CN103380551A - 半导体发光元件以及使用它的发光装置 - Google Patents

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Abstract

半导体发光元件(1)，包括：基板(10)；半导体层叠膜(40)，其包括在基板上形成的为第一导电类型的第一覆盖层(12)、在该第一覆盖层上形成的发光层(13)、以及在该发光层上形成的为第二导电类型的第二覆盖层(14)，且具有光波导(20)；形成为与第一覆盖层电连接的第一电极(23)；以及形成为与第二覆盖层电连接的第二电极(22)、(24)。发光层产生在光波导中进行导波的导波光以及在光波导中不进行导波的非导波光，非导波光从基板侧以及半导体层叠膜侧当中的任意一侧向外部放射。

Description

半导体发光元件以及使用它的发光装置
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件以及使用它的发光装置，特别涉及一种具有光波导的半导体发光元件以及使用它的发光装置。
背景技术
一般来讲，作为半导体发光元件，具有层叠了p型半导体、发光层以及n型半导体的半导体层叠膜的发光二极管(lightemitting diode：LED)、激光二极管(laser diode：LD)以及超放射发光二极管(super luminescent diode：SLD)等广为人知。在它们当中，发出发光波长为630nm附近的红色光的LED，在电气/电子设备的开关照明中被广泛应用。另外，发出发光波长为370nm～480nm的光的LED与发出荧光波长为550nm左右的荧光的荧光体组合而构成白色LED，用于家庭用的一般照明光源、液晶电视的背光源以及便携式电子设备的闪光光源。另一方面，LD以及SLD具备LED所不具有的特征。LED是利用由于注入载流子的再耦合而产生的自发放射光的半导体发光元件，而SLD以及LD具有光波导，能够将在自发放射光于光波导中向光射出端面方向前进的过程中获得由受激放射引起的增益而被放大的受激放射光，从光射出端面放射出。特别是，LD能够利用在光波导的前后形成的光谐振器进行基于法布里-珀罗(FP)模式的激光振荡，并且高效地放射光，因此，应用于光学拾波器以及激光显示器等光源中。另一方面，SLD与LD不同，其构成方式是为了抑制由于端面反射而形成光谐振器，并且不会由于FP模式的缘故而产生激光振荡。因此，SLD与通常的LED相同，表示出了非相干性以及宽带的频谱形状，被实际应用于输出达到数10mW左右的元件。虽然这种SLD应用于例如光纤陀螺仪以及医疗用光学相干涉断层扫描仪(optical coherence tomography：OCT)等的光学测量领域中，但作为激光显示器等的影像投影领域所需要的非相干光源也备受瞩目。
以下，对作为以往的半导体发光元件之一的以往的SLD进行说明。
如图20所示，在以往的SLD900中，在基板910上形成半导体层叠膜920，由于锌(Zn)扩散的缘故，在半导体层叠膜920形成的电流注入区域925发挥光波导的功能。该光波导向基板910的长度方向延伸，与光波导的端面形成5°～15°(图中的θ)的倾斜，由此，降低了模式反射率(例如参照非专利文献1等)。除了光波导呈倾斜之外，与利用基于FP模式的激光振荡的LD几乎是相同的结构。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Gerald A.Alphose，Dean B.Gibert，M.G.Harvey，Michael Ettenberg著，IEEE Journal of QuantumElectronics，1988年发行，第24卷12号2454页
发明概要
发明要解决的技术课题
为了与以往的LED、LD以及SLD等半导体发光元件相比会降低安装了它们的设备的消耗电能，而希望提高发光效率。以往的LED虽然能够在发光层高效地生成自发放射光，但由于光向随机的方向放射，并且在半导体和外部的界面基于它们的折射率差而被反射，因此，不能够高效地将光放射到外部。另一方面，以往的SLD以及LD等虽然能够通过受激放射光将光高效地放射到外部，但由于为了产生受激放射而需要载流子的反转分布，因此，如果不将一定值以上的电流(阈值电流)注入到半导体发光元件中，则不能成为光输出当中受激放射呈支配性的状态。即，相当于阈值电流与阈值电压(为形成阈值电流而向元件施加的电压)的乘积值的电能被用于自发放射光的射出。在以往的SLD以及LD中，该自发放射光没有被有效地利用，成为无功消耗电能。即使受激放射呈支配性状态，也会为了维持受激放射而产生一定量的自发放射光。因此，如果不将该自发放射光作为光输出利用，则相当于阈值电流与阈值电压的乘积值的电能就成为无功消耗电能，SLD以及LD的电能转换效率(每单位时间的光输出能量/投入消耗电能)就受到了限制。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于：能够获得能利用自发放射光和受激放射光两者的电能转换率高的半导体发光元件以及使用它的发光装置。
解决技术课题的手段
为了达到上述目的，本发明将半导体发光元件设置成包括基板和半导体层叠膜，并且从基板侧或半导体层叠膜侧的任意一方放射光的结构。
具体而言，本发明的半导体发光元件包括：基板；半导体层叠膜，其包括在基板上形成的为第一导电类型的第一覆盖层、在该第一覆盖层上形成的发光层、以及在该发光层上形成的为第二导电类型的第二覆盖层，且具有光波导；与第一覆盖层电连接形成的第一电极；以及与第二覆盖层电连接形成的第二电极，发光层产生在光波导中进行导波的导波光以及在光波导中不进行导波的非导波光，非导波光从基板侧以及半导体层叠膜侧当中的任意一侧向外部放射。
根据本发明的半导体发光元件，非导波光从基板侧以及半导体层叠膜侧当中的任意一侧向外部放射，因此，能够将非导波光有效地作为光输出来使用，能够提高电能转换效率。
在本发明的半导体发光元件中，第二电极优选包括由相对于导波光以及非导波光呈透明的材料形成的透明电极。
在这种情况下，第二电极可以包括形成在透明电极上的除了光波导以外的区域上、并且由相对于导波光以及非导波光呈非透明的材料形成的非透明电极。
本发明的半导体发光元件优选还具有形成在发光层的下方且反射非导波光的反射部。
在这种情况下，反射部优选包括反射膜，该反射膜由在基板的与形成了半导体层叠膜的面相反一侧的面上形成的金属构成。
另外，反射部可以包括形成在基板上且由折射率与半导体层叠膜不同的材料构成的膜。
另外，反射部可以包括在基板的上部形成的凹部。
本发明的半导体发光元件优选基板由相对于导波光以及非导波光呈透明的材料构成。
在这种情况下，第二电极优选由反射非导波光的材料构成。
另外，在这种情况下，第一电极包括由相对于导波光以及非导波光呈非透明的材料构成的非透明电极，非透明电极可以在光波导之下具有开口部。
而且，在该情况下，基板优选在与形成了半导体层叠膜的面相反一侧的面上包括一维周期或二维周期的凹凸部。
在本发明的半导体发光元件中，光波导的端面优选倾斜于与基板面垂直的方向。
本发明的第一发光装置具有上述半导体发光元件和保持半导体发光元件的封装件，半导体发光元件被保持为基板侧的面与上述封装件相接，将从半导体发光元件放射的导波光和非导波光，从封装件的上方，向外部放射。
根据本发明的第一发光装置，由于将从半导体发光元件放射的导波光和非导波光，从封装件的上方，向外部放射，因此，能够利用导波光与非导波光两者，能够提高电能转换效率。
本发明的第二发光装置具有上述半导体发光元件和保持半导体发光元件的封装件，半导体发光元件被保持为半导体层叠膜侧的面与封装件相接，将从半导体发光元件放射的导波光和非导波光，从封装件的上方，向外部放射。
根据本发明的第二发光装置，由于将从半导体发光元件放射的导波光和非导波光，从封装件的上方，向外部放射，因此，能够利用导波光与非导波光两者，能够提高电能转换效率。
在本发明的第一发光装置以及第二发光装置中，封装件是具有底面以及侧壁面的凹形状，侧壁面优选倾斜为与底面的角度呈钝角且反射导波光。
本发明的第一发光装置以及第二发光装置优选还具有设置在封装件上方且包括荧光体的部件。
这样一来，则能够通过荧光体来改变从半导体发光元件放射的光的一部分或全部的波长，因此，能够自由地设定从发光装置放射的光的波长。
本发明的第一发光装置以及第二发光装置优选构成为能够对放射导波光以及非导波光的第一动作和仅放射非导波光的第二动作进行选择。
这样的话，能够根据用途来高效地使用本发明的发光装置。
在这种情况下，优选当在半导体发光元件中流动的电流量比阈值电流大时，选择第一动作；当在半导体发光元件中流动的电流量比阈值电流小时，选择第二动作。
发明效果
根据本发明的半导体发光元件以及使用它的发光装置，能够利用自发放射光和受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
附图说明
图1(a)～(c)表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件，图1(a)是俯视图；图1(b)是图1(a)的Ⅰb-Ⅰb线的剖视图；图1(c)是图1(a)的Ⅰc-Ⅰc线的剖视图；图1(d)是表示本发明的第一实施方式的发光装置的剖视图。
图2(a)～(f)是将本发明的第一实施方式的半导体发光元件的制造方法按照工艺顺序表示的剖视图。
图3(a)以及图3(b)表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的动作，图3(a)是俯视图；图3(b)是图3(a)Ⅲb-Ⅲb线的剖视图；图3(c)是表示本发明的第一实施方式的发光装置的动作的剖视图。
图4是表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的特性的图表。
图5(a)以及图5(b)表示涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件，图5(a)为俯视图；图5(b)为图5(a)的Ⅴb-Ⅴb线的剖视图。
图6(a)以及图6(b)表示涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件的动作，图6(a)为俯视图；图6(b)为图6(a)的Ⅵb-Ⅵb线的剖视图。
图7是表示涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件的特性的图表。
图8(a)以及图8(b)表示涉及本发明的第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件，图8(a)为俯视图；图8(b)为图8(a)的Ⅷb-Ⅷb线的剖视图。
图9(a)以及图9(b)表示涉及本发明的第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件的动作，图9(a)为俯视图；图9(b)为图9(a)的Ⅸb-Ⅸb线的剖视图。
图10(a)～图10(c)表示本发明的第二实施方式的半导体发光元件，图10(a)为俯视图；图10(b)为图10(a)的Ⅹb-Ⅹb线的剖视图；图10(c)为仰视图。
图11(a)表示本发明的第二实施方式的半导体发光元件的安装形态，是图10(a)的Ⅺa～Ⅺa线的剖视图；图11(b)是表示本发明的第二实施方式的发光装置的剖视图。
图12(a)以及图12(b)表示本发明的第二实施方式的半导体发光元件的动作，图12(a)是表示与图11(a)相同截面的剖视图；图12(b)是表示与图10(b)相同截面的剖视图；图12(c)是表示本发明的第二实施方式的发光装置的动作的剖视图。
图13(a)～图13(c)表示涉及本发明的第二实施方式的各变形例的半导体发光元件的安装形态，图13(a)是第一变形例的剖视图；图13(b)是第二变形例的剖视图；图13(c)是第二变形例的仰视图。
图14是表示本发明的第三实施方式的发光装置的剖视图。
图15是表示本发明的第三实施方式的发光装置的动作的剖视图。
图16(a)～图16(c)是表示本发明的第三实施方式的发光装置的应用例的图以及图表。
图17(a)～图17(c)表示本发明的第四实施方式的半导体发光元件，图17(a)是俯视图；图17(b)是图17(a)的ⅩⅦb-ⅩⅦb线的剖视图；图17(c)是仰视图。
图18(a)表示本发明的第四实施方式的半导体发光元件的安装形态，是图17(a)的ⅩⅧa-ⅩⅧa线的剖视图；图18(b)是表示本发明的第四实施方式的发光装置的剖视图。
图19(a)是表示本发明的第四实施方式的半导体发光元件的动作的剖视图；图19(b)是表示本发明的第四实施方式的发光装置的动作的剖视图。
图20是表示以往的半导体发光元件的立体图。
具体实施方式
(第一实施方式)
参照附图1(a)～(c)对本发明的第一实施方式的半导体发光元件进行说明。本实施方式的半导体发光元件1是由从发光波长为380nm～490nm的紫外光发出蓝色的任意光的氮化物半导体构成的半导体发光元件，并且是在半导体发光元件的一部分中具有发挥激光二极管(LD)功能的光波导的半导体发光元件。在本实施方式中，特别对发光波长为405nm附近的半导体发光元件进行说明。如图1(a)～(c)所示，在由蓝宝石构成的基板10上形成氮化物半导体层叠膜40。在氮化物半导体层叠膜40中依次层叠了：例如，由n型氮化镓(GaN)构成的下部接触层11、由n型氮化铝镓(Al0.05Ga0.95N)构成的下部覆盖层(第一覆盖层)12、作为活性层的发光层13、作为p型AlGaN超晶格覆盖层的上部覆盖层(第二覆盖层)14以及由p型GaN构成的上部接触层15。并且，下部接触层11的膜厚为大约1μm，并掺杂了Si，以使硅(Si)浓度成为大约1×1018cm-3。下部覆盖层12的膜厚为大约1.5μm，并掺杂了Si，以使Si浓度成为大约5×1017cm-3。发光层13包括：由未掺杂的GaN构成的膜厚为大约0.1μm的n侧导光层、氮化铟镓(InGaN)多量子阱活性层、由未掺杂的GaN构成的膜厚为大约0.1μm的p侧导光层、以及由为了达到大约1×1019cm-3的镁(Mg)浓度而掺杂了Mg的p型Al0.2Ga0.8N构成的膜厚为大约10nm的电子块层。InGaN多量子阱活性层是由以未掺杂的InGaN构成的膜厚为大约3nm的阱层和以未掺杂的In0.02Ga0.98N构成的膜厚为大约7nm的障碍层构成的三重量子阱结构，阱层的In组成被控制在发光波长成为大约405nm。上部覆盖层14是由膜厚为大约2nm的p型Al0.1Ga0.9N膜与膜厚为大约2nm的p型GaN膜构成的合计膜厚为大约0.5μm的超晶格结构，并掺杂了Mg，Mg浓度成为大约1×1020cm-3。另外，在上部覆盖层14中形成脊条部，从而形成了光波导20。光波导20延伸的方向为层叠的GaN膜的结晶轴的<1-100>方向。上述上部覆盖层14的膜厚为形成脊条部的部分的膜厚，没有形成脊条部的部分的膜厚为0.1μm。另外，脊条部的下端的宽度为2μm，上端的宽度为1.4μm。上部接触层15的膜厚为大约20nm，并掺杂了Mg以使Mg浓度成为大约1×1020cm-3。并且，上部接触层15只在上部覆盖层14的脊条部的顶面上形成。
在上部覆盖层14上形成在脊条部上具有开口部的由二氧化硅(SiO2)构成的电流阻挡层21。在电流阻挡层21以及上部接触层15上形成由相对于之后要说明的导波光以及非导波光为透明的氧化铟锡(indium tin oxide：ITO)构成的透明电极(第二电极的一部分)22。在下部接触层11上形成了n侧电极(第一电极)23，在透明电极22上的除了光波导20以外的区域上形成由相对于之后要说明的导波光以及非导波光呈非透明的材料构成的p侧电极(第二电极的一部分)24。在基板10的与形成了氮化物半导体层叠膜40的面相反一侧的面上，形成由含有例如铝(Al)、铂(Pt)以及金(Au)的合金构成的反射膜25。
虽未图未，但将层叠的GaN膜的结晶面的面方位的(1-100)面作为劈开面劈开而形成了半导体发光元件1的芯片。并且，芯片尺寸为：包括焊盘区域在内，芯片宽度为大约150μm，芯片长度为大约800μm。在半导体发光元件1中，在放射导波光的前端面30上形成反射率为大约10％的第一保护膜35，在将导波光反射并再次返回到光波导的后端面31上形成反射率为大约95％的第二保护膜36作为端面反射膜。
接下来，参照附图1(d)对本发明的第一实施方式的发光装置进行说明。并且，在图1(d)中，对半导体发光元件1进行了简略的表示。如图1(d)所示，在本实施方式的发光装置100中，在上方开口的凹状封装件50的内部隔着反射膜25安装了本实施方式的半导体发光元件1。封装件50的内部具有支撑半导体发光元件1的底面以及将该底面与上面连接的侧壁面。侧壁面是与底面的角度呈钝角的倾斜面，侧壁面是能够反射光的反射面51。在封装件50中埋入金属布线(未图示)，该金属布线与半导体发光元件1的p侧电极24以及n侧电极23通过例如金属细线(未图示)连接，由此，能够从封装件50的外部向半导体发光元件1供电。另外，通过在封装件50的上方(光射出侧)的开口部设置防护玻璃52从而将封装件50的内部密封。
接下来，参照图2对本发明的第一实施方式的半导体发光元件的制造方法进行说明。
如图2(a)所示，在由蓝宝石构成的基板10上，通过例如有机金属化学气相沉积(metal organic chemical vapordeposition：MOCVD)法形成氮化物半导体层叠膜40。具体而言，在基板10上依次形成：由n型GaN构成的下部接触层11、由n型Al0.05Ga0.95N构成的下部覆盖层12、发光层13、作为p型AlGaN超晶格覆盖层的上部覆盖层14以及由p型GaN构成的上部接触层15。
接下来，如图2(b)所示，通过对下部覆盖层12、发光层13、上部覆盖层14以及上部接触层15的一部分进行例如干式蚀刻以及湿式蚀刻，从而使下部接触层11的一部分露出。
接下来，如图2(c)所示，对上部覆盖层14以及上部接触层15进行蚀刻，在上部覆盖层14上形成构成光波导20的脊条部。
接下来，如图2(d)所示，在上部覆盖层14以及上部接触层15上形成由SiO2构成的电流阻挡层21，并通过蚀刻将在上部接触层15上形成的电流阻挡层21除去。
接下来，如图2(e)所示，在上部接触层15以及电流阻挡层21上形成由ITO构成的透明电极22。
接下来，如图2(f)所示，在图2(b)中的露出的下部接触层12上形成n侧电极23，在透明电极22上的除了光波导20以外的区域上形成p侧电极24。另外，在基板10的与形成了氮化物半导体层叠膜40的面相反一侧的面上形成由含有Al、Pt以及Au的合金构成的反射膜25。这样一来，就能够形成半导体发光元件1。
接下来，参照附图3(a)以及(b)对本发明的第一实施方式的半导体发光元件的操作进行说明。如图3(a)以及(b)所示，电子以及空穴被从n侧电极23以及p侧电极24注入到发光层(活性层)13，在阈值电流以上的情况下产生激光振荡，以受激放射光为主要成分的导波光71从前端面30放射。另一方面，以自发放射光为主要成分并向光波导20的上方放射的非导波光70a，从光波导20上(半导体层叠膜40一侧)向半导体发光元件1的外部放射，而且，向光波导20的下方放射的非导波光70b被反射膜25反射，并从光波导20上向半导体发光元件1的外部放射。此时，由于p侧电极24没有设置在光波导20上，因此，非导波光70a、70b的放射不会被干扰。
接下来，参照附图3(c)对本发明的第一实施方式的发光装置的动作进行说明。并且，在图3(c)中对半导体发光元件1进行了简略的表示。如图3(c)所示，导波光71从半导体发光元件1的前端面30放射。放射的导波光71被封装件50的反射面51反射，通过防护玻璃52放射到封装件50的外部。另一方面，从半导体发光元件1的光波导20的上部放射的非导波光70a、70b也通过防护玻璃52放射到封装件50的外部。因此，作为导波光71的主要成分的受激放射光与作为非导波光70a、70b的主要成分的自发放射光都从封装件50的同一个面一侧(上侧)通过防护玻璃52放射，能够作为光输出利用。
参照附图4对本发明的第一实施方式的半导体发光元件的特性进行说明。如图4所示，与以往的半导体发光元件相比，本实施方式的半导体发光元件由于非导波光成分的原因，光输出增大P1，因此，用于获得光输出P2的工作电流能够从I2降低到I3。
根据本发明的第一实施方式的半导体发光元件以及发光装置，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
(第一实施方式的第一变形例)
参照图5对涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件进行说明。在本变形例中，省略与第一实施方式相同的部分的说明，仅对不同的部分进行说明。如图5(a)以及(b)所示，本变形例的半导体发光元件101是在半导体发光元件的一部分中具有发挥超放射发光二极管(SLD)功能的光波导的元件，另外，在发光层13的下方形成的反射部的形成位置以及组成与第一实施方式不同。而且，在前端面30与光波导20的宽度方向大约倾斜10°这一点上也与第一实施方式不同。并且，后端面31垂直于光波导20的长度方向。
具体而言，在本变形例的半导体发光元件101中，在基板10上的一部分形成由形成为宽度大约10μm的条状的SiO2构成的选择生长掩模125。因此，当在基板10上形成下部接触层11时，从选择生长掩模125开口而露出基板10的区域，使下部接触层11选择生长，形成从选择生长掩模125的宽度方向的两端侧朝着中央部覆盖选择生长掩模125的下部接触层11。如果在由蓝宝石构成的基板10上生长结晶结构不同的GaN膜，则GaN膜的穿透位错密度变大，发光层13的内部量子效率降低。在本变形例中，通过如上所述形成选择生长掩模125，从而能够降低在由蓝宝石构成的基板10上形成的下部接触层11等的GaN膜的穿透位错密度，提高发光层13的内部量子效率。并且，被选择生长的GaN膜的合并部(选择生长掩模125的宽度方向上的中央部)的穿透位错密集，发光层13的内部量子效率降低，因此，成为发光区域的光波导20的宽度方向的中央部与选择生长掩模125的宽度方向的中央部形成为错开3μm左右。由SiO2构成的选择生长掩模125的折射率与由GaN构成的下部接触层11的折射率不同，因此，在选择生长掩模125与下部接触层11的界面上，光被菲涅耳反射或全反射。即，选择生长掩模125发挥反射部的功能。因此，在本变形例中，在基板10的背面侧可以不形成反射膜，但也可以形成。
接下来，参照图6对涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件的动作进行说明。如图6(a)以及(b)所示，在本变形例中，由于前端面30与光波导20的宽度方向呈大约10°的倾斜，因此，在导波光71被前端面30反射的情况下，返回到光波导20的模式反射率降低到大约10-3％，抑制了端面反射引起的激光振荡(FP模式引起的激光振荡)，因此，能够获得SLD动作(不伴随激光振荡的受激放射动作)。并且，第一保护膜35以反射率(菲涅耳反射率)成为大约0.5％的方式成膜，进一步降低了模式反射率。另一方面，由于形成了第二保护膜36的后端面31垂直于光波导20的长度方向，因此，与第一实施方式相同，成为大约95％的反射率。其结果是，向后端面31传播的导波光在后端面31被反射，因此，能够在不会引起因芯片长度的增大导致载流子密度降低的情况下将有效放大长度扩大到芯片长度的两倍。
根据这种构成，不仅抑制了在前端面30的低反射引起的激光振荡，还由于抑制了在前端面30的增益饱和以及扩大了在后端面31的因高反射引起的放大长度，从而能够提高外部量子效率，并且即使在200mW左右的高光输出的情况下SLD也能够工作。
另一方面，非导波光70a、70b从发光层13分别向上方以及下方放射。从发光层13向下方放射的非导波光70b，在下部接触层11与选择生长掩模125的界面被通过菲涅耳反射以及全反射向上方反射。因此，非导波光70a、70b从光波导20的上方，向半导体发光元件101的外部放射。
接下来，参照图7对涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件的特性进行说明。如图7所示，与第一实施方式的LD不同，在受激放射光成为支配性的阶段，受激放射光的光输出的增大变缓，但本质上与第一实施方式相同，能够将以自发放射光为主要成分的非导波光作为光输出来利用。其结果是，本变形例的半导体发光元件与以往的半导体发光元件相比，能够将光输出P2的工作电流从I2降低到I3。
根据涉及本发明的第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
(第一实施方式的第二变形例)
参照图8对涉及本发明的第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件进行说明。在本变形例中，省略与第一实施方式相同部分的说明，仅对不同部分进行说明。如图8(a)以及(b)所示，本变形例的半导体发光元件102为SLD，另外，在发光层13的下方形成的反射部的形状与第一实施方式不同。而且，在光波导20倾斜于前端面30的垂直方向这一点上也与第一实施方式不同。
具体而言，在本变形例的半导体发光元件102中，在基板10的上部设有凹部作为反射部。该凹部沿着光波导20的导波方向形成条状，底面深度为大约1μm，宽度为大约10μm。一般来讲，如果在由与该下部接触层11的材料不同的蓝宝石构成的基板10上生长下部接触层11，则在下部接触层11上产生穿透位错。相比之下，在本变形例中，通过在上述凹部上形成下部接触层11，能够与第一实施方式的第一变形例相同地降低穿透位错，提高活性层的内部量子效率。并且，与第一实施方式的第一变形例相同，光波导20的宽度方向的中央部与凹部的底面的宽度方向的中央部配置为错开大约3μm。
另外，在本变形例的半导体发光元件102中，为了使SLD作，光波导20与前端面30的垂直方向呈大约10°的倾斜，并与后端面31垂直。并且，光波导20倾斜的长度离前端面30大约600μm，光波导20以1000μm的曲率弯曲，以使得与后端面31垂直。
接下来，参照图9对涉及本发明的第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件102的动作进行说明。如图9(a)以及(b)所示，由于前端面30倾斜于光波导20的垂直方向，因此，模式反射率降低到大约10-3％，并抑制了因端面反射引起的激光振荡，从而能够获得SLD动作。另一方面，由于后端面31垂直于光波导20，因此，后端面31的模式反射率与第一实施方式相同，成为大约95％的反射率。并且，光波导20的前端面30一侧的倾斜部与后端面31一侧的垂直部的连接区域的曲率为100μm，足够大，因此，光波导20的弯曲导致的导波光的传播损耗小到可以忽略不计，从而不会降低SLD的发光效率。根据这种构成，与第一实施方式的第一变形例相同，即使在200mW左右的高光输出的情况下SLD也能够工作。
另一方面，非导波光70a、70b向光波导20的上方以及下方等放射。在非导波光70a、70b当中，从发光层13向下方放射的非导波光70b，通过下部接触层11与基板10的界面的菲涅耳反射以及全反射被反射到上方。因此，非导波光70a、70b从光波导20的上方，向半导体发光元件102的外部放射。并且，即使在本变形例中也可以在基板10的下方形成反射膜。其结果是，与第一实施方式的第一变形例相同，能够利用以自发放射光为主要成分的非导波光作为光输出，因此，能够降低工作电流。
根据涉及本发明的第一实施方式的第二变形例的半导体发光元件，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
(第二实施方式)
参照附图10以及附图11(a)对本发明的第二实施方式的半导体发光元件进行说明。在本实施方式中，省略与第一实施方式相同的部分的说明，只对不同的部分进行说明。如图10(a)～(c)以及图11(a)所示，本实施方式的半导体发光元件与第一实施方式相同，都是LD，但与第一实施方式不同的是：在基板10的下方不形成反射膜。另外，本实施方式的半导体发光元件201以p侧(上侧)与封装件250的底面相接(倒装：junctiondown安装)的方式安装在之后要说明的封装件250中。在本实施方式中，基板10优选相对于之后要说明的导波光以及非导波光为透明。
具体而言，在本实施方式的半导体发光元件201中，作为p侧电极的第二电极，不形成透明电极，而形成高反射率p侧电极224。高反射率p侧电极224的材料具有高反射率并且相对于p型GaN成为欧姆接触。例如，能够使用Pd、Ag、Pt及Au合金。
另外，在第二实施方式的半导体发光元件201中，为了在封装件250上进行倒装安装，在高反射率p侧电极224上形成由Au构成的第一凸块231，由此，使安装面变得平坦。另外，在下部接触层11的露出面上隔着n侧电极23形成由Au构成的第二凸块232，通过第一凸块231与第二凸块232，能够将半导体发光元件201稳定并且水平地安装在封装250中。
接下来，参照附图11对本发明的第二实施方式的发光装置进行说明。并且，在图11(b)中，对半导体发光元件201进行简单表示。如图11(a)以及(b)所示，半导体发光元件201倒装安装在封装件250中。在第二实施方式的发光装置200中，在封装件250内设有作为贯通该封装件250的底面的布线的通孔布线251。通孔布线251与第一凸块231以及第二凸块232连接，由此，能够将半导体发光元件201与封装件250的外部电连接，因此，能够省略布线工序。
接下来，参照附图12(a)与(b)对本发明的第二实施方式的半导体发光元件的动作进行说明。如图12(a)与(b)所示，与第一实施方式相同，通过激光振荡，以受激放射光为主要成分的导波光71从前端面30放射。另一方面，以自发放射光为主要成分的非导波光70a从发光层13向基板10一侧放射到半导体发光元件201的外部，而且，非导波光70b从发光层13向上部覆盖层14一侧放射，在高反射率p侧电极224被反射，并朝向基板10一侧放射到半导体发光元件201的外部。此时，由于在基板10与发光层13之间没有设置电极等的遮挡光的部件，因此，不会妨碍到非导波光70a、70b的放射。这样一来，能够将非导波光70a、70b与导波光71都作为光输出利用，因此，能够与第一实施方式相同地提高发光效率并降低工作电流。
接下来，参照附图12(c)对本发明的第二实施方式的发光装置的动作进行说明。如图12(c)所示，从半导体发光元件201的前端面30放射的导波光71被封装件250的反射面51反射，并通过防护玻璃52放射到封装件50的外部。另一方面，非导波光70a、70b也通过防护玻璃52放射到封装件50的外部。因此，作为导波光71的主要成分的受激放射光和作为非导波光70a、70b的主要成分的自发放射光都从作为封装件250的同一面侧(上侧)的防护玻璃52放射，能够作为光输出利用。
根据本发明的第二实施方式的半导体发光元件以及发光装置，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
(第二实施方式的各变形例)
参照附图13对涉及本发明的第二实施方式的各变形例的半导体发光元件进行说明。如图13(a)所示，在第二实施方式的一个变形例中，在基板10的背面(与形成了氮化物半导体层叠膜40的面相反一侧的面)上随机地形成高度为500nm左右并且宽度为500nm左右的凹凸部。通过形成凹凸部来产生光散射以及衍射，从而能够降低基板10的全反射。因此，与基板10的背面平坦的情况相比，能够将从基板10提取非导波光的效率提高大约三倍。其结果是，半导体发光元件201的发光效率比第二实施方式的半导体发光元件提高，能够更加降低工作电流。
并且，在基板10的背面形成的凹凸部无需随机地形成，可以是周期性的，周期结构可以是一维周期(衍射晶格)以及二维周期(二维光子晶体)。
在第二实施方式的其他变形例中，如图13(b)与(c)所示，使用导电性n型GaN基板310作为基板。因此，能够将由金属构成的非透明电极222设置在n型GaN基板310的背面。在这种情况下，为了不遮挡从发光层13放射的非导波光，而使非透明电极222形成为具有开口部。
根据涉及本发明的第二实施方式的各变形例的半导体发光元件，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。
(第三实施方式)
参照附图14对本发明的第三实施方式的发光装置进行说明。在本实施方式中，省略对与第一实施方式相同的部分的说明，仅对不同的部分进行说明。用于本实施方式的发光装置的半导体发光元件101是涉及上述第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件，特别是一种具有发挥使波长为405nm附近光放射的SLD功能的光波导的半导体发光元件。并且，在图14中简略地表示了半导体发光元件101。如图14所示，本实施方式的发光装置500与第一实施方式的发光装置不同，在封装件50的防护玻璃52上涂覆了荧光体层560，该荧光体层560包括三种荧光体，分别为：以波长为590nm～680nm的红色(R)发光的荧光体、以波长为500nm～590nm的绿色(G)发光的荧光体、以及以波长450nm～500nm的蓝色(B)发光的荧光体。这三种荧光体的具体例为，例如，以红色发光的荧光体为(Sr，Ca)AlSiN3:Eu；以绿色发光的荧光体为β赛纶：Eu；以蓝色发光的荧光体为BaMgAl10O17:Eu。
接下来，参照附图15对本发明的第三实施方式的发光装置的动作进行说明。如图15所示，在本实施方式的发光装置500中，从半导体发光元件101放射的导波光71以及非导波光70a、70b通过荧光体层560，作为激励光571被输出到封装件50的外部。激励光571的一部分被荧光体层560吸收，并激励荧光体。其结果是，由荧光体产生红色、绿色以及蓝色的荧光572。其结果是，发光装置500发挥白色光的发光装置的功能。
接下来，参照附图16对第三实施方式的发光装置的应用例进行说明。具体而言，对将本实施方式的发光装置作为安装了数码相机的便携式电话以及智能电话等的闪光用光源使用的情况的一个例子进行说明。在本应用例中，积极地应用了第三实施方式的发光装置利用不同的工作电流而放射基于不同的发光原理的不同特性的光的这一特征。
首先，如图16(a)以及(c)所示，从在半导体发光元件101中流动的工作电流的量比阈值电流小而未开始受激放射、或者光量少的情况下的半导体发光元件101放射的光，主要是自发放射光。此时，放射的光指向性低，发光的放射角度样式呈现朗伯分布那样的较宽分布。即，从发光装置500放射的白色光虽然为低亮度，但指向性低，能够照到较宽的范围。因此，能够将这种工作电流小的情况下的光作为闪光用光源的火炬模式来利用。
另一方面，如图16(b)以及(c)所示，从在半导体发光元件101中流动的工作电流的量比阈值电流大而受激放射变成支配性的光量多的情况下的半导体发光元件101放射的光，主要是具有放射角度大约为10°～20°这样比较窄的特性的受激放射光。因此，从荧光体层560放射的光主要成为从面积比较小的区域(封装件的反射面的上部附近)放射的白色光。因此，如果与该白色光的发光区域相适应地设计透镜等并进行配置，则能够将由大工作电流带来的高亮度并且放射角度窄的光作为数码相机的能够选择性照射拍摄体的光源的闪光模式来使用。另外，如果将工作电流的量设为较小，则能够切换成上述的火炬模式。
根据本发明的第三实施方式的发光装置，能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率。另外，通过将自发放射光与受激放射光分别按照用途分开使用，能够将一个发光装置用于多个所希望的用途。
并且，在本实施方式中，虽然使用了涉及第一实施方式的第一变形例的半导体发光元件101作为半导体发光元件，但不局限于此。也可以使用第一实施方式以及第二实施方式所示的一部分具有发挥SLD或LD功能的光波导的半导体发光元件。另外，在本实施方式中，虽然使用了发光波长为405nm附近的半导体发光元件，但不局限于此。例如，也可以使用放射450nm～470nm的光的半导体发光元件。另外，虽然将荧光体层560的荧光体设为发红色、绿色以及蓝色的荧光的三种荧光体，但不局限于此。例如，也可以是发蓝色以及黄色的荧光的两种荧光体的组合。另外，在使用放射发光波长为450nm～470nm的光的半导体发光元件的情况下，既可以使用发绿色以及红色的荧光的两种荧光体，也可以使用发黄色的荧光的一种荧光体。并且，发黄色的荧光的荧光体是例如YAG:Ce以及α赛纶：Eu等。
并且，在上述防护玻璃52以及荧光体层560中，例如可以使用在低熔点玻璃中混合了上述荧光体的一体的含有荧光体的玻璃。
(第四实施方式)
参照附图17以及附图18(a)对本发明的第四实施方式的半导体发光元件进行说明。在本实施方式中，省略对与第一实施方式、第二实施方式以及它们的变形例相同的部分的说明，仅对不同的部分进行说明。如图17(a)～(c)以及图18(a)所示，本实施方式的半导体发光元件701将涉及第一实施方式的第一变形例的SLD设为与第二实施方式具有相同的结构，并倒装安装在封装件750中。
具体而言，在本实施方式的半导体发光元件701中，将前端面设为与基板面的垂直方向倾斜约45°的倾斜端面765。另外，在基板10的背面(与形成了氮化物半导体层叠膜40的面相反一侧的面)形成高度为大约250nm的三角锥，以二维周期(三角晶格排列、周期为大约100nm)排列的细微结构。
接下来，参照附图18对本发明的第四实施方式的发光装置进行说明。如图18(a)以及(b)所示，在本实施方式的发光装置800中，半导体发光元件701被容纳于封装件750中，并被荧光体760覆盖而密封，该荧光体760以硅为材料，硅中含有：发红色荧光的荧光体、发绿色荧光的荧光体以及发蓝色荧光的荧光体这三种荧光体粒子。并且，封装件750与第一实施方式～第三实施方式的封装件不同，没有设置针对导波光的反射面。
接下来，参照附图19(a)对第四实施方式的半导体发光元件的动作进行说明。如图19(a)所示，导波光71被倾斜端面765反射，朝向基板10一侧放射到半导体发光元件701的外部。另外，非导波光70a从发光层13向上方放射，非导波光70b从发光层13向下方放射，被高反射率p侧电极224反射到上方。因此，非导波光70a、70b从半导体发光元件701的基板10一侧向外部放射。
接下来，参照附图19(b)对第四实施方式的发光装置的动作进行说明。如图19(b)所示，由于在基板10的背面形成了比波长充分小的微细结构，因此，在基板10与荧光体760的界面，折射率缓缓变化，由基板10与荧光体760的折射率之差引起的菲涅耳反射降低。其结果是，针对向基板的厚度方向传播的光的反射降低。即，导波光71在基板10的背面不被反射，而向荧光体760的内部传播。这样一来，在倾斜端面765被反射的导波光71不会返回到光波导20，因此，半导体发光元件701作为SLD进行动作。另一方面，向上部覆盖层14侧以及下部覆盖层12侧传播的非导波光70a、70b也几乎不被反射地透过基板10的背面，向荧光体760入射。如此向荧光体760入射的导波光71以及非导波光70a、70b作为激励光71而使荧光体粒子RGB发光，由此生成荧光772。其结果是，本实施方式的发光装置发挥白色光源的功能。
根据本发明的第四实施方式的半导体发光元件以及发光装置，能够使用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率，而且还能够作为白色光源来使用。
如第四实施方式所述设置倾斜端面的结构，通过将第四实施方式的倾斜端面与倾斜方向进行相反设置，也能够如第一实施方式那样用于倒装安装的半导体发光元件中。另外，在本实施方式中，虽然将前端面设为倾斜端面，但既可以将后端面设为倾斜端面，也可以将前端面以及后端面两者都设为倾斜端面。
并且，在本实施方式中，虽然显示了半导体发光元件以及荧光体的一个例子，但也能够如第三实施方式那样使用发光波长以及荧光波长的各种组合，另外，也能够使用荧光体材料的各种组合。
在第一实施方式～第四实施方式中，虽然通过形成脊条部来形成光波导，但也可以如例如非专利文献1中提出的构成那样，通过锌等的杂质扩散来形成光波导，也可以使用其他的方法。
另外，虽然对为了确保导波光的反射率的控制以及元件的可靠性，而在光波导的端面上形成保护膜的结构进行了说明，但在光波导的端面上也可以不形成保护膜。另外，虽然对为了获得高的发光效率而在光波导的后端面形成与光波导垂直并且反射率高的膜的结构进行了说明，但也可以使光波导的前端面以及后端面两者与光波导的宽度方向倾斜。
在第一实施方式～第四实施方式中，虽然对在蓝宝石基板上形成氮化物半导体层叠膜的蓝紫色LD或蓝紫色SLD进行了说明，但本发明也可以使用GaN基板以及Si基板。另外，对于利用放射使用氮化物半导体的紫外(小于波长400nm)、蓝(波长480nm附近)以及绿(波长560nm附近)等的可见区域的发光波长、或使用其他半导体材料的红(波长620nm附近)以及红外(波长700nm以上)等的发光波长的光的LD以及SLD等的受激放射的半导体发光元件的高效率化也是有效的。
产业上的可利用性
本发明的半导体发光元件以及使用它的发光装置能够利用自发放射光与受激放射光两者，能够提高电能转换效率，特别是，在具有能够在电子设备的开关照明、液晶电视以及幻灯机等的显示器用光源、一般照明以及便携式电子设备的闪光光源等中使用的光波导的半导体发光元件以及使用它的发光装置等中是有用的。
附图标记的说明
Figure BDA00003691030700231

Claims (19)

1.一种半导体发光元件，包括：
基板；
半导体层叠膜，其包括在上述基板上形成的为第一导电类型的第一覆盖层、在该第一覆盖层上形成的发光层、以及在该发光层上形成的为第二导电类型的第二覆盖层，且具有光波导；
与上述第一覆盖层电连接形成的第一电极；以及
与上述第二覆盖层电连接形成的第二电极，
上述发光层产生在上述光波导中进行导波的导波光、以及在上述光波导中不进行导波的非导波光，
上述非导波光从上述基板侧以及上述半导体层叠膜侧当中的任意一侧向外部放射。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
上述第二电极包括由相对于上述导波光以及非导波光呈透明的材料形成的透明电极。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中，
上述第二电极包括非透明电极，该非透明电极形成在上述透明电极上的除了上述光波导以外的区域上、并且由相对于上述导波光以及非导波光呈非透明的材料形成。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的半导体发光元件，其中，
还具有形成在上述发光层的下方且反射上述非导波光的反射部。
5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其中，
上述反射部包括反射膜，该反射膜由在上述基板的与形成了上述半导体层叠膜的面相反一侧的面上形成的金属构成。
6.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其中，
上述反射部包括形成在上述基板上且由折射率与上述半导体层叠膜不同的材料构成的膜。
7.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其中，
上述反射部包括在上述基板的上部形成的凹部。
8.根据权利要求1～7的任意一项所述的半导体发光元件，其中，
上述光波导的端面相对于与上述基板面垂直的方向倾斜。
9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，
上述基板由相对于上述导波光以及非导波光呈透明的材料构成。
10.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其中，
上述第二电极由反射上述非导波光的材料构成。
11.根据权利要求9或10所述的半导体发光元件，其中，
上述第一电极包括由相对于上述导波光以及非导波光呈非透明的材料构成的非透明电极，
上述非透明电极在上述光波导之下具有开口部。
12.根据权利要求9～11的任意一项所述的半导体发光元件，其中，
上述基板在与形成了上述半导体层叠膜的面相反一侧的面上包括一维周期或二维周期的凹凸部。
13.根据权利要求9～12的任意一项所述的半导体发光元件，其中，
上述光波导的端面相对于与上述基板面垂直的方向倾斜。
14.一种发光装置，具有：
权利要求1～8的任意一项所述的半导体发光元件；以及
保持上述半导体发光元件的封装件，
上述半导体发光元件被保持为上述基板侧的面与上述封装件相接，
将从上述半导体发光元件放射的上述导波光和上述非导波光，从上述封装件的上方，向外部放射。
15.一种发光装置，具有：
权利要求1以及9～13的任意一项所述的半导体发光元件；以及
保持上述半导体发光元件的封装件，
上述半导体发光元件被保持为上述半导体层叠膜侧的面与上述封装件相接，
将从上述半导体发光元件放射的上述导波光和上述非导波光，从上述封装件的上方，向外部放射。
16.根据权利要求14或15所述的发光装置，其中，
上述封装是具有底面以及侧壁面的凹形状，
上述侧壁面倾斜为与上述底面的角度呈钝角，且反射上述导波光。
17.根据权利要求14～16的任意一项所述的发光装置，其中，
还具有：设置在上述封装件的上方且包括荧光体的部件。
18.根据权利要求14～17的任意一项所述的发光装置，其中，
构成为：能够对放射上述导波光以及非导波光的第一动作和仅放射上述非导波光的第二动作进行选择。
19.根据权利要求18所述的发光装置，其中，
当在上述半导体发光元件中流动的电流量比阈值电流大时，选择上述第一动作；
当在上述半导体发光元件中流动的电流量比阈值电流小时，选择上述第二动作。
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