JP2012104764A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高偏光比、及び、高発光効率を有し、低コストで製造可能な半導体発光素子を実現することができる。
【解決手段】本発明に係る半導体発光素子１００は、屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層１２０と、多重干渉反射層１２０上に形成された、電子及び正孔が注入された場合に発光する活性層１３２を含む光導波層１３０とを備え、光導波層１３０と多重干渉反射層１２０とに形成される光導波路１８０内を、活性層１３２で発光した光であり、ブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角θは、多重干渉反射層１２０のブリュースター角度に略等しい。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、光導波路が形成された半導体発光素子に関する。

ファイバジャイロ及び医療用ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）などの光計測の分野、並びに、レーザディスプレイなどの映像投射の分野で必要とされるインコヒーレント光源として、スーパールミネッセントダイオード（以下、「ＳＬＤ」と称する）が注目されている。ＳＬＤは、半導体レーザ（以下、「ＬＤ」と称する）と同様に光導波路を用いた半導体発光素子である。

ＳＬＤにおいては、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される。ＳＬＤがＬＤと異なる点は、端面反射による光共振器の形成を抑え、ファブリペロー（ＦＰ）モードによるレーザ発振が生じないようにしていることである。

そのため、ＳＬＤは、通常の発光ダイオードと同様に、インコヒーレント性と広帯域なスペクトル形状とを示すと共に、数１０ｍＷ程度までの出力を得ることが可能である。特に、ＧａＮ系の窒化物半導体を用いたＳＬＤは、紫外から緑までの可視域の高出力インコヒーレント光源として期待されている。

非特許文献１には、従来のＳＬＤが開示されている。非特許文献１に開示されている従来のＳＬＤでは、Ｚｎ拡散により形成された電流注入領域が光導波路として機能する。この光導波路を基板端面に対して５〜１５度傾斜して形成することにより、モード反射率を低減している。なお、光導波路が基板端面に対して傾斜していること以外は、ＦＰモードによるレーザ発振を利用したＬＤとほぼ同一の構造である。

Ｇｅｒａｌｄ Ａ． Ａｌｐｈｏｓｅ、 Ｄｅａｎ Ｂ． Ｇｉｂｅｒｔ、 Ｍ． Ｇ． Ｈａｒｖｅｙ、 Ｍｉｃｈａｅｌ Ｅｔｔｅｎｂｅｒｇ著、 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９８８年発行２４巻１２号２４５４頁

しかしながら、上記従来のＳＬＤには、チップから放射される光の偏光比が、ＬＤよりも低いという課題がある。ＬＤにおいては、電界が積層方向に向いている導波光（ＴＭ偏光）に対して、電界が水平面内に向いている導波光（ＴＥ偏光）の強度比（偏光比）は、通常１００以上あるが、従来のＳＬＤにおいては１０程度である。

この理由は、ＬＤでは、端面におけるモード反射率がＴＥ偏光の方がＴＭ偏光よりも高いので、ＴＥ偏光の導波光のミラー損失が低く、ＴＥ偏光が優先的にレーザ発振するためである。一方、ＳＬＤにおいては、モード反射率を低減し、レーザ発振を回避しているために、ＬＤのような端面反射による偏光の選択性が働かず、活性層の光増幅率（光利得）の差（一般にＴＥ偏光の方がＴＭ偏光よりも大きい）だけにより偏光比が生じる。

そこで、ＳＬＤの偏光比を向上する技術として、量子井戸に歪を導入する方法がある。しかしながら、窒化物半導体のように歪により大きなピエゾ電界が生じる材料を量子井戸に用いている場合、歪導入によるピエゾ電界が、量子井戸中の電子・正孔対を空間的に分離させてしまう。このため、電子・正孔対の誘導放出再結合を原理とする光利得が低下してしまうという課題がある。

さらに、窒化物半導体を用いた場合、Ａｌ組成５％程度のＡｌＧａＮがクラッド層として一般的に用いられるが、垂直方向の光閉じ込め係数Γｖを向上することができず、発光効率が低いという課題がある。ＡｌＧａＮとＧａＮとは格子整合しないため、クラッド層のＡｌ組成を５％以上に上げて屈折率を下げることで、垂直光閉じ込め係数Γｖを向上しようとすると、格子不整合のために結晶成長時にクラックが発生してしまう。このようなクラックは、デバイス通電時の電流リーク及び光導波の散乱の原因となるため、クラック発生は好ましくない。

また、従来のＳＬＤは、光が導波しながら増幅されるため、光増幅長すなわちチップ長が１ｍｍ程度必要であり、製造コストが高いという課題もあった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高偏光比、及び、高発光効率を有し、低コストで製造可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体発光素子は、屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層と、前記多重干渉反射層上に形成された、電子及び正孔が注入された場合に発光する活性層を含む光導波層とを備え、前記光導波層と前記多重干渉反射層とに形成される光導波路内を、前記活性層で発光した光であり、ブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角θは、前記多重干渉反射層のブリュースター角度に略等しい。

これにより、活性層で発光した光のうち、ＴＭ偏光はブリュースター現象により多重干渉反射層で反射されないため、導波しない。一方、ＴＥ偏光はブリュースター現象を受けず、ブラッグの反射条件に従って多重干渉反射層により高反射率で反射されつつ、光導波層を導波する。したがって、本発明の一態様に係る半導体発光素子は、高偏光比及び高発光効率を有する。また、光導波路への光閉じ込め効果が高いので、光導波路の長さを短くすることができ、チップ長を短くすることができる。これにより、同一面積のウェハからより多くのデバイスを製造することができるので、低コストで半導体発光素子を製造することができる。

また、前記光導波路から空気中に放射される光の電界方向は、積層面に平行であってもよい。

これにより、端面から放射される光の大部分がＴＥ偏光であるので、高い偏光比を実現することができる。

また、前記半導体発光素子の発光波長がλ、前記多重干渉反射層に含まれる層の屈折率がｎ_Aである場合、前記多重干渉反射層に含まれる当該層の膜厚は、λｃｏｓθ／４ｎ_Aに略等しくてもよい。

これにより、ブリュースター角度に対してＴＥ偏光の反射率が最大となるように、多重干渉反射層の膜厚が定められているので、高い偏光比及び高い発光効率を実現することができる。

また、前記半導体発光素子の発光波長がλ、前記光導波層の屈折率がｎ_Bである場合、当該光導波層の膜厚は、λｃｏｓθ／ｎ_Bに略等しくてもよい。

これにより、光導波路内をブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角、すなわち、光導波路を伝搬する光の伝搬角が、ブリュースター角度となるように、光導波層の膜厚が定められているので、高い偏光比及び高い発光効率を実現することができる。

また、前記活性層は、窒化物半導体から構成されてもよい。

これにより、紫外から緑までの領域の光を出力可能なインコヒーレント光源として、高い偏光比及び高い発光効率の半導体発光素子を実現することができる。

また、前記半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。

これにより、高い偏光比及び高い発光効率の半導体発光素子を低コストで実現することができる。

また、前記光導波路の長さは、４００〜６００μｍであってもよい。

これにより、光導波路の長さを短くすることができ、チップ長を短くすることができるので、低コストで半導体発光素子を製造することができる。

また、前記半導体発光素子は、さらに、前記光導波層上に形成された、ストライプ状の開口を有する電流狭窄層と、前記電流狭窄層上、及び、前記開口に露出した前記光導波層上に形成された第１電極と、前記多重干渉反射層の下方に形成された第２電極とを備え、前記光導波路は、前記光導波層と前記多重干渉反射層とに、前記開口に沿って形成される領域であってもよい。

これにより、ストライプ状の開口に沿った光導波路が、光導波層及び多重干渉反射層内に形成され、高い偏光比及び高い発光効率の半導体発光素子を実現することができる。

本発明によれば、高偏光比、及び、高発光効率を有し、低コストで製造可能な半導体発光素子を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の光導波層の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の動作の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子における発光する光の波長と反射率との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子における発光する光の波長と反射率との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子における発光する光の波長と反射率との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子における発光する光の入射角度と反射率との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子における垂直光閉じ込め係数Γｖの向上を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の発光効率の向上を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の発光効率の向上を説明するための図である。

以下、本発明に係る半導体発光素子の実施の形態について、図面を用いて具体的に説明する。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子は、屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層と、多重干渉反射層上に形成された、活性層（発光層）を含む光導波層とを備える。そして、光導波層と多重干渉反射層とに形成された光導波路内を、活性層で発光した光であり、ブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角θは、多重干渉反射層のブリュースター角度に略等しいことを特徴とする。

まず、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子、具体的には青紫色ＳＬＤの製造方法について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の製造方法の一例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の光導波層１３０の構成の一例を示す断面図である。

まず、図１（ａ）のように、基板１１０上に、多重干渉反射層１２０と光導波層１３０とを順に形成する。基板１１０は、例えば、ｎ型ＧａＮ基板である。多重干渉反射層１２０は、クラッド層として機能する。

例えば、まず、基板１１０上に、以下の順に窒化物半導体多層膜を、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶成長させる。具体的には、ｎ型のＡｌ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎ／ＧａＮ多層膜からなるｎ型の多重干渉反射層１２０をまず結晶成長させる。すなわち、図２に示すように、ＡｌＩｎＮ層１２１とＧａＮ層１２２とを交互に基板１１０上に結晶成長させる。

なお、多重干渉反射層１２０中のＡｌ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎ／ＧａＮの対数は、一例として、１０対である。具体的には、ＡｌＩｎＮとＧａＮとが交互になるように、１０層のＡｌＩｎＮ層１２１と９層のＧａＮ層１２２とが積層されている。ＡｌＩｎＮ層１２１の膜厚及びＧａＮ層１２２の膜厚とも３０ｎｍである。したがって、総膜厚（すなわち、多重干渉反射層１２０の膜厚）は、６００ｎｍである。また、ＡｌＩｎＮ層１２１及びＧａＮ層１２２に添加される不純物は、例えば、Ｓｉであり、Ｓｉ濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3である。なお、Ａｌ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎは、ＧａＮに格子整合することが知られており、結晶成長時にクラックは発生しない。

続けて、光導波層１３０を多重干渉反射層１２０上に結晶成長させる。光導波層１３０は、図２に示すように、ｎ側光ガイド層１３１と、活性層１３２と、ｐ側光ガイド層１３３と、電子ブロック層１３４と、コンタクト層１３５とを含んでいる。

ｎ側光ガイド層１３１は、例えば、アンドープＧａＮであり、膜厚は、５０ｎｍである。活性層１３２は、窒化物半導体から構成され、例えば、ＩｎＧａＮの多重量子井戸構造を有する。具体的には、活性層１３２は、ＧａＮ障壁層１３２ａと、ＩｎＧａＮ井戸層１３２ｂとを有する３重量子井戸構造である。ＩｎＧａＮ井戸層１３２ｂは、例えば、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎＧａＮであり、ＧａＮ障壁層１３２ａは、例えば、膜厚７．５ｎｍのアンドープＧａＮである。なお、ＩｎＧａＮ井戸層１３２ｂのＩｎ組成は、発光波長が４０５ｎｍとなるように制御している。

ｐ側光ガイド層１３３は、例えば、アンドープＧａＮであり、膜厚は、３０ｎｍである。電子ブロック層１３４は、例えば、ｐ型のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎであり、膜厚は１０ｎｍである。電子ブロック層１３４には、不純物として、例えば、Ｍｇが添加されており、Ｍｇ濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。コンタクト層１３５は、例えば、ｐ型のＧａＮであり、膜厚は１０ｎｍである。コンタクト層１３５には、不純物として、例えば、Ｍｇが添加されており、Ｍｇ濃度は、１×１０²⁰ｃｍ^-3である。

次に、図１（ｂ）のように、光導波層１３０上に電流狭窄層１４０を形成する。電流狭窄層１４０は、例えば、ＳｉＯ₂であり、膜厚は、１００ｎｍである。具体的には、ＳｉＯ₂をＣＶＤ法などにより光導波層１３０上に堆積し、堆積したＳｉＯ₂をウェットエッチング法などにより幅１．５μｍのストライプ状に開口パターニングすることで、電流狭窄層１４０を形成する。

これにより、電流狭窄層１４０は、ストライプ状の開口を有する。なお、光導波路は、当該開口に沿って、光導波層１３０と多重干渉反射層１２０と、後述の透明電極１５０とに形成される。

さらに、電流狭窄層１４０上に透明電極１５０を形成する。透明電極１５０は、クラッド層として機能する導電性酸化物からなる第１電極の一例であり、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）であり、膜厚は、２００ｎｍである。具体的には、ＩＴＯをスパッタ法などにより電流狭窄層１４０上及び開口内に堆積することで、透明電極１５０を形成する。

なお、作製した半導体発光素子をＳＬＤとして機能させるために、ストライプ方向をｎ型ＧａＮからなる基板１１０の１次ヘキ開面である（１０−１０）面（ｍ面）に対して、約１０度傾かせている。

次に、図１（ｃ）に示すように、透明電極１５０上にｐ側電極１６０と、基板１１０の裏面にｎ側電極１７０とを形成する。ｐ側電極１６０は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を有する電極であり、透明電極１５０に接して形成される。

ｐ側電極１６０を形成後、ｎ型ＧａＮの基板１１０をダイシングしやすいように薄膜化した後に、基板１１０の裏面に接して、ｎ側電極１７０を形成する。ｎ側電極１７０は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造を有する第２電極の一例である。

最後に、基板１１０のｍ面で１次ヘキ開し、（１１−２０）面（ａ面）で２次ヘキ開することで、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００が完成する。なお、半導体発光素子１００のチップサイズは、図に明示していないボンディングパッド領域も含めて、例えば、チップ幅２００μｍ、チップ長４００μｍである。

以上のようにして、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００を製造することができる。なお、多重干渉反射層１２０及び光導波層１３０の膜厚が、後述するような条件を満たすように、各層が形成されている。

つまり、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００は、屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層１２０と、多重干渉反射層１２０上に形成された、活性層１３２を含む光導波層１３０と、光導波層１３０と多重干渉反射層１２０とに形成された光導波路とを備える。なお、光導波路は、図１における電流狭窄層１４０の開口パターンに沿って形成されている。

そして、形成された光導波路内を伝搬する光であって、多重干渉反射層１２０内をブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の、積層方向からの傾斜角θが、多重干渉反射層１２０のブリュースター角度に略等しくなるように、光導波層１３０及び多重干渉反射層１２０の膜厚がそれぞれ定められている。

上記のように作製した半導体発光素子１００の動作について、図３Ａ及び図３Ｂを用いながら、以下で説明する。図３Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の構造の一例を示す図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の動作の一例を示す図である。なお、図３Ｂは、図３Ａに示す半導体発光素子１００のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。

図３Ａに示すように、光導波層１３０及び多重干渉反射層１２０内の領域であって、透明電極１５０の直下の領域には、光導波路１８０が形成されている。すなわち、光導波路１８０は、電流狭窄層１４０の開口パターンに沿って形成されている。なお、光導波路１８０の長さは、例えば、４００〜６００μｍであり、具体的には、４０６μｍである。

図３Ａにおいて、正孔は、ｐ側電極１６０から活性層１３２へ、透明電極１５０及び光導波層１３０（具体的には、コンタクト層１３５、電子ブロック層１３４及びｐ側光ガイド層１３３）を通じて注入される。また、電子は、ｎ側電極１７０から活性層１３２へ、基板１１０、多重干渉反射層１２０を通じて注入される。

活性層１３２のうち、透明電極１５０のほぼ直下領域に注入された正孔と電子とが再結合し、青紫（中心波長４０５ｎｍ）の自然放出光が発生する。ここで、透明電極１５０を構成するＩＴＯの屈折率は、２．１０であり、電流狭窄層１４０を構成するＳｉＯ₂の屈折率は、１．４６である。ＩＴＯの方が屈折率は高いため、透明電極１５０が装荷層として光を導波する。このように、水平面内に形成された屈折率差に基づき、光導波路の導波モードに結合した自然放出光が、光導波路１８０内を伝搬する。

ここで、光導波路１８０を伝搬する光について説明する。活性層１３２で発生した光のうち、図３Ｂに示すように、積層方向に対しては、ＴＥ偏光が主に導波されるのに対して、ＴＭ偏光は、導波されない。つまり、ＴＥ偏光に対して、透明電極１５０及び多重干渉反射層１２０の一部がクラッド層として機能し、光導波層１３０及び多重干渉反射層１２０の一部がコア層として機能する。

したがって、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の光導波路１８０から空気中に放射される光は、主にＴＥ偏光である。言い換えると、光導波路１８０から空気中に放射される光の電界方向は、積層面に平行である。

なお、本発明の実施の形態において、光導波路１８０から空気中に放射される光の電界方向が積層面に平行であるとは、放射される全ての光の電界方向が積層面に平行であることを示さず、放射される大部分の光の電界方向が積層面に平行であることを示している。言い換えると、放射される光のうち、ＴＥ偏光がＴＭ偏光よりも十分に多いことを示している。例えば、ＴＭ偏光に対するＴＥ偏光の強度比が、１０より大きく、好ましくは、１００以上である。

ＴＥ偏光が主に導波され、ＴＭ偏光が導波されない原理について、図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、ｎ型の多重干渉反射層１２０の反射率スペクトルの伝搬角度θとＴＥ／ＴＭ偏光に対する依存性の理論計算結果を示すものである。図４Ｄは、最大反射率の伝搬角度θとＴＥ／ＴＭ偏光に対する依存性を示すものである。

理論計算では、光は、ｎ側光ガイド層１３１を構成するＧａＮからｎ型の多重干渉反射層１２０の最表面のＡｌＩｎＮ層１２１（Ａｌ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎ）に入射した場合である。なお、ＧａＮの屈折率は、例えば、２．５５、ＡｌＩｎＮの屈折率は２．２０である。

図４Ａと図４Ｄとから分かるように、θ＝０度では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで、最大反射率は、同じである。これに対して、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、θが大きくなるにつれて、ＴＭ偏光の最大反射率は低下し、ＧａＮからＡｌ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎに入射した場合のブリュースター角θｂである４０．７度において、ほぼ０まで低下している。

一方、ブリュースター角θｂにおいて、ＴＥ偏光に対しては、波長４０５ｎｍに対して最大反射率となり、その反射率も９９．４％と非常に高い値となる。すなわち、ブリュースター角を伝搬角度とする伝搬モードに対して、ＴＭ偏光は、垂直方向に閉じ込められないが、ＴＥ偏光は、強い閉じ込めを受ける。逆に言えば、ブリュースター角θｂにおいて発光波長λに対してＴＭ偏光の反射率が０、ＴＥ偏光の反射率が最大となるように、ｎ型の多重干渉反射層１２０の各層の膜厚ｔ₁及びｔ₂は、各層の屈折率をｎ₁及びｎ₂（ｎ₁を入射側）とした場合、以下の（式１）〜（式４）を満たすように設計している。例えば、ｔ₁は、ＡｌＩｎＮ層１２１の膜厚であり、ｔ₂は、ＧａＮ層１２２の膜厚である。

（式１） ｔ₁ ＝ （λ×ｃｏｓθｂ）／（４ｎ₁）
（式２） ｔ₂ ＝ （λ×ｃｏｓθｂ’）／（４ｎ₂）
（式３） θｂ ＝ ｓｉｎ^-1（ｎ₂×ｓｉｎθ／ｎ₁） ［単位はラジアン］
（式４） θｂ’＝ ｓｉｎ^-1（ｎ₁×ｓｉｎθｂ／ｎ₂） ［単位はラジアン］

つまり、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の発光波長がλ、多重干渉反射層１２０に含まれる層の屈折率がｎ_Aである場合、多重干渉反射層１２０に含まれる当該層の膜厚は、λｃｏｓθ／４ｎ_Aに略等しい。本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の多重干渉反射層１２０は、膜厚がλｃｏｓθ／４ｎ_Aに略等しい層を含んでいる。

なお、層の膜厚が、λｃｏｓθ／４ｎ_Aに略等しいとは、層の膜厚が実質的にλｃｏｓθ／４ｎ_Aに等しいことを意味し、厳密にλｃｏｓθ／４ｎ_Aである必要はない。例えば、数％（１０％以内）程度の誤差を含んでいてもよい。

ブリュースター角θｂを伝搬角度θとする導波モードを実現するためは、光導波層１３０の屈折率及び膜厚の設計が重要になる。なぜなら、光導波層１３０は、高い反射率のｎ型の多重干渉反射層１２０と、ＧａＮの屈折率２．５５と比べて屈折率が低い透明電極１５０（屈折率２．１０）とに上下を挟まれているので、主に、光導波層１３０が、光導波路として機能する。すなわち、光導波層１３０内を主に導波光が導波するため、光導波層１３０は、垂直方向の共振器として機能することができる。

そこで、伝搬角度θをブリュースター角θｂである４０．７度とするためには、光導波層１３０の総膜厚ｔと平均屈折率ｎ_avrとが、以下の条件（（式５）及び（式６））を満足するように設計する。

（式５） ｔ＝（λ×ｃｏｓθｂ）／ｎ_avr

なお、光導波層１３０の平均屈折率ｎ_avrは、光導波層１３０の各層の屈折率ｎ_iとし、膜厚をｔ_iとすると、以下の（式６）ように求めることができる。

本発明の実施の形態では、ｔ＝１３９ｎｍ、ｎ_avr＝２．５６であり、λ／ｎ_avr×ｃｏｓθｂ＝１２０ｎｍと、（式５）をほぼ満足している。

つまり、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の発光波長がλ、光導波層１３０の屈折率がｎ_Bである場合、光導波層１３０の膜厚は、λｃｏｓθｂ／ｎ_Bに略等しい。なお、上述のように、光導波層１３０が複数の層から構成される場合、光導波層１３０の膜厚は、当該光導波層１３０を構成する複数の層の膜厚の合計（総膜厚）であり、光導波層１３０の屈折率ｎ_Bは、光導波層１３０の平均屈折率ｎ_avrである。

なお、層の膜厚が、λｃｏｓθ／ｎ_Bに略等しいとは、層の膜厚が実質的にλｃｏｓθ／ｎ_Bに等しいことを意味し、厳密にλｃｏｓθ／ｎ_Bである必要はない。例えば、数％（１０％以内）程度の誤差を含んでいてもよい。

図５は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００の効果を説明するための図である。具体的には、図５は、垂直方向の光閉じ込め係数Γｖを伝達マトリクス法を用いた理論計算により求めた結果を示す。なお、比較例として、クラッド層にＡｌＧａＮを用いた場合の積層構造の垂直方向の閉じ込め係数Γｖも理論計算し、併せて示している。

図５に示すように、比較例においては、ＴＥ偏光／ＴＭ偏光ともほぼ同じ光分布であり、垂直閉じ込め係数Γｖ＝０．０３０６であった。一方、本実施の形態においては、ＴＥ偏光は、多重干渉反射層１２０と透明電極１５０とにより、強く光導波層１３０に閉じ込められており、Γｖ＝０．０５８４である。つまり、Γｖは、従来例と比べ、約１．６倍に増加している。このΓｖの増加による発光効率の向上については、後述する。なお、光分布が多重干渉反射層１２０内で振動していることから、ＴＥ偏光が多重干渉反射層１２０によって干渉反射を受けていることが確認できる。

一方、本実施の形態の構造において、伝達マトリクス法によって光導波層１３０に集中して伝搬する導波モードは解として得られなかった。これは、ＴＭ偏光は、ブリュースター現象により多重干渉反射層１２０によって反射されないので、光のモードは放射モードが大半であるためと考えられる。したがって、本実施の形態の構造においては、ＴＥ偏光のみが導波され、ＴＭ偏光は導波されない。したがって、活性層１３２において発生した自然放出光のうちＴＥ偏光のみが導波される。

ｐ側電極１６０とｎ側電極１７０とへの電圧増加により、活性層１３２への注入キャリア密度が上昇し、透明化キャリア密度を越えると、活性層１３２による誘導放出が開始し、導波光が光増幅される。上述のように、導波光はＴＥ偏光のみであるので、光増幅を受けるのはＴＥ偏光のみである。したがって、光導波路１８０の端面より放射される光の多くは、ＴＥ偏光とすることができる。

また、端面反射により光増幅の正帰還が発生し、光利得が閾値を越えればレーザ発振が生じる。レーザ発振を抑制し、当該半導体発光素子１００をＳＬＤとして発光させるためには、上述のように、光導波路１８０の光伝搬方向を端面の垂線方向に対して傾斜させるなどにより、光導波路端面に対する導波光の反射率（モード反射率）を大幅に低減させればよい。

次に、本発明の実施の形態において上記比較例と比べて、垂直光閉じ込め係数Γｖが向上することによる、発光効率の向上の効果について説明する。図６Ａは、ＳＬＤの光出力Ｐｏ−電流Ｉ特性を、以下の解析式（式７）を用いて、理論計算したものである。

ここで、Ａは、自然放出結合効率（活性層１３２で発生した自然放出光のうち、光導波路１８０を伝搬する光の割合）に関係する値である。今回の計算では、０．２２Ｗ／Ａという、発明者らが実験の中で見出した経験値を、自然放出結合効率Ａとして用いる。

ｇ（Ｊ）は、電流密度Ｊに関する光利得関数である。今回の計算では、簡略化のため、電流広がりを考慮せずに、Ｊ＝Ｉ／Ｗｓ、Ｗｓは、光導波路幅（ここでは、Ｗｓ＝１．５μｍ）とする。また、光利得関数ｇ（Ｊ）は、発明者らが実験の中で見出した、ｇ（Ｊ）＝１６３２．７×Ｌｎ（Ｊ）−１６５２［ｃｍ^-1］（Ｊの単位はｋＡ／ｃｍ²）を用いている。なお、図６Ｂは、光利得関数ｇ（Ｊ）を示すグラフである。

αｉは、内部損失であり、今回は７ｃｍ^-1という値を用いている。また、Ｒ₂は、リア側の反射率であり、Ｒ₂＝９５％としている。ｚは、導波方向の位置であり、Ｌは、チップ長である。

なお、（式７）は、以下の（１）〜（３）のモデルを前提としている。

（１）自然放出光は、自然放出結合効率Ａに比例する割合で、光導波路中を単位当たりΓｖ・ｇ（Ｊ）−αｉだけ光増幅され、リア側とフロント側とに向けて導波する。

（２）リア側に導波した光は、リア端面においてＲ₂の割合で反射され、フロント側に反転する。

（３）測定される光は、フロント側から放射される（なお、フロント端面での反射は無視）。

（式７）を用いて上記比較例と本実施の形態とのＰｏ−Ｉ特性を計算した結果である図６Ａから分かるように、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００は、以下の（ａ）及び（ｂ）で示される効果を奏する。

（ａ）チップ長が同じＬ＝８００μｍであっても、本実施の形態により発光効率が向上している（言い換えると、同じ光出力Ｐｏを実現するための電流Ｉの値を低減している）。

（ｂ）上記比較例においては、Ｌ＝４００μｍとＬ＝８００μｍとでは、発光効率の差は小さい。一方、本実施の形態においては、Ｌ＝８００μｍからＬ＝４００μｍとチップ長を削減することで、発光効率が向上している。

上記の（ａ）は、同じ電流密度Ｊであっても、本実施の形態において、垂直光閉じ込め係数Γｖを増加させることによる直接的な発光効率の向上を示すものである。

上記の（ｂ）は、以下のことを意味している。すなわち、本実施の形態において、垂直光閉じ込め係数Γｖが増加しているので、光増幅に必要な距離を従来よりも小さくすることができる。したがって、チップ長Ｌを削減することができ、その結果、同じ電流Ｉであっても、従来よりも電流密度Ｊを高く、光利得ｇを大きくすることができるという効果を示している。なお、従来例においては、チップ長Ｌを削減すると光増幅に必要な距離が小さくなり、本実施の形態のような効果を実現することが困難であることも、図６Ａから理解できる。

さらに、チップ長Ｌの削減は、発光効率の向上だけでなく、同一面積のウェハからのデバイスの取れ数を増加させることができ、製造コストを低減できる。このため、本実施の形態は、高効率なＳＬＤを低コストで製造するうえでも有益である。

以上のように、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００は、屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層１２０と、多重干渉反射層１２０上に形成された、活性層１３２を含む光導波層１３０とを備える。そして、光導波層１３０と多重干渉反射層１２０とに形成される光導波路１８０内を、活性層１３２で発光した光であり、ブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角θは、多重干渉反射層１２０のブリュースター角度に略等しい。

本構成によれば、上述したように、高偏光比、及び、高発光効率を有する半導体発光素子を、低コストで製造することができる。

具体的には、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００は、クラッド層として多重干渉反射層１２０と導電性酸化物（透明電極１５０）とを用いる。そして、多重干渉反射層１２０のブリュースター角に対して、ＴＥ偏光の反射率が最大となるように、多重干渉反射層１２０の各層の膜厚を設定する。また、伝搬角がブリュースター光となるように、コア層となる光導波層１３０（活性層１３２を含む）の膜厚を設定する。

活性層１３２で発生した自然放出光は、ブリュースター角で光導波路１８０を導波しようとするが、ＴＭ偏光は、ブリュースター現象のため多重干渉反射層１２０で反射されないため、導波することができない。一方、ＴＥ偏光は、多重干渉反射層１２０のブラッグ反射と、光導波層１３０と透明電極１５０との間の大きな屈折率差により、強く光導波層１３０に閉じ込められる。したがって、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１００では、光導波路１８０内をＴＥ偏光のみが導波し、活性層１３２で光増幅を受ける。

以上、本発明に係る半導体発光素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものも、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、本実施の形態では、コヒーレンス性が高いためにディスプレイ表示においてスペックルノイズが高いＬＤではなく、コヒーレンス性が低くスペックルノイズが低いＳＬＤを用いて、本願発明の実施の形態を説明している。しかしながら、従来においてもＴＥ偏光とＴＭ偏光とのいずれも導波可能でありながら、ＴＥ／ＴＭ偏光比が１００〜３００程度と高いＬＤにおいても、さらに、ＴＥ偏光のみを導波させる本発明の機能を利用すればＴＥ／ＴＭ偏光比を飛躍的に増加させることができる。

また、本実施の形態では、窒化物半導体を用いた青紫色ＳＬＤについて説明したが、本願発明は、窒化物半導体を用いた紫外、又は、青若しくは緑などの可視域の発光波長のＳＬＤ又はＬＤ、その他の半導体材料を用いたＳＬＤ又はＬＤに対しても有効である。

特に、本願発明は、垂直光閉じ込め係数Γｖを従来構造よりも向上させることができるため、波長分散により光導波層とクラッド層との屈折率差が青紫よりも低下し、高いΓｖの実現が困難な、窒化物半導体を用いた青色や緑色などの青紫よりも長波長発光のＳＬＤやＬＤの発光効率の向上に有用である。

なお、本発明の実施の形態の説明に用いた図１などの各断面図や斜視図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。

また、上記で用いた数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料に制限されない。

また、上記の半導体発光素子の構成は、本発明を具体的に説明するために例示するためのものであり、本発明に係る半導体発光素子は、上記構成の全てを必ずしも備える必要はない。言い換えると、本発明に係る半導体発光素子は、本発明の効果を実現できる最小限の構成のみを備えればよい。

本発明に係る半導体発光素子は、高偏光比、及び、高発光効率を有し、低コストで製造可能であるという効果を奏し、例えば、レーザなどの各種発光素子に利用することができる。

１００ 半導体発光素子
１１０ 基板
１２０ 多重干渉反射層
１２１ ＡｌＩｎＮ層
１２２ ＧａＮ層
１３０ 光導波層
１３１ ｎ側光ガイド層
１３２ 活性層
１３２ａ ＧａＮ障壁層
１３２ｂ ＩｎＧａＮ井戸層
１３３ ｐ側光ガイド層
１３４ 電子ブロック層
１３５ コンタクト層
１４０ 電流狭窄層
１５０ 透明電極
１６０ ｐ側電極
１７０ ｎ側電極
１８０ 光導波路

Claims (8)

1. 屈折率の異なる複数の層の積層構造を有する多重干渉反射層と、
   前記多重干渉反射層上に形成された、電子及び正孔が注入された場合に発光する活性層を含む光導波層とを備え、
   前記光導波層と前記多重干渉反射層とに形成される光導波路内を、前記活性層で発光した光であり、ブラッグの反射条件に基づいて伝搬する光の積層方向からの傾斜角θは、前記多重干渉反射層のブリュースター角度に略等しい
   半導体発光素子。
2. 前記光導波路から空気中に放射される光の電界方向は、積層面に平行である
   請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記半導体発光素子の発光波長がλ、前記多重干渉反射層に含まれる層の屈折率がｎ_Aである場合、前記多重干渉反射層に含まれる当該層の膜厚は、λｃｏｓθ／４ｎ_Aに略等しい
   請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 前記半導体発光素子の発光波長がλ、前記光導波層の屈折率がｎ_Bである場合、当該光導波層の膜厚は、λｃｏｓθ／ｎ_Bに略等しい
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層は、窒化物半導体から構成される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードである
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記光導波路の長さは、４００〜６００μｍである
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記半導体発光素子は、さらに、
   前記光導波層上に形成された、ストライプ状の開口を有する電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層上、及び、前記開口に露出した前記光導波層上に形成された第１電極と、
   前記多重干渉反射層の下方に形成された第２電極とを備え、
   前記光導波路は、前記光導波層と前記多重干渉反射層とに、前記開口に沿って形成される領域である
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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