶形成工程の内容を説明するためのフローチャートである。また、図１０〜図１５は、図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【００５２】
まず、図８に示すように、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、たとえばＧａＮ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、またはサファイアなどよりなる基板２（図１０参照）を準備する。上記基板２として、たとえば（０００１）面を主表面とするＧａＮ基板を用いることができる。
【００５３】
次に、成膜工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal-organic  chemical  vapor  deposition：有機金属気相成長）法を用いて、基板２の上面２１上に、ｎ型バッファ層２３、ｎ型クラッド層３、ガイド層４、発光層としての活性層５、およびｐ型電子ブロック層６をこの順序でエピタキシャル成長させる。なお、ｎ型バッファ層２３を形成することなく、基板２の直上にｎ型クラッド層３を形成してもよい。このようにして、図１０に示す構造を得る。
【００５４】
次に、２次元回折格子を形成する工程として、フォトニック結晶形成工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、図９に示すように、まず第１成膜工程（Ｓ３１）を実施する。この工程（Ｓ３１）では、ｐ型電子ブロック層６上に低屈折率部分の層７２ａ（図１１参照）を形成する。この層７２ａとしては、ＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長させた層を用いることができる。この層７２ａとしては、たとえばＡｌxＧａ1-xＮ（０．０２≦ｘ≦０．５）よりなる膜を形成する。また、この場合層７２ａの上部表面は（０００１）面であってもよい。
【００５５】
次に、図９に示すように、マスク層形成工程（Ｓ３２）を実施する。この工程（Ｓ３２）では、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト３００（図１１参照）を層７２ａ上に形成する。具体的には、層７２ａの上面全体にＥＢ（電子ビーム）露光用レジストを一旦塗布し、このレジストの所望の領域をＥＢで露光した後、レジストを現像する。このようにして、図１１に示す構造を得る。レジスト３００の平面形状は円形状である。
【００５６】
次に図９に示すように、ドライエッチング工程（Ｓ３３）を実施する。この工程（Ｓ３３）では、レジスト３００（図１１参照）をマスクとして層７２ａを部分的にエッチングする。これにより、２次元回折格子の格子点となる領域のみに低屈折率部分７２（図１２参照）が形成され、他の領域の層７２ａは除去される。このようにして、図１２に示す構造を得る。なお、図１２ではレジスト３００は図示していない。
【００５７】
ここで、図１３は図９のドライエッチング工程（Ｓ３３）により形成された低屈折率部分を示す斜視模式図である。図１３を参照して、複数の低屈折率部分７２の各々は平面形状が円形状である円柱形状を有しており、２次元回折格子の格子点となる領域に形成されている。
【００５８】
なお、上記ドライエッチング工程（Ｓ３３）では、レジスト３００をマスクとして層７２ａをエッチングする場合について示したが、レジスト３００の代わりにたとえばＳｉＮなどの絶縁膜や、多層の材料をマスクとして用いてもよい。
【００５９】
次に、図９に示すように、ウエットエッチング工程（Ｓ３４）を実施する。この工程（Ｓ３４）では、具体的には低屈折率部分７２（図１２参照）上に残存するレジスト３００を処理液で剥離する。このとき、処理液として、たとえば加熱した硫酸と過酸化水素水の混合液（熱ＳＰＭ）を用いることができる。この結果、レジスト３００が除去されるとともに、図１３に示された低屈折率部分７２の側壁が、｛１−１００｝面を反応律速面としてエッチングされる。つまり、低屈折率部分７２における{１−１００}面でのエッチング速度が他の結晶面に対するエッチング速度より遅い条件でエッチングが行なわれる。その結果、図１４に示すように平面形状が六角形の六角柱状の低屈折率部分７２が形成される。この六角柱状の低屈折率部分７２の側面は、｛１−１００｝面となっている。なお、このウエットエッチング工程（Ｓ３４）で用いる処理液としては、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを含むアルカリ水溶液、あるいは有機系アルカリ洗浄液を用いてもよい。また、上記工程（Ｓ３４）は、レジスト３００を剥離する工程と同時に実施しているが、先にベンゼンスルフォン酸等を用いてレジスト３００のみを剥離する工程を実施した後で、上記処理液を用いたウエットエッチング工程を実施してもよい。
【００６０】
次に、図９に示すように、第２成膜工程（Ｓ３５）を実施する。具体的には、ｐ型電子ブロック層６（図１２参照）の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、高屈折率部分７１（図１５参照）をｐ型電子ブロック層６上に形成する。高屈折率部分７１としては、減圧雰囲気で、低屈折率部分７２を埋め込むように、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．２）層を形成する。たとえば、ＧａＮよりなる高屈折率部分７１をエピタキシャル成長させてもよい。このとき、低屈折率部分７２の側面にはほとんど核形成が起きず、低屈折率部分７２の側面からはＧａＮは成長（成長方向が上下方向ではない異常成長）しない。このため、露出しているｐ型電子ブロック層６の表面および低屈折率部分７２の上面からのみＧａＮ（高屈折率部分７１）が選択的にエピタキシャル成長する。ＧａＮはｐ型電子ブロック層６の露出している表面に対して垂直な方向（図１５における上方）に成長する。
【００６１】
そして、低屈折率部分７２の上部では原料ガスの逃げが大きいため、低屈折率部分７２の上面からのＧａＮの成長速度よりも、ｐ型電子ブロック層６の表面からのＧａＮの成長速度の方が速い。また、減圧下でエピタキシャル成長させるほうがこの現象の影響は大きい。この結果、低屈折率部分７２同士の間がＧａＮによって完全に埋められると、低屈折率部分７２の上面のＧａＮは図１５における上方向への成長を続けながら、図１５における横方向（ｐ型電子ブロック層６の表面に沿った方向）にも成長する。
【００６２】
そして、ＧａＮの上面がほぼ平坦になるまで図１５における横方向への成長を続けた後、ＧａＮは再び上方向（ｐ型電子ブロック層６の表面に対して垂直な方向）にのみ成長する。この結果、低屈折率部分７２がＧａＮからなる高屈折率部分で完全に覆われる。そして、フォトニック結晶層７よりも上のＧａＮを除去することにより、図１５に示すように、フォトニック結晶層７上にＧａＮが形成されていない状態とすることができる。なお、低屈折率部分７２の上面からのＧａＮの成長を抑制することで、図１５に示す構造を得てもよい。このとき、フォトニック結晶層７の主表面（上部表面）は（０００１）面となっていてもよい。
【００６３】
次に図８に示すように、２回目の成膜工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層８（図３参照）およびｐ型コンタクト層９（図３参照）をフォトニック結晶層７上にエピタキシャル成長させる。もちろん図９の第２成膜工程（Ｓ３５）と図８の２回目の成膜工程（Ｓ４０）は一連の連続する成膜工程として実施しても構わない。
【００６４】
次に、電極形成工程（Ｓ５０）を実施する。この工程（Ｓ５０）では、図３に示すように、ｐ型コンタクト層９の上面９１にｐ型電極１０を形成する。また、基板２の下面２２側にｎ型電極１１を形成する。このようにして、半導体レーザ素子１が完成する。
【００６５】
本実施の形態における半導体レーザ素子１は、上述のように２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７と発光層としての活性層５とを備える。フォトニック結晶層７は、低屈折率部分７２と、当該低屈折率部分７２の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分７１とを有する。活性層５は、フォトニック結晶層７の一方の主面側（図３においてはフォトニック結晶層７の主面のうち基板２側の主面側）に形成されている。低屈折率部分７２と高屈折率部分７１とのいずれか一方（図１〜図３に示した半導体レーザ素子１においては低屈折率部分７２）の平面形状は図１４に示すように六角形状である。また、低屈折率部分７２と高屈折率部分７１との主成分はともにＧａＮ成分であって共通する。
【００６６】
この結果、低屈折率部分７２と高屈折率部分７１との格子定数や熱膨張係数を比較的近似したものにできるので、フォトニック結晶層７において低屈折率部分７２と高屈折率部分７１との材質の違いによる格子不整合、また応力やひずみの発生を抑制することができる。この結果、フォトニック結晶層７の特性の劣化を抑制できるので、半導体レーザ素子１の特性の劣化を抑制できる。
【００６７】
また、低屈折率部分７２の平面形状が六角形状となっているため、当該平面形状の外周部を構成する側面である低屈折率部分７２の側壁を、上述のように｛１−１００｝面（いわゆるｍ面）により構成することができる。このため、平面形状が円形状などである場合より、低屈折率部分７２と高屈折率部分７１との接触界面において結晶の乱れや空隙などが形成される可能性を低減できる。そのため、フォトニック結晶層７の特性の劣化を抑制できるので、半導体レーザ素子１の特性の劣化を抑制できる。
【００６８】
加えて、低屈折率部分７２がＧａＮ成分を含む材料により構成されることで、低屈折率部分７２の元素の拡散により高屈折率部分７１や活性層５が悪影響を受けることがない。その結果、半導体レーザ素子１の信頼性を向上することができる。
【００６９】
ここで、一般的にフォトニック結晶層においては、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が大きいほど、フォトニック結晶層の特性が向上する。このことに鑑みると、ＧａＮ系材料は物性が互いに類似しているため、本実施の形態のように高屈折率部分と低屈折率部分との各々をＧａＮ系材料で形成した場合には、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が小さくなり、フォトニック結晶層の特性が低下することが懸念される。しかしながら、本願発明者らは、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との各々をＧａＮ系材料で形成した場合であっても、フォトニック結晶層の特性の低下はきわめて小さいことを見出した。特に、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との屈折率差が０．０４以上であれば、フォトニック結晶としての光回折効果が十分に得られる。
【００７０】
さらに、上述のように低屈折率部分７２の平面形状を六角形状として、当該低屈折率部分７２の側面がいわゆるｍ面となった状態で、高屈折率部分７１を形成異することで、高屈折率部分７１を隙間などの不良部がほとんど無い状態で形成できる。この場合には、低屈折率部分７２をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０２≦ｘ≦０．５）により構成し、また、高屈折率部分７１をＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．２）により構成することで、十分な光結合係数κを得ることができる。
【００７１】
また、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）およびＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）は、物性が特に互いに類似しているので、高屈折率部分７１および低屈折率部分７２の各々をこれらの材料で形成することにより、フォトニック結晶層７の格子不整合、応力、および歪みを一層抑制することができる。
【００７２】
ここで、上記ｘの下限を０．０２とし、上記ｙの下限を０（つまり高屈折率部分７１をＧａＮで構成する状態）としたのは、このような構成とすれば十分な光結合係数κをフォトニック結晶層７において実現できるためである。また、上記ｘの上限を０．５、また上記ｙの上限を０．２としたのは、これ以上のｘおよびｙの値を採用すると高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との間で格子不整合に起因する歪みの問題が顕在化し、特性に影響を及ぼすためである。なお、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との間の屈折率差をより大きくでき、かつ発生応力が許容できる程度に小さい構成として、低屈折率部分７２をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）により構成し、また、高屈折率部分７１をＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）により構成してもよい。このようにすれば、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との屈折率差を保ちながら、高屈折率部分７１の格子定数と低屈折率部分７２の格子定数とを一層近づけることができる。
【００７３】
特に、フォトニック結晶層７を備えたＧａＮ系材料よりなる半導体レーザ素子１においては、発光波長が短波長であり、エバネッセント光の存在範囲が限られている。したがって、半導体レーザ素子１の特性を向上するためには、活性層５とフォトニック結晶層７とを近接させ、なるべく多くのエバネッセント光をフォトニック結晶層７に到達させることが重要である。このことからも、フォトニック結晶層７の格子不整合、応力、および歪みを抑制し、これらに起因する活性層５の特性劣化を防ぐことは重要である。
【００７４】
また、ＧａＮよりなる基板２を用いることで、フォトニック結晶層７および活性層５の転位密度を低下し、平坦性を向上することができる。また、ＧａＮよりなる基板２は導電性を有するので、基板２にｎ型電極１１を直接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、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。
【００７５】
また、フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２から離れた位置に形成されているので、活性層５およびフォトニック結晶層７がこの順序で、基板２の上面２１側に形成される。
【００７６】
また、低屈折率部分７２は２次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、高屈折率部分７１内を進む光が低屈折率部分７２において回折され、再び高屈折率部分７１を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００７７】
また、フォトニック結晶層７は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。
【００７８】
また、高屈折率部分７１で低屈折率部分７２を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層７に隣接する層を高屈折率部分７１と同じ材料で連続的に形成してもよい。
【００７９】
なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の構成および製造方法はあくまでも一例であり、本発明の半導体レーザ素子は、少なくとも２次元回折格子（フォトニック結晶層７）と発光層（活性層５）とを備えており、２次元回折格子の低屈折率部分と高屈折率部分とのいずれか一方の平面形状が六角形状であればよく、また、低屈折率部分と高屈折率部分との主成分が共通していればよい。
【００８０】
たとえば、上記図１〜図３に示した半導体レーザ素子１を形成する方法として、以下のような製造方法を用いてもよい。初めに、図８に示す半導体レーザ素子の製造方法における工程（Ｓ１０）および工程（Ｓ２０）と同様の工程を実施することにより、図１０に示すようにｎ型クラッド層３、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６を基板２の上面２１上に形成する。
【００８１】
次に、フォトニック結晶形成工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、図９に示すように、まず第１成膜工程（Ｓ３１）として、ｐ型電子ブロック層６（図２７参照）上全体に高屈折率部分の層７１ａ（ＧａＮよりなる層）を形成する。この高屈折率部分の層７１ａの製造方法としては、上述した高屈折率部分７１（図１５参照）の製造方法と同様の工程を用いることができる。なお、図２７は、図１〜図３に示した半導体レーザ素子１を形成する他の方法を説明するための断面模式図である。
【００８２】
そして、マスク層形成工程（Ｓ３２）として、図２７に示すように、電子ビームリソグラフィ技術によって所定のパターンを有するレジスト３１０を当該層７１ａ上に形成する。所定のパターンとしては、２次元回折格子の格子点となる位置に平面形状が円形状の開口部が形成されたパターンを用いることができる。
【００８３】
次に、ドライエッチング工程（Ｓ３３）として、上記レジスト３１０をマスクとして高屈折率部分の層７１ａを部分的にエッチングする。これにより、２次元回折格子の格子点となる領域の上記層７１ａが除去される。この結果、図２８に示すように、当該領域に孔７６が形成される。なお、当該孔７６の平面形状はレジスト３１０の開口パターンの平面形状と同様に円形状である。これにより、高屈折率部分７１に複数の孔が形成される。
【００８４】
次に、ウエットエッチング工程（Ｓ３４）として、具体的には高屈折率部分７１上に残存するレジストを処理液で剥離する。このとき、処理液として、たとえば加熱した硫酸と過酸化水素水の混合液（熱ＳＰＭ）を用いることができる。この結果、レジストが除去されるとともに、高屈折率部分７１に形成された孔７６の側壁が、｛１−１００｝面を反応律速面としてエッチングされる。その結果、平面形状が六角形の孔７６が高屈折率部分７１に形成される。なお、このウエットエッチング工程（Ｓ３４）で用いる処理液としても、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムを含むアルカリ水溶液、あるいは有機系アルカリ洗浄液を用いることができる。また、上記工程（Ｓ３４）では、先にベンゼンスルフォン酸等を用いてレジスト３００のみを剥離する工程を実施した後で、上記処理液を用いたウエットエッチング工程を実施してもよい。このようにして、図２８に示すような構造を得る。なお、図２８は、図１〜図３に示した半導体レーザ素子１を形成する他の方法を説明するための断面模式図である。
【００８５】
次に、第２成膜工程（Ｓ３５）として、高屈折率部分７１に形成された孔７６（図２８参照）の底部に露出しているｐ型電子ブロック層６の表面および高屈折率部分７１の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、高屈折率部分７１の孔の底部にて露出しているｐ型電子ブロック層６上に低屈折率部分７２を形成する。以下、この第２成膜工程（Ｓ３５）の内容を説明する。
【００８６】
上記工程（Ｓ３５）では、たとえば減圧雰囲気でＡｌＧａＮよりなる低屈折率部分７２をエピタキシャル成長させる。すると、高屈折率部分７１の孔の側面にはほとんど核形成が起きず、高屈折率部分７１の側面からはＡｌＧａＮは成長（成長方向が上下方向ではない異常成長）しない。このため、孔の底部で露出しているｐ型電子ブロック層６の表面および高屈折率部分７１の上面からのみＡｌＧａＮ層（低屈折率部分７２を構成する層）が選択的にエピタキシャル成長する。ＡｌＧａＮ層はたとえば図１５の上方向（ｐ型電子ブロック層６の上部表面に対して垂直な方向）に成長する。このとき、孔内に原料ガスが吹き溜まるため、高屈折率部分７１の上面からのＡｌＧａＮの成長速度よりも、ｐ型電子ブロック層６の表面（孔の底部）からのＡｌＧａＮの成長速度の方が速い。減圧下で成長させるほうがこの現象の影響は大きい。高屈折率部分７１に形成された孔の内部がＡｌＧａＮによって完全に埋められると、高屈折率部分７１の上面のＡｌＧａＮは図１５の上方向への成長を続けながら、横方向（高屈折率部分７１の上面に沿った方向）にも成長する。ＡｌＧａＮの上面がほぼ平坦になるまで横方向への成長を続けた後、ＧａＮは再び上方向にのみ成長する。これにより、高屈折率部分７１が低屈折率部分で完全に覆われる。そして、高屈折率部分７１よりも上のＡｌＧａＮを除去することにより、図１５に示す構造を得ることができる。なお、高屈折率部分７１の上面からのＡｌＧａＮの成長を抑制することで、図１５に示す構造を得てもよい。
【００８７】
その後、実施の形態１の製造方法と同様に、２回目の成膜工程（Ｓ４０）、電極形成工程（Ｓ５０）を実施することにより、図３に示すようにｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０、およびｎ型電極１１を形成する。このようにしても、図３に示す半導体レーザ素子１を得ることができる。
【００８８】
上述した半導体レーザ素子の製造方法では、高屈折率部分７１を形成した後で低屈折率部分７２を形成する。さらに、低屈折率部分７２で高屈折率部分７１を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層７に隣接する層を低屈折率部分７２と同じ材料で連続的に形成することができる。
【００８９】
図１６は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の変形例の構成を示す断面模式図である。図１７は、図１６に示した半導体レーザ素子におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視模式図である。図１６および図１７を参照して、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の変形例を説明する。
【００９０】
図１６および図１７を参照して、半導体レーザ素子１ａにおいては、フォトニック結晶層７ａの構造が、図４に示す実施の形態１のフォトニック結晶層７の構造と異なっている。すなわち、図１６および図１７に示した半導体レーザ素子１ａにおけるフォトニック結晶層７ａでは、高屈折率部分７１は複数個形成されており、当該複数の高屈折率部分７１は低屈折率部分７２の内部において平面的に均一に分布している。高屈折率部分７１の平面形状は六角形状である。高屈折率部分７１の各々は、三角格子の格子点１３となる位置、言い換えれば低屈折率部分７２に敷詰められた三角形の頂点の位置に形成されている。なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成は、図３に示す半導体レーザ素子１の構成と同様である。
【００９１】
図１６および図１７に示した半導体レーザ素子１ａによれば、図１〜図３に示した半導体レーザ素子１と同様の効果を得ることができる。加えて、高屈折率部分７１が２次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、低屈折率部分７２を進む光が高屈折率部分７１において回折され、再び低屈折率部分７２を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００９２】
図１６および図１７に示した半導体レーザ素子１ａの製造方法は、基本的には図１〜図３に示した半導体レーザ素子１の製造方法（図８および図９に示した製造方法）と同様であるが、上述した製造方法における低屈折率部分７２および高屈折率部分７１を形成する工程において、それぞれ高屈折率部分７１および低屈折率部分７２を形成する。なお、その他の工程は基本的に図８および図９に示した工程と同様である。
【００９３】
なお、図１６および図１７に示した半導体レーザ素子１ａにおいては、高屈折率部分７１が三角格子の格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、高屈折率部分７１が正方格子の格子点となる位置に形成されていてもよい。
【００９４】
（実施の形態２）
図１８は、本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。図１８を参照して、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂを説明する。
【００９５】
図１８に示すように、半導体レーザ素子１ｂは、基本的には図３に示した半導体レーザ素子１と同様の構成を備える。ただし、図１８に示した半導体レーザ素子１ｂは、フォトニック結晶層７の（図中縦方向での）位置が、図３に示す実施の形態１の半導体レーザ素子１におけるフォトニック結晶層７の位置と異なっている。すなわち、本実施の形態におけるフォトニック結晶層７はｎ型クラッド層３上に形成されており、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６は、フォトニック結晶層７上にこの順序で形成されている。つまり、フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２に近い位置に形成されている。なお、フォトニック結晶層７の低屈折率部分７２の平面形状は、図４に示したフォトニック結晶層７と同様に六角形状である。ｐ型電子ブロック層６上にはｐ型ガイド層２４が形成されている。ｐ型ガイド層２４上には、ｐ型クラッド層８およびｐ型コンタクト層９が形成されている。
【００９６】
図１９および図２０は、図１８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図１９および図２０を参照して、図１８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【００９７】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂの製造方法では、まず、図８に示した基板準備工程（Ｓ１０）および成膜工程（Ｓ２０）を実施する。なお、ここでは、成膜工程（Ｓ２０）として、基板２（図１８参照）上にｎ型バッファ層２３、ｎ型クラッド層３までをこの順番でエピタキシャル成長法により形成する。
【００９８】
次に、図８および図９に示したフォトニック結晶形成工程（Ｓ３０）と同様の方法を用いて、ｎ型クラッド層３上にフォトニック結晶層７を形成する。このようにして、図１９に示す構造を得る。フォトニック結晶層７は、基板２の上面２１側における、活性層５よりも基板２に近い位置に形成される。
【００９９】
次に、図８に示したように２回目の成膜工程（Ｓ４０）を実施する。ただし、この成膜工程（Ｓ４０）では、図２０に示すように、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６をこの順序でフォトニック結晶層７上にエピタキシャル成長させる。その後、実施の形態１と同様の方法を用いて、ｐ型ガイド層２４、ｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０、およびｎ型電極１１を形成する。このようにして、図１８に示す半導体レーザ素子１ｂを得る。
【０１００】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂおよびその製造方法によれば、実施の形態１における半導体レーザ素子およびその製造方法と同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
加えて、フォトニック結晶層７が活性層５よりも基板２に近い位置に形成されているので、フォトニック結晶層７および活性層５がこの順序で、基板２の上面２１側に形成される。
【０１０２】
なお、本実施の形態においては、低屈折率部分７２が格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、図１６に示した半導体レーザ素子１ａと同様に高屈折率部分７１が格子点となる位置に形成されていてもよい。
【０１０３】
（実施例１）
本発明の効果を確認するため、以下のような実験を行なった。
【０１０４】
（試料の作成）
比較例の試料：
直径が２インチの（０００１）面を主表面とするＧａＮ基板を準備し、当該ＧａＮ基板の主表面上にＡｌＧａＮ層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１）からなる層）をエピタキシャル成長させた。当該ＡｌＧａＮ層の厚みは１００ｎｍとした。なお、このＡｌＧａＮ層の成膜条件としては、大気圧条件を用いた。
【０１０５】
次に、当該ＡｌＧａＮ層上に、ＥＢ露光用レジスト（日本ゼオン製：ＺＥＰ５２０）を塗布した後、ＥＢ（電子ビーム）を所定のパターンを形成するように照射した後、現像処理を行なうことにより、直径１００ｎｍの平面形状が円形状のパターンを複数個形成した。当該円形状パターンの配置は三角格子とし、その格子間ピッチは１９０ｎｍとした。
【０１０６】
次に、当該レジストパターンをマスクとして用いて、ＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma）エッチングによりＡｌＧａＮ層を部分的に除去した。このようにして、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる平面形状が円形状の柱状部を形成した。なお、上記ＩＣＰエッチングでは、ミリング課程が主となる垂直エッチング条件であって、具体的には塩素ガスとハロゲンガスの混合ガスによるエッチングを用いて、高さ１００ｎｍの柱状部を形成した。その後、ベンゼンスルフォン酸を用いてレジストを除去した。なお、上記パターンの形状として、円形状の開口パターンを形成すれば、上記エッチングによって（たとえば深さ１００ｎｍの）孔を形成することもできる。
【０１０７】
このようなＡｌＧａＮからなる柱状部上に、当該柱状部を埋め込むようにＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。当該ＧａＮ層の成膜条件としては、減圧条件とした。また、ＧａＮ層の成膜厚みは１５０ｎｍとした。
【０１０８】
実施例の試料：
上述した比較例の試料と同様のＧａＮ基板を準備し、同様のプロセス条件でＡｌＧａＮ層の形成、レジストパターンの形成、ＡｌＧａＮ層のエッチングにより平面形状が円形状の柱状部の形成までを行なった。その後、レジストの剥離工程において、同時に当該柱状部に対してウエットエッチングを行なうことにより、柱状部の平面形状を六角形状とした。このウエットエッチングのプロセス条件としては、ベンゼンスルホン酸に熱ＳＰＭ（硫酸：過酸化水素水＝５：１、温度１２０℃）を用いて、レジストの剥離と同時に柱状部の側壁のエッチングを行なった。なお、エッチング液として、室温の有機アルカリ洗浄液（フルウチ化学製のセミコクリーンＮｏ．２３）、あるいは室温のＮａＯＨまたはＫＯＨからなる１規定以上のアルカリ水溶液を用いても、同様に柱状部の平面形状を六角形状とすることができた。
【０１０９】
次に、上述した比較例の試料と同様に、柱状部を埋め込むようにＧａＮ層を形成した。当該ＧａＮ層の成膜条件は上記比較例の試料と同様とした。
【０１１０】
（測定）
測定１：
比較例の試料については、平面形状が円形状の柱状部が形成された段階で、上方から柱状部をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。また、実施例の試料については、ウエットエッチングが終了した後の平面形状が六角形状の柱状部を上方からＳＥＭにより観察した。
【０１１１】
測定２：
また、比較例および実施例の試料について、ＧａＮ層を形成した後、それぞれの試料をＧａＮ基板の主表面に対して垂直な方向から切断し、当該切断面をＳＥＭにより観察した。なお、観察はＧａＮ層表面も確認できるようにするため、斜め上方から当該断面とＧａＮ層表面とを同時に観察した。
【０１１２】
（結果）
測定１の結果：
図２１は、比較例の試料についての柱状部を上方から観察したＳＥＭ写真である。図２２は、実施例の試料についての柱状部を上方から観察したＳＥＭ写真である。図２１に示すように、比較例の試料では、柱状部８１の平面形状は、レジストパターンの平面形状を反映し、ほぼ円形状になっている。上述したＩＣＰエッチングの制御性は良く、形成された柱状部８１の形状の面内均一性も比較的良好であることがわかる。ただし、柱状部８１の側壁については表面が荒れており、エッチングダメージ部も残存しているものと思われる。
【０１１３】
一方、実施例の試料でも、図２２に示すように柱状部８１の平面形状の面内均一性は良好であった。さらに、実施例の試料では、柱状部８１の側壁は比較的平滑になっている。これは、ウエットエッチングによって柱状部８１の側壁がエッチングされることにより、ドライエッチングとしてのＩＣＰエッチングに起因するエッチングダメージ部が除去されていると考えられる。なお、実施例の試料の柱状部８１の側壁は、主にいわゆるｍ面（｛１−１００｝面）により構成されている。
【０１１４】
測定２の結果：
図２３は、比較例の試料における柱状部のＧａＮ層による埋め込みの状態を説明するための模式図である。図２４は、実施例の試料における柱状部のＧａＮ層による埋め込みの状態を説明するための模式図である。図２５は、比較例の試料における断面と表面とのＳＥＭ写真である。図２６は、実施例の試料における断面と表面とのＳＥＭ写真である。
【０１１５】
比較例の試料については、図２３および図２５に示すように、平面形状が円形状の柱状部８１をＧａＮ層からなる埋込層８２によって埋め込んだときに、柱状部８１と埋込層８２との間に空隙８３が形成されている。また、埋込層８２の上部表面８４においては、埋込不良部８５である段差などが形成されるため、埋込層８２の上部表面の平坦性はあまり良くない。
【０１１６】
一方、実施例の試料については、図２４および図２６に示すように、柱状部８１と埋込層８２との間には空隙は形成されない。また、埋込層８２の上部表面８４も比較例の試料に比べて平滑である。
【０１１７】
（実施例２）
ＧａＮ基板上にフォトニック結晶層を備える半導体レーザ素子としての面発光フォトニック結晶レーザを形成し、素子特性を比較した。具体的には、以下のような実験を行なった。
【０１１８】
（試料）
比較例：
図１〜図３に示した半導体レーザ素子１と基本的に同様の構成の面発光フォトニック結晶レーザの試料を作成した。ただし、この比較例の試料では、フォトニック結晶層における低屈折率部分の平面形状が円形状となっている。具体的には、まず、（０００１）面を主面とするＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、アンドープのＧａＮからなるガイド層（ｕ-ＧａＮガイド層）、ＩｎＧａＮ/ＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＡｌＧａＮガイド層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：ｘ＝０．０７）（厚み１００ｎｍ）までを形成した。そして、当該試料を一旦エピ成長炉から取り出して、最表面のｐ型ＡｌＧａＮガイド層に対してフォトニック結晶構造を形成した。フォトニック結晶構造の形成工程では、平面形状が円形状の柱状部を形成する工程として、上記実施例１における比較例での柱状部の形成方法と同様の方法を用いた。柱状部の平面形状の円の直径は７０ｎｍとした。またこの円形状パターンの配置は正方格子とし、その格子間ピッチは１６０ｎｍとした。なおこの時、低屈折材料の高屈折率材料に対する充填率は、約１５％となる。なお、充填率とは低屈折材料と高屈折材料との面積の割合を言う。
【０１１９】
その後、試料をエピ成長炉に再度設置してから、減圧条件での再成長法により柱状部を、高屈折率部分に対応するｐ型ＧａＮエピタキシャル層により埋め込んだ。このｐ型ＧａＮエピタキシャル層の厚みは１００ｎｍとした。さらに、その上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、最後に表裏面にそれぞれｎ型電極、オーミック電極であるp型電極を形成した。
【０１２０】
実施例：
基本的に、上記比較例と同様の製造方法により試料を作成した。ただし、フォトニック結晶構造については、柱状部の平面形状が六角形状となっている。この平面形状が六角形状の柱状部（六角柱）を形成する方法は、上記実施例１における実施例の試料における六角柱の形成方法と同様の方法を用いた。またウエットエッチングの時間を調整して、ＡｌＧａＮ六角柱の充填率が１５％と、比較例と一致するようにした。このように六角柱が形成された後、上記比較例と同様に当該六角柱をｐ型ＧａＮエピタキシャル層により埋め込むことにより、フォトニック結晶構造を形成した。さらに、その後ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、最後に表裏面にそれぞれｎ型電極、オーミック電極であるp型電極を形成した。
【０１２１】
（測定）
測定１：
フォトニック結晶構造を形成した後、柱状部を埋め込むｐ型ＧａＮエピタキシャル層の上部表面の形態（表面モホロジー）をＳＥＭにより観察した。
【０１２２】
測定２：
実施例および比較例の試料について、フォトニック結晶構造の回折ピークのスプリット幅を測定し、当該測定結果からフォトニック結晶構造と活性層との発光結合係数κを算出した。なお、回折ピークのスプリット幅の測定方法としては、通電したサンプルからの発光を直上方向において分光器に導入して、回折スペクトルを直接読み取る、という方法を用いた。また、レーザ光発振のための電流密度のしきい値を求めた。
【０１２３】
（結果）
測定１の結果：
ＳＥＭによる観察の結果、比較例の試料ではｐ型ＧａＮエピタキシャル層の上部表面において局所的に凹凸などが見られた。一方、実施例の試料ではｐ型ＧａＮエピタキシャル層の上部表面は平滑であり、良好な平坦性を示していた。
【０１２４】
測定２の結果：
回折ピークのスプリット幅測定に基づく比較例の結合係数κは２００ｃｍ−１、電流密度のしきい値は５ｋＡ／ｃｍ２であった。一方、回折ピークのスプリット幅測定に基づく実施例の結合係数κは２８０ｃｍ−１、電流密度のしきい値は３．５ｋＡ／ｃｍ２であった。つまり柱状部を埋め込んだフォトニック結晶の特性としては、埋め込みに間隙の無い、形状の揃った六角形柱の柱状部を用いたフォトニック結晶の方が優れていることが示された。
【０１２５】
（実施例３）
実施例２と同様に、ＧａＮ基板上にフォトニック結晶層を備える半導体レーザ素子としての面発光フォトニック結晶レーザを形成し、素子特性を比較した。ただし、実施例３では、フォトニック結晶層をｎ層側に配置した構成の面発光フォトニック結晶レーザについて検討した。具体的には、以下のような実験を行なった。
【０１２６】
（試料）
比較例：
図１８に示した半導体レーザ素子１ｂと基本的に同じ構成の面発光フォトニック結晶レーザの試料を作成した。ただし、この比較例の試料では、フォトニック結晶層における低屈折率部分の平面形状が円形状となっている。具体的には、まず、（０００１）面を主面とするＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ：ｘ＝０．０３）（厚み１００ｎｍ）までを形成した。そして、当該試料を一旦エピ成長炉から取り出して、最表面のｎ型ＡｌＧａＮガイド層に対してフォトニック結晶構造を形成した。フォトニック結晶構造の形成工程では、平面形状が円形状の柱状部を形成する工程として、上記実施例１における比較例での柱状部の形成方法と同様の方法を用いた。柱状部の平面形状の円の直径は７５ｎｍとした。またこの円形状パターンの配置は三角格子とし、その格子間ピッチは１９０ｎｍとした。なおこの時、低屈折材料の高屈折率材料に対する充填率は、約１５％となる。
【０１２７】
その後、試料をエピ成長炉に再度設置してから、再成長法により柱状部を、高屈折率部分に対応するｎ型ＩｎＧａＮエピタキシャル層（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ：ｙ＝０．０４）により埋め込んだ。このｎ型ＩｎＧａＮエピタキシャル層の厚みは１５０ｎｍとした。さらに、その上にアンドープのＧａＮからなるガイド層（ｕ-ＧａＮガイド層）、ＩｎＧａＮ/ＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、最後に表裏面にそれぞれｎ型電極、オーミック電極であるｐ型電極を形成した。
【０１２８】
実施例：
基本的に、上記比較例と同様の製造方法により試料を作成した。ただし、フォトニック結晶構造については、柱状部の平面形状が六角形状となっている。この平面形状が六角形状の柱状部（六角柱）を形成する方法は、上記実施例１における実施例の試料における六角柱の形成方法と同様の方法を用いた。またウエットエッチングの時間を調整して、ＡｌＧａＮ六角柱の充填率が１５％と比較例と一致するようにした。このように六角柱が形成された後、上記比較例と同様に当該六角柱をｎ型ＩｎＧａＮエピタキシャル層により埋め込むことにより、フォトニック結晶構造を形成した。さらに、その後、ｕ-ＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮ/ＧａＮからなる多重量子井戸構造の活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＧａＮコンタクト層を形成し、最後に表裏面にそれぞれｎ型電極、オーミック電極であるｐ型電極を形成した。
【０１２９】
（測定）
基本的に実施例２と同様の項目について測定を行なった。具体的には、以下のような項目について測定を実施した。
【０１３０】
測定１：
フォトニック結晶構造を形成した後、柱状部を埋め込むｐ型ＧａＮエピタキシャル層の上部表面の形態（表面モホロジー）をＳＥＭにより観察した。
【０１３１】
測定２：
実施例および比較例の試料について、フォトニック結晶構造の回折ピークのスプリット幅を測定し、当該測定結果からフォトニック結晶構造と活性層との発光結合係数κを算出した。なお、回折ピークのスプリット幅の測定方法としては、上述した実施例２における測定方法と同様の方法を用いた。また、レーザ光発振のための電流密度のしきい値を求めた。
【０１３２】
（結果）
測定１の結果：
ＳＥＭによる観察の結果、比較例の試料ではｎ型ＩｎＧａＮエピタキシャル層の上部表面において局所的に凹凸などが見られた。一方、実施例の試料ではｎ型ＩｎＧａＮエピタキシャル層の上部表面は平滑であり、良好な平坦性を示していた。
【０１３３】
測定２の結果：
回折ピークのスプリット幅測定に基づく比較例の結合係数κは１５０ｃｍ−１、電流密度のしきい値は７ｋＡ／ｃｍ２であった。一方、回折ピークのスプリット幅測定に基づく実施例の結合係数κは２５０ｃｍ−１、電流密度のしきい値は４ｋＡ／ｃｍ２であった。つまり柱状部を埋め込んだフォトニック結晶の特性としては、埋め込みに間隙の無い、形状の揃った六角形柱の柱状部を用いたフォトニック結晶の方が優れていることが示された。
【０１３４】
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】
【０１３５】
この発明は、２次元回折格子を備えた半導体レーザ素子に特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【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構成を示す斜視模式図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ素子の上面模式図である。
【図３】図１および図２の線分ＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面模式図である。
【図４】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模式図である。
【図５】三角格子における光の回折を説明するための模式図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の他の構成を示す斜視模式図である。
【図７】正方格子における光の回折を説明するための模式図である。
【図８】図１〜図３に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】図８に示したフォトニック結晶形成工程の内容を説明するためのフローチャートである。
【図１０】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１１】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１２】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１３】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１５】図８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の変形例の構成を示す断面模式図である。
【図１７】図１６に示した半導体レーザ素子におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。
【図１９】図１８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２０】図１８に示した半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２１】比較例の試料についての柱状部を上方から観察したＳＥＭ写真である。
【図２２】実施例の試料についての柱状部を上方から観察したＳＥＭ写真である。
【図２３】比較例の試料における柱状部のＧａＮ層による埋め込みの状態を説明するための模式図である。
【図２４】実施例の試料における柱状部のＧａＮ層による埋め込みの状態を説明するための模式図である。
【図２５】比較例の試料における断面と表面とのＳＥＭ写真である。
【図２６】実施例の試料における断面と表面とのＳＥＭ写真である。
【図２７】図１〜図３に示した半導体レーザ素子１を形成する他の方法を説明するための断面模式図である。
【図２８】図１〜図３に示した半導体レーザ素子１を形成する他の方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１，１ａ，１ｂ  半導体レーザ素子、２  基板、３  ｎ型クラッド層、４  ガイド層、５  活性層、６  ｐ型電子ブロック層、７，７ａ  フォトニック結晶層、８  ｐ型クラッド層、９  ｐ型コンタクト層、１０  ｐ型電極、１１  ｎ型電極、１３  格子点、２１  上面、２２  下面、２３  ｎ型バッファ層、２４  ｐ型ガイド層、７１  高屈折率部分、７１ａ  高屈折率部分の層、７２  低屈折率部分、７２ａ  低屈折率部部分の層、７６  孔、８１  柱状部、８２  埋込層、８３  空隙、８４  上部表面、８５  埋込不良部、９１  上面、３００，３１０  レジスト。
【図１】
0005266789.tif 000002
【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２３】
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【図２４】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２５】
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【図２６】
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