(57)【要約】【課題】従来よりも自由に、孔の大きさと深さの面内分布を制御することが可能となる微細構造の製造方法を提供する。【解決手段】微細構造の製造方法であって、  窒化物半導体基板の上に窒化物半導体層を成長させる工程と、  窒化物半導体層に第一の孔と、該窒化物半導体の結晶面で構成される多角形が有する対称性を示す点群の元による変換と、拡大縮小の組み合わせによって、該基板の主面の方向から見た平面視で、該第一の孔と合同にならない第二の孔を形成するエッチング工程と、  窒素を含む原料雰囲気下でマストランスポートによって、前記第一の孔と前記第二の孔の表面に前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の結晶面を形成する熱処理を行う工程と、を有する。【選択図】            図１
2013135001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造の製造方法であって、
窒化物半導体基板の上に窒化物半導体層を成長させる工程と、
窒化物半導体層に第一の孔と、該窒化物半導体の結晶面で構成される多角形が有する対称性を示す点群の元による変換と、拡大縮小の組み合わせによって、該基板の主面の方向から見た平面視で、該第一の孔と合同にならない第二の孔を形成するエッチング工程と、
窒素を含む原料雰囲気下でマストランスポートによって、前記第一の孔と前記第二の孔の表面に前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の結晶面を形成する熱処理を行う工程と、
を有することを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項２】
前記窒化物半導体基板の主面がＣ面であって、
前記第二の孔は、Ｃ軸周りの６０度の整数倍回転と、Ｍ軸周りの鏡映と、Ａ軸周りの鏡映とのそれぞれと、拡大縮小の組み合わせによって、基板の主面の方向から見た平面視で前記第一の孔と合同にならないことを特徴とする請求項１に記載の微細構造の製造方法。
【請求項３】
前記窒化物半導体基板の主面の法線が、Ｃ軸からＭ軸方向、またはＡ軸方向に傾いており、
前記第二の孔は、Ｃ軸を前記基板の主面に射影した軸の周りの鏡映と、拡大縮小の組み合わせによって、基板の主面の方向から見た平面視で前記第一の孔と合同にならないことを特徴とする請求項１に記載の微細構造の製造方法。
【請求項４】
前記基板の主面の方向から見た平面視で、前記第一の孔が、前記多角形と一致することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の微細構造の製造方法。
【請求項５】
前記窒化物半導体基板の主面がＣ面であって、前記基板の主面の方向から見た平面視で、前記第二の孔が、前記多角形をＣ軸の周りに３０度回転した多角形であることを特徴とする請求項４に記載の微細構造の製造方法。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板の主面の法線が、Ｃ軸からＭ軸方向またはＡ軸方向に傾いており、
前記基板の主面の方向から見た平面視で、前記第二の孔が、前記多角形を前記法線の周りに１８０度回転した多角形であることを特徴とする請求項４に記載の微細構造の製造方法。
【請求項７】
前記基板の主面の方向から見た平面視で、前記第一の孔と前記第二の孔の面積が等しいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の微細構造の製造方法。
【請求項８】
前記基板の主面の方向から見た平面視で、前記第一の孔に内接する前記多角形と、前記第二の孔に内接する前記多角形が合同であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の微細構造の製造方法。
【請求項９】
前記熱処理工程において、エピタキシャル成長温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の微細構造の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体がＧａＮであって、
前記熱処理工程において８００℃以上、１２００℃以下の範囲で熱処理を行うことを特徴とする請求項９に記載の微細構造の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法が、フォトニック結晶を構成する複数配列された細孔を作製する際に用いられる製造方法であることを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶は、前記第一の孔が複数配列された第一の領域と、前記第二の孔が複数配列された第二の領域を有することを特徴とする請求項１１に記載の微細構造の製造方法。
【請求項１３】
前記第一の領域と前記第二の領域で、フォトニック結晶の放射係数が等しく、結合係数が異なることを特徴とする請求項１２に記載の微細構造の製造方法。
【請求項１４】
前記第一の領域と前記第二の領域で、フォトニック結晶の結合係数が等しく、放射係数が異なることを特徴とする請求項１２に記載の微細構造の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１から１４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶により面発光レーザを形成することを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載のフォトニック結晶を内部に備え、前記第一の領域と前記第二の領域で、フォトニック結晶の結合係数が大きい領域の方が、注入される電流密度が小さい面発光レーザであることを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載のフォトニック結晶を内部に備え、前記第一の領域と前記第二の領域で、放射係数の相違によって射出ビームパターンが制御されている面発光レーザであることを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項１８】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法が、
前記第一の孔が複数配列された第一の領域と、前記第二の孔が複数配列された第二の領域を有するＳＷＳを構成する複数配列された細孔を、作製する際に用いられる製造方法であることを特徴とする微細構造の製造方法。
【請求項１９】
前記第一の領域と、前記第二の領域が、面内で異方性を有することを特徴とする請求項１８に記載の微細構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体内部に微細な構造を形成する微細構造の製造方法に関するものである。特に、フォトニック結晶やＳＷＳ（Ｓｕｂ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）等の、光学素子の製造方法に利用される技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶やＳＷＳ等の微細構造を用いた光学素子が提案されている。
これらの光学素子の特長は、構造を形成する媒質の屈折率だけではなく、構造そのものによって、光の伝搬を制御できることである。
フォトニック結晶は、光の波長程度の大きさで屈折率を周期的に変調させた微細構造であり、屈折率の周期的な変調による回折効果によって、光の伝搬を制御することが出来る。
例えば、２次元フォトニック結晶における分布帰還効果を利用したフォトニック結晶レーザ等が提案されている。
ＳＷＳとは、波長の０．１倍以下の小さい領域で屈折率を変調させた構造であり、屈折率変調された複数の領域の平均的な屈折率（有効屈折率）によって、光の伝搬を制御することが出来る。
例えば、ガラスレンズ表面のＳＷＳによって、ガラスレンズと空気の間の屈折率変化を連続的にする反射防止膜等が提案されている。
【０００３】
微細構造を用いた光学素子では、構造の形状によって光の伝搬状態を制御することが出来る。従って、光学素子内で構造の形状に分布を持たせることで、光の伝搬状態に空間分布を持たせることが可能となる。
例えば、特許文献１には、孔の大きさや深さを面内で変調することで、光の共振波長を面内で変調し、スペックルノイズを低減させたフォトニック結晶レーザが提供できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０５４７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、大きさの異なる孔を、面内で開口の大きさを変えたマスクを用いたドライエッチングによって、大きさの異なる孔を製造している。
しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、開口の大きさによって孔の大きさだけでなく、孔の深さも決まってしまう。
即ち、孔の大きさと孔の深さの制御に制限があるという課題を有している。
なぜならば、開口の大きさによってドライエッチングのエッチングレートが異なるためである。
具体的には、開口の大きさが大きいほどドライエッチングのエッチングレートが速いため、大きさの大きい孔ほど深さが深くなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、従来よりも自由に、孔の大きさと深さの面内分布を制御することが可能となる微細構造の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の微細構造の製造方法は、
窒化物半導体基板の上に窒化物半導体層を成長させる工程と、
窒化物半導体層に第一の孔と、該窒化物半導体の結晶面で構成される多角形が有する対称性を示す点群の元による変換と、拡大縮小の組み合わせによって、該基板の主面の方向から見た平面視で、該第一の孔と合同にならない第二の孔を形成するエッチング工程と、
窒素を含む原料雰囲気下でマストランスポートによって、前記第一の孔と前記第二の孔の表面に前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の結晶面を形成する熱処理を行う工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来よりも自由に、孔の大きさと深さの面内分布を制御することが可能となる微細構造の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１における微細構造の製造方法について説明する図。
【図２】本発明の実施形態１における微細構造の製造方法について説明する図。
【図３】本発明の実施形態１におけるマストランスポートによる結晶面の形成について説明する図。
【図４】本発明の実施形態１における結晶面で形成される多角形の形状について説明する図。
【図５】本発明の実施形態１における多角形の対称性と本発明に含まれる条件について説明する図。
【図６】本発明の実施形態１における多角形の対称性と本発明に含まれる条件について説明する図。
【図７】本発明の実施形態１における多角形の対称性と本発明に含まれる条件について説明する図。
【図８】本発明の実施形態１における多角形の対称性と本発明に含まれる条件について説明する図。
【図９】本発明の実施形態１における微細構造を複数配列したフォトニック結晶について説明する図。
【図１０】本発明の実施形態１における微細構造を複数配列したＳＷＳについて説明する図。
【図１１】本発明の実施形態２における微細構造の製造方法について説明する図。
【図１２】本発明の実施形態２における結合係数、放射係数の孔の大きさ、深さ依存性について説明する図。
【図１３】本発明の実施形態２における面発光レーザについて説明する図。
【図１４】本発明の実施形態２における活性層の電流分布について説明する図。
【図１５】本発明の実施形態３における微細構造の製造方法について説明する図。
【図１６】本発明の実施形態３における面発光レーザについて説明する図。
【図１７】本津明の実施例１における微細構造の変形例について説明する図。
【図１８】本発明の実施例２における微細構造の変形例について説明する図。
【図１９】本発明の実施例３における面発光レーザの構造と特性について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態について説明する。なお、異なる実施形態間で、同一の構成要素については同一の符号を付す。
［実施形態１］
実施形態１における微細構造１００の製造工程を、図１、図２を用いて、工程毎に順次説明する。
まず、図１（ａ）に示す成長工程を説明する。
窒化物半導体基板１０１に、窒化物半導体層１０２を、例えばＭＯＣＶＤ法等によって順次エピタキシャル成長させる。
窒化物半導体とは、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮまたは、これらの混晶を意味する。なお、図の上側は窒化物半導体基板１０１の主面１０５方向から見た平面図であり、下側は平面図のＡ−Ａ´面で構造を切断した断面図である。
以後の上下に分かれた図面も、特に断りがない限り、平面図と断面図である。
【００１１】
次に、図１（ｂ）、図２（ｃ）に示すエッチング工程を説明する。
窒化物半導体層１０２上に、プラズマＣＶＤやスパッタ等によって、エッチングマスク１０３を成膜する。エッチングマスク１０３の材料は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いる。
その後、エッチングマスク１０３に、第一の孔１１１を形成するための開口部１２１、第二の孔１１２を形成するための開口部１２２を作製する。
具体的には、電子線リソグラフィ等によってレジストに開口部１２１、１２２のパターンを作製し、レジストをマスクとしたドライエッチングにより、開口部１２１、１２２を持つエッチングマスク１０３を作製する（図１（ｂ））。ドライエッチングに用いるガスは、例えばＣＦ4やＣＨＦ3を用いる。
その後、エッチングマスク１０３をマスクとしたドライエッチングにより、窒化物半導体層１０２に、第一の孔１１１、第二の孔１１２を作製する。孔を形成する際に用いるガスは、例えばＣｌ2、ＨＣｌ、ＣＣｌ3、ＨＢｒ、ＨＩのいずれかのガスと、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎ2のいずれかのガスとの混合ガスを用いる。続いて、エッチングマスク１０３を、例えばフッ酸に浸すことによって除去する（図２（ｃ））。
【００１２】
図１（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、エッチング工程後の孔の平面視形状は、開口部の平面視形状と一致する。
また、ドライエッチングのエッチングレートは開口部の大きさによって決定される。
従って、エッチング工程後の孔の深さは、エッチング工程後の孔を主面１０５方向から見た時の孔の大きさで決定される。例えば図１（ｂ）に示すように開口部１２１と開口部１２２の大きさが同じ場合、図２（ｃ）に示すように孔１１１の深さと孔１１２の深さも同じになる。
エッチングマスクの開口部１２１と開口部１２２の形状は、後の熱処理工程において形成される結晶面からなる、多角形の形状を踏まえて決定する。そのため、これらについては熱処理工程の説明を行った後に説明する。
【００１３】
続いて、熱処理による面形成のため、図２（ｄ）に示す熱処理工程を行う。
この熱処理工程では、第一の孔１１１、第二の孔１１２でマストランスポートを生じさせ、孔の表面に、窒化物半導体層１０２を構成する窒化物半導体の結晶面１０４を形成する。
熱処理工程後の孔は結晶面が形成されることによって形状が変化するため、第一の孔を孔１３１、第二の孔を孔１３２、と別の符号を付す。
【００１４】
次に、熱処理工程について説明する。
まず、マストランスポートによる結晶面１０４の形成について説明する。
マストランスポートとは、熱エネルギーによって原子が表面から脱離して輸送された後、表面エネルギーが小さくなる位置で再吸着する現象である（図３（ａ））。
従って、マストランスポートによって形成される面１０４は結晶構造によって決定される。
窒化物半導体の場合、マストランスポートで形成される面は（０００＿１）面と｛１＿１００｝面、あるいはより高指数の斜めの面が形成され易い。
中でも、特に低指数の（０００＿１）面と、｛１＿１００｝面、｛１＿１０１｝面が表面エネルギーの低い面であるため、これらの面が結晶面１０４として形成される。
マストランスポートを生じさせた場合、熱エネルギーによる原子の脱離、輸送、再吸着は、表面エネルギーの低い面が形成され、表面が安定するまで行われる。従って、孔１１１、孔１１２に対してマストランスポートを行った場合、表面エネルギーの低い結晶面１０４が形成されるまで孔が細くなる（図３（ｂ））。
【００１５】
以上より、孔１３１、孔１３２を窒化物半導体基板１０１の主面１０５方向から見た時の平面視形状は、各々、孔１１１、孔１１２に内接し、結晶面１０４で形成される多角形となる。
一方、孔１３１、孔１３２の深さは、孔１１１、孔１１２の深さに対し、結晶面１０４が形成されるために斜めになる以外は、殆ど変わらない。
従って、熱処理工程では、エッチング工程で形成された孔の深さを保ったまま、孔の大きさを制御できる。
一方、特許文献１に示す、マスクの開口部の大きさを変えて孔の大きさを変化させる手法では、エッチング工程で孔の大きさと深さが同時に決まってしまう。
そのため、本発明に示す製造方法を用いることで、従来の製造方法を用いた場合よりも、孔の大きさと深さの面内分布制御の自由度が向上する。
【００１６】
次に、熱処理工程にて形成される結晶面１０４で形成される多角形の具体的な形状について説明する。
図４（ａ）は、主面１０５の法線１０６と窒化物半導体基板１０１のＣ軸が一致する場合の、熱処理工程後の孔形状である。
同様に、図４（ｂ）は法線１０６がＣ軸からＭ軸方向に傾いた場合、図４（ｃ）は法線１０６がＣ軸からＡ軸方向に傾いた場合、図４（ｄ）は法線１０６がＣ軸からＭ軸とＡ軸の中間に傾いた場合である。
【００１７】
結晶面１０４で形成される多角形の形状は、図４（ａ）のように法線１０６とＣ軸が一致する場合は、｛１＿１００｝面を反映して正六角形１３３となる。
図４（ｂ）、図４（ｃ）では、結晶面１０４で形成される多角形の形状は、Ｃ軸を主面１０５に射影した鏡映軸１０７を有する多角形１３４となる。
図４（ｄ）では、結晶面１０４で形成される多角形の形状は、対称性を持たない多角形１３５となる。
【００１８】
以上により、熱処理工程において形成される結晶面１０４の形状の説明をした。
これを踏まえて、エッチングマスクの開口部１２１と開口部１２２の形状を決定することについて説明する。
開口部の形状と、エッチング工程によって形成される孔１１１、１１２を主面１０５方向から見た平面視形状は一致するため、開口部の形状を決定することと、孔１１１と孔１１２の平面視形状を決定することは等価である。
従って、孔１１１と孔１１２を、主面１０５方向から見た時の平面視形状について説明を行う。
【００１９】
孔１１１と、孔１１２は、以下の条件を満たしている。即ち、結晶面で構成される多角形１３３、１３４が有する対称性を示す点群の元による変換操作と、拡大縮小操作の組み合わせによって、主面１０５方向から見た平面視で、孔１１１と孔１１２が合同でない。この条件を「条件Ｐ」と呼ぶ。
「条件Ｐ」を満たしている場合、熱処理工程における孔１１１から孔１３１の変化と、孔１１２から孔１３２の変化が異なっているため、熱処理工程にて孔の大きさの面内分布を制御することが可能となる。
一方、「条件Ｐ」を満たしていない場合、熱処理工程における孔１１１から孔１３１の変化と、孔１１２から孔１３２の変化が等価になるため、熱処理工程にて孔の大きさの面内分布を制御することが困難である。
【００２０】
次に、図面を用いて例を示しながら更に具体的に説明する。
まず、図４（ａ）のように主面１０５がＣ面の場合、主面１０５方向から見た平面視で、結晶面で構成される多角形は正六角形１３３である。
図５（ａ）に示すように、正六角形は、Ｃ軸周りの６０度の整数倍回転と、Ｍ軸とＡ軸周りの鏡映という対称性を有する。
つまり、法線１０６とＣ軸が一致した場合、結晶面で構成される正六角形１３３が有する対称性を示す点群はＤ６であり、その元は、中心の周りの（ｎ×６０）度回転と、Ｍ軸とＡ軸周りの鏡映の合計１２個である。
従って、孔１１１と孔１１２の平面視形状は、これらの１２個の変換操作と、拡大縮小操作の組み合わせによって合同にならなければ「条件Ｐ」を満たす。
【００２１】
図５（ｂ）、（ｃ）〜図６（ｄ）、（ｅ）は、エッチング工程後の孔１１１、孔１１２、熱処理工程後の孔１３１、孔１３２の平面視形状と、本発明に含まれるかどうかを説明した図である。図５（ｂ）は、６０度回転と拡大縮小の組み合わせで合同になるので「条件Ｐ」を満たさない。
また、図５（ｃ）も、Ｍ軸周りの鏡映と拡大縮小の組み合わせで合同になるので「条件Ｐ」を満たさない。
一方、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、Ｄ６の１２個の元と拡大縮小の組み合わせによって合同にならないため、本発明に含まれる。
【００２２】
図４（ｂ）〜（ｃ）のように法線１０６がＣ軸からＭ軸方向、またはＡ軸方向に傾いた場合、主面１０５方向から見た平面視で、結晶面で構成される多角形は図７（ａ）に示すように軸１０７を鏡映軸に持つ多角形１３４である。
従って、孔１１１と孔１１２の平面視形状は、軸１０７周りの鏡映と、拡大縮小操作の組み合わせによって合同にならなければ「条件Ｐ」を満たす。
図７（ｂ）〜図８（ｃ）、（ｄ）は、エッチング工程後の孔１１１、孔１１２、熱処理工程後の孔１３１、孔１３２の平面視形状と、本発明に含まれるかどうかを説明した図である。
図７（ｂ）は、軸１０７の周りの鏡映と拡大縮小の組み合わせで合同になるので本発明に含まれない。一方、図８（ｃ）、図８（ｄ）は、軸１０７の周りの鏡映と拡大縮小の組み合わせによって合同にならないため、本発明に含まれる。
図４（ｄ）のように、法線１０６がＣ軸からＭ軸とＡ軸の中間に傾いた場合、主面１０５方向から見た平面視で、結晶面で構成される多角形は対称性を持たない多角形１３５である。
従って、孔１１１と孔１１２の平面視形状は、拡大縮小操作によって合同にならない（＝相似形でない）場合、「条件Ｐ」を満たす。
【００２３】
「条件Ｐ」を満たさない図５（ｂ）、（ｃ）、図７（ｂ）の場合、孔１１１と孔１３１を重ね合わせた図形と、孔１１２と孔１３２を重ね合わせた図形が相似となる。従って、熱処理工程における孔１１１から孔１３１への変化と、孔１１２から孔１３２の変化が等価となり、孔の大きさの面内分布を制御することが困難である。
「条件Ｐ」を満たす図６（ｄ）、（ｅ）、図８（ｃ）、（ｄ）の場合、孔１１１と孔１３１を重ね合わせた図形と、孔１１２と孔１３２を重ね合わせた図形が相似ではない。従って、熱処理工程における孔１１１から孔１３１への変化と、孔１１２から孔１３２の変化が異なる。そのため、熱処理工程にて孔の大きさの面内分布を制御することができる。
以上より、孔１１１と孔１１２を「条件Ｐ」を満たすようにエッチング工程にて作製しておけば、後の熱処理工程と組み合わせて、孔の大きさと深さの面内分布制御の自由度が、従来の製造方法よりも向上することがわかる。
【００２４】
孔１１１は、主面１０５方向から見た平面視で、結晶面１０４で形成される多角形の形状に一致しており、もう片方は異なっていることが好ましい。
なぜならば、結晶面１０４で形成される多角形の形状に一致している孔１１１は熱処理工程にて形状が変化しない一方、多角形の形状に一致していない孔１１２は形状が変化するため、両者の変化量の差が大きくなるためである。
例えば、主面１０５がＣ面の場合は図６（ｅ）に相当する。図６（ｅ）では孔１１１は主面１０５方向から見た平面視形状が正六角形１３３と一致し、孔１１２は主面１０５方向から見た平面視形状が正六角形１３３と一致しない。
【００２５】
この時、多角形１３３の形状に一致していない孔１１２が、主面１０５方向から見た平面視で、正六角形１３３をＣ軸の周りに３０度回転した形状であれば、好ましい（図６（ｅ））。
何故ならば、孔１１２は熱処理工程において最も大きく形状が変化するため、孔１１１と孔１１２の熱処理工程における孔形状変化量の差が、更に大きく異なるためである。
また、孔１１２は熱処理工程において最も大きく形状が変化するため、孔のアスペクト比が最も大きくなる。
一般に、アスペクト比の大きい孔をドライエッチングで作製することは困難であるため、アスペクト比の大きい孔が製造可能になる点からも、孔の大きさと深さの面内分布制御の自由度が向上している。
一方、法線１０６がＣ軸からＭ軸方向、またはＡ軸方向に傾いた場合は図８（ｄ）に相当する。図８（ｄ）では孔１１１は主面１０５方向から見た平面視形状が多角形１３４と一致し、孔１１２は主面１０５方向から見た平面視形状が多角形１３４と一致しない。
【００２６】
この時、多角形１３４の形状に一致していない孔１１２が、主面１０５方向から見た平面視で、多角形１３４を法線１０６の周りに１８０度回転した形状であれば、更に好ましい（図８（ｄ））。
何故ならば、孔１１２は熱処理工程において最も大きく形状が変化するため、孔１１１と孔１１２の熱処理工程における孔形状変化量が、更に大きく異なるためである。
また、孔１１２は熱処理工程において最も大きく形状が変化するため、孔のアスペクト比が最も大きくなる。
一般に、アスペクト比の大きい細孔をドライエッチングで作製することは困難であるため、アスペクト比の大きい孔が製造可能になる点からも、孔の大きさと深さの面内分布制御の自由度が向上している。
【００２７】
続いて、熱処理工程を行う条件について説明する。
熱処理工程では、窒化物半導体層１０２からの窒素の脱離を抑えるために、Ｖ族である窒素の原料雰囲気下中で行う。Ｖ族の供給源は、例えばＮ2やＮＨ3を用いる。
熱処理工程を行う温度は、窒化物半導体層１０２を形成する窒化物半導体がマストランスポートを生じ、結晶面１０４が形成される条件であれば良い。
具体的には、エピタキシャル成長温度まで基板を加熱すれば十分である。
エピタキシャル成長温度とは、半導体結晶を結晶性良く成長させるための温度であり、例えばＧａＮでは１０００℃以上１２００℃以下の範囲である。
エピタキシャル成長温度より高い温度で熱処理を行った場合、表面の原子の一部が蒸発してしまうため、エピタキシャル成長温度以下で熱処理を行った方が良い。
一方、エピタキシャル成長温度より小さい温度でも、原子の拡散がわずかに生じて結晶面１０４が形成されるため、エピタキシャル成長温度より小さい温度で熱処理を行っても良い。ＧａＮの場合、８００℃以上であれば原子の拡散が生じる。
【００２８】
なお、微細構造１００は、第一の孔１３１と第二の孔１３２を周期的に並べたフォトニック結晶１４０であっても良い。
フォトニック結晶１４０を構成する格子点の形状が面内分布を有しているため、光の伝播状態を面内で制御することが出来る。
例えば、光の伝播状態を面内で制御することで、特許文献１で開示されているようなスペックルを低減したフォトニック結晶レーザが提供できる。
【００２９】
フォトニック結晶１４０は、図９に示すように、第一の孔１３１が周期的に並んだ第一の領域１４１と、第二の孔１３２が周期的に並んだ第二の領域１４２に分かれて形成されていてもよい。
何故なら、第一の領域１４１と、第二の領域１４２の間で、フォトニック結晶１４０における光の回折の起こりやすさを異ならせることが出来るためである。
なお、フォトニック結晶は図９のような正方格子でなくても良く、長方格子、三角格子、斜方格子などであっても良い。
【００３０】
また、微細構造１００は、第一の孔１３１が複数配列されてなる第一の領域１５１と、第二の孔１３２が複数配列されてなる第二の領域１５２からなるＳＷＳ１５０であってもよい。
第一の領域１５１の有効屈折率Ｎ１は、第一の領域１５１における第一の孔１３１の充填率によって決定され、同様に第二の領域１５２の有効屈折率Ｎ２は、第二の孔１３２の充填率によって決定される。
従って、本発明の製造方法を用いて第一の孔１３１と第二の孔１３２の大きさと深さを制御することで、有効屈折率Ｎ１と有効屈折率Ｎ２を、従来よりも容易に制御することが出来る。
ＳＷＳ１５０における光の伝播は有効屈折率によって決定されるため、本発明に示す製造方法を用いる事で、ＳＷＳ１５０における光伝播の面内分布制御が、従来よりも容易になる。
【００３１】
図１０（ａ）は、ＳＷＳ１５０を、有効屈折率に空間分布を設けた、透過型の空間変調素子に適用した例である。
図１０（ｂ）は、ＳＷＳ１５０を、異方性を有する有効屈折率分布を用いて、偏光制御素子に適用した例である。
【００３２】
［実施形態２］
つぎに、実施形態２における微細構造の製造方法について説明する。
本実施形態に示す微細構造２００の製造方法は、実施形態１に示す微細構造１００の製造方法に対し、エッチング工程で形成する孔の、基板の主面１０５方向から見た平面視での形状に限定を加えたものである。
微細構造２００の、エッチング工程後の第一の孔２１１、第二の孔２１２の形状と、熱処理工程後の第一の孔２３１、第二の孔２３２の形状を図１１に示した。第一の孔２１１と第二の孔２１２は、実施形態１で説明した「条件Ｐ」を満たした上、主面１０５方向から見た平面視で、孔２１１と孔２１２の面積が等しい。孔２１１と孔２１２の面積が等しいため、熱処理工程後の第一の孔２３１と第二の孔２３２は、深さが等しく、基板１０１の主面１０５方向から見た平面視で、大きさのみが異なる。
【００３３】
以下に、その理由を説明する。
実施形態１で説明したように、孔２１１と孔２１２の大きさが同じ場合、孔２１１と孔２１２の深さも等しくなる。更に、熱処理工程では、孔の底に結晶面１０４が形成されるために斜めになる以外は、孔の深さは殆ど変化しない。
従って、孔２３１と孔２３２の、孔の深さも等しくなる。一方、孔２１１と孔２１２は「条件Ｐ」を満たすため、熱処理工程における孔の形状変化が異なる。従って、孔２３１と孔２３２を主面１０５方向から見た平面視形状は異なる。
以上により、孔２１１と孔２１２の面積を等しくしたため、孔２３１と孔２３２の深さが等しく、大きさのみが異なる構造を作製できることがわかる。
微細構造２００は、第一の孔２３１が周期的に並んだ第一の領域２４１と、第二の孔２３２が周期的に並んだ第二の領域２４２に分かれて形成されているフォトニック結晶２４０を形成していると、更に好ましい。
【００３４】
以下にその理由を説明する。
フォトニック結晶において、面内における２次元方向への光の回折の起こりやすさは、２次の結合係数κで決定される。
図１２（ａ）に、孔の深さを一定として孔の大きさを変えたときのκの変化を、図１２（ｂ）に、孔の大きさを一定として孔の深さを変えたときのκの変化を図示した。
ここで孔の大きさとは、孔を主面１０５方向から見た時の平面視における、孔の大きさのことを示す。
一方、フォトニック結晶において、面外への光の回折の起こりやすさは、放射係数αで決定される。
同様に、図１２（ａ）に、孔の深さを一定として孔の大きさを変えたときのαの変化を、図１２（ｂ）に、孔の大きさを一定として孔の深さを変えたときのαの変化を図示した。なお、計算で用いたフォトニック結晶の構造は図１２（ｃ）に示す通りである。
【００３５】
図１２よりわかるように、孔の深さを変えた時にはκの変化は小さい一方でαは大きく変化し、孔の大きさを変えた時にはαの変化は小さい一方でκは大きく変化する。
面内で開口の大きさを変えたマスクを用いたドライエッチングによって孔を作製する従来の製造方法では、孔の大きさが大きいほど孔の深さが深くなってしまう。
一方、微細構造２００を用いたフォトニック結晶２４０は、第一の領域２４１と第二の領域２４２の間で、孔２３１と孔２３２の深さが等しく、大きさのみを異ならせることが出来る。
そのため、従来の製造方法で作製した場合に比べ、第一の領域２４１と第二の領域２４２の間でのαの変化を小さく、κの変化を大きくすることが出来る。
【００３６】
フォトニック結晶２４０が面発光レーザ２５０を形成している場合、第一の領域２４１と第二の領域２４２で、結合係数κが大きい領域の方が、注入される電流密度が小さい方が好ましい。以下でその理由を説明する。
図１３に、本実施形態の面発光レーザ２５０の構造を示す。
面発光レーザ２５０は、窒化物半導体基板１０１上に、ｎ型窒化物半導体層２５１、活性層２５２、ｐ型窒化物半導体層２５３が積層されており、内部に孔２３１と孔２３２からなるフォトニック結晶２４０を有する。
ｎ型電極２５４とｐ型電極２５５から電流が活性層２５２に注入され、再結合によって発光する。
発光した光は、フォトニック結晶２４０の面内への回折によって増幅されてレーザ発振を起こし、面外への回折によって、射出ビーム２５６として取り出される。
【００３７】
射出ビーム２５６が電極によって吸収されるのを防ぐため、ｐ型電極２５５は、射出ビームが取り出される領域からずれて配置されている。
ｐ型窒化物半導体層２５３の電気伝導度が低いため、活性層２５２における電流密度分布は、図１４に示すように、周辺が大きく中心が小さくなる。
【００３８】
電流密度が大きく、κの大きさによって決定されるフォトニック結晶での光増幅が強いほど、レーザ発振を生じやすい。従って、主面１０５方向に沿って一様なフォトニック結晶を用いた場合、均一なレーザ発振が得られない。しかし、電流密度が高い周辺ではκを大きく、電流密度が低い中心ではκを小さくするようにフォトニック結晶２４０に分布を持たせれば、均一なレーザ発振を得ることが出来る。この時、領域２４１と領域２４２間のαの変化は従来の製造方法よりも小さいため、レーザ光の取り出し効率も一様に近づく。従って、射出ビームの強度を、従来の製造方法よりも一様にすることが出来る。
以上より、結合係数の大きな領域の方が、電流密度が小さい面発光レーザとすることで、均一なレーザ発振と、一様な射出ビーム強度の両立を、従来よりも容易に実現できる。
【００３９】
［実施形態３］
実施形態３に示す微細構造３００の製造方法は、実施形態１に示す微細構造１００の製造方法に対し、エッチング工程で形成する孔の平面視形状に限定を加えたものである。
微細構造３００の、エッチング工程後の第一の孔３１１、第二の孔３１２の形状と、熱処理工程後の第一の孔３３１、第二の孔３３２の形状を図１５に示した。第一の孔３１１と第二の孔３１２は、実施形態１で説明した「条件Ｐ」を満たした上、主面１０５方向から見た平面視で、孔に内接し、結晶面１０４から形成される多角形が互いに合同である。
このことは、主面１０５方向から見た平面視で、第一の孔３３１と第二の孔３３２が合同であることを意味する。
何故ならば、実施形態１で説明したように、熱処理工程後の孔を主面１０５方向から見た時の平面視形状は、孔に内接し、結晶面で形成される多角形となるためである。
孔３３１と孔３３２が互いに合同であるため、熱処理工程後において、主面１０５方向から見た平面視で、第一の孔３３１と第二の孔３３２の大きさが等しい。
【００４０】
一方、主面１０５方向から見た平面視で、第一の孔３１１と第二の孔３１２の大きさが異なるため、エッチング工程におけるエッチングレートの相違を反映して、孔３１１と孔３１２の深さは異なる。
実施形態１で説明したように、熱処理工程では、孔の底に結晶面１０４が形成されるために斜めになる以外は孔の深さは殆ど変化しない。従って、孔３３１と孔３３２の深さも異なる。
以上により、孔３１１と孔３１２に内接し、結晶面１０４から形成される多角形を合同としたため、孔３３１と孔３３２の大きさが等しく、深さのみが異なる構造を作製できることがわかる。
微細構造３００は、第一の孔３３１が周期的に並んだ第一の領域３４１と、第二の孔３３２が周期的に並んだ第二の領域３４２に分かれて形成されているフォトニック結晶３４０を形成していると、更に好ましい。
【００４１】
以下に、その理由を説明する。
図１２よりわかるように、κの大きさは孔の深さよりも孔の大きさで、αの大きさは孔の大きさよりも孔の深さによって大きく変化する。
面内で開口の大きさを変えたマスクを用いたドライエッチングによって孔を作製する従来の製造方法では、孔の大きさが大きいほど孔の深さが深くなってしまう。
一方、微細構造３００を用いたフォトニック結晶３４０は、第一の領域３４１と第二の領域３４２の間で、孔３３１と孔３３２の大きさが等しく、深さのみを異ならせることが出来る。
そのため、従来の製造方法で作製した場合に比べ、第一の領域３４１と第二の領域３４２の間でκの変化を小さく、αの変化を大きくすることが出来る。
【００４２】
フォトニック結晶３４０が面発光レーザ３５０を形成している場合、第一の領域３４１と第二の領域３４２間での放射係数αの相違によって射出ビームパターンを制御することが出来る。
図１６に面発光レーザ３５０の構造を示す。
面発光レーザ３５０は、フォトニック結晶２４０とｎ型電極２５４、ｐ型電極２５５を、フォトニック結晶３４０とｎ型電極３５４、ｐ型電極３５５に置き換えた以外は、面発光レーザ２５０と同じ構造である。
αで決定される射出ビームの強度は、領域３４１と領域３４２間のαの相違を反映しており、射出ビームパターンが制御されている。
面発光レーザ３５０は、ｎ側から射出ビーム３５６を取り出す構造となっている。この場合、ｐ型電極３５５が活性層の真上に配置できるため、電流密度分布を均一に出来る。
従って、レーザ発振のしやすさはκの大きさで大部分が決定される。前述したように、領域３４１と領域３４２間のκの変化は、従来の製造方法よりも小さいため、従来よりも均一なレーザ発振が得られる。
【００４３】
以上より、フォトニック結晶３４０を面発光レーザ３５０に適用した場合、従来の製造方法で作製したフォトニック結晶を用いた場合よりも、均一なレーザ発振を実現しつつ、射出ビームパターンを制御できる。
なお、図１４のように注入電流に分布がある場合、均一なレーザ発振を実現しつつ、射出ビームパターンの制御を実現するためには、第一の領域と第二の領域でαとκを同時に変化させることが好ましい。
この場合であっても、本発明に示す製造方法を用いれば、孔の大きさと深さの面内分布の自由度が向上するため、均一なレーザ発振と射出ビームパターン制御の両立が、従来の製造方法よりも容易となる。
【実施例】
【００４４】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、実施形態２における微細構造２００の製造方法を説明する。まず、Ｃ面ＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮを５００ｎｍ成長させる。
次に、ＣＶＤによってＳｉＯ2からなる膜を１５０ｎｍ成膜する。次に、電子線リソグラフィによってレジストに開口部２２１、開口部２２２を作製する。開口部２２１は、結晶面１０４で形成される一辺４０ｎｍの正六角形である。
開口部２２２は、結晶面１０４で形成される正六角形をＣ軸周りに３０度回転した一辺４０ｎｍの正六角形である。続いてレジストをマスクとし、ＣＦ4ガスを用いてＳｉＯ2をドライエッチングする。
その後、残ったＳｉＯ2をマスクとし、Ｃｌ2ガスを用いてＧａＮをエッチングし、深さ１６０ｎＭの孔を形成する。最後にフッ酸でＳｉＯ2を除去する。
このようにして、孔２１１、孔２１２が形成される。この時、開口部２２１と開口部２２２の面積が等しいため、孔２１１と孔２１２の深さは同じである。
【００４５】
その後、ＮＨ3ガス雰囲気中で、基板を１０５０℃まで加熱する。この時、ガスの流量は、Ｎ2ガスを５ｓｌｍ、ＮＨ3ガスを１０ｓｌｍとした。基板温度が１０５０℃に到達したら温度を１０５０℃に保ち１０分間熱処理する。
エピタキシャル成長温度で熱処理を行うことで、結晶面（０００＿１）と｛１＿１００｝、｛１＿１０１｝が形成される。実施形態２で説明したように、孔２３１は主面１０５方向から見た平面視形状が変化しないが、孔２３２は結晶面１０４が形成されるまで細くなり、一辺が３５ｎｍの正六角形となる。
以上より、孔の深さが同じで、孔の大きさが異なる孔２３１、孔２３２が作製できる。
なお、実施形態１で説明したように、Ｃ面基板でなく、法線１０６がＣ軸からＭ軸またはＡ軸に傾いた基板を用いることもできる。
この場合は、開口部２２１と開口部２２２を、図１７（ａ）に示すように、法線１０６の周りに１８０度回転したときに合同になる形状とすれば良い。
この時、熱処理工程前後の孔形状は図１７（ｂ）に示す通りとなる。
【００４６】
［実施例２］
実施例２として、実施形態３における微細構造３００の製造方法を説明する。実施例２に示す微細構造３００の製造方法は、実施例１に示す微細構造２００の製造方法に対して、開口部の形状のみが異なる。
まず、実施例１と同様にＧａＮとＳｉＯ2を成膜する。
次に、レジストに開口部３２１、開口部３２２を作製する。開口部３２１は、結晶面１０４で形成される一辺３５ｎｍの正六角形である。
開口部３２２は、結晶面１０４で形成される正六角形をＣ軸周りに３０度回転した一辺４０ｎｍの正六角形である。
開口部３２１は、開口部３２２に内接する、結晶面１０４で形成される正六角形となっている。続いて、実施例１と同様にＳｉＯ2、ＧａＮをエッチングする。この時、開口部３２１と開口部３２２の面積の相違を反映して、孔３１１の深さは１６０ｎｍ、孔３１２の深さは１８０ｎｍとなる。
【００４７】
その後、実施例１と同様に熱処理を行う。実施形態３で説明したように、孔３３１は主面１０５方向から見た平面視形状が変化しないが、孔３３２は結晶面｛１＿１００｝が形成されるまで細くなり、平面視形状が孔３３１と同じになる。以上より、孔の大きさが同じで、孔の深さが異なる孔３３１、孔３３２が作製できる。
なお、実施形態１で説明したように、Ｃ面基板でなく、法線１０６がＣ軸からＭ軸またはＡ軸に傾いた基板を用いることもできる。この場合は、開口部３２１と開口部３２２を、図４に示すように、法線１０６の周りに１８０度回転したときに相似となり、内接する多角形１３４同士が合同となる形状とすれば良い。この時、熱処理工程前後の孔形状は図１８（ｂ）に示す通りとなる。
【００４８】
［実施例３］
実施例３として、本発明に示す微細構造の製造方法を適用したフォトニック結晶を用いた面発光レーザの製造方法を説明する。
まず、Ｃ面ＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を図１９（ａ）に示す層構成となるように成膜する。
次に、実施例１、２と同様にエッチングと熱処理によって、フォトニック結晶層を形成する配列された複数の孔を作製する。
続いて、フォトニック結晶層の上にコンタクトをとるためのｐ型コンタクト層を１２０ｎｍ成膜した後、電子ビーム蒸着法によってＮｉ１０ｎｍ／Ａｕ４０ｎｍからなるｐ型電極、Ｔｉ２０ｎｍ／Ａｌ１００ｎｍからなるｎ型電極を蒸着する。
【００４９】
ここで、実施例１で説明した製造方法を用いて、孔２３１が複数配列された領域２４１と、孔２３２が複数配列された領域２４２からなる、フォトニック結晶２４０を作製した場合を考える。
この時、実施形態２で説明したように、従来の製造方法よりもαの変化を小さく、κの変化を大きくすることが出来る。さらに、κの大きい領域を電流密度の小さい中心部に、κの小さい領域を電流密度の大きい周辺部に配置した面発光レーザとすることで、均一なレーザ発振と一様な射出ビーム強度の両立を、従来よりも容易に実現できる。
具体的には、実施例１に示す孔２３１を格子定数１６０ｎｍで並べた領域２４１を周辺部に、孔２３２を格子定数１６０ｎｍで並べた領域２４２を中心部とすれば良い。
領域２４１と領域２４２の結合係数κ、放射係数αは図１９（ｂ）のようになり、電流密度の小さい中心部の方が、κが大きくなっており、αの変化は小さい。
【００５０】
次に、実施例２で説明した製造方法を用いて、孔３３１が複数配列された領域３４１と、孔３３２が複数配列された領域３４２からなる、フォトニック結晶３４０を作製した場合を考える。
この時、実施形態３で説明したように、従来の製造方法よりもκの変化を小さく、αの変化を大きくすることが出来る。
さらに、フォトニック結晶３４０を面発光レーザに用いる事で、均一なレーザ発振と射出ビームパターン制御の両立が、従来の製造方法よりも容易となる。
具体的には、実施例２に示す孔３３１を格子定数１６０ｎｍで並べた領域３４１と、孔３３２を格子定数１６０ｎｍで並べた領域３４２を用いればよい。領域３４１と領域３４２の結合係数κ、放射係数αは図１９（ｃ）のようになり、均一なレーザ発振を実現と射出ビーム制御の両立を、従来よりも容易に実現できる。なお、電流狭窄部を設ける場合は、活性層を成長した後、フォトリソグラフィなどによってＳｉＯ2等の絶縁膜を選択的に成膜すれば良い。
【００５１】
［実施例４］
実施例４として、本発明に示す微細構造を適用したＳＷＳ１５０の製造方法を説明する。
まず、実施例１、２と同様に成長工程、エッチング工程、熱処理工程によって、複数配列の孔をＧａＮ中に作製する。
この時、孔の大きさ及び複数孔の間隔は、ＳＷＳの動作波長λに対して十分小さくしておく。具体的には、λの０．１倍以下であれば良い。
例えば、実施例１に示す微細構造２００や実施例２に示す微細構造３００を、間隔５０ｎｍ以下で配列すれば、λ＝５００ｎｍの緑帯域の光に対してＳＷＳとして動作する。
ＳＷＳが、大きさや深さの異なる孔で形成される複数の領域を有していれば、複数の領域間の、有効屈折率の相違を利用して、空間変調素子や偏光制御素子に利用することが出来る。
【符号の説明】
【００５２】
１００：微細構造
１０１：窒化物半導体基板
１０２：窒化物半導体層
１０３：エッチングマスク
１０４：結晶面
１０５：窒化物半導体基板の主面
１０６：窒化物半導体基板の法線
１１１：エッチング工程後の第一の孔
１１２：エッチング工程後の第二の孔
１２１：マスクの開口部
１３１：熱処理工程後の第一の孔
１３２：熱処理工程後の第二の孔
１３３：結晶面で形成される正六角形
１３４、１３５：結晶面で形成される多角形
１４０：フォトニック結晶
１４１、１５１：第一の孔が複数配列されてなる第一の領域
１４２、１５２：第二の孔が複数配列されてなる第二の領域
１５０：ＳＷＳ
【図１】
2013135001.tif 000003
【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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