CN102347591A - 二维光子晶体激光器及其制造方法 - Google Patents

二维光子晶体激光器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的二维光子晶体激光器的特征在于，具有：在以AlαGa1-αAs(0＜α＜1)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)作为原料的母材层内周期性地设置异折射率区域(空穴)(151)的二维光子晶体层(15)、和在二维光子晶体层(15)上利用外延法制作的外延生长层(16)。由于AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1-γP即使在高温下也很坚固，因此在制作外延生长层(16)时不会有破坏空穴(151)的形状的情况，可以将二维光子晶体层(15)的作为共振器的性能维持得较高。

Description

二维光子晶体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及具有适于使用外延法的制造的结构的二维光子晶体激光器及其制造方法。
背景技术
近年来，开发出了使用二维光子晶体的新型的激光器。所谓二维光子晶体是在包含电介质的板状的母材中形成了折射率的周期结构的晶体，一般来说是通过在母材内周期性地设置折射率与母材不同的区域(异折射率区域)而制作的。利用该周期结构，在晶体内产生布拉格衍射，另外，在光的能量中显现出能量带隙。在二维光子晶体激光器中，有利用带隙效应而将点缺陷作为共振器使用的、和利用光的群速度为0的能带端的驻波的，然而都是将给定的波长的光放大而获得激光器振荡的激光器。
这些二维光子晶体激光器中的利用驻波的激光器具有如下的结构，即，将具有二维光子晶体结构的层(以下称作“二维光子晶体层”)和活性层直接或者夹隔着其他的层层叠，在它们的上下又层叠了用于注入电荷的包覆层、与外部接触的接触层、或者将这些层连接的间隔物层等。
专利文献1中记载有如下的方法，即，通过在将空穴(异折射率区域)在母材内周期性地排列而成的二维光子晶体层上，以使间隔物层与二维光子晶体层相接的方式叠加另外制作的将包覆层或间隔物层层叠而成的材料，利用加热将二维光子晶体层与间隔物层熔接(热熔接)，来制作二维光子晶体激光器。该文献中，给出将二维光子晶体层的母材及间隔物层的材料都设为n型InP、将加热温度设为620℃的例子。而且，以下说明中，将层叠于二维光子晶体层上的层称作“上部层”。
另一方面，专利文献2中，记载有如下的方法，即，通过在以GaN作为母材并周期性地形成有空穴的二维光子晶体层上，直接地外延生长AlGaN，而形成上部层。
专利文献2中记载的方法大致上分为如下的3种方法：(i)首先制作在母材内周期性地配置了作为异折射率区域的空穴的二维光子晶体层，然后在残留空穴的状态下形成上部层的方法；(ii)首先制作在母材内周期性地配置了空穴的层，然后通过将空穴填充而在形成异折射率区域的同时形成上部层的方法；(iii)首先在基体上先形成柱状的异折射率区域，然后通过将其周围利用外延生长填充，而在形成母材的同时形成上部层。
(ii)及(iii)的方法中，异折射率区域是空气以外的材料(具体来说是与上部层相同的材料)。此种结构中，与将异折射率区域设为空穴的情况相比光的关入效果降低，然而另一方面，易于以单一模式并且大面积地进行激光器振荡。
专利文献1  日本特开2000-332351号公报
专利文献2  国际公开WO2006/062084号
专利文献1中记载的方法中，由于进行了热熔接的二维光子晶体层与上部层的熔接面中的界面能级，因此可使得在它们的界面中电阻变大。由此，动作电压变高，难以产生激光器的连续振荡。另外，在进行热熔接时将空穴的形状破坏，从而会有二维光子晶体层的作为共振器的性能降低的情况。
专利文献2中记载的方法中，不会产生在二维光子晶体层与上部层的界面中电阻变大的问题。但是，该方法中，在外延生长上部层时需要将温度升高到600℃左右，会由于原子的迁移而在二维光子晶体层中发生原子序列(结晶结构)的紊乱，从而造成空穴的形状被破坏。因此，二维光子晶体层的作为共振器的性能降低，进而产生二维光子晶体激光器的激光器特性降低的问题。另外，由于上述迁移，在二维光子晶体层的表面原子排列也发生了紊乱，并且生长在其上面的上部层，原子序列也发生了紊乱。
而且，在(i)的方法中，在外延生长上部层时空穴直至下方为止均被上部层的材料填充，从而会有空穴的形状改变的问题。另外，对于(ii)及(iii)的方法，很难将空穴内或柱状的异折射率区域之间用上部层的材料完全填充，从而会有易于形成空洞的问题。基于这样的原因，折射率的周期结构变得不完整，由此使得二维光子晶体层的作为共振器的性能降低，进而产生二维光子晶体激光器的激光器特性降低的问题。
如上所述，本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种能够耐受高温、强固且在其上能够形成没有缺陷的外延层的二维光子晶体激光器。本发明所要解决的另一技术问题在于提供能够控制如下所述的外延成长的二维光子晶体激光器的制造方法。即，在如(i)所述那样，在具有空穴的二维光子晶体层上制作上部层时，上部层的材料没有抵达空穴的底部，能够使空穴的形状的变化尽可能的少。如(ii)所述那样，在制作具有由与上部层相同的材料构成的异折射率区域的二维光子晶体层时，由于母材层内的空穴与上部层的材料相同，因此，可以在几乎不产生空洞的情况下填充。如(iii)所述那样，在制作具有由与上部层相同的材料构成的母材层的二维光子晶体层时，能够制作几乎没有空洞的母材层。
发明内容
(1)用于解决第一问题的技术手段
用于解决上述第一问题而完成的第一发明的二维光子晶体激光器的特征在于，具有：
在以AlαGa1-αAs(0＜α＜1)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)作为原料的母材层内周期性地设置有异折射率区域的二维光子晶体层；以及在上述二维光子晶体层上利用外延法制作的外延生长层。
而且，本申请中，为了表示各层的相对的位置关系，方便起见，使用称作“上”、“下”这样的用语，然而它们并不规定制作时的各层相对于重力的方向、或制作后的二维光子晶体激光器的相对于重力的方向。
如上所述，在利用外延法制作二维光子晶体层上的层时，需要将二维光子晶体层的温度升高到600℃左右，但本发明中用作母材层的原料即AlαGa1-αAs系材料或(AlβGa1-β)γIn1-γP材料即使在上述那样的高温下也坚固，不发生迁移。因此，在不用上部层的材料填充空穴(即，空穴为异折射率区域)的情况、或用上部层的材料填充空穴而形成异折射率区域的情况下，也不会产生迁移而出现空穴的形状被破坏的情况，能够很高地维持二维光子晶体层的作为共振器的性能。另外，由于在母材层的表面不会产生由迁移而引起的原子序列的紊乱，因此，在其上制作的外延生长层的原子序列也不会发生紊乱。
作为上述外延生长层的材料，优选AlxGa1-xAs(0＜x＜1)。AlxGa1-xAs的气体的扩散长度随着Al的含有率而不同，其生长特性发生变化。由此，通过与作为下部层的光子晶体层的结构对应地将x的值设为最佳值，就可以与上述相同，较高地维持二维光子晶体层的作为共振器的性能。
另外，上述外延生长层可以直接作为发光二极管(LED)中的p型或n型的包覆层使用，然而也可以作为用于另外地外延生长该包覆层的再生长界面层使用。如上所述，由于与光子晶体层的结构对应地改变x，因此如果将外延生长层直接作为包覆层，则包覆层的组成也会与光子晶体层的结构对应地变化。然而，如果导入再生长界面层，则由于无论光子晶体层的结构如何都可以制作包覆层，因此能够以自由度更高的结构来制造二维光子晶体激光器。
(2)用于解决第二问题的技术手段
用于解决第二问题而完成的第二发明的二维光子晶体激光器制造方法有以下3种实施方式。予以说明，通过这三个制造方法制得的二维光子晶体激光器均相当于上述第一发明的二维光子晶体激光器中母材为AlαGa1-αAs且x的值处于特定的范围内的情况。
(2-1)二维光子晶体激光器制造方法的第一方式
第二发明的二维光子晶体激光器制造方法的第一方式的特征在于，具有：
a)母材层制作工序，制作具有与AlxGa1-xAs(0.4≤x＜1)相同的晶体结构的母材层；
b)空穴形成工序，在上述母材层内，周期性地形成平面形状的最大宽度d为200nm以下、深度h与该最大宽度d之比h/d为1.3以上5以下的空穴；以及
c)外延层制作工序，在上述母材层及上述空穴上，利用外延法制作包含上述AlxGa1-xAs的层。
而且，本申请中所说的“最大宽度”是指收容在空穴的平面形状(平行于母材层的面的剖面的形状)内的最长的线段的长度。例如，在空穴的平面形状为圆形的情况下，直径相当于最大宽度，在为椭圆形的情况下，长径相当于最大宽度，在为三角形的情况下，3边中最长的边的边长相当于最大宽度。
第一方式中，通过基于AlxGa1-xAs的生长特性，决定进行外延生长前的二维光子晶体层的空穴的纵剖面形状(垂直于母材层的面的剖面的形状)及平面形状，而使再生长后的空穴的形状接近作为目标的形状，将作为光子晶体的性能维持得较高。具体来说，通过将空穴的深度h与最大宽度d之比h/d(以下称作“纵横比”)设为1.3以上，即通过加大该深度，来防止在外延层制作工序中外延层(上部层)的材料大量地侵入空穴内甚至于下方而将该空穴填充。另外，由于AlxGa1-xAs系材料的x的值越大，则气体的扩散长度就越短，因此在第一方式中通过将x的值设为0.4以上这样的较大的值，来抑制上部层的材料向空穴内的侵入。此外，通过将这些h/d及x在上述范围内调整，而使再生长后的空穴的形状接近作为目标的形状。这样，就可以不使二维光子晶体层的作为共振器的性能降低地制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。
而且，当深度h过大、或最大宽度d过小时，会有无法充分地形成二维周期结构的情况。由此，第一方式中将纵横比h/d的上限设为5。
在第一方式的空穴形成工序和外延层制作工序之间，也可以进行在空穴的内面的至少一部分形成阻碍AlxGa1-xAs的外延生长的晶体生长阻碍膜的工序。这样，就可以进一步抑制在空穴内形成AlxGa1-xAs的晶体。在晶体生长阻碍膜的材料中，可以使用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化锌(ZnO)、二氧化锆(ZrO2)等。
另外，在借助晶体生长的制膜中，因制造时的原料气体的流动方向等而在面内方向(平行于基板的表面的方向)上的生长速度方面存在各向异性。由此，如果利用外延法来制作母材层及空穴上的层，则由于该生长速度的差，空穴的平面形状会发生变化。所以，第一方式中，最好预先利用预备实验等来研究该生长速度的差，与之匹配地决定制作上部层(外延层)之前的空穴的平面形状。这样，就可以使制作出外延层后的空穴的平面形状接近目标的平面形状。
(2-2)二维光子晶体激光器制造方法的第二方式
第二发明的二维光子晶体激光器制造方法的第二方式的特征在于，具有：
a)母材层制作工序，制作具有与AlxGa1-xAs(0＜x≤0.8)相同的晶体结构的母材层；
b)空穴形成工序，在上述母材层内，周期性地形成平面形状的最大宽度d为200nm以下、深度h与该最大宽度d之比h/d为0.1以上1.2以下的空穴；
c)异折射率区域形成工序，在上述空穴内，利用外延法形成包含上述AlxGa1-xAs的异折射率区域；
d)外延层制作工序，在形成有上述异折射率区域的上述母材层上，利用上述外延法制作包含AlyGa1-yAs(0≤y≤1)的层。
第二方式中，通过将纵横比h/d设为0.1以上1.2以下这样之比第一方式小的值，以及将x的值设为0.8以下这样之比较小的值，就易于将空穴的内部用作为异折射率区域的材料的AlxGa1-xAs填充。通过像这样将空穴用上述材料填充，就很难在异折射率区域内形成空洞，因此不会有降低二维光子晶体层的作为共振器的性能的情况。其结果是，可以制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。
(2-3)二维光子晶体激光器制造方法的第三方式
第二发明的二维光子晶体激光器制造方法的第三方式的特征在于，具有：
a)异折射率区域形成工序，在具有与AlxGa1-xAs(0＜x≤0.65)相同的晶体结构的外延生长基板层上，周期性地形成折射率与该AlxGa1-xAs不同的柱状的异折射率区域；
b)母材制作工序，在上述异折射率区域之间，利用外延法制作包含上述AlxGa1-xAs的母材；
c)外延层制作工序，在形成有上述异折射率区域和上述母材的层上，利用上述外延法制作包含AlyGa1-yAs(0≤y≤1)的层。
第三方式中，通过在形成柱状的异折射率区域后将该异折射率区域的周围用AlxGa1-xAs填充而形成母材。由于在像这样用AlxGa1-xAs填充而成的母材中，与将空穴用AlxGa1-xAs填充而成的异折射率区域相比难以形成空洞，因此不会有降低二维光子晶体层的作为共振器的性能的情况。其结果是，可以制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。而且，外延生长基板层的材料既可以与母材或异折射率区域的材料相同，也可以不同。
第一发明的二维光子晶体激光器中，由于将母材的材料设为即使在高温下也很坚固的AlαGa1-αAs系材料或(AlβGa1-β)γIn1-γP系材料，因此在外延生长上部层时不会有破坏空穴的形状的情况，可以将二维光子晶体层的作为共振器的性能维持得较高。
本发明的二维光子晶体激光器中，在将作为上部层的外延生长层的材料设为AlxGa1-xAs的情况下，可以将二维光子晶体层的作为共振器的性能维持得更高。另外，本发明的二维光子晶体激光器中，在将外延生长层作为用于利用外延生长制作p型或n型的包覆层的再生长界面层使用的情况下，可以提高二维光子晶体激光器的结构上的自由度。
第二发明的第一方式的二维光子晶体激光器制造方法中，通过提高进行外延生长前的二维光子晶体层的空穴的纵横比，并且使用在外延生长时很难扩散的AlxGa1-xAs(0.4≤x＜1)，就可以抑制外延生长层的材料侵入空穴中甚至于到达空穴下方。这样，就可以使再生长后的空穴的形状接近作为目标的形状，可以将作为光子晶体的性能维持得较高。由此，就可以不降低二维光子晶体层的作为共振器的性能地制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。
第二及第三方式的二维光子晶体激光器制造方法中，如上所述是易于将空穴的内部(第二方式)或异折射率区域之间的区域(第三方式)用AlxGa1-xAs填充的方法。这样，就可以不在空穴的内部或异折射率区域之间的区域中形成空洞地制作二维光子晶体层，因此不会有降低二维光子晶体层的作为共振器的性能的情况。其结果是，可以制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。
附图说明
图1是表示本发明的二维光子晶体激光器的第一实施例的立体图。
图2是表示二维光子晶体层的结构的一例的俯视图。
图3是表示实施例1的二维光子晶体激光器的制造方法的纵剖面图。
图4是表示本发明的二维光子晶体激光器的第二实施例的纵剖面图。
图5是表示实施例2的二维光子晶体激光器的制造方法的纵剖面图。
图6是表示本发明的二维光子晶体激光器的第三实施例的纵剖面图。
图7是用于说明空穴的深度h与最大宽度d的图。
图8是表示实施例3的二维光子晶体激光器的制造方法的纵剖面图。
图9是表示本发明的二维光子晶体激光器的第四实施例的制造方法的纵剖面图。
图10是表示实施例4的二维光子晶体激光器的制造方法的纵剖面图。
图11是表示本发明的二维光子晶体激光器的第五实施例的制造方法的纵剖面图。
图12是表示实施例5的二维光子晶体激光器的制造方法的纵剖面图。
图13是表示利用以往的外延法使上部层再生长时的二维光子晶体层中的空穴的纵剖面形状的电子显微镜照片。
图14是表示形成外延层之前和形成之后的空穴的纵剖面形状的变化的图。
图15是表示二维光子晶体层中的空穴内的干涉的效果的变化的曲线图。
图16是针对具有圆形的平面形状的空穴表示形成外延层之前和形成之后的横剖面形状的变化的图。
图17是针对具有正三角形的平面形状的空穴表示形成外延层之前和形成之后的横剖面形状的变化的图。
图18是表示用于将再生长后的空穴的横剖面形状设为圆形或正三角形的再生长前的空穴的横剖面形状的图。
图19是表示本发明的第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例的图。
图20是表示第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的变形例的图。
图21是表示利用第二及第三方式的二维光子晶体激光器制造方法制造的二维光子晶体层的结构的俯视图。
图22是表示本发明的第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例8)的纵剖面图。
图23是表示利用实施例8的方法将空穴用异折射率区域的材料填充的例子的显微镜照片。
图24是表示第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例9)的纵剖面图。
图25是表示第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例10)的纵剖面图。
图26是表示本发明的第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例11)的纵剖面图。
图27是实施例11的制造过程(图26(c))中拍摄的异折射率区域851的电子显微镜照片(a)、以及实施例11中制造的二维光子晶体激光器的纵剖面的电子显微镜照片(b)。
图28是表示第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例12)的纵剖面图。
图29是表示第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的一个实施例(实施例13)的纵剖面图。
其中，10、10A、10B、10C、10D…二维光子晶体激光器；
11、41、61、81…基板；
12、62、82…第一包覆层；
13、43、63、83…活性层；
14、44、64、84…载流子阻挡层；
15、15A、15C、15D、45、45A、65、85…二维光子晶体层；
151、151A、151B、451、651A、651C…空穴；
151C…包含异折射率构件的异折射率区域；
152、152A、652A…母材层；
1521A…第一母材层；
1522A…第二母材层；
152B、652、852…母材；
16、66、66A、66B、86…第二包覆层(外延生长层)；
17、67、87…接触层；
18、47、68、88…下部电极；
19、48、69、89…上部电极；
21…抗蚀剂；
31、31A、31B…再生长界面层；
32、32A…异折射率构件；
33、851A、851B…异折射率区域前体层；
33A、853…间隔物层；
42…n型包覆层；
452…Al0.1Ga0.9As层的表面；
46…p型包覆层；
50…SiO2膜；
651B、651D、851、851C…异折射率区域；
653…缓冲层；
71、91…晶体生长阻碍膜；
72、92…抗蚀剂
具体实施方式
使用图1～图29，对本发明的二维光子晶体激光器及第一～第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例进行说明。下述实施例当中，实施例1～5是本发明的二维光子晶体激光器的实施例，实施例6及7是第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例，实施例8～10是第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例，实施例11～13是第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例。
实施例1
实施例1的二维光子晶体激光器10如图1所示，具有在基板11上依次层叠了第一包覆层12、活性层13、载流子阻挡层14、二维光子晶体层15、第二包覆层(外延生长层)16、接触层17的结构。此外，在基板11下设有下部电极18，在接触层17上设有上部电极19。
二维光子晶体层15如图2所示，在板状的母材层152内，周期性地形成有具有圆形或三角形等平面形状的空穴151。本实施例中，在母材层152的材料中使用Al0.1Ga0.9As。这是因为，该材料即使在高温下也很坚固，在如后所述利用外延法制作第二包覆层16时即使升高温度，也不会有破坏空穴151的形状的情况。
而且，母材层152的材料并不限于本实施例的材料，可以使用AlαGa1-αAs(0＜α＜1)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)。前者适于在使具有近红外区域的波长的激光振荡时使用，后者适于在使具有红色区域的波长的激光振荡时使用。
在第二包覆层16的材料中，使用能够在二维光子晶体层15上利用外延法制作的材料。在第二包覆层16的材料中，在本实施例中使用p型的Al0.65Ga0.35As，即向属于+3价的(Al0.65Ga0.35)点位中添加微量的+2价的杂质而成的材料。而且，第二包覆层16的材料并不限于本实施例的材料，可以合适地使用p型的AlxGa1-xAs(0.4≤x＜1)。AlxGa1-xAs的x值越大，则气体的扩散长度就越短，从而难以侵入空穴151内。由此，就可以抑制在空穴151内形成不需要的p型Al0.65Ga0.35As的晶体。
二维光子晶体层15及第二包覆层16以外的各层在本实施例中使用以下的材料。在基板11的材料中使用n型的GaAs，在第一包覆层12的材料中使用n型的Al0.65Ga0.35As。它们是向GaAs的Ga点位或Al0.65Ga0.35As的(Al0.65Ga0.35)点位中添加微量的+4价的杂质而成的材料。在活性层13中使用包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的材料。在载流子阻挡层14中使用包含Al0.4Ga0.6As的材料。在接触层17中使用p型的GaAs。而且，在这些层中，也可以使用上述以外的材料。
另外，也可以与本实施例相反，在基板11及第一包覆层12中使用p型的材料，在第二包覆层16及接触层17中使用n型的材料。
下面，使用图3，给出本实施例的二维光子晶体结构激光器10的制造方法的一例。而且，本实施例中，与上述第一及第二方式的二维光子晶体激光器制造方法不同，空穴的纵横比没有特别限定。首先，在基板11上，依次通过以气相法外延生长来制作第一包覆层12、活性层13、载流子阻挡层14。然后，在载流子阻挡层14上，通过以气相法外延生长来制作母材层152(b)。接下来，通过在母材层152的上面涂布抗蚀剂21，利用电子束光刻法，在该抗蚀剂21中形成与空穴151的配置对应的图案后，利用蚀刻法在母材层152中形成空穴151，而制作二维光子晶体层15(c)。
其后，除去抗蚀剂21，通过在二维光子晶体层15上以气相法外延生长而制作第二包覆层16(d)。另外，在外延生长第二包覆层16期间，将二维光子晶体层15加热到约600℃。当加热到此种温度时，假使母材层152的材料是不含有Al的GaAs，则会产生迁移而有可能将空穴151的形状破坏，然而本实施例中通过在母材层152的材料中使用Al0.1Ga0.9As，就可以保持空穴151的形状。
在像这样制作出第二包覆层16后，在第二包覆层16上以气相法外延生长接触层17。此后，通过分别利用蒸镀法在基板11的下侧制作下部电极18，在接触层17上制作上部电极19，而得到本实施例的二维光子晶体激光器10(e)。
实施例2
使用图4，对本发明的二维光子晶体激光器的实施例2进行说明。本实施例的二维光子晶体激光器10A取代实施例1的二维光子晶体层15，而使用了以下所述的二维光子晶体层15A。除此以外的构成与实施例1的二维光子晶体激光器10相同。
二维光子晶体层15A具有在包含Al0.65Ga0.35As(α＝0.65)的第一母材层1521A的上面比第一母材层1521A更薄地形成了包含Al0.1Ga0.9As(α＝0.1)的第二母材层1522A的2层结构的母材层152A。在母材层152A内，以与实施例1相同的形状及周期形成空穴151A。第二母材层1522A与第一母材层1521A相比Al的含有率低，因此具有在后述的制造工序中难以氧化的特长。
使用图5，对本实施例的二维光子晶体激光器10A的制造方法进行说明。而且，在本实施例中，空穴的纵横比也没有特别限定。首先，利用与实施例1相同的方法，在基板11上，通过以气相法外延生长而依次制作第一包覆层12、活性层13及载流子阻挡层14(a)。然后，在载流子阻挡层14上，通过以气相法外延生长而制作第一母材层1521A(b)。接下来，在第一母材层1521A上，通过以气相法外延生长而制作第二母材层1522A(c)。至此为止的各工序是通过在相同的小室内变更原料气体而进行的。
然后，与实施例1相同，使用电子束光刻法及蚀刻法，在母材152A内形成空穴151A(d)。该工序由于使用外延法以外的方法，因此在与此前的各工序不同的小室内进行。接下来，将小室变更为原来的小室，通过在第二母材层1522A的表面以气相法外延生长而制作第二包覆层16(e)。其后，通过利用与实施例1相同的方法制作接触层17、下部电极18及上部电极19，而得到本实施例的二维光子晶体激光器10A。
像这样，在形成空穴151A的工序的前后需要变更小室，此时有可能将母材层的表面氧化。本实施例中，通过在第二母材层1522A中使用比第一母材层1521A的材料更难氧化的材料，来抑制母材层的表面氧化。
实施例3
使用图6，对本发明的二维光子晶体激光器的实施例3进行说明。本实施例的二维光子晶体激光器10B是利用第一方式的二维光子晶体激光器制造方法制作的。
二维光子晶体激光器10B在实施例1的二维光子晶体层15与第二包覆层16之间，设有包含AlxGa1-xAs(0.4≤x＜1)的再生长界面层31。另外，对于空穴151，将平面形状的最大宽度d设为200nm以下，并且将深度h与最大宽度d之比h/d(纵横比)设为1.3以上5以下。这里，最大宽度d是指收容在空穴151的平面形状内的最长的线段的长度(图7)。例如在空穴151的平面形状为圆形的情况下，直径相当于最大宽度，在为正三角形的情况下，边长相当于最大宽度，在为正三角形以外的三角形的情况下，3边中的最长的边的边长相当于最大宽度。
本实施例中，通过将再生长界面层31的Al的含有率x设为比较高的值，并且将纵横比h/d设为1.3以上，再生长界面层31的原料气体就难以侵入空穴151内。由此，就可以抑制在空穴151内形成包含再生长界面层31的材料的晶体。而且，当h过大、或d过小时，会有无法充分地形成空穴151的二维周期结构的情况，因此将纵横比h/d的上限设为5。
使用图8，对本实施例的二维光子晶体激光器10B的制造方法进行说明。而且，对于第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例，在实施例6及7中进一步详细说明。
首先，利用与实施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆层12、活性层13、载流子阻挡层14及二维光子晶体层15(a)。然后，在二维光子晶体层15上，通过以气相法外延生长而制作再生长界面层31，将空穴151的上部填塞(b)。此时，如上所述，可以抑制再生长界面层31的材料侵入空穴151内。另外，由于在母材层152的材料中使用上述的材料，因此可以防止在该工序中产生迁移。接下来，在再生长界面层31上，通过以气相法外延生长而制作第二包覆层16(c)。其后，通过利用与实施例1相同的方法，制作接触层17、下部电极18及上部电极19，而得到本实施例的二维光子晶体激光器10B。
实施例4
使用图9，对本发明的二维光子晶体激光器的实施例4进行说明。本实施例的二维光子晶体激光器10C是利用第二实施方式的二维光子晶体激光器制造方法制作的。
二维光子晶体激光器10C取代实施例3的再生长界面层31，设置包含AlxGa1-xAs(0＜x≤0.8)的再生长界面层31A。与此同时，在二维光子晶体层15C内，取代空穴151，周期性地设置包含与再生长界面层31A相同的材料的异折射率构件32。将异折射率构件32的平面形状的最大宽度d设为200nm以下，并且将纵横比h/d设为0.1以上1.2以下。而且，最大宽度d及纵横比h/d的定义与空穴151的情况相同。
本实施例中，通过将再生长界面层31A的Al的含有率x设为比较低的值，并且将纵横比h/d设为1.2以下，在制作再生长界面层31A时，再生长界面层31A的原料气体就难以侵入空穴151内。而且，当h过小、或d过大时，会有无法充分地形成空穴151的二维周期结构的情况，因此将纵横比h/d的下限设为0.1。
使用图10，对本实施例的二维光子晶体激光器10C的制造方法进行说明。而且，对于第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例，在实施例8～10中会进一步详细说明。
首先，利用与实施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆层12、活性层13及载流子阻挡层14以及二维光子晶体层15(a)。但是，这里所制作的二维光子晶体层15与实施例1相同，具有空穴151，还没有形成异折射率构件32。然后，通过同时地以气相法外延生长，而在二维光子晶体层15上制作再生长界面层31A，在空穴151内制作异折射率构件32(b)。此时，由于如上所述，原料气体难以侵入空穴151内，因此可以不产生空洞地形成异折射率构件32。另外，由于在母材层152的材料中使用上述的材料，因此在该工序中可以防止产生迁移。接下来，在再生长界面层31A上，通过以气相法外延生长而制作第二包覆层16(c)。其后，通过利用与实施例1相同的方法制作接触层17、下部电极18及上部电极19，而得到本实施例的二维光子晶体激光器10C。
实施例5
使用图11，对本发明的二维光子晶体激光器的实施例5进行说明。本实施例的二维光子晶体激光器10D中，采用了如下的构成，即，二维光子晶体层15D包含周期性地配置于载流子阻挡层14的上面的柱状的异折射率构件32A、和围绕异折射率构件32A地嵌入的母材152B。本实施例中，异折射率构件32A的材料并不限定于AlxGa1-xAs(0＜x≤0.8)，也可以使用其他的半导体材料或电介质材料。另外，在二维光子晶体层15D的上面，形成有包含与母材152B相同的材料的再生长界面层31B。其他的构成与实施例1相同。
使用图12，对本实施例的二维光子晶体激光器10D的制造方法进行说明。首先，利用与实施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆层12、活性层13及载流子阻挡层14。然后，在载流子阻挡层14上，通过以气相法外延生长而制作包含异折射率构件32A的材料的异折射率区域前体层33(a)。接下来，使用电子束光刻法及蚀刻法，残留周期性地配置的柱状的区域地，将异折射率区域前体层33从上面蚀刻到途中。这样，就可以在残留异折射率区域前体层33的下侧的一部分地形成的间隔物层33A上，形成柱状的异折射率构件32A(b)。然后，在间隔物层33A上，通过以气相法外延生长而制作母材152B。此后，在将母材152B形成至异折射率构件32A的上面后也利用外延法继续晶体的制作。这样，就在异折射率构件32A及母材152B上形成再生长界面层31B(c)。此后，在再生长界面层31B的上面，通过以气相法外延生长而制作第二包覆层12(d)。其后，通过利用与实施例1相同的方法制作接触层17、下部电极18及上部电极19，而得到本实施例的二维光子晶体激光器10D。
本发明的二维光子晶体激光器并不限定于上述实施例1～5。例如，母材层可以由材料不同的多个层构成，这些层中的1层可以是不含有Al的包含GaAs的层。即使在该情况下，与母材层整体包含GaAs的情况相比，也可以抑制迁移的影响。
实施例6
下面，对第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例进行说明。本实施例中，制作基本上如图1及图2所示的上述的二维光子晶体激光器。在制作此种结构的二维光子晶体激光器时，需要在二维光子晶体层15的空穴151上层叠第二包覆层16。近年来，提出过利用外延法形成二维光子晶体层15的上部的层的方法。但是，以往的方法中，如图13所示在再生长时将空穴151的一部分填充，因而存在空穴151的形状改变的问题。第一方式的二维光子晶体激光器制造方法在二维光子晶体层15的上部形成外延层(第二包覆层)16时，通过考虑外延层16的材料(以下称作“再生长材料”)的特性地决定进行再生长之前的二维光子晶体层15的空穴151的形状，而使再生长后的空穴的形状接近作为目标的形状，从而将作为光子晶体的性能维持得较高。
这里，首先，在给出实验数据的同时对第一实施方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例进行说明。而且，以下说明中作为母材层152使用AlαGa1-αAs系材料(0＜α＜1)或(AlαGa1-α)βIn1-βP系材料(0＜α＜1、0＜β＜1)。这是因为，在形成光子晶体结构后的二维光子晶体层15上形成外延层16时，将基板温度升高到600℃左右，因此如果是GaAs等则会因迁移而有可能将空穴151的形状破坏。另外，作为再生长材料，使用AlxGa1-xAs系材料。AlxGa1-xAs系材料的x越大，则气体的扩散长度就越短，从而难以侵入空穴151的内部。由此，适于作为层叠在二维光子晶体层15上的外延层16的材料使用。
下面，将空穴151的平面形状设为圆形，使x＝0.65而进行了实验。
[关于纵剖面形状的实验]
图14中，表示出有关再生长前的空穴151的纵剖面形状和再生长后的空穴151B的纵剖面形状的实验数据。而且，d及h的定义以及最大宽度的定义如实施例3中所述(图7)。
如果比较图14(a)及(b)，则可以得到如下的结果，即，在d大致相同的情况下，纵横比h/d大的一方可以保持再生长前的空穴151的纵剖面形状。另一方面，如果比较图14(b)及(c)，则可以得到如下的结果，即，在纵横比h/d大致相同的情况下，d大的一方可以保持再生长前的空穴151的纵剖面形状。即可知，要使形成外延层16前的空穴151与形成之后的空穴151B的纵剖面形状接近，只要将空穴的最大宽度d与纵横比h/d的某一方或双方针对再生长材料的Al比率x恰当地决定即可。
而且，作为参数x、d、h/d的范围，根据实验得出，分别最好设为0.4≤x＜1、d≤200nm、1.3≤h/d。纵横比h/d的上限没有特别限定，然而如果h过大、或d过小，则会有无法充分地形成空穴151的二维周期结构的情况。由此，本实施例中将纵横比h/d的上限设为5。
另外，在空穴151的内部，来自活性层13侧的衍射光与来自第二包覆层16侧的衍射光发生干涉，相互加强或减弱。该条件是由母材层152的材质、空穴151的深度h、和空穴151的纵剖面形状决定的。例如，在母材层152的材质为Al0.1Ga0.9As、空穴151的深度h为120nm、纵剖面形状为长方形的情况下相互加强，如果是在此以上的深度则从相互加强慢慢地变为相互减弱。
另一方面，本实施例的再生长方法中，如图14所示，可以得到第二包覆层(外延层)16侧的头端尖细的纵剖面形状。在像这样具有沿斜向倾斜的锥状区域154的纵剖面形状的情况下，来自第二包覆层16侧的衍射光变弱，因此可以降低干涉的效果。将其结果表示于图15中。
如图15所示，通过使锥状区域154的深度h1和矩形区域155的深度h2变化，可以获得降低干涉的效果的结果。由于可以利用参数d、h、x使锥状区域154的深度h1与矩形区域155的深度h2变化，因此只要按照不使来自活性层13侧的衍射光与来自第二包覆层16侧的衍射光的干涉相互减弱的方式，适当地调整参数d、h、x即可。
[关于平面形状(横剖面形状)的实验]
将关于再生长前的空穴151的平面形状与再生长后的空穴151B的平面形状的实验数据表示于图16及17中。
图16是针对将外延层16形成于二维光子晶体层15上时的面内方向(垂直于层叠方向的方向)的生长的实验。这里，图16(a)是形成外延层16前的空穴151的电子显微镜照片。图16(b)～(d)分别是在二维光子晶体层15上利用外延法再生长40nm的Al0.65Ga0.35As时的从上侧看的电子显微镜照片(b)、在垂直于定向平面(001)面的方向切割出的纵剖面中的电子显微镜照片(c)、在平行于定向平面(001)面的方向切割出的纵剖面中的电子显微镜照片(d)。
图16的例子中，AlxGa1-xAs容易沿着平行于定向平面(001)面的方向生长。由此，当形成外延层16时，空穴151的形状就会成为平行于定向平面(001)面的方向的宽度变窄的椭圆形。考虑到该性质，对于再生长材料的Al比率x利用预备实验等预先求出不同方向的生长速率，按照使再生长后的空穴151B的平面形状成为作为目标的形状的方式，决定再生长前的空穴151的平面形状。例如，在x＝0.65的情况下，由于平行于定向平面(001)面的方向的生长速率a与垂直于定向平面(001)面的方向的生长速率b之比为b/a＝1.3，因此只要将平行于定向平面(001)面的方向的长度a与垂直于定向平面(001)面的方向的长度b之比为a/b＝1.3的椭圆形设为再生长前的空穴151的平面形状即可(图16(e))。
另外，在空穴151具有三角形等多角形的平面形状的情况下，晶体从多角形的各边朝向内部生长。图17中表示针对平面形状为正三角形的空穴151的实验数据，然而在像这样以90°以下的角度存在2个生长面的情况下，由于晶体按照将多角形的各顶点附近填充的方式生长起来，因此图17(a)的例子中再生长后的空穴151B的平面形状就成为近似圆形的形状。由此如图17(b)～(d)所示，通过从2个生长面相交的顶点伸出突起部153，就可以将再生长后的空穴151B的平面形状设为三角形。
图18中表示针对圆形及正三角形的平面形状的结果，在圆形的情况下，根据实验结果得出，如果将以平行于生长面的方向作为长径、以垂直于生长面的方向作为短径的椭圆形设为再生长前的平面形状，将长径a与短径b之比为1＜a/b≤1.5，就可以将再生长后的平面形状设为圆形(图18(a))。另外，在三角形的情况下，根据实验结果得出，如果使从三角形的重心向各顶点延伸的直线的长度a与朝向各边的垂线的长度b之比达到2＜a/b≤3，就可以将再生长后的平面形状设为正三角形(图18(b))。像这样，通过针对再生长前的空穴的形状将再生长材料的Al之比率x相对于生长面适当地改变，就可以使再生长后的空穴的平面形状接近作为目标的形状。
实施例7
下面，使用图19对本发明的二维光子晶体激光器的制造方法的一个实施例进行说明。
首先，在GaAs基板41上依次外延生长n型的Al0.65Ga0.35As层(n型包覆层)42、InGaAs/GaAs层(活性层)43、Al0.4Ga0.6As层(载流子阻挡层)44、Al0.1Ga0.9As层45(图19(a))。然后，对于Al0.1Ga0.9As层45，按照使最大宽度d为d≤200nm、深度h与最大宽度d之比为1.3≤h/d≤5的方式利用蚀刻形成给定的周期结构的空穴451(图19(b))。这样，就得到二维光子晶体层45A。其后，在形成有空穴451的Al0.1Ga0.9As层(二维光子晶体层)45A上利用外延生长形成p型的Al0.65Ga0.35As层(p型包覆层)46，在其上设置p型的GaAs层(接触层)47(图19(c))。此后，分别在基板41下设置下部电极(窗状电极)48，在p型GaAs层47上设置上部电极49(图19(d))。这样，就可以制作激光器特性高的二维光子晶体激光器。而且，二维光子晶体层45A的母材的材料也可以是(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)。
而且，虽然在上述方法中，对于再生长前的空穴451的平面形状没有特别指定，然而如果如图16～18所示，基于利用外延生长形成p型Al0.65Ga0.35As层46时的生长面，适当地决定该平面形状，就可以进一步提高二维光子晶体层45的性能，其结果是，可以获得高激光器特性。
另外，在图19的(b)与(c)之间，也可以具有在空穴451的侧壁及底部形成阻碍AlxGa1-xAs系材料的外延生长的包含SiO2、Si3N4、ZnO、ZrO2等生长阻碍材料的生长阻碍膜的工序。使用图20对该变形例进行说明。
首先，在形成有空穴451的Al0.1Ga0.9As层45A(图20(a))中，形成SiO2的膜50(图20(b))。此后，利用干式蚀刻除去SiO2膜50(图20(c))。由于在Al0.1Ga0.9As层45A的表面452与空穴451的内部蚀刻速率不同，因此仅在空穴451的内部残留SiO2膜50。残留于该空穴451的内部的SiO2膜50作为阻碍AlxGa1-xAs系材料的外延生长的生长阻碍膜发挥作用，因此在外延生长p型包覆层46时可以进一步抑制在空穴451的内部形成晶体。
而且，在将生长阻碍膜形成于空穴451内的情况下，最好利用上述的方法来形成再生长前的空穴451的纵剖面形状和/或平面(横剖面)形状，然而即使只是将生长阻碍膜形成于空穴451内，也可以获得提高激光器特性的效果。
实施例6及7只不过是第一方式的二维光子晶体激光器制造方法的一例，也可以在发明的宗旨的范围中适当地进行变形或修正、追加等。例如，虽然在上述实施例中作为母材层采用仅有一层Al0.1Ga0.9As层的结构，然而也可以是将α不同的多个AlαGa1-αAs层层叠的结构，此外也可以将其中的一部分层置换为GaAs的层或其他的半导体的层。在作为母材层使用(AlβGa1-β)γIn1-γP系材料的情况下，同样地可以采用将β和γ不同的多个层层叠的结构，或将其中的一部分层置换为GaAs的层或其他的半导体的层。
实施例8
下面，在实施例8～10中，对第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例进行说明。在第二方式中制作的二维光子晶体激光器的基本的构成与图1中所示的相同。但是，在异折射率区域151C中，使用的不是空穴，而是包含与母材不同的材料的异折射率构件(图21)。使用了异折射率构件的异折射率区域虽然与使用空穴的情况相比光的关入效果降低，然而具有容易以单一模式并且大面积地进行激光器振荡的特长。
使用图22，对实施例8的制造方法进行说明。首先，在基板61上，依次利用外延法形成包含n型的Al0.4Ga0.6As的第一包覆层62、包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的活性层63、包含Al0.4Ga0.6As的载流子阻挡层64、包含Al0.1Ga0.9As的母材层652A(图22(a))。然后，使用电子束光刻法及蚀刻法，针对母材层652A，按照使直径(最大宽度)d为110nm、深度h为120nm、即纵横比h/d为1.09的方式，以给定的周期形成多个平面形状为圆形的空穴651A(图22(b))。接下来，在空穴651A内及母材层652A上，外延生长包含p型的Al0.4Ga0.6As的晶体(图22(c))。这样，就在空穴651A内形成包含p型Al0.4Ga0.6As的异折射率区域651，制作出包含母材652及异折射率区域651的二维光子晶体层65。与此同时，在二维光子晶体层65上制作出包含p型Al0.4Ga0.6As的第二包覆层66。其后，在基板61下设置下部电极(窗状电极)68，并且在第二包覆层66上依次设置接触层67及上部电极69(图22(d))。这样，就制成了二维光子晶体激光器。
而且，各层的材料并不限定于上述的材料。例如，在异折射率区域651及第二包覆层66的材料中可以使用AlxGa1-xAs(0＜x≤0.8)。该材料的Al的含有率越小，则制作时所用的气体的分子就越容易扩散，越容易到达空穴651A内。在母材层652A的材料中，可以使用具有与异折射率区域651的材料相同的晶体结构的AlαGa1-αAs(0＜α＜1，但是α≠x)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)等。
空穴651A(以及空穴651A被异折射率构件填充的异折射率区域651)的平面形状并不限于圆形，可以采用椭圆形或三角形等各种形状。另外，最大宽度d以及纵横比h/d并不限于上述的值，只要是在d≤200nm、0.1≤h/d≤1.2的范围内，就可以使上述气体分子充分地到达空穴651A的底面。而且，d及h的定义以及最大宽度的定义如实施例3中所述(图7)。
图23中，用电子显微镜照片表示出利用实施例8的方法在空穴651A内以外延法形成包含p型Al0.4Ga0.6As的晶体的实验的结果。而且，该实验中，在形成50nm的p型Al0.4Ga0.6As的晶体的时候停止了晶体生长。对于空穴651A，制作了(a)d＝130nm、h＝60nm、h/d＝0.46的空穴、和(b)d＝130nm、h＝80nm、h/d＝0.63的空穴。从所得的电子显微镜照片确认，在晶体生长后空穴651A被没有间隙地填充。
实施例9
使用图24，对第二方式的二维光子晶体激光器制造方法的其他实施例进行说明。本实施例中，以另外的工序制作异折射率区域和第二包覆层。首先，使用与实施例1相同的方法及材料，在基板61上依次形成第一包覆层62、活性层63、载流子阻挡层64及母材层652A(图24(a))，在母材层652A中形成空穴651A(图24(b))。然后，通过在空穴651A内，利用外延法制作包含AlyGa1-yAs(0≤y≤1)的晶体，直至将该空穴651A填充(图24(c))，而在空穴651A内形成异折射率区域651B。此时，在母材层652A上也形成包含Al0.4Ga0.6As的缓冲层653。接下来，在缓冲层653上，利用外延法制作包含p型的Al0.4Ga0.6As的第二包覆层66A(图24(d))。其后，通过与实施例8相同地，形成下部电极68、接触层67及上部电极69(图24(e))，而制成二维光子晶体激光器。
实施例10
使用图25，对第二方式的二维光子晶体激光器的制造方法的其他实施例进行说明。首先，使用与实施例8相同的方法及材料，在基板61上依次形成第一包覆层62、活性层63、载流子阻挡层64及母材层652A。此后，在母材层652A上，形成包含SiO2的晶体生长阻碍膜71(图25(a))，SiO2是阻碍作为异折射率区域的材料的AlxGa1-xAs(本实施例中x＝0.4)的外延生长的材料。而且，在晶体生长阻碍膜71的材料中也可以使用Si3N4、ZnO、ZrO2。然后，利用电子束光刻法形成掩蔽异折射率区域以外的位置的抗蚀剂72的图案，在用能够蚀刻晶体生长阻碍膜71的蚀刻剂进行蚀刻处理后，改变蚀刻剂而对母材层652A进行蚀刻处理。这样，就形成贯穿晶体生长阻碍膜71而到达母材层652A的空穴651C(图25(b))。接下来，在除去抗蚀剂72后，通过在空穴651C内利用外延法形成包含AlxGa1-xAs的晶体，而制作包含AlxGa1-xAs的异折射率区域651D(图25(c))。此时，由于母材层652A的上面当中没有空穴651C的部分中，残存有晶体生长阻碍膜71，因此包含AlxGa1-xAs的晶体不会外延生长。这样，就可以防止AlxGa1-xAs的晶体从母材层652A的上面沿横向延伸而填塞空穴651C，从而可以防止在异折射率区域651D内出现空洞。然后，除去晶体生长阻碍膜71，在母材层652A及异折射率区域651D上，利用外延法制作包含p型的Al0.4Ga0.6As的第二包覆层66B(图25(d))。其后，通过与实施例8相同地形成下部电极68、接触层67及上部电极69(图25(e))，而制成二维光子晶体激光器。
实施例11
下面，对本发明的第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的实施例进行说明。首先，使用图26对其一个实施例进行说明。在基板81上，依次利用外延法形成包含n型的Al0.65Ga0.35As的第一包覆层82、包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的活性层83、包含Al0.4Ga0.6As的载流子阻挡层84(图26(a))。然后，在载流子阻挡层84上，利用溅射法形成作为包含SiO2的层的异折射率区域前体层851A(图26(b))。接下来，使用电子束光刻法及蚀刻法，残留周期性地配置的圆柱状的区域地除去异折射率区域前体层851A。这样，就在载流子阻挡层84上形成包含SiO2的柱状的异折射率区域851(图26(c))。此后，将除去了异折射率区域前体层851A的区域中的载流子阻挡层84作为基板(外延生长基板)，在该基板上，通过外延生长包含p型的Al0.65Ga0.35As的晶体，而在异折射率区域851之间形成母材852(图26(d))。这样，就制作出在异折射率区域851之间形成了母材852的二维光子晶体层85。这里，由于异折射率区域851包含SiO2，因此在母材852生长到与异折射率区域851相同的高度之前，不会在异折射率区域851上生长包含p型Al0.65Ga0.35As的晶体。此后，在母材852生长到与异折射率区域851相同的高度后，如果接着继续p型Al0.65Ga0.35As的晶体生长，则p型Al0.65Ga0.35As的晶体不仅会在纵向生长，而且还会在横向生长，因此包括异折射率区域851的上面在内，在二维光子晶体层85上制作出包含p型Al0.4Ga0.6As的第二包覆层86(图26(e))。其后，与第八实施例相同，在基板81下设置下部电极88，并且在第二包覆层86上依次设置接触层87及上部电极89(图26(f))。这样，就制成二维光子晶体激光器。
本实施例中，异折射率区域851的大小(纵横比)没有特别要求。另外，各层的材料并不限定于上述的材料。另外，在异折射率区域851(及异折射率区域前体层851A)的材料中，例如可以使用Si3N4、ZnO、ZrO2等。在母材852及第二包覆层86的材料中可以使用AlxGa1-xAs(0＜x≤0.65)。另外，异折射率区域851的形状并不限于圆柱状，可以采用椭圆柱状或三角柱状等各种形状。
本实施例中，根据在刚刚蚀刻异折射率区域前体层851A后(相当于图26(c))拍摄的电子显微镜照片(图27(a))，确认形成多个三角柱状的异折射率区域851。另外，根据在二维光子晶体激光器制成后拍摄该激光器的纵剖面而得的电子显微镜照片(图27(b))，确认在异折射率区域851的周围没有间隙地(不出现空洞地)形成母材852。
而且，在用与第二包覆层86不同的材料制作母材852的情况下，只要在母材852生长到与异折射率区域851相同的高度(图26(d))后，将向异折射率区域851及母材852的表面供给的材料变更为第二包覆层86的材料即可。
实施例12
使用图28，对第三方式的二维光子晶体激光器制造方法的其他实施例进行说明。本实施例中，在异折射率区域前体层851B中，使用以AlαGa1-αAs(0≤α≤1)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β≤1、0≤γ≤1)等具有与母材852相同的晶体结构的材料利用外延法制作的材料(图28(a))。此后，在形成异折射率区域前体层851B后，使用电子束光刻法及蚀刻法，残留周期性地配置的圆柱状的区域地将异折射率区域前体层851B从上面除去至途中。这样，就在残留异折射率区域前体层851B的下侧的一部分而形成的间隔物层853上，形成异折射率区域851C(图28(b))。此后，将间隔物层853及异折射率区域851C作为外延生长基板层，通过在其上外延生长包含p型的Al0.65Ga0.35As的晶体，而制作母材852及第二包覆层86(图28(c))。其后，通过与实施例11相同地形成下部电极88、接触层87及上部电极89(图28(d))，而制成二维光子晶体激光器。
实施例13
使用图29，对第三方式的二维光子晶体激光器的制造方法的其他实施例进行说明。首先，使用与实施例12相同的方法及材料，在基板81上，依次利用外延法形成第一包覆层82、活性层83、载流子阻挡层84、异折射率区域前体层851B。然后，在异折射率区域前体层851B上，形成包含SiO2的晶体生长阻碍膜91(图29(a))，SiO2是阻碍作为母材的材料的AlxGa1-xAs(本实施例中x＝0.65)的外延生长的材料。而且，在晶体生长阻碍膜91的材料中也可以使用Si3N4、ZnO、ZrO2。然后，利用电子束光刻法形成掩蔽异折射率区域的位置的抗蚀剂92的图案，在用能够蚀刻晶体生长阻碍膜91的蚀刻剂进行蚀刻处理后，改变蚀刻剂而对异折射率区域前体层851B进行蚀刻处理。这样，就形成在上面具有晶体生长阻碍膜91的异折射率区域851C(图29(b))。接下来，将残留异折射率区域前体层851B的下侧的一部分而形成的间隔物层853作为外延生长基板层，通过在其上外延生长包含Al0.65Ga0.35As的晶体，而形成母材852(图29(c))。此时，由于在异折射率区域851C的上面存在晶体生长阻碍膜91，因此不会有p型的Al0.65Ga0.35As的晶体从异折射率区域851C的上面沿横向延伸而将异折射率区域851C之间的区域填塞的情况，由此就可以防止在母材852内形成空洞。然后，除去晶体生长阻碍膜91，在异折射率区域851C及母材852上，利用外延法制作包含p型的Al0.65Ga0.35As的第二包覆层86(图29(d))。其后，通过与实施例11相同地形成下部电极88、接触层87及上部电极89(图29(e))，而制成二维光子晶体激光器。
而且，在本实施例中，也可以在形成母材852(图29(c))后，不除去晶体生长阻碍膜91地制作第二包覆层86。该情况下，由于在第二包覆层86的晶体生长到比晶体生长阻碍膜91高的位置后，该晶体不仅沿纵向生长，而且还沿横向生长，因此可以将晶体生长阻碍膜91的上面用第二包覆层86覆盖。另外，也可以使用不同的材料来制作母材852和第二包覆层86。
迄今为止所述的第二及第三方式的实施例只不过是个例子而已，也可以在本发明的宗旨的范围中适当地进行变形或修正、追加等。例如，虽然在上述实施例中将母材层设为仅有一层Al0.1Ga0.9As层的结构，然而也可以是将α不同的多个AlαGa1-αAs层层叠的结构，此外还可以将其中的一部分层置换为GaAs的层或其他的半导体的层。在作为母材层使用了(AlβGa1-β)γIn1-γP系材料的情况下，也可以同样地采用层叠了β与γ不同的多个层的结构，或将其中的一部分层置换为GaAs的层或其他的半导体的层。

Claims (32)

1.一种二维光子晶体激光器，其特征在于，具有：
在以AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1-γP作为原料的母材层内周期性地设置有异折射率区域的二维光子晶体层；以及
在所述二维光子晶体层上利用外延法制作的外延生长层，
所述AlαGa1-αAs中，0＜α＜1，所述(AlβGa1-β)γIn1-γP中，0≤β＜1、0＜γ＜1。
2.根据权利要求1所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述母材层具有将组成不同的多个层层叠而成的结构。
3.根据权利要求2所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
构成所述母材层的多个层中，最接近所述外延层的层中的Al的含有率α为0.1以下。
4.根据权利要求2所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述母材层具有包含GaAs的层。
5.根据权利要求1所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述外延生长层的材料是AlxGa1-xAs，其中0＜x＜1。
6.根据权利要求1所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述异折射率区域是使AlxGa1-xAs外延生长而得的，所述AlxGa1-xAs中，0＜x＜1。
7.根据权利要求1所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
在所述外延生长层上，层叠有p型或n型的包覆层。
8.根据权利要求1所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述异折射率区域是空穴。
9.根据权利要求8所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述空穴的平面形状的最大宽度d为200nm以下，深度h与该最大宽度d之比h/d为1.3以上5以下，
所述外延生长层的材料为AlxGa1-xAs，其中0.4≤x＜1。
10.根据权利要求9所述的二维光子晶体激光器，其特征在于，
所述空穴的纵剖面形状具有锥状区域。
11.一种二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，包括：
a)母材层制作工序，制作具有与AlxGa1-xAs相同的晶体结构的母材层，所述AlxGa1-xAs中，0.4≤x＜1；
b)空穴形成工序，在所述母材层内，周期性地形成平面形状的最大宽度d为200nm以下、深度h与该最大宽度d之比h/d为1.3以上5以下的空穴；以及
c)外延层制作工序，在所述母材层及所述空穴上，利用外延法制作包含所述AlxGa1-xAs的层。
12.根据权利要求11所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述母材层是通过外延生长AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1-γP而制作的层，所述AlαGa1-αAs中，0＜α＜1，所述(AlβGa1-β)γIn1-γP中，0≤β＜1、0＜γ＜1。
13.根据权利要求11所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述母材层具有将多个层层叠而成的结构。
14.根据权利要求11所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
在所述空穴形成工序和所述外延层制作工序之间，具有在所述空穴的内面的至少一部分形成阻碍所述AlxGa1-xAs的晶体生长的晶体生长阻碍膜的工序。
15.根据权利要求14所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述晶体生长阻碍膜具有SiO2、Si3N4、ZnO、ZrO2中的任一种。
16.根据权利要求11所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述空穴的平面形状为椭圆，该椭圆的长径朝向AlxGa1-xAs在与所述母材层平行的面内的生长方向。
17.根据权利要求11所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述空穴的平面形状是从多角形的各顶点向外方侧设有槽状的突起的形状。
18.一种二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，包括：
a)母材层制作工序，制作具有与AlxGa1-xAs相同的晶体结构的母材层，所述AlxGa1-xAs中，0＜x≤0.8；
b)空穴形成工序，在所述母材层内，周期性地形成平面形状的最大宽度d为200nm以下、深度h与该最大宽度d之比h/d为0.1以上1.2以下的空穴；
c)异折射率区域形成工序，在所述空穴内，利用外延法形成包含所述AlxGa1-xAs的异折射率区域；以及
d)外延层制作工序，在形成有所述异折射率区域的所述母材层上，利用所述外延法制作包含AlyGa1-yAs的层，所述AlyGa1-yAs中，0≤y≤1。
19.根据权利要求18所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述x与所述y相等。
20.根据权利要求19所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
同时进行所述异折射率区域形成工序和所述外延层制作工序。
21.根据权利要求18所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
在所述母材制作工序与所述异折射率区域形成工序之间，具有在所述母材上形成阻碍所述AlxGa1-xAs的外延生长的晶体生长阻碍膜的工序。
22.根据权利要求21所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述晶体生长阻碍膜是由SiO2、Si3N4、ZnO、ZrO2中的任一种形成的。
23.根据权利要求18所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述母材层是通过外延生长AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1-γP而制作的层，所述AlαGa1-αAs中，0＜α＜1，所述(AlβGa1-β)γIn1-γP中，0≤β＜1、0＜γ＜1。
24.根据权利要求18所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述母材层具有将多个不同的层层叠而成的结构。
25.一种二维光子晶体激光器制造方法，其特征在于，包括：
a)异折射率区域形成工序，在具有与AlxGa1-xAs相同的晶体结构的外延生长基板层上，周期性地形成折射率与该AlxGa1-xAs不同的柱状的异折射率区域，所述AlxGa1-xAs中，0＜x≤0.65；
b)母材制作工序，在所述异折射率区域之间，利用外延法制作包含所述AlxGa1-xAs的母材；以及
c)外延层制作工序，在形成有所述异折射率区域和所述母材的层上，利用所述外延法制作包含AlyGa1-yAs的层，所述AlyGa1-yAs中，0≤y≤1。
26.根据权利要求25所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述异折射率区域是通过将所述外延生长基板层按照残留厚度方向的一部分和所述异折射率区域的方式蚀刻而形成的。
27.根据权利要求25所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述x与所述y相等。
28.根据权利要求27所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
同时地进行所述母材制作工序和所述外延层制作工序。
29.根据权利要求25所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
在所述异折射率区域形成工序与所述母材制作工序之间，具有在所述异折射率区域的上面形成阻碍所述AlxGa1-xAs的外延生长的晶体生长阻碍膜的工序。
30.根据权利要求29所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述晶体生长阻碍膜是由SiO2、Si3N4、ZnO、ZrO2中的任一种形成的。
31.根据权利要求25所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述异折射率区域是由SiO2、Si3N4、ZnO、ZrO2中的任一种形成的。
32.根据权利要求25所述的二维光子晶体激光器的制造方法，其特征在于，
所述外延生长基板层是通过外延生长AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1- γP而制作的层，所述AlαGa1-αAs中，0≤α≤1，所述(AlβGa1-β)γIn1-γP中，0≤β≤1、0≤γ≤1。
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