JP5777343B2

JP5777343B2 - 面発光レーザとその製造方法

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Publication number: JP5777343B2
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Inventors: 毅士川島; 勝之星野; 祥一川島; 靖浩長友
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Description

本発明は、フォトニック結晶面発光レーザとその製造方法に関するものである。

近年、フォトニック結晶を２次元回折格子として用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。
この２次元フォトニック結晶面発光レーザは、半導体と空気や誘電体などの媒質で２次元周期的に屈折率を変化させた構造が、活性層近傍に配置された構造になっている。
キャリアの注入によって活性層で発生した光は、２次元フォトニック結晶で規定する波長で帰還・増幅し発振する。
さらに、２次元フォトニック結晶で１次回折し垂直方向に光が取り出される。
フォトニック結晶面発光レーザの光の回折効果の強さは、クラッド層によって閉じ込められている光と、２次元フォトニック結晶層との重なりであるΓ_PhCとに比例する。
Γ_PhCを向上させるには、光強度の強い活性層近傍に２次元フォトニック結晶層を配置することが望ましい。

特開２００８−１３０７３１号公報

ところで、上記特許文献１のフォトニック結晶面発光レーザは、２次元フォトニック結晶層を光分布強度の強い活性層の近傍の電子ブロック層上に配置している。
しかし、このような構造のもとでは、以下のような課題を有している。
２次元フォトニック結晶層をアンドープの半導体で構成した場合、ｐ型クラッド層からアンドープの層を介して活性層にホールを注入することになる。
ホールは電子より移動度が低いため、２次元フォトニック結晶層の厚さに伴い活性層へのホールの注入効率が低下する。
また、光の取り出しを良くするために２次元フォトニック結晶層を厚くすると、ｐ型クラッド層と活性層の距離がより長くなり、ホールの注入効率低下がより問題になる。

一方、このようなホールの注入効率の低下を防ぐために、２次元フォトニック結晶層にドーピングをした場合、２次元フォトニック結晶層でのドーパントによる光の吸収が問題になる。
特に窒化物半導体でその影響が大きい。窒化物半導体では、電気抵抗の低いｐ型にするためにＭｇを１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドーピングする。
波長４００ｎｍ帯の光の吸収係数を比較すると、アンドープのＧａＮの吸収係数は数ｃｍ^-1であるが、Ｍｇを１９乗ドーピングしたｐ−ＧａＮは吸収係数が約１００ｃｍ^-1と非常に大きい。

以上のように２次元フォトニック結晶層を活性層近傍に配置したフォトニック結晶面発光レーザにおいて、ホールの注入効率とドーパントによる光吸収はトレードオフの関係にある。
そのため、キャリアの注入効率を維持しつつ、光吸収を抑えることができないという課題を有している。
なお、上記では窒化物半導体を例に挙げて説明したが、他の材料系においても同様の課題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、光の回折効率とキャリアの注入効率が高く、且つ、光の吸収を抑えることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の面発光レーザは、ｎ型電極と、ｐ型電極と、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に配置された半導体からなる活性層と、前記ｐ型電極と前記活性層との間に配置された半導体からなる２次元フォトニック結晶層と、を含む面発光レーザであって、前記２次元フォトニック結晶層は、前記活性層の面内方向に、低屈折率媒質と前記低屈折率媒質よりも高屈折率の高屈折率媒質とが周期的に配列され、前記低屈折率媒質と前記高屈折率媒質との間に、前記ｐ型電極から前記活性層へのホール注入経路として機能する、導電性を備えた側壁部材が配置されて構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、ｎ型電極と、ｐ型電極と、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に配置された半導体からなる活性層と、前記ｐ型電極と前記活性層との間に配置された半導体からなる２次元フォトニック結晶層と、を含む面発光レーザの製造方法であって、半導体からなる活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、半導体からなる２次元フォトニック結晶層を形成する工程と、前記２次元フォトニック結晶層の上に、ｐ型クラッド層を介してｐ型電極を形成する工程と、前記活性層の前記２次元フォトニック結晶層の側とは反対側に、ｎ型クラッド層を介してｎ型電極を形成する工程と、を有し、前記２次元フォトニック結晶層を形成する工程は、前記活性層の上に、前記２次元フォトニック結晶層の母材となる母材層を形成する工程と、前記母材層に、前記活性層の面内方向に周期的に配列した空孔を形成する工程と、前記空孔が形成された前記母材層を、ドーパントを供給しながら前記母材層の媒質がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、前記空孔を残しつつ、前記空孔の側壁に、前記ｐ型電極から前記活性層へのホール注入経路として機能する、導電性を備えた側壁部材を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、光の回折効率とキャリアの注入効率が高く、且つ、光の吸収を抑えることが可能となるフォトニック結晶面発光レーザとその製造方法を実現することができる。

本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。本発明の実施形態における２次元フォトニック結晶層の製造工程を説明する断面図である。本発明の実施形態における２次元フォトニック結晶層の熱処理について説明するための実験結果を示すものである。（ａ）はＧａＮ表面に空孔を形成した試料の断面電子顕微鏡像である。（ｂ）は熱処理温度１０２５℃まで加熱し、保持はしない熱処理を実施した試料の断面電子顕微鏡像である。本発明の実施例１におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。本発明の実施例２におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。本発明の実施例３におけるフォトニック結晶面発光レーザを説明する断面図である。

本発明によるフォトニック結晶面発光レーザの実施形態について説明する。
本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザは、基板上に、活性層と、該活性層の近傍に設けられ面内方向に共振モードを有する２次元フォトニック結晶層と、を含む複数の半導体層が積層されて構成されている。
これらの構成を図を用いて説明すると、図１において、１０１は基板、１０２はｎ型クラッド層、１０３はｎ側ガイド層、１０４は活性層、１０５は２次元フォトニック結晶層、１０６は電子ブロック層である。
１０７はｐ型クラッド層、１０８はｐ型コンタクト層、１０９はｎ電極、１１０はｐ電極である。２次元フォトニック結晶層１０５中の１０５ａは高屈折率媒質、１０５ｂは低屈折率媒質、１０５ｃは側壁部材である。

更に具体的な構成を説明すると、本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザ１００は、基板１０１の上に順につぎの各層が設けられている。
すなわち、基板１０１の上に、ｎ型クラッド層１０２、ｎ側ガイド層１０３、活性層１０４、２次元フォトニック結晶層１０５、電子ブロック層１０６、ｐ型クラッド層１０７、ｐ型コンタクト層１０８が、この順に設けられている。
また、通電するための電極として、ｎ電極１０９を基板１０１の裏面に備え、ｐ電極１１０をｐ型コンタクト層１０８の表面に備える。
フォトニック結晶面発光レーザ１００は、電極間に電圧を印加して通電することで、活性層１０４はキャリアが注入されて発光する。
活性層１０４で発生した光はｎ型クラッド層１０２とｐ型クラッド層１０７で閉じ込められる。閉じ込められた光の一部は２次元フォトニック結晶層１０５で共振し増幅する。
そして、増幅した光が２次元フォトニック結晶層１０５で垂直に回折することでレーザ光として取り出される。

つぎに、本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０５の構成について説明する。
本実施形態の２次元フォトニック結晶層１０５は、Γ_PhCを大きくするために活性層の近傍に設けられる。
具体的には、ｐ型クラッド層１０７と活性層１０４の間に設けられる。また、２次元フォトニック結晶層１０５はｐ型クラッド層１０７の一部または全体にまたがっていても良い。
２次元フォトニック結晶層１０５は、高屈折率媒質１０５ａと低屈折率媒質１０５ｂと側壁部材１０５ｃを備える。
高屈折率媒質１０５ａと低屈折率媒質１０５ｂは、基板面内方向に周期的に配列される。
そして、側壁部材１０５ｃは基板面内方向に高屈折率媒質１０５ａと低屈折率媒質１０５ｂの間に設けられる。

高屈折率媒質１０５ａはＡｌＧａＩｎＮのＩＩＩ族窒化物半導体で構成する。低屈折率媒質１０５ｂは空気、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＴｉＯ、ＴｉＮなどで構成する。
側壁部材１０５ｃは、ドーパントを供給しながら高屈折率媒質１０５ａをマストランスポートさせることで形成する。
側壁部材１０５ｃは導電性を備え、ｐ型クラッド層１０７から供給されるホールの通り道となる。
通電によりｐ型クラッド層１０７から供給されるホールは、側壁部材１０５ｃを経由して活性層１０４に注入される。
従って、２次元フォトニック結晶層１０５の厚さに依存せずホールの注入効率を一定にすることができる。

つぎに、上記した高屈折率媒質、側壁部材のドーピングについて説明する。
側壁部材１０５ｃはホールを十分に注入出来る程度に不純物がドーピングされていれば良い。
具体的にはキャリア濃度が１×１０¹⁷ｃｍ³以上あればキャリアの注入経路として機能する。
より抵抗率を低くし、キャリアを注入しやすくするためには、５×１０¹⁷ｃｍ³以上である。
より好ましくは１×１０¹⁸ｃｍ³以上である。ｐ型の不純物としてＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ等を含有する。
窒化物半導体でアクセプタとしてドーピングするＭｇの活性化率は数％程度である。
Ｍｇの活性化率を約５％とすると、Ｍｇのドーピング濃度は２×１０¹⁸ｃｍ³以上であることが好ましい。
より好ましくは１×１０¹⁹ｃｍ³以上である。さらに好ましくは２×１０¹⁹ｃｍ³以上である。
高屈折率媒質１０５ａは光吸収の観点からアンドープが好ましいが、光吸収が問題にならない範囲であればドーピングされていても良い。
例えば、高屈折率媒質１０５ａ全体に１０¹⁷〜１０¹⁸ｃｍ³程度にドーピングや、高屈折率媒質１０５ａのｐ型クラッド層１０７側に高濃度でドーピングがされていても良い。

側壁部材１０５ｃは上記で述べたようにドーピングをする。そのため、高屈折率媒質１０５ａと比べ側壁部材１０５ｃは吸収係数が大きい。
従って、高屈折率媒質１０５ａと側壁部材１０５ｃの体積比に比例して２次元フォトニック結晶層１０５の光の吸収係数も変化する。
光の吸収を最小限に抑えるために、側壁部材１０５ｃの体積は高屈折率媒質１０５ａの体積以下にすることが望ましい。
側壁部材１０５ｃの体積をＶｃ、高屈折率媒質１０５ａの体積をＶａとすると、Ｖｃ／Ｖａ≦１が好ましい。より好ましくはＶｃ／Ｖａ≦０．５である。さらに好ましくはＶｃ／Ｖａ≦０．２５である。

つぎに、本発明のフォトニック結晶面発光レーザ１００と２次元フォトニック結晶層１０５の製造方法について図２を用いて説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置などで活性層１０４までの構造のデバイス構造と、２次元フォトニック結晶層の母材となる半導体層２０５とを積層する。
次に、製膜装置から基板を取り出し電子線リソグラフィーやフォトリソグラフィーとＲＩＥやＩＣＰなどのドライエッチング装置を用いて、半導体層に図２（ｂ）の様な半導体層２０５を母材とした高屈折率媒質１０５ａと空孔２０５ｃを形成する。
次に、ｐ型不純物となるドーパントを供給しながら半導体層２０５がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、図２（ｃ）のように高屈折率媒質１０５ａの側壁に側壁部材１０５ｃを形成する。
熱エネルギーを与えることで高屈折率媒質１０５ａの原子は結合が切れて表面を自由に拡散する。
熱処理条件と空孔２０５ｃの形状を制御することで、空孔２０５ｃを埋めることなく高屈折率媒質１０５ａの側壁に原子をマストランスポートさせることができる。
そして、ドーパントを取り込み再付着するので、高屈折率媒質１０５ａの側壁に高屈折率媒質１０５ａより低抵抗な側壁部材１０５ｃを形成することができる。空孔２０５の幅は側壁部材１０５ｃの基板面内方向の厚さの分だけ細くなり、空気で構成される低屈折率媒質１０５ｂになる（図２（ｄ））。
また、マストランスポート後、低屈折率媒質１０５ｂ内にＳｉＯ₂、ＳｉＮなどの誘電体を形成しても良い。

上記工程により２次元フォトニック結晶層１０５が形成される。その後は残りの層をＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置などで再成長させる。
熱処理工程は専用の装置を用いても良いが、ＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置などでも実施できる。
その際、側壁部材１０５ｃを形成する熱処理工程とその上の層の再成長する工程を同じ装置で実施出来る。
装置の基板温度と原料の制御のみで済むため、プロセス工程を増やさなくて済む。

つぎに、マストランスポートで空孔２０５ｃを残しつつ側壁部材１０５ｃを形成するための熱処理と空孔の形状について説明する。
空孔２０５ｃの深さ／幅の比であるアスペクト比は１以上であることが望ましい。
空孔２０５ｃが浅い場合、マストランスポートによって空孔２０５ｃが埋まってしまうためである。
半導体層２０５を構成しているＶ族原子は熱処理中に気相中に脱離し易いので、熱処理中のガス雰囲気は、Ｖ族原子を含むガス雰囲気中で行う。
例えば、窒化物半導体ではＮＨ₃やジメチルヒドラジンなどを含むガス雰囲気である。

熱処理温度は半導体層２０５の成長温度より１割〜２割程度低めの温度以上で熱処理をする。以下にその理由を説明する。
表面を拡散する原子の量と原子の拡散距離は熱処理温度に依存している。
例えば、成長温度で熱処理した場合、表面での原子のマイグレーションが盛んであり拡散距離も十分に長い。
従って、数μｍサイズの凹凸構造をマストランスポートで形状変化させることが可能である。
フォトニック結晶１０５の周期は１００ｎｍ〜数１００ｎｍで、側壁部材１０５ｃは基板面内方向に数十ｎｍ〜百数十ｎｍの厚さで形成出来ればよい。
従って、熱処理温度を成長温度より１割〜２割程度低くしても、空孔２０５ｃのサイズに対して原子の拡散距離は十分であるので、マストランスポートを用いて側壁部材１０５ｃを形成することができる。

つぎに、半導体層２０５に空孔２０５ｃを形成し熱処理した実験結果について説明する。図３（ａ）はＧａＮにフォトニック結晶の空孔を形成した試料の熱処理前の断面電子顕微鏡像である。
空孔の形状は円形、深さ２４０ｎｍ、直径は孔上部が９０ｎｍ、底部が３５ｎｍである。この構造の試料を熱処理してマストランスポートで形状変化をさせた。

熱処理の温度８５０℃、保持時間３０分で試料の熱処理を実施した。
ＧａＮの成長温度である約１０００℃より１５０℃低い熱処理温度である。空孔上部から中腹にかけての直径は約５０ｎｍになり、熱処理前より細くなる。
ＧａＮ自身が空孔内部にマストランスポートし、ＧａＮ側壁に側壁部材１０５ｃが形成されたと言える。

図３（ｂ）は熱処理温度１０２５℃まで加熱し、保持はしない熱処理を実施した試料の断面電子顕微鏡像である。
マストランスポートで空孔の形状が変化し、直径は約５５ｎｍ、深さ約１７０ｎｍになった。空孔の径が細くなったことから側壁部材１０５ｃが形成されたと言える。
さらに、空孔上部がＧａＮで塞がれていた。ＧａＮの成長温度付近での熱処理であるためマストランスポートされる原子の量が多い。そのため、空孔内部の形状が大きく変化する。
また、Ｇａ原子の拡散距離も長いためか、空孔上部でＧａが付着しやすい傾向にある。

窒化物半導体において、本発明の側壁部材１０５ｃを形成する熱処理温度は８５０℃以上が好ましい。
成長温度より１割〜２割程度低めの温度で熱処理をした場合、マストランスポートされる原子の量が少なくなり、形状変化がゆっくり進む。
従って熱処理時間を制御することで、側壁部材１０５ｃの基板面内方向の厚さを制御することができる。
熱処理中はドーパント以外にＩＩＩ族原料を供給して熱処理を行っても良い。但し、供給量が多すぎると空孔２０５ｃが埋まってしまうため、半導体層２０５積層時のＩＩＩ族供給量より少なくすることが望ましい。

つぎに、活性層の発光波長と２次元フォトニック結晶層の厚さについて説明する。
本発明のフォトニック結晶面発光レーザは、半導体で構成できる波長域であれば特に限定はされないが、窒化物半導体においては緑色などの長波長領域のフォトニック結晶面発光レーザで特に効果が大きい。
フォトニック結晶での光の垂直方向へ回折量はΓ_PhCや２次元フォトニック結晶層の厚さで決まる。
２次元フォトニック結晶層の厚さについて述べると、２次元フォトニック結晶層の厚さｄがλ／２ｎまでは、光の取り出しは比例して増加する。ここで、λは発光波長、ｎは２次元フォトニック結晶層の屈折率である。
λ／２ｎ以降は２次元フォトニック結晶層の厚さによる干渉が発生するがほぼ一定値になる。
つまり、フォトニック結晶面発光レーザで光出力を向上するためには２次元フォトニック結晶層の厚さをλ／２ｎ程度まで厚くすることが望ましい。
光の取り出しを大きくするために２次元フォトニック結晶層の厚さをλ／２ｎにする場合、発光波長λが長くなると、λ／２ｎもその分大きくなる。
従って、光出力を大きくする場合、紫や青で発光するフォトニク結晶面発光レーザと比べて緑領域やそれより長波長のフォトニック結晶面発光レーザでは２次元フォトニック結晶層はより厚くなる。
つまり、キャリアの注入効率とドーパントによる光吸収のトレードオフの問題がより深刻になる。
なお、以上の実施形態の説明では、窒化物半導体を中心に説明したが、本発明は他の材料にも適用することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの具体的な構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例では、発光波長４００ｎｍの紫色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
その作成に際し、２次元フォトニック結晶層の母材にＧａＮを用い、ＧａＮの成長温度より約１５０℃低い８５０℃で熱処理し側壁部材４０５ｃを形成した。
本実施においては、図４に示すように、基板４０１としてｎ−ＧａＮ基板を用いる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置で以下の層を順に形成する。始めに、結晶性向上のためのバッファ層４１１としてｎ−ＧａＮを２μｍ成長させる。
続いて、ｎ型クラッド層４０２としてｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎを８００ｎｍ、ｎ側ガイド層４０３としてＧａＮを１００ｎｍ成長させる。
その上に、活性層４０４として３周期のＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるＩ_n0.10Ｇａ_0.90Ｎの厚さは２．５ｎｍであり、また障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は４００ｎｍである。
そして、活性層４０４の上に、２次元フォトニック結晶層１０５の母材となるＧａＮ（４０５）を１２０ｎｍ成長させる。

次に、２次元フォトニック結晶層１０５をつぎのように形成する。
まず、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、プラズマＣＶＤで表面にＳｉＯ₂を形成する。
次に、レジストを塗布し、フォトック結晶のパターンを電子線リソグラフィーで描画する。
パターンは円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は８０ｎｍ、格子間隔は１６０ｎｍで描画する。
現像後、レジストをマスクとしてＣＦ₄ガスを用いたＩＣＰでＳｉＯ₂をエッチングする。
ＳｉＯ₂にフォトニック結晶のパターンが形成されるので、今度はＳｉＯ₂をハードマスクとして、Ｃｌ₂ガスを用いたＩＣＰでＧａＮ（４０５）を１００ｎｍエッチングする。
エッチング後、ＳｉＯ₂マスクを除去することによりＧａＮ（４０５）に高屈折率媒質としてＧａＮからなる凸部４０５ａと空孔が形成される。

次に、凸部４０５ａの側壁に側壁部材４０５ｃとしてｐ型導電性のｐ−ＧａＮを形成する。
まず、基板を再びＭＯＣＶＤ装置にセットする。ｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇを供給しながらＮ₂とＮＨ₃の混合ガス雰囲気で基板を８５０℃まで加熱し、昇温後３０分間保持する。
Ｃｐ₂Ｍｇの供給量はｐ−ＧａＮ（４０５ｃ）にＭｇが２×１０¹⁸ｃｍ^-3ドーピングできる供給量に調整する。
熱処理によって凸部４０５ａのＧａＮが分解し、Ｇａ原子が凸部４０５ａの側壁へ輸送される。
そして、気相中の窒素とＭｇを取り込み側壁部材４０５ｃとして、凸部４０５ａより低抵抗でｐ型の導電性のｐ−ＧａＮが形成される。
空孔は狭くなり直径６０ｎｍになる。また空孔の底にも原子がマストランスポートされ２０ｎｍ浅くなる。

その後、１０００℃まで加熱し、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムを供給することでｐ−ＧａＮ（４１２）を５０ｎｍ成長させる。
２次元フォトニック結晶層１０５の空孔上部が塞がれ、ＧａＮ（凸部４０５ａ）とｐ−ＧａＮ（４０５ｃ）と深さが８０ｎｍの空気で構成される２次元フォトニック結晶層１０５が出来る。
残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層４０６としてｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎを２０ｎｍ、ｐ型クラッド層４０７としてｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを５００ｎｍ、電極形成のためのコンタクト層４０８としてｐ−ＧａＮを１００ｎｍ順に成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面にｎ電極４０９とｐ−ＧａＮ（４０８）の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極４１０を形成することで、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。

［実施例２］
実施例２として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの実施例１とは異なる構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例では、発光波長４５０ｎｍの青色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
その作成に際し、２次元フォトニック結晶層の母材にＧａＮ／ｐ−ＧａＮの２層構造を用い、ＧａＮの成長温度より約１５０℃ほど低い８５０℃で熱処理をして側壁部材１０５ｃを形成した。
本実施においては、図５に示すように、実施例１と同様にして以下の層を成長させる。
基板５０１としてｎ−ＧａＮ基板を用い、バッファ層５１１としてｎ−ＧａＮを２μｍ、ｎ型クラッド層５０２としてｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを５００ｎｍ、ｎ側ガイド層５０３としてＧａＮを１２０ｎｍ成長させる。
その上に、活性層５０４として３周期のＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎの厚さは２．５ｎｍであり、また障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は４５０ｎｍである。
活性層５０４の上に、２次元フォトニック結晶層１０５として厚さ１１０ｎｍのＧａＮ（５０５１）と厚さ３０ｎｍでＭｇを３×１０¹⁹ｃｍ^-3ドーピングしたｐ−ＧａＮ（５０５２）の２層構造５０５を成長させる。

基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、実施例１と同様の手順で２次元フォトニック結晶層のパターンを形成する。
円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は１００ｎｍ、格子間隔は１８０ｎｍで描画する。
ＳｉＯ₂をマスクとしてＩＣＰでＧａＮ／ｐ−ＧａＮの２層構造５０５を１１０ｎｍエッチングすることで、高屈折率媒質としてＧａＮ／ｐ−ＧａＮの２層構造５０５を母材とする凸部５０５ａと空孔が形成される。

次に、熱処理でマストランスポートを発生させ凸部５０５ａの側壁に側壁部材５０５ｃとしてｐ型導電性のｐ−ＧａＮを形成する。
ｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇを供給しながらＮ₂とＮＨ₃の混合ガス雰囲気で８５０℃まで加熱し３０分間保持する。
Ｃｐ₂Ｍｇの供給量はｐ−ＧａＮ（５０５ｃ）にＭｇが２×１０¹⁹ｃｍ^-3ドーピングできる供給量に調整する。
凸部５０５ａのＧａＮが分解し、Ｇａ原子が凸部５０５ａの側壁へ輸送される。そして、気相中の窒素とＭｇを取り込み側壁部材５０５ｃとして、凸部５０５ａより低抵抗でドーピング濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ−ＧａＮが形成される。
空孔は狭くなり直径７０ｎｍになる。また空孔の底にも原子がマストランスポートされ２０ｎｍ浅くなる。

次に、凸部５０５ａ上部にレジストを形成し、プラズマＣＶＤを用いて電子線リソフグラフィーでＳｉＯ₂を８０ｎｍ堆積する。
リフトオフすると空孔がＳｉＯ₂（５０５ｂ）で埋め込まれた２次元フォトニック結晶層１０５が形成される。
これにより、前記空孔に前記高屈折率媒質よりも屈折率が低く、空気より屈折率の高い高屈折率媒質を形成することができる。
その後、ＭＯＣＶＤ装置で基板を１０００℃まで加熱し、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウムを供給することでｐ−ＧａＮ（５１２）を５０ｎｍ成長させ、２次元フォトニック結晶層を覆う。
これにより、上記高屈折率媒質の上部側は、側壁部材よりも低抵抗の部材で構成することができる。
残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層としてｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ（５０６）を２０ｎｍ、ｐ型クラッド層としてｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（５０７）を５００ｎｍ、電極形成のためのコンタクト層としてｐ−ＧａＮ（５０８）を１００ｎｍ、この順に成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＧａＮ基板５０１の裏面にｎ電極５０９とｐ−ＧａＮ（５０８）の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極５１０を形成することで、フォトニック結晶面発光レーザが完成する。

［実施例３］
実施例３として、本発明の実施形態におけるフォトニック結晶面発光レーザの上記各実施例とは異なる構成例について、図６を用いて説明する。
本実施例では、発光波長５３０ｎｍの緑色フォトニック結晶面発光レーザを作成した。
本実施例では、２次元フォトニック結晶層の母材にＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを用い、ＧａＮの成長温度付近である１０２５℃で熱処理をし、側壁部材の形成と同時に空孔をマストランスポートで塞いで２次元フォトニック結晶層を形成する。
２次元フォトニック結晶層の厚さをλ／２ｎ程度である１１０ｎｍで設計する。本実施例では、図６に示すように、実施例１と同様にして以下の層を成長させる。
基板６０１としてｎ−ＧａＮ基板を用い、バッファ層６１１としてｎ−ＧａＮを２μｍ、ｎ型クラッド層６０２としてｎ−Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎを５００ｎｍ、ｎ側ガイド層６０３としてＧａＮを１２０ｎｍ成長させる。
その上に、活性層６０４として３周期のＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ／ＧａＮの多重量子井戸を成長させる。
井戸層であるＩｎＧａＮの厚さは２．５ｎｍ、障壁層であるＧａＮの厚さは７．５ｎｍで発光波長は５３０ｎｍである。
活性層６０４の上に２次元フォトニック結晶層１０５の母材となるＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５）を１６０ｎｍ成長させる。

基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、実施例１と同様の手順で２次元フォトニック結晶層のパターンを形成する。
円形のパターンを正方格子状に配置し、直径は１１０ｎｍ、格子間隔は２２０ｎｍで描画する。
ＳｉＯ₂をマスクとしてＩＣＰでＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５）を１４０ｎｍエッチングすることで、高屈折率媒質としてＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５）を母材とする凸部６０５ａと空孔が形成される。

次に、熱処理でマストランスポートを発生させＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎの側壁に側壁部材としてｐ型導電性のｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５ｃ）を形成する。Ｉｎ源であるトリメトリインジウム（ＴＭＩｎ）とｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇを供給しながらＮ₂とＮＨ₃の混合ガス雰囲気で１０２５℃まで加熱し５分間保持する。
Ｃｐ₂Ｍｇの供給量はｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５ｃ）にＭｇが２×１０¹⁹ｃｍ^-3ドーピングできる供給量に調整する。
Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０５）を１０００℃以上の高温で熱処理するとＩｎが脱離してしまうため、ＴＭＩｎも供給しながら熱処理を行う。ＧａＮの成長温度付近で熱処理をするので、空孔への原子の流れ込みと、凸部６０５ａ上部に原子の集中が生じる。
その結果、凸部６０５ａの側壁に側壁部材６０５ｃとして凸部６０５ａより低抵抗なｐ型の導電性のｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎが形成される。
また、空孔上部に厚さ３０ｎｍのｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎが形成され空孔は塞がれる。空孔の直径は４０ｎｍ細くなり７０ｎｍになる。
また、空孔の底に原子がマストランスポートされ２０ｎｍ浅くなり、深さ１１０ｎｍになり、成長温度付近の熱処理でのマストランスポートにより２次元フォトニック結晶層１０５が出来る。

残りの層として、電子のオーバーフローを防ぐ電子ブロック層としてｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ（６０６）を２０ｎｍ、ｐ型クラッド層としてｐ−Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ（６０７）を５００ｎｍ、電極形成のためのコンタクト層としてｐ−ＧａＮ（６０８）を１００ｎｍ、この順に成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＧａＮ基板６０１の裏面にｎ電極６０９とｐ−ＧａＮ（６０８）の表面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極６１０を形成することで、緑色発光するフォトニック結晶面発光レーザが完成する。

１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０１：基板
１０２：ｎ型クラッッド層
１０３：ｎ側ガイド層
１０４：活性層
１０５：２次元フォトニック結晶層
１０５ａ：高屈折率媒質
１０５ｂ：低屈折率媒質
１０５ｃ：側壁部材
１０６：電子ブロック層
１０７：ｐ型クラッド層
１０８：ｐ型コンタクト層
１０９：ｎ電極
１１０：ｐ電極

Claims

ｎ型電極と、ｐ型電極と、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に配置された半導体からなる活性層と、前記ｐ型電極と前記活性層との間に配置された半導体からなる２次元フォトニック結晶層と、を含む面発光レーザであって、
前記２次元フォトニック結晶層は、
前記活性層の面内方向に、低屈折率媒質と前記低屈折率媒質よりも高屈折率の高屈折率媒質とが周期的に配列され、
前記低屈折率媒質と前記高屈折率媒質との間に、前記ｐ型電極から前記活性層へのホール注入経路として機能する、導電性を備えた側壁部材が配置されて構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
前記側壁部材の抵抗率は、前記高屈折率媒質よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
前記側壁部材の体積は、前記高屈折率媒質の体積以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
前記高屈折率媒質の前記ｐ型電極側は、前記側壁部材よりも抵抗率が低い部材で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記高屈折率媒質は、前記ｐ型電極側の方が前記ｎ型電極側よりも抵抗率が低いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記側壁部材は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
前記側壁部材は、Ｍｇを２×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度で含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
ｎ型電極と、ｐ型電極と、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に配置された半導体からなる活性層と、前記ｐ型電極と前記活性層との間に配置された半導体からなる２次元フォトニック結晶層と、を含む面発光レーザの製造方法であって、
半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、半導体からなる２次元フォトニック結晶層を形成する工程と、
前記２次元フォトニック結晶層の上に、ｐ型クラッド層を介してｐ型電極を形成する工程と、
前記活性層の前記２次元フォトニック結晶層の側とは反対側に、ｎ型クラッド層を介してｎ型電極を形成する工程と、を有し、
前記２次元フォトニック結晶層を形成する工程は、
前記活性層の上に、前記２次元フォトニック結晶層の母材となる母材層を形成する工程と、
前記母材層に、前記活性層の面内方向に周期的に配列した空孔を形成する工程と、前記空孔が形成された前記母材層を、ドーパントを供給しながら前記母材層の媒質がマストランスポートを起こす温度で熱処理をして、前記空孔を残しつつ、前記空孔の側壁に、前記ｐ型電極から前記活性層へのホール注入経路として機能する、導電性を備えた側壁部材を形成する工程と、を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
前記２次元フォトニック結晶層を形成する工程は、前記側壁部材を形成する工程の後に、前記母材層の媒質よりも屈折率が低く、空気より屈折率が高い媒質を前記空孔に形成する工程を有することを特徴とする請求項８に記載の面発光レ−ザの製造方法。
前記空孔の深さ／幅の比であるアスペクト比は、１以上であることを特徴とする請求項８または９に記載の面発光レーザの製造方法。
前記２次元フォトニック結晶層が窒化物半導体で構成され、前記熱処理の熱処理温度が８５０℃以上であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。