CN102804416A - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的半导体发光元件，具备在基板(1)的上表面所设置、且包括活性层(6)的氮化物半导体多层膜。在与活性层(6)的下表面接触的层或者活性层(6)上，形成有凹部(2)、段差和突状部之中至少1种；在氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和后端面、且构成光波导路的脊条，从脊条的宽度方向的中心至凹部(2)、段差或突状部的宽度方向的中心之距离，从前端面朝向后端面连续性地或阶段性地变化；活性层(6)的带隙能量，从前端面朝向后端面连续性地或阶段性地变化。

Description

半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本说明书所记载的技术涉及一种高发光效率非相干半导体发光元件。
背景技术
作为光纤陀螺和医疗用OCT(optical coherent tomography)等光计测的领域所需要的非相干光源，超发光二极管(以下，称为“SLD”)受到注目。SLD是与半导体激光器(以下，称为“LD”)同样地使用了光波导路的半导体发光元件。在SLD中，由于注入载流子的复合而产生的自然发光，在朝光出射端面方向行进期间，受到受激发射带来的高增益而被放大，且被从光出射端面放出。SLD与LD的不同点在于，其抑制端面反射造成的光共振器的形成，不会使FP(法布里-珀罗：Fabry-Perot)模式下的激光器振荡发生。因此，SLD与通常的发光二极管同样示出非相干性和宽频带的频谱形状，并且可以得到达数10mW左右的输出功率。因此，被用于光纤陀螺等。特别是使用了氮化物半导体(GaN)的SLD，作为从紫外至绿的可视域的高输出非相干光源，期待面向激光器/显示器等映像投射等的应用(非专利文献1)。
图6(a)是非专利文献1所述的表示现有的GaN系SLD的模式图，(b)是表示该SLD的出射光的波长谱的图。通过使脊型光波导路相对于光出射端面倾斜数度而形成，降低了模反射率。光波导路相对于基板端面倾斜，换言之，就是除去相对于GaN基板的主面而活性层和包覆层的主面倾斜以外，SLD也具有与半导体激光器同样的装置构造。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：WO2009-057254号公报
非专利文献
非专利文献1：F.Feltin、A.Castiglia、G.Cosendey、L.Sulmoni、J.F.Carlin、N.Grandjean、M.Rossetti、J.Dorsaz、V.Laino、M.Duelk、C.Velez著，Applied Physics Japan，2009年发行95卷8号081107页
然而，非专利文献1所报告的GaN系SLD，其发光频谱(也称发射光谱)的半值全宽约10nm，比LED(发光二级管：light emitting device)的发光频谱的半值全宽约20nm要狭窄。发光频谱越宽，光纤陀螺的瑞利(Rayleigh：レイリ一)背向散射越减少，能够降低噪声。另外，在映像投射中，光源的发光频谱越宽，斑点/噪声也越降低，映像品质提高。因此，期望使SLD的发光频谱宽度增加。
另外，使用了非专利文献1所示的倾斜光波导路的SLD的情况，对于在光波导路导波的光来说，前端面和后端面相同，因此相同的光输出功率从2个端面放射。因此，在SLD内部发生的光的二分之一从后端面放射，不能有效地利用，发光效率低。光波导路相对于端面倾斜时，即使将对于平面波为高反射率的涂膜形成在端面上，光波导路的模反射率仍处于低的状态。从SLD的后端面放射的光，通过将反射镜等设于装配封装内部，可以进行一定程度的回收，但这种情况下，封装的成本增加。
发明内容
本发明其目的在于，提供一种发光频谱宽、且具有高发光效率、并能够避免制造成本大幅增加的半导体发光元件及其制造方法。
若在基板或基板上的半导体层设置凹部和段差或突状部后，使发光构造生长，则能够控制凹部、段差或突状部的邻近区域的活性层的带隙，使之与远离凹部、段差或突状部的区域的带隙不同。本申请发明者通过利用这一点，试图解决发光频谱的扩大、发光效率的提高这些上述现有技术的课题，独自反复研究而想到了本申请发明。
作为本申请发明的实施方式的一例的半导体发光元件，具备：基板；在所述基板的上表面上所设置、且包括在工作时生成光的活性层的氮化物半导体多层膜，在所述氮化物半导体多层膜之中的与所述活性层的下表面接触的层，或者在所述活性层上，形成有凹部、段差和突状部之中的至少1种；在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条，从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的宽度方向的中心的距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化；所述活性层的带隙能量，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
根据这一构成，因为使从脊条的宽度方向的中心至凹部、段差或突状部的距离从前端面朝向后端面连续性地变化，使活性层的带隙能量连续性地或阶段性地变化，所以能够使光增益峰值波长在同一元件内连续性地或阶段性地变化，从而能够一边维持光波导路的光放大，一边使光放大产生的波长范围扩大。另外，通过控制从脊条的宽度方向的中心至凹部、段差或突状部的距离，还能够一边以后端面邻域的活性层吸收导波光，一边以前端面邻域的活性层抑制导波光的吸收，因此，例如即使在后端面不设反射镜，也能够以低成本实现发光效率的提高。
另外，本发明的实施方式的另一例的半导体发光元件，具备：基板；在所述基板的上表面上所设置、且包括活性层的氮化物半导体多层膜，在所述氮化物半导体多层膜之中的与所述活性层的下表面接触的层，或者在所述活性层上，形成凹部、段差和突状部之中的至少一种；在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条；所述凹部的深度、所述段差的深度或所述突状部的高度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
根据这一构成，通过所述凹部的深度、所述段差的深度或所述突状部的高度，能够使活性层的带隙能量从前端面朝向后端面变化，因此能够一边维持光波导路的光放大，一边使光放大产生的波长范围扩大。
本发明的实施方式的另一例的半导体发光元件的制造方法，具备如下工序：在基板或所述基板上的半导体层设置凹部、段差或突状部后，在所述基板上表面上或所述半导体层的上表面上，形成包括在工作时生成光的活性层的氮化物半导体多层膜的工序(a)；在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条的工序(b)，并且，在所述工序(b)中，按照从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的宽度方向的中心之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化的方式，形成所述脊条，而使所述活性层的带隙能量从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
根据这一方法，能够在工序(b)通过使从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的宽度方向的中心之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化，而使活性层的带隙能量从前端面朝向后端面变化，因此能够一边扩大发光频谱宽度，一边实现发光效率的提高。另外，与具有脊条的现有的半导体发光元件相比，可以不增加工序数量而进行制作，因此能够防止制造成本的大幅增加。
根据本发明的实施方式的一例，能够实现发光波长宽度宽、且发光效率高的半导体发光元件。
附图说明
图1(a)～(c)是表示本发明的实施方式的蓝紫色SLD的图。
图2(a)是模式化地表示在实施方式的SLD中，脊条的前端面邻域和后端面邻域的自然发光的发光频谱的图，(b)是模式化地表示从SLD的前端面出射的光的波长谱的图。
图3(a)是表示实施方式的SLD的第一变形例的俯视图，(b)是表示该变形例的SLD的凹部2的a轴方向宽度和带隙能量的变化量的关系的图。
图4(a)是表示实施方式的SLD的第二变形例的俯视图，(b)是表示该变形例的SLD的凹部2的深度和带隙能量的变化量的关系的图。
图5是表示实施方式的第三变形例的SLD的俯视图。
图6(a)是表示现有的GaN系SLD的模式图，(b)是表示该SLD的出射光的波长谱的图。
图7(a)、(b)是将本发明适用于DBR激光器时的模式图，(c)是表示为了进行比较而制作的未设段差的比较例的图。
图8(a)、(b)是分别表示比较例、本申请发明的一例的特性的图。
具体实施方式
以下，具体地说明本发明的实施方式。
(实施方式)
以下，对于本发明的实施方式的半导体发光元件及其制造方法，以使用六方晶GaN系半导体的蓝紫色SLD(中心发光波长405nm)为例，一边参照图一边进行说明。
图1(a)～(c)是表示本发明的实施方式的蓝紫色SLD的图。图1(a)是从基板上方看本实施方式的SLD时的俯视图。图1(b)是沿着图1(a)所示的Ib-Ib线、且在垂直于纸面的方向上切割该SLD时的剖面图。图1(c)是表示沿着图1(a)所示的Ic-Ic线、且在垂直于纸面的方向上切割时的本实施方式的SLD的剖面图(从光出射方向观看的图)。在图1
(c)中，示出SLD的光出射端面邻域的截面，背后可见的配线电极14、衰减电极15未图示。另外，在图中以c、a、m表示六方晶GaN系结晶的晶面取向。c是(0001)面的法线向量，即意味着c轴；a是(11-20)面及其等价面的法线向量，即意味着a轴；m是(1-100)面及其等价面的法线向量，即意味着m轴。这里，在本申请说明书中，附加于晶面取向的密勒指数的负号“-”，方便表示该负符号之后的一个指数的反转。
如图1(a)～(c)所示，本实施方式的SLD具备如下：基板1；在基板1的上表面上依次形成的由Al0.03Ga0.97N构成的n型包覆层3、由GaN构成的n侧光引导层4、活性层6、由GaN构成的p侧光引导层7、由Al0.20Ga0.80N构成的溢出抑制层(OFS层)8、p型包覆层9、由GaN构成的p型接触层10、p侧电极13、由金属构成的配线电极14和衰减电极15；在基板1的下表面上形成的n侧电极16。
即，含有n型包覆层3、n侧光引导层4、活性层6、p侧光引导层7、溢出抑制层(OFS层)8、p型包覆层9及p型接触层10的III族(现行IUPAC分类中为13族)氮化物半导体多层膜被设于基板1上或半导体层上。基板1例如由六方晶的GaN构成，以(0001)面为主面(上表面)。另外，由SiO2构成的绝缘膜(钝化膜)12覆盖p型包覆层9的上表面。
p型包覆层9具有由膜厚1.5nm的Al0.16Ga0.84N层和膜厚1.5nm的GaN层反复160个周期而构成的、且膜厚0.48μm的应变超晶格构造。
n型包覆层3的膜厚例如为2μm左右，n侧光引导层4的膜厚例如为0.1μm左右，p侧光引导层7的膜厚例如为0.1μm左右，溢出抑制层8的膜厚为10nm左右，p型接触层10的膜厚为0.05μm左右。
另外，从光出射端面(图1(a)的右端；前端面)至后端面(图1(a)的左端)的距离，即SLD的芯片长例如为800μm。
活性层6具有交替形成的由In0.02Ga0.98N构成的势垒层和由In0.06Ga0.94N构成的量子阱层，量子阱层在活性层6内例如设置3个周期。
在本实施方式的SLD中，在氮化物半导体多层膜内形成有光波导路，该光波导路由n型包覆层3、n侧光引导层4、活性层6、p侧光引导层7、溢出抑制层(OFS层)8、p型包覆层9和p型接触层10构成。
在基板1上形成有凹部、段差或突状部。在图1(c)所示的例子中，在基板1的上表面形成有凹部2(由虚线图示)，在氮化物半导体多层膜的上表面形成有起源于该凹部2，比凹部2小的凹部18。凹部2的宽度例如为30μm左右，深度例如为2μm左右。
此外，该光波导路的光传播方向(图1(a)所示的凹部2、18延长的方向)，相对于图1(c)所示的光出射端面的法线(m轴)，例如倾斜大约9°左右。
另外，p型包覆层9的一部分(氮化物半导体多层膜的上部)构成条纹状突出的条纹区域(脊条)，p型接触层10形成于该条纹区域上。该脊条构成上述的光波导路的一部分。p型接触层10的p侧电极13也为条纹状。该条纹区域相对于m轴方向倾斜10°(参照图1(a))。如此，条纹区域相对于m轴方向的倾斜角，比凹部2相对于m轴方向的倾斜角大一些，因此从条纹状区域的中心至凹部2的一端的距离，随着从光出射端面(前端面)朝向后端面而连续性地变大，在光出射端面的该距离例如为5μm，在后端面的该距离例如为15μm。在本申请发明者实施的上述的构造和生长条件下，若该距离变成20μ以上，则活性层的发光波长几乎没有变化。但是，在其他的构造和生长条件下，则活性层的发光波长变化的范围不同，因此用于实施本申请发明时的该距离和倾斜角不限于上述的值。
还有，除了图1(a)～(c)所示的情况以外，从条纹状区域(脊条)的中心至凹部2(形成段差、突状部代替凹部时为段差或突状部)的一端的距离，也可以如后述这样，随着从光出射端面(前端面)朝向后端面而阶段性地变大。无论哪种情况，联结凹部2的宽度方向的中心之间的中心线和脊条的宽度方向的中心的距离，均随着从前端面朝向后端面而连续性地或阶段性地变化即可。
其次，参照图1(a)～(c)说明本实施方式的SLD的制造方法。
首先，在由一方的主面(上表面)为(0001)面的n型六方晶GaN构成的基板1的上表面上，通过例如作为原料使用SiH4的热CVD(化学气相沉积chemical vapor deposition)法，以600nm左右的膜厚堆积SiO2膜。
其后，通过光刻法除去SiO2膜，使除去部分的长边相对于m轴例如倾斜9°，且使除去部分的宽度成为30μm的条纹形状。其次，通过使用了CF4的电感偶合等离子体(inductive coupled plasma：ICP)蚀刻装置，对于除去了SiO2膜的区域进行蚀刻至2μm左右的深度，在基板1的上部设置凹部2。在本工序中，凹部2的形成也可以通过在上述不同的条件下的蚀刻进行，能够采用改变用于蚀刻的气体的种类等而在基板能够形成凹部的各种蚀刻方法。接着，使用氢氟酸除去SiO2膜。还有，在基板1的上部所形成的可以未必是凹部，也可以形成段差和突状部。
接着，例如通过有机金属化学气相沉积法(metalorganic chemical vapordeposition：MOCVD法)，在基板1的上表面上，使由n型Al0.03Ga0.97N构成的n型包覆层3生长2μm左右。还有，以下的氮化物半导体也通过MOCVD法等形成。
接下来，在n型包覆层3之上，作为n侧光引导层4使n型GaN层生长0.1μm左右。再在n侧光引导层4上，交替层叠由In0.02Ga0.98N构成的势垒层和由In0.06Ga0.94N构成的量子阱层，形成含有3个周期的量子阱层的活性层6。这时，活性层6之中，远离凹部2的区域5的带隙能量Eg1，相对于活性层6之中位于凹部2的邻域的区域的带隙能量Eg2而言，Eg1＜Eg2。
接着，在活性层6上，使由p型GaN构成的p侧光引导层7生长0.1μm左右。接下来在p侧光引导层7上，使由p型的Al0.20Ga0.80N构成的溢出抑制层(OFS层)8生长10nm左右。接着在OFS层8之上，使膜厚1.5nm左右的Al0.16Ga0.84N层和膜厚1.5nm左右的GaN层反复160个周期而进行堆积，形成整体的膜厚为0.48μm的由应变超晶格构成的p型包覆层9。
接着，使膜厚0.05μm左右的p型GaN所构成的p型接触层10在p型包覆层9上生长。在此，在设于基板1的凹部2(或段差)之上也生长有上述的氮化物半导体层，但该氮化物半导体层以填补凹部2的形式生长，因此存在形成于p型接触层10的上表面的凹部18的宽度和深度，比凹部2的宽度及深度小的情况。根据氮化物半导体层的生长条件，也有凹部2在活性层6的生长后完全被真埋而变得平坦的情况。在这样的情况下，仍会由于设在基板1的凹部2，导致在活性层6的生长之前的层或活性层6的上表面残留有凹部，与未设凹部的情况相比，如果活性层6的发光波长变短，则能够得到本实施方式的效果。
关于如此因凹部(或段差)2而导致活性层的发光波长发生变化的理由，在专利文献1中有所记述。
即，在本实施方式的制造方法中活用的现象是，在GaN系的混合晶生长中，生长面的偏差角度影响组成这一现象。例如，已知在由氮化镓(GaN)构成的基板的(0001)面上，使氮化铟镓(InGaN)所构成的混合晶生长时，若相对于(0001)面的偏差角度变大，则In组成大幅降低。
若在设有凹部、段差或突状部的基板上使GaN系混合晶生长，则在凹部、段差或突状部的邻域，结晶面产生倾斜，偏差角度变化。因此，通过调整凹部、段差或突状部的深度或高度以及形状，能够控制偏差角度变化的区域的面积和偏差角度的大小。即，对应偏差角度，GaN系混合晶的组成比，例如InGaN中的In组成改变，能够将带隙控制为期望的值。
在本实施方式的SLD中，在形成有因凹部2(或段差或突状部)而产生的凹部的氮化物半导体层(n侧光引导层4)上，形成有活性层6，因此构成活性层6的量子阱层的In组成在层内发生变化。因此，如后述发光波长的半值全宽与未设凹部2或段差的情况相比显著变大。
还有，由偏差角导致所形成的氮化物半导体的组成改变的现象，其发生不限于InGaN，能够将其利用于本实施方式的构成的实现。例如，在含有Al的GaN系半导体中，即使在Al组成变化的情况下，也能够推想出会发生与使用InGaN时同样的现象。
还有，作为用于活性层6的结晶生长的手法，除了MOCVD法以外，也可以使用分子束外延生长法(MBE法)和化学束外延生长法(CBE法)等可以使氮化物系的蓝紫色半导体激光器构造生长的其他的生长手法。作为使用MOCVD法时的原料，例如作为Ga原料使用三甲基镓，作为In原料使用三甲基铟，作为Al原料使用三甲基铝，作为N原料使用氨，作为n型杂质的Si原料使用硅烷气体，作为p型杂质的Mg原料使用二茂镁即可。
接着，例如使用热CVD法，以0.3μm左右的膜厚形成SiO2膜。运用光刻法，借助光致抗蚀剂残留宽1.5μm的条纹状的区域而使氮化物半导体多层膜的上表面露出。在此，氮化物半导体多层膜，是含有n型包覆层3、n侧光引导层4、活性层6、p侧光引导层7、溢出抑制层(OFS层)8、p型包覆层9及p型接触层10的膜。
本工序所形成的条纹状区域，与专利文献1所述的半导体发光元件不同，相对于m轴方向倾斜10°左右。另外，从条纹状区域的中心至凹部2的一端的距离，在光刻法中以如下方式进行校准：在后工序成为芯片状(芯片长800μm)时，在该芯片的光出射端面的前端面使之为5μm，在光出射端面的后端面使之为15μm。即，使从条纹状区域的中心至凹部2的一端之距离，从前端面朝向后端面连续性地或阶段性地变化，如此来形成条纹状区域。其次，使用ICP，对于氮化物半导体多层膜(p型接触层10和p型包覆层9)进行蚀刻，达到深度0.35μm左右，形成脊条。
其后，使用氢氟酸除去SiO2膜之后，再度使用热CVD法，对于基板(制作中的SLD)的上表面整体，以200nm左右的膜厚形成SiO2膜。
接着，使用光刻法，在光致抗蚀剂之中位于脊条的顶点的部分形成宽1.3μm的孔径。
接着，例如使用SiO2膜作为掩模，通过使用了CHF3气体的反应性离子蚀刻装置(RIE)除去孔径部的SiO2膜。接下来，使用例如电子束(EB)蒸镀装置，作为p侧电极材料膜而在SiO2膜上依次真空蒸镀膜厚40nm的Pd膜和膜厚35nm的Pt膜。接着，通过剥离法，除去p侧电极材料膜之中形成于脊条的顶点部之上的部分，形成p侧电极13。再以覆盖脊条的方式，形成脊条延长的方向的长度为500μm、且与脊条垂直的方向的宽度为150μm的配线电极14。配线电极14，由从下按顺序层叠的Ti膜/Pt膜/Au膜(膜厚分别为50nm、200nm、100nm)构成，与p侧电极13同样采用光刻法形成。
将SLD单片化成芯片状时，若切断配线电极14，则与配线电极14密接的p侧电极13从p型接触层10剥离的情况存在。因此，优选切断前的配线电极14在邻接的SLD间不相连。接着，通过电镀而增加Au膜的厚度至10μm(衰减电极15)。由此，可以进行经由衰减电极15的通过引线键合实施的SLD的装配，并且能够有效地释放活性层6的放热，可以使SLD的可靠性提高。
接着，使用金刚石磨浆使基板1的背面薄片化直至基板1的厚度达100μm左右，之后使用例如EB蒸镀法，在基板1的背面上作为n侧电极16而形成膜厚分别为5nm、10nm、1000nm的Ti膜/Pt膜/Au膜。
接着，使m轴方向的长度为800μm，如此沿着m面而对于晶片状的SLD进行一次解理。这时以如下方式进行解理：在一次解理面的一面(前端面)，使从脊条的宽度方向的中心至凹部2的一端的距离例如为5μm，在一次解理面的另一端(后端面)，使脊条的中心至凹部2的一端的距离例如为15μm。其后，按照使宽度方向的长度为200μm的方式，沿着a面对于SLD进行二次解理。如此能够制作本实施方式的SLD。
以下，对于以如上方式制作的SLD的工作进行说明。
在本实施方式的SLD中，从n侧电极16注入的电子和从p侧电极13注入的空穴在活性层6中复合，由该复合而产生的自然发光，在朝光出射端面方向行进期间，因受到受激发射带来的高增益而被放大，且被从光出射端面放出。在此，构成光波导路的脊条的延伸方向(光波导路的光轴方向)相对于光出射端面的法线倾斜，因此，由于端面反射形成光共振器的问题得到抑制。因此，法布里-珀罗(FP)模式下的激光器振荡不会产生，本实施方式的半导体发光元件作为SLD发挥作用。
图2(a)是模式化地表示在本实施方式的SLD中，脊条的前端面邻域和后端面邻域的自然发光的发光频谱的图，(b)是模式化地表示从本实施方式的SLD的前端面出射的光的波长谱的图。
在光出射端面的前端面邻域，脊条下的活性层6所在位置距凹部2有5μm的距离。因此，如专利文献1所述，自然发光峰值波长为，相比远离段差的活性层的值(405nm)约短15nm左右的390nm的短波长(参照图2(a))。另一方面，在后端面邻域，脊条下的活性层所在位置距凹部2为15μm的距离，因此自然发光的峰值波长仍为405nm的状态。还有，在前端面和后端面之间，脊条下的活性层6的带隙能量连续性地或断断续续地变化。
如此，光增益峰值的波长在前端面邻域为390nm，在后端面邻域为405nm，因此，能够使从前端面出射的光的波长谱的半值全宽，如图2(b)所示，扩大至25nm左右。这与凹部2的延伸方向和脊条延伸方向相互大体平行的情况(半值全宽为10nm)相比，能够扩大发出光的波长范围。
还有，本实施方式的SLD的发光频谱宽度的扩大，依存于凹部2或段差的形状、高度和生长条件。原理上说，在前端面邻域，能够形成在阱层和势垒层中完全不含In的只由GaN层构成的活性层，因此在这种情况下，光增益峰值的波长为365nm，发光频谱宽度理论上能够扩大至50nm。另外，不形成凹部或段差时，活性层的发光波长从405nm长波长化，例如，如果以成为420nm的方式进行结晶生长，则这种情况下，光增益峰值的波长在前端面邻域为365nm，在后端面邻域为420nm，因此发光频谱宽度为65nm。
另外，在本实施方式的SLD中，通过控制凹部2和脊条的宽度方向的中心的距离，前端面邻域的活性层6中的带隙能量变大，后端面邻域的活性层6中带隙能量变小。因此，在后端面邻域发生并向前端面传播的导波光，几乎不会在前端面邻域的活性层6被吸收，光从前端面放射。反之，在前端面邻域发生并向后端面传播的导波光，被后端面邻域的活性层吸收。被吸收的光在活性层中形成电子-空穴对，但是，因为电子-空穴对的量子能量比活性层的带隙能量高，再度复合有助于光增益(所谓光子循环效应)。即，向后端面传播的光成分在光子循环效应下被转换成向前端面传播的光成分。其结果是，在现有的光波导路构造中无效地从后端面放出的光输出功率，从前端面放出，由此在本实施方式的SLD中，相比现有的光波导路构造，能够将发光效率提高到大约2倍。
另外，形成相对于光出射端面的法线倾斜延伸的脊条的工序，与用于构成现有形状的脊条的工序相比，只是改变掩模的形状，而没有增加工序数量，因此根据本实施方式的制造方法，与另行设置反射镜等的方法相比，不会增加制造成本而能够实现发光频谱得到扩大的SLD。
还有，在以上的说明中说明的是，在本实施方式的SLD中，从脊条的宽度方向的中心至凹部2的一端(或中心)之距离，从前端面朝向后端面连续性地或阶段性地变化，但这种情况下，在活性层6和与活性层6的下表面接触的层的至少一方形成凹部。这时，从脊条的宽度方向的中心至活性层6和与活性层6的下表面接触的层上所形成的凹部的一端的距离，连续性地或阶段性地变化。
-实施方式的SLD的变形例-
图3(a)是表示本实施方式的SLD的第一变形例的俯视图，(b)是表示本变形例的SLD的凹部2的(a轴方向)宽度和带隙能量的变化量的关系的图。
在图3(a)所示的第一变形例的SLD中，其构成为，使光增益峰值波长对应脊条中的位置而连续性地变化，使如下这样的凹部2设于基板1上，即随着从前端面朝向后端面，使凹部2的宽度(具体来说就是与脊条延伸的方向大体正交的方向的宽度)变小。
例如，从脊条的a轴方向(更具体地说，是与脊条延伸的方向正交的方向)的中心至凹部2的一端的距离，与图1(a)～(c)所示的SLD相同，为5μm，但凹部2的宽度慢慢变化，在前端面为50μm，在后端面为0μm。这种情况下，与凹部2的a轴方向垂直的方向的中心线和脊条的a轴方向的中心的距离，也随着从前端面朝向后端面而变小。
如图3(b)所示，随着凹部2的a轴方向宽度变大，活性层6的带隙能量的变化量变大。这被认为是由于如上述，对应凹部2的宽度，活性层6的氮化物半导体组成发生变化。
如此，通过控制凹部2的宽度，也能够控制活性层6的带隙能量，能够与图1(a)～(c)的例子同样地扩大发光频谱的宽度。在图3(b)的例子中，在前端面邻域，因为带隙能量扩大175meV，所以光增益峰值的波长从405nm短波长化到383nm。在后端面邻域，带隙能量未发生变化，光增益峰值的波长仍为405nm的状态，因此与没有形成凹部2或段差的情况相比，能够使发光频谱宽度从10nm扩大到28nm。
还有，在活性层6或与活性层6的下表面接触的层形成段差或突状部来替代凹部2时，也能够发挥同样的效果。
图4(a)是表示本实施方式的SLD的第二变形例的俯视图，(b)是表示本变形例的SLD中凹部2的深度和带隙能量的变化量的关系的图。
在图4(a)所示的第二变形例的SLD中，脊条的宽度方向的中心与凹部2的一端的距离，与上述的第一变形例的SLD相同，为5μm，但凹部2的深度慢慢变化，在光出射端面的前端面为2μm，在后端面大体上为0μm，如此形成凹部2。
如图4(b)所示可知，凹部2的宽度固定时的带隙能量的变化量，随着凹部2的深度变大而变大。这一关系在凹部2的宽度为5μm、20μm、50μm的任意一种情况下都成立。
因此，通过使凹部2的深度从前端面邻域朝向后端面邻域而连续性地变化，也能够适宜控制活性层6的带隙能量。因此，本变形例的SLD能够得到与图1所示的SLD同样的效果。
即，使凹部2的a轴方向宽度为50μm时，在前端面邻域中带隙扩大至175meV左右，因此光增益峰值的波长从405nm短波长化到383nm。另一方面，在后端面邻域，带隙不变化，光增益峰值的波长仍为405nm的状态，在本变形例的SLD中，与没有形成凹部2的情况相比，能够将发光频谱宽度从10nm扩大到28nm。
另外，在本变形例中，相对于光出射端面(前端面)的法线，脊条和凹部2(凹部18)的延伸方向一起倾斜9-10°左右，且脊条和凹部2大体平行地延伸。但是，如图1(a)～(c)所示，也可以稍微改变凹部2和脊条相对于光出射端面的法线的倾斜度。另外，与图3(a)所示的第一变形例的SLD同样，也可以使凹部2的宽度连续性地或阶段性地变化。另外，凹部2的深度未必一定要从前端面朝向后端面而连续性地变浅，也可以是阶段性地变浅。这种情况下，活性层6的带隙能量在前端面邻域大，朝向后端面而阶段性地变小。
另外，在本变形例的SLD中，为了使光增益峰值波长对应脊条中的位置而连续性地变化，从前端面至后端面沿着脊条而形成连续的凹部2。但是，为了扩大SLD的发光频谱宽度，凹部2也可以不必沿着脊条连续性地形成。
另外，也可以在基板1上形成突状部或段差来替代凹部2。这种情况下，突状部的高度或段差的深度取代凹部的深度，随着从前端面朝向后端面而变化。
图5是表示本实施方式的第三变形例的SLD的俯视图。如本变形例的SLD，凹部2(段差)也可以沿着脊条不连续地形成多个。
在图5所示的例子中，凹部2的俯视形状为平行四边形，m轴方向(脊条伸长的方向)的宽度为30μm，与a轴平行的方向的边的长度为30μm，深度为2μm。使相邻的凹部2彼此的间隔(脊条伸长的方向)为30μm。
脊条和凹部2端的距离，从最靠近前端面的凹部2中为5μm、到最靠近后端面的凹部2中为15nm，使之随着从前端面朝向后端面而阶段性地变化。这种情况下，能够与图2同样地扩大发光频谱宽度。如此凹部2不连续时，按照连续的情况，也可以从前端面到后端面之间，使凹部2的宽度或深度阶段性地变化。还有，在本变形例的SLD中，凹部2的与a轴方向垂直的方向的中心线和脊条的a轴方向的中心的距离，随着从前端面朝向后端面而变小。
另外，在任何实施方式或其变形例的SLD中，作为用于控制活性层6的带隙的设于基板的构造体，使用的是凹部或段差，但也可以如WO2009-057254号公报所述的那样，在基板1的上表面形成突起来替代凹部等。形成突起时，只有形成构造体的掩模图案不同，制作方法与上述的凹部2的形成方法一样。
另外，在以上说明的实施方式及其变形例的SLD中，通过在基板1上形成凹部2或段差，从而在与活性层6之下接触的层或在活性层6上形成凹部或段差，但在活性层6内形成段差等的方法不限于此。例如，替代在基板1设置段差，也可以在氮化物半导体多层膜的活性层6下的层形成凹部、段差或突状部，在其上形成含有活性层6的其余的氮化物半导体层，由此在与活性层6的下表面接触的层或活性层6上形成凹部、段差或突状部。
还有，以上的说明中列举的构件的形状、尺寸、构成材料等不过是实施方式的一例，在不脱离本发明的宗旨的范围可以透宜变更。
另外，本实施方式及其变形例的SLD的任意一种，在凹部2的形状等的点上，都可以与其他的实施方式或变形例的SLD适宜组合。例如，在活性层6或氮化物半导体多层膜之中与活性层6的下表面接触的层上，形成凹部、段差和突状部之中至少1种即可。
还有，无论哪个实施方式或变形例中，都是列举使用了氮化物半导体的蓝紫色SLD的例子来说明本申请发明的宗旨，但本申请发明在使用了氮化物半导体的紫外、蓝和绿等的可视域的发光波长的SLD的发光波长宽度的扩大和发光效率的提高上也有效。
另外，本发明不限于SLD，对于利用了波导的发光元件的发光波长宽度的扩大和发光效率的提高也有效。例如，如图7(a)～(c)所示，本发明能够适用于分布反射型(Distributed Bragg Reflector：DBR)激光器。图7(a)、(b)是将本发明应用于DBR激光器时的模式图。图7(c)是为了进行比较而制作的未设段差的比较例。
如图7(a)、(b)所示，在本发明的一例的DBR激光器中，凹部18、p型电极13一起沿m轴方向延长，凹部18延长的方向从m轴方向看倾斜。另外，DBR激光器具备如下：增益区域31；形成有衍射光栅2、且从增益区域31看被配置于m轴方向的一方的DBR区域32。
图8(a)、(b)分别表示比较例、本申请发明的一例的DBR激光器的特性。在段差邻域的波导正下的活性层6中，如上述不仅自然放出频谱，如图8(b)，增益频谱也扩大。因此，DBR激光器的阈值电流与现有技术相比，对于温度变化安定化。在DBR激光器中，实质的增益由DBR反射镜的反射频谱和增益频谱的积决定。在温度上升时，各层的折射率增加，增益频谱与反射频谱比较而长波长化(即，活性层的带隙缩小)，实质的增益降低，阈值电流增加。另一方面，如果通过本发明扩大增益频谱，则温度上升时的实质的增益难以降低，能够抑制阈值电流的增加。
产业上的可利用性
本发明的一例的半导体发光元件，因为发光波长宽度宽、且发光效率高，所以作为激光器/显示器和光纤陀螺等种因种机器的光源有用。
符号说明
1        基板
2、18    凹部
3n       型包覆层
4n       侧光引导层
5        活性层之中远离凹部的区域
6        活性层
7p       侧光引导层
8        溢出抑制层
9        p型包覆层
10       p型接触层
13       p侧电极
14       配线电极
15       衰减电极
16       n侧电极
18       凹部

Claims (14)

1.一种半导体发光元件，其中，
具备：基板；在所述基板的上表面上所设置、且包括在工作时生成光的活性层的氮化物半导体多层膜，
在所述氮化物半导体多层膜之中的与所述活性层的下表面接触的层，或者在所述活性层，形成凹部、段差和突状部之中至少1种，
在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条，
从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的宽度方向的中心之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化，
所述活性层的带隙能量，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述凹部、所述段差或所述突状部沿着所述脊条延伸，
从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的一端之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地变小，
所述活性层的带隙能量，从所述前端面朝向所述后端面而连续性地变小。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述凹部、所述段差或所述突状部沿着所述脊条延伸，
所述凹部、所述段差或所述突状部的在与所述脊条的延伸方向大体正交的方向的宽度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地变小，
所述活性层的带隙能量，从所述前端面朝向所述后端面而连续性地变小。
4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述凹部的深度、所述段差的深度或所述突状部的高度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述凹部、所述段差或突状部沿着所述脊条不连续地设有多个。
6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其中，
从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的一端之距离，从所述前端面朝向所述后端面变小。
7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述前端面为光出射端面，
所述光波导路的光轴相对于所述光出射端面的法线倾斜。
8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
所述凹部、所述段差或所述突状部形成于所述基板。
9.一种半导体发光元件，其中，
具备：基板；在所述基板的上表面上所设置、且包括活性层的氮化物半导体多层膜，
在所述氮化物半导体多层膜之中的与所述活性层的下表面接触的层，或者在所述活性层上，形成有凹部、段差和突状部之中至少1种，
在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条，
所述凹部的深度、所述段差的深度或所述突状部的高度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
10.一种半导体发光元件的制造方法，其中，包括：
在基板或所述基板上的半导体层设置凹部、段差或突状部后，在所述基板上表面上或所述半导体层的上表面上，形成包括在工作时生成光的活性层的氮化物半导体多层膜的工序(a)；
在所述氮化物半导体多层膜的上部，形成具有前端面和与所述前端面对置的后端面、且构成光波导路的脊条的工序(b)，
在所述工序(b)中，按照从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的宽度方向的中心之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化的方式，形成所述脊条，而使所述活性层的带隙能量从所述前端面朝向所述后端面而连续性地或阶段性地变化。
11.根据权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其中，
所述凹部、所述段差或所述突状部沿所述脊条延伸，
在所述工序(b)中，按照从所述脊条的宽度方向的中心至所述凹部、所述段差或所述突状部的一端之距离，从所述前端面朝向所述后端面连续性地变小的方式，形成所述脊条。
12.根据权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其中，
所述凹部、所述段差或所述突状部沿所述脊条延伸，
在所述工序(b)中，按照所述凹部、所述段差或所述突状部的在与所述脊条的延伸方向大体正交的方向的宽度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地变小的方式，形成所述脊条。
13.根据权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其中，
所述凹部的深度、所述段差的深度或所述突状部的高度，从所述前端面朝向所述后端面连续性地或阶段性地变化。
14.根据权利要求10所述的半导体发光元件的制造方法，其中，
所述凹部、所述段差或突状部不连续地设置多个，
在所述工序(b)中，沿着所述凹部、所述段差或突状部形成所述脊条。
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