專利名稱：二維光子晶體激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有適于使用外延法的制造的結(jié)構(gòu)的二維光子晶體激光器及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，開發(fā)出了使用二維光子晶體的新型的激光器。所謂二維光子晶體是在包含電介質(zhì)的板狀的母材中形成了折射率的周期結(jié)構(gòu)的晶體，一般來說是通過在母材內(nèi)周期性地設(shè)置折射率與母材不同的區(qū)域(異折射率區(qū)域)而制作的。利用該周期結(jié)構(gòu)，在晶體內(nèi)產(chǎn)生布拉格衍射，另外，在光的能量中顯現(xiàn)出能量帶隙。在二維光子晶體激光器中，有利用帶隙效應(yīng)而將點(diǎn)缺陷作為共振器使用的、和利用光的群速度為0的能帶端的駐波的，然而都是將給定的波長的光放大而獲得激光器振蕩的激光器。這些二維光子晶體激光器中的利用駐波的激光器具有如下的結(jié)構(gòu)，S卩，將具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的層(以下稱作“二維光子晶體層”)和活性層直接或者夾隔著其他的層層疊，在它們的上下又層疊了用于注入電荷的包覆層、與外部接觸的接觸層、或者將這些層連接的間隔物層等。專利文獻(xiàn)1中記載有如下的方法，即，通過在將空穴(異折射率區(qū)域)在母材內(nèi)周期性地排列而成的二維光子晶體層上，以使間隔物層與二維光子晶體層相接的方式疊加另外制作的將包覆層或間隔物層層疊而成的材料，利用加熱將二維光子晶體層與間隔物層熔接(熱熔接)，來制作二維光子晶體激光器。該文獻(xiàn)中，給出將二維光子晶體層的母材及間隔物層的材料都設(shè)為η型InP、將加熱溫度設(shè)為620°C的例子。而且，以下說明中，將層疊于二維光子晶體層上的層稱作“上部層”。另一方面，專利文獻(xiàn)2中，記載有如下的方法，S卩，通過在以GaN作為母材并周期性地形成有空穴的二維光子晶體層上，直接地外延生長AlGaN，而形成上部層。專利文獻(xiàn)2中記載的方法大致上分為如下的3種方法(i)首先制作在母材內(nèi)周期性地配置了作為異折射率區(qū)域的空穴的二維光子晶體層，然后在殘留空穴的狀態(tài)下形成上部層的方法；(ii)首先制作在母材內(nèi)周期性地配置了空穴的層，然后通過將空穴填充而在形成異折射率區(qū)域的同時(shí)形成上部層的方法；(iii)首先在基體上先形成柱狀的異折射率區(qū)域，然后通過將其周圍利用外延生長填充，而在形成母材的同時(shí)形成上部層。(ii)及(iii)的方法中，異折射率區(qū)域是空氣以外的材料(具體來說是與上部層相同的材料)。此種結(jié)構(gòu)中，與將異折射率區(qū)域設(shè)為空穴的情況相比光的關(guān)入效果降低，然而另一方面，易于以單一模式并且大面積地進(jìn)行激光器振蕩。專利文獻(xiàn)1日本特開2000-332351號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 國際公開W02006/062084號(hào)專利文獻(xiàn)1中記載的方法中，由于進(jìn)行了熱熔接的二維光子晶體層與上部層的熔接面中的界面能級，因此可使得在它們的界面中電阻變大。由此，動(dòng)作電壓變高，難以產(chǎn)生激光器的連續(xù)振蕩。另外，在進(jìn)行熱熔接時(shí)將空穴的形狀破壞，從而會(huì)有二維光子晶體層的作為共振器的性能降低的情況。專利文獻(xiàn)2中記載的方法中，不會(huì)產(chǎn)生在二維光子晶體層與上部層的界面中電阻變大的問題。但是，該方法中，在外延生長上部層時(shí)需要將溫度升高到600°C左右，會(huì)由于原子的遷移而在二維光子晶體層中發(fā)生原子序列(結(jié)晶結(jié)構(gòu))的紊亂，從而造成空穴的形狀被破壞。因此，二維光子晶體層的作為共振器的性能降低，進(jìn)而產(chǎn)生二維光子晶體激光器的激光器特性降低的問題。另外，由于上述遷移，在二維光子晶體層的表面原子排列也發(fā)生了紊亂，并且生長在其上面的上部層，原子序列也發(fā)生了紊亂。而且，在(i)的方法中，在外延生長上部層時(shí)空穴直至下方為止均被上部層的材料填充，從而會(huì)有空穴的形狀改變的問題。另外，對于(ii)及(iii)的方法，很難將空穴內(nèi)或柱狀的異折射率區(qū)域之間用上部層的材料完全填充，從而會(huì)有易于形成空洞的問題?；谶@樣的原因，折射率的周期結(jié)構(gòu)變得不完整，由此使得二維光子晶體層的作為共振器的性能降低，進(jìn)而產(chǎn)生二維光子晶體激光器的激光器特性降低的問題。 如上所述，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一在于提供一種能夠耐受高溫、強(qiáng)固且在其上能夠形成沒有缺陷的外延層的二維光子晶體激光器。本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題在于提供能夠控制如下所述的外延成長的二維光子晶體激光器的制造方法。即，在如 (i)所述那樣，在具有空穴的二維光子晶體層上制作上部層時(shí)，上部層的材料沒有抵達(dá)空穴的底部，能夠使空穴的形狀的變化盡可能的少。如(ii)所述那樣，在制作具有由與上部層相同的材料構(gòu)成的異折射率區(qū)域的二維光子晶體層時(shí)，由于母材層內(nèi)的空穴與上部層的材料相同，因此，可以在幾乎不產(chǎn)生空洞的情況下填充。如(iii)所述那樣，在制作具有由與上部層相同的材料構(gòu)成的母材層的二維光子晶體層時(shí)，能夠制作幾乎沒有空洞的母材層。

發(fā)明內(nèi)容
(1)用于解決第一問題的技術(shù)手段用于解決上述第一問題而完成的第一發(fā)明的二維光子晶體激光器的特征在于，具有在以Α1α6&1_αΑ8(0 < α < 1)或(Alγ In1-^P (0 彡 β < 1、0 < γ < 1)作為原料的母材層內(nèi)周期性地設(shè)置有異折射率區(qū)域的二維光子晶體層；以及在上述二維光子晶體層上利用外延法制作的外延生長層。而且，本申請中，為了表示各層的相對的位置關(guān)系，方便起見，使用稱作“上”、“下” 這樣的用語，然而它們并不規(guī)定制作時(shí)的各層相對于重力的方向、或制作后的二維光子晶體激光器的相對于重力的方向。如上所述，在利用外延法制作二維光子晶體層上的層時(shí)，需要將二維光子晶體層的溫度升高到600°C左右，但本發(fā)明中用作母材層的原料即AlaGai_aAs系材料或 (AleGai_e) YIrvYP材料即使在上述那樣的高溫下也堅(jiān)固，不發(fā)生遷移。因此，在不用上部層的材料填充空穴(即，空穴為異折射率區(qū)域)的情況、或用上部層的材料填充空穴而形成異折射率區(qū)域的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生遷移而出現(xiàn)空穴的形狀被破壞的情況，能夠很高地維持二維光子晶體層的作為共振器的性能。另外，由于在母材層的表面不會(huì)產(chǎn)生由遷移而引起的原子序列的紊亂，因此，在其上制作的外延生長層的原子序列也不會(huì)發(fā)生紊亂。作為上述外延生長層的材料，優(yōu)選AlxGai_xAs (0 < χ < 1)。AlxGai_xAs的氣體的擴(kuò)散長度隨著Al的含有率而不同，其生長特性發(fā)生變化。由此，通過與作為下部層的光子晶體層的結(jié)構(gòu)對應(yīng)地將χ的值設(shè)為最佳值，就可以與上述相同，較高地維持二維光子晶體層的作為共振器的性能。另外，上述外延生長層可以 直接作為發(fā)光二極管(LED)中的ρ型或η型的包覆層使用，然而也可以作為用于另外地外延生長該包覆層的再生長界面層使用。如上所述，由于與光子晶體層的結(jié)構(gòu)對應(yīng)地改變X，因此如果將外延生長層直接作為包覆層，則包覆層的組成也會(huì)與光子晶體層的結(jié)構(gòu)對應(yīng)地變化。然而，如果導(dǎo)入再生長界面層，則由于無論光子晶體層的結(jié)構(gòu)如何都可以制作包覆層，因此能夠以自由度更高的結(jié)構(gòu)來制造二維光子晶體激光器。(2)用于解決第二問題的技術(shù)手段用于解決第二問題而完成的第二發(fā)明的二維光子晶體激光器制造方法有以下3 種實(shí)施方式。予以說明，通過這三個(gè)制造方法制得的二維光子晶體激光器均相當(dāng)于上述第一發(fā)明的二維光子晶體激光器中母材為AlaGai_aAs且χ的值處于特定的范圍內(nèi)的情況。(2-1) 二維光子晶體激光器制造方法的第一方式第二發(fā)明的二維光子晶體激光器制造方法的第一方式的特征在于，具有a)母材層制作工序，制作具有與AlxGai_xAs (0. 4 ^ χ < 1)相同的晶體結(jié)構(gòu)的母材層；b)空穴形成工序，在上述母材層內(nèi)，周期性地形成平面形狀的最大寬度d為200nm 以下、深度h與該最大寬度d之比h/d為1. 3以上5以下的空穴；以及c)外延層制作工序，在上述母材層及上述空穴上，利用外延法制作包含上述 AlxGa1^xAs 的層。而且，本申請中所說的“最大寬度”是指收容在空穴的平面形狀(平行于母材層的面的剖面的形狀)內(nèi)的最長的線段的長度。例如，在空穴的平面形狀為圓形的情況下，直徑相當(dāng)于最大寬度，在為橢圓形的情況下，長徑相當(dāng)于最大寬度，在為三角形的情況下，3邊中最長的邊的邊長相當(dāng)于最大寬度。第一方式中，通過基于AlxGai_xAs的生長特性，決定進(jìn)行外延生長前的二維光子晶體層的空穴的縱剖面形狀(垂直于母材層的面的剖面的形狀)及平面形狀，而使再生長后的空穴的形狀接近作為目標(biāo)的形狀，將作為光子晶體的性能維持得較高。具體來說，通過將空穴的深度h與最大寬度d之比h/d(以下稱作“縱橫比”)設(shè)為1.3以上，即通過加大該深度，來防止在外延層制作工序中外延層(上部層)的材料大量地侵入空穴內(nèi)甚至于下方而將該空穴填充。另外，由于AlxGai_xAS系材料的χ的值越大，則氣體的擴(kuò)散長度就越短，因此在第一方式中通過將χ的值設(shè)為0. 4以上這樣的較大的值，來抑制上部層的材料向空穴內(nèi)的侵入。此外，通過將這些h/d及χ在上述范圍內(nèi)調(diào)整，而使再生長后的空穴的形狀接近作為目標(biāo)的形狀。這樣，就可以不使二維光子晶體層的作為共振器的性能降低地制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。而且，當(dāng)深度h過大、或最大寬度d過小時(shí)，會(huì)有無法充分地形成二維周期結(jié)構(gòu)的情況。由此，第一方式中將縱橫比h/d的上限設(shè)為5。在第一方式的空穴形成工序和外延層制作工序之間，也可以進(jìn)行在空穴的內(nèi)面的至少一部分形成阻礙AlxGai_xAS的外延生長的晶體生長阻礙膜的工序。這樣，就可以進(jìn)一步抑制在空穴內(nèi)形成AlxGai_xAs的晶體。在晶體生長阻礙膜的材料中，可以使用二氧化硅 (SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鋯(ZrO2)等。另外，在借助晶體生長的制膜中，因制造時(shí)的原料氣體的流動(dòng)方向等而在面內(nèi)方向(平行于基板的表面的方向)上的生長速度方面存在各向異性。由此，如果利用外延法來制作母材層及空穴上的層，則由于該生長速度的差，空穴的平面形狀會(huì)發(fā)生變化。所以， 第一方式中，最好預(yù)先利用預(yù)備實(shí)驗(yàn)等來研究該生長速度的差，與之匹配地決定制作上部層(外延層)之前的空穴的平面形狀。這樣，就可以使制作出外延層后的空穴的平面形狀接近目標(biāo)的平面形狀。 (2-2) 二維光子晶體激光器制造方法的第二方式第二發(fā)明的二維光子晶體激光器制造方法的第二方式的特征在于，具有a)母材層制作工序，制作具有與AlxGai_xAs (0 < χ ^ 0. 8)相同的晶體結(jié)構(gòu)的母材層；b)空穴形成工序，在上述母材層內(nèi)，周期性地形成平面形狀的最大寬度d為200nm 以下、深度h與該最大寬度d之比h/d為0. 1以上1. 2以下的空穴；c)異折射率區(qū)域形成工序，在上述空穴內(nèi)，利用外延法形成包含上述AlxGai_xAs的異折射率區(qū)域；d)外延層制作工序，在形成有上述異折射率區(qū)域的上述母材層上，利用上述外延法制作包含AlyGai_yAs(0彡y彡1)的層。第二方式中，通過將縱橫比h/d設(shè)為0. 1以上1. 2以下這樣之比第一方式小的值， 以及將X的值設(shè)為0.8以下這樣之比較小的值，就易于將空穴的內(nèi)部用作為異折射率區(qū)域的材料的AlxGai_xAs填充。通過像這樣將空穴用上述材料填充，就很難在異折射率區(qū)域內(nèi)形成空洞，因此不會(huì)有降低二維光子晶體層的作為共振器的性能的情況。其結(jié)果是，可以制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。(2-3) 二維光子晶體激光器制造方法的第三方式第二發(fā)明的二維光子晶體激光器制造方法的第三方式的特征在于，具有a)異折射率區(qū)域形成工序，在具有與AlxGai_xAs(0 < χ ^ 0. 65)相同的晶體結(jié)構(gòu)的外延生長基板層上，周期性地形成折射率與該AlxGai_xAs不同的柱狀的異折射率區(qū)域；b)母材制作工序，在上述異折射率區(qū)域之間，利用外延法制作包含上述AlxGai_xAs 的母材；c)外延層制作工序，在形成有上述異折射率區(qū)域和上述母材的層上，利用上述外延法制作包含AlyGai_yAs(0彡y彡1)的層。第三方式中，通過在形成柱狀的異折射率區(qū)域后將該異折射率區(qū)域的周圍用 AlxGa1^xAs填充而形成母材。由于在像這樣用AlxGai_xAs填充而成的母材中，與將空穴用 AlxGa1^xAs填充而成的異折射率區(qū)域相比難以形成空洞，因此不會(huì)有降低二維光子晶體層的作為共振器的性能的情況。其結(jié)果是，可以制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。而且，外延生長基板層的材料既可以與母材或異折射率區(qū)域的材料相同，也可以不同。第一發(fā)明的二維光子晶體激光器中，由于將母材的材料設(shè)為即使在高溫下也很堅(jiān)固的AlaGai_aAs系材料或(Al0Ga1I) γIivyP系材料，因此在外延生長上部層時(shí)不會(huì)有破壞空穴的形狀的情況，可以將二維光子晶體層的作為共振器的性能維持得較高。
本發(fā)明的二維光子晶體激光器中，在將作為上部層的外延生長層的材料設(shè)為 AlxGa1^xAs的情況下，可以將二維光子晶體層的作為共振器的性能維持得更高。另外，本發(fā)明的二維光子晶體激光器中，在將外延生長層作為用于利用外延生長制作P型或η型的包覆層的再生長界面層使用的情況下，可以提高二維光子晶體激光器的結(jié)構(gòu)上的自由度。第二發(fā)明的第一方式的二維光子晶體激光器制造方法中，通過提高進(jìn)行外延生長前的二維光子晶體層的空穴的縱橫比，并且使用在外延生長時(shí)很難擴(kuò)散的 AlxGa1^x s (0. 4^χ< 1)，就可以抑制外延生長層的材料侵入空穴中甚至于到達(dá)空穴下方。 這樣，就可以使再生長后的空穴的形狀接近作為目標(biāo)的形狀，可以將作為光子晶體的性能維持得較高。由此，就可以不降低二維光子晶體層的作為共振器的性能地制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。第二及第三方式的二維光子晶體激光器制造方法中，如上所述是易于將空穴的內(nèi)部(第二方式)或異折射率區(qū)域之間的區(qū)域(第三方式)用AlxGai_xAS填充的方法。這樣， 就可以不在空穴的內(nèi)部或異折射率區(qū)域之間的區(qū)域中形成空洞地制作二維光子晶體層，因此不會(huì)有降低二維光子晶體層的作為共振器的性能的情況。其結(jié)果是，可以制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。


圖1是表示本發(fā)明的二維光子晶體激光器的第一實(shí)施例的立體圖。圖2是表示二維光子晶體層的結(jié)構(gòu)的一例的俯視圖。圖3是表示實(shí)施例1的二維光子晶體激光器的制造方法的縱剖面圖。圖4是表示本發(fā)明的二維光子晶體激光器的第二實(shí)施例的縱剖面圖。圖5是表示實(shí)施例2的二維光子晶體激光器的制造方法的縱剖面圖。圖6是表示本發(fā)明的二維光子晶體激光器的第三實(shí)施例的縱剖面圖。圖7是用于說明空穴的深度h與最大寬度d的圖。圖8是表示實(shí)施例3的二維光子晶體激光器的制造方法的縱剖面圖。圖9是表示本發(fā)明的二維光子晶體激光器的第四實(shí)施例的制造方法的縱剖面圖。圖10是表示實(shí)施例4的二維光子晶體激光器的制造方法的縱剖面圖。圖11是表示本發(fā)明的二維光子晶體激光器的第五實(shí)施例的制造方法的縱剖面圖。圖12是表示實(shí)施例5的二維光子晶體激光器的制造方法的縱剖面圖。圖13是表示利用以往的外延法使上部層再生長時(shí)的二維光子晶體層中的空穴的縱剖面形狀的電子顯微鏡照片。圖14是表示形成外延層之前和形成之后的空穴的縱剖面形狀的變化的圖。圖15是表示二維光子晶體層中的空穴內(nèi)的干涉的效果的變化的曲線圖。圖16是針對具有圓形的平面形狀的空穴表示形成外延層之前和形成之后的橫剖面形狀的變化的圖。圖17是針對具有正三角形的平面形狀的空穴表示形成外延層之前和形成之后的橫剖面形狀的變化的圖。圖18是表示用于將再生長后的空穴的橫剖面形狀設(shè)為圓形或正三角形的再生長前的空穴的橫剖面形狀的圖。 圖19是表示本發(fā)明的第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例的圖。圖20是表示第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的變形例的圖。圖21是表示利用第二及第三方式的二維光子晶體激光器制造方法制造的二維光子晶體層的結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖22是表示本發(fā)明的第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例 (實(shí)施例8)的縱剖面圖。圖23是表示利用實(shí)施例8的方法將空穴用異折射率區(qū)域的材料填充的例子的顯微鏡照片。圖24是表示第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例(實(shí)施例9) 的縱剖面圖。圖25是表示第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例(實(shí)施例10) 的縱剖面圖。圖26是表示本發(fā)明的第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例 (實(shí)施例11)的縱剖面圖。圖27是實(shí)施例11的制造過程(圖26(c))中拍攝的異折射率區(qū)域851的電子顯微鏡照片(a)、以及實(shí)施例11中制造的二維光子晶體激光器的縱剖面的電子顯微鏡照片(b)。圖28是表示第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例(實(shí)施例12) 的縱剖面圖。圖29是表示第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的一個(gè)實(shí)施例(實(shí)施例13) 的縱剖面圖。其中，10、10A、10B、10C、10D...二維光子晶體激光器；11、41、61、81 …基板；12、62、82…第一包覆層；13、43、63、83…活性層；14、44、64、84…載流子阻擋層；15、15A、15C、15D、45、45A、65、85…二維光子晶體層；151、151A、151B、451、651A、651C…空穴；1510··包含異折射率構(gòu)件的異折射率區(qū)域；152、152A、652A …母材層；1521A…第一母材層；1522A…第二母材層；lMB、652、852…母材；16、66、66A、66B、86…第二包覆層(外延生長層)；17、67、87…接觸層；18、47、68、88 …下部電極；19、48、69、89 …上部電極；21…抗蝕劑；
31、31A、31B…再生長界面層；32、32A…異折射率構(gòu)件；33、851A、851B…異折射率區(qū)域前體層；3M、853…間隔物層；42…η型包覆層；452…Ala Aaa9As 層的表面;46…ρ型包覆層；50... SiO2 膜；651B、651D、851、8510.異折射率區(qū)域；653…緩沖層；71、91…晶體生長阻礙膜；72、92…抗蝕劑
具體實(shí)施例方式使用圖1 圖29，對本發(fā)明的二維光子晶體激光器及第一 第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。下述實(shí)施例當(dāng)中，實(shí)施例1 5是本發(fā)明的二維光子晶體激光器的實(shí)施例，實(shí)施例6及7是第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例，實(shí)施例8 10是第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例，實(shí)施例11 13 是第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例。實(shí)施例1實(shí)施例1的二維光子晶體激光器10如圖1所示，具有在基板11上依次層疊了第一包覆層12、活性層13、載流子阻擋層14、二維光子晶體層15、第二包覆層(外延生長層)16、 接觸層17的結(jié)構(gòu)。此外，在基板11下設(shè)有下部電極18，在接觸層17上設(shè)有上部電極19。二維光子晶體層15如圖2所示，在板狀的母材層152內(nèi)，周期性地形成有具有圓形或三角形等平面形狀的空穴151。本實(shí)施例中，在母材層152的材料中使用AlaiGaa9Astj 這是因?yàn)椋摬牧霞词乖诟邷叵乱埠軋?jiān)固，在如后所述利用外延法制作第二包覆層16時(shí)即使升高溫度，也不會(huì)有破壞空穴151的形狀的情況。而且，母材層152的材料并不限于本實(shí)施例的材料，可以使用AlaGai_aAs(0 < a < 1)或(AleGai_e) YIrvYP(0彡β < 1、0 < Y < 1)。前者適于在使具有近紅外區(qū)域的波長的激光振蕩時(shí)使用，后者適于在使具有紅色區(qū)域的波長的激光振蕩時(shí)使用。 在第二包覆層16的材料中，使用能夠在二維光子晶體層15上利用外延法制作的材料。在第二包覆層16的材料中，在本實(shí)施例中使用ρ型的Ala65Gaa35As,即向?qū)儆?3價(jià)的(Ala65Gaa35)點(diǎn)位中添加微量的+2價(jià)的雜質(zhì)而成的材料。而且，第二包覆層16的材料并不限于本實(shí)施例的材料，可以合適地使用ρ型的AlxGai_xAs (0. 4彡χ < 1)。AlxGai_xAs的 χ值越大，則氣體的擴(kuò)散長度就越短，從而難以侵入空穴151內(nèi)。由此，就可以抑制在空穴 151內(nèi)形成不需要的ρ型Ala65Gaa35As的晶體。二維光子晶體層15及第二包覆層16以外的各層在本實(shí)施例中使用以下的材料。 在基板11的材料中使用η型的GaAs，在第一包覆層12的材料中使用η型的Ala65Gaa35Astj 它們是向GaAs的Ga點(diǎn)位或Ala65Gaa35As的(Ala65Gaa35)點(diǎn)位中添加微量的+4價(jià)的雜質(zhì)而成的材料。在活性層13中使用包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的材料。在載流子阻擋層 14中使用包含Ala4Gaa6As的材料。在接觸層17中使用ρ型的GaAs。而且，在這些層中，也可以使用上述以外的材料。另外 ，也可以與本實(shí)施例相反，在基板11及第一包覆層12中使用ρ型的材料，在第二包覆層16及接觸層17中使用η型的材料。下面，使用圖3，給出本實(shí)施例的二維光子晶體結(jié)構(gòu)激光器10的制造方法的一例。 而且，本實(shí)施例中，與上述第一及第二方式的二維光子晶體激光器制造方法不同，空穴的縱橫比沒有特別限定。首先，在基板11上，依次通過以氣相法外延生長來制作第一包覆層12、 活性層13、載流子阻擋層14。然后，在載流子阻擋層14上，通過以氣相法外延生長來制作母材層152(b)。接下來，通過在母材層152的上面涂布抗蝕劑21，利用電子束光刻法，在該抗蝕劑21中形成與空穴151的配置對應(yīng)的圖案后，利用蝕刻法在母材層152中形成空穴151， 而制作二維光子晶體層15(c)。其后，除去抗蝕劑21，通過在二維光子晶體層15上以氣相法外延生長而制作第二包覆層16(d)。另外，在外延生長第二包覆層16期間，將二維光子晶體層15加熱到約600°C。當(dāng)加熱到此種溫度時(shí)，假使母材層152的材料是不含有Al的GaAs，則會(huì)產(chǎn)生遷移而有可能將空穴151的形狀破壞，然而本實(shí)施例中通過在母材層152的材料中使用 Al。. Aaa9As,就可以保持空穴151的形狀。在像這樣制作出第二包覆層16后，在第二包覆層16上以氣相法外延生長接觸層 17。此后，通過分別利用蒸鍍法在基板11的下側(cè)制作下部電極18，在接觸層17上制作上部電極19，而得到本實(shí)施例的二維光子晶體激光器10(e)。實(shí)施例2使用圖4，對本發(fā)明的二維光子晶體激光器的實(shí)施例2進(jìn)行說明。本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOA取代實(shí)施例1的二維光子晶體層15，而使用了以下所述的二維光子晶體層15A。除此以外的構(gòu)成與實(shí)施例1的二維光子晶體激光器10相同。二維光子晶體層15A具有在包含Ala65Gaa35As (α = 0. 65)的第一母材層1521Α 的上面比第一母材層152IA更薄地形成了包含Ala ^aa9As (α = 0. 1)的第二母材層1522Α 的2層結(jié)構(gòu)的母材層152Α。在母材層152Α內(nèi)，以與實(shí)施例1相同的形狀及周期形成空穴 151Α。第二母材層1522Α與第一母材層1521Α相比Al的含有率低，因此具有在后述的制造工序中難以氧化的特長。使用圖5，對本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOA的制造方法進(jìn)行說明。而且，在本實(shí)施例中，空穴的縱橫比也沒有特別限定。首先，利用與實(shí)施例1相同的方法，在基板11 上，通過以氣相法外延生長而依次制作第一包覆層12、活性層13及載流子阻擋層14(a)。然后，在載流子阻擋層14上，通過以氣相法外延生長而制作第一母材層1521A(b)。接下來，在第一母材層1521A上，通過以氣相法外延生長而制作第二母材層1522A(c)。至此為止的各工序是通過在相同的小室內(nèi)變更原料氣體而進(jìn)行的。然后，與實(shí)施例1相同，使用電子束光刻法及蝕刻法，在母材152A內(nèi)形成空穴 151A(d)。該工序由于使用外延法以外的方法，因此在與此前的各工序不同的小室內(nèi)進(jìn)行。 接下來，將小室變更為原來的小室，通過在第二母材層1522A的表面以氣相法外延生長而制作第二包覆層16(e)。其后，通過利用與實(shí)施例1相同的方法制作接觸層17、下部電極18及上部電極19，而得到本實(shí)施例的二維光子晶體激光器10A。像這樣，在形成空穴151A的工序的前后需要變更小室，此時(shí)有可能將母材層的表面氧化。本實(shí)施例中，通過在第二母材層1522A中使用比第一母材層1521A的材料更難氧化的材料，來抑制母材層的表面氧化。實(shí)施例3 使用圖6，對本發(fā)明的二維光子晶體激光器的實(shí)施例3進(jìn)行說明。本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOB是利用第一方式的二維光子晶體激光器制造方法制作的。二維光子晶體激光器IOB在實(shí)施例1的二維光子晶體層15與第二包覆層16之間， 設(shè)有包含AlxGai_xAs (0. 4 < χ < 1)的再生長界面層31。另外，對于空穴151，將平面形狀的最大寬度d設(shè)為200nm以下，并且將深度h與最大寬度d之比h/d(縱橫比)設(shè)為1. 3以上5以下。這里，最大寬度d是指收容在空穴151的平面形狀內(nèi)的最長的線段的長度(圖 7)。例如在空穴151的平面形狀為圓形的情況下，直徑相當(dāng)于最大寬度，在為正三角形的情況下，邊長相當(dāng)于最大寬度，在為正三角形以外的三角形的情況下，3邊中的最長的邊的邊長相當(dāng)于最大寬度。本實(shí)施例中，通過將再生長界面層31的Al的含有率χ設(shè)為比較高的值，并且將縱橫比h/d設(shè)為1.3以上，再生長界面層31的原料氣體就難以侵入空穴151內(nèi)。由此，就可以抑制在空穴151內(nèi)形成包含再生長界面層31的材料的晶體。而且，當(dāng)h過大、或d過小時(shí)，會(huì)有無法充分地形成空穴151的二維周期結(jié)構(gòu)的情況，因此將縱橫比h/d的上限設(shè)為5。使用圖8，對本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOB的制造方法進(jìn)行說明。而且，對于第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例，在實(shí)施例6及7中進(jìn)一步詳細(xì)說明。首先，利用與實(shí)施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆層12、活性層13、 載流子阻擋層14及二維光子晶體層15(a)。然后，在二維光子晶體層15上，通過以氣相法外延生長而制作再生長界面層31，將空穴151的上部填塞(b)。此時(shí)，如上所述，可以抑制再生長界面層31的材料侵入空穴151內(nèi)。另外，由于在母材層152的材料中使用上述的材料，因此可以防止在該工序中產(chǎn)生遷移。接下來，在再生長界面層31上，通過以氣相法外延生長而制作第二包覆層16(c)。其后，通過利用與實(shí)施例1相同的方法，制作接觸層17、下部電極18及上部電極19，而得到本實(shí)施例的二維光子晶體激光器10B。實(shí)施例4使用圖9，對本發(fā)明的二維光子晶體激光器的實(shí)施例4進(jìn)行說明。本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOC是利用第二實(shí)施方式的二維光子晶體激光器制造方法制作的。二維光子晶體激光器IOC取代實(shí)施例3的再生長界面層31，設(shè)置包含AlxGai_xAs (0 < X ^ 0. 8)的再生長界面層31A。與此同時(shí)，在二維光子晶體層15C內(nèi)，取代空穴151，周期性地設(shè)置包含與再生長界面層31A相同的材料的異折射率構(gòu)件32。將異折射率構(gòu)件32 的平面形狀的最大寬度d設(shè)為200nm以下，并且將縱橫比h/d設(shè)為0. 1以上1. 2以下。而且，最大寬度d及縱橫比h/d的定義與空穴151的情況相同。本實(shí)施例中，通過將再生長界面層31A的Al的含有率χ設(shè)為比較低的值，并且將縱橫比h/d設(shè)為1.2以下，在制作再生長界面層31A時(shí)，再生長界面層31A的原料氣體就難以侵入空穴151內(nèi)。而且，當(dāng)h過小、或d過大時(shí)，會(huì)有無法充分地形成空穴151的二維周期結(jié)構(gòu)的情況，因此將縱橫比h/d的下限設(shè)為0. 1。
使用圖10，對本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOC的制造方法進(jìn)行說明。而且，對于第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例，在實(shí)施例8 10中會(huì)進(jìn)一步詳細(xì)說明首先，利用與實(shí)施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆層12、活性層13及載流子阻擋層14以及二維光子晶體層15(a)。但是，這里所制作的二維光子晶體層15與實(shí)施例1相同，具有空穴151，還沒有形成異折射率構(gòu)件32。然后，通過同時(shí)地以氣相法外延生長，而在二維光子晶體層15上制作再生長界面層31A，在空穴151內(nèi)制作異折射率構(gòu)件 32(b)。此時(shí)，由于如上所述，原料氣體難以侵入空穴151內(nèi)，因此可以不產(chǎn)生空洞地形成異折射率構(gòu)件32。另外，由于在母材層152的材料中使用上述的材料，因此在該工序中可以防止產(chǎn)生遷移。接下來，在再生長界面層31A上，通過以氣相法外延生長而制作第二包覆層 16(c)。其后，通過利用與實(shí)施例1相同的方法制作接觸層17、下部電極18及上部電極19， 而得到本實(shí)施例的二維光子晶體激光器10C。實(shí)施例5使用圖11，對本發(fā)明的二維光子晶體激光器的實(shí)施例5進(jìn)行說明。本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOD中，采用了如下的構(gòu)成，即，二維光子晶體層15D包含周期性地配置于載流子阻擋層14的上面的柱狀的異折射率構(gòu)件32A、和圍繞異折射率構(gòu)件32A地嵌入的母材152B。本實(shí)施例中，異折射率構(gòu)件32A的材料并不限定于AlxGai_xAs (0 < χ < 0. 8)，也可以使用其他的半導(dǎo)體材料或電介質(zhì)材料。另外，在二維光子晶體層15D的上面，形成有包含與母材152Β相同的材料的再生長界面層31Β。其他的構(gòu)成與實(shí)施例1相同。使用圖12，對本實(shí)施例的二維光子晶體激光器IOD的制造方法進(jìn)行說明。首先， 利用與實(shí)施例1相同的方法，在基板11上，制作第一包覆層12、活性層13及載流子阻擋層 14。然后，在載流子阻擋層14上，通過以氣相法外延生長而制作包含異折射率構(gòu)件32Α的材料的異折射率區(qū)域前體層33(a)。接下來，使用電子束光刻法及蝕刻法，殘留周期性地配置的柱狀的區(qū)域地，將異折射率區(qū)域前體層33從上面蝕刻到途中。這樣，就可以在殘留異折射率區(qū)域前體層33的下側(cè)的一部分地形成的間隔物層33Α上，形成柱狀的異折射率構(gòu)件 32A(b)。然后，在間隔物層33A上，通過以氣相法外延生長而制作母材152B。此后，在將母材152B形成至異折射率構(gòu)件32A的上面后也利用外延法繼續(xù)晶體的制作。這樣，就在異折射率構(gòu)件32A及母材152B上形成再生長界面層31B(c)。此后，在再生長界面層31B的上面，通過以氣相法外延生長而制作第二包覆層12(d)。其后，通過利用與實(shí)施例1相同的方法制作接觸層17、下部電極18及上部電極19，而得到本實(shí)施例的二維光子晶體激光器10D。本發(fā)明的二維光子晶體激光器并不限定于上述實(shí)施例1 5。例如，母材層可以由材料不同的多個(gè)層構(gòu)成，這些層中的1層可以是不含有Al的包含GaAs的層。即使在該情況下，與母材層整體包含GaAs的情況相比，也可以抑制遷移的影響。實(shí)施例6下面，對第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。本實(shí)施例中，制作基本上如圖1及圖2所示的上述的二維光子晶體激光器。在制作此種結(jié)構(gòu)的二維光子晶體激光器時(shí)，需要在二維光子晶體層15的空穴151上層疊第二包覆層16。近年來， 提出過利用外延法形成二維光子晶體層15的上部的層的方法。但是，以往的方法中，如圖 13所示在再生長時(shí)將空穴151的一部分填充，因而存在空穴151的形狀改變的問題。第一方式的二維光子晶體激光器制造方法在二維光子晶體層15的上部形成外延層(第二包覆層)16時(shí)，通過考慮外延層16的材料(以下稱作“再生長材料”)的特性地決定進(jìn)行再生長之前的二維光子晶體層15的空穴151的形狀，而使再生長后的空穴的形狀接近作為目標(biāo)的形狀，從而將作為光子晶體的性能維持得較高。這里，首先，在給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)對第一實(shí)施方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。而且，以下說明中作為母材層152使用AlaGai_aAs系材料(0 < a < 1)或(AlaGa1I)0 IrveP系材料(0 < α < 1、0 < β < 1)。這是因?yàn)椋谛纬晒庾泳w結(jié)構(gòu)后的二維光子晶體層15上形成外延層16時(shí)，將基板溫度升高到600°C左右，因此如果是GaAs等則會(huì)因遷移而有可能將空穴151的形狀破壞。另外，作為再生長材料，使用 AlxGa1^xAs系材料。AlxGai_xAs系材料的χ越大，則氣體的擴(kuò)散長度就越短，從而難以侵入空穴151的內(nèi)部。由此，適于作為層疊在二維光子晶體層15上的外延層16的材料使用。下面，將空穴151的平面形狀設(shè)為圓形，使χ = 0. 65而進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。[關(guān)于縱剖面形狀的實(shí)驗(yàn)] 圖14中，表示出有關(guān)再生長前的空穴151的縱剖面形狀和再生長后的空穴151Β 的縱剖面形狀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而且，d及h的定義以及最大寬度的定義如實(shí)施例3中所述(圖 7)。如果比較圖14(a)及(b)，則可以得到如下的結(jié)果，S卩，在d大致相同的情況下， 縱橫比h/d大的一方可以保持再生長前的空穴151的縱剖面形狀。另一方面，如果比較圖 14(b)及(c)，則可以得到如下的結(jié)果，即，在縱橫比h/d大致相同的情況下，d大的一方可以保持再生長前的空穴151的縱剖面形狀。即可知，要使形成外延層16前的空穴151與形成之后的空穴151B的縱剖面形狀接近，只要將空穴的最大寬度d與縱橫比h/d的某一方或雙方針對再生長材料的Al比率χ恰當(dāng)?shù)貨Q定即可。而且，作為參數(shù)X、d、h/d的范圍，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，分別最好設(shè)為0. 4彡χ < 1、 d彡200nmU. 3彡h/d?？v橫比h/d的上限沒有特別限定，然而如果h過大、或d過小，則會(huì)有無法充分地形成空穴151的二維周期結(jié)構(gòu)的情況。由此，本實(shí)施例中將縱橫比h/d的上限設(shè)為5。另外，在空穴151的內(nèi)部，來自活性層13側(cè)的衍射光與來自第二包覆層16側(cè)的衍射光發(fā)生干涉，相互加強(qiáng)或減弱。該條件是由母材層152的材質(zhì)、空穴151的深度h、和空穴 151的縱剖面形狀決定的。例如，在母材層152的材質(zhì)為AlaiGaa9A^空穴151的深度h為 120nm、縱剖面形狀為長方形的情況下相互加強(qiáng)，如果是在此以上的深度則從相互加強(qiáng)慢慢地變?yōu)橄嗷p弱。另一方面，本實(shí)施例的再生長方法中，如圖14所示，可以得到第二包覆層(外延層)16側(cè)的頭端尖細(xì)的縱剖面形狀。在像這樣具有沿斜向傾斜的錐狀區(qū)域154的縱剖面形狀的情況下，來自第二包覆層16側(cè)的衍射光變?nèi)?，因此可以降低干涉的效果。將其結(jié)果表示于圖15中。如圖15所示，通過使錐狀區(qū)域154的深度Ill和矩形區(qū)域155的深度h2變化，可以獲得降低干涉的效果的結(jié)果。由于可以利用參數(shù)d、h、χ使錐狀區(qū)域154的深度Ill與矩形區(qū)域155的深度h2變化，因此只要按照不使來自活性層13側(cè)的衍射光與來自第二包覆層 16側(cè)的衍射光的干涉相互減弱的方式，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)d、h、χ即可。
[關(guān)于平面形狀(橫剖面形狀)的實(shí)驗(yàn)]將關(guān)于再生長前的空穴151的平面形狀與再生長后的空穴151B的平面形狀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示于圖16及17中。
圖16是針對將外延層16形成于二維光子晶體層15上時(shí)的面內(nèi)方向(垂直于層疊方向的方向)的生長的實(shí)驗(yàn)。這里，圖16(a)是形成外延層16前的空穴151的電子顯微鏡照片。圖16(b) (d)分別是在二維光子晶體層15上利用外延法再生長40nm的Ala65Gaa35As 時(shí)的從上側(cè)看的電子顯微鏡照片(b)、在垂直于定向平面(001)面的方向切割出的縱剖面中的電子顯微鏡照片(C)、在平行于定向平面(001)面的方向切割出的縱剖面中的電子顯微鏡照片⑷。圖16的例子中，AlxGai_xAs容易沿著平行于定向平面(001)面的方向生長。由此， 當(dāng)形成外延層16時(shí)，空穴151的形狀就會(huì)成為平行于定向平面(001)面的方向的寬度變窄的橢圓形?？紤]到該性質(zhì)，對于再生長材料的Al比率χ利用預(yù)備實(shí)驗(yàn)等預(yù)先求出不同方向的生長速率，按照使再生長后的空穴151B的平面形狀成為作為目標(biāo)的形狀的方式，決定再生長前的空穴151的平面形狀。例如，在χ = 0.65的情況下，由于平行于定向平面(001) 面的方向的生長速率a與垂直于定向平面(001)面的方向的生長速率b之比為b/a= 1.3， 因此只要將平行于定向平面(001)面的方向的長度a與垂直于定向平面(001)面的方向的長度b之比為a/b = 1. 3的橢圓形設(shè)為再生長前的空穴151的平面形狀即可(圖16(e))。另外，在空穴151具有三角形等多角形的平面形狀的情況下，晶體從多角形的各邊朝向內(nèi)部生長。圖17中表示針對平面形狀為正三角形的空穴151的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然而在像這樣以90°以下的角度存在2個(gè)生長面的情況下，由于晶體按照將多角形的各頂點(diǎn)附近填充的方式生長起來，因此圖17(a)的例子中再生長后的空穴151B的平面形狀就成為近似圓形的形狀。由此如圖17(b) (d)所示，通過從2個(gè)生長面相交的頂點(diǎn)伸出突起部153，就可以將再生長后的空穴151B的平面形狀設(shè)為三角形。圖18中表示針對圓形及正三角形的平面形狀的結(jié)果，在圓形的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，如果將以平行于生長面的方向作為長徑、以垂直于生長面的方向作為短徑的橢圓形設(shè)為再生長前的平面形狀，將長徑a與短徑b之比為1 < a/b < 1. 5，就可以將再生長后的平面形狀設(shè)為圓形(圖18(a))。另外，在三角形的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，如果使從三角形的重心向各頂點(diǎn)延伸的直線的長度a與朝向各邊的垂線的長度b之比達(dá)到2 <a/
3，就可以將再生長后的平面形狀設(shè)為正三角形(圖18(b))。像這樣，通過針對再生長前的空穴的形狀將再生長材料的Al之比率χ相對于生長面適當(dāng)?shù)馗淖儯涂梢允乖偕L后的空穴的平面形狀接近作為目標(biāo)的形狀。實(shí)施例7下面，使用圖19對本發(fā)明的二維光子晶體激光器的制造方法的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明。首先，在GaAs基板41上依次外延生長η型的Ala65Gaa35As層(η型包覆層)42、 InGaAs/GaAs 層(活性層)43、Ala4Gaa6As 層(載流子阻擋層)44、AlaiGaa9As 層 45 (圖 19(a))。然后，對于AlaiGaa9As層45，按照使最大寬度d為d彡200nm、深度h與最大寬度 d之比為1. 3彡h/d彡5的方式利用蝕刻形成給定的周期結(jié)構(gòu)的空穴451 (圖19(b))。這樣，就得到二維光子晶體層45A。其后，在形成有空穴451的AlaiGaa9As層(二維光子晶體層)45A上利用外延生長形成ρ型的Ala65Gaa35As層(ρ型包覆層)46，在其上設(shè)置ρ型的 GaAs層(接觸層)47 (圖19 (c))。此后，分別在基板41下設(shè)置下部電極(窗狀電極)48，在 P型GaAs層47上設(shè)置上部電極49 (圖19 (d))。這樣，就可以制作激光器特性高的二維光子晶體激光器。而且，二維光子晶體層45A的母材的材料也可以是(AleGai_e) YIrvYP(0彡β < 1、0 < γ < 1)。 而且，雖然在上述方法中，對于再生長前的空穴451的平面形狀沒有特別指定，然而如果如圖16 18所示，基于利用外延生長形成ρ型Ala65Gaa35As層46時(shí)的生長面，適當(dāng)?shù)貨Q定該平面形狀，就可以進(jìn)一步提高二維光子晶體層45的性能，其結(jié)果是，可以獲得高激光器特性。另外，在圖19的(b)與(c)之間，也可以具有在空穴451的側(cè)壁及底部形成阻礙 AlxGa1^xAs系材料的外延生長的包含Si02、Si3N4、Zn0、&02等生長阻礙材料的生長阻礙膜的工序。使用圖20對該變形例進(jìn)行說明。首先，在形成有空穴451的Ala Aaa9As層45A(圖20 (a))中，形成SiO2的膜50 (圖 20 (b))。此后，利用干式蝕刻除去SiO2膜50 (圖20 (c))。由于在Al0. Aa9As層45A的表面 452與空穴451的內(nèi)部蝕刻速率不同，因此僅在空穴451的內(nèi)部殘留SiO2膜50。殘留于該空穴451的內(nèi)部的SiO2膜50作為阻礙AlxGai_xAS系材料的外延生長的生長阻礙膜發(fā)揮作用，因此在外延生長P型包覆層46時(shí)可以進(jìn)一步抑制在空穴451的內(nèi)部形成晶體。而且，在將生長阻礙膜形成于空穴451內(nèi)的情況下，最好利用上述的方法來形成再生長前的空穴451的縱剖面形狀和/或平面(橫剖面)形狀，然而即使只是將生長阻礙膜形成于空穴451內(nèi)，也可以獲得提高激光器特性的效果。實(shí)施例6及7只不過是第一方式的二維光子晶體激光器制造方法的一例，也可以在發(fā)明的宗旨的范圍中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變形或修正、追加等。例如，雖然在上述實(shí)施例中作為母材層采用僅有一層AlaiGaa9As層的結(jié)構(gòu)，然而也可以是將α不同的多個(gè)Al aGai_aAs層層疊的結(jié)構(gòu)，此外也可以將其中的一部分層置換為GaAs的層或其他的半導(dǎo)體的層。在作為母材層使用(AleGai_e) YIrvYP系材料的情況下，同樣地可以采用將β和Y不同的多個(gè)層層疊的結(jié)構(gòu)，或?qū)⑵渲械囊徊糠謱又脫Q為GaAs的層或其他的半導(dǎo)體的層。實(shí)施例8下面，在實(shí)施例8 10中，對第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。在第二方式中制作的二維光子晶體激光器的基本的構(gòu)成與圖1中所示的相同。 但是，在異折射率區(qū)域151C中，使用的不是空穴，而是包含與母材不同的材料的異折射率構(gòu)件(圖21)。使用了異折射率構(gòu)件的異折射率區(qū)域雖然與使用空穴的情況相比光的關(guān)入效果降低，然而具有容易以單一模式并且大面積地進(jìn)行激光器振蕩的特長。使用圖22，對實(shí)施例8的制造方法進(jìn)行說明。首先，在基板61上，依次利用外延法形成包含η型的Ala4Gaa6As的第一包覆層62、包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的活性層 63、包含Ala4Gaa6As的載流子阻擋層64、包含AlaiGaa9As的母材層652A(圖22(a))。然后，使用電子束光刻法及蝕刻法，針對母材層652A，按照使直徑(最大寬度)d為llOnm、深度h為120nm、即縱橫比h/d為1. 09的方式，以給定的周期形成多個(gè)平面形狀為圓形的空穴 651A (圖22 (b))。接下來，在空穴651A內(nèi)及母材層652A上，外延生長包含ρ型的Ala4Ga0.6As 的晶體(圖22(c))。這樣，就在空穴651A內(nèi)形成包含ρ型Ala4Gaa6As的異折射率區(qū)域651，制作出包含母材652及異折射率區(qū)域651的二維光子晶體層65。與此同時(shí)，在二維光子晶體層65上制作出包含ρ型Ala4Gaa6As的第二包覆層66。其后，在基板61下設(shè)置下部電極 (窗狀電極)68，并且在第二包覆層66上依次設(shè)置接觸層67及上部電極69 (圖22 (d))。這樣，就制成了二維光子晶體激光器。 而且，各層的材料并不限定于上述的材料。例如，在異折射率區(qū)域651及第二包覆層66的材料中可以使用AlxGai_xAs (0 < χ彡0. 8)。該材料的Al的含有率越小，則制作時(shí)所用的氣體的分子就越容易擴(kuò)散，越容易到達(dá)空穴651Α內(nèi)。在母材層652Α的材料中，可以使用具有與異折射率區(qū)域651的材料相同的晶體結(jié)構(gòu)的AlaGai_aAs(0< a <1，但是a ^x) 或(Al0Ga1^) YIn1^yP(0 彡 β < 1、0 < Y < 1)等?？昭?51Α(以及空穴651Α被異折射率構(gòu)件填充的異折射率區(qū)域651)的平面形狀并不限于圓形，可以采用橢圓形或三角形等各種形狀。另外，最大寬度d以及縱橫比h/d并不限于上述的值，只要是在d彡200nm、0. 1彡h/d彡1. 2的范圍內(nèi)，就可以使上述氣體分子充分地到達(dá)空穴651A的底面。而且，d及h的定義以及最大寬度的定義如實(shí)施例3中所述 (圖 7)。圖23中，用電子顯微鏡照片表示出利用實(shí)施例8的方法在空穴651A內(nèi)以外延法形成包含P型Ala4Gaa6As的晶體的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。而且，該實(shí)驗(yàn)中，在形成50nm的ρ型 Ala4Gaa6As的晶體的時(shí)候停止了晶體生長。對于空穴651Α，制作了(a) d = 130nm、h = 60nm、 h/d = 0. 46的空穴、和(b)d = 130nm、h = 80nm、h/d = 0. 63的空穴。從所得的電子顯微鏡照片確認(rèn)，在晶體生長后空穴651A被沒有間隙地填充。實(shí)施例9使用圖24，對第二方式的二維光子晶體激光器制造方法的其他實(shí)施例進(jìn)行說明。 本實(shí)施例中，以另外的工序制作異折射率區(qū)域和第二包覆層。首先，使用與實(shí)施例1相同的方法及材料，在基板61上依次形成第一包覆層62、活性層63、載流子阻擋層64及母材層 652A (圖24 (a))，在母材層652A中形成空穴651A (圖24 (b))。然后，通過在空穴651A內(nèi)， 利用外延法制作包含AlyGai_yAs(0<y< 1)的晶體，直至將該空穴651A填充(圖24(c))， 而在空穴651A內(nèi)形成異折射率區(qū)域651B。此時(shí)，在母材層652A上也形成包含Ala4Gaa6As 的緩沖層653。接下來，在緩沖層653上，利用外延法制作包含ρ型的Ala4Gaa6As的第二包覆層66A(圖24(d))。其后，通過與實(shí)施例8相同地，形成下部電極68、接觸層67及上部電極69 (圖24 (e))，而制成二維光子晶體激光器。實(shí)施例10使用圖25，對第二方式的二維光子晶體激光器的制造方法的其他實(shí)施例進(jìn)行說明。首先，使用與實(shí)施例8相同的方法及材料，在基板61上依次形成第一包覆層62、活性層63、載流子阻擋層64及母材層652A。此后，在母材層652A上，形成包含SiO2的晶體生長阻礙膜71 (圖25 (a))，SiO2是阻礙作為異折射率區(qū)域的材料的AlxGai_xAs (本實(shí)施例中χ = 0. 4)的外延生長的材料。而且，在晶體生長阻礙膜71的材料中也可以使用Si3N4、Zn0、Zr02。 然后，利用電子束光刻法形成掩蔽異折射率區(qū)域以外的位置的抗蝕劑72的圖案，在用能夠蝕刻晶體生長阻礙膜71的蝕刻劑進(jìn)行蝕刻處理后，改變蝕刻劑而對母材層652A進(jìn)行蝕刻處理。這樣，就形成貫穿晶體生長阻礙膜71而到達(dá)母材層652A的空穴651C(圖25 (b))。 接下來，在除去抗蝕劑72后，通過在空穴651C內(nèi)利用外延法形成包含AlxGai_xAs的晶體，而制作包含AlxGai_xAs的異折射率區(qū)域651D(圖25(c))。此時(shí)，由于母材層652A的上面當(dāng)中沒有空穴651C的部分中，殘存有晶體生長阻礙膜71，因此包含AlxGai_xAS的晶體不會(huì)外延生長。這樣，就可以防止AlxGai_xAs的晶體從母材層652A的上面沿橫向延伸而填塞空穴 651C，從而可以防止在異折射率區(qū)域651D內(nèi)出現(xiàn)空洞。然后，除去晶體生長阻礙膜71，在母材層652A及異折射率區(qū)域651D上，利用外延法制作包含ρ型的Ala4Gaa6As的第二包覆層66Β (圖25(d))。其后，通過與實(shí)施例8相同地形成下部電極68、接觸層67及上部電極 69 (圖25 (e))，而制成二維光子晶體激光器。實(shí)施例11 下面，對本發(fā)明的第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。首先，使用圖26對其一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明。在基板81上，依次利用外延法形成包含 η型的Ala65Gaa35As的第一包覆層82、包含InGaAs/GaAs的多重量子阱的活性層83、包含 Ala4Gaa6As的載流子阻擋層84(圖26(a))。然后，在載流子阻擋層84上，利用濺射法形成作為包含SiO2的層的異折射率區(qū)域前體層851A(圖26(b))。接下來，使用電子束光刻法及蝕刻法，殘留周期性地配置的圓柱狀的區(qū)域地除去異折射率區(qū)域前體層851A。這樣，就在載流子阻擋層84上形成包含SiO2的柱狀的異折射率區(qū)域851 (圖26(c))。此后，將除去了異折射率區(qū)域前體層851A的區(qū)域中的載流子阻擋層84作為基板(外延生長基板)，在該基板上，通過外延生長包含P型的Ala65Gaa35As的晶體，而在異折射率區(qū)域851之間形成母材 852 (圖26(d))。這樣，就制作出在異折射率區(qū)域851之間形成了母材852的二維光子晶體層85。這里，由于異折射率區(qū)域851包含SiO2,因此在母材852生長到與異折射率區(qū)域851 相同的高度之前，不會(huì)在異折射率區(qū)域851上生長包含ρ型Ala65Gaa35As的晶體。此后，在母材852生長到與異折射率區(qū)域851相同的高度后，如果接著繼續(xù)ρ型Ala65Gaa35As的晶體生長，則ρ型Ala65Gaa35As的晶體不僅會(huì)在縱向生長，而且還會(huì)在橫向生長，因此包括異折射率區(qū)域851的上面在內(nèi)，在二維光子晶體層85上制作出包含ρ型Ala4Gaa6As的第二包覆層86 (圖26 (e))。其后，與第八實(shí)施例相同，在基板81下設(shè)置下部電極88，并且在第二包覆層86上依次設(shè)置接觸層87及上部電極89 (圖26 (f))。這樣，就制成二維光子晶體激光器。本實(shí)施例中，異折射率區(qū)域851的大小(縱橫比)沒有特別要求。另外，各層的材料并不限定于上述的材料。另外，在異折射率區(qū)域851 (及異折射率區(qū)域前體層851A)的材料中，例如可以使用Si3N4、ZnO, ZrO2等。在母材852及第二包覆層86的材料中可以使用 AlxGa1^xAs (0 < χ彡0. 65)。另外，異折射率區(qū)域851的形狀并不限于圓柱狀，可以采用橢圓柱狀或三角柱狀等各種形狀。本實(shí)施例中，根據(jù)在剛剛蝕刻異折射率區(qū)域前體層851Α后(相當(dāng)于圖26(c))拍攝的電子顯微鏡照片(圖27(a))，確認(rèn)形成多個(gè)三角柱狀的異折射率區(qū)域851。另外，根據(jù)在二維光子晶體激光器制成后拍攝該激光器的縱剖面而得的電子顯微鏡照片(圖27(b))， 確認(rèn)在異折射率區(qū)域851的周圍沒有間隙地(不出現(xiàn)空洞地)形成母材852。而且，在用與第二包覆層86不同的材料制作母材852的情況下，只要在母材852 生長到與異折射率區(qū)域851相同的高度(圖26(d))后，將向異折射率區(qū)域851及母材852 的表面供給的材料變更為第二包覆層86的材料即可。實(shí)施例12
使用圖28，對第三方式的二維光子晶體激光器制造方法的其他實(shí)施例進(jìn)行說明。 本實(shí)施例中，在異折射率區(qū)域前體層851B中，使用以AlaGai_aAs(0彡α彡1)或(AleGag) Y In1^yP (0 ^ β ^ UO^ y ^ 1)等具有與母材852相同的晶體結(jié)構(gòu)的材料利用外延法制作的材料(圖28(a))。此后，在形成異折射率區(qū)域前體層851Β后，使用電子束光刻法及蝕刻法，殘留周期性地配置的圓柱狀的區(qū)域地將異折射率區(qū)域前體層851Β從上面除去至途中。這樣，就在殘留異折射率區(qū)域前體層851Β的下側(cè)的一部分而形成的間隔物層853上， 形成異折射率區(qū)域851C (圖28 (b))。此后，將間隔物層853及異折射率區(qū)域851C作為外延生長基板層，通過在其上外延生長包含P型的Ala65Gaa35As的晶體，而制作母材852及第二包覆層86 (圖28(c))。其后，通過與實(shí)施例11相同地形成下部電極88、接觸層87及上部電 極89 (圖28(d))，而制成二維光子晶體激光器。實(shí)施例13使用圖29，對第三方式的二維光子晶體激光器的制造方法的其他實(shí)施例進(jìn)行說明。首先，使用與實(shí)施例12相同的方法及材料，在基板81上，依次利用外延法形成第一包覆層82、活性層83、載流子阻擋層84、異折射率區(qū)域前體層851B。然后，在異折射率區(qū)域前體層851B上，形成包含SiO2的晶體生長阻礙膜91 (圖29 (a))，SiO2是阻礙作為母材的材料的AlxGai_xAs (本實(shí)施例中χ = 0.65)的外延生長的材料。而且，在晶體生長阻礙膜91的材料中也可以使用Si3N4、ZnO, &02。然后，利用電子束光刻法形成掩蔽異折射率區(qū)域的位置的抗蝕劑92的圖案，在用能夠蝕刻晶體生長阻礙膜91的蝕刻劑進(jìn)行蝕刻處理后，改變蝕刻劑而對異折射率區(qū)域前體層851B進(jìn)行蝕刻處理。這樣，就形成在上面具有晶體生長阻礙膜 91的異折射率區(qū)域851C(圖29(b))。接下來，將殘留異折射率區(qū)域前體層851B的下側(cè)的一部分而形成的間隔物層853作為外延生長基板層，通過在其上外延生長包含Ala65Gaa35As 的晶體，而形成母材852 (圖29 (c))。此時(shí)，由于在異折射率區(qū)域851C的上面存在晶體生長阻礙膜91，因此不會(huì)有ρ型的Ala65Gaa35As的晶體從異折射率區(qū)域851C的上面沿橫向延伸而將異折射率區(qū)域851C之間的區(qū)域填塞的情況，由此就可以防止在母材852內(nèi)形成空洞。 然后，除去晶體生長阻礙膜91，在異折射率區(qū)域851C及母材852上，利用外延法制作包含ρ 型的Ala65Gaa35As的第二包覆層86 (圖29(d))。其后，通過與實(shí)施例11相同地形成下部電極88、接觸層87及上部電極89 (圖29 (e))，而制成二維光子晶體激光器。而且，在本實(shí)施例中，也可以在形成母材852 (圖29(c))后，不除去晶體生長阻礙膜91地制作第二包覆層86。該情況下，由于在第二包覆層86的晶體生長到比晶體生長阻礙膜91高的位置后，該晶體不僅沿縱向生長，而且還沿橫向生長，因此可以將晶體生長阻礙膜91的上面用第二包覆層86覆蓋。另外，也可以使用不同的材料來制作母材852和第二包覆層86。迄今為止所述的第二及第三方式的實(shí)施例只不過是個(gè)例子而已，也可以在本發(fā)明的宗旨的范圍中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行變形或修正、追加等。例如，雖然在上述實(shí)施例中將母材層設(shè)為僅有一層AlaiGaa9As層的結(jié)構(gòu)，然而也可以是將α不同的多個(gè)AlaGai_aAs層層疊的結(jié)構(gòu)， 此外還可以將其中的一部分層置換為GaAs的層或其他的半導(dǎo)體的層。在作為母材層使用了(Al0Gag) YIrvYP系材料的情況下，也可以同樣地采用層疊了 β與γ不同的多個(gè)層的結(jié)構(gòu)，或?qū)⑵渲械囊徊糠謱又脫Q為GaAs的層或其他的半導(dǎo)體的層。
權(quán)利要求
1.一種二維光子晶體激光器，其特征在于，具有在以AlaGai_aAS或(AleGa1I) YIrvYP作為原料的母材層內(nèi)周期性地設(shè)置有異折射率區(qū)域的二維光子晶體層；以及在所述二維光子晶體層上利用外延法制作的外延生長層，所述AlaGa1^As 中，O < α < 1，所述(Al^Ga1I) γIivyP 中， 彡 β < 1、0 < γ < 1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 所述母材層具有將組成不同的多個(gè)層層疊而成的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維光子晶體激光器，其特征在于，構(gòu)成所述母材層的多個(gè)層中，最接近所述外延層的層中的Al的含有率α為0. 1以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 所述母材層具有包含GaAs的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 所述外延生長層的材料是AlxGai_xAs，其中0 < χ < 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體激光器，其特征在于，所述異折射率區(qū)域是使AlxGai_xAs外延生長而得的，所述AlxGai_xAs中，0 < χ < 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 在所述外延生長層上，層疊有P型或η型的包覆層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 所述異折射率區(qū)域是空穴。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的二維光子晶體激光器，其特征在于，所述空穴的平面形狀的最大寬度d為200nm以下，深度h與該最大寬度d之比h/d為 1.3以上5以下，所述外延生長層的材料為AlxGai_xAs，其中0. 4彡χ < 1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的二維光子晶體激光器，其特征在于， 所述空穴的縱剖面形狀具有錐狀區(qū)域。
11.一種二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，包括a)母材層制作工序，制作具有與AlxGai_xAS相同的晶體結(jié)構(gòu)的母材層，所述AlxGai_xAS 中，0. 4 < χ < 1 ；b)空穴形成工序，在所述母材層內(nèi)，周期性地形成平面形狀的最大寬度d為200nm以下、深度h與該最大寬度d之比h/d為1.3以上5以下的空穴；以及c)外延層制作工序，在所述母材層及所述空穴上，利用外延法制作包含所述AlxGai_xAS 的層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述母材層是通過外延生長AlaGai_aAs或(AleGai_e) YIrvYP而制作的層，所述AlaGa1^aAs 中，0 < a < 1，所述(Al^Ga1J) JivyP 中，0 彡 β < 1、0 < γ < 1。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述母材層具有將多個(gè)層層疊而成的結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，在所述空穴形成工序和所述外延層制作工序之間，具有在所述空穴的內(nèi)面的至少一部分形成阻礙所述AlxGai_xAs的晶體生長的晶體生長阻礙膜的工序。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述晶體生長阻礙膜具有Si02、Si3N4, ZnO, ZrO2中的任一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，所述空穴的平面形狀為橢圓，該橢圓的長徑朝向AlxGai_xAs在與所述母材層平行的面內(nèi)的生長方向。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述空穴的平面形狀是從多角形的各頂點(diǎn)向外方側(cè)設(shè)有槽狀的突起的形狀。
18.—種二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，包括a)母材層制作工序，制作具有與AlxGai_xAS相同的晶體結(jié)構(gòu)的母材層，所述AlxGai_xAS 中，0 < χ < 0. 8 ；b)空穴形成工序，在所述母材層內(nèi)，周期性地形成平面形狀的最大寬度d為200nm以下、深度h與該最大寬度d之比h/d為0. 1以上1. 2以下的空穴；c)異折射率區(qū)域形成工序，在所述空穴內(nèi)，利用外延法形成包含所述AlxGai_xAs的異折射率區(qū)域；以及d)外延層制作工序，在形成有所述異折射率區(qū)域的所述母材層上，利用所述外延法制作包含AlyGai_yAs的層，所述AlyGai_yAs中，0彡y彡1。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述χ與所述y相等。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 同時(shí)進(jìn)行所述異折射率區(qū)域形成工序和所述外延層制作工序。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，在所述母材制作工序與所述異折射率區(qū)域形成工序之間，具有在所述母材上形成阻礙所述AlxGai_xAS的外延生長的晶體生長阻礙膜的工序。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述晶體生長阻礙膜是由Si02、Si3N4、Zn0、&02中的任一種形成的。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述母材層是通過外延生長AlaGai_aAs或(AleGai_e) YIrvYP而制作的層，所述AlaGa1^aAs 中，0 < a < 1，所述(Al^Ga1J) JivyP 中，0 彡 β < 1、0 < γ < 1。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述母材層具有將多個(gè)不同的層層疊而成的結(jié)構(gòu)。
25.—種二維光子晶體激光器制造方法，其特征在于，包括a)異折射率區(qū)域形成工序，在具有與AlxGai_xAs相同的晶體結(jié)構(gòu)的外延生長基板層上，周期性地形成折射率與該AlxGai_xAs不同的柱狀的異折射率區(qū)域，所述AlxGai_xAS中，0 < χ 彡 0. 65 ；b)母材制作工序，在所述異折射率區(qū)域之間，利用外延法制作包含所述AlxGai_xAs的母材；以及c)外延層制作工序，在形成有所述異折射率區(qū)域和所述母材的層上，利用所述外延法制作包含AlyGai_yAs的層，所述AlyGai_yAs中，0彡y彡1。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，所述異折射率區(qū)域是通過將所述外延生長基板層按照殘留厚度方向的一部分和所述異折射率區(qū)域的方式蝕刻而形成的。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述χ與所述y相等。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 同時(shí)地進(jìn)行所述母材制作工序和所述外延層制作工序。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，在所述異折射率區(qū)域形成工序與所述母材制作工序之間，具有在所述異折射率區(qū)域的上面形成阻礙所述AlxGai_xAs的外延生長的晶體生長阻礙膜的工序。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述晶體生長阻礙膜是由Si02、Si3N4、Zn0、&02中的任一種形成的。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于， 所述異折射率區(qū)域是由Si02、Si3N4、Zn0、&02中的任一種形成的。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的二維光子晶體激光器的制造方法，其特征在于，所述外延生長基板層是通過外延生長AlaGai_aAs或(AleGai_e) YIrvYP而制作的層， 所述 AlaGa1^As 中，0 彡 α 彡 1，所述(Al0gah) γ IivyP 中， 彡 β 彡 1、0 彡 Y 彡 1。
全文摘要
本發(fā)明的二維光子晶體激光器的特征在于，具有在以AlαGa1-αAs(0＜α＜1)或(AlβGa1-β)γIn1-γP(0≤β＜1、0＜γ＜1)作為原料的母材層內(nèi)周期性地設(shè)置異折射率區(qū)域(空穴)(151)的二維光子晶體層(15)、和在二維光子晶體層(15)上利用外延法制作的外延生長層(16)。由于AlαGa1-αAs或(AlβGa1-β)γIn1-γP即使在高溫下也很堅(jiān)固，因此在制作外延生長層(16)時(shí)不會(huì)有破壞空穴(151)的形狀的情況，可以將二維光子晶體層(15)的作為共振器的性能維持得較高。
文檔編號(hào)H01S5/323GK102347591SQ20111021640
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者三浦義勝, 國師渡, 坂口拓生, 大西大, 宮井英次, 野田進(jìn), 長瀨和也 申請人:國立大學(xué)法人京都大學(xué), 羅姆股份有限公司