(57)【要約】【課題】  ＧａＮ基板上に形成され、略同一で一定の方向に整列している孔部または柱部を有するフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法およびフォトニック結晶構造を素子を提供する。【解決手段】  （０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を用いたフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法であって、以下の工程を備える。（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程と、ＧａＮエピタキシャル成長層１２においてフォトニック結晶構造１０のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、ベースとなる孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なうウエットエッチング工程とを備える。【選択図】        図１
2007067182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法であって、
（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する工程と、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、
前記ベースとなる孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なうウエットエッチング工程とを備える、フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法。
【請求項２】
前記ウエットエッチング工程では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いる、請求項１に記載のフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法。
【請求項３】
前記熱ＳＰＭの温度を９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを行なう、請求項２に記載のフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法。
【請求項４】
（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する工程と、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、
前記ベースとなる孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程とにより製造され、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、前記孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する、フォトニック結晶構造を備える素子。
【請求項５】
前記孔部または前記柱部の側壁面のＲＭＳ粗さが、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である、請求項４に記載のフォトニック結晶構造を備える素子。
【請求項６】
（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いた素子であって、
基板と、
前記基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備え、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成され、
前記（０００１）面において前記孔部または前記柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸と、最も近接している前記孔部または前記柱部の組の整列方向を示す方向軸とが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さく、
前記フォトニック結晶構造が、前記（０００１）面において鏡映対称軸を有していないことを特徴とする、フォトニック結晶構造を備える素子。
【請求項７】
前記フォトニック結晶構造が三角格子となる場合であって、
前記対称軸と前記方向軸との交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下である、請求項６に記載のフォトニック結晶構造を備える素子。
【請求項８】
前記フォトニック結晶構造が正方格子となる場合であって、
前記対称軸と前記方向軸との交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下である、請求項６に記載のフォトニック結晶構造を備える素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法およびフォトニック結晶構造を備える素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の波長レベルと同程度の周期的な屈折率分布を内部にもつ光学材料として、フォトニック結晶が知られている。近年、該フォトニック結晶を用いて、種々の受発光デバイスの研究が進められている。たとえば、空気孔を用いた二次元のフォトニック結晶を用いたフォトニックバンド端レーザが実現できることや、有機ＥＬ（Organic Electroluminescence）およびＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）とフォトニック結晶を組み合わせた発光効率の向上などが提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
また、ＧａＮ基板を用いたＬＥＤ層において、１．５μｍのピッチの構造のフォトニック結晶を表面に形成すると、発光効率が１．５倍となることが開示されている（非特許文献２）。
【０００４】
また、ＧａＮ結晶を用いた微細なフォトニック結晶を、塩素系のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により製造した場合に、円形のマスクパターンを使ったにも関わらず、エッチング後の孔の形状が不揃いな六角形となったことが開示されている（非特許文献３）。
【非特許文献１】野田進「二次元・三次元フォトニック結晶の現状と将来展望」応用物理、Vol.74,No.2(2005),pp.147
【非特許文献２】Kenji ORITA，Satoshi TAMURA，Toshiyuki TAKIZAWA，Tetsuzo UEDA，Masaaki YURI，Shinichi TAKIGAWA，Daisuke UEDA，"High-Extraction-Efficiency Blue Light-Emitting Diode Using Extended-Pitch Photonic Crystal" Japanese Journal of Applied Physics Vol.43,No.8B(2005),pp5809
【非特許文献３】第５２回応用物理学会関係連動講演会予稿集,No.3,pp1204,31p-YV-1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１に開示されたフォトニック結晶をＧａＮ基板上に形成するため孔を複数個形成する場合、形状の略同一の円形孔とすることは難しい。
【０００６】
その理由としては、ＧａＮ結晶は原子の結合が強いため、その性質は堅くて、かつ脆い。そのため、ドライエッチング時のエッチング側壁に荒れが生じやすく、孔が微細となるにつれて形状が整わない。このため、たとえばＧａＮ結晶を用いたＦＰレーザ（Fabry-Perot laser：ファブリ・ペローレーザー）の端面をドライエッチングで形成した場合、その端面の荒れを抑えることは難しい。
【０００７】
また、上記非特許文献２に開示されたフォトニック結晶では、ピッチが１．５μｍと周期が大きい。ピッチが１．５μｍという大きな周期の構造のフォトニック結晶では、表面テクスチャー構造と同様とみなすことができる。また、このような大きなピッチのフォトニック結晶ではその孔の直径も大きくなるので、上述のようにエッチング側壁の荒れなどがあまり問題にならず、結果的に孔の形状を略同一とすることはできる。しかし、フォトニック結晶本来のフォトニックバンドギャップまたはフォトニックバンド端の性質を利用したデバイス作製には、０．２μｍ以下の微細なピッチとすることが必要であるが、上述のＧａＮ結晶において微細なピッチで孔の形状を略同一とすることは難しい。
【０００８】
また、上記非特許文献３に開示された塩素系のＩＣＰ−ＲＩＥを用いる方法では、以下のような問題がある。すなわち、このような孔形状の変形が起きる条件のＩＣＰ−ＲＩＥでは、物理的な反応よりも化学的な反応が主に生じている。この化学的な反応過程の制御は困難であり、エッチング後の形状を略同一に整列させることや、工程面での管理が困難である。また、逆に物理的な反応過程を主とすると、ドライエッチング特有のプラズマダメージが孔側壁に残るため、当該方法で作製したフォトニック結晶を用いるデバイスの特性に悪影響を及ぼす。
【０００９】
それゆえ本発明の目的は、ＧａＮ基板上に形成され、略同一で一定の方向に整列している孔部または柱部を有するフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法および当該フォトニック結晶構造を備える素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にしたがったフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、（０００１）面（ｃ面）を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法であって、以下の工程を備える。（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する。ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する。ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なう。
【００１１】
上記フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法において、ウエットエッチング工程では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いることが好ましい。
【００１２】
上記フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法において、熱ＳＰＭの温度を９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを実施することが好ましい。
【００１３】
本発明の一の局面におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、以下の工程により製造され、ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する。ｃ面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する工程と、ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程とにより製造される。
【００１４】
上記フォトニック結晶構造を備える素子において、孔部または柱部の側壁面のＲＭＳ粗さが、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
前記孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつき（最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値）が、２０％以内であることが好ましい。
【００１６】
本発明の他の局面におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いた素子であって、基板と、基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備えている。ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成されている。（０００１）面において孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸と、最も近接している孔部または柱部の組の整列方向を示す方向軸とが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さく、フォトニック結晶構造が、（０００１）面において鏡映対称軸を有していないことが好ましい。
【００１７】
上記フォトニック結晶構造を備える素子は、フォトニック結晶構造が三角格子となる場合において、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下であることが好ましい。
【００１８】
上記フォトニック結晶構造を備える素子は、フォトニック結晶構造が正方格子となる場合において、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明によれば、ｍ面が反応律速であることを利用してｍ面を側壁面とする孔部または柱部を形成することにより、堅くてエッチングが難しいＧａＮ層上に、略同一で一定の向きに整列した孔部または柱部を有するフォトニック結晶構造を備える素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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符号を付しその説明は繰り返さない。
【００２１】
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図である。図１（Ｂ）は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造を示す概略模式図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子について説明する。
【００２２】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子を構成するフォトニック結晶構造１０は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を用いている。
【００２３】
また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造１０は、ＧａＮエピタキシャル成長層１２の主面である（０００１）面に複数の平面形状が六角形の孔部１１が形成されたものである。孔部１１は、各辺がそれぞれ略同一の長さの六角形であり、またそれぞれの孔部１１は互いに略同一の形状である。また、孔部１１は一定の向きに整列している。本実施の形態では、一定の向きとは図１において左右方向および当該左右方向に対して６０°の傾斜角度で延びる方向としている。つまり、フォトニック結晶構造１０の孔部１１は、三角格子を形成している。ここで、三角格子とは、任意の孔部１１と近接（または隣接）する孔部１１の数が６となる場合を意味する。
【００２４】
また、孔部１１は、（０００１）面に対して垂直に下方に平面形状が六角形となるように形成されている。また、孔部１１の側壁面１１ａは、ｍ面（劈開面）となり、具体的には、（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面からなる。ここで、（０００１）面（ｃ面）とは、六方晶の基底面を意味する。また、ｍ面（劈開面）とは、このｃ面と垂直な面方位のうちの（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面の６つの等価な面を意味する。なお、ＧａＮエピタキシャル成長層１２において、（０００１）面はＧａ（ガリウム）が１００％最表面に並ぶ面であり、（０００−１）面はＮ（窒素）が１００％最表面に並ぶ面である。
【００２５】
ＧａＮエピタキシャル成長層１２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部１１は第２の屈折率（空気の場合１）を有する。孔部１１にはエピタキシャル成長層１２と異なる物質を埋め込むこともできる。本実施の形態では、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、孔部１１に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）としている。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、孔部１１を充填する材料としてはエピタキシャル成長層と孔部との屈折率が異なっていれば特にこれに限定されず、たとえば、低屈折率の誘電体材料としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）などを用いてもよい。
【００２６】
孔部１１において（１−１００）面などのｍ面（劈開面）と平行な側壁面１１ａのＲＭＳ粗さ（Root  Mean  Square：表面粗さ）は、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。ＲＭＳとは、平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根を意味する。側壁面１１ａのＲＭＳ粗さは、大口径の孔構造を別途作製し、孔断面を露出させるような劈開を行なって、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により側壁面の凹凸を直接評価することにより測定した。
【００２７】
孔部１１の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつきは、２０％以内である。ばらつきは、孔部のサンプル数を１００個採用し、その径をそれぞれ測定して、最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値を求めた。
【００２８】
孔部１１の中心間を結ぶ距離であるピッチＰは、３５０ｎｍとしている。これは、４００ｎｍ程度の光に有効なフォトニック結晶構造の設計から得られた。具体的には、三角格子においてΓ点を切る２つめのフォトニックバンド端に相当する。ピッチＰは特にこれに限定されない。たとえば、Γ点を切る１つめのバンド端に合わせるならば、２００ｎｍとなる。なお、孔部１１の中心とは六角形の平面形状において対向する頂点を結んだときに交わる点とする。
【００２９】
次に、フォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法を示すフローチャートである。図３は、図２における孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）をさらに詳細に示すフローチャートである。図２および図３を参照して、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、図２に示すように、ＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、基板上にＧａＮエピタキシャル成長層１２を形成する。
【００３１】
次に、孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２に微細なピッチの孔部１１を形成する。
【００３２】
詳細には、図３に示すように、この工程（Ｓ２０）では、マスク層を形成する工程（Ｓ２１）と、露光を行なう工程（Ｓ２２）と、現像を行なう工程（Ｓ２３）と、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）とを実施する。この工程（Ｓ２０）を実施することにより、フォトニック結晶構造１０のベースとなる円形孔を開けることができる。具体的には、以下のような処理を行なう。
【００３３】
まず、ＧａＮエピタキシャル成長層１２上にマスク層を形成する工程（Ｓ２１）を実施する。この工程（Ｓ２１）では、マスク層としては、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光用レジスト（日本ゼオン（株）製  ＺＥＰ５２０）を用いる。なお、この工程（Ｓ２１）では、マスク層としてＥＢ露光用レジストを用いているが、特にこれに限定されない。たとえば、ＳｉＮなどの絶縁膜などにＥＢ描写パターンをエッチング転写してマスクとすることもできる。また、多層のマスクを用いることもできる。
【００３４】
次に、露光を行なう工程（Ｓ２２）を実施する。露光は、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光によってＧａＮエピタキシャル成長層１２上に塗布された露光用レジストに直接レジストマスクパターンを描写する。このレジストマスクパターンは所定形状とし、本実施の形態では、略同一で一定の方向に整列した円形が抜けた形状としている。また、隣接する円形の中心間の距離であるピッチは、たとえば３５０ｎｍ、円形の直径は、たとえば１３０ｎｍと微細にしている。
【００３５】
次いで、現像を行なう工程（Ｓ２３）を実施する。この工程（Ｓ２３）では、ＥＢで露光された部分を溶かす。本実施の形態では、上記レジストマスクの形状から、略同一で一定の方向に整列した平面形状が円形の複数の孔を有するマスク層が形成されている。
【００３６】
次いで、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）を実施する。この工程（Ｓ２４）では、たとえば、Ｃｌ（塩素）系ガスまたはＨＩ（ヨウ化水素酸）系ガスの雰囲気下で上述したマスク層をマスクとしてＩＣＰエッチングを行なう。ＣｌガスまたはＨＩガスにアルゴンガスやキセノンガスなどの不活性ガスを混ぜてもよい。この場合には、ＣｌガスまたはＨＩガスと不活性ガスとの比は２：１で行なうことが好ましい。また、ＩＣＰエッチングは、たとえば、雰囲気圧力を０．３Ｐａ〜１Ｐａとし、２００Ｗのバイアスを印加することにより行なう。なお、エッチング工程（Ｓ２４）は、ドライエッチング工程であればＩＣＰエッチングに特に限定されず、たとえば、平行平板ＲＩＥエッチングを行なってもよい。
【００３７】
この工程（Ｓ２４）では、円形の孔が形成されたマスク層により、マスク層に覆われていない円形部分においてエッチングが進行し、フォトニック結晶構造のベースとなる円形孔を空けることができる。また、円形孔は、上記ピッチと同様のピッチとなり、たとえば３５０ｎｍの微細なピッチとなる。
【００３８】
また、この工程（Ｓ２４）で行なうエッチングは、不活性ガスを導入することにより、化学的な反応過程よりも物理的な反応過程（ミリング過程）が主となり、垂直エッチング条件でエッチングを行なう。この物理的な反応過程が主のドライエッチングプロセスは、制御を行なうことが容易で、平面の面内均一性も良い。
【００３９】
最後に、図３に示すように、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、上記のマスク層を除去するとともに、ベースとなる円形の孔部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施する。
【００４０】
詳細には、この工程（Ｓ３０）では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いている。熱ＳＰＭは、硫酸（含有率９６％）：過酸化水素水（濃度３０％）＝（４〜６）：１のものであって常温以上（たとえば５０℃以上、好ましくは９０℃以上１３０℃以下）に加熱されたものとし、好ましくは、硫酸（含有率９６％）：過酸化水素水（濃度３０％）＝５：１としている。また、熱ＳＰＭを９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを行なうことがより好ましい。９０℃より低い温度でウエットエッチングを行なうと、反応速度が低下するからである。一方、１３０℃より高い温度でウエットエッチングを行なうと、熱ＳＰＭ中の過酸化水素水が沸騰するためである。
【００４１】
有機系アルカリ洗浄液は、アンモニア基を有し、ｐＨ９〜１４の洗浄液である。有機アルカリ洗浄液は、たとえば、セミコクリーン（フルウチ化学（株）製）を用いることができる。
【００４２】
工程（Ｓ３０）において、ウエットエッチングを行なう時間は任意の時間とすることができる。ウエットエッチングを行なう時間により、フォトニック結晶構造の孔部の径を制御できるので、所望の径となる孔部を有するように時間を決めることができる。たとえば、ウエットエッチングの時間を１０分とすると孔部の径は約１４０ｎｍ、ウエットエッチングの時間を２０分とすると孔部の径は１６０ｎｍとなった。なお、孔部の径とは、フォトニック結晶構造の孔部の平面形状は六角形であり、その六角形における対向する頂点を結ぶ長さを意味する。
【００４３】
工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層１２の（０００１）面に対してエッチング液によるエッチングが生じない。（０００１）面に対して垂直な方向の面に対しては非常に遅い速度でエッチング液によるエッチングが進行する。そして、（１−１００）面と等方位面である、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面、すなわちｍ面にはエッチング液によるエッチングがほとんど進行しない（他の面に比べて極めてエッチング速度が遅い）。そのため、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）後の孔部は円形であるが、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）後の孔部１１は、ｍ面でエッチングが進行しないので、ｍ面が側壁面１１ａとなり、平面形状が六角形となる。また、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）において、ドライエッチング時のプラズマダメージを受けた部分がウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施することにより除去される。
【００４４】
上記工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、図１に示すような本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子を製造することができる。
【００４５】
ここで、本発明例による製造方法と異なり、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）を実施した後にマスク層を除去するために、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施せずに、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施する場合を考える。図４（Ａ）は、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施したフォトニック結晶構造３０についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）における領域Ａを示す拡大模式図である。
【００４６】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造３０は、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）により形成された円形の孔部３１を備えている。しかし、孔部３１の側壁面は、割れまたはひびが入って荒れた状態となる。また、ドライエッチングにより受けたプラズマダメージが残っていると考えられる。このように、ドライエッチングのみでフォトニック結晶構造を作成しようとすると、形成された孔部３１の側壁の状態が不均一であって、複数の孔３１の間のサイズ（径など）のばらつきが起きることが分かる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態の変形例について説明する。図５は、本発明の実施の形態の変形例におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造を示す概略模式図である。図５を参照して、本発明の実施の形態の変形例におけるフォトニック結晶構造を備える素子について説明する。変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子は、図１に示したフォトニック結晶構造１０を備える素子と基本的には同じ構成であるが、孔部１１を備えていない点において異なる。
【００４８】
具体的には、図５に示すように、フォトニック結晶構造２０は、平面形状が六角形の柱部２１からなる。柱部２１は、（０００１）面（ｃ面）に対して垂直に上方に延びるとともに、平面形状が六角形となるように形成されている。また、柱部２１の側壁面２１ａは、ＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面からなる。
【００４９】
次に、変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子の製造方法について説明する。変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子の製造方法は、実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法と基本的には同じ構成であるが、露光を行なう工程（Ｓ２２）およびドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）において異なる。なお、図２における孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）は、柱部２１を形成する工程（Ｓ２０）と読み変える。
【００５０】
具体的には、露光を行なう工程（Ｓ２２）では、ＥＢ露光により形成されるレジストマスクパターンは、略同一で一定の方向に整列した円形としている。これにより、現像を行なう工程（Ｓ２３）では、上記レジストマスクパターンの形状から、平面形状が略同一で一定の方向に整列した円形のマスク層ができている。
【００５１】
また、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）では、マスク層で覆われていない部分においてＧａＮエピタキシャル成長層がエッチングされ、フォトニック結晶構造のベースとなる円形の柱部を形成することができる。
【００５２】
その後、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施すれば、円形の柱部の側面に対して、ｍ面が反応律速面となるウェットエッチングが実施されることにより、円形の柱部は六角柱の柱部２１に形成される。
【００５３】
他の工程は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子と同様であるので、その説明は繰り返さない。
【００５４】
以上説明したように、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）と、ＧａＮエピタキシャル成長層１２においてフォトニック結晶構造１０，２０のベースとなる孔部または柱部を形成する工程（Ｓ２０）と、ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層１２に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なうウエットエッチング工程（Ｓ３０）とを備えている。ウエットエッチング工程（Ｓ３０）においてｍ面（劈開面）が反応律速面あることを利用して、フォトニック結晶構造１０，２０においてベースとなる孔部または柱部を平面形状が六角形の略同一の形状とすることができる。また、工程（Ｓ２０）においてベースとなる孔部または柱部を一定の方向に整列するように形成することにより、フォトニック結晶構造１０，２０における孔部１１または柱部２１は一定の向きに整列した状態とすることができる。
【００５５】
また、フォトニック結晶構造１０，２０は、ＧａＮエピタキシャル成長層を用いている。ＧａＮは堅くて、かつ脆いという性質を有しているが、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法によれば、容易に孔部１１または柱部２１を形成することができる。そのため、利用可能性の範囲が広いＧａＮを用いてフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子を製造することができる。
【００５６】
さらに、ｍ面（劈開面）が孔部または柱部の側壁面となるので、ピッチを微細としても、その側壁面のＲＭＳ粗さを低減することができる。
【００５７】
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法において、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いてもよい。これにより、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）の反応をより効果的に実施することができる。
【００５８】
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法において、熱ＳＰＭの温度を９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを実施することが好ましい。これにより、工程（Ｓ３０）においてエッチング液として熱ＳＰＭを用いる場合に、ウエットエッチング工程をより促進することができる。
【００５９】
本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）と、ＧａＮエピタキシャル成長層１２においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程（Ｓ２０）と、孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層１２に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程（Ｓ３０）とにより製造され、ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、孔部１１または柱部２１が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する。これにより、ＧａＮ基板上に形成され、略同一で一定の並びの孔部１１または柱部２１を有するフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子となる。
【００６０】
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子において、孔部１１または柱部２１においてｍ面と平行な側壁面１１ａ，２１ａのＲＭＳ粗さは、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶構造１０，２０の側壁面１１ａ，２１ａの表面粗さは非常に低くなる。そのため、複数の孔部１１または柱部２１の形状の均一性を向上させることができるので、フォトニック結晶構造１０，２０の回折特性を向上する等のバンド構造のなまりを改善することができる。よって、フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子としての性能をさらに向上することができる。
【００６１】
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子において、孔部１１または柱部２１の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつき（最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値）を、２０％以内とすることが可能である。孔部１１または柱部２１の径のばらつきが小さいことから、形状が略同一であることと相乗して、フォトニック結晶構造１０，２０は光の出力を大きくするなどの特性を大幅に向上することができる。よって、フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子はさらに性能を向上することができる。
【実施例１】
【００６２】
図６は、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の上面図である。図７は、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の断面図である。図６および図７を参照して、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶レーザ（２次元ＤＦＢレーザ）素子を説明する。
【００６３】
図６および図７に示すように、フォトニック結晶構造を備える素子１００は、基板１０３と、ｎ型クラッド層１０４と、アンドープガイド層１０５と、活性層１０６と、ｐ型電子ブロック層１０７と、フォトニック結晶層１０１と、ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型コンタクト層１０９と、ｐ型電極１１０、およびｎ型電極１１１とを備えている。
【００６４】
基板１０３は主面１０３ａを有している。基板１０３上には、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、およびｐ型電子ブロック層１０７が積層するように形成されており、活性層１０６がアンドープガイド層１０５およびｐ型電子ブロック層１０７に挟まれている。フォトニック結晶層１０１は主面１０３ａが延びる方向に沿って基板１０３上に（図７ではｐ型電子ブロック層１０７の上部表面上に）形成されている。また、フォトニック結晶層１０１は、エピタキシャル成長層１０１ａと、エピタキシャル成長層１０１ａよりも低屈折率である複数の孔部１０１ｂとを含んでいる。エピタキシャル成長層１０１ａはＧａＮよりなっており、孔部１０１ｂの内部には空気が充填されている。実施例１においては、基板１０３が導電性ＧａＮよりなっている。
【００６５】
図６および図７に示された素子の構造をより具体的に説明すれば、基板１０３上には、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、フォトニック結晶層１０１、ｐ型クラッド層１０８、およびｐ型コンタクト層１０９が、この順序で積層されている。ｐ型コンタクト層１０９の上には円形状のｐ型電極１１０が設けられており、基板１０３の主面１０３ａとは反対側の主面１０３ｂには、一面に（主面１０３ｂ全体を覆うように）ｎ型電極１１１が設けられている。ｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。
【００６６】
活性層１０６はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造により構成されている。なお、単一の半導体材料よりなっていてもよい。活性層１０６は、フォトニック結晶層１０１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１０１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ー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。また、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ー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。
【００６７】
フォトニック結晶層１０１は、たとえば上述した実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０と同様である。また、フォトニック結晶層１０１としては、図５に示すようなフォトニック結晶構造２０を採用してもよい。
【００６８】
図６および図７に示すように、ｎ型クラッド層１０４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、アンドープガイド層１０５はたとえばアンドープＧａＮよりなっており、ｐ型電子ブロック層１０７はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層１０８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層１０４およびｐ型クラッド層１０８は、活性層１０６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１０４およびｐ型クラッド層１０８は、活性層１０６を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層１０４、ｐ型電子ブロック層１０７、およびｐ型クラッド層１０８は、それぞれ、活性層１０６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１０４、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、およびｐ型クラッド層１０８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１０６に集中させることができる。
【００６９】
また、ｐ型電子ブロック層１０７は、フォトニック結晶層１０１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１０１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、孔部１０１ｂに空気が充填されている場合には、孔部１０１ｂ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。
【００７０】
ｐ型コンタクト層１０９は、ｐ型電極１１０との接触をオーミック接触にするために形成される。ｐ型コンタクト層１０９はたとえばｐ型のＧａＮよりなっている。
【００７１】
なお、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板１０３の厚さはたとえば１００μｍであり、フォトニック結晶層１０１の厚さはたとえば０．１μｍであり、ｎ型クラッド層１０４およびｐ型クラッド層１０８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、アンドープガイド層１０５、活性層１０６およびｐ型電子ブロック層１０７の各々の厚みはたとえば０．１μｍである。
【００７２】
次に、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００の製造方法について説明する。
【００７３】
まず、図７に示すように、導電性ＧａＮからなる基板１０３を準備する。そして、たとえば基板１０３の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ（Metal-organic  chemical  vapor  deposition）法を用いて、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、およびＧａＮよりなるエピタキシャル成長層１０１ａをこの順序で基板１０３上にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長層１０１ａの結晶性は、基板１０３の結晶特性の影響を受ける。
【００７４】
次に、いったん、成膜装置（たとえばエピタキシャル成長炉）から取り出して、エピタキシャル成長層１０１ａにフォトニック結晶構造を形成して、フォトニック結晶層１０１とした。このフォトニック結晶構造を形成する方法としては、上述した孔部１０１ｂを形成する工程（Ｓ２０）およびウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施した。ウエットエッチング工程（Ｓ３０）で、エッチング液として熱ＳＰＭを用いた。熱ＳＰＭは、９６％硫酸と３０％過酸化水素水を５：１の割合で混合したものを用い、その温度を１２０℃としてウエットエッチングを行なった。
【００７５】
実施例１では、ピッチが１８０ｎｍの正方格子、孔部１０１ｂには空気が充填され、空気充填率は１５％となるようにフォトニック結晶層１０１を製造した。
【００７６】
その後、再成長法により孔部１０１ｂをエアブリッジして、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９を形成した。そして、ｐ型コンタクト層１０９の上面である光放出面１０９ａにｐ型電極１１０を形成した。次いで、基板１０３の主面１０３ｂにｎ型電極１１１を形成した。これにより、図６および図７に示すフォトニック結晶構造を備える素子１００を製造した。
【００７７】
次に、フォトニック結晶構造を備える素子１００の発光方法について、図６および図７を用いて説明する。
【００７８】
ｐ型電極１１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層１０８から活性層１０６へ正孔が注入され、アンドープガイド層１０５から活性層１０６へ電子が注入される。活性層１０６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１０６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。
【００７９】
活性層１０６において発生された光は、アンドープガイド層１０５およびｐ型クラッド層１０８によって活性層１０６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１０１に到達する。フォトニック結晶層１０１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１０１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１０１によって位相が規定された光は、活性層１０６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１０１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。
【００８０】
このような現象は、活性層１０６およびフォトニック結晶層１０１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１１０を中心にした領域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１０１の主面である（０００１）面に垂直な方向（図７において上下方向）、つまり光放出面１０９ａから誘導放出される。
【００８１】
このようにして発光する際に、発光の広がり状態からわかる実効共振器長（Ｌ）測定により、フォトニック結晶層１０１と活性層１０６との結合係数κは、約４００ｃｍ-1と高い値となった。結合係数κが高いので、活性層１０６で発生する光をフォトニック結晶層１０１で回折させる割合が高いことから、フォトニック結晶層１０１の性能が高いことがわかった。また、その発振のための閾値は、２．３ｋＡ／ｃｍ2と低い値となった。なお、結合計数κの測定方法は、以下のようなものである。すなわち、同じ特性をもつフォトニック結晶レーザ（２次元ＤＦＢレーザ）では、κとＬとの積の値が同一となるとみなすことができるため、実効的なＬを、その面発光の発光領域を直接サイズ測定することにより、κを見積もることができる。
【００８２】
一方、比較例におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、構成するフォトニック結晶層の製造の際に、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施せずに、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施した。その他の層は実施例１と同様に製造した。
【００８３】
比較例におけるフォトニック結晶構造を備える素子について、結合係数κは、フォトニック結晶層と活性層との結合係数κは約３００ｃｍ-1となり、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００よりも低い値となった。また、その発振のための閾値は、３．０ｋＡ／ｃｍ2となり、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００よりも高い値となった。
【００８４】
以上説明したように、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００によれば、フォトニック結晶層１０１の孔部１０１ｂは平面形状が略同一の六角形とし、正方格子を構成して一定の方向に整列している。そのため、微細なピッチのフォトニック結晶構造において、孔部１０１ｂの形状が揃っており、平面形状が六角形としているフォトニック結晶層１０１は、結合係数κおよび閾値等の特性において優れている。
【実施例２】
【００８５】
本発明の実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、実施例１のフォトニック結晶構造を備える素子１００のフォトニック結晶層１０１と基本的には同様の構成を備えるが、フォトニック結晶構造がその上に形成される基板の材料がサファイヤである点において、図７に示したフォトニック結晶構造を備える素子１００と異なる。
【００８６】
図８は、本発明の実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子であるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。図８において、任意に選択された孔部Ｃに着目し、孔部Ｃから孔部Ａに向かう方向をΓ−Ｊ方向とし、孔部Ｃから孔部Ｄへ向かう方向をΓ−Ｘ方向とする。また、各孔部において対向する各頂点を結ぶ線を対称軸とする。たとえば、孔部Ａに着目すると、対称軸のひとつは対称軸ｕである。各孔部において対向する各頂点を結ぶ線が互いに交わる点を各孔部の中心とする。たとえば、孔部Ａに着目すると、中心は中心ａである。また、最も近接している孔部の組の整列方向を示す軸を方向軸とする。孔部の整列方向は、各孔部の中心と最も近接している中心を結ぶ線となる。たとえば、孔部Ａと孔部Ｃに着目すると、方向軸はそれぞれの中心ａ，ｃを結ぶ方向軸ｖとなる。また、ピッチとは、隣接する孔部の中心間の距離である。たとえば、孔部Ｂと孔部Ｃに着目すると、ピッチはそれぞれの中心ｂ，ｃとを結ぶ距離であるピッチｌ１である。
【００８７】
図８に示すように、実施例２におけるフォトニック結晶層は、三角格子としている。孔部Ａに着目すると、ある対称軸ｕとある方向軸ｖとの交差する角度θ１は１５°である。なお、任意の孔部においても、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が１５°となる。
【００８８】
なお、対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する角度θ１が１５°の三角格子の回転対称性は、ＩＵＣ分類においてＰ６と呼ばれる６０°回転対称性を持つが、鏡映対称性を持たないものである。
【００８９】
対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する最も小さい角度は、０°より大きく９０°より小さければθ１（１５°）に特に限定されない。たとえば、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、５°以上２０°以下が好ましい。この範囲内の角度とすることにより、対称性のパターンを容易にかつ揃った形状とすることができる。そのため、当該フォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）は完全フォトニックバンドギャップが開くなどの特性を得ることができる。
【００９０】
また、実施例２のフォトニック結晶層では、格子の並んでいる方向である方向軸から対称軸が１５°傾いた状態で、方向軸に沿った方向にピッチｌ１を２５０ｎｍとして孔部が整列し、各孔部の平面形状が六角形の略同一の形状となっている。
【００９１】
次に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）の製造方法について説明する。実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、基本的には実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶層１０１の製造方法と同様であるが、以下の点において実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００のフォトニック結晶層１０１の製造方法と異なる。
【００９２】
実施例２では、基板として、上述したようにサファイヤを用いた。サファイヤ基板上に実施例１と同様にＧａＮエピタキシャル成長層を形成した。
【００９３】
また、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、エッチング液としてセミコクリーン（フルウチ化学（株）製）を用いた。また、露光を行なう工程（Ｓ２２）においてＥＢ描写時に、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面方向から１５°ずらした方向を方向軸として格子パターンを作製した。なお、格子パターンは三角格子とし、ピッチは２５０ｎｍとした。また、ＥＢ描画した孔の直径は１００ｎｍとした。
【００９４】
次に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子として、レーザ溶解法によりサファイヤ基板をフォトニック結晶層から分離してスラブ型２次元フォトニック結晶とし、そのスラブ型２次元フォトニック結晶の特性を調べた。
【００９５】
このスラブ型２次元フォトニック結晶について、ＴＥモードおよびＴＭモードの光の透過光スペクトルを測定した。この測定は、波長可変レーザとλ／４偏光板を用いて直接透過率の測定を行なった。その結果、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいて、１０００ｎｍ近傍にバンドギャップが開いた。
【００９６】
なお、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいてバンドギャップが開く領域を完全バンドギャップと言う。完全バンドギャップとは、ＴＭモードの光に対するフォトニックバンドギャップと、ＴＭモードの光に対するフォトニックバンドギャップとのエネルギーレベルが一致することを意味する。完全バンドギャップではＴＥモードの光およびＴＭモードの光のいずれも存在できないことから、このような完全バンドギャップを有するフォトニック結晶構造は自然光に対してもＬＥＤから出射する光に対しても効果的である。
【００９７】
なお、実施例２では、フォトニック結晶構造は孔部からなるものとしているが、特にこの構成に限定されない。平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されていればよい。
【００９８】
また、上述した実施例２のフォトニック結晶層の構造は、実施例１における素子１００のフォトニック結晶層１０１に適用してもよい。つまり、実施例１における素子に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を適用した素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いた素子であって、基板と、基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備えており、ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成されている。（０００１）面において孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸ｕと、最も近接している孔部または柱部の組の整列方向を示す方向軸ｖとが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さい。フォトニック結晶構造を備える素子において、フォトニック結晶構造が、（０００１）面において鏡映対称軸を有していない。そのため、上記交差する角度を適宜設定することにより、孔部の平面形状が六角形であって、回転対称性を任意に変更した新規なフォトニック結晶層を実現できる。たとえば、対称軸ｕと方向軸ｖとが交差する最も小さい角度が上記範囲にあれば、完全バンドギャップを有するフォトニック結晶構造を有する素子を作ることができる。
【００９９】
また、上記フォトニック結晶構造を備える素子において、フォトニック結晶構造が三角格子となる場合であって、対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下としてもよい。これにより、完全フォトニックバンドギャップを有することとなる。
【実施例３】
【０１００】
本発明の実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）は、実施例２のフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）と基本的には同様の構成を備えるが、その孔部の配置が実施例２のフォトニック結晶層と異なる。
【０１０１】
図９は、本発明の実施例３におけるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。図９において、任意に選択された孔部Ｇに着目し、孔部Ｇから孔部Ｆに向かう方向をΓ−Ｊ方向とし、孔部Ｇから孔部Ｅへ向かう方向をΓ−Ｍ方向とする。また、実施例２と同様に、各孔部において対向する各頂点を結ぶ線を対称軸とする。各孔部において対向する各頂点を結ぶ線が互いに交わる点を各孔部の中心とする。各孔部の中心と隣接する中心を結ぶ線を方向軸とする。ピッチとは、隣接する孔部の中心間の距離である。
【０１０２】
図９に示すように、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子のフォトニック結晶層は、正方格子としている。孔部Ｅに着目すると、ある対称軸ｘとある方向軸ｙとの交差する角度θ２は１５°である。なお、任意の孔部においても、方向軸と対称軸との交差する最も小さい角度が１５°となる。
【０１０３】
なお、対称軸ｘと方向軸ｙとの交差する角度θ２が１５°の正方格子の回転対称性は、ＩＵＣ分類においてＰ２と呼ばれる１８０°回転対称性を持つが、鏡映対称性を持たないものである。
【０１０４】
なお、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、０°より大きく９０°より小さければθ２（１５°）に特に限定されない。たとえば、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、１２°以上３５°以下が好ましい。この範囲内の角度とすることにより、対称性のパターンを容易にかつ揃った形状とすることができる。そのため、当該フォトニック結晶構造を備える素子は完全フォトニックバンドギャップが開く等の特性を得ることができる。
【０１０５】
また、実施例３のフォトニック結晶層では、格子の並んでいる方向から対称軸が１５°傾いた状態で、方向軸に沿った方向にピッチｌ２を２２０ｎｍとして孔部が整列し、各孔部の平面形状が六角形の略同一の形状となっている。
【０１０６】
次に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）の製造方法について説明する。実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、基本的には実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法と同様であるが、露光を行なう工程（Ｓ２２）において実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子のフォトニック結晶層と異なる。
【０１０７】
実施例３では、露光を行なう工程（Ｓ２２）においてＥＢ描写時に用いる格子パターンを、正方格子とし、ピッチを２２０ｎｍとした。また、ＥＢ描画した孔の直径は９０ｎｍとした。
【０１０８】
次に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子として、実施例２の場合と同様にレーザ溶解法によりサファイヤ基板を分離してスラブ型２次元フォトニック結晶とし、そのスラブ型２次元フォトニック結晶の特性を調べた。このスラブ型２次元フォトニック結晶について、実施例２と同様に、ＴＥモードおよびＴＭモードの光の透過光スペクトルを測定した。その結果、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいて、１０００ｎｍ近傍にバンドギャップが開いた。
【０１０９】
なお、実施例３では、フォトニック結晶構造は孔部からなるものとしているが、特にこの構成に限定されない。平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されていればよい。
【０１１０】
また、上述した実施例３のフォトニック結晶層の構造は、実施例１における素子１００のフォトニック結晶層１０１に適用してもよい。つまり、実施例１における素子に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を適用した素子は、フォトニック結晶構造が正方格子となる場合であって、対称軸ｘと方向軸ｙとの交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下としている。これにより、正方格子のフォトニック結晶構造であっても、完全バンドギャップを有することができる。
【実施例４】
【０１１１】
本発明の実施例４として、フォトニック結晶構造を備える素子を構成するフォトニック結晶層の構造を確認した。具体的には、実施例４におけるフォトニック結晶層としては、基板がＧａＮからなり、基板ＧａＮ上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層、および基板がサファイヤからなり、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層を準備した。この２つのフォトニック結晶層を用いて、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）において、ｍ面が律速面として反応する（つまり、形成される平面形状が六角形の孔部の側壁がｍ面になっている）ことを実験により確認した。
【０１１２】
なお、実施例４のフォトニック結晶層の製造方法は、両者とも実施例１のフォトニック結晶構造を備える素子１００を構成するフォトニック結晶層１０１と基本的には同様の構成を備える。
【０１１３】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて、実施例４のフォトニック結晶について説明する。図１０（Ａ）は、ＧａＮ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図を示し、（Ｂ）は、サファイヤ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図を示す。
【０１１４】
図１０（Ａ）を参照して、基板がＧａＮからなり、ＧａＮ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層について説明する。当該フォトニック結晶層は、三角格子であって、孔部の平面形状が六角形で略同一である。図１０（Ａ）に示すように、ＧａＮ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面の方向軸は、ＧａＮ基板の（１−１００）面の方向軸（つまり劈開方向）と一致した。
【０１１５】
次に、図１０（Ｂ）を参照して、基板がサファイヤからなり、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層について説明する。当該フォトニック結晶層は、三角格子であって、孔部の平面形状が六角形で略同一である。孔部の配置などは、基本的に図１０（Ａ）に示したフォトニック結晶層と同様とした。
【０１１６】
ここで、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面とサファイヤ基板の（１−１００）面とは、サファイヤ基板およびＧａＮエピタキシャル成長層のｃ面と垂直な軸である［０００１］軸を回転軸として、３０°ずれることが知られている。一方、ＧａＮ基板上にＧａＮエピタキシャル成長層を形成する場合は、ＧａＮ基板の（１−１００）面とＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面とは一致し、ＧａＮ基板のｍ面とＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面は一致する。
【０１１７】
そこで、図１０を見てみると、図１０（Ａ）においては孔部の側壁の延びる方向がＧａＮ基板の（１−１００）面の延びる方向（つまりＧａＮエピタキシャル層の（１−１００）面の延びる方向：ｍ面の延びる方向）に一致している。一方、図１０（Ｂ）においては、孔部の側壁の延びる方向がＧａＮ基板の（１−１００）面の延びる方向に対して３０°ずれており、これはＧａＮエピタキシャルそうの（１−１００）面の延びる方向：ｍ面の延びる方向）に一致している。このことから、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）において、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面がエッチング反応において律速となって、ｍ面に沿った六角形が形成されることがわかった。
【０１１８】
以上説明したように、実施例４におけるフォトニック結晶層によれば、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に形成される孔部または柱部は、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面に沿った形状となる。また、サファイヤ基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に形成される孔部または柱部は、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面に沿った形状となる。つまり、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面が反応律速面となることがわかる。
【０１１９】
また、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面が反応律速面となるので、六方晶のｍ面に沿って孔部または柱部を容易に形成することができる。よって、形状が略同一で一定の方向に整列した孔部または柱部を有するフォトニック結晶層を製造することができる。
【０１２０】
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実施の形態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。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】（Ａ）は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法により製造されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）からみた俯瞰図を示し、（Ｂ）は、該フォトニック結晶の概略模式図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】孔部または柱部を形成する工程（Ｓ２０）をさらに詳細に示すフローチャートである。
【図４】（Ａ）は、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施したフォトニック結晶構造３０についてＳＥＭからみた俯瞰図であり、（Ｂ）は、図４（Ａ）における領域Ａを示す拡大模式図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法により製造されたフォトニック結晶の概略模式図である。
【図６】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の上面図である。
【図７】本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の断面図である。
【図８】本発明の実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。
【図９】本発明の実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。
【図１０】（Ａ）は、ＧａＮ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）からみた俯瞰図を示し、（Ｂ）は、サファイヤ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）からみた俯瞰図を示す。
【符号の説明】
【０１２２】
１０，２０，３０  フォトニック結晶構造、１１，３１  孔部、１１ａ，２１ａ  側壁面、１２  エピタキシャル成長層、２１  柱部、１００  フォトニック結晶構造を備える素子、１０１  フォトニック結晶層、１０１ａ  エピタキシャル成長層、１０１ｂ  孔部、１０３  基板、１０３ａ，１０３ｂ  主面、１０４  ｎ型クラッド層、１０５  アンドープガイド層、１０６  活性層、１０７  ｐ型電子ブロック層、１０８  ｐ型クラッド層、１０９  ｐ型コンタクト層、１０９ａ  光放出面、１１０  ｐ型電極、１１１  ｎ型電極、ａ，ｂ，ｃ  中心、Ａ〜Ｇ  孔部、Ｐ，ｌ１，ｌ２  ピッチ、ｕ，ｘ  対称軸、ｖ，ｙ  方向軸、θ１，θ２  角度。
【図２】
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【図３】
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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１】
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【図４】
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【図１０】
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