(57)【要約】【課題】製造歩留りを向上させることが可能な２次元フォトニック結晶発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】この発明に従った２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、以下の工程を実施する。すなわち、基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程（Ｓ２０）を実施する。ＧａＮ系半導体層上にアルミニウム膜を形成する工程（Ｓ３０）を実施する。アルミニウム膜上に、パターンを有するレジスト膜を形成する工程（Ｓ４０）を実施する。レジスト膜をマスクとして用いて、アルミニウム膜およびＧａＮ系半導体層の一部をエッチングにより除去することにより、ＧａＮ半導体層に２次元回折格子を構成する複数の凹部を形成する工程（Ｓ５０）を実施する。レジスト膜およびアルミニウム膜を除去する工程（Ｓ６０）を実施する。ＧａＮ系半導体層上に、ＧａＮ系半導体層２２を形成する工程（Ｓ７０）を実施する。【選択図】図１
2009060036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウムを含む半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に被覆膜を形成する工程と、
前記被覆膜上に、パターンを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をマスクとして用いて、前記被覆膜および前記半導体層の一部をエッチングにより除去することにより、前記半導体層に２次元回折格子を構成する複数の凹部を形成する工程と、
前記レジスト膜および前記被覆膜を除去する工程と、
前記半導体層上に、上部半導体層を形成する工程とを備える、２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記上部半導体層を形成する工程では、前記複数の凹部が空孔として維持された状態で前記上部半導体層が形成される、請求項１に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記上部半導体層を形成する工程に先立って、前記複数の凹部の内部に前記半導体層の屈折率とは異なる屈折率を有する膜を形成する工程を更に備える、請求項１に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記異なる屈折率を有する膜を形成する工程は、前記レジスト膜および前記被覆膜を除去する工程に先立って、前記レジスト膜上と前記凹部の底部とに前記膜を形成する工程を含み、
前記レジスト膜および前記被覆膜を除去する工程では、前記レジスト膜上に形成された前記膜の部分が同時に除去される、請求項３に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記膜を構成する材料は酸化シリコン、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種を含む、請求項３または４に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記上部半導体層を形成する工程では、前記上部半導体層を構成する材料として前記半導体層の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を用い、前記凹部を充填するとともに前記半導体層上に積層するように前記上部半導体層を形成する、請求項１に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記上部半導体層を構成する材料はＡｌｘＩｎｙＧａＮ１−x−y（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である、請求項６に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記レジスト膜を形成する工程に先立って、前記被覆膜上に保護膜を形成する工程を更に備え、
前記複数の凹部を形成する工程では、前記レジスト膜をマスクとして用いて、前記保護膜の一部もエッチングにより除去され、
前記レジスト膜および前記被覆膜を除去する工程では、前記保護膜も除去される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記保護膜を構成する材料は金である、請求項８に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記被覆膜を構成する材料は、酸溶液またはアルカリ溶液によって溶解される材料である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法を用いて製造された、２次元フォトニック結晶発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２次元フォトニック結晶発光素子およびその製造方法に関し、より特定的には、２次元回折格子をエッチングによって形成する２次元フォトニック結晶発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次元回折格子を利用した２次元フォトニック結晶発光素子が知られている（特許文献１、２参照）。たとえば、特許文献１では、ＧａＮ系半導体層を用いた２次元フォトニック結晶発光素子として半導体レーザが開示されている。当該特許文献１では、ＧａＮ系半導体層の結晶反転領域をウエットエッチングすることにより２次元回折格子を形成し、さらに当該ＧａＮ系半導体層とＧａＮ基板とを融着することにより形成された半導体レーザが開示されている。また、特許文献２では、ＧａＮ系半導体層を用いた２次元フォトニック結晶発光素子としての半導体レーザであって、２次元回折格子を周期的に配置された複数の誘電体や空気孔によって形成したものが開示されている。特許文献２では、ＧａＮ系半導体層においてフォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて複数の開口部を形成し、さらにこの２次元回折格子を構成する開口部（空気孔）上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させることで、レーザ素子を構成している。また、特許文献２では、２次元回折格子として低誘電率材料を周期的に配置する場合、ＧａＮ系半導体層上に所定の開口パターンを有するレジスト膜を形成し、その後低誘電率材料をレジスト膜上および開口パターンの底部に蒸着してから、レジスト膜を除去することでレジスト膜上に位置する低誘電率材料を除去する（リフトオフ法）、という方法を用いている。
【特許文献１】特開２００６−１６５０５１号公報
【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】
【０００３】
上述した従来の２次元フォトニック結晶レーザでは、以下のような問題があった。すなわち、特許文献１に開示された２次元フォトニック結晶発光素子では、ＧａＮ系半導体層に形成した結晶反転領域を利用して、当該結晶反転領域をウエットエッチングすることにより２次元回折格子を形成しているが、この方法では２次元回折格子の個々の開口部のサイズの均一性が不十分なため、発光素子において所定の特性が得られない場合があった。このため、発光素子の製造歩留りを十分高くすることが難しかった。
【０００４】
また、特許文献２に開示された２次元フォトニック結晶発光素子では、２次元回折格子を形成するためにＧａＮ系半導体層にフォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて複数の開口部を形成しているが、このドライエッチングを実施した後にマスクとして用いたレジスト膜を除去しても、ＧａＮ系半導体層の表面にドライエッチングの際に発生した残渣（変質したレジスト膜の一部などの異物）が付着・残存することがあった。このような残渣が存在すると、その後にＧａＮ系半導体層上に上層半導体層をエピタキシャル成長させる場合、残渣が存在する部分上では当該上層半導体層を正常に成長させることができない。このため、結果的に製造された発光素子において十分な特性を得られないものが発生し、発光素子の製造歩留りが低下していた。
【０００５】
また、特許文献２に開示された発光素子の製造工程において、２次元回折格子を構成する低誘電率材料を上述のようにリフトオフ法を用いて形成する場合、レジスト膜での開口パターンの側壁はある程度（テーパー状に）傾斜しているため、低誘電率材料が開口パターンの底部から側壁を介してレジスト膜の上部表面まで延在するように形成されることがあった。この結果、リフトオフ法を行なうことが困難であり、周期的に配置される低誘電率材料の形状精度が劣化することになっていた。そしてこの場合も、低誘電率材料上に上層半導体層を正常に形成することができず、製造された発光素子において十分な特性を得られないものが発生し、発光素子の製造歩留りが低下していた。
【０００６】
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、２次元回折格子の形状精度の劣化を抑制して製造歩留りを向上させることが可能な２次元フォトニック結晶発光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】
【０００７】
この発明に従った２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法では、以下の工程を実施する。すなわち、基板上に窒化ガリウムを含む半導体層を形成する工程を実施する。半導体層上に被覆膜を形成する工程を実施する。被覆膜上に、パターンを有するレジスト膜を形成する工程を実施する。レジスト膜をマスクとして用いて、被覆膜および半導体層の一部をエッチングにより除去することにより、半導体層に２次元回折格子を構成する複数の凹部を形成する工程を実施する。レジスト膜および被覆膜を除去する工程を実施する。半導体層上に、上部半導体層を形成する工程を実施する。
【０００８】
このようにすれば、レジスト膜の下に被覆膜を形成しているので、エッチング工程において一般に除去が困難な塩素系あるいは有機系の残渣物などが被覆膜表面に発生しても、これらの残渣物を被覆膜とともに容易に除去できる。そのため、当該異物が存在することに起因する上部半導体層の局所的な異常成長の発生を抑制できる。この結果、安定した特性の２次元フォトニック結晶発光素子を得ることができ、また、当該発光素子の製造歩留りを向上させることができる。
【０００９】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、上部半導体層を形成する工程では、複数の凹部が空孔として維持された状態で上部半導体層が形成されてもよい。この場合、２次元回折格子として空孔が複数個配置された構造を形成することができる。
【００１０】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法は、上部半導体層を形成する工程に先立って、複数の凹部の内部に半導体層の屈折率とは異なる屈折率を有する膜を形成する工程を更に備えていてもよい。この場合、２次元回折格子として半導体層の屈折率と異なる屈折率を有する膜が複数離散して配置された構造を形成することができる。このため、当該膜の材質を適宜変更する（つまり離散して配置される膜の屈折率を変更する）ことで、２次元回折格子の特性を調整することができる。
【００１１】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、異なる屈折率を有する膜を形成する工程は、レジスト膜および被覆膜を除去する工程に先立って、レジスト膜上と凹部の底部とに上記膜を形成する工程を含んでいてもよい。レジスト膜および被覆膜を除去する工程では、レジスト膜上に形成された膜の部分が同時に除去されてもよい。
【００１２】
この場合、被覆膜の材料として比較的除去が容易な材料を選択しておけば、レジスト膜上に形成された上記膜の部分を除去するときに当該被覆膜を除去することでレジスト膜および上記膜の部分を容易に除去できる。このため、上記のようにいわゆるリフトオフ法により凹部の内部に、周囲と異なる屈折率を有する膜が配置された構造を容易に形成することができる。
【００１３】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法では、膜を構成する材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる群から選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでいてもよい。この場合、異なる屈折率を有する材料により２次元回折格子を容易に形成することができる。
【００１４】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、上部半導体層を形成する工程では、上部半導体層を構成する材料として半導体層の屈折率とは異なる屈折率を有する材料を用いてもよく、また、凹部を充填するとともに半導体層上に積層するように上部半導体層を形成してもよい。この場合、凹部の内部に半導体層と屈折率の異なる膜を別途形成する必要が無いため、発光素子の製造工程を簡略化できる。
【００１５】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、上部半導体層を構成する材料はＡｌｘＩｎｙＧａＮ１−x−y（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であってもよい。この場合、アルミニウム（Ａｌ）やインジウム（Ｉｎ）の構成比を適宜変更することで、上部半導体層の屈折率を変更することができる。
【００１６】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法は、レジスト膜を形成する工程に先立って、被覆膜上に保護膜を形成する工程を更に備えていてもよい。複数の凹部を形成する工程では、レジスト膜をマスクとして用いて、保護膜の一部もエッチングにより除去されてもよい。レジスト膜および被覆膜を除去する工程では、保護膜も除去されてもよい。
【００１７】
この場合、保護膜が形成されているので、レジスト膜を形成するときに被覆膜の表面が変形などのダメージを受けることを防止できる。このため、レジスト膜のパターンの形状精度を向上させることができるので、結果的に形成される２次元回折格子の加工精度を向上させることができる。
【００１８】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、保護膜を構成する材料は金であってもよい。この場合、被服膜の表面を確実に保護膜によって保護することができる。
【００１９】
上記２次元フォトニック結晶発光素子の製造方法において、被覆膜を構成する材料は、酸溶液またはアルカリ溶液によって溶解される材料であってもよい。この場合、被覆膜を酸溶液またはアルカリ溶液を用いて容易に除去することができる。
【００２０】
この発明に従った２次元フォトニック結晶発光素子は、上記次元フォトニック結晶発光素子の製造方法を用いて製造される。このようにすれば、特性の安定した発光素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、安定した特性の２次元フォトニック結晶発光素子を得ることができ、また、当該発光素子の製造歩留りを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて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。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１を示すフローチャートである。図２〜図８は、図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。図１〜図８を参照して、本発明による発光素子の一例である２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１を説明する。
【００２４】
本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、図１に示すように、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程では、ＧａＮなどからなる基板１（図２参照）を準備する。
【００２５】
次に、半導体層形成工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）においては、基板１の主表面上にＧａＮ系半導体層２（図２参照）を任意の方法（たとえば有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）を用いて形成する。この結果、図２に示すような構造を得る。なお、ＧａＮ系半導体層２は、複数の層を備えていてもよい。たとえば、ＧａＮ系半導体層２は、基板１側からｎ型クラッド層、キャリアが注入されることにより発光する活性層、ｐ型クラッド層を含んでいてもよい。活性層はＧａＮを含み、たとえば多重量子井戸構造を有している。
【００２６】
次に、被覆膜形成工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）においては、ＧａＮ系半導体層２上に被覆膜としてのアルミニウム膜３（図３参照）を形成する。このようにして、図３に示すような構造を得る。
【００２７】
次に、マスク形成工程（Ｓ４０）を実施する。この工程（Ｓ４０）においては、上記アルミニウム膜３の上部表面上にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ法を用いて図４に示すようなパターンを有するレジスト膜４（図４参照）を形成する。このようにして、図４に示すような構造を得る。なお、このレジスト膜４には、分散配置された（たとえばマトリクス状に配置された）開口パターンが形成される。
【００２８】
この後、エッチング工程（Ｓ５０）を実施する。この工程（Ｓ５０）においては、たとえば塩素系ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより、レジスト膜４をマスクとしてアルミニウム膜３およびＧａＮ系半導体層２を部分的に除去する。この結果、ＧａＮ系半導体層２に図５に示すような複数の凹部１２が形成される。このようにして、図５に示すような構造を得る。なお、この複数の凹部１２は、上述したレジスト膜４に形成された開口パターンの位置と重なるようにマトリクス状に配置されている。なお、この複数の凹部１２の配置は、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２次元格子となっている。このような２次元格子は、正三角形、正方形、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定することで形成できる。
【００２９】
次に、マスクおよび被覆膜の除去工程（Ｓ６０）を実施する。この工程（Ｓ６０）においては、剥離剤を用いてレジスト膜４を除去し、さらにアルミニウム膜３を所定の薬剤を用いて除去する。たとえば、このアルミニウム膜３を除去する薬剤としてはアルカリ水溶液などを用いることができる。このようにして、図６に示すような構造を得る。
【００３０】
このとき、被覆膜としてのアルミニウム膜３が形成されているため、レジスト膜４がエッチング工程（Ｓ５０）などにおいて変質することに起因する残渣や、Ｇａ等の塩化物からなる残渣などの異物が形成されても、アルミニウム膜３とともに当該異物を容易に除去することができる。
【００３１】
次に、上部半導体層形成工程（Ｓ７０）を実施する。この工程（Ｓ７０）においては、凹部１２が形成されたＧａＮ系半導体層２の上にさらにＭＯＣＶＤ法を用いて上部半導体層としてのＧａＮ系半導体層２２（図７参照）を形成する。このとき、ＧａＮ系半導体層２２のエピタキシャル成長の条件を最適化することにより、ＧａＮ系半導体層２２が凹部１２の内部に充填されることなく、当該凹部１２が空気孔５として残存した状態でＧａＮ系半導体層２２を形成することができる。また、上記工程（Ｓ６０）において異物が確実に除去されているので、当該異物の存在に起因してＧａＮ系半導体層２２が局所的に異常成長することを防止できる。
【００３２】
このように空気孔５が複数形成されることにより、この空気孔５が形成された層が２次元回折格子６として作用することになる。このようにして、図７に示すような構造を得る。２次元回折格子６は、ＧａＮ系半導体層２に形成されている活性層の延在方向と同じ方向に（実質的に平行に）伸びるように配置される。なお、ＧａＮ系半導体層２２をエピタキシャル成長させる際の条件としては、たとえば塩素系ガスを少量導入するといった条件を採用することで、図７に示すようなＧａＮ系半導体層２２を形成することができる。具体的には、ＧａＮ系半導体層２は図７の上方向（たとえば（０００１）方向（Ｃ面成長している方向）など）に成長していったにも拘らず、ＧａＮ系半導体層２２は図７の横方向（たとえば（１１２−２）方向（Ｒ面方向）に成長する。そして、成長したＧａＮ系半導体層２２は、複数の空気孔５のそれぞれの真上の領域で基板１の主表面に沿って成長する。なお、空気孔５の内部にも僅かにＧａＮ系半導体層は成長するが、この成長した半導体層によって空気孔５が充填されることはない。そして、そのようにして成長したＧａＮ系半導体層２２が空気孔５の真上の領域を完全に覆うと、ＧａＮ系半導体層２２は再び図７の上方向に成長する。このようにして、ＧａＮ系半導体層２２が形成される。
【００３３】
次に、電極形成工程（Ｓ８０）を実施する。具体的には、基板１の裏面側（ＧａＮ系半導体層２が形成された主表面と反対側の表面）を覆うように電極８（図８参照）が形成される。また、ＧａＮ系半導体層２２の上部表面上に平面形状がたとえば円形状の電極７（図８参照）が形成される。その後、ダイシングなどによる基板の分割を行なうことにより、基板から個々のレーザ素子をチップとして取出す。この結果、図８に示すような２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。そして、上記のような製造方法によれば、ＧａＮ系半導体層２２の局所的な異常成長を防止できるため、２次元回折格子６の形状精度が劣化することを防止できるので、結果的に安定した特性の２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。また、上記のような異常（ＧａＮ系半導体層２２の局所的な異常成長）の発生を防止できるので、当該異常に起因する２次元フォトニック結晶レーザの製造歩留りの低下を抑制できる。
【００３４】
このようにして得られた２次元フォトニック結晶レーザの発光方法について、以下説明する。電極７にたとえば正電圧を印加すると、ＧａＮ系半導体層２中のｐ型クラッド層から活性層へ正孔が注入される。また、ｎ型クラッド層から活性層へ電子が注入される。活性層へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生する。発生する光の波長は、活性層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。
【００３５】
活性層において発生した光は、ｎ型クラッド層よびｐ型クラッド層によって活性層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２次元回折格子６に到達する。フォトニック結晶層としての２次元回折格子６が位置する層に到達した光の波長と、２次元回折格子が有する所定の周期とが一致する場合、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。このような現象は、活性層および２次元回折格子６が２次元的に広がるように形成されているので、電極７の直下の領域を中心として発生する。そして、上記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できる。
【００３６】
（実施の形態２）
図９は、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態２を示すフローチャートである。図１０〜図１３は、図９に示した製造方法を説明するための断面模式図である。図９〜図１３を参照して、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態２を説明する。
【００３７】
図９に示すように、基板準備工程（Ｓ１０）、半導体層形成工程（Ｓ２０）、被覆膜形成工程（Ｓ３０）、マスク形成工程（Ｓ４０）、およびエッチング工程（Ｓ５０）までは、図１に示した２次元フォトニック結晶レーザの製造方法と同様の工程を実施する。その後、図９に示すように低屈折率材料膜形成工程（Ｓ１１０）を実施する。この工程（Ｓ１１０）においては、凹部１２の内部の少なくとも一部あるいは全体を埋込むように低屈折率材料の一例であるシリコン酸化膜９（図１０参照）を形成する。このシリコン酸化膜９の形成方法としては任意の方法を用いることができる。この結果図１０に示すような構造を得る。シリコン酸化膜９は、凹部１２の底部およびレジスト膜４の上部表面上に形成されている。なお、このとき凹部１２の内部におけるシリコン酸化膜９の厚みは、求められる２次元回折格子の特性に応じて任意に変更することができる。
【００３８】
次に、マスクおよび被覆膜の除去工程（Ｓ６０）を実施する。この工程（Ｓ６０）においては、基本的には図１に示した工程（Ｓ６０）と同様にレジストの剥離剤およびアルミニウム膜３の剥離剤（たとえばアルカリ水溶液）などを用いてレジスト膜４およびアルミニウム膜３を除去する。このとき、レジスト膜４上に形成されていたシリコン酸化膜９も同時に除去される。この結果、図１１に示すように、凹部１２の内部（底部）にシリコン酸化膜９が部分的に充填された構造を得る。この場合、図１に示した製造方法と同様に、アルミニウム膜３上に残渣などの異物が形成されていてもアルミニウム膜３を除去することでＧａＮ系半導体層２の上部表面に異物が残存することを防止できる。
【００３９】
なお、レジスト膜４またはアルミニウム膜３を除去するための薬剤として、シリコン酸化膜９を部分的に溶解可能な薬剤を用いれば、工程（Ｓ１１０）において凹部１２を充填するようにシリコン酸化膜９を形成しておいてもよい。このような場合であっても、レジスト膜４またはアルミニウム膜３を除去する工程において、凹部１２内部に充填されたシリコン酸化膜９の上部表面の一部を同時に除去することにより、図１１に示すような構造を得ることができる。
【００４０】
次に、図１に示した製造方法と同様に上部半導体層形成工程（Ｓ７０）を実施する。この結果、図１２に示すように、空気孔５を形成するとともに、この空気孔５の上方にＧａＮ系半導体層２２を形成することができる。このようにして、一部がシリコン酸化膜９によって充填された複数の空気孔５がマトリクス状に配置された２次元回折格子６を形成することができる。この結果、図１２に示すような構造を得る。次に、図１に示した製造方法と同様に、電極形成工程（Ｓ８０）を実施することにより、図１３に示すように電極７、８を形成する。その後、ダイシング工程などの後処理工程を実施することにより、図１３に示すような２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。そして、上記のような製造方法によっても、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図１４〜図１７は、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明するための断面模式図である。図１４〜図１７を参照して、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明する。
【００４２】
図１４〜図１７に示した２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３は、基本的には図９に示した製造方法と同様の工程を備える。但し、図１４〜図１７に示した製造方法では、図９に示した低屈折率材料膜形成工程（Ｓ１１０）において、低屈折率材料としてのシリコン酸化膜９が凹部１２を充填するように形成されている点が図９〜図１３に示した製造方法とは異なっている。
【００４３】
すなわち、図１４〜図１７に示した２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、図９に示した基板準備工程（Ｓ１０）、半導体層形成工程（Ｓ２０）、被覆膜形成工程（Ｓ３０）、マスク形成工程（Ｓ４０）、エッチング工程（Ｓ５０）までを実施した後、低屈折率材料膜形成工程（Ｓ１１０）として上述のように凹部１２の内部を充填するようにシリコン酸化膜９（図１４参照）を形成する。この結果、図１４に示すような構造を得る。
【００４４】
そして、マスクおよび被覆膜の除去工程（Ｓ６０）を図９に示した工程と同様に実施する。この結果、アルミニウム膜３上に形成されていたシリコン酸化膜９の部分はアルミニウム膜３などとともに除去され（リフトオフされ）、図１５に示すような構造を得る。すなわち、凹部１２の内部をシリコン酸化膜９が充填した構造を得る。
【００４５】
次に、上部半導体層形成工程（Ｓ７０）（図９参照）を実施する。この結果、図１６に示すように、ＧａＮ系半導体層２上に上部半導体層としてのＧａＮ系半導体層２２が形成される。このようにして、凹部１２にシリコン酸化膜９が充填された構造がマトリクス状に分散配置された２次元回折格子６が形成される。
【００４６】
次に、図９に示した製造方法と同様に電極形成工程（Ｓ８０）を実施する。この工程（Ｓ８０）においては、図１７に示すように電極７、８をそれぞれ形成する。その後、ダイシング工程などを実施することにより、図１７に示す２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。そして、上記のような製造方法によっても、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
（実施の形態４）
図１８は、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態４を示すフローチャートである。図１９および図２０は、図１８に示した製造方法を説明するための断面模式図である。図１８〜図２０を参照して、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態４を説明する。
【００４８】
図１８に示した製造方法では、図１に示した２次元フォトニック結晶レーザの製造方法と同様に基板準備工程（Ｓ１０）、半導体層形成工程（Ｓ２０）、被覆膜形成工程（Ｓ３０）、マスク形成工程（Ｓ４０）、エッチング工程（Ｓ５０）およびマスクおよび被覆膜の除去工程（Ｓ６０）を実施する。この結果、図６に示すように、ＧａＮ系半導体層２に複数のマトリクス状に配置された凹部１２が形成された構造を得る。この後、図１８に示すように低屈折率の材料からなる上部半導体層形成工程（Ｓ１２０）を実施する。この工程（Ｓ１２０）においては、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて屈折率がＧａＮ系半導体層２よりも低いＧａＮ系半導体層である低屈折率ＧａＮ系半導体層１０を、凹部１２を充填するとともにＧａＮ系半導体層２の上部表面上を覆うように形成する。この結果、図１９に示すような構造を得る。ここで、低屈折率ＧａＮ系半導体層１０としては、たとえばアルミニウムの組成比がＧａＮ系半導体層２より大きくなっているＡｌＧａＮ系半導体層を形成してもよい。
【００４９】
次に、図１８に示すように、電極形成工程（Ｓ８０）を図１に示した製造方法と同様に実施する。その結果、図２０に示すように電極７、８がそれぞれ形成される。この後、ダイシング工程などを実施することにより、図２０に示すような２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。図２０に示した２次元フォトニック結晶レーザでは、ＧａＮ系半導体層２においてマトリクス状に配置された凹部１２内部に、ＧａＮ系半導体層２よりも屈折率の低い低屈折率ＧａＮ系半導体層１０が充填された構造を有する２次元回折格子６が形成されている。
【００５０】
この場合も、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（実施の形態５）
図２１は、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態５を示すフローチャートである。図２２〜図２４は、図２１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。図２１〜図２４を参照して、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態５を説明する。
【００５２】
図２１に示すように、まず基板準備工程（Ｓ１０）、半導体層形成工程（Ｓ２０）、被覆膜形成工程（Ｓ３０）を図１に示した製造方法と同様に実施する。その後、保護膜形成工程（Ｓ１３０）を実施する。この工程（Ｓ１３０）においては、被覆膜として形成されたアルミニウム膜３（図２２参照）上に保護膜としての金からなる膜１１（図２２参照）を形成する。この結果、図２２に示すような構造を得る。
【００５３】
次に、マスク形成工程（Ｓ４０）を実施する。この工程（Ｓ４０）においては、図１に示したマスク形成工程（Ｓ４０）と同様に、膜１１上にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ法によって所定のパターンを有するレジスト膜４を形成する。このようにして、図２３に示す構造を得る。図２３に示したレジスト膜４には、２次元回折格子を構成する凹部１２（図２４参照）となるべき部分に開口パターンがマトリクス状に配置されている。なお、このとき膜１１が形成されているので、アルミニウム膜３の上部表面にレジスト膜４が直接接触することはない。そのため、レジスト膜４を形成する工程に起因してアルミニウム膜３の表面が変形するといった問題の発生を防止できる。この結果、アルミニウム膜３の表面の変形などに起因する２次元回折格子６の形状精度の劣化を抑制できる。
【００５４】
次にエッチング工程（Ｓ５０）を実施する。この工程（Ｓ５０）においては、たとえばエッチングガスを反応ガスとして用いたドライエッチングを行なうことにより、金からなる膜１１、アルミニウム膜３およびＧａＮ系半導体層２を部分的に除去する。結果、図２４に示すように、ＧａＮ系半導体層２には複数のマトリクス状に配置された凹部１２が形成される。
【００５５】
次に、マスク、保護膜および被覆膜の除去工程（Ｓ１４０）を実施する。この工程（Ｓ１４０）においては、レジスト膜４、金からなる膜１１およびアルミニウム膜３をそれぞれ所定の剥離剤により除去する。この結果、図６に示すような構造を得る。
【００５６】
次に、上部半導体層形成工程（Ｓ７０）および電極形成工程（Ｓ８０）をそれぞれ図１に示した製造方法と同様に実施する。その結果、図８に示すような２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。
【００５７】
上記のような２次元フォトニック結晶レーザの製造方法においても、被覆膜としてのアルミニウム膜３を形成しているため、本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
なお、上記実施の形態５において示した保護膜形成工程（Ｓ１３０）を、実施の形態１〜４における２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において実施してもよい。この場合、本発明の実施の形態１〜４においても、上述したアルミニウム膜３の表面が変形するといった問題の発生を防止できる。
【００５９】
上述した本発明の実施の形態と一部重複する部分もあるが、以下に本発明の特徴的な構成を列挙する。
【００６０】
この発明に従った２次元フォトニック結晶発光素子としての２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、以下の工程を実施する。すなわち、基板上に窒化ガリウムを含む半導体層（ＧａＮ系半導体層２）を形成する工程（半導体層形成工程（Ｓ２０））を実施する。ＧａＮ系半導体層２上に被覆膜（アルミニウム膜３）を形成する工程（被覆膜形成工程（Ｓ３０））を実施する。アルミニウム膜３上に、パターンを有するレジスト膜４を形成する工程（マスク形成工程（Ｓ４０））を実施する。レジスト膜４をマスクとして用いて、アルミニウム膜３およびＧａＮ系半導体層２の一部をエッチングにより除去することにより、ＧａＮ半導体層２に２次元回折格子を構成する複数の凹部１２を形成する工程（エッチング工程（Ｓ５０））を実施する。レジスト膜４およびアルミニウム膜３を除去する工程（マスクおよび被覆膜の除去工程（Ｓ６０）またはマスク、保護膜および被覆膜の除去工程（Ｓ１４０））を実施する。ＧａＮ系半導体層２上に、上部半導体層（ＧａＮ系半導体層２２または低屈折率ＧａＮ系半導体層１０）を形成する工程（上部半導体層形成工程（Ｓ７０）または低屈折率な上部半導体層形成工程（Ｓ１２０））を実施する。
【００６１】
このようにすれば、レジスト膜４の下にアルミニウム膜３を形成しているので、エッチング工程（Ｓ５０）において一般に除去が困難な塩素系あるいは有機系の残渣物（異物）などがアルミニウム膜３表面に発生しても、これらの異物を被覆膜とともに容易に除去できる。つまり、ＧａＮ系半導体層２の表面に異物が残存することを防止できる。そのため、上部半導体層（ＧａＮ系半導体層２２または低屈折率ＧａＮ系半導体層１０）を形成する工程（工程（Ｓ７０）または工程（Ｓ１２０））を実施する際に、当該異物が存在することに起因するＧａＮ系半導体層１０、２２の局所的な異常成長の発生を抑制できる。この結果、安定した特性の２次元フォトニック結晶レーザを得ることができる。また、当該レーザの製造歩留りを向上させることができる。
【００６２】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、上部半導体層を形成する工程（工程（Ｓ７０）または工程（Ｓ１２０））では、たとえば図７に示すように、複数の凹部１２が空孔として維持された状態で上部半導体層（ＧａＮ系半導体層２２または低屈折率ＧａＮ系半導体層１０）が形成されてもよい。この場合、２次元回折格子として空孔が複数個配置された構造を形成することができる。
【００６３】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法は、図９、図１０、図１４などに示すように、上部半導体層を形成する工程（工程（Ｓ７０））に先立って、複数の凹部１２の内部にＧａＮ系半導体層２の屈折率とは異なる屈折率を有する膜（シリコン酸化膜９）を形成する工程（工程（Ｓ１１０））を更に備えていてもよい。なお、ここでＧａＮ系半導体層２の屈折率とは、２次元回折格子６を構成するＧａＮ系半導体層２の部分の屈折率を意味する。
【００６４】
この場合、２次元回折格子６としてＧａＮ系半導体層２の屈折率と異なる屈折率を有するシリコン酸化膜９が複数離散した構造を形成することができる。このため、当該シリコン酸化膜９に代えて異なる屈折率を有する材料からなる膜を形成する（つまり離散して配置される膜の屈折率を変更する）ことで、２次元回折格子６の特性を調整することができる。
【００６５】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、異なる屈折率を有する膜を形成する工程（工程（Ｓ１１０））は、レジスト膜４およびアルミニウム膜３を除去する工程（工程（Ｓ６０）または工程（Ｓ１４０））に先立って、図１０、図１４に示すように、レジスト膜４上と凹部１２の底部とに上記シリコン酸化膜９を形成する工程を含んでいてもよい。レジスト膜４およびアルミニウム膜３を除去する工程（工程（Ｓ６０）または工程（Ｓ１４０））では、たとえば図１１などに示すようにレジスト膜４上に形成されたシリコン酸化膜９の部分が同時に除去されてもよい。
【００６６】
この場合、被覆膜の材料として比較的除去が容易なアルミニウムなどの材料を選択することで、レジスト膜４上に形成された上記シリコン酸化膜９の部分を除去するときに被覆膜としてのアルミニウム膜３を除去することで、レジスト膜４および上記シリコン酸化膜９の部分を容易に除去できる。このため、上記のようにいわゆるリフトオフ法により凹部１２の内部に、凹部１２の周囲と異なる屈折率を有するシリコン酸化膜９が配置された構造を容易に形成することができる。
【００６７】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、シリコン酸化膜９を形成する工程（工程（Ｓ１１０））において、図１０に示すように凹部１２の内部の一部を占有するようにシリコン酸化膜９を形成してもよい。また、上部半導体層を形成する工程（工程（Ｓ７０））では、図１２に示すように、複数の凹部１２が上記シリコン酸化膜９により一部を占有されるとともに他の一部が空隙として維持された状態で上部半導体層としてのＧａＮ系半導体層２２が形成されてもよい。
【００６８】
この場合、凹部１２の内部の一部を占有するシリコン酸化膜９に代えて、他の材料を用いたりすることに加えて、当該シリコン酸化膜９や他の材質の膜の厚み（凹部１２の内部における占有体積）を変更すれば、２次元回折格子６の特性をより広い範囲で変更することができる。このため、設計の自由度をより大きくすることができる。
【００６９】
また、上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、異なる屈折率を有する膜を形成する工程（工程（Ｓ１１０））において、図１４に示すように、凹部１２の内部を充填するようにシリコン酸化膜９を形成してもよい。
【００７０】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法では、低屈折率材料膜形成工程（Ｓ１１０）で形成される膜を構成する材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）であったが、他の材料、たとえばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）からなる群から選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。この場合、２次元回折格子６を構成する凹部１２以外のＧａＮ系半導体層の部分は窒化ガリウム（ＧａＮ）であることが好ましい。このようにすれば、当該膜の屈折率を凹部１２の周囲の材料と異ならせる（周囲の材料であるＧａＮより低い屈折率とする）ことができる。
【００７１】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、上部半導体層を形成する工程（工程（Ｓ１２０））では、図１９に示すように、上部半導体層としてのＧａＮ系半導体層１０を構成する材料としてＧａＮ系半導体層２の屈折率とは異なる屈折率を有する材料（たとえばＧａＮ系半導体層２の屈折率より低い屈折率を示すＧａＮ系半導体）を用いてもよく、また、凹部１２を充填するとともにＧａＮ系半導体層２上に積層するように上部半導体層としての低屈折率なＧａＮ系半導体層１０を形成してもよい。
【００７２】
この場合、凹部１２の内部にＧａＮ系半導体層２と屈折率の異なる膜を別途形成する必要が無いため、２次元フォトニック結晶レーザの製造工程を簡略化できる。
【００７３】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、低屈折率ＧａＮ系半導体層１０を構成する材料はＡｌｘＩｎｙＧａＮ１−x−y（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であってもよい。この場合、アルミニウム（Ａｌ）やインジウム（Ｉｎ）の構成比を適宜変更することで、ＧａＮ系半導体層１０の屈折率を任意に変更することができる。
【００７４】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法は、レジスト膜を形成する工程（工程（Ｓ４０））に先立って、図２１、図２２に示すように、被覆膜としてのアルミニウム膜３上に保護膜としての金からなる膜１１を形成する工程（工程（Ｓ１３０））を更に備えていてもよい。複数の凹部１２を形成する工程（工程（Ｓ５０））では、図２４に示すように、レジスト膜４をマスクとして用いて、金からなる膜１１の一部もエッチングにより除去される。レジスト膜４およびアルミニウム膜３を除去する工程（工程（Ｓ１４０））では、金からなる膜１１も除去される。
【００７５】
この場合、保護膜としての膜１１が形成されているので、レジスト膜４を形成するときにアルミニウム膜３の表面が変形などのダメージを受けることを防止できる。このため、レジスト膜４のパターンの形状精度を向上させることができるので、結果的に形成される２次元回折格子６の加工精度を向上させることができる。このため、形成される２次元フォトニック結晶レーザの特性を安定させることができるので、当該レーザの製造歩留りをより向上させることができる。
【００７６】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、上記保護膜としての膜１１を構成する材料は金である。この場合、アルミニウム膜３の表面を確実に膜１１によって保護することができる。なお、保護膜としての金からなる膜１１の厚みはたとえば０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上０．０２μｍ以下である。この膜１１の厚みの下限は、アルミニウム膜３の表面を確実に覆うために最低限必要な厚みから決定した。つまり、膜１１の厚みを０．００５μｍ以上とすればアルミニウム膜３の表面を確実に覆うことができる。また、膜１１の厚みを０．０５μｍ以下としたのは、当該厚みを０．０５μｍ以下としておけば後のエッチング工程において膜１１を比較的容易にエッチングできるためである。
【００７７】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、被覆膜を構成する材料は、アルミニウムのように酸溶液またはアルカリ溶液によって溶解される材料である。この場合、アルミニウム膜３を酸溶液またはアルカリ溶液を用いて容易に除去することができる。
【００７８】
上記２次元フォトニック結晶レーザの製造方法において、アルミニウム膜３などの被覆膜を構成する材料を溶解する酸溶液としては燐酸、硝酸、酢酸および水からなる混酸を用いることができ、アルカリ溶液としてはたとえばフルウチ化学株式会社製セミコクリーン２３を用いることができる。
【００７９】
また、被覆膜としてのアルミニウム膜３の厚みはたとえば０．００５μｍ以上０．２μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上０．０５μｍ以下である。
【００８０】
この発明に従った２次元フォトニック結晶レーザは、上記次元フォトニック結晶レーザの製造方法を用いて製造される。この結果、特性の安定した２次元フォトニック結晶レーザを実現できる。
【００８１】
今回開示された実施の形態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】
【００８２】
本発明は、２次元フォトニック結晶発光素子であって、２次元回折格子を構成する凹部を、レジスト膜を用いたエッチングにより形成するものに特に有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態１を示すフローチャートである。
【図２】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図３】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図４】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図５】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図６】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図７】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図８】図１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図９】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態２を示すフローチャートである。
【図１０】図９に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１１】図９に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１２】図９に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１３】図９に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１４】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明するための断面模式図である。
【図１５】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明するための断面模式図である。
【図１６】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明するための断面模式図である。
【図１７】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態３を説明するための断面模式図である。
【図１８】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態４を示すフローチャートである。
【図１９】図１８に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２０】図１８に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２１】本発明による２次元フォトニック結晶レーザの製造方法の実施の形態５を示すフローチャートである。
【図２２】図２１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２３】図２１に示した製造方法を説明するための断面模式図である。
【図２４】図２１に示した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】
【００８４】
１  基板、２，１０，２２  ＧａＮ系半導体層、３  アルミニウム膜、４  レジスト膜、５  空気孔、６  ２次元回折格子、７，８  電極、９  シリコン酸化膜、１１  金からなる膜、１２  凹部。
【図１】
2009060036.tif 000003
【図２】
2009060036.tif 000004
【図３】
2009060036.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009060036.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009060036.tif 000009
【図８】
2009060036.tif 000010
【図９】
2009060036.tif 000011
【図１０】
2009060036.tif 000012
【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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【図２４】
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