JP2022118051A - Optical device and manufacturing method of optical device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device using a column crystal having a high crystallinity.

SOLUTION: An optical device 10 includes a plurality of aggregates 20. Each of the aggregates 20 is formed by regularly arranging a plurality of column crystals 30 formed on a substrate 400. Each of the column crystals 30 includes a group III-V semiconductor. Each of the plurality of aggregates 20 is positioned at a lattice point different to each other of a first lattice when viewing from a vertical direction relative to the substrate 400. The minimum value d_i of a center axis distance of each column crystal 30, which belongs to the similar aggregate 20, is smaller than the minimum value d_o of the center axis distance of each column crystal 30, which belongs to the mutually different aggregate 20.

SELECTED DRAWING: Figure 1

COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り ［刊行物］・平成２８年９月１日発行、第７７回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集第１３－２９５頁 ［発表］・平成２８年９月１６日発表、第７７回応用物理学会秋季学術講演会 朱鷺メッセ（新潟県新潟市中央区万代島６番１号）Applied for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act [Publication] ・September 1, 2016, 77th Japan Society of Applied Physics Autumn Meeting Proceedings, pp. 13-295 [Publication] ・2016 Announced on September 16, The 77th JSAP Autumn Meeting Toki Messe (6-1 Bandaijima, Chuo-ku, Niigata City, Niigata Prefecture)

本発明は光デバイスおよび光デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to an optical device and an optical device manufacturing method.

屈折率が互いに異なる領域を周期的に形成することにより、光を制御する技術として、フォトニック結晶がある。 A photonic crystal is a technique for controlling light by periodically forming regions with different refractive indices.

特許文献１および２には、III族窒化物半導体のナノコラムを基板上に形成することが記載されている。また、特許文献１には、成長面の断面積を小さくすることにより、界面における歪応力を低く抑えて、柱状結晶単位の貫通転位の発生を低く抑え、結晶における貫通転位密度を低下させることが記載されている。 Patent Documents 1 and 2 describe the formation of group III nitride semiconductor nanocolumns on a substrate. Further, in Patent Document 1, by reducing the cross-sectional area of the growth surface, the strain stress at the interface is suppressed to a low level, the generation of threading dislocations in columnar crystal units is suppressed, and the threading dislocation density in the crystal is reduced. Have been described.

特許文献３には、化合物半導体素子において、柱状構造体の配置および柱径が二次元フォトニック結晶状に制御されていることが記載されている。また、特許文献３には、個々のナノコラムの配置を、二次元フォトニック結晶による回折格子パターン状に配置することが記載されている。 Patent Document 3 describes that in a compound semiconductor device, the arrangement and diameter of columnar structures are controlled in a two-dimensional photonic crystal form. Further, Patent Document 3 describes that individual nanocolumns are arranged in a diffraction grating pattern by a two-dimensional photonic crystal.

国際公開第２００６／０２５４０７号WO2006/025407 国際公開第２０１０／０２３９２１号WO2010/023921 特開２００８－０３４４８３号公報JP 2008-034483 A

しかし、特許文献３の方法では、光の波長に応じてナノコラムの配置周期および太さに設計上の制限が生じ、特に光の波長を長くする場合、ナノコラムをある程度太くする必要があった。その結果、ナノコラムの成長面の断面積が大きくなり、ナノコラムの結晶性が低下する場合があった。 However, in the method of Patent Document 3, there are design restrictions on the arrangement period and thickness of the nano-columns depending on the wavelength of light. As a result, the cross-sectional area of the growth surface of the nano-columns may become large, and the crystallinity of the nano-columns may deteriorate.

本発明は、結晶性の高い柱状結晶を用いた光デバイスを提供する。 The present invention provides an optical device using columnar crystals with high crystallinity.

本発明によれば、
基板に形成された複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さく、
前記柱状結晶の幅が５００ｎｍ以下であり、
前記複数の集合体は、前記第１の格子に基づくフォトニック結晶を構成している
光デバイス
が提供される。 According to the invention,
including a plurality of aggregates formed by regularly arranging a plurality of columnar crystals formed on the substrate;
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
the minimum value d _i of the center axis distance of the columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value d _o of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates;
The columnar crystal has a width of 500 nm or less,
An optical device is provided in which the plurality of aggregates constitute a photonic crystal based on the first lattice.

本発明によれば、
基板の第１面に、開口が設けられた膜を形成する工程と、
前記膜の前記開口から柱状結晶を成長させて構造体を得る工程とを含み、
前記構造体は、複数の前記柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さく、
前記柱状結晶の幅が５００ｎｍ以下であり、
前記構造体において前記複数の集合体は、前記第１の格子に基づくフォトニック結晶を構成している
光デバイスの製造方法
が提供される。 According to the invention,
forming a film having openings on the first surface of the substrate;
growing columnar crystals from the openings of the film to obtain a structure;
The structure includes a plurality of aggregates in which a plurality of the columnar crystals are arranged regularly,
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
the minimum value d _i of the center axis distance of the columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value d _o of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates;
The columnar crystal has a width of 500 nm or less,
A method for manufacturing an optical device is provided, wherein the plurality of aggregates in the structure form a photonic crystal based on the first lattice.

本発明によれば、結晶性の高い柱状結晶を用いた光デバイスを提供できる。 According to the present invention, an optical device using columnar crystals with high crystallinity can be provided.

第１の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する平面図である。1 is a plan view illustrating the structure of an optical device according to a first embodiment; FIG. 第１の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating the structure of an optical device according to a first embodiment; FIG. 第１の実施形態に係る光デバイスの構造の変形例１を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing Modification 1 of the structure of the optical device according to the first embodiment; （ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態に係る光デバイスの製造方法を例示する図である。4A and 4B are diagrams illustrating the method for manufacturing the optical device according to the first embodiment; FIG. （ａ）および（ｂ）は、それぞれ柱状結晶の頂部の形状の変形例を示す図である。(a) and (b) are diagrams each showing a modification of the shape of the top of the columnar crystal. （ａ）～（ｅ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。4(a) to 4(e) are plan views illustrating a plurality of aggregates according to the first embodiment. FIG. （ａ）～（ｅ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。4(a) to 4(e) are plan views illustrating a plurality of aggregates according to the first embodiment. FIG. （ａ）～（ｇ）はそれぞれ、第１の実施形態に係る複数の集合体を例示する平面図である。4(a) to 4(g) are plan views illustrating a plurality of aggregates according to the first embodiment. FIG. 第１の格子が正方格子である例を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing an example in which the first lattice is a square lattice; 複数の集合体の構造を例示する平面図である。FIG. 4 is a plan view illustrating the structure of multiple aggregates; 凝集率について説明するための図である。It is a figure for demonstrating an aggregation rate. 第２の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the structure of an optical device according to a second embodiment; （ａ）は第２の実施形態に係る光デバイスの一例を基板に垂直な方向から電子顕微鏡で観察した結果を示す図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る柱状結晶の一例を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。(a) is a diagram showing the result of observing an example of the optical device according to the second embodiment with an electron microscope from a direction perpendicular to the substrate, and (b) is a diagram showing an example of the columnar crystal according to the second embodiment. It is a figure which shows the result of having observed with the electron microscope. 第２の実施形態に係る光デバイスの構造の変形例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modification of the structure of the optical device according to the second embodiment; 第３の実施形態に係る光デバイスの構造を例示する断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the structure of an optical device according to a third embodiment; （ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例１および実施例１に係る構造を示す平面図であり、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ比較例１および実施例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。(a) and (b) are plan views showing structures according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively, and (c) and (d) show photonic bands generated in the structures of Comparative Example 1 and Example 1, respectively. FIG. 10 shows. （ａ）～（ｄ）はそれぞれ比較例２および実施例２～実施例４に係る構造を示す平面図であり、（ｅ）～（ｈ）はそれぞれ比較例２および実施例２～実施例４の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。(a) to (d) are plan views showing structures according to Comparative Example 2 and Examples 2 to 4, respectively; (e) to (h) are Comparative Example 2 and Examples 2 to 4, respectively; 1 is a diagram showing photonic bands that occur in the structure of . （ａ）～（ｄ）はそれぞれ実施例５～実施例７、および比較例３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。11(a) to 11(d) are diagrams showing the results of electron microscopic observation of the optical device structures according to Examples 5 to 7 and Comparative Example 3, respectively. FIG. （ａ）は、実施例７および比較例３の光デバイス構造に対し、光励起ＰＬ測定を行った結果を示す図であり、（ｂ）は、実施例７の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。(a) is a diagram showing the results of photoexcitation PL measurement for the optical device structures of Example 7 and Comparative Example 3, and (b) is an angle-resolved PL measurement for the optical device structure of Example 7. It is a figure which shows the result of having measured. （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例５および実施例６の光デバイス構造に対し、ＰＬ強励起測定を行った結果を示す図である。(a) and (b) are diagrams showing the results of PL intensive excitation measurement for the optical device structures of Examples 5 and 6, respectively. （ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例４および実施例８に係る光デバイス構造の平面図であり、（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、比較例４および実施例８の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。(a) and (b) are plan views of optical device structures according to Comparative Example 4 and Example 8, respectively, and (c) and (d) are plan views of the optical device structures of Comparative Example 4 and Example 8, respectively. , and the results of angle-resolved PL measurements. （ａ）および（ｂ）は、実施例８の光デバイス構造を光励起発振させた結果を示す図である。(a) and (b) are diagrams showing the results of optically excited oscillation of the optical device structure of Example 8. FIG. （ａ）から（ｃ）は、それぞれ実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。(a) to (c) are diagrams showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Examples 9 to 11, respectively. フォトニックバンド端波長が５２０ｎｍとなるときの、格子定数α_１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係を計算した結果を示す図である。FIG. ₁₀ is a diagram showing the results of calculating the relationship between the lattice constant α1, the width w, and the aggregation rate C when the photonic band edge wavelength is 520 nm. 比較例５－１から比較例５－５、および実施例１３－１から実施例１３－１０に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of electron microscope observation of optical device structures according to Comparative Examples 5-1 to 5-5 and Examples 13-1 to 13-10; 比較例６－１から比較例６－４、および実施例１４－１から実施例１４－３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Comparative Examples 6-1 to 6-4 and Examples 14-1 to 14-3. 比較例７－１から比較例７－４、および実施例１５－１から実施例１５－３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of electron microscope observation of optical device structures according to Comparative Examples 7-1 to 7-4 and Examples 15-1 to 15-3. （ａ）～（ｄ）は、比較例８および比較例９に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。(a) to (d) are diagrams showing the results of photoluminescence measurements for optical device structures according to Comparative Examples 8 and 9. FIG. （ａ）～（ｃ）は、実施例１６に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。(a) to (c) are diagrams showing the results of photoluminescence measurement for the optical device structure according to Example 16. FIG. 実施例１７に係る光デバイス構造に対し、フォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement performed on the optical device structure according to Example 17; 柱状結晶が太さ方向に積層された複数の層を含む例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which a columnar crystal includes a plurality of layers stacked in the thickness direction;

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in all the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する平面図である。本図は、基板４００に垂直な方向から見た状態を示している。本実施形態に係る光デバイス１０は、複数の集合体２０を含む。集合体２０は、基板４００に形成された複数の柱状結晶３０が規則的に配列して成る。柱状結晶３０はIII-V族半導体を含む。複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置する。そして、同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さい。以下に詳しく説明する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a plan view illustrating the structure of an optical device 10 according to this embodiment. This figure shows a state seen from a direction perpendicular to the substrate 400 . An optical device 10 according to this embodiment includes a plurality of aggregates 20 . Aggregate 20 is formed by regularly arranging a plurality of columnar crystals 30 formed on substrate 400 . The columnar crystal 30 contains a III-V group semiconductor. Each of the plurality of aggregates 20 is positioned at different lattice points of the first lattice when viewed from the direction perpendicular to the substrate 400 . The minimum value d _i of the center axis distance of the _columnar crystals 30 belonging to the same aggregate 20 is smaller than the minimum value do of the center axis distances of the columnar crystals 30 belonging to different aggregates 20 . A detailed description is given below.

III-V族半導体を、ナノスケールの柱状構造にボトムアップ成長させると、結晶性の高い柱状結晶が得られる。この理由としては、成長断面積が小さいことにより、結晶歪みが緩和されやすくなる歪み緩和効果、および、結晶内に生じた貫通転位が壁面に逃げて消失しやすくなる貫通転位の離脱効果が挙げられる。詳しくは、柱状結晶を成長させるための下地結晶にたとえば１０^１１ｃｍ^－２を超えるような高い密度で転位が含まれ、その転位が柱状結晶内に貫通することがあっても、転位が柱状結晶の下部で曲がり、その側面に抜けて消失する。すなわち、結晶性の低い下地結晶を用いる場合でも、高品質の柱状結晶が得られる。 Columnar crystals with high crystallinity can be obtained by bottom-up growth of III-V semiconductors into nanoscale columnar structures. The reasons for this include the strain relaxation effect in which the crystal strain is easily relaxed and the threading dislocation separation effect in which the threading dislocations generated in the crystal easily escape to the wall surface and disappear due to the small growth cross-sectional area. . More specifically, even if a base crystal for growing columnar crystals contains dislocations at a high density of, for example, exceeding 10 ¹¹ cm ⁻² and the dislocations penetrate into the columnar crystals, the dislocations are It bends at the bottom of the , and disappears through its side. That is, high-quality columnar crystals can be obtained even when using a low-crystalline base crystal.

柱状結晶をトップダウンで形成する場合、柱状結晶に含まれる転位数は元となる膜構造または層構造の転位密度に依存する。この場合においても、歪み緩和効果が発現し、結晶性の高い柱状結晶が得られる。 When forming columnar crystals from the top down, the number of dislocations contained in the columnar crystals depends on the dislocation density of the original film structure or layer structure. Also in this case, the strain relaxation effect is exhibited, and columnar crystals with high crystallinity can be obtained.

ただし、このような歪み緩和効果、および貫通転位の離脱効果を得るためには、柱状結晶の径はある程度小さい必要がある。 However, in order to obtain such a strain relaxation effect and a threading dislocation separation effect, the diameter of the columnar crystals must be small to some extent.

柱状結晶の配列に関しては、構造体内に個々の柱状結晶を格子状に配置して、柱状結晶の格子配置に基づくフォトニック結晶を構成しようとする場合、すなわち集合体を形成しない場合、柱状結晶の間隔（格子定数）と太さは、その構造体をフォトニック結晶として機能させようとする光の波長（フォトニックバンド端波長）に応じて決める必要があった。波長、柱状結晶の間隔、および太さの間には所定の関係があるからである。具体的には、長波長の光を構造体と相互作用させるためには、柱状結晶の太さが同じであれば間隔を大きくする必要があった。また波長は間隔でほぼ決まるものの、太さによっても変化し、長波長の光を構造体と相互作用させるためには、間隔が同じであれば柱状結晶を太くする必要があった。したがって、波長に依存して柱状結晶の太さと間隔の設計自由度が制限されていた。 Regarding the arrangement of columnar crystals, when individual columnar crystals are arranged in a lattice in a structure to constitute a photonic crystal based on the lattice arrangement of the columnar crystals, that is, when an aggregate is not formed, the columnar crystals The spacing (lattice constant) and thickness had to be determined according to the wavelength of the light (photonic band edge wavelength) that causes the structure to function as a photonic crystal. This is because there is a predetermined relationship between the wavelength, the spacing of the columnar crystals, and the thickness. Specifically, in order to allow long-wavelength light to interact with the structure, it was necessary to increase the distance between the columnar crystals with the same thickness. Also, although the wavelength is largely determined by the spacing, it also changes depending on the thickness. In order to allow long-wavelength light to interact with the structure, it was necessary to make the columnar crystals thicker if the spacing was the same. Therefore, the degree of freedom in designing the thickness and spacing of the columnar crystals is limited depending on the wavelength.

その上、柱状結晶を細くし空間での柱状結晶の密度が小さくなりすぎると、構造体がフォトニック結晶として十分機能しなくなる場合があった。たとえば結晶品質を高めるために柱状結晶を細くしていくと、動作波長が短くなるため、間隔を大きくする必要があり、充填率は加速度的に小さくなる。その結果、デバイスとしての動作が難しくなる。また、細い柱状結晶を広い間隔で独立に配置すると、柱状結晶が機械的に弱くなるという問題もあった。そして、柱状結晶内に発光層等の活性層を設ける場合には、発光体の体積が小さくなり、ひいては発光強度が小さくなる。この結果、レーザ等ではレーザ利得を得にくくなることにより発振が起こりにくくなるという問題が生じ得た。さらに、柱状結晶の上に電極を配置する場合には、柱状結晶間への電極の入り込みが生じるおそれがあった。 In addition, when the columnar crystals are made thinner and the density of the columnar crystals in the space becomes too small, the structure may not sufficiently function as a photonic crystal. For example, if the columnar crystals are made thinner in order to improve the crystal quality, the operating wavelength will be shortened. As a result, it becomes difficult to operate as a device. Moreover, when thin columnar crystals are arranged independently at wide intervals, the columnar crystals become mechanically weak. Further, when an active layer such as a light-emitting layer is provided in the columnar crystal, the volume of the light-emitting body is reduced, and thus the light emission intensity is reduced. As a result, it is difficult to obtain a laser gain with a laser or the like, which may cause a problem that oscillation is difficult to occur. Furthermore, when the electrodes are arranged on the columnar crystals, there is a possibility that the electrodes may enter between the columnar crystals.

このように、長波長に対応するフォトニック結晶を得ようとする場合には、柱状結晶の径を太くする必要があり、結晶の質が損なわれる場合があった。結晶の質は柱状結晶の発光特性に影響するため、特に長波長の光を高輝度で出力する光デバイスを得ることは難しかった。 In this way, when trying to obtain a photonic crystal corresponding to a long wavelength, it is necessary to increase the diameter of the columnar crystal, which sometimes impairs the quality of the crystal. Since the quality of the crystals affects the light emission characteristics of the columnar crystals, it has been difficult to obtain an optical device that can output long-wavelength light with high brightness.

これに対し、本実施形態に係る光デバイス１０では、集合体２０を格子状に配置して、集合体２０の格子配置に基づくフォトニック結晶を構成する。そして、集合体２０に含まれる柱状結晶３０の太さは、その格子定数に縛られることなく決定することができる。したがって、フォトニック結晶を利用した光デバイスにおいて、出力光の波長によらず結晶の質が高い柱状結晶を用いることができる。そして、良好な光出力特性を有する光デバイスを実現できる。 On the other hand, in the optical device 10 according to the present embodiment, the aggregates 20 are arranged in a lattice to form a photonic crystal based on the lattice arrangement of the aggregates 20 . The thickness of the columnar crystals 30 included in the aggregate 20 can be determined without being bound by their lattice constants. Therefore, in optical devices using photonic crystals, columnar crystals with high crystal quality can be used regardless of the wavelength of output light. Then, an optical device having good optical output characteristics can be realized.

図２は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面に相当する。なお、図１において、後述する膜４１０は省略されている。本実施形態に係る光デバイス１０は、発光デバイス、光フィルタ、または受光デバイスである。光デバイス１０において、複数の集合体２０は、フォトニック結晶を構成している。光デバイス１０はたとえば光励起、電子線励起、または電流注入により光を出力するデバイスである。光デバイス１０が励起により光を出力する場合、たとえば、光デバイス１０は入力された励起光を所定の波長の光に変換して出力する。光デバイス１０が電子線励起により光を出力する場合、光デバイス１０は電子線のエネルギーを所定の波長の光に変換して出力する。光デバイス１０が電流注入により光を出力する場合、電子とホールを柱状結晶３０内で再結合させ、所定の波長の光を出力する。光デバイス１０が受光デバイスである場合、光デバイス１０では受光した光を電気エネルギーに変換する。このとき、受光デバイスは所定の波長について特に高効率で光電変換を行える。受光デバイスにおいては、特に高い結晶品質が求められることから、本実施形態の構造が特に有益である。ここで、所定の波長はフォトニック結晶の格子定数に依存する。言い換えると、所定の波長は、集合体２０の配置、すなわち第１の格子に基づく波長である。 FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of the optical device 10 according to this embodiment. FIG. 2 corresponds to the AA section of FIG. Note that a film 410, which will be described later, is omitted in FIG. The optical device 10 according to this embodiment is a light emitting device, an optical filter, or a light receiving device. In the optical device 10, the multiple aggregates 20 form a photonic crystal. The optical device 10 is, for example, a device that outputs light by photoexcitation, electron beam excitation, or current injection. When the optical device 10 outputs light by excitation, for example, the optical device 10 converts the input excitation light into light of a predetermined wavelength and outputs the light. When the optical device 10 outputs light by electron beam excitation, the optical device 10 converts the energy of the electron beam into light of a predetermined wavelength and outputs the light. When the optical device 10 outputs light by current injection, electrons and holes are recombined in the columnar crystals 30 to output light of a predetermined wavelength. When the optical device 10 is a light receiving device, the optical device 10 converts the received light into electrical energy. At this time, the light-receiving device can perform photoelectric conversion with a particularly high efficiency for a predetermined wavelength. The structure of this embodiment is particularly useful in light-receiving devices, since particularly high crystal quality is required. Here, the predetermined wavelength depends on the lattice constant of the photonic crystal. In other words, the predetermined wavelength is the wavelength based on the arrangement of the aggregate 20, ie the first grating.

以下において、柱状結晶３０のうち基板４００側の一端を「底部」と呼び、基板４００側とは反対側の一端を「頂部」と呼ぶ。また、柱状結晶３０の底部と頂部を結ぶ高さ方向を、柱状結晶３０の「軸方向」とも呼ぶ。柱状結晶３０の軸方向は、基板４００の第１面４０１に垂直である。 Hereinafter, one end of the columnar crystal 30 on the side of the substrate 400 is referred to as "bottom", and one end of the columnar crystal 30 on the side opposite to the substrate 400 is referred to as "top". Also, the height direction connecting the bottom and top of the columnar crystal 30 is also called the “axial direction” of the columnar crystal 30 . The axial direction of the columnar crystal 30 is perpendicular to the first surface 401 of the substrate 400 .

柱状結晶３０は、III-V族半導体を含む。III-V族半導体は、III族元素とＶ族元素とを含む結晶である。III族元素はＢ、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎからなる群から選択される一以上の元素である。Ｖ族元素は、Ｎ、Ａｓ、およびＰからなる群から選択される一以上の元素である。柱状結晶３０はIII-V族半導体としてIII族窒化物半導体を含んでも良い。III族窒化物半導体は窒素と、一以上のIII族元素とを含む結晶である。ここで、III族窒化物半導体は、たとえば一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。なお、柱状結晶３０は一部に酸化物を含んでも良い。また、柱状結晶３０はドーパント等の不純物をさらに含んでも良い。 The columnar crystal 30 contains a III-V group semiconductor. A III-V semiconductor is a crystal containing a III-group element and a V-group element. Group III elements are one or more elements selected from the group consisting of B, Al, Ga, and In. The group V element is one or more elements selected from the group consisting of N, As, and P. The columnar crystal 30 may contain a group III nitride semiconductor as the group III-V semiconductor. A group III nitride semiconductor is a crystal containing nitrogen and one or more group III elements. Here, the III-nitride semiconductor is represented by, for example, the general formula AlxGayIn1 _-xyN ( _0≤x≤1 , _0≤y≤1 , and 0≤x+y≤1). Note that the columnar crystals 30 may partially contain an oxide. Also, the columnar crystals 30 may further contain impurities such as dopants.

たとえば、長波長の出力光を得ようとする場合、柱状結晶３０はＩｎを含むことが好ましい。本実施形態に係る光デバイス１０では、細い柱状結晶３０を用いることができることから、格子不一致が生じやすい複数の原子を柱状結晶３０が含んだ場合でも、格子ひずみが緩和されて混和性が高くなり、均質かつ良質な結晶が得られやすい。さらに、格子定数の異なる結晶層を含む場合でも、不整合転位が発生する膜厚（臨界膜厚）が大きくなり、転位の発生が抑制される。 For example, in order to obtain long-wavelength output light, the columnar crystals 30 preferably contain In. Since the thin columnar crystal 30 can be used in the optical device 10 according to the present embodiment, even if the columnar crystal 30 contains a plurality of atoms that tend to cause lattice mismatch, the lattice strain is relaxed and miscibility increases. , homogeneous and good quality crystals are easily obtained. Furthermore, even when crystal layers having different lattice constants are included, the film thickness at which misfit dislocations occur (critical film thickness) increases, and the generation of dislocations is suppressed.

柱状結晶３０は、柱状結晶３０の高さ方向に積層された複数の層を含んでも良い。また柱状結晶３０は、柱状結晶３０の太さ方向に積層された複数の層を含んでも良い。複数の層のうち互いに隣り合う二層は、組成が互いに異なる。なお、組成が互いに異なるとは、結晶に含まれる元素の組み合わせ、および各元素の含有比率の少なくとも一方が互いに異なることをいう。 The columnar crystal 30 may include multiple layers laminated in the height direction of the columnar crystal 30 . Also, the columnar crystal 30 may include a plurality of layers laminated in the thickness direction of the columnar crystal 30 . Two layers adjacent to each other among the plurality of layers have compositions different from each other. Note that the phrase "the compositions are different from each other" means that at least one of the combination of elements contained in the crystal and the content ratio of each element is different from each other.

柱状結晶３０はｐ型半導体層と、ｎ型半導体層を含んでも良い。たとえば柱状結晶３０の軸方向の一端をｐ型半導体層およびｎ型半導体層の一方とし、柱状結晶３０の他端を、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層の他方とする。そうすることで、柱状結晶３０に電子およびホールを注入することができる。また柱状結晶３０は、活性層３０２として量子井戸構造等のヘテロ構造を含んでも良い。ヘテロ構造はたとえばｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に形成される。本図は、柱状結晶３０が活性層３０２を備える例を示している。なお、柱状結晶３０の幅は、層の組成の違いや柱状結晶３０の充填率の大小、または成長条件の違い等に起因して長さ方向に変化していても良いし、変化していなくても良い。 The columnar crystal 30 may include a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. For example, one end of the columnar crystal 30 in the axial direction is one of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and the other end of the columnar crystal 30 is the other of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. By doing so, electrons and holes can be injected into the columnar crystal 30 . Also, the columnar crystal 30 may include a heterostructure such as a quantum well structure as the active layer 302 . A heterostructure is formed, for example, between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. This figure shows an example in which the columnar crystal 30 has an active layer 302 . Note that the width of the columnar crystals 30 may or may not change in the length direction due to differences in layer composition, the size of the filling rate of the columnar crystals 30, or differences in growth conditions. can be

図３１は、柱状結晶３０が太さ方向に積層された複数の層を含む例を示す断面図である。本図は、基板４００に平行な断面を示している。柱状結晶３０は、高さ方向の少なくとも一部分において、太さ方向に積層された複数の層を含んでもよい。本図の例において、柱状結晶３０は、中心から外側に向かって、中心部３１０、第１外周層３１１、および第２外周層３１２がこの順に積層された構造を有する。第１外周層３１１は中心部３１０の外周を囲っており、第２外周層３１２は第１外周層３１１の外周を囲っている。たとえば中心部３１０および第２外周層３１２の一方はｎ型半導体であり、他方はｐ型半導体であり、第１外周層３１１は活性層である。このような構造はたとえばＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。なお、本図では柱状結晶３０の基板４００に平行な断面の形状が六角形である例を示しているが、柱状結晶３０の断面の形状は他の多角形であっても良いし、円形であっても良い。 FIG. 31 is a cross-sectional view showing an example in which the columnar crystal 30 includes a plurality of layers stacked in the thickness direction. This figure shows a cross section parallel to the substrate 400 . The columnar crystal 30 may include a plurality of layers laminated in the thickness direction in at least part of the height direction. In the example of this figure, the columnar crystal 30 has a structure in which a central portion 310, a first outer layer 311, and a second outer layer 312 are layered in this order from the center toward the outside. The first outer layer 311 surrounds the outer periphery of the central portion 310 , and the second outer layer 312 surrounds the outer periphery of the first outer layer 311 . For example, one of central portion 310 and second outer layer 312 is an n-type semiconductor, the other is a p-type semiconductor, and first outer layer 311 is an active layer. Such structures are formed using MOCVD, for example. Although the figure shows an example in which the cross-section of the columnar crystal 30 parallel to the substrate 400 is hexagonal, the cross-section of the columnar crystal 30 may be other polygonal or circular. It can be.

図２に戻り、光デバイス１０は基板４００をさらに含む。複数の柱状結晶３０は基板４００の同一面に設けられている。基板４００としてはたとえば、半導体、ガラス、および金属の少なくともいずれかを含む基板が挙げられる。基板４００は、複数の層から成っていても良い。本図の例において、基板４００は、第１の層４０３および第２の層４０４を含む。第１の層４０３はたとえばサファイア、Ｓｉ、またはシリカガラス（ＳｉＯ_２）であり、第２の層４０４はたとえばIII-V族半導体である。第２の層４０４は、柱状結晶３０と接合している。III-V族半導体としては、柱状結晶３０に関して説明した通りである。また、基板４００はさらに多層膜反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を含んでも良い。基板４００は、最表面にIII-V族半導体を含むことが好ましい。また、基板４００は、最表面に金属を含んでも良い。 Returning to FIG. 2, optical device 10 further includes substrate 400 . A plurality of columnar crystals 30 are provided on the same surface of the substrate 400 . Substrate 400 includes, for example, a substrate containing at least one of semiconductor, glass, and metal. The substrate 400 may consist of multiple layers. In the example of this figure, substrate 400 includes first layer 403 and second layer 404 . The first layer 403 is, for example, sapphire, Si, or silica glass (SiO ₂ ), and the second layer 404 is, for example, a III-V semiconductor. The second layer 404 is bonded to the columnar crystals 30 . The III-V group semiconductor is as described with respect to the columnar crystal 30 . Also, the substrate 400 may further include a multilayer reflector (Distributed Bragg Reflector: DBR). Substrate 400 preferably includes a III-V group semiconductor on the outermost surface. Also, the substrate 400 may contain a metal on the outermost surface.

基板４００はたとえば、サファイア基板などの下地基板（第１の層４０３）上にIII-V族半導体層（第２の層４０４）をエピタキシャル成長させて得ることができる。具体的には、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により、下地基板上に窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどのバッファ層（図示せず）を低温プロセスで成長させ、このバッファ層上にIII-V族半導体層を成長させる。 Substrate 400 can be obtained, for example, by epitaxially growing a III-V group semiconductor layer (second layer 404) on a base substrate (first layer 403) such as a sapphire substrate. Specifically, a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is used to deposit a buffer layer (not shown) of gallium nitride, aluminum nitride, or the like on a base substrate. is grown by a low-temperature process, and a III-V group semiconductor layer is grown on this buffer layer.

本図の例において光デバイス１０は、基板４００の表面に膜４１０をさらに備える。膜４１０には開口４１１が設けられており、柱状結晶３０は、開口４１１を通っている。より詳しくは、膜４１０は基板４００の第１面４０１に形成されている。膜４１０には複数の開口が設けられており、各開口を通って一つの柱状結晶３０が、第１面４０１に垂直な方向に延びている。また、本図の例では柱状結晶３０の底部において、柱状結晶３０の側面は第１面４０１に垂直である。膜４１０は柱状結晶３０を成長させる際、マスク、すなわち成長抑制膜として機能する。膜４１０はたとえばＴｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｗ、およびＭｏからなる群から選択される一以上の金属を含む膜である。膜４１０は金属の酸化物および窒化物のうち少なくとも一方を含んでも良い。また、膜４１０は窒化シリコン、酸化シリコン等の、シリコンを含む膜であっても良いし、グラフェンであっても良い。膜４１０の厚さは例えば２ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。なお、光デバイス１０は膜４１０を備えていなくても良い。 In the example of this figure, the optical device 10 further comprises a film 410 on the surface of the substrate 400 . An opening 411 is provided in the membrane 410 and the columnar crystal 30 passes through the opening 411 . More specifically, film 410 is formed on first surface 401 of substrate 400 . A plurality of openings are provided in the film 410 , and one columnar crystal 30 extends in a direction perpendicular to the first surface 401 through each opening. In addition, in the example of this figure, the side surface of the columnar crystal 30 is perpendicular to the first surface 401 at the bottom of the columnar crystal 30 . The film 410 functions as a mask, that is, a growth suppressing film when the columnar crystal 30 is grown. Film 410 is, for example, a film containing one or more metals selected from the group consisting of Ti, Ta, Fe, Ni, Pt, Au, Co, W, and Mo. Film 410 may include at least one of metal oxides and nitrides. The film 410 may be a film containing silicon such as silicon nitride or silicon oxide, or may be graphene. The thickness of the film 410 is, for example, 2 nm or more and 100 nm or less. Note that the optical device 10 may not have the film 410 .

なお、複数の柱状結晶３０の間には、絶縁材料等、柱状結晶３０の材料とは異なる材料が充填されていても良い。 Note that the space between the plurality of columnar crystals 30 may be filled with a material different from the material of the columnar crystals 30, such as an insulating material.

図３は、本実施形態に係る光デバイス１０の構造の変形例１を示す断面図である。本変形例に係る光デバイス１０は、第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂをさらに有する点を除いて実施形態に係る光デバイス１０と同様である。第１電極４３０ａは柱状結晶３０の頂部に接続されている。詳しくは、第１電極４３０ａは複数の柱状結晶３０の頂部にわたって連続して形成されている。一方第２電極４３０ｂは基板４００に接続されている。本図の例において、膜４１０には、第２電極４３０ｂを設けるための開口がさらに設けられている。光デバイス１０が発光デバイスである場合、本実施例において光デバイス１０は、電流注入により光を出力する。具体的には第１電極４３０ａと第２電極４３０ｂとの間に電圧を印加することにより、複数の柱状結晶３０に電子およびホールを注入し、柱状結晶３０を発光させることができる。また、光デバイス１０が受光デバイスである場合、発生した電気エネルギーが第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂを通じて取り出される。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing Modification 1 of the structure of the optical device 10 according to this embodiment. The optical device 10 according to this modification is the same as the optical device 10 according to the embodiment except that it further has a first electrode 430a and a second electrode 430b. The first electrode 430 a is connected to the top of the columnar crystal 30 . Specifically, the first electrode 430 a is formed continuously over the tops of the plurality of columnar crystals 30 . On the other hand, the second electrode 430b is connected to the substrate 400. FIG. In the example of this figure, the membrane 410 is further provided with an opening for providing the second electrode 430b. When the optical device 10 is a light-emitting device, the optical device 10 outputs light by current injection in this embodiment. Specifically, by applying a voltage between the first electrode 430a and the second electrode 430b, it is possible to inject electrons and holes into the plurality of columnar crystals 30 and cause the columnar crystals 30 to emit light. Also, when the optical device 10 is a light receiving device, the generated electrical energy is taken out through the first electrode 430a and the second electrode 430b.

第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂは、それぞれ金属膜および透明導電膜の少なくともいずれかを含む電極である。第１電極４３０ａの材料と第２電極４３０ｂの材料とは互いに異なっていてもよいし同じであっても良い。金属膜としてはＡｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ等が挙げられる。また、透明導電膜としては、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ等の金属酸化物やグラフェン等が挙げられる。また、電極は、金属の多層構造または金属酸化物層と金属層とを含む多層構造を有していても良い。金属酸化物層と金属層とを含む多層構造としては、ＩＴＯ、Ａｇ、およびＩＴＯをこの順に積層した構造や、ＡＺＯ、Ａｇ、およびＡＺＯをこの順に積層した構造等が挙げられる。さらに、第１電極４３０ａは、柱状結晶３０側から光透過性が高い金属の薄膜導電膜と透明導電膜とを積層させた構造であっても良い。 The first electrode 430a and the second electrode 430b are electrodes each including at least one of a metal film and a transparent conductive film. The material of the first electrode 430a and the material of the second electrode 430b may be different or the same. Examples of metal films include Al, Pt, Au, Ag, Ni, Pd, and the like. Moreover, metal oxides, such as ITO, IZO, IGZO, ZnO, and AZO, graphene, etc. are mentioned as a transparent conductive film. The electrode may also have a multi-layer structure of metals or a multi-layer structure including a metal oxide layer and a metal layer. A multilayer structure including a metal oxide layer and a metal layer includes a structure in which ITO, Ag, and ITO are laminated in this order, a structure in which AZO, Ag, and AZO are laminated in this order, and the like. Furthermore, the first electrode 430a may have a structure in which a metal thin film conductive film with high light transmittance and a transparent conductive film are laminated from the columnar crystal 30 side.

図４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る光デバイス１０の製造方法を例示する図である。本製造方法は、膜４１０を形成する工程および構造体１００を得る工程を含む。膜４１０を形成する工程では、基板４００の第１面４０１に、開口４１１が設けられた膜４１０を形成する。構造体１００を得る工程では、膜４１０の開口４１１から柱状結晶３０を成長させて構造体１００を得る。構造体１００は、複数の柱状結晶３０が規則的に配列して成る集合体２０を複数含む。柱状結晶３０はIII-V族半導体を含む。複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置する。そして、同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さい。 4A and 4B are diagrams illustrating the method for manufacturing the optical device 10 according to this embodiment. The manufacturing method includes the steps of forming film 410 and obtaining structure 100 . In the step of forming the film 410 , the film 410 provided with the openings 411 is formed on the first surface 401 of the substrate 400 . In the step of obtaining the structure 100 , the structure 100 is obtained by growing the columnar crystals 30 from the openings 411 of the film 410 . The structure 100 includes a plurality of aggregates 20 in which a plurality of columnar crystals 30 are arranged regularly. The columnar crystal 30 contains a III-V group semiconductor. Each of the plurality of aggregates 20 is positioned at different lattice points of the first lattice when viewed from the direction perpendicular to the substrate 400 . The minimum value d _i of the center axis distance of the _columnar crystals 30 belonging to the same aggregate 20 is smaller than the minimum value do of the center axis distances of the columnar crystals 30 belonging to different aggregates 20 .

本製造方法では、構造体１００をそのまま光デバイス１０としてもよい。また、本製造方法は構造体１００に対して電極を形成する工程をさらに含んでも良い。電極を形成する工程では、構造体１００に対して第１電極４３０ａおよび第２電極４３０ｂ等を形成して光デバイス１０を得る。 In this manufacturing method, the structure 100 may be used as the optical device 10 as it is. Also, the manufacturing method may further include a step of forming electrodes on the structure 100 . In the step of forming the electrodes, the optical device 10 is obtained by forming the first electrode 430a, the second electrode 430b, and the like on the structure 100. FIG.

本実施形態に係る光デバイス１０の製造方法について以下に詳しく説明する。膜４１０を形成する工程では、まず基板４００の第１面４０１に蒸着法等により膜４１０を成膜する。次いで膜４１０に開口４１１を形成する。開口４１１を形成する方法としては、たとえばレジストパターンをエッチングマスクとして膜４１０の一部をエッチングする方法、およびＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用い、収束イオンビームを膜４１０に照射して開口４１１を形成する方法が挙げられる。開口４１１を形成する工程において、基板４００にはわずかに凹部が形成されても良い。開口４１１は柱状結晶３０を形成しようとする位置に形成される。開口４１１の形状は第１面４０１に垂直な方向から見て円、矩形、多角形等であり得る。 A method for manufacturing the optical device 10 according to this embodiment will be described in detail below. In the step of forming the film 410, first, the film 410 is formed on the first surface 401 of the substrate 400 by vapor deposition or the like. Openings 411 are then formed in membrane 410 . As a method for forming the opening 411, for example, a method of etching a part of the film 410 using a resist pattern as an etching mask, and an FIB (Focused Ion Beam) method are used to irradiate the film 410 with a focused ion beam to form the opening 411. method of forming. In the step of forming the opening 411, the substrate 400 may be slightly recessed. Openings 411 are formed at positions where columnar crystals 30 are to be formed. The shape of the opening 411 may be circular, rectangular, polygonal, or the like when viewed from the direction perpendicular to the first surface 401 .

構造体１００を得る工程では、開口４１１に露出した基板４００から、柱状結晶３０を成長させる。柱状結晶３０の成長させる方法としてはたとえばＭＯＣＶＤ法、およびＲＦ（Radio Frequency）－ＭＢＥ法等のＭＢＥ法が挙げられる。柱状結晶３０は開口４１１内の全体に形成され、膜４１０の上方まで成長する。なお、上方とは、膜４１０を基準に基板４００とは反対側の方向である。ただし、本方向は、光デバイス１０の製造および使用状態における上下方向とは無関係である。 In the process of obtaining structure 100 , columnar crystals 30 are grown from substrate 400 exposed in openings 411 . Methods for growing the columnar crystals 30 include, for example, the MOCVD method and the MBE method such as the RF (Radio Frequency)-MBE method. The columnar crystals 30 are formed entirely within the openings 411 and grow up to the top of the film 410 . Note that the upward direction is the direction opposite to the substrate 400 with respect to the film 410 . However, this direction is irrelevant to the vertical direction in the manufacturing and usage conditions of the optical device 10 .

膜４１０の上方まで成長した柱状結晶３０を、さらに膜４１０の第１面４１２で、第１面４０１に平行な方向に横方向成長させても良い。ここで、第１面４１２は、膜４１０のうち、基板４００に対向する面とは反対側の面である。その場合、柱状結晶３０の断面積は膜４１０の第１面４１２側で開口４１１の面積よりも大きくなる。なお、柱状結晶３０を横方向成長させるためには、相対的に窒素供給量を増加する方法や、成長温度を相対的に下げる方法、ＡｌやＩｎを添加する方法等がある。すべての柱状結晶３０が同時に形成されることにより、基板４００に形成された同じパターン内の複数の柱状結晶３０の高さは互いにほぼ同じとなる。 The columnar crystals 30 grown above the film 410 may be laterally grown on the first surface 412 of the film 410 in a direction parallel to the first surface 401 . Here, the first surface 412 is the surface of the film 410 opposite to the surface facing the substrate 400 . In that case, the cross-sectional area of the columnar crystal 30 becomes larger than the area of the opening 411 on the first surface 412 side of the film 410 . In order to grow the columnar crystal 30 in the lateral direction, there are a method of relatively increasing the nitrogen supply amount, a method of relatively decreasing the growth temperature, a method of adding Al or In, and the like. By forming all the columnar crystals 30 at the same time, the heights of the plurality of columnar crystals 30 within the same pattern formed on the substrate 400 are approximately the same.

柱状結晶３０を成長させる間に、原料の種類や供給量等を制御することにより、柱状結晶３０に複数の層を形成することができる。 A plurality of layers can be formed on the columnar crystals 30 by controlling the type and supply amount of the raw material while the columnar crystals 30 are being grown.

柱状結晶３０をボトムアップで形成することにより、良質な柱状結晶３０を制御性よく得ることができる。また、柱状結晶３０のアスペクト比を高くすることができ、フォトニック結晶構造による光制御効果が高まる。柱状結晶３０の幅をｗとし、柱状結晶３０の高さをｈとしたとき、ｈ／ｗはたとえば１以上５０以下である。ｈ／ｗは１．５以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましい。 By forming the columnar crystals 30 from the bottom up, it is possible to obtain good quality columnar crystals 30 with good controllability. Moreover, the aspect ratio of the columnar crystal 30 can be increased, and the light control effect by the photonic crystal structure is enhanced. When the width of the columnar crystal 30 is w and the height of the columnar crystal 30 is h, h/w is, for example, 1 or more and 50 or less. h/w is preferably 1.5 or more, more preferably 2 or more.

柱状結晶３０の高さｈはたとえば０．２μｍ以上である。また柱状結晶３０の高さｈはたとえば５μｍ以下である。柱状結晶３０の幅ｗはたとえば５００ｎｍ以下である。上述の貫通転位の離脱効果および歪み緩和効果をより効果的に発現させるために、柱状結晶３０の幅ｗは３００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。柱状結晶３０の幅ｗはたとえば１０ｎｍ以上である。 The height h of columnar crystal 30 is, for example, 0.2 μm or more. Also, the height h of the columnar crystal 30 is, for example, 5 μm or less. Width w of columnar crystal 30 is, for example, 500 nm or less. The width w of the columnar crystal 30 is preferably 300 nm or less, more preferably 200 nm or less, and more preferably 150 nm or less in order to more effectively exhibit the above-described threading dislocation separation effect and strain relaxation effect. is more preferred. Width w of columnar crystal 30 is, for example, 10 nm or more.

細い柱状結晶３０をボトムアップ成長させることで、基板４００を問わず貫通転位密度が低い柱状結晶３０が得られる。たとえば、基板４００の柱状結晶３０と接合する層が、Ｓｉ層や、金属層、または貫通転位密度の高い半導体層等であったとしても、柱状結晶３０における貫通転位の密度をたとえば５×１０^４ｃｍ^－２以下とすることができる。基板４００等の条件によって、貫通転位の密度は好ましくは１０^４ｃｍ^－２以下とすることができ、より好ましくは１０^３ｃｍ^－２以下とすることができ、さらに好ましくは１０^２ｃｍ^－２以下とすることができる。また、柱状結晶３０の貫通転位密度を、基板４００のうち柱状結晶３０と接合する層の貫通転位密度の１００分の１以下とすることができる。さらに、柱状結晶３０に含まれる層において、不整合転位が発生する臨界厚さを厚くすることができる。 By growing thin columnar crystals 30 from the bottom up, columnar crystals 30 with a low threading dislocation density can be obtained regardless of the substrate 400 . For example, even if the layer bonded to the columnar crystal 30 of the substrate 400 is a Si layer, a metal layer, or a semiconductor layer with a high threading dislocation density, the density of threading dislocations in the columnar crystal 30 is set to 5×10 ⁴ , for example. cm ⁻² or less. Depending on the conditions of the substrate 400, etc., the threading dislocation density can be preferably 10 ⁴ cm ⁻² or less, more preferably 10 ³ cm ⁻² or less, and still more preferably 10 ² cm ⁻² or less. can be Further, the threading dislocation density of the columnar crystals 30 can be set to 1/100 or less of the threading dislocation density of the layer of the substrate 400 which is bonded to the columnar crystals 30 . Furthermore, in the layers included in the columnar crystal 30, the critical thickness at which misfit dislocations occur can be increased.

なお、柱状結晶３０の高さｈとは、基板４００と柱状結晶３０の接合面から柱状結晶３０の最頂点までの高さであり、第１面４０１に垂直な方向の高さである。また、柱状結晶３０の幅ｗとは、基板４００の第１面４０１に平行な柱状結晶３０の基準断面における内接円の直径である。ここで、基準断面は柱状結晶３０の根元部分での断面である。柱状結晶３０の根元部分とは、たとえば第１面４０１から２００ｎｍ以内の範囲である。なお、光デバイス１０の製造において、膜４１０の上で柱状結晶３０を横方向成長させる場合、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面は一様でない。そして、根元部分で第１面４０１側から順に、細い部分と太い部分とが存在し、これらの部分の境界では柱状結晶３０の断面積がステップ状に大きくなる。この境界は、膜４１０の上面、すなわち、膜４１０の第１面４０１側とは反対側の面と同一平面上にある。そして、この太い部分の断面を基準断面とする。具体的には、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面が一様でなく、かつ光デバイス１０が膜４１０を有する場合、基準断面は、膜４１０を基準に基板４００とは反対側で、膜４１０に接する部分の断面である。また、柱状結晶３０の根元部分で柱状結晶３０の断面が一様でなく、かつ膜４１０が取り除かれて光デバイス１０が膜４１０を有さない場合、第１面４０１から２００ｎｍ以内の範囲内で、かつ第１面４０１との接合部に比べて断面積が大きい部分の断面を基準断面とする。 Note that the height h of the columnar crystal 30 is the height from the bonding surface between the substrate 400 and the columnar crystal 30 to the highest vertex of the columnar crystal 30 and is the height in the direction perpendicular to the first surface 401 . The width w of the columnar crystal 30 is the diameter of the inscribed circle in the reference cross section of the columnar crystal 30 parallel to the first surface 401 of the substrate 400 . Here, the reference cross section is a cross section at the root portion of the columnar crystal 30 . The root portion of columnar crystal 30 is, for example, a range within 200 nm from first surface 401 . When the columnar crystal 30 is laterally grown on the film 410 in manufacturing the optical device 10 , the cross section of the columnar crystal 30 is not uniform at the root portion of the columnar crystal 30 . A thin portion and a thick portion exist in order from the first surface 401 side at the root portion, and the cross-sectional area of the columnar crystal 30 increases stepwise at the boundary between these portions. This boundary is flush with the top surface of membrane 410 , that is, the surface of membrane 410 opposite to first surface 401 . Then, the cross section of this thick portion is used as a reference cross section. Specifically, when the cross section of the columnar crystal 30 is not uniform at the root portion of the columnar crystal 30 and the optical device 10 has the film 410 , the reference cross section is on the opposite side of the substrate 400 with respect to the film 410 . , a cross-section of a portion in contact with the membrane 410. FIG. In addition, when the cross section of the columnar crystal 30 is not uniform at the root portion of the columnar crystal 30 and the film 410 is removed and the optical device 10 does not have the film 410, the thickness is within 200 nm from the first surface 401. , and the cross-section of a portion having a larger cross-sectional area than the joint with the first surface 401 is defined as a reference cross-section.

柱状結晶３０の断面形状は特に限定されないが、たとえば円形、矩形、多角形等であり得る。ここで、柱状結晶３０の断面形状とは、第１面４０１に平行な断面の形状である。柱状結晶３０の断面形状は、開口４１１と同じであっても良いし異なっていても良い。また、柱状結晶３０の中心軸は必ずしも開口４１１の中心を通らなくても良い。 The cross-sectional shape of the columnar crystal 30 is not particularly limited, and may be circular, rectangular, polygonal, or the like, for example. Here, the cross-sectional shape of the columnar crystal 30 is the cross-sectional shape parallel to the first surface 401 . The cross-sectional shape of the columnar crystal 30 may be the same as or different from that of the opening 411 . Also, the central axis of the columnar crystal 30 does not necessarily pass through the center of the opening 411 .

一例として柱状結晶３０は角柱状でありえる。なかでも、柱状結晶３０がウルツ鉱型結晶構造を有し、柱状結晶３０の側面にｍ面、すなわち（１０－１０）面が露出する場合、柱状結晶３０は正六角柱となる。 As an example, the columnar crystals 30 can be prismatic. In particular, when the columnar crystal 30 has a wurtzite crystal structure and the m-plane, that is, the (10-10) plane is exposed on the side surface of the columnar crystal 30, the columnar crystal 30 becomes a regular hexagonal prism.

図２の例において、柱状結晶３０はその頂部に斜面を含まず、柱状結晶３０の頂面は第１面４０１に平行な平面である。 In the example of FIG. 2 , the columnar crystal 30 does not include a slope on its top, and the top surface of the columnar crystal 30 is a plane parallel to the first surface 401 .

図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ柱状結晶３０の頂部の形状の変形例を示す図である。これらの変形例では、柱状結晶３０はその頂部にファセット構造を有する。すなわち、柱状結晶３０はその頂部に斜面を有する。斜面は、第１面４０１に対して傾いた面である。ウルツ鉱型結晶構造のIII-V族半導体を、ｃ面（＝（０００１）面）と呼ばれる極性面の方向に成長させて柱状結晶３０を形成した場合、柱状結晶３０の断面形状は、六角形となる。図５（ａ）および（ｂ）の例において、柱状結晶３０の頂部は、斜め上方を向いたファセット面として、ウルツ鉱型結晶構造の半極性面３０４からなる傾斜面を有している。ここで、半極性面３０４としては、たとえば、（１０－１－１）面、（１０－１－３）面、（１１－２２）面、（１１－２４）面、（１０－１２）面が挙げられる。図５（ａ）の例において、柱状結晶３０の頂部は六角錐状である。図５（ｂ）の例において、柱状結晶３０の頂部はさらに、第１面４０１に平行な極性面３０５を有している。結晶の成長条件を調整することで、図５（ａ）または（ｂ）に示す形状の柱状結晶３０が形成できる。 5(a) and 5(b) are diagrams showing modified examples of the shape of the top of the columnar crystal 30, respectively. In these variations, the columnar crystal 30 has a facet structure on its top. That is, the columnar crystal 30 has a slope at its top. A slope is a surface that is inclined with respect to the first surface 401 . When a III-V group semiconductor with a wurtzite crystal structure is grown in the direction of the polar plane called the c-plane (=(0001) plane) to form the columnar crystal 30, the cross-sectional shape of the columnar crystal 30 is hexagonal. becomes. In the examples of FIGS. 5(a) and (b), the apex of the columnar crystal 30 has an obliquely upward facing facet plane consisting of a semi-polar plane 304 of the wurtzite crystal structure. Here, the semipolar plane 304 includes, for example, the (10-1-1) plane, the (10-1-3) plane, the (11-22) plane, the (11-24) plane, and the (10-12) plane. are mentioned. In the example of FIG. 5(a), the top of the columnar crystal 30 is hexagonal pyramidal. In the example of FIG. 5( b ), the top of the columnar crystal 30 further has a polar plane 305 parallel to the first plane 401 . By adjusting the crystal growth conditions, the columnar crystal 30 having the shape shown in FIG. 5(a) or (b) can be formed.

なお、光デバイス１０の製造方法は上記したボトムアップの例に限定されない。光デバイス１０はエッチングによるトップダウンで複数の柱状結晶３０を形成することにより製造されてもよい。 Note that the method for manufacturing the optical device 10 is not limited to the bottom-up example described above. The optical device 10 may be manufactured by forming a plurality of columnar crystals 30 from the top down by etching.

図６（ａ）～（ｅ）はそれぞれ、本実施形態に係る複数の集合体２０を例示する平面図である。図６（ａ）は各集合体２０が柱状結晶３０を３個含む例を示しており、図６（ｂ）は各集合体２０が柱状結晶３０を４個含む例を示しており、図６（ｃ）は各集合体２０が柱状結晶３０を７個含む例を示しており、図６（ｄ）は各集合体２０が柱状結晶３０を９個含む例を示しており、図６（ｅ）は各集合体２０が柱状結晶３０を１２個含む例を示している。 6A to 6E are plan views illustrating a plurality of aggregates 20 according to this embodiment. FIG. 6(a) shows an example in which each aggregate 20 includes three columnar crystals 30, and FIG. 6(b) shows an example in which each aggregate 20 includes four columnar crystals 30. (c) shows an example in which each assembly 20 includes seven columnar crystals 30, FIG. 6(d) shows an example in which each assembly 20 includes nine columnar crystals 30, and FIG. ) shows an example in which each aggregate 20 includes twelve columnar crystals 30 .

集合体２０が含む柱状結晶３０の数は特に限定されないが、３個以上であることが好ましく、７個以上であることがより好ましい。そうすれば、より小さい径の柱状結晶３０を用いることができる。 The number of columnar crystals 30 included in aggregate 20 is not particularly limited, but is preferably 3 or more, more preferably 7 or more. Then, a columnar crystal 30 with a smaller diameter can be used.

集合体２０内での柱状結晶３０の配置は特に限定されない。複数の集合体２０のぞれぞれは、基板４００に垂直な方向から見てｎ回対称性を有する構造とすることができる。ここで、ｎは２以上の整数である。具体的にはたとえば、集合体２０において複数の柱状結晶３０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て第２の格子の互いに異なる格子点に位置してもよい。中でも、集合体２０の充填率を高める観点から、柱状結晶３０は第２の格子において、一の閉じた外周線の内側で全ての格子点に配置されていることが好ましい。第２の格子はたとえば、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである。 The arrangement of the columnar crystals 30 within the assembly 20 is not particularly limited. Each of the plurality of aggregates 20 can have a structure having n-fold symmetry when viewed from the direction perpendicular to the substrate 400 . Here, n is an integer of 2 or more. Specifically, for example, each of the plurality of columnar crystals 30 in aggregate 20 may be positioned at different lattice points of the second lattice when viewed from the direction perpendicular to substrate 400 . Above all, from the viewpoint of increasing the packing rate of aggregate 20, columnar crystals 30 are preferably arranged at all lattice points inside one closed outer peripheral line in the second lattice. The second lattice is, for example, at least one of a triangular lattice, a hexagonal lattice, a square lattice, an oblique lattice, and a rectangular lattice.

複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て２回対称性を有してもよい。たとえば、集合体２０において、複数の柱状結晶３０は直線状に並んだ配置とすることができる。複数の集合体２０のそれぞれが２回対称性を有することにより、光デバイス１０の出力光の偏光を制御したり、光の出力方向や指向性を制御したりすることができる。また、複数の集合体２０のそれぞれは、基板４００に垂直な方向から見て線対称であり得る。この場合でも、光デバイス１０の出力光の偏光を制御したり、光の出力方向や指向性を制御したりすることができる。たとえばレーザをディスプレイに応用する場合等、偏光方向を制御したレーザが求められる場合に、このような偏光が制御された光デバイス１０が特に有効である。このような光デバイス１０の応用例としては、液晶のバックライト光源が挙げられる。 Each of the multiple aggregates 20 may have two-fold symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate 400 . For example, in aggregate 20, a plurality of columnar crystals 30 can be arranged in a straight line. Since each of the plurality of aggregates 20 has two-fold symmetry, it is possible to control the polarization of the output light from the optical device 10 and the output direction and directivity of the light. Also, each of the plurality of aggregates 20 may be line-symmetrical when viewed from the direction perpendicular to the substrate 400 . Even in this case, the polarization of the output light from the optical device 10 can be controlled, and the output direction and directivity of the light can be controlled. Such a polarization-controlled optical device 10 is particularly effective when a laser whose polarization direction is controlled is required, for example, when a laser is applied to a display. An application example of such an optical device 10 is a liquid crystal backlight source.

図７（ａ）～（ｅ）および図８（ａ）～（ｇ）はそれぞれ、本実施形態に係る複数の集合体２０を例示する平面図である。図７（ａ）および（ｂ）は各集合体２０が３回対称性を有する例を示しており、図７（ｃ）～（ｅ）は各集合体２０が２回対称性を有する例を示している。図８（ａ）は各集合体２０が６回対称性を有する例を示しており、図８（ｂ）～（ｆ）は各集合体２０が対称性を有さない例を示している。図７（ａ）～（ｅ）、図８（ａ）および（ｇ）の例では各集合体２０が線対称である。図８（ｇ）の例では各集合体２０は回転対称性を有さないが、線対称である。 FIGS. 7(a) to (e) and FIGS. 8(a) to (g) are respectively plan views illustrating a plurality of aggregates 20 according to this embodiment. 7(a) and (b) show examples in which each aggregate 20 has three-fold symmetry, and FIGS. 7(c) to (e) show examples in which each aggregate 20 has two-fold symmetry. showing. FIG. 8(a) shows an example in which each aggregate 20 has 6-fold symmetry, and FIGS. 8(b) to (f) show examples in which each aggregate 20 does not have symmetry. In the examples of FIGS. 7(a) to (e) and FIGS. 8(a) and (g), each assembly 20 is axisymmetric. In the example of FIG. 8(g), each assembly 20 does not have rotational symmetry, but has line symmetry.

光デバイス１０が有する集合体２０の数は特に限定されない。ただし良好な光制御効果を得るために、光デバイス１０は１０個以上の集合体を含むことが好ましい。また、複数の集合体２０における柱状結晶３０の配置は、全ての集合体２０について同じであっても良いし、同じでなくても良い。 The number of assemblies 20 included in the optical device 10 is not particularly limited. However, in order to obtain a good light control effect, the optical device 10 preferably includes ten or more aggregates. Also, the arrangement of the columnar crystals 30 in the plurality of aggregates 20 may or may not be the same for all aggregates 20 .

上述した通り、複数の集合体２０はそれぞれ第１の格子の互いに異なる格子点に位置している。そして光デバイス１０の動作波長は、第１の格子の格子定数に依存する。第１の格子はたとえば、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである。図１、図６（ａ）～（ｅ）、図７（ａ）～（ｅ）、および図８（ａ）～（ｇ）の例において、第１の格子は三角格子であり、かつ六角格子である。 As described above, the plurality of aggregates 20 are positioned at grid points different from each other in the first grid. The operating wavelength of the optical device 10 then depends on the lattice constant of the first grating. The first lattice is, for example, at least one of a triangular lattice, a hexagonal lattice, a square lattice, an oblique lattice, and a rectangular lattice. In the examples of FIGS. 1, 6(a)-(e), 7(a)-(e), and 8(a)-(g), the first lattice is a triangular lattice and a hexagonal lattice. is.

図９は、第１の格子が正方格子である例を示す平面図である。 FIG. 9 is a plan view showing an example in which the first lattice is a square lattice.

第１の格子の格子定数α_１はたとえば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。そうすれば、光デバイス１０は紫外域から赤外域まで間の波長帯で動作することができる。また、第１の格子の格子定数α_１が２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であれば、光デバイス１０を可視光域の波長帯で動作するフォトニック結晶を有する構造とすることができる。ここで、格子定数α_１は、単位格子を構成する辺の長さである。なお、第１の格子が長方格子等であり複数の格子定数が存在する場合、格子定数α_１はそれらのうち最も大きな格子定数を示す。 The lattice constant α1 of the _first lattice is, for example, 50 nm or more and 1000 nm or less, preferably 100 nm or more and 1000 nm or less. The optical device 10 can then operate in a wavelength band between the ultraviolet and infrared regions. Also, if the lattice constant α1 of the _first lattice is 200 nm or more and 500 nm or less, the optical device 10 can have a structure having a photonic crystal that operates in the visible light wavelength band. Here, the lattice constant α1 is the length of the _side that constitutes the unit lattice. When the first lattice is a rectangular lattice or the like and has a plurality of lattice constants, the lattice constant α1 indicates the largest lattice constant _among them.

基板４００に垂直な方向から見て、第１の格子の単位格子における柱状結晶３０の充填率ｆはたとえば３０％以上であり、好ましくは４０％以上である。そうすれば、フォトニック結晶による光制御の効果が高まるとともに、柱状結晶３０の頂部に電極を設ける場合にも金属の回り込みによる電流リークを低減できる。 When viewed from the direction perpendicular to substrate 400, the filling factor f of columnar crystals 30 in the unit lattice of the first lattice is, for example, 30% or more, preferably 40% or more. By doing so, the effect of light control by the photonic crystal can be enhanced, and current leakage due to the wraparound of metal can be reduced even when the electrode is provided on the top of the columnar crystal 30 .

なお充填率ｆは、基準断面における単位格子の面積をＳ_ｕとし、単位格子中の柱状結晶３０が占める面積をＳ_ｐとしたとき、Ｓ_ｐ／Ｓ_ｕ×１００［％］で表される。基準断面については上述した通りである。 The filling factor _f is represented by _Sp /S _u ×100 [%], where _Su is the area of the unit cell in the reference cross section and Sp is the area occupied by the columnar crystals 30 in the unit cell. The reference cross section is as described above.

図１０は、複数の集合体２０の構造を例示する平面図である。本図を参照し、ｄ_ｏおよびｄ_ｉについて詳しく説明する。上述した通り、光デバイス１０においてｄ_ｉはｄ_ｏよりも小さい。ｄ_ｉは同一の集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値であり、ｄ_ｏは互いに異なる集合体２０に属する柱状結晶３０の中心軸間距離の最小値である。ｄ_ｏおよびｄ_ｉについては、以下のように言い換えることができる。光デバイス１０が第１の集合体２０ａと、第１の集合体２０ａに最も近い第２の集合体２０ｂとを有する。そして、第１の集合体２０ａに含まれる一の柱状結晶３０と第２の集合体２０ｂに含まれる一の柱状結晶３０との組み合わせのうち、最も近い組み合わせである二つの柱状結晶３０の中心軸間距離がｄ_ｏである。一方、第１の集合体２０ａに含まれる複数の柱状結晶３０のうち互いに最も近い二つの柱状結晶３０の中心間距離がｄ_ｉである。ｄ_ｉ／ｄ_ｏはたとえば０．２以上０．９５以下であり、好ましくは０．４以上０．９５以下である。ｄ_ｉがｄ_ｏよりも小さいことにより、複数の柱状結晶３０が互いに寄り合った集合体２０が構成される。そして、第１の格子に基づくフォトニック結晶の光制御効果が発現する。 FIG. 10 is a plan view illustrating the structure of a plurality of aggregates 20. FIG. With reference to this figure, d _o and d _i will be described in detail. As described above, d _i is smaller than d _o in optical device 10 . d _i is the minimum value of the center axis distance of the _columnar crystals 30 belonging to the same aggregate 20 , and do is the minimum value of the center axis distance of the columnar crystals 30 belonging to the different aggregates 20 . d _o and d _i can be rephrased as follows. The optical device 10 has a first assembly 20a and a second assembly 20b closest to the first assembly 20a. Among combinations of one columnar crystal 30 included in the first aggregate 20a and one columnar crystal 30 included in the second aggregate 20b, the central axes of the two columnar crystals 30 that are the closest combination The distance between _them is do. On the other hand, among the plurality of columnar crystals 30 included in the first assembly 20a, the center-to-center distance between two columnar _crystals 30 that are closest to each other is di. d _i /d _o is, for example, 0.2 or more and 0.95 or less, preferably 0.4 or more and 0.95 or less. When d _i is smaller than d _o , aggregate 20 is formed in which a plurality of columnar crystals 30 are brought together. Then, the light control effect of the photonic crystal based on the first lattice is exhibited.

また、充填率を高める観点から、同一の集合体２０内の柱状結晶３０の側面間の最小距離ｄ_ｗは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ｄ_ｗは上記した基準断面での距離である。そして、同様に充填率を高める観点から、ｄ_ｉ／α_１で表される値は０．２以上０．６以下であることが好ましい。 Moreover, from the viewpoint of increasing the filling rate, the minimum distance _dw between the side surfaces of the columnar crystals 30 in the same assembly 20 is preferably 3 nm or more and 50 nm or less. Note that _dw is the distance on the reference cross section described above. From the viewpoint of similarly increasing the filling rate, the value represented by d _i /α ₁ is preferably 0.2 or more and 0.6 or less.

図１１は、凝集率Ｃについて説明するための図である。光デバイス１０において、凝集率Ｃは５％以上５０％以下であることが好ましく、５％以上３０％以下であることがより好ましい。ここで、凝集率Ｃは、Ｃ＝（α_０－α_２）／α_０×１００［％］で得られる値である。ここで、定数βを用いて、α_０＝α_１／βが成り立つ。α_１は第１の格子の格子定数であり、α_２は第２の格子の格子定数である。本図において、第１の格子と第２の格子がいずれもが六角格子である。その上で本図のように集合体２０が３個の柱状結晶３０からなる場合βは√３である。また、図６（ｂ）のように集合体２０が４個の柱状結晶３０からなる場合βは２であり、図６（ｃ）のように集合体２０が７個の柱状結晶３０からなる場合βは√７である。 FIG. 11 is a diagram for explaining the aggregation rate C. FIG. In the optical device 10, the aggregation rate C is preferably 5% or more and 50% or less, more preferably 5% or more and 30% or less. Here, the aggregation rate C is a value obtained by C=(α ₀ −α ₂ )/α ₀ ×100[%]. where α ₀ =α ₁ /β with constant β. α ₁ is the lattice constant of the first lattice and α ₂ is the lattice constant of the second lattice. In this figure, both the first lattice and the second lattice are hexagonal lattices. Moreover, when the assembly 20 consists of three columnar crystals 30 as shown in this figure, β is √3. β is 2 when the assembly 20 consists of four columnar crystals 30 as shown in FIG. 6B, and when the assembly 20 consists of seven columnar crystals 30 as shown in FIG. β is √7.

凝集率Ｃの意味について以下に説明する。光デバイス１０における柱状結晶３０の配置の設計方法としては、たとえば以下のような方法がある。まず、第３の格子の格子点に一様に配置された複数の柱状結晶を仮定する。この複数の柱状結晶から基準となる基準柱状結晶と、一つの集合体に含める柱状結晶を決める。この基準柱状結晶は、第１の格子の互いに異なる格子点に位置するようにする。そして、各柱状結晶の径を小さくするとともに、基準柱状結晶の周りの柱状結晶を、基準柱状結晶に寄せることにより集合体を形成する。その結果、各集合体中の複数の柱状結晶は、第２の格子の互いに異なる格子点に位置する。 The meaning of the aggregation rate C will be explained below. As a method of designing the arrangement of the columnar crystals 30 in the optical device 10, there are, for example, the following methods. First, assume a plurality of columnar crystals uniformly arranged at the lattice points of the third lattice. A reference columnar crystal serving as a reference and a columnar crystal to be included in one aggregate are determined from the plurality of columnar crystals. The reference columnar crystals are positioned at different lattice points of the first lattice. Then, an aggregate is formed by reducing the diameter of each columnar crystal and bringing the columnar crystals around the reference columnar crystal closer to the reference columnar crystal. As a result, the plurality of columnar crystals in each aggregate are positioned at mutually different lattice points of the second lattice.

このような設計方法において、α_０は第３の格子の格子定数に相当する。そして、凝集率Ｃは、第３の格子の格子定数を基準とした、第２の格子の凝集の程度を意味する。凝集率Ｃは、たとえば複数の柱状結晶３０のそれぞれが第３の格子の互いに異なる格子点に一様に配置された構造（凝集率Ｃ＝０％）と、集合体２０が形成された構造との対比に用いることができる。 In such a design method, α ₀ corresponds to the lattice constant of the third lattice. The aggregation rate C means the degree of aggregation of the second lattice with respect to the lattice constant of the third lattice. The aggregation rate C is, for example, a structure in which the plurality of columnar crystals 30 are uniformly arranged at lattice points different from each other in the third lattice (aggregation rate C=0%), and a structure in which the aggregates 20 are formed. can be used for comparison.

凝集率Ｃが５％以上であれば、第１の格子に基づくより良好なフォトニックバンド構造が得られる。また、凝集率Ｃが３０％以下であれば、柱状結晶３０の充填率ｆが小さくなりすぎない。 If the aggregation rate C is 5% or more, a better photonic band structure based on the first lattice can be obtained. Also, when the aggregation rate C is 30% or less, the filling rate f of the columnar crystals 30 does not become too small.

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、複数の柱状結晶３０からなる集合体２０を格子状に配置することにより、柱状結晶３０の太さをフォトニック結晶の格子定数に縛られることなく決定することができる。したがって、動作波長によらず結晶の質が高い柱状結晶を用いることができ、良好な光出力特性または変換特性を有する光デバイスを実現できる。 Next, the operation and effects of this embodiment will be described. According to this embodiment, by arranging the aggregate 20 composed of the plurality of columnar crystals 30 in a lattice, the thickness of the columnar crystals 30 can be determined without being bound by the lattice constant of the photonic crystal. Therefore, columnar crystals with high crystal quality can be used regardless of the operating wavelength, and an optical device with good light output characteristics or conversion characteristics can be realized.

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。本図は第１の実施形態の図２に対応する。本実施形態に係る光デバイス１０は、柱状結晶３０の太さが軸方向に変化している点を除いて第１の実施形態に係る光デバイス１０と同じである。すなわち本実施形態では、柱状結晶３０は、第１の幅を有する第１領域と、第１の幅とは異なる第２の幅を有する第２領域とを含む。 (Second embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the structure of the optical device 10 according to the second embodiment. This figure corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. The optical device 10 according to this embodiment is the same as the optical device 10 according to the first embodiment except that the thickness of the columnar crystal 30 changes in the axial direction. That is, in this embodiment, the columnar crystal 30 includes a first region having a first width and a second region having a second width different from the first width.

柱状結晶３０は少なくとも一部において互いに離れていれば良く、隣接する他の柱状結晶３０と繋がった部分を一部に有していても良い。 The columnar crystals 30 may be separated from each other at least partially, and may have a portion connected to other adjacent columnar crystals 30 .

本図の例において、具体的には各柱状結晶３０は基板４００から離れるほど太くなっている。そして、複数の柱状結晶３０は頂部において互いに繋がっている。この場合、柱状結晶３０の頂部付近で柱状結晶３０の充填率が高まることにより、等価的な屈折率が上がる。その結果、キャップレイヤーモードが発現し、より強いフォトニック結晶効果が得られる。さらに、光デバイス１０の機械的強度を高めることもできる。 In the example of this figure, specifically, each columnar crystal 30 becomes thicker with increasing distance from the substrate 400 . A plurality of columnar crystals 30 are connected to each other at the top. In this case, the equivalent refractive index increases by increasing the filling factor of the columnar crystals 30 near the top of the columnar crystals 30 . As a result, a cap layer mode is developed and a stronger photonic crystal effect is obtained. Furthermore, the mechanical strength of the optical device 10 can also be increased.

図１３（ａ）は本実施形態に係る光デバイス１０の一例を基板４００に垂直な方向から電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。また、図１３（ｂ）は本実施形態に係る柱状結晶３０の一例を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図１３（ｂ）は、柱状結晶３０を光デバイス１０から取り出し、柱状結晶３０の長さ方向に垂直な方向から柱状結晶３０を見た結果である。 FIG. 13(a) is a view showing the result of observing an example of the optical device 10 according to this embodiment with an electron microscope from a direction perpendicular to the substrate 400. FIG. FIG. 13(b) is a diagram showing the result of observing an example of the columnar crystal 30 according to this embodiment with an electron microscope. FIG. 13B shows the result of removing the columnar crystal 30 from the optical device 10 and viewing the columnar crystal 30 from a direction perpendicular to the length direction of the columnar crystal 30 .

図１３（ａ）および（ｂ）の例において、各集合体２０は３個の柱状結晶３０を含み、Ｃ＝２０％、α_１＝３５０ｎｍである。図１３（ａ）では、少なくとも各集合体２０内において、複数の柱状結晶３０の頂部が直接繋がっていることが分かる。また、図１３（ｂ）では、柱状結晶３０の太さが長さ方向に変化していることが分かり、このことから柱状結晶３０の底部では各柱状結晶３０が独立していることが分かる。なお、複数の柱状結晶３０は各集合体２０内においてのみ繋がっていてもよいし、複数の集合体２０にわたって繋がっていてもよい。また、各柱状結晶３０は中間部にＩｎＧａＮからなる活性層を含み、この活性層では複数の柱状結晶３０は互いに直接繋がっていない。 In the example of FIGS. 13(a) and (b), each aggregate 20 contains three columnar crystals 30, C=20%, α ₁ =350 nm. In FIG. 13( a ), it can be seen that the tops of the plurality of columnar crystals 30 are directly connected at least within each aggregate 20 . Also, in FIG. 13(b), it can be seen that the thickness of the columnar crystals 30 varies in the longitudinal direction, and from this, it can be seen that each columnar crystal 30 is independent at the bottom of the columnar crystals 30. In addition, the plurality of columnar crystals 30 may be connected only within each aggregate 20 or may be connected over the plurality of aggregates 20 . In addition, each columnar crystal 30 includes an active layer made of InGaN in the middle portion, and the plurality of columnar crystals 30 are not directly connected to each other in this active layer.

図１４は、第２の実施形態に係る光デバイス１０の構造の変形例を示す断面図である。本変形例では、柱状結晶３０の頂部付近のみで幅が変化している。具体的には、柱状結晶３０の頂部付近において、柱状結晶３０の幅は基板４００から離れるほど大きくなっている。この場合も、柱状結晶３０の頂部付近で柱状結晶３０の充填率が高まることにより、等価的な屈折率が上がる。その結果、キャップレイヤーモードが発現し、より強いフォトニック結晶効果が得られる。さらに、光デバイス１０の機械的強度を高めることができる。 FIG. 14 is a cross-sectional view showing a modification of the structure of the optical device 10 according to the second embodiment. In this modification, the width changes only near the top of the columnar crystal 30 . Specifically, near the top of columnar crystal 30 , the width of columnar crystal 30 increases with increasing distance from substrate 400 . In this case as well, the equivalent refractive index increases by increasing the filling factor of the columnar crystals 30 near the top of the columnar crystals 30 . As a result, a cap layer mode is developed and a stronger photonic crystal effect is obtained. Furthermore, the mechanical strength of the optical device 10 can be enhanced.

本実施形態に係る光デバイス１０において、複数の柱状結晶３０は少なくとも活性層３０２の部分および底部で互いに独立している。 In the optical device 10 according to this embodiment, the plurality of columnar crystals 30 are independent of each other at least in the active layer 302 portion and bottom portion.

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。くわえて、より強いフォトニック結晶効果が得られるとともに、光デバイス１０の機械的強度を高めることができる。 Next, the operation and effects of this embodiment will be described. According to this embodiment, the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained. In addition, a stronger photonic crystal effect can be obtained, and the mechanical strength of the optical device 10 can be enhanced.

（第３の実施形態）
図１５は、第３の実施形態に係る光デバイス１０の構造を例示する断面図である。本図は第１の実施形態の図２に対応する。本実施形態に係る光デバイス１０は、柱状結晶３０がクラッド層、光閉じ込め層、および活性層を有する点を除いて第１の実施形態および第２の実施形態の少なくともいずれかに係る光デバイス１０と同じである。 (Third Embodiment)
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating the structure of the optical device 10 according to the third embodiment. This figure corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. The optical device 10 according to this embodiment is similar to the optical device 10 according to at least one of the first and second embodiments, except that the columnar crystal 30 has a clad layer, a light confinement layer, and an active layer. is the same as

本図の例において、柱状結晶３０は、バッファ層３０９、ｎ型クラッド層３０６、光閉じ込め層３０７、活性層３０２、光閉じ込め層３０７、およびｐ型クラッド層３０８を基板４００側からこの順に含む。そして、柱状結晶３０の頂部にはコンタクト層４４０および第１電極４３０ａが形成されている。たとえばバッファ層３０９はｎ－ＧａＮであり、ｎ型クラッド層３０６はｎ－ＡｌＧａＮであり、光閉じ込め層３０７はｉ－ＧａＮであり、活性層３０２はＩｎＧａＮであり、ｐ型クラッド層３０８はｐ－ＡｌＧａＮであり、コンタクト層４４０はｐ^＋－ＧａＮであり、第１電極４３０ａはＩＴＯである。ただし、各層および電極の材料は特に限定されない。コンタクト層４４０および第１電極４３０ａは、複数の柱状結晶３０にわたり連続して形成されている。 In the example of this figure, the columnar crystal 30 includes a buffer layer 309, an n-type cladding layer 306, an optical confinement layer 307, an active layer 302, an optical confinement layer 307, and a p-type cladding layer 308 in this order from the substrate 400 side. A contact layer 440 and a first electrode 430 a are formed on the top of the columnar crystal 30 . For example, the buffer layer 309 is n-GaN, the n-type cladding layer 306 is n-AlGaN, the optical confinement layer 307 is i-GaN, the active layer 302 is InGaN, and the p-type cladding layer 308 is p- AlGaN, the contact layer 440 is p ⁺ -GaN, and the first electrode 430a is ITO. However, the materials of each layer and electrodes are not particularly limited. The contact layer 440 and the first electrode 430a are continuously formed over the multiple columnar crystals 30 .

バッファ層３０９は基板４００とｎ型クラッド層３０６との間を接続し、柱状結晶３０の結晶品質を高める機能を有する。ｎ型クラッド層３０６、ｐ型クラッド層３０８、および光閉じ込め層３０７は、活性層３０２に光を閉じ込める機能を有する。柱状結晶３０がこのような構造を有することにより、柱状結晶３０には本図中破線で示したような光電界分布を生じる。すなわち、柱状結晶３０の高さ方向の光電界分布のピークが活性層３０２に位置する。 The buffer layer 309 has a function of connecting between the substrate 400 and the n-type cladding layer 306 and improving the crystal quality of the columnar crystal 30 . The n-type clad layer 306 , the p-type clad layer 308 and the light confinement layer 307 have the function of confining light in the active layer 302 . Since the columnar crystal 30 has such a structure, the columnar crystal 30 produces an optical electric field distribution as indicated by the dashed line in the figure. That is, the peak of the optical electric field distribution in the height direction of the columnar crystal 30 is located in the active layer 302 .

本実施形態に係る光デバイス１０では、柱状結晶３０の歪み緩和効果、および貫通転位の離脱効果により、ＩｎＧａＮの活性層３０２をバルク（厚膜）にした場合でも層内に不整合転位が入りにくい。そして活性層３０２を厚くできることにより、容易に活性層３０２に光が閉じ込められ、基板４００に平行な方向の光導波路が形成され、導波モードが発生する。その結果、一定の光電界分布を保ちつつ横方向に光が伝搬でき、フォトニック結晶とこの層とが有効に作用する。 In the optical device 10 according to the present embodiment, due to the strain relaxation effect of the columnar crystal 30 and the threading dislocation detachment effect, misfit dislocations are less likely to occur in the active layer 302 of InGaN even when the active layer 302 is bulk (thick). . Since the active layer 302 can be thickened, light is easily confined in the active layer 302, an optical waveguide is formed in a direction parallel to the substrate 400, and a waveguide mode is generated. As a result, light can propagate in the lateral direction while maintaining a constant optical electric field distribution, and the photonic crystal and this layer work effectively.

また、活性層３０２をＩｎＧａＮ多重量子井戸とする場合には、光閉じ込め層３０７はＩｎＧａＮであることが好ましい。その上で、活性層３０２のＩｎ組成比よりも光閉じ込め層３０７のＩｎ組成比が小さいことが好ましい。 Moreover, when the active layer 302 is an InGaN multiple quantum well, the optical confinement layer 307 is preferably made of InGaN. In addition, the In composition ratio of the optical confinement layer 307 is preferably smaller than the In composition ratio of the active layer 302 .

上記した例の他、たとえばｎ型クラッド層３０６はｎ－ＩｎＡｌＮであってもよい。また、ｐ型クラッド層３０８はｐ－ＩｎＡｌＮであってもよい。このようにクラッド層がＩｎＡｌＮであり、光閉じ込め層３０７がｉ－ＧａＮ等のＧａＮである場合、光閉じ込め層とクラッド層の間の格子定数の違いを小さく抑えつつ、クラッド層の屈折率を小さくすることができる。その結果、活性層３０２における光電界分布のピークをよりシャープにし、光閉じ込め効果を強めることができる。特にｐ型クラッド層３０８がＩｎＡｌＮである場合には、柱状結晶３０の頂部側の光閉じ込め効果がより強まることにより、コンタクト層４４０や第１電極４３０ａによる光の吸収が低減され、特にレーザとして好適に用いられる光デバイス１０が得られる。 In addition to the examples given above, for example, the n-type cladding layer 306 may be n-InAlN. Also, the p-type cladding layer 308 may be p-InAlN. When the clad layer is made of InAlN and the light confinement layer 307 is made of GaN such as i-GaN, the difference in lattice constant between the light confinement layer and the clad layer is kept small, and the refractive index of the clad layer is reduced. can do. As a result, the peak of the optical electric field distribution in the active layer 302 can be made sharper, and the optical confinement effect can be enhanced. In particular, when the p-type cladding layer 308 is InAlN, the light confinement effect on the top side of the columnar crystal 30 is further strengthened, so that the absorption of light by the contact layer 440 and the first electrode 430a is reduced, which is particularly suitable for a laser. An optical device 10 used for the above is obtained.

なお、層の組成の違いや成長条件の違いに起因して、柱状結晶３０の幅は長さ方向に変化していても良い。各層内で柱状結晶３０の太さは変化していても良いし、一定でも良い。また、柱状結晶３０はクラッド層および光閉じ込め層のうち少なくともいずれかを含んでいなくても良い。 Note that the width of the columnar crystal 30 may vary in the length direction due to differences in layer composition and growth conditions. The thickness of the columnar crystals 30 in each layer may vary or may be constant. Also, the columnar crystal 30 may not include at least one of the clad layer and the light confinement layer.

本実施形態に係る柱状結晶３０は、さらに第２の実施形態または第２の実施形態の変形例に係る柱状結晶３０のように、太さが軸方向に変化していても良い。 The columnar crystal 30 according to the present embodiment may have a thickness that varies in the axial direction, like the columnar crystal 30 according to the second embodiment or the modified example of the second embodiment.

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。 Next, the operation and effects of this embodiment will be described. According to this embodiment, the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained.

以下、上記した実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the above-described embodiments will be described in detail with reference to examples. It should be noted that the embodiments are not limited to the description of these examples.

以下において、各比較例の構造では、柱状結晶間の距離が一様であり、すなわち集合体が構成されていない。そして、柱状結晶は格子定数をα_０とする六角格子（第３の格子）の格子点に一様に配置されている。一方、各実施例の構造は複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含む。複数の集合体のそれぞれは、第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、ｄ_ｉはｄ_ｏよりも小さくなっている。各集合体中、複数の柱状結晶はそれぞれ第２の格子の互いに異なる格子点に位置している。第１の格子の格子定数をα_１とし、第２の格子の格子定数をα_２とする。ｄ_ｉ、ｄ_ｏ、柱状結晶の幅ｗ、充填率ｆおよび凝集率Ｃの定義はそれぞれ実施形態で説明した通りである。また、各実施例および比較例において、柱状結晶は六角柱状とし、第１の格子および第２の格子はいずれも六角格子とした。 In the following, in the structure of each comparative example, the distance between the columnar crystals is uniform, that is, aggregates are not formed. The columnar crystals are uniformly arranged at lattice points of a hexagonal lattice (third lattice) having a lattice constant of _α0 . On the other hand, the structure of each example includes a plurality of aggregates in which a plurality of columnar crystals are arranged regularly. Each of the plurality of aggregates is located at a different lattice point of the first lattice, and d _i is smaller than d _o . In each cluster, the plurality of columnar crystals are located at mutually different lattice points of the second lattice. Let α ₁ be the lattice constant of the first lattice and α ₂ be the lattice constant of the second lattice. The definitions of d _i , d _o , columnar crystal width w, filling rate f, and aggregation rate C are as described in the embodiments. Further, in each of the examples and comparative examples, the columnar crystals were hexagonal columns, and both the first lattice and the second lattice were hexagonal lattices.

実施例１～１１、および比較例１～４に関する各値等は表１～表３に示す通りである。 Tables 1 to 3 show the values of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 4.

＜フォトニックバンド＞
ＰＷＥ（Plane Wave Expansion）法を用いてシミュレーションを行い、構造とフォトニックバンドの関係を調べた。比較例１、２、実施例１～４についてそれぞれ構造のモデルを作成し、各構造を元にＰＷＥ法でＴＥモードについてのフォトニックバンド図を算出した。なお比較例１、２、実施例１～４の構造では、屈折率ｎ＝１の空気中に正六角柱状のＧａＮ結晶である柱状結晶が配置されている。 <Photonic band>
A simulation was performed using the PWE (Plane Wave Expansion) method to investigate the relationship between the structure and the photonic band. Structural models were created for Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 4, respectively, and photonic band diagrams for TE mode were calculated by the PWE method based on each structure. In the structures of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 4, columnar crystals, which are regular hexagonal columnar GaN crystals, are arranged in air with a refractive index of n=1.

図１６（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例１および実施例１に係る構造を示す平面図である。そして、図１６（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ比較例１および実施例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。実施例１において、各集合体は３つの柱状結晶を含み、第１の格子はα_１＝３００ｎｍの六角格子である。実施例１および比較例１においてｆ＝３３．３％、ｗ＝１００ｎｍとした。実施例１においてｄ_ｉ＝α_２＝１０４ｎｍとし、比較例１において格子定数α_０は１７３ｎｍとした。凝集率Ｃは比較例１において０％とし、実施例１において４０％とした。 16A and 16B are plan views showing structures according to Comparative Example 1 and Example 1, respectively. 16C and 16D are diagrams showing photonic bands generated in the structures of Comparative Example 1 and Example 1, respectively. In Example 1, each assembly contains three columnar crystals and the first lattice is a hexagonal lattice with α ₁ =300 nm. In Example 1 and Comparative Example 1, f=33.3% and w=100 nm. In Example 1, d _i =α ₂ =104 nm, and in Comparative Example 1, the lattice constant α ₀ was 173 nm. The aggregation rate C was 0% in Comparative Example 1 and 40% in Example 1.

図１６（ｃ）および（ｄ）中、「ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ」で示した線は、比較例１の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。そして、図１６（ｃ）中、「３－ｃｌｕｓｔｅｒ Ｃ＝０％」で示した線は「ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ」の線で示したバンド図を第１の格子の格子定数に合わせて規格化したものである。そして、図１６（ｄ）中、「３－ｃｌｕｓｔｅｒ Ｃ＝４０％」で示した線は実施例１で示した構造に基づいてシミュレーションを行った結果である。図１６（ｃ）および（ｄ）に示す結果より、実施例１のように柱状結晶の集合体を形成することで、第１の格子に基づくΓ_１１バンド端が下がることが分かる。また、実施例１では比較例１に比べてバンド端の曲線が緩やかになっていることから、より発振しやすい構造であることが分かった。 In FIGS. 16(c) and 16(d), the lines indicated by “triangular” are diagrams showing photonic bands generated in the structure of Comparative Example 1. FIG. In FIG. 16(c), the line indicated by “3-cluster C=0%” is obtained by normalizing the band diagram indicated by the “triangular” line according to the lattice constant of the first lattice. . In FIG. 16D, the line indicated by "3-cluster C=40%" is the result of simulation based on the structure shown in the first embodiment. From the results shown in FIGS. 16(c) and (d), it can be seen that the _Γ11 band edge based on the first lattice is lowered by forming an aggregate of columnar crystals as in Example 1. FIG. In addition, in Example 1, the curve at the band edge is gentler than in Comparative Example 1, so it was found that the structure is more prone to oscillation.

図１７（ａ）～（ｄ）はそれぞれ比較例２および実施例２～実施例４に係る構造を示す平面図である。そして、図１７（ｅ）～（ｈ）はそれぞれ比較例２および実施例２～実施例４の構造で生じるフォトニックバンドを示す図である。実施例２～実施例４において、各集合体は７個の柱状結晶を含む。凝集率Ｃは、比較例２、実施例２、実施例３、実施例４の順に大きくなっており、順に０％、１０％、２０％、３０％である。図１７（ｅ）～（ｈ）に示す結果より、凝集率Ｃが高くなるにつれてΓ_１点でフォトニックバンドがより大きく開くことが分かった。 17A to 17D are plan views showing structures according to Comparative Example 2 and Examples 2 to 4, respectively. 17E to 17H are diagrams showing photonic bands generated in the structures of Comparative Example 2 and Examples 2 to 4, respectively. In Examples 2-4, each aggregate contains 7 columnar crystals. The aggregation rate C increases in the order of Comparative Example 2, Example 2, Example 3, and Example 4, and is 0%, 10%, 20%, and 30% in order. From the results shown in FIGS. 17(e) to 17(h), it was found that the photonic band at the _Γ1 point widens as the aggregation rate C increases.

＜フォトルミネッセンス測定＞
基板上に柱状結晶を成長させて第１の実施形態で説明したような光デバイス構造を作製した。そして、作製した構造に対してＰＬ（Photoluminescence）測定を行った。 <Photoluminescence measurement>
A columnar crystal was grown on a substrate to fabricate an optical device structure as described in the first embodiment. Then, PL (Photoluminescence) measurement was performed on the fabricated structure.

図１８（ａ）～（ｄ）はそれぞれ実施例５～７、および比較例３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図１８（ａ）～（ｄ）は、基板に垂直な方向から観察した結果を示している。実施例５～７、および比較例３に係る光デバイス構造は、それぞれ以下のようにして作製した。まず、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を成長させることで基板を準備した。そして、基板の一面にＴｉ膜を形成し、複数の開口を形成した。そして、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いて各開口から柱状結晶を成長させた。柱状結晶は、ｎ型ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層が基板側からこの順に積層された構造とした。実施例５ではα_１＝２５０ｎｍ、ｗ＝１２０ｎｍとし、実施例６ではα_１＝３００ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍとした。実施例７ではα_１＝３００ｎｍ、ｗ＝９７ｎｍ、Ｃ＝２０％とし、比較例３ではα_０＝１１３ｎｍ、ｗ＝９９ｎｍとした。各集合体に含まれる柱状結晶の数は、実施例５において３個、実施例６において４個、実施例７において７個とした。 18A to 18D are diagrams showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Examples 5 to 7 and Comparative Example 3, respectively. 18(a) to (d) show the results of observation from a direction perpendicular to the substrate. Optical device structures according to Examples 5 to 7 and Comparative Example 3 were produced as follows. First, a substrate was prepared by growing a GaN layer on a sapphire substrate by MOCVD. Then, a Ti film was formed on one surface of the substrate, and a plurality of openings were formed. Then, a columnar crystal was grown from each opening using the RF-MBE method. The columnar crystal had a structure in which an n-type GaN layer and an InGaN layer were laminated in this order from the substrate side. In Example 5, α ₁ =250 nm and w=120 nm, and in Example 6, α ₁ =300 nm and w=100 nm. In Example 7, α ₁ =300 nm, w=97 nm, and C=20%, and in Comparative Example 3, α ₀ =113 nm, w=99 nm. The number of columnar crystals contained in each aggregate was 3 in Example 5, 4 in Example 6, and 7 in Example 7.

図１９（ａ）は、実施例７および比較例３の光デバイス構造に対し、ＩｎＧａＮレーザ（波長４０５ｎｍ、ＣＷ、ＲＴ）による光励起ＰＬ測定を行った結果を示す図である。波長５１８ｎｍの発光ピークが、比較例３よりも実施例７で鋭かった。 FIG. 19(a) is a diagram showing the results of photoexcitation PL measurement by an InGaN laser (wavelength 405 nm, CW, RT) for the optical device structures of Example 7 and Comparative Example 3. FIG. The emission peak at a wavelength of 518 nm was sharper in Example 7 than in Comparative Example 3.

図１９（ｂ）は、実施例７の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。本図中の複数の線の内、ＴＥモードの線を矢印で指し示している。その他の線はＴＭモードの線である。本図から、実施例７の構造において、集合体の配置、すなわち第１の格子に基づくバンド構造が確認された。さらに、ＰＷＥ法による解析結果と照らし合わせると、この波長５１８ｎｍの発光ピークはフォトニックバンドのΓ_１点に起因することが分かった。 FIG. 19B is a diagram showing the results of angle-resolved PL measurement for the optical device structure of Example 7. FIG. Among the plurality of lines in this figure, the TE mode line is indicated by an arrow. Other lines are TM mode lines. From this figure, in the structure of Example 7, the arrangement of aggregates, that is, the band structure based on the first lattice was confirmed. Furthermore, when compared with the analysis results by the PWE method, it was found that this emission peak at a wavelength of 518 nm is caused by the _Γ1 point of the photonic band.

図２０（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例５および実施例６の光デバイス構造に対し、ＰＬ強励起測定を行った結果を示す図である。図２０（ａ）および（ｂ）には、ＰＬスペクトルと共に、発光スポットの画像が示されている。励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いた。励起光強度は実施例５において２．００ＭＷ／ｃｍ^２、実施例６において０．６ＭＷ／ｃｍ^２とし、測定温度はいずれも室温とした。図２０（ａ）および（ｂ）に示すように、実施例５および実施例６のそれぞれにおいて、集合体の配置に基づく波長、すなわち第１の格子に基づく波長に、鋭い発光ピークが確認された。このように、各実施例に係る光デバイスにおいて、青や緑のような比較的短波長の光の出力が可能であることが確かめられた。 20(a) and (b) are diagrams showing the results of PL intense excitation measurement for the optical device structures of Examples 5 and 6, respectively. Figures 20(a) and (b) show an image of the emission spot along with the PL spectrum. A Nd:YAG laser was used for excitation. The excitation light intensity was 2.00 MW/cm ² in Example 5 and 0.6 MW/cm ² in Example 6, and the measurement temperature was room temperature. As shown in FIGS. 20(a) and (b), in each of Examples 5 and 6, a sharp emission peak was confirmed at the wavelength based on the arrangement of the aggregates, that is, the wavelength based on the first grating. . Thus, it was confirmed that the optical devices according to the respective examples were capable of outputting light with relatively short wavelengths such as blue and green.

なお、実施例６と実施例７とでは、集合体内での柱状結晶が互いに異なり、充填率が互いに異なることによりフォトニック結晶のバンド端波長が互いに異なる。すなわち、充填率が変化すれば空間の等価的な屈折率が変化し、光学長が変わるので、動作波長が変化する。 Note that the band edge wavelengths of the photonic crystals of the sixth and seventh embodiments differ from each other due to the difference in the columnar crystals in the aggregate and the difference in the filling factor from each other. That is, if the filling factor changes, the equivalent refractive index of the space will change, and the optical length will change, so the operating wavelength will change.

図２１（ａ）および（ｂ）はそれぞれ比較例４および実施例８に係る光デバイス構造の平面図である。比較例４および実施例８に係る光デバイス構造は、それぞれ以下のようにして作製した。まず、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法でＧａＮ層を成長させ、さらにＲＦ－ＭＢＥ法でＤＢＲ構造を積層することで基板を準備した。ＤＢＲ構造はＡｌＧａＮとＧａＮをそれぞれ４層、交互に設けた積層構造とした。そして、基板の一面にＴｉ膜（厚さ５ｎｍ）をＥＢ（Electron Beam）蒸着法により形成した。次いで、Ｔｉ膜にＥＢリソグラフィおよびドライエッチング（ＣＦ_４，Ｃｌ_２）により複数の開口を形成した。そして、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いて各開口から柱状結晶を成長させた。柱状結晶は、ＳｉをドープしたＧａＮ層、活性層、およびＧａＮ層が基板側からこの順に積層された構造とした。活性層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを含む歪層多重量子井戸（strained-layer multiple quantum well）構造とした。 21A and 21B are plan views of optical device structures according to Comparative Example 4 and Example 8, respectively. The optical device structures according to Comparative Example 4 and Example 8 were produced as follows. First, a GaN layer was grown on a sapphire substrate by MOCVD, and a DBR structure was laminated by RF-MBE to prepare a substrate. The DBR structure was a laminated structure in which four layers of AlGaN and four layers of GaN were alternately provided. Then, a Ti film (5 nm thick) was formed on one surface of the substrate by EB (Electron Beam) vapor deposition. A plurality of openings were then formed in the Ti film by EB lithography and dry etching (CF ₄ , Cl ₂ ). Then, a columnar crystal was grown from each opening using the RF-MBE method. The columnar crystal had a structure in which a Si-doped GaN layer, an active layer, and a GaN layer were laminated in this order from the substrate side. The active layer has a strained-layer multiple quantum well structure including an InGaN layer and a GaN layer.

比較例４ではα_０＝１４４ｎｍ、ｗ＝１２３ｎｍ、Ｃ＝０％とし、実施例８ではα_１＝２５０ｎｍ、ｗ＝１２０ｎｍ、Ｃ＝２０％とした。実施例８において各集合体に含まれる柱状結晶の数は３個とした。また、比較例４の充填率と実施例８の充填率とは同じとした。 In Comparative Example 4, α ₀ =144 nm, w=123 nm, and C=0%, and in Example 8, α ₁ =250 nm, w=120 nm, and C=20%. In Example 8, the number of columnar crystals contained in each aggregate was three. Moreover, the filling rate of Comparative Example 4 and the filling rate of Example 8 were the same.

図２１（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、比較例４および実施例８の光デバイス構造に対し、角度分解ＰＬ測定を行った結果を示す図である。図２１（ｃ）の縦軸は、２５０ｎｍで規格化されている。図２１（ｄ）中の複数の線の内、ＴＭモードの線を矢印で指し示している。その他の線はＴＥモードの線である。図２１（ｃ）および（ｄ）に示すように、比較例４ではバンド構造が確認されなかったのに対し、実施例８では集合体の配置に基づくバンド構造が確認された。比較例４ではフォトニックバンドが図２１（ｃ）のバンド図の範囲よりも上方にあり、発光波長と整合していないため、バンド構造が確認されなかったと考えられる。 21(c) and (d) are diagrams showing the results of angle-resolved PL measurements on the optical device structures of Comparative Example 4 and Example 8, respectively. The vertical axis of FIG. 21(c) is normalized to 250 nm. Among the plurality of lines in FIG. 21(d), the TM mode lines are indicated by arrows. Other lines are TE mode lines. As shown in FIGS. 21(c) and (d), in Comparative Example 4, no band structure was confirmed, whereas in Example 8, a band structure based on the arrangement of aggregates was confirmed. In Comparative Example 4, the photonic band is above the range of the band diagram of FIG. 21(c) and does not match the emission wavelength, so it is considered that the band structure was not confirmed.

図２２（ａ）および（ｂ）は、実施例８の光デバイス構造を光励起発振させた結果を示す図である。励起には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、励起光の波長は３５５ｎｍとした。また、励起光のパルス条件はパルス幅５ｎｓ、周波数２０Ｈｚとし、室温で測定した。図２２（ａ）は励起光強度は２．００ＭＷ／ｃｍ^２とした場合のＰＬスペクトルである。そして、図２２（ｂ）は励起光強度と発光強度との関係を示す図である。その結果、図２２（ａ）に示すように、波長λ＝４７６ｎｍにおいて鋭い発振ピークが確認された。ここで、α_１／λ＝０．５２５であり、図２１（ｄ）のバンド図と照らし合わせると、Γ点バンド端で発振したことが分かった。 22A and 22B are diagrams showing the results of optically excited oscillation of the optical device structure of Example 8. FIG. An Nd:YAG laser was used for excitation, and the wavelength of excitation light was 355 nm. In addition, the pulse conditions of the excitation light were a pulse width of 5 ns and a frequency of 20 Hz, and the measurement was performed at room temperature. FIG. 22(a) is the PL spectrum when the excitation light intensity is 2.00 MW/cm ² . And FIG.22(b) is a figure which shows the relationship between excitation light intensity and luminescence intensity. As a result, as shown in FIG. 22(a), a sharp oscillation peak was confirmed at wavelength λ=476 nm. Here, α ₁ /λ=0.525, and when compared with the band diagram of FIG. 21(d), it was found that oscillation occurred at the Γ point band edge.

図２３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２３（ａ）および（ｂ）は、基板に垂直な方向から観察した結果を示しており、図２３（ｃ）は、基板に対して斜め方向から観察した結果を示している。 FIGS. 23A to 23C are diagrams showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Examples 9 to 11, respectively. 23(a) and (b) show the results of observation from a direction perpendicular to the substrate, and FIG. 23(c) shows the results of observation from a direction oblique to the substrate.

実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造は、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。実施例９においてα_１＝３００ｎｍ、ｗ＝１００ｎｍとし、実施例１０においてα_１＝３２５ｎｍ、ｗ＝８５ｎｍとし、実施例１１においてα_１＝３００ｎｍ、ｗ＝９７ｎｍとした。各集合体に含まれる柱状結晶の数は、実施例９において３個、実施例１０および実施例１１においてそれぞれ７個とした。 Optical device structures according to Examples 9 to 11 were obtained in the same manner as in Example 8 except for the width w and arrangement of the columnar crystals. In Example 9, α ₁ =300 nm, w=100 nm, in Example 10, α ₁ =325 nm, w=85 nm, and in Example 11, α ₁ =300 nm, w=97 nm. The number of columnar crystals contained in each aggregate was 3 in Example 9, and 7 in Examples 10 and 11, respectively.

実施例９から実施例１１に係る光デバイス構造についても、ＰＬ測定で集合体の配置に基づく発光が確認された。 With respect to the optical device structures according to Examples 9 to 11 as well, light emission based on the arrangement of aggregates was confirmed by PL measurement.

＜電流注入による発光＞
実施例１２では、第３の実施形態で説明したような光デバイスを作製した。すなわち、Ａｌ_２Ｏ_３基板（サファイア基板）の表面にＧａＮ層を形成したＧａＮテンプレート基板の上にｎ－ＧａＮバッファ層、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層、ｉ－ＧａＮ光閉じ込め層、ＩｎＧａＮバルク活性層、ｉ－ＧａＮ光閉じ込め層、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ^＋－ＧａＮコンタクト層、ＩＴＯ透明電極をこの順に成長させた。また、基板表面に、基板と電気的に接続した金属電極を設けた。本光デバイスにおいて、集合体に含まれる柱状結晶の数は３個とし、α_１＝３５０ｎｍとし、ｗ＝１４５ｎｍとした。 <Light emission by current injection>
In Example 12, an optical device was fabricated as described in the third embodiment. That is, an n _- GaN buffer layer, an n _- AlGaN cladding layer, an i-GaN optical confinement layer, an InGaN bulk active layer, an i A -GaN optical confinement layer, a p-AlGaN cladding layer, a p ⁺ -GaN contact layer, and an ITO transparent electrode were grown in this order. A metal electrode electrically connected to the substrate was provided on the substrate surface. In this optical device, the number of columnar crystals included in the aggregate was set to 3, α ₁ =350 nm, and w=145 nm.

本実施例の光デバイスのＩＴＯ透明電極と金属電極との間に電圧を印加したところ、ＩＴＯ透明電極側に赤色の発光を確認した。また、同じ基板上に形成した柱状結晶において、ＩｎＧａＮバルク活性層に不整合転位が存在しないことを確認した。 When a voltage was applied between the ITO transparent electrode and the metal electrode of the optical device of this example, red light emission was confirmed on the ITO transparent electrode side. It was also confirmed that no misfit dislocations existed in the InGaN bulk active layer in the columnar crystal formed on the same substrate.

＜格子定数α_１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係＞
図２４は、フォトニックバンド端波長が５２０ｎｍとなるときの、格子定数α_１と幅ｗと凝集率Ｃとの関係を計算した結果を示す図である。計算はＰＷＥ法を用いて行った。計算においては柱状結晶は全体がＧａＮであると仮定した。本図中、「３つ組」は各集合体が柱状結晶を３個含む場合の結果を示し、「４つ組」は各集合体が柱状結晶を４個含む場合の結果を示し、「７つ組」は各集合体が柱状結晶を７個含む場合の結果を示している。また、ｄ_ｗ＝１０ｎｍとした。 <Relationship between lattice constant α1, width w and aggregation rate _C >
FIG. 24 is _a diagram showing the results of calculating the relationship between the lattice constant α1, the width w, and the cohesion rate C when the photonic band edge wavelength is 520 nm. Calculations were performed using the PWE method. In the calculation, it was assumed that the columnar crystal was entirely GaN. In the figure, "triple set" indicates the results when each aggregate contains three columnar crystals, "quadruple" indicates the results when each aggregate includes four columnar crystals, and "7 "Set" shows the results when each aggregate contains 7 columnar crystals. Also, d _w =10 nm.

本図の結果から、α_１がほぼ同じであっても、各集合体に含まれる柱状結晶を増やすほど、ｗを小さくできることが分かった。したがって、同じ波長でフォトニック結晶を動作させようとする場合にも、より細い柱状結晶を用いることができることが確認された。また、凝集率を高めるほど、ｗを小さくできることが分かった。 From the results of this figure, it was found that w can be reduced by increasing the number of columnar crystals contained in each aggregate, even if α ₁ is almost the same. Therefore, it was confirmed that a thinner columnar crystal can be used even when trying to operate the photonic crystal at the same wavelength. Also, it was found that w can be reduced as the aggregation rate is increased.

＜柱状結晶の成長＞
図２５は、比較例５－１から比較例５－５、および実施例１３－１から実施例１３－１０に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２６は、比較例６－１から比較例６－４、および実施例１４－１から実施例１４－３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。図２７は、比較例７－１から比較例７－４、および実施例１５－１から実施例１５－３に係る光デバイス構造を電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。 <Growth of columnar crystals>
FIG. 25 is a diagram showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Comparative Examples 5-1 to 5-5 and Examples 13-1 to 13-10. FIG. 26 is a diagram showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Comparative Examples 6-1 to 6-4 and Examples 14-1 to 14-3. FIG. 27 is a diagram showing the results of electron microscope observation of the optical device structures according to Comparative Examples 7-1 to 7-4 and Examples 15-1 to 15-3.

実施例１３－１から実施例１５－３、および比較例５－１から比較例７－４において、Ｃ、ｗ、α_０、およびα_１の値等は表４～表７に示した通りである。なお、比較例５－１から比較例５－５、実施例１３－１から実施例１３－１０、比較例６－１から比較例６－４、実施例１４－１から実施例１４－３、比較例７－１から比較例７－４、および実施例１５－１から実施例１５－３のそれぞれにおいて、Ｃを高くする程ｄ_ｗを小さくし、ｗを大きくする程ｄ_ｗを小さくした。なお、ＦＢＩ法を用いてマスクをパターニングする際のドーズ量は、ｗを大きくする程多くした。 In Examples 13-1 to 15-3 and Comparative Examples 5-1 to 7-4, the values of C, w, α ₀ and α ₁ were as shown in Tables 4 to 7. be. Incidentally, Comparative Examples 5-1 to 5-5, Examples 13-1 to 13-10, Comparative Examples 6-1 to 6-4, Examples 14-1 to 14-3, In each of Comparative Examples 7-1 to 7-4 and Examples 15-1 to 15-3, dw was decreased as C was increased, and _dw was decreased as _w was increased. The dose amount in patterning the mask using the FBI method was increased as w was increased.

実施例１３－１から実施例１５－３、および比較例５－１から比較例７－４のいずれにおいても制御性よく柱状結晶が形成された。なお、図２５～図２７には、それぞれ基板上に付着したドット状の結晶も観察されている。Ｃが高く、かつ、ｗが大きい実施例において、一部の柱状結晶同士が結合しているのが確認された。また、各実施例の光デバイスに対しフォトルミネッセンス測定を行ったところ、第１の格子に基づくフォトニック結晶の動作が確認された。 Columnar crystals were formed with good controllability in all of Examples 13-1 to 15-3 and Comparative Examples 5-1 to 7-4. 25 to 27, dot-like crystals adhering to the substrate are also observed. It was confirmed that some of the columnar crystals were bonded to each other in the examples in which C was high and w was large. Photoluminescence measurement was performed on the optical device of each example, and the operation of the photonic crystal based on the first lattice was confirmed.

＜偏光特性＞
光デバイスの偏光特性を調べた。実施例１６に係る光デバイス構造は、実施例６に係る光デバイス構造と同じである。比較例８に係る光デバイス構造は、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。比較例８において、α_０＝２６０ｎｍとした。比較例９に係る光デバイス構造は、ＤＢＲ構造を有する基板の代わりに上記したようなＧａＮテンプレート基板を用いた点、柱状結晶の幅ｗおよび配置を除いて実施例８と同様にして得た。比較例９において、α_０＝２４５ｎｍとした。 <Polarization characteristics>
We investigated the polarization properties of optical devices. The optical device structure according to the sixteenth embodiment is the same as the optical device structure according to the sixth embodiment. An optical device structure according to Comparative Example 8 was obtained in the same manner as in Example 8 except for the width w and arrangement of the columnar crystals. In Comparative Example 8, α ₀ =260 nm. An optical device structure according to Comparative Example 9 was obtained in the same manner as in Example 8, except that the GaN template substrate as described above was used instead of the substrate having the DBR structure, and the width w and arrangement of the columnar crystals. In Comparative Example 9, α ₀ =245 nm.

図２８（ａ）～（ｄ）は、比較例８および比較例９に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。具体的に、図２８（ａ）は、比較例８の光デバイス構造の、励起強度と発光波長５０６．６ｎｍにおける発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｂ）は、比較例８の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｃ）は、比較例９の光デバイス構造の、励起強度と発光ピーク強度との関係を示す図である。図２８（ｄ）は、比較例９の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。 28(a) to (d) are diagrams showing the results of photoluminescence measurement for the optical device structures according to Comparative Examples 8 and 9. FIG. Specifically, FIG. 28A is a diagram showing the relationship between the excitation intensity and the emission peak intensity at the emission wavelength of 506.6 nm in the optical device structure of Comparative Example 8. FIG. 28(b) is a diagram showing the relationship between the polarization angle of output light and the normalized emission peak intensity in the optical device structure of Comparative Example 8. FIG. 28(c) is a diagram showing the relationship between the excitation intensity and the emission peak intensity of the optical device structure of Comparative Example 9. FIG. FIG. 28D is a diagram showing the relationship between the polarization angle of output light and the normalized emission peak intensity in the optical device structure of Comparative Example 9. FIG.

図２９（ａ）～（ｃ）は、実施例１６に係る光デバイス構造に対するフォトルミネッセンス測定の結果を示す図である。具体的には、図２９（ａ）および（ｂ）は、実施例１６の光デバイス構造の、出力光の偏光角と規格化された発光ピーク強度との関係を示す図である。図２９（ｃ）は、実施例１６は光デバイス構造のフォトルミネッセンススペクトルである。波長５４６．４ｎｍ、線幅２．１ｎｍの鋭い発光ピークが確認された。 29(a) to (c) are diagrams showing the results of photoluminescence measurement for the optical device structure according to Example 16. FIG. Specifically, FIGS. 29A and 29B are diagrams showing the relationship between the polarization angle of output light and the normalized emission peak intensity of the optical device structure of Example 16. FIG. FIG. 29C is a photoluminescence spectrum of the optical device structure of Example 16. FIG. A sharp emission peak with a wavelength of 546.4 nm and a line width of 2.1 nm was confirmed.

比較例８および比較例９の結果から分かるように、集合体を有さない光デバイス構造では、偏光方向はケースバイケースで変化した。それに対し、実施例１６の光デバイス構造の出力光では直線偏光に近い特性を確認した。これは集合体における柱状結晶の配列の非対称性を反映した結果と思われる。実施例１６における出力光では、Ｐ＝（Ｉ_ｍａｘ－Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ）で得られる偏光度Ｐが８０．４％であった。ここで、Ｉ_ｍａｘは最大強度であり、Ｉ_ｍｉｎは最小出力強度である。なお、配列方向に対して測定された偏光方向が４°傾いているが、これは、測定誤差であると考えられる。以上の結果から、比較例のように集合体を形成しない場合には、わずかな結晶成長の揺らぎで偏光方向が構造ごとに変化するのに対し、集合体を配列させた実施例では、偏光方向を制御できることが確かめられた。 As can be seen from the results of Comparative Examples 8 and 9, in the optical device structure without aggregates, the polarization direction changed case by case. In contrast, the output light from the optical device structure of Example 16 was confirmed to have characteristics close to linearly polarized light. This seems to reflect the asymmetry of the arrangement of the columnar crystals in the aggregate. The output light in Example 16 had a polarization degree P of 80.4% obtained by P=(I _max −I _min )/(I _max +I _min ). where I _max is the maximum intensity and I _min is the minimum output intensity. It should be noted that the measured polarization direction is tilted by 4° with respect to the arrangement direction, but this is considered to be a measurement error. From the above results, it can be seen that in the case where aggregates are not formed as in the comparative example, the polarization direction changes for each structure due to slight fluctuations in crystal growth. was confirmed to be controllable.

＜赤色発光＞
実施例１２と同様に、Ａｌ_２Ｏ_３基板（サファイア基板）の表面にＧａＮ層を形成したＧａＮテンプレート基板の上にｎ－ＧａＮバッファ層、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層、ｉ－ＧａＮ光閉じ込め層、ＩｎＧａＮバルク活性層、ｉ－ＧａＮ光閉じ込め層、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ^＋－ＧａＮコンタクト層、ＩＴＯ透明電極をこの順に成長させて実施例１７に係る光デバイス構造を得た。ただし、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層において基板から離れるほど柱状結晶の幅を大きくした。その結果、ＩｎＧａＮバルク活性層では柱状結晶同士が結合しておらず、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層の上部で複数の柱状結晶が繋がった構造が得られた。本光デバイス構造において、α_１＝３５０ｎｍ、α_２＝ｄ_ｉ＝１６０ｎｍとした。また、各集合体に含まれる柱状結晶の数は３とした。 <Red light emission>
As in Example 12, an n-GaN buffer layer, an n-AlGaN cladding layer, an i-GaN optical confinement layer, and InGaN were formed on a GaN template substrate in which a GaN layer was formed on the surface of an Al ₂ O ₃ substrate (sapphire substrate). A bulk active layer, an i-GaN optical confinement layer, a p-AlGaN cladding layer, a p ⁺ -GaN contact layer and an ITO transparent electrode were grown in this order to obtain an optical device structure according to Example 17. However, in the p-AlGaN cladding layer, the width of the columnar crystals was increased with distance from the substrate. As a result, in the InGaN bulk active layer, a structure was obtained in which the columnar crystals were not bonded to each other, and a plurality of columnar crystals were connected above the p-AlGaN cladding layer. In this optical device structure, α ₁ =350 nm and α ₂ =d _i =160 nm. Also, the number of columnar crystals contained in each aggregate was three.

図３０は、実施例１７に係る光デバイス構造に対し、フォトルミネッセンス測定を行った結果を示す図である。本図から分かるように、波長６３０ｎｍの赤色の強い発光が確認された。 FIG. 30 is a diagram showing the results of photoluminescence measurement performed on the optical device structure according to Example 17. FIG. As can be seen from this figure, strong red light emission with a wavelength of 630 nm was confirmed.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以下、参考形態の例を付記する。
１．
基板に形成された複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さい光デバイス。
２．
１．に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶の幅は５００ｎｍ以下である光デバイス。
３．
１．または２．に記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子の格子定数は５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である光デバイス。
４．
１．から３．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記基板に垂直な方向から見て、前記第１の格子の単位格子における前記柱状結晶の充填率は３０％以上である光デバイス。
５．
１．から４．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
ｄ_ｉ／ｄ_ｏが０．２以上０．９５以下である光デバイス。
６．
１．から５．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て線対称である光デバイス。
７．
１．から６．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見てｎ回対称性を有し、ｎは２以上の整数である光デバイス。
８．
７．に記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において前記複数の柱状結晶のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第２の格子の互いに異なる格子点に位置している光デバイス。
９．
７．または８．に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て２回対称性を有する光デバイス。
１０．
１．から９．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において、前記複数の柱状結晶は直線状に並んでいる光デバイス。
１１．
１．から１０．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶は角柱状である光デバイス。
１２．
１．から１１．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子は、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである光デバイス。
１３．
１．から１２．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶における貫通転位の密度は５×１０^４ｃｍ^－２以下である光デバイス。
１４．
１．から１３．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶はウルツ鉱型結晶構造を有し、前記柱状結晶の側面にはｍ面が露出している光デバイス。
１５．
１．から１４．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記基板の表面に、開口が設けられた膜をさらに備え、
前記柱状結晶は、前記開口を通っている光デバイス。
１６．
１．から１５．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体は、フォトニック結晶を構成している光デバイス。
１７．
１．から１６．のいずれか一つに記載の光デバイスにおいて、
当該光デバイスは、発光デバイス、光フィルタ、または受光デバイスである光デバイス。
１８．
基板の第１面に、開口が設けられた膜を形成する工程と、
前記膜の前記開口から柱状結晶を成長させて構造体を得る工程とを含み、
前記構造体は、複数の前記柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さい光デバイスの製造方法。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, these are examples of the present invention, and various configurations other than those described above can be employed.
Examples of reference forms are added below.
1.
including a plurality of aggregates formed by regularly arranging a plurality of columnar crystals formed on the substrate;
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
An optical device according to claim 1, wherein the minimum value d _i of the center axis distance of the _columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value do of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates.
2.
1. In the optical device according to
The optical device, wherein the columnar crystal has a width of 500 nm or less.
3.
1. or 2. In the optical device according to
The optical device, wherein the first grating has a lattice constant of 50 nm or more and 1000 nm or less.
4.
1. to 3. In the optical device according to any one of
An optical device according to claim 1, wherein a filling factor of said columnar crystals in a unit lattice of said first lattice is 30% or more when viewed from a direction perpendicular to said substrate.
5.
1. to 4. In the optical device according to any one of
An optical device in which d _i /d _o is 0.2 or more and 0.95 or less.
6.
1. to 5. In the optical device according to any one of
Each of the plurality of aggregates is an optical device having line symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate.
7.
1. to 6. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein each of the plurality of aggregates has n-fold symmetry when viewed from a direction perpendicular to the substrate, where n is an integer of 2 or more.
8.
7. In the optical device according to
The optical device according to claim 1, wherein each of the plurality of columnar crystals in the assembly is positioned at different lattice points of a second lattice when viewed from a direction perpendicular to the substrate.
9.
7. or 8. In the optical device according to
Each of the plurality of aggregates is an optical device having two-fold symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate.
10.
1. to 9. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein in the assembly, the plurality of columnar crystals are arranged in a straight line.
11.
1. to 10. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein the columnar crystal is prismatic.
12.
1. to 11. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein the first lattice is at least one of a triangular lattice, a hexagonal lattice, a square lattice, an oblique lattice, and a rectangular lattice.
13.
1. to 12. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein the columnar crystal has a threading dislocation density of 5×10 ⁴ cm ⁻² or less.
14.
1. to 13. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein the columnar crystal has a wurtzite crystal structure, and the m-plane is exposed on the side surface of the columnar crystal.
15.
1. to 14. In the optical device according to any one of
Further comprising a film provided with openings on the surface of the substrate,
The optical device, wherein the columnar crystal passes through the opening.
16.
1. to 15. In the optical device according to any one of
The optical device, wherein the plurality of aggregates constitute a photonic crystal.
17.
1. to 16. In the optical device according to any one of
The optical device is a light-emitting device, an optical filter, or a light-receiving device.
18.
forming a film having openings on the first surface of the substrate;
growing columnar crystals from the openings of the film to obtain a structure;
The structure includes a plurality of aggregates in which a plurality of the columnar crystals are arranged regularly,
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
A method for manufacturing an optical device, wherein the minimum value d _i of the center axis distance of the _columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value do of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates. .

１０ 光デバイス
２０ 集合体
２０ａ 第１の集合体
２０ｂ 第２の集合体
３０ 柱状結晶
１００ 構造体
３０２ 活性層
３０４ 半極性面
３０５ 極性面
３０６ ｎ型クラッド層
３０７ 光閉じ込め層
３０８ ｐ型クラッド層
３０９ バッファ層
４００ 基板
４０１ 第１面
４０３ 第１の層
４０４ 第２の層
４１０ 膜
４１１ 開口
４１２ 第１面
４３０ａ 第１電極
４３０ｂ 第２電極
４４０ コンタクト層 10 Optical device 20 Assembly 20a First assembly 20b Second assembly 30 Columnar crystal 100 Structure 302 Active layer 304 Semipolar plane 305 Polar plane 306 N-type clad layer 307 Optical confinement layer 308 P-type clad layer 309 Buffer Layer 400 Substrate 401 First surface 403 First layer 404 Second layer 410 Film 411 Opening 412 First surface 430a First electrode 430b Second electrode 440 Contact layer

Claims (18)

基板に形成された複数の柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さく、
前記柱状結晶の幅が５００ｎｍ以下であり、
前記複数の集合体は、前記第１の格子に基づくフォトニック結晶を構成している
光デバイス。 including a plurality of aggregates formed by regularly arranging a plurality of columnar crystals formed on the substrate;
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
the minimum value d _i of the center axis distance of the columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value d _o of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates;
The columnar crystal has a width of 500 nm or less,
The optical device, wherein the plurality of aggregates form a photonic crystal based on the first lattice. 請求項１に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶の幅は３００ｎｍ以下である光デバイス。 The optical device of claim 1, wherein
The optical device, wherein the columnar crystal has a width of 300 nm or less. 請求項１または２に記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子の格子定数は５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である光デバイス。 3. The optical device according to claim 1, wherein
The optical device, wherein the first grating has a lattice constant of 50 nm or more and 1000 nm or less. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記基板に垂直な方向から見て、前記第１の格子の単位格子における前記柱状結晶の充填率は３０％以上である光デバイス。 4. The optical device according to any one of claims 1 to 3,
An optical device according to claim 1, wherein a filling factor of said columnar crystals in a unit lattice of said first lattice is 30% or more when viewed in a direction perpendicular to said substrate. 請求項１から４のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
ｄ_ｉ／ｄ_ｏが０．２以上０．９５以下である光デバイス。 5. The optical device according to any one of claims 1 to 4,
An optical device in which d _i /d _o is 0.2 or more and 0.95 or less. 請求項１から５のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て線対称である光デバイス。 6. The optical device according to any one of claims 1 to 5,
Each of the plurality of aggregates is an optical device having line symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate. 請求項１から６のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見てｎ回対称性を有し、ｎは２以上の整数である光デバイス。 7. The optical device according to any one of claims 1 to 6,
The optical device, wherein each of the plurality of aggregates has n-fold symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate, where n is an integer of 2 or more. 請求項７に記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において前記複数の柱状結晶のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第２の格子の互いに異なる格子点に位置している光デバイス。 An optical device according to claim 7, wherein
The optical device according to claim 1, wherein each of the plurality of columnar crystals in the assembly is positioned at different lattice points of a second lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate. 請求項７または８に記載の光デバイスにおいて、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て２回対称性を有する光デバイス。 9. The optical device according to claim 7 or 8,
Each of the plurality of aggregates is an optical device having two-fold symmetry when viewed in a direction perpendicular to the substrate. 請求項１から９のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記集合体において、前記複数の柱状結晶は直線状に並んでいる光デバイス。 An optical device according to any one of claims 1 to 9,
The optical device, wherein in the assembly, the plurality of columnar crystals are arranged in a straight line. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶は角柱状である光デバイス。 An optical device according to any one of claims 1 to 10, wherein
The optical device, wherein the columnar crystal is prismatic. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記第１の格子は、三角格子、六角格子、正方格子、斜交格子、および長方格子の少なくともいずれかである光デバイス。 An optical device according to any one of claims 1 to 11, wherein
The optical device, wherein the first lattice is at least one of a triangular lattice, a hexagonal lattice, a square lattice, an oblique lattice, and a rectangular lattice. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶における貫通転位の密度は５×１０^４ｃｍ^－２以下である光デバイス。 13. An optical device according to any one of claims 1 to 12,
The optical device, wherein the columnar crystal has a threading dislocation density of 5×10 ⁴ cm ⁻² or less. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記柱状結晶はウルツ鉱型結晶構造を有し、前記柱状結晶の側面にはｍ面が露出している光デバイス。 14. An optical device according to any one of claims 1 to 13,
The optical device, wherein the columnar crystal has a wurtzite crystal structure, and the m-plane is exposed on the side surface of the columnar crystal. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
前記基板の表面に、開口が設けられた膜をさらに備え、
前記柱状結晶は、前記開口を通っている光デバイス。 15. An optical device according to any one of claims 1 to 14,
Further comprising a film provided with openings on the surface of the substrate,
The optical device, wherein the columnar crystal passes through the opening. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
隣り合う前記柱状結晶の間には空間がある光デバイス。 16. An optical device according to any one of claims 1 to 15,
An optical device having a space between the adjacent columnar crystals. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
当該光デバイスは、発光デバイス、光フィルタ、または受光デバイスである光デバイス。 17. An optical device according to any one of claims 1 to 16,
The optical device is a light-emitting device, an optical filter, or a light-receiving device. 基板の第１面に、開口が設けられた膜を形成する工程と、
前記膜の前記開口から柱状結晶を成長させて構造体を得る工程とを含み、
前記構造体は、複数の前記柱状結晶が規則的に配列して成る集合体を複数含み、
前記柱状結晶はIII-V族半導体を含み、
前記複数の集合体のそれぞれは、前記基板に垂直な方向から見て第１の格子の互いに異なる格子点に位置し、
同一の前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｉは、互いに異なる前記集合体に属する前記柱状結晶の中心軸間距離の最小値ｄ_ｏよりも小さく、
前記柱状結晶の幅が５００ｎｍ以下であり、
前記構造体において前記複数の集合体は、前記第１の格子に基づくフォトニック結晶を構成している
光デバイスの製造方法。 forming a film having openings on the first surface of the substrate;
growing columnar crystals from the openings of the film to obtain a structure;
The structure includes a plurality of aggregates in which a plurality of the columnar crystals are arranged regularly,
The columnar crystals contain a III-V group semiconductor,
each of the plurality of aggregates is positioned at different lattice points of a first lattice when viewed in a direction perpendicular to the substrate;
the minimum value d _i of the center axis distance of the columnar crystals belonging to the same aggregate is smaller than the minimum value d _o of the center axis distances of the columnar crystals belonging to the different aggregates;
The columnar crystal has a width of 500 nm or less,
The method of manufacturing an optical device, wherein the plurality of aggregates in the structure constitute photonic crystals based on the first lattice.

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