(57)【要約】      （修正有）【課題】２次元フォトニック結晶と、これと同一周期の網目構造を有する放熱層との位置合わせをすることなく同時に形成することができ、放熱特性が良く、光学特性を損なうことを抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザ等を提供する。【解決手段】フォトニック結晶面発光レーザであって、基板１０１上の活性層１０４で発光した光を面内で共振させる、第１の半導体１０６ａ及び第１の半導体よりも低屈折率の低屈折率媒質１０６ｂとが２次元的に配置された２次元フォトニック結晶層１０６と、２次元フォトニック結晶層上の第２の半導体を有する層１０７と、第２の半導体を有する層上の放熱層１０８と、を有し、放熱層は、第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる放熱部１０８ａと、第３の半導体１０８ｂとで構成され、放熱部は第１の半導体の上部に形成される。【選択図】図１
2013058686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶面発光レーザであって、
基板上に形成された活性層で発光した光を面内で共振させるための、第１の半導体及び該第１の半導体よりも低屈折率の低屈折率媒質とが２次元的に配置された２次元フォトニック結晶層と、
前記２次元フォトニック結晶層の上に設けられた第２の半導体を有する層と、
前記第２の半導体を有する層の上に設けられた放熱層と、を有し、
前記放熱層は、前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる放熱部と、第３の半導体とにより構成され、
前記放熱部は、前記第１の半導体の上部に形成され、
前記第３の半導体は、前記低屈折率媒質の上部に、マストランスポートにより前記第２の半導体を有する層の一部を構成する層と共に形成されていることを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項２】
前記放熱部は、ＡｌＮ、ＢｌＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンドのいずれか一つの材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ。
【請求項３】
フォトニック結晶面発光レーザの製造方法であって、
基板上に、第１の半導体からなる層と、第２の半導体からなる層と、該第２の半導体からなる層よりも熱伝導率の高い材料からなる層と、第３の半導体からなる層とを、この順で形成する工程と、
前記第３の半導体からなる層から前記第１の半導体からなる層に亙って、これらの層をエッチングすることにより、該第１の半導体からなる層に２次元フォトニック結晶層を形成する工程と、
前記第３の半導体がマストランスポートを起こす温度で熱処理を行い、
前記エッチングにより形成された前記第２の半導体からなる層の空孔部に、該第３の半導体を構成する原子を充填して、第２の半導体からなる層の一部を構成する層を形成すると共に、
前記エッチングにより形成された前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層の空孔部に、前記第３の半導体を構成する原子を充填して、放熱層を形成する工程と、
を有することを特徴とするフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項４】
前記第３の半導体がマストランスポートを起こす温度で熱処理を行い、  
前記第２の半導体からなる層の空孔部に、該第３の半導体を構成する原子を充填すると共に、
前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層の空孔部に、前記第３の半導体を構成する原子を充填する際に、
ドーパントを供給しながら熱処理を行うことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【請求項５】
前記第３の半導体がマストランスポートを起こす温度で熱処理を行い、  
前記第２の半導体からなる層の空孔部に、該第３の半導体を構成する原子を充填すると共に、
前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層の空孔部に、前記第３の半導体を構成する原子を充填する際に、
つぎの式（１）及び式（２）を満たすことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
2013058686.tif 000006
2013058686.tif 000007
【請求項６】
前記第３の半導体がマストランスポートを起こす温度で熱処理を行い、  
前記第２の半導体からなる層の空孔部に、該第３の半導体を構成する原子を充填すると共に、
前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層の空孔部に、前記第３の半導体を構成する原子を充填する際に、
つぎの式（１）を満たさず、式（３）を満たすことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
2013058686.tif 000008
2013058686.tif 000009
【請求項７】
前記第２の半導体からなる層よりも熱伝導率の高い材料からなる層は、ＡｌＮ、ＢｌＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンドのいずれか一つの材料を用いて形成されることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を２次元回折格子として用いた面発光レーザの研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１）。
この２次元フォトニク結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で２次元周期的に屈折率を変化させた構造が活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は２次元フォトニック結晶で規定する波長で基板面内に２次元的に回折し増幅する。
そして、増幅した光は２次元フォトニック結晶で垂直方向に回折されて取り出される。
基板面内で光を増幅させるため、２次元フォトニック結晶面発光レーザは大面積での発振が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開０６／０６２０８４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フォトニック結晶面発光レーザは大面積で発振することが出来るが、その分注入電流も多くなり発熱が問題になる。
特に、レーザの中心部は、その周りも熱が発生するため、熱が逃げにくい構造になっている。
そこで、レーザ中心部の熱を逃がすために、フォトニック結晶面発光レーザの内部、特に活性層近傍に熱伝導率の高い放熱層を形成することが望まれる。
熱伝導率の良い材料として、例えば金属やセラミックス等（ＢＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ、ダイヤモンド等）が挙げられる。
これらのうち、金属は光を吸収してしまうためフォトニック結晶面発光レーザの内部に挿入することは難しい。
【０００５】
一方、セラミックスはワイドバンドギャップな材料であり、光の吸収は問題にはならない。
抵抗率が高い材料ではあるが、面内に網状に形成された網目構造を構成することで電流経路を確保して放熱層として形成することができる。
しかし、網目構造を有する放熱層を形成する場合、つぎのような問題が生じる。２次元フォトニック結晶の周期構造と、放熱層の網目構造の周期が異なっていた場合や、あるいはランダムに形成されていた場合、基板面内で屈折率分布が変わるため２次元フォトニック結晶で面内を回折する光が散乱されてしまい光学特性が悪化する。
このような光学特性の悪化に対処するため、２次元フォトニック結晶の周期と放熱層の網目構造の周期とを同一周期に構成しようとする場合、これらを別々に形成すると、数百ｎｍオーダーの微細構造の位置合わせをしなければならないこととなる。これらの位置合わせはきわめて困難であり、また位置がずれると光学特性が悪化するという課題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、２次元フォトニック結晶と、これと同一周期の網目構造を有する放熱層との位置合わせをすることなく同時に形成することができ、
放熱特性が良く、光学特性を損なうことを抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、
基板上に形成された活性層で発光した光を面内で共振させるための、第１の半導体及び該第１の半導体よりも低屈折率の低屈折率媒質とが２次元的に配置された２次元フォトニック結晶層と、
前記２次元フォトニック結晶層の上に設けられた第２の半導体を有する層と、
前記第２の半導体を有する層の上に設けられた放熱層と、を有し、
前記放熱層は、前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる放熱部と、第３の半導体とにより構成され、
前記放熱部は、前記第１の半導体の上部に形成され、
前記第３の半導体は、前記低屈折率媒質の上部に、マストランスポートにより前記第２の半導体を有する層の一部を構成する層と共に形成されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶面発光レーザの製造方法は、
基板上に、第１の半導体からなる層と、第２の半導体からなる層と、該第２の半導体からなる層よりも熱伝導率の高い材料からなる層と、第３の半導体からなる層とを、この順で形成する工程と、
前記第３の半導体からなる層から前記第１の半導体からなる層に亙って、これらの層をエッチングすることにより、該第１の半導体からなる層に２次元フォトニック結晶層を形成する工程と、
前記第３の半導体がマストランスポートを起こす温度で熱処理を行い、
前記エッチングにより形成された前記第２の半導体からなる層の空孔部に、該第３の半導体を構成する原子を充填して、第２の半導体からなる層の一部を構成する層を形成すると共に、
前記エッチングにより形成された前記第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層の空孔部に、前記第３の半導体を構成する原子を充填して、放熱層を形成する工程と、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、２次元フォトニック結晶と、これと同一周期の網目構造を有する放熱層との位置合わせをすることなく同時に形成することができ、
放熱特性が良く、光学特性を損なうことを抑制することが可能となるフォトニック結晶面発光レーザ及びそ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】実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの構造を説明する図である。
【図２】実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明する断面図である。
【図３】空孔を形成したＧａＮの熱処理工程後のキャップ層と熱処理温度の関係を示す図である。
【図４】実施形態における輸送層の厚さと放熱層の厚さによって熱処理後の形態が異なることを示す断面図である。
【図５】実施形態における輸送層の厚さと放熱層の厚さによって熱処理後の形態が異なることを示す断面図である。
【図６】実施例１における２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明する断面図である。
【図７】実施例２における２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明する断面図である。
【図８】実施例３における２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法を説明する断面図である。
【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おけるフォトニック結晶面発光レーザの構成例について、図を用いて説明する。
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ１００を構成する半導体はＡｌＧａＩｎＮ系のＩＩＩ族窒化物半導体で構成される。
図１（ａ）において、１０１は基板、１０２はｎ型クラッド層、１０３はｎ側ガイド層、１０４は活性層、１０５は電子ブロック層、１０６は２次元フォトニック結晶層である。
２次元フォトニック結晶層１０６中の１０６ａは第１の半導体、１０６ｂは低屈折率媒質である。
１０７は第２の半導体を有する層、１０８は放熱層である。放熱層１０８中の１０８ａは放熱部、１０８ｂは第３の半導体である。
１０９はｐ型クラッド層、１１０はコンタクト層、１１１はｐ電極、１１２はｎ電極である。
【００１１】
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ１００は、基板１０１上に順にｎ型クラッド層１０２、ｎ側ガイド層１０３、活性層１０４、電子ブロック層１０５を備える。
そして、本発明の特徴となる２次元フォトニック結晶層１０６、第２の半導体を有する層１０７、放熱層１０８をこの順に備える。最後に、電流注入のためのｐ型クラッド層１０９、コンタクト層１１０を順に備える。
本実施形態では、２次元フォトニック結晶層１０６、第２の半導体を有する層１０７、放熱層１０８の３層を、活性層１０４とｐ型クラッド層１０９の間にｐ側ガイド層として挿入している。しかしこれらは、前記３層の積層順を変えなければｎ側ガイド層１０３の内部に挿入しても良い。
フォトニック結晶層１０６は図１（c）の様に、第１の半導体１０６ａ中にそれより低屈折な低屈折率媒質１０６ｂを備え柱状に配置する。
【００１２】
図１（ｂ）では、フォトニック結晶の単位格子を斜方格子で示しているが、正方格子でも三角格子でも良い。また、孔形状も円形で示しているが、四角形や三角形など特に形状は問わない。
【００１３】
つぎに、本発明を適用する際の特徴的構成である、フォトニック結晶層１０６、第２の半導体を有する層１０７、放熱層１０８と、それらの位置関係について説明する。
基板上に形成されたフォトニック結晶層１０６は活性層１０４で発生した光を共振させるために、第１の半導体１０６ａ中に、それより低屈折率な低屈折率媒質１０６ｂを２次元的に配置する。
低屈折率媒質１０６ｂは第１の半導体１０６ａより屈折率の低い材料で構成し、例えば空気で形成する。
また、空気以外にＳｉＯ２，ＳｉＮ，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＴｉＯ，ＴｉＮなどで構成されていても良い。
ここで、第２の半導体を有する層１０７は、２次元フォトニック結晶層１０６と後述する放熱層１０８の間に備えられる。
また、放熱層１０８は、放熱部１０８ａと第３の半導体１０８ｂで構成され、これらは第２の半導体より熱伝導率の高いセラミックス系の物質で構成される。例えば、ＢｌＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ、ダイヤモンドなどである。
【００１４】
放熱部に用いるセラミックス系の物質は基本的には絶縁物である。
電流を導通できる構造にするためにフォトニック結晶層１０６の周期構造に合わせて放熱部１０８ａを網状に形成した網目構造とし、その網目の部分に第３の半導体１０８ｂを形成する。
より具体的には、図１（ｃ）のように、第１の半導体１０６ａの上部に放熱部１０８ａを配置し、低屈折率媒質１０６ｂの上部に第３の半導体１０８ｂを配置する。
さらに、フォトニック結晶層１０６と放熱層１０８の間に第２の半導体を有する層１０７を配置することで、ｐクラッド層１０９から第３の半導体１０８ｂ、第２の半導体を有する層１０７、第１の半導体１０６ａを経由して電流を流すことが出来る。
このような構造にすることで、面内屈折率分布の周期性を保つことができる。従って、回折光の散乱を防ぎ光学特性の悪化を起こさすことは無い。
さらに、高抵抗な放熱層１０８をフォトニック結晶面発光レーザ１００全面にわたって形成しつつ、電流経路を形成することが出来るので、フォトニック結晶面発光レーザ１００の中央付近で発生した熱を効率よく周辺部へ放熱することが出来る。
【００１５】
つぎに、本実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。
本実施形態の製造方法には、マストランスポートが用いられる。マストランスポートを用いることで、フォトニック結晶層１０６の形状制御性が良くなりフォトニック結晶面発光レーザの特性を向上させることが出来る。
本実施形態の製造方法では、つぎのように各層が形成される。
まず、ＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置などで基板１０１上にｎクラッド層１０２、ｎ側ガイド層１０３、活性層１０４、電子ブロック層１０５を形成する。
次に、第１の半導体からなる層２０６、第２の半導体層からなる層２０７、第２の半導体からなる層２０７よりも熱伝導率の高い材料からなる層２０８（以下高熱伝導層とする）を形成する。
最後に、第３の半導体からなる層２１３（以下輸送層とする）を形成する（図２（ａ））。
【００１６】
次に、輸送層２１３の表面に、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどでフォトニック結晶のパターンが転写されたマスクを形成する。
そして、ＲＩＥやＩＣＰなどで輸送層２１３から第１の半導体からなる層をエッチングし、その後マスクを除去する。
以上のリソグラフィーの工程で、空孔２１４が形成される。
また、高熱伝導層２０８は放熱部１０８ａになり、第１の半導体からなる層２０６は第１の半導体１０６ａになる（図２（ｂ））。
【００１７】
次に、輸送層２１３がマストランスポートを起こす温度で熱処理をする。
輸送層２１３がマストランスポートすると、図２（ｃ）に示すように、空孔２１４の上部が輸送層２１３である第３の半導体によって充填される。
具体的には、第２の半導体からなる層の空孔部と、高熱伝導層２０８の空孔部に第３の半導体が充填される。
その結果、第１の半導体１０６ａと低屈折率媒質１０６ｂから構成されるフォトニック結晶層１０６と、第２の半導体を有する層１０７と、放熱部１０８ａと第３の半導体１０８ｂから構成される放熱層１０８が同時に形成される。
最後に、残りのｐクラッド層１０９、コンタクト層１１０を形成し、基板表面にｐ電極１１１と裏面にｎ電極１１２を形成することで、フォトニック結晶面発光レーザ１００が完成する（図２（ｄ））。
【００１８】
つぎに、第３の半導体からなる層がマストランスポートを起こす温度で熱処理をする工程についてより詳しく説明する。
本実施形態のマストランスポートによる熱処理工程においては、輸送層２１３がマストランスポートを起こす温度で熱処理することにより、輸送層２１３を構成する原子をマストランスポートで移動させ、空孔２１４の上部を第３の半導体で充填する。
すなわち、輸送層２１３の形成後、図４（ａ）の断面構造のフォトニック結晶格子の構造を形成し、熱処理することで図４（ｂ）又は図４（ｃ）の構造を形成する。
これにより、空孔２１４の上部を第３の半導体で充填させることで、フォトニック結晶面発光レーザの全面にわたって、高抵抗な放熱層を形成しつつ電流注入が可能となる。
ここでいう空孔２１４の上部とは、第２の半導体からなる層２０７の空孔部と第２の半導体よりも熱伝導率の高い材料からなる層２０８の空孔部を指す。
この構造を形成するためには、マストランスポートを起こす第３の半導体からなる層２１３の厚さ、放熱部１０８ａの厚さ、空孔２１４の径、そして空孔２１４の上部が第３の半導体で充填されて形成される層（以下キャップ層と記述する）の厚さが適切な量でなければならない。
【００１９】
ここで、これら輸送層２１３、放熱部１０８ａ、キャプ層の厚さ等について、更に説明する。
図３はＧａＮにフォトニック結晶の空孔を形成し、９００℃〜１１５０℃まで昇温しマストランスポートを発生させ、空孔上部に形成されたキャップ層の厚さと熱処理温度の関係をグラフにしたものである。
昇温後の保持時間は０分で実施している。なお、９００℃試料については、空孔上部が完全に塞がらず細くなった。
また、９５０℃の試料は、空孔の一部分が塞がらなかった。１０２５℃以上の試料は空孔上部が完全に塞がった。
グラフからキャップ層の厚さは熱処理温度に依存し、熱処理温度の増加に伴いキャップ層の厚さが減少していることが分かる。
熱処理温度を制御することで、任意の厚さのキャップ層を形成することができる。
【００２０】
つぎに、輸送層２１３の厚さと放熱部１０８ａの厚さの関係について説明する。
輸送層２１３の質量をキャップ層として移動させるので、空孔２１４上部を完全に塞ぐ場合、空孔２１４を形成した後の輸送層２１３の体積が、マストランスポート後に形成されるキャップ層の体積よりも大きいか、または同じである必要がある。
図４（ａ）〜（ｃ）、５（ｄ）〜（ｆ）の様に、輸送層２１３の厚さをｔｍｔ、放熱部１０８ａの厚さをｔｈｓ、キャップ層の厚さをｔｃａｐと定義する。
また、図１（ｂ）の様に、低屈折率媒質１０６ｂの面積Ｓｈｏｌｅ、フォトニック結晶の単位格子の面積をＳＰｈＣと定義する。
上記関係は次の式（１）で表すことが出来る。
2013058686.tif 000003
【００２１】
式（１）を満たす層構造でマストランスポートを用いてキャップ層を形成後、残った輸送層２１３とキャップ層の厚さの合計が放熱部１０８ａの厚さより大きくなければならない。
残った輸送層２１３とキャップ層の厚さの合計が放熱部１０８ａの厚さより小さい場合、第２の半導体を有する層１０７を形成することが出来ず、電流が流せる構造に出来ない。これらの関係を式で表すと次の式（２）になる。
2013058686.tif 000004
【００２２】
式（１）と式（２）を満たす場合、図４（ｂ）に示すような形状に変化する。空孔２１４上部が完全に塞がり、輸送層２１３が放熱部１０８ａ上に残った構造になる。
式（２）が満たされているので、第２の半導体を有する層１０７が形成され、電流が流せる構造になる。
また、式（１）の右辺と左辺が等しい時、つまり空孔２１４を形成した後の輸送層２１３の体積とマストランスポート後に形成されるキャップ層が等しく、式（２）が満たされる時にも、電流が流せる構造となる。
すなわち、図４（ｃ）に示すような輸送層２１３が完全に空孔２１４上部にマストランスポートされ空孔２１４上部が塞がった構造になる。
これに対して、式（１）が満たされて、式（２）が満たされない場合、図５（ｄ）に示す構造になる。
キャップ層の厚さが輸送層２１３の残りの厚さと放熱部１０８ａの厚さの合計より小さいため、第２の半導体を有する層１０７の空孔部分が輸送層２１３で充填されない。従って電流を流せる構造にはならない。
【００２３】
ここで、式（１）が満たされない場合を考える。
式（１）が満たされない場合、輸送層２１３の体積が十分ではないので、空孔２１４の上部に輸送層２１３の原子をマストランスポートしても完全に塞がらず、空孔２１４の上部が細くなるだけである。
空孔２１４上部に形成されるキャップ層の厚さは、輸送層２１３の体積不足で完全に塞がらない場合でも、熱処理温度で決まる。
従って、第２の半導体を有する層１０７の空孔部の一部が輸送層２１３で充填されるかどうかは、放熱部１０８ａの厚さとキャップ層の厚さのみが関係する。
キャップ層が放熱部１０８ａより厚い場合、式で表すと次の式（３）のようになる。
2013058686.tif 000005
【００２４】
式（３）を満たす場合、図５（ｅ）のような第２の半導体層を有する層の空孔側壁部分が輸送層２１３で充填された構造になる。
第２の半導体層を有する層の一部が充填されているため電流を流すことが可能な構造である。
空孔２１４の上部が細くなっているので、ＩＩＩ族原料を供給して再成長をさせると、原料が空孔２１４底部に到達できず空孔２１４上部を完全に充填することができる。
式（３）を満たさない場合、図５（ｆ）のような構造になる。第２の半導体を有する層は何も充填されない。従って電流を流すことが出来ない構造になる。
以上のことから、式（１）、式（２）を満たす構造が最も好ましい。
また、式（１）を満たさず、式（３）を満たす構造は、その後再成長させることで空孔２１４上部を塞ぐことができ、電流を流すことが可能な構造とすることができる。
【００２５】
つぎに、熱処理で第３の半導体をマストランスポートさせ空孔２１４上部を充填させるための熱処理温度や、ガス条件、空孔の形状などについて説明する。
マストランスポートを起こす温度は第３の半導体の成長温度付近が良いが、成長温度より１割〜２割低い温度でも、マストランスポートは生じる。
例えば、ＧａＮの場合成長温度は１０００℃〜１２００℃であるが、上記で説明した図３の実験結果から９００℃でも空孔２１４は完全に塞がらなかったがマストランスポートは生じる。
熱処理温度が低い場合、空孔上部は完全に塞がらないが、熱処理時間を長くすることで空孔上部を完全に塞ぐこともできる。
以上のことから、熱処理温度は９００℃以上が良い。より好ましくは９５０℃以上（空孔上部一部のみが塞がった結果）、さらに好ましくは１０２５℃以上（完全に空孔上部が塞がった結果）である。
【００２６】
第３の半導体がＡｌＧａＩｎＮ系の場合、第３の半導体を構成する窒素元素の脱離を防ぐためアンモニアやジメチルヒドラジンなどの窒素元素を含むガス雰囲気中で熱処理をする。
空孔２１４の深さ／幅の比であるアスペクト比が小さい場合、空孔２１４全体がマストランスポートで埋まってしまう。従って、アスペクト比は１以上が好ましい。より好ましくは１．５以上である。さらに好ましくは２以上が良い。
輸送層２１３はアンドープでも導電性を持たせるためにドーピングされていても良い。
輸送層２１３がアンドープの場合は、ドーパントを供給しながら熱処理をしてマストランスポートさせることで導電性を有する第３の半導体１０８ｂを形成することが出来る。
また、輸送層２１３がドーピングされていて導電性を有する場合、ドーパントを供給しないで熱処理をすることが出来る。
しかし、輸送層２１３にドーピングされたドーパントの種類によっては熱処理中にドーパントが気相に脱離する場合や、ドーパント自身がマストランスポートされない場合があるため、ドーパントを供給しながら熱処理をすることが好ましい。
本発明のフォトニック結晶面発光レーザはＡｌＧａＩｎＮ系を用いた場合について説明したが他の材料系でも適用は可能である。
また、マストランスポートを用いた形成について説明したが、再成長を用いて構造を作製することも出来る。輸送層２１３を形成せずに、リソグラフィーでフォトニック結晶を形成し、再成長で残りの層を形成する。
しかし、フォトニック結晶の孔形状の制御性や、第２の半導体を有する層の厚さの制御などの点においては、本発明のマストランスポートを用いた製造方法が優れているので本製造方法を用いることがより好ましい。
【実施例】
【００２７】
以下に、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、上記式（１）、式（２）を満たし、式（１）の左辺が右辺より大きい場合の形態を用いた構成例について説明する。
これは、図４（b）の形態に相当するものであり、ここではフォトニック結晶層を活性層より上部のｐ側に形成される。
本実施例のフォトニック結晶層の形成においては、まず、図６（ａ）の構造を形成する。基板１０１としてｎ−ＧａＮ基板５０１を用いる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置で以下の層を順に形成する。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてｎ−ＧａＮ５１５を２μｍ成長させる。
続いて、ｎ型クラッド層１０２としてｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ５０２を８００ｎｍ、ｎ側ガイド層１０３としてＧａＮ５０３を８０ｎｍ成長させる。
その上に、活性層１０４として３周期のＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸５０４を成長させる。
井戸層であるＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの厚さは２．５ｎｍで、障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は４００ｎｍである。
次に、電子ブロック層１０５としてｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ５０５を２０ｎｍ成長させる。
そして、第１の半導体からなる層２０６としてｐ−ＧａＮ５０６を１８０ｎｍ、第２の半導体からなる層２０７としてｐ−ＧａＮ５０７を１３ｎｍ、第２の半導体からなる層より熱伝導率の高い材料からなる層２０８として、ＡｌＮ５０８を１０ｎｍ成長させる。
さらに、第３の半導体からなる層２１３としてｐ−ＧａＮ５１３を１５．４ｎｍ成長させる。
【００２８】
次に、ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出してフォトニック結晶のパターンを形成させる。
まず、基板表面にＳｉＯ２を形成する。次に、レジストを塗布し電子線リソグラフィーを用いて、半径３０ｎｍの円形のパターンを正方格子状に格子長さ１６０ｎｍで描画する。これを現像することで、ＳｉＯ２上に円形パターンの正方格子状に配置されたレジストが残る。
次に、ＩＣＰ装置を用いて、ＣＦ４ガスでＳｉＯ２をエッチングし、レジストを除去することで、ＳｉＯ２をハードマスクとしたパターンが形成される。
Ｃｌ２ガスを用いたＩＣＰ装置で、ｐ−ＧａＮ５１３からｐ−ＧａＮ５０６までの層を、１６８．４ｎｍエッチングする。
ハードマスクとして用いたＳｉＯ２を除去することで、空孔２１４が形成され図６（ｂ）の構造が出来る。
【００２９】
再び、ＭＯＣＶＤ装置に基板をセットして窒素ガスとＮＨ３ガスを供給しながら１０２５℃まで加熱しｐ−ＧａＮ５１３をマストランスポートさせ空孔２１４上部をｐ−ＧａＮ５１３で充填する。
また、ｐ−ＧａＮ５１３で充填したキャップ層の抵抗率を下げるために、ドーパントとしてＣｐ２Ｍｇも供給しながら熱処理を行う。
図３を参照して、１０２５℃で熱処理すると厚さ３４ｎｍのキャップ層が形成される。この熱処理工程で図６（ｃ）のように、ｐ−ＧａＮ５０７の空孔部分と、ＡｌＮ５０８の空孔部分がｐ−ＧａＮ５１３で充填され、第２の半導体を有する層１０７と、ＡｌＮ５０８とｐ−ＧａＮ５１３で構成される放熱層１０８が形成される。
さらに、低屈折率媒質１０６ｂとして空気５０６ｂとｐ−ＧａＮ５０６で構成される２次元フォトニック結晶１０６も形成される。ｐ−ＧａＮ５１３はマストランスポートで４．４ｎｍ薄くなる。
【００３０】
最後に、図６（ｄ）のように残りの層と電極を形成する。
まず、ｐ型クラッド層１０９としてｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ５０９を４００ｎｍ、コンタクト層１１０としてｐ−ＧａＮ５１０を５０ｎｍ成長させる。ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出し、蒸着装置でｐ電極１１１としてＮｉ／Ａｕからなる電極５１１を形成する。
基板裏面に、ｎ電極１１２として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌからなる電極５１２を形成する。
以上の工程で、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
【００３１】
［実施例２］
実施例２として、上記式（１）、式（２）を満たし、式（１）の左辺と右辺が等しい場合の形態を用いた構成例について説明する。
これは図４（c）の形態に相当するものであり、フォトニック結晶層を活性層より下部のｎ側に形成される。
本実施例のフォトニック結晶層の形成においては、まず、図７（ａ）の構造を形成する。基板１０１としてｎ−ＧａＮ基板６０１を用いる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置で以下の層を順に形成する。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてｎ−ＧａＮ６１５を２μｍ、ｎ型クラッド層１０２としてｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ６０２を５００ｎｍ成長させる。
次に、第１の半導体からなる層２０６としてｎ−ＧａＮ６０６を１５０ｎｍ、第２の半導体からなる層２０７としてｎ−ＧａＮ６０７を１２ｎｍ成長させる。ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出し、プラズマＣＶＤ装置で第２の半導体からなる層より熱伝導率の高い材料からなる層２０８として、ダイヤモンド６０８を５０ｎｍ堆積させる。
さらに、第３の半導体からなる層２１３としてＧａＮ６１３を１３ｎｍ堆積する。
次に、フォトニック結晶のパターンを形成する。実施例１と同様に電子線リソグラフィーとＩＣＰ装置を用いて、ＧａＮ６１３層からｎ−ＧａＮ６０６まで合計１６３ｎｍエッチングする。
エッチング後、ＳｉＯ２を除去することで空孔２１４が形成され図７（ｂ）の構造が出来る。
【００３２】
再び、ＭＯＣＶＤ装置に基板をセットして窒素ガスとＮＨ３ガスを供給しながら９５０℃まで加熱しＧａＮ６１３をマストランスポートさせ空孔２１４上部をＧａＮ６１３で充填する。
また、孔２１４上部に充填するＧａＮ６１３をｎ型にするために、ドーパントとしてＳｉＨ４も供給しながら熱処理を行う。図３を参照して、９５０℃で熱処理すると厚さ６２ｎｍのキャップ層が形成される。
この熱処理工程で図７（ｃ）のように、ｎ−ＧａＮ６０７の空孔部分と、ダイヤモンド６０８の空孔部分がＧａＮ５１３で充填され、第２の半導体を有する層１０７と、ダイヤモンド６０８とＧａＮ６１３で構成される放熱層１０８が形成される。
さらに、低屈折率媒質１０６ｂとして空気６０６ｂとｎ−ＧａＮ６０６で構成される２次元フォトニック結晶１０６も形成される。ＧａＮ６１３はマストランスポートで完全に空孔２１４上部に輸送される。
【００３３】
最後に、図７（ｄ）のように残りの層と電極を形成する。
まず、ＧａＮ層６１４を４０ｎｍ、活性層１０４として３周期のＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸６０４を成長させる。
井戸層であるＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの厚さは２．５ｎｍで、障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は４００ｎｍである。
次に、ｐ−ＧａＮ６１４を８０ｎｍ、電子ブロック層１０５としてｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ６０５を２０ｎｍ成長させ、ｐ型クラッド層１０９としてｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを５００ｎｍ、コンタクト層１１０としてｐ−ＧａＮ６１０を５０ｎｍ成長させる。
ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出し、基板表面に蒸着装置でｐ電極１１１としてＮｉ／Ａｕからなる電極６１１を形成する。
基板裏面に、ｎ電極１１２として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌからなる電極６１２を形成する。
以上の工程で、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
【００３４】
［実施例３］
実施例３として、上記式（１）を満たさず、式（３）を満たす場合の形態を用いた構成例について説明する。これは図５（e）の形態に相当するものであり、フォトニック結晶層を活性層より下部のn側に形成される。
本実施例のフォトニック結晶層の形成においては、まず、図８（ａ）の構造を形成する。基板１０１としてｎ−ＧａＮ基板７０１を用いる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置で以下の層を順に形成する。
始めに、結晶性向上のためのバッファ層としてｎ−ＧａＮ７１５を２μｍ成長させる。
続いて、ｎ型クラッド層１０２としてｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ７０２を８００ｎｍ、ｎ側ガイド層１０３としてＧａＮ７０３を８０ｎｍ成長させる。
その上に、活性層１０４として３周期のＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸７０４を成長させる。
井戸層であるＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎの厚さは２．５ｎｍで、障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は４００ｎｍである。
次に、電子ブロック層１０５としてｐ−Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ７０５を２０ｎｍ成長させる。
そして、第１の半導体からなる層２０６としてｐ−ＧａＮ７０６を１８０ｎｍ、第２の半導体からなる層２０７としてｐ−ＧａＮ７０７を２４ｎｍ、第２の半導体からなる層より熱伝導率の高い材料からなる層２０８として、ＡｌＮ７０８を１０ｎｍ成長させる。
さらに、第３の半導体からなる層２１３としてｐ−ＧａＮ７１３を２ｎｍ成長させる。
【００３５】
次に、ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出してフォトニック結晶のパターンを形成する。まず、基板表面にＳｉＯ２を形成する。
次に、レジストを塗布し電子線リソグラフィーを用いて、半径３０ｎｍの円形のパターンを正方格子状に格子長さ１６０ｎｍで描画する。これを現像することで、ＳｉＯ２上に円形パターンの正方格子状に配置されたレジストが残る。
次に、ＩＣＰ装置を用いて、ＣＦ４ガスでＳｉＯ２をエッチングし、レジストを除去することで、ＳｉＯ２をハードマスクとしたパターンが形成される。
Ｃｌ２ガスを用いたＩＣＰ装置で、ｐ−ＧａＮ５１３からｐ−ＧａＮ７０６までの層を、１３６ｎｍエッチングする。ハードマスクとして用いたＳｉＯ２を除去することで、空孔２１４が形成され図８（ｂ）の構造が出来る。
【００３６】
再び、ＭＯＣＶＤ装置に基板をセットして窒素ガスとＮＨ３ガスを供給しながら１０２５℃まで加熱しｐ−ＧａＮ７１３をマストランスポートさせる。
図３を参照して、１０２５℃で熱処理すると厚さ３４ｎｍのキャップ層が形成される。
しかし、ｐ−ＧａＮ７１３の厚さが十分ではないため、図８（ｃ）のように空孔上部の一部分のみｐ−ＧａＮ７１３で充填される。
この後ＩＩＩ族原料としてトリメチリガリウムとｐ型ドーパントとしてＣｐ２Ｍｇを供給してｐ−ＧａＮ７１５を成長させる。
前熱処理工程で空孔２１４の上部が細くなっているため、原料が空孔２１４の底まで到達できない。
その結果、空孔２１４の上部は完全に成長によって塞がれ、第２の半導体を有する層１０７と、ＡｌＮ７０８とｐ−ＧａＮ７１３で構成される放熱層１０８が形成される。さらに低屈折率媒質１０６ｂとして空気７０６ｂとｐ−ＧａＮ７０６で構成される２次元フォトニック結晶１０６も形成される。
【００３７】
最後に、図８（ｄ）のように残りの層と電極を形成する。
まず、ｐ型クラッド層１０９としてｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ７０９を４００ｎｍ、コンタクト層１１０としてｐ−ＧａＮ７１０を５０ｎｍ成長させる。ＭＯＣＶＤ装置から基板を取り出し、蒸着装置でｐ電極１１１としてＮｉ／Ａｕからなる電極７１１を形成する。
基板裏面に、ｎ電極１１２として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｌからなる電極７１２を形成する。
以上の工程で、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
【符号の説明】
【００３８】
１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０１：基板
１０２：ｎ型クラッド層
１０３：ｎ側ガイド層
１０４：活性層
１０５：電子ブロック層
１０６：２次元フォトニック結晶層
１０６ａ：第１の半導体
１０６ｂ：低屈折率媒質
１０７：第２の半導体を有する層
１０８：放熱層
１０８ａ：放熱部
１０８ｂ：第３の半導体
１０９：ｐ型クラッド層
１１０：コンタクト層
１１１：ｐ電極
１１２：ｎ電極
【図１】
2013058686.tif 000010
【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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