(57)【要約】【課題】大電流の注入が可能となるレーザ装置と、簡易に製造することが可能となるレーザ装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に発光領域を備え、該発光領域の周囲にｉ型の酸化チタンからなる三次元フォトニック結晶で構成されている屈折率周期構造が設けられ、  前記発光領域と前記屈折率周期構造とからなる層の上側と下側において、そのいずれか一方にｐ型、他方にｎ型の酸化チタンを材料とする三次元フォトニック結晶による電極を有する構成とする。【選択図】            図１
2007251020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置であって、
基板上に発光領域を備え、該発光領域の周囲にｉ型の材料からなる屈折率周期構造が設けられていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記ｉ型の材料が、ｉ型の酸化チタンであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記屈折率周期構造が、三次元フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記発光領域と前記屈折率周期構造とからなる層の上側と下側において、そのいずれか一方にｐ型、他方にｎ型の酸化チタンを材料とする三次元フォトニック結晶による電極を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項５】
レーザ装置であって、
基板上の第１と第２の電極との間に発光領域を備え、
前記第１と第２の電極の少なくとも一方の電極が、屈折率周期構造を備えていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
前記第１と第２の電極における両方の電極が、屈折率周期構造を備えていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザによりレーザ光が出力される側に位置する前記第１または第２の電極が、前記出力されるレーザ光に対して透過性を有することを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記第１及び第２の電極との間の発光領域を取り囲む領域が、ｉ型の三次元フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項９】
レーザ装置の製造方法であって、
三次元屈折率周期構造からなる第１の層を形成する第１の工程と、
前記第１の層上に、周期構造領域を有する第２の層を形成する第２の工程と、
前記第２の層に凹部を形成し、該凹部に光を発生するための活性部を形成する第３の工程と、
前記活性部を含む第２の層上に、三次元屈折率周期構造からなる第３の層を形成する第４の工程と、
を有することを特徴とするレーザ装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の層が、ｉ型の材料で形成されることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の層及び第３の層の少なくともいずれか一方の三次元屈折率周期構造に、光を外部に取り出すための導波路を設ける第５の工程を有することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のレーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１の層及び第３の層の少なくともいずれか一方の三次元屈折率周期構造が、可視光に対して透明な材料によって形成されていることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記可視光に対して透明な材料が、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）のいずれかを主成分とした材料であることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記活性部は、可視レーザ光を発生する材料からなることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置、レーザ装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な半導体レーザ素子は、ｐ型電極、ｎ型電極、ｐ型光導波路、ｎ型光導波路及び活性層から構成されている。
上記電極及び光導波路は活性層周辺に設けられ、構成材料が活性層とは異なるため、活性層で発生した光を閉じ込める共振器として働く。
上記構成によって、レーザ光は活性層で誘導放出され、共振器内で増幅された後、光導波路で素子外部へ導かれる。
また、へきかい面を共振器とするファブリペロー共振器を用いた構成もある。
しかし、上記の共振器は光の完全な空間的制御が不可能なため、光通信や光ディスクの光源等で望まれるより低電流で、且つ高出力のレーザ素子を実現するのに一層の改善が必要となる。
【０００３】
そこで、理想的なレーザ素子として、近年、電磁波、特に光の伝搬を制御できるフォトニック結晶が注目されている。
フォトニック結晶とは、構成物質の屈折率が周期的に分布している構造体であり、構造設計だけで斬新な機能を実現可能な人工材料である。
フォトニック結晶の最も大きな特徴として、構成材料の屈折率差と構造の周期性によって、特定の電磁波が伝搬できない領域、いわゆるフォトニックバンドギャップを形成することが知られている。
フォトニック結晶中の屈折率分布に適切な欠陥を導入することにより、フォトニックバンドギャップ中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成される。これによって、フォトニック結晶は電磁波を自由自在に制御できる。その上、フォトニック結晶を用いることにより、デバイスの小型化が可能である。
【０００４】
フォトニック結晶をレーザ素子の共振器にする最も大きなメリットは、従来不可能であった光の完全な空間的制御が可能なため、閾値が極めて小さく（理論的には閾値がゼロである）、出力や波長の温度依存性が小さいレーザ光が得られる点にある。
また、全空間に対して光の放射を制御できるので、電気−光エネルギー交換効率が高い点にある。
フォトニック結晶には、１次元、２次元と３次元のものがあるが、上記効果を最大限に発揮するためには、３次元フォトニック結晶が最も適している。
つまり、３次元フォトニック結晶は、構成物質の屈折率分布が３次元的な周期を持ち、欠陥位置に存在する電磁波が外部に漏れにくいという特徴を有しており、電磁波伝搬の制御に最も適している。
【０００５】
３次元フォトニック結晶の代表的な例は、特許文献１に見られるウッドパイル構造（あるいはロッドパイル構造）である。
ウッドパイル構造とは、図７に示されるように、複数のロッドを平行且つ所定の面内周期で周期的に配置したストライプ層が積層された構造を有している。
具体的には、各ストライプ層に属する各ロッドが最隣接のストライプ層に属する各ロッドと直交し、また、各ストライプ層に属する各ロッドが２層離れたストライプ層に属する各ロッドと平行且つ面内周期の１／２だけずれるように構成されている。
前記フォトニック結晶の構造の周期は、制御したい電磁波の波長の半分程度である。例えば、可視光用フォトニック結晶の周期は２５０ｎｍ程度である。
【０００６】
従来において、このような３次元フォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子として、例えば、特許文献２では３次元フォトニック結晶構造に活性部が設けられた低閾値電流特性を有する半導体レーザ素子及びその製法が提案されている。この提案の半導体レーザ素子は、図８に示されるような構造を備え、高抵抗ＩｎＰ基板１１０１の表面に、アンドープＩｎＧａＡｓエッチングストップ層１１０２が形成されている。
そして、このエッチングストップ層１１０２の表面には、活性層１３０４を含む３次元フォトニック結晶構造体が形成されている。
更に、この３次元フォトニック結晶構造体の表面には、ＩｎＧａＡｓコンタクト層を介してｐ型電極１１０５とｎ型電極１１０６が形成されている。
すなわち、ここではフォトニック結晶構造上に、これとは異なる材料の薄膜による電極が形成されている。
【特許文献１】米国特許第５３３５２４０号明細書
【特許文献２】特開２００１−２５７４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来例における特許文献２の半導体レーザ素子においては、つぎのような問題を有している。
上記従来例の半導体レーザ素子においては、フォトニック結晶上に、これとは異なる材料の薄膜からなる電極が形成されていることから、活性部へ大量の電流を注入することが困難であるという課題を有している。
すなわち、電極とｐｉｎジャンクション間の材料が非金属であり電極材料と異なることから、電極とｐｉｎジャンクション間の直列抵抗が大きくなる。
そのため、活性部へ注入可能な電流が少なくなるという課題を有している。
また、電極が不透明であることから、設計次第では、光発光したときに電極が影になるという課題が生じる。
更に、複数の異種材料を積層する必要があるため、製造工程が煩雑となる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、大電流の注入が可能となるレーザ装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、簡易に製造することが可能となるレーザ装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するため、次のように構成したレーザ装置、レーザ装置の製造方法を提供するものである。
本発明は、レーザ装置であって、
基板上に発光領域を備え、該発光領域の周囲にｉ型の材料からなる屈折率周期構造が設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、前記ｉ型の材料が、ｉ型の酸化チタンであることを特徴とする。
また、本発明は、前記屈折率周期構造が、三次元フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記発光領域と前記屈折率周期構造とからなる層の上側と下側において、そのいずれか一方にｐ型、他方にｎ型の酸化チタンを材料とする三次元フォトニック結晶による電極を有することを特徴とする。
また、本発明は、レーザ装置であって、
基板上の第１と第２の電極との間に発光領域を備え、
前記第１と第２の電極の少なくとも一方の電極が、屈折率周期構造を備えていることを特徴とする。
また、本発明は、前記第１と第２の電極における両方の電極が、屈折率周期構造を備えていることを特徴とする。
また、本発明は、前記レーザによりレーザ光が出力される側に位置する前記第１または第２の電極が、前記出力されるレーザ光に対して透過性を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記第１及び第２の電極との間の発光領域を取り囲む領域が、ｉ型の三次元フォトニック結晶で構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、レーザ装置の製造方法であって、
三次元屈折率周期構造からなる第１の層を形成する第１の工程と、
前記第１の層上に、周期構造領域を有する第２の層を形成する第２の工程と、
前記第２の層に凹部を形成し、該凹部に光を発生するための活性部を形成する第３の工程と、
前記活性部を含む第２の層上に、三次元屈折率周期構造からなる第３の層を形成する第４の工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記第２の層が、ｉ型の材料で形成されることを特徴とする。
また、本発明は、前記第１の層及び第３の層の少なくともいずれか一方の三次元屈折率周期構造に、光を外部に取り出すための導波路を設ける第５の工程を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記第１の層及び第３の層の少なくともいずれか一方の三次元屈折率周期構造が、可視光に対して透明な材料によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記可視光に対して透明な材料が、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）のいずれかを主成分とした材料であることを特徴とする。
また、本発明は、前記活性部は、可視レーザ光を発生する材料からなることを特徴とする。
【００１０】
更にまた、レーザ装置の製造方法に係る本発明は、以下の発明を包含する。
本発明は、レーザ装置の製造方法であって、
可視光に対して透明な材料からなる３次元フォトニック結晶構造を形成する工程と、
光を発生する活性部を収納する欠陥部を形成する工程と、前記活性部を前記欠陥部に形成する工程と、
レーザ光をフォトニック結晶外部に導くための導波路を形成する工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明は、前記３次元フォトニック結晶構造が、ウッドパイル構造であり、構造の周期は１５０ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする。
また、本発明は、前記活性部が、可視レーザ光を発生する材料からなり、
ＧａＮ、もしくはＴｉＯ２の量子ドット、もしくはＴｉＯ２／ＩｎＧａＮ／ＴｉＯ２、もしくはＧａＮ／ＴｉＯ２／ＧａＮのヘテロ構造であることを特徴とする。
また、本発明は、３次元フォトニック結晶構造を形成する積層工程と、
透明な基板上に金属からなる位置合せマークを形成する第１のサブ工程と、
前記基板上に第１層目の前記透明材料薄膜を形成する第２のサブ工程と、
前記透明材料薄膜上に前記位置合せマークを位置基準とした第１のマスクパターンを形成する第３のサブ工程と、
前記第１のマスクパターン上から前記透明材料薄膜を加工し３次元フォトニック結晶構造の第１層目の構造を形成する第４のサブ工程と、
前記第１層目の構造を含む薄膜上に犠牲層薄膜を形成する工程と前記第１層目の構造が露出するまで前記犠牲層薄膜を平坦化する工程を含む第５のサブ工程と、
前記位置合せマークを位置基準に前記第２〜５のサブ工程を所定の回数を繰り返して所定の３次元フォトニック結晶を構成する前記透明材料の第２層目以降の構造を形成する工程と、
犠牲層を一括に除去する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、前記フォトニック結晶における活性部を収納する欠陥部を形成する工程が、フォトニック結晶構造の製造工程に含まれ、該製造工程において所定の個所で透明材料薄膜の構造を所定の形状に加工することにより形成することを特徴とする。
また、本発明は、前記レーザ光をフォトニック結晶外部に導くための導波路を形成する工程が、フォトニック結晶構造の製造工程に含まれ、該製造工程において所定の個所で透明材料薄膜の構造を所定の形状に加工することにより形成することを特徴とする。
また、本発明は、前記活性部を前記欠陥部に形成する工程が、前記活性部を収納する欠陥部を形成した後に、電子ビームや集束イオンビームなどの荷電ビームによる誘起化学気相堆積を含んだ方法により行うことを特徴とする。
また、本発明は、前記透明材料薄膜を形成するサブ工程が、酸化チタン薄膜をスパッタ法で成膜する工程であり、
高純度な酸化チタンターゲットを使用することにより絶縁性の酸化チタン薄膜を形成し、高純度な酸化チタンターゲットに所定の元素を添加することにより酸化チタン薄膜の伝導型または導電性を制御することを特徴とする。
また、本発明は、前記透明材料薄膜上にマスクパターンを形成するサブ工程が、前記透明材料薄膜上にレジストを塗布しフォトリソグラフィや電子線露光法で所定のレジストパターンを形成する工程、又は
前記透明材料薄膜上に予め金属などの薄膜を成膜してからレジストを塗布しフォトリソグラフィや電子線露光法より所定のレジストパターンを形成した後イオンミリングや反応性イオンエッチング法より前記レジストパターンを前記金属などの薄膜に転写する工程、
を含むことを特徴とする。
また、本発明は、前記透明材料薄膜を加工し３次元フォトニック結晶構造の各層の構造を形成するサブ工程が、
前記マスクパターンを反応性イオンエッチングにより前記透明材料薄膜に転写する工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明は、前記犠牲層薄膜を形成するサブ工程が、後継の平坦化工程において前記透明材料薄膜に対して平坦化しやすい材料の薄膜、望ましくは銅の薄膜を成膜する工程であり、
前記犠牲層薄膜を平坦化するサブ工程は、たとえば銅の薄膜を化学機械研磨より平坦化する工程であることを特徴とする。
また、本発明は、前記犠牲層薄膜を一括に除去するサブ工程が、適宜な液体エッチング剤、もしくは気体エッチング剤を用いる化学エッチング工程であることを特徴とする。
また、本発明は、前記位置合せマークを、積層数に応じた複数個用意することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、大電流の注入が可能となり、また簡易に製造することが可能となるレーザ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ装置について説明する。
図１に、本実施の形態のレーザ装置の構成を説明する断面図を示す。
図１において、１０はレーザ装置、１１は基板、１２はｎ型３次元フォトニック結晶、１３はｉ型３次元フォトニック結晶、１４はｐ型３次元フォトニック結晶、１５は活性部である。
【００１３】
本実施の形態におけるレーザ装置１０は、基板１１上の、ｎ型３次元フォトニック結晶１２、ｉ型３次元フォトニック結晶１３、ｐ型３次元フォトニック結晶１４、ｉ型３次元フォトニック結晶層１３内に挿入された活性部１５、不図示の導波路から構成される。
例えば、基板１１は合成石英で形成され、ｎ型、ｉ型、ｐ型の３次元フォトニック結晶は、酸化チタンからなる３次元フォトニック結晶によって形成される。
また、ｉ型３次元フォトニック結晶層１３内に挿入された活性部１５は、電流を注入すると発光作用を呈する。
上記３次元フォトニック結晶１２、１３、１４は、周期約２５０ｎｍの、例えばウッドパイル構造を備えている。
これら、ｎ型及びｐ型の３次元フォトニック結晶１２、１４の積層数は、例えば、それぞれ１２層ずつであり、またｉ型の３次元フォトニック結晶１３の積層数は、例えば２層で構成される。
【００１４】
本実施の形態において、上記ｎ型及びｐ型の３次元フォトニック結晶１２、１４は、光閉じ込め効果に利用するだけでなく、それぞれ活性部１５に電流を注入するための電極としても利用される。
ｎ型及びｐ型の３次元フォトニック結晶１２、１４電極から電流を供給することで、活性部１５で光を発生させ、活性部１５内で局在する光が誘導放出を引き起こすことで光が増幅される。
そして、この光が導波路によって外部に導かれることにより、可視光レーザ素子が実現される。
活性部１５は、ｎ型／ｉ型／ｐ型の積層構造からなり、その材料としては、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮや、ＴｉＯ２／ＩｎＧａＮ／ＴｉＯ２を用いることができる。
【００１５】
図２に、ｉ型の３次元フォトニック結晶２０を用いたレーザ装置の構成例の平面模式図を示す。
このフォトニック結晶２０は、ｉ型酸化チタンからなるロッド構造２１と、活性部２２と導波路２３から構成されている。
フォトニック結晶２０の中央部のロッド構造交点に活性部２２が設置されている。
また、導波路２３は、フォトニック結晶２０のロッド構造を例えば１本取り除いた構造からなり、これを通して外部へ光取り出しが行われるものである。
【００１６】
本実施の形態では、導波路２３を基板面に平行な方向に配置したが、基板面に垂直な方向に配置しても良い。
本実施の形態のレーザ装置１０によれば、３次元フォトニック結晶１２、１４をそれぞれｎ型、ｐ型の電極としても利用することにより、直列抵抗が小さくなるため、活性部１５に大電流を注入することが可能となる。
また、本実施の形態の構成を面発光デバイスに適用する際には、上記電極は透明であるために、光発光する際に影にならないから、デバイス設計の自由度を増加させることができる。
【００１７】
［第２の実施の形態］
つぎに、本発明の第２の実施の形態におけるレーザ装置について説明する。
図３に、本実施の形態のレーザ装置の構成を説明する断面図を示す。
図３において、３０はレーザ装置、３１は基板、３２はｉ型３次元フォトニック結晶、３３は活性部である。
本実施の形態のレーザ装置は、例えば合成石英からなる基板３１上に、ｉ型酸化チタンからなる３次元フォトニック結晶３２が形成されており、その中心部に、光を照射したときに発光作用を呈する活性部３３を挿入して構成される。
このｉ型３次元フォトニック結晶３２は、周期約２５０ｎｍの、例えばウッドパイル構造であり、積層数は、例えば２４層である。
外部励起光を活性部３３に注入することにより、活性部３３で光を発生させ、活性部３３内で局在する光が誘導放出を引き起こすことで光が増幅され、可視光フォトニック結晶レーザが実現する。
図３において、活性部３３は、量子ドットから構成されており、その材料は例えば、ＧａＮである。
【００１８】
図４に、ｉ型の３次元フォトニック結晶４０を用いたレーザ装置の構成例の平面模式図を示す。
このフォトニック結晶４０は、ｉ型酸化チタンからなるロッド構造４１と、活性部４２と導波路４３から構成されている。
フォトニック結晶４０の中央部のロッド構造交点に活性部４２が設置されている。
また、導波路４３は、フォトニック結晶４０のロッド構造を１本取り除いた構造からなり、これを通して外部へ光取り出しが行われるものである。
本実施の形態では、導波路４３を基板面に平行な方向に配置したが、基板面に垂直な方向に配置しても良い。
【００１９】
［第３の実施の形態］
つぎに、本発明の第３の実施の形態におけるレーザ装置の製造方法について説明する。
図５に、本実施の形態のレーザ装置の製造方法を説明する図を示す。
尚、図中の同一要素に関しては、同符号を用いる。ただし、本発明における材料、構造、形状、数値などはここに挙げられたものに限定されるものではない。
図５において、５１は基板、５２は位置合せマーク、６０は活性部、５４はレジストパターン、５５は２次マスクパターン、５６は犠牲層、５７はフォトニック結晶欠陥部、５３は透明材料薄膜である。
７０は３次元フォトニック結晶の第１部分、８０は３次元フォトニック結晶の第２部分、９０は３次元フォトニック結晶の第３部分、をそれぞれ表示している。なお、説明の便宜から、３次元フォトニック結晶の構造は、ウッドパイル構造とする。
【００２０】
図５に示したように、実施の形態におけるレーザ装置の製造方法は、つぎの各工程を有している。
（１）可視光に対して透明な材料からなる３次元フォトニック結晶構造を形成する工程。
（２）光を発生する活性部を収納する欠陥部を形成する工程。
（３）前記活性部を前記欠陥部に形成する工程。
（４）レーザ光をフォトニック結晶外部に導くための導波路を形成する工程。
【００２１】
つぎに、上記製造工程を更に詳細に説明する。
まず、図５（ａ）に示す工程は、透明な基板上に金属からなる位置合せマーク５２を形成する第１のサブ工程である。
基板５１の材料は、たとえば石英、もしくはサファイアである。位置合せマーク５２は、例えば、基板側からみて、まずクロム（Ｃｒ）１００ｎｍ、そして金（Ａｕ）５００ｎｍで構成する薄膜のパターンである。
前記パターンの形成は、例えば、通常の金属パターンのリフトオフ法を用いる。位置合せマーク５２の数は、後継工程で必要となる位置合せの回数に応じて設けておく。
例えば、１２層を積層する場合、位置合せの回数が１２回になるので、前記位置合せマーク５２の数を１２個以上にする。
【００２２】
次に、図５（ｂ）に示す工程は、前記基板上に第１層目の透明材料薄膜５３を形成する第２のサブ工程である。
薄膜の材料は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、もしくは窒化ガリウム（ＧａＮ）、もしくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、もしくは酸化インジウムスズ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）などを主成分とした材料である。
堆積手法は、例えば、スパッタ法である。透明材料薄膜５３を堆積する際、位置合せマーク５２の上に前記透明材料薄膜５３が堆積されないように、位置合せマーク５２を保護しておく。
保護の方法としては、例えば、位置合せマーク５２の上に金属マスクを被せて、成膜すべきところにだけ透明材料薄膜５３を堆積する。透明材料薄膜５３の膜厚は５０〜１００ｎｍである。
【００２３】
つぎに、図５（ｃ）に示す工程は、前記透明材料薄膜５３上に前記位置合せマーク５２を位置基準とした第１のマスクパターンを形成する第３のサブ工程である。
前記マスクパターンの形成方法としては、例えば、透明材料薄膜５３の上にレジストを塗布しフォトリソグラフィや電子線露光法で所定のレジストパターン５４を形成して、マスクパターンとする。
また、必要に応じて、前記透明材料薄膜５３の上に予め金属などの薄膜を成膜してから、レジストを塗布しフォトリソグラフィや電子線露光法より所定のレジストパターン５４を形成する。
その後、イオンミリングや反応性イオンエッチング法より前記レジストパターンを前記金属などの薄膜に転写し、２次マスクパターン５５を形成する。
前記金属薄膜の構成は、例えば、クロム（Ｃｒ）、もしくは白金（Ｐｔ）、もしくは金（Ａｕ）、もしくは前記金属の多層膜である。前記金属薄膜の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍである。
レジストパターン５４は、ウッドパイル３次元フォトニック結晶の一層を形成できるような形状を有する。
フォトニック結晶の周期が１５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、ウッドパイルのロッド幅が５０ｎｍ〜２５０ｎｍであり、ウッドパイルのロッド長さが１０μｍ〜５００μｍである。
また、平面内におけるフォトニック結晶の周期数は１０〜１０００である。
【００２４】
次に、図５（ｄ）に示す工程は、前記第１のマスクパターン上から前記透明材料薄膜５３を加工して、３次元フォトニック結晶構造の第１層目の構造７１を形成する第４のサブ工程である。
前記透明材料薄膜５３の加工方法として、まず、レジストパターン５４、またはレジストパターン５４と２次マスクパターン５５の両方をマスクとして、例えば反応性イオンエッチングにより前記透明材料薄膜５３を加工する。
そして、前記マスクパターンを除去する。
前記マスクパターンを除去ためには、例えば、酸素プラズマでレジストを除去し、ウェットエッチングで金属薄膜を溶解する手法がある。
【００２５】
また、図５（ｅ）に示す工程は、前記第１層目の構造７１を含む薄膜上に犠牲層薄膜５６を形成する工程と、前記第１層目の構造が露出するまで前記犠牲層薄膜５６を平坦化する工程を含む第５のサブ工程である。
前記犠牲層薄膜５６を形成するサブ工程は、後継の平坦化工程において前記透明材料薄膜５３に対して平坦化しやすい材料の薄膜、望ましくは銅の薄膜を成膜する工程である。
また、前記犠牲層薄膜５６を平坦化するサブ工程は、たとえば銅の薄膜を化学機械研磨により平坦化する工程である。
【００２６】
次に、図５（ｆ）に示す工程は、３次元フォトニック結晶を構成する前記透明材料の第２層目以降の構造を形成する工程である。
ここでは、前記位置合せマーク５２を位置基準に前記第２〜５のサブ工程を所定の回数だけ繰り返して、所定の３次元フォトニック結晶の第１部分７０と、３次元フォトニック結晶の第２部分８０を形成する。
前記所定の回数は、例えば４〜１２回である。ここでは、３次元フォトニック結晶の第２部分８０に、光を発生する活性部を収納するための欠陥部５７を設ける。
前記欠陥部５７の形成は、フォトニック結晶構造の作製工程において、前記構造の形状を適宜に設計することによって簡易にできる。
同様に、必要に応じて、所定の光導波路を３次元フォトニック結晶の第１部分７０と第２部分８０の所定のところに作りこむ。
前記光導波路の形成方法として、例えば、前記欠陥部５７と接しているフォトニック結晶のロッドを一本抜くことが挙げられる。
また、３次元フォトニック結晶の第１部分７０と第２部分８０の主材料を同じ物にする。但し、必要に応じて、導電特性を調整するため、所定の層に所定の不純物を添加する。
例えば、フォトニック結晶の材料が酸化チタンである場合、酸化チタンの成膜をスパッタで行い、予めスパッタターゲットにＮｂ、またはＴａを均質に混入しておく。
【００２７】
次に、図５（ｇ）に示す工程は、前記活性部６０を前記欠陥部５７に形成するサブ工程である。
前記活性部６０の形成は、前記欠陥部５７を形成した後に行ない、例えば、電子ビームや集束イオンビームなどの荷電ビームによる誘起化学気相堆積により行う。
前記活性部６０は、可視レーザ光を発生する材料からなり、例えば、ＧａＮ、もしくはＴｉＯ２等の量子ドット、もしくはＴｉＯ２／ＩｎＧａＮ／ＴｉＯ２、もしくはＧａＮ／ＴｉＯ２／ＧａＮ等のヘテロ構造である。
【００２８】
次に、図５（ｈ）に示す工程は、３次元フォトニック結晶の第３部分９０を形成するサブ工程である。
ここでは、前記第５のサブ工程を施した後、前記位置合せマーク５２を位置基準に前記第２〜５のサブ工程を所定の回数を繰り返す。前記所定の回数は、例えば４〜１２回である。
必要に応じて、所定の光導波路を３次元フォトニック結晶第３部分９０の所定の個所に作りこむ。
前記光導波路の形成方法として、例えば、前記欠陥部５７と接しているフォトニック結晶のロッドを一本抜くことが挙げられる。
【００２９】
次に、図５（ｉ）に示す工程は、３次元フォトニック結晶構造を形成するための犠牲層５６を一括に除去するサブ工程である。
前記犠牲層５６の除去方法として、例えば、適宜な液体エッチング剤、もしくは気体エッチング剤を用いる化学エッチング方法がある。
以上の各工程を経て、可視光レーザ素子の主要部が製造される。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明のレーザ装置の製造方法における実施例について、図面を参照して説明する。
［実施例１］
図５を用いて、実施例１を説明する。この実施例において、可視光レーザ素子は、活性部としてヘテロ構造を用いて、電流注入方式のレーザ素子であることを特徴とする。
まず、図５（ａ）に示したように、石英基板５１上に位置合せマーク５２を形成する。
位置合せマーク５２の形成に当たって、まず、フォトリソグラフィ方法でレジストパターンを石英基板５１上に形成する。
そして、クロム（Ｃｒ）１００ｎｍ、金（Ａｕ）５００ｎｍを順番に上記石英基板５１上に蒸着する。そして、上記レジストをアセトンのような有機溶剤で溶かし、位置合せマーク５２を所定の数で所定の個所にリフトオフ法より形成する（工程不図示）。
【００３１】
次に、図５（ｂ）に示したように、スパッタ法で前記基板５１上に酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる透明材料薄膜５３を形成する。
膜厚は約９０ｎｍである。スパッタ中、位置合せマーク５２を保護するために、金属マスクを基板５１の表面に被せて、基板５１上に成膜すべきところにだけ酸化チタンが堆積する。
また、スパッタはＴｉＯｘ（ｘ≒２）ターゲットを用いるが、得られる薄膜はアモルファスのＴｉＯｙ（ｙ≒２）になる。
前記アモルファス状態の酸化チタン膜を熱処理せず、そのままフォトニック結晶を形成する。
必要に応じて、スパッタ後に酸素雰囲気中で前記酸化チタン薄膜を適宜な条件下で熱処理して、結晶性酸化チタン薄膜を得ることができる。
前記熱処理条件として、最高温度は５００℃〜９００℃の間で、６００℃〜７００℃が最適であり、最高温度に保持する時間は１０分〜１０時間の間で、３０分程度が最適である。
【００３２】
次に、図５（ｃ）に示すように、前記位置合せマーク５２を位置基準として、前記酸化チタン薄膜５３上にマスクパターンを形成する。
ここでは、まず、前記酸化チタン薄膜５３の上に予めＣｒ薄膜を約５０ｎｍ成膜してから、レジストを塗布し電子線露光法より所定のレジストパターン５４を形成する。
そして、イオンミリング法より前記レジストパターン５４を前記Ｃｒ薄膜に転写し、２次マスクパターン５５を形成する。
前記パターンは、３次元ウッドパイルフォトニック結晶を形成するためのものであり、ロッドの周期が約２５０ｎｍ、幅が約９０ｎｍ、長さが約１００μｍである。
また、面内におけるウッドパイルロッドの周期数が約４００である。
【００３３】
次に、図５（ｄ）に示したように、前記レジストパターン５４と２次マスクパターン５５の両方をマスクとして、反応性イオンエッチングにより前記酸化チタン薄膜５３を加工する。
前記反応性イオンエッチングの反応ガスとして、フッ素を含むガス、例えば、Ｃ４Ｆ８、またはＳＦ６、またはＣＨＦ３とＣＦ４の混合ガスを使用できる。
その後、酸素プラズマによりレジストパターン５４を除去して、ウェットエッチングによりＣｒパターン５５を除去する。
次に、図５（ｅ）に示したように、まず、前記第１部部の構造７１を含む薄膜上に犠牲層５６として銅（Ｃｕ）の薄膜を５００ｎｍ程度堆積する。
そして、化学機械研磨（ＣＭＰ）より前記第１部分の構造７１が露出するまで前記Ｃｕ薄膜５６を平坦化する。
次に、図５（ｆ）に示したように、前記位置合せマーク５２を位置基準に、前記図５（ｂ）〜図５（ｅ）で示したサブ工程を８回繰り返して、３次元フォトニック結晶の第１部分７０と、３次元フォトニック結晶の第２部分８０を形成する。ここでは、３次元フォトニック結晶の第２部分８０は１層だけであり、中に光を発生する活性部を収納するための欠陥部５７と、光導波路（未図示）を設ける。前記欠陥部５７と光導波路（未図示）は、フォトニック結晶構造の第２部分８０の層を作製する際、例えば、凡そ中心部に位置する１本のロッドを半分切り取るようにマスクパターンの形状を設計することによって形成できる。
【００３４】
ここでは、３次元フォトニック結晶の第１部分７０と第２部分８０の主材料が共に酸化チタンである。
但し、第１部分７０を形成するための成膜において、高純度のＴｉＯｘ（ｘ≒２）スパッタターゲットにＮｂ、またはＴａを混入し、酸化チタン薄膜を金属並みな導電性をもたらす。
それに対して、第２部分８０を形成するための成膜において、高純度のＴｉＯｘ（ｘ≒２）スパッタターゲットをそのまま使用し、絶縁性の酸化チタン薄膜を形成する。
次に、図５（ｇ）に示したように、前記欠陥部５７を形成した後に、光を発生する活性部６０を前記欠陥部５７に形成する。
活性部６０の構成は、例えばＧａＮ／ＴｉＯ２／ＧａＮのヘテロ構造とする。
【００３５】
その形成方法は、例えば、図６に示す方法により形成される。
まず、図６（ａ）に示したように、電子ビーム照射による誘起化学気相堆積により、前記欠陥部５７に活性部の第１部分６１としてＧａＮ薄膜構造３１を形成する。
前記ＧａＮ薄膜の厚みは約３０ｎｍ、サイズは約９０ｎｍとする。その後、集束したＳｉイオンビームを前記第１部分３１に選択的に注入する。
【００３６】
次に、図６（ｂ）に示したように、電子ビーム照射による誘起化学気相堆積により、前記活性部の第１部分６１の上にＴｉ薄膜構造を形成する。
前記Ｔｉ薄膜の厚みは約３０ｎｍ、サイズは約９０ｎｍとする。
その後、酸素雰囲気において、電子ビーム照射、またはレーザ照射による部分熱処理によって前記Ｔｉ薄膜を酸化させ、活性部の第２部分６２とするＴｉＯ２薄膜を得る。
次に、図６（ｃ）に示したように、電子ビーム照射による誘起化学気相堆積により、前記活性部の第２部分６２とするＴｉＯ２薄膜上にＧａＮ薄膜構造６３を形成する。
前記ＧａＮ薄膜の厚みは約３０ｎｍ、サイズは約９０ｎｍとする。その後、集束したＭｇイオンビームを前記第１部分６１に選択的に注入する。
最後に、電子ビーム照射、またはレーザ照射による部分熱処理によって、活性部の第１部分６１と活性部の第３部分６３にそれぞれ注入したＳｉとＭｇを活性化させる。
そして、活性部の第１部分６１でｎ型ＧａＮ薄膜、活性部の第３部分６３でｐ型ＧａＮ薄膜を形成する。
【００３７】
以上の工程によって、前記フォトニック結晶の欠陥部５７に、図６（ｄ）に示したようなｎ−ＧａＮ／ｉ−ＴｉＯ２／ｐ−ＧａＮのヘテロ構造を得る（ここでは、“ｉ”は“絶縁性であること”を意味する）。
そして、図５（ｈ）に示したように、３次元フォトニック結晶の第３部分９０を形成する。
まず、前記図５（ｅ）に示したサブ工程を施す。
次に、前記図５（ｂ）〜図５（ｅ）で示したサブ工程を８回繰り返して、３次元フォトニック結晶の第３部分９０を形成する。
前記３次元フォトニック結晶の第３部分９０の構造は、前記３次元フォトニック結晶の第２部分８０とほぼ同様である。
ここでは、第３部分９０を形成するための成膜において、高純度のＴｉＯｘ（ｘ≒２）スパッタターゲットにＮｂ、またはＴａを混入し、酸化チタン薄膜を金属並みな導電性をもたらす。
また、ここでは、活性部６０の上部が３次元フォトニック結晶の第３部分９０の下部と密着させ、電気的につながるようにする。
そして、図５（ｉ）に示したように、３次元フォトニック結晶構造を形成するための犠牲層５６であるＣｕを適宜な液体エッチング剤で溶解し、一括に除去する。  
前記の工程を用いれば、３次元フォトニック結晶の第１部分７０が活性部６０の下部電極として、第２部分８０が絶縁層として、第３部分９０が活性部６０の上部電極とした可視光レーザ素子が形成される。
【００３８】
［実施例２］
実施例２においては、可視光レーザ素子は、活性部として量子ドットを用いて形成した光注入方式のレーザ装置の製造方法について説明する。
ここでは、可視光レーザ素子の構造、及びその製造工程は図５に示したものと類似しているため、詳細を省略し、大きく異なっている個所だけを説明する。
まず、この実施例における可視光レーザ素子の活性部６０は、ＧａＮ量子ドットである。
前記量子ドットは円柱状であり、直径が５ｎｍ〜５０ｎｍで、高さが１０ｎｍ〜９０ｎｍである。
この場合、ＧａＮ量子ドットの上部はフォトニック結晶の第３部分９０とは接触しなくてもよい。
前記ＧａＮ量子ドットの形成方法として、電子ビームによる誘起化学気相堆積法を用いる。
そして、この実施例における３次元フォトニック結晶の第１部分７０と第３部分９０は、電極とする必要がないため、その材料は第２部分８０と同じく、絶縁性の酸化チタンだけから構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ装置の構成を説明する断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるｉ型の３次元フォトニック結晶を用いたレーザ装置の構成例の平面模式図。
【図３】本発明の第２の実施の形態におけるレーザ装置の構成を説明する断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態におけるｉ型の３次元フォトニック結晶を用いたレーザ装置の構成例の平面模式図。
【図５】本発明の第３の実施の形態及び実施例１におけるレーザ装置の製造方法を説明する図。
【図６】本発明の実施例１における活性部の形成方法を説明する図。
【図７】従来例である特許文献１におけるウッドパイル構造を有する３次元フォトニック結晶の模式図。
【図８】従来例である特許文献２における従来の半導体レーザ素子の説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１０、３０：レーザ装置
１１、３１：基板
１２：ｎ型３次元フォトニック結晶
１３、２０、３２、４０：ｉ型３次元フォトニック結晶
１４：ｐ型３次元フォトニック結晶
１５、２２、３３、４２：活性部
２１、４１：ロッド構造
２３、４３：導波路
５１：基板
５２：位置合せマーク
５３：透明材料薄膜
５４：レジストパターン
５５：２次マスクパターン
５６：犠牲層
５７：フォトニック結晶欠陥部
６０：活性部
６１：活性部の第１部分
６２：活性部の第２部分
６３：活性部の第３部分
７０：３次元フォトニック結晶の第１部分
７１：３次元フォトニック結晶の第１部分の構造
８０：３次元フォトニック結晶の第２部分
８１：３次元フォトニック結晶の第２部分の構造
９０：３次元フォトニック結晶の第３部分
９１：３次元フォトニック結晶の第３部分の構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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