(57)【要約】  本発明に係るスーパールミネッセントダイオード（１００）は、基板（１０）の上に、下部クラッド層（１２）、発光層（１４）および上部クラッド層（１６）を少なくともこの順に含む積層体を備え、積層体は、屈折率導波型の光導波路（２１）を有する。光導波路（２１）は、第一の幅を有するように上部クラッド層（１６）を加工することにより形成された第一のメサ部（３１）と、第一の幅よりも大きい幅である第二の幅を有するように、下部クラッド層（１２）、発光層（１４）および上部クラッド層（１６）を加工することにより形成された第二のメサ部（３２）とを含む。
2012150647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、第一のクラッド層、発光層および第二のクラッド層を少なくともこの順に含む積層体を備えるスーパールミネッセントダイオードであって、
前記積層体は、屈折率導波型の光導波路を有し、
前記光導波路は、
第一の幅を有するように前記第二のクラッド層を加工することにより形成された第一のメサ部と、
前記第一の幅よりも大きい幅である第二の幅を有するように、前記第一のクラッド層、発光層および第二のクラッド層を加工することにより形成された第二のメサ部とを含む
スーパールミネッセントダイオード。
【請求項２】
前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との距離は、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である
請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項３】
前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との距離は、前記光導波路全体にわたって一定である
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。
【請求項４】
前記第一の幅および前記第二の幅は、前記光導波路の光伝搬方向において徐々に変化するように形成される
請求項１〜３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。
【請求項５】
前記光導波路は、直線状に形成されており、
前記光導波路の前端面および後端面の法線は、前記光導波路の延伸軸に対して傾斜している
請求項１〜４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。
【請求項６】
前記光導波路は、直線状に形成されており、
前記光導波路の前端面の法線は、前記光導波路の延伸軸に対して傾斜し、
前記光導波路の後端面の法線は、前記光導波路の延伸軸と平行である
請求項１〜４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。
【請求項７】
前記光導波路は、直線導波路部と曲線導波路部とからなり、
前記曲線導波路部の一方の端面は、前記光導波路の前端面であり、
前記直線導波路部の一方の端面は、前記光導波路の後端面である
請求項１〜４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。
【請求項８】
前記曲線導波路部の曲率半径は、１０００μｍ以上である
請求項７に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項９】
前記後端面には、誘電体多層膜からなる高反射率層が形成されている
請求項６〜８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。
【請求項１０】
前記前端面には、誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層が形成されている
請求項６〜９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。
【請求項１１】
前記前端面および前記後端面には、誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層が形成されている
請求項５に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１２】
前記第二のメサ部は、前記第一のメサ部と離間して形成された凸部を有する
請求項１〜１１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。
【請求項１３】
前記第一のメサ部の直下における発光層のバンドギャップは、前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との間における第二のメサ部の直下における発光層のバンドギャップよりも小さい
請求項１〜１２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。
【請求項１４】
前記第一のメサ部の直下における発光層と、前記第二のメサ部の直下における発光層とは、前記積層体の積層方向に対して異なった深さに位置している
請求項１〜１２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。
【請求項１５】
前記積層体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ，ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる
請求項１〜１４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。
【請求項１６】
前記積層体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（但し、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる
請求項１〜１４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。
【請求項１７】
前記第二のクラッド層は、屈折率が２．５以下の導電性透明材料で構成されており、
前記導電性透明材料は、電極としても機能する
請求項１〜１６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。
【請求項１８】
前記第一のメサ部の高さは、１５０ｎｍ以下である
請求項１７に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【請求項１９】
前記第一のクラッド層は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなり、
前記第一のクラッド層の屈折率は、２．４以下である
請求項１７又は１８に記載のスーパールミネッセントダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパールミネッセントダイオードに関し、特に、青紫色から赤色までの可視光領域の波長の光を発するスーパールミネッセントダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な電気機器の光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、又は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子が注目されている。【０００３】
中でも、ＳＬＤは、高指向性および低可干渉性を併せ持つことから、光干渉断層画像（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）システム等の医療用機器の光源として、あるいは、近年では、プロジェクタ等の画像表示デバイス用の光源として、その開発が進められている。【０００４】
ＳＬＤは、ＬＤと同様に光導波路を用いた半導体発光素子であり、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。【０００５】
また、ＳＬＤは、ＬＤと異なり、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構成されている。そのため、ＳＬＤでは、光出射端面を、例えば光導波路に対して傾斜させた構造とすることにより、モード反射率を低減させてレーザ発振を抑制している。このような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広帯域なスペクトル形状を示すと共に、狭放射角の光出射を得ることが可能である。【０００６】
このように、ＳＬＤは、共振による発振現象を利用しないため、ＬＤとは異なる特性を有する。ここで、ＳＬＤおよびＬＤの特性について、図２０を用いて説明する。図２０は、ＳＬＤおよびＬＤの電流−光出力特性を示す図である。【０００７】
図２０に示すように、ＳＬＤには、ＬＤのような明確な発振しきい値（Ｉｔｈ）がなく、光出力の立ち上がりにおいては、領域Ｅｘで示されるように、光増幅によって指数関数的に光出力が増大するという特徴がある。【０００８】
ＳＬＤの最も単純なモデルによれば、発光層で起きた光が光導波路の中で光増幅を受けながら伝搬して出射端から放射されるときの光出力ＰＯは、以下の式（１）によって表すことができる。【０００９】
【数１】
2012150647.tif 000003
【００１０】
（式１）において、Ｌは光導波路の長さを、Γｖは光導波路内における垂直方向の光閉じ込め係数を、ｇ（Ｊ）は電流密度Ｊにおける発光層の光利得を、αｉは光導波路内の導波損失を、Ａは発光層での自然放出光が光導波路モードへ結合する割合を表す係数を、ｚは光導波路内での位置（０≦ｚ≦Ｌ）をそれぞれ表している。【００１１】
図２０に示したように、ＳＬＤは、光出力の立ち上がりが指数関数的になるために、ＬＤに比べて立ち上がりが遅れ、動作電流（Ｉｏｐ）が大きくなってしまうという課題がある。プロジェクタ等の電子機器の光源としてＳＬＤを利用する場合、ＳＬＤの発光効率は大きいほど好ましい。従って、ＳＬＤにおいては、ＬＤのしきい値（Ｉｔｈ）に相当する立ち上がり電流（動作電流）を如何に低減するかということが非常に重要である。【００１２】
（式１）によると、ＳＬＤの立ち上がり電流を低減する１つの手段として、自然放出光結合係数Ａを大きくすることが挙げられる。自然放出光結合係数Ａを大きくするには、光導波路における内部と外部との実効的な屈折率差Δｎを大きくすればよい。この光導波路の屈折率差Δｎは、光導波路の構造によって異なる。【００１３】
従来の光導波路の構造としては、積層された半導体層を浅く掘り込むことによりメサ部（リッジ部）が形成された浅メサ構造、あるいは、積層された半導体層を発光層下部まで深く掘り込むことによりメサ部（リッジ部）が形成された深メサ構造がある。例えば、特許文献１又は特許文献２には、深メサ構造の光導波路を有する半導体レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−１７７４８７号公報
【特許文献２】特開２００２−１１８３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ここで、浅メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子および深メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子について、図２１Ａおよび図２１Ｂを用いて説明する。図２１Ａは、浅メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子の断面図である。また、図２１Ｂは、深メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子の断面図である。【００１６】
図２１Ａに示すように、浅メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子１００１は、基板１０１０の上に、バッファ層１０１１、ｎ型の下部クラッド層１０１２、ｎ型の下部ガイド層１０１３、発光層１０１４、ｐ型の上部ガイド層１０１５およびｐ型の上部クラッド層１０１６が順次形成された半導体積層体を有している。【００１７】
上部クラッド層１０１６には、リッジ型の光導波路としてストライプ状の浅メサ部１０３１が形成されている。上部クラッド層１０１６上には、浅メサ部１０３１の頂面を露出する開口部を有する誘電体絶縁層１０１７が形成されている。また、浅メサ部１０３１の頂面には誘電体絶縁層１０１７の開口部を覆うようにｐ側電極１０１８が形成されている。【００１８】
ｐ側電極１０１８を含む誘電体絶縁層１０１７の上には、ｐ側電極１０１８と電気的に接続されるパッド電極１０１９が形成されている。なお、基板１０１０の裏面にはｎ側電極１０２０が形成されている。【００１９】
一方、図２１Ｂに示すように、深メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子１００２も、図２１Ａの半導体発光素子１００１と同様の半導体積層体を有している。深メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子１００２は、浅メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子１００１とは異なり、光導波路として、下部クラッド層１０１２まで掘り込んだ構造である深メサ部１０３２が形成されている。【００２０】
光導波路の屈折率差Δｎを大きくするには、図２１Ａのような浅メサ構造の光導波路よりも、図２１Ｂのような深メサ構造の光導波路の方が望ましい。【００２１】
特に、半導体レーザでは、光導波路を深メサ構造とすることで、しきい値を低減したり寄生容量を低減したり、さらには曲線状の光導波路の場合には光導波路における曲げ損失を低減したりすることができる。【００２２】
しかしながら、プロジェクタ用途等に用いる４００〜５５０ｎｍ程度の波長の発光が得られる窒化物半導体からなる半導体レーザでは、適当なウェットエッチング技術がないために、メサ構造をドライエッチングにより形成する方法が一般的である。【００２３】
そのため、光導波路の屈折率差Δｎが大きい深メサ構造では、メサ部（リッジ部）の側面がドライエッチングによってダメージを受け、これが非発光の再結合中心として働くために、しきい値等の特性がかえって悪化してしまうという問題がある。この問題があるために、半導体レーザにおいては、浅メサ構造の光導波路を用いることが一般的である。【００２４】
深メサ構造を形成する際のドライエッチングにおけるダメージの問題は、４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の波長の発光が得られる窒化物半導体からなるＳＬＤにおいても同様である。しかし、ＳＬＤにおいて浅メサ構造の光導波路を用いると、自然放出光結合係数Ａが小さくなってしまうために、半導体レーザの場合よりもさらに特性への悪影響が顕著となってしまい、立ち上がり電流が大きくなるという大きな問題がある。従って、ＳＬＤにおいては、単純に浅メサ構造の光導波路とすることもできない。このように、従来のＳＬＤでは、効率を向上させることが難しいという問題がある。【００２５】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、高効率のスーパールミネッセントダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記の課題を解決するために、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様は、基板の上に、第一のクラッド層、発光層および第二のクラッド層を少なくともこの順に含む積層体を備えるスーパールミネッセントダイオードであって、前記積層体は、屈折率導波型の光導波路を有し、前記光導波路は、第一の幅を有するように前記第二のクラッド層を加工することにより形成された第一のメサ部と、前記第一の幅よりも大きい幅である第二の幅を有するように、前記第一のクラッド層、発光層および第二のクラッド層を加工することにより形成された第二のメサ部とを含むものである。【００２７】
係る構成により、非発光再結合の影響を抑制しながら、実効的に自然放出光結合係数を増大させることができる。これにより、高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００２８】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との距離は、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。【００２９】
係る構成により、非発光再結合の影響を抑制しながら発光層における光吸収損失を抑制することができる。これにより、実効的な自然放出光結合係数を最適な範囲で増大させることができる。【００３０】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との距離は、前記光導波路全体にわたって一定であるように構成してもよい。【００３１】
係る構成により、光導波路全体にわたって、実効的な自然放出光結合係数を最大限に増大させることができる。【００３２】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一の幅および前記第二の幅は、前記光導波路の光伝搬方向において徐々に変化するように形成されるように構成してもよい。【００３３】
係る構成により、光導波路中における光増幅効果を増大させることができるので、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００３４】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記光導波路は、直線状に形成されており、前記光導波路の前端面および後端面の法線は、前記光導波路の延伸軸に対して傾斜しているように構成してもよい。【００３５】
係る構成により、光出射端面が傾斜端面であるスーパールミネッセントダイオードを容易に実現できる。【００３６】
また、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記光導波路は、直線状に形成されており、前記光導波路の前端面の法線は、前記光導波路の延伸軸に対して傾斜し、前記光導波路の後端面の法線は、前記光導波路の延伸軸と平行であるように構成してもよい。【００３７】
係る構成により、導波損失の小さい直線状の光導波路のみで、反射端面と傾斜した光出射端面とを備えた片出射型のスーパールミネッセントダイオードを容易に実現できる。【００３８】
また、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記光導波路は、直線導波路部と曲線導波路部とからなり、前記曲線導波路部の一方の端面は、前記光導波路の前端面であり、前記直線導波路部の一方の端面は、前記光導波路の後端面であるように構成してもよい。【００３９】
係る構成により、反射端面と傾斜した光出射端面とを備えた片出射型のスーパールミネッセントダイオードを容易に実現できる。【００４０】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記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。【００４１】
係る構成により、曲線導波路部における曲がり損失を低減することができる。【００４２】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記後端面には、誘電体多層膜からなる高反射率層が形成されていることが好ましい。【００４３】
係る構成により、後端面での反射率を最大化し、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００４４】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記前端面には、誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層が形成されていることが好ましい。【００４５】
係る構成により、前端面での反射率を最小化し、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００４６】
あるいは、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記前端面および前記後端面には、誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層が形成されていることが好ましい。【００４７】
係る構成により、前端面および後端面での反射率を最小化し、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００４８】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第二のメサ部は、前記第一のメサ部と離間して形成された凸部を有するように構成してもよい。【００４９】
係る構成により、第二のメサ部の側面におけるエッチングダメージに起因したリーク電流を抑制することができるので、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００５０】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のメサ部の直下における発光層のバンドギャップは、前記第一のメサ部の側面と前記第二のメサ部の側面との間における第二のメサ部の直下における発光層のバンドギャップよりも小さい構成としてもよい。【００５１】
係る構成により、第一のメサ部の直下の発光層で発光した光が、第一のメサ部の側面から第二のメサ部の側面までの発光層において、吸収されることがなくなる。これにより、実効的な自然放出光結合係数を、深メサ構造の自然放出光結合係数と同等にまで増大させることができる。従って、さらに高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００５２】
あるいは、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のメサ部の直下における発光層と、前記第二のメサ部の直下における発光層とは、前記積層体の積層方向に対して異なった深さに位置していることが好ましい。【００５３】
係る構成により、第一のメサ部の直下の発光層で発光した光が、第一のメサ部の側面から第二のメサ部の側面までの発光層において吸収されることを抑制できる。これにより、実効的な自然放出光結合係数を増大させることができるので、高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。【００５４】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記積層体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ，ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体からなる構成としてもよい。【００５５】
係る構成により、青色および緑色の光源として利用することが可能となる。青色を発光するスーパールミネッセントダイオードは、黄色蛍光体と組み合わせることにより、もしくは、緑色蛍光体および赤色蛍光体と組み合わせることにより、白色光源として利用することができる。【００５６】
また、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記積層体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（但し、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる構成としてもよい。【００５７】
係る構成により、赤色の光源として利用できる。また、青色、緑色および赤色を発光する各スーパールミネッセントダイオードを用いて白色光源を構成することにより、色再現性の高いバックライト用光源やディスプレイ用光源を実現することができる。【００５８】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第二のクラッド層は、屈折率が２．５以下の導電性透明材料で構成されており、前記導電性透明材料は、電極としても機能する構成としてもよい。この導電性透明材料は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）とすることが好ましい。【００５９】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のメサ部の高さは、１５０ｎｍ以下であることが好ましい。【００６０】
さらに、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの一態様において、前記第一のクラッド層は、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）からなり、前記第一のクラッド層の屈折率は、２．４以下であることが好ましい。【００６１】
係る構成により、光導波路内の垂直方向の光閉じ込め係数Γｖを、青色〜緑色の波長域にわたって大きくすることができる。これにより、さらに高効率の青色および緑色のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明によれば、高効率のスーパールミネッセントダイオードを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１ＡのＢ−Ｂ’線における本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における半導体積層体結晶成長工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における第一のメサ部形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における第二のメサ部形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における端面溝部形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における誘電体絶縁層形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法におけるｐ側電極形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法におけるパッド電極形成工程を説明するための素子断面図（ａ）、素子平面図（ｂ）およびウェハ平面図（ｃ）である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法におけるｎ側電極形成工程を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図２Ｉ】図２Ｉは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの製造方法における素子分離工程を説明するためのウェハ平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの動作を模式的に示した平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの動作を模式的に示した断面図である。
【図４】図４は、浅メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例１）と深メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例２）とにおいて、光導波路の屈折率差Δｎと自然放出光結合率又は導波路の臨界角との関係を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、深メサ部の高さがＨｂである深メサ構造の光導波路を有する比較例２に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに示す比較例２に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオード、比較例１に係るスーパールミネッセントダイオードおよび半導体レーザの各半導体発光素子における電流−光出力特性を模式的に示した図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードにおいて、メサ間距離ｄと光出力が５ｍＷにおける立ち上がり電流（Ｉｏｐ）又はスロープ効率（Ｓｅ）との関係を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードにおいて、メサ間距離ｄと光出力が５０ｍＷにおける動作電流（Ｉｏｐ）との関係を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードにおけるメサ間距離の効果を模式的に示した図である。
【図９Ａ】図９Ａは、二段メサ構造の光導波路を備えた半導体レーザの平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに示す二段メサ構造の光導波路を備えた半導体レーザの断面図である。
【図１０】図１０は、浅メサ構造、二段メサ構造および深メサ構造の光導波路を有する窒化物半導体レーザにおける閾値電流Ｉｔｈ、スロープ効率Ｓｅ（５０ｍＷ出力時）および動作電流Ｉｏｐ（５０ｍｗ出力時）を比較して示した図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第１の実施形態の変形例１に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第１の実施形態の変形例１に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第１の実施形態の変形例２に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第１の実施形態の変形例２に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第２の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第２の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の第３の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第３の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第３の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードにおける曲線導波路部の円弧部の曲率半径とスロープ効率との関係を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第４の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１６ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第４の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の第５の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第５の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の第６の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第６の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の第７の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、図１９ＡのＡ−Ａ’線における本発明の第７の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの断面図である。
【図２０】図２０は、半導体レーザおよびスーパールミネッセントダイオードの電流−光出力特性を示す図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、浅メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子の断面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、深メサ構造の光導波路を有する半導体発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
以下、本発明に係るスーパールミネッセントダイオードの実施形態について、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いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものであって、本発明はこれらの実施形態には限定されない。また、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、本発明は、請求の範囲だけによって特定される。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
【００６５】
また、各図において、ｃ、ａ、ｍは、それぞれ六方晶ＧａＮ系結晶の面方位を示している。ここで、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。また、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、当該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。各実施形態において、図中に示した窒化物半導体において最も一般的な面方位を示しているが、結晶の面方位に関しては、これに限るものではなく、どのような面方位を用いても構わない。
【００６６】
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。また、各図において、同じ構成要素には同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略化又は簡略化する。
【００６７】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）１００について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態に係るＳＬＤ１００は、窒化物半導体からなるＳＬＤ素子であって、波長が４００〜４５０ｎｍ程度の青色光を出力する青色ＳＬＤ素子として説明する。
【００６８】
本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤ１００は、基板の上に、第一のクラッド層、発光層および第二のクラッド層を少なくともこの順に含む積層体を備え、当該積層体は、深さの浅い第一のメサ部と深さの深い第二のメサ部とからなる屈折率導波型の光導波路を有する。また、本実施形態における光導波路は、前端面（光出射端面）と傾斜して接続され、かつ、後端面と垂直に接続されている。
【００６９】
以下、本実施形態に係るＳＬＤ１００の具体的な構成について、図１Ａ〜図１Ｃを用いて詳細に説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。また、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図であり、図１Ｃは、図１ＡのＢ−Ｂ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【００７０】
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、本実施形態に係るＳＬＤ１００は、ｎ型ＧａＮからなる基板１０と、基板１０の上に、ｎ型（第一の導電型）のＧａＮからなるバッファ層１１、ｎ型のＡｌＧａＮからなる下部クラッド層１２（第一のクラッド層）、ｎ型のＧａＮからな下部ガイド層１３（第一のガイド層）、多重量子井戸構造の発光層１４（活性層）、アンドープ又はｐ型（第二の導電型）のＧａＮからなる上部ガイド層１５、および、ＡｌＧａＮとＧａＮとからなる歪超格子層であるｐ型の上部クラッド層１６（第二のクラッド層）が順次形成された半導体積層体とを有している。なお、図示しないが、上部ガイド層１５と上部クラッド層１６との間には、ＡｌＧａＮからなるキャリアオーバフロー抑制（ＯＦＳ：Ｏｖｅｒ−Ｆｌｏｗ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）層が形成されており、また、上部クラッド層１６上には、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層が形成されている。
【００７１】
上部クラッド層１６には、第一の幅である所定のリッジ幅Ｗ１（ストライプ幅）を有するとともに、第一の高さである所定の高さＨ１を有するリッジ状の第一のメサ部３１が形成されている。第一のメサ部３１は、所定のリッジ幅Ｗ１を有するように上部クラッド層１６を垂直のメサ構造に加工することにより形成される。本実施形態における第一のメサ部３１は、基板１０の主面垂直方向において凸状であり、また、図１Ａに示すように平面視においてストライプ状に形成されている。なお、上部クラッド層１６のうち、第一のメサ部３１が形成されていない部分（すなわち、掘り込まれた部分）は、薄膜の平坦部である。
【００７２】
さらに、本実施形態では、下部クラッド層１２に到達する深さまでリッジ状に掘り込まれた第二のメサ部３２が第一のメサ部３１の外側に形成されている。すなわち、第二のメサ部３２は、第一のメサ部３１のリッジ幅Ｗ１よりも大きい第二の幅である所定のリッジ幅Ｗ２（ストライプ幅）を有するとともに、第一のメサ部３１の高さＨ１より高い高さＨ２を有する。第二のメサ部３２は、所定のリッジ幅Ｗ２を有するように、第一のメサ部３１の外側における半導体積層体を、最上層から下部クラッド層１２の一部までを垂直のメサ構造に加工することにより形成される。本実施形態における第二のメサ部３２は、第一のメサ部３１と同様に、基板１０の主面垂直方向において凸状であり、図１Ａに示すように平面視においてストライプ状に形成されている。なお、下部クラッド層１２のうち、第二のメサ部３２が形成されていない部分（すなわち、掘り込まれた部分）は、薄膜の平坦部である。
【００７３】
このように、本実施形態における光導波路２１は、二段メサ構造の光導波路であり、上部クラッド層１６をリッジ側面とする第一のメサ部３１と、第一のメサ部３１よりも幅広であり、少なくとも発光層１４をリッジ側面とする第二のメサ部３２とによって構成される。光導波路２１を二段メサ構造とすることにより、上述の（式１）における自然放出光結合係数Ａを大きくすることができる。これにより、光出力を大きくすることができるので、立ち上がり電流が低減して効率を向上させることができる。
【００７４】
また、二段メサ構造の光導波路２１は、第一のメサ部３１の頂面（上部クラッド層１６の凸部の上方）に開口部を有するように形成されたＳｉＯ２からなる誘電体絶縁層１７によって覆われている。誘電体絶縁層１７は、第一のメサ部３１のリッジ側面を構成する上部クラッド層１６の側面と、上部クラッド層１６の平坦部の上面と、第二のメサ部３２のリッジ側面を構成する上部クラッド層１６、上部ガイド層１５、発光層１４、下部ガイド層１３および下部クラッド層１２の各層側面と、下部クラッド層１２の平坦部の上面とに形成されている。
【００７５】
第一のメサ部３１の頂面（上部クラッド層１６の凸部の上方）には、誘電体絶縁層１７の開口部を埋めるようにｐ側電極１８が形成されている。また、ｐ側電極１８および誘電体絶縁層１７の上には、ｐ側電極１８と電気的に接続されるパッド電極１９が形成されている。なお、基板１０の裏面には、すなわち、基板１０における下部クラッド層１２が形成された面とは反対側の面には、ｎ側電極２０が形成されている。
【００７６】
また、図１Ａおよび図１Ｃに示すように、ＳＬＤ素子の前方面５１にはエッチングによって端面溝部４１が形成されており、端面溝部４１の内側面は、光導波路２１の前端面４２として構成される。前端面４２は、発光層１４が発する光が光導波路２１を伝搬して素子外部に出射される光出射端面であり、前方面５１に対して一定の角度をなすように形成されている。すなわち、光導波路２１の前端面４２の法線は、光導波路２１の延伸軸（ストライプ軸）に対して傾斜している。なお、前端面４２は、光導波路２１を伝搬する光を素子外部に放射させるように低反射面となっている。例えば、前端面４２に誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層を形成することによって低反射面とすることができる。このように、前端面４２を低反射面とすることにより、前端面４２での反射率を最小化することができる。
【００７７】
一方、後方面５２は、光導波路２１の後端面４３に誘電体多層膜５４が形成されることにより構成されている。誘電体多層膜５４は、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２等の誘電体膜が積層された高反射率層である。このように、後端面４３に高反射率層を形成することにより、後端面４３での反射率を最大化することができる。また、光導波路の後端面４３は、後方面５２と平行となるように構成されている。すなわち、光導波路２１の後端面４３の法線は、直線状の光導波路２１の延伸軸と平行である。なお、ＳＬＤの素子側面５３は、素子分離面である。
【００７８】
前方面５１における端面溝部４１は、図１Ｃに示すように、基板１０にいたる深さまでのエッチングにより形成されたエッチング溝である。エッチングによって露出する端面溝部４１の表面は、誘電体絶縁層１７によって覆われている。
【００７９】
（製造方法）
次に、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤ１００の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｉを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｉは、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤ１００の製造方法における各工程を説明するための断面図および平面図である。
【００８０】
（半導体積層体結晶成長工程）
まず、図２Ａの（ａ）に示すように、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程度のｎ型六方晶ＧａＮからなる基板１０の主面上に、厚さが１μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層１１、厚さが２μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる下部クラッド層１２を順次成長させる。
【００８１】
続いて、下部クラッド層１２の上に、厚さが０．１０μｍのｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層１３と、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層およびＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる量子井戸層を３周期分含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の発光層１４とを順次成長させる。
【００８２】
続いて、発光層１４の上に、厚さが０．０５μｍのアンドープ又はｐ型のＧａＮからなる上部ガイド層１５を成長させる。その後、図示しないが、上部ガイド層１５の上に、厚さが１０ｎｍのＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるキャリアオーバフロー抑制層（ＯＦＳ層）を成長させる。
【００８３】
続いて、ＯＦＳ層の上に、厚さがそれぞれ２ｎｍのｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層とＧａＮ層とを１２０周期分繰り返してなり、厚さが０．５０μｍの歪超格子層である上部クラッド層１６を成長させる。なお、図示しないが、上部クラッド層１６の上には、厚さが０．０５μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層を成長させる。
【００８４】
これにより、図２Ａの（ｂ）に示すように、基板１０の上に半導体積層体が形成されたウェハ１１０を得ることができる。
【００８５】
なお、半導体積層体において、各ｎ型の半導体層には、例えばシリコン（Ｓｉ）が、ドナー不純物として５〜１０×１０１７ｃｍ−３程度の濃度にドーピングされている。また、各ｐ型の半導体層には、例えばマグネシウム（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。最上層のｐ型のコンタクト層には、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。従って、バンドギャップが大きいＯＦＳ層により、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くなるので、キャリアが発光層１４を通過して発光層１４以外の半導体層で非発光再結合してしまうことを抑制することができる。
【００８６】
なお、本実施形態に係る半導体積層体の構造は一例であり、半導体積層体の構造および成長方法は、上記の実施形態に限られない。例えば、半導体積層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系の半導体積層体が成長可能な方法を用いてもよい。
【００８７】
また、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合の原料としては、例えばＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、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。
【００８８】
（二段メサ導波路形成工程）
次に、ＣＶＤ法により、ｐ型のコンタクト層の上の全面に、厚さが２００ｎｍの第１のＳｉＯ２膜（図示せず）を堆積する。その後、ウェハ１１０を温度が８５０℃の窒素（Ｎ２）雰囲気で２０分間の熱処理を施して、各ｐ型半導体層のＭｇを活性化する。
【００８９】
続いて、リソグラフィおよびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等によるドライエッチングにより、第一のＳｉＯ２膜に対してエッチングを行うことで第一のＳｉＯ２膜をパターニングし、第一のメサ部３１の形成領域においてＳｉＯ２からなる第一のマスク膜を形成する。
【００９０】
その後、第一のマスク膜を用いて、塩素（Ｃｌ２）ガス又は四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス、三塩化ボロン（ＢＣｌ３）等の塩素系ガスによるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチングにより、ｐ型のコンタクト層およびその下の上部クラッド層１６の上部に対して約０．４μｍ程度エッチングし、最後に第一のマスク膜を緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）で除去することにより、図２Ｂの（ａ）および（ｂ）に示すように、リッジ幅がＷ１で高さがＨ１の第一のメサ部３１を形成することができる。なお、本実施形態において、第一のメサ部３１のリッジ幅（底部の幅）Ｗ１は約１．５μｍとしている。なお、リッジ幅Ｗ１は、１〜２０μｍとすることが好ましい。
【００９１】
次に、再度、ＣＶＤ法により、厚さが２００ｎｍの第２のＳｉＯ２膜をウェハ上の全面に堆積し、先ほどと同様にＲＩＥによりＳｉＯ２膜をパターニングして、ＳｉＯ２からなる第二のマスク膜を形成する。その後、塩素系ガスによるＩＣＰドライエッチングを施して、第二のマスク膜をＢＨＦで除去することにより、図２Ｃの（ａ）および（ｂ）に示すように、リッジ幅がＷ２で高さがＨ２の第二のメサ部３２を形成することができる。
【００９２】
このとき、第二のメサ部３２の高さＨ２であるエッチングの深さは、少なくとも下部クラッド層１２に到達する深さが必要であり、本実施形態では、１μｍとしている。また、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との距離（以後、「メサ間距離ｄ」とする）は、１．５μｍとしている。本実施形態において、メサ間距離ｄは、第二のメサ部３２のリッジ幅Ｗ２と第一のメサ部３１のリッジ幅Ｗ１との差の半分（（Ｗ２−Ｗ１）／２）で表すことができる。後に詳細に説明するが、このメサ間距離ｄは、０．１〜２．０μｍ程度とすることが望ましい。
【００９３】
（端面溝部形成工程）
次に、再度、ＣＶＤ法により、厚さが８００ｎｍの第三のＳｉＯ２膜をウェハ上の全面に堆積し、先ほどと同様にＲＩＥによりＳｉＯ２膜をパターニングして、ＳｉＯ２からなる第三のマスク膜を形成する。その後、塩素系ガスによるＩＣＰドライエッチングを施して、第三のマスク膜をＢＨＦで除去することにより、図２Ｄの（ｂ）に示すように、端面溝部４１を形成する。これにより、前端面４２を形成することができる。
【００９４】
本実施形態において、端面溝部４１の深さは３μｍとした。端面溝部４１の側面である前端面４２は、素子の前方面５１よりも後退している。このため、端面溝部４１の底部による光の蹴られ（反射もしくは散乱）を防ぐために、端面溝部４１の深さは深いほうが望ましく、少なくとも２μｍ以上とすることが好ましい。
【００９５】
また、端面溝部４１は、前端面４２が光導波路２１に対して傾斜するように形成される。このように、前端面４２を傾斜端面とすることにより、前端面４２の反射率（導波路へのモード反射率）を大きく下げることができ、レーザ発振を抑制してＳＬＤ動作を可能とする。なお、前端面４２の傾斜角度は、大きいほど反射率が下がるが、少なくともブリュースター角以下である必要がある。このため、前端面４２の傾斜角度は、５〜２０度程度が好ましく、本実施形態では１０度としている。
【００９６】
（誘電体絶縁層およびｐ側電極形成工程）
続いて、図２Ｅの（ａ）および（ｂ）に示すように、再度ＣＶＤ法により、厚さが３００ｎｍの第四のＳｉＯ２膜からなる誘電体絶縁層１７をウェハ上の全面に堆積する。次に、リソグラフィ法および緩衝フッ酸溶液によるウェットエッチング法により、誘電体絶縁層１７に、第一のメサ部３１の頂面、すなわちｐ型のコンタクト層を露出する開口部を形成する。なお、誘電体絶縁層１７の開口部は、リソグラフィ法に代えて、レジスト膜のエッチバックを行って形成しても構わない。
【００９７】
続いて、図２Ｆの（ａ）および（ｂ）に示すように、電子線蒸着法により、誘電体絶縁層１７の開口部を丁度埋めるように、すなわち、誘電体絶縁膜層１７と開口部と同じ平面形状で、パラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）からなるｐ側電極１８を形成する。本実施形態において、Ｐｄ膜およびＰｔ膜の膜厚はともに５０ｎｍとしてｐ側電極１８を形成した。その後、温度が４００℃の熱処理を加えることにより、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。
【００９８】
（パッド電極形成工程）
次に、図２Ｇの（ａ）〜（ｃ）に示すように、リソグラフィ法および電子線蒸着法により、ｐ側電極１８を含めた誘電体絶縁層１７の上に、ｐ側電極１８と電気的に接続されるように、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなるパッド電極１９を形成する。ここで、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕの各膜厚は、それぞれ５０ｎｍ、５０ｎｍおよび５００ｎｍとした。
【００９９】
なお、図２Ｇの（ｃ）に示すように、一般に基板１０はウェハ１１０の状態であり、複数のＳＬＤ素子は基板１０の主面上に行列状に形成される。従って、ウェハ１１０の状態にある基板１０から個々のＳＬＤ素子を劈開により分割する際に、パッド電極１９が素子間にわたって連続して形成されると、パッド電極１９と密着したｐ側電極１８がｐ型のコンタクト層から剥がれるおそれがある。そこで、パッド電極１９は互いに隣接するチップ同士で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、パッド電極１９の上層のＡｕ層の厚さを３μｍ以上にまで増やすと、発光層１４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からなるメッキ電極によって、ＳＬＤ素子の信頼性を向上することができる。なお、図２Ｇの（ｃ）に示すように、端面溝部４１は、隣接するＳＬＤ素子に共通して形成される。
【０１００】
（ｎ側電極形成工程）
次に、基板１０の裏面を研削および研磨して、基板１０の厚さを約１００μｍにまで薄膜化する。その後、図２Ｈの（ａ）および（ｂ）に示すように、薄膜化された基板１０の裏面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極２０を形成する。本実施形態において、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕの各膜厚は、それぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍとした。この構成により、１×１０−４Ωｃｍ２程度の良好なコンタクト抵抗を実現できる。
【０１０１】
ここで、次工程である劈開および組立工程における認識パターンとして、リソグラフィ法およびウェットエッチング法により、ｎ側電極２０の上層である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。もしくは、リソグラフィ法および蒸着リフトオフ法により、上記の電極パターンを形成してもよい。
【０１０２】
なお、基板１０の研磨方法には、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、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等のアルカリ溶液を同時に用いる化学機械研磨法を用いてもよい。
【０１０３】
（劈開および組立工程）
次に、図２Ｉに示すように、ウェハ１１０を第一の切断ライン５５に沿って切断することにより、ＳＬＤ素子が横１列に連なったバー状態に分割する一次分離を行う。これにより、ＳＬＤ素子の前方面５１および後端面４３が形成される。
【０１０４】
この際、ウェハの切断は、ウェハの劈開性を利用した劈開により行う。この場合、ウェハ１１０における第一の切断ライン５５上に、適時、ダイヤモンド針によるスクライブもしくはレーザを用いたスクライブによる溝を形成することで、劈開の補助溝として利用してもよい。なお、スクライブ溝は、第一の切断ライン５５の端部のみに形成しても良いし、素子間に破線状に形成してもよい。その後、第一の切断ライン５５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前後面を形成することができる。
【０１０５】
図示しないが、続いて、複数のＳＬＤ素子が横一列になったバーの後端面４３に、ＣＶＤ法もしくはスパッタ法等により、反射率が９０％以上の例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２からなる誘電体多層膜５４を形成する。その際、続いて、同じくＣＶＤ法もしくはスパッタ法等により、反射率が１％以下の誘電体単層膜もしくは多層膜を前端面４２に形成しても良い。この場合、前端面４２を保護している誘電体絶縁層１７は適時除去してもかまわない。
【０１０６】
次に、同図に示すように、共振器の長手方向に平行な方向に、適時、ダイヤモンド針によるスクライブもしくはレーザを用いたスクライブにより、第二の切断ライン５６に補助溝を形成して二次分離（二次へき開）を行う。これにより、素子を分割し、１個のＳＬＤ素子を得ることができる。
【０１０７】
なお、この後、ＳＬＤ素子をＣＡＮパッケージ等の所望のパッケージに実装およびワイヤー配線されることによって、青色ＳＬＤ素子を作製することができる。
【０１０８】
（本発明の作用効果）
次に、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤ１００の作用および効果について、図面を参照しながら説明する。
【０１０９】
図３Ａおよび図３Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示した本実施形態に係るＳＬＤ１００の内部におけるデバイス動作を説明するための平面図および断面図である。
【０１１０】
本実施形態のように、二段メサ構造の光導波路を有するＳＬＤにおいては、図３Ｂに示すように、ｐ側電極１８から注入された電流６１は、ｐ側電極１８の直下の発光層１４において再結合発光を起こす。これにより、例えば、図３Ａに示すように、発光層１４内の発光点７０において発光した光は、ランダムに全方向に放射される。ここで、説明を簡単にするために、発光層１４の面内方向への発光を考える。
【０１１１】
この場合、第一のメサ部３１の内側と外側とには実効的な屈折率に差があるので、発光点７０から放射された光のうち、第一のメサ部３１への入射角が第一の臨界角θＣ１よりも大きい光だけが第一のメサ部３１の側面において全反射を起こす。そして、この全反射した光は、第一のメサ部３１内を第一の伝搬光７１として光導波路２１内を導波することになる。
【０１１２】
また、発光点７０から放射された光のうち、第一のメサ部３１への入射角が第一の臨界角θＣ１よりも小さく、かつ、第二のメサ部３２への入射角が第二の臨界角θＣ２より大きい光は、第二のメサ部３２の側面において全反射を起こす。そして、この全反射した光は、第一のメサ部３１および第二のメサ部３２内を第二の伝搬光７２として光導波路２１内を導波することになる。
【０１１３】
なお、残りの光、すなわち、第二のメサ部３２への入射角が第二の臨界角θＣ２よりも小さい光は、光導波路２１の外部に放射光７３として放出されることになる。
【０１１４】
ここで、浅メサ部３１Ａの高さがＨａである浅メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例１）と、深メサ部３２Ａの高さがＨｂ（＞Ｈａ）である深メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例２）との特性について、図４を用いて説明する。図４は、浅メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例１）と深メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子（比較例２）とにおいて、光導波路の屈折率差Δｎと自然放出光結合率又は導波路の臨界角との関係を示す図である。
【０１１５】
図４に示すように、メサの高さが高くなると光導波路内外における屈折率差Δｎも大きくなることがわかる。また、光導波路の屈折率差Δｎが大きくなることで、光導波路内を伝搬する光の臨界角θｃが小さくなることがわかる。
【０１１６】
しかし、比較例１のように、上部クラッド層の一部までしかエッチングしない浅メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子では、光の分布と閉じ込め構造とが空間的に離れるため、実効的な屈折率差Δｎは小さくなり、Δｎは１×１０−２以下になる。その結果、浅メサ構造の比較例１に係るＳＬＤ素子においては、臨界角θＣが８５度以上になり、面内方向にランダムに発光した光（自然放出光）のうち、光導波路内を伝搬する光となる割合（自然放出光結合率）は１０％にも満たなくなる。
【０１１７】
それに対して、比較例２のように、下部クラッド層までをエッチングする深メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ素子では、深メサ部３２Ａを覆う誘電体絶縁層と半導体層との屈折率差がそのままΔｎとなるために、Δｎを１以上に大きくすることができる。その結果、深メサ構造の比較例２に係るＳＬＤ素子においては、臨界角θＣを３０度以下にすることができる。これにより、比較例２では、自然放出光結合率を７０％以上とすることができ、比較例１の自然放出光結合率に対して約１０倍にすることができる。
【０１１８】
上述の（式１）における自然放出光結合係数Ａは、自然放出光結合率に比例する。従って、自然放出光結合率の値が大きいほどＳＬＤの立ち上がり電流を低減することができる。つまり、ＳＬＤにおいては、理想的には深メサ構造とすることが望ましい。
【０１１９】
従って、例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、上記比較例２のような単純な深メサ構造の光導波路を有するＳＬＤ１０１を作製すると、図５Ａに示すように、臨界角θＣ３を小さくすることができる。ここで、図５Ａは、深メサ部３２Ａの高さがＨｂである深メサ構造の光導波路を有する比較例２に係るＳＬＤの平面図であり、図５Ｂは、同ＳＬＤの断面図である。
【０１２０】
しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、窒化物半導体からなるＳＬＤにおいて、深メサ部３２Ａをドライエッチングによって形成すると、深メサ部３２Ａの側面においてドライエッチングのダメージ等に起因する表面準位等が生じ、この表面準位等が非発光再結合中心８１として働くために、かえって特性の悪化を招く結果となることがわかった。
【０１２１】
そこで、図３Ａおよび図３Ｂで示したように、本実施形態に係るＳＬＤ１００においては、第一のメサ部３１と第二のメサ部３２とからなる二段メサ構造の光導波路としている。このように、光導波路を二段メサ構造とすることにより、第一のメサ部３１において電流狭窄を行うことができ、第二のメサ部３２において第二の伝搬光７２を導波路内に閉じ込めることができる。
【０１２２】
このように、二段メサ構造の光導波路とすることにより、第二のメサ部３２における非発光再結合の影響を抑制しつつ、自然放出光結合係数Ａを大きくすることができる。従って、立ち上がり電流の低減およびスロープ効率の向上を図ることができ、高効率のＳＬＤを実現することができる。
【０１２３】
次に、メサ間距離ｄの好ましい範囲について、以下説明する。
【０１２４】
本実施形態に係るＳＬＤ１００において、第二のメサ部３２における第一のメサ部３１の直下領域は、電流６１が注入される電流注入領域６２である。この電流注入領域６２においては、ＳＬＤの動作状態では、キャリアの反転分布が起こり、発光層１４は透明化して光増幅効果が発生する。
【０１２５】
一方、第二のメサ部３２における第一のメサ部３１の直下領域以外の領域、すなわち、第一のメサ部３１よりも外側に位置する第二のメサ部３２の領域は、電流６１が注入されない電流非注入領域６３である。この電流非注入領域６３においては、キャリアが存在しないために、発光層１４による光吸収が発生する。
【０１２６】
この電流非注入領域６３は、メサ間距離ｄが大きくなる程大きくなる。したがって、メサ間距離ｄが大きすぎると、第二の伝搬光７２は、電流非注入領域６３における発光層１４において全て吸収されてしまう。この場合、実効的には通常の浅メサ構造と同じ構造の光導波路となってしまう。
【０１２７】
従って、メサ間距離ｄを適切に設定することにより、第二のメサ部３２の側面部における非発光再結合の影響を抑制しながら、第二の伝搬光７２が光導波路内で結合する効果を引き出すことができ、これにより、ＳＬＤの立ち上がり電流を低減できることがわかった。
【０１２８】
以下、ＳＬＤ素子の特性とメサ間距離ｄとの関係について、図６、図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明する。図６は、本実施形態に係るＳＬＤ（本発明）、比較例１に係るＳＬＤ（比較例１）およびＬＤの各半導体発光素子における電流−光出力特性を示す図である。また、図７Ａは、本実施形態に係るＳＬＤにおいて、メサ間距離ｄと光出力が５ｍＷにおける立ち上がり電流（Ｉｏｐ）又はスロープ効率（Ｓｅ）との関係を示す図である。図７Ｂは、本実施形態に係るＳＬＤにおいて、メサ間距離ｄと光出力が５０ｍＷにおける動作電流（Ｉｏｐ）との関係を示す図である。なお、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、第一のメサ部３１のリッジ幅Ｗ１は１．５μｍとし、メサ間距離ｄは、第一のメサ部３１のリッジ側面からの距離とした。また、光導波路の長さＬは８００μｍとした。
【０１２９】
図６に示すように、二段メサ構造の光導波路を有する本発明に係るＳＬＤは、浅メサ構造の光導波路を有する比較例１に係るＳＬＤと比べて、立ち上がり電流を低減することができるとともにスロープ効率を増大することができ、また、動作電流を低減することができる。なお、スロープ効率（Ｓｅ）は、電流の変化量に対する光出力の変化量（ΔＰｏｕｔ／ΔＩｏｐ）で表すことができる。
【０１３０】
本実施形態に係るＳＬＤにおける上記の作用効果は、メサ間距離ｄに依存し、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、メサ間距離ｄは、０．５〜２．０μｍ程度で特性が向上し、１．５μｍ程度が最適であることがわかった。
【０１３１】
このメサ間距離の依存性について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤにおけるメサ間距離の効果を模式的に示した図である。
【０１３２】
図８に示すように、まず、メサ間距離ｄが大きくなると、第二のメサ部３２の側面に到達するキャリア（電子および正孔）の数が指数関数的に減少するため、第二のメサ部３２の側面における非発光再結合によるキャリア損失が減少する。
【０１３３】
一方、メサ間距離ｄが大きくなると、光の伝搬距離が長くなるために、第二のメサ部３２の電流非注入領域６３における発光層１４による光吸収が指数関数的に大きくなる。
【０１３４】
この第二のメサ部３２の側面における非発光再結合によるキャリア損失の減少と電流非注入領域６３における光吸収の増加とは、トレードオフの関係にある。従って、図８に示すように、ＳＬＤは、メサ間距離ｄが、ある一定の範囲においてのみ特性改善効果を有するということがわかる。本実施形態に係るＳＬＤでは、上述のとおり、メサ間距離ｄが０．５〜２．０μｍ程度の範囲で特性改善効果が見られる。
【０１３５】
なお、本実施形態のように窒化物半導体からなるＳＬＤにおいては、ドライエッチングによる表面ダメージの影響によって、非発光再結合によるキャリア損失の効果が大きく、メサ間距離ｄは０．５〜２．０μｍが最適範囲となったが、表面ダメージ層を除去することにより、さらにメサ間距離ｄの最適範囲の下限を小さくすることも可能である。表面ダメージ層の除去方法としては、硫酸、リン酸、フッ酸等の酸により表面ダメージ層を除去する方法や、エッチング表面および側面に数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の窒化物半導体層を再成長する方法がある。このような処理により、表面ダメージによる非発光再結合を抑制することができるので、メサ間距離ｄを０．１μｍ程度まで小さくしても所望の電流を得ることできる。従って、ＳＬＤの立ち上がり電流をさらに低減することが可能である。従って、本実施形態に係るＳＬＤ１００において、メサ間距離ｄの好ましい範囲は、０．１以上２．０以下である。
【０１３６】
次に、メサ構造の光導波路を有する半導体レーザの特性について説明する。
【０１３７】
図９Ａは、本実施形態に係るＳＬＤと同様の二段メサ構造の光導波路を備えた半導体レーザの平面図である。また、図９Ｂは、同半導体レーザの断面図である。
【０１３８】
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、二段メサ構造の光導波路を有する半導体レーザ１０２は、前端面４２Ｌが光導波路の延伸軸に垂直な端面となっていること以外は、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂに示すＳＬＤ１００と同様の構成である。
【０１３９】
図３Ａに示すＳＬＤ１００と同様に、図９Ａ示す半導体レーザ１０２においても第二のメサ部３２を伝搬する第二の伝搬光７２が存在するが、半導体レーザ１０２の場合には、特性の向上には寄与しない。
【０１４０】
図１０は、浅メサ構造、二段メサ構造および深メサ構造の光導波路を有する窒化物半導体レーザにおける閾値電流Ｉｔｈ、スロープ効率Ｓｅ（５０ｍＷ出力時）および動作電流Ｉｏｐ（５０ｍｗ出力時）を比較して示した図である。図１０において、閾値Ｉｔｈ、スロープ効率Ｓｅおよび動作電流の値は、浅メサ構造の光導波路を有する窒化物半導体レーザを基準として示している。
【０１４１】
深メサ構造の光導波路を有する窒化物半導体レーザにおいては、他の窒化物半導体レーザと比べて、深メサ部の非発光再結合の影響により、閾値電流および動作電流が大きくなり、各特性が悪化することがわかる。また、二段メサ構造の光導波路を有する窒化物半導体レーザにおいても、特性の向上は見られていない。これは、半導体レーザでは、共振器における発振現象を利用するために、閾値電流やスロープ効率は自然放出光結合係数Ａの影響をほとんど受けないことが原因である。
【０１４２】
一方、ＳＬＤにおいては、発振現象が起こらず、自然放出光が種光となり、この種光が光導波路での増幅効果を受けて光導波路内を伝搬するため、種光の利用効率といえる自然放出光結合係数Ａが大きいことが特性の向上に非常に重要である。
【０１４３】
このように、半導体レーザとＳＬＤとの動作原理が異なることから、半導体レーザに二段メサ構造の光導波路を適用しても効果がなく、二段メサ構造による特性の向上はＳＬＤ特有の現象である。
【０１４４】
以上、説明したとおり、本発明の第１の実施形態に係るＳＬＤ１００によれば、第一のメサ部３１と第二のメサ部３２とからなる二段メサ構造の光導波路によって、第二のメサ部３２における非発光再結合の影響を抑制しつつ、自然放出光結合係数Ａを大きくすることができる。これにより、立ち上がり電流の低減およびスロープ効率の向上を図ることができるので、高指向性、高偏光性および低コヒーレンス性を備えるＳＬＤの高効率化を図ることができる。
【０１４５】
また、本実施形態に係るＳＬＤにおいて、メサ間距離ｄを０．１以上２．０以下とすることにより、非発光再結合の影響を抑制しながら発光層における光吸収損失を抑制することができる。これにより、実効的な自然放出光結合係数を最適な範囲で増大させることができる。
【０１４６】
また、本実施形態では、直線状の光導波路２１の延伸軸は、ＳＬＤ１００の素子側面５３と平行である。また、光導波路２１の前端面４２の法線は、光導波路２１の延伸軸に対して傾斜し、かつ、光導波路２１の後端面４３の法線は、光導波路２１の延伸軸と平行である。これにより、導波損失の小さい直線状の光導波路のみで、傾斜した光出射端面である前端面４２と反射端面である後端面４３とを備えた片出射型のＳＬＤを容易に実現できる。
【０１４７】
（第１の実施形態の変形例１）
次に、本発明の第１の実施形態の変形例１に係るＳＬＤ１０３について、図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａは、本発明の第１の実施形態の変形例１に係るＳＬＤの平面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのＡ−Ａ’線における同変形例１に係るＳＬＤの断面図である。
【０１４８】
図１Ａに示した第１の実施形態に係るＳＬＤ１００では、光導波路２１の幅を一定としており、その幅は１．０〜２．０μｍ程度であるが、図１１Ａに示すように、本変形例に係るＳＬＤ１０３では、第一のメサ部３１のリッジ幅Ｗ１および第二のメサ部３２のリッジ幅Ｗ２が光導波路２１Ｃの光伝搬方向において徐々に変化するように形成されている。本変形例において、光導波路２１Ｃは、後端面４３から前端面４２に向かってリッジ幅Ｗ１およびリッジ幅Ｗ２が徐々に広げていくように形成されたテーパ形状である。
【０１４９】
このような構造とすることで、発光層１４の領域を増加させることができるので、光導波路２１Ｃ内における光増幅効果を大きくすることができる。
【０１５０】
なお、本変形例のように、光導波路２１Ｃの幅を変化させる場合であっても、メサ間距離ｄは一定とすることが好ましい。また、本変形例においもメサ間距離ｄの最適な間隔は、第１の実施形態とほぼ同じになることがわかっている。
【０１５１】
（第１の実施形態の変形例２）
次に、本発明の第１の実施形態の変形例２に係るＳＬＤ１０４について、図１２Ａおよび図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａは、本発明の第１の実施形態の変形例２に係るＳＬＤの平面図である。図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ’線における同変形例２に係るＳＬＤの断面図である。
【０１５２】
図１Ａに示すように、第１の実施形態に係るＳＬＤ１００では、後端面４３は劈開により形成しているが、図１２Ａに示すように、本変形例に係るＳＬＤ１０４では、後端面４３も前端面４２と同じく端面溝部４１を形成することにより形成している。この場合、後端面４３は光導波路２１の延伸軸に対して垂直な端面を形成するように、後方面５２に端面溝部４１を作製する。
【０１５３】
このような構成とすることで、素子の分割を劈開ではなくスクライブにて行うことが可能になり、より低コストのＳＬＤを作製することが可能になる。
【０１５４】
なお、前端面４２には、誘電体の単層膜もしくは多層膜による無反射層または低反射率層を形成することができる。また、後端面４３には、誘電体多層膜による高反射率層を形成することができる。
【０１５５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るＳＬＤ２００について、図１３Ａおよび図１３Ｂを用いて説明する。図１３Ａは、本発明の第２の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１３Ｂは、図１３ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１５６】
本発明の第２の実施形態に係るＳＬＤ２００は、窒化物半導体青色ＳＬＤ素子であって、図１３Ａに示すように、前方面５１および後方面５２に対して傾斜した光導波路２２１を備える。本実施形態において、直線状に形成された光導波路２２１の前端面４２および後端面における各法線は、光導波路２２１の延伸軸（ストライプ方向軸）に対して傾斜している。なお、本実施形態では、光導波路２２１が前方面５１および後方面５２に対して傾斜している以外は、基本的には、第１の実施形態と同様の構成である。
【０１５７】
このような構成とすることで、前端面４２又は後端面４３を傾斜端面とするために端面溝部を形成する必要がなく、光出射端面が傾斜端面であるＳＬＤを、劈開のみで容易に作製することができる。すなわち、本実施形態では、傾斜端面である前端面４２および後端面４３を、いずれも劈開によって形成することができる。
【０１５８】
また、本実施形態において、光導波路２２１を伝搬する光は、前端面４２および後端面４３の両方から放射される。従って、両端面からの光を利用できるパッケージに実装することで、高効率のＳＬＤを実現することができる。
【０１５９】
以上、本発明の第２の実施形態に係るＳＬＤ２００によれば、第１の実施形態に対して、より構造を簡便にして低コスト化を実現することができるとともに、より高効率のＳＬＤ素子を実現することができる。
【０１６０】
なお、本実施形態に係るＳＬＤ２００は、後端面４３も光出射端面である両出射型のＳＬＤであり、前端面４２および後端面４３の両方から光が放射される。従って、前端面４２だけではなく後端面４３にも、誘電体の単層膜又は多層膜からなる低反射率層を形成することが好ましい。これにより、前端面４２および後端面４３での反射率を最小化し、さらに高効率のＳＬＤを実現できる。
【０１６１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るＳＬＤ３００について、図１４Ａおよび図１４Ｂを用いて説明する。図１４Ａは、本発明の第３の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１４Ｂは、図１４ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１６２】
本発明の第３の実施形態に係るＳＬＤ３００は、窒化物半導体青色ＳＬＤ素子であって、図１４Ａに示すように、直線状の直線導波路部３２１Ａと曲線状の曲線導波路部３２１Ｂとからなる光導波路３２１を備える。光導波路３２１は、曲線導波路部３２１Ｂが前端面４２に対して傾斜して接続され、直線導波路部３２１Ａが後端面４３に対して垂直に接続されるように構成されている。なお、本実施形態では、光導波路３２１の一部が曲線導波路部３２１Ｂとなっていること以外は、第１の実施形態と同一である。
【０１６３】
このような構成とすることで、端面溝部を形成することなく劈開によって形成された前端面４２に対して傾斜した光導波路３２１を備えたＳＬＤを実現することができる。さらに、後端面４３には、高反射率層である誘電体多層膜５４が形成されているので、前端面４２のみから光を出射する構造として、より高効率のＳＬＤを実現することができる。
【０１６４】
なお、曲線導波路部３２１Ｂにおいては、円弧部の曲がりによる導波損失が発生するため、円弧部の曲率半径はできるだけ大きくすることが望ましい。
【０１６５】
ここで、光導波路３２１の曲線導波路部３２１Ｂにおける円弧部の曲率半径とスロープ効率との関係について、図１５を用いて説明する。図１５は、本発明の第３の実施形態に係るＳＬＤ３００における曲線導波路部３２１Ｂの円弧部の曲率半径とスロープ効率との関係を示す図である。図１５に示すように、窒化物半導体からなる青色発光のＳＬＤにおいては、曲線導波路部３２１Ｂの円弧部における曲率半径は、１０００μｍ以上とすることが好ましい。
【０１６６】
なお、本実施形態では、曲線導波路部３２１Ｂを前端面４２側に形成しているが、曲線導波路部３２１Ｂ部は光導波路３２１の中央部又は後端面４３側に形成してもかまわない。
【０１６７】
以上、本発明の第３の実施形態に係るＳＬＤ３００によれば、直線導波路部３２１Ａと曲線導波路部３２１Ｂとによって光導波路３２１が構成されているので、第１の実施形態に対して、より構造を簡便にして低コスト化を実現することができるとともに、より高効率のＳＬＤ素子を実現することができる。また、傾斜した光出射端面である前端面４２と反射端面である後端面４３とを備えた片出射型のＳＬＤを容易に実現できる。
【０１６８】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るＳＬＤ４００について、図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて説明する。図１６Ａは、本発明の第４の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１６Ｂは、図１６ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１６９】
本発明の第４の実施形態に係るＳＬＤ４００は、窒化物半導体青色ＳＬＤ素子であって、図１６Ｂに示すように、第一のメサ部３１と同じ高さを有し、第二のメサ部３２の一部として形成された台座部４３１を備える。
【０１７０】
台座部４３１は、上部クラッド層１６を加工することにより、第二のメサ部３２における電流非注入領域の上方において、第一のメサ部３１と離間させて凸状に形成される。第一のメサ部３１と台座部４３１との間には凹部が形成されており、当該凹部を形成することにより、第一のメサ部３１と台座部４３１とを凹部を介して分離して形成することができる。つまり、第一のメサ部３１を形成する際に、台座部４３１をエッチングすることなく残存させることにより、本実施形態の構造を作製することができる。
【０１７１】
第二のメサ部３２のような深メサ構造においては、メサ構造作製時のドライエッチングによって、エッチング表面や深メサ構造の側面にダメージが残り、ドライエッチングにより露出する最表面がｎ型化しやすい。従って、深メサ構造においては、発光層１４を含むｐ−ｎ接合界面を貫通してメサ部の側面が形成されるため、ドライエッチングによる表面ダメージにより表面リーク電流が発生する場合がある。
【０１７２】
これに対し、本実施形態においては、台座部４３１の上面がドライエッチングされない非エッチング面であり、台座部４３１の一部に非エッチング面としてｐ型の表面が存在する。これにより、ｐ側電極１８から、第一のメサ部３１の側面、台座部４３１の側面、台座部４３１の上面および第二のメサ部３２の側面を通って、ｎ型の半導体層にまで至る経路が、ｎ−ｐ−ｎ接合となる。これにより、リークパスをなくすことができるので、上記のような表面リーク電流が発生することを抑制することができる。
【０１７３】
以上、本発明の第４の実施形態に係るＳＬＤ４００によれば、表面リーク電流を低減することができるので、信頼性の高いＳＬＤを実現することができる。
【０１７４】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るＳＬＤ５００について、図１７Ａおよび図１７Ｂを用いて説明する。図１７Ａは、本発明の第５の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１７Ｂは、図１７ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１７５】
本発明の第５の実施形態に係るＳＬＤ５００は、窒化物半導体青色ＳＬＤ素子であって、図１７Ｂに示すように、凸部５１０が形成された基板１０上に、発光層１４を含む半導体積層体が形成されたものである。第一のメサ部３１および第二のメサ部３２からなる光導波路２１は凸部５１０上に形成されており、第一のメサ部３１直下（電流注入領域）の発光層１４のバンドギャップよりも、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間（電流非注入領域）の発光層１４のバンドギャップの方が大きくなっている。言い換えると、第一のメサ部３１の直下における発光層１４のバンドギャップは、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間における第二のメサ部３２の直下における発光層１４のバンドギャップよりも小さくなっている。このように、本実施形態では、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間における第二のメサ部３２の発光層１４は、バンドギャップが拡大した領域であるバンドギャップ拡大領域５１４となっている。
【０１７６】
例えば、あらかじめ凸部５１０を形成した基板１０上に、発光層１４を含む半導体積層体を成長し、その後、凸部５１０の位置に合わせて、第一のメサ部３１および第二のメサ部３２を形成することにより、図１７Ｂに示すような構造のＳＬＤ５００を作製することができる。
【０１７７】
なお、バッファ層１１および下部クラッド層１２を形成する際、基板１０の凸部５１０の隣接部においては、層表面が緩やかに傾斜するように成長条件を調整する。その上に、発光層１４を成長すると、成長表面の傾斜角によって、インジウム（Ｉｎ）の表面への吸着しやすさが異なる領域が形成される。すなわち、凸部５１０の直上に位置する直上部と当該直上部に隣接する隣接部とではＩｎの取り込み効率が異なり、直上部の発光層１４のＩｎ組成よりも隣接部のＩｎ組成の方が低く、これにより、バンドギャップが拡大した領域としてバンドギャップ拡大領域５１４を形成することができる。
【０１７８】
このバンドギャップ拡大領域５１４には、第二の伝搬光７２（不図示）が伝搬することになるので、第一のメサ部３１と第二のメサ部３２との間での光吸収が起こらず、自然放出光結合係数Ａが最大化する。これにより、ＳＬＤを高効率化することができる。このように、本実施形態では、第一のメサ部３１と第二のメサ部３２との間における光吸収が起こらないので、自然放出光結合係数Ａを深メサ構造の自然放出光結合係数と同等にまで増大させることができるとともに、メサ間距離ｄを第１の実施形態よりも大きくすることが可能となる。例えば、メサ間距離ｄは１０μｍ程度まで大きくすることができる。
【０１７９】
以上、本発明の第５の実施形態に係るＳＬＤ５００によれば、第１の実施形態に対して、より簡便な構造で、より高効率のＳＬＤ素子を実現することができる。
【０１８０】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係るＳＬＤ６００について、図１８Ａおよび図１８Ｂを用いて説明する。図１８Ａは、本発明の第６の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１８Ｂは、図１８ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１８１】
本発明の第６の実施形態に係るＳＬＤ６００は、窒化物半導体青色ＳＬＤ素子であって、図１８Ｂに示すように、凸部６１０が形成された基板１０上に、発光層１４を含む半導体積層体が形成されたものである。第一のメサ部３１および第二のメサ部３２からなる光導波路２１は凸部６１０上に形成されており、第一のメサ部３１直下（電流注入領域）の発光層１４と、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間（電流非注入領域）の発光層１４とにおいて、段差が存在する。
【０１８２】
例えば、第５の実施形態と同様に、あらかじめ凸部６１０を形成した基板１０上に、発光層１４を含む半導体積層体を成長し、その後、凸部６１０の位置に合わせて、第一のメサ部３１および第二のメサ部３２を形成することにより、図１８Ｂにしめすような構造のＳＬＤ６００を作製することができる。
【０１８３】
但し、本実施形態では、第５の実施形態に比べて、凸部６１０の高さ（段差）を大きくしている。そして、バッファ層１１および下部クラッド層１２の形成条件を調整することにより、凸部６１０の段差形状を維持したままで発光層１４を成長させる。これにより、第一のメサ部３１の直下における発光層１４と、第二のメサ部３２の直下における発光層１４とは、半導体積層体の積層方向に対して異なった深さに位置させることができる。このように発光層１４を構成することにより、第一のメサ部３１直下の発光層１４から第二のメサ部３２へと向かう光は、上部クラッド層１６を主に通過することになるので、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間における第二のメサ部３２の発光層１４において第二の伝搬光７２が吸収されることを抑制することができる。
【０１８４】
このように、本実施形態では、第二の伝搬光７２の吸収損失を低減することで、自然放出光結合係数Ａを最大化することができ、ＳＬＤをさらに高効率化することができる。また、本実施形態では、第一のメサ部３１の側面と第二のメサ部３２の側面との間の第二のメサ部３２の発光層１４における光吸収が減少するため、メサ間距離ｄを第１の実施形態よりも大きくすることが可能である。例えば、メサ間距離ｄは１０μｍ程度まで大きくすることができる。
【０１８５】
以上、本発明の第６の実施形態に係るＳＬＤ６００によれば、より高効率のＳＬＤ素子を実現することができる。
【０１８６】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係るＳＬＤ７００について、図１９Ａおよび図１９Ｂを用いて説明する。図１９Ａは、本発明の第７の実施形態に係るＳＬＤの平面図である。図１９Ｂは、図１９ＡのＡ−Ａ’線における同実施形態に係るＳＬＤの断面図である。
【０１８７】
本発明の第７の実施形態に係るＳＬＤ７００においては、ＡｌＩｎＮからなるｎ型の下部クラッド層７１２と、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなるｐ側電極７１８とを備える。本実施形態に係るＳＬＤ７００では、低屈折率材料であるＡｌＩｎＮとＩＴＯとを利用することによって光導波路の垂直方向の光閉じ込めΓｖを強くしており、二段メサ構造による自然放出光結合係数Ａの増大効果と合わせることにより、さらに効率を向上することができる。以下、本実施形態に係るＳＬＤ７００の具体的な構成について詳細に説明する。
【０１８８】
図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、本実施形態に係るＳＬＤ７００は、ｎ型ＧａＮからなる基板１０と、基板１０の上に、ｎ型のＧａＮからなるバッファ層１１、ｎ型のＡｌＩｎＮからなる下部クラッド層７１２、下部ガイド層１３、発光層１４、上部ガイド層１５、および、ｐ型のＧａＮからなるコンタクト層（不図示）が順次形成された半導体積層体とを有している。なお、上部ガイド層１５の一部に、ｐ型のＡｌＧａＮからなるキャリアオーバフロー抑制（ＯＦＳ）層を挿入しても良い。また、コンタクト層の下に、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度のｐ型のＡｌＧａＮからなるクラッド層を挿入しても良い。
【０１８９】
本実施形態では、上部ガイド層１５の一部がストライプ状のメサ構造に加工されることによって第一のメサ部３１が構成されている。さらに、下部クラッド層７１２に到達する深さまで掘り込むことにより第二のメサ部３２が構成されている。このように、本実施形態におけるリッジ型の光導波路２１は、第一のメサ部３１と、この第一のメサ部３１よりも幅広の第二のメサ部３２とからなる二段メサ構造の光導波路である。
【０１９０】
上部ガイド層１５の上には、第一のメサ部３１の頂面を露出する開口を有するＳｉＯ２からなる誘電体絶縁層１７が形成されている。第一のメサ部３１の頂面（上部ガイド層１５の凸部の上方）には、誘電体絶縁層１７の開口を埋めるようにＩＴＯからなるｐ側電極７１８が形成されている。また、ｐ側電極７１８および誘電体絶縁層１７の上には、ｐ側電極７１８と電気的に接続されるパッド電極１９が形成されている。なお、基板１０の裏面、すなわち、基板１０の裏面には、ｎ側電極２０が形成されている。
【０１９１】
また、図１９Ａに示すように、ＳＬＤ素子の前方面５１をエッチングによって端面溝部４１を形成することにより前端面４２が形成されている。本実施形態における光導波路２１は、ストライプ状の直線導波路として構成されており、図１９Ａに示すように、光導波路２１の延伸軸は、前端面４２の法線に対して一定の角度で傾斜している。なお、後方面５２においては、光導波路２１の延伸方向（長手方向）に対して垂直な後端面４３に、誘電体多層膜５４が形成されている。
【０１９２】
このように、本実施形態に係るＳＬＤ７００においては、ｎ型の下部クラッド層７１２の材料には、屈折率が２．４以下であるＡｌｘＩｎ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いている。ＡｌＩｎＮは、屈折率が非常に小さい材料であり、Ｉｎ組成が１７．７％程度でＧａＮと格子整合し、この場合の屈折率は２．２程度である。このＡｌＩｎＮをｎ型クラッド層として利用することで４５０ｎｍ以上の長波長域においてもＧａＮとの屈折率差を大きくとることができる。なお、ＡｌＩｎＮは導電性が低いので、下部クラッド層７１２は、ＡｌＩｎＮとＧａＮとの多重超格子構造とすることがより好ましい。この場合、ｎ型不純物としてＳｉをドープすればよい。この不純物のドーピングは、均一ドープでも超格子の周期にあわせた変調ドープでも良い。
【０１９３】
また、本実施形態に係るＳＬＤ７００においては、ｐ型のクラッド層の機能を兼ねる構成として、ＩＴＯからなるｐ側電極７１８を用いている。すなわち、ＩＴＯからなるｐ側電極７１８は、他の実施形態における上部クラッド層として機能するとともに、電極としても機能する。ＩＴＯは、屈折率が２．０程度の低屈折率な透明導電性材料であり、液晶パネル等のディスプレイデバイス又はＬＥＤ等における透明電極として広く利用されている。ＩＴＯを半導体レーザ又はＳＬＤのｐ側電極として利用すると、従来の金属電極と異なり光吸収がほとんどないため、ｐ型クラッド層の機能をＩＴＯ電極に担わせることが可能となり、半導体層としてのｐ型クラッド層を省略することができる。
【０１９４】
このように構成される本実施形態に係るＳＬＤ７００の作用効果について、以下詳細に説明する。
【０１９５】
ＳＬＤの立ち上がり電流を低減させるもう一つの方法として、（式１）における垂直方向の光閉じ込め係数Γｖを大きくすることが挙げられる。ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とからなる半導体積層体においては、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との格子不整合が大きく、ＡｌＧａＮからなるクラッド層のＡｌ組成を大きくすると半導体積層体内にクラックが発生してしまう。従って、クラッド層のＡｌ組成をある一定以上よりも大きくすることができず、波長４００ｎｍにおける光閉じ込め係数Γｖを３．５％（発光層が３量子井戸の場合）以上にすることは困難であった。それに加えて、屈折率の波長依存性により、長波長になるほど屈折率差が小さくなり、垂直方向の光閉じ込め係数Γｖが小さくなってしまうために、緑色波長帯のＳＬＤにおいては効率が下がってしまうことが非常に大きな課題であった。
【０１９６】
本実施形態では、ｎ型のクラッド層としてＡｌＩｎＮからなる低屈折率のクラッド層を用い、ｐ型のクラッド層の機能を備える構成としてＩＴＯからなるクラッド電極を用いている。これにより、ＡｌＩｎＮからなるクラッド層とＩＴＯからなるクラッド電極とによって垂直光閉じ込め構造を実現することができ、光閉じ込め係数Γｖを大きくすることができる。
【０１９７】
従って、波長４００ｎｍにおいて４％を超える光閉じ込めを実現することができる。この結果、立ち上がり電流等のＳＬＤの効率を大きく向上させることができる。また、４５０ｎｍ以上の波長帯においても、３．５％以上の光閉じ込めを容易に実現することができ、青色〜緑色帯のＳＬＤにおいても高効率化を図ることができる。
【０１９８】
さらに、窒化物半導体からなるＳＬＤにおいては、ｐ型半導体層の抵抗率が高いために動作電圧が高いという課題がある。これに対して、本実施形態に係るＳＬＤ７００では、ＩＴＯからなるクラッド電極を用いているので、ｐ型層のトータル膜厚を小さくすることができる。これにより、動作電圧を低減することができるという効果も得られ、電力変換効率を向上することができる。
【０１９９】
なお、本実施形態において、ｐ側電極７１８の材料は、屈折率が２．０程度のＩＴＯとしたが、これに限らない。ｐ側電極７１８の材料としては、屈折率が２．５以下の他の導電性透明材料を用いてもよい。
【０２００】
また、本実施形態において、第一のメサ部３１の高さＨ１は、１５０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、発光層１４との距離を適切にすることができるので、所望の発光を実現することができる。
【０２０１】
また、本実施形態において、ＡｌＩｎＮからなる下部クラッド層７１２の屈折率は２．４以下である。これにより、光導波路２１内の垂直方向の光閉じ込め係数Γｖを、青色から緑色までの波長域にわたって大きくすることができるので、高効率の青色および緑色のＳＬＤを実現できる。
【０２０２】
また、本実施形態においてはＩＴＯクラッド電極およびＡｌＩｎＮクラッドを導入した構造としたが、ＩＴＯクラッド電極およびとＡｌＩｎＮクラッドのどちらか一方のみを用いて、それ以外は第１〜第６の実施形態に準じた構造としても、一定の効果は得られ、高効率の青色および緑色のＳＬＤを実現できる。
【０２０３】
以上、本発明に係るＳＬＤについて、実施形態および変形例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施形態等に限定されるものではない。
【０２０４】
例えば、上記の実施形態においては、半導体積層体の材料として、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ，ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ族の窒化物半導体を用いた青色（Ｂ）のＳＬＤ光源について説明したが、これに限らない。
【０２０５】
ＡｌＧａＩｎＮにおける材料の組成比を変更することで、波長が約３８０ｎｍである紫色（Ｖ）から、波長が約５５０ｎｍである緑色（Ｇ）までの波長帯のＳＬＤを実現することができる。
【０２０６】
これにより、ＳＬＤを青色および緑色の光源として利用することができる。また、青色を発光するＳＬＤは、黄色蛍光体と組み合わせることにより、もしくは、緑色蛍光体および赤色蛍光体と組み合わせることにより白色光を得ることができるので、白色光源として利用することができる。
【０２０７】
また、半導体積層体の材料をＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（但し、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）で表されるＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体に変更することで、波長が約６００ｎｍである赤色（Ｒ）から、波長が約７５０ｎｍである赤外（ＩＲ）までの波長帯のＳＬＤを実現することもできる。
【０２０８】
これにより、特に、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）を発光する３つのＳＬＤ素子を用いて白色光源を構成することにより、ＳＬＤディスプレイ、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、又は、プロジェクタ等の各種電気機器における色再現性の高い光源等として利用することができる。
【０２０９】
その他、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上記の実施形態等に施したもの、あるいは異なる実施形態等における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０２１０】
本発明に係るスーパールミネッセントダイオードは、高効率であるので、薄型、低消費電力および低コストの光源等として広く利用することができる。このため、超薄型の液晶表示装置用のバックライト光源やプロジェクタ用の光源等として有用である。
【符号の説明】
【０２１１】
１０、１０１０  基板
１１、１０１１  バッファ層
１２、７１２、１０１２  下部クラッド層
１３、１０１３  下部ガイド層
１４、１０１４  発光層
１５、１０１５  上部ガイド層
１６、１０１６  上部クラッド層
１７、１０１７  誘電体絶縁層
１８、７１８、１０１８  ｐ側電極
１９、１０１９  パッド電極
２０、１０２０  ｎ側電極
２１、２１Ｃ、２２１、３２１  光導波路
３１  第一のメサ部
３１Ａ  浅メサ部
３２  第二のメサ部
３２Ａ  深メサ部
４１  端面溝部
４２、４２Ｌ  前端面
４３  後端面
５１  前方面
５２  後方面
５３  素子側面
５４  誘電体多層膜
５５  第一の切断ライン
５６  第二の切断ライン
６１  電流
６２  電流注入領域
６３  電流非注入領域
７０  発光点
７１  第一の伝搬光
７２  第二の伝搬光
７３  放射光
８１  非発光再結合中心
１００、１０１、１０３、１０４、２００、３００、４００、５００、６００、７００  スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
１０２  半導体レーザ
１１０  ウェハ
２２１  光導波路
３２１Ａ  直線導波路部
３２１Ｂ  曲線導波路部
４３１  台座部
５１０、６１０  凸部
５１４  バンドギャップ拡大領域
１００１、１００２  半導体発光素子
１０３１  浅メサ部
１０３２  深メサ部
【図１Ａ】
2012150647.tif 000004
【図１Ｂ】
2012150647.tif 000005
【図１Ｃ】
2012150647.tif 000006
【図２Ａ】
2012150647.tif 000007
【図２Ｂ】
2012150647.tif 000008
【図２Ｃ】
2012150647.tif 000009
【図２Ｄ】
2012150647.tif 000010
【図２Ｅ】
2012150647.tif 000011
【図２Ｆ】
2012150647.tif 000012
【図２Ｇ】
2012150647.tif 000013
【図２Ｈ】
2012150647.tif 000014
【図２Ｉ】
2012150647.tif 000015
【図３Ａ】
2012150647.tif 000016
【図３Ｂ】
2012150647.tif 000017
【図４】
2012150647.tif 000018
【図５Ａ】
2012150647.tif 000019
【図５Ｂ】
2012150647.tif 000020
【図６】
2012150647.tif 000021
【図７Ａ】
2012150647.tif 000022
【図７Ｂ】
2012150647.tif 000023
【図８】
2012150647.tif 000024
【図９Ａ】
2012150647.tif 000025
【図９Ｂ】
2012150647.tif 000026
【図１０】
2012150647.tif 000027
【図１１Ａ】
2012150647.tif 000028
【図１１Ｂ】
2012150647.tif 000029
【図１２Ａ】
2012150647.tif 000030
【図１２Ｂ】
2012150647.tif 000031
【図１３Ａ】
2012150647.tif 000032
【図１３Ｂ】
2012150647.tif 000033
【図１４Ａ】
2012150647.tif 000034
【図１４Ｂ】
2012150647.tif 000035
【図１５】
2012150647.tif 000036
【図１６Ａ】
2012150647.tif 000037
【図１６Ｂ】
2012150647.tif 000038
【図１７Ａ】
2012150647.tif 000039
【図１７Ｂ】
2012150647.tif 000040
【図１８Ａ】
2012150647.tif 000041
【図１８Ｂ】
2012150647.tif 000042
【図１９Ａ】
2012150647.tif 000043
【図１９Ｂ】
2012150647.tif 000044
【図２０】
2012150647.tif 000045
【図２１Ａ】
2012150647.tif 000046
【図２１Ｂ】
2012150647.tif 000047
【国際調査報告】
2012150647.tif 000048
2012150647.tif 000049
2012150647.tif 000050
2012150647.tif 000051