JP7182532B2 - 半導体発光素子及び発光装置 - Google Patents

Description

本開示は、半導体発光素子及び発光装置に関する。

レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維などの加工対象素材に対して、制御性良く、クリーンに溶接、切断、改質などをできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点などにより、従来の加工手段より高品質な加工を実現できる。レーザ加工用のレーザ光として半導体発光素子からのレーザ光を直接用いるＤＤＬ（Direct Diode Laser）方式は、（ａ）レーザ光を変換しないため高効率、及び、（ｂ）半導体レーザ材料を選ぶことにより紫外から赤外までのレーザ光で加工が可能という二つの特徴を有する。近年は、特に窒化物半導体（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）を用いた４００ｎｍ帯ＤＤＬが、銅を高効率に加工できる点で注目されている。

一般に半導体レーザ素子などの半導体発光素子の高出力化は、発光部である光導波路（つまり、エミッタ）の幅を広げることで実現され得る。つまり、光導波路の幅を広げることで、光導波路に投入できる電力を増やすことができるため、半導体発光素子の出力を高めることができる。しかしながら、半導体発光素子の発光効率はおよそ３０％～５０％であるため、発光に寄与しない電力は熱になって光導波路の温度を上昇させる。この温度上昇は半導体発光素子に出力熱飽和を生じさせるため、好ましくない。そこで、１チップ上（言い換えればひとつの基板上）に光導波路を複数並べたアレイ構造（マルチエミッタとも呼ばれる）が用いられる。

この場合、複数の光導波路からそれぞれ出射された複数のレーザ光を加工に用いるためには、複数のレーザ光をひとつのビームに纏めなければならない。複数のレーザ光を一つのビームに纏める手法の一つとして、波長合成法が知られている。この手法は同一光軸上にすべてのレーザ光を集めるものであり、合成されたレーザ光のビーム品質が高いという特徴を有する。

ここで、波長合成法の原理について述べる。周期ｄを有する回折格子にＮ本のレーザ光が入射するとき、各レーザ光の波長をλｉ、入射角をθｉ（ｉ＝１，２,・・・，Ｎ）として、以下の式１が満たされれば、Ｎ本レーザ光のすべてが同一出射角θｏ方向に出射することが、一般的な回折現象として導かれる。

ｄ（ｓｉｎθｉ＋ｓｉｎθｏ）＝ｍλｉ ｍ：ゼロを除く整数 （式１）

すなわち、ビーム品質を劣化させることなく、複数のレーザ光を同軸上に合成可能である。

波長合成法では、外部共振器と組み合わせることで、複数のレーザ光に対して、強制的に式１を満足させるように作用する。例えば、アレイ構造の各光導波路の利得最大波長が、式１で示されるλｉにほぼ等しくてもよい。これにより、高効率かつ高出力発振を実現できる。

このような波長合成法に関連して以下２つの先行技術がある。

まず、第１の先行技術として、半導体レーザアレイの複数の光導波路の各々の利得最大波長を変える手段が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された半導体レーザアレイは、前述の窒化物半導体を用いた半導体発光素子の一例である。特許文献１に記載された半導体レーザアレイでは、活性層におけるＩｎ組成比を変調するための凹部を基板に形成し、当該基板上に半導体レーザアレイの各層（ＩｎＧａＮ活性層、ＡｌＧａＮクラッド層など）を結晶成長させる。この溝から離れるほどＩｎが増え、活性層のバンドギャップが小さくなる。この結果、凹部から距離Ｄだけ離れた位置に形成されるリッジ（つまり、光導波路）に含まれるＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比は、距離Ｄの違いにより異なる。半導体レーザの利得最大波長はおよそ活性層のバンドギャップで決まるので、距離Ｄを変えることによって利得最大波長を変えることができる。すなわち、アレイ構造において、光導波路とＩｎ組成比変調用の凹部との距離Ｄを光導波路ごとに変え、各光導波路の利得最大波長を式１の波長λ_ｉに設定しておけば、高効率かつ高出力な波長合成を実現することが可能である。

半導体レーザアレイにおいて、素子内の温度分布（例えば、素子の中央と端部とでは放熱特性が異なる）、環境温度、レーザ動作状態の変化などに起因して、各光導波路の活性層の温度が変化する。この結果、バンドギャップが変化し、利得最大波長が、式１の波長λ_ｉからずれてしまう。つまり、利得が低い状態でレーザ発振させるため効率や出力が低下してしまう。このため、ひとつの光導波路の活性層内でバンドギャップを分布させて、高い利得を有する波長幅を広げてもよい。この手法の一例として、特許文献２では１本の光導波路から１本のＩｎ組成比変調用の凹部までの距離を連続的に変化させる手法が開示されている。この場合、光導波路の共振器の長手方向の一方側のバンドギャップが大きくなり、他方側のバンドギャップは小さくなる。

特開２０１１－２１０８８５号公報 特許第５５９５４８３号公報

上記の各先行技術に対して、キャリア（つまり、電子及び正孔）の分布の点で以下の課題がある。

この課題について、図１８を用いて説明する。図１８は、先行技術の半導体発光素子９１０の構成、活性層９１３中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。図１８の前面図（ａ）には、半導体発光素子９１０のレーザ光出射端面が示されている。また、グラフ（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれ、半導体発光素子９１０のレーザ光の出射方向（つまり、レーザ光の共振方向）に垂直な方向（光導波路９２０の幅方向）の位置に対する活性層９１３中のＩｎ組成比、及び、エネルギーバンドの分布が示されている。グラフ（ｃ）中には、伝導帯端のエネルギーＥｃ、及び価電子帯端のエネルギーＥｖが示されている。伝導帯端のエネルギーＥｃと価電子帯端のエネルギーＥｖとの差がバンドギャップＥｇを表す。

簡単のため、図１８には、半導体発光素子９１０の構成要素のうち、ｎ－ＧａＮからなる基板９１１、ｎ－ＡｌＧａＮからなる下方クラッド層９１２、ＩｎＧａＮからなる活性層９１３、ｐ－ＡｌＧａＮからなる上方クラッド層９１４、下方電極９１５、及び、上方電極９３０のみ示されている。

図１８に示される光導波路９２０に光及び電流が閉じ込められ、レーザ発振が起こる。光導波路９２０の側方には、基板９１１の主面に形成されたＩｎ組成比変調用の凹部９４０が配置され、光導波路の幅方向の中央から凹部９４０の幅方向の中央までの距離Ｄに応じて、光導波路内のＩｎ組成比が変わる。加工用の半導体発光素子９１０の光導波路９２０においては、高出力動作が必要とされるため、光導波路９２０の幅Ｗは広い。このため、光導波路９２０のレーザ光の出射方向（つまり、共振方向）に垂直な方向においては、図１８のグラフ（ｂ）に示されるようにＩｎ組成比が、位置に応じて変化する。より具体的には、凹部９４０に近いほど、Ｉｎ組成比が小さい。この結果、光導波路９２０のレーザ光の出射方向に垂直な方向において、バンドギャップＥｇは、凹部９４０に近い側で大きく、遠い側で小さくなる。このため、仮に図１８の前面図（ａ）に示されるように、幅の広い上方電極９３０から均一に電流が注入されると、上述したＥｇの差により、電子及び正孔はバンドギャップＥｇが小さい領域に集まってしまう（図１８のグラフ（ｃ）参照）。したがって、レーザ光もバンドギャップが小さい領域に集まるため、光密度が上がり劣化（端面破壊など）しやすくなるため、高出力動作に適さない。

そこで本開示では、光導波路において、バンドギャップが小さい領域にキャリアが集まることを抑制できる半導体発光素子など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、本開示に係る半導体発光素子の一態様は、第１レーザ光を出射する半導体発光素子であって、主面を有し、前記主面に前記第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部が形成された基板と、前記主面の上方に配置され、活性層、及び、前記活性層の上方に積層された上方クラッド層を含む積層構造体と、前記積層構造体の上方に配置され、前記出射方向に延びる第１上方電極とを備え、前記積層構造体は、前記主面の上面視において前記第１凹部の側方に配置され、前記第１レーザ光を導波する第１光導波路を有し、前記第１上方電極は、前記第１光導波路の上方において、前記第１凹部寄りに配置される。

このように、第１光導波路上において、第１上方電極が第１凹部寄りに配置されることで、第１上方電極から注入された電流は、第１上方電極付近においては、第１光導波路の第１凹部側に集中する。一方、第１光導波路において、バンドギャップは、第１凹部から遠い側において小さくなるため、キャリアは、第１凹部から遠い側に集まろうとする。このように、第１光導波路において、第１上方電極による電流分布によって、バンドギャップ分布によるキャリア集中が抑制される。したがって、キャリア分布が第１光導波路の幅方向の全体に広がる。その結果、第１レーザ光のバンドギャップが小さい領域への集中が抑制される。このため、第１光導波路における光密度が下がり、半導体発光素子の劣化が生じにくくなる。よって、高出力動作に適した半導体発光素子を実現できる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記第１光導波路の幅方向の中心軸から、前記第１凹部の幅方向の中心軸までの距離は、前記出射方向の位置に対して変調されていてもよい。

これにより、例えば、活性層がＩｎＧａＮを含む場合、第１光導波路から第１凹部までの距離に応じて、活性層内のＩｎ組成比が変化するため、バンドギャップも変化する。この結果、キャリアがバンドギャップの大きい領域にも存在するようになるため、広いエネルギー範囲での再結合が可能になり、発振波長範囲（つまり、利得範囲）も広がる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記第１凹部の前記主面からの深さは、前記出射方向の位置に対して変調されていてもよい。

これにより、例えば、活性層がＩｎＧａＮを含む場合、第１凹部の主面からの深さに応じて、活性層内のＩｎ組成比が変化するため、バンドギャップも変化する。この結果、キャリアがバンドギャップの大きい領域にも存在するので、広いエネルギー範囲での再結合が可能になり、発振波長範囲も広がる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記第１上方電極の幅Ｅと、前記第１光導波路の幅Ｗと、前記第１上方電極から前記活性層までの距離Ｔと、前記第１上方電極の前記第１凹部側端から前記第１光導波路の前記第１凹部側端までの距離Ｓとの間に、Ｅ＜Ｗ－Ｔ－Ｓの関係が成り立ってもよい。

これにより、第１上方電極から注入される電流をより確実に第１凹部側に集中させることができる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記第１上方電極の幅は、前記第１光導波路の幅の半分以下であってもよい。

これにより、第１上方電極から注入される電流をより確実に第１凹部側に集中させることができる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記第１上方電極は、前記第１光導波路の幅方向の中心軸より前記第１凹部寄りに配置されてもよい。

これにより、第１上方電極から注入される電流をより確実に第１凹部側に集中させることができる。

また、本開示に係る半導体発光素子において、前記活性層は、ＩｎＧａＮを含んでもよい。

このように、活性層がＩｎＧａＮを含むことにより、第１凹部からの距離に応じて、Ｉｎ組成比、つまり、バンドギャップを変化させることができる。

また、本開示に係る半導体発光素子は、第２レーザ光をさらに出射し、前記積層構造体の上方に配置され、前記出射方向に延びる第２上方電極をさらに備え、前記主面には、前記出射方向に延びる第２凹部が形成されており、前記積層構造体は、前記主面の上面視において前記第２凹部の側方に配置され、前記第２レーザ光を導波する第２光導波路を有し、前記第２上方電極は、前記第２光導波路の上方において、前記第２凹部寄りに配置されてもよい。

これにより、第１レーザ光及び第２レーザ光を出射できる半導体レーザアレイを実現できる。

また、上記課題を解決するために、本開示に係る発光装置は、前記半導体発光素子と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光が入射する回折格子とを備える発光装置であって、前記第１光導波路の中心軸から、前記第１凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、前記第２光導波路の中心軸から、前記第２凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値より小さく、前記第１レーザ光の前記回折格子への入射角は、前記第２レーザ光の前記回折格子への入射角より小さい。

これにより、第１レーザ光の方が第２レーザ光より短波長となるため、回折格子により、第１レーザ光及び第２レーザ光を波長合成することができる。したがって、高出力の発光装置を実現できる。

また、上記課題を解決するために、本開示に係る発光装置は、前記半導体発光素子と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光が入射する回折格子とを備える発光装置であって、前記第１凹部の深さの平均値は、前記第２凹部の深さの平均値より大きく、前記第１レーザ光の前記回折格子への入射角は、前記第２レーザ光の前記回折格子への入射角より小さい。

これにより、第１レーザ光の方が第２レーザ光より短波長となるため、回折格子により、第１レーザ光及び第２レーザ光を波長合成することができる。したがって、高出力の発光装置を実現できる。

本開示によれば、光導波路において、バンドギャップが小さい領域にキャリアが集まることを抑制できる半導体発光素子などを提供できる。

図１は、実施の形態１に係る半導体発光素子の共振方向に垂直な方向における構成、活性層中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。 図２は、実施の形態１に係る半導体発光素子の共振方向における構成、活性層中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第１上方電極の構成を示す模式的な前面図である。 図４は、実施の形態２に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な斜視図である。 図５Ａは、実施の形態２に係る半導体発光素子の各光導波路と、各凹部との間の最大距離及び最小距離の関係を示す模式的な上面図である。 図５Ｂは、実施の形態２に係る半導体発光素子の各光導波路と、各凹部との間の距離の平均値の関係を示す模式的な上面図である。 図６は、実施の形態２に係る各光導波路の幅方向の中心軸と、各凹部の幅方向の中心軸との距離の関係を示す図である。 図７は、実施の形態２に係る各光導波路の幅方向の中心軸と、各凹部の幅方向の中心軸との間の距離Ｄと、各光導波路における発振波長λとの関係の一例を示すグラフである。 図８は、実施の形態２に係る発光装置の構成の概要を示す模式図である。 図９は、実施の形態２に係る回折格子によって、波長合成し得る各レーザ光の波長と、回折格子への入射角との関係を示すグラフである。 図１０Ａは、実施の形態２に係る半導体発光素子の製造方法の第１工程を示す模式的な斜視図である。 図１０Ｂは、実施の形態２に係る半導体発光素子の製造方法の第２工程を示す模式的な斜視図である。 図１０Ｃは、実施の形態２に係る半導体発光素子の製造方法の第３工程を示す模式的な斜視図である。 図１０Ｄは、実施の形態２に係る半導体発光素子の製造方法の第４工程を示す模式的な斜視図である。 図１１Ａは、ＧａＮ結晶におけるｃ面を示す模式図である。 図１１Ｂは、ＧａＮ結晶におけるｍ面を示す模式図である。 図１１Ｃは、ＧａＮ結晶におけるａ面を示す模式図である。 図１２は、実施の形態２の変形例１に係る半導体発光素子の構成を示す上面図である。 図１３は、実施の形態２の変形例２に係る半導体発光素子の構成を示す上面図である。 図１４は、実施の形態２の変形例３に係る半導体発光素子の構成を示す上面図である。 図１５Ａは、実施の形態３に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な上面図である。 図１５Ｂは、実施の形態３に係る半導体発光素子の第１凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１５Ｃは、実施の形態３に係る半導体発光素子の第２凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１５Ｄは、実施の形態３に係る半導体発光素子の第３凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１６Ａは、実施の形態４に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な上面図である。 図１６Ｂは、実施の形態４に係る半導体発光素子の第１凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１６Ｃは、実施の形態４に係る半導体発光素子の第２凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１６Ｄは、実施の形態４に係る半導体発光素子の第３凹部の構造を示す模式的な断面図である。 図１７は、実施の形態５に係る半導体発光素子の構成を示す模式的な前面図である。 図１８は、先行技術の半導体発光素子の構成、活性層中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。 図１９は、比較例の半導体発光素子の構成、活性層中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。

また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る半導体発光素子について説明する。

［１－１．構成］
まず、本実施の形態に係る半導体発光素子の構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子１０の共振方向に垂直な方向における構成、活性層１３中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。図１の前面図（ａ）には、半導体発光素子１０の共振方向の端面が示されている。また、グラフ（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれ、半導体発光素子１０の共振方向に垂直な方向（第１光導波路２０の幅方向）の位置に対する活性層１３中のＩｎ組成比、及び、エネルギーバンドの分布が示されている。図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子１０の共振方向における構成、活性層１３中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。図２の上面図（ａ）には、半導体発光素子１０が備える基板１１の主面１１ｓの上面視における半導体発光素子１０の模式図が示されている。また、グラフ（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれ、半導体発光素子１０の共振方向の位置に対する活性層１３中のＩｎ組成比、及び、エネルギーバンドの分布が示されている。

本実施の形態に係る半導体発光素子１０は、第１レーザ光を出射する素子である。図１の前面図（ａ）に示されるように、半導体発光素子１０は、基板１１と、積層構造体１０Ｓと、第１上方電極３０と、下方電極１５とを備える。

基板１１は、積層構造体１０Ｓが積層される板状部材である。基板１１は、主面１１ｓを有し、主面１１ｓに第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部４０が形成されている。本実施の形態では、基板１１は、ｎ－ＧａＮ基板である。

第１凹部４０は、図１に示されるように、基板１１の主面１１ｓに形成された凹状の段差部である。つまり、第１凹部４０は、基板１１の主面１１ｓから凹んだ部分である。本実施の形態では、第１凹部４０は、溝状の形状を有するが、階段状の形状を有してもよい。例えば、図１において、第１凹部４０の底面の右側に配置される側壁がなく、第１光導波路２０側から右側に階段状に形成された段差部であってもよい。本実施の形態では、第１凹部４０の幅は、４μｍであり、深さは、２μｍである。

このような第１凹部４０が形成されることにより、第１凹部４０の幅方向の中央、及び、第１凹部４０から離れた位置にある活性層１３の領域においては、Ｉｎ組成比が高くなり、第１凹部４０の幅方向の端部周辺では、Ｉｎ組成比が低くなる。これは、基板１１の主面１１ｓが一般にＧａＮ結晶のｃ面であり、ｃ面上には、ＩｎＧａＮ層が積層されやすく、それ以外の面（基板１１の主面１１ｓと第１凹部４０の底面とを繋ぐ面など）には、積層されにくいことに起因する。

積層構造体１０Ｓは、基板１１の主面１１ｓの上方に配置された半導体積層体である。積層構造体１０Ｓは、活性層１３、及び、活性層１３の上方に積層された上方クラッド層１４を含む。本実施の形態では、積層構造体１０Ｓは、下方クラッド層１２をさらに含む。なお、積層構造体１０Ｓは、バッファ層、光ガイド層、電子オーバーフロー抑制層、コンタクト層などの他の半導体層をさらに含んでもよい。

積層構造体１０Ｓは、図２の上面図（ａ）に示されるように、基板１１の主面１１ｓの上面視において第１凹部４０の側方（図２の下方）に配置され、第１レーザ光を導波する第１光導波路２０を有する。本実施の形態では、第１光導波路２０の幅（つまり、図１における水平方向の寸法）は、３０μｍである。また、第１光導波路２０の第１レーザ光の出射方向における長さは、１２００μｍである。

下方クラッド層１２は、基板１１の上方に配置される第１導電型の半導体層である。本実施の形態では、第１導電型はｎ型であり、下方クラッド層１２は、ｎ－ＡｌＧａＮ層である。

活性層１３は、下方クラッド層１２の上方に配置される発光層である。本実施の形態では、活性層１３は、ＩｎＧａＮを含む。

上方クラッド層１４は、活性層１３の上方に配置される第２導電型の半導体層である。第２導電型は、第１導電型と異なる導電型である。本実施の形態では、第２導電型は、ｐ型であり、上方クラッド層１４は、ｐ－ＡｌＧａＮ層である。上方クラッド層１４には、第１レーザ光の出射方向に延びるリッジが形成されており、当該リッジによって第１光導波路２０が形成される。

第１上方電極３０は、積層構造体１０Ｓの上方に配置され、第１レーザ光の出射方向に延びる電極である。第１上方電極３０は、第１光導波路２０の上方において、第１凹部４０寄りに配置される。言い換えると、第１上方電極３０の幅方向（図１の水平方向）における中心位置は、第１光導波路２０の幅方向（図１の水平方向）における中心位置より、第１凹部４０に近い。第１上方電極３０は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属材料を用いて形成される。

第１上方電極３０は、一定の幅を有する長尺状の形状を有する。より具体的には、第１上方電極３０は、長方形状の形状を有し、短辺方向の長さが１４μｍで一定で、長辺方向の長さが、半導体発光素子１０の第１光導波路２０の長さと同等である。

下方電極１５は、基板１１の下方に配置される電極である。下方電極１５は、基板１１の主面１１ｓの裏側の主面に配置される。下方電極１５は、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属材料を用いて形成される。

本実施の形態に係る半導体発光素子１０は、上述したような積層構造体１０Ｓを備えることによって、発光素子に必要なダブルヘテロ構造を形成している。

［１－２．作用及び効果］
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１０の作用及び効果について説明する。

本実施の形態に係る半導体発光素子１０では、図２に示されるように、積層構造体１０Ｓは、基板１１の主面１１ｓの上面視において第１凹部４０の側方に配置される。また、図１に示されるように、半導体発光素子１０は、第１レーザ光を導波する第１光導波路２０を有し、第１上方電極３０は、第１光導波路２０の上方において、第１凹部４０寄りに配置される。

このように、第１上方電極３０が、第１凹部４０寄りに配置されることで、第１上方電極３０から注入された電流は、図１の前面図（ａ）に示されるように、第１上方電極３０付近においては、第１光導波路２０の第１凹部４０側に集中する。一方、第１光導波路２０において、バンドギャップは、図１のグラフ（ｃ）に示されるように、第１凹部４０から遠い側において小さくなり、キャリア（つまり、電子及び正孔）は、第１凹部４０から遠い側に集まろうとする。このように、第１光導波路２０において、第１上方電極３０による電流分布によって、バンドギャップ分布によるキャリア集中が抑制される。言い換えると、バンドギャップ分布に起因するキャリアの集中効果と、第１上方電極３０の配置に起因する電流集中効果とが少なくとも部分的には相殺する。したがって、キャリア分布が第１光導波路２０の幅方向の全体に広がる。その結果、第１レーザ光のバンドギャップが小さい領域への集中が抑制される。このため、第１光導波路２０における光密度が下がり、半導体発光素子１０の劣化が生じにくくなる。よって、高出力動作に適した半導体発光素子１０を実現できる。

また、本実施の形態に係る半導体発光素子１０では、図２の上面図（ａ）に示されるように、第１光導波路２０の幅方向の中心軸から、第１凹部４０の幅方向の中心軸までの距離は、第１レーザ光の出射方向の位置に対して変調されている。より詳しくは、第１光導波路２０の幅方向の中心軸から、第１凹部４０の幅方向の中心軸までの距離は、第１レーザ光の出射方向の位置に対して、最小値Ｄｍｉｎから最大値Ｄｍａｘまでの間で周期的に変調されている。ここで、第１光導波路２０の幅方向の中心軸とは、半導体発光素子１０の基板１１の主面１１ｓの上面視において、第１光導波路２０の幅方向の中心となる位置を結んだ線（図２の上面図（ａ）の第１光導波路２０内に示される一点鎖線）を意味する。また、第１凹部４０の幅方向の中心軸とは、半導体発光素子１０の基板１１の主面１１ｓの上面視において、第１凹部４０の幅方向の中心となる位置を結んだ線（図２の上面図（ａ）の第１凹部４０内に示される一点鎖線）を意味する。

第１凹部４０は、基板１１の主面１１ｓの上面視において、第１レーザ光の出射方向（つまり、共振方向）の位置に対して、周期的な矩形波状に蛇行しており、基板１１の第１レーザ光の出射方向における一方の端面から他方の端面まで連続して形成されている。本実施の形態に係るこのような構成の効果について、比較例と比較しながら図１９を用いて説明する。

図１９は、比較例の半導体発光素子９１０ａの構成、活性層中のＩｎ組成比分布、及び、エネルギーバンド分布を示す模式図である。図１９の上面図（ａ）には、半導体発光素子９１０ａが備える基板９１１ａの主面の上面視における半導体発光素子９１０ａの模式図が示されている。また、グラフ（ｂ）及び（ｃ）には、それぞれ、半導体発光素子９１０ａのレーザ光の出射方向（レーザ光の共振方向）の位置に対する活性層中のＩｎ組成比、及び、エネルギーバンドの分布が示されている。

比較例の半導体発光素子９１０ａは、上記特許文献２に記載された半導体発光素子と同様の構成を有する。つまり、図１９の上面図（ａ）に示されるように、光導波路９２０からＩｎ組成比変調用の凹部９４０ａまでの距離が、レーザ光の出射方向（つまり、共振方向）に対して連続的に変化している点以外は、図１８に示される先行技術の半導体発光素子と同様の構成を有する。これにより、図１９のグラフ（ｂ）に示されるように、レーザ光の出射方向において、光導波路９２０における活性層のＩｎ組成比は、レーザ光の出射方向における一方端（図１９の左端）で高く、他方端（図１９の右端）で低くなる。これに伴い、図１９のグラフ（ｃ）に示されるように、バンドギャップは、レーザ光の出射方向における一方端で小さく、他方端で大きくなる。

このため、図１９のグラフ（ｃ）に示されるように、キャリアはバンドギャップが小さい領域に集まる。このため、バンドギャップの小さいところの誘導放出が多くなるため、発振波長範囲（つまり、利得波長幅）は広がらない。

これに対して、本実施の形態では、活性層１３がＩｎＧａＮを含み、図２の上面図（ａ）に示されるように、第１光導波路２０の幅方向の中心軸から、第１凹部４０の幅方向の中心軸までの距離が、第１レーザ光の出射方向の位置に対して変調される。これにより、図２のグラフ（ｂ）に示されるように、第１光導波路２０の中心軸から第１凹部４０の中心軸までの距離に応じて、活性層１３内のＩｎ組成比が変化する。このため、図２のグラフ（ｃ）に示されるように、活性層１３のバンドギャップも変化する。この結果、バンドギャップが、第１レーザ光の出射方向の位置に対して変調されるため、キャリアがバンドギャップの大きい領域にも存在するようになる。このため、広いエネルギー範囲での再結合が可能になり、発振波長範囲（つまり、利得範囲）も広がる。

続いて、上述したような作用及び効果をより確実に得るために必要な第１上方電極３０の寸法の条件について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子１０の第１上方電極３０の構成を示す模式的な前面図である。

図３に示されるように、第１光導波路２０上の第１上方電極３０から注入された正孔は、活性層１３に向かうが、すべての正孔が図３の上方から下方に最短距離で到達するのでなく、正孔の進行方向（つまり、電流の進行方向）は、図３に点線矢印で示されるように所定の拡がり角の範囲内に分散している。これに伴い、正孔の注入領域は、第１上方電極３０の幅より広がる。この幅の第１上方電極３０の幅からの増加量は、およそ第１上方電極３０から活性層１３までの距離Ｔと等しい。したがって、第１上方電極３０の幅Ｅと、第１光導波路２０の幅Ｗと、第１上方電極３０から活性層１３までの距離Ｔと、第１上方電極の第１凹部４０側端から第１光導波路２０の第１凹部４０側端までの距離Ｓとの間に、以下の式２が成り立ってもよい。

Ｗ＞Ｔ＋Ｅ＋Ｓ （式２）

つまり、以下の式３が成り立ってもよい。

Ｅ＜Ｗ－Ｔ－Ｓ （式３）

本実施の形態では、Ｗ＝３０μｍ、Ｔ＝１μｍ、Ｓ＝１μｍであることから、Ｗ－Ｔ－Ｓ＝２８μｍとなる。また、Ｅ＝１４μｍであるから、上記式２及び式３が成り立つ。したがって、本実施の形態では、上記作用及び効果を確実に得ることができる。

また、本実施の形態のように、第１上方電極３０の幅Ｅは、第１光導波路２０の幅Ｗの半分以下であってもよい。また、第１上方電極３０は、第１光導波路２０の幅方向の中心軸より第１凹部４０寄りに配置されてもよい。言い換えると、第１上方電極３０は、第１光導波路２０の幅方向の中心軸と、第１光導波路２０の第１凹部４０側の端との間に配置されてもよい。上記各構成によって、第１上方電極３０から注入される電流をより確実に第１凹部４０側に集中させることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体発光素子及び発光装置について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、複数の光導波路を備え、各光導波路から互いに異なる波長のレーザ光を出射する点において、実施の形態１に係る半導体発光素子１０と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１０との相違点を中心に説明する。

［２－１．半導体発光素子の構成］
まず、本実施の形態に係る半導体発光素子の構成について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０の構成を示す模式的な斜視図である。本実施の形態に係る半導体発光素子１１０は、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を出射する。図４に示されるように、半導体発光素子１１０は、基板１１１と、積層構造体１１０Ｓと、第１上方電極３１と、第２上方電極３２と、第３上方電極３３と、下方電極１５とを備える。また、半導体発光素子１１０は、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の出射方向に端面１１０Ｆ及び１１０Ｒを有する。

基板１１１は、積層構造体１１０Ｓが積層される板状部材である。基板１１１は、主面１１１ｓを有し、主面１１１ｓに第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部４１、第２凹部４２、及び第３凹部４３が形成されている。第１凹部４１、第２凹部４２、及び第３凹部４３の各々は、実施の形態１に係る第１凹部４０と同様の構成を有する。第１凹部４１、第２凹部４２、及び第３凹部４３の深さは、等しく、長手方向において一様である。

積層構造体１１０Ｓは、基板１１１の主面１１１ｓの上方に配置された半導体積層体である。積層構造体１１０Ｓは、基板１１１の主面１１１ｓの上面視において第１凹部４１、第２凹部４２、及び第３凹部４３の側方にそれぞれ配置される第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３を有する。第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３は、それぞれ、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を導波する。

積層構造体１１０Ｓは、活性層１３、及び、活性層１３の上方に積層された上方クラッド層１１４を含む。本実施の形態では、積層構造体１１０Ｓは、下方クラッド層１２をさらに含む。本実施の形態に係る上方クラッド層１１４には、第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３に対応する三つのリッジが形成されている点において、実施の形態１に係る上方クラッド層１４と相違し、その他の点において一致する。

第１上方電極３１、第２上方電極３２、及び第３上方電極３３は、それぞれ、積層構造体１１０Ｓの上方に配置され、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の出射方向に延びる電極である。第１上方電極３１は、第１光導波路２１の上方において、第１凹部４１寄りに配置される。第２上方電極３２は、第２光導波路２２の上方において、第２凹部４２寄りに配置される。第３上方電極３３は、第３光導波路２３の上方において、第３凹部４３寄りに配置される。第１上方電極３１、第２上方電極３２、及び第３上方電極３３の各々は、実施の形態１に係る第１上方電極３０と同様の構成を有する。

ここで、各光導波路と、各凹部との位置関係について、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０の各光導波路と、各凹部との間の最大距離及び最小距離の関係を示す模式的な上面図である。図５Ｂは、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０の各光導波路と、各凹部との間の距離の平均値の関係を示す模式的な上面図である。図５Ａ及び図５Ｂには、半導体発光素子１１０の基板１１１の主面１１１ｓの上面視における模式図が記載されている。

図５Ａに示されるように、第１光導波路２１の幅方向の中心軸から、第１凹部４１の幅方向の中心軸までの距離は、第１レーザ光の出射方向の位置に対して、最小値Ｄｍｉｎ１から最大値Ｄｍａｘ１までの間で周期的に変調されている。また、第２光導波路２２の幅方向の中心軸から、第２凹部４２の幅方向の中心軸までの距離は、第２レーザ光の出射方向の位置に対して、最小値Ｄｍｉｎ２から最大値Ｄｍａｘ２までの間で周期的に変調されている。また、第３光導波路２３の幅方向の中心軸から、第３凹部４３の幅方向の中心軸までの距離は、第３レーザ光の出射方向の位置に対して、最小値Ｄｍｉｎ３から最大値Ｄｍａｘ３までの間で周期的に変調されている。

本実施の形態に係る各最小値ＤｍｉｎＮ、各最大値ＤｍｉｎＮ、及び、各光導波路の幅方向の中心軸から各凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値ＤａｖｅＮを図６に示す（Ｎ＝１，２，３）。図６は、本実施の形態に係る各光導波路の幅方向の中心軸と、各凹部の幅方向の中心軸との距離の関係を示す図である。

図５Ａ及び図６に示されるように、最小値Ｄｍｉｎ１は、最小値Ｄｍｉｎ２より小さく、最小値Ｄｍｉｎ２は、最小値Ｄｍｉｎ３より小さい。また、最大値Ｄｍａｘ１は、最大値Ｄｍａｘ２より小さく、最大値Ｄｍａｘ２は、最大値Ｄｍａｘ３より小さい。

図５Ｂ及び図６に示されるように、第１光導波路２１の幅方向の中心軸から、第１凹部４１の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ１は、第２光導波路２２の幅方向の中心軸から、第２凹部４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ２より小さい。また、平均値Ｄａｖｅ２は、第３光導波路２３の幅方向の中心軸から、第３凹部４３の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ３より小さい。

なお、第２光導波路２２の幅方向の中心軸から、第１凹部４１の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、第２光導波路２２における活性層１３のバンドギャップへの第１凹部４１に起因する影響を無視できる程度に十分大きい。また、第３光導波路２３の幅方向の中心軸から、第２凹部４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、第３光導波路２３における活性層１３のバンドギャップへの第２凹部４２に起因する影響を無視できる程度に十分大きい。言い換えると、第１光導波路２１の幅方向の中心軸から、第１凹部４１の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ１は、第１光導波路２１の幅方向の中心軸から、第１凹部４１以外の他の凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値より十分に小さい。また、第２光導波路２２の幅方向の中心軸から、第２凹部４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ２は、第２光導波路２２の幅方向の中心軸から、第２凹部４２以外の他の凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値より十分に小さい。また、第３光導波路２３の幅方向の中心軸から、第３凹部４３の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ３は、第３光導波路２３の幅方向の中心軸から、第３凹部４３以外の他の凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値より十分に小さい。

本実施の形態に係る半導体発光素子１１０においては、上述した構成を有することにより、各光導波路におけるバンドギャップを異ならせることができる。本実施の形態に係る各レーザ光の波長について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る各光導波路の幅方向の中心軸と、各凹部の幅方向の中心軸との間の距離Ｄと、各光導波路における発振波長λとの関係の一例を示すグラフである。なお、図７に示される関係は、一例であり、このような関係は、例えば積層構造体１１０Ｓの成長条件などに応じて変化し得る。図７に示されるように、本実施の形態では、第１レーザ光として発振可能な波長λ１は４０４±２ｎｍ程度となり、第２レーザ光として発振可能な波長λ２は４１１±２ｎｍ程度となり、第３レーザ光として発振可能な波長λ３は４１６±２ｎｍ程度となる。このように、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０によれば、互いに波長の異なる第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を出射できる。また、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の各々のパワーは、３Ｗ程度となる。

［２－２．発光装置の構成］
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０を備える発光装置について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係る発光装置１０１の構成の概要を示す模式図である。

発光装置１０１は、半導体レーザアレイとして半導体発光素子１１０を用い、回折格子を用いて波長合成を行う外部共振型波長合成光学系を備える装置である。発光装置１０１は、図８に示されるように、半導体発光素子１１０と、コリメートレンズアレイ８２と、集光レンズ８４と、回折格子８６と、出力カプラ８８とを備える。

半導体発光素子１１０のリア側の端面１１０Ｒは、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光に対する高反射面を形成する。例えば、端面１１０Ｒには、誘電体多層膜などからなる高反射膜が形成されていてもよい。半導体発光素子１１０のフロント側の端面１１０Ｆは、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の反射が抑制されている端面である。例えば、端面１１０Ｆには、誘電体多層膜などからなる反射防止膜が形成されていてもよい。

コリメートレンズアレイ８２は、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の各々をコリメートするレンズアレイである。

集光レンズ８４は、コリメートレンズアレイ８２からの平行光を回折格子８６上に集光するレンズである。

回折格子８６は、半導体発光素子１１０から出射された第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光が入射し、これらのレーザ光を波長合成する光学素子である。図８では、回折格子８６として、反射型の回折格子が用いられる構成例が示されているが、回折格子８６として透過型の回折格子が用いられてもよい。

出力カプラ８８は、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の一部を反射し、一部を透過させる反射器である。本実施の形態では、出力カプラ８８と、半導体発光素子１１０のリア側の端面１１０Ｒとの間で外部共振器が形成される。

ここで、各レーザ光の波長と、回折格子８６への入射角との関係について図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態に係る回折格子８６によって、波長合成し得る各レーザ光の波長と、回折格子８６への入射角との関係を示すグラフである。図９においては、回折格子８６からのレーザ光の出射角θｏを２０度と設定し、かつ、回折格子８６の溝数を１１００［本／ｍｍ］、１２００［本／ｍｍ］、及び１３００［本／ｍｍ］と設定した場合のレーザ光の波長と回折格子８６への入射角との関係が示されている。図９に示されるように、回折格子８６の単位長さあたりの溝数（周期ｄの逆数）を、１２００［本／ｍｍ］とすると、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光の回折格子８６への入射角θ１、θ２、及びθ３が、それぞれ、５５．８度、５６．６度、及び５７．３度である。場合に、波長合成できる。

以上のように、本実施の形態では、第１光導波路２１の中心軸から、第１凹部４１の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ１は、第２光導波路２２の中心軸から、第２凹部４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ２より小さく、平均値Ｄａｖｅ２は、第３光導波路２３の中心軸から、第３凹部４３の幅方向の中心軸までの距離の平均値Ｄａｖｅ３より小さい。また、第１レーザ光の回折格子８６への入射角θ１は、第２レーザ光の回折格子８６への入射角θ２より小さく、第２レーザ光の回折格子８６への入射角θ２は、第３レーザ光の回折格子８６への入射角θ３より小さい（つまり、θ１＜θ２＜θ３）。

これにより、第１レーザ光の方が第２レーザ光より短波長となり、第２レーザ光の方が第３レーザ光より短波長となるため、回折格子８６により、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を波長合成することができる。したがって、高出力の発光装置１０１を実現できる。

発光装置１０１の半導体発光素子１１０において、各光導波路から５Ｗのレーザ光が出射されように、各上方電極に電流を供給したところ、出射角θｏ＝２０度の方向に、強いレーザ光が得られた。このレーザ光のパワーは、１１Ｗ、ビーム品質ＢＰＰ（ビームプロダクト積）は、１．６［ｍｍ・ｍｒａｄ］であり、高出力、かつ、高ビーム品質のレーザ光が得られた。比較実験のため、入射角をθ１＞θ２＞θ３としたところ、発光装置から得られるレーザ光は６Ｗ程度であった。これは、外部共振器によって定まる発振波長帯域と、各光導波路におけるゲインが高い波長帯域とにずれが生じたことに起因すると考えられる。

なお、本実施の形態では、３本の光導波路を有する半導体発光素子１１０を用いたが、光導波路の本数は、３本に限定されず、数百本程度の光導波路を有する半導体発光素子、及び、そのような半導体発光素子からの数百のレーザ光を波長合成可能な回折格子も実現可能である。したがって、このような半導体発光素子及び回折格子を用いることで数百ワットクラスの発光装置も実現可能である。

［２－３．製造方法］
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０の製造方法について、図１０Ａ～図１０Ｄを用いて説明する。図１０Ａ～図１０Ｄは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０の製造方法の第１工程～第４工程を示す模式的な斜視図である。

まず、図１０Ａに示されるように、ｎ－ＧａＮからなる基板１１１の主面１１１ｓに、第１凹部４１、第２凹部４２、第３凹部４３を形成する。これらの各凹部の形成には、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチを用いることができる。各凹部と隣り合う凹部との間隔は、非等間隔である。具体的には、第１凹部４１の幅方向の中心軸と、第２凹部４２の幅方向の中心軸との距離の平均値は、第２凹部４２の幅方向の中心軸と、第３凹部４３の幅方向の中心軸との距離の平均値より小さい。

なお、基板１１１を準備する際には、結晶構造を考慮する必要がある。このような結晶構造について、図１１Ａ～図１１Ｃを用いて説明する。図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、それぞれ、ＧａＮ結晶におけるｃ面、ｍ面、及びａ面を示す模式図である。各図において、白丸印は、Ｇａ原子を表し、黒丸印は、Ｎ原子を表す。図１１Ａ及び図１１Ｂに示されるように、ｃ面とｍ面及びａ面とは（つまり、ｃ軸とｍ軸及びａ軸とは）互いに垂直である。また、ｍ面とａ面とのなす角（つまり、ｍ軸と、ａ軸とのなす角）は、１５０度である。このような結晶構造を有するｎ－ＧａＮ基板を基板１１１として用いる場合、主面１１１ｓがｃ面と平行となるように、かつ、端面１１０Ｆ及び１１０Ｒがｍ面と平行となるように、基板１１１が形成される。

続いて、図１０Ｂに示されるように、基板１１１の主面１１１ｓ上に、ｎ－ＡｌＧａＮを含む下方クラッド層１２、ＩｎＧａＮを含む活性層１３、及び、ｐ－ＡｌＧａＮを含む上方クラッド層１１４を順に成長させる。これらの各層の形成には、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いることができる。なお、活性層１３の結晶成長の過程において、各凹部の存在に起因して、Ｉｎ組成比が、活性層１３の位置に応じて変調される。活性層１３におけるＩｎ組成比は、上述のとおり、凹部からの距離に依存する。凹部からの距離が小さいほど、Ｉｎ組成比が小さくなり、凹部からの距離が大きいほど、Ｉｎ組成比が大きくなる。したがって、活性層１３におけるバンドギャップは、凹部からの距離小さいほど大きくなり、凹部からの距離が大きいほど小さくなる。

これらの各層の形成によって、各凹部は埋められる。なお、各図では簡略化のため、各層の表面形状が直線的に描かれているが、ミクロに観察すると、凹部付近では、各層の表面は湾曲している（図１など参照）。

続いて、図１０Ｃに示されるように、第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３を形成する。具体的には、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチを用いて、上方クラッド層１１４に３本のリッジを形成する。このようにして形成された各リッジが、各光導波路を構成する。なお、各光導波路は、等間隔に、かつ、各凹部の側方に形成される。

続いて、図１０Ｄに示されるように、第１上方電極３１、第２上方電極３２、第３上方電極３３、及び下方電極１５を形成する。具体的には、例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着及びフォトリソグラフィを用いて各電極が形成される。このように、半導体発光素子１１０が形成される。なお、半導体発光素子１１０の端面には、保護膜が形成されてもよい。また、保護膜は、誘電体多層膜などからなる反射膜又は反射防止膜であってもよい。

以上の各工程によって単一の半導体発光素子１１０を製造してもよいし、多数の半導体発光素子を同時に製造してもよい。例えば、半導体発光素子より大幅に大きいウェハを基板１１１の母材として用いて、当該ウェハに対して上記各工程が適用されてもよい。このようなウェハに多数の半導体発光素子を形成した後、ウェハを劈開して、劈開端面に保護膜などを形成してもよい。

なお、実施の形態１に係る半導体発光素子１０も上述したような製造方法によって製造できる。

［２－４．変形例］
次に、本実施の形態の変形例に係る半導体発光素子について説明する。ここで説明する各変形例に係る半導体発光素子は、基板１１１に形成された各凹部の構造において、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０と相違する。以下、本実施の形態の変形例に係る半導体発光素子について、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０との相違点を中心に図１２～図１４を用いて説明する。

図１２は、本実施の形態の変形例１に係る半導体発光素子１１０ａの構成を示す上面図である。図１２に示されるように、変形例１に係る半導体発光素子１１０ａの基板１１１の主面１１１ｓには、第１凹部４１ａ、第２凹部４２ａ、及び第３凹部４３ａが形成されている。変形例１に係る半導体発光素子１１０ａでは、基板１１１の主面１１１ｓの上面視において、各凹部は滑らかな曲線状に蛇行する。より詳しくは、各凹部は、正弦波状に蛇行する。

このような各凹部を有する半導体発光素子１１０ａにおいても、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０と同様の効果が奏される。また、このような滑らかな曲線状の形状の各凹部は、角部を有さないため、容易に形成できる。

図１３は、本実施の形態の変形例２に係る半導体発光素子１１０ｂの構成を示す上面図である。図１３に示されるように、変形例２に係る半導体発光素子１１０ｂの基板１１１の主面１１１ｓには、第１凹部４１ｂ、第２凹部４２ｂ、及び第３凹部４３ｂが形成されている。変形例２に係る半導体発光素子１１０ｂでは、基板１１１の主面１１１ｓの上面視において、各凹部は、各レーザ光の出射方向（つまり、共振方向）に垂直な軸に対して非対称な形状を有する。また、各凹部は、周期的に鋭角に屈曲している。言い換えると、各凹部は、周期的な鋸波状の形状を有する。

このような各凹部を有する半導体発光素子１１０ｂにおいても、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０と同様の効果が奏される。また、変形例２に係る半導体発光素子１１０ｂでは、各光導波路から、各凹部までの距離が急激に変化する領域（つまり、各凹部が鋭角に屈曲する領域に対応する領域）が存在するため、このような領域においては、活性層１３のバンドギャップが急激に変化する。つまり、ポテンシャル障壁が形成される。このようなポテンシャル障壁によって、キャリアの移動が抑制されるため、熱などの外乱に起因して、キャリア分布が不均一になることを抑制できる。

図１４は、本実施の形態の変形例３に係る半導体発光素子１１０ｃの構成を示す上面図である。図１４に示されるように、変形例３に係る半導体発光素子１１０ｃの基板１１１の主面１１１ｓには、第１凹部４１ｃ、第２凹部４２ｃ、及び第３凹部４３ｃが形成されている。変形例３に係る半導体発光素子１１０ｃでは、基板１１１の主面１１１ｓの上面視において、各凹部は、１２０度の角度で周期的に屈曲している。変形例３に係る半導体発光素子１１０ｃの基板１１１は、ＧａＮ結晶のｃ面に平行な主面１１１ｓを有し、かつ、各レーザ光の出射方向の端面は、ｍ面に平行である。各凹部は、ｍ面に平行な端面に対して、上面視において６０度の角度で交差する。

このような各凹部を有する半導体発光素子１１０ｃにおいても、本実施の形態に係る半導体発光素子１１０と同様の効果が奏される。また、変形例３に係る半導体発光素子１１０ｃでは、各凹部において、各凹部を形成する側面の少なくとも一部がａ面に平行となる。このため、ドライエッチによって、各凹部を形成する際に、各凹部を均一にエッチングできる。したがって、構造の均一度の高い凹部を形成することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、各凹部の変調の態様において、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と相違する。実施の形態２に係る半導体発光素子１１０においては、活性層１３におけるＩｎ組成比を変調するために、各光導波路の中心軸から、各凹部の中心軸までの距離が変調されたが、本実施の形態に係る半導体発光素子では、各凹部の深さが変調される。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０との相違点を中心に図１５Ａ～図１５Ｄを用いて説明する。

図１５Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０の構成を示す模式的な上面図である。図１５Ｂ、図１５Ｃ及び図１５Ｄは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０の第１凹部２４１、第２凹部２４２、及び第３凹部２４３の構造を示す模式的な断面図である。図１５Ｂ、図１５Ｃ及び図１５Ｄには、それぞれ、図１５ＡのＸＶＢ－ＸＶＢ線、ＸＶＣ－ＸＶＣ線、及びＸＶＤ－ＸＶＤ線における断面が示されている。

本実施の形態に係る半導体発光素子２１０は、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を出射する素子である。図１５Ｂ～図１５Ｄに示されるように、半導体発光素子２１０は、基板２１１と、基板２１１の主面２１１ｓの上方に配置される積層構造体２１０Ｓとを備える。また、図１５Ａに示されるように、半導体発光素子２１０は、第１上方電極３１と、第２上方電極３２と、第３上方電極３３とをさらに備える。また、図示しないが、半導体発光素子２１０は、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と同様に、基板２１１の下方に配置される下方電極１５をさらに備える。

基板２１１は、積層構造体２１０Ｓが積層される板状部材である。図１５Ｂ～図１５Ｄに示されるように、基板２１１は、主面２１１ｓを有し、主面２１１ｓに第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部２４１、第２凹部２４２、及び第３凹部２４３が形成されている。

積層構造体２１０Ｓは、基板２１１の主面２１１ｓの上方に配置された半導体積層体である。積層構造体２１０Ｓは、基板２１１の主面２１１ｓの上面視において第１凹部２４１、第２凹部２４２、及び第３凹部２４３の側方にそれぞれ配置される第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３を有する。第１光導波路２１、第２光導波路２２、及び第３光導波路２３は、それぞれ、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光を導波する。

積層構造体２１０Ｓは、活性層１３と、活性層１３の上方に積層された上方クラッド層１１４と、活性層１３の下方に配置される下方クラッド層１２とを含む。

半導体発光素子２１０においては、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と同様に、第１光導波路２１の中心軸から、第１凹部２４１の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、第２光導波路２２の中心軸から、第２凹部２４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値より小さく、第２光導波路２２の中心軸から、第２凹部２４２の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、第３光導波路２３の中心軸から、第３凹部２４３の幅方向の中心軸までの距離の平均値より小さい。

本実施の形態においては、図１５Ｂ～図１５Ｄに示されるように、第１凹部２４１、第２凹部２４２、及び第３凹部２４３の基板２１１の主面２１１ｓからの深さが、出射方向の位置に対して変調されている。図１５Ｂ～図１５Ｄに示される例においては、各凹部の深さは、各レーザ光の出射方向に対して曲線状に変調されている。より詳しくは、各凹部の深さは、各レーザ光の出射方向に対して正弦波状に変調されている。なお、本実施の形態では、第１凹部２４１、第２凹部２４２、及び第３凹部２４３のそれぞれの深さの平均値Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３は、等しい。具体的には、例えば、各凹部の幅は４μｍであり、深さの平均値Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３は２μｍである。なお、このような構造を有する各凹部は、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチとを複数回繰り返すことによって形成できる。つまり、各凹部の深さは、ドライエッチの回数を増減させることによって調整可能である。

このような各凹部を備える半導体発光素子２１０によっても、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と同様に、活性層１３におけるＩｎ組成比を変調できる。したがって、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０によって、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と同様の効果が奏される。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体発光素子について説明する。実施の形態３に係る半導体発光素子２１０においては、各光導波路における活性層１３のＩｎ組成比を変えるために、各光導波路の中心軸から、各凹部の中心軸までの距離の平均値が、各光導波路毎に変えられた。本実施の形態では、各光導波路における活性層１３のＩｎ組成比を変えるために、各光導波路の中心軸から、各凹部の中心軸までの距離の平均値は変えずに、各凹部の深さの平均値が変えられる。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態３に係る半導体発光素子２１０との相違点を中心に図１６Ａ～図１６Ｄを用いて説明する。

図１６Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０ａの構成を示す模式的な上面図である。図１６Ｂ、図１６Ｃ及び図１６Ｄは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０ａの第１凹部２４１ａ、第２凹部２４２ａ、及び第３凹部２４３ａの構造を示す模式的な断面図である。図１６Ｂ、図１６Ｃ及び図１６Ｄには、それぞれ、図１６ＡのＸＶＩＢ－ＸＶＩＢ線、ＸＶＩＣ－ＸＶＩＣ線、及びＸＶＩＤ－ＸＶＩＤ線における断面が示されている。

本実施の形態に係る半導体発光素子２１０ａは、図１６Ｂ～図１６Ｄに示されるように、基板２１１ａと、基板２１１ａの主面２１１ａｓの上方に配置される積層構造体２１０Ｓとを備える。また、図１６Ａに示されるように、半導体発光素子２１０ａは、第１上方電極３１と、第２上方電極３２と、第３上方電極３３とをさらに備える。また、図示しないが、半導体発光素子２１０は、実施の形態２に係る半導体発光素子１１０と同様に、基板２１１の下方に配置される下方電極１５をさらに備える。

基板２１１ａは、図１６Ｂ～図１６Ｄに示されるように、主面２１１ａｓを有し、主面２１１ａｓに第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部２４１ａ、第２凹部２４２ａ、及び第３凹部２４３ａが形成されている。

半導体発光素子２１０ａにおいては、第１光導波路２１の中心軸から、第１凹部２４１ａの幅方向の中心軸までの距離の平均値、第２光導波路２２の中心軸から、第２凹部２４２ａの幅方向の中心軸までの距離の平均値、及び、第３光導波路２３の中心軸から、第３凹部２４３ａの幅方向の中心軸までの距離の平均値は、等しい。

一方、図１６Ｂ～図１６Ｄに示されるように、本実施の形態では、第１凹部２４１ａ、第２凹部２４２ａ、及び第３凹部２４３ａのそれぞれの深さの平均値Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３は、互いに異なる。具体的には、第１凹部２４１ａの深さの平均値Ｆ１は、第２凹部２４２ａの深さの平均値Ｆ２より大きく、第２凹部２４２ａの深さの平均値Ｆ２は、第３凹部２４３ａの深さの平均値Ｆ３より大きい。

具体的には、例えば、各凹部の幅は４μｍであり、深さの平均値Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３は、それぞれ、３．５μｍ、２．５μｍ、及び１．５μｍである。なお、このような構造を有する各凹部は、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチとを複数回繰り返すことによって形成できる。

このような各凹部を備える半導体発光素子２１０ａによっても、実施の形態３に係る半導体発光素子２１０と同様に、活性層１３におけるＩｎ組成比を変調できる。したがって、本実施の形態に係る半導体発光素子２１０ａによって、実施の形態３に係る半導体発光素子２１０と同様の効果が奏される。さらに、本実施の形態では、各光導波路と、各凹部との間の距離と均一にできるため、各光導波路の間隔に対する制約が緩和される。

（実施の形態５）
実施の形態５に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、主に、光導波路の構成において、実施の形態１に係る半導体発光素子１０と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１０との相違点を中心に図１７を用いて説明する。

図１７は、本実施の形態に係る半導体発光素子３１０の構成を示す模式的な前面図である。図１７においては、半導体発光素子３１０のレーザ光が出射される端面が示されている。

本実施の形態に係る半導体発光素子３１０は、基板１１と、積層構造体３１０Ｓと、第１上方電極３０と、下方電極１５とを備える。

基板１１は、実施の形態１に係る基板１１と同様の構成を有し、主面１１ｓに第１凹部４０が形成されている。

本実施の形態に係る積層構造体３１０Ｓは、活性層１３、及び、活性層１３の上方に積層された上方クラッド層３１４を含む。積層構造体３１０Ｓは、下方クラッド層１２をさらに含む。

積層構造体３１０Ｓは、第１凹部４０の側方に配置され、第１レーザ光を導波する第１光導波路３２０を有する。

上方クラッド層３１４には、ボロンなどのイオンが注入された高抵抗化領域３２０ｉが形成されており、上方クラッド層３１４のうち、高抵抗化領域３２０ｉで挟まれた領域が、第１光導波路３２０を構成する。なお、第１光導波路３２０以外の上方クラッド層３１４にイオンを注入する手法に代えて、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮを埋め込み成長させることによって、第１光導波路３２０を形成してもよい。これにより、第１光導波路３２０と、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮとの屈折率差が大きくなるため、レーザ光の第１光導波路３２０へ安定的に閉じ込めることができる。

本実施の形態に係る半導体発光素子３１０によっても、実施の形態１に係る半導体発光素子１０と同様の効果が奏される。

（その他の変形例など）
以上、本開示に係る半導体発光素子及び発光装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記各実施の形態では、半導体発光素子が有する光導波路及び凹部の本数は、１本又は３本であったが、光導波路及び凹部の本数は、２本でも、４本以上でもよい。

また、上記実施の形態２に係る発光装置で用いる半導体発光素子として、実施の形態３及び実施の形態４に係る各半導体発光素子を用いてもよい。例えば、発光装置は、実施の形態４に係る半導体発光素子２１０ａと、第１レーザ光、第２レーザ光、及び第３レーザ光が入射する回折格子とを備える。半導体発光素子２１０ａの第１凹部２４１ａの深さの平均値は、第２凹部２４２ａの深さの平均値より深く、第２凹部２４２ａの深さの平均値は、第３凹部２４３ａの深さの平均値より深い。そして、第１レーザ光の回折格子への入射角は、第２レーザ光の回折格子への入射角より小さく、第２レーザ光の回折格子への入射角は、第３レーザ光の回折格子への入射角より小さい。このような発光装置においても、実施の形態２に係る発光装置１０１と同様の効果が奏される。

また、上記各実施の形態及び変形例では、基板及び積層構造体を形成する材料の一例が示されたが、基板及び積層構造体を形成する材料は、上記の例に限定されず、窒化物系半導体材料であればよい。

また、上記各実施の形態及び変形例においては、下方クラッド層及び上方クラッド層として、それぞれ、ｎ型及びｐ型の半導体層が用いられたが、下方クラッド層及び上方クラッド層として、それぞれ、ｐ型及びｎ型の半導体層が用いられてもよい。

また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

例えば、実施の形態１又は２に、実施の形態３及び４の少なくとも一方の構成を適用してもよい。つまり、実施の形態１又は２の形態に係る各凹部の深さを変調してもよいし、実施の形態２に係る各凹部の深さの平均値を異ならせてもよい。

本開示の半導体発光素子及び発光装置は、例えば、高出力、かつ、高効率なレーザ光源としてレーザ加工などに適用できる。

１０、１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、２１０、２１０ａ、３１０、９１０、９１０ａ 半導体発光素子
１０Ｓ、１１０Ｓ、２１０Ｓ、３１０Ｓ 積層構造体
１１、１１１、２１１、２１１ａ、９１１、９１１ａ 基板
１１ｓ、１１１ｓ、２１１ｓ、２１１ａｓ 主面
１２、９１２ 下方クラッド層
１３、９１３ 活性層
１４、１１４、３１４、９１４ 上方クラッド層
１５、９１５ 下方電極
２０、２１、３２０ 第１光導波路
２２ 第２光導波路
２３ 第３光導波路
３０、３１ 第１上方電極
３２ 第２上方電極
３３ 第３上方電極
４０、４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、２４１、２４１ａ 第１凹部
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、２４２、２４２ａ 第２凹部
４３、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、２４３、２４３ａ 第３凹部
８２ コリメートレンズアレイ
８４ 集光レンズ
８６ 回折格子
８８ 出力カプラ
１０１ 発光装置
１１０Ｆ、１１０Ｒ 端面
３２０ｉ 高抵抗化領域
９２０ 光導波路
９３０ 上方電極
９４０、９４０ａ 凹部

Claims (10)

1. 第１レーザ光を出射する半導体発光素子であって、
   主面を有し、前記主面に前記第１レーザ光の出射方向に延びる第１凹部が形成された基板と、
   前記主面の上方に配置され、活性層、及び、前記活性層の上方に積層された上方クラッド層を含む積層構造体と、
   前記積層構造体の上方に配置され、前記出射方向に延びる第１上方電極とを備え、
   前記積層構造体は、前記主面の上面視において前記第１凹部の側方に配置され、前記第１レーザ光を導波する第１光導波路を有し、
   前記第１上方電極は、前記第１光導波路の上方において、前記第１凹部寄りに配置される
   半導体発光素子。
2. 前記第１光導波路の幅方向の中心軸から、前記第１凹部の幅方向の中心軸までの距離は、前記出射方向の位置に対して変調されている
   請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第１凹部の前記主面からの深さは、前記出射方向の位置に対して変調されている
   請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１上方電極の幅Ｅと、前記第１光導波路の幅Ｗと、前記第１上方電極から前記活性層までの距離Ｔと、前記第１上方電極の前記第１凹部側端から前記第１光導波路の前記第１凹部側端までの距離Ｓとの間に、Ｅ＜Ｗ－Ｔ－Ｓの関係が成り立つ
   請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１上方電極の幅は、前記第１光導波路の幅の半分以下である
   請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記第１上方電極は、前記第１光導波路の幅方向の中心軸より前記第１凹部寄りに配置される
   請求項１～５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層は、ＩｎＧａＮを含む
   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、
   第２レーザ光をさらに出射し、
   前記積層構造体の上方に配置され、前記出射方向に延びる第２上方電極をさらに備え、
   前記主面には、前記出射方向に延びる第２凹部が形成されており、
   前記積層構造体は、前記主面の上面視において前記第２凹部の側方に配置され、前記第２レーザ光を導波する第２光導波路を有し、
   前記第２上方電極は、前記第２光導波路の上方において、前記第２凹部寄りに配置される
   請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 請求項８に記載の半導体発光素子と、
   前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光が入射する回折格子とを備える発光装置であって、
   前記第１光導波路の中心軸から、前記第１凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値は、前記第２光導波路の中心軸から、前記第２凹部の幅方向の中心軸までの距離の平均値より小さく、
   前記第１レーザ光の前記回折格子への入射角は、前記第２レーザ光の前記回折格子への入射角より小さい
   発光装置。
10. 請求項８に記載の半導体発光素子と、
    前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光が入射する回折格子とを備える発光装置であって、
    前記第１凹部の深さの平均値は、前記第２凹部の深さの平均値より大きく、
    前記第１レーザ光の前記回折格子への入射角は、前記第２レーザ光の前記回折格子への入射角より小さい
    発光装置。

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