特開 2023-173193 面発光レーザ素子の製造方法

(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】P2023173193

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】面発光レーザ素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/11 20210101AFI20231130BHJP

   H01S 5/185 20210101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

H01S5/11

H01S5/185

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022085274

(22)【出願日】2022-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】野田 進

(72)【発明者】

【氏名】江本 渓

(72)【発明者】

【氏名】小泉 朋朗

(72)【発明者】

【氏名】小谷 泰司

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB52

5F173AB90

5F173AH22

5F173AP05

5F173AP33

5F173AR23

5F173AR91

(57)【要約】      （修正有）

【課題】発振波長及び出射光特性が高精度に制御されたフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】（ａ）透光性の基板上にフォトニック結晶層を含む第１の半導体層を形成し、（ｂ）第１の半導体層上に結晶成長を行って活性層及び第２の半導体層をこの順で形成し、（ｃ）第２の半導体層の表面から光を照射して、当該表面からフォトニック結晶層による照射光の反射位置までの層厚を測定する分光測定を行い、（ｄ）分光測定により得られた当該層厚に対応する光路長に基づいて算出された層厚を有する透光性電極を第２の半導体層上に形成し、（ｅ）透光性電極上に光反射層を形成し、透光性電極の層厚は、フォトニック結晶層から放射され基板の裏面から出射された直接回折光と、フォトニック結晶層から放射され光反射層によって反射された反射回折光との干渉光の光強度が直接回折光の光強度よりも大きくなるように定められている。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）透光性の基板上にフォトニック結晶層を含む第１導電型の第１の半導体層を形成し、
（ｂ）前記第１の半導体層上に結晶成長を行って活性層及び第２導電型の第２の半導体層をこの順で形成し、
（ｃ）前記第２の半導体層の表面から光を照射して、前記表面から前記フォトニック結晶層による照射光の反射位置までの層厚を測定する分光測定を行い、
（ｄ）前記分光測定により得られた前記層厚に対応する光路長に基づいて算出された層厚を有する透光性電極を前記第２の半導体層上に形成し、
（ｅ）前記透光性電極上に光反射層を形成し、
前記透光性電極の層厚は、前記フォトニック結晶層から放射され前記基板の裏面から出射された直接回折光と、前記フォトニック結晶層から放射され前記光反射層によって反射された反射回折光との干渉光の光強度が前記直接回折光の光強度よりも大きくなるように定められている、面発光レーザ素子の製造方法。

【請求項2】

前記分光測定は分光エリプソメータを用いて行われる請求項１に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

【請求項3】

前記フォトニック結晶層は多重格子構造を有している請求項１に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

【請求項4】

前記活性層及び前記第２の半導体層は、ＭＯＶＰＥ法によって結晶成長される請求項１に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

【請求項5】

前記透光性電極の層厚は、前記直接回折光及び前記反射回折光の位相が一致するように定められている請求項１ないし４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光レーザ素子の製造方法、特にフォトニック結晶を有する面発光レーザ素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、フォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）を用いた、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ：Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser）の開発が進められている。

【0003】

例えば、特許文献１には、反射面として機能するｐ側電極を備え、主ビームと副ビームとを出射できるフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。

【0004】

非特許文献１には、半導体ＤＢＲをｐ側反射構造として用いたフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。また、非特許文献２には、反射面として機能するｐ側電極を備えた、高出力のフォトニック結晶面発光レーザが開示されている。

【0005】

また、非特許文献３には、フォトニック結晶面発光レーザの回折光の定式化と、フォトニック結晶層において回折されてフォトニック結晶層に垂直な方向に発せられる回折放射波プロファイルなどが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１５－１４９４０３号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Yoshida, M. et al., Double-lattice photonic-crystal resonators enabling high-brightness semiconductor lasers with symmetric narrow-divergence beams. Nat. Mater. 18, 121 (2019).

【非特許文献2】Hirose, K. et al. Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers. Nat. Photon. 8, 406-411 (2014).

【非特許文献3】Y. Liang et al.: Phys.Rev. B vol.84, 195119 (2011)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）においては、フォトニック結晶層における２次元面内共振によって発振した光を面垂直方向に回折させ、基板側から出射光が取り出される。

【0009】

その際、フォトニック結晶層から基板側に回折された光（直接回折光）と、反対方向に回折され、反射面で反射された光（反射回折光）とが干渉する。この干渉により出射光のスロープ効率等の特性は大きく変化する。

【0010】

直接回折光と反射回折光との干渉は、フォトニック結晶層及び反射面間の半導体層の光路長によって決定されるが、当該光路長を決定可能な程度に層厚を高精度に制御して当該半導体層を成長することは非常に困難である。したがって、出射光の特性が高精度に制御されたフォトニック結晶面発光レーザを製造するには困難があった。

【0011】

本発明は、上記点に着目してなされたものであり、発振波長及び出射光特性が高精度に制御されたフォトニック結晶面発光レーザの製造方法を提供することを目的としている。また、高スロープ効率などの高性能な出射光特性を有するフォトニック結晶面発光レーザ、及び当該フォトニック結晶面発光レーザを歩留まりよく製造する製造方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の１実施態様による面発光レーザ素子の製造方法は、
（ａ）透光性の基板上にフォトニック結晶層を含む第１導電型の第１の半導体層を形成し、
（ｂ）前記第１の半導体層上に結晶成長を行って活性層及び第２導電型の第２の半導体層をこの順で形成し、
（ｃ）前記第２の半導体層の表面から光を照射して、前記表面から前記フォトニック結晶層による照射光の反射位置までの層厚を測定する分光測定を行い、
（ｄ）前記分光測定により得られた前記層厚に対応する光路長に基づいて算出された層厚を有する透光性電極を前記第２の半導体層上に形成し、
（ｅ）前記透光性電極上に光反射層を形成し、
前記透光性電極の層厚は、前記フォトニック結晶層から放射され前記基板の裏面から出射された直接回折光と、前記フォトニック結晶層から放射され前記光反射層によって反射された反射回折光との干渉光の光強度が前記直接回折光の光強度よりも大きくなるように定められている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】本発明の実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ素子１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。

【図1B】図１Ａの空孔層１４Ｐ（フォトニック結晶層）及び空孔層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）１４Ｋを模式的に示す部分拡大断面図である。

【図2A】ＰＣＳＥＬ素子１０の上面（パッド電極３３を取り除いた状態）を模式的に示す平面図である。

【図2B】空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図である。

【図2C】ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。

【図3】フォトニック結晶層１４Ｐに平行な面内における空孔配列の一例を模式的に示す図である。

【図4】ＰＣＳＥＬ素子１０の製造方法を示す製造工程フロー図である。

【図5】結晶成長終了後のウエハＷＦの上面を模式的に示す図である。

【図6】成長終了後のウエハＷＦの分光反射曲線を示すグラフである。

【図7】分光反射測定装置の照射光ＥＭをウエハＷＦに照射したときの表面反射光ＥＳ及びフォトニック結晶１４Ｐによる反射光ＥＲを模式的に示す図である。

【図8】光反射層３２によって反射されて光出射面から出射される反射回折光Ｌｒと、光出射面から直接出射される回折光Ｌｄとの干渉を模式的に示す図である。

【図9A】実施例（ＥＸ）のＰＣＳＥＬ素子１０の発振波長に対するスロープ効率をプロットしたグラフである。

【図9B】比較例ＣＭＰのＰＣＳＥＬ素子の発振波長に対するスロープ効率をプロットしたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

【0015】

［第１の実施形態］
１．フォトニック結晶面発光レーザの構造
（ａ）素子構造
フォトニック結晶面発光レーザ（以下、ＰＣＳＥＬとも称する。）は、発光素子を構成する半導体発光構造層（ｎ側ガイド層、発光層、ｐ側ガイド層）と平行な共振器層を有し、当該共振器層に直交する方向にコヒーレントな光を放射する素子である。

【0016】

すなわち、フォトニック結晶面発光レーザ（ＰＣＳＥＬ）では、フォトニック結晶層に平行な面内を伝搬する光波はフォトニック結晶の回折効果により回折され２次元的な共振モードを形成するとともに、当該平行面に垂直な方向にも回折される。すなわち、フォトニック結晶面発光レーザでは、共振方向（フォトニック結晶層に平行な面内）に対して、光取り出し方向が垂直方向である。

【0017】

図１Ａは、本発明の実施形態によるフォトニック結晶面発光レーザ素子（以下、ＰＣＳＥＬ素子という。）１０の構造の一例を模式的に示す断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａのフォトニック結晶層１４Ｐ及びフォトニック結晶層１４Ｐ中に配列された空孔（air hole）対１４Ｋを模式的に示す拡大断面図である。

【0018】

図１Ａに示すように、半導体構造層１１が透光性の基板１２上に形成されている。なお、半導体構造層１１の中心軸ＣＸに垂直に半導体層が積層されている。

【0019】

また、半導体構造層１１は、六方晶系の窒化物半導体からなる。本実施形態においては、半導体構造層１１は、例えば、ＧａＮ系半導体からなる。

【0020】

より詳細には、基板１２上に複数の半導体層からなる半導体構造層１１、すなわちｎ－クラッド層（第１導電型の第１のクラッド層）１３、ｎ側に設けられたガイド層であるｎ側ガイド層（第１のガイド層）１４、活性層（ＡＣＴ）１５、ｐ側に設けられたガイド層であるｐ側ガイド層（第２のガイド層）１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７、ｐ－クラッド層（第２導電型の第２のクラッド層）１８、ｐ－コンタクト層１９がこの順で形成されている。

【0021】

なお、第１導電型がｎ型、第１導電型の反対導電型である第２導電型がｐ型の場合について説明するが、第１導電型及び第２導電型がそれぞれｐ型、ｎ型であってもよい。

【0022】

基板１２は、六方晶のＧａＮ単結晶であり、活性層１５から放射された光の透過率が高い基板である。より詳細には、基板１２は、主面（結晶成長面）が、Ｇａ原子が最表面に配列した｛０００１｝面である＋ｃ面の六方晶のＧａＮ単結晶基板である。裏面（光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である－ｃ面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光出射面として適している。

【0023】

基板１２はこれに限定されないが、いわゆるジャスト基板、又は、例えば、主面がｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板が好ましい。例えば、ｍ軸方向に１°程度までオフセットした基板は、広範な成長条件下にて鏡面成長を得ることができる。

【0024】

主面と対向する光出射領域２０Ｌが設けられた基板面（裏面、光出射面）は、Ｎ原子が最表面に配列した（０００－１）面である「－ｃ」面である。－ｃ面は酸化等に対して耐性があるので光取り出し面として適している。

【0025】

以下に各半導体層の組成、層厚等の構成について説明するが、例示に過ぎず、適宜改変して適用することができる。

【0026】

ｎ－クラッド層１３は、例えばＡｌ組成が４％のｎ－Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層であり、層厚は２μｍである。アルミニウム（Ａｌ）組成比は、活性層１５側に隣接する層（すなわち、ｎ側ガイド層１４）より屈折率が小さくなる組成としている。

【0027】

ｎ側ガイド層１４は、下ガイド層１４Ａ、フォトニック結晶層（ＰＣ層）である空孔層（air-hole layer）１４Ｐ及び埋込層１４Ｂからなる。図１Ｂに示すように、空孔層１４Ｐは層厚（深さ）ｄ_ＰＣを有し、埋込層１４Ｂは層厚ｄ_ＥＭＢを有する。

【0028】

下ガイド層１４Ａは、例えば層厚が２０～５００ｎｍのｎ－ＧａＮである。空孔層（air-hole layer）１４Ｐは、層厚（又は空孔１４Ｋの深さ）が６０～１５０ｎｍのｎ－ＧａＮである。

【0029】

埋込層１４Ｂは、ｎ－ＧａＮ、ｎ－ＩｎＧａＮ、又はアンドープＧａＮ、アンドープＩｎＧａＮからなる。あるいは、これらの半導体層が積層された層であってもよい。埋込層１４Ｂは、例えば５０～１５０ｎｍの層厚を有する。

【0030】

発光層である活性層１５は、例えば２つの量子井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。ＭＱＷのバリア層及び量子井戸層は、それぞれＧａＮ（層厚６．０ｎｍ）及びＩｎＧａＮ（層厚３．０ｎｍ）である。また、活性層１５の利得波長は４３２ｎｍである。

【0031】

なお、活性層１５は、空孔層１４Ｐから１８０ｎｍ以内に配置されていることが好ましい。この場合、空孔層１４Ｐによる高い共振効果が得られる。

【0032】

ｐ側ガイド層１６は、例えばアンドープＧａＮ又はアンドープＩｎＧａＮからなり、１００～３５０ｎｍの層厚を有する。なお、ｐ側ガイド層１６は、ドーパントによる光吸収を考慮してアンドープ層としたが、良好な電気伝導性を得るためにマグネシウム（Ｍｇ）等をドープしてもよい。

【0033】

または、ｐ側ガイド層１６は、アンドープ層とドープ層とを積層した構造としてもよい。また、ｐ側ガイド層１６としてＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層を積層し、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成及び層厚を適宜選択することもできる。

【0034】

電子障壁層(ＥＢＬ)１７は、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層であり、例えば。層厚１５ｎｍを有する。

【0035】

ｐ－クラッド層１８は、Ｍｇドープのｐ－Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層であり、例えば、層厚５０～６００ｎｍを有する。ｐ－クラッド層１８のＡｌ組成は、ｐ側ガイド層１６よりも屈折率が小であるように選ばれていることが好ましい。

【0036】

また、ｐ－コンタクト層１９は、Ｍｇドープのｐ－ＧａＮ層であり、例えば、層厚２５ｎｍを有する。ｐ－コンタクト層１９のキャリア密度は、その表面に設けた透光性電極３１とオーミック接合できる濃度としている。ｐ型ＧａＮの代わりに、ｐ型ＩｎＧａＮを用いてもよい。あるいは、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を積層させた層としてもよい。

【0037】

なお、本明細書において、「ｎ側」、「ｐ側」は、必ずしもｎ型、ｐ型を有することを意味するものではない。例えば、ｎ側ガイド層は活性層よりもｎ側に設けられたガイド層を意味し、アンドープ層（又はｉ層）であってもよい。

【0038】

また、ｎ－クラッド層１３は単一層ではなく複数の層から構成されていてもよく、その場合、全ての層がｎ層（ｎドープ層）である必要はなく、アンドープ層（ｉ層）を含んでいてもよい。ガイド層１６、ｐ－クラッド層１８についても同様である。

【0039】

また、上記した全ての半導体層を設ける必要はなく、フォトニック結晶層を含む第１導電型の第１の半導体層、第２導電型の第２の半導体層及びこれらの層に挟まれた活性層（発光層）を有する構成であればよい。

【0040】

半導体構造層１１の側面及び上面は、ＳｉＯ_２などの絶縁膜２１で被覆されている。また、絶縁膜２１には半導体構造層１１の上面（すなわち、ｐ－コンタクト層１９の上面）を露出する直径がＲＡ（中心軸ＣＸ）の開口ＯＰが設けられている。

【0041】

絶縁膜２１は保護膜としても機能し、ＰＣＳＥＬ素子１０を構成するアルミニウム（Ａｌ）を含む結晶層を腐食性ガス等から保護する。また、付着物や実装時におけるはんだの這い上がりによる短絡等を防止し、信頼性、歩留まりの向上に寄与する。絶縁膜２１の材料はＳｉＯ_２に限らず、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮｘ、Ｓｉ等を選択することができる。

【0042】

当該開口ＯＰから露出するｐ－コンタクト層１９上には、ｐ－コンタクト層１９にオーミック接触する透光性電極３１（アノード）が設けられている。より詳細には、透光性電極３１は、開口ＯＰを充填し、周縁部が絶縁膜２１に乗り上げるように形成されている。なお、理解の容易さのため、透光性電極３１の開口ＯＰ内の領域を開口ＯＰの直径と同じ符号を用いてアノード領域ＲＡとして説明する。

【0043】

透光性電極３１は、透光性の導電体によって形成され、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）で形成されている。なお、透光性電極３１は、ＩＴＯに限定されず、亜鉛錫酸化物（ＺＴＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ：Ｇａ）、ＡＺＯ（ＺｎＯ：Ａｌ）等の透光性導電体を用いることができる。

【0044】

透光性電極３１上には、光反射層３２として銀合金（Ａｇ合金）層が設けられている。光反射層３２は、上面視において少なくとも開口ＯＰの全体を覆うように設けられている。また、光反射層３２は、平坦で空孔層１４Ｐに平行な表面（上面）を有している。

【0045】

また、光反射層３２として、Ａｇ、Ａｌ、Ａｌ合金、誘電体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）等を用いることもできる。

【0046】

光反射層３２上には、光反射層３２の全体を覆うようにニッケル／パラジウム／金（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ）からなるパッド電極３３が設けられている。パッド電極３３には、Ｎｉ／Ａｕ、白金／金（Ｐｔ／Ａｕ）、Ｐｔ／Ｐｄ／Ａｕ、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、タングステン／パラジウム／金（Ｗ／Ｐｄ／Ａｕ）、Ｗ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ等を用いることもできる。

【0047】

基板１２の裏面には円環状のカソード電極２０Ａが形成されている。また、カソード電極２０Ａの内側には無反射（ＡＲ）コート層２７が形成されている。

【0048】

カソード電極２０Ａは、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなり、基板１２とオーミック接触している。電極材料は、Ｔｉ／Ｐｕ／Ａｕ以外に、Ｔｉ/Ａｌ、Ｔｉ/Ｒｈ、Ｔｉ/Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｔｉ/Ａｕ、バナジウム／アルミニウム（Ｖ/Ａｌ）、Ｖ/Ｒｈ、Ｖ/Ａｌ/Ｐｔ/Ａｕ、Ｖ/Ｐｔ/Ａｕなどを選択することができる。

【0049】

活性層１５からの放射光は空孔層（ＰＣ層）１４Ｐによって回折される。空孔層１４Ｐによって回折され、空孔層１４Ｐから直接放出された光（直接回折光Ｌｄ：第１の回折光）と、空孔層１４Ｐの回折によって放出され、光反射層３２によって反射された光（反射回折光Ｌｒ：第２の回折光）とが基板１２の裏面（出射面）１２Ｒの光出射領域２０Ｌ（図２Ｃ）から外部に出射される。

【0050】

図２Ａは、ＰＣＳＥＬ素子１０の上面を模式的に示す平面図である。なお、図の明確さ及び理解の容易さのため、パッド電極３３を取り除いた状態の上面を模式的に示している。

【0051】

また、図２Ｂは、空孔層１４Ｐのｎ側ガイド層１４に平行な面における断面を模式的に示す断面図であり、図２Ｃは、ＰＣＳＥＬ素子１０の下面を模式的に示す平面図である。

【0052】

図２Ｂに示すように、空孔層１４Ｐにおいて空孔１４Ｋは、例えば矩形の空孔形成領域１４Ｒ内に周期的に配列されて設けられている。図２Ｃに示すように、アノード領域ＲＡは、空孔形成領域１４Ｒ内に包含されるように形成されている。

【0053】

また、カソード電極２０Ａは、空孔層１４Ｐに対して垂直方向から見たときに空孔形成領域１４Ｒに重ならないように空孔形成領域１４Ｒの外側に環状の電極として設けられている。

【0054】

カソード電極２０Ａの内側の領域が光出射領域２０Ｌである。また、カソード電極２０に電気的に接続され、外部からの給電用のワイヤを接続するボンディングパッド２０Ｃが設けられている。

【0055】

（ｂ）フォトニック結晶層
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、フォトニック結晶層１４Ｐは、活性層１５から放射された光を水平面内で共振させる規則的に配列された空孔（air hole）を備えている。

【0056】

図３は、フォトニック結晶層１４Ｐに平行な面内における空孔配列の一例を模式的に示す図である。すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐの面内で正方格子位置に配列された、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２からなる空孔対１４Ｋ（以下、単に空孔１４Ｋと称する場合がある。）を上面から見た場合を模式的に示す平面図である。

【0057】

すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐは、二重格子構造を有している。なお、図面の明確さのため、主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２にハッチングを施して示している。

【0058】

より詳細には、主空孔１４Ｋ１は、その重心ＣＤ１が互いに直交する２方向（ｘ方向及びｙ方向）に周期ＰＫで正方格子位置に配列されている。副空孔１４Ｋ２も同様に、その重心ＣＤ２がｘ方向及びｙ方向に周期ＰＫで正方格子位置に配列されている。

【0059】

主空孔１４Ｋ１は、上面視（すなわち、フォトニック結晶層１４Ｐに垂直方向から見たとき）において、｛１０－１０｝面であるｍ面で囲まれた長六角形形状を有している。副空孔１４Ｋ２も、ｍ面で囲まれた形状を有している。

【0060】

なお、ｘ方向及びｙ方向はそれぞれ、主空孔１４Ｋ１の長軸方向（＜１１－２０＞方向）及び短軸方向（＜１－１００＞方向）に対して４５°傾斜した方向である。本明細書では、ｘ－ｙ座標を空孔座標とも称する。

【0061】

また、副空孔１４Ｋ２の重心ＣＤ２は、主空孔１４Ｋ１の重心ＣＤ１に対してｘ方向にΔｘ及びｙ方向にΔｙだけ離間している。ここでは、Δｘ＝Δｙ＝０．４６ＰＫとした。すなわち、副空孔１４Ｋ２の重心ＣＤ２は、主空孔１４Ｋ１の重心ＣＤ１から＜１－１００＞方向に離間している。

【0062】

ここで、ｘ方向の重心間距離Δｘ及びｙ方向の重心間距離Δｙは、例えば、レーザ素子を適用するデバイスに要求される電流値や、レーザの出射強度のスロープ効率等の、レーザ特性に合わせて適宜調整することができる。

【0063】

なお、ここでは、フォトニック結晶層１４Ｐが二重格子構造を有する場合を例に説明するが、これに限らない。フォトニック結晶層１４Ｐは、単一格子構造又は多重格子構造を有していてもよい。

【0064】

２．ＰＣＳＥＬ素子の製造方法
次に、ＰＣＳＥＬ素子１０の製造方法を図４に示す製造工程フローに沿って説明する。以下の実施例（ＥＸ）では発振波長が４３２ｎｍのＰＣＳＥＬ素子１０のスロープ効率を向上させることについて検討した。

【0065】

（Ｓ１：結晶成長ステップ）
ＭＯＶＰＥ（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy）装置を用い、＋ｃ面ＧａＮ基板１２上にｎ－クラッド層１３であるｎ－Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層を２μｍの厚さで形成した。続いて、ｎ－クラッド層１３上にｎ－ＧａＮ層を５００ｎｍの厚さで形成した。

【0066】

（Ｓ２：パターニングステップ）
ｎ－ＧａＮ層上に、ＳｉＮｘ膜をプラズマＣＶＤ法を用いて１００ｎｍ程度成膜した。次に、ＳｉＮｘ膜上に電子線描画用レジストをスピンコートで塗布し、電子描画装置（ＥＢ装置）に入れて前述の２次元フォトニック結晶構造に対応する２次元周期パターンを形成した。

【0067】

このとき、位相の影響を調べられるように、同一の基板内に４２９ｎｍから４４０ｎｍの発振波長の素子が得られるよう、複数の空孔形成領域Ｗｊにおいて異なる空孔周期ＰＫｊとなるようにレジストをパターニングした。

【0068】

パターニングしたレジストを現像後、プラズマ反応性イオンエッチング(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching : ICP-RIE) 装置を用いてＳｉＮｘを選択的にドライエッチングした。これにより正方格子状に配列された空孔がＳｉＮｘ膜を貫通するように形成された。

【0069】

その後、レジストを除去し、ＳｉＮｘをハードマスクとして、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、Ａｒガスを用いたＩＣＰ－ＲＩＥ装置によりｎ－ＧａＮ層をドライエッチングした。このときのエッチング深さはおよそ１９０ｎｍであった。その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）でＳｉＮｘハードマスクを除去した。

【0070】

（Ｓ３：再結晶成長ステップ）
フォトニック結晶を形成した基板を再びＭＯＶＰＥ装置に入れ、空孔を残すように埋め込み成長した。すなわち、アンドープＧａＮを７０ｎｍ及びアンドープＩｎＧａＮを５０ｎｍの厚さで成長して埋込層１４Ｂを形成した。これにより、フォトニック結晶層１４Ｐを含むｎ側ガイド層１４が形成された。

【0071】

続いて、埋込層１４Ｂ上（すなわち、ｎ側ガイド層１４上）に、２ペアのＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性層１５（ＭＱＷ層）を成長した。続いて、活性層１５に、アンドープＩｎＧａＮを７０ｎｍ及びアンドープＧａＮを１８０ｎｍの厚さで成長して、ｐ側ガイド層１６を形成した。

【0072】

続いて、ｐ－ＡｌＧａＮ電子障壁層１７を１５ｎｍの厚さで成長し、電子障壁層１７上にｐ－ＡｌＧａＮ層（ｐ－クラッド層１８）を３００ｎｍの厚さで成長した。次に、ｐ－ＧａＮ／ｐ－ＩｎＧａＮ層からなるｐ－コンタクト層１９を２５ｎｍの厚さで成長した。

【0073】

なお、これらのｎ側ガイド層１４上に形成された半導体層の全体をガイド層上半導体層１１Ｋと称する。

【0074】

図５は、以上のように形成した結晶成長終了後のウエハＷＦの上面を模式的に示す図である。具体的には、ｎ側ガイド層１４内に形成されたフォトニック結晶層１４Ｐ内に、異なる空孔周期ＰＫｊ（ｊ＝１～９）で空孔が配置された領域Ｗｊ（Ｗ１～Ｗ９）が設けられていることを示している。

【0075】

より詳細には、各領域Ｗ１～Ｗ９の空孔周期ＰＫｊを共振波長（λ）の整数倍としている。発振波長を４２９ｎｍ～４４０ｎｍとするために、空孔周期ＰＫｊをＰＫ１＝１７２ｎｍ，ＰＫ２＝１７３．２ｎｍ，・・・，ＰＫ９＝１８２．８ｎｍまで１．２ｎｍおきに設定した。

【0076】

なお、空孔１４Ｋ１、１４Ｋ２は上面視において｛１０－１０｝面であるｍ面で囲まれた六角形形状を有している。また、フォトニック結晶層１４Ｐの主空孔１４Ｋ１の深さは９０ｎｍ、副空孔１４Ｋ２の深さは７０ｎｍとした。

【0077】

なお、ここでは、後述する分光反射測定による評価のために領域Ｗｊ毎に空孔周期ＰＫｊが異なるウエハＷＦを形成したが、実際にＰＣＳＥＬ素子１０を製造するためのウエハＷＦにおいては１つの空孔周期ＰＫのフォトニック結晶層１４Ｐを形成すればよい。

【0078】

（Ｓ４：分光反射測定ステップ）
上記した成長済みウエハＷＦ（以下、単にウエハＷＦともいう。）の成長最表面（すなわち、ｐ－コンタクト層１９の表面）から光を照射し、分光反射測定を実施した。分光反射測定結果を基に、この後成膜する透光性電極３１（透光性導電体膜）の厚さを決定した。分光反射測定の方法及びその結果の詳細については後述する。

【0079】

（Ｓ５：絶縁膜形成ステップ）
成長したウエハＷＦに、スパッタリングによってＳｉＯ_２を１００ｎｍの厚さで成膜し、絶縁膜２１を形成した。続いて、フォトリソグラフィによってレジストをパターニングした後、ＳｉＯ_２をＢＦＨで除去してｐ－コンタクト層１９の上面が露出する直径３００ｕｍの開口ＯＰを形成した。

【0080】

（Ｓ６：透光性電極形成ステップ）
次に、スパッタリングによって、絶縁膜２１の上面を覆い、開口ＯＰ内を充填するＩＴＯ膜である透光性電極３１を形成した。

【0081】

続いて、フォトリソグラフィによってレジストをパターニングした後、ウェットエッチングを行って不要な領域のＩＴＯ膜を除去し、表面が平坦でフォトニック結晶層１４Ｐに平行な透光性電極３１を形成した。

【0082】

なお、分光反射測定の結果から、透光性電極３１の層厚は実施例（ＥＸ）のウエハＷＦでは１３５ｎｍとした。また、比較例（ＣＭＰ）のウエハにおいても素子特性評価のため実施例（ＥＸ）のウエハと同じ１３５ｎｍとした。

【0083】

すなわち、透光性電極３１の層厚は、実施例（ＥＸ）では直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの位相が一致し、干渉によって最も強め合う条件を満たす層厚とし、比較例（ＣＭＰ）では当該最も強め合う条件から外れた層厚（但し、直接回折光Ｌｄよりも光強度は大きい）とした。

【0084】

ここで、直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの干渉光の光強度の強め合う条件（干渉条件）は、当該干渉光の光強度が直接回折光Ｌｄの光強度よりも大きくなる条件であればよい。なお、ＰＣＳＥＬ素子１０から出射された直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの位相が一致して最も強め合う条件であることが好ましい。

【0085】

また、透光性電極３１の層厚は、直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの干渉光の光強度が弱め合う条件を満たす層厚としてもよい。

【0086】

（Ｓ７：光反射層形成ステップ）
透光性電極３１上に、銀（Ａｇ）合金を１５０ｎｍの厚さで成膜し、光反射層３２を形成した。光反射層３２の形成により、透光性電極３１と光反射層３２との界面に光反射面ＳＲが形成された。

【0087】

（Ｓ８：電極及び反射防止層形成ステップ）
光反射層３２上に、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕを１０ｎｍ／２００ｎｍ／８００ｎｍの厚さで順次成膜し、パッド電極３３を形成した。

【0088】

次に、基板の裏面を研磨した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）によって鏡面仕上げを行って、厚さ１７０ｎｍのウエハＷＦを得た。続いて、研磨した面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（層厚：５０ｎｍ／５０ｎｍ／５００ｎｍ）を成膜し、カソード電極２０Ａを形成した。

【0089】

さらに、カソード電極２０Ａの内側領域（すなわち、光出射領域２０Ｌ）の基板裏面上にＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２（層厚：３２ｎｍ／５３ｎｍ）を成膜し、反射防止層である無反射コート層２７を形成した。

【0090】

（Ｓ９：個片化ステップ）
最後に、レーザースクライブ装置あるいはダイヤモンドスクライブ装置を用いてスクライブし、劈開装置を用いてウエハＷＦを個片化し、空孔周期ＰＫ（発振波長λ）の異なる８０個のＰＣＳＥＬ素子１０を得た。
３．分光反射測定及び評価結果
上記した分光反射測定ステップ（Ｓ４）における分光反射測定の方法及びその結果について説明する。

【0091】

図６は、成長終了後のウエハＷＦの分光反射曲線を示すグラフである。また、図７は、分光反射測定装置の照射光ＥＭをウエハＷＦに照射したときの表面反射光ＥＳ及びフォトニック結晶１４Ｐによる反射光ＥＲを模式的に示す図である。なお、図の明確さのため、フォトニック結晶層１４Ｐの主空孔１４Ｋ１及び副空孔１４Ｋ２を空孔対１４Ｋとして図示している。

【0092】

フォトニック結晶層１４Ｐは空孔を含んだ層であり、その他の半導体層と比較し屈折率は低い。そのため、図６に示す観測された分光反射曲線は、図７に模式的に示すように、表面反射光ＥＳとフォトニック結晶１４Ｐによる反射光ＥＲが干渉した結果である。

【0093】

ＧａＮ基板１１の裏面は粗面であるため、光は散乱され、裏面反射はほぼ無視することができる。また、その他の半導体層間（たとえば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層間）の屈折率差は１０^－１～１０^－２程度であるため、これらの界面での反射もほとんど影響しない。

【0094】

ガイド層上半導体層１１Ｋの各半導体層がＧａＮとして図６に示す分光反射曲線から層厚を求めた。詳細には、ガイド層上半導体層１１Ｋには混晶組成の層（ＩｎＡｌＧａＮ層）が含まれているが、フォトニック結晶層１４Ｐからｐ－コンタクト層１９の表面までの光路長が重要である。したがって、ガイド層上半導体層１１ＫがＧａＮ層の単層であるとして計算・フィッティングし、その層厚を求めた。

【0095】

なお、ガイド層上半導体層１１Ｋの各半導体層の層厚を分光エリプソメータで詳細に求めてもよい。層厚の求め方は、基本的なフレネル反射を基礎とした既存の技術で行うことができる。

【0096】

以上のようにして、ｐ－コンタクト層１９の表面（すなわち、ウエハＷＦの表面）からフォトニック結晶層１４Ｐ中の照射光ＥＭの反射位置ＲＰまでの層厚ＤＰ（又は光路長）を求めた。その結果、実施例ＥＸの層厚ＤＰは７３５ｎｍであった。

【0097】

また、上記した実施例ＥＸのウエハＷＦと同一条件で成長したウエハを比較例ＣＭＰのウエハＷＣとして形成した。すなわち、比較例ＣＭＰのウエハＷＣは実施例ＥＸのウエハＷＦと同一構造のｎ－ガイド層１４及びフォトニック結晶１４Ｐを有する。

【0098】

すなわち、結晶成長における層厚の再現性から、同一条件による結晶成長であっても、実施例ＥＸのウエハＷＦと比較例ＣＭＰのウエハＷＣとでは成長層厚（ガイド層上半導体層１１Ｋの層厚）が異なることが想定される。

【0099】

実際に、図６に示すように、実施例ＥＸのウエハＷＦと比較して僅かに長波長側に分光反射曲線がシフトしていることがわかった。当該測定された分光反射曲線から、比較例ＣＭＰのウエハＷＣについて層厚ＤＰを求めたところ、ＤＰ＝７５５ｎｍであった。したがって、ガイド層上半導体層１１Ｋの層厚は、実施例ＥＸのウエハＷＦに対して、３％程度の差異があることがわかった。

【0100】

４．ＰＣＳＥＬ素子の特性評価
図８は、フォトニック結晶層１４Ｐから放射され、光反射層３２（光反射面ＳＲ）によって反射されて基板１２の裏面（光出射面）側から出射された反射回折光Ｌｒと、フォトニック結晶層１４Ｐから基板１２の裏面側に向けて出射された直接回折光Ｌｄとの干渉を模式的に示している。

【0101】

直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとは、層厚ＤＰに対応した光路長差によって干渉する。図８からも明らかなように、直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒの光路長差は、層厚ＤＰと透光性電極３１の層厚（ｐ－コンタクト層１９表面から光反射層３２までの層厚）の和である距離の２倍に等しい。このため、層厚ＤＰを求めることで、干渉条件を満たす透光性電極３１の層厚を算出できる。実施例（ＥＸ）では、直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの位相が一致するように透光性電極３１の層厚が定められている。また、比較例（ＣＭＰ）では直接回折光Ｌｄ及び反射回折光Ｌｒの位相が一致する条件から外れた層厚の透光性電極３１を有している。

【0102】

分光反射測定を用いているので、フォトニック結晶１４Ｐ内の反射位置ＲＰを直接測定することができる。また、非破壊的な測定であり、屈折率の異なる複数の層が積層された層であっても、光路長を高精度に算出することができる。すなわち、直接回折光Ｌｄと反射回折光Ｌｒとの光路長差を直接かつ高精度に測定することができる。

【0103】

具体的には、光路長差の精度は１％以内であり、これを半導体層の層厚に換算すると２－３ｎｍ以内である。

【0104】

なお、フォトニック結晶層１４Ｐにおける回折光の回折位置（波源位置）ＷＳは、分光測定における反射位置ＲＰとは、発振波長と分光測定における照射光の波長との違い等に起因して僅かに異なる場合がある（図８）。

【0105】

なお、例えば非特許文献３から、結合波理論を用いて、空孔層１４Ｐによる回折波の波源（回折面）及び回折されて空孔層１４Ｐの垂直方向に放射される放射波を算出することができる。

【0106】

しかし、結晶成長における半導体層の層厚の制御性、再現性を考慮すれば、分光反射測定による反射位置ＲＰによって回折位置（波源位置）ＷＳを十分に近似することができる。

【0107】

図９Ａは、ウエハＷＦ（透光性電極３１の層厚１３５ｎｍ）から得られた実施例（ＥＸ）のＰＣＳＥＬ素子１０の発振波長に対するスロープ効率をプロットしたグラフである。

【0108】

また、図９Ｂは、ウエハＷＣ（透光性電極３１の層厚１３５ｎｍ）から得られた比較例ＣＭＰのＰＣＳＥＬ素子の発振波長に対するスロープ効率をプロットしたグラフである。

【0109】

具体的には、実施例（ＥＸ）のＰＣＳＥＬ素子１０及び比較例ＣＭＰのＰＣＳＥＬ素子にパルス電流を注入し、光出力測定を行い、スロープ効率を測定した結果を示している。

【0110】

図９Ａに示すように、実施例（ＥＸ）のＰＣＳＥＬ素子１０は、目的とする発振波長である発振波長が４３２ｎｍ（図中、一点鎖線）付近にスロープ効率の極大が観測された。これは干渉による効果であり、発振波長が変わると光路長が変化しスロープ効率は変化する。

【0111】

一方で、図９Ｂに示すように、比較例ＣＭＰのＰＣＳＥＬ素子では、目的とする発振波長からずれた発振波長である４３８ｎｍ付近にスロープ効率の極大が観測された。また、スロープ効率の分布の幅も実施例（ＥＸ）のＰＣＳＥＬ素子１０に比べて広く、所望の発振波長及びスロープ効率を有する素子の歩留まりは低い。

【0112】

すなわち、換言すれば、比較例ＣＭＰのウエハＷＣにおいて、実施例（ＥＸ）のウエハＷＦと同様に発振波長が４３２ｎｍでスロープ効率の極大が得られるためには、透光性電極３１の層厚を１１０ｎｍにすればよい。

【0113】

なお、フォトニック結晶層１４Ｐが多重格子構造を有している場合においても反射位置ＲＰまでの層厚ＤＰ（又は光路長）を高精度に実測することができる。多重格子構造においては、主空孔と副空孔の相対的な大きさ、深さ方向の相対的な配置、形状によって反射位置ＲＰが大きく変わりうるからである。

【0114】

また、ＭＯＶＰＥ法によって結晶成長した場合について説明したが、これに限らない。例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法等の気相成長法、あるいは液相成長法についても適用が可能である。

【0115】

以上、説明したように、結晶成長後のウエハに対して分光反射測定を行い、半導体層の層厚を解析し、その層厚に合わせて透光性電極３１の層厚を決定している。これにより、発振波長及び出射光特性が高精度に制御されたフォトニック結晶面発光レーザが得られ、また当該フォトニック結晶面発光レーザを歩留まりよく製造する製造方法を提供することができる。

【符号の説明】

【0116】

１０：ＰＣＳＥＬ素子、１１：半導体構造層、１１Ｋ：ｎガイド層上半導体層、１２：基板、１３：第１のクラッド層、１４：第１のガイド層、１４Ａ：下ガイド層、１４Ｐ：フォトニック結晶層、１４Ｂ：埋込層、１４Ｋ：空孔、１５：活性層、１６：第２のガイド層、１７：電子障壁層、１８：第２のクラッド層、１９：コンタクト層、２０Ａ：カソード電極、２１：絶縁膜、３１：透光性電極、３２：光反射層、３３：パッド電極、ＤＰ：表面・反射位置間の層厚、ＯＰ：開口、ＲＰ：反射位置、ＳＲ：反射面

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】