(57)【要約】  半導体発光素子（１）は、基板（１０）と、基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層（１２）、該第１のクラッド層の上に形成された発光層（１３）、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層（１４）を含み、光導波路（２０）を有する半導体積層膜（４０）と、第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極（２３）と、第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極（２２）、（２４）とを備えている。発光層は、光導波路を導波する導波光、及び光導波路を導波しない非導波光を生じ、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する。
2012123997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された発光層、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層を含み、光導波路を有する半導体積層膜と、
前記第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極と、
前記第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極とを備え、
前記発光層は、前記光導波路を導波する導波光、及び前記光導波路を導波しない非導波光を生じ、
前記非導波光は、前記基板側及び前記半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の電極は、前記導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる透明電極を含む半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の電極は、前記透明電極の上で且つ前記光導波路を除く領域の上に形成され、前記導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含む半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
前記発光層の下方に形成され、前記非導波光を反射する反射部をさらに備えている半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４において、
前記反射部は、前記基板の前記半導体積層膜が形成された面と反対側の面上に形成された金属からなる反射膜を含む半導体発光素子。
【請求項６】
請求項４において、
前記反射部は、前記基板の上に形成され、前記半導体積層膜と屈折率が異なる材料からなる膜を含む半導体発光素子。
【請求項７】
請求項４において、
前記反射部は、前記基板の上部に形成された凹部を含む半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、
前記光導波路の端面は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜している半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１において、
前記基板は、前記導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第２の電極は、前記非導波光を反射する材料からなる半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、
前記第１の電極は、前記導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含み、
前記非透明電極は、前記光導波路の下に開口部を有する半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項において、
前記基板は、前記半導体積層膜が形成された面と反対側の面に１次元周期又は２次元周期の凹凸部を含む半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項において、
前記光導波路の端面は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜している半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、
前記半導体発光素子は、前記基板側の面が前記パッケージと接するように保持され、
前記半導体発光素子から放射する前記導波光と前記非導波光とを前記パッケージの上方から外部に放射する発光装置。
【請求項１５】
請求項１及び９〜１３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、
前記半導体発光素子は、前記半導体積層膜側の面が前記パッケージと接するように保持され、
前記半導体発光素子から放射する前記導波光と前記非導波光とを前記パッケージの上方から外部に放射する発光装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５において、
前記パッケージは、底面及び側壁面を有する凹形状であり、
前記側壁面は、前記底面との角度が鈍角となるように傾斜しており、前記導波光を反射する発光装置。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれか１項において、
前記パッケージの上方に設けられ、蛍光体を含む部材をさらに備えている発光装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか１項において、
前記導波光及び非導波光を放射する第１の動作と、前記非導波光のみを放射する第２の動作とを選択可能に構成されている発光装置。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも大きい際に、前記第１の動作が選択され、
前記半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも小さい際に、前記第２の動作が選択される発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子及びそれを用いた発光装置に関し、特に、光導波路を有する半導体発光素子及びそれを用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ｐ型半導体と発光層とｎ型半導体とが積層された半導体積層膜を有する発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）、レーザダイオード（laser diode：ＬＤ）及びスーパールミネッセントダイオード（super luminescent diode：ＳＬＤ）等が半導体発光素子として知られている。これらの中で、発光波長が６３０ｎｍ付近の赤色の光を発するＬＥＤは、電気・電子機器のスイッチ照明に広く用いられている。また、発光波長が３７０ｎｍ〜４８０ｎｍの光を発するＬＥＤは、蛍光波長が５５０ｎｍ前後の蛍光を発する蛍光体と組み合わせて白色ＬＥＤを構成し、家庭用の一般照明光源、液晶テレビのバックライト光源及び携帯電子機器のフラッシュ光源に用いられている。一方、ＬＤ及びＳＬＤは、ＬＥＤが有さない特徴を備えている。ＬＥＤは、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光を利用する半導体発光素子であるが、ＳＬＤ及びＬＤは光導波路を有し、自然放出光が光導波路を光出射端面方向に進む間に誘導放出による利得を得て増幅された誘導放出光を、光出射端面から放射することができる。特にＬＤは、光導波路の前後に形成された光共振器によりファブリ・ペロー（ＦＰ）モードによるレーザ発振が可能であり、効率良く光を放射し、光ピックアップ及びレーザディスプレイ等の光源に用いられている。一方、ＳＬＤはＬＤと異なり、端面反射による光共振器の形成を抑え、ＦＰモードによるレーザ発振が生じないように構成されている。このため、ＳＬＤは通常のＬＥＤと同様に、インコヒーレント性及び広帯域なスペクトル形状を示し、数十ｍＷ程度までの出力の素子が実用化されている。このようなＳＬＤは、例えば光ファイバジャイロ及び医療用光学的干渉断層計（optical coherence tomography：ＯＣＴ）等の光計測の分野において用いられているが、レーザディスプレイ等の映像投射の分野において必要とされるインコヒーレント光源としても注目されている。【０００３】
以下、従来の半導体発光素子の一つとして、従来のＳＬＤについて説明する。【０００４】
図２０に示すように、従来のＳＬＤ９００では、基板９１０の上に半導体積層膜９２０が形成されており、亜鉛（Ｚｎ）拡散により半導体積層膜９２０に形成された電流注入領域９２５が光導波路として機能する。この光導波路は基板９１０の長手方向に延び、光導波路の端面に対して５°〜１５°（図中のθ）傾斜して形成されていることにより、モード反射率を低減している（例えば、非特許文献１等を参照。）。光導波路が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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＬＥＤ、ＬＤ及びＳＬＤ等の半導体発光素子に対して、これらが搭載される機器の消費電力を低減するために、発光効率がより向上することが望まれている。従来のＬＥＤは、発光層において自然放出光を効率良く生成できるが、光がランダムな方向に放射され、また、半導体と外部との界面でそれらの屈折率差により反射されるため、光を効率良く外部に放射することができない。一方、従来のＳＬＤ及びＬＤ等は、誘導放出光により効率良く光を外部に放射することができるが、誘導放出を発生させるためにキャリアの反転分布を必要とするため、一定値以上の電流（閾値電流）を半導体発光素子に注入しなければ、光出力のうち誘導放出が支配的となる状態とすることはできない。すなわち、閾値電流と閾値電圧（閾値電流とするために素子に印加する電圧）との積の値分の電力は、自然放出光の放出に用いられる。従来のＳＬＤ及びＬＤではこの自然放出光が有効に活用されておらず、無効消費電力となっていた。自然放出光は誘導放出が支配的な状態となっても、誘導放出を維持するために一定量発生する。従って、この自然放出光を光出力として利用しなければ、閾値電流と閾値電圧との積の値分の電力は無効消費電力となり、ＳＬＤ及びＬＤの電力変換効率（単位時間当たりの光出力エネルギー／投入消費電力）が制限されることとなる。【０００７】
本発明は前記の問題に鑑み、その目的は、自然放出光と誘導放出光との両方を利用できる、電力変換効率が高い半導体発光素子及びそれを用いた発光装置を得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記の目的を達成するために、半導体発光素子を、基板と半導体積層膜とを含み、基板側又は半導体積層膜側のいずれか一方から光を放射する構成とする。【０００９】
具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された発光層、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層を含み、光導波路を有する半導体積層膜と、第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極と、第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極とを備え、発光層は、光導波路を導波する導波光、及び光導波路を導波しない非導波光を生じ、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する。【００１０】
本発明に係る半導体発光素子によると、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射するため、非導波光を有効に光出力として利用することができ、電力変換効率を向上することができる。【００１１】
本発明に係る半導体発光素子において、第２の電極は、導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる透明電極を含むことが好ましい。【００１２】
この場合、第２の電極は、透明電極の上で且つ光導波路を除く領域の上に形成され、導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含んでもよい。【００１３】
本発明に係る半導体発光素子は、発光層の下方に形成され、非導波光を反射する反射部をさらに備えていることが好ましい。【００１４】
この場合、反射部は、基板の半導体積層膜が形成された面と反対側の面上に形成された金属からなる反射膜を含むことが好ましい。【００１５】
また、反射部は、基板の上に形成され、半導体積層膜と屈折率が異なる材料からなる膜を含んでもよい。【００１６】
また、反射部は、基板の上部に形成された凹部を含んでもよい。【００１７】
本発明に係る半導体発光素子は、基板は、導波光及び非導波光に対して透明な材料からなることが好ましい。【００１８】
この場合、第２の電極は、非導波光を反射する材料からなることが好ましい。【００１９】
また、この場合、第１の電極は、導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含み、非透明電極は、光導波路の下に開口部を有してもよい。【００２０】
さらに、この場合、基板は、半導体積層膜が形成された面と反対側の面に１次元周期又は２次元周期の凹凸部を含むことが好ましい。【００２１】
本発明に係る半導体発光素子において、光導波路の端面は、基板面に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。【００２２】
本発明に係る第１の発光装置は、前記の半導体発光素子と、半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、半導体発光素子は、基板側の面が前記パッケージと接するように保持され、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射する。【００２３】
本発明に係る第１の発光装置によると、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射するため、導波光と非導波光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。【００２４】
本発明に係る第２の発光装置は、前記の半導体発光素子と、半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、半導体発光素子は、半導体積層膜側の面がパッケージと接するように保持され、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射する。【００２５】
本発明に係る第２の発光装置によると、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射するため、導波光と非導波光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。【００２６】
本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置において、パッケージは、底面及び側壁面を有する凹形状であり、側壁面は、底面との角度が鈍角となるように傾斜しており、導波光を反射することが好ましい。【００２７】
本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置は、パッケージの上方に設けられ、蛍光体を含む部材をさらに備えていることが好ましい。【００２８】
このようにすると、蛍光体により、半導体発光素子から放射された光の一部又は全部の波長を変換できるため、発光装置から放射する光の波長を自由に設定することができる。【００２９】
本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置は、導波光及び非導波光を放射する第１の動作と、非導波光のみを放射する第２の動作とを選択可能に構成されていることが好ましい。【００３０】
このようにすると、本発明の発光装置を、用途に応じて効率良く用いることができる。【００３１】
この場合、半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも大きい際に、第１の動作が選択され、半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも小さい際に、第２の動作が選択されることが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のIb−Ib線における断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のIc−Ic線における断面図であり、図１（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｆ）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工程順に示す断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示し、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIb−IIIb線における断面図であり、図３（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。
【図４】図４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示すグラフである。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）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、図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のVb−Vb線における断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）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の動作を示し、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のVIb−VIb線における断面図である。
【図７】図７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の特性を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）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し、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIb−VIIIb線における断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）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の動作を示し、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXb−IXb線における断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のXb−Xb線における断面図であり、図１０（ｃ）は底面図である。
【図１１】図１１（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１０（ａ）のXIa−XIa線における断面図であり、図１１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示し、図１２（ａ）は図１１（ａ）と同一の断面を示す断面図であり、図１２（ｂ）は図１０（ｂ）と同一の断面を示す断面図であり、図１２（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１３（ａ）は第１変形例の断面図であり、図１３（ｂ）は第２変形例の断面図であり、図１３（ｃ）は第２変形例の底面図である。
【図１４】図１４は本発明の第３の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図１５】図１５は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。
【図１６】図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の応用例を示す図及びグラフである
【図１７】図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１７（ａ）は平面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のXVIIb−XVIIb線における断面図であり、図１７（ｃ）は底面図である。
【図１８】図１８（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１７（ａ）のXVIIIa−XVIIIa線における断面図であり、図１８（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。
【図１９】図１９（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示す断面図であり、図１９（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。
【図２０】図２０は従来の半導体発光素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子について図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。本実施形態に係る半導体発光素子１は、発光波長が３８０ｎｍ〜４９０ｎｍの紫外光から青色のいずれかの光を発する窒化物半導体により構成された半導体発光素子であり、半導体発光素子の一部にレーザダイオード（ＬＤ）として機能する光導波路を有する半導体発光素子である。本実施形態では、特に発光波長が４０５ｎｍ付近である半導体発光素子について説明する。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、サファイアからなる基板１０の上に、窒化物半導体積層膜４０が形成されている。窒化物半導体積層膜４０は、例えばｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる下部コンタクト層１１、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ）からなる下部クラッド層（第１のクラッド層）１２、活性層である発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層である上部クラッド層（第２のクラッド層）１４及びｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層１５が順次積層された積層膜である。なお、下部コンタクト層１１は、膜厚が約１μｍであり、シリコン（Ｓｉ）濃度が約１×１０１８ｃｍ−３となるようにＳｉがドープされている。下部クラッド層１２は、膜厚が約１．５μｍであり、Ｓｉ濃度が約５×１０１７ｃｍ−３となるようにＳｉがドープされている。発光層１３は、アンドープＧａＮからなる膜厚が約０．１μｍのｎ側光ガイド層と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）多重量子井戸活性層と、アンドープＧａＮからなる膜厚が約０．１μｍのｐ側光ガイド層と、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が約１×１０１９ｃｍ−３となるようにＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる膜厚が約１０ｎｍの電子ブロック層とを含む。ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層は、アンドープＩｎＧａＮからなる膜厚が約３ｎｍの井戸層と、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる膜厚が約７ｎｍの障壁層とにより構成される３重量子井戸構造であり、井戸層のＩｎ組成は、発光波長が約４０５ｎｍとなるように制御されている。上部クラッド層１４は、膜厚が約２ｎｍであるｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜と膜厚が約２ｎｍであるｐ型ＧａＮ膜とからなる合計膜厚が約０．５μｍである超格子構造であり、Ｍｇ濃度が約１×１０２０ｃｍ−３となるようにＭｇがドープされている。また、上部クラッド層１４には、リッジストライプ部が形成されており、これにより、光導波路２０が構成される。光導波路２０が延びる方向は、積層されたＧａＮ膜の結晶軸の＜１−１００＞方向である。前記の上部クラッド層１４の膜厚はリッジストライプ部が形成されている部分の膜厚であり、リッジストライプ部が形成されていない部分の膜厚は０．１μｍである。また、リッジストライプ部の下端の幅は２μｍであり、上端の幅は１．４μｍである。上部コンタクト層１５は、膜厚が約２０ｎｍであり、Ｍｇ濃度が約１×１０２０ｃｍ−３となるようにＭｇがドープされている。なお、上部コンタクト層１５は、上部クラッド層１４のリッジストライプ部の頂面にのみ形成されている。
【００３５】
上部クラッド層１４の上には、リッジストライプ部の上に開口部を有する酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電流阻止層２１が形成されている。電流阻止層２１及び上部コンタクト層１５の上には、後に説明する導波光及び非導波光に対して透明な酸化インジウムスズ（indium tin oxide：ＩＴＯ）からなる透明電極（第２の電極の一部）２２が形成されている。下部コンタクト層１１の上に、ｎ側電極（第１の電極）２３が形成され、透明電極２２の上において、光導波路２０を除く領域の上に、後に説明する導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなるｐ側電極（第２の電極の一部）２４が形成されている。基板１０の窒化物半導体積層膜４０が形成された面と反対側の面に、反射部として、例えばアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）を含む合金からなる反射膜２５が形成されている。
【００３６】
図示はしないが、積層されたＧａＮ膜における結晶面の面方位の（１−１００）面を劈開面として劈開し、半導体発光素子１のチップを形成している。なお、チップサイズは、ボンディングパッド領域も含めて、チップ幅が約１５０μｍであり、チップ長が約８００μｍである。半導体発光素子１において、導波光を放射する前方端面３０には反射率が約１０％である第１保護膜３５が形成され、導波光を反射し再び光導波路に戻す後方端面３１には端面反射膜として反射率が約９５％である第２保護膜３６が形成されている。
【００３７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る発光装置について図１（ｄ）を参照しながら説明する。なお、図１（ｄ）では、半導体発光素子１を簡略化して示している。図１（ｄ）に示すように、本実施形態に係る発光装置１００では、上方が開口された凹状のパッケージ５０の内部に、反射膜２５を介して本実施形態に係る半導体発光素子１が実装されている。パッケージ５０の内部は、半導体発光素子１が保持された底面、及び該底面と上面とを結ぶ側壁面を有する。側壁面は、底面との角度が鈍角となるような傾斜面であり、側壁面は光を反射することが可能な反射面５１である。パッケージ５０には金属配線（図示せず）が埋め込まれており、その金属配線と半導体発光素子１のｐ側電極２４及びｎ側電極２３とが、例えば金属細線（図示せず）により接続されることにより、パッケージ５０の外部から半導体発光素子１に電力が供給できるようになっている。また、パッケージ５０の上方（光出射側）の開口部にカバーガラス５２を設けることにより、パッケージ５０の内部を封止している。
【００３８】
次に、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について図２を参照しながら説明する。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、サファイアからなる基板１０の上に、例えば有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法により窒化物半導体積層膜４０を形成する。具体的に、基板１０の上に、ｎ型ＧａＮからなる下部コンタクト層１１、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる下部クラッド層１２、発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層である上部クラッド層１４及びｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層１５を順次形成する。
【００４０】
次に、図２（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２、発光層１３、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５の一部に対して、例えばドライエッチング及びウェットエッチングを行うことにより、下部コンタクト層１１の一部を露出する。
【００４１】
次に、図２（ｃ）に示すように、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５に対してエッチングを行い、上部クラッド層１４に光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５の上に、ＳｉＯ２からなる電流阻止層２１を形成し、エッチングにより上部コンタクト層１５の上に形成された電流阻止層２１を除去する。
【００４３】
次に、図２（ｅ）に示すように、上部コンタクト層１５及び電流阻止層２１の上に、ＩＴＯからなる透明電極２２を形成する。
【００４４】
次に、図２（ｆ）に示すように、図２（ｂ）において露出された下部コンタクト層１２の上にｎ側電極２３を形成し、透明電極２２の上において、光導波路２０を除く領域の上にｐ側電極２４を形成する。また、基板１０の窒化物半導体積層膜４０が形成された面と反対側の面にＡｌ、Ｐｔ及びＡｕを含む合金からなる反射膜２５を形成する。以上により、半導体発光素子１を形成することができる。
【００４５】
次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の動作ついて図３（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｎ側電極２３及びｐ側電極２４から電子及び正孔が発光層（活性層）１３に注入され、閾値電流値以上においてレーザ発振が生じ、誘導放出光を主成分とする導波光７１が、前方端面３０から放射する。一方、自然放出光を主成分とし、光導波路２０の上方に放射する非導波光７０ａは光導波路２０の上（半導体積層膜４０側）から半導体発光素子１の外部に放射し、さらに、光導波路２０の下方に放射する非導波光７０ｂは反射膜２５により反射されて光導波路２０の上から半導体発光素子１の外部に放射する。この際、ｐ側電極２４が光導波路２０の上に配置されていないため、非導波光７０ａ、７０ｂの放射は妨げられない。
【００４６】
次に、本発明の第１の実施形態に係る発光装置の動作ついて図３（ｃ）を参照しながら説明する。なお、図３（ｃ）では、半導体発光素子１を簡略化して示している。図３（ｃ）に示すように、半導体発光素子１の前方端面３０から導波光７１が放射する。放射した導波光７１は、パッケージ５０の反射面５１により反射され、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。一方、半導体発光素子１の光導波路２０の上部から放射した非導波光７０ａ、７０ｂも、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。従って、導波光７１の主成分である誘導放出光と、非導波光７０ａ、７０ｂの主成分である自然放出光とは、共にパッケージ５０の同一面側（上側）からカバーガラス５２を通って放射し、光出力として利用され得る。
【００４７】
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性について図４を参照しながら説明する。図４に示すように、従来の半導体発光素子と比較して、本実施形態の半導体発光素子は、非導波光成分により光出力がＰ１だけ増大するため、光出力Ｐ２を得るための動作電流がＩ２からＩ３に低減することができる。
【００４８】
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【００４９】
（第１の実施形態の第１変形例）
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について図５を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体発光素子１０１は、半導体発光素子の一部にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）として機能する光導波路を有する素子であり、また、発光層１３の下方に形成された反射部の形成位置及び組成が第１の実施形態と異なる。さらに、前方端面３０が光導波路２０の幅方向に対して約１０°傾斜している点が第１の実施形態と異なる。なお、後方端面３１は光導波路２０の長手方向に対して垂直である。
【００５０】
具体的に、本変形例に係る半導体発光素子１０１には、基板１０の上に一部に幅が約１０μｍのストライプ状に形成されたＳｉＯ２からなる選択成長マスク１２５が形成されている。このため、下部コンタクト層１１を基板１０の上に形成する際、選択成長マスク１２５が開口して基板１０が露出している領域から、下部コンタクト層１１が選択成長され、選択成長マスク１２５の幅方向の両端側から中央部に向かって選択成長マスク１２５を覆うように下部コンタクト層１１が形成される。サファイアからなる基板１０の上に結晶構造の異なるＧａＮ膜を成長すると、ＧａＮ膜の貫通転位密度が大きくなり、発光層１３の内部量子効率が低減してしまう。本変形例では、前述のように選択成長マスク１２５を形成することにより、サファイアからなる基板１０の上に形成される下部コンタクト層１１等のＧａＮ膜の貫通転位密度を低減し、発光層１３の内部量子効率を向上することができる。なお、選択成長されたＧａＮ膜の合体部（選択成長マスク１２５の幅方向における中央部）は貫通転位が密集し、発光層１３の内部量子効率が低下するため、発光領域となる光導波路２０の幅方向の中央部と選択成長マスク１２５の幅方向の中央部とは、３μｍ程度ずれるように形成される。ＳｉＯ２からなる選択成長マスク１２５の屈折率は、ＧａＮからなる下部コンタクト層１１の屈折率と異なるため、選択成長マスク１２５と下部コンタクト層１１との界面において、光はフレネル反射又は全反射される。すなわち、選択成長マスク１２５は反射部として機能する。このため、本変形例では、基板１０の裏面側に反射膜を形成しなくてもよいが、形成しても構わない。
【００５１】
次に、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の動作について図６を参照しながら説明する。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例では、前方端面３０が光導波路２０の幅方向に対して約１０°傾斜しているため、導波光７１が前方端面３０で反射された場合、光導波路２０に戻るモード反射率が約１０−３％まで低減し、端面反射によるレーザ発振（ＦＰモードによるレーザ発振）を抑制するため、ＳＬＤ動作（レーザ発振を伴わない誘導放出動作）を得ることができる。なお、第１保護膜３５は反射率（フレネル反射率）が約０．５％となるように成膜され、モード反射率をさらに低減している。一方、第２保護膜３６が形成された後方端面３１は、光導波路２０の長手方向に対して垂直であるため、第１の実施形態と同様に約９５％の反射率となっている。その結果、後方端面３１に向かって伝播する導波光は後方端面３１において反射されるため、チップ長の増大によるキャリア密度の低下を招くことなく、実効的な増幅長をチップ長の２倍に拡大できる。
【００５２】
このような構成とすることにより、前方端面３０での低反射によるレーザ発振を抑制するのみでなく、前方端面３０での利得飽和を抑制すること、及び後方端面３１での高反射による増幅長の拡大によって、外部量子効率を向上し、２００ｍＷ程度の高光出力でもＳＬＤ動作ができる。
【００５３】
一方、非導波光７０ａ、７０ｂは発光層１３からそれぞれ上方及び下方に放射する。発光層１３から下方に放射する非導波光７０ｂは、下部コンタクト層１１と選択成長マスク１２５との界面において、フレネル反射及び全反射することにより上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方から半導体発光素子１０１の外部に放射する。
【００５４】
次に、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の特性について図７を参照しながら説明する。図７に示すように、第１の実施形態のＬＤとは異なり、誘導放出光が支配的になる段階において、誘導放出光の光出力の増大が緩やかとなるが、本質的には第１の実施形態と同様に、自然放出光を主成分とする非導波光を光出力として利用できる。その結果、本変形例の半導体発光素子は、従来の半導体発光素子と比較して、光出力Ｐ２における動作電流をＩ２からＩ３に低減することができる。
【００５５】
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によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【００５６】
（第１の実施形態の第２変形例）
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について図８を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体発光素子１０２は、ＳＬＤであり、また、発光層１３の下方に形成された反射部の形状が第１の実施形態と異なる。さらに、光導波路２０が前方端面３０の垂直方向に対して傾斜している点が、第１の実施形態と異なる。
【００５７】
具体的に、本変形例の半導体発光素子１０２は、反射部として基板１０の上部に凹部が設けられている。この凹部は、光導波路２０の導波方向に沿ってストライプ状に形成され、底面の深さは約１μｍであり、幅は約１０μｍである。一般に、下部コンタクト層１１を該下部コンタクト層１１の材料と異なるサファイアからなる基板１０の上に成長すると、下部コンタクト層１１に貫通転位が生じることとなる。これに対して、本変形例では、下部コンタクト層１１を前記凹部の上に形成することにより、第１の実施形態の第１変形例と同様に貫通転位密度を低減できて、活性層の内部量子効率を向上することができる。なお、第１の実施形態の第１変形例と同様に、光導波路２０の幅方向の中央部と凹部の底面の幅方向の中央部とは約３μｍずれるように配置されている。
【００５８】
また、本変形例に係る半導体発光素子１０２において、ＳＬＤ動作をさせるために、光導波路２０が前方端面３０の垂直方向に対して約１０°傾斜し、後方端面３１に対しては垂直である。なお、光導波路２０が傾斜している長さは、前方端面３０から約６００μｍであり、光導波路２０は後方端面３１に対しては垂直になるように曲率が約１０００μｍで湾曲している。
【００５９】
次に、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１０２の動作について図９を参照しながら説明する。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、前方端面３０が光導波路２０の垂直方向に対して傾斜することにより、モード反射率が約１０−３％まで低減し、端面反射によるレーザ発振を抑制し、ＳＬＤ動作を得ることができる。一方、後方端面３１は光導波路２０に対して垂直であるため、後方端面３１におけるモード反射率は、第１の実施形態と同様に約９５％の反射率となっている。なお、光導波路２０の前方端面３０側の傾斜部と後方端面３１側の垂直部との接続領域の曲率は１０００μｍと十分に大きいため、光導波路２０の曲げに伴う導波光の伝播損失は無視できるほど小さく、ＳＬＤの発光効率を低減させない。このような構成により、第１の実施形態の第１変形例と同様に、２００ｍＷ程度の高光出力でもＳＬＤ動作が可能となる。
【００６０】
一方、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方及び下方等に放射する。非導波光７０ａ、７０ｂのうち、発光層１３から下方に放射する非導波光７０ｂは、下部コンタクト層１１と基板１０との界面におけるフレネル反射及び全反射により、上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方から半導体発光素子１０２の外部に放射する。なお、本変形例においても、基板１０の下に反射膜を形成しても構わない。その結果、第１の実施形態の第１変形例と同様に、自然放出光を主成分とする非導波光を光出力として利用できるため、動作電流を低減することができる。
【００６１】
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によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
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１０及び図１１（ａ）を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）及び図１１（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態と同様にＬＤであるが、基板１０の下に反射膜が形成されていない点が第１の実施形態と異なる。また、本実施形態に係る半導体発光素子２０１は、後に説明するパッケージ２５０に、ｐ側（上側）がパッケージ２５０の底面に接するように実装される（ジャンクションダウン実装）。本実施形態では、基板１０は後に説明する導波光及び非導波光に対して透明であることが好ましい。
【００６３】
具体的に、本実施形態に係る半導体発光素子２０１には、ｐ側電極である第２の電極として透明電極が形成されておらず、代わりに高反射率ｐ側電極２２４が形成されている。高反射率ｐ側電極２２４の材料は、高反射率を有し且つｐ型ＧａＮに対してオーミック接触となる、例えばＰｄ、Ａｇ、Ｐｔ及びＡｕ合金が用いられる。
【００６４】
また、第２の実施形態の半導体発光素子２０１では、パッケージ２５０にジャンクションダウン実装されるために、高反射率ｐ側電極２２４の上にＡｕからなる第１のバンプ２３１が形成され、これにより実装面を平坦にしている。また、下部コンタクト層１１の露出面の上にｎ側電極２３を介してＡｕからなる第２のバンプ２３２が形成され、第１のバンプ２３１と第２のバンプ２３２とにより、半導体発光素子２０１を安定且つ水平にパッケージ２５０に実装することができる。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置について図１１を参照しながら説明する。なお、図１１（ｂ）では、半導体発光素子２０１を簡略化して示している。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体発光素子２０１がパッケージ２５０にジャンクションダウン実装されている。第２の実施形態の発光装置２００において、パッケージ２５０には、該パッケージ２５０の底面を貫通する配線であるビア配線２５１が設けられている。ビア配線２５１は、第１のバンプ２３１及び第２のバンプ２３２と接続され、これにより、半導体発光素子２０１とパッケージ２５０の外部とを電気的に接続することができるため、配線工程を省略することができる。
【００６６】
次に、本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の動作について図１２（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様にレーザ発振により、誘導放出光を主成分とする導波光７１が、前方端面３０から放射する。一方、自然放出光を主成分とする非導波光７０ａが発光層１３から基板１０側に向かって半導体発光素子２０１の外部に放射し、さらに、非導波光７０ｂが発光層１３から上部クラッド層１４側へ放射し、高反射率ｐ側電極２２４で反射されて基板１０側に向かって半導体発光素子２０１の外部に放射する。この際、基板１０と発光層１３との間には、電極等の光を遮る部材が配置されていないため、非導波光７０ａ、７０ｂの放射は妨げられない。このように、非導波光７０ａ、７０ｂを導波光７１と共に光出力として利用することができるため、第１の実施形態と同様に発光効率を向上させ、動作電流を低減することができる。
【００６７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置の動作ついて図１２（ｃ）を参照しながら説明する。図１２（ｃ）に示すように、半導体発光素子２０１の前方端面３０から放射する導波光７１はパッケージ２５０の反射面５１により反射され、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。一方、非導波光７０ａ、７０ｂも、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。従って、導波光７１の主成分である誘導放出光と、非導波光７０ａ、７０ｂの主成分である自然放出光とは、パッケージ２５０の同一面側（上側）であるカバーガラス５２から共に放射し、光出力として利用され得る。
【００６８】
本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【００６９】
（第２の実施形態の各変形例）
本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子について図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）に示すように、第２の実施形態の一変形例では、基板１０の裏面（窒化物半導体積層膜４０が形成されている面と反対側の面）に、高さが５００ｎｍ程度であり、幅が５００ｎｍ程度である凹凸部がランダムに形成されている。凹凸部が形成されることにより、光の散乱及び回折を生じさせ、基板１０における全反射を低減できる。このため、基板１０の裏面が平坦である場合と比較して、非導波光における基板１０からの光取り出し効率を約３倍向上できる。その結果、半導体発光素子２０１の発光効率が第２の実施形態に係る半導体発光素子よりも向上し、動作電流をより低減することができる。
【００７０】
なお、基板１０の裏面に形成された凹凸部はランダムに形成される必要はなく、周期的であってもよく、周期構造も１次元周期（回折格子）及び２次元周期（２次元フォトニック結晶）であってもよい。
【００７１】
第２の実施形態の他の変形例では、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、基板として導電性のｎ型ＧａＮ基板３１０を用いている。このため、金属からなる非透明電極２２２をｎ型ＧａＮ基板３１０の裏面に設けることができる。この場合、発光層１３から放射する非導波光を遮らないように、非透明電極２２２は開口部を有するように形成される。
【００７２】
本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
【００７３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る発光装置について図１４を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態に係る発光装置に用いられる半導体発光素子１０１は、前記の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子であり、特に波長が４０５ｎｍ付近の光を放射するＳＬＤとして機能する光導波路を有する半導体発光素子である。なお、図１４では、半導体発光素子１０１を簡略化して示している。図１４に示すように、本実施形態に係る発光装置５００は、第１の実施形態に係る発光装置と異なり、パッケージ５０のカバーガラス５２の上に、波長が５９０ｎｍ〜６８０ｎｍの赤色（Ｒ）で発光する蛍光体と、波長が５００ｎｍ〜５９０ｎｍの緑色（Ｇ）で発光する蛍光体と、波長が４５０ｎｍ〜５００ｎｍの青色（Ｂ）で発光する蛍光体の３種類の蛍光体を含む蛍光体層５６０が塗布されている。これら３種類の蛍光体の具体例は、例えば、赤色で発光する蛍光体は（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕであり、緑色で発光する蛍光体はβサイアロン：Ｅｕであり、青色で発光する蛍光体はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕである。
【００７４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る発光装置の動作について図１５を参照しながら説明する。図１５に示すように、本実施形態に係る発光装置５００において、半導体発光素子１０１から放射した導波光７１及び非導波光７０ａ、７０ｂは、蛍光体層５６０を通過し、パッケージ５０の外部に励起光５７１として出力される。励起光５７１の一部は蛍光体層５６０に吸収され蛍光体を励起する。その結果、蛍光体から赤色、緑色及び青色の蛍光５７２が生じる。その結果、発光装置５００は白色光の発光装置として機能する。
【００７５】
次に、第３の実施形態の発光装置の応用例について図１６を参照しながら説明する。具体的には、本実施形態に係る発光装置を、デジタルカメラを搭載した携帯電話及びスマートフォン等のフラッシュライト用光源として用いる場合の一例について説明する。本応用例では、第３の実施形態の発光装置が異なる動作電流により異なる発光原理に基づく異なる特性の光を放射することを積極的に利用している。
【００７６】
まず、図１６（ａ）及び（ｃ）に示すように、半導体発光素子１０１に流れる動作電流の量が閾値電流よりも小さくて誘導放出が開始していない、又は光量が少ない場合の半導体発光素子１０１から放射する光は、主に、自然放出光である。このとき、放射する光は指向性が低く、発光の放射角度パターンはランバーシアン分布のような広い分布を取る。すなわち、発光装置５００から放射する白色光は低輝度であるが、指向性が低く、広い範囲を照らすことができる。このため、このような動作電流が小さい場合の光をフラッシュライト用光源のトーチモードとして利用できる。
【００７７】
一方、図１６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、半導体発光素子１０１に流れる動作電流の量が閾値電流よりも大きくて誘導放出が支配的となった光量が多い場合の半導体発光素子１０１から放射する光は、主に、放射角度が約１０°〜２０°と比較的狭いという特性を有する誘導放出光である。このため、蛍光体層５６０から放射する光は、主に、比較的小さい面積の領域（パッケージの反射面の上部近傍）から放射する白色光となる。そこで、この白色光が発光している領域に合わせてレンズ等を設計し、配置すれば、大きい動作電流による高輝度で且つ放射角が狭い光を、デジタルカメラの撮像体を選択的に照らすことが可能な光源のフラッシュモードとして利用できる。また、動作電流の量を小さくすると、上述のようなトーチモードに切り替えることができる。
【００７８】
本発明の第３の実施形態に係る発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。また、自然放出光と誘導放出光とのそれぞれを用途に応じて使い分けることにより、１つの発光装置を用いて複数の所望の用途に利用することができる。
【００７９】
なお、本実施形態において、半導体発光素子として第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子１０１を用いたが、これに限られない。第１の実施形態及び第２の実施形態に示した、一部にＳＬＤ又はＬＤとして機能する光導波路を有する半導体発光素子を用いてもよい。また、本実施形態では、発光波長が４０５ｎｍ付近である半導体発光素子を用いたが、これに限られない。例えば、４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの光を放射する半導体発光素子を用いてもよい。また、蛍光体層５６０の蛍光体を赤色、緑色及び青色の蛍光を発する３種類の蛍光体としたが、これに限られない。例えば、青色及び黄色の蛍光を発する２種類の蛍光体の組み合わせでもよい。また、発光波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの光を放射する半導体発光素子を用いる場合は、緑色及び赤色の蛍光を発する２種類の蛍光体を用いてもよいし、黄色の蛍光を発する１種類の蛍光体を用いてもよい。なお、黄色の蛍光を発する蛍光体は、例えばＹＡＧ：Ｃｅ及びαサイアロン：Ｅｕ等である。
【００８０】
なお、上記のカバーガラス５２及び蛍光体層５６０には、例えば低融点ガラスに上記蛍光体を混合させた一体の蛍光体含有ガラスを用いてもよい。
【００８１】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の半導体発光素子について図１７及び図１８（ａ）を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態、第２の実施形態及びこれらの変形例と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図１７（ａ）〜（ｃ）及び図１８（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子７０１は、第１の実施形態の第１変形例に係るＳＬＤを第２の実施形態と同様の構成にして、パッケージ７５０にジャンクションダウン実装される。
【００８２】
具体的に、本実施形態に係る半導体発光素子７０１では、前方端面を基板面に垂直な方向に対して約４５°傾斜した傾斜端面７６５としている。また、基板１０の裏面（窒化物半導体積層膜４０が形成されている面とは反対側の面）には高さが約２５０ｎｍである三角錐が、２次元周期（三角格子配列、周期が約１００ｎｍ）で配列している微細構造が形成されている。
【００８３】
次に、本発明の第４の実施形態の発光装置について図１８を参照しながら説明する。図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る発光装置８００において、半導体発光素子７０１は、パッケージ７５０に保持され、赤色の蛍光を発する蛍光体、緑色の蛍光を発する蛍光体及び青色の蛍光を発する蛍光体の３種類の蛍光体粒子を含有するシリコーンを材料とする蛍光体７６０により覆われるように封入されている。なお、パッケージ７５０は、第１の実施形態〜第３の実施形態のパッケージとは異なり、導波光に対する反射面が設けられていない。
【００８４】
次に、第４の実施形態の半導体発光素子の動作について図１９（ａ）を参照しながら説明する。図１９（ａ）に示すように、導波光７１は傾斜端面７６５で反射され、基板１０側に向かって半導体発光素子７０１の外部に放射する。また、非導波光７０ａは発光層１３から上方に向かって放射し、非導波光７０ｂは発光層１３から下方に向かって放射し、高反射率ｐ側電極２２４により上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは半導体発光素子７０１の基板１０側から外部に放射する。
【００８５】
次に、第４の実施形態の発光装置の動作について図１９（ｂ）を参照しながら説明する。図１９（ｂ）に示すように、基板１０の裏面には波長よりも十分に小さい微細構造が形成されているため、基板１０と蛍光体７６０との界面において屈折率が緩やかに変化しており、基板１０と蛍光体７６０との屈折率の差に起因するフレネル反射が低減される。その結果、基板の厚さ方向に伝播する光に対する反射が低減する。すなわち、導波光７１は基板１０の裏面で反射されずに、蛍光体７６０の内部に伝播する。このように、傾斜端面７６５で反射された導波光７１が光導波路２０に戻らないため、半導体発光素子７０１はＳＬＤとして動作する。一方、上部クラッド層１４側及び下部クラッド層１２側に伝播する非導波光７０ａ、７０ｂも、ほとんど反射されずに基板１０の裏面を透過し、蛍光体７６０へ入射する。このように蛍光体７６０へ入射した導波光７１及び非導波光７０ａ、７０ｂは、励起光７７１として蛍光体粒子をＲＧＢ発光させることにより蛍光７７２が生じる。その結果、本実施形態に係る発光装置は、白色光源として機能する。
【００８６】
本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができ、さらに、白色光源として用いることができる。
【００８７】
第４の実施形態のように傾斜端面を設ける構成は、第４の実施形態の傾斜端面と傾斜方向を逆にすることにより、第１の実施形態のようにジャンクションアップ実装する半導体発光素子に用いることも可能である。また、本実施形態では、前方端面を傾斜端面としたが、後方端面を傾斜端面としてもよく、前方端面及び後方端面の両方を傾斜端面としても構わない。
【００８８】
なお、本実施形態において、半導体発光素子及び蛍光体の一例を示したが、第３の実施形態に示したように、発光波長及び蛍光波長の種々の組み合わせを適用することができ、また、蛍光体材料の種々の組み合わせを適用することもできる。
【００８９】
第１の実施形態〜第４の実施形態において、リッジストライプ部を形成することにより光導波路を形成したが、例えば非特許文献１に提示された構成のように、亜鉛等の不純物拡散により光導波路を形成してもよく、他の方法を用いても構わない。
【００９０】
また、導波光の反射率の制御及び素子の信頼性の確保のために、光導波路の端面には保護膜が形成された構成について説明したが、光導波路の端面に保護膜を形成しなくても構わない。また、高い発光効率を得るために、光導波路の後方端面は光導波路と垂直で且つ反射率が高い膜が形成された構成について説明したが、光導波路の前方端面及び後方端面の両方を光導波路の幅方向に対して傾斜させても構わない。
【００９１】
第１の実施形態〜第４の実施形態において、サファイア基板の上に窒化物半導体積層膜が形成された青紫色ＬＤ又は青紫色ＳＬＤについて説明したが、本発明はＧａＮ基板及びＳｉ基板を用いてもよい。また、窒化物半導体を用いた紫外（波長４００ｎｍ未満）、青（波長４８０ｎｍ付近）及び緑（波長５６０ｎｍ付近）等の可視域の発光波長、又はその他の半導体材料を用いた赤（波長６２０ｎｍ付近）及び赤外（波長７００ｎｍ以上）等の発光波長の光を放射するＬＤ及びＳＬＤ等の誘導放出を利用した半導体発光素子の高効率化にも有効である。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた発光装置は、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができ、特に、電子機器のスイッチ照明、液晶テレビ及びプロジェクタ等のディスプレイ用の光源、一般照明並びに携帯電子機器のフラッシュ光源等に適用できる光導波路を有する半導体発光素子及びそれを用いた発光装置等に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１  半導体発光素子
１０  基板
１１  下部コンタクト層
１２  下部クラッド層
１３  発光層
１４  上部クラッド層
１５  上部コンタクト層
２０  光導波路
２１  電流阻止層
２２  透明電極
２３  ｎ側電極
２４  ｐ側電極
２５  反射膜
３０  前方端面
３１  後方端面
３５  第１保護膜
３６  第２保護膜
４０  窒化物半導体積層膜
５０  パッケージ
５１  反射面
５２  カバーガラス
７０ａ  非導波光
７０ｂ  非導波光
７１  導波光
１００  発光装置
１０１  半導体発光素子
１０２  半導体発光素子
１２５  選択成長マスク
２００  発光装置
２０１  半導体発光素子
２２２  非透明電極
２２４  高反射率ｐ側電極
２３１  第１のバンプ
２３２  第２のバンプ
２５０  パッケージ
２５１  ビア配線
３１０  ｎ型ＧａＮ基板
５００  発光装置
５６０  蛍光体層
５７１  励起光
５７２  蛍光
７０１  半導体発光素子
７５０  パッケージ
７６０  蛍光体
７６５  傾斜端面
７７１  励起光
７７２  蛍光
８００  発光装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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