(57)【要約】【課題】室温でも発振可能な、高い信頼性を有するフォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】発光素子１では、サブバンド間遷移を用いた活性層である量子カスケード活性層４と、第１導電型の半導体層としてのｎ型バッファ層３およびｎ型ガイド層５と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７とを備える。ｎ型バッファ層３およびｎ型ガイド層５は、量子カスケード活性層４を挟むように配置される。フォトニック結晶層７は、ｎ型バッファ層３およびｎ型ガイド層５と積層され、量子カスケード活性層４と独立している。【選択図】図１
2009231773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移を用いた活性層と、
前記活性層を挟むように配置された、第１導電型の半導体層と、
前記半導体層と積層され、前記活性層と独立した２次元回折格子とを備える、フォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層と前記２次元回折格子との間は１μｍ以上離れている、請求項１に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層は、半導体からなる薄膜を積層した超格子構造であって、複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造を含む、請求項１または２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項４】
出射されるレーザ光の出射方向が、前記活性層の主表面に対して垂直な方向である、請求項１〜３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素子。
【請求項５】
出射されるレーザ光の波長は１．６μｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１〜３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素子。
【請求項６】
前記２次元回折格子が最表面に露出している、請求項１〜５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素子。
【請求項７】
前記２次元回折格子は、低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、
前記高屈折率部分は半導体からなり、
前記低屈折率部分は、前記高屈折率部分に形成された孔である、請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記２次元回折格子は、低屈折率部分と、前記低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有し、
前記高屈折率部分は金属からなり、
前記低屈折率部分は半導体からなる、請求項６に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記２次元回折格子に接触する、金属又は半導体からなる層を更に備える、請求項１〜５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素子。
【請求項１０】
前記活性層と前記第１導電型の半導体層と前記２次元回折格子とが主表面上に積層された基板を更に備え、
前記基板からみて、前記活性層は、前記２次元回折格子より遠くに位置する、請求項１〜５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素子。
【請求項１１】
サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、２次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層において、周期的に配置され、前記活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程と、
前記半導体層に接触する電極を形成する工程と、を備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、２次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層において、周期的に配置され、前記活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程と、
前記半導体層に接触するとともに前記凹部を覆う電極を形成する工程と、を備えるフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
前記電極を形成する工程では、メッキ法を用いて電極を形成する、請求項１１または１２に記載のフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子およびその製造方法に関し、より特定的には、サブバンド間遷移を用いた活性層を備えるフォトニック結晶面発光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、中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長領域のレーザ光を出射するレーザ素子として、サブバンド間遷移を利用した量子カスケードレーザが提案されている（たとえば、非特許文献１および非特許文献２参照）。上述した量子カスケードレーザでは、２種以上の半導体材料からなる超格子構造を作成し、当該超格子構造内に形成されるサブバンド間遷移を利用して長波長領域のレーザ光を得ることができるとされている。
【０００３】
たとえば、非特許文献１では、レーザ共振器としてファブリペロー共振器を利用した量子カスケードレーザが開示されている。
【０００４】
また、非特許文献２では、２種類以上の半導体材料からなる超格子構造を用いた量子カスケードレーザ構造に対して、素子表面から活性層まで貫通する空気孔を周期的に並べたフォトニック結晶構造を形成した素子が提案されている。当該素子は、フォトニック結晶構造内に空気孔の欠損による格子欠陥を導入することで、その格子欠陥中に局在したモードを利用して素子表面に垂直な方向にレーザ発振を起こさせている、欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザである。
【０００５】
また、上述したフォトニック結晶構造を用いた面発光レーザ素子としては、たとえば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特許第３９８３９３３号明細書
【非特許文献１】大谷  啓太、”ＩｎＡｓ量子カスケードレーザの研究”、［online］、財団法人  丸文研究交流財団、［平成２０年３月１９日  検索］、インターネット(http://www.marubun-zaidan.jp/pdf/h16_ootani.pdf)
【非特許文献２】ラファエル  コロンベリ（Raffaele Colombelli)他、、サイエンス（SCIENCE）、”カンタムカスケードサーフェスエミッティングフォトニッククリスタルレーザ（Quantum Cascade Surface-Emitting Photonic Crystal Laser)”、21 November 2003、Vol.302、p.1374-1377
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した非特許文献１に開示されたレーザ素子は、ファブリペロー共振器を用いることからマルチモード発振の素子であり、レーザの発振波長を単一に制御することが困難である。
【０００７】
また、上述した非特許文献２に開示されたレーザ素子は、欠陥部に強く局在モードを閉じ込める必要があることから、活性層での発光とフォトニック結晶の光結合の強さとを極大化する必要があるため、フォトニック結晶の空気孔が活性層にまで到達している構造となっている。この結果、レーザ光の発振は極低温環境下のみで起こり、たとえば室温などではレーザ光の発振は難しい。これは、活性層中に空気孔の露出側壁が多数存在することになり、室温においてはその露出面においてキャリアの非発光再結合が非常に起こりやすくなる（表面再結合速度が非常に速い）ためである。このため、非特許文献２に開示されたレーザ素子において発光及び発振を実現するには、表面再結合速度を小さくするために、素子全体を液体ヘリウム温度(４Ｋ)程度の極低温に冷却する必要がある。そのため、非特許文献２に開示されたレーザ素子では室温での使用は難しく、現実の応用が困難である。
【０００８】
また、非特許文献２に開示された欠陥型フォトニック結晶量子カスケードレーザの場合、欠陥部に強く局在モードを閉じ込めるには、欠陥部自体の体積を波長レベルまで極小化する必要がある。このため局在する光の量を大きくすることが難しいことから、高出力のレーザ発振は困難考えられる。また例え高出力の発振に成功した場合でも、出射される光は非常に狭い欠陥表面部から出射されるため、この欠陥表面部に光集中が起こって端面破壊現象（ＣＯＤと呼ばれる突然死現象）を容易に引き起こす可能性がある。このため、信頼性の高い素子を作ることは困難であった。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、室温でも発振可能な、高い信頼性を有するフォトニック結晶面発光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】
【００１０】
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子は、サブバンド間遷移を用いた活性層と、第１導電型の半導体層と、２次元回折格子とを備える。半導体層は、活性層を挟むように配置される。２次元回折格子は、半導体層と積層され、活性層と独立している。
【００１１】
このようにすれば、フォトニック結晶層である２次元回折格子が活性層と独立して形成されているため、当該２次元回折格子を構成する凹部（空気孔）などが活性層にまで到達する場合のように活性層が当該凹部の形成により損傷を受けたり空気中に露出することがない。そのため、２次元回折格子の凹部が活性層に到達している場合よりキャリアの非発光配結合が起こりにくくなるため、活性層において室温での十分な発光を実現できる。また、２次元回折格子を利用することで、容易に単一波長（シングルモード）のレーザ光を発振させることができる。
【００１２】
さらに、２次元回折格子を利用して面発光させるため、非特許文献２に示されたレーザ素子のように端面破壊現象が起こる可能性が低く、高い信頼性を実現できる。
【００１３】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、活性層と２次元回折格子との間は１μｍ以上離れていることが好ましい。この場合、活性層と２次元回折格子とが十分離れて配置されることから、活性層への２次元回折格子の影響を抑制し、高い信頼性のレーザ素子を実現できる。
【００１４】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、活性層は、半導体からなる薄膜を積層した超格子構造であって、複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造を含んでいてもよい。このようにすれば、活性層において階段状のポテンシャルを形成でき、薄膜の組成や膜厚を制御することによりレーザ光の発振波長などを制御することができる。
【００１５】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、出射されるレーザ光の出射方向は、活性層の主表面に対して垂直な方向であってもよい。
【００１６】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、出射されるレーザ光の波長は１．６μｍ以上１ｍｍ以下である（すなわち出射されるレーザ光は赤外域もしくはテラヘルツ帯域レーザ光である）ことが好ましい。この場合、特にサブバンド間遷移を用いた活性層を用いた本発明によるレーザ素子は、上述した波長のレーザ光を出射するレーザ素子として優れた特性（すなわち室温での高い信頼性での発振）を示すことから、上述した波長域のレーザ光の光源として優れている。
【００１７】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、２次元回折格子は最表面に露出していてもよい。この場合、２次元回折格子を半導体の積層構造の中央部などに配置する場合に比べて、レーザ素子の製造工程を簡略化できる。このため、レーザ素子の製造コストの増大を抑制できる。
【００１８】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、２次元回折格子は、低屈折率部分と、当該低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有していてもよい。高屈折率部分は半導体からなっていてもよく、低屈折率部分は、高屈折率部分に形成された孔であってもよい。
【００１９】
このような構成の２次元回折格子は、高屈折率部分となる半導体層の形成とエッチングなどによる孔の形成という比較的簡単な工程で形成できる。このため、レーザ素子の製造工程を簡略化し、低コストなレーザ素子を実現できる。
【００２０】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子において、２次元回折格子は、低屈折率部分と、低屈折率部分の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部分とを有していてもよい。高屈折率部分は金属からなっていてもよく、低屈折率部分は半導体からなっていてもよい。
【００２１】
この場合、高屈折率部分を構成する金属を電極として利用すれば、２次元回折格子と別に電極を形成する場合よりレーザ素子の構造を簡略化できる。
【００２２】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、２次元回折格子に接触する、金属又は半導体からなる層を更に備えていてもよい。当該半導体は第１導電型の半導体であってもよい。このようにすれば、２次元回折格子が積層構造中に埋設された構造を有する、本発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。この場合、たとえば上記半導体からなる層を２次元回折格子に接続するために、従来から知られている融着法などの工程を利用することができる。
【００２３】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と第１導電型の半導体層と２次元回折格子とが主表面上に積層された基板を更に備えていてもよい。基板からみて、活性層は、２次元回折格子より遠くに位置してもよい。この場合、基板上に２次元回折格子を形成してから、別基板上に形成した活性層および第１導電型の半導体層を２次元回折格子上に融着するといった方法で本発明によるフォトニック結晶面発光レーザ素子を製造することができる。
【００２４】
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程を実施する。活性層上に、２次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程を実施する。半導体層において、周期的に配置され、活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程を実施する。半導体層に接触する電極を形成する工程を実施する。このようにすれば、２次元回折格子を構成する半導体層上に直接電極を形成するので、２次元回折格子を他の半導体層により挟むような構成より簡単な工程でレーザ素子を製造することができる。
【００２５】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法において、電極を形成する工程では、メッキ法を用いて電極を形成してもよい。この場合、メッキ法を用いることで比較的容易に電極の厚みを厚くすることができる。
【００２６】
この発明に従ったフォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、サブバンド間遷移を用いた活性層を形成する工程を実施する。活性層上に、２次元回折格子を構成する半導体層を形成する工程を実施する。半導体層において、周期的に配置され、活性層にまで到達しない複数の凹部をエッチングにより形成する工程を実施する。半導体層に接触するとともに凹部を覆う電極を形成する工程を実施する。
【００２７】
このようにすれば、電極が、２次元回折格子を構成する半導体層における凹部の形状を保持するサポート部材として作用するので、より信頼性の高いフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。また、上記フォトニック結晶面発光レーザ素子の製造方法では、凹部を覆う電極を形成する工程において、メッキ法を用いて電極を形成してもよい。この場合も、メッキ法を用いることで比較的容易に電極の厚みを厚くすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
このように、本発明によれば、室温で発振可能なフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明に従った発光素子の実施の形態１を示す断面模式図である。図２は、図１に示した発光素子に含まれるフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。図３は図１に示した発光素子のｎ型表面電極を示す平面模式図である。図１〜図３を参照して、本発明による発光素子の実施の形態１を説明する。
【００３１】
発明者らは、特許文献１に示されたフォトニック結晶面発光レーザ素子の概念を利用して、中赤外域からテラヘルツ（ＴＨｚ）帯に渡る周波数の（具体的には波長が１．６μｍ以上１ｍｍ以下である）レーザ光を発振可能な、図１〜図３に示すような量子カスケード面発光レーザ（発光素子１）を形成することに成功した。具体的には、図１〜図３を参照して、本発明による発光素子１は、二次元フォトニック結晶量子カスケード面発光レーザ素子であり、基板２と、基板２の上部表面上に形成されたｎ型バッファ層３と、ｎ型バッファ層３上に形成された量子カスケード活性層４と、量子カスケード活性層４上に形成されたｎ型ガイド層５と、ｎ型ガイド層５上に形成されたフォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上に形成されたｎ型表面電極１０と、基板２のｎ型バッファ層３が形成された表面とは反対側の裏面に形成されたｎ型裏面電極９とを備える。基板２としてはｎ型の基板を用いることができる。また、基板２の材料としては、たとえばインジウムリン（ＩｎＰ）を用いることができる。また、ｎ型バッファ層３の組成としてはｎ型のＩｎＧａＡｓからなる層を用いることができる。フォトニック結晶層７に形成された孔８の側壁は発光素子１の上部表面において露出した状態になっている。つまり、フォトニック結晶層７は発光素子１の最表面に露出している。
【００３２】
量子カスケード活性層４としては、たとえばＡｌＩｎＡｓからなるバリア層と、ＩｎＧａＡｓからなるウエル層とを交互に積層することにより超格子構造が構成されている。量子カスケード活性層４では、サブバンド間遷移領域と注入領域とが複数周期繰返すように、つまり複数の階段状サブバンド構造を有する量子カスケード構造となるように形成されている。
【００３３】
具体的には、量子カスケード活性層４の構成例としては、たとえばバリア層をＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成０．４８）とし、ウエル層をＩｎＧａＡｓ（Ｇａ組成０．４７）とした場合に、高バイアス側であるｎ型表面電極１０側から低バイアス側であるｎ型裏面電極９に向けて、バリア層／（ウエル層）／バリア層／（ウエル層）／・・・と交互に積層された構成を採用できる。また、これらの各層の厚みは５ｎｍ／（１ｎｍ）／１．５ｎｍ／（４．５ｎｍ）／２ｎｍ／（４ｎｍ）／３ｎｍ／（２．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（２．２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／２ｎｍ／（２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／３ｎｍ／（２ｎｍ）とした１８層からなる積層構造を１周期とし、この周期を複数（たとえば１０〜１００周期）繰返した構成とすることができる。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
【００３４】
ｎ型ガイド層５としては、たとえばＩｎＧａＡｓからなる層を用いることができる。フォトニック結晶層７としては、たとえばｎ型のインジウムリン（ＩｎＰ）からなる層に、周期的な凹部としての孔８が形成された構造を用いることができる。ｎ型表面電極１０およびｎ型裏面電極９の材料としては、任意の金属を用いることができる。フォトニック結晶層７と量子カスケード活性層４との間は１μｍ以上離れている。
【００３５】
フォトニック結晶層７においては、空気孔である孔８が三角格子状に配置されている。この結果、孔８が低屈折率部分７２となり、その周囲のＩｎＰからなる層が高屈折率部分７１となる。また、図３に示すように、ｎ型表面電極１０には、フォトニック結晶層７における空気孔である孔８と重なる部分に孔８の平面形状と同じ平面形状を有する孔が形成されている。なお、ｎ型裏面電極９は、基板２の裏面全体を覆うように形成されている。
【００３６】
図２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（すなわち孔８）とを有している。低屈折率部分７２（孔８）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（孔８）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２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（孔８）の各々は、三角格子の格子点となる位置、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】
次に、図１〜図３に示した発光素子１の発光原理について簡単に説明する。
ｎ型表面電極１０とｎ型裏面電極９とに電圧を印加すると、量子カスケード活性層４へ電子が注入される。そして、量子カスケード活性層４における量子井戸構造の伝導帯中に生成する遷移領域でのサブバンド間を電子が遷移するが、上記電極に電圧（バイアス）を印加することでバンドを傾けることにより、サブバンド間の電子の遷移が連続して発生する。この結果、（たとえば主に２μｍ以上の長波長の）光が発生する。なお、発生される光の波長は、量子カスケード活性層４の構成により規定される。
【００３８】
量子カスケード活性層４において発生された光は、ｎ型バッファ層３とｎ型ガイド層５とによって量子カスケード活性層４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。ここで、量子カスケード活性層４において発生する光は中赤外光からテラヘルツ（ＴＨｚ）光となるように、量子カスケード活性層４の構造は規定されているため、エバネッセント光の広がる領域が広くなる。なぜならエバネッセント光の広がりは、その光の波長に比例するからである。そのため、図１に示した発光素子１では、フォトニック結晶層７と量子カスケード活性層４との間の距離をたとえば１μｍ以上としても、十分フォトニック結晶層７に量子カスケード活性層４からのエバネッセント光が到達する。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。
【００３９】
このような現象は、量子カスケード活性層４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、ｎ型裏面電極９の真上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。
【００４０】
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。
【００４１】
図４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４において、複数の格子点（孔８）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。ここでは、量子カスケード活性層４（図１）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。
【００４２】
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。
【００４３】
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２）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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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（量子カスケード活性層４の主面）に対して垂直方向、すなわち光放出面である上面から、図１の矢印１１に示す方向に光を放出（面発光）させることができる。
【００４７】
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。
【００４８】
図５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５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孔８である。一つの格子点（孔８）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。
【００４９】
図６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６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、量子カスケード活性層４（図１）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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ここで、図１〜図３に示したフォトニック結晶面発光レーザ素子としての発光素子１では、サブバンド間遷移を用いた活性層である量子カスケード活性層４と、第１導電型の半導体層としてのｎ型バッファ層３およびｎ型ガイド層５と、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７とを備える。ｎ型バッファ層３およびｎ型ガイド層５は、量子カスケード活性層４を挟むように配置される。フォトニック結晶層７は、ｎ型ガイド層５上に積層され、量子カスケード活性層４と独立している。このような構成を備えることにより、図１〜図３に示した発光素子１では、フォトニック結晶層７の構造（格子定数や空気充填率）を制御することにより、量子カスケード活性層４で発光する光のうちの任意の１波長の光のみを量子カスケード活性層４内にフィードバックさせ、１つのモードのみで発振させることができる。つまり、従来のファブリペロー型共振器を用いた通常の量子カスケードレーザのように、発振波長については多数の波長が混在するマルチモードではなくて、本発明による発光素子１では任意の単一波長での発振が可能となる。また、量子カスケード活性層４の主表面と垂直な方向に回折効果により単一波長のレーザ光を出射させることが可能となる。
【００５５】
これまで強度の強い光源が存在しなかった中赤外域からＴＨｚ帯において、任意の波長のレーザ光源が得られるということは非常に意義深いことである。また、図１〜図３に示したフォトニック結晶面発光レーザ素子としての発光素子１の構造では、出射面を表面側の非常に大きな面積の領域にすることが可能である。この結果、本発明による発光素子１では、ファブリペローレーザや欠陥型フォトニック結晶レーザのように出射面を狭い領域とせざるを得ないレーザで問題となる破壊現象（ＣＯＤ:突然破壊：光集中により出射面が溶ける現象）を起こす可能性が極めて低い。つまりレーザ光源としての信頼性も向上する。
【００５６】
また、図１〜図３に示した発光素子１では、フォトニック結晶層７を量子カスケード活性層４から離した位置（たとえば１μｍ以上離れた位置）に形成して、活性層からしみ出したエバネッセント光とフォトニック結晶層７との光結合を利用することが可能である。このため、従来のように活性層まで到達する孔を形成する必要は無い。これは、図１〜図３に示した発光素子１の共振器は、強い局在モードの閉じ込めを必要とせず、通常の１次元ＤＦＢレーザ（Distributed feedback laser)と同程度の光結合の強さで充分であるからである。よって、図１〜図３に示した発光素子１の量子カスケード活性層４は、外部に露出されることが無いため、室温でも表面再結合速度が上昇することはない。この結果、図１〜図３に示した発光素子１では、室温での発光及び発振が容易に実現できる。
【００５７】
なお、上述した特許文献１に開示されているフォトニック結晶面発光レーザ素子は、基本的に近赤外光から可視光（波長にして０．４μｍ〜１．５μｍ）のレーザを前提としている。この場合、エバネッセント光の拡がる領域（その広さは波長に比例する）が小さく、フォトニック結晶層を活性層の近傍に作り込む必要がある。したがって、特許文献１では融着法や再成長法を用いて素子を形成していた。しかし、図１〜図３に示した発光素子１では、中赤外光からＴＨｚ帯域（波長にして２μｍ以上１０００μｍ以下）のレーザ光を発振対象とするため、エバネッセント光の拡がる領域が非常に広くなり、フォトニック結晶層７と量子カスケード活性層４との間の距離を大きく離すことが可能となる。よって、図１に示すように、発光素子１の表面部分にフォトニック結晶層７を形成した構成とすることが可能である。この結果、本発明による発光素子１については、融着法や再成長法などの面倒な作製法を用いることが必須ではない。
【００５８】
さらにフォトニック結晶層７における孔８の加工位置と量子カスケード活性層４の距離が離れていることから、孔８を形成する際の加工に伴う量子カスケード活性層４への加工ダメージもほとんど発生しない。また同様にフォトニック結晶層７を作り込む際に発生する応力と歪みの影響も、量子カスケード活性層４に対しては少なくなる。このため、他の短波長のフォトニック結晶面発光レーザ素子では残留応力の強さから採用が困難な場合があった、誘電体柱埋め込みフォトニック結晶構造などを採用することも容易になる。この結果、構造の自由度が大きく拡がった。つまり、図１〜図３に示した発光素子１は、発振波長が任意の単一波長に制御された、信頼性が高く、室温での動作も可能である、中赤外域からＴＨｚ帯に渡る周波数のレーザ光を出射可能な光源である。また、図１〜図３に示した発光素子１は、後述するように簡単な工程で作り出すことが出来る。
【００５９】
次に、図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明する。図７〜図１１は、図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図７〜図１１を参照して、図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明する。
【００６０】
まず、図７に示すように基板２を準備する。基板２としては、上述のようにたとえばｎ型のＩｎＰ基板を用いることができる。
【００６１】
次に、エピタキシャル成長法を用いて、基板２の主表面上にｎ型バッファ層３、量子カスケード活性層４、ｎ型ガイド層５、ｎ型半導体層１７を順に積層する。この結果、図８に示すような構造を得る。
【００６２】
次に、蒸着法を用いて、ｎ型半導体層１７の上部表面上に導電体層１８を形成する。また、基板２の裏面側（ｎ型バッファ層３が形成された表面とは反対側の裏面）にも、蒸着法を用いてｎ型裏面電極９を形成する。このようにして、図９に示すような構造を得る。
【００６３】
次に、導電体層１８の上部表面上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト１９を形成する。このレジスト１９においては、図１〜図３に示したフォトニック結晶層７の孔８（空気孔）が形成されるべき領域上に開口パターンが形成されている。この開口パターンの平面形状は孔８の平面形状と同様であり、たとえば円形状とすることができる。このようにして、図１０に示すような構造を得る。
【００６４】
次に、レジスト１９をマスクとして用いて、導電体層１８およびｎ型半導体層１７を部分的にエッチングにより除去することにより、凹部としての孔８を形成する。この結果、図１１に示すような構造を得る。
【００６５】
この後、レジスト１９を除去する。この結果、図１〜図３に示した発光素子を得ることができる。
【００６６】
図１２は、図１〜図３に示した発光素子の第１の変形例を示す断面模式図である。図１２を参照して、図１〜図３に示した本発明による発光素子の実施の形態１の第１の変形例を示す。
【００６７】
図１２に示した発光素子１は、基本的には図１〜図３に示した発光素子と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層７の構造が一部異なっている。具体的には、フォトニック結晶層７において、孔８の内部に絶縁膜としてのシリコン酸化膜２０が充填されている。シリコン酸化膜２０の屈折率は、フォトニック結晶層７を構成するｎ型半導体層１７（図８参照）より低い。また、フォトニック結晶層７を構成するシリコン酸化膜２０の上部表面は発光素子１の最表面に露出している。このような構造によっても、図１〜図３に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
次に、図１２に示した発光素子の製造方法を説明する。図１３は、図１２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図１３を参照して、図１２に示した発光素子１の製造方法を説明する。
【００６９】
図１２に示した発光素子の製造方法においては、上述した図８〜図１１に示した工程を実施した後、図１３に示すように、孔８の内部が充填さるように、レジスト１９が残存した状態でシリコン酸化膜２０を形成する。シリコン酸化膜２０はたとえば蒸着法などを用いて形成する。この結果、図１３に示すようにレジスト１９の上部表面上および孔８の内部にシリコン酸化膜２０が形成される。
【００７０】
その後、レジスト１９とともに、レジスト１９上に形成されたシリコン酸化膜２０を除去する（リフトオフ）。この結果、図１２に示す発光素子を得ることができる。
【００７１】
図１４は、図１〜図３に示した発光素子の第２の変形例を示す断面模式図である。図１４を参照して、本発明による発光素子の実施の形態１の第２の変形例を示す。
【００７２】
図１４に示した発光素子１は、基本的には図１〜図３に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、ｎ型表面電極１０の構成が図１〜図３に示した発光素子１とは異なっている。すなわち、図１４に示した発光素子１においては、ｎ型表面電極１０の厚みが図１〜図３に示した発光素子１におけるｎ型表面電極１０の厚みより厚くなっている。このような構成によっても、図１〜図３に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
次に、図１４に示した発光素子の製造方法を説明する。まず、図８〜図１１に示した工程を図示した後、図１１に示したレジスト１９を剥離液などの薬液を用いて除去する。その結果、図１に示したようにｎ型表面電極１０の上部表面が露出した状態になる。この露出したｎ型表面電極１０の上部表面上にめっき法によりさらに導電体膜を形成する。この結果、厚みの厚いｎ型表面電極１０（図１４参照）が形成される。このようにして、図１４に示す発光素子１を得ることができる。
【００７４】
（実施の形態２）
図１５は、本発明による発光素子の実施の形態２を示す断面模式図である。図１６は、図１５に示した発光素子を構成するフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。図１７は、図１５に示した発光素子の上部表面に形成されたｎ型表面電極を示す平面模式図である。図１８は、図１５に示した発光素子の裏面側に形成されたｎ型裏面電極９を示す平面模式図である。図１５〜図１８を参照して、本発明による発光素子の実施の形態２を説明する。
【００７５】
図１５〜図１８を参照して、発光素子１は、基本的には図１〜図３に示した発光素子と同様の構造を備えるが、ｎ型表面電極１０、フォトニック結晶層７およびｎ型裏面電極９の構造が異なっている。すなわち、図１５〜図１８に示した発光素子１では、ｎ型裏面電極９が基板２の裏面（ｎ型バッファ層３が形成された表面とは反対側の裏面）において、基板２の外周部において環状に配置されている。ｎ型裏面電極９は、図１８に示すように中央部に開口部１３が形成された構成となっている。また、ｎ型表面電極１０は、図１７および図１８からもわかるようにｎ型裏面電極９に形成された開口部１３とほぼ同じ平面形状を有するように矩形状の平面形状を有している。また、フォトニック結晶層７においては、孔８の内部に高屈折率部分としての金属柱２１が充填された状態となっている。フォトニック結晶層７において金属柱２１を囲む部分は低屈折率部分としての半導体層により構成される。金属柱２１はｎ型表面電極１０と接続されている。図１５に示した発光素子１では、矢印１１（図１５参照）に示す方向に光（レーザ光）が放出される。このような構成によっても、図１〜図３に示す発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
次に、図１５〜図１８に示した発光素子１の製造方法を説明する。図１９〜図２１は、図１５〜図１８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図１９〜図２１を参照して、図１５〜図１８に示した発光素子１の製造方法を説明する。
【００７７】
まず、図７および図８に示した工程と同様の工程を実施する。この結果、図８に示すように基板２の上部表面上にｎ型バッファ層３、量子カスケード活性層４、ｎ型ガイド層５およびフォトニック結晶層７（図１５参照）となるべきｎ型半導体層１７が形成される。その後、図１９に示すように、基板２の裏面上にｎ型裏面電極９を形成する。具体的には、基板２の裏面上に、ｎ型裏面電極９の開口部１３（図１８参照）と同様の平面形状を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、このレジストパターン上および基板２の裏面上にｎ型裏面電極９（図１５参照）となるべき導電体膜（図示せず）を形成する。その後、レジストを除去することにより、開口部１３となるべき領域に開口が形成されたｎ型裏面電極９を得ることができる。このようにして、図１９に示すような構造を得る。
【００７８】
次に、ｎ型半導体層１７上にパターンを有するレジスト１９（図２０参照）を形成する。このようにして、図２０に示すような構造を得る。なお、レジスト１９において形成される開口パターンは、フォトニック結晶層７の金属柱２１が充填される孔８と同様の平面形状および配置を有する。
【００７９】
次に、上述したレジスト１９をマスクとして用い、エッチングによりｎ型半導体層１７を部分的に除去する。このようにして、孔８（図１５参照）が形成される。その後、剥離液などを用いてレジスト１９を除去する。その結果、図２１に示すような構造を得る。
【００８０】
次に、孔８が形成されたフォトニック結晶層７上にフォトリソグラフィ法を用いてレジスト（図示せず）を形成する。このレジストにおいては、図１５および図１７に示すようにｎ型表面電極１０が形成されるべき領域に開口パターンが形成されている。そして、当該レジストの上部表面上、露出しているフォトニック結晶層７の上部表面上、および孔８の内部を充填するようにｎ型表面電極１０となるべき導電体膜（図示せず）を形成する。この導電体膜は、孔８の内部を充填するとともに、ｎ型表面電極１０を構成するために十分な膜厚となるように蒸着法により形成される。その後、上述したレジスト膜を、当該レジスト膜上に形成された導電体膜とともに除去する（リフトオフ）。この結果、図１５〜図１８に示した発光素子１を得ることができる。
【００８１】
（実施の形態３）
図２２は、本発明による発光素子の実施の形態３を示す断面模式図である。図２３は、図２２に示した発光素子のｎ型裏面電極９の平面形状を示す模式図である。図２２および図２３を参照して、本発明による発光素子の実施の形態３を説明する。
【００８２】
図２２および図２３に示した発光素子１は、基本的には図１５〜図１８に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、ｎ型裏面電極９およびｎ型表面電極１０の形状が異なり、またフォトニック結晶層７の構成も異なっている。すなわち、図２２および図２３に示した発光素子１では、ｎ型表面電極１０がフォトニック結晶層７の上部表面全体を覆うように形成されている。また、ｎ型裏面電極９も、発光領域をより広く確保するという観点から基板２の裏面の外周部に沿って環状に配置されている。
【００８３】
また、フォトニック結晶層７においては、孔８の内部には空気が存在し、絶縁膜などは充填されていない状態となっている。また、ｎ型表面電極１０は、フォトニック結晶層７の上部全体を覆うように形成される。このような構成の発光素子１によっても、図１５〜図１８に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
次に、図２２および図２３に示した発光素子１の製造方法を、図２４〜図２７を参照して説明する。図２４〜図２７は、図２２および図２３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【００８５】
まず、先に説明した図７および図８と同様の工程を実施する。その後、フォトニック結晶層７となるべきｎ型半導体層１７（図２４参照）上に電極となるべき導電体層１８（図２４参照）を形成する。また、基板２の裏面側の外周部上に位置するようにｎ型裏面電極９（図２４参照）を形成する。具体的には、ｎ型裏面電極９の開口部１３を形成するため、当該開口部１３が形成されるべき基板２の裏面の領域上には予めレジストを形成する。そして、当該レジストの上部表面上と基板２の裏面のうち露出している部分上にｎ型裏面電極９となるべき導電体膜を形成する。当該導電体膜のうち、レジスト上に形成された部分を、レジストとともに除去する（リフトオフ）ことにより、図２４に示すような構造を得る。
【００８６】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、導電体層１８上にパターンを有するレジスト１９（図２５参照）を形成する。このようにして、図２５に示すような構造を得る。なお、レジスト１９において形成される開口パターンは、フォトニック結晶層７（図２２参照）において形成されるべき孔８の位置上に位置し、当該孔８の平面形状と同じ平面形状を有するように形成される。
【００８７】
次に、レジスト１９をマスクとして用いて、導電体層１８およびｎ型半導体層１７を部分的に除去する。この結果、図２６に示すように、孔８が形成される。
【００８８】
次に、レジスト１９を除去する。この結果、図２７に示すような構造を得る。すなわち、孔８が形成されたフォトニック結晶層７と、当該孔８上に開口部を有する導電体膜部分２２とが形成される。
【００８９】
次に、めっき法により、導電体膜部分２２上にｎ型表面電極１０となるべき金属膜を形成する。その結果、孔８は空気が存在する状態で維持され、当該孔８の上部を塞ぐように導電体膜が形成される。このようにして、ｎ型表面電極１０（図２２参照）が形成される。この結果、図２２および図２３に示すような発光素子１を得ることができる。
【００９０】
図２８は、図２２および図２３に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図２８を参照して、図２２および図２３に示した発光素子の変形例を説明する。
【００９１】
図２８に示した発光素子１は、基本的には図２２および図２３に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層７の構造が異なっている。すなわち、フォトニック結晶層７においては、孔８の内部が、フォトニック結晶層７を構成するｎ型半導体層の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料であるシリコン酸化膜２０によって充填されている。このような構成によっても、図２２および図２３に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００９２】
図２９および図３０は、図２８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図２９および図３０を参照して、図２８に示した発光素子１の製造方法を説明する。
【００９３】
まず、図２４〜図２６に示す工程を実施する。その後、レジスト１９が残存した状態で、図２９に示すように当該レジスト１９の上部表面上および孔８の内部を充填するようにシリコン酸化膜２０を形成する。この結果、図２９に示すような構造を得る。
【００９４】
その後、レジスト１９とともに、当該レジスト１９上に形成されたシリコン酸化膜２０の部分を除去する（リフトオフ）ことにより、図３０に示すような構造を得る。
【００９５】
この後、導電体膜部分２２（図３０参照）上に、めっき法により導電体膜を形成することにより、ｎ型表面電極１０（図２８参照）を形成する。このようにして、図２８に示す発光素子を得ることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
図３１は、本発明による発光素子の実施の形態４を示す断面模式図である。図３２は、図３１に示した発光素子のｎ型表面電極を示す平面模式図である。図３１および図３２を参照して、本発明による発光素子の実施の形態４を説明する。
【００９７】
図３１および図３２に示した発光素子１は、基本的には図１〜図３に示した発光素子と同様の構造を備えるが、ｎ型表面電極１０の形状およびフォトニック結晶層７上にｎ型コンタクト層４１が形成されている点が異なる。すなわち、図３１および図３２に示した発光素子１では、基板２の上部表面上にｎ型バッファ層３、量子カスケード活性層４、ｎ型ガイド層５およびフォトニック結晶層７が積層され、さらにこのフォトニック結晶層７の上部表面上にｎ型コンタクト層４１が形成される。このｎ型コンタクト層４１としては、たとえばｎ型のＩｎＰからなる層を用いることができる。そして、基板２の裏面側を覆うようにｎ型裏面電極９が形成され、ｎ型コンタクト層４１の上部表面上において、発光素子１のほぼ中央部に平面形状が円形状のｎ型表面電極１０が形成される。図３１および図３２に示した発光素子１は、矢印１１に示す方向に光が出射される。このような構成によっても、図１〜図３に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【００９８】
次に、図３３〜図３７を参照して、図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明する。図３３〜図３７は、図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【００９９】
まず、図７および図８に示す工程と同様の工程を実施した後、図３３に示すように、フォトニック結晶層７（図３１参照）となるべきｎ型半導体層１７上にパターンを有するレジスト１９を形成する。このレジスト１９において形成される開口パターンは図３１に示した発光素子１のフォトニック結晶層７における孔８が形成されるべき領域上に形成される。また、当該開口パターンの平面形状は、フォトニック結晶層７における孔８の平面形状と同様となっている。
【０１００】
次に、レジスト１９をマスクとして用いて、ｎ型半導体層１７を部分的にエッチングにより除去する。この結果、図３４に示すようにｎ型半導体層１７において孔８が形成される。
【０１０１】
その後、レジスト１９を除去することにより、図３５に示すように、孔８が形成されたフォトニック結晶層７を得ることができる。
【０１０２】
一方、図３６に示すように、別の基板４２を準備し、当該基板４２の主表面上にたとえばエピタキシャル成長法を用いてｎ型コンタクト層４１を形成する。そして、このｎ型コンタクト層４１が形成された基板４２を、当該ｎ型コンタクト層４１が図３５に示したフォトニック結晶層７と対向するように基板４２を反転させて図３５に示したフォトニック結晶層７の上部表面上に当接させる。さらに、互いに接触したフォトニック結晶層７とｎ型コンタクト層４１とを加熱することにより融着させる。その後、基板４２をｎ型コンタクト層４１から除去する。この結果、図３７に示すように、フォトニック結晶層７上にｎ型コンタクト層４１が配置された構造を得る。
【０１０３】
その後、従来公知の蒸着法などを用いてｎ型裏面電極９（図３１参照）およびｎ型表面電極１０（図３２参照）を形成する。この結果、図３１および図３２に示す発光素子１を得ることができる。
【０１０４】
図３８は、図３１および図３２に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図３８を参照して、図３１および図３２に示した発光素子の変形例を説明する。
【０１０５】
図３８に示すように、発光素子１は、基本的には図３１および図３２に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層７において孔８の内部がシリコン酸化膜２０で充填されている点が異なる。このような構造によっても、図３１および図３２に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
図に、図３８に示した発光素子の製造方法を説明する。図３９〜図４１は、図３８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【０１０７】
まず、図３３〜図３４に示す工程を実施した後、図３９に示すようにレジスト１９の上部表面上および孔８の内部を充填するようにシリコン酸化膜２０を形成する。シリコン酸化膜２０はたとえば蒸着法を用いて形成することができる。
【０１０８】
その後、レジスト１９とともに、レジスト１９上に形成されたシリコン酸化膜２０を除去（リフトオフ）することにより、図４０に示すような構造を得る。すなわち、図４０に示すように、上述した工程によって孔８の内部にシリコン酸化膜２０が充填されたフォトニック結晶層７を得ることができる。
【０１０９】
その後、フォトニック結晶層７上において再度エピ成長を行なうことにより、ｎ型コンタクト層４１を形成する。この結果、図４１に示すような構造を得る。すなわち、フォトニック結晶層７上にｎ型コンタクト層４１が配置された構造を得る。
【０１１０】
この後、ｎ型裏面電極９およびｎ型表面電極１０を従来周知の方法を用いて形成することにより、図３８に示す発光素子１を得ることができる。
【０１１１】
（実施の形態５）
図４２は、本発明による発光素子の実施の形態５を示す断面模式図である。図４２を参照して、本発明による発光素子の実施の形態を説明する。図４２に示すように、発光素子１は、基板２と、基板２の上部表面上に形成されたｎ型バッファ層３と、ｎ型バッファ層３上に形成されたフォトニック結晶層７と、フォトニック結晶層７上に形成されたｎ型ガイド層５と、ｎ型ガイド層５上に形成された量子カスケード活性層４と、量子カスケード活性層４上に形成されたｎ型コンタクト層４１と、ｎ型コンタクト層４１上に形成されたｎ型表面電極１０と、基板２の裏面（基板２においてｎ型バッファ層３が形成された上部表面と反対側に位置する裏面）に形成されたｎ型裏面電極９とを備える。基板２からみて、量子カスケード活性層４は、２次元回折格子としてのフォトニック結晶層７より遠くに位置している。なお、ｎ型裏面電極９の平面形状は図１８に示したｎ型裏面電極９の平面形状と同様であり、四角形状になっている。また、ｎ型表面電極１０の平面形状は、図１７に示したｎ型表面電極１０の平面形状と同様である。
【０１１２】
基板２としてはたとえばｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を用いることができる。また、ｎ型バッファ層３、ｎ型ガイド層５、ｎ型コンタクト層４１を構成する材料としては上述したＧａＡｓを用いることができる。このような発光素子１においても、図１〜図３に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【０１１３】
次に、図４２に示した発光素子の製造方法を説明する。図４３〜図４８は、図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。図４３〜図４８を参照して、図４２に示した発光素子の製造方法を説明する。
【０１１４】
まず、基板２の上部表面上にｎ型バッファ層３（図４２参照）およびフォトニック結晶層７（図４２参照）となるべきｎ型半導体層１７（図４３参照）を形成する。このようにして、図４３に示すような構造を得る。
【０１１５】
この後、ｎ型半導体層１７上にパターンを有するレジスト１９（図４４参照）を形成する。レジスト１９におけるパターンは、開口パターンであって、フォトニック結晶層７に形成される孔８と重なる位置に形成される。また、当該開口パターンの平面形状は形成されるべき孔８の平面形状と同様になっている。このようにして、図４４に示す構造を得る。
【０１１６】
そして、レジスト１９をマスクとして用いて、ｎ型半導体層１７を部分的に除去することにより、図４５に示すように孔８を形成する。
【０１１７】
この後、レジスト１９を除去する。このようにして、図４６に示すような構造を得る。つまり、図４６に示すように、ｎ型バッファ層３上に孔８を有するフォトニック結晶層７が形成された状態となる。
【０１１８】
そして、図４７に示すように、別途基板４２を準備し、当該基板４２上にｎ型コンタクト層４１、量子カスケード活性層４、ｎ型ガイド層５を順次積層した構造を準備する。そして、当該基板４２を、反転させ、ｎ型ガイド層５がフォトニック結晶層７と接触するように基板４２を基板２上に配置する。そして、加熱することによりフォトニック結晶層７とｎ型ガイド層５とを融着させる。その後基板４２をｎ型コンタクト層４１から剥離させる。この結果、図４８に示すような構造を得る。そして、従来周知の方法によりｎ型裏面電極９およびｎ型表面電極１０を形成することにより、図４２に示す発光素子１を得ることができる。
【０１１９】
図４９は、図４２に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。図４９を参照して、図４２に示した発光素子の変形例を説明する。
【０１２０】
図４９に示した発光素子１は、基本的には図４２に示した発光素子１と同様の構造を備えるが、フォトニック結晶層７において孔８の内部にシリコン酸化膜２０が充填されている点が異なる。このようにしても、図４２に示した発光素子１と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
次に、図４９に示した発光素子１の製造方法を説明する。図５０〜図５２は、図４９に示した発光素子１の製造方法を説明するための断面模式図である。図５０〜図５２を参照して、図４９に示した発光素子１の製造方法を説明する。
【０１２２】
まず、図４３〜図４５に示す工程を実施する。その後、図５０に示すように、レジスト１９の上部表面上および孔８の内部を充填するようにシリコン酸化膜２０を形成する。この結果、図５０に示すような構造を得る。
【０１２３】
その後、レジスト１９を剥離することにより、レジスト１９上に位置するシリコン酸化膜２０も同時に除去する（リフトオフ）。この結果、図５１に示すように、孔８の内部にシリコン酸化膜２０が充填されたフォトニック結晶層７を得ることができる。
【０１２４】
その後、フォトニック結晶層７の上部表面上において再度エピ成長を行ない、ｎ型ガイド層５、量子カスケード活性層４およびｎ型コンタクト層４１を形成する。この結果、図５２に示すような構造を得る。その後、従来周知の方法により、ｎ型裏面電極９およびｎ型表面電極１０をそれぞれ形成することにより、図４９に示すような発光素子１を得ることができる。
【０１２５】
（実施例１）
本発明による発光素子の効果を確認するため、開放孔型表面フォトニック結晶形成ＱＣ（量子カスケード）レーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザパルス発振を確認した。具体的には、試料として図１〜３、図１２、図１４に示した構造の発光素子Ａ〜発光素子Ｃを形成した。
【０１２６】
（試料の製造方法）
発光素子Ａについて：
ｎ型の（００１）面ＩｎＰ基板を準備した。そして、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いて、ＩｎＰ基板側から、格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファー層（１００ｎｍ）／量子カスケード（ＱＣ）活性層／格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓガイド層（５００ｎｍ）／ｎ型ＩｎＰ層（１μｍ）という構造のエピウェハ（エピタキシャル層付基板）を作製した。なお、量子カスケード活性層の構造は、バリア層をＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成０．４８）とし、ウエル層をＩｎＧａＡｓ（Ｇａ組成０．４７）とし、高バイアス側であるｎ型表面電極１０側から低バイアス側であるｎ型裏面電極９に向けて、バリア層／（ウエル層）／バリア層／（ウエル層）／・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは５ｎｍ／（１ｎｍ）／１．５ｎｍ／（４．５ｎｍ）／２ｎｍ／（４ｎｍ）／３ｎｍ／（２．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（２．２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／２ｎｍ／（２ｎｍ）／２．２ｎｍ／（２ｎｍ）／３ｎｍ／（２ｎｍ）とした１８層からなる積層構造を１周期とし、この周期を３０周期繰返した構成を採用した。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約１４４０ｎｍとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
【０１２７】
ｎ型ＩｎＰ層は、フォトニック結晶層となるべきｎ型半導体層である。この最表面（ｎ型ＩｎＰ層の上部表面上）にｎ型表面電極、裏面側にｎ型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも３００ｎｍ厚の金−ゲルマニウム−ニッケル合金（Ａｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金）を用いた。さらに、表面側のｎ型表面電極の上にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには、開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクにドライエッチング法にて、ｎ型表面電極とｎ型ＩｎＰ層に孔を開けた。このようにして、ｎ型ＩｎＰ層によりフォトニック結晶層が構成される。当該フォトニック結晶層における孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が１．８μｍ、空気充填率１５％である。なお、孔（空気孔）の平面形状は直径７３０ｎｍの円形状）であった。また、孔は垂直方向での深さが１μｍとなった。フォトニック結晶層の面内の領域サイズは１ｍｍ角とした。このようにして、図１〜図３に示した構造の試料である発光素子Ａを作成した。
【０１２８】
発光素子Ｂについて：
上述した発光素子Ａの製造方法のうち、ドライエッチング法によりｎ型表面電極とｎ型ＩｎＰ層に孔を開ける工程までを実施した。このため、量子カスケード活性層の構成は発光素子Ａと同様である。その後、表面保護のために、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１μｍ厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。このようにして、図１２に示した構造の発光素子Ｂを得た。
【０１２９】
発光素子Ｃについて：
上述した発光素子Ａの製造方法を実施した後、さらに、直列抵抗成分の低減のために、ｎ型表面電極上に電界メッキ法にて金をメッキし、ｎ型表面電極の厚みを１μｍまで増した。この時、フォトニック結晶層の孔（空気孔）は開放されたままであった。このようにして、図１４に示す構造の発光素子Ｃを製造した。なお、量子カスケード活性層の構成は発光素子Ａと同様である。
【０１３０】
（測定）
上述した３種の発光素子Ａ〜Ｃに適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、閾値電流密度は１．２ｋＡ／ｃｍ２にて室温パルス発振を確認した。発振したレーザ光の発振波長は５μｍの単一波長であった。
【０１３１】
（実施例２）
本発明による発光素子の効果を確認するため、金属/半導体表面フォトニック結晶形成ＱＣレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザパルス発振を確認した。具体的には、試料として図１５に示した構造の発光素子Ｄを形成した。
【０１３２】
（試料の製造方法）
発光素子Ｄについて：
実施例１と同様に、ｎ型の（００１）面ＩｎＰ基板を準備した。そして、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ＩｎＰ基板側から実施例１と同様に格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファー層（１００ｎｍ）／量子カスケード（ＱＣ）活性層／格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓガイド層（５００ｎｍ）／ｎ型ＩｎＰ層（１μｍ）という構造のエピウェハ（エピタキシャル層付基板）を作製した。なお、量子カスケード活性層の構成は、実施例１における発光素子Ａの量子カスケード活性層の構成と同様とした。そして、基板の裏面側に５００μｍ角の窓が形成されたｎ型裏面電極を形成した。また、両面マスクアライナーを用いて、ｎ型ＩｎＰ層にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには、開口パターンを複数形成した。そして、レジストをマスクにドライエッチング法にて、ｎ型ＩｎＰ層を部分的に除去することにより孔を作製した。この孔は三角格子の格子点に位置し、また、当該孔が形成された領域はｎ型裏面電極の窓の領域と重なる位置とした。
【０１３３】
具体的には、当該孔が形成された領域は５００μｍ角の四角形状とした。このような孔が形成されたｎ型ＩｎＰ層からなるフォトニック結晶層では、上記三角格子の格子定数は１．８μｍ、空気充填率２２％である。なお、孔の平面形状は直径８９０ｎｍの円形状であった。また、孔の垂直方向での深さは１μｍとなっていた。
【０１３４】
そして、フォトニック結晶層上に２μｍ厚のｎ型表面電極を、直接蒸着法にて形成した。この結果、図１５に示すように孔はｎ型表面電極を構成する金属材料により埋まっている状態となった。
【０１３５】
（測定）
上記発光素子Ｄに適度なバイアス下のもと電流を流して、裏面側から観察したところ、閾値電流密度は４ｋＡ／ｃｍ２にて室温パルス発振を達成した。発振したレーザ光の波長は５．１５μｍの単一波長であった。
【０１３６】
（実施例３）
本発明による発光素子の効果を確認するため、表面側フォトニック結晶埋め込みＱＣレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図２２および図２８に示した構造の発光素子Ｅ、Ｆを形成した。
【０１３７】
（試料の製造方法）
発光素子Ｅについて：
実施例１と同様に、ｎ型の（００１）面ＩｎＰ基板を準備した。そして、ＭＢＥ法を用いて、ＩｎＰ基板側から、ｎ型ＩｎＰバッファー層（２μｍ）／量子カスケード（ＱＣ）活性層／格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓガイド層（１μｍ）／ｎ型ＩｎＰ層（２μｍ）という構造のエピウェハを作製した。ここで、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Ａと同様に、バリア層をＡｌＩｎＡｓ（Ａｌ組成０．４８）とし、ウエル層をＩｎＧａＡｓ（Ｇａ組成０．４７）とした場合に、高バイアス側であるｎ型表面電極１０側から低バイアス側であるｎ型裏面電極９に向けて、バリア層／（ウエル層）／バリア層／（ウエル層）／・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは４ｎｍ／（２ｎｍ）／１ｎｍ／（７．５ｎｍ）／１．５ｎｍ／（５．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（４．５ｎｍ）／１．５ｎｍ／（３．５ｎｍ）／１．２ｎｍ／（３．５ｎｍ）／２ｎｍ／（４ｎｍ）とした１４層からなる積層構造を１周期とし、この周期を５０周期繰返した構成とした。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約２２００ｎｍとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
【０１３８】
このｎ形ＩｎＰ層の表面にｎ型表面電極を形成した。また、ＩｎＰ基板の裏面側に窓（開口部）が形成されたｎ型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも３００ｎｍ厚のＡｕ‐Ｇｅ‐Ｎｉ合金を用いた。
【０１３９】
続いて、ｎ型表面電極の上にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いたドライエッチング法にて、ｎ型表面電極とｎ型ＩｎＰ層に孔を形成した。このようにして、ｎ型ＩｎＰ層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が２．８μｍ、空気充填率１５％である。なお、孔（空気孔）の平面形状は直径１．１４μｍの円形状である。また、空気孔の垂直方向での深さは１．５μｍとなった。
【０１４０】
フォトニック結晶の面内の領域サイズ（孔が形成された領域（フォトニック結晶領域）の平面形状のサイズ）は１ｍｍ角とした。またｎ型裏面電極は、このフォトニック結晶領域の真下に１ｍｍ角の窓が開いているものとした。
【０１４１】
最後に電界メッキ法により、ｎ型表面電極上に金をメッキして、ｎ型表面電極の厚みを２μｍ程度にした。また、このメッキ法により形成された金の膜により、孔の内部では空隙を保持しつつ孔の上面部が塞がれた。このようにして、図２２に示した構造の試料である発光素子Ｅを作成した。
【０１４２】
発光素子Ｆについて：
上記発光素子Ｅの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてｎ型表面電極とｎ型ＩｎＰ層に孔を開ける工程までを実施した。なお、量子カスケード活性層の構造は発光素子Ｆの量子カスケード活性層と同様とした。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１．５μｍ厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。さらに、蒸着法により金をｎ型表面電極の上部表面の全面に蒸着した。このようにして、図２８に示した構造の試料である発光素子Ｅを作成した。
【０１４３】
（測定）
作成した２種の発光素子Ｅ、Ｆに適度なバイアス下のもと電流を流して裏面側から観察したところ、空気孔構造の発光素子Ｅでは閾値電流密度は２ｋＡ／ｃｍ２にて室温パルス発振を確認できた。また、ＳｉＯ２柱構造の発光素子Ｆでは、閾値電流密度２．７ｋＡ／ｃｍ２にて室温連続発振を達成した。発振したレーザ光の発振波長はいずれも８μｍの単一波長であった。
【０１４４】
（実施例４）
本発明による発光素子の効果を確認するため、表面側フォトニック結晶埋め込みＱＣレーザ構造の試料を作成し、室温でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図３１および図３８に示した構造と類似の構造を有する発光素子Ｇ、Ｈを形成した。
【０１４５】
（試料の製造方法）
発光素子Ｇについて：
実施例１と同様に、ｎ型の（００１）面ＩｎＰ基板を準備した。そして、ＭＢＥ法を用いて、ＩｎＰ基板側から、ｎ型ＩｎＰバッファー層（２μｍ）／量子カスケード（ＱＣ）活性層／格子整合ｎ型ＩｎＧａＡｓガイド層（１μｍ）／ｎ型ＩｎＰ層（１．５μｍ）という構造のエピウェハを作製した。なお、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Ｅにおける量子カスケード活性層の構成と同様とした。このｎ型ＩｎＰ層の表面にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。当該レジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いてドライエッチング法にて、ｎ型ＩｎＰ層に複数の孔を開けた。このようにして、ｎ型ＩｎＰ層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は三角格子の格子点に位置し、格子定数が２．８μｍ、空気充填率１５％である。また、孔（空気孔）の平面形状は直径１．１４μｍの円形状である。そして、孔の垂直方向での深さは１．５μｍとなった。フォトニック結晶の面内の領域サイズ（孔が形成された領域であるフォトニック結晶領域）は直径が１ｍｍの円形状とした。
【０１４６】
続いて１μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層と０．５μｍ厚のｎ型ＩｎＰ層とを表面にエピ成長したＩｎＰ基板（別基板）を別途準備する。そして、別基板を反転させて、ｎ型ＩｎＰ層をフォトニック結晶層（ｎ型ＩｎＰ層）に接触させてから加熱する融着法により、ｎ型ＩｎＰ層をフォトニック結晶層に融着させる。その後、別基板であるＩｎＰ基板を選択エッチング法により除去した。
【０１４７】
最後に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の最表面にｎ型表面電極を形成し、ＩｎＰ基板の裏面側にｎ型裏面電極を形成した。これらの電極は、いずれも３００ｎｍ厚のＡｕ‐Ｇｅ‐Ｎｉ合金を用いた。
【０１４８】
発光素子Ｈについて：
上記発光素子Ｇの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてｎ型ＩｎＰ層に孔を開ける工程までを実施した。なお、量子カスケード活性層の構成は、上述した発光素子Ｅにおける量子カスケード活性層の構成と同様とした。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１．５μｍ厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。そして、シリコン酸化膜が孔の内部に充填されたフォトニック結晶層上において、ＭＯＣＶＤ法により再度エピ成長を実施し、０．５μｍ厚のｎ型ＩｎＰ層と１μｍ厚のｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を形成する。そして、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層の最表面にｎ型表面電極を形成し、ＩｎＰ基板の裏面側にｎ型裏面電極を形成した。
【０１４９】
（測定）
作成した２種の発光素子Ｇ、Ｈに適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、空気孔構造の発光素子Ｇでは閾値電流密度が２ｋＡ／ｃｍ２にて室温パルス発振を確認した。また、ＳｉＯ２柱構造の発光素子Ｈでは閾値電流密度が２．７ｋＡ／ｃｍ２にて室温連続発振を達成した。発振したレーザ光の発振波長はいずれも８μｍの単一波長であった。
【０１５０】
（実施例５）
本発明による発光素子の効果を確認するため、基板側フォトニック結晶埋め込みＱＣレーザ構造の試料を作成し、液体窒素温度でのレーザ発振を確認した。具体的には、試料として図４２および図４９に示した構造を有する発光素子Ｉ、Ｊを形成した。
【０１５１】
（試料の製造方法）
発光素子Ｉについて：
まず、ｎ型の（００１）面ＧａＡｓ基板を準備した。そして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＡｓ基板側から、ｎ型ＧａＡｓバッファー層（１μｍ）／ｎ型ＧａＡｓ層（３μｍ）のエピウェハを作製した。そして、ｎ型ＧａＡｓ層の表面にフォトリソグラフィ法によりレジストのパターンを形成した。このレジストには開口パターンを複数形成した。そのレジストをマスクとして用いて、ドライエッチング法にて、ｎ型ＧａＡｓ層に孔を形成した。このようにして、ｎ型ＧａＡｓ層によりフォトニック結晶層が構成される。フォトニック結晶層の孔は正方格子の格子点に位置し、格子定数が２１．１μｍ、空気充填率が１５％である。なお、孔（空気孔）の平面形状は直径８．５μｍの円形状である。そして、孔の垂直方向の深さは３μｍとなった。フォトニック結晶の面内の領域サイズ（孔が形成された領域であるフォトニック結晶領域）は２ｍｍ角の四角形状とした。
【０１５２】
続いて、２μｍ厚のｎ型ＧａＡｓコンタクト層と量子カスケード（ＱＣ）活性層と２μｍ厚のｎ型ＧａＡｓガイド層とをエピ成長したＧａＡｓ基板（別基板）を別途準備する。なお、量子カスケード活性層の構成としては、バリア層をＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１５）とし、ウエル層をＧａＡｓとした。そして高バイアス側であるｎ型表面電極１０側から低バイアス側であるｎ型裏面電極９に向けて、バリア層／（ウエル層）／バリア層／（ウエル層）／・・・と交互に積層された構成を採用した。また、これらの各層の厚みは３ｎｍ／（１８．５ｎｍ）／１ｎｍ／（１５．５ｎｍ）／０．５ｎｍ／（１３．５ｎｍ）／２．５ｎｍ／（１３ｎｍ）／２ｎｍ／（１２ｎｍ）／２．５ｎｍ／（１１ｎｍ）／３ｎｍ／（１０．５ｎｍ）とした１４層からなる積層構造を１周期とし、この周期を１００周期繰返した構成とした。この結果、量子カスケード活性層の厚みは約１０．８μｍとなった。なお、上述した厚みの表示において、括弧で囲まれた厚みの値はウエル層の厚みを示す。
【０１５３】
そして、別基板を反転させて、ｎ型ＧａＡｓガイド層をフォトニック結晶層（ｎ型ＧａＡｓ層）に接触させてから加熱する融着法により、ｎ型ＧａＡｓ層をフォトニック結晶層に融着させる。その後、融着した側の別基板であるＧａＡｓ基板を選択エッチング法により除去した。
【０１５４】
最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の最表面にｎ型表面電極を形成し、ＧａＡｓ基板の裏面側にｎ型裏面電極を形成した。ｎ型表面電極の平面形状のサイズは２ｍｍ角とした。このｎ型表面電極は、上述したフォトニック結晶領域と重なるように形成される。またｎ型裏面電極は、このフォトニック結晶領域の真下に２ｍｍ角の窓（開口部）が開いているものとした。
【０１５５】
発光素子Ｊについて：
上記発光素子Ｉの製造方法と同様に、ドライエッチング法にてｎ型ＧａＡｓ層に孔を開ける工程までを実施した。この結果、発光素子Ｊにおける量子カスケード活性層の構成は上記発光素子Ｉにおける量子カスケード活性層の構成と同様である。その後、レジストを残存させたまま、孔の内部およびレジストの上部表面上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を３μｍ厚だけ蒸着した。そして、リフトオフ法によりレジストごと孔の内部以外のシリコン酸化膜を除去した。そして、シリコン酸化膜が孔の内部に充填されたフォトニック結晶層上において、ＭＯＣＶＤ法により再度エピ成長を実施し、２μｍ厚のｎ型ＧａＡｓガイド層とＱＣ活性層と２μｍ厚のｎ型ＧａＡｓコンタクト層を形成する。
【０１５６】
その後、発光素子Ｉと同様のサイズのｎ型表面電極をｎ型ＧａＡｓコンタクト層の表面に形成し、ＧａＡｓ基板の裏面側にｎ型裏面電極を形成した。
【０１５７】
（測定）
作成した２種の発光素子Ｉ、Ｊを液体窒素温度（７７Ｋ）に冷やし、これらの発光素子に適度なバイアス下のもと電流を流して上方から観察したところ、空気孔構造の発光素子Ｉでは閾値電流密度は３ｋＡ／ｃｍ２にて低温パルス発振を確認した。また、ＳｉＯ２柱構造の発光素子Ｊでは閾値電流密度が４．３ｋＡ／ｃｍ２にて低温パルス発振を達成した。発振したレーザ光の波長はいずれも７０μｍ（４．３ＴＨｚ）の単一波長であった。
【０１５８】
今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
この発明は、中赤外からテラヘルツ帯にわたる長波長領域のレーザ光を出射する発光素子に特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明に従った発光素子の実施の形態１を示す断面模式図である。
【図２】図１に示した発光素子に含まれるフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。
【図３】図１に示した発光素子のｎ型表面電極を示す平面模式図である。
【図４】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５】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】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７】図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図８】図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図９】図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１０】図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１１】図１〜図３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１２】図１〜図３に示した発光素子の第１の変形例を示す断面模式図である。
【図１３】図１２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】図１〜図３に示した発光素子の第２の変形例を示す断面模式図である。
【図１５】本発明による発光素子の実施の形態２を示す断面模式図である。
【図１６】図１５に示した発光素子を構成するフォトニック結晶層を示す斜視模式図である。
【図１７】図１５に示した発光素子の上部表面に形成されたｎ型表面電極を示す平面模式図である。
【図１８】図１５に示した発光素子の裏面側に形成されたｎ型裏面電極９を示す平面模式図である。
【図１９】図１５〜図１８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２０】図１５〜図１８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２１】図１５〜図１８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２２】本発明による発光素子の実施の形態３を示す断面模式図である。
【図２３】図２２に示した発光素子のｎ型裏面電極９の平面形状を示す模式図である。
【図２４】図２２および図２３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２５】図２２および図２３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２６】図２２および図２３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２７】図２２および図２３に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２８】図２２および図２３に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。
【図２９】図２８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３０】図２８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３１】本発明による発光素子の実施の形態４を示す断面模式図である。
【図３２】図３１に示した発光素子のｎ型表面電極を示す平面模式図である。
【図３３】図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３４】図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３５】図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３６】図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３７】図３１および図３２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３８】図３１および図３２に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。
【図３９】図３８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４０】図３８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４１】図３８に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４２】本発明による発光素子の実施の形態５を示す断面模式図である。
【図４３】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４４】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４５】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４６】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４７】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４８】図４２に示した発光素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４９】図４２に示した発光素子の変形例を示す断面模式図である。
【図５０】図４９に示した発光素子１の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図５１】図４９に示した発光素子１の製造方法を説明するための断面模式図である。
【図５２】図４９に示した発光素子１の製造方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１  発光素子、２，４２  ｎ型基板、３  ｎ型バッファ層、４  量子カスケード活性層、５  ｎ型ガイド層、７  フォトニック結晶層、８  孔、９  ｎ型裏面電極、１０  ｎ型表面電極、１１  矢印、１３  開口部、１７  ｎ型半導体層、１８  導電体層、１９  レジスト、２０  シリコン酸化膜、２１  金属柱、２２  導電体膜部分、４１  ｎ型コンタクト層、７１  高屈折率部分、７２  低屈折率部分。
【図１】
2009231773.tif 000003
【図２】
2009231773.tif 000004
【図３】
2009231773.tif 000005
【図４】
2009231773.tif 000006
【図５】
2009231773.tif 000007
【図６】
2009231773.tif 000008
【図７】
2009231773.tif 000009
【図８】
2009231773.tif 000010
【図９】
2009231773.tif 000011
【図１０】
2009231773.tif 000012
【図１１】
2009231773.tif 000013
【図１２】
2009231773.tif 000014
【図１３】
2009231773.tif 000015
【図１４】
2009231773.tif 000016
【図１５】
2009231773.tif 000017
【図１６】
2009231773.tif 000018
【図１７】
2009231773.tif 000019
【図１８】
2009231773.tif 000020
【図１９】
2009231773.tif 000021
【図２０】
2009231773.tif 000022
【図２１】
2009231773.tif 000023
【図２２】
2009231773.tif 000024
【図２３】
2009231773.tif 000025
【図２４】
2009231773.tif 000026
【図２５】
2009231773.tif 000027
【図２６】
2009231773.tif 000028
【図２７】
2009231773.tif 000029
【図２８】
2009231773.tif 000030
【図２９】
2009231773.tif 000031
【図３０】
2009231773.tif 000032
【図３１】
2009231773.tif 000033
【図３２】
2009231773.tif 000034
【図３３】
2009231773.tif 000035
【図３４】
2009231773.tif 000036
【図３５】
2009231773.tif 000037
【図３６】
2009231773.tif 000038
【図３７】
2009231773.tif 000039
【図３８】
2009231773.tif 000040
【図３９】
2009231773.tif 000041
【図４０】
2009231773.tif 000042
【図４１】
2009231773.tif 000043
【図４２】
2009231773.tif 000044
【図４３】
2009231773.tif 000045
【図４４】
2009231773.tif 000046
【図４５】
2009231773.tif 000047
【図４６】
2009231773.tif 000048
【図４７】
2009231773.tif 000049
【図４８】
2009231773.tif 000050
【図４９】
2009231773.tif 000051
【図５０】
2009231773.tif 000052
【図５１】
2009231773.tif 000053
【図５２】
2009231773.tif 000054