JP2011054677A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、その間の発光層３０と、第１半導体層に接する第１電極４０と、第２半導体層に接する第２電極５０と、を備える。積層方向に垂直な第１方向で互いに対向する第１、第２端面Ｓ１、Ｓ２間で光が共振する。前記第２半導体層は、第１、第２端面との間に設けられ、第１方向及び積層方向に垂直な第２方向に沿った幅が、発光層の側よりも第２電極の側において狭いリッジ部ＲＰと、第１及び第２端面の少なくともいずれかに接して設けられ、第２電極の側における第２方向に沿った幅が、リッジ部よりも広い幅広部ＷＰと、を有す。幅広部の上の第２電極は、リッジ部の上の第２電極よりも、第２方向に沿った幅が狭い部分を有す。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

半導体レーザを高出力化すると、光出射部での光密度の増大や温度上昇によって光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage)等の劣化が発生し、信頼性が劣化する。

これに対し、特許文献１では、リッジメサを有する半導体レーザ素子において、リッジメサを反射率の低い方の共振器近傍の領域を除いて形成し、共振器端面近傍の電極とクラッド層との間にポリイミド層を設け、共振器端面の近傍に電流を注入させない構成が提案されている。しかし、この構成では、しきい値電流が増大し、効率が低下するなど、動作特性の劣化が懸念される。

特開平６−１８８５１１号公報

本発明は、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性の高い半導体発光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層体と、前記第１半導体層に接して設けられた第１電極と、前記第２半導体層に接して設けられた第２電極と、を備え、前記発光層から放射された光は、前記積層体の積層方向に対して垂直な第１方向において互いに対向する前記積層体の第１端面と第２端面との間において共振し、前記第２半導体層は、前記第１端面と前記第２端面との間に設けられ、前記第１方向及び前記積層方向に対して垂直な第２方向に沿った幅が、前記発光層の側よりも前記第２電極の側において狭いリッジ部と、前記第１端面及び前記第２端面の少なくともいずれかに接して設けられ、前記第２電極の側における前記第２方向に沿った幅が、前記リッジ部よりも広い幅広部と、を有し、前記幅広部の上の前記第２電極は、前記リッジ部の上の前記第２電極よりも、前記第２方向に沿った幅が狭い部分を有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性の高い半導体発光素子が提供される。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 比較例の半導体発光素子を示す模式的斜視図である。 比較例の半導体発光素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を示す模式図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）は、半導体発光素子１１０の模式的斜視図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＣ方向から見たときの模式的平面図であり、同図（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、同図（ａ）のＡ１−Ａ１’線断面図及びＡ３−Ａ３’線断面図である。

図１（ａ）〜（ｄ）に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、積層体Ｓｔと、第１電極４０と、第２電極５０と、を備える。

積層体Ｓｔは、第１導電型の第１半導体層１０と、第２導電型の第２半導体層２０と、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられた発光層３０と、を有する。

第１電極４０は、第１半導体層１０に接して設けられ、第２電極５０は、第２半導体層２０に接して設けられる。

ここで、第１導電型は例えばｎ型であり、第２導電型は例えばｐ型である。ただし、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であっても良い。以下では、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である例として説明する。

半導体発光素子１１０は、第１端面Ｓ１と、第２端面Ｓ２、とを有する。すなわち、積層体Ｓｔは、第１端面Ｓ１と、第２端面Ｓ２、とを有する。第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２とは、共振器を構成する。
すなわち、半導体発光素子１１０において、発光層３０から放射された光は、積層体Ｓｔの積層方向に対して垂直な第１方向において互いに対向する積層体Ｓｔの第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２との間において共振する。なお、積層方向は、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０が積層される方向である。すなわち、半導体発光素子１１０は、半導体レーザである。ここで、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２が、光出射端面である。すなわち、第１端面Ｓ１の発光層３０（及びその近傍領域）、及び、第２端面Ｓ２の発光層３０（及びその近傍領域）において、光出射部３８が設けられる。

ここで、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０の積層方向をＺ軸方向とする。そして、Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向とＹ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２とが対向する第１方向をＸ軸方向とする。そして、積層方向と第１方向とに対して垂直な方向を、第２方向、すなわち、Ｙ軸方向とする。

発光層３０は、例えば、複数の障壁層と、複数の障壁層のそれぞれの間に設けられた井戸層と、を有す。障壁層と井戸層とはＺ軸方向に積層されている。すなわち、発光層３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Wells）構造を有している。発光層３０における井戸層の数は、例えば３である。ただし、本発明はこれに限らず、井戸層の数は任意である。

第２半導体層２０は、リッジ部ＲＰと、幅広部ＷＰと、を有する。
リッジ部ＲＰは、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２との間に設けられる。リッジ部ＲＰにおいては、第１方向及び積層方向に対して垂直な、第２方向に沿った幅が、発光層３０の側よりも第２電極５０の側において狭い。
幅広部ＷＰは、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２の少なくともいずれかに接して設けられる。幅広部ＷＰは、第２電極５０の側における第２方向に沿った幅が、リッジ部ＲＰよりも広い。
そして、幅広部ＷＰの上の第２電極５０は、リッジ部ＲＰの上の第２電極５０よりも、第２方向に沿った幅が狭い部分を有する。

すなわち、例えば、半導体発光素子１１０においては、第１領域Ｒ１と、第２領域Ｒ２と、第３領域Ｒ３と、が設けられる。
第１領域Ｒ１は、第１端面Ｓ１に接する。第２領域Ｒ２は、第２端面Ｓ２に接する。第３領域Ｒ３は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間の領域である。すなわち、第３領域Ｒ３は中央領域である。

そして、第２半導体層２０においては、、第１部分Ｐ１と、第２部分Ｐ２と、が設けられる。第１部分Ｐ１は、第２半導体層２０の発光層３０の側の部分である。第２部分Ｐ２は、第２半導体層２０の第２電極５０の側の部分である。第１部分Ｐ１は、例えば、第２半導体層２０の発光層３０に接する部分である。第２部分Ｐ２は、例えば第２半導体層２０の第２電極５０に接する部分である。

そして、第３領域Ｒ３においては、第２半導体層２０の第２電極５０の側の第２部分Ｐ２の、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２とが対向する第１方向（Ｘ軸方向）と積層方向（Ｚ軸方向）とに対して垂直な第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第３上部幅Ｓ３ｂ）は、第２半導体層２０の発光層３０の側の第１部分Ｐ１の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第３下部幅Ｓ３ａ）よりも短い。

第２半導体層２０の第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さが、第２半導体層２０の第１部分Ｐ１の第２方向に沿った長さよりも短い部分がリッジ部ＲＰとされる。すなわち、第３領域Ｒ３においてはリッジ部ＲＰが設けられている。このリッジ部ＲＰは、Ｘ軸方向に延在する。

そして、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２における第２部分Ｐ２の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第１上部幅Ｓ１ｂ及び第２上部幅Ｓ２ｂ）は、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第３上部幅Ｓ３ｂ）よりも長い。すなわち、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２に近い端領域では、中央領域のリッジ部ＲＰに比べて第２半導体層２０の第２部分Ｐ２の幅が広い。すなわち、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかに、幅広部ＷＰが設けられる。

さらに、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２における第２電極５０の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第１電極幅Ｗ１及び第２電極幅Ｗ２）は、第３領域Ｒ３における第２電極５０の第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さ（第３電極幅Ｗ３）よりも短い。すなわち、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２に近い端領域では、中央領域に比べて、第２電極５０の幅が狭い。

なお、第２方向（Ｙ軸方向）に沿った長さを適宜「幅」と言い、Ｘ軸方向（第１方向）に沿った長さを適宜「長さ」と言うことにする。

上記のように、本具体例では、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の両方において、幅広部ＷＰが設けられ、かつ、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の両方において、第２電極５０の幅が中央領域よりも狭い例であるが、本発明はこれに限らない。

すなわち、後述するように、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかの領域における第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さが、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さよりも長く、前記少なくともいずれかの領域における第２電極５０の第２方向に沿った長さが、第３領域Ｒ３における第２電極５０の第２方向に沿った長さよりも短くても良い。

すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第３領域Ｒ３においては、第２半導体層２０の第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さが、第２半導体層２０の第１部分Ｐ１の第２方向に沿った長さよりも短く、第１領域Ｒ１における第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さが、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の第２方向に沿った長さよりも長く、第１領域Ｒ１における第２電極５０の第２方向に沿った長さが、第３領域Ｒ３における第２電極５０の第２方向に沿った長さよりも短い。

このような構成を有する半導体発光素子１１０においては、共振器を形成する第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２の近傍の第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかにおいて、幅広部ＷＰが設けられる。すなわち、リッジ形状が設けられない、または、リッジ形状の上部（第２電極５０の側）の幅が第３領域Ｒ３（中央領域）よりも広い。これにより、光出射端面における光密度の増大及び温度の上昇を低減することができ、ＣＯＤ等の発生が抑制される。これにより、信頼性が向上する。

さらに、リッジ形状が設けられない、または、リッジ形状の上部の幅が第３領域Ｒ３よりも広く設定されている上記の第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかの領域において、第２電極５０の幅が第３領域Ｒ３よりも狭い。これにより、リッジ形状が設けられない、または、リッジ形状の上部の幅が第３領域Ｒ３よりも広く設定されたときに発生する、しきい値電流の増加及び発光効率の低下を抑制する。これにより高い動作特性を維持できる。

このように、半導体発光素子１１０によれば、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性の高い半導体発光素子が提供できる。

以下、半導体発光素子１１０の具体的な構成の例について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、図２（ａ）〜（ｃ）は、半導体発光素子１１０の具体的な構成の例を示しており、図２（ａ）は、図１（ａ）のＡ３−Ａ３’線断面の具体例であり、図２（ｂ）及び（ｃ）は、半導体発光素子１１０に設けられる絶縁層及び導電層を例示しており、それぞれ図１（ａ）のＡ１−Ａ１’線断面及びＡ３−Ａ３’線断面に相当する断面図である。

図２（ａ）に表したように、第１半導体層１０は、例えば、順次積層されたｎ−ＧａＮバッファ層１１と、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１２と、ｎ−ＧａＮガイド層１３と、を有する。ｎ−ＧａＮバッファ層１１には、例えばＳｉがドープされたＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば２０００ｎｍ（ナノメートル）である。ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１２には、例えばＳｉがドープされたＡｌＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば２０００ｎｍである。ｎ−ＧａＮガイド層１３には、例えばＳｉがドープされたＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば７０ｎｍである。

発光層３０の井戸層及び障壁層には、例えばＩｎＧａＮ層が用いられ、例えば、井戸層と障壁層とで、Ｉｎの濃度が変えられる。

第２半導体層２０は、例えば、順次積層された、ｉ−ＧａＮガイド層２１と、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層２２と、ｐ−ＧａＮガイド層２３と、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２４と、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５と、を有する。ｉ−ＧａＮガイド層２１には、例えばノンドープのＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば４５ｎｍである。ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層２２には、例えばＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば１５ｎｍである。ｐ−ＧａＮガイド層２３には、例えばＭｇがドープされたＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば３０ｎｍである。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２４には、例えばＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば６００ｎｍである。ｐ−ＧａＮコンタクト層２５には、例えばＭｇがドープされたＧａＮ層が用いられ、厚さは例えば１８ｎｍである。

なお、上記の各層の形成においては、例えばＧａＮの（０００１）面を主面とする基板の上に、適宜バッファ層を介して、第１半導体層１０の結晶成長が行われ、その上に発光層３０及び第２半導体層２０の結晶成長が順次行われる。なお、この結晶成長には、例えばＭＯＣＶＤ法が用いられる。

図２（ｃ）に表したように、上記の積層構造体の第３領域Ｒ３の第２半導体層２０の一部が、例えばドライエッチングによって除去され、リッジ部ＲＰが形成される。そして、露出した第２半導体層２０の上面に絶縁層６０が設けられる。
すなわち、半導体発光素子１１０は、リッジ部ＲＰの発光層３０の側の部分の第２電極５０側の面に設けられた絶縁層６０をさらに備えることができる。換言すれば、半導体発光素子１１０は、第２半導体層２０の第１部分Ｐ１の第２電極５０側の面に設けられた絶縁層６０をさらに備えることができる。

さらに、図２（ｂ）及び（ｃ）に表したように、第２電極５０が所定の形状で設けられ、第２半導体層２０のうちで第２電極５０に覆われていない領域と、絶縁層６０と、の上に、層間絶縁膜６５が設けられる。そして、第２電極５０及び層間絶縁膜６５を覆うように、導電層５５（パッド電極）が設けられる。導電層５５は、第２電極５０に接触する。一方、第１半導体層１０の発光層３０とは反対側の面に第１電極４０が設けられる。

上記の絶縁層６０及び層間絶縁膜６５には、任意の絶縁材料を用いることができるが、本具体例においては、絶縁層６０にはＺｒＯ_２が用いられ、層間絶縁膜６５にはＳｉＯ_２が用いられる。

また、第１電極４０、第２電極５０及び導電層５５には、任意の導電材料を用いることができるが、本具体例においては、第１電極４０にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜が用いられ、第２電極５０にはＮｉ／Ａｕの積層膜が用いられ、導電層５５にはＡｕが用いられる。

以下、半導体発光素子１１０の特性について、比較例を参照しながら説明する。
図３及び図４は、比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式的斜視図である。
すなわち、図３（ａ）〜（ｄ）及び図４は、それぞれ、第１〜第５比較例の半導体発光素子１１９ａ〜１１９ｅの構成を例示している。

図３（ａ）に表したように、第１比較例の半導体発光素子１１９ａにおいては、第１〜第３領域Ｒ１〜Ｒ３の全ての領域において、リッジ部ＲＰａが設けられている。すなわち、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２における第２半導体層２０の第２部分Ｐ２の幅（第１上部幅Ｓ１ｂ及び第２上部幅Ｓ２ｂ）は、第１部分Ｐ１の幅（第１下部幅Ｓ１ａ及び第２下部幅Ｓ２ａ）よりも狭く、第３領域Ｒ３の幅（第３上部幅Ｓ３ｂ）と同じである。このような構成を有する半導体発光素子１１９ａにおいては、光出射端面において光密度が増大すると共に温度が上昇し、ＣＯＤ等が発生し、信頼性が低い。

図３（ｂ）に表したように、第２比較例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、第１〜第３領域Ｒ１〜Ｒ３の全ての領域において、リッジ部ＲＰａが設けられていない。このような構成を有する半導体発光素子１１９ａにおいては、光密度は比較的低く、温度上昇も少ないため、ＣＯＤ等が抑制されるが、しきい値電流が増大すると共に発光効率が低下し、動作特性が低い。

図３（ｃ）に表したように、第３比較例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３にリッジ部ＲＰａが設けられているが、第１領域Ｒ１にはリッジ部ＲＰａが設けられておらず幅広部ＷＰａが設けられている。そして、第２電極５０は、幅広部ＷＰａ（第１領域Ｒ１）には設けられていない。すなわち、第２電極５０が、第１端面Ｓ１からＸ軸方向に沿って後退して設けられている。このような構成を有する半導体発光素子１１９ｃにおいては、第１領域Ｒ１においてリッジ部ＲＰａが設けられていないので、光出射端面（第１端面Ｓ１）における光密度の増大及び温度の上昇が低減され、ＣＯＤ等の発生が抑制されるものの、第２電極５０が第１端面Ｓ１から後退して設けられ、第１端面Ｓ１の近傍において電流が注入されないため、しきい値電流が増大し、また、発光効率は低い。

図３（ｄ）に表したように、第４比較例の半導体発光素子１１９ｄにおいては、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３にリッジ部ＲＰａが設けられているが、第１領域Ｒ１にはリッジ部ＲＰａが設けられておらず幅広部ＷＰａが設けられている。そして、幅広部ＷＰａ（第１領域Ｒ１）においては、第２電極５０が、例えばポリイミドなどの絶縁膜６１ａを介して第２半導体層２０の上に設けられている。そして、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３においては、第２半導体層２０の最も第２電極５０に近い層としてキャップ層２６ａが設けられており、第２電極５０は、このキャップ層２６ａを含む第２半導体層２０に接触している。すなわち、第１端面Ｓ１の側に設けられた絶縁膜６１ａによって、第１端面Ｓ１の近傍において第２電極５０が第２半導体層２０に電流を通電させない、電流非注入領域が設けられる。このような構成を有する半導体発光素子１１９ｄにおいては、ＣＯＤ等の発生が抑制されるものの、第１端面Ｓ１の近傍で第２電極５０から電流が注入されないため、しきい値電流が増大し、また、発光効率は低い。また、上記の電流非注入領域は、光吸収の原因となる可能性があり、この点でも発光効率が低下する。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第２電極５０を第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）からＸ軸方向に沿って後退させていない。すなわち、第２電極５０は、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）に実質的に接して設けられている。すなわち、第２電極５０は、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２とが対向する共振器のＸ軸方向に沿った全域に設けられている。これにより、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）においても電流を注入できる。そして、第２電極５０の幅（Ｙ軸方向に沿った長さ）を中央領域（第３領域Ｒ３）よりも狭め、電流を狭窄することで、しきい値電流の増大を抑制しつつ、発光効率の低下を抑制することができる。

なお、上記において、例えば、製造工程におけるばらつき等により、第２電極５０が、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）から若干の距離で離間していても良い。また、例えば、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）におけるクラックなどによって第２電極５０の端が部分的に剥離し、歩留まりを低下させることを防止するために、第２電極５０が、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）から若干の距離で離間していても良い。すなわち、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２とが対向する共振器のＸ軸方向に沿った全域に実質的に電流が注入できるように、第２電極５０が、第１端面Ｓ１（及び第２端面Ｓ２）に実質的に接して設けられていれば良い。

図４に表したように、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、第３領域Ｒ３にリッジ部ＲＰａが設けられており、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２に幅広部ＷＰａが設けられている。そして、幅広部ＷＰａ（第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２）における第２電極５０の幅（第１電極幅Ｗ１及び第２電極幅Ｗ２）は、第３領域Ｒ３における第２電極５０の幅（第３電極幅Ｗ３）と同じである。このように、半導体発光素子１１９ｅにおける第２半導体層２０の構成は半導体発光素子１１０と同じであるが、第２電極５０の構成が半導体発光素子１１０とは異なっており、第２電極５０の幅が第１〜第３領域Ｒ１〜Ｒ３に渡って一定である。このような構成を有する半導体発光素子１１９ｅにおいては、幅広部ＷＰａ（第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２）における第２電極５０の幅が広いので、電流狭窄効果が得られず、半導体発光素子１１０に比べるとしきい値電流が大きく、発光効率が低い。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０によれば、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性の高い半導体発光素子を提供できる。
また、半導体発光素子１１０においては、光出射端面である第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２に幅広部ＷＰを設けるので、半導体発光素子１１０を製造する際の劈開時に入るダメージが小さくなることなど、歩留まりなどの製造効率が向上でき、また、この観点でも信頼性が向上する。なお、半導体発光素子１１０の製造においては、例えば、従来のリッジ導波路型半導体レーザ素子の製造方法の一部を変更したものを適用できる。

以下、本実施形態に係る半導体発光素子の各種の変形例について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１１〜１１３の構成を例示す模式的斜視図である。同図（ｄ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１４の構成を例示する模式的断面図であり、図１（ａ）のＡ３−Ａ３’断面に相当する断面図である。

図５（ａ）に表したように、半導体発光素子１１１においては、第１領域Ｒ１における第２部分Ｐ２の幅（第１上部幅Ｓ１ｂ）は、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の幅（第３上部幅Ｓ３ｂ）よりも長いが、第２領域Ｒ２における第２部分Ｐ２の幅（第２上部幅Ｓ２ｂ）は、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の幅（第３上部幅Ｓ３ｂ）と同じである。そして、第１領域Ｒ１における第２電極５０の幅（第１電極幅Ｗ１）が、第３領域Ｒ３における第２電極５０の幅（第３電極幅Ｗ３）よりも狭い。これ以外は、半導体発光素子１１０と同じである。

図５（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１２においては、第２部分Ｐ２の幅が、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２と、第３領域Ｒ３と、の間で急激に変化するのではなく、傾斜的に変化しており、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２と、第３領域Ｒ３と、のそれぞれの間に、中間的な領域が設けられている。これ以外は、半導体発光素子１１０と同じである。

図５（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１３においては、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２における第２部分Ｐ２の幅（第１上部幅Ｓ１ｂ及び第２上部幅Ｓ２ｂ）は、第１部分Ｐ１の幅（第１下部幅Ｓ１ａ及び第２下部幅Ｓ２ａ）よりも狭い。そして、この場合も、第１上部幅Ｓ１ｂ及び第２上部幅Ｓ２ｂは、第３上部幅Ｓ３ｂよりも広い。すなわち、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２においては、リッジ形状の幅広部ＷＰが設けられている。そして、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２におけるリッジ形状の幅広部ＷＰのの幅が、第３領域Ｒ３におけるリッジ部ＲＰの幅よりも広い。これ以外は、半導体発光素子１１０と同じである。この場合の幅広部ＷＰは、光をＹ軸方向に閉じ込める働きを有しつつ、リッジ部ＲＰよりも幅が広いことで、例えば第１端面Ｓ１の光出射部３８の近傍において光密度を低下させ、ＣＯＤの発生を抑制する。

図５（ｄ）に表したように、半導体発光素子１１４においては、第３領域Ｒ３における幅（Ｙ軸方向に沿った長さ）が、第２部分Ｐ２の幅（第３上部幅Ｓ３ｂ）と、第１部分Ｐ１の幅（第３下部幅Ｓ３ａ）と、の間で連続的に変化している。すなわち、第３領域Ｒ３のリッジ部ＲＰが斜面（テーパ面）を有している。すなわち、リッジ部ＲＰがメサ構造を有している。これ以外は、半導体発光素子１１０と同じである。

上記の半導体発光素子１１１〜１１４も、高い動作特性を維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性を向上できる。
なお、半導体発光素子１１０〜１１４に関して説明した各構成のうちの２つ以上を組み合わせて実施しても良い。

以下、本実施形態に係る半導体発光素子の特性について、さらに説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０と、第１比較例の半導体発光素子１１９ａと、における光出射特性をシミュレーションした結果を例示しており、横軸は、光出射部３８の中心を基準としたときのＹ軸方向の位置Ｗｙを表し、縦軸は光強度ＬＩを表す。

図６に表したように、第１比較例の半導体発光素子１１９ａにおいては、光出射部３８の中心において光密度が高く、このため、ＣＯＤが発生し易い。
これに対し、半導体発光素子１１０においては、光強度ＬＩの分布が拡大し、Ｙ軸方向にそって光が広がっている。そして、光出射部３８の中心において光密度が低下し、これにより、ＣＯＤの発生が抑制される。

このような構成を有する半導体発光素子１１０、及び、第１比較例の半導体発光素子１１９ａの熱特性をシミュレーションした。
なお、このシミュレーションにおいては、半導体発光素子が、Ｃｕからなるヒートシンクに実装された形態のモデルが採用された。このとき、第２電極５０の上に設けられた導電層５５が、ＡｕＳｎのハンダ層を介してヒートシンクに対向して設置されるものとされた。

ここで、図１に表したように、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２との間の距離を共振器長Ｌｒとし、第１〜第３領域Ｒ１〜Ｒ３のＸ軸方向に沿ったそれぞれの長さを第１〜第３領域長Ｌｒ１〜Ｌｒ３とする。このシミュレーションにおいては、半導体発光素子１１０においては、共振器長Ｌｒが６００μｍ（マイクロメートル）で、第１領域長Ｌｒ１及び第２領域長Ｌｒ２はそれぞれ１００μｍで、第３領域長Ｌｒ３が４００μｍとされた。また、半導体発光素子１１９ａにおいても、共振器長Ｌｒは６００μｍとされた。

このようなモデルを用いて、第１比較例の半導体発光素子１１９ａの光出射端面（第１端面Ｓ１）における熱抵抗値Ｒｔｈをシミュレーションしたところ、熱抵抗値Ｒｔｈは、１８．７ｋ／Ｗであった。これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０の光出射端面（第１端面Ｓ１）における熱抵抗値Ｒｔｈは、１７．０ｋ／Ｗであった。このように、半導体発光素子１１０においては、第１比較例の半導体発光素子１１９ａに比べて熱抵抗値Ｒｔｈを１０％低減できる。これは、半導体発光素子１１０においては、幅広部ＷＰの第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）を設けることによって、光出射端面（第１端面Ｓ１）と、絶縁層６０と、の間の距離が、第１比較例に比べて大きくなり、これにより、光出射端面での放熱性が向上したことによるものと考えられる。

このように、第１端面Ｓ１において、光密度が低減し、さらに、放熱性が向上でき、これらによって信頼性を向上できる。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０と、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅと、における光出射特性をシミュレーションした結果を例示しており、横軸は、光出射部３８の中心を基準としたときのＹ軸方向の位置Ｗｙを表し、縦軸は光強度ＬＩを表す。そして、同図（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１１９ｅにおける電流の特性を例示しており、図１（ａ）のＡ１−Ａ１’線断面に相当する断面図である。

そして、半導体発光素子１１０においては、第２電極５０の第１領域Ｒ１における幅（第１電極幅Ｗ１）は、第２電極５０の第３領域Ｒ３における幅（第３電極幅Ｗ３）の０．８５倍である。一方、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、第１電極幅Ｗ１は第３電極幅Ｗ３と等しい。

図７（ａ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、光出射部３８の中心からの位置Ｗｙが±６μｍ程度以上になると、光強度ＬＩはほぼ零になっている。
これに対し、第５比較例の半導体発光素子１１９ｅにおいては、位置Ｗｙが±８μｍ以上であっても光強度ＬＩは十分低くならない。すなわち、光強度ＬＩのＹ軸方向に沿った分布が、過度に広い。

図７（ｃ）に表したように、半導体発光素子１１９ｅにおいては、第２電極５０の幅が一定で、第１領域Ｒ１においても幅が広いため、電流Ｉｃの通電方向が広がり、無効電流が増大する。このため、しきい値電流が増大し、発光効率が低下する。

これに対し、図７（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、Ｙ軸方向の電流注入領域が縮小されて電流Ｉｃが狭窄されるので、無効電流を減少させることができる。これにより、しきい値電流が減少し、発光効率が向上する。
このように、半導体発光素子１１０においては、しきい値電流及び発光効率などの動作特性を良好に維持しつつ、光学損傷を軽減し、信頼性を向上できる。

すなわち、半導体発光素子１１０においては、光出射端面の光密度を低減し、熱抵抗値を低減することでＣＯＤ発生を抑制して信頼性が向上でき、さらに、光出射端面において第２電極５０の幅を狭くして電流を狭窄することにより、光出射端面に幅が狭いリッジ部ＲＰを形成しないことによるしきい値電流の増加や発光効率の低下を防ぐことができる。

上記のように、リッジ形状を設けない、または、リッジ形状の幅が第３領域Ｒ３よりも広い、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかの領域（幅広部ＷＰ）における第２電極５０の第２方向における長さ（第１電極幅Ｗ１及び第２電極幅Ｗ２の少なくともいずれか）は、第３領域Ｒ３における第２電極５０の第２方向における長さ（第３電極幅Ｗ３）の０．８５倍以下であることが望ましい。すなわち、幅広部ＷＰの上の第２電極５０の幅が狭い部分の幅は、リッジ部ＲＰの上の第２電極５０の第２方向に沿った幅の０．８５倍以下であることが望ましい。これにより、電流狭窄効果を効果的に発揮でき、しきい値電流の減少、及び、発光効率の向上が効果的に行われる。ただし、本発明はこれに限らず、第１電極幅Ｗ１及び第２電極幅Ｗ２の少なくともいずれかが、第３電極幅Ｗ３よりも小さければ良い。

図８は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体発光素子１１１（第２領域Ｒ２においては、第３領域Ｒ３と同様のリッジ形状が設けられ、第１領域Ｒ１には幅広部ＷＰが設けられる構成）において、第３領域Ｒ１の幅を変えて光強度ＬＩをシミュレーションした結果を例示している。すなわち、第３領域長Ｌｒ３の共振器長Ｌｒに対する比率である第３領域長比ＲＬ３（＝Ｌｒ３／Ｌｒ）と、共振器長Ｌｒと、を変化させて、光出射端面における反射率をシミュレーションした。そして、第１〜第３領域Ｒ１〜Ｒ３の全域においてリッジ部ＲＰａが設けられる第１比較例の半導体発光素子１１９ａよりも反射率が低下しない条件を求めた。図８における横軸は、第３領域長比ＲＬ３であり、縦軸は、共振器長Ｌｒであり、任意目盛である。そして、図８の曲線の下側及び右側が、反射率が半導体発光素子１１９ａよりも低下しない条件の領域ＮＳＲであり、曲線の上側及び左側が、反射率が半導体発光素子１１９ａよりも低下する条件の領域ＳＲである。

図８に表したように、第３領域長比ＲＬ３が小さくなると、反射率が低下しない共振器長Ｌｒが小さくなる。そして、第３領域長比ＲＬ３が０．５よりも小さくなると、反射率が低下しない共振器長Ｌｒが急激に小さくなる。このことから、第３領域長比ＲＬ３は０．５以上であることが望ましい。

このように、第３領域Ｒ３における第２部分Ｐ２の第１方向（Ｘ軸方向）における長さ（第３領域長Ｌｒ３）は、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２との間の距離（共振器長Ｌｒ）の０．５倍以上であることが望ましい。すなわち、リッジ部ＲＰの第１方向における長さは、第１端面Ｓ１と第２端面Ｓ２との間の距離の０．５倍以上であることが望ましい。これにより、反射率が低下しない共振器長Ｌｒの制限が緩和され、より設計範囲の広く使いやすい半導体発光素子が提供できる。

なお、図８は、第２領域Ｒ２にリッジ形状が設けられる構成を有する半導体発光素子１１１の場合の結果であり、第３領域長比ＲＬ３が０．５以上の場合は、第１領域長Ｌｒ１の共振器長Ｌｒに対する比は０．５未満となる。同様に、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の両方において幅広部ＷＰが設けられる半導体発光素子１１０の場合には、第３領域長比ＲＬ３が０．５以上の場合は、第１領域長Ｌｒ１と第２領域長Ｌｒ２との合計の長さの共振器長Ｌｒに対する比が０．５未満となる。

（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図９（ａ）は、本実施形態に係る半導体発光素子１２０の模式的断面図であり、図１（ａ）のＡ３−Ａ３’線断面に相当する断面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図であり、図９（ｃ）は、圧縮応力を例示する模式図であり、図９（ｄ）は、発光層３０のエネルギーバンド図である。

図９（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１２０は、第１の実施形態に関して説明した第１半導体層１０、発光層３０、第２半導体層２０、第１電極４０及び第２電極５０に加え、第２半導体層２０の第１部分Ｐ１の第２電極５０側の面に設けられ、圧縮応力を有する絶縁層６３をさらに備える。すなわち、半導体発光素子１２０は、リッジ部ＲＰの発光層３０の側の部分の第２電極５０側の面に設けられ、圧縮応力を有する絶縁層６３をさらに備える。

すなわち、半導体発光素子１２０においては、半導体発光素子１１０における絶縁層６０として、圧縮応力を有する材料からなる絶縁層６３が用いられている。絶縁層６３以外は、半導体発光素子１１０と同様とすることができる。

絶縁層６３に用いられる圧縮応力を有する材料としては、例えばＳｉＮやＡｌＮなどを用いることができる。

図９（ｂ）に表したように、絶縁層６３は、第３領域Ｒ３に設けられ、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）には設けられていない。
図９（ｃ）に表したように、絶縁層６３が圧縮応力ＣＦを有しているので、第３領域Ｒ３においては、発光層３０にＺ軸方向に沿った引張応力ＳＦが印加される。すなわち、発光層３０に、Ｃ軸方向に沿って引張応力が印加される。

この引張応力によって、発光層３０に含まれる結晶の、第３領域Ｒ３におけるＺ軸方向（積層方向）に沿った格子間隔は、発光層３０に含まれる結晶の、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかの領域におけるＺ軸方向に沿った格子間隔よりも大きくなる。すなわち、リッジ部ＲＰの下の発光層３０に含まれる結晶の積層方向に沿った格子間隔は、幅広部ＷＰの下の結晶における格子間隔よりも大きくなる。なお、第３領域Ｒ３における格子間隔と、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の少なくともいずれかの領域における格子間隔と、の差異は、例えばラマン分光分析などによって検出され得る。

このとき、図９（ｄ）に表したように、第１領域Ｒ１における発光層３０のエネルギーＥｇは、第３領域Ｒ３における発光層３０のエネルギーＥｇよりも高くなる。すなわち、第１端面Ｓ１（光出射端面）の発光層３０のエネルギーは、第３領域Ｒ３に比べて相対的に上昇する。

これにより、光出射端面において、バンドギャップが大きくなり、光吸収が抑制されるので、さらにＣＯＤの発生が抑制される。

さらに、半導体発光素子１２０においては、第１領域Ｒ１には、圧縮応力を有する絶縁層６３が設けられないので、第１端面Ｓ１（光出射端面）の発光層３０に印加される応力が小さくなり、この応力に起因する結晶性の低下を防ぐことができる。さらに、第１端面Ｓ１及び第２端面Ｓ２に形成される端面コート膜の密着性が向上され、これにより、端面コート膜のクラックが抑制されることなどから、さらに信頼性が向上できる。

このように、半導体発光素子１２０においては、第３領域Ｒ３に圧縮応力を有する絶縁層６３を設け、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）に上記の絶縁層６３を設けない構成とすることで、発光層３０に印加される引張応力を、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）よりも第３領域Ｒ３で相対的に増大させ、これにより、第３領域Ｒ３における発光層３０の格子間隔を第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）よりも拡大させる。すなわち、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）においては、発光層３０の上には、絶縁層６３の代わりに第２半導体層２０が存在しており、第２半導体層２０が有する圧縮応力と、絶縁層６３が有する圧縮応力と、の差異によって、上記の引張応力の差が生じる。このため、絶縁層６３は、第２半導体層２０が有する圧縮応力よりも大きな圧縮応力を有することが望ましい。特に、第３領域Ｒ３において絶縁層６３が存在しているＺ軸方向（積層方向）の位置に、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）で存在している層が有している圧縮応力よりも、絶縁層６３の圧縮応力が大きいことが望ましい。

すなわち、絶縁層６３における圧縮応力は、第２半導体層２０に含まれるクラッド層における圧縮応力よりも大きいことが望ましい。これにより、絶縁層６３が有する圧縮応力に基づく第３領域Ｒ３における発光層３０の格子の間隔を、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）における発光層３０の格子の間隔よりも確実に拡大でき、第１領域Ｒ１（及び第２領域Ｒ２）と第３領域Ｒ３とで発光層３０のエネルギーＥｇの差を確実に形成でき、光出射端面における光吸収の抑制効果を確実にできる。

なお、本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、化合物半導体材料を用いた半導体レーザ素子に適用でき、特に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなど、窒素を含む化合物半導体を用いた半導体レーザ素子に適用できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子を構成する、第１半導体層、第２半導体層、発光層、第１電極、第２電極、絶縁層、層間絶縁膜等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１０…第１半導体層、 １１…ｎ−ＧａＮバッファ層、 １２…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、 １３…ｎ−ＧａＮガイド層、 ２０…第２半導体層、 ２１…ｉ−ＧａＮガイド層、 ２２…ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層、 ２３…ｐ−ＧａＮガイド層、 ２４…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、 ２５…ｐ−ＧａＮコンタクト層、 ２６ａ…キャップ層、 ３０…発光層、 ３８…光出射部、 ４０…第１電極、 ５０…第２電極、 ５５…導電層、 ６０…絶縁層、 ６１ａ…絶縁膜、 ６３…絶縁層、 ６５…層間絶縁膜、 １１０〜１１４、１１９ａ〜１１９ｅ、１２０…半導体発光素子、 ＣＦ…圧縮応力、 Ｅｇ…エネルギー、 Ｉｃ…電流、 ＬＩ…光強度、 Ｌｒ…共振器長、 Ｌｒ１〜Ｌｒ３…第１〜第３領域長、 ＮＳＲ、ＳＲ…領域、 Ｐ１、Ｐ２…第１及び第２部分、 Ｒ１〜Ｒ３…第１〜第３領域、 ＲＬ３…第３領域長比、 ＲＰ、ＲＰａ…リッジ部、 Ｓ１、Ｓ２…第１及び第２端面、 Ｓ１ａ、Ｓ２ａ、Ｓ３ａ…第１〜第３下部幅、 Ｓ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｓ３ｂ…第１〜第３上部幅、 ＳＦ…引張応力、 Ｓｔ…積層構造体、 Ｗ１〜Ｗ３…第１〜第３電極幅、 Ｗｙ…位置、 ＷＰ、ＷＰａ…幅広部

Claims (6)

1. 第１導電型の第１半導体層と、第２導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層体と、
   前記第１半導体層に接して設けられた第１電極と、
   前記第２半導体層に接して設けられた第２電極と、
   を備え、
   前記発光層から放射された光は、前記積層体の積層方向に対して垂直な第１方向において互いに対向する前記積層体の第１端面と第２端面との間において共振し、
   前記第２半導体層は、
   前記第１端面と前記第２端面との間に設けられ、前記第１方向及び前記積層方向に対して垂直な第２方向に沿った幅が、前記発光層の側よりも前記第２電極の側において狭いリッジ部と、
   前記第１端面及び前記第２端面の少なくともいずれかに接して設けられ、前記第２電極の側における前記第２方向に沿った幅が、前記リッジ部よりも広い幅広部と、
   を有し、
   前記幅広部の上の前記第２電極は、前記リッジ部の上の前記第２電極よりも、前記第２方向に沿った幅が狭い部分を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記リッジ部の前記第１方向における長さは、前記第１端面と前記第２端面との間の距離の０．５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記幅広部の上の前記第２電極の前記幅が狭い部分の幅は、前記リッジ部の上の前記第２電極の前記第２方向に沿った幅の０．８５倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記リッジ部の前記発光層の側の部分の前記第２電極側の面に設けられ、圧縮応力を有する絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記絶縁層における圧縮応力は、前記第２半導体層に含まれるクラッド層における圧縮応力よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記リッジ部の下の前記発光層に含まれる結晶の前記積層方向に沿った格子間隔は、前記幅広部の下の前記結晶における格子間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

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