JP5568406B2 - スーパールミネッセントダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、青紫色から赤色までの可視域の発光を伴うスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）装置に関する。
発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）及び半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）等の半導体発光装置は、小型及び高出力等の優れた特徴をもつことから、通信及び光ディスク等のＩＴ分野並びに医療分野及び照明分野等の幅広い技術分野において用いられている。近年では、特に、薄型テレビ等の液晶パネルを用いた液晶表示装置の光源としてＬＥＤを用いることが急速に増えてきている。液晶表示装置は、透過型の光変調素子として液晶パネルを備え、その裏面に設けられた光源装置が光を液晶パネルに照射する。液晶パネルは光源装置から照射された光の透過率を制御することにより画像を形成する。
従来、光源装置の光源には、冷陰極管（Cold Cathode Fluorescent Lamp：ＣＣＦＬ）が用いられてきたが、近年、省エネルギー化が進み、ＬＥＤチップを用いたＬＥＤバックライト光源の開発が進んでいる。現在のＬＥＤバックライト光源は、青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤを使う方式が一般的であり、ＬＥＤの配置の方法により直下型とエッジ型とに大別される。直下型とは、液晶パネルの直下にＬＥＤ光源が格子状に配置されており、ローカルディミングと呼ばれる領域ごとに光源の明るさを制御することにより映像のコントラスト比を向上させる技術に適している。しかしながら、その反面、薄型化しにくい等の問題がある。エッジ型は、液晶パネルの周辺にＬＥＤ光源を配置し、導光板によってパネル全体を照射するため、パネルの薄型化が容易であり、デザイン性が高くなる利点を有する。コスト面においてもＬＥＤの実装数を減らせるという利点がある。
エッジ型のバックライト光源には、本来、高指向性及び高偏光性等の特性が求められるが、現在用いられているＬＥＤ光源はこのような特性を有しておらず、光源として最適化されていない。高指向性及び高偏光性の小型光源にはＬＤがあるが、ＬＤは光の可干渉性が高いため、スペックルノイズが生じやすいという問題がある。
そこで、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を有する光源としてスーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）に本願発明者らは着目した。ＳＬＤはＬＤと同様に光導波路を用いた半導体発光装置である。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。このため、ＳＬＤは通常の発光ダイオードと同様にインコヒーレントで且つ広帯域なスペクトル形状を示し、数十ｍＷ程度までの出力を得ることが可能である。特に、窒化物半導体を用いたＳＬＤは紫外域から緑色の可視域までの高出力インコヒーレント光源として期待されている。
このように高指向性、高偏光性及び低可干渉性を有する光源であるＳＬＤをエッジ型バックライト光源として用いることにより、導光板との光結合効率が向上し、偏光板の削減が可能となるため、ＳＬＤはより高性能で且つ低コストのバックライト光源として期待される。
従来のＳＬＤについて図１３〜図１５を参照しながら説明する。
（第１の従来例）
図１３に示すように、出射端面１０１、１０２をリッジ形状の導波路１０３に対して傾斜させてモード反射率を低減することにより、レーザ発振を抑制してＳＬＤ動作を可能とする構造が非特許文献１等に提示されている。ＬＤと類似した光導波路構造であるため、高い指向性を持ちながら可干渉性が低い光を出すことが可能である。しかしながら、図１３のような傾斜直線導波路型の構造では、前端面及び後端面の反射率が共に低くなってしまうため、誘導放出による増幅効果が得られにくいという問題がある。
図１３に示すように、出射端面１０１、１０２をリッジ形状の導波路１０３に対して傾斜させてモード反射率を低減することにより、レーザ発振を抑制してＳＬＤ動作を可能とする構造が非特許文献１等に提示されている。ＬＤと類似した光導波路構造であるため、高い指向性を持ちながら可干渉性が低い光を出すことが可能である。しかしながら、図１３のような傾斜直線導波路型の構造では、前端面及び後端面の反射率が共に低くなってしまうため、誘導放出による増幅効果が得られにくいという問題がある。
（第２の従来例）
そこで、図１４に示すように、エッチング法により前端面１１１を傾斜した端面にして、前端面１１１の反射率を低くし、後端面１１２の反射率を高くすることにより誘導放出による増幅効果を得られやすくする構造が非特許文献２等に提示されている。しかしながら、図１４のように、エッチング法により低反射面を形成する方法は、劈開により端面を形成する場合と比べて、表面ダメージ及び表面の微小な凹凸の影響により反射率が計算ほどは下がらず、高出力のＳＬＤ動作が難しいという問題がある。
そこで、図１４に示すように、エッチング法により前端面１１１を傾斜した端面にして、前端面１１１の反射率を低くし、後端面１１２の反射率を高くすることにより誘導放出による増幅効果を得られやすくする構造が非特許文献２等に提示されている。しかしながら、図１４のように、エッチング法により低反射面を形成する方法は、劈開により端面を形成する場合と比べて、表面ダメージ及び表面の微小な凹凸の影響により反射率が計算ほどは下がらず、高出力のＳＬＤ動作が難しいという問題がある。
（第３の従来例）
さらに、図１５に示すように、直線導波路部１２３ａと曲線導波路部１２３ｂとを含むリッジ形状の導波路１２３を形成することにより、前端面１２１の反射率のみを低くできる構造が特許文献１等に提示されている。曲線導波路部１２３ｂによって傾斜した端面を形成する場合には、反射率の高い後端面１２２と反射率の低い前端面１２１とを共に劈開により形成できるため、反射率の制御が精度良く行えるという利点がある。
さらに、図１５に示すように、直線導波路部１２３ａと曲線導波路部１２３ｂとを含むリッジ形状の導波路１２３を形成することにより、前端面１２１の反射率のみを低くできる構造が特許文献１等に提示されている。曲線導波路部１２３ｂによって傾斜した端面を形成する場合には、反射率の高い後端面１２２と反射率の低い前端面１２１とを共に劈開により形成できるため、反射率の制御が精度良く行えるという利点がある。
HighPowerSLD_JQE24p2454_1988
Appl.Phys.Lett.081107(95)2009
しかしながら、第３の従来例に係る曲線導波路部を有するＳＬＤにおいては、曲線導波路部による導波損失が存在するため、結果的に動作電流の増大を招くこととなる。また、曲線導波路部において放射された光も前端面から出射するため、図１６に示すように、水平方向の遠視野像（Far Field Pattern：ＦＦＰ）に干渉が発生して、その形状がガウシアン形状から大きく逸脱するという問題がある。
本発明は、前記の問題に鑑み、その目的は、インコヒーレント光源として発光効率が高い半導体発光装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、半導体発光装置を、光導波路の後端面側に曲線光導波路を含む構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体発光装置は、基板の上に形成され、発光層を含む複数の半導体層からなる積層構造体を備え、積層構造体は、その上部に設けられたリッジ構造を含む光導波路を有し、光導波路は、積層構造体の前端面から後端面まで延伸するように設けられ、積層構造体の前端面の法線に対して傾斜して該前端面から延伸している直線導波路部と、積層構造体の後端面に垂直に到達する曲線導波路部とを含み、曲線導波路部は、光導波路の中心よりも積層構造体の後端面側に形成されている。
本発明に係る半導体発光装置によると、光密度の小さい後端面側に曲線導波路部が設けられているため、曲線導波路部における導波損失を最小化することができる。
本発明に係る半導体発光装置は、積層構造体の後端面に、複数の誘電体の膜が積層された高反射率膜が形成されていることが好ましい。
このようにすると、光の増幅長を共振器長の２倍とすることができ、誘導放出による増幅効果を増大することができる。
本発明に係る半導体発光装置は、積層構造体の前端面に、一層又は複数層の誘電体膜である極低反射率膜が形成されていることが好ましい。
このようにすると、前端面における反射率をさらに１０分の１から１００分の１に低減することが可能となるため、よりレーザ発振を抑制し、高出力までＳＬＤ動作が可能な半導体発光装置を得られる。
本発明に係る半導体発光装置は、積層構造体における直線導波路部の周辺部であって、曲線導波路部の接線を前端面方向へ延伸した方向の領域に、曲線導波路部からの漏れ光が積層構造体の前端面にまで伝搬することを防止する機能部が形成されていることが好ましい。
この場合、機能部は光を散乱させる散乱溝部であることが好ましい。
このようにすると、曲線導波路部から漏れた光が散乱溝部で散乱されることにより、前端面まで到達しないため、発光の水平ＦＦＰに乱れが生じることを防ぐことができる。
また、その場合、機能部は光を全反射させる直線状の全反射溝部であってもよい。
このとき、直線状の溝部の長手方向の法線と直線導波路部の延伸方向とが為す角は、臨界角よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、曲線導波路部から漏れた光が全反射溝部により全反射されることによって前端面までは到達しないため、発光の水平ＦＦＰに乱れが生じることを防ぐことができる。
本発明に係る半導体発光装置において、機能部は光を吸収する吸収部であってもよい。
このようにすると、曲線導波路部から漏れた光が吸収部により吸収されることによって、前端面までは到達しないため、発光の水平ＦＦＰに乱れが生じることを防ぐことができる。
本発明に係る半導体発光装置において、積層構造体は、その前端面及び後端面よりも平坦性が低く、前端面の法線方向から直線導波路部と同じ方向に傾斜して、直線導波路部と並行する側面を有していてもよい。
この場合、積層構造体の側面は、直線導波路部と平行であることが好ましい。
このようにすると、曲線導波路部から漏れた光が前端面に到達する前に左右の端面に到達するため、左右端面の微小な凹凸により散乱されて装置の外部に放出されるので、発光の水平ＦＦＰに乱れが生じることを防ぐことができる。
本発明に係る半導体発光装置において、曲線導波路部の曲率半径は、１０００μｍ以上であることが好ましい。
このようにすると、曲線導波路部での導波損失を最小化することができ、より高効率の半導体発光装置を作製できる。
本発明に係る半導体発光装置において、直線導波路部と積層構造体の前端面の法線とが為す角度は、４°以上且つブリュースタ角以下であることが好ましい。
このようにすると、前端面における反射率を１×１０−４以下に抑えることができ、より高効率の半導体発光装置を得ることができる。
本発明に係る半導体発光装置は、積層構造体の前端面から誘導放出光を出射するスーパールミネッセンスダイオード素子であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光装置において、半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体からなる層を含むことが好ましい。
このようにすると、高指向性、高偏光性及び低可干渉性の青色及び緑色の光源として用いることが可能となる。特に、青色ＳＬＤ光源は黄色又は緑色＋赤色の蛍光体と組み合わせることにより、白色光源として用いることができる。
本発明に係る半導体発光装置において、半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII-Ｖ族化合物半導体からなる層を含んでもよい。
このようにすると、高指向性、高偏光性及び低可干渉性の赤色光源として用いることができる。また、青色＋緑色＋赤色のＳＬＤ光源により、色再現性の高いバックライト光源及びディスプレイ光源としても用いることができる。
本発明に係る半導体発光装置によると、発光効率が向上し、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を備えた高効率の半導体発光装置を得ることができる。
本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す各実施形態は本発明の一例であって、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態においては、半導体発光装置として、窒化物半導体を用いた波長が４５０ｎｍの青色光を出力する青色スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）装置を説明する。
本発明の第１の実施形態においては、半導体発光装置として、窒化物半導体を用いた波長が４５０ｎｍの青色光を出力する青色スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）装置を説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）基板１の上に、積層構造体が形成されている。具体的には、ｎ型ＧａＮ基板１の上に、ｎ型ＧａＮからなるバッファ層（図示せず）、ｎ型クラッド層２、ｎ型ガイド層３、発光層である活性層４、ｐ型ガイド層５、ｐ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリアオーバフロー抑制（ＯＦＳ）層６、ｐ型クラッド層７及びｐ型ＧａＮコンタクト層（図示せず）が順次形成されている。ｐ型クラッド層７の上部は、リッジストライプ状に加工されて光導波路であるリッジ導波路１４が形成されている。ｐ型クラッド層７の上には、リッジストライプ部の頂面を露出する開口部を有する酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる誘電体ブロック層１０が形成されている。リッジストライプ部の頂面にはｐ側電極８が形成されている。ｐ側電極８及び誘電体ブロック層１０の上には、ｐ側電極８と接続される配線電極９が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板１におけるｎ型クラッド層２と反対側の面（裏面）には、ｎ側電極１１が形成されている。
リッジ導波路１４の長手方向の両端部には、光の出射面であり、例えば誘電体多層膜からなる光反射率が低い前端面１２と、例えば誘電体多層膜からなる光反射率が９０％以上の後端面１３とが形成されている。リッジ導波路１４には、前端面１２の法線から４°〜２２°程度傾斜して前端面１２から延伸する直線導波路部１４ａと、リッジ導波路部１４の中心よりも後端面１３側に設けられ、後端面１３に垂直に到達する曲線導波路部１４ｂとが含まれる。
なお、図１（ａ）においては、六方晶ＧａＮ系結晶の面方位をｃ、ａ及びｍとして示している。ｃは面方位が（０００１）面の法線ベクトル、すなわちｃ軸を表し、ａは面方位が（１１−２０）面とその等価面の法線ベクトル、すなわちａ軸を表し、ｍは面方位が（１−１００）面とその等価面の法線ベクトル、すなわちｍ軸を表している。ここで、本明細書においては、面方位におけるミラー指数に付した負符号「−」は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
第１の実施形態に係る半導体発光装置によると、リッジ導波路１４は、前端１２（出射面）の法線から傾斜して前端面１２から延伸する直線導波路部１４ａと、リッジ導波路１４の中心よりも後端面１３側に形成され且つ後端面１３に垂直に到達する曲線導波路部１４ｂが設けられているため、導波損失を低減し、発光効率を増大することができる。
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法について説明する。
（結晶成長工程）
まず、例えば、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、主面の面方位が（０００１）面であり、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度である六方晶のｎ型ＧａＮ基板１の主面の上に、厚さが約２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層２を形成する。続いて、ｎ型クラッド層２の上に、例えば厚さが約０．１０μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層３と、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層及びＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる量子井戸層を３周期分含む量子井戸構造を採る活性層４とを順次形成する。続いて、活性層４の上に、例えば厚さが約０．０５μｍのアンドープ又はｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層５を形成する。続いて、ｐ型ガイド層５の上に、例えば厚さが約２０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０ＮからなるＯＦＳ層６を形成する。続いて、ＯＦＳ層６の上に、厚さがそれぞれ約２ｎｍのｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層とＧａＮ層とを１６０周期分含み、厚さが約０．５０μｍの歪超格子層であるｐ型クラッド層７と、厚さが約０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（図示せず）とを順次形成する。
まず、例えば、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、主面の面方位が（０００１）面であり、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度である六方晶のｎ型ＧａＮ基板１の主面の上に、厚さが約２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層２を形成する。続いて、ｎ型クラッド層２の上に、例えば厚さが約０．１０μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層３と、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層及びＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる量子井戸層を３周期分含む量子井戸構造を採る活性層４とを順次形成する。続いて、活性層４の上に、例えば厚さが約０．０５μｍのアンドープ又はｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層５を形成する。続いて、ｐ型ガイド層５の上に、例えば厚さが約２０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０ＮからなるＯＦＳ層６を形成する。続いて、ＯＦＳ層６の上に、厚さがそれぞれ約２ｎｍのｐ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層とＧａＮ層とを１６０周期分含み、厚さが約０．５０μｍの歪超格子層であるｐ型クラッド層７と、厚さが約０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（図示せず）とを順次形成する。
各ｎ型半導体層には、シリコン（Ｓｉ）がドナー不純物として５×１０１７ｃｍ−３程度の濃度にドーピングされている。また、各ｐ型半導体層には、マグネシウム（Ｍｇ）がアクセプタ不純物として１×１０１９ｃｍ−３程度の濃度にドーピングされている。なお、最上層のｐ型コンタクト層には、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度の高濃度にドーピングされている。また、ＯＦＳ層６は、Ａｌの組成を２０％と高く設定することによりバンドギャップを大きくしている。これにより、伝導帯を流れる電子が価電子帯を流れる正孔よりも移動度が高いため、活性層４を通過し、該活性層４以外の半導体層において非発光再結合してしまうことを抑制できる。
なお、本実施形態に係る半導体の積層構造体は、一例であり、積層構造体及び各層の成長方法はこれに限られない。例えば、積層構造体を形成する際の結晶成長法には、ＭＯＣＶＤ法の他に、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系半導体の積層構造が成長可能な方法を用いてもよい。
ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料には、例えばガリウム（Ｇａ）原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、インジウム（Ｉｎ）原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、窒素（Ｎ）原料としてアンモニア（ＮＨ３）を用いればよい。さらに、ｎ型不純物であるＳｉ原料にはシラン（ＳｉＨ４）ガスを用い、ｐ型不純物であるＭｇ原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いればよい。
（リッジ導波路形成工程）
次に、化学気相成長（ＣＶＤ）法により、ｐ型コンタクト層の上の全面に、厚さが約２００ｎｍの第１のＳｉＯ２膜（図示せず）を堆積する。その後、積層構造体に対して８５０℃程度の窒素（Ｎ２）雰囲気において、３０分間の熱処理を行うことにより、各ｐ型半導体層のＭｇを活性化する。続いて、リソグラフィ法、及び反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法等によるドライエッチング法により、第１のＳｉＯ２膜に対してエッチングを行って、ｐ型コンタクト層の上のリッジ導波路１４の形成領域にＳｉＯ２からなるマスク膜を形成する。その後、形成したマスク膜を用いて、塩素（Ｃｌ２）ガス、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス又は三塩化ボロン（ＢＣｌ３）等の塩素系ガスによる誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）ドライエッチング法により、ｐ型コンタクト層及びその下のｐ型クラッド層７の上部に対して０．５μｍ程度エッチングして、直線導波路部１４ａと曲線導波路部１４ｂとを有するリッジストライプ部であるリッジ導波路１４を形成する。この際、紫外光源を用いた干渉波形のモニタリングにより、エッチングの掘り量を精度良く制御するのが一般的である。ここでは、リッジ導波路１４の底辺の幅は約１．２μｍとしている。
次に、化学気相成長（ＣＶＤ）法により、ｐ型コンタクト層の上の全面に、厚さが約２００ｎｍの第１のＳｉＯ２膜（図示せず）を堆積する。その後、積層構造体に対して８５０℃程度の窒素（Ｎ２）雰囲気において、３０分間の熱処理を行うことにより、各ｐ型半導体層のＭｇを活性化する。続いて、リソグラフィ法、及び反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）法等によるドライエッチング法により、第１のＳｉＯ２膜に対してエッチングを行って、ｐ型コンタクト層の上のリッジ導波路１４の形成領域にＳｉＯ２からなるマスク膜を形成する。その後、形成したマスク膜を用いて、塩素（Ｃｌ２）ガス、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス又は三塩化ボロン（ＢＣｌ３）等の塩素系ガスによる誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）ドライエッチング法により、ｐ型コンタクト層及びその下のｐ型クラッド層７の上部に対して０．５μｍ程度エッチングして、直線導波路部１４ａと曲線導波路部１４ｂとを有するリッジストライプ部であるリッジ導波路１４を形成する。この際、紫外光源を用いた干渉波形のモニタリングにより、エッチングの掘り量を精度良く制御するのが一般的である。ここでは、リッジ導波路１４の底辺の幅は約１．２μｍとしている。
なお、本リッジ導波路形成工程において、リッジ導波路１４の両側に溝部を形成することにより、リッジ導波路１４の頂面と高さが等しい台座部をリッジ導波路１４の両側に形成してもよい。このような構造とすることにより、リッジ導波路１４のみが凸部となって、実装時等にＳＬＤ素子が機械的なダメージを受けることを防止できる。なお、リッジ導波路１４と台座部との間隔は５μｍ〜１５μｍ程度が好ましい。
（誘電体ブロック層及びｐ側電極形成工程）
続いて、マスク膜を緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）により除去する。その後、再度ＣＶＤ法により、厚さが約３００ｎｍの第２のＳｉＯ２膜をｎ型ＧａＮ基板１の上の全面に堆積する。続いて、リソグラフィ法及び緩衝フッ酸溶液によるウェットエッチング法により、第２のＳｉＯ２膜に、リッジ導波路１４の頂面、すなわちｐ型コンタクト層を露出する開口部を形成して、誘電体ブロック層１０を形成する。なお、誘電体ブロック層１０に開口部を形成するには、リソグラフィ法に代えて、成膜後のレジスト膜に対してエッチバックを行って、それぞれ開口部を形成しても構わない。
続いて、マスク膜を緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）により除去する。その後、再度ＣＶＤ法により、厚さが約３００ｎｍの第２のＳｉＯ２膜をｎ型ＧａＮ基板１の上の全面に堆積する。続いて、リソグラフィ法及び緩衝フッ酸溶液によるウェットエッチング法により、第２のＳｉＯ２膜に、リッジ導波路１４の頂面、すなわちｐ型コンタクト層を露出する開口部を形成して、誘電体ブロック層１０を形成する。なお、誘電体ブロック層１０に開口部を形成するには、リソグラフィ法に代えて、成膜後のレジスト膜に対してエッチバックを行って、それぞれ開口部を形成しても構わない。
続いて、電子線蒸着法により、誘電体ブロック層１０の各開口部に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）からなるｐ側電極８を形成する。なお、電子線蒸着法は、積層構造体を７０℃程度に加熱して行い、Ｐｄ膜及びＰｔ膜の膜厚は共に約５０ｎｍとしている。その後、４００℃程度の熱処理を行うことにより、２×１０−４Ωｃｍ２以下の良好なコンタクト抵抗を得ることができる。蒸着時の温度については、検討の結果、７０℃〜１００℃程度に加熱した場合に最もコンタクト抵抗が良化し、密着性も向上することが明らかとなっている。さらに、パターニングに用いるレジストの熱耐性を考慮すると、７０℃程度の温度で蒸着を行うことが、プロセスの歩留まりも低下せず、コンタクト抵抗も良化する適当な条件である。
（配線電極形成工程）
次に、リソグラフィ法及び電子線蒸着法により、ｐ側電極８及び誘電体ブロック層１０の上に、ｐ側電極８と電気的に接続されるように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）からなる配線電極９を形成する。ここで、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜及びＡｕ膜の各膜厚はそれぞれ約５０ｎｍ、５０ｎｍ及び５００ｎｍである。
次に、リソグラフィ法及び電子線蒸着法により、ｐ側電極８及び誘電体ブロック層１０の上に、ｐ側電極８と電気的に接続されるように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）からなる配線電極９を形成する。ここで、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜及びＡｕ膜の各膜厚はそれぞれ約５０ｎｍ、５０ｎｍ及び５００ｎｍである。
なお、一般にｎ型ＧａＮ基板１はウェハ状態であって、複数の半導体発光装置はｎ型ＧａＮ基板１の主面の上に行列状に形成される。従って、ウェハ状態にあるｎ型ＧａＮ基板１から個々の半導体発光装置を劈開により分割する際に、配線電極９が装置同士の間にわたって連続して形成されると、配線電極９と密着したｐ側電極８がｐ型コンタクト層から剥がれるおそれがある。そこで、配線電極９は互いに隣接する装置同士の間において分離されて形成されていることが望ましい。さらに、電解めっき法により、配線電極９の上層のＡｕ層の厚さを３μｍ以上にまで増やして、パッド電極（図示せず）を形成すると、活性層４からの発熱を効果的に放熱させることができる。すなわち、厚さが３μｍ以上のＡｕからなるパッド電極によって、第１の実施形態に係る半導体発光装置の信頼性を向上できる。
（裏面電極形成工程）
次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研削及び研磨して、ｎ型ＧａＮ基板１の厚さを約１００μｍにまで薄膜化する。その後、薄膜化されたｎ型ＧａＮ基板１の裏面に、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｎ側電極１１を形成する。ここで、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの各膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍである。この構成により、１×１０−４Ωｃｍ２以下の良好なコンタクト抵抗を得ることができる。ここで、次工程である劈開及び組立工程における認識パターンとして、リソグラフィ法及びウェットエッチング法により、上層のＡｕ膜にのみエッチングを行って、電極パターンを形成することが望ましい。また、リソグラフィ法及び蒸着リフトオフ法により電極パターンを形成してもよい。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を研削及び研磨して、ｎ型ＧａＮ基板１の厚さを約１００μｍにまで薄膜化する。その後、薄膜化されたｎ型ＧａＮ基板１の裏面に、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなるｎ側電極１１を形成する。ここで、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの各膜厚は、それぞれ約１０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍである。この構成により、１×１０−４Ωｃｍ２以下の良好なコンタクト抵抗を得ることができる。ここで、次工程である劈開及び組立工程における認識パターンとして、リソグラフィ法及びウェットエッチング法により、上層のＡｕ膜にのみエッチングを行って、電極パターンを形成することが望ましい。また、リソグラフィ法及び蒸着リフトオフ法により電極パターンを形成してもよい。
なお、ｎ型ＧａＮ基板１の研磨方法には、例えばダイヤモンドスラリ又はコロイダルシリカによる機械研磨法、又は水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のアルカリ溶液を用いる化学機械研磨法を用いてもよい。
（劈開及び組立工程）
次に、ダイヤモンド針によるスクライブ又はレーザを用いたスクライブによりウェハにおける劈開位置に劈開補助溝を形成する。その後、形成された劈開補助溝に沿ってブレーキングを行い、一次劈開を行うことにより光出射端面である前端面１２及び該前端面１２と対向する後端面１３を形成する。続いて、後端面１３にＣＶＤ法又はスパッタ法等により光反射率が約９５％の多層誘電体反射膜を形成する。同様に、前端面１２に反射率をさらに低下させるために単層又は多層の誘電体膜により無反射膜を形成してもよい。その後、共振器の長手方向に平行な方向に二次劈開を行って、所望のＣＡＮパッケージに実装及び配線することによって、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置を得ることができる。
次に、ダイヤモンド針によるスクライブ又はレーザを用いたスクライブによりウェハにおける劈開位置に劈開補助溝を形成する。その後、形成された劈開補助溝に沿ってブレーキングを行い、一次劈開を行うことにより光出射端面である前端面１２及び該前端面１２と対向する後端面１３を形成する。続いて、後端面１３にＣＶＤ法又はスパッタ法等により光反射率が約９５％の多層誘電体反射膜を形成する。同様に、前端面１２に反射率をさらに低下させるために単層又は多層の誘電体膜により無反射膜を形成してもよい。その後、共振器の長手方向に平行な方向に二次劈開を行って、所望のＣＡＮパッケージに実装及び配線することによって、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置を得ることができる。
次に、前端面の光反射率を１×１０−５とし、後端面の光反射率を９５％とし、動作電流（Ｉｏｐ）が１００ｍＡである場合のリッジ導波路の光強度分布について説明する。ここで、光強度とは、導波路中の導波方向のある地点での光強度であり、厳密には導波面における光の分布と光密度との積分となる。図２に示すように、ＳＬＤ装置の場合、後端面の光反射率が高く、前端面の光反射率が非常に低いため、前端面と後端面とにおいて、非常に大きな光強度差が存在する。この光強度の低い領域に曲線導波路部を形成することにより、曲線導波路部による損失を最小限に抑えることが可能になる。つまり、曲線導波路部を後端面側に形成することにより、前端面側に形成する場合よりも導波損失を１／５以下に抑えることが可能となる。なお、本明細書ではリッジ導波路を導波する光が端面に反射されて再びリッジ導波路に戻る確率を光反射率（モード反射率）と定義している。
また、図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、通常のレーザ装置と異なり、前端面の光反射率が非常に低いため発振状態にはならず、光出力は立ち上がり領域において指数関数的に増加する傾向が見られる。また、レーザ装置よりもキャリア密度が高い領域において動作するため、リッジ導波路中の利得が増大し、スロープ効率（Ｓｅ＝ｄＰ／ｄＩ）が大きくなり、高効率の発光装置を得ることができる。スロープ効率は光出力が５０ｍＷ程度において飽和傾向を示すが、レーザ発振状態にはないため、図３（ｂ）に示すように、発光スペクトルがブロードであり、可干渉性は低い。従って、本実施形態に係る半導体発光装置を光源として用いるとスペックルノイズを小さくできる。
次に、図１３に示した第１の従来例、図１４に示した第２の従来例、図１５に示した第３の従来例及び第１の実施形態に係る半導体発光装置のそれぞれの飽和スロープ効率及び５０ｍＷで出力する際の動作電流を比較する。図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、高反射端面である後端面と、劈開による低反射の傾斜端面である前端面とを有する第１の実施形態は、第１の従来例及び第２の従来例よりも高効率且つ高出力でのＳＬＤ動作が可能となる。また、第１の実施形態のように曲線導波路部を光密度が低い後端面側に形成することによって、第３の従来例と比較して１０％〜２０％程度効率を向上させることができる。
曲線導波路部を後端面側に形成することにより、曲線導波路部による損失を低減することが可能となる。しかし、この構成によっても損失を十分に低減できるわけではないため、曲線導波路部自体における損失を小さくすることも重要である。曲線導波路部における単位長さ当たりの損失は曲率半径に依存しており、曲率半径が小さくなる（曲がりが急峻になる）ほど損失は大きくなる。また、全体の損失は、（単位長さ当たりの損失）×（曲がり長さ）で決定されるため、全体の曲がり角度を決定すると、損失が最小となる曲率半径と曲がり長さとの組み合わせが決定できる。なお、全体の曲がり角度は、前端面の法線と直線導波路部との角度（以下、端面角度と呼ぶ。）に等しい。
次に、それぞれ全体の曲がり角度を１０°と一定としたときに、第１の実施形態に係る半導体発光装置の飽和スロープ効率、及び５０ｍＷで出力する際の動作電流の曲線導波路部の曲率半径依存性を説明する。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、曲率半径が５００μｍ以下では、損失が大きく効率が非常に低くなってしまうのに対して、曲率半径が１０００μｍ以上になると損失が小さくなり、高い効率が得られる。なお、最適な曲率半径はデバイスの構成を変更すると多少変化するが、一般的には概ね１０００μｍ以上が好ましい。
次に、第１の実施形態に係る半導体発光装置のリッジ導波路内を導波する光に対する光反射率（モード反射率）及び平面波の反射率（フレネル反射率）の端面角度依存性について説明する。図６に示すように、端面角度が４°以上のとき光反射率が１×１０−４以下となり、ＳＬＤ動作に最低限必要な低反射率が実現できる。また、光反射率はブリュースタ角（２２°）において最小となる。高出力のＳＬＤ動作の観点からは、端面角度はブリュースタ角以下で且つ大きいほど好ましいが、曲線導波路部を用いる半導体発光装置においては曲率半径を小さくする、又は曲がり長さを大きくする必要があり、全体の損失が増大する傾向となる。
次に、曲率半径を２３００μｍで一定としたときにおける、第１の実施形態に係る半導体発光装置の飽和スロープ効率、及び５０ｍＷ出力時の動作電流の前端面の傾斜角度依存性について説明する。図７に示すように、端面角度が４°未満では５０ｍＷ以下でレーザ発振が起こるため、高出力のＳＬＤ動作が困難である。また、端面角度が１５°以上になると徐々に、曲線導波路部における損失が大きくなり、効率が低下する傾向が見られる。端面角度の最適値は曲率半径の大きさにも影響される。また、エッチングによる傾斜端面を組み合わせる場合には曲線導波路部での損失を低減できるため、端面角度は４°以上且つブリュースタ角以下が好ましい。
（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装置について図８及び図９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置について図８及び図９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、第１の実施形態と比較して積層構造体に曲線導波路部１４ｂからの漏れ光を散乱させる散乱溝１５が形成されている点が異なる。ここで、散乱溝１５は直線導波路部１４ａの周辺部であって、曲線導波路部１４ｂの接線を前端面１２方向へ延伸した方向の領域に形成されている。散乱溝１５はｎ型ガイド層３を貫通し、ｎ型クラッド層２又はｎ型ＧａＮ基板１に到達することが好ましい。また、散乱溝１５は、リッジ導波路形成工程と同様にフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により形成すればよい。散乱溝１５は、例えば複数の方向に延びる溝が連続するように形成される。このようにすると、曲線導波路部１４ｂからの漏れ光を散乱溝１５が散乱させるため、前端面１２から放射される漏れ光を抑制できる。このため、図９に示すように、水平ＦＦＰの乱れを抑制することができる。
第２の実施形態に係る半導体発光装置によると、乱れがない非常に良好な水平ＦＦＰを実現でき且つ高効率な装置を得られることが可能となる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図１０を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
以下、本発明の第３の実施形態について図１０を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、第１の実施形態と比較して積層構造体に曲線導波路部１４ｂからの漏れ光を全反射させる全反射溝１６が形成されている点が異なる。ここで、全反射溝１６は直線導波路部１４ａの周辺部であって、曲線導波路部１４ｂの接線を前端面１２方向へ延伸した方向の領域に形成されている。全反射溝１６はｎ型ガイド層３を貫通し、ｎ型クラッド層２又はｎ型ＧａＮ基板１に到達することが好ましい。また、全反射溝１６は、リッジ導波路形成工程と同様にフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により形成すればよい。ここで、漏れ光を全反射するために、全反射溝１６の反射面（長手方向）の法線と直線導波路部１４ａの延伸方向とが為す角は、臨界角よりも大きいことが必要である。このようにすると、曲線導波路部１４ｂからの漏れ光を全反射溝１６が全反射させるため、前端面１２から放射される漏れ光を抑制できる。このため、水平ＦＦＰの乱れを抑制することができる。
第３の実施形態に係る半導体発光装置によると、乱れのない非常に良好な水平ＦＦＰを実現でき且つ高効率な装置を得られることが可能となる。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図１１を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
以下、本発明の第４の実施形態について図１１を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、第１の実施形態と比較して積層構造体に光吸収部１７が形成されている点が異なる。半導体発光装置が青色ＳＬＤ装置の場合、光吸収部１７は、青色発光に対して吸収を持つ材料ならばよく、例えば厚さが５０ｎｍのアモルファスＳｉからなる。また、光吸収部１７は直線導波路部１４ａの周辺部であって、曲線導波路部１４ｂの接線を前端面１２方向へ延伸した方向の領域で、且つ、ｐ型クラッド層７におけるリッジ導波路１４の底面と誘電体ブロック層１０との間に形成されている。電極形成工程と同様にフォトリソグラフィ法と電子線蒸着法及びリフトオフ法とにより形成すればよい。このようにすると、曲線導波路部１４ｂからの漏れ光を光吸収部１７が吸収するため、前端面１２から放射される漏れ光を抑制できる。このため、水平ＦＦＰの乱れを抑制することができる。
第４の実施形態に係る半導体発光装置によると、乱れのない非常に良好な水平ＦＦＰを実現でき且つ高効率な装置を得られることが可能となる。
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図１２を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
以下、本発明の第５の実施形態について図１２を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については説明を省略する。
図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光装置は、装置の形状が長方形ではなく、平行四辺形の形状である。積層構造体が六方晶であるため、前端面１２及び後端面１３は劈開面であるが、前端面１２及び後端面１３に垂直な左右の端面は劈開面ではなく、通常、ダイヤモンド針によるスクライブ又はレーザによるスクライブにより素子の割り出しを行っている。そのため、割り出し方向を傾斜させることはスクライブの方向を変更するだけであるため非常に簡単に傾斜した微小凹凸横端面（左右の端面）１８を持つ素子を作製できる。また、スクライブ面は微小な凹凸を持つ粗面であるため、散乱効果が大きく、漏れ光の散乱に適する。また、微小凹凸横端面１８を傾斜させることにより、直線導波路部１４ａと並行する素子端面を形成できるため、素子の幅を小さくすることができ、素子面積を低減し、低コスト化を図ることが可能となる。本実施形態において、微小凹凸横端面１８は直線導波路部１４ａと並行している装置について説明したが、微小凹凸横端面１８は直線導波路部１４ａと平行であることが好ましい。また、微小凹凸横端面１８と前端面１２の法線とが為す角度は、直線導波路部１４ａと平行であるかどうかに関わらず、曲線導波路部１４ｂにおける漏れ光が前端面１２に到達する前に、微小凹凸横端面１８に散乱され外部に放出されるように、角度と導波路からの距離とを調整することが好ましい。この結果、曲線導波路部１４ｂにおける漏れ光が確実に微小凹凸横端面１８に散乱されて、前端面１２から放射される漏れ光を抑制できる。このため、水平ＦＦＰの乱れを抑制することができる。
第５の実施形態に係る半導体発光装置によると、乱れのない非常に良好な水平ＦＦＰを実現でき且つ素子面積を削減し、低コストのＳＬＤ装置を得られることが可能となる。さらに、高効率な装置を得られることができる。
前記の実施形態では、青色（Ｂ）のＳＬＤ光源について説明したが、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）及びアルミニウムガリウムリン化物（ＡｌＧａＰ）等を用い、材料の組成比及び材料系を変更することにより、赤色（Ｒ）及び緑色（Ｇ）のＳＬＤ光源も得ることができる。ＲＧＢのＳＬＤ光源を用いれば、色再現性の高いＳＬＤディスプレイ及びＲＧＢバックライトによるカラーフィルターレスの液晶表示装置及びモバイルプロジェクタの光源等としても用いることが可能となる。
本発明に係る半導体発光装置は、発光効率を向上し、高指向性、高偏光性及び低可干渉性を備えた高効率の半導体発光装置を得ることができ、青紫色から赤色までの可視域の発光を伴うスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）等に有用である。
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ型ガイド層
４ 活性層（発光層）
５ ｐ型ガイド層
６ キャリアオーバフロー抑制（ＯＦＳ）層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ側電極
９ 配線電極
１０ 誘電体ブロック層
１１ ｎ側電極
１２ 前端面（光出射端面）
１３ 後端面（光反射率面）
１４ リッジ導波路（光導波路）
１４ａ 直線導波路部
１４ｂ 曲線導波路部
１５ 散乱溝
１６ 全反射溝
１７ 光吸収部
１８ 微小凹凸横端面
２ ｎ型クラッド層
３ ｎ型ガイド層
４ 活性層（発光層）
５ ｐ型ガイド層
６ キャリアオーバフロー抑制（ＯＦＳ）層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ側電極
９ 配線電極
１０ 誘電体ブロック層
１１ ｎ側電極
１２ 前端面（光出射端面）
１３ 後端面（光反射率面）
１４ リッジ導波路（光導波路）
１４ａ 直線導波路部
１４ｂ 曲線導波路部
１５ 散乱溝
１６ 全反射溝
１７ 光吸収部
１８ 微小凹凸横端面
Claims (13)
- 基板の上に形成され、発光層を含む複数の半導体層からなる積層構造体を備え、
前記積層構造体は、その上部に設けられたリッジ構造を含む光導波路を有し、
前記光導波路は、前記積層構造体の前端面から後端面まで延伸するように設けられ、前記積層構造体の前端面の法線に対して傾斜して該前端面から延伸している直線導波路部と、前記積層構造体の後端面に垂直に到達する曲線導波路部とを含み、
前記曲線導波路部は、前記光導波路の中心よりも前記積層構造体の後端面側に形成されており、
前記積層構造体における前記直線導波路部の周辺部であって、前記曲線導波路部の接線を前端面方向へ延伸した方向の領域に、前記曲線導波路部からの漏れ光が前記積層構造体の前端面にまで伝搬することを防止する機能部が形成されており、
前記光導波路と前記機能部とが非接触状態にあることを特徴とするスーパールミネッセントダイオード。 - 前記積層構造体の後端面に、複数の誘電体膜が積層された高反射率膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記積層構造体の前端面に、一層又は複数層の誘電体膜である極低反射率膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記機能部は、光を散乱させる散乱溝部であることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記機能部は、光を全反射させる直線状の全反射溝部であることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記直線状の溝部の長手方向の法線と前記直線導波路部の延伸方向とが為す角は、臨界角よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記機能部は、光を吸収する吸収部であることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記積層構造体は、その前端面及び後端面よりも平坦性が低く、前記前端面の法線方向から前記直線導波路部と同じ方向に傾斜して、前記直線導波路部と並行する側面を有することを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記積層構造体の側面は、前記直線導波路部と平行であることを特徴とする請求項８に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記曲線導波路部の曲率半径は、１０００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記直線導波路部と前記積層構造体の前端面の法線とが為す角度は、４°以上且つブリュースタ角以下であることを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体からなる層を含むことを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
- 前記半導体層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII-Ｖ族化合物半導体からなる層を含むことを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
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