JP2012033797A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路内の光強度分布をより均一にすることにより、光出力を増大することができるようにする。
【解決手段】半導体発光素子１は、組成が異なる複数の半導体層を積層してなり、内部に光共振器を含む半導体積層体１００を備えている。光共振器は、光を出射する前方端面５０と、該前方端面５０よりも光の出射量が少ない後方端面６０とを有するストライプ状の導波路１１７からなり、光共振器は、光の導波方向に対して垂直な方向の光強度分布を均一化する屈折率変調構造であり、低屈折率層を含む溝部１０６ａを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波路を有する端面出射型の半導体発光素子に関する。

小型、安価及び高出力等の優れた特徴を持つことから、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）素子又は半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）素子等の半導体発光素子が、通信及び光ディスク等の情報技術（ＩＴ技術）のほか、医療及び照明等の幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に液晶プロジェクタ又は液晶ディスプレイ装置等の表示装置の小型、薄型及び低消費電力化を実現するために、光源として半導体発光素子を用いた表示装置の開発が活発に行われている。このような表示装置用途の光源としては波長が４２０ｎｍから７００ｎｍ程度の赤色光、緑色光及び青色光の、いわゆる可視光領域の光を効率良く発光する光源が必要となる。特に、液晶プロジェクタのような投影型の表示装置の場合は、光源からの光をより効率良く画像として投影するために、光源からの出射光は指向性が高いことが望まれる。このような高指向性を有し且つ高発光効率を持つ半導体発光素子を実現するため、可視光を出射する半導体レーザ素子又はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）素子等の開発が進められている。

一般に、半導体レーザ素子又はＳＬＤ素子は、基板上の積層方向に関しては、注入したキャリアを効率良く光に変換する活性層が光ガイド層とｐ型若しくはｎ型のクラッド層とによって挟まれる光閉じ込め構造を有している。さらに、活性層の上のｐ型のクラッド層には、横方向（基板面に平行な方向）に光を閉じ込めるリッジストライプ構造が形成される。リッジストライプ構造は、所定の間隔で前端面及び後端面に反射ミラーをそれぞれ形成するため、該リッジストライプ構造を垂直に割断するように劈開される。このように、リッジストライプ構造の前後に劈開による反射面を形成して共振器を得ることにより、半導体レーザ素子が構成される。

さらに、リッジストライプの反射面の表面に、誘電体多層膜等を形成することによって各反射面の反射率を調整し、半導体レーザ素子又はＳＬＤ素子の特性をそれぞれ制御することができる。特に、高出力の半導体レーザ素子又はＳＬＤ素子を構成する場合には、前方端面の反射率を２０％以下とし、且つ後方端面の反射率を９０％以上とすることにより、前方端面から出射される光の出射効率を向上させることができる。

ところで、このように共振器を形成する前方端面と後方端面との反射率が非対称である場合に、半導体レーザ素子の内部では、共振器の軸線方向の光強度分布に大きな偏りを生じる。このような場合、前方端面における光強度は後方端面における光強度と比べて約１．１倍から２倍程度も高くなる。このような状態において、リッジストライプ構造の幅が共振器全体で一定であるレーザ構造においては、活性層に注入されるキャリア密度が共振器の軸線方向で一様となる。このため、活性層の後方端面の近傍においてキャリア密度が過剰な状態となるので、利得飽和が発生するという問題が生じる。

従来、このような利得飽和を緩和するために、ストライプ幅を前方部分と後方部分とで異なる値に設定するという構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

以下、図１６を用いて従来の半導体発光素子について説明する。

図１６に示すように、従来の半導体発光素子は、半導体積層体の上部に形成されたリッジストライプ構造であって、凸状に形成されたｎ型クラッド層により構成された導波路１７を有している。前方端面と後方端面との間の距離がＬである導波路１７において、前方端面における導波路１７の幅をＷｆとし、後方端面における導波路１７の幅をＷｒとすると、Ｗｆ＞Ｗｒとなるように構成されている。このように、前方端面の近傍においてリッジストライプの幅を広くすることにより、光強度分布を空間的に大きくして、導波路中心に生じる鋭い利得飽和を緩和している。この効果により、高出力動作時におけるレーザ光出力の熱飽和レベルの低減が防止されて、安定した高出力動作が可能な半導体レーザ素子の実現を図っている。

特開２００５−０１２１７８号公報

上記の従来例のように、前方端面の近傍でリッジストライプ構造を幅広化した半導体レーザ素子に対して、リッジストライプ内の光利得飽和が顕著な前方端面の近傍部分における光強度分布を調べてみると、平行なリッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子と比較して、光強度分布は幅広化されている。

しかしながら、本願発明者らは、導波路（利得領域）中の分布が中央部において相対的に光強度が大きくなる一方、周辺部において小さくなり、光強度の不均一性が十分に緩和されていないという問題を見出した。

上記の光分布をより均一分布に近づけることによって、利得飽和をさらに抑制して光強度を増すことは、理論的には可能である。しかしながら、従来の半導体発光素子は、導波路内の光強度分布が導波路の屈折率分布によって決定されるため、均一な光強度分布を実現することは困難である。

本発明は、前記の問題を解決し、導波路内の光強度分布をより均一にすることにより、光出力を増大することができるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光素子を、光共振器に水平方向（光の導波方向に垂直な方向）の光強度分布を均一化する構成とする。

具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、組成が異なる複数の半導体層を積層してなり、内部に光共振器を含む半導体積層体を備え、光共振器は、光を出射する前方端面と、該前方端面よりも光の出射量が少ない後方端面とを有するストライプ状の導波路からなり、光共振器は光の導波方向に対して垂直な方向の光強度分布を均一化する屈折率変調構造を有している。

本発明の半導体発光素子によると、光共振器は光の導波方向に対して垂直な方向の光強度分布を均一化する屈折率変調構造を有しているため、導波路内の光強度分布を均一にすることができるので、光出力を増大することができる。

本発明の半導体発光素子において、屈折率変調構造は、導波路における少なくとも前方端面側で且つ導波路の幅方向における中央部に形成され、導波路を構成する半導体積層体よりも屈折率が小さい低屈折率層により構成されていてもよい。

このようにすると、導波路の中央部における光強度が低減されるため、光出力を増すことができる。

この場合に、低屈折率層は、その幅が前方端面に向かって大きくなるように形成されていてもよい。

このようにすると、光強度が強い前方端面側の水平方向の光強度分布を効果的に均一化することができ、さらに光出力を高めることができる。

本発明の半導体発光素子において、屈折率変調構造は、前方端面に形成され後方端面側からの光を集光して反射する凸反射面を有する第１の反射鏡、及び後方端面に形成され前方端面側からの光を集光して反射する凸反射面を有する第２の反射鏡のうちの少なくとも一方により構成されていてもよい。

このようにすると、導波路の水平方向の中央部分における光強度を相対的に減少させることができるため、光出力を増大することができる。

この場合に、屈折率変調構造は、少なくとも第２の反射鏡を有し、第２の反射鏡は、その反射面の中央部の曲率が周辺部の曲率よりも大きくてもよい。

このようにすると、導波路内の光強度分布をより均一にすることができるため、光出力を増大することができる。

本発明の半導体発光素子において、導波路は、その幅が後方端面側から前方端面側に向かって大きくなるように形成されていてもよい。

このようにすると、導波路内の光強度分布をより均一にすることができるため、光出力を増大することができる。

本発明の半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオード又はレーザダイオードであってもよい。

このようにすると、光出力が高いスーパールミネッセントダイオード又はレーザダイオードを実現することができる。

本発明の半導体発光素子において、半導体積層体は、窒化ガリウム系半導体からなっていてもよい。

このようにすると、紫外域〜赤外域に亘る幅広い波長域で光出力が高い半導体発光素子を実現できる。特に、種々の応用が期待される波長が３９０ｎｍ〜６６０ｎｍの可視光領域における光出力が高い半導体発光素子を実現できる。

本発明に係る半導体発光素子は、導波路内の光強度分布をより均一にすることができるので、光出力を増大することができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的な平面図である。 図２は図１のII−II線における断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、導波路における光強度分布及び光利得分布であって、図３（ａ）は従来の均一な導波路の場合を示す図であり、図３（ｂ）は従来のテーパストライプ導波路の場合を示す図であり、図３（ｃ）は本発明の屈折率変調導波路の場合を示す図である。 図４（ａ）は比較用であって、テーパストライプ導波路の場合のＳ１−Ｓ１線における光強度分布及び光利得分布を示す図であり、図４（ｂ）は第１の実施形態に係る屈折率変調導波路の場合のＳ２−Ｓ２線における光強度分布及び光利得分布を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の断面図である。 図６は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す一工程の平面図である。 図７は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す一工程の平面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順の断面図である。 図９は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す一工程の断面図である。 図１０は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す一工程の平面図である。 図１１は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示す模式的な断面図である。 図１２は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子を示す模式的な平面図である。 図１３は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的な平面図である。 図１４は第２の実施形態に係る屈折率変調導波路の場合のＳ２−Ｓ２線における光強度分布及び光利得分布を示す図である。 図１５（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子における光強度の凸反射面の曲率半径依存性を計算した結果を示すグラフである。図１５（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子における光出力の凸反射面の曲率半径依存性を計算した結果を示すグラフである。 図１６は従来の半導体発光素子を示す模式的な平面図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１〜図４を参照しながら説明する。

図１及びそのII−II線における断面図である図２に示すように、第１の実施形態に係る半導体発光素子１は、例えば、ｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１０１の上に順次積層されたｎ型クラッド層１０２、ｎ型光ガイド層１０３、活性層１０４、ｐ型光ガイド層１０５、ｐ型クラッド層１０６、及びｐ型コンタクト層１０７を有している。ｎ型クラッド層１０２は、例えばシリコン（Ｓｉ）をドープしたＡｌＧａＮからなり、ｎ型光ガイド層１０３は、例えばＳｉをドープしたＧａＮからなる。活性層１０４は、例えば、井戸層にＩｎＧａＮを用い、障壁層にＧａＮが用いた多重量子井戸層である。ｎ型光ガイド層１０５は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＧａＮからなり、ｐ型クラッド層１０６は、例えばＭｇをドープしたＡｌＧａＮとＧａＮとの超格子層である。また、ｐ型コンタクト層１０７は、Ｍｇを高濃度にドープしたＧａＮからなる。

ｐ型クラッド層１０６には、導波路（光共振器）１１７を構成するためのリッジストライプ構造が形成されている。また、図１に示すように、半導体発光素子１における光の出射端面である前方端面５０と光の反射端面である後方端面６０とには、エッチング等により導波路１１７の前方ストライプ端面５１と後方ストライプ端面６１とがそれぞれ形成されている。ここで、前方ストライプ端面５１のストライプ幅Ｗｆと、後方ストライプ端面６１のストライプ幅Ｗｒとは、前方ストライプ端面５１の方が後方ストライプ端面６１よりも広い、すなわちＷｆ＞Ｗｒの関係を有している。また、前方ストライプ端面５１と後方ストライプ端面６１との間の距離はＬｓであり、該Ｌｓは前方端面５０と後方端面６０との間の距離Ｌよりも小さく、すなわちＬ＞Ｌｓの関係を有している。

さらに、リッジストライプ構造を構成するｐ型クラッド層１０６の上部には、前方ストライプ端面５１から後方ストライプ端面６１に向かうにつれて幅が徐々に小さくなる断面Ｖ字状の溝部１０６ａが形成されている。ここで、溝部１０６ａの長さはＬｇであり、Ｌｇは基板１０１の長さの２分の１程度に設定されている。また、溝部１０６ａの前方ストライプ端面５１における幅はＧｆとしている。

リッジストライプ構造の側面及び側方の領域は、例えばＳｉＯ_２からなる絶縁層１０９によって覆われており、溝部１０６ａに対しても絶縁層１０９が充填されている。導波路１１７の上面は絶縁層１０９から露出しており、例えば、パラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）の積層膜であるｐ電極層１０８が形成されている。ｐ電極層１０８を含む絶縁層１０９の上には、例えば、チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層膜であるｐ電極１１５が形成されている。一方、基板１０１の裏面には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜であるｎ電極１１６が形成されている。

次に、図３及び図４を参照しながら、第１の実施形態に係る半導体発光素子１の溝部１０６ａに充填した絶縁層１０９の機能について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、前方端面５０と後方端面６０との光出力が非対称である、通常の半導体レーザ素子及びＳＬＤ素子においては、前方端面５０側の光強度が後方端面６０側と比べて強いという特徴がある。ここで、前方端面５０側では、光強度が強いために、光増幅に必要なキャリア、特に正孔（ホール）が不足するホールバーニングが生じ、光利得が低下する光利得飽和が生じることが知られており、光増幅機能が制限される結果、光出力が低下する。

そこで、図３（ｂ）のように、導波路（ストライプ）の幅を光強度が強い前方端面５０側で広くすることにより導波光を広げ、光強度を減少させてホールバーニングを抑制し、これにより光利得飽和を低減して光出力を増すテーパストライプ構造が知られている。

ここで、図４（ａ）に示す水平方向の光強度分布を見ると、Ｓ１−Ｓ１線に沿って導波路の中央部の光強度が強く、両側部の光強度が弱いことが分かる。すなわち、光の導波方向だけでなく、水平方向にもホールバーニングと光利得の不均一とが生じていることが分かり、これはテーパストライプ構造だけでは解決することができない。

そこで、第１の実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、光出力が強い前方端面５０側で且つ導波路の中央に断面Ｖ字状の溝部１０６ａを設け、該溝部１０６ａにIII族窒化物半導体よりも屈折率が小さい絶縁層１０９を充填している。すなわち、ストライプ構造の上部に設けた溝部１０６ａは、その周辺部と比べて屈折率が低くなるように設計されている。これにより、本実施形態においては、水平方向の中央部の光強度を下げ、両側部を上げることにより、水平方向の光強度分布を均一化することができる。その結果、水平方向のホールバーニングを抑制して光利得飽和を低減し、より大きな光増幅によって光強度を増すことができる。

（半導体発光素子の製造方法）
以下、前記のように構成された半導体発光素子１の製造方法について図５〜図１０を参照しながら説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、例えば有機金属気層成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型六方晶のＧａＮからなる基板１０１の主面上に、例えば厚さが２μｍでＳｉをドープしたＡｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層１０２を成長する。続いて、ｎ型クラッド層１０２の上に、厚さが０．１μｍでＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０３を成長する。続いて、ｎ型光ガイド層１０３の上に、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる障壁層とＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎからなる量子井戸層との３周期で構成される多重量子井戸層である活性層１０４を成長する。続いて、活性層１０４の上に、厚さが０．１μｍでＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０５を成長する。続いて、図示はしていないが、ｐ型光ガイド層１０５の上に、厚さが１０ｎｍでＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層を成長し、該キャリアオーバフロー抑制層の上に、厚さがそれぞれ１．５ｎｍのＭｇドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層とＧａＮ層とを１６０周期分繰り返して、厚さが０．４８μｍの歪超格子からなるｐ型クラッド層１０６を成長する。続いて、ｐ型クラッド層１０６の上に、厚さが０．０５μｍで高濃度にＭｇをドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０７を成長する。これにより、ｎ型クラッド層１０２からｐ型コンタクト層１０７までを含む半導体積層体１００が形成される。ここで、III族源には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）等を用いることができ、窒素源には、アンモニア（ＮＨ_３）等を用いることができる。また、ｎ型ドーパントであるＳｉ源には、シラン（ＳｉＨ_４）等を用いることができ、ｐ型ドーパントであるＭｇ源には、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）等を用いることができる。

なお、上記のような半導体積層体１００を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法に限られず、分子ビーム成長（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法又は化学ビーム成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法等のＧａＮ系半導体レーザ構造が成長可能な成長方法を用いてもよい。

次に、図５（ｂ）に示すように、ｐ型クラッド層１０６の上部にリッジストライプ構造を形成して導波路１１７を得る。具体的には、結晶成長後の半導体積層体１００に対して加熱処理（活性化アニール）を行って、各ｐ型半導体層に添加されたＭｇを活性化する。その後、例えば化学気相堆積（ＣＶＤ）法等により、ｐ型コンタクト層１０７の上の全面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる第１の絶縁膜（図示せず）を形成する。続いて、リソグラフィ法により、第１の絶縁膜に対して導波路形成領域を覆うパターニングを行って第１のマスク膜を形成する。その後、形成された第１のマスク膜を用いて、ｐ型コンタクト層１０７及びｐ型クラッド層１０６の上部に対して、例えば塩素（Ｃｌ_２）等のガスによりドライエッチングを行って導波路１１７を形成する。

次に、第１のマスク膜を除去し、再度リッジストライプ構造を含む全面にわたって、ＳｉＯ_２等からなる第２の絶縁膜を形成する。続いて、リソグラフィ法により、第２の絶縁膜から溝部形成領域を開口する第２のマスク膜を形成する。その後、ドライエッチング法により、第２のマスク膜を用いて、ｐ型コンタクト層１０７及びｐ型クラッド層１０６の上部に対してエッチングを行って、図６に示すように、断面Ｖ字状の溝部１０６ａを形成する。ここで、溝部１０６ａの深さは、０．０５μｍ〜０．４５μｍで、その幅はリッジストライプの幅をＷとして０．１×Ｗ〜０．５×Ｗであることが望ましい。

次に、図７に示すように、ドライエッチングにより、半導体積層体の上部に、半導体発光素子１の前方ストライプ端面５１及び後方ストライプ端面６１を形成するための開口部１１８を形成する。このとき、ドライエッチングの圧力及び印加バイアスを調整することにより、半導体積層体のエッチングされる側面が基板１０１の主面に対してほぼ垂直となるようにする。エッチングの深さは、活性層１０４を横断して、例えばｎ型クラッド層１０２に達する程度とする。

次に、図８（ａ）に示すように、例えばＳｉＯ_２からなる絶縁層１０９により、溝部１０６ａを含むストライプ構造の全面を覆う。

次に、図８（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、絶縁層１０９における導波路１１７の上側部分を開口して、ｐ型コンタクト層１０７を露出する。このとき、溝部１１９には絶縁層１０９が残存する。このように、リッジストライプ構造の上部、すなわち導波路１１７の上部に、ＧａＮ系半導体よりも屈折率が小さい誘電体（ＳｉＯ_２）を充填した溝部１０６ａを形成する。これにより、図４（ｂ）に示すように、導波路１１７は、光の導波方向に対して垂直な方向の光強度分布を均一化する屈折率変調構造が形成される。さらに溝部１０６ａは、その幅が前方端面５０に向かって大きくなるように形成されている。このため、光強度が強い前方端面５０側の水平方向の光強度分布を効果的に均一化することができるので、光出力を高めることができる。

次に、図９に示すように、例えば真空蒸着法等により、導波路１１７の上面及び絶縁層１０９の上に、Ｐｄ／Ｐｔからなる第１の金属層を形成する。その後、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、第１の金属層をパターニングして、導波路１１７の上にｐ電極層１０８を形成する。続いて、例えば真空蒸着法及びリフトオフ法等により、ｐ電極層１０８及び絶縁層１０９の上に、Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極１１５を形成する。その後、基板１０１における半導体積層体１００と反対側の面を研磨（裏面研磨）して、基板１０１の厚さを５０μｍ〜２００μｍ程度にまで薄くする。続いて、研磨面に表面処理を施し、その上にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ電極１１６を形成する。

次に、図１０に示すように、半導体積層体に設けた各開口部１１８の中央部付近を分離する複数の分離線１９０に沿って、例えば高出力のパルスレーザ光を用いて基板及び半導体積層体をチップにそれぞれ分離して、個々の半導体発光素子１を得る。

以上により、半導体発光素子１は容易に且つ確実に作製することができる。

（第１の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の第１変形例について図１１を参照しながら説明する。

図１１は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示している。

第１変形例に係る半導体発光素子１は、半導体積層体を成長する基板１０１Ａに、ＧａＮ系半導体からなる導電性基板に代えて、例えばサファイア等からなる絶縁性基板を用いている。

従って、図１１に示すように、ｎ電極１１６は、半導体積層体からその一部が露出されたｎ型クラッド層１０２の上に形成されている。すなわち、ｐ電極１１５と同様に、基板１０１Ａの主面側に形成されることを特徴とする。

第１変形例の製造方法として、第１の実施形態との相違点は、基板１０１Ａ上に形成された半導体積層体に対して、ｐ型コンタクト層１０７からｎ型クラッド１０２までをエッチングし、ｎ電極１１６を設けるための電極開口部１２０を形成する工程が追加される。

さらには、ｎ型クラッド１０２に設けた電極開口部１２０の上に堆積した絶縁層１０９に対してｎ電極形成用の開口部を設ける工程と、絶縁層１０９の開口部にｎ電極１１６を設ける工程とが追加される。なお、基板１０１Ａに対する裏面研磨と、研磨された裏面上にｎ電極１１６を形成する工程とは不要となる。

このように、基板１０１Ａに安価なサファイア等を用いることができるため、半導体発光素子１を、比較的に低コストで製造することができる。

なお、本変形例において、電極開口部１２０を形成する工程と、図７に示した開口部１１８を形成する工程とを同時に行ってもよい。

また、絶縁層１０９に、ｐ電極層１０８を形成するための導波路１１７の上側部分の開口部を設ける工程と、ｎ電極１１６を形成する電極開口部１２０を設ける工程とを同時に行ってもよい。これにより、半導体発光素子１をより安価で製造することができる。

（第１の実施形態の第２変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の第２変形例について図１２を参照しながら説明する。

第２変形例に係る半導体発光素子１は、導波路１１７が平面Ｊ字状に屈曲する構成を採る。具体的には、前方端面５０から距離Ｌｇの位置において屈曲している。これにより、前方ストライプ端面５１からの出射光は、前方端面５０の法線方向に対して所定の角度を有するように出射される。

なお、第１の実施形態と同様に、屈曲した導波路１１７は、後方端面６０から前方端面５０に向かって徐々に幅が広くなり、且つ、前方端面５０側にはＳｉＯ_２等が充填された溝部１０６ａが、前方端面５０側にその幅が徐々に広くなるように形成されている。

この構成により、前方端面５０の実効反射率を低減させることができる。その上、第１の実施形態の図１０に示したように、前方ストライプ端面５１及び後方ストライプ端面６１を形成するための開口部１１８を設けることなく、劈開等によって前方ストライプ端面５１及び後方ストライプ端面６１を形成することができるので、各端面の角度をより確実に制御することができる。

なお、上述した第１の実施形態及びその変形例において、低屈折率層を構成する溝部１０６ａは１本のみの構成としたが、これに限られない。すなわち、前方ストライプ端面６１の光分布をより平坦にするために、溝部１０６ａは２本又はそれ以上の複数本としてもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子について図１３〜図１５を参照しながら説明する。

図１３に示すように、第２の実施形態に係る半導体発光素子２は、光共振器の後方ストライプ端面に、光強度分布を幅広化するためのレンズ鏡となる凸反射面６２を集積させて形成している。具体的には、凸反射面６２は、例えば、図５に示す半導体積層体１００をＳｉＯ_２からなるマスクを用いたドライエッチングにより、基板１０１に達するまで基板面に垂直な方向にエッチングすれば、形成することができる。この凸反射面６２により、前方端面５０から後方端面６０に向かって伝搬する光を、導波路１１７の両側部方向に広げて反射する。ここで、凸反射面６２は、単純ストライプ型と比較すると、凸部分における屈折率が異なるため、屈折率変調構造であるといえる。

一般に、導波路１１７の内部において、より均一な光強度分布を実現するには、導波路１１７の中心部を導波する光を導波路の外側に広角に反射する一方、導波路１１７の側部を伝搬する光は、前方端面５０に向かって垂直に近い角度で反射することが望ましい。そこで、凸反射面（レンズ鏡）６２の曲率を導波路１１７の周縁部と比べて中央部を大きくすることにより、導波路１１７内の光分布形状をさらに均一化することができる。

図１４を用いて、凸反射面６２の効果をより具体的に説明する。

図１４に示すように、光強度が強い導波路１１７の中央部の反射光を広げるように反射させることにより、前述した従来の図４（ａ）と比べて、前方端面５０側における水平方向の光強度分布を均一化することができる。

このように、第２の実施形態に係る半導体発光素子２によると、後方ストライプ端面に集積した凸反射面６２によって、導波路１１７内の光強度分布（導波路に垂直な方向の分布）が均一となる。このため、光分布の不均一によって生じる光利得の飽和が低減されるので、光出力を増大することができる。

図１５（ａ）に、図１３に示す半導体発光素子２の導波路１１７内の光分布に関し、凸反射面６２の曲率半径依存性を計算した結果を示す。また、図１５（ｂ）に、半導体発光素子２の所定の条件における光出力に関し、凸反射面６２の曲率半径依存性を計算した結果を示す。ここでは、有限差分時間領域（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）法で計算したモード分布を用いたレート方程式により解析を行っている。測定時のパラメータは、共振器長Ｌｓを８００μｍとし、後端面６０のストライプ幅Ｗｒを０．８μｍとし、前端面５０のストライプ幅Ｗｆを２．１μｍとし、吸収係数α_ｉを７ｃｍ^−１としている。また、動作電流を１５０ｍＡとして光出力を計算している。図１５（ｂ）から分かるように、レンズ鏡の曲率半径１２４０μｍにおいて光出力の最大値が得られ、凸反射面６２を設けない場合（レンズなし）と比較して２０％の光出力が増大する。なお、これよりも曲率半径が大きいと放射損失により、光出力が低下する。また、図１５（ａ）から分かるように、曲率半径が大きいと、光分布の均一化効果が不十分となるため光出力が低下する。

以上説明したように、幅を変化させたストライプ構造を有する半導体発光素子２において、ストライプ構造の後方端面６０に最適に設計したレンズ（凸反射面６２）を集積することにより、光出力を増大させることができる。

なお、第２の実施形態においては、レンズ（凸反射面）を後方端面６０にのみ形成したが、前方端面５０に形成してもよい。

また、半導体発光素子１、２には、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）を適用可能であるが、必ずしもＳＬＤ又はＬＤに限られない。

本発明に係る半導体発光素子は、導波路内の光強度分布をより均一にすることができるので、光出力を増大することができ、導波路を有する端面出射型の半導体発光素子に適用可能であり、特に高輝度及び低消費電力化を図る液晶プロジェクタ及びバックライト等に用いることができる。

１ 半導体発光素子
２ 半導体発光素子
５０ 前方端面
５１ 前方ストライプ端面
６０ 後方端面
６１ 後方ストライプ端面
６２ 凸反射面（レンズ鏡）
１００ 半導体積層体
１０１ 基板
１０１Ａ 基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ ｎ型光ガイド層
１０４ 活性層
１０５ ｐ型光ガイド層
１０６ ｐ型クラッド層
１０６ａ 溝部
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ ｐ電極層
１０９ 絶縁層
１１５ ｐ電極
１１６ ｎ電極
１１７ 導波路（光共振器）
１１８ 開口部
１２０ 電極開口部
１９０ 分離線

Claims (8)

1. 組成が異なる複数の半導体層を積層してなり、内部に光共振器を含む半導体積層体を備え、
   前記光共振器は、光を出射する前方端面と、該前方端面よりも光の出射量が少ない後方端面とを有するストライプ状の導波路からなり、
   前記光共振器は、光の導波方向に対して垂直な方向の光強度分布を均一化する屈折率変調構造を有していることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記屈折率変調構造は、前記導波路における少なくとも前記前方端面側で且つ前記導波路の幅方向における中央部に形成され、前記導波路を構成する前記半導体積層体よりも屈折率が小さい低屈折率層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記低屈折率層は、その幅が前記前方端面に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記屈折率変調構造は、前記前方端面に形成され前記後方端面側からの光を集光して反射する凸反射面を有する第１の反射鏡、及び前記後方端面に形成され前記前方端面側からの光を集光して反射する凸反射面を有する第２の反射鏡のうちの少なくとも一方により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記屈折率変調構造は、少なくとも前記第２の反射鏡を有し、
   前記第２の反射鏡は、その反射面の中央部の曲率が周辺部の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記導波路は、その幅が前記後方端面側から前記前方端面側に向かって大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. スーパールミネッセントダイオード又はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記半導体積層体は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発発光素子。

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