(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面（３ａ）を有する基板（３）と、
前記主面が延びる方向に沿って前記基板上に形成され、窒化ガリウムよりなるエピタキシャル層（２ａ）と、前記エピタキシャル層よりも低屈折率である低屈折率材料（２ｂ）とを含む２次元回折格子（７）と、
前記基板上に形成された第１導電型クラッド層（４）と、
前記基板上に形成された第２導電型クラッド層（６）と、
前記第１および前記第２導電型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層（５）と、
前記２次元回折格子の真上を覆う窒化ガリウムを含む層（１２）とを備え、
前記低屈折率材料（２ｂ）は複数の孔（２ｃ）を有し、前記複数の孔内に回折格子点となる前記エピタキシャル層（２ａ）を構成する窒化ガリウムが埋め込まれている、半導体レーザ素子（１ａ）。
【請求項２】
第１導電型クラッド層（４）、活性層（５）、および第２導電型クラッド層（６）をこの順序で基板（３）上に形成する工程と、
所定のパターンを有する、窒化ガリウムよりも低屈折率である低屈折率材料（２ｂ）を前記基板（３）上に形成する工程と、
前記低屈折率材料を形成する工程後に、窒化ガリウムよりなるエピタキシャル層（２ａ）を前記基板上に形成するエピタキシャル層形成工程と、
前記エピタキシャル層形成工程後に、前記低屈折率材料の真上の領域で前記基板の主面に沿って窒化ガリウムを含む層（１２）を成長させる工程とを備える、半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項３】
前記第１導電型クラッド層（４）、前記活性層（５）、および前記第２導電型クラッド層（６）をいずれもエピタキシャル法により形成する、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項４】
前記低屈折率材料（２ｂ）がＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、およびＬｉＦからなる群より選ばれる少なくも１種以上の材料よりなる、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項５】
前記低屈折率材料（２ｂ）のパターンは複数の柱状部のパターンである、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項６】
前記低屈折率材料（２ｂ）のパターンは複数の孔のパターンである、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１ａ）の製造方法。
【請求項７】
前記窒化ガリウムを含む層（１２）を成長させる工程において、有機金属気相成長法を用いて前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項８】
前記窒化ガリウムを含む層（１２）を成長させる工程において、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求項２に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項９】
第１導電型クラッド層（４）、活性層（５）、および第２導電型クラッド層（６）をエピタキシャル法によりこの順序で基板（３）上に形成する工程と、
窒化ガリウムよりなるエピタキシャル層（２ａ）を前記基板上に形成する工程と、
前記エピタキシャル層を２次元回折格子（７）に成形する工程と、
前記２次元回折格子の真上の領域で前記基板の主面に沿って窒化ガリウムを含む層（１２）を成長させる工程とを備える、半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項１０】
前記２次元回折格子（７）に成形する工程において、前記エピタキシャル層（２ａ）に複数の空気孔（２ｂ）を形成する、請求項９に記載の半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項１１】
前記２次元回折格子（７）に成形する工程において、前記エピタキシャル層（２ａ）を複数の柱形状に成形する、請求項１０に記載の半導体レーザ素子（１ａ）の製造方法。
【請求項１２】
前記基板（３）は導電性窒化ガリウムまたは導電性炭化シリコンよりなる、請求項１０に記載の半導体レーザ素子（１）の製造方法。
【請求項１３】
第１導電型クラッド層（４）、活性層（５）、および第２導電型クラッド層（６）をエピタキシャル法によりこの順序で基板（３）上に形成する工程と、
窒化ガリウムよりなるエピタキシャル層（２ａ）を前記基板上に形成する工程と、
前記エピタキシャル層に複数の孔（２ｅ）を形成する工程と、
有機金属気相成長法を用いて、前記複数の孔の真上の領域で前記基板の主面に沿って窒化ガリウムを含む層（８）を成長させる工程とを備える、半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項１４】
前記窒化ガリウムを含む層（８）を成長させる工程において、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求項１３に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項１５】
前記窒化ガリウムを含む層（８）を成長させる工程において、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上にした状態で前記窒化ガリウムを含む層を形成する、請求項１３に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項１６】
前記複数の孔（２ｅ）を形成する工程の後に、窒化ガリウムよりも低屈折率である低屈折率材料（２ｂ）を前記複数の孔の内部に形成する工程をさらに備える、請求項１３に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項１７】
前記複数の孔（２ｅ）を形成する工程は、前記複数の孔を形成する部分以外の前記エピタキシャル層（２ａ）上にレジスト（２０）を形成する工程と、前記レジストをマスクとして前記エピタキシャル層をエッチングする工程とを含み、
前記低屈折率材料（２ｂ）を形成する工程は、前記複数の孔の内部および前記レジスト上に蒸着法を用いて前記低屈折率材料を形成する工程と、前記レジストとともに前記レジスト上の前記低屈折率材料を除去する工程とを含む、請求項１６に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【請求項１８】
前記低屈折率材料（２ｂ）を形成する工程において、化学気相成長法を用いて前記低屈折率材料を形成する、請求項１６に記載の半導体レーザ素子（１ｂ）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本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、ＧａＮ（窒化ガリウム）のエピタキシャル層を含む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】
ＤＦＢ（Distributed  feedback）レーザは、内部に設けられた１次元の回折格子によって前進波と後進波との結合を誘起し、その結果生じる定在波を利用したレーザである。この現象は、１次元の回折格子に対しブラック条件を満たす特定の波長の光でのみ生じる。したがって、ＤＦＢレーザによれば、縦モード（発振される光の光軸方向の共振モード）が単一モードである光を安定して発振することができる。【０００３】
一方、ＤＦＢレーザにおいて、発振される光の光軸方向（言い換えれば回折格子に対して垂直な方向）以外の方向の光は、回折格子により回折されても定在波とはならず、フィードバックされない。つまり、ＤＦＢレーザでは、発振される光の光軸方向以外の方向の光は発振に関与せずにロスになるので、その分だけ発光効率が悪いという欠点があった。【０００４】
そこで、近年、２次元の屈折率分布を持った２次元フォトニック結晶レーザが開発されつつある。２次元フォトニック結晶レーザによれば、発振される光の光軸方向以外の光であっても、フォトニック結晶面内に存在するさまざまな方向の光を回折して定在波を生じさせることで、発光効率を向上することができる。また、２次元フォトニック結晶レーザは、フォトニック結晶の主面に対して垂直な方向に面発光するという特徴を有しているので、レーザ光の出力を増加することができる。従来の２次元フォトニック結晶レーザは、たとえば以下の構造を有している。【０００５】
２次元フォトニック結晶レーザは、ダブルへテロ接合を形成するように形成されたｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層と、ＩｎＰ基板と、２つの電極とを備えている。ＩｎＰ基板の主面には、所定の格子配列（たとえば三角格子や正方格子など）で複数の孔が開口されている。これにより、孔の開いていない部分はＩｎＰの屈折率（ｎ＝３．２１）となり、孔の開いている部分は空気の屈折率（ｎ＝１）となり、ＩｎＰ基板の主面は周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶（２次元回折格子）となる。このＩｎＰ基板の主面上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層がこの順序で形成されている。ｐ型クラッド層の主面と、フォトニック結晶が形成されていない側のＩｎＰ基板の主面との各々に、２つの電極の各々が形成されている。【０００６】
このような２次元フォトニック結晶レーザでは、２つの電極間に適当な電圧を印加することによって、正孔と電子とが活性層に注入される。そして、正孔と電子とが再結合すると、所定の波長を持った光が活性層内に発生する。そして、この光が活性層外へ漏れ出してエバネッセント光となり、フォトニック結晶層に伝搬し、フォトニック結晶層内における孔の格子点でブラック反射を繰り返す。その結果、各格子点間で定在波が発生し、波長および位相が揃った光となる。そして、この光がフォトニック結晶の主面に垂直な方向から発振される。【０００７】
従来の２次元フォトニック結晶レーザは、第１のＩｎＰ基板上にフォトニック結晶が形成された形態の第１の部品と、第２のＩｎＰ基板上にｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層が形成された形態の第２の部品とを作製し、第１のＩｎＰ基板のフォトニック結晶と、第２のＩｎＰ基板におけるフォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを融着貼り付けし、その後第２のＩｎＰ基板を除去し、２つの電極を形成することによって製造されていた。【０００８】
なお、従来の２次元フォトニック結晶レーザは、たとえば特許文献１、非特許文献１、および非特許文献２に開示されている。特許文献１では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板上にＩｎＧａＡｓなどよりなるフォトニック結晶構造が形成された２次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献１では、ＩｎＰよりなる基板上にＩｎＰよりなるフォトニック結晶が形成された２次元フォトニック結晶レーザが開示されている。また、非特許文献２では、ｎ型ＩｎＰよりなる基板に孔を形成したフォトニック結晶を有する２次元フォトニック結晶レーザが開示されている。これらの２次元フォトニック結晶レーザは、全て赤外光を発振するレーザである。さらに、非特許文献３には、ＧａＮエピタキシャル層同士を融着貼り付けする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号公報
【非特許文献１】横山光他、「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」、日本赤外線学会誌、２００３年、第１２巻、第２号、第１７頁〜第２３頁
【非特許文献２】M.Imada, et al., "Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal ", App. Phys. Lett., 75 （3） pp.316-318, 19 July 1999
【非特許文献３】T.Tokuda, et al., "Wafer Fusion Technique Applied to GaN/GaN System", Jpn. J. Appl. Phys., 39 (2000) Pt.2, No.6B pp.L572-L574.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、青色や紫外光などの短波長の光を発振する２次元フォトニック結晶レーザへの要望が高まっている。青色や紫外光などの短波長の光を発振するためには、紫外光領域のバンドギャップを有するＧａＮなどの材料をフォトニック結晶として用いることが必要になる。しかしながら、ＧａＮをフォトニック結晶として用いた場合には、２次元フォトニック結晶レーザを製造する際にたとえば以下の問題が生じる。【００１０】
上述のように、２次元フォトニック結晶レーザの製造の際には、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層（ｎ型あるいはｐ型クラッド層）とを別体で作製した後で、フォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層とを融着貼り付けする必要がある。しかし、ＧａＮ結晶表面のＲＭＳ（自乗平均面粗さ）は通常２ｎｍ以上であり、ＧａＮ結晶表面の平坦性は低い。このため、ＧａＮよりなるフォトニック結晶は、他の層と融着貼り付けすることが難しいという問題があった。特に、ｐ型ＧａＮよりなるフォトニック結晶と、ｐ型ＧａＮよりなるクラッド層とを融着貼り付けした場合には、フォトニック結晶とクラッド層とがオーミック接合しない。【００１１】
また、ＧａＮよりなるフォトニック結晶と、フォトニック結晶の真上に形成される層との融着貼り付けは、通常、還元雰囲気で高温高圧の状態で行なわれる。このため、融着貼り付けの際にデバイスに歪みなどのダメージを与えやすいという問題があった。【００１２】
そこで、本発明の目的は、融着貼り付けを行なわずに製造することのできる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】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は、主面を有する基板と、主面が延びる方向に沿って基板上に形成され、ＧａＮよりなるエピタキシャル層と、エピタキシャル層よりも低屈折率である低屈折率材料とを含む２次元回折格子と、基板上に形成された第１導電型クラッド層と、基板上に形成された第２導電型クラッド層と、第１および第２導電型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層と、２次元回折格子の真上を覆うＧａＮを含む層とを備えている。【００１４】
本発明の半導体レーザ素子によれば、２次元回折格子の真上を覆っているＧａＮを含む層は、エピタキシャル法を用いることによって前記のエピタキシャル層の真上に形成される。すなわち、２次元回折格子と、２次元回折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、２次元回折格子上にクラッド層などを形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００１５】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、エピタキシャル層は複数の孔を有しており、複数の孔内に回折格子点となる低屈折率材料が埋め込まれている。【００１６】
これにより、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子となる。【００１７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、低屈折率材料は複数の孔を有しており、複数の孔内に回折格子点となるエピタキシャル層を構成するＧａＮが埋め込まれている。【００１８】
これにより、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子となる。【００１９】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子の真上を覆っているＧａＮを含む層とＧａＮよりなるエピタキシャル層とが同一の層、もしくは連続してエピタキシャル成長した層である。【００２０】
これにより、低屈折率材料の上部および側部をエピタキシャル層が覆っているような形態の２次元回折格子となる。【００２１】
本発明の一の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型クラッド層、活性層、および第２導電型クラッド層をこの順序で基板上に形成する。所定のパターンを有する、ＧａＮよりも低屈折率である低屈折率材料を基板上に形成する。低屈折率材料を形成した後で、ＧａＮよりなるエピタキシャル層を基板上に形成する（エピタキシャル層形成工程）。エピタキシャル層形成工程後に、低屈折率材料の真上の領域で基板の主面に沿ってＧａＮを含む層を成長させる。【００２２】
本発明の一の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、ＧａＮよりなるエピタキシャル層を形成した後で、ＧａＮを含む層がエピタキシャル層上においてエピタキシャル成長し、低屈折率材料の真上の領域で基板の主面に沿って成長する。これにより、エピタキシャル層と低屈折率材料とによって構成される２次元回折格子と、２次元回折格子上を覆うＧａＮを含む層とが形成される。つまり、２次元回折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、２次元回折格子上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００２３】
上記製造方法において好ましくは、第１導電型クラッド層、活性層、および第２導電型クラッド層をいずれもエピタキシャル法により形成する。【００２４】
これにより、第１導電型クラッド層、活性層、および第２導電型クラッド層の結晶性が良好になるので、活性層よりも上にエピタキシャル層を形成する場合にエピタキシャル層の結晶性を向上することができる。【００２５】
本発明の半導体レーザ素子および上記製造方法において好ましくは、低屈折率材料がＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、およびＬｉＦからなる群より選ばれる少なくも１種以上の材料よりなっている。【００２６】
これらの材料はいずれもエピタキシャル層の屈折率よりも十分に低い屈折率を有している。エピタキシャル層と低屈折率材料との屈折率の差を大きくすることで、エピタキシャル層を有効な２次元回折格子として働かせることができる。また、ＧａＮ系材料に比べてこれらの材料の上にはＧａＮを含む層が成長しにくいので、ＧａＮを含む層を下地であるＧａＮ系材料上のみで選択的に成長させることができる。【００２７】
上記製造方法において好ましくは、低屈折率材料のパターンは複数の柱状部のパターンである。これにより、回折格子点が低屈折率材料によって構成されている２次元回折格子が得られ、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【００２８】
上記製造方法において好ましくは、低屈折率材料のパターンは複数の孔のパターンである。これにより、ＧａＮエピタキシャル層よりなる複数の柱状部によって回折格子点が構成されている２次元回折格子が得られ、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【００２９】
上記製造方法において好ましくは、ＧａＮを含む層を成長させる工程において、有機金属気相成長法を用いてＧａＮを含む層を形成する。これにより、ＧａＮを含む層を基板の主面に沿って成長させ易くなる。【００３０】
上記製造方法において好ましくは、ＧａＮを含む層を成長させる工程において、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下にした状態でＧａＮを含む層を形成する。これにより、ＧａＮを含む層を基板の主面に沿って成長させ易くなる。【００３１】
本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型クラッド層、活性層、および第２導電型クラッド層をエピタキシャル法によりこの順序で基板上に形成する。ＧａＮよりなるエピタキシャル層を基板上に形成する。エピタキシャル層を２次元回折格子に成形する。２次元回折格子の真上の領域で基板の主面に沿ってＧａＮを含む層を成長させる。【００３２】
本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、２次元回折格子の真上の領域で基板の主面に沿ってＧａＮを含む層がエピタキシャル成長する。これにより、２次元回折格子と、２次元回折格子上を覆うＧａＮを含む層とが形成される。つまり、２次元回折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、２次元回折格子上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００３３】
本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、２次元回折格子を成形する工程において、エピタキシャル層に複数の空気孔を形成する。【００３４】
これにより、回折格子点が複数の空気孔によって構成されている２次元回折格子が得られ、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【００３５】
本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、２次元回折格子を成形する工程において、エピタキシャル層を複数の柱形状に成形する。【００３６】
これにより、空気による間隙が形成され、エピタキシャル層よりなる複数の柱状部によって回折格子点が構成されている２次元回折格子が得られ、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【００３７】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法において好ましくは、基板は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣ（炭化シリコン）よりなっている。【００３８】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮをエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ結晶が得られる、したがって、エピタキシャル層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、導電性を有する基板を用いると、基板に電極を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るので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。【００３９】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えている。第１導電型クラッド層、活性層、および第２導電型クラッド層をエピタキシャル法によりこの順序で基板上に形成する。ＧａＮよりなるエピタキシャル層を基板上に形成する。エピタキシャル層に複数の孔を形成する。有機金属気相成長法を用いて、複数の孔の真上の領域で基板の主面に沿ってＧａＮを含む層を成長させる。【００４０】
本発明の他の局面における半導体レーザ素子の製造方法によれば、複数の孔の真上の領域で基板の主面に沿ってＧａＮを含む層が成長する。これにより、２次元回折格子と、２次元回折格子上を覆うＧａＮを含む層とが形成される。つまり、２次元回折格子の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、２次元回折格子上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００４１】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、ＧａＮを含む層を成長させる工程において、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下にした状態でＧａＮを含む層を形成する。これにより、ＧａＮを含む層が基板の主面に沿って成長しやすくなり、複数の孔の真上の領域をＧａＮを含む層で容易に覆うことができる。【００４２】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、ＧａＮを含む層を成長させる工程において、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上にした状態でＧａＮを含む層を形成する。ＧａＮを含む層は、減圧雰囲気において横方向（基板の主面に平行な方向）への成長が促進される。しかし、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上にすることにより、横方向の成長が促進されすぎてＧａＮを含む層が孔の側面からも成長することを抑止することができる。【００４３】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、複数の孔を形成する工程の後に、窒化ガリウムよりも低屈折率である低屈折率材料を複数の孔の内部に形成する工程がさらに備えられている。これにより、ＧａＮを含む層が孔の内部からも成長することを抑止することができる。また、低屈折率材料によって回折格子点を構成することができる。【００４４】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、複数の孔を形成する工程は、複数の孔を形成する部分以外のエピタキシャル層上にレジストを形成する工程と、レジストをマスクとしてエピタキシャル層をエッチングする工程とを含んでいる。低屈折率材料を形成する工程は、複数の孔の内部およびレジスト上に蒸着法を用いて低屈折率材料を形成する工程と、レジストとともにレジスト上の低屈折率材料を除去する工程とを含んでいる。【００４５】
これにより、レジスト上の余分な低屈折率材料をレジストとともに容易に除去することができる。【００４６】
本発明のさらに他の局面における半導体レーザ素子の製造方法において好ましくは、低屈折率材料を形成する工程において、化学気相成長法を用いて低屈折率材料を形成する。【００４７】
化学気相成長法を用いると、孔の内壁（側面および底面）に沿って低屈折率材料が形成される。このため、孔の内壁全面を低屈折率材料で覆うことができ、ＧａＮを含む層が孔の内部から成長することを抑止することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【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図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】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図である。
【図４】２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。
【図５】図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。
【図６】（ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。（ｂ）は、（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。
【図７】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第４工程を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第５工程におけるエピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（ａ）は第１状態、（ｂ）は第２状態、（ｃ）は第３状態、（ｄ）は第４状態、（ｅ）は第５状態、（ｆ）は第６状態を示している。
【図１２】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法の第６工程を示す図である。
【図１３】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図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の製造方法の第４工程におけるエピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（ａ）は第１状態、（ｂ）は第２状態、（ｃ）は第３状態、（ｄ）は第４状態、（ｅ）は第５状態、（ｆ）は第６状態を示している。
【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製造方法の第５工程を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程の他の形態を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程におけるエピタキシャル層の成長の様子を示す模式図である。（ａ）は第１状態、（ｂ）は第２状態、（ｃ）は第３状態、（ｄ）は第４状態を示している。
【図２３】本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。
【図２４】２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。
【図２５】本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図２６】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す図である。
【図２７Ａ】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す図である。
【図２７Ｂ】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程の変形例を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の製造方法の第３工程を示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の製造方法の第４工程を示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の他の製造方法の第１工程を示す図である。
【図３１】本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子の他の製造方法の第２工程を示す図である。
【図３２】本発明の実施例４において、雰囲気の圧力を大気圧に保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【図３３】本発明の実施例４において、雰囲気の圧力を２０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【図３４】本発明の実施例６において、雰囲気の圧力を２０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【図３５】本発明の実施例６において、雰囲気の圧力を６０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【図３６】本発明の実施例６において、ＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成した場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【図３７】本発明の実施例６において、ＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成しなかった場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１ａ〜１ｃ  半導体レーザ素子、２ａ  エピタキシャル層、２ｂ  回折格子点（低屈折率材料、孔）、２ｃ，２ｅ，２０ａ  孔、２ｄ  溝、３  基板、３ａ，３ｂ  基板主面、４，８ａ  ｎ型クラッド層、５  活性層、６，８  ｐ型クラッド層、７，７ａ  フォトニック結晶層（２次元回折格子）、９  コンタクト層、９ａ  光放出面、１０，１１  電極、１２  ＧａＮ層、１７  フォトニック結晶層表面、１８  低屈折率材料の真上の領域、２０  レジスト、２０ｂ  柱状部、２４  低屈折率材料よりなる膜。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（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図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２に示すように、半導体レーザ素子１は、基板３と、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、ｐ型クラッド層６と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７と、ＧａＮ層１２と、ｐ型クラッド層８と、コンタクト層９と、電極１０および１１とを備えている。【００５２】
基板３は、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣのいずれかよりなっており、主面３ａおよび３ｂを有している。基板３上には、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６が形成されており、活性層５がｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれている。フォトニック結晶層７は主面３ａが延びる方向に沿って基板３上に形成されている。また、フォトニック結晶層７は、エピタキシャル層２ａと、エピタキシャル層２ａよりも低屈折率である複数の回折格子点（低屈折率材料）２ｂとを含んでいる。エピタキシャル層２ａはＧａＮよりなっている。また、エピタキシャル層２ａには複数の孔２ｃが形成されており、複数の孔２ｃの内部に低屈折率材料が埋め込まれている。この低屈折率材料が回折格子点２ｂである。【００５３】
フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７の真上を覆うように形成されたＧａＮ層１２とは、共にＧａＮよりなっており、同一の層である（境界がない）。なお、本発明においてＧａＮ層１２は必須の層ではなく、フォトニック結晶層７の真上にたとえばＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層８が形成されていてもよい。【００５４】
基板３上には、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、フォトニック結晶層７、ＧａＮ層１２、ｐ型クラッド層８、およびコンタクト層９が、この順序で積層されている。コンタクト層９の上には円形状の電極１０が設けられており、基板３の主面３ａとは反対側の主面３ｂには、一面に電極１１が設けられている。電極１０および１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。【００５５】
活性層５はＧａＮを含んでおり、たとえばＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ，ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる多重量子井戸により構成されている。活性層５は、フォトニック結晶層７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ていてもよい。また、フォトニック結晶層７に沿って設けられ複数の量子箱として形成されていてもよい。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。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。【００５６】
図３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図である。図３に示すように、フォトニック結晶層７において、エピタキシャル層２ａの表面１７に複数の回折格子点２ｂが３角格子を形成するように設けられている。各回折格子点２ｂの中心と、これと最も近い隣接の６個の回折格子点２ｂの中心との距離は等しい値であり、孔の中心の間隔はたとえば０．１９μｍであり、孔２ｂの直径はたとえば０．０９μｍである。【００５７】
エピタキシャル層２ａ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低屈折率材料２ｂは第２の屈折率を有する。第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとると、所望のフォトニック結晶の特性を得ることができる。低屈折率材料２ｂは、少なくともエピタキシャル層２ａよりも低屈折率の材料であればよく、たとえばＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、またはＬｉＦなどよりなっている。【００５８】
フォトニック結晶層７は、第１の方向と、この方向と所定の角度をなす第２の方向とに対して、等しい周期（格子定数に対応する値）を有する回折格子である。フォトニック結晶層７には、上記の２方向およびそれらの方向の周期に関して様々な選択が可能である。また、フォトニック結晶層７における電極１０（図１）の真下の領域Ａは、電極１０から高電流密度の電流が注入される領域であるので、光を放出する領域として機能する。半導体レーザ素子１の発光方法については、後ほど説明する。【００５９】
図１および図２を参照して、ｎ型クラッド層４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型クラッド層６はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６は、活性層５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４およびｐ型クラッド層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４およびｐ型クラッド層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４、活性層５、およびｐ型クラッド層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。【００６０】
また、ｐ型クラッド層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のを抑止することができる。【００６１】
ｐ型クラッド層８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層８は、活性層５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。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。また、コンタクト層９は、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。【００６２】
なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板３の厚さはたとえば１００μｍであり、フォトニック結晶層７の厚さはたとえば０．１μｍであり、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、活性層５およびｐ型クラッド層６の厚みはたとえば０．１μｍである。【００６３】
次に、半導体レーザ素子１の発光方法について、図１〜図３を用いて説明する。
電極１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層６および８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層４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（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。【００６４】
活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６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。【００６５】
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、電極１０を中心にした領域Ａおよびその付近において生じうる。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。【００６６】
続いて、２次元回折格子（フォトニック結晶層）７について具体例を掲げながら説明する。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次元格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、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３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６角格子とそれぞれ呼ぶ。【００６７】
図４は、２次元回折格子として、格子間隔がａである３角格子を描いた図面である。３角格子は、一辺の長さがａである正三角形によって埋め尽くされている。図４において、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。【００６８】
２次元回折格子７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度の角度を方向に向けて設けられた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度の方向に向けて設けられた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あう。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ｄであり、１次元格子内の間隔はａである。【００６９】
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はエピタキシャル層２ａ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。【００７０】
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。【００７１】
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、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の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７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。  【００７２】
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７の主面に対して垂直方向（図４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７の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。【００７３】
さらに、２次元回折格子７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。２次元回折格子７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。【００７４】
図５は、図４に示された３角格子が有する逆格子空間を示した図面である。逆格子空間におけるブリリアンゾーンの中心Γ点、このΓ点と隣接ブリリアンゾーンのΓ点とを結んだ直線がブリリアンゾーンの境界と交差するＸ点、互いに隣接する３ブリリアンゾーンが一点において接するＪ点が示されている。図５におけるΓ点、Ｘ点、Ｊ点から規定される方向は、図４に説明において参照したΓ−Ｘ方向およびΓ−Ｊ方向に対応する。【００７５】
図６（ａ）は、図４に示された３角格子について、ＩｎＰよりなるフォトニック結晶層に関して、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示したフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。図１のフォトニック結晶層７は、図６（ａ）に示された分散関係、つまりフォトニックバンド構造を有する。本明細書において、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも２次元の周期的な屈折率分布に基づき光子のエネルギに対して規定された分散関係をいう。【００７６】
図６（ａ）および（ｂ）を参照して、Γ点およびその付近の波数範囲では、Ｓで示す部分およびＰで示す部分において、フォトニックバンドギャップが存在している。ここでは、Ｓで示す部分を「第１フォトニックバンドギャップ」と呼び、Ｐで示す部分を「第２フォトニックバンドギャップ」と呼ぶ。第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω1は約０．３５となっており、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω2は約０．６１となっている。ここで、Γ点は波数ベクトルｋ＝０の点であるので、光の規格化周波数ωが規格化周波数ω1およびω2の場合には、結晶方向に関わらず定在波が立つことになる。同様の計算を本願のＧａＮよりなるフォトニック結晶（３角格子）に対して行なうと、第１フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω1は約０．４７となり、第２フォトニックバンドギャップの規格化周波数ω2は約０．８２となる。【００７７】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法について、図７〜図１２を用いて説明する。【００７８】
始めに、図７を参照して、たとえば導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなる基板３を準備する。そして、たとえばＭＯＣＶＤ（Metal-organic  chemical  vapor  deposition：有機金属気相成長）法を用いて、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をこの順序で基板３上にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板３の直上にバッファ層を形成し、バッファ層の上にｎ型クラッド層４を形成してもよい。【００７９】
次に、図８を参照して、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２０（パターン層）をｐ型クラッド層６上に形成する。図８では、３角格子状に配列した複数の孔２０ａのパターンをレジスト２０は有している。【００８０】
続いて、図９を参照して、複数の孔２０ａの内部を埋めるように、低屈折率材料よりなる膜２４をたとえば蒸着法を用いてレジスト２０上に形成する。続いて、図１０を参照して、レジスト２０上に形成された膜２４をレジスト２０とともに除去（リフトオフ）する。これにより、ｐ型クラッド層６上には３角格子状に配列した柱形状を有する複数の低屈折率材料２ｂが残る。【００８１】
次に、ｐ型クラッド層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成する。図１１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１におけるエピタキシャル層の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１１（ａ）は図１０におけるＢ部を拡大した図である。【００８２】
図１１（ａ）〜（ｆ）を参照して、通常のＧａＮのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、言い換えれば、たとえばアンモニアガスが多い条件で、ＧａＮをエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率材料２ｂの上部や側面からはＧａＮはエピタキシャル成長せず、露出しているｐ型クラッド層６の表面からのみＧａＮ（エピタキシャル層２ａ）が選択的にエピタキシャル成長する（（ａ）→（ｂ））。ＧａＮは図中上方向に成長し、低屈折率材料２ｂの上端に達する（（ｂ）→（ｃ））。これにより、エピタキシャル層２ａにおける複数の孔２ｃの内部を低屈折率材料２ｂで埋めた構成のフォトニック結晶層７（図１）が得られる。【００８３】
低屈折率材料２ｂの上端に達すると、ＧａＮ（ＧａＮ層１２）は低屈折率材料２ｂの真上の領域１８で図中横方向に成長する（（ｃ）→（ｄ））。ＧａＮの成長方向は、基板３の主面３ａ（図１）に沿う方向である。その後、ＧａＮが低屈折率材料２ｂの真上の領域１８を完全に覆うと、ＧａＮ層１２は再び図中上方向に成長する（（ｄ）→（ｅ）→（ｆ））。これにより、ＧａＮ層１２が形成される。フォトニック結晶層７およびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成した後の状態を図１２に示す。【００８４】
このように、ＧａＮのエピタキシャル成長の条件を調節することで、融着貼り付けを行なわずにフォトニック結晶層７上にＧａＮ層１２を形成することができる。【００８５】
ここで、図１１（ｃ）〜（ｅ）で示されるようにフォトニック結晶層７を覆う層（図ではＧａＮ層１２）を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層７を覆う層としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌのいずれかと、Ｎとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック結晶層７を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下、好ましくは７０ｋＰａ以下にした状態でフォトニック結晶層７を覆う層を形成する。【００８６】
なお、本実施の形態では、エピタキシャル層２ａが低屈折率材料２ｂの真上の領域を覆っている構成について示したが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、たとえばエピタキシャル層２ａが低屈折率材料２ｂの上端に達した時点（図１１（ｃ）の時点）でエピタキシャル成長の条件を変えて、ＧａＮを含む（たとえばＡｌＧａＮなどの）ｐ型クラッド層８を引き続き成長させてもよい。この場合には低屈折率材料２ｂの真上の領域１８がｐ型クラッド層８で覆われる。後述する実施の形態２についても同様である。【００８７】
次に、図２を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９をこの順序でＧａＮ層１２上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１が完成する。【００８８】
本実施の形態の半導体レーザ素子１は、主面３ａを有する基板３と、主面３ａが延びる方向に沿って基板３上に形成され、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａと、エピタキシャル層２ａよりも低屈折率である低屈折率材料２ｂとを含むフォトニック結晶層７と、基板３上に形成されたｎ型クラッド層４と、基板３上に形成されたｐ型クラッド層６と、ｎ型クラッド層４およびｐ型クラッド層６に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層５と、フォトニック結晶層７の真上を覆うＧａＮ層１２とを備えている。【００８９】
本実施の形態の半導体レーザ素子１によれば、フォトニック結晶層７の真上を覆っているＧａＮ層１２は、エピタキシャル法を用いることによってエピタキシャル層２ａの真上に形成される。すなわち、フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォトニック結晶層７上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００９０】
また、本実施の形態の半導体レーザ素子１によれば、回折格子点が低屈折率材料２ｂよりなっているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、エピタキシャル層２ａと回折格子点との界面でのキャリアの非発光再結合が起こりにくくなる。したがって、半導体レーザ素子の特性を向上することができる。【００９１】
さらに、本実施の形態の半導体レーザ素子１によれば、回折格子点が低屈折率材料２ｂよりなっているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、空気中に含まれる水分などの不純物が素子の内部に進入したり、残留したりすることを防止することができる。これにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。【００９２】
本実施の形態の半導体レーザ素子１において、エピタキシャル層２ａは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃ内に回折格子点となる低屈折率材料２ｂが埋め込まれている。【００９３】
これにより、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子となる。【００９４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１においては、ＧａＮ層１２とエピタキシャル層２ａとが同一の層、もしくは連続してエピタキシャル成長した層である。【００９５】
これにより、低屈折率材料２ｂの上部および側部をエピタキシャル層が覆っているような形態のフォトニック結晶層７となる。【００９６】
本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法は、以下の工程を備えている。ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をこの順序で基板３上に形成する。所定のパターンを有する、ＧａＮよりも低屈折率である低屈折率材料２ｂよりなる膜２４を基板３上に形成する。膜２４の形成後に、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを基板３上に形成する（エピタキシャル層形成工程）。エピタキシャル層形成工程後に、低屈折率材料２ｂの真上の領域１８で基板３の主面３ａに沿ってＧａＮ層１２を成長させる。【００９７】
本実施の形態における半導体レーザ素子１の製造方法によれば、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを形成した後で、ＧａＮ層１２がエピタキシャル層２ａ上においてエピタキシャル成長し、低屈折率材料２ｂの真上の領域１８で基板３の主面３ａに沿って成長する。これにより、フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上を覆うＧａＮ層１２とが形成される。つまり、フォトニック結晶層７の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォトニック結晶層７上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【００９８】
上記製造方法においては、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をいずれもエピタキシャル法により形成する。【００９９】
これにより、ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６の結晶性が良好になるので、活性層５よりも上にエピタキシャル層２ａを形成する場合にエピタキシャル層２ａの結晶性を向上することができる。【０１００】
本実施の形態の半導体レーザ素子１およびその製造方法においては、低屈折率材料２ｂがＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、またはＬｉＦからなっている。【０１０１】
これらの材料はいずれもエピタキシャル層２ａの屈折率よりも十分に低い屈折率を有している。エピタキシャル層２ａと低屈折率材料２ｂとの屈折率の差を大きくすることで、良好な特性を持つフォトニック結晶層を作ることができる。また、エピタキシャル層２ａ上に比べてこれらの材料の上にはＧａＮ層１２が成長しにくいので、ＧａＮ層１２をエピタキシャル層２ａ上のみで選択的に成長させることができる。【０１０２】
上記製造方法において好ましくは、レジスト２０は複数の孔２０ａのパターンを有している。これにより、回折格子点が低屈折率材料２ｂによって構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【０１０３】
本実施の形態の半導体レーザ素子１およびその製造方法において、基板３は導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣよりなっている。【０１０４】
導電性ＧａＮまたは導電性ＳｉＣの上にＧａＮをエピタキシャル成長すると、転位密度が低く、平坦性の高いＧａＮ結晶が得られる、したがって、エピタキシャル層２ａ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、導電性を有する基板を用いると、基板３に電極１１を取り付けることで基板３を介して電流を注入することができるので、高電流密度の電流を活性層内へ注入することができる。【０１０５】
（実施の形態２）
図１３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図である。図１３に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいては、フォトニック結晶層７の構成が、実施の形態１における半導体レーザ素子１の場合と異なっている。すなわち、低屈折率材料２ｂは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃの各々の内部に回折格子点となるＧａＮからなるエピタキシャル層２ａが埋め込まれている。言い換えれば、実施の形態１の半導体レーザ素子１では、回折格子点が低屈折率材料２ｂによって構成されていたが、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａでは、回折格子点がエピタキシャル層２ａによって構成されている。【０１０６】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成は、実施の形態１における半導体レーザ素子１と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１０７】
続いて、本実施の形態における半導体レーザ素子１ａの製造方法について、図１４〜図１８を用いて説明する。【０１０８】
本実施の形態では、始めに、図７に示す実施の形態１と同様の製造工程を経る。次に、図１４を参照して、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２０（パターン層）をｐ型クラッド層６上に形成する。図１４では、３角格子状に配列した複数の柱状部２０ｂのパターンをレジスト２０は有している。【０１０９】
続いて、図１５を参照して、複数の柱状部２０ｂの各々の間を埋めるように、低屈折率材料よりなる膜２４をたとえば蒸着法を用いてレジスト２０上に形成する。続いて、図１６を参照して、レジスト２０上に形成された膜２４をレジスト２０とともに除去（リフトオフ）する。これにより、ｐ型クラッド層６上には３角格子状に配列した複数の孔２ｃを有する複数の低屈折率材料２ｂが形成される。【０１１０】
次に、ｐ型クラッド層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成する。図１７（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態２におけるエピタキシャル層の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１７（ａ）は図１６におけるＣ部を拡大した図である。【０１１１】
図１７（ａ）〜（ｆ）を参照して、通常のＧａＮのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、言い換えれば、たとえば塩素ガスが少なく、アンモニアガスが多い条件で、ＧａＮをエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率材料２ｂの上部や側面からはＧａＮはエピタキシャル成長せず、孔２ｃの底部に露出しているｐ型クラッド層６の表面からのみＧａＮ（エピタキシャル層２ａ）がエピタキシャル成長する（（ａ）→（ｂ））。ＧａＮは図中上方向に成長し、低屈折率材料２ｂの上端に達する（（ｂ）→（ｃ））。これにより、低屈折率材料２ｂにおける複数の孔２ｃの内部をエピタキシャルで埋めた構成のフォトニック結晶層７が得られる。【０１１２】
低屈折率材料２ｂの上端に達すると、ＧａＮ（ＧａＮ層１２）は低屈折率材料２ｂの真上の領域１８で図中横方向に成長する（（ｃ）→（ｄ）→（ｅ））。ＧａＮ層１２の成長方向は、基板３の主面３ａ（図１３）に沿う方向である。その後、ＧａＮ層１２が低屈折率材料２ｂの真上の領域１８を完全に覆うと、ＧａＮ層１２は再び図中上方向に成長する（（ｅ）→（ｆ））。これにより、ＧａＮ層１２が形成される。フォトニック結晶層７およびＧａＮ層１２をｐ型クラッド層６上に形成した後の状態を図１８に示す。【０１１３】
次に、図１３を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９をこの順序でＧａＮ層１２上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ａが完成する。【０１１４】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ａであっても、実施の形態１の半導体レーザ素子１と同様の効果を得ることができる。【０１１５】
また、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａによれば、回折格子点がエピタキシャル層２ａよりなっているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、低屈折率材料２ｂと回折格子点との界面でのキャリアの非発光再結合が起こりにくくなる。したがって、半導体レーザ素子の特性を向上することができる。【０１１６】
さらに、本実施の形態の半導体レーザ素子１ａによれば、回折格子点がエピタキシャル層２ａよりなっているので、回折格子点が空気よりなっている場合に比べて、空気中に含まれる水分などの不純物が素子の内部に進入したり、残留したりすることを防止することができる。これにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。【０１１７】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ａにおいて、低屈折率材料２ｂは複数の孔２ｃを有しており、複数の孔２ｃ内に回折格子点となるエピタキシャル層２ａが埋め込まれている。【０１１８】
本実施の形態の半導体レーザ素子１ａの製造方法において、レジスト２０は複数の柱状部２０ｂのパターンを有している。【０１１９】
これにより、エピタキシャル層２ａよりなる柱状部によって回折格子点が構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【０１２０】
（実施の形態３）
図１９は、本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図１９に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂにおいては、フォトニック結晶層７（２次元回折格子）の構成が、実施の形態１における半導体レーザ素子１の場合と異なっている。すなわち、エピタキシャル層２ａは３角格子状に配列した複数の孔２ｂを有しており、複数の孔２ｂの各々の内部には何も埋め込まれていない。言い換えれば、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｂでは、回折格子点が空気によって構成されている。また、ＧａＮ層１２は形成されておらず、フォトニック結晶層７上にはｐ型クラッド層８が直接形成されている。【０１２１】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｂの構成は、実施の形態１における半導体レーザ素子１と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１２２】
続いて、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂの製造方法について、図２０〜図２２を用いて説明する。【０１２３】
本実施の形態では、始めに、図７に示す実施の形態１と同様の製造工程を経る。次に、図２０を参照して、ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａをｐ型クラッド層６上に形成する。次に、たとえばスピンコータを用いてレジスト剤をエピタキシャル層２ａに塗布し、ＥＢ（Electron  Beam）露光装置を用いてレジストをパターニングする。これにより、電子ビームリソグラフィ技術によってエピタキシャル層２ａ上に所定形状のレジスト２０が形成される。【０１２４】
続いて、図２１Ａを参照して、レジスト２０（図２０）をマスクとしてエピタキシャル層２ａをＩＣＰ−ＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）でエッチングし、エピタキシャル層２ａの所定の位置に回折格子点となる複数の孔２ｂを形成する。これにより、エピタキシャル層２ａがフォトニック結晶層７に成形される。【０１２５】
なお、上記のようなフォトニック結晶層７を成形する代わりに、図２１Ｂに示すように、エピタキシャル層２ａを複数の柱形状に成形することによって、エピタキシャル層２ａをフォトニック結晶層７に成形してもよい。この場合、複数の柱形状の各々の間はエッチングされて溝２ｄとなる。【０１２６】
次に、レジスト２０を除去し、フォトニック結晶層７の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、たとえばＧａＮよりなるｐ型クラッド層８をフォトニック結晶層７上に形成する。図２２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態３におけるｐ型クラッド層の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図２２（ａ）は図２１ＡにおけるＤ部を拡大した図である。【０１２７】
図２２（ａ）〜（ｄ）を参照して、通常のＧａＮのエピタキシャル成長の条件よりも成長温度を高くし、たとえば塩素系ガスを少量導入する条件で、ＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させる。すると、エピタキシャル層２ａが図中上方向（たとえば（０００１）方向（Ｃ面成長）など）に成長していたにもかかわらず、エピタキシャル層２ａ上に形成されるＡｌＧａＮ（ｐ型クラッド層８）は図中横方向（たとえば（１１２−２）方向（Ｒ面方向）など）に成長する（（ａ）→（ｂ）→（ｃ））。ＧａＮは、複数の孔２ｂの各々の真上の領域で基板３の主面３ａ（図１９）に沿って成長する。なお、孔２ｂ内にもわずかにＡｌＧａＮが成長するが、これによって孔２ｂがＡｌＧａＮで埋められることはない。【０１２８】
その後、ＡｌＧａＮが孔２ｂの真上の領域を完全に覆うと、ＡｌＧａＮは再び図中上方向に成長する（（ｃ）→（ｄ））。これにより、ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層８が形成される。【０１２９】
ここで、図２２（ａ）〜（ｃ）で示されるようにフォトニック結晶層７を覆う層（図ではｐ型クラッド層８）を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層７を覆う層としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌのいずれかと、Ｎとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック結晶層７を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を７０ｋＰａ以下、好ましくは６０ｋＰａ以下にした状態でフォトニック結晶層７を覆う層を形成する。また、フォトニック結晶層７を覆う層と同じ成分の層が孔２ｂの側面からも成長することを抑止するためには、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上、好ましくは３０ｋＰａ以上にした状態でフォトニック結晶層７を覆う層を形成する。【０１３０】
次に、図１９を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、コンタクト層９をｐ型クラッド層８上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ｂが完成する。【０１３１】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂの製造方法は、以下の工程を備えている。ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をエピタキシャル法によりこの順序で基板３上に形成する。ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを基板３上に形成する。エピタキシャル層２ａをフォトニック結晶層７に成形する。フォトニック結晶層７の真上の領域で基板３の主面に沿ってＧａＮを含むｐ型クラッド層８を成長させる。【０１３２】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂの製造方法によれば、フォトニック結晶層７の真上の領域で基板３の主面３ａに沿ってＧａＮを含むｐ型クラッド層８が成長する。これにより、フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上を覆うｐ型クラッド層８とが形成される。つまり、フォトニック結晶層７の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォトニック結晶層７上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【０１３３】
また、融着貼り付けを行なう場合に比べて、フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上のｐ型クラッド層８との密着性が向上するので、空気中に含まれる水分などの不純物が素子の内部に進入することを防止することができる。これにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。【０１３４】
上記製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層７を成形する際に、エピタキシャル層２ａに複数の孔２ｂを形成する。【０１３５】
これにより、回折格子点が複数の孔２ｂによって構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＥモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【０１３６】
上記製造方法において好ましくは、フォトニック結晶層７を成形する際に、エピタキシャル層２ａを複数の柱形状に成形する。【０１３７】
これにより、エピタキシャル層２ａよりなる複数の柱状部によって回折格子点が構成されているフォトニック結晶層７が得られ、ＴＭモードの光に対して定在波を立たせて光を発振する半導体レーザ素子が得られる。【０１３８】
上記製造方法において好ましくは、ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型クラッド層８を形成する。また、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上７０ｋＰａ以下，好ましくは３０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下にした状態でｐ型クラッド層８を形成する。これにより、ｐ型クラッド層８が基板の主面に沿って成長しやすくなる。【０１３９】
（実施の形態４）
実施の形態１〜３においては、フォトニック結晶層７の回折格子点２ｂが図３に示すような３角格子を形成している場合について示した。しかしながら、フォトニック結晶層７の回折格子点の配列は、たとえば以下のようなものであってもよい。【０１４０】
図２３は、本発明の実施の形態４におけるフォトニック結晶層の構成を示す斜視図である。図２３に示すように、本実施の形態のフォトニック結晶層７ａにおいて、エピタキシャル層２ａの一表面に複数の回折格子点２ｂが正方格子を形成するように設けられている。【０１４１】
図２４は、２次元回折格子として、格子間隔がｄである正方格子を描いた図である。正方格子は、一辺の長さがｄである正方形で埋め尽くされている。図２４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。【０１４２】
２次元回折格子（フォトニック結晶層）７ａ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ｄであり、１次元格子内の間隔もｄである。【０１４３】
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。【０１４４】
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。【０１４５】
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の戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、２次元回折格子７ａ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。【０１４６】
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７ａの主面に対して垂直方向（図１５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７ａの主面に対して垂直方向、すなわち光放出面９ａ（図１）から光を放出（面発光）させることができる。【０１４７】
さらに、２次元回折格子７ａでは、上記の説明が任意の格子点Ｗ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。２次元回折格子７ａ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。【０１４８】
なお、これ以外の半導体レーザ素子の構成およびその製造方法は、実施の形態１〜３における半導体レーザ素子１，１ａ，１ｂの構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１４９】
本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態１〜３の半導体レーザ素子１，１ａ，１ｂと同様の効果を得ることができる。【０１５０】
（実施の形態５）
実施の形態１〜３においては、たとえば図１に示すように、活性層５の上に形成されたｐ型クラッド層６に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている場合について示した。しかし、本発明の半導体レーザ素子はこのような場合の他、たとえば図２５に示す構成であってもよい。【０１５１】
図２５は、本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。図２５に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｃにおいては、活性層５の下に形成されたｎ型クラッド層４に接するようにフォトニック結晶層７が形成されている。すなわち、本実施の形態の半導体レーザ素子１ｃにおいては、ｎ型クラッド層８ａ、フォトニック結晶層７、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、およびコンタクト層９が、この順序で基板３上に形成されている。半導体レーザ素子１ｄから光を発振する際には、電極１０に正電圧を印加することで活性層５にキャリアを注入する。【０１５２】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ｃの構成およびその製造方法は、実施の形態１〜３における半導体レーザ素子１，１ａ，１ｂの構成およびその製造方法とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。【０１５３】
本実施の形態の半導体レーザ素子においても、実施の形態１〜３の半導体レーザ素子１，１ａ，１ｂと同様の効果を得ることができる。【０１５４】
（実施の形態６）
本実施の形態では、実施の形態３における半導体レーザ素子の製造方法の変形例について、図２６〜図２９を用いて説明する。【０１５５】
本実施の形態では、始めに実施の形態３と同様の製造工程を経て、図２０に示される構造を得る。図２０においてレジスト２０は、次工程において複数の孔を２ｅ形成する部分以外のエピタキシャル層２ａ上に形成されている。次に、図２６を参照して、レジスト２０をマスクとしてエピタキシャル層２ａをＩＣＰ−ＲＩＥでエッチングし、エピタキシャル層２ａの所定の位置に回折格子点となる複数の孔２ｅを形成する。これにより、エピタキシャル層２ａがフォトニック結晶層７に成形される。【０１５６】
次に、図２７Ａを参照して、たとえば蒸着法を用いて複数の孔２ｅの底面およびレジスト２０上に低屈折率材料よりなる膜（誘電体膜）２４を形成する。続いて、図２８を参照して、レジスト２０上に形成された膜２４をレジスト２０とともに除去（リフトオフ）する。これにより、複数の孔２ｅの底面にのみ低屈折率材料２ｂが形成される。図２７Ａの構造のように複数の孔２ｅの底面にのみ低屈折率材料２ｂが形成されている場合には、低屈折率材料２ｂと、孔２ｅ内における低屈折率材料２ｂが形成されていない部分を占める空気とが、回折格子点として機能する。【０１５７】
なお、図２７Ａのように複数の孔２０ａの底面に低屈折率材料２４を形成する代わりに、図２７Ｂのように複数の孔２０ａの内部を完全に埋めるように低屈折率材料２４を形成してもよい。この場合には、低屈折率材料２ｂが回折格子点として機能する。【０１５８】
次に、図２９を参照して、フォトニック結晶層７の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、たとえばＧａＮよりなるｐ型クラッド層８をフォトニック結晶層７上に形成する。ｐ型クラッド層８は、図２２（ａ）〜（ｄ）を用いて説明した原理と同様の原理によって、複数の孔２ｅの真上の領域で基板３の主面３ａに沿って成長する。【０１５９】
ここで、図２２（ａ）〜（ｃ）で示されるようにフォトニック結晶層７を覆う層（図ではｐ型クラッド層８）を図中横方向に成長させるためには、フォトニック結晶層７を覆う層としてＧａ、Ｉｎ、Ａｌのいずれかと、Ｎとを含む層を形成することが好ましい。また、フォトニック結晶層７を覆う層を図中横方向に成長させるためには、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下、好ましくは７０ｋＰａ以下にした状態でフォトニック結晶層７を覆う層を形成する。低屈折率材料２ｂを孔２ｂの内部に形成すると、実施の形態３のように低屈折率材料を孔の内部に形成しない場合に比べて、雰囲気の圧力が大気圧に近い状態でもフォトニック結晶層７を覆う層を図中横方向に成長させることができる。さらに、フォトニック結晶層７を覆う層と同じ材料よりなる層が孔２ｅの側面からも成長することを抑止するためには、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上、好ましくは３０ｋＰａ以上にした状態でフォトニック結晶層７を覆う層を形成する。【０１６０】
なお、本実施の形態では、フォトニック結晶層７の真上にｐ型クラッド層８を形成する場合について示したが、フォトニック結晶層７の真上にＧａＮ層１２（図１）を形成し、ＧａＮ層１２上にｐ型クラッド層８を形成してもよい、
その後、図１９を参照して、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて、コンタクト層９をｐ型クラッド層８上にエピタキシャル成長させる。その後、コンタクト層９の光放出面９ａに電極１０を形成し、基板３の主面３ｂに電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ｂとほぼ同様の構造を有する半導体レーザが完成する。本実施の形態の半導体レーザは、孔２ｅの内部の一部または全部に低屈折率材料２ｂが形成されている点において図１９の半導体レーザ素子１ｂと異なっている。【０１６１】
本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法は、以下の工程を備えている。ｎ型クラッド層４、活性層５、およびｐ型クラッド層６をエピタキシャル法によりこの順序で基板３上に形成する。ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを基板３上に形成する。エピタキシャル層２ａに複数の孔２ｅを形成する。ＭＯＣＶＤ法を用いて、複数の孔２ｅの真上の領域で基板３の主面に沿ってＧａＮを含むｐ型クラッド層８を成長させる。【０１６２】
本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法によれば、複数の孔２ｅの真上の領域で基板３の主面に沿ってｐ型クラッド層８が成長する。これにより、フォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上を覆うｐ型クラッド層８とが形成される。つまり、フォトニック結晶層７の真上に形成される層との融着貼り付けを行なわずに、フォトニック結晶層７上に層を形成することができる。したがって、融着貼り付けを行なわずに半導体レーザ素子を製造することができる。【０１６３】
また、雰囲気の圧力を９０ｋＰａ以下、好ましくは７０ｋＰａ以下にした状態でｐ型クラッド層８を形成することにより、ｐ型クラッド層８が基板３の主面に沿って成長しやすくなり、複数の孔２ｅの真上の領域をｐ型クラッド層８で容易に覆うことができる。【０１６４】
また、雰囲気の圧力を１０ｋＰａ以上、好ましくは３０ｋＰａ以下にした状態でｐ型クラッド層８を形成することにより、ｐ型クラッド層８と同じ成分の層が孔２ｅの側面からも成長することを抑止することができる。【０１６５】
また、低屈折率材料２ｂを複数の孔２ｅの内部に形成することにより、ｐ型クラッド層８と同じ成分の層が孔２ｅの側面からも成長することを抑止することができる。また、低屈折率材料２ｂによって回折格子点を構成することができる。【０１６６】
さらに、レジスト２０とともにレジスト上の低屈折率材料２４を除去することにより、新たな工程を加えることなくレジスト２４上の余分な低屈折率材料２４を除去することができる。【０１６７】
なお、本実施の形態においては、蒸着法を用いて低屈折率材料２ｂを形成する場合について示したが、蒸着法の代わりにＣＶＤ（chemical  vapor  deposition：化学気相成長）法を用いて低屈折率材料２ｂを形成してもよい。この方法について以下に説明する。【０１６８】
図２６の構造を得た後でＣＶＤ法を用いて低屈折率材料よりなる膜２４を形成すると、図３０に示すように、レジスト２０の上面および側面と、孔２ｅの側面および底面とに膜２４が形成される。【０１６９】
次に、図３１を参照して、研磨により、レジスト２０の上面および側面の膜２４をレジスト２０とともに除去する。その結果、孔２ｅの側面および底面に低屈折率材料２ｂが形成される。【０１７０】
このように、ＣＶＤ法を用いると、孔２ｅの内壁に沿って低屈折率材料２ｂが形成される。このため、孔２ｅの内壁全面を低屈折率材料２ｂで覆うことができ、ｐ型クラッド層８が孔２ｅの内部から成長することを抑止することができる。【０１７１】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例では、実施の形態１に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製を試みた。基板３として、導電性ＧａＮ（０００１）基板を準備した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型バッファ層、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層４、ＧａＩｎＮの量子井戸よりなる活性層５、およびＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層６を、この順序でエピタキシャル成長させることにより基板３上に形成した。これらの層については、層表面の平坦性のラフネス度としてＲＭＳ（自乗平均面粗さ）が２ｎｍ以上となるような成長条件で形成した。活性層の発光波長は４１０ｎｍ（青色）とした。【０１７２】
次に、ＭＯＣＶＤ装置から基板３を取り出し、ｐ型クラッド層６の表面に、レジスト２０として電子ビーム露光用フォトレジスト（ＺＥＰ５２０）を塗布し、電子ビーム露光機を用いて複数の孔２０ａのレジストパターンを描画した。レジストパターンは正方格子とし、０．１７μｍのピッチで直径０．０９μｍの孔２０ａのパターンをレジスト２０に描画した。続いて、複数の孔２０ａの内部を埋めるようにレジスト２０上に、それぞれＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、またはＬｉＦよりなる低屈折率材料２ｂの膜２４を形成した。膜２４は、真空蒸着法を用いて０．１μｍの厚さで形成した。その後、溶媒に浸潤することで、レジスト２０および余分な膜２４を除去し、柱形状を有する複数の低屈折率材料２ｂを形成した。【０１７３】
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、先に実施した通常の成長条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件で、ｐ型ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮを含む層１２を形成した。すると、図１１（ａ）〜（ｆ）に示すような選択的な層成長が、全ての低屈折率材料２ｂで確認された。その後、ｐ型クラッド層８およびコンタクト層９を形成した後、ＭＯＣＶＤ装置から基板３を取り出し、コンタクト層９の光放出面９ａに円形状のｐ型オーミック電極１０を形成し、基板３の主面３ｂ全面にｎ型オーミック電極１１を形成し、半導体レーザ素子１を作製した。【０１７４】
上記のようにして製造された半導体レーザ素子１について、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、いずれの半導体レーザ素子１においても、約４〜７ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度の範囲でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。レーザ光の偏光特性はＴＥ偏光であった。【０１７５】
（実施例２）
本実施例では、実施の形態２に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製を試みた。実施例１と同様の方法で、ｎ型バッファ層、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層４、ＧａＩｎＮの量子井戸よりなる活性層５、およびＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層６を、この順序で基板３上に形成した。そして、ｐ型クラッド層６の表面にレジスト２０を形成し、電子ビーム露光機を用いてレジストパターンを描画した。レジストパターンは正方格子とし、直径０．０９μｍの複数の柱状部２０ｂのパターンをレジスト２０に描画した。【０１７６】
続いて、複数の柱状部２０ｂの各々の間を埋めるようにレジスト２０上に、ＭｇＦ2よりなる低屈折率材料２ｂの膜２４を形成した。膜２４は、真空蒸着法を用いて０．１μｍの厚さで形成した。その後、溶媒に浸潤することで、レジスト２０および余分な膜２４を除去し、複数の孔２ｃ有する低屈折率材料２ｂを形成した。【０１７７】
次に、実施例１と同様の方法で、ｐ型ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮを含む層１２を形成した。すると、図１７（ａ）〜（ｆ）に示すような選択的な層成長が確認された。その後、実施例１と同様の方法で、ｐ型クラッド層８、コンタクト層９、ｐ型オーミック電極１０、およびｎ型オーミック電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ａを作製した。【０１７８】
上記のようにして製造された半導体レーザ素子１ａについて、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、約３．５ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。レーザ光の偏光特性はＴＭ偏光であった。【０１７９】
（実施例３）
本実施例では、実施の形態３に示す製造方法を用いて半導体レーザ素子の作製を試みた。実施例１と同様の方法で、ｎ型バッファ層、ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層４、ＧａＩｎＮの量子井戸よりなる活性層５、およびＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層６を、この順序で基板３上に形成した。そして、ｐ型クラッド層６上にｐ型ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａを形成した。【０１８０】
続いて、エピタキシャル層２ａの表面にレジスト２０を形成し、電子ビーム露光機を用いて２種類のレジストパターンを描画した。一方のレジストパターンは３角格子とし、直径０．０９μｍの複数の孔を有するパターンをレジスト２０に描画した。もう一方のレジストパターンは３角格子とし、直径０．１１μｍの複数の柱状部のパターンをレジスト２０に描画した。ピッチは０．１９μｍとした。【０１８１】
続いて、このレジストパターンをマスクとして、ＩＣＰ法を用いてエピタキシャル層２ａを０．１μｍの深さまでエッチングした。次に、有機溶剤を用いてレジストパターンを除去したところ、エピタキシャル層２ａに複数の孔２ｂが形成された形態のフォトニック結晶層７と、複数の柱形状のエピタキシャル層２ａが形成された形態のフォトニック結晶層とが得られた。【０１８２】
次に、ＧａＮよりなるｐ型クラッド層８をフォトニック結晶層７上に形成した。すると、図２２（ａ）〜（ｄ）に示すような選択的な層成長が確認された。その後、実施例１と同様の方法で、コンタクト層９、ｐ型オーミック電極１０、およびｎ型オーミック電極１１を形成し、半導体レーザ素子１ｂを作製した。【０１８３】
上記のようにして製造された半導体レーザ素子１ｂについて、連続通電で電流注入し、レーザ発振の可否を調べた。その結果、いずれの半導体レーザ素子１ｂにおいても、約３ｋＡ／ｃｍ2の閾値電流密度でレーザ発振することが確認された。レーザ光は、基板３の主面３ａに垂直な方向へ、円形状の電極１０における外周部から出射した。エピタキシャル層２ａに孔２ｂが形成された形態のフォトニック結晶層７を備える半導体レーザ素子１ｂでは、レーザ光の偏光特性はＴＥ偏光であった。一方、複数の柱形状のエピタキシャル層２ａが形成された形態のフォトニック結晶層７を備える半導体レーザ素子１ｂでは、レーザ光の偏光特性はＴＭ偏光であった。【０１８４】
（実施例４）
本実施例では、図２に示す構造（柱状構造）において、低屈折率材料の真上の領域にＧａＮを含む層を成長させる際における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気の圧力がＧａＮを含む層に与える影響について調べた。具体的には、実施例１と同様の方法で、柱形状を有する複数の低屈折率材料２ｂをｐ型クラッド層６上に形成した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、先に実施した通常の成長条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件で、ｐ型ＧａＮよりなるエピタキシャル層２ａおよびＧａＮ層１２を形成した。ＧａＮ層１２を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ大気圧、９０ｋＰａ、７０ｋＰａ、および２０ｋＰａに保った。その後、得られたそれぞれのＧａＮ層１２の状態を電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を表１に示す。【０１８５】
【表１】
0005082447.tif 000002
【０１８６】
表１において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＡで示し、一部において所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＢで示しており、ごく一部において所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＣで示している。表１を参照して、大気圧ではＧａＮ層が横方向に成長しにくく、縦方向の成長が支配的であるため、低屈折率材料の真上の領域がＧａＮ層１２によって覆われにくくなっていた。これに対して、９０ｋＰａ以下ではＧａＮ層が横方向に成長しやすくなり、７０ｋＰａ以下ではＧａＮ層が低屈折率材料の真上の領域を完全に覆っていた。【０１８７】
雰囲気の圧力を大気圧に保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真を図３２に示し、雰囲気の圧力を２０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真を図３３に示す。図３２では、ｐ型クラッド層の断面およびＧａＮ層の上面が見えている。図中斜線で見える部分がマトリクス状に分布した低屈折率材料２ｂである。この顕微鏡写真から、大気圧の場合にはｐ型クラッド層上の一部にＧａＮ層が形成されておらず、低屈折率材料の露出している領域があるのが分かる。【０１８８】
これに対して、図３３では、ｐ型クラッド層および低屈折率材料の断面およびＧａＮ層の上面が見えている。この顕微鏡写真から、２０ｋＰａの場合にはｐ型クラッド層上全体にＧａＮ層が形成されているのが分かる。【０１８９】
（実施例５）
本実施例では、図１９に示す構造（エアブリッジ構造）において、低屈折率材料の真上の領域にＧａＮを含む層を成長させる際における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気の圧力がＧａＮを含む層に与える影響について調べた。具体的には、実施例３と同様の方法で、ｐ型クラッド層６上にフォトニック結晶層７を形成した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮよりなるｐ型クラッド層８をフォトニック結晶層７上に形成した。ｐ型クラッド層８を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ７０ｋＰａ、６０ｋＰａ、３０ｋＰａ、２０ｋＰａ、および１０ｋＰａに保った。その後、得られたそれぞれのフォトニック結晶層およびｐ型クラッド層の状態を電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を表２に示す。【０１９０】
【表２】
0005082447.tif 000003
【０１９１】
表２において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＡで示し、一部において所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＢで示している。表２を参照して、７０ｋＰａではＧａＮを含む層が横方向に成長しにくく、縦方向の成長が支配的であるため、低屈折率材料の真上の領域がＧａＮ層によって覆われにくくなっていた。また２０ｋＰａ以下では、ＧａＮ層の横方向の成長が促進されすぎてＧａＮ層が孔の内壁面からも成長し、一部の孔の内部がＧａＮ層によって埋められていた。これに対して、３０ｋＰａ以上６０ｋＰａ以下ではＧａＮ層の横方向の成長が適度に促進され、所望のフォトニック結晶層およびｐ型クラッド層が得られた。【０１９２】
（実施例６）
本実施例では、実施の形態６に記載の方法（孔２ｅの底面に低屈折率材料２ｂを形成する方法）を用いて、低屈折率材料の真上の領域にＧａＮを含む層を成長させる際における雰囲気の圧力を変えて、雰囲気の圧力がＧａＮを含む層に与える影響について調べた。具体的には、ｐ型クラッド層６上にフォトニック結晶層７を形成した。次に、蒸着法を用いて図２７Ａのように複数の孔２０ａの底面に低屈折率材料２４を形成した。次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮよりなるｐ型クラッド層８をフォトニック結晶層７上に形成した。ｐ型クラッド層８を形成する際、雰囲気の圧力をそれぞれ９０ｋＰａ、７０ｋＰａ、３０ｋＰａ、２０ｋＰａ、および１０ｋＰａに保った。その後、得られたそれぞれのＧａＮを含む層１２の状態を電子顕微鏡を用いて観察した。その結果を表３に示す。【０１９３】
【表３】
0005082447.tif 000004
【０１９４】
表３において、所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＡで示し、一部において所望のフォトニック結晶層が得られた場合をＢで示している。表３を参照して、９０ｋＰａではＧａＮ層が横方向に成長しにくく、縦方向の成長が支配的であるため、低屈折率材料の真上の領域がｐ型クラッド層で覆われにくくなっていた。また２０ｋＰａ以下では、ＧａＮ層の横方向の成長が促進されすぎてＧａＮ層が孔の内壁面からも成長し、一部の孔の内部がＧａＮ層によって埋められていた。これに対して、３０ｋＰａ以上７０ｋＰａ以下ではＧａＮ層の横方向の成長が適度に促進され、所望のフォトニック結晶層およびｐ型クラッド層が得られた。【０１９５】
雰囲気の圧力を２０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真を図３４に示し、雰囲気の圧力を６０ｋＰａに保った場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真を図３５に示す。図３４では、フォトニック結晶層の孔がＧａＮを含む層によって埋められている。この顕微鏡写真から、２０ｋＰａの場合には一部の孔の内部がＧａＮ層によって埋められていることが分かる。【０１９６】
これに対して、図３５では、フォトニック結晶層の孔がＧａＮを含む層によって埋められておらず、孔の上面をｐ型クラッド層が横方向に成長している。この顕微鏡写真から、６０ｋＰａの場合には孔の内部がＧａＮ層によって埋められていないことが分かる。【０１９７】
また、本実施例においては、雰囲気の圧力を２０ｋＰａとし、ＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成した場合と形成しない場合とで、得られるフォトニック結晶層の外観の比較を行なった。具体的には、実施例５において雰囲気の圧力を２０ｋＰａとした場合に得られたフォトニック結晶層と、本実施例において雰囲気の圧力を２０ｋＰａとした場合に得られたフォトニック結晶層との各々について顕微鏡観察を行なった。【０１９８】
図３６はＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成した場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真であり、図３７はＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成しなかった場合のフォトニック結晶層の状態を示す顕微鏡写真である。図３６と図３７とを比較すると、ＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成した図３６の方が、孔内をＧａＮ層によって埋められにくくなっている。このことから、ＳｉＯ2よりなる低屈折率材料を孔内に形成することによって、良好なフォトニック層が得られ易くなることが分かる。【０１９９】
以上に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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【図１】
0005082447.tif 000005
【図２】
0005082447.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005082447.tif 000009
【図６】
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【図７】
0005082447.tif 000011
【図８】
0005082447.tif 000012
【図９】
0005082447.tif 000013
【図１０】
0005082447.tif 000014
【図１１】
0005082447.tif 000015
【図１２】
0005082447.tif 000016
【図１３】
0005082447.tif 000017
【図１４】
0005082447.tif 000018
【図１５】
0005082447.tif 000019
【図１６】
0005082447.tif 000020
【図１７】
0005082447.tif 000021
【図１８】
0005082447.tif 000022
【図１９】
0005082447.tif 000023
【図２０】
0005082447.tif 000024
【図２１Ａ】
0005082447.tif 000025
【図２１Ｂ】
0005082447.tif 000026
【図２２】
0005082447.tif 000027
【図２３】
0005082447.tif 000028
【図２４】
0005082447.tif 000029
【図２５】
0005082447.tif 000030
【図２６】
0005082447.tif 000031
【図２７Ａ】
0005082447.tif 000032
【図２７Ｂ】
0005082447.tif 000033
【図２８】
0005082447.tif 000034
【図２９】
0005082447.tif 000035
【図３０】
0005082447.tif 000036
【図３１】
0005082447.tif 000037
【図３２】
0005082447.tif 000038
【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
0005082447.tif 000041
【図３６】
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【図３７】
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