JP2007067182A - Element having photonic crystal structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法およびフォトニック結晶構造を備える素子に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an element having a photonic crystal structure and an element having a photonic crystal structure.
光の波長レベルと同程度の周期的な屈折率分布を内部にもつ光学材料として、フォトニック結晶が知られている。近年、該フォトニック結晶を用いて、種々の受発光デバイスの研究が進められている。たとえば、空気孔を用いた二次元のフォトニック結晶を用いたフォトニックバンド端レーザが実現できることや、有機ＥＬ（Organic Electroluminescence）およびＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）とフォトニック結晶を組み合わせた発光効率の向上などが提案されている（非特許文献１）。 A photonic crystal is known as an optical material having a periodic refractive index distribution on the same level as the wavelength level of light. In recent years, various light receiving and emitting devices have been studied using the photonic crystal. For example, it is possible to realize a photonic band edge laser using a two-dimensional photonic crystal using air holes, and light emission combining an organic EL (Organic Electroluminescence) and LED (Light Emitting Diode) with a photonic crystal. Improvement of efficiency has been proposed (Non-Patent Document 1).
また、ＧａＮ基板を用いたＬＥＤ層において、１．５μｍのピッチの構造のフォトニック結晶を表面に形成すると、発光効率が１．５倍となることが開示されている（非特許文献２）。 In addition, it is disclosed that when a photonic crystal having a 1.5 μm pitch structure is formed on the surface of an LED layer using a GaN substrate, the light emission efficiency is 1.5 times (Non-patent Document 2).
また、ＧａＮ結晶を用いた微細なフォトニック結晶を、塩素系のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により製造した場合に、円形のマスクパターンを使ったにも関わらず、エッチング後の孔の形状が不揃いな六角形となったことが開示されている（非特許文献３）。
しかしながら、上記非特許文献１に開示されたフォトニック結晶をＧａＮ基板上に形成するため孔を複数個形成する場合、形状の略同一の円形孔とすることは難しい。 However, when a plurality of holes are formed in order to form the photonic crystal disclosed in Non-Patent Document 1 on a GaN substrate, it is difficult to form circular holes having substantially the same shape.
その理由としては、ＧａＮ結晶は原子の結合が強いため、その性質は堅くて、かつ脆い。そのため、ドライエッチング時のエッチング側壁に荒れが生じやすく、孔が微細となるにつれて形状が整わない。このため、たとえばＧａＮ結晶を用いたＦＰレーザ（Fabry-Perot laser：ファブリ・ペローレーザー）の端面をドライエッチングで形成した場合、その端面の荒れを抑えることは難しい。 The reason is that GaN crystals are strong and brittle because their atomic bonds are strong. For this reason, the etching side wall at the time of dry etching is likely to be rough, and the shape is not adjusted as the hole becomes finer. For this reason, for example, when the end face of an FP laser (Fabry-Perot laser) using a GaN crystal is formed by dry etching, it is difficult to suppress the roughness of the end face.
また、上記非特許文献２に開示されたフォトニック結晶では、ピッチが１．５μｍと周期が大きい。ピッチが１．５μｍという大きな周期の構造のフォトニック結晶では、表面テクスチャー構造と同様とみなすことができる。また、このような大きなピッチのフォトニック結晶ではその孔の直径も大きくなるので、上述のようにエッチング側壁の荒れなどがあまり問題にならず、結果的に孔の形状を略同一とすることはできる。しかし、フォトニック結晶本来のフォトニックバンドギャップまたはフォトニックバンド端の性質を利用したデバイス作製には、０．２μｍ以下の微細なピッチとすることが必要であるが、上述のＧａＮ結晶において微細なピッチで孔の形状を略同一とすることは難しい。 In the photonic crystal disclosed in Non-Patent Document 2, the pitch is as long as 1.5 μm. A photonic crystal having a large periodic structure with a pitch of 1.5 μm can be regarded as the same as the surface texture structure. Moreover, since the diameter of the hole becomes large in such a large pitch photonic crystal, the roughness of the etching side wall does not matter so much as described above, and as a result, the shape of the hole is substantially the same. it can. However, in order to fabricate a device utilizing the original photonic band gap or photonic band edge property of the photonic crystal, it is necessary to make the pitch as fine as 0.2 μm or less. It is difficult to make the hole shapes substantially the same at the pitch.
また、上記非特許文献３に開示された塩素系のＩＣＰ−ＲＩＥを用いる方法では、以下のような問題がある。すなわち、このような孔形状の変形が起きる条件のＩＣＰ−ＲＩＥでは、物理的な反応よりも化学的な反応が主に生じている。この化学的な反応過程の制御は困難であり、エッチング後の形状を略同一に整列させることや、工程面での管理が困難である。また、逆に物理的な反応過程を主とすると、ドライエッチング特有のプラズマダメージが孔側壁に残るため、当該方法で作製したフォトニック結晶を用いるデバイスの特性に悪影響を及ぼす。 Further, the method using chlorine-based ICP-RIE disclosed in Non-Patent Document 3 has the following problems. That is, in the ICP-RIE under the condition that such deformation of the hole shape occurs, a chemical reaction mainly occurs rather than a physical reaction. It is difficult to control this chemical reaction process, and it is difficult to align the shapes after etching substantially the same and to manage the process. On the contrary, if the physical reaction process is mainly used, plasma damage peculiar to dry etching remains on the side wall of the hole, which adversely affects the characteristics of the device using the photonic crystal manufactured by the method.
それゆえ本発明の目的は、ＧａＮ基板上に形成され、略同一で一定の方向に整列している孔部または柱部を有するフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法および当該フォトニック結晶構造を備える素子を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an element having a photonic crystal structure having holes or pillars formed on a GaN substrate and aligned in a substantially same and constant direction, and the photonic crystal structure. It is providing the element provided.
本発明にしたがったフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、（０００１）面（ｃ面）を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法であって、以下の工程を備える。（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する。ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する。ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なう。 A method for manufacturing an element having a photonic crystal structure according to the present invention is a method for manufacturing an element having a photonic crystal structure using a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane (c-plane) as a main surface, The following steps are provided. A GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface is prepared. In the GaN epitaxial growth layer, a hole or a column serving as a base of the photonic crystal structure is formed. Wet etching is performed on the GaN epitaxial growth layer in which the hole or column serving as the base is formed so that the m-plane becomes a reaction-controlled surface.
上記フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法において、ウエットエッチング工程では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いることが好ましい。 In the method for manufacturing an element having the photonic crystal structure, in the wet etching step, it is preferable to use a thermal SPM (sulfuric acid hydrogen peroxide mixture) or an organic alkaline cleaning liquid as an etching liquid.
上記フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法において、熱ＳＰＭの温度を９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを実施することが好ましい。 In the method for manufacturing an element having the photonic crystal structure, it is preferable to perform wet etching with the temperature of the thermal SPM set to 90 ° C. or higher and 130 ° C. or lower.
本発明の一の局面におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、以下の工程により製造され、ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する。ｃ面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する工程と、ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程とにより製造される。 An element having a photonic crystal structure according to one aspect of the present invention is manufactured by the following process, and the planar shape of the hole or column formed in the GaN epitaxial growth layer is a hexagon, and the hole or column is The formed GaN epitaxial growth layer acts as a photonic crystal structure. a step of preparing a GaN epitaxial growth layer having a c-plane as a main surface, a step of forming a hole or a column serving as a base of a photonic crystal structure in the GaN epitaxial growth layer, and a hole or a column serving as a base are formed. The GaN epitaxial growth layer is manufactured by a wet etching process in which wet etching is performed in which the m-plane is a reaction-controlled surface.
上記フォトニック結晶構造を備える素子において、孔部または柱部の側壁面のＲＭＳ粗さが、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。 In the element having the photonic crystal structure, it is preferable that the RMS roughness of the side wall surface of the hole portion or the column portion is 0.1 nm or more and 5 nm or less.
前記孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつき（最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値）が、２０％以内であることが好ましい。 Variation in diameter when connecting the opposite vertices in the hexagonal shape that is the planar shape of the hole or column (the difference between the largest diameter and the smallest shape divided by the smallest diameter) is within 20% It is preferable that
本発明の他の局面におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いた素子であって、基板と、基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備えている。ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成されている。（０００１）面において孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸と、最も近接している孔部または柱部の組の整列方向を示す方向軸とが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さく、フォトニック結晶構造が、（０００１）面において鏡映対称軸を有していないことが好ましい。 An element having a photonic crystal structure according to another aspect of the present invention is an element using a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface, and includes a substrate and a GaN epitaxial growth layer formed on the substrate. I have. In the GaN epitaxial growth layer, a photonic crystal structure is formed by forming a plurality of any one of a hexagonal hole and a hexagonal columnar planar shape. A symmetry axis that connects two opposing vertices in the hexagon that is the planar shape of the hole or column in the (0001) plane, and a direction axis that indicates the alignment direction of the nearest hole or column set Preferably, the smallest intersecting angle is greater than 0 ° and less than 90 °, and the photonic crystal structure does not have a mirror symmetry axis in the (0001) plane.
上記フォトニック結晶構造を備える素子は、フォトニック結晶構造が三角格子となる場合において、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下であることが好ましい。 In the element having the photonic crystal structure, when the photonic crystal structure is a triangular lattice, the smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is preferably 5 ° or more and 20 ° or less.
上記フォトニック結晶構造を備える素子は、フォトニック結晶構造が正方格子となる場合において、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下であることが好ましい。 In the element having the photonic crystal structure, when the photonic crystal structure is a square lattice, the smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is preferably 12 ° or more and 35 ° or less.
このように、本発明によれば、ｍ面が反応律速であることを利用してｍ面を側壁面とする孔部または柱部を形成することにより、堅くてエッチングが難しいＧａＮ層上に、略同一で一定の向きに整列した孔部または柱部を有するフォトニック結晶構造を備える素子を製造することができる。 Thus, according to the present invention, by forming a hole or a column having the m-plane as a side wall surface using the fact that the m-plane is reaction-controlled, on the GaN layer that is hard and difficult to etch, A device having a photonic crystal structure having holes or pillars that are substantially the same and aligned in a certain direction can be manufactured.
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符号を付しその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図である。図１（Ｂ）は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造を示す概略模式図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子について説明する。 FIG. 1A is a bird's-eye view of a photonic crystal structure in an element having a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention, using an SEM (electron microscope). FIG. 1B is a schematic diagram showing a photonic crystal structure in an element having a photonic crystal structure in an embodiment of the present invention. An element having a photonic crystal structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、実施の形態におけるフォトニック結晶構造を備える素子を構成するフォトニック結晶構造１０は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を用いている。 As shown in FIGS. 1A and 1B, a photonic crystal structure 10 constituting an element having a photonic crystal structure in the embodiment has a GaN epitaxial growth layer 12 having a (0001) plane as a main surface. Is used.
また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造１０は、ＧａＮエピタキシャル成長層１２の主面である（０００１）面に複数の平面形状が六角形の孔部１１が形成されたものである。孔部１１は、各辺がそれぞれ略同一の長さの六角形であり、またそれぞれの孔部１１は互いに略同一の形状である。また、孔部１１は一定の向きに整列している。本実施の形態では、一定の向きとは図１において左右方向および当該左右方向に対して６０°の傾斜角度で延びる方向としている。つまり、フォトニック結晶構造１０の孔部１１は、三角格子を形成している。ここで、三角格子とは、任意の孔部１１と近接（または隣接）する孔部１１の数が６となる場合を意味する。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the photonic crystal structure 10 has a plurality of hexagonal holes 11 on the (0001) plane, which is the main surface of the GaN epitaxial growth layer 12. Is formed. The hole 11 has a hexagonal shape with each side having substantially the same length, and the holes 11 have substantially the same shape. The holes 11 are aligned in a certain direction. In the present embodiment, the fixed direction is a direction extending in the left-right direction and an inclination angle of 60 ° with respect to the left-right direction in FIG. That is, the holes 11 of the photonic crystal structure 10 form a triangular lattice. Here, the term “triangular lattice” means that the number of the hole portions 11 adjacent to (or adjacent to) the arbitrary hole portions 11 is six.
また、孔部１１は、（０００１）面に対して垂直に下方に平面形状が六角形となるように形成されている。また、孔部１１の側壁面１１ａは、ｍ面（劈開面）となり、具体的には、（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面からなる。ここで、（０００１）面（ｃ面）とは、六方晶の基底面を意味する。また、ｍ面（劈開面）とは、このｃ面と垂直な面方位のうちの（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面の６つの等価な面を意味する。なお、ＧａＮエピタキシャル成長層１２において、（０００１）面はＧａ（ガリウム）が１００％最表面に並ぶ面であり、（０００−１）面はＮ（窒素）が１００％最表面に並ぶ面である。 Further, the hole 11 is formed so that the planar shape is a hexagonal shape downward and perpendicular to the (0001) plane. Further, the side wall surface 11a of the hole 11 is an m-plane (cleavage plane), specifically, a (1-100) plane, a (0-110) plane, a (-1010) plane, a (-1100) plane, It consists of a (01-10) plane and a (10-10) plane. Here, the (0001) plane (c-plane) means a hexagonal basal plane. The m-plane (cleavage plane) is the (1-100) plane, (0-110) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, (01) of the plane orientation perpendicular to the c-plane. It means six equivalent planes, the -10) plane and the (10-10) plane. In the GaN epitaxial growth layer 12, the (0001) plane is a plane in which Ga (gallium) is 100% aligned and the (000-1) plane is a plane in which N (nitrogen) is 100% aligned.
ＧａＮエピタキシャル成長層１２は第１の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）を有し、周期的に形成された孔部１１は第２の屈折率（空気の場合１）を有する。孔部１１にはエピタキシャル成長層１２と異なる物質を埋め込むこともできる。本実施の形態では、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるために、孔部１１には何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気が存在する状態）としている。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、孔部１１を充填する材料としてはエピタキシャル成長層と孔部との屈折率が異なっていれば特にこれに限定されず、たとえば、低屈折率の誘電体材料としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）などを用いてもよい。 The GaN epitaxial growth layer 12 has a first refractive index (2.54 in the case of GaN), and the periodically formed holes 11 have a second refractive index (1 in the case of air). A material different from that of the epitaxial growth layer 12 can be embedded in the hole 11. In the present embodiment, in order to increase the difference between the first refractive index and the second refractive index, nothing is embedded in the hole 11 (a state where gas, for example, air exists). When the difference in refractive index is thus increased, light can be confined in the medium having the first refractive index. The material for filling the hole 11 is not particularly limited as long as the epitaxial growth layer and the hole have different refractive indexes. For example, a silicon oxide film (SiO 2 ) or the like is used as a low refractive index dielectric material. May be used.
孔部１１において（１−１００）面などのｍ面（劈開面）と平行な側壁面１１ａのＲＭＳ粗さ（Root Mean Square：表面粗さ）は、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。ＲＭＳとは、平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根を意味する。側壁面１１ａのＲＭＳ粗さは、大口径の孔構造を別途作製し、孔断面を露出させるような劈開を行なって、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により側壁面の凹凸を直接評価することにより測定した。 In the hole 11, the RMS roughness (Root Mean Square: surface roughness) of the side wall surface 11a parallel to the m-plane (cleavage plane) such as the (1-100) plane is 0.1 nm or more and 5 nm or less. RMS means the square root of the value obtained by averaging the squares of deviations from the average line to the measurement curve. The RMS roughness of the side wall surface 11a is measured by separately preparing a large-diameter hole structure, cleaving to expose the hole cross section, and directly evaluating the unevenness of the side wall surface with an AFM (atomic force microscope). did.
孔部１１の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつきは、２０％以内である。ばらつきは、孔部のサンプル数を１００個採用し、その径をそれぞれ測定して、最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値を求めた。 The variation in the diameter when connecting the opposite vertices in the hexagon which is the planar shape of the hole 11 is within 20%. For the variation, 100 holes were sampled, the diameters were measured, and a numerical value obtained by dividing the difference between the largest diameter and the smallest shape by the smallest diameter was obtained.
孔部１１の中心間を結ぶ距離であるピッチＰは、３５０ｎｍとしている。これは、４００ｎｍ程度の光に有効なフォトニック結晶構造の設計から得られた。具体的には、三角格子においてΓ点を切る２つめのフォトニックバンド端に相当する。ピッチＰは特にこれに限定されない。たとえば、Γ点を切る１つめのバンド端に合わせるならば、２００ｎｍとなる。なお、孔部１１の中心とは六角形の平面形状において対向する頂点を結んだときに交わる点とする。 A pitch P that is a distance connecting the centers of the holes 11 is set to 350 nm. This was obtained from the design of a photonic crystal structure effective for light of about 400 nm. Specifically, it corresponds to the second photonic band edge that cuts the Γ point in the triangular lattice. The pitch P is not particularly limited to this. For example, if it is matched with the first band edge that cuts the Γ point, it becomes 200 nm. Note that the center of the hole 11 is a point that intersects when the opposite vertices are connected in a hexagonal planar shape.
次に、フォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法を示すフローチャートである。図３は、図２における孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）をさらに詳細に示すフローチャートである。図２および図３を参照して、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing an element including the photonic crystal structure 10 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing an element including the photonic crystal structure 10 according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a flowchart showing in more detail the step (S20) of forming the hole 11 in FIG. With reference to FIG. 2 and FIG. 3, the manufacturing method of an element provided with the photonic crystal structure 10 in embodiment of this invention is demonstrated.
まず、図２に示すように、ＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、基板上にＧａＮエピタキシャル成長層１２を形成する。 First, as shown in FIG. 2, a step (S10) of preparing the GaN epitaxial growth layer 12 is performed. In this step (S10), the GaN epitaxial growth layer 12 is formed on the substrate.
次に、孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２に微細なピッチの孔部１１を形成する。 Next, a step (S20) of forming the hole 11 is performed. In this step (S20), fine pitch holes 11 are formed in the GaN epitaxial growth layer 12 having the (0001) plane as the main surface.
詳細には、図３に示すように、この工程（Ｓ２０）では、マスク層を形成する工程（Ｓ２１）と、露光を行なう工程（Ｓ２２）と、現像を行なう工程（Ｓ２３）と、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）とを実施する。この工程（Ｓ２０）を実施することにより、フォトニック結晶構造１０のベースとなる円形孔を開けることができる。具体的には、以下のような処理を行なう。 Specifically, as shown in FIG. 3, in this step (S20), a mask layer forming step (S21), an exposure step (S22), a developing step (S23), and dry etching are performed. And performing step (S24). By carrying out this step (S20), a circular hole serving as a base of the photonic crystal structure 10 can be formed. Specifically, the following processing is performed.
まず、ＧａＮエピタキシャル成長層１２上にマスク層を形成する工程（Ｓ２１）を実施する。この工程（Ｓ２１）では、マスク層としては、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光用レジスト（日本ゼオン（株）製 ＺＥＰ５２０）を用いる。なお、この工程（Ｓ２１）では、マスク層としてＥＢ露光用レジストを用いているが、特にこれに限定されない。たとえば、ＳｉＮなどの絶縁膜などにＥＢ描写パターンをエッチング転写してマスクとすることもできる。また、多層のマスクを用いることもできる。 First, a step (S21) of forming a mask layer on the GaN epitaxial growth layer 12 is performed. In this step (S21), for example, a resist for EB (electron beam) exposure (ZEP520 manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) is used as the mask layer. In this step (S21), although the resist for EB exposure is used as the mask layer, it is not particularly limited to this. For example, the EB description pattern can be transferred by etching onto an insulating film such as SiN to form a mask. A multilayer mask can also be used.
次に、露光を行なう工程（Ｓ２２）を実施する。露光は、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光によってＧａＮエピタキシャル成長層１２上に塗布された露光用レジストに直接レジストマスクパターンを描写する。このレジストマスクパターンは所定形状とし、本実施の形態では、略同一で一定の方向に整列した円形が抜けた形状としている。また、隣接する円形の中心間の距離であるピッチは、たとえば３５０ｎｍ、円形の直径は、たとえば１３０ｎｍと微細にしている。 Next, an exposure step (S22) is performed. In the exposure, for example, a resist mask pattern is directly drawn on the resist for exposure applied on the GaN epitaxial growth layer 12 by EB (electron beam) exposure. The resist mask pattern has a predetermined shape, and in the present embodiment, the resist mask pattern has a shape in which a circular shape that is substantially the same and aligned in a certain direction is omitted. The pitch, which is the distance between adjacent circular centers, is as fine as 350 nm, for example, and the circular diameter is as fine as 130 nm, for example.
次いで、現像を行なう工程（Ｓ２３）を実施する。この工程（Ｓ２３）では、ＥＢで露光された部分を溶かす。本実施の形態では、上記レジストマスクの形状から、略同一で一定の方向に整列した平面形状が円形の複数の孔を有するマスク層が形成されている。 Next, a developing step (S23) is performed. In this step (S23), the portion exposed by EB is melted. In the present embodiment, a mask layer having a plurality of holes having a circular planar shape that is substantially the same and aligned in a certain direction is formed from the shape of the resist mask.
次いで、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）を実施する。この工程（Ｓ２４）では、たとえば、Ｃｌ（塩素）系ガスまたはＨＩ（ヨウ化水素酸）系ガスの雰囲気下で上述したマスク層をマスクとしてＩＣＰエッチングを行なう。ＣｌガスまたはＨＩガスにアルゴンガスやキセノンガスなどの不活性ガスを混ぜてもよい。この場合には、ＣｌガスまたはＨＩガスと不活性ガスとの比は２：１で行なうことが好ましい。また、ＩＣＰエッチングは、たとえば、雰囲気圧力を０．３Ｐａ〜１Ｐａとし、２００Ｗのバイアスを印加することにより行なう。なお、エッチング工程（Ｓ２４）は、ドライエッチング工程であればＩＣＰエッチングに特に限定されず、たとえば、平行平板ＲＩＥエッチングを行なってもよい。 Next, a step (S24) of performing dry etching is performed. In this step (S24), for example, ICP etching is performed using the mask layer described above as a mask in an atmosphere of Cl (chlorine) gas or HI (hydroiodic acid) gas. An inert gas such as argon gas or xenon gas may be mixed with Cl gas or HI gas. In this case, the ratio of Cl gas or HI gas to inert gas is preferably 2: 1. ICP etching is performed, for example, by setting the atmospheric pressure to 0.3 Pa to 1 Pa and applying a bias of 200 W. The etching step (S24) is not particularly limited to ICP etching as long as it is a dry etching step. For example, parallel plate RIE etching may be performed.
この工程（Ｓ２４）では、円形の孔が形成されたマスク層により、マスク層に覆われていない円形部分においてエッチングが進行し、フォトニック結晶構造のベースとなる円形孔を空けることができる。また、円形孔は、上記ピッチと同様のピッチとなり、たとえば３５０ｎｍの微細なピッチとなる。 In this step (S24), etching proceeds in a circular portion not covered with the mask layer by the mask layer in which the circular hole is formed, and a circular hole serving as a base of the photonic crystal structure can be formed. Further, the circular holes have the same pitch as the above pitch, for example, a fine pitch of 350 nm.
また、この工程（Ｓ２４）で行なうエッチングは、不活性ガスを導入することにより、化学的な反応過程よりも物理的な反応過程（ミリング過程）が主となり、垂直エッチング条件でエッチングを行なう。この物理的な反応過程が主のドライエッチングプロセスは、制御を行なうことが容易で、平面の面内均一性も良い。 In addition, the etching performed in this step (S24) mainly involves a physical reaction process (milling process) rather than a chemical reaction process by introducing an inert gas, and etching is performed under vertical etching conditions. The dry etching process, which mainly uses this physical reaction process, is easy to control and has good in-plane uniformity.
最後に、図３に示すように、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）では、上記のマスク層を除去するとともに、ベースとなる円形の孔部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施する。 Finally, as shown in FIG. 3, a wet etching step (S30) is performed. In this step (S30), the mask layer is removed, and wet etching is performed on the GaN epitaxial growth layer in which the circular hole serving as the base is formed so that the m-plane becomes a reaction-controlled surface.
詳細には、この工程（Ｓ３０）では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いている。熱ＳＰＭは、硫酸（含有率９６％）：過酸化水素水（濃度３０％）＝（４〜６）：１のものであって常温以上（たとえば５０℃以上、好ましくは９０℃以上１３０℃以下）に加熱されたものとし、好ましくは、硫酸（含有率９６％）：過酸化水素水（濃度３０％）＝５：１としている。また、熱ＳＰＭを９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを行なうことがより好ましい。９０℃より低い温度でウエットエッチングを行なうと、反応速度が低下するからである。一方、１３０℃より高い温度でウエットエッチングを行なうと、熱ＳＰＭ中の過酸化水素水が沸騰するためである。 Specifically, in this step (S30), a thermal SPM (sulfuric acid hydrogen peroxide mixture) or an organic alkaline cleaning solution is used as an etching solution. The thermal SPM is sulfuric acid (content 96%): hydrogen peroxide solution (concentration 30%) = (4-6): 1 and above normal temperature (eg 50 ° C. or higher, preferably 90 ° C. or higher and 130 ° C. or lower) ), Preferably, sulfuric acid (content 96%): hydrogen peroxide (concentration 30%) = 5: 1. It is more preferable to perform wet etching with a thermal SPM of 90 ° C. or higher and 130 ° C. or lower. This is because when the wet etching is performed at a temperature lower than 90 ° C., the reaction rate decreases. On the other hand, when wet etching is performed at a temperature higher than 130 ° C., the hydrogen peroxide solution in the hot SPM boils.
有機系アルカリ洗浄液は、アンモニア基を有し、ｐＨ９〜１４の洗浄液である。有機アルカリ洗浄液は、たとえば、セミコクリーン（フルウチ化学（株）製）を用いることができる。 The organic alkaline cleaning liquid has an ammonia group and has a pH of 9 to 14. As the organic alkali cleaning liquid, for example, Semico Clean (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) can be used.
工程（Ｓ３０）において、ウエットエッチングを行なう時間は任意の時間とすることができる。ウエットエッチングを行なう時間により、フォトニック結晶構造の孔部の径を制御できるので、所望の径となる孔部を有するように時間を決めることができる。たとえば、ウエットエッチングの時間を１０分とすると孔部の径は約１４０ｎｍ、ウエットエッチングの時間を２０分とすると孔部の径は１６０ｎｍとなった。なお、孔部の径とは、フォトニック結晶構造の孔部の平面形状は六角形であり、その六角形における対向する頂点を結ぶ長さを意味する。 In the step (S30), the time for performing the wet etching can be set to an arbitrary time. Since the diameter of the hole in the photonic crystal structure can be controlled by the time for performing wet etching, the time can be determined so as to have a hole having a desired diameter. For example, when the wet etching time is 10 minutes, the hole diameter is about 140 nm, and when the wet etching time is 20 minutes, the hole diameter is 160 nm. The diameter of the hole means a length connecting the opposing vertices in the hexagonal shape when the planar shape of the hole part of the photonic crystal structure is a hexagonal shape.
工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層１２の（０００１）面に対してエッチング液によるエッチングが生じない。（０００１）面に対して垂直な方向の面に対しては非常に遅い速度でエッチング液によるエッチングが進行する。そして、（１−１００）面と等方位面である、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面、すなわちｍ面にはエッチング液によるエッチングがほとんど進行しない（他の面に比べて極めてエッチング速度が遅い）。そのため、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）後の孔部は円形であるが、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）後の孔部１１は、ｍ面でエッチングが進行しないので、ｍ面が側壁面１１ａとなり、平面形状が六角形となる。また、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）において、ドライエッチング時のプラズマダメージを受けた部分がウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施することにより除去される。 In the step (S30), the (0001) plane of the GaN epitaxial growth layer 12 is not etched by the etchant. Etching with the etching solution proceeds at a very low speed with respect to a plane perpendicular to the (0001) plane. And the (0-110) plane, the (-1010) plane, the (-1100) plane, the (01-10) plane, and the (10-10) plane, which are equidirectional with the (1-100) plane, Etching with the etchant hardly proceeds on the m-plane (the etching rate is extremely slow compared to other surfaces). Therefore, the hole after the dry etching step (S24) is circular, but the hole 11 after the wet etching step (S30) does not proceed with etching on the m plane, so the m plane becomes the side wall surface 11a. The planar shape is a hexagon. In the dry etching step (S24), the portion damaged by the plasma during dry etching is removed by performing the wet etching step (S30).
上記工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、図１に示すような本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子を製造することができる。 By performing the above steps (S10 to S30), an element including the photonic crystal structure 10 in the embodiment of the present invention as shown in FIG. 1 can be manufactured.
ここで、本発明例による製造方法と異なり、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）を実施した後にマスク層を除去するために、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施せずに、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施する場合を考える。図４（Ａ）は、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施したフォトニック結晶構造３０についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）における領域Ａを示す拡大模式図である。 Here, unlike the manufacturing method according to the example of the present invention, in order to remove the mask layer after performing the dry etching step (S24), benzenesulfonic acid is used without performing the wet etching step (S30). Consider a case where a step of removing the mask layer is performed. FIG. 4A is a bird's-eye view of the photonic crystal structure 30 subjected to the process of removing the mask layer using benzenesulfonic acid, using an SEM (electron microscope). FIG. 4B is an enlarged schematic diagram illustrating a region A in FIG.
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、フォトニック結晶構造３０は、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）により形成された円形の孔部３１を備えている。しかし、孔部３１の側壁面は、割れまたはひびが入って荒れた状態となる。また、ドライエッチングにより受けたプラズマダメージが残っていると考えられる。このように、ドライエッチングのみでフォトニック結晶構造を作成しようとすると、形成された孔部３１の側壁の状態が不均一であって、複数の孔３１の間のサイズ（径など）のばらつきが起きることが分かる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the photonic crystal structure 30 includes a circular hole 31 formed by a dry etching process (S24). However, the side wall surface of the hole 31 is in a rough state due to cracks or cracks. Moreover, it is considered that plasma damage received by dry etching remains. As described above, when the photonic crystal structure is created only by dry etching, the state of the side wall of the formed hole 31 is non-uniform, and the size (diameter, etc.) varies among the plurality of holes 31. I can see it happen.
次に、本発明の実施の形態の変形例について説明する。図５は、本発明の実施の形態の変形例におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶構造を示す概略模式図である。図５を参照して、本発明の実施の形態の変形例におけるフォトニック結晶構造を備える素子について説明する。変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子は、図１に示したフォトニック結晶構造１０を備える素子と基本的には同じ構成であるが、孔部１１を備えていない点において異なる。 Next, a modification of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic diagram showing a photonic crystal structure in an element having a photonic crystal structure according to a modification of the embodiment of the present invention. With reference to FIG. 5, the element provided with the photonic crystal structure in the modification of embodiment of this invention is demonstrated. The element including the photonic crystal structure 20 in the modification has basically the same configuration as the element including the photonic crystal structure 10 illustrated in FIG. 1, but is different in that the hole 11 is not included.
具体的には、図５に示すように、フォトニック結晶構造２０は、平面形状が六角形の柱部２１からなる。柱部２１は、（０００１）面（ｃ面）に対して垂直に上方に延びるとともに、平面形状が六角形となるように形成されている。また、柱部２１の側壁面２１ａは、ＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面、（０−１１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、および（１０−１０）面からなる。 Specifically, as shown in FIG. 5, the photonic crystal structure 20 includes a column portion 21 having a hexagonal planar shape. The column portion 21 extends vertically upward with respect to the (0001) plane (c-plane) and is formed so that the planar shape is a hexagon. Further, the side wall surface 21a of the column portion 21 is formed of (1-100) plane, (0-110) plane, (-1010) plane, (-1100) plane, (01-10) plane, and (01-10) plane of the GaN epitaxial growth layer. 10-10) plane.
次に、変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子の製造方法について説明する。変形例におけるフォトニック結晶構造２０を備える素子の製造方法は、実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子の製造方法と基本的には同じ構成であるが、露光を行なう工程（Ｓ２２）およびドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）において異なる。なお、図２における孔部１１を形成する工程（Ｓ２０）は、柱部２１を形成する工程（Ｓ２０）と読み変える。 Next, the manufacturing method of an element provided with the photonic crystal structure 20 in the modification will be described. The manufacturing method of the element including the photonic crystal structure 20 in the modification has basically the same configuration as the manufacturing method of the element including the photonic crystal structure 10 in the embodiment, but the exposure step (S22) and It differs in the step (S24) of performing dry etching. The step (S20) for forming the hole 11 in FIG. 2 is read as the step (S20) for forming the column portion 21.
具体的には、露光を行なう工程（Ｓ２２）では、ＥＢ露光により形成されるレジストマスクパターンは、略同一で一定の方向に整列した円形としている。これにより、現像を行なう工程（Ｓ２３）では、上記レジストマスクパターンの形状から、平面形状が略同一で一定の方向に整列した円形のマスク層ができている。 Specifically, in the exposure step (S22), the resist mask pattern formed by EB exposure is a circle that is substantially the same and aligned in a certain direction. Thus, in the developing step (S23), a circular mask layer having a substantially identical planar shape and aligned in a certain direction is formed from the shape of the resist mask pattern.
また、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ２４）では、マスク層で覆われていない部分においてＧａＮエピタキシャル成長層がエッチングされ、フォトニック結晶構造のベースとなる円形の柱部を形成することができる。 Also, in the step of performing dry etching (S24), the GaN epitaxial growth layer is etched in a portion not covered with the mask layer, and a circular column portion serving as a base of the photonic crystal structure can be formed.
その後、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施すれば、円形の柱部の側面に対して、ｍ面が反応律速面となるウェットエッチングが実施されることにより、円形の柱部は六角柱の柱部２１に形成される。 Thereafter, when the wet etching step (S30) is performed, the circular column portion is a hexagonal column portion by performing wet etching in which the m-plane is a reaction-controlling surface with respect to the side surface of the circular column portion. 21.
他の工程は、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０を備える素子と同様であるので、その説明は繰り返さない。 The other steps are the same as those of the element provided with photonic crystal structure 10 in the embodiment of the present invention, and therefore description thereof will not be repeated.
以上説明したように、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）と、ＧａＮエピタキシャル成長層１２においてフォトニック結晶構造１０，２０のベースとなる孔部または柱部を形成する工程（Ｓ２０）と、ベースとなる孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層１２に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なうウエットエッチング工程（Ｓ３０）とを備えている。ウエットエッチング工程（Ｓ３０）においてｍ面（劈開面）が反応律速面あることを利用して、フォトニック結晶構造１０，２０においてベースとなる孔部または柱部を平面形状が六角形の略同一の形状とすることができる。また、工程（Ｓ２０）においてベースとなる孔部または柱部を一定の方向に整列するように形成することにより、フォトニック結晶構造１０，２０における孔部１１または柱部２１は一定の向きに整列した状態とすることができる。 As described above, the method for manufacturing an element including the photonic crystal structures 10 and 20 according to the embodiment of the present invention includes the step of preparing the GaN epitaxial growth layer 12 having the (0001) plane as a main surface (S10), A step (S20) of forming a hole or a column serving as a base of the photonic crystal structures 10 and 20 in the GaN epitaxial growth layer 12, and a GaN epitaxial growth layer 12 formed with a hole or column serving as a base, a wet etching step (S30) for performing wet etching in which the m-plane is a reaction-controlled surface. By utilizing the fact that the m-plane (cleavage plane) is the reaction-controlling plane in the wet etching step (S30), the hole or column serving as the base in the photonic crystal structures 10 and 20 has substantially the same hexagonal plane shape. It can be a shape. In addition, the hole 11 or the column 21 in the photonic crystal structures 10 and 20 is aligned in a certain direction by forming the hole or column as a base in the step (S20) so as to align in a certain direction. It can be made into the state which carried out.
また、フォトニック結晶構造１０，２０は、ＧａＮエピタキシャル成長層を用いている。ＧａＮは堅くて、かつ脆いという性質を有しているが、本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法によれば、容易に孔部１１または柱部２１を形成することができる。そのため、利用可能性の範囲が広いＧａＮを用いてフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子を製造することができる。 The photonic crystal structures 10 and 20 use GaN epitaxial growth layers. Although GaN is hard and brittle, according to the method of manufacturing an element including the photonic crystal structures 10 and 20 in the embodiment of the present invention, the hole 11 or the column 21 can be easily formed. Can be formed. Therefore, an element including the photonic crystal structures 10 and 20 can be manufactured using GaN having a wide range of applicability.
さらに、ｍ面（劈開面）が孔部または柱部の側壁面となるので、ピッチを微細としても、その側壁面のＲＭＳ粗さを低減することができる。 Furthermore, since the m-plane (cleavage surface) becomes the side wall surface of the hole or column, the RMS roughness of the side wall surface can be reduced even if the pitch is made fine.
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法において、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、熱ＳＰＭ（sulfuric acid hydrogen peroxide mixture）または有機系アルカリ洗浄液をエッチング液として用いてもよい。これにより、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）の反応をより効果的に実施することができる。 In the method of manufacturing an element including the photonic crystal structures 10 and 20, in the wet etching step (S30), a thermal SPM (sulfuric acid hydrogen peroxide mixture) or an organic alkaline cleaning solution may be used as an etching solution. Thereby, reaction of a wet etching process (S30) can be implemented more effectively.
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子の製造方法において、熱ＳＰＭの温度を９０℃以上１３０℃以下としてウエットエッチングを実施することが好ましい。これにより、工程（Ｓ３０）においてエッチング液として熱ＳＰＭを用いる場合に、ウエットエッチング工程をより促進することができる。 In the method of manufacturing an element including the photonic crystal structures 10 and 20, it is preferable that the temperature of the thermal SPM is 90 ° C. or higher and 130 ° C. or lower and wet etching is performed. Thereby, when using heat | fever SPM as an etching liquid in a process (S30), a wet etching process can be accelerated | stimulated more.
本発明の実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層１２を準備する工程（Ｓ１０）と、ＧａＮエピタキシャル成長層１２においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程（Ｓ２０）と、孔部または柱部が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層１２に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程（Ｓ３０）とにより製造され、ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、孔部１１または柱部２１が形成されたＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する。これにより、ＧａＮ基板上に形成され、略同一で一定の並びの孔部１１または柱部２１を有するフォトニック結晶構造１０，２０を備える素子となる。 The device including the photonic crystal structures 10 and 20 according to the embodiment of the present invention includes a step (S10) of preparing a GaN epitaxial growth layer 12 having a (0001) plane as a main surface, and a photonic crystal structure in the GaN epitaxial growth layer 12. Step (S20) of forming a hole or a column serving as a base of the substrate, and wet etching for performing wet etching in which the m-plane is a reaction-controlled surface on the GaN epitaxial growth layer 12 in which the hole or column is formed The planar shape of the hole or column formed in the step (S30) and formed in the GaN epitaxial growth layer is hexagonal, and the GaN epitaxial growth layer in which the hole 11 or column 21 is formed has a photonic crystal structure. Works. As a result, the device is provided with the photonic crystal structures 10 and 20 formed on the GaN substrate and having substantially the same and fixed array of holes 11 or pillars 21.
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子において、孔部１１または柱部２１においてｍ面と平行な側壁面１１ａ，２１ａのＲＭＳ粗さは、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが可能となる。これにより、フォトニック結晶構造１０，２０の側壁面１１ａ，２１ａの表面粗さは非常に低くなる。そのため、複数の孔部１１または柱部２１の形状の均一性を向上させることができるので、フォトニック結晶構造１０，２０の回折特性を向上する等のバンド構造のなまりを改善することができる。よって、フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子としての性能をさらに向上することができる。 In the element including the photonic crystal structures 10 and 20, the RMS roughness of the side wall surfaces 11a and 21a parallel to the m-plane in the hole portion 11 or the column portion 21 can be 0.1 nm or more and 5 nm or less. . Thereby, the surface roughness of the side wall surfaces 11a and 21a of the photonic crystal structures 10 and 20 becomes very low. Therefore, since the uniformity of the shape of the plurality of hole portions 11 or column portions 21 can be improved, it is possible to improve the roundness of the band structure such as improving the diffraction characteristics of the photonic crystal structures 10 and 20. Therefore, the performance as an element including the photonic crystal structures 10 and 20 can be further improved.
上記フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子において、孔部１１または柱部２１の平面形状である六角形における対向する頂点を結んだときの径のばらつき（最も大きい径と最も小さい形との差を最も小さい径で割った数値）を、２０％以内とすることが可能である。孔部１１または柱部２１の径のばらつきが小さいことから、形状が略同一であることと相乗して、フォトニック結晶構造１０，２０は光の出力を大きくするなどの特性を大幅に向上することができる。よって、フォトニック結晶構造１０，２０を備える素子はさらに性能を向上することができる。 In the element having the photonic crystal structures 10 and 20, the diameter variation when connecting the opposite vertices in the hexagonal shape which is the planar shape of the hole 11 or the column part 21 (difference between the largest diameter and the smallest shape) Can be within 20%. Since the variation in the diameter of the hole 11 or the column 21 is small, the photonic crystal structures 10 and 20 greatly improve the characteristics such as increasing the light output in synergy with the substantially same shape. be able to. Therefore, the element provided with the photonic crystal structures 10 and 20 can further improve the performance.
図６は、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の上面図である。図７は、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子の断面図である。図６および図７を参照して、本発明の実施例１におけるフォトニック結晶レーザ（２次元ＤＦＢレーザ）素子を説明する。 FIG. 6 is a top view of an element having a photonic crystal structure in Example 1 of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of an element having a photonic crystal structure in Example 1 of the present invention. A photonic crystal laser (two-dimensional DFB laser) element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図６および図７に示すように、フォトニック結晶構造を備える素子１００は、基板１０３と、ｎ型クラッド層１０４と、アンドープガイド層１０５と、活性層１０６と、ｐ型電子ブロック層１０７と、フォトニック結晶層１０１と、ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型コンタクト層１０９と、ｐ型電極１１０、およびｎ型電極１１１とを備えている。 As shown in FIGS. 6 and 7, the device 100 having a photonic crystal structure includes a substrate 103, an n-type cladding layer 104, an undoped guide layer 105, an active layer 106, a p-type electron blocking layer 107, The photonic crystal layer 101, the p-type cladding layer 108, the p-type contact layer 109, the p-type electrode 110, and the n-type electrode 111 are provided.
基板１０３は主面１０３ａを有している。基板１０３上には、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、およびｐ型電子ブロック層１０７が積層するように形成されており、活性層１０６がアンドープガイド層１０５およびｐ型電子ブロック層１０７に挟まれている。フォトニック結晶層１０１は主面１０３ａが延びる方向に沿って基板１０３上に（図７ではｐ型電子ブロック層１０７の上部表面上に）形成されている。また、フォトニック結晶層１０１は、エピタキシャル成長層１０１ａと、エピタキシャル成長層１０１ａよりも低屈折率である複数の孔部１０１ｂとを含んでいる。エピタキシャル成長層１０１ａはＧａＮよりなっており、孔部１０１ｂの内部には空気が充填されている。実施例１においては、基板１０３が導電性ＧａＮよりなっている。 The substrate 103 has a main surface 103a. An n-type cladding layer 104, an undoped guide layer 105, and a p-type electron blocking layer 107 are formed on the substrate 103, and an active layer 106 is formed on the undoped guide layer 105 and the p-type electron blocking layer 107. It is sandwiched. The photonic crystal layer 101 is formed on the substrate 103 (on the upper surface of the p-type electron blocking layer 107 in FIG. 7) along the direction in which the main surface 103a extends. The photonic crystal layer 101 includes an epitaxial growth layer 101a and a plurality of holes 101b having a lower refractive index than the epitaxial growth layer 101a. The epitaxial growth layer 101a is made of GaN, and the inside of the hole 101b is filled with air. In Example 1, the substrate 103 is made of conductive GaN.
図６および図７に示された素子の構造をより具体的に説明すれば、基板１０３上には、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、フォトニック結晶層１０１、ｐ型クラッド層１０８、およびｐ型コンタクト層１０９が、この順序で積層されている。ｐ型コンタクト層１０９の上には円形状のｐ型電極１１０が設けられており、基板１０３の主面１０３ａとは反対側の主面１０３ｂには、一面に（主面１０３ｂ全体を覆うように）ｎ型電極１１１が設けられている。ｐ型電極１１０およびｎ型電極１１１は、たとえばＡｕ（金）などよりなっている。 More specifically, the structure of the device shown in FIGS. 6 and 7 is described. On the substrate 103, an n-type cladding layer 104, an undoped guide layer 105, an active layer 106, a p-type electron blocking layer 107, a photo The nick crystal layer 101, the p-type cladding layer 108, and the p-type contact layer 109 are stacked in this order. A circular p-type electrode 110 is provided on the p-type contact layer 109. The main surface 103b opposite to the main surface 103a of the substrate 103 is on one side (so as to cover the entire main surface 103b). ) An n-type electrode 111 is provided. The p-type electrode 110 and the n-type electrode 111 are made of, for example, Au (gold).
活性層１０６はたとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造により構成されている。なお、単一の半導体材料よりなっていてもよい。活性層１０６は、フォトニック結晶層１０１に沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成されることができ、また、フォトニック結晶層１０１に沿って設けられ複数の量子箱として形成されることができる。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギー準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。また、各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギー準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。 The active layer 106 has a multiple quantum well structure made of, for example, InGaN / GaN. It may be made of a single semiconductor material. The active layer 106 can be formed as a plurality of quantum wires provided along the photonic crystal layer 101 and extending in a predetermined direction, and can be formed as a plurality of quantum boxes provided along the photonic crystal layer 101. Can be done. Each quantum wire has a dimension (for example, about several tens of nanometers) such that the energy level of electrons becomes discrete in two directions orthogonal to the longitudinal direction. Each quantum box has dimensions (for example, about several tens of nanometers) such that the energy levels of electrons are discrete in three directions orthogonal to each other. With such a quantum structure, the density of states increases, so that the light emission efficiency is increased and the emission spectrum is sharpened.
フォトニック結晶層１０１は、たとえば上述した実施の形態におけるフォトニック結晶構造１０と同様である。また、フォトニック結晶層１０１としては、図５に示すようなフォトニック結晶構造２０を採用してもよい。 The photonic crystal layer 101 is similar to the photonic crystal structure 10 in the above-described embodiment, for example. Further, as the photonic crystal layer 101, a photonic crystal structure 20 as shown in FIG.
図６および図７に示すように、ｎ型クラッド層１０４はたとえばｎ型ＡｌＧａＮよりなっており、アンドープガイド層１０５はたとえばアンドープＧａＮよりなっており、ｐ型電子ブロック層１０７はたとえばｐ型ＡｌＧａＮよりなっている。ｐ型クラッド層１０８はたとえばｐ型のＡｌＧａＮよりなっている。ｎ型クラッド層１０４およびｐ型クラッド層１０８は、活性層１０６に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、ｎ型クラッド層１０４およびｐ型クラッド層１０８は、活性層１０６を挟むように設けられている。また、ｎ型クラッド層１０４、ｐ型電子ブロック層１０７、およびｐ型クラッド層１０８は、それぞれ、活性層１０６にキャリア（電子および正孔）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１０４、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、およびｐ型クラッド層１０８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１０６に集中させることができる。 As shown in FIGS. 6 and 7, the n-type cladding layer 104 is made of, for example, n-type AlGaN, the undoped guide layer 105 is made of, for example, undoped GaN, and the p-type electron blocking layer 107 is made of, for example, p-type AlGaN. It has become. The p-type cladding layer 108 is made of, for example, p-type AlGaN. The n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 108 function as conductive layers through which carriers to be given to the active layer 106 are conducted. For this reason, the n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 108 are provided so as to sandwich the active layer 106. The n-type cladding layer 104, the p-type electron blocking layer 107, and the p-type cladding layer 108 function as confinement layers that confine carriers (electrons and holes) in the active layer 106, respectively. That is, the n-type cladding layer 104, the active layer 106, the p-type electron blocking layer 107, and the p-type cladding layer 108 form a double heterojunction. Therefore, carriers that contribute to light emission can be concentrated in the active layer 106.
また、ｐ型電子ブロック層１０７は、フォトニック結晶層１０１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１０１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。特に、孔部１０１ｂに空気が充填されている場合には、孔部１０１ｂの表面において非発光再結合が起こりやすくなるので、ブロック層としての機能が重要になる。 The p-type electron block layer 107 also functions as a block layer that blocks the entry of electrons into the photonic crystal layer 101. Thereby, non-radiative recombination of electrons and holes in the photonic crystal layer 101 can be suppressed. In particular, when the hole 101b is filled with air, non-radiative recombination is likely to occur on the surface of the hole 101b, so the function as a block layer is important.
ｐ型コンタクト層１０９は、ｐ型電極１１０との接触をオーミック接触にするために形成される。ｐ型コンタクト層１０９はたとえばｐ型のＧａＮよりなっている。 The p-type contact layer 109 is formed to make ohmic contact with the p-type electrode 110. The p-type contact layer 109 is made of, for example, p-type GaN.
なお、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００の各部分の寸法を例示的に以下に列挙すると、基板１０３の厚さはたとえば１００μｍであり、フォトニック結晶層１０１の厚さはたとえば０．１μｍであり、ｎ型クラッド層１０４およびｐ型クラッド層１０８の各々の厚みはたとえば０．５μｍであり、アンドープガイド層１０５、活性層１０６およびｐ型電子ブロック層１０７の各々の厚みはたとえば０．１μｍである。 In addition, when the dimension of each part of the element 100 having the photonic crystal structure in Example 1 is listed below as an example, the thickness of the substrate 103 is, for example, 100 μm, and the thickness of the photonic crystal layer 101 is, for example, 0. The thickness of each of the n-type cladding layer 104 and the p-type cladding layer 108 is, for example, 0.5 μm, and the thickness of each of the undoped guide layer 105, the active layer 106, and the p-type electron blocking layer 107 is, for example, 0 .1 μm.
次に、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００の製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method of the element 100 having the photonic crystal structure in Example 1 will be described.
まず、図７に示すように、導電性ＧａＮからなる基板１０３を準備する。そして、たとえば基板１０３の（０００１）面上にＭＯＣＶＤ（Metal-organic chemical vapor deposition）法を用いて、ｎ型クラッド層１０４、アンドープガイド層１０５、活性層１０６、ｐ型電子ブロック層１０７、およびＧａＮよりなるエピタキシャル成長層１０１ａをこの順序で基板１０３上にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長層１０１ａの結晶性は、基板１０３の結晶特性の影響を受ける。 First, as shown in FIG. 7, a substrate 103 made of conductive GaN is prepared. For example, the n-type cladding layer 104, the undoped guide layer 105, the active layer 106, the p-type electron block layer 107, and GaN are formed on the (0001) surface of the substrate 103 by using a MOCVD (Metal-organic chemical vapor deposition) method. Epitaxially grown epitaxial layers 101a are epitaxially grown on the substrate 103 in this order. The crystallinity of the epitaxial growth layer 101 a is affected by the crystal characteristics of the substrate 103.
次に、いったん、成膜装置（たとえばエピタキシャル成長炉）から取り出して、エピタキシャル成長層１０１ａにフォトニック結晶構造を形成して、フォトニック結晶層１０１とした。このフォトニック結晶構造を形成する方法としては、上述した孔部１０１ｂを形成する工程（Ｓ２０）およびウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施した。ウエットエッチング工程（Ｓ３０）で、エッチング液として熱ＳＰＭを用いた。熱ＳＰＭは、９６％硫酸と３０％過酸化水素水を５：１の割合で混合したものを用い、その温度を１２０℃としてウエットエッチングを行なった。 Next, it was once taken out from a film forming apparatus (for example, an epitaxial growth furnace), a photonic crystal structure was formed in the epitaxial growth layer 101a, and a photonic crystal layer 101 was obtained. As a method of forming this photonic crystal structure, the above-described step of forming the hole 101b (S20) and the wet etching step (S30) were performed. In the wet etching step (S30), thermal SPM was used as an etchant. The hot SPM used was a mixture of 96% sulfuric acid and 30% hydrogen peroxide water in a ratio of 5: 1, and wet etching was performed at a temperature of 120 ° C.
実施例１では、ピッチが１８０ｎｍの正方格子、孔部１０１ｂには空気が充填され、空気充填率は１５％となるようにフォトニック結晶層１０１を製造した。 In Example 1, the photonic crystal layer 101 was manufactured so that the square lattice having a pitch of 180 nm and the holes 101b were filled with air and the air filling rate was 15%.
その後、再成長法により孔部１０１ｂをエアブリッジして、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９を形成した。そして、ｐ型コンタクト層１０９の上面である光放出面１０９ａにｐ型電極１１０を形成した。次いで、基板１０３の主面１０３ｂにｎ型電極１１１を形成した。これにより、図６および図７に示すフォトニック結晶構造を備える素子１００を製造した。 Thereafter, the hole 101b was air bridged by a regrowth method to form the p-type cladding layer 108 and the p-type contact layer 109. Then, the p-type electrode 110 was formed on the light emission surface 109 a that is the upper surface of the p-type contact layer 109. Next, an n-type electrode 111 was formed on the main surface 103 b of the substrate 103. Thus, the element 100 having the photonic crystal structure shown in FIGS. 6 and 7 was manufactured.
次に、フォトニック結晶構造を備える素子１００の発光方法について、図６および図７を用いて説明する。 Next, a light emission method of the element 100 having the photonic crystal structure will be described with reference to FIGS.
ｐ型電極１１０に正電圧を印加すると、ｐ型クラッド層１０８から活性層１０６へ正孔が注入され、アンドープガイド層１０５から活性層１０６へ電子が注入される。活性層１０６へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、活性層１０６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。 When a positive voltage is applied to the p-type electrode 110, holes are injected from the p-type cladding layer 108 into the active layer 106, and electrons are injected from the undoped guide layer 105 into the active layer 106. When holes and electrons (carriers) are injected into the active layer 106, carrier recombination occurs and light is generated. The wavelength of the generated light is defined by the band gap of the semiconductor layer included in the active layer 106.
活性層１０６において発生された光は、アンドープガイド層１０５およびｐ型クラッド層１０８によって活性層１０６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１０１に到達する。フォトニック結晶層１０１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１０１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光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層１０１によって位相が規定された光は、活性層１０６内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層１０１において規定される光の波長および位相条件を満足している。 Light generated in the active layer 106 is confined in the active layer 106 by the undoped guide layer 105 and the p-type cladding layer 108, but part of the light reaches the photonic crystal layer 101 as evanescent light. When the wavelength of the evanescent light reaching the photonic crystal layer 101 matches the predetermined period of the photonic crystal layer 101, the light repeats diffraction at the wavelength corresponding to the period, and a standing wave is generated. And phase conditions are defined. The light whose phase is defined by the photonic crystal layer 101 is fed back to the light in the active layer 106 to generate a standing wave. This standing wave satisfies the wavelength and phase conditions of light defined in the photonic crystal layer 101.
このような現象は、活性層１０６およびフォトニック結晶層１０１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１１０を中心にした領域およびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層１０１の主面である（０００１）面に垂直な方向（図７において上下方向）、つまり光放出面１０９ａから誘導放出される。 Such a phenomenon can occur in the region around the p-type electrode 110 and in the vicinity thereof because the active layer 106 and the photonic crystal layer 101 are two-dimensionally spread. When a sufficient amount of light is accumulated in this state, light having a uniform wavelength and phase condition is in a direction (vertical direction in FIG. 7) perpendicular to the (0001) plane that is the main surface of the photonic crystal layer 101. That is, stimulated emission is performed from the light emission surface 109a.
このようにして発光する際に、発光の広がり状態からわかる実効共振器長（Ｌ）測定により、フォトニック結晶層１０１と活性層１０６との結合係数κは、約４００ｃｍ-1と高い値となった。結合係数κが高いので、活性層１０６で発生する光をフォトニック結晶層１０１で回折させる割合が高いことから、フォトニック結晶層１０１の性能が高いことがわかった。また、その発振のための閾値は、２．３ｋＡ／ｃｍ2と低い値となった。なお、結合計数κの測定方法は、以下のようなものである。すなわち、同じ特性をもつフォトニック結晶レーザ（２次元ＤＦＢレーザ）では、κとＬとの積の値が同一となるとみなすことができるため、実効的なＬを、その面発光の発光領域を直接サイズ測定することにより、κを見積もることができる。 When light is emitted in this way, the coupling coefficient κ between the photonic crystal layer 101 and the active layer 106 is a high value of about 400 cm −1 , based on the effective resonator length (L) measurement that can be seen from the spread state of the light emission. It was. Since the coupling coefficient κ is high, the ratio of the light generated in the active layer 106 that is diffracted by the photonic crystal layer 101 is high, which indicates that the performance of the photonic crystal layer 101 is high. Further, the threshold value for the oscillation was a low value of 2.3 kA / cm 2 . The method for measuring the binding count κ is as follows. That is, in a photonic crystal laser (two-dimensional DFB laser) having the same characteristics, the product value of κ and L can be considered to be the same. Therefore, effective L is directly set in the surface emission region. By measuring the size, κ can be estimated.
一方、比較例におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、構成するフォトニック結晶層の製造の際に、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）を実施せずに、ベンゼンスルフォン酸を用いてマスク層を除去する工程を実施した。その他の層は実施例１と同様に製造した。 On the other hand, in the device having the photonic crystal structure in the comparative example, the step of removing the mask layer using benzenesulfonic acid without performing the wet etching step (S30) when the photonic crystal layer to be formed is manufactured. Carried out. The other layers were produced in the same manner as in Example 1.
比較例におけるフォトニック結晶構造を備える素子について、結合係数κは、フォトニック結晶層と活性層との結合係数κは約３００ｃｍ-1となり、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００よりも低い値となった。また、その発振のための閾値は、３．０ｋＡ／ｃｍ2となり、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００よりも高い値となった。 For the device having the photonic crystal structure in the comparative example, the coupling coefficient κ is about 300 cm −1 between the photonic crystal layer and the active layer, which is higher than that of the device 100 having the photonic crystal structure in Example 1. The value was low. Further, the threshold value for the oscillation was 3.0 kA / cm 2 , which was higher than that of the element 100 having the photonic crystal structure in Example 1.
以上説明したように、実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００によれば、フォトニック結晶層１０１の孔部１０１ｂは平面形状が略同一の六角形とし、正方格子を構成して一定の方向に整列している。そのため、微細なピッチのフォトニック結晶構造において、孔部１０１ｂの形状が揃っており、平面形状が六角形としているフォトニック結晶層１０１は、結合係数κおよび閾値等の特性において優れている。 As described above, according to the element 100 having the photonic crystal structure in the first embodiment, the holes 101b of the photonic crystal layer 101 are hexagons having substantially the same planar shape, and form a square lattice and have a constant shape. Aligned in the direction. Therefore, in the photonic crystal structure with a fine pitch, the shape of the hole 101b is uniform, and the photonic crystal layer 101 having a hexagonal planar shape is excellent in characteristics such as a coupling coefficient κ and a threshold value.
本発明の実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子は、実施例１のフォトニック結晶構造を備える素子１００のフォトニック結晶層１０１と基本的には同様の構成を備えるが、フォトニック結晶構造がその上に形成される基板の材料がサファイヤである点において、図７に示したフォトニック結晶構造を備える素子１００と異なる。 The element having the photonic crystal structure according to the second embodiment of the present invention has basically the same configuration as the photonic crystal layer 101 of the element 100 having the photonic crystal structure according to the first embodiment. Is different from the device 100 having the photonic crystal structure shown in FIG. 7 in that the material of the substrate formed thereon is sapphire.
図８は、本発明の実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子であるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。図８において、任意に選択された孔部Ｃに着目し、孔部Ｃから孔部Ａに向かう方向をΓ−Ｊ方向とし、孔部Ｃから孔部Ｄへ向かう方向をΓ−Ｘ方向とする。また、各孔部において対向する各頂点を結ぶ線を対称軸とする。たとえば、孔部Ａに着目すると、対称軸のひとつは対称軸ｕである。各孔部において対向する各頂点を結ぶ線が互いに交わる点を各孔部の中心とする。たとえば、孔部Ａに着目すると、中心は中心ａである。また、最も近接している孔部の組の整列方向を示す軸を方向軸とする。孔部の整列方向は、各孔部の中心と最も近接している中心を結ぶ線となる。たとえば、孔部Ａと孔部Ｃに着目すると、方向軸はそれぞれの中心ａ，ｃを結ぶ方向軸ｖとなる。また、ピッチとは、隣接する孔部の中心間の距離である。たとえば、孔部Ｂと孔部Ｃに着目すると、ピッチはそれぞれの中心ｂ，ｃとを結ぶ距離であるピッチｌ１である。 FIG. 8 is an enlarged schematic view showing a photonic crystal layer which is an element having a photonic crystal structure in Example 2 of the present invention. In FIG. 8, paying attention to arbitrarily selected hole C, the direction from hole C to hole A is the Γ-J direction, and the direction from hole C to hole D is the Γ-X direction. . In addition, a line connecting the vertices facing each other in each hole is defined as an axis of symmetry. For example, focusing on the hole A, one of the symmetry axes is the symmetry axis u. The point where the lines connecting the opposing vertices in each hole intersect each other is taken as the center of each hole. For example, when focusing on the hole A, the center is the center a. In addition, an axis indicating the alignment direction of the pair of holes that are closest to each other is taken as a direction axis. The alignment direction of the holes is a line connecting the centers closest to the centers of the holes. For example, when attention is paid to the hole A and the hole C, the direction axis is a direction axis v connecting the centers a and c. The pitch is the distance between the centers of adjacent holes. For example, when paying attention to the hole B and the hole C, the pitch is a pitch 11 that is a distance connecting the centers b and c.
図８に示すように、実施例２におけるフォトニック結晶層は、三角格子としている。孔部Ａに着目すると、ある対称軸ｕとある方向軸ｖとの交差する角度θ１は１５°である。なお、任意の孔部においても、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度が１５°となる。 As shown in FIG. 8, the photonic crystal layer in Example 2 has a triangular lattice. When attention is paid to the hole A, an angle θ1 at which a certain symmetry axis u and a certain direction axis v intersect is 15 °. In any hole, the smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is 15 °.
なお、対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する角度θ１が１５°の三角格子の回転対称性は、ＩＵＣ分類においてＰ６と呼ばれる６０°回転対称性を持つが、鏡映対称性を持たないものである。 Note that the rotational symmetry of the triangular lattice whose angle θ1 intersecting the symmetry axis u and the direction axis v is 15 ° has 60 ° rotational symmetry called P6 in the IUC classification, but has no mirror symmetry. It is.
対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する最も小さい角度は、０°より大きく９０°より小さければθ１（１５°）に特に限定されない。たとえば、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、５°以上２０°以下が好ましい。この範囲内の角度とすることにより、対称性のパターンを容易にかつ揃った形状とすることができる。そのため、当該フォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）は完全フォトニックバンドギャップが開くなどの特性を得ることができる。 The smallest angle at which the symmetry axis u and the direction axis v intersect is not particularly limited to θ1 (15 °) as long as it is larger than 0 ° and smaller than 90 °. For example, the smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is preferably 5 ° or more and 20 ° or less. By setting the angle within this range, the symmetrical pattern can be easily and uniformly shaped. Therefore, the element (photonic crystal layer) having the photonic crystal structure can obtain characteristics such as a complete photonic band gap.
また、実施例２のフォトニック結晶層では、格子の並んでいる方向である方向軸から対称軸が１５°傾いた状態で、方向軸に沿った方向にピッチｌ１を２５０ｎｍとして孔部が整列し、各孔部の平面形状が六角形の略同一の形状となっている。 In the photonic crystal layer of Example 2, the holes are aligned with a pitch l1 of 250 nm in the direction along the direction axis in a state where the axis of symmetry is inclined by 15 ° from the direction axis that is the direction in which the lattices are arranged. The planar shape of each hole is a hexagonal substantially identical shape.
次に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）の製造方法について説明する。実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、基本的には実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子におけるフォトニック結晶層１０１の製造方法と同様であるが、以下の点において実施例１におけるフォトニック結晶構造を備える素子１００のフォトニック結晶層１０１の製造方法と異なる。 Next, a method for manufacturing an element (photonic crystal layer) having a photonic crystal structure in Example 2 will be described. The method for manufacturing the element having the photonic crystal structure in the second embodiment is basically the same as the method for manufacturing the photonic crystal layer 101 in the element having the photonic crystal structure in the first embodiment. This is different from the manufacturing method of the photonic crystal layer 101 of the element 100 having the photonic crystal structure in the first embodiment.
実施例２では、基板として、上述したようにサファイヤを用いた。サファイヤ基板上に実施例１と同様にＧａＮエピタキシャル成長層を形成した。 In Example 2, sapphire was used as the substrate as described above. A GaN epitaxial growth layer was formed on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1.
また、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、エッチング液としてセミコクリーン（フルウチ化学（株）製）を用いた。また、露光を行なう工程（Ｓ２２）においてＥＢ描写時に、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面方向から１５°ずらした方向を方向軸として格子パターンを作製した。なお、格子パターンは三角格子とし、ピッチは２５０ｎｍとした。また、ＥＢ描画した孔の直径は１００ｎｍとした。 In the wet etching step (S30), Semico Clean (manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.) was used as an etching solution. Further, in the exposure step (S22), at the time of EB depiction, a lattice pattern was produced with the direction axis shifted by 15 ° from the m-plane direction of the GaN epitaxial growth layer. The lattice pattern was a triangular lattice and the pitch was 250 nm. The diameter of the hole drawn with EB was 100 nm.
次に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子として、レーザ溶解法によりサファイヤ基板をフォトニック結晶層から分離してスラブ型２次元フォトニック結晶とし、そのスラブ型２次元フォトニック結晶の特性を調べた。 Next, as an element having the photonic crystal structure in Example 2, a sapphire substrate is separated from the photonic crystal layer by a laser melting method to form a slab type two-dimensional photonic crystal, and the characteristics of the slab type two-dimensional photonic crystal I investigated.
このスラブ型２次元フォトニック結晶について、ＴＥモードおよびＴＭモードの光の透過光スペクトルを測定した。この測定は、波長可変レーザとλ／４偏光板を用いて直接透過率の測定を行なった。その結果、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいて、１０００ｎｍ近傍にバンドギャップが開いた。 With respect to this slab type two-dimensional photonic crystal, the transmitted light spectrum of light of TE mode and TM mode was measured. In this measurement, the transmittance was directly measured using a wavelength tunable laser and a λ / 4 polarizing plate. As a result, a band gap was opened in the vicinity of 1000 nm in both the TE mode and the TM mode.
なお、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいてバンドギャップが開く領域を完全バンドギャップと言う。完全バンドギャップとは、ＴＭモードの光に対するフォトニックバンドギャップと、ＴＭモードの光に対するフォトニックバンドギャップとのエネルギーレベルが一致することを意味する。完全バンドギャップではＴＥモードの光およびＴＭモードの光のいずれも存在できないことから、このような完全バンドギャップを有するフォトニック結晶構造は自然光に対してもＬＥＤから出射する光に対しても効果的である。 A region where the band gap opens in both the TE mode and the TM mode is referred to as a complete band gap. The complete band gap means that the energy levels of the photonic band gap for TM mode light and the photonic band gap for TM mode light coincide. Since neither TE mode light nor TM mode light can exist in the complete band gap, the photonic crystal structure having such a complete band gap is effective for both natural light and light emitted from the LED. It is.
なお、実施例２では、フォトニック結晶構造は孔部からなるものとしているが、特にこの構成に限定されない。平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されていればよい。 In Example 2, the photonic crystal structure is composed of holes, but is not particularly limited to this configuration. A plurality of any one of a hexagonal hole portion and a hexagonal column portion in plan view may be formed.
また、上述した実施例２のフォトニック結晶層の構造は、実施例１における素子１００のフォトニック結晶層１０１に適用してもよい。つまり、実施例１における素子に、実施例２におけるフォトニック結晶構造を適用した素子は、（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を用いた素子であって、基板と、基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備えており、ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成されている。（０００１）面において孔部または柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸ｕと、最も近接している孔部または柱部の組の整列方向を示す方向軸ｖとが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さい。フォトニック結晶構造を備える素子において、フォトニック結晶構造が、（０００１）面において鏡映対称軸を有していない。そのため、上記交差する角度を適宜設定することにより、孔部の平面形状が六角形であって、回転対称性を任意に変更した新規なフォトニック結晶層を実現できる。たとえば、対称軸ｕと方向軸ｖとが交差する最も小さい角度が上記範囲にあれば、完全バンドギャップを有するフォトニック結晶構造を有する素子を作ることができる。 Further, the structure of the photonic crystal layer of the second embodiment described above may be applied to the photonic crystal layer 101 of the element 100 in the first embodiment. That is, the element in which the photonic crystal structure in Example 2 is applied to the element in Example 1 is an element using a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface, and is formed on the substrate and the substrate. In the GaN epitaxial growth layer, a photonic crystal structure is configured by forming a plurality of hexagonal hole portions and hexagonal columnar portions in a planar shape in the GaN epitaxial growth layer. . A symmetric axis u connecting two opposing vertices in the hexagon that is the planar shape of the hole or column in the (0001) plane, and a direction axis v indicating the alignment direction of the closest hole or column set Is the smallest angle greater than 0 ° and less than 90 °. In an element having a photonic crystal structure, the photonic crystal structure does not have a mirror symmetry axis in the (0001) plane. Therefore, by appropriately setting the intersecting angle, a novel photonic crystal layer in which the planar shape of the hole is a hexagon and the rotational symmetry is arbitrarily changed can be realized. For example, when the smallest angle at which the symmetry axis u and the direction axis v intersect is within the above range, an element having a photonic crystal structure having a complete band gap can be produced.
また、上記フォトニック結晶構造を備える素子において、フォトニック結晶構造が三角格子となる場合であって、対称軸ｕと方向軸ｖとの交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下としてもよい。これにより、完全フォトニックバンドギャップを有することとなる。 In the element having the photonic crystal structure, the smallest angle at which the symmetry axis u and the direction axis v intersect may be 5 ° or more and 20 ° or less when the photonic crystal structure is a triangular lattice. . As a result, a complete photonic band gap is obtained.
本発明の実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）は、実施例２のフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）と基本的には同様の構成を備えるが、その孔部の配置が実施例２のフォトニック結晶層と異なる。 The element (photonic crystal layer) having the photonic crystal structure in Example 3 of the present invention has basically the same configuration as the element (photonic crystal layer) having the photonic crystal structure of Example 2. The arrangement of the holes is different from that of the photonic crystal layer of Example 2.
図９は、本発明の実施例３におけるフォトニック結晶層を示す拡大模式図である。図９において、任意に選択された孔部Ｇに着目し、孔部Ｇから孔部Ｆに向かう方向をΓ−Ｊ方向とし、孔部Ｇから孔部Ｅへ向かう方向をΓ−Ｍ方向とする。また、実施例２と同様に、各孔部において対向する各頂点を結ぶ線を対称軸とする。各孔部において対向する各頂点を結ぶ線が互いに交わる点を各孔部の中心とする。各孔部の中心と隣接する中心を結ぶ線を方向軸とする。ピッチとは、隣接する孔部の中心間の距離である。 FIG. 9 is an enlarged schematic view showing a photonic crystal layer in Example 3 of the present invention. In FIG. 9, paying attention to the arbitrarily selected hole G, the direction from the hole G to the hole F is the Γ-J direction, and the direction from the hole G to the hole E is the Γ-M direction. . Similarly to the second embodiment, a line connecting the vertices facing each other in each hole is defined as an axis of symmetry. The point where the lines connecting the opposing vertices in each hole intersect each other is taken as the center of each hole. A line connecting the center of each hole and the adjacent center is taken as a direction axis. The pitch is the distance between the centers of adjacent holes.
図９に示すように、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子のフォトニック結晶層は、正方格子としている。孔部Ｅに着目すると、ある対称軸ｘとある方向軸ｙとの交差する角度θ２は１５°である。なお、任意の孔部においても、方向軸と対称軸との交差する最も小さい角度が１５°となる。 As shown in FIG. 9, the photonic crystal layer of the element having the photonic crystal structure in Example 3 is a square lattice. When attention is paid to the hole E, an angle θ2 at which a certain axis of symmetry x intersects a certain direction axis y is 15 °. In any hole, the smallest angle at which the direction axis and the symmetry axis intersect is 15 °.
なお、対称軸ｘと方向軸ｙとの交差する角度θ２が１５°の正方格子の回転対称性は、ＩＵＣ分類においてＰ２と呼ばれる１８０°回転対称性を持つが、鏡映対称性を持たないものである。 The rotational symmetry of a square lattice with an angle θ2 intersecting the symmetric axis x and the direction axis y of 15 ° has a 180 ° rotational symmetry called P2 in the IUC classification, but has no mirror symmetry. It is.
なお、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、０°より大きく９０°より小さければθ２（１５°）に特に限定されない。たとえば、対称軸と方向軸との交差する最も小さい角度は、１２°以上３５°以下が好ましい。この範囲内の角度とすることにより、対称性のパターンを容易にかつ揃った形状とすることができる。そのため、当該フォトニック結晶構造を備える素子は完全フォトニックバンドギャップが開く等の特性を得ることができる。 The smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is not particularly limited to θ2 (15 °) as long as it is larger than 0 ° and smaller than 90 °. For example, the smallest angle at which the symmetry axis and the direction axis intersect is preferably 12 ° or more and 35 ° or less. By setting the angle within this range, the symmetrical pattern can be easily and uniformly shaped. Therefore, an element having the photonic crystal structure can obtain characteristics such as a complete photonic band gap.
また、実施例３のフォトニック結晶層では、格子の並んでいる方向から対称軸が１５°傾いた状態で、方向軸に沿った方向にピッチｌ２を２２０ｎｍとして孔部が整列し、各孔部の平面形状が六角形の略同一の形状となっている。 Further, in the photonic crystal layer of Example 3, the holes are aligned with a pitch l2 of 220 nm in the direction along the direction axis in a state where the symmetry axis is inclined by 15 ° from the direction in which the lattices are arranged. The planar shape is substantially the same shape as a hexagon.
次に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子（フォトニック結晶層）の製造方法について説明する。実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法は、基本的には実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子の製造方法と同様であるが、露光を行なう工程（Ｓ２２）において実施例２におけるフォトニック結晶構造を備える素子のフォトニック結晶層と異なる。 Next, a method for manufacturing an element (photonic crystal layer) having a photonic crystal structure in Example 3 will be described. The manufacturing method of the element having the photonic crystal structure in Example 3 is basically the same as the manufacturing method of the element having the photonic crystal structure in Example 2, but the example in the step of performing exposure (S22). 2 is different from the photonic crystal layer of the element having a photonic crystal structure.
実施例３では、露光を行なう工程（Ｓ２２）においてＥＢ描写時に用いる格子パターンを、正方格子とし、ピッチを２２０ｎｍとした。また、ＥＢ描画した孔の直径は９０ｎｍとした。 In Example 3, the lattice pattern used for EB drawing in the exposure step (S22) was a square lattice, and the pitch was 220 nm. Moreover, the diameter of the hole drawn by EB was 90 nm.
次に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を備える素子として、実施例２の場合と同様にレーザ溶解法によりサファイヤ基板を分離してスラブ型２次元フォトニック結晶とし、そのスラブ型２次元フォトニック結晶の特性を調べた。このスラブ型２次元フォトニック結晶について、実施例２と同様に、ＴＥモードおよびＴＭモードの光の透過光スペクトルを測定した。その結果、ＴＥモードおよびＴＭモードの両モードにおいて、１０００ｎｍ近傍にバンドギャップが開いた。 Next, as an element having a photonic crystal structure in Example 3, a slab type two-dimensional photonic crystal is obtained by separating a sapphire substrate by a laser melting method in the same manner as in Example 2, and the slab type two-dimensional photonic crystal is obtained. The characteristics of the crystals were investigated. With respect to this slab type two-dimensional photonic crystal, the transmitted light spectrum of light in the TE mode and TM mode was measured in the same manner as in Example 2. As a result, a band gap was opened in the vicinity of 1000 nm in both the TE mode and the TM mode.
なお、実施例３では、フォトニック結晶構造は孔部からなるものとしているが、特にこの構成に限定されない。平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されていればよい。 In Example 3, the photonic crystal structure is composed of holes, but is not particularly limited to this configuration. A plurality of any one of a hexagonal hole portion and a hexagonal column portion in plan view may be formed.
また、上述した実施例３のフォトニック結晶層の構造は、実施例１における素子１００のフォトニック結晶層１０１に適用してもよい。つまり、実施例１における素子に、実施例３におけるフォトニック結晶構造を適用した素子は、フォトニック結晶構造が正方格子となる場合であって、対称軸ｘと方向軸ｙとの交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下としている。これにより、正方格子のフォトニック結晶構造であっても、完全バンドギャップを有することができる。 Further, the structure of the photonic crystal layer of Example 3 described above may be applied to the photonic crystal layer 101 of the element 100 in Example 1. That is, the element in which the photonic crystal structure in Example 3 is applied to the element in Example 1 is the case where the photonic crystal structure is a square lattice, and is the smallest where the symmetry axis x and the direction axis y intersect. The angle is set to 12 ° to 35 °. Thereby, even a photonic crystal structure having a square lattice can have a complete band gap.
本発明の実施例４として、フォトニック結晶構造を備える素子を構成するフォトニック結晶層の構造を確認した。具体的には、実施例４におけるフォトニック結晶層としては、基板がＧａＮからなり、基板ＧａＮ上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層、および基板がサファイヤからなり、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層を準備した。この２つのフォトニック結晶層を用いて、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）において、ｍ面が律速面として反応する（つまり、形成される平面形状が六角形の孔部の側壁がｍ面になっている）ことを実験により確認した。 As Example 4 of this invention, the structure of the photonic crystal layer which comprises the element provided with a photonic crystal structure was confirmed. Specifically, as the photonic crystal layer in Example 4, the substrate is made of GaN, the photonic crystal layer using the GaN epitaxial growth layer on the substrate GaN, and the substrate is made of sapphire, and the GaN epitaxial growth on the sapphire substrate. A photonic crystal layer using the layer was prepared. Using these two photonic crystal layers, in the wet etching step (S30), the m-plane reacts as a rate-determining surface (that is, the side wall of the hexagonal hole formed in the planar shape is the m-plane). ) Was confirmed by experiments.
なお、実施例４のフォトニック結晶層の製造方法は、両者とも実施例１のフォトニック結晶構造を備える素子１００を構成するフォトニック結晶層１０１と基本的には同様の構成を備える。 In addition, the manufacturing method of the photonic crystal layer of Example 4 is equipped with the structure fundamentally the same as the photonic crystal layer 101 which comprises the element 100 provided with the photonic crystal structure of Example 1 both.
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて、実施例４のフォトニック結晶について説明する。図１０（Ａ）は、ＧａＮ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図を示し、（Ｂ）は、サファイヤ基板上に形成されたフォトニック結晶についてＳＥＭ（電子顕微鏡）による俯瞰図を示す。 A photonic crystal of Example 4 will be described with reference to FIGS. 10 (A) and 10 (B). FIG. 10A shows an overhead view of a photonic crystal formed on a GaN substrate by an SEM (electron microscope), and FIG. 10B shows an SEM (electron microscope) of a photonic crystal formed on a sapphire substrate. Shows an overhead view.
図１０（Ａ）を参照して、基板がＧａＮからなり、ＧａＮ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層について説明する。当該フォトニック結晶層は、三角格子であって、孔部の平面形状が六角形で略同一である。図１０（Ａ）に示すように、ＧａＮ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面の方向軸は、ＧａＮ基板の（１−１００）面の方向軸（つまり劈開方向）と一致した。 With reference to FIG. 10A, a photonic crystal layer in which the substrate is made of GaN and a GaN epitaxial growth layer on the GaN substrate is described. The photonic crystal layer has a triangular lattice, and the planar shape of the hole is hexagonal and substantially the same. As shown in FIG. 10A, the direction axis of the (1-100) plane of the GaN epitaxial growth layer on the GaN substrate coincided with the direction axis (that is, the cleavage direction) of the (1-100) plane of the GaN substrate.
次に、図１０（Ｂ）を参照して、基板がサファイヤからなり、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層を用いたフォトニック結晶層について説明する。当該フォトニック結晶層は、三角格子であって、孔部の平面形状が六角形で略同一である。孔部の配置などは、基本的に図１０（Ａ）に示したフォトニック結晶層と同様とした。 Next, with reference to FIG. 10B, a photonic crystal layer using a GaN epitaxial growth layer on a sapphire substrate will be described. The photonic crystal layer has a triangular lattice, and the planar shape of the hole is hexagonal and substantially the same. The arrangement of the holes was basically the same as that of the photonic crystal layer shown in FIG.
ここで、サファイヤ基板上のＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面とサファイヤ基板の（１−１００）面とは、サファイヤ基板およびＧａＮエピタキシャル成長層のｃ面と垂直な軸である［０００１］軸を回転軸として、３０°ずれることが知られている。一方、ＧａＮ基板上にＧａＮエピタキシャル成長層を形成する場合は、ＧａＮ基板の（１−１００）面とＧａＮエピタキシャル成長層の（１−１００）面とは一致し、ＧａＮ基板のｍ面とＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面は一致する。 Here, the (1-100) plane of the GaN epitaxial growth layer on the sapphire substrate and the (1-100) plane of the sapphire substrate have a [0001] axis that is an axis perpendicular to the c plane of the sapphire substrate and the GaN epitaxial growth layer. It is known that the rotation axis is shifted by 30 °. On the other hand, when a GaN epitaxial growth layer is formed on a GaN substrate, the (1-100) plane of the GaN substrate matches the (1-100) plane of the GaN epitaxial growth layer, and the m plane of the GaN substrate and the GaN epitaxial growth layer The m planes coincide.
そこで、図１０を見てみると、図１０（Ａ）においては孔部の側壁の延びる方向がＧａＮ基板の（１−１００）面の延びる方向（つまりＧａＮエピタキシャル層の（１−１００）面の延びる方向：ｍ面の延びる方向）に一致している。一方、図１０（Ｂ）においては、孔部の側壁の延びる方向がＧａＮ基板の（１−１００）面の延びる方向に対して３０°ずれており、これはＧａＮエピタキシャルそうの（１−１００）面の延びる方向：ｍ面の延びる方向）に一致している。このことから、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）において、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面がエッチング反応において律速となって、ｍ面に沿った六角形が形成されることがわかった。 Therefore, looking at FIG. 10, in FIG. 10A, the direction in which the sidewall of the hole extends is the direction in which the (1-100) plane of the GaN substrate extends (that is, the (1-100) plane of the GaN epitaxial layer). Extending direction: the direction in which the m-plane extends). On the other hand, in FIG. 10B, the extending direction of the side wall of the hole is shifted by 30 ° with respect to the extending direction of the (1-100) plane of the GaN substrate. The direction in which the surface extends: the direction in which the m-plane extends). From this, it was found that in the wet etching step (S30), the m-plane of the GaN epitaxial growth layer becomes rate-limiting in the etching reaction, and a hexagon along the m-plane is formed.
以上説明したように、実施例４におけるフォトニック結晶層によれば、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に形成される孔部または柱部は、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面に沿った形状となる。また、サファイヤ基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層に形成される孔部または柱部は、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面に沿った形状となる。つまり、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面が反応律速面となることがわかる。 As described above, according to the photonic crystal layer in Example 4, the hole or column formed in the GaN epitaxial growth layer formed on the GaN substrate has a shape along the m-plane of the GaN epitaxial growth layer. Become. In addition, the hole or column formed in the GaN epitaxial growth layer formed on the sapphire substrate has a shape along the m-plane of the GaN epitaxial growth layer. In other words, it can be seen that in the wet etching step (S30), the m-plane of the GaN epitaxial growth layer becomes the reaction-controlling plane.
また、ウエットエッチング工程（Ｓ３０）では、ＧａＮエピタキシャル成長層のｍ面が反応律速面となるので、六方晶のｍ面に沿って孔部または柱部を容易に形成することができる。よって、形状が略同一で一定の方向に整列した孔部または柱部を有するフォトニック結晶層を製造することができる。 Further, in the wet etching step (S30), since the m-plane of the GaN epitaxial growth layer becomes a reaction-controlling plane, holes or pillars can be easily formed along the hexagonal m-plane. Therefore, it is possible to manufacture a photonic crystal layer having holes or pillars that have substantially the same shape and are aligned in a certain direction.
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実施の形態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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
１０，２０，３０ フォトニック結晶構造、１１，３１ 孔部、１１ａ，２１ａ 側壁面、１２ エピタキシャル成長層、２１ 柱部、１００ フォトニック結晶構造を備える素子、１０１ フォトニック結晶層、１０１ａ エピタキシャル成長層、１０１ｂ 孔部、１０３ 基板、１０３ａ，１０３ｂ 主面、１０４ ｎ型クラッド層、１０５ アンドープガイド層、１０６ 活性層、１０７ ｐ型電子ブロック層、１０８ ｐ型クラッド層、１０９ ｐ型コンタクト層、１０９ａ 光放出面、１１０ ｐ型電極、１１１ ｎ型電極、ａ，ｂ，ｃ 中心、Ａ〜Ｇ 孔部、Ｐ，ｌ１，ｌ２ ピッチ、ｕ，ｘ 対称軸、ｖ，ｙ 方向軸、θ１，θ２ 角度。 10, 20, 30 Photonic crystal structure, 11, 31 Hole, 11a, 21a Side wall surface, 12 Epitaxial growth layer, 21 Column, 100 Device with photonic crystal structure, 101 Photonic crystal layer, 101a Epitaxial growth layer, 101b Hole, 103 substrate, 103a, 103b main surface, 104 n-type cladding layer, 105 undoped guide layer, 106 active layer, 107 p-type electron blocking layer, 108 p-type cladding layer, 109 p-type contact layer, 109a light emitting surface , 110 p-type electrode, 111 n-type electrode, a, b, c center, A to G holes, P, l1, l2 pitch, u, x symmetry axis, v, y direction axis, θ1, θ2 angle.
Claims (8)
（０００１）面を主面とするＧａＮエピタキシャル成長層を準備する工程と、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、
前記ベースとなる孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを行なうウエットエッチング工程とを備える、フォトニック結晶構造を備える素子の製造方法。 A method for manufacturing an element having a photonic crystal structure using a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface,
Preparing a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface;
Forming a hole or a column serving as a base of a photonic crystal structure in the GaN epitaxial growth layer;
A method of manufacturing an element having a photonic crystal structure, comprising: a wet etching step of performing wet etching in which an m-plane becomes a reaction-controlling surface with respect to the GaN epitaxial growth layer in which the hole or column serving as the base is formed .
前記ＧａＮエピタキシャル成長層においてフォトニック結晶構造のベースとなる孔部または柱部を形成する工程と、
前記ベースとなる孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層に対して、ｍ面が反応律速面となるウエットエッチングを実施するウエットエッチング工程とにより製造され、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層において形成された孔部または柱部の平面形状が六角形であり、前記孔部または柱部が形成された前記ＧａＮエピタキシャル成長層がフォトニック結晶構造として作用する、フォトニック結晶構造を備える素子。 Preparing a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface;
Forming a hole or a column serving as a base of a photonic crystal structure in the GaN epitaxial growth layer;
Manufactured by a wet etching step of performing wet etching in which the m-plane becomes a reaction-controlling surface with respect to the GaN epitaxial growth layer in which the hole or column as the base is formed,
A photonic crystal structure in which the planar shape of the hole or column formed in the GaN epitaxial growth layer is a hexagon, and the GaN epitaxial growth layer in which the hole or column is formed acts as a photonic crystal structure. An element to be provided.
基板と、
前記基板上に形成されたＧａＮエピタキシャル成長層とを備え、
前記ＧａＮエピタキシャル成長層では、平面形状が六角形の孔部および六角柱の柱部のいずれか一方が複数形成されることによりフォトニック結晶構造が構成され、
前記（０００１）面において前記孔部または前記柱部の平面形状である六角形における対向する２つの頂点を結ぶ対称軸と、最も近接している前記孔部または前記柱部の組の整列方向を示す方向軸とが交差する最も小さい角度が０°より大きく９０°より小さく、
前記フォトニック結晶構造が、前記（０００１）面において鏡映対称軸を有していないことを特徴とする、フォトニック結晶構造を備える素子。 An element using a GaN epitaxial growth layer having a (0001) plane as a main surface,
A substrate,
A GaN epitaxial growth layer formed on the substrate,
In the GaN epitaxial growth layer, a photonic crystal structure is configured by forming a plurality of any one of hexagonal holes and hexagonal pillars in a planar shape,
The alignment direction of the symmetry axis connecting two opposing vertices in the hexagon that is the planar shape of the hole or column in the (0001) plane, and the alignment direction of the set of the hole or column that is closest to each other. The smallest angle at which the direction axis shown is greater than 0 ° and less than 90 °;
An element having a photonic crystal structure, wherein the photonic crystal structure does not have a mirror symmetry axis in the (0001) plane.
前記対称軸と前記方向軸との交差する最も小さい角度が５°以上２０°以下である、請求項６に記載のフォトニック結晶構造を備える素子。 When the photonic crystal structure is a triangular lattice,
The element provided with the photonic crystal structure according to claim 6, wherein the smallest angle at which the axis of symmetry and the direction axis intersect is 5 ° or more and 20 ° or less.
前記対称軸と前記方向軸との交差する最も小さい角度が１２°以上３５°以下である、請求項６に記載のフォトニック結晶構造を備える素子。 When the photonic crystal structure is a square lattice,
The element provided with the photonic crystal structure according to claim 6, wherein the smallest angle at which the axis of symmetry and the direction axis intersect is 12 ° or more and 35 ° or less.
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