特開 2022-102589 フォトニック結晶構造体の製造方法、フォトニック結晶構造体、発光装置、およびプロジェクター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022102589

(43)【公開日】2022-07-07

(54)【発明の名称】フォトニック結晶構造体の製造方法、フォトニック結晶構造体、発光装置、およびプロジェクター

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20220630BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20220630BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20220630BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20220630BHJP

【ＦＩ】

G02B6/122 301

H01S5/22 610

G03B21/00 D

G03B21/14 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020217411

(22)【出願日】2020-12-25

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】502350504

【氏名又は名称】学校法人上智学院

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100148323

【弁理士】

【氏名又は名称】川▲崎▼ 通

(74)【代理人】

【識別番号】100168860

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 充史

(72)【発明者】

【氏名】石沢 峻介

(72)【発明者】

【氏名】岸野 克巳

【テーマコード（参考）】

2H147

2K203

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H147AB04

2H147AC02

2H147BA15

2H147BF04

2H147EA02C

2H147EA12A

2H147EA12C

2H147EA13C

2H147FA04

2H147FA07

2H147FC01

2H147GA15

2K203FA03

2K203FA23

2K203FA34

2K203FA44

2K203FA62

2K203GA02

2K203GA20

2K203HB19

2K203HB29

2K203MA35

5F173AC03

5F173AC52

5F173AC70

5F173AH22

5F173AR23

(57)【要約】

【課題】良好な周期性を備えた三次元周期構造を有するフォトニック結晶構造体を製造することができるフォトニック結晶構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】複数の第１柱状部、および前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部を形成する工程と、前記第１柱状部に第１柱状結晶を結晶成長させ、前記第２柱状部に第２柱状結晶を結晶成長させる工程と、を有し、前記第１柱状結晶および前記第２柱状結晶を結晶成長させる工程では、第１低屈折率層と第１高屈折率層とを交互に積層させて、前記第１柱状結晶を結晶成長させ、第２低屈折率層と第２高屈折率層とを交互に積層させて、前記第２柱状結晶を結晶成長させ、積層方向における第１位置に、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層を配置させ、前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置に、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層を配置させる、フォトニック結晶構造体の製造方法。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の第１柱状部、および前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部を形成する工程と、
複数の前記第１柱状部の各々に第１柱状結晶を結晶成長させ、複数の前記第２柱状部の各々に第２柱状結晶を結晶成長させる工程と、
を有し、
前記第１柱状結晶および前記第２柱状結晶を結晶成長させる工程では、
第１低屈折率層と、前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第１柱状結晶を結晶成長させ、
第２低屈折率層と、前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第２柱状結晶を結晶成長させ、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置に、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層を配置させ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置に、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層を配置させる、フォトニック結晶構造体の製造方法。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１柱状結晶の最大の径および前記第２柱状結晶の最大の径は、互いに等しい、フォトニック結晶構造体の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２において、
前記第１柱状部および前記第２柱状部を形成する工程では、前記第１柱状部および前記第２柱状部を結晶成長させる、フォトニック結晶構造体の製造方法。

【請求項4】

請求項３において、
前記第１柱状部の径は、前記第２柱状部の径よりも大きい、フォトニック結晶構造体の製造方法。

【請求項5】

複数の第１柱状部と、
前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部と、
複数の前記第１柱状部の各々に設けられた第１柱状結晶と、
複数の前記第２柱状部の各々に設けられた第２柱状結晶と、
を有し、
前記第１柱状結晶は、
第１低屈折率層と、
前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、
を有し、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第２柱状結晶は、
第２低屈折率層と、
前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、
を有し、
前記第２低屈折率層と前記第２高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置には、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層が設けられ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置には、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層が設けられている、フォトニック結晶構造体。

【請求項6】

請求項５において、
前記第１柱状結晶の最大の径および前記第２柱状結晶の最大の径は、互いに等しい、フォトニック結晶構造体。

【請求項7】

請求項５または６において、
前記第１柱状部の径は、前記第２柱状部の径よりも大きい、フォトニック結晶構造体。

【請求項8】

請求項５ないし７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶構造体と、
前記第１柱状結晶に設けられた発光層と、
を有する、発光装置。

【請求項9】

請求項８に記載の発光装置を有する、プロジェクター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトニック結晶構造体の製造方法、フォトニック結晶構造体、発光装置、およびプロジェクターに関する。

【背景技術】

【0002】

フォトニック結晶について世界的に精力的な研究が進められ、近年、フォトニック結晶レーザーが実用化されるに至っている。

【0003】

例えば特許文献１では、二次元周期穴構造をリソグラフィーおよびドライエッチング加工により形成し、この二次元周期構造の上にＳｉ／ＳｉＯ_２の交互積層構造を自己クローニングモードにより積層することにより三次元周期構造を作製することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１－２４９２３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような三次元周期構造を有するフォトニック結晶構造体では、良好な周期性を有することが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るフォトニック結晶構造体の製造方法の一態様は、
複数の第１柱状部、および前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部を形成する工程と、
複数の前記第１柱状部の各々に第１柱状結晶を結晶成長させ、複数の前記第２柱状部の各々に第２柱状結晶を結晶成長させる工程と、
を有し、
前記第１柱状結晶および前記第２柱状結晶を結晶成長させる工程では、
第１低屈折率層と、前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第１柱状結晶を結晶成長させ、
第２低屈折率層と、前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第２柱状結晶を結晶成長させ、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置に、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層を配置させ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置に、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層を配置させる。

【0007】

本発明に係るフォトニック結晶構造体の一態様は、
複数の第１柱状部と、
前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部と、
複数の前記第１柱状部の各々に設けられた第１柱状結晶と、
複数の前記第２柱状部の各々に設けられた第２柱状結晶と、
を有し、
前記第１柱状結晶は、
第１低屈折率層と、
前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、
を有し、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第２柱状結晶は、
第２低屈折率層と、
前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、
を有し、
前記第２低屈折率層と前記第２高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置には、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層が設けられ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置には、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層が設けられている。

【0008】

本発明に係る発光装置の一態様は、
前記フォトニック結晶構造体の一態様と、
前記第１柱状結晶に設けられた発光層と、
を有する。

【0009】

本発明に係るプロジェクターの一態様は、
前記発光装置の一態様を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体を模式的に示す断面図。

【図2】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体を模式的に示す平面図。

【図3】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体を模式的に示す断面図。

【図4】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体の製造方法を説明するためのフローチャート。

【図5】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体の製造工程を模式的に示す断面図。

【図6】第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体の製造工程を模式的に示す断面図。

【図7】複数の柱状部のＴＥＭ像。

【図8】複数の柱状部のＴＥＭ像。

【図9】第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体を模式的に示す断面図。

【図10】第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体を模式的に示す平面図。

【図11】第２実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図12】第２実施形態に係る発光装置を模式的に示す平面図。

【図13】第２実施形態の変形例に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図14】本実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

【0012】

１． 第１実施形態
１．１． フォトニック結晶構造体
まず、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００を模式的に示す断面図である。図２は、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ－Ｉ線断面図である。

【0013】

フォトニック結晶構造体１００は、図１および図２に示すように、基板１０と、第１柱状部２０と、第２柱状部２２と、第１柱状結晶３０と、第２柱状結晶４０と、を有している。なお、便宜上、図２では、柱状部２０，２２以外の部材の図示を省略している。

【0014】

基板１０は、例えば、支持基板１２と、バッファー層１４と、を有している。支持基板１２は、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板などである。バッファー層１４は、支持基板１２上に設けられている。バッファー層１４は、例えば、ＧａＮ層である。

【0015】

本明細書では、第１柱状結晶３０の第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４との積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）において、第１柱状部２０を基準とした場合、第１柱状部２０から第１柱状結晶３０に向かう方向を「上」とし、第１柱状部２０から基板１０に向かう方向を「下」として説明する。また、積層方向と直交する方向を「面内方向」ともいう。

【0016】

バッファー層１４上には、柱状部２０，２２を形成するためのマスク層１６が設けられている。マスク層１６は、例えば、チタン層、酸化チタン層、シリコン層、酸化シリコン層などである。

【0017】

第１柱状部２０および第２柱状部２２は、バッファー層１４上に設けられている。第１柱状部２０は、基板１０と第１柱状結晶３０との間に設けられている。第２柱状部２２は、基板１０と第２柱状結晶４０との間に設けられている。柱状部２０，２２は、バッファー層１４から上方に突出した柱状の形状を有している。柱状部２０，２２は、例えば、ＧａＮ層である。

【0018】

第１柱状部２０および第２柱状部２２の径は、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１柱状部２０の径Ｄ１は、第２柱状部２２の径Ｄ２よりも大きい。

【0019】

なお、「柱状部の径」とは、柱状部２０，２２の平面形状が円の場合は、直径であり、柱状部２０，２２の平面形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の直径である。例えば、柱状部２０，２２の径は、柱状部２０，２２の平面形状が多角形の場合、該多角形を内部に含む最小の円の直径であり、柱状部２０，２２の平面形状が楕円の場合、該楕円を内部に含む最小の円の直径である。このことは、後述する「柱状結晶の径」について同様である。

【0020】

第２柱状部２２の高さＨ２は、第１柱状部２０の高さＨ１よりも小さい。すなわち、第２柱状部２２の積層方向における大きさは、第１柱状部２０の積層方向における大きさよりも小さい。図示の例では、高さＨ１と高さＨ２との差は、第２低屈折率層４２の厚さと等しい。

【0021】

第１柱状部２０は、複数設けられている。第２柱状部２２は、複数設けられている。複数の柱状部２０，２２は、積層方向からみて、所定の方向に所定のピッチで配列されている。図２に示す例では、複数の柱状部２０，２２は、三角格子状に配置されている。柱状部２０，２２の平面形状は、正六角形である。

【0022】

なお、「柱状部のピッチ」とは、所定の方向に沿って隣り合う柱状部２０，２２の中心間の距離である。「柱状部の中心」とは、柱状部２０，２２の平面形状が円の場合は、該円の中心であり、柱状部２０，２２の平面形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の中心である。例えば、柱状部２０，２２の中心は、柱状部２０，２２の平面形状が多角形の場合、該多角形を内部に含む最小の円の中心であり、柱状部２０，２２の平面形状が楕円の場合、該楕円を内部に含む最小の円の中心である。

【0023】

第１柱状結晶３０は、複数の第１柱状部２０の各々の上に設けられている。第１柱状結晶３０は、第１低屈折率層３２と、第１低屈折率層３２よりも屈折率が高い第１高屈折率層３４と、を有している。第１低屈折率層３２は、複数設けられている。第１高屈折率層３４は、複数設けられている。第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４とは、交互に積層されている。第１低屈折率層３２および第１高屈折率層３４は、所定の周期で積層方向に配列されている。第１低屈折率層３２は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。第１高屈折率層３４は、例えば、ＧａＮ層である。

【0024】

第２柱状結晶４０は、複数の第２柱状部２２の各々の上に設けられている。第２柱状結晶４０は、第２低屈折率層４２と、第２低屈折率層４２よりも屈折率が高い第２高屈折率層４４と、を有している。第２低屈折率層４２は、複数設けられている。第２高屈折率層４４は、複数設けられている。第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４とは、交互に積層されている。第２低屈折率層４２および第２高屈折率層４４は、例えば、第１低屈折率層３２および第１高屈折率層３４と同じ周期で、かつ第１低屈折率層３２および第１高屈折率層３４に対して半周期分ずれて、積層方向に配列されている。第２低屈折率層４２の数は、第１低屈折率層３２の数と同じである。第２高屈折率層４４の数は、第１高屈折率層３４の数と同じである。第２低屈折率層４２は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。第２高屈折率層４４は、例えば、ＧａＮ層である。

【0025】

積層方向における第１位置Ｐ１には、第１低屈折率層３２および第２高屈折率層４４が設けられている。第１低屈折率層３２および第２高屈折率層４４は、第１位置Ｐ１において、所定の周期で面内方向に配列されている。図示の例では、第１位置Ｐ１は、最も上方に位置する第２高屈折率層４４の中心を通る位置である。第１低屈折率層３２の側方には、第２高屈折率層４４が設けられている。

【0026】

積層方向における第２位置Ｐ２には、第２低屈折率層４２および第１高屈折率層３４が設けられている。第２低屈折率層４２および第１高屈折率層３４は、第２位置Ｐ２において、第１位置Ｐ１における第１低屈折率層３２および第２高屈折率層４４の周期と同じ周期で、面内方向に配列されている。第２位置Ｐ２は、第１位置Ｐ１と異なる位置である。図示の例では、第２位置Ｐ２は、最も上方に位置する第２低屈折率層４２の中心を通る位置である。

【0027】

ここで、図３は、第１柱状結晶３０および第２柱状結晶４０の形状を、より詳細に説明するための図である。

【0028】

図１では、便宜上、第２柱状結晶４０の径を一定として図示しているが、第２柱状結晶４０は、図３に示すように、上方に向けて徐々に径が大きくなるテーパー形状部４０ａと、径が一定となる径一定形状部４０ｂと、を有している。テーパー形状部４０ａは、第２柱状部２２上に設けられている。径一定形状部４０ｂは、テーパー形状部４０ａ上に設けられている。図示の例では、第１柱状結晶３０の径は、一定である。第１柱状結晶３０の最大の径Ｄ３および第２柱状結晶４０の最大の径Ｄ４は、互いに等しい。柱状結晶３０，４０は、第１位置Ｐ１において、それぞれ最大の径Ｄ３，Ｄ４を有する。さらに、柱状結
晶３０，４０は、第２位置Ｐ２において、それぞれ最大の径Ｄ３，Ｄ４を有する。

【0029】

なお、図１では、便宜上、第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４とのペア数、および第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４とのペア数を、３ペアとして図示しているが、第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４とのペア数、および第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４とのペア数は、３ペアよりも多く、例えば、２０ペア以上である。

【0030】

フォトニック結晶構造体１００では、第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４との屈折率差、および第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４との屈折率差によって、積層方向において、フォトニック結晶の効果を発現することができる。さらに、第１低屈折率層３２と第２高屈折率層４４との屈折率差、および第２低屈折率層４２と第１高屈折率層３４との屈折率差によって、面内方向において、フォトニック結晶の効果を発現することができる。したがって、フォトニック結晶構造体１００では、三次元フォトニック結晶としての性質を有する。

【0031】

フォトニック結晶構造体１００は、例えば、以下の作用効果を有する。

【0032】

フォトニック結晶構造体１００では、複数の第１柱状部２０と、第１柱状部２０よりも高さが小さい複数の第２柱状部２２と、複数の第１柱状部２０の各々に設けられた第１柱状結晶３０と、複数の第２柱状部２２の各々に設けられた第２柱状結晶４０と、を有する。第１柱状結晶３０は、第１低屈折率層３２と、第１低屈折率層３２よりも屈折率が高い第１高屈折率層３４と、を有し、第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４とは、交互に積層されている。第２柱状結晶４０は、第２低屈折率層４２と、第２低屈折率層４２よりも屈折率が高い第２高屈折率層４４と、を有し、第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４とは、交互に積層されている。積層方向における第１位置Ｐ１には、第１低屈折率層３２および第２高屈折率層４４が設けられ、積層方向における第１位置Ｐ１と異なる第２位置Ｐ２には、第２低屈折率層４２および第１高屈折率層３４が設けられている。そのため、フォトニック結晶構造体１００では、良好な周期性を備えた三次元周期構造を有することができる。

【0033】

例えば、基板に凹凸形状を形成し、凹凸形状が形成された基板上に、互いに屈折率の異なる層を形成する場合、積層を重ねることで段差が変化して良好な周期性を保つことができない。フォトニック結晶構造体１００では、互いに高さが異なる柱状部２０，２２を設け、その上に、それぞれ柱状結晶３０，４０を設けるため、良好な周期性を有することができる。

【0034】

フォトニック結晶構造体１００では、第１柱状結晶３０の最大の径Ｄ３および第２柱状結晶４０の最大の径Ｄ４は、互いに等しい。そのため、フォトニック結晶構造体１００では、柱状結晶３０，４０の最大の径Ｄ３，Ｄ４が互いに同じとなる部分の成長速度を同じにすることができる。これにより、最大の径Ｄ３，Ｄ４が互いに同じとなる部分において、第１柱状結晶３０と第２柱状結晶４０との高さの差を保ちながら柱状結晶３０，４０を結晶成長させることができる。その結果、面内方向における周期構造の制御が容易となる。

【0035】

フォトニック結晶構造体１００では、第１柱状部２０の径Ｄ１は、第２柱状部２２の径Ｄ２よりも大きい。柱状部を結晶成長させた場合、柱状部の径が大きいほど、積層方向における成長速度が速くなる。そのため、フォトニック結晶構造体１００では、第１柱状部２０の高さを第２柱状部２２の高さよりも大きくすることができる。

【0036】

１．２． フォトニック結晶構造体の製造方法
次に、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図４は、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。図５および図６は、第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

【0037】

図５に示すように、支持基板１２上に、バッファー層１４を結晶成長させる（ステップＳ１）。バッファー層１４の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical
Vapor Deposition）法、ＲＦ－ＭＢＥ（Radio Frequency - Molecular Beam Epitaxy）法を用いたエピタキシャル成長である。ステップＳ１により、基板１０を形成することができる。

【0038】

次に、バッファー層１４上に、マスク層１６を形成する（ステップＳ２）。マスク層１６は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、電子ビーム蒸着法によって成膜され、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によるパターニングによって形成される。

【0039】

図６に示すように、マスク層１６をマスクとして、バッファー層１４上に、複数の第１柱状部２０、および複数の第２柱状部２２を形成する（ステップＳ３）。具体的には、柱状部２０，２２を結晶成長させる。柱状部２０，２２の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長である。柱状部２０，２２の径Ｄ１，Ｄ２を変えることで柱状部２０，２２の積層方向の成長速度が変化するため、マスク層１６に設けられた開口部の径によって、柱状部２０，２２の高さＨ１，Ｈ２を制御することができる。具体的には、第１柱状部２０の径Ｄ１は、第２柱状部２２の径Ｄ２よりも大きいため、第１柱状部２０の高さＨＤ１は、第２柱状部２２の高さＨ２よりも大きくなる。

【0040】

ここで、図７および図８は、複数の柱状部のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。図７は平面図であり、図８は斜視図である。図７および図８に示すように、柱状部の径が大きいと、柱状部の高さが大きくなることがわかる。

【0041】

図１に示すように、複数の第１柱状部２０の各々の上に第１柱状結晶３０を結晶成長させ、複数の第２柱状部２２の各々の上に第２柱状結晶４０を結晶成長させる（ステップＳ４）。ステップＳ４では、第１低屈折率層３２と第１高屈折率層３４とを交互に積層させて、第１柱状結晶３０を結晶成長させる。さらに、第２低屈折率層４２と第２高屈折率層４４とを交互に積層させて、第２柱状結晶４０を結晶成長させる。第１低屈折率層３２の結晶成長と第２低屈折率層４２の結晶成長とは、同一の工程で行われる。第１高屈折率層３４の結晶成長と第２高屈折率層４４の結晶成長とは、同一の工程で行われる。低屈折率層３２，４２および高屈折率層３４，４４の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長である。

【0042】

ステップＳ４では、第２柱状結晶４０が面内方向によって広がり、かつシャドウ効果によって、図３に示すように、径が小さい第２柱状結晶４０が拡大して径Ｄ３，Ｄ４が互いに等しくなるような条件で、柱状結晶３０，４０を結晶成長させる。これにより、柱状結晶３０，４０の最大の径Ｄ３，Ｄ４が互いに同じとなる部分の成長速度を同じにすることができる。その結果、最大の径Ｄ３，Ｄ４が互いに同じとなる部分において、第１柱状結晶３０と第２柱状結晶４０との高さの差を保ちながら柱状結晶３０，４０を結晶成長させることができる。なお、「シャドウ効果」とは、柱状部２０，２２の間隔が狭くなると原料が入り込み難くなる現象のことである。

【0043】

ステップＳ４では、積層方向における第１位置Ｐ１に、第１低屈折率層３２および第２高屈折率層４４を配置させる。さらに、積層方向における第２位置Ｐ２に、第２低屈折率
層４２および第１高屈折率層３４を配置させる。

【0044】

以上の工程により、フォトニック結晶構造体１００を製造することができる。

【0045】

１．３． フォトニック結晶構造体の変形例
次に、第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体について、図面を参照しながら説明する。図９は、第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体１１０を模式的に示す断面図である。図１０は、第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体１１０を模式的に示す平面図である。なお、図９は、図１０のＩＸ－ＩＸ線断面図である。また、便宜上、図１０では、柱状部２０，２２以外の部材の図示を省略している。

【0046】

以下、第１実施形態の変形例に係るフォトニック結晶構造体１１０において、上述した第１実施形態に係るフォトニック結晶構造体１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0047】

上述したフォトニック結晶構造体１００は、図１および図２に示すように、複数の柱状部２０，２２の平面形状は、三角格子状に配置されていた。さらに、柱状部２０，２２の平面形状は、正六角形であった。

【0048】

これに対し、フォトニック結晶構造体１１０は、図９および図１０に示すように、複数の柱状部２０，２２の平面形状は、四角格子状に配置されている。柱状部２０，２２の平面形状は、円である。

【0049】

２． 第２実施形態
２．１． 発光装置
次に、第２実施形態に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図１１は、第２本実施形態に係る発光装置２００を模式的に示す断面図である。図１２は、第２実施形態に係る発光装置２００を模式的に示す平面図である。なお、図１１は、図１２のＸＩ－ＸＩ線断面図である。また、便宜上、図１２では、柱状部２０，２２以外の部材の図示を省略している。

【0050】

発光装置２００は、図１１および図１２に示すように、例えば、上述したフォトニック結晶構造体１００を有している。さらに、発光装置２００は、第１発光層５０と、第２発光層５２と、第３柱状結晶６０と、第４柱状結晶７０と、を有している。

【0051】

第１発光層５０は、第１柱状結晶３０上に設けられている。第１発光層５０は、第１柱状結晶３０と第３柱状結晶６０との間に設けられている。第２発光層５２は、第２柱状結晶４０上に設けられている。第２発光層５２は、第２柱状結晶４０と第４柱状結晶７０との間に設けられている。図示の例では、第１発光層５０は、第１高屈折率層３４および第３高屈折率層６４と接している。第２発光層５２は、第２高屈折率層４４および第４高屈折率層７４と接している。

【0052】

第１発光層５０および第２発光層５２は、光が入射されることで光を発生させる。発光層５０，５２は、例えば、ｉ型のＩｎＧａＮ層からなるウェル層と、ｉ型のＧａＮ層からなるバリア層と、を有している。発光層５０，５２は、例えば、ウェル層とバリア層とから構成されたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有している。なお、ウェル層の数およびバリア層の数は、特に限定されない。発光層５０，５２は、ＳＱＷ（Single Quantum Well）構造を有していてもよい。

【0053】

第３柱状結晶６０は、第１発光層５０上に設けられている。第３柱状結晶６０は、第３
低屈折率層６２と、第３低屈折率層６２よりも屈折率が高い第３高屈折率層６４と、を有している。第３低屈折率層６２は、複数設けられている。第３高屈折率層６４は、複数設けられている。第３低屈折率層６２と第３高屈折率層６４とは、交互に積層されている。第３低屈折率層６２および第３高屈折率層６４は、所定の周期で積層方向に配列されている。第３低屈折率層６２は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。第３高屈折率層６４は、例えば、ＧａＮ層である。

【0054】

第４柱状結晶７０は、第２発光層５２上に設けられている。第４柱状結晶７０は、第４低屈折率層７２と、第４低屈折率層７２よりも屈折率が高い第４高屈折率層７４と、を有している。第４低屈折率層７２は、複数設けられている。第４高屈折率層７４は、複数設けられている。第４低屈折率層７２と第４高屈折率層７４とは、交互に積層されている。第４低屈折率層７２および第４高屈折率層７４は、例えば、第３低屈折率層６２および第３高屈折率層６４と同じ周期で、かつ第３低屈折率層６２および第３高屈折率層６４に対して半周期分ずれて、積層方向に配列されている。第４低屈折率層７２の数は、第３低屈折率層６２の数と同じである。第４高屈折率層７４の数は、第３高屈折率層６４の数と同じである。第４低屈折率層７２は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。第４高屈折率層７４は、例えば、ＧａＮ層である。

【0055】

発光装置２００では、周期構造に周期性を乱す欠陥を意図的に設けることで、欠陥に光を強く局在させることができる。具体的には、基板１０上の位置Ａに、第１柱状部２０を設ける。これにより、柱状部２０，２２の周期性を乱すことができ、位置Ａに位置する第１柱状部２０上に設けられた第１発光層５０に光を局在させることができる。位置Ａを除いた領域で、第１低屈折率層３２と第２高屈折率層４４、第２低屈折率層４２と第１高屈折率層３４、第３低屈折率層６２と第４高屈折率層７４、および第４低屈折率層７２と第３高屈折率層６４は、面内方向に周期的に配列されている。

【0056】

発光装置２００では、入射した励起光は発光層５０，５２で吸収され、電子が励起されて発光する。発生した光は、面内方向および積層方向におけるフォトニック結晶の効果により位置Ａに局在し、第１発光層５０で利得を受けてレーザー発振する。そして、発光装置２００は、レーザー光を積層方向に出射する。

【0057】

発光装置２００では、面内方向および積層方向におけるフォトニック結晶の効果によって、自然放出が抑制されるために、キャリアを効率よく蓄積することができる。そのため、低閾値の半導体レーザーを実現することができる。

【0058】

なお、図示はしないが、支持基板１２とバッファー層１４との間、または支持基板１２の下に反射層が設けられていてもよい。該反射層は、例えば、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層である。該反射層によって、第１発光層５０において発生した光を反射させることができ、発光装置２００は、基板１０とは反対側のみから光を出射することができる。

【0059】

２．２． 発光装置の製造方法
次に、第２実施形態に係る発光装置２００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【0060】

第１柱状結晶３０および第２柱状結晶４０を結晶成長させるところまでは、上述したフォトニック結晶構造体１００の製造方法と同様である。

【0061】

図１１に示すように、第１柱状結晶３０上に第１発光層５０を結晶成長させ、第２柱状結晶４０上に第２発光層５２を結晶成長させる。発光層５０，５２の結晶成長は、例えば
、ＭＯＣＶＤ法、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長である。第１発光層５０の結晶成長と第２発光層５２の結晶成長とは、同一の工程で行われる。

【0062】

次に、第１発光層５０上に第３柱状結晶６０を結晶成長させ、第２発光層５２上に第４柱状結晶７０を結晶成長させる。柱状結晶６０，７０の結晶成長は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＲＦ－ＭＢＥ法を用いたエピタキシャル成長である。第３柱状結晶６０の結晶成長と第４柱状結晶７０の結晶成長とは、同一の工程で行われる。

【0063】

以上の工程により、発光装置２００を製造することができる。

【0064】

２．３． 発光装置の変形例
次に、第２実施形態の変形例に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図１３は、第２実施形態の変形例に係る発光装置２１０を模式的に示す断面図である。

【0065】

以下、第２実施形態の変形例に係る発光装置２１０において、上述した第２実施形態に係る発光装置２００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0066】

上述した発光装置２００は、図１１に示すように、第１発光層５０に光が入射されることによって発光した。

【0067】

これに対し、発光装置２１０は、図１３に示すように、第１発光層５０に電流が注入されることによって発光する。

【0068】

発光装置２１０では、バッファー層１４、柱状部２０，２２、および高屈折率層３４，４４は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層である。低屈折率層３２，４２は、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌＧａＮ層である。高屈折率層６４，７４は、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ層である。低屈折率層６２，７２は、Ｍｇがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ層である。

【0069】

発光装置２１０は、第１電極８０と、第２電極８２と、を有している。

【0070】

第１電極８０は、バッファー層１４上に設けられている。バッファー層１４は、第１電極８０とオーミックコンタクトしていてもよい。第１電極８０は、柱状結晶３０，４０と電気的に接続されている。図示の例では、第１電極８０は、バッファー層１４および柱状部２０，２２を介して、柱状結晶３０，４０と電気的に接続されている。第１電極８０は、第１発光層５０に電流を注入するための一方の電極である。第１電極８０としては、例えば、バッファー層１４側から、Ｃｒ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いる。

【0071】

第２電極８２は、柱状結晶６０，７０上に設けられている。第２電極８２は、柱状結晶６０，７０と電気的に接続されている。柱状結晶６０，７０は、第２電極８２とオーミックコンタクトしていてもよい。第２電極８２は、第１発光層５０に電流を注入するための他方の電極である。第２電極８２としては、例えば、ＩＴＯ（indium tin oxide）などを用いる。電極８０，８２は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。

【0072】

発光装置２１０では、ｐ型の柱状結晶６０，７０、不純物がドープされていないｉ型の第１発光層５０、およびｎ型の柱状結晶３０，４０により、ｐｉｎダイオードが構成される。発光装置２１０では、第１電極８０と第２電極８２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、第１発光層５０に電流が注入されて第１発光層５０において
電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。第１発光層５０で発生した光は、面内方向および積層方向におけるフォトニック結晶の効果により位置Ａに局在し、第１発光層５０で利得を受けてレーザー発振する。そして、発光装置２１０は、積層方向にレーザー光を出射する。

【0073】

なお、第２発光層５２に注入される電流の密度は、第１発光層５０に注入される電流の密度よりも小さくしてもよい。第２柱状部２２の径は、第１柱状部２０の径よりも小さいため、第２柱状部２２の抵抗は高い。これにより、第２発光層５２に注入される電流の密度を小さくすることができる。上記のように、光は、位置Ａに位置する第１柱状部２０上に設けられた第１発光層５０に局在するため、第１発光層５０に選択的に電流を注入させることにより、効率よく第１発光層５０を発光させることができる。

【0074】

また、上記では、発光装置２００，２１０が半導体レーザーである場合について説明したが、発光装置２００，２１０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。

【0075】

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態に係るプロジェクター９００を模式的に示す図である。

【0076】

プロジェクター９００は、例えば、光源として、発光装置２１０を有している。

【0077】

プロジェクター９００は、図示しない筐体と、筐体内に備えられている赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射する赤色光源２１０Ｒ、緑色光源２１０Ｇ、青色光源２１０Ｂと、を有している。なお、便宜上、図１４では、赤色光源２１０Ｒ、緑色光源２１０Ｇ、および青色光源２１０Ｂを簡略化している。

【0078】

プロジェクター９００は、さらに、筐体内に備えられている、第１光学素子９０２Ｒと、第２光学素子９０２Ｇと、第３光学素子９０２Ｂと、第１光変調装置９０４Ｒと、第２光変調装置９０４Ｇと、第３光変調装置９０４Ｂと、投射装置９０８と、を有している。第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂは、例えば、透過型の液晶ライトバルブである。投射装置９０８は、例えば、投射レンズである。

【0079】

赤色光源２１０Ｒから出射された光は、第１光学素子９０２Ｒに入射する。赤色光源２１０Ｒから出射された光は、第１光学素子９０２Ｒによって集光される。なお、第１光学素子９０２Ｒは、集光以外の機能を有していてもよい。後述する第２光学素子９０２Ｇおよび第３光学素子９０２Ｂについても同様である。

【0080】

第１光学素子９０２Ｒによって集光された光は、第１光変調装置９０４Ｒに入射する。第１光変調装置９０４Ｒは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第１光変調装置９０４Ｒによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。

【0081】

緑色光源２１０Ｇから出射された光は、第２光学素子９０２Ｇに入射する。緑色光源２１０Ｇから出射された光は、第２光学素子９０２Ｇによって集光される。

【0082】

第２光学素子９０２Ｇによって集光された光は、第２光変調装置９０４Ｇに入射する。第２光変調装置９０４Ｇは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第２光変調装置９０４Ｇによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。

【0083】

青色光源２１０Ｂから出射された光は、第３光学素子９０２Ｂに入射する。青色光源２１０Ｂから出射された光は、第３光学素子９０２Ｂによって集光される。

【0084】

第３光学素子９０２Ｂによって集光された光は、第３光変調装置９０４Ｂに入射する。第３光変調装置９０４Ｂは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第３光変調装置９０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。

【0085】

また、プロジェクター９００は、第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂから出射された光を合成して投射装置９０８に導くクロスダイクロイックプリズム９０６を有することができる。

【0086】

第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム９０６に入射する。クロスダイクロイックプリズム９０６は、４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は、投射装置９０８によりスクリーン９１０上に投射され、拡大された画像が表示される。

【0087】

なお、赤色光源２１０Ｒ、緑色光源２１０Ｇ、および青色光源２１０Ｂは、発光装置２１０を映像の画素として画像情報に応じて制御することで、第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂを用いずに、直接的に映像を形成してもよい。そして、投射装置９０８は、赤色光源２１０Ｒ、緑色光源２１０Ｇ、および青色光源２１０Ｂによって形成された映像を、拡大してスクリーン９１０に投射してもよい。

【0088】

また、上記の例では、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micro Mirror Device）が挙げられる。また、投射装置の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。

【0089】

また、光源を、光源からの光をスクリーン上で走査させることにより、表示面に所望の大きさの画像を表示させる画像形成装置である走査手段を有するような走査型の画像表示装置の光源装置にも適用することが可能である。

【0090】

上述した実施形態に係る発光装置は、プロジェクター以外にも用いることが可能である。プロジェクター以外の用途には、例えば、屋内外の照明、ディスプレイのバックライト、レーザープリンター、スキャナー、車載用ライト、光を用いるセンシング機器、通信機器等の光源がある。また、上述した実施形態に係る発光装置は、微小な発光素子をアレイ状に配置して画像表示させるＬＥＤディスプレイの発光素子にも適用することができる。

【0091】

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

【0092】

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施
の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【0093】

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

【0094】

フォトニック結晶構造体の製造方法の一態様は、
複数の第１柱状部、および前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部を形成する工程と、
複数の前記第１柱状部の各々に第１柱状結晶を結晶成長させ、複数の前記第２柱状部の各々に第２柱状結晶を結晶成長させる工程と、
を有し、
前記第１柱状結晶および前記第２柱状結晶を結晶成長させる工程では、
第１低屈折率層と、前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第１柱状結晶を結晶成長させ、
第２低屈折率層と、前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、を交互に積層させて、前記第２柱状結晶を結晶成長させ、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置に、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層を配置させ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置に、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層を配置させる。

【0095】

このフォトニック結晶構造体の製造方法では、良好な周期性を備えた三次元周期構造を有するフォトニック結晶構造体を製造することができる。

【0096】

フォトニック結晶構造体の製造方法の一態様において、
前記第１柱状結晶の最大の径および前記第２柱状結晶の最大の径は、互いに等しくてもよい。

【0097】

このフォトニック結晶構造体の製造方法によれば、第１柱状結晶と第２柱状結晶との成長速度を同じにすることができる。

【0098】

フォトニック結晶構造体の製造方法の一態様において、
前記第１柱状部および前記第２柱状部を形成する工程では、前記第１柱状部および前記第２柱状部を結晶成長させてもよい。

【0099】

フォトニック結晶構造体の製造方法の一態様において、
前記第１柱状部の径は、前記第２柱状部の径よりも大きくてもよい。

【0100】

このフォトニック結晶構造体の製造方法によれば、第１柱状部の高さを第２柱状部の高さよりも大きくすることができる。

【0101】

フォトニック結晶構造体の一態様は、
複数の第１柱状部と、
前記第１柱状部よりも高さが小さい複数の第２柱状部と、
複数の前記第１柱状部の各々に設けられた第１柱状結晶と、
複数の前記第２柱状部の各々に設けられた第２柱状結晶と、
を有し、
前記第１柱状結晶は、
第１低屈折率層と、
前記第１低屈折率層よりも屈折率が高い第１高屈折率層と、
を有し、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第２柱状結晶は、
第２低屈折率層と、
前記第２低屈折率層よりも屈折率が高い第２高屈折率層と、
を有し、
前記第２低屈折率層と前記第２高屈折率層とは、交互に積層され、
前記第１低屈折率層と前記第１高屈折率層との積層方向における第１位置には、前記第１低屈折率層および前記第２高屈折率層が設けられ、
前記積層方向における前記第１位置と異なる第２位置には、前記第２低屈折率層および前記第１高屈折率層が設けられている。

【0102】

このフォトニック結晶構造体によれば、良好な周期性を備えた三次元周期構造を有することができる。

【0103】

フォトニック結晶構造体の一態様において、
前記第１柱状結晶の最大の径および前記第２柱状結晶の最大の径は、互いに等しくてもよい。

【0104】

このフォトニック結晶構造体によれば、第１柱状結晶と第２柱状結晶との成長速度を同じにすることができる。

【0105】

フォトニック結晶構造体の一態様において、
前記第１柱状部の径は、前記第２柱状部の径よりも大きくてもよい。

【0106】

このフォトニック結晶構造体によれば、第１柱状部の高さを第２柱状部の高さよりも大きくすることができる。

【0107】

発光装置の一態様において、
前記のフォトニック結晶構造体と、
前記第１柱状結晶に設けられた発光層と、
を有する。

【0108】

本発明に係るプロジェクターの一態様は、
前記発光装置の一態様を有する。

【符号の説明】

【0109】

１０…基板、１２…支持基板、１４…バッファー層、１６…マスク層、２０…第１柱状部、２２…第２柱状部、３０…第１柱状結晶、３２…第１低屈折率層、３４…第１高屈折率層、４０…第２柱状結晶、４０ａ…テーパー形状部、４０ｂ…径一定形状部、４２…第２低屈折率層、４４…第２高屈折率層、５０…第１発光層、５２…第２発光層、６０…第３柱状結晶、６２…第３低屈折率層、６４…第３高屈折率層、７０…第４柱状結晶、７２…第４低屈折率層、７４…第４高屈折率層、８０…第１電極、８２…第２電極、１００，１１０…フォトニック結晶構造体、２００，２１０…発光装置、２１０Ｒ…赤色光源、２１０Ｇ…緑色光源、２１０Ｂ…青色光源、９００…プロジェクター、９０２Ｒ…第１光学素子、９０２Ｇ…第２光学素子、９０２Ｂ…第３光学素子、９０４Ｒ…第１光変調装置、９０４Ｇ…第２光変調装置、９０４Ｂ…第３光変調装置、９０６…クロスダイクロイックプリズム、９０８…投射装置、９１０…スクリーン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】