(57)【要約】【課題】性能を向上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。【解決手段】半導体レーザ素子１は、フォトニック結晶層７と、活性層５とを備えている。フォトニック結晶層７は、高屈折率部分７１と、高屈折率部分７１の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分７２とを有している。活性層５は、フォトニック結晶層７の一方の主面側に形成されており、かつキャリアが注入されることにより発光する。高屈折率部分７１および低屈折率部分７２の各々はＧａＮを含んでいる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高屈折率部分と、前記高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する２次元回折格子と、
前記２次元回折格子の一方の主面側に形成され、かつキャリアが注入されることにより発光する発光層とを備え、
前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含む、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記高屈折率部分の屈折率と前記低屈折率部分の屈折率との差は０．０４以上である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）またはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）よりなる、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記高屈折率部分はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）よりなり、かつ前記低屈折率部分はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなる、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記２次元回折格子および前記発光層は窒化ガリウムよりなる基板の一方の主面側に形成される、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記２次元回折格子は前記発光層よりも前記基板から離れた位置に形成されている、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記２次元回折格子は前記発光層よりも前記基板に近い位置に形成されている、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記低屈折率部分は前記２次元回折格子の格子点となる位置に形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記高屈折率部分は前記２次元回折格子の格子点となる位置に形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記２次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有する、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
高屈折率部分と、前記高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する２次元回折格子を形成する工程と、
キャリアが注入されることにより発光する発光層を前記２次元回折格子の一方の主面側に形成する工程とを備え、
前記高屈折率部分および前記低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記２次元回折格子を形成する工程は、前記２次元回折格子を形成するための一の領域に前記低屈折率部分を形成する工程と、前記低屈折率部分を形成する工程の後で、前記２次元回折格子を形成するための他の領域に前記高屈折率部分を形成する工程とを含む、請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記高屈折率部分を形成する工程において、前記高屈折率部分で前記低屈折率部分を完全に覆う、請求項１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】
前記２次元回折格子を形成する工程は、前記２次元回折格子を形成するための一の領域に前記高屈折率部分を形成する工程と、前記高屈折率部分を形成する工程の後で、前記２次元回折格子を形成するための他の領域に前記低屈折率部分を形成する工程とを含む、請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】
前記低屈折率部分を形成する工程において、前記低屈折率部分で前記高屈折率部分を完全に覆う、請求項１４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に前記発光層を形成し、かつ前記２次元回折格子を形成する工程において、前記基板の前記一方の主面側における前記発光層よりも前記基板から離れた位置に前記２次元回折格子を形成する、請求項１１〜１５のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に前記発光層を形成し、かつ前記２次元回折格子を形成する工程において、前記基板の前記一方の主面側における前記発光層よりも前記基板に近い位置に前記２次元回折格子を形成する、請求項１１〜１５のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【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、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】
近年、フォトニック結晶を２次元の回折格子として利用したフォトニック結晶レーザが開発されている。このフォトニック結晶レーザによれば、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、２次元の単一モード発振を実現することができ、１次元のＤＦＢレーザなどと比較して発光効率を向上することができる。また、この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。フォトニック結晶レーザの一例として、たとえば特開２０００−３３２３５１号広報（特許文献１）には、フォトニック結晶層の２次元回折格子を有する半導体発光デバイスが開示されている。
【０００３】
この半導体発光デバイスは、基板と、フォトニック結晶層である２次元回折格子と、ｎ型閉じ込め層と、活性層と、ｐ型閉じ込め層と、アノード電極と、カソード電極とを備えている。ＩｎＰよりなる基板上には２次元回折格子が形成されており、２次元回折格子上には、ＩｎＰよりなるｎ型閉じ込め層と、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰよりなる多重量子井戸構造の活性層と、ＩｎＰよりなるｐ型閉じ込め層とがこの順序で積層されている。ｐ型閉じ込め層の上面には円形のアノード電極が形成されており、基板の下面にはカソード電極が形成されている。２次元回折格子は、ＩｎＰなどよりなる高屈折率部分と、低屈折率部分とを有している。低屈折率部分は、高屈折率部分の表面に周期的に複数の孔を形成することによって作成されている。孔内を埋めない（空間とする）場合には、低屈折率部分は空気よりなっており、また孔内を埋める場合には、低屈折率部分はシリコン窒化膜などよりなっている。
【０００４】
特許文献１の半導体発光デバイスは、以下の方法で製造されている。始めに、第１の基板上に２次元回折格子が形成された形態の第１の部品と、ｐ型閉じ込め層、活性層、およびｎ型閉じ込め層が第２の基板上にこの順序で形成された形態の第２の部品とを作製する。次に、第２の部品を逆さまにし、第１の部品のフォトニック結晶と、第２の部品のｎ型閉じ込め層とを融着貼り付けし、その後第２の基板を除去する。その後、アノード電極およびカソード電極を形成する。
【０００５】
しかし、ＧａＮ系のフォトニック結晶レーザを形成する場合、特許文献１の製造方法には融着貼り付けが難しいという問題があった。これは、ＧａＮ結晶表面の平坦性が低いことに起因している。そこで、国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット（特許文献２）では、融着貼り付けの不要なフォトニック結晶レーザ製造方法が提案されている。
【０００６】
特許文献２の製造方法では、始めに、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、およびフォトニック結晶層をこの順序で基板の上面に成長させる。このフォトニック結晶層は、ＧａＮよりなるエピタキシャル層と低屈折率部分とを含んでいる。そして、ＧａＮ成分を含む層をエピタキシャル層上からエピタキシャル成長（再成長）させ、低屈折率部分の真上の領域で基板の上面に沿う方向に成長させる。その後、フォトニック結晶層より上の層を形成する。
【０００７】
特許文献２においては、低屈折率部分として空気を用いる場合の他、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、またはＬｉＦなどを用いることが言及されている。空気を用いる場合には、エピタキシャル層の表面に周期的に形成された複数の孔をそのまま利用しており、空気以外のＳｉＯ2などの材料を用いる場合には、ＳｉＯ2などの材料を孔内に形成している。さらに、ＳｉＯ2などの材料を孔の底部のみに形成することによって、空気とＳｉＯ2などの材料との両方によって低屈折率部分を形成することも記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３３２３５１号広報
【特許文献２】国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように特許文献２に記載の方法では、ＧａＮよりなるエピタキシャル層の表面に複数の孔を形成し、これらの孔内の空気（空気孔）を２次元回折格子の低屈折率部分として用いている。しかし、空気孔を一様な形状で形成することは難しいため、２次元回折格子を精度よく形成することは難しかった。すなわち、ＧａＮのエピタキシャル成長は、マイグレーション速度が非常に速いなどの特異な性質を有する。ＧａＮよりなるエピタキシャル層の表面や孔の側壁に乱れがあると、その箇所においてＧａＮの成長が促進され、孔内がＧａＮで部分的に埋められることがあった。その結果、２次元回折格子を精度よく形成することができず、半導体レーザ素子の性能向上の妨げとなっていた。
【０００９】
また、上述のように特許文献２に記載の方法では、ＧａＮよりなるエピタキシャル層の表面に複数の孔を形成し、これらの孔内にＳｉＯ2などの低屈折率部分を形成している。しかし、ＳｉＯ2などの材料を形成した場合には、ＳｉＯ2などの材料が活性層などの他の層への悪影響を及ぼすおそれがあった。すなわち、特許文献２に記載のＳｉＯ2などの材料の熱膨張係数はいずれも、ＧａＮの熱膨張係数と大きく異なっている。このため、ＧａＮ成分を含む層を２次元回折格子上にエピタキシャル成長させる際に２次元回折格子を高温（たとえば約１０００℃）に保持すると、熱に伴なう応力および歪みが２次元回折格子内に発生するおそれがあった。その結果、発光層の発光特性が劣化し、半導体レーザ素子の性能向上の妨げとなっていた。
【００１０】
加えて、孔内にＳｉＯ2などの低屈折率部分を形成した場合には、ＳｉＯ2などの材料を構成する元素（たとえばシリコン）が近傍の層の内部へ拡散するおそれがあった。その結果、半導体レーザ素子の信頼性向上の妨げとなっていた。
【００１１】
したがって、本発明の一の目的は、性能を向上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。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、信頼性を向上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】
本発明における半導体レーザ素子は、２次元回折格子と、発光層とを備えている。２次元回折格子は、高屈折率部分と、高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有している。発光層は、２次元回折格子の一方の主面側に形成されており、かつキャリアが注入されることにより発光する。高屈折率部分および低屈折率部分の各々は窒化ガリウム（ＧａＮ）成分を含んでいる。
【００１４】
本発明の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。高屈折率部分と、高屈折率部分の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部分とを有する２次元回折格子を形成する。キャリアが注入されることにより発光する発光層を２次元回折格子の一方の主面側に形成する。高屈折率部分および低屈折率部分の各々はＧａＮ成分を含んでいる。
【００１５】
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、２次元回折格子の低屈折率部分が空気孔ではなくＧａＮ成分を含む材料で埋められているため、高屈折率部分または低屈折率部分の表面や側壁に乱れがあっても、その箇所から高屈折率部分または低屈折率部分が異常成長することがなくなる。このため、空気孔の場合に比べて２次元回折格子を精度よく形成することができる。また、高屈折率部分と低屈折率部分とは組成および物性が互いに類似しているので、熱に伴なう応力や歪みが２次元回折格子内に発生しにくい。その結果、半導体レーザ素子の性能を向上することができる。
【００１６】
加えて、高屈折率部分と低屈折率部分とは組成および物性が互いに類似しているので、低屈折率部分を構成する元素が高屈折率部分内へ拡散しても、その影響は少ない。このため、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。
【００１７】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分の屈折率と低屈折率部分の屈折率との差は０．０４以上である。これにより、２次元回折格子に入射した光が格子点で回折しやすくなるので、各格子点間に定在波が立ちやすくなる。
【００１８】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分および低屈折率部分の各々はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）またはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）よりなっている。これらの材料は、物性が特に互いに類似しているので、高屈折率部分および低屈折率部分の材料として適している。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）よりなっており、かつ低屈折率部分はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなっている。これらの材料は格子定数が特に近いので、高屈折率部分と低屈折率部分との間の格子不整合を緩和することができる。
【００２０】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子および発光層はＧａＮよりなる基板の一方の主面側に形成される。ＧａＮよりなる基板上にＧａＮ成分を含む層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、２次元回折格子および発光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、ＧａＮよりなる基板は導電性を有するので、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、高電流密度の電流を発光層内へ注入することができる。
【００２１】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子は発光層よりも基板から離れた位置に形成されている。これにより、発光層および２次元回折格子がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子は発光層よりも基板に近い位置に形成されている。これにより、２次元回折格子および発光層がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、低屈折率部分は２次元回折格子の格子点となる位置に形成されている。これにより、高屈折率部分内を進む光が低屈折率部分において回折され、再び高屈折率部分内を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００２４】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、高屈折率部分は２次元回折格子の格子点となる位置に形成されている。これにより、低屈折率部分を進む光が高屈折率部分において回折され、再び低屈折率部分内を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００２５】
本発明の半導体レーザ素子において好ましくは、２次元回折格子は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。
【００２６】
上記製造方法において好ましくは、２次元回折格子を形成する工程は以下の工程を含んでいる。２次元回折格子を形成するための一の領域に低屈折率部分を形成する。低屈折率部分を形成する工程の後で、２次元回折格子を形成するための他の領域に高屈折率部分を形成する。これにより、低屈折率部分を形成した後で高屈折率部分を形成することができる。
【００２７】
上記製造方法において好ましくは、高屈折率部分を形成する工程において、高屈折率部分で低屈折率部分を完全に覆う。これにより、２次元回折格子に隣接する層を高屈折率部分と同じ材料で連続的に形成することができる。
【００２８】
上記製造方法において好ましくは、２次元回折格子を形成する工程は以下の工程を含んでいる。２次元回折格子を形成するための一の領域に高屈折率部分を形成する。高屈折率部分を形成する工程の後で、２次元回折格子を形成するための他の領域に低屈折率部分を形成する。これにより、高屈折率部分を形成した後で低屈折率部分を形成することができる。
【００２９】
上記製造方法において好ましくは、低屈折率部分を形成する工程において、低屈折率部分で高屈折率部分を完全に覆う。これにより、２次元回折格子に隣接する層を低屈折率部分と同じ材料で連続的に形成することができる。
【００３０】
上記製造方法において好ましくは、発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に発光層を形成する。かつ、２次元回折格子を形成する工程において、基板の一方の主面側における発光層よりも基板から離れた位置に２次元回折格子を形成する。これにより、発光層および２次元回折格子がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。
【００３１】
上記製造方法において好ましくは、発光層を形成する工程において、基板の一方の主面側に発光層を形成する。かつ２次元回折格子を形成する工程において、基板の一方の主面側における発光層よりも基板に近い位置に２次元回折格子を形成する。これにより、２次元回折格子および発光層がこの順序で、基板の一方の主面側に形成される。
【発明の効果】
【００３２】
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、半導体レーザ素子の性能を向上することができる。また、半導体レーザ素子の信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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〜図３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図である。図１は斜視図、図２は上面図、図３は図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１〜図３を参照して、始めに本実施の形態における半導体レーザ素子の構成について説明する。
【００３４】
半導体レーザ素子１は、基板２と、ｎ型クラッド層３と、ガイド層４と、活性層５と、ｐ型電子ブロック層６と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７と、ｐ型クラッド層８と、ｐ型コンタクト層９と、ｐ型電極１０と、ｎ型電極１１とを備えている。
【００３５】
基板２は、互いに対向する２つの上面２１および下面２２を有している。基板２の上面２１側には、ｎ型クラッド層３と、ガイド層４と、発光層としての活性層５と、ｐ型電子ブロック層６とがこの順序で積層されて形成されている。これらの層は互いに隣接している。また、ｐ型電子ブロック層６上にはフォトニック結晶層７が形成されている。フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２から離れた位置に形成されている。さらに、フォトニック結晶層７上には、ｐ型クラッド層８と、ｐ型コンタクト層９とがこの順序で積層されて形成されている。活性層５はｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層８との間に挟まれている。基板２の上面２１にはｐ型電極１０が形成されており、基板２の下面２２にはｎ型電極１１が形成されている。ｐ型電極１０は、たとえば円形の平面形状を有しており、ｐ型コンタクト層９の上面９１の中央部においてｐ型コンタクト層９に接触している。ｎ型電極１１は、基板２の下面２２と接触しており、たとえばその接触は全面にわたっている。
【００３６】
図４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模式的に示す斜視図である。図４を参照して、フォトニック結晶層７は、高屈折率部分７１と、低屈折率部分７２とを有している。低屈折率部分７２は、高屈折率部分７１の屈折率よりも低い屈折率を有している。低屈折率部分７２は複数であり、高屈折率部分７１の内部において均一に分布している。図４において、フォトニック結晶層７は三角格子の形態の２次元回折格子を構成している。低屈折率部分７２の各々は、三角格子の格子点１３となる位置、言い換えれば正三角形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点１３の中心と、この格子点に隣接する６つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
【００３７】
高屈折率部分７１および低屈折率部分７２の各々はＧａＮ成分を含んでおり、たとえばＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）や、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）や、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１）などよりなっている。好ましくは、高屈折率部分７１はＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）よりなっており、かつ低屈折率部分７２はＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなっている。また、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２とは、高屈折率部分７１の屈折率と低屈折率部分７２の屈折率との差が０．０４以上であるような組み合わせであることが好ましい。高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との組み合わせとしては、たとえば、ＧａＮとＡｌxＧａ1-xＮとの組み合わせ（この場合、０＜ｘ＜１）、ＩｎyＧａ1-yＮ（この場合、０＜ｙ＜１）とＧａＮとの組み合わせ、またはＩｎyＧａ1-yＮとＡｌxＧａ1-xＮとの組み合わせが挙げられる。
【００３８】
図１〜図３を参照して、ｎ型クラッド層３およびｐ型電子ブロック層６は、活性層５にキャリアを注入する層として機能する。このため、ｎ型クラッド層３およびｐ型電子ブロック層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３およびｐ型電子ブロック層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３、活性層５、およびｐ型電子ブロック層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。さらに、ｐ型電子ブロック層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。
【００３９】
ｐ型クラッド層８は、活性層５にキャリアを注入する層として機能する。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。ｐ型コンタクト層９は、ｐ型電極１０との接触をオーミック接触にするために形成される。ガイド層４は、活性層５の量子井戸内にキャリアと光とを閉じ込める役割を果たす。
【００４０】
基板２はたとえばｎ型ＧａＮ、ＳｉＣ、またはサファイアなどよりなっており、特にＧａＮであることが好ましい。この場合、基板２の上面２１はたとえば（０００１）面であることが好ましい。ｎ型クラッド層３はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、ガイド層４はたとえばアンドープのＧａＮよりなっている。また、活性層５はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造を有しており、ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっており、ｐ型コンタクト層９はたとえばｐ型ＧａＮよりなっている。
【００４１】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子の発光原理について説明する。
ｐ型電極１０とｎ型電極１１との間に電圧を印加すると、ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８から活性層５へ正孔が注入され、ｎ型クラッド層３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。
【００４２】
活性層５において発生された光は、ｎ型クラッド層３と、ｐ型電子ブロック層６およびｐ型クラッド層８とによって活性層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。
【００４３】
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、ｐ型電極１０の真下の領域およびその付近の領域において生じうる。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。
【００４４】
フォトニック結晶層７（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次元回折格子は、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三角格子、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六角格子とそれぞれ呼ぶ。
【００４５】
図５は、三角格子における光の回折を説明するための図である。三角格子は、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５において、複数の格子点１３のうち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（図３）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。
【００４６】
２次元回折格子は、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。
【００４７】
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は高屈折率部分７１（図３）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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、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、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。
【００５０】
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次元回折格子の主面に対して垂直方向（図２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次元回折格子の主面に対して垂直方向、すなわち光放出面である上面９１（図１）から光を放出（面発光）させることができる。
【００５１】
さらに、この２次元回折格子では、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。この２次元回折格子では、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。
【００５２】
図６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他の構成を模式的に示す斜視図である。図６において、フォトニック結晶層７は正方格子の形態の２次元回折格子を構成している。低屈折率部分７２の各々は、正方格子の格子点１３となる位置、言い換えれば正方形の頂点の位置に形成されている。一つの格子点１３の中心と、この格子点に隣接する８つの格子点の中心との各々の距離はすべて等しい。
【００５３】
図７は、正方格子における光の回折を説明するための図である。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７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（図３）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。
【００５４】
２次元回折格子は、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、この２次元回折格子は光共振器、つまり波長選択器および反射器として作用する。
【００５８】
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
始めに図８を参照して、たとえばＧａＮ、ＳｉＣ、またはサファイアなどよりなる基板２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３、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６をこの順序で基板２の上面２１側にエピタキシャル成長させる。なお、図示しないが、基板２の直上にバッファ層を形成し、このバッファ層の上にｎ型クラッド層３を形成してもよい。この場合にはバッファ層によって各層の結晶性を向上することができる。
【００５９】
次に図９を参照して、ｐ型電子ブロック層６上全体に低屈折率部分（たとえばＡｌxＧａ1-xＮ）よりなる層７２ａを形成する。そして、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３００を層７２ａ上に形成する。具体的には、層７２ａの上面全体にＥＢ（電子ビーム）露光用レジストを一旦塗布し、このレジストの所望の領域をＥＢで露光した後、レジストを現像する。
【００６０】
次に図１０を参照して、レジスト３００をマスクとして層７２ａをエッチングする。これにより、２次元回折格子の格子点となる領域のみに低屈折率部分７２が形成され、他の領域の層７２ａは除去される。その後レジスト３００を除去する。
【００６１】
図１１は図１０に示す工程における低屈折率部分を模式的に示す斜視図である。図１１を参照して、複数の低屈折率部分７２の各々は円柱形状を有しており、２次元回折格子の格子点となる領域に形成されている。
【００６２】
なお、上記においては、レジスト３００をマスクとして層７２ａをエッチングする場合について示したが、レジスト３００の代わりにたとえばＳｉＮなどの絶縁膜や、多層の材料をマスクとして用いてもよい。
【００６３】
次に、ｐ型電子ブロック層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、高屈折率部分７１をｐ型電子ブロック層６上に形成する。図１２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１における高屈折率部分の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１２（ａ）〜（ｆ）は図１０におけるＡ部に対応している。
【００６４】
図１２（ａ）〜（ｆ）を参照して、たとえば減圧雰囲気でＧａＮよりなる高屈折率部分７１をエピタキシャル成長させる。すると、低屈折率部分７２の側面にはほとんど核形成が起きず、低屈折率部分７２の側面からはＧａＮは成長（成長方向が上下方向ではない異常成長）しない。このため、露出しているｐ型電子ブロック層６の表面および低屈折率部分７２の上面７４からのみＧａＮ（高屈折率部分７１）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する。このとき、低屈折率部分７２の上部では原料ガスの逃げが大きいため、低屈折率部分７２の上面７４からのＧａＮの成長速度よりもｐ型電子ブロック層６の表面からのＧａＮの成長速度の方が速い。減圧下で成長させるほうがこの現象の影響は大きい。低屈折率部分７２同士の間がＧａＮによって完全に埋められると、低屈折率部分７２の上面７４のＧａＮは図中上方向への成長を続けながら、図中横方向に成長する（（ｂ）→（ｃ））。ＧａＮの上面がほぼ平坦になるまで図中横方向への成長を続けた後（（ｃ）→（ｄ）→（ｅ））、ＧａＮは再び上方向にのみ成長する（（ｅ）→（ｆ））。これにより、図１４に示すように、低屈折率部分７２が高屈折率部分７１で完全に覆われる。なお、低屈折率部分７２の上面７４からのＧａＮの成長を抑制したり、フォトニック結晶層７よりも上のＧａＮを除去したりすることにより、図１３に示すように、フォトニック結晶層７上にＧａＮを形成しなくてもよい。
【００６５】
次に図３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ｐ型コンタクト層９をフォトニック結晶層７上にエピタキシャル成長させる。その後、ｐ型コンタクト層９の上面９１にｐ型電極１０を形成し、基板２の下面２２側にｎ型電極１１を形成し、半導体レーザ素子１が完成する。
【００６６】
本願発明者らは、フォトニック結晶層の高屈折率部分にＧａＮ系材料を採用し、かつ低屈折率部分としてＳｉＯ2などの物質を採用した従来の場合には、高屈折率部分と低屈折率部分との間に大きな格子不整合が発生することを見出した。また、フォトニック結晶層形成の際および形成後には、１０００℃レベルの高温の熱処理がフォトニック結晶層に施されるため、高屈折率部分と低屈折率部分との間に、熱膨張係数の差に起因する応力および歪みが発生することを見出した。そして、これらの格子不整合、応力、および歪みが、レーザ発光のための活性層の特性を劣化させ、ひいては半導体レーザ素子の特性を低下させることを見出した。加えて、低屈折率部分としてＳｉＯ2などの物質を採用した場合には、ＳｉＯ2などの材料を構成する元素（たとえばシリコン）が高屈折率部分や活性層などの近傍の層へ拡散し、半導体レーザ素子の信頼性を低下させることを見出した。
【００６７】
そこで、本実施の形態における半導体レーザ素子１においては、フォトニック結晶層７を構成する高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との各々が、ＧａＮ成分を含む材料（ＧａＮ系材料）により形成されている。これにより、高屈折率部分７１の結晶構造と低屈折率部分７２の結晶構造とが近くなるため、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との間の格子不整合が緩和される。また、高屈折率部分の熱膨張係数と低屈折率部分の熱膨張係数とが近くなるため、熱膨張係数の差に起因する応力および歪みが発生しにくくなる。その結果、活性層５の特性を向上することができ、半導体レーザ素子１の特性を向上することができる。加えて、低屈折率部分７２がＧａＮ成分を含む材料よりなっているので、低屈折率部分７２の元素の拡散により高屈折率部分７１や活性層５が悪影響を受けることがない。その結果、半導体レーザ素子１の信頼性を向上することができる。
【００６８】
ここで、一般的にフォトニック結晶層においては、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が大きいほど、フォトニック結晶層の特性が向上する。このことに鑑みると、ＧａＮ系材料は物性が互いに類似しているため、本実施の形態のように高屈折率部分と低屈折率部分との各々をＧａＮ系材料で形成した場合には、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が小さくなり、フォトニック結晶層の特性が低下することが懸念される。しかしながら、本願発明者らは、高屈折率部分と低屈折率部分との各々をＧａＮ系材料で形成した場合であっても、フォトニック結晶層の特性の低下はきわめて小さいことを見出した。特に、高屈折率部分と低屈折率部分との屈折率差が０．０４以上であれば、フォトニック結晶としての光回折効果が十分に得られることが分かった。
【００６９】
実際に、屈折率差が０．０２であるフォトニック結晶層と、０．０４であるフォトニック結晶層とを作成して光反射測定を実施した。その結果、屈折率差が０．０４のフォトニック結晶層においては、屈折率差が０．０２のフォトニック結晶層に比べて、フォトニック結晶の格子定数に対応した明瞭で鋭い回折ピークスペクトルが、フォトニック結晶面に垂直な方向に観測された。
【００７０】
特に、フォトニック結晶層を備えたＧａＮ系材料よりなる半導体レーザ素子においては、発光波長が短波長であり、エバネッセント光の存在範囲が限られている。したがって、半導体レーザ素子の特性を向上するためには、活性層とフォトニック結晶層とを近接させ、なるべく多くのエバネッセント光をフォトニック結晶層に到達させることが重要である。このことからも、フォトニック結晶層の格子不整合、応力、および歪みを抑制し、これらに起因する活性層の特性劣化を防ぐことは重要である。
【００７１】
また、ＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）およびＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）は、物性が特に互いに類似しているので、高屈折率部分７１および低屈折率部分７２の各々をこれらの材料で形成することにより、フォトニック結晶層７の格子不整合、応力、および歪みを一層抑制することができる。特に、高屈折率部分７１をＩｎyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．１５）で形成し、かつ低屈折率部分７２をＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）で形成することにより、高屈折率部分７１と低屈折率部分７２との屈折率差を保ちながら、高屈折率部分７１の格子定数と低屈折率部分７２の格子定数とを一層近づけることができる。
【００７２】
また、ＧａＮよりなる基板２を用いることで、フォトニック結晶層７および活性層５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、ＧａＮよりなる基板は導電性を有するので、基板２にｎ型電極１１を直接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、高電流密度の電流を発光層内へ注入することができる。
【００７３】
また、フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２から離れた位置に形成されているので、活性層５およびフォトニック結晶層７がこの順序で、基板２の上面２１側に形成される。
【００７４】
また、低屈折率部分７２は２次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、高屈折率部分７１内を進む光が低屈折率部分７２において回折され、再び高屈折率部分７１を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００７５】
また、フォトニック結晶層７は三角格子または正方格子の形状を有している。これらの格子を進む光は、複数回の回折を経て元の格子点の位置の戻るので、各格子点間に定在波が立ちやすい。
【００７６】
また、低屈折率部分７２を形成した後で高屈折率部分７１を形成することができる。さらに、高屈折率部分７１で低屈折率部分７２を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層７に隣接する層を高屈折率部分７１と同じ材料で連続的に形成することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態における半導体レーザ素子１の構成および製造方法はあくまでも一例であり、本発明の半導体レーザ素子は、少なくとも２次元回折格子と発光層とを備えており、２次元回折格子の高屈折率部分および低屈折率部分の各々は窒化ガリウム成分を含んでいればよい。
【００７８】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、実施の形態１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説明する。
【００７９】
始めに、図８に示す実施の形態１の製造方法と同様の製造方法を用いて、ｎ型クラッド層３、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６を基板２の上面２１上に形成する。
【００８０】
次に図１５を参照して、ｐ型電子ブロック層６上全体に高屈折率部分（ＧａＮ）よりなる層７１ａを形成する。そして、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３１０を層７１ａ上に形成する。
【００８１】
次に図１６を参照して、レジスト３１０をマスクとして層７１ａをエッチングする。これにより、２次元回折格子の格子点となる領域の層７１ａが除去され、この領域に孔７６が形成される。これにより、高屈折率部分７１が形成される。る。その後レジスト３１０を除去する。
【００８２】
次に、ｐ型電子ブロック層６の表面をクリーニングした後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、低屈折率部分７２をｐ型電子ブロック層６上に形成する。図１７（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態２における低屈折率部分の成長の様子を順に示す模式図である。なお、図１７（ａ）〜（ｆ）は図１６におけるＢ部に対応している。
【００８３】
図１７（ａ）〜（ｆ）を参照して、たとえば減圧雰囲気でＧａＮよりなる低屈折率部分７２をエピタキシャル成長させる。すると、高屈折率部分７１の側面にはほとんど核形成が起きず、高屈折率部分７１の側面からはＧａＮは成長（成長方向が上下方向ではない異常成長）しない。このため、露出しているｐ型電子ブロック層６の表面および高屈折率部分７１の上面７７からのみＧａＮ（低屈折率部分７２）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する。このとき、孔７６内に原料ガスが吹き溜まるため、高屈折率部分７１の上面７７からのＧａＮの成長速度よりもｐ型電子ブロック層６の表面からのＧａＮの成長速度の方が速い。減圧下で成長させるほうがこの現象の影響は大きい。高屈折率部分７１同士の間がＧａＮによって完全に埋められると、高屈折率部分７１の上面７７のＧａＮは図中上方向への成長を続けながら、図中横方向にも成長する（（ｂ）→（ｃ））。ＧａＮの上面がほぼ平坦になるまで図中横方向への成長を続けた後（（ｃ）→（ｄ）→（ｅ））、ＧａＮは再び上方向にのみ成長する（（ｅ）→（ｆ））。これにより、高屈折率部分７１が低屈折率部分７２で完全に覆われる。なお、高屈折率部分７１の上面７７からのＧａＮの成長を抑制したり、フォトニック結晶層８よりも上のＧａＮを除去したりすることにより、図１８に示すように、フォトニック結晶層７上にＧａＮを形成しなくてもよい。
【００８４】
その後、実施の形態１の製造方法と同様の製造方法を用いて、ｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０、およびｎ型電極１１を形成し、図３に示す半導体レーザ素子１が完成する。
【００８５】
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、実施の形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
加えて、高屈折率部分７１を形成した後で低屈折率部分７２を形成することができる。さらに、低屈折率部分７２で高屈折率部分７１を完全に覆う場合には、フォトニック結晶層７に隣接する層を低屈折率部分７２と同じ材料で連続的に形成することができる。
【００８７】
（実施の形態３）
図１８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は、本発明の実施の形態３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１８および図１９を参照して、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７ａの構造が、図４に示す実施の形態１のフォトニック結晶層の構造と異なっている。すなわち、本実施の形態におけるフォトニック結晶層７ａにおいて、高屈折率部分７１は複数であり、低屈折率部分７２の内部において均一に分布している。高屈折率部分７１の各々は、三角格子の格子点１３となる位置、言い換えれば三角形の頂点の位置に形成されている。
【００８８】
なお、これ以外の半導体レーザ素子１ａの構成は、図３に示す実施の形態１における半導体レーザ素子の構成と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００８９】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ａによれば、実施の形態１の半導体レーザ素子と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
加えて、高屈折率部分７１が２次元回折格子の格子点となる位置に形成されているので、低屈折率部分７２を進む光が高屈折率部分７１において回折され、再び低屈折率部分７２を進む。その結果、各格子点間に定在波が立つ。
【００９１】
なお、本実施の形態においては、高屈折率部分７１が三角格子の格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、高屈折率部分７１が正方格子の格子点となる位置に形成されていてもよい。
【００９２】
（実施の形態４）
図２０は、本発明の実施の形態４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を参照して、本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂにおいては、フォトニック結晶層７の（図中縦方向）の位置が、図４に示す実施の形態１におけるフォトニック結晶層の位置と異なっている。すなわち、本実施の形態におけるフォトニック結晶層７はｎ型クラッド層３上に形成されており、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６は、フォトニック結晶層７上にこの順序で形成されている。フォトニック結晶層７は活性層５よりも基板２に近い位置に形成されている。
【００９３】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂは以下の方法により製造される。始めに図２１を参照して、ｎ型クラッド層３を基板２の上面２１側にエピタキシャル成長させる。次に、図９〜図１３に示す実施の形態１と同様の方法を用いて、ｎ型クラッド層３上にフォトニック結晶層７を形成する。フォトニック結晶層７は、基板２の上面２１側における、活性層５よりも基板２に近い位置に形成される。
【００９４】
次に図２２を参照して、ガイド層４、活性層５、およびｐ型電子ブロック層６をこの順序でフォトニック結晶層７上にエピタキシャル成長させる。その後、実施の形態１と同様の方法を用いて、ｐ型クラッド層８、ｐ型コンタクト層９、ｐ型電極１０、およびｎ型電極１１を形成し、図２０に示す半導体レーザ素子１ｂが完成する。
【００９５】
本実施の形態における半導体レーザ素子１ｂおよびその製造方法によれば、実施の形態１における半導体レーザ素子およびその製造方法と同様の効果を得ることができる。
【００９６】
加えて、フォトニック結晶層７が活性層５よりも基板２に近い位置に形成されているので、フォトニック結晶層７および活性層５がこの順序で、基板２の上面２１側に形成される。
【００９７】
なお、本実施の形態においては、低屈折率部分７２が格子点となる位置に形成されている場合について示したが、本発明においてはこのような場合の他、高屈折率部分７１が格子点となる位置に形成されていてもよい。
【実施例１】
【００９８】
本実施例では、図３に示す実施の形態１の半導体レーザ素子を製造し、その特性を評価した。具体的には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面（表面）上に、ｎ型ＧａＮよりなるバッファ層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、アンドープのＧａＮよりなるガイド層と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層とをエピタキシャル成長させた。そして、エピタキシャル成長を行なった炉から基板を一端取り出した後、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層の上面全体にＥＢ露光用レジスト（日本ゼオン社製、ＺＥＰ５２０）を塗布した。さらに、このレジストの所望の領域を電子ビームで露光してパターンを描画した後、レジストを現像した。続いて、このレジストをマスクとしてｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる層をエッチングした。このエッチングは、ミリング課程が主となる垂直エッチング条件で、Ｃｌ系ガスまたはＨＩ系ガスのＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma）を用いて行なった。その後、ベンゼンスルフォン酸を用いてレジストを除去した。これにより、２次元回折格子の格子点となる位置にｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる低屈折率部分を形成した。図２３は、本発明の実施例１において作製された低屈折率部分の顕微鏡写真である。図２３を参照して、レジストのパターンを反映して、円柱形状を有する複数の低屈折率部分が形成されていることが分かる。このように、物理的な反応課程（ミリング）が主のドライエッチングプロセスは、制御が容易であるため、２次元回折格子の格子点形状の面内均一性を向上することができる。次に、減圧ＭＯＣＶＤ法を用いてｐ型電子ブロック層上にｐ型ＧａＮよりなる高屈折率材料をエピタキシャル成長させ、高屈折率材料によって低屈折率材料を埋め込んだ。これにより、ｐ型電子ブロック層上にフォトニック結晶層を形成した。このフォトニック結晶層については、隣り合う格子点間のピッチが１６０ｎｍの正方格子とし、充填率を１５％とし、厚み（低屈折率部分の円柱の高さ）を１００ｎｍとした。次に、フォトニック結晶層上に、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層とを形成した。そして、ｐ型コンタクト層上にｐ型電極を形成し、基板の裏面にｎ型電極を形成した。高屈折率部分のエピタキシャル成長後の表面モホロジーは良好であった。
【００９９】
続いて、得られた半導体レーザ素子の特性を評価した。回折ピークのスプリット幅に基づいて見積もられたフォトニック結晶層と活性層発光との結合係数κ（カッパ）は約１２０ｃｍ-1であった。また、室温で８ｋＡ／ｃｍ2の閾値でパルス発振が見られた。その結果、本実施例で得られた半導体レーザ素子は、ＳｉＯ2よりなる低屈折率部分をＧａＮよりなる高屈折率部分で埋め込んだ従来の半導体レーザ素子に比べて、素子寿命が長く、かつ信頼性の高い素子であることが分かった。
【実施例２】
【０１００】
本実施例では、図２０に示す実施の形態４の半導体レーザ素子を製造し、その特性を評価した。具体的には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面（表面）上に、ｎ型ＧａＮよりなるバッファ層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるクラッド層とをエピタキシャル成長させた。続いて、実施例１と同様の方法で、ｎ型ＧａＮよりなる低屈折率層と、ｎ型Ｉｎ0.04Ｇａ0.96Ｎよりなる高屈折率層とを有するフォトニック結晶層を形成した。このフォトニック結晶層については、隣り合う格子点間のピッチが１９０ｎｍの三角格子とし、充填率を１５％とし、厚み（低屈折率部分の円柱の高さ）を１００ｎｍとした。次に、フォトニック結晶層上に、アンドープのＧａＮよりなるガイド層と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子ブロック層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるクラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層とを形成した。そして、ｐ型コンタクト層上にｐ型電極を形成し、基板の裏面にｎ型電極を形成した。高屈折率部分のエピタキシャル成長後の表面モホロジーは良好であった。
【０１０１】
続いて、得られた半導体レーザ素子の特性を評価した。回折ピークのスプリット幅に基づいて見積もられたフォトニック結晶層と活性層発光との結合係数κ（カッパ）は約１５０ｃｍ-1であった。また、室温で７ｋＡ／ｃｍ2の閾値でパルス発振が見られた。その結果、本実施例で得られた半導体レーザ素子は、ＳｉＯ2よりなる低屈折率部分をＧａＮよりなる高屈折率部分で埋め込んだ従来の半導体レーザ素子に比べて、素子寿命が長く、かつ信頼性の高い素子であることが分かった。
【０１０２】
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、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明は、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利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【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】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上面図である。
【図３】図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】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模式的に示す斜視図である。
【図５】三角格子における光の回折を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層の他の構成を模式的に示す斜視図である。
【図７】正方格子における光の回折を説明するための図である。
【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１工程を示す断面図である。
【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２工程を示す断面図である。
【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３工程を示す断面図である。
【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３工程における低屈折率部分を模式的に示す斜視図である。
【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４工程における高屈折率部分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１３】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工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１において、低屈折率部分が高屈折率部分で完全に覆われた状態のフォトニック結晶層を模式的に示す斜視図である。
【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１工程を示す断面図である。
【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２工程を示す断面図である。
【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３工程における低屈折率部分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】本発明の実施の形態３におけるフォトニック結晶層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２０】本発明の実施の形態４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２１】本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態４における半導体レーザ素子の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図２３】本発明の実施例１において作製された低屈折率部分の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【０１０５】
１，１ａ，１ｂ  半導体レーザ素子、２  基板、３  ｎ型クラッド層、４  ガイド層、５  活性層、６  ｐ型電子ブロック層、７，７ａ  フォトニック結晶層、８  ｐ型クラッド層、９  ｐ型コンタクト層、１０  ｐ型電極、１１  ｎ型電極、１３  格子点、２１  基板上面、２２  基板下面、７１  高屈折率部分、７１ａ  高屈折率部分の層、７２  低屈折率部分、７２ａ  低屈折率部分の層、７４  低屈折率部分の上面、７６  孔、７７  高屈折率部分の上面、９１  ｐ型コンタクト層の上面、３００，３１０  レジスト。
【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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【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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