(57)【要約】【課題】素子単体でスペックルが低減された半導体発光素子を提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体発光素子は、基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路と、前記基本横モードが前記１次横モードよりも多く分布する第１の活性層領域と、前記１次横モードが前記基本横モードよりも多く分布する第２の活性層領域と、を有する活性層と、を備え、前記第１の活性層領域の発光波長と、前記第２の活性層領域の発光波長が異なることを特徴とするものである。【選択図】図１
2010171316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路と、
前記基本横モードが前記１次横モードよりも多く分布する第１の活性層領域と、前記１次横モードが前記基本横モードよりも多く分布する第２の活性層領域と、を有する活性層と、を備え、
前記第１の活性層領域の発光波長と、前記第２の活性層領域の発光波長とが異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の活性層領域の前記活性層の層厚と、前記第２の活性層領域の前記活性層の層厚と、が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の活性層領域の前記活性層の組成と、前記第２の活性層領域の前記活性層の組成と、が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上方に前記活性層が形成された半導体基板をさらに備え、
前記第１の活性層領域の前記半導体基板に対する傾斜角度と、前記第２の活性層領域の前記半導体基板に対する傾斜角度と、が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の活性層領域の前記傾斜角度と前記第２の活性層領域の前記傾斜角度との差が０．２度以上であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光波長の差が２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
窒化物系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
半導体基板の表面に凹凸を形成する工程と、
前記凹凸上に活性層を形成する工程と、
前記活性層を含み、基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路を形成する工程と、を備える半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
半導体基板上に活性層を形成する工程と、
前記活性層内に互いに不純物濃度の異なる第１の活性層領域と第２の活性層領域とを形成する工程と、
前記活性層を含み、基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路を形成する工程と、を備える半導体発光素子の製造方法。
【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の製造方法、特に、ディスプレイ光源用の半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視光レーザを光源に用いたレーザディスプレイ（レーザプロジェクタとも呼ばれる）の開発が精力的に進められている。レーザディスプレイは、光の３原色である赤・青・緑のレーザ光を微小ミラーなどのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で走査して映像を投射する新しいタイプのディスプレイである。レーザディスプレイは、色再現性の飛躍的な向上に加えて、省エネ・低コストで大画面・高精細化、光学系の超小型化が可能という特徴がある。そのため、モバイルプロジェクタ、次世代リアプロジェクションＴＶ（rear projection TV）、デジタルシネマ、網膜走査ディスプレイ（ＲＳＤ：Retinal Scanning Display）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head Up Display）といった新応用・新市場の開拓が期待されている。
【０００３】
このレーザディスプレイの課題は、レーザ光の干渉に起因したスペックル（speckle）と呼ばれる画像のちらつきを低減することである。様々なスペックル低減技術が知られている。例えば、特許文献１、２には、スクリーンの振動、光学系の振動・回転などの方法が開示されている。また、特許文献３には、複数の電極を有する半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）にパルス電流を独立に供給することで、レーザ光の可干渉性（coherence）を低減し、スペックルを低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３８２４１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０８３４９２号パンフレット
【特許文献３】特開２００７−３５９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記手法はいずれも、スペックルを低減するための機構を光源とは別に設ける必要がある。そのため、レーザディスプレイの小型・省エネ・低コストといった利点を損なう要因となっている。具体的には、特許文献１、２では、光源とは別に振動・回転装置が必要である。また、特許文献３では、複数の独立したパルス電流を供給するための駆動回路が必要である。このような背景から、光源単体でスペックルを低減できるレーザ光源、つまり、可干渉性の低いレーザ光源が強く求められている。
【０００６】
本発明は、上記を鑑みなされたものであり、素子単体でスペックルが低減された半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体発光素子は、
基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路と、
前記基本横モードが前記１次横モードよりも多く分布する第１の活性層領域と、前記１次横モードが前記基本横モードよりも多く分布する第２の活性層領域と、を有する活性層と、を備え、
前記第１の活性層領域の発光波長と、前記第２の活性層領域の発光波長が異なることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、
半導体基板に凹凸を形成する工程と、
前記凹凸上に活性層を形成する工程と、
前記活性層を含み、基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路を形成する工程と、を備えるものである。
【０００９】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、
半導体基板上に活性層を形成する工程と、
前記活性層内に互いに不純物濃度の異なる第１の活性層領域と第２の活性層領域とを形成する工程と、
前記活性層を含み、基本横モードと１次横モードとを許容する能動多モード導波路を形成する工程と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、素子単体でスペックルが低減された半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図２】ＩｎＧａＮを活性層とする窒化物半導体発光素子における活性層発光波長の活性層傾斜角度依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１３】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光素子を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体発光素子では、ｎ型半導体基板１０１上に、ｎ型バッファ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ側光閉じ込め層１０４、活性層１０５、キャップ層１０６、ｐ側光閉じ込め層１０７、電流阻止層１０８が、この順に積層されている。
【００１４】
電流阻止層１０８には、ストライプ状の開口部１０９が設けられている。電流阻止層１０８上および開口部１０９上には、ｐ型クラッド層１１０およびｐ型コンタクト層１１１が、この順に積層されている。また、ｐ型コンタクト層１１１の上面にｐ側電極１１２が設けられ、ｎ型半導体基板１０１の下面にｎ側電極１１３が設けられている。
【００１５】
ｎ型半導体基板１０１は、例えばＧａＮ基板からなる。ｎ型バッファ層１０２は、例えば厚さ１μｍのＡｌＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１０３は、例えば厚さ２μｍのＡｌＧａＮからなる。ｎ側光閉じ込め層１０４は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。活性層１０５は、例えば例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造からなる。キャップ層１０６は、例えば厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮからなる。ｐ側光閉じ込め層１０７は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。
【００１６】
電流阻止層１０８は、例えば厚さ０．１μｍのＡｌＮからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。ｐ型クラッド層１１０は、例えば厚さ２．５ｎｍのＧａＮと厚さ２．５ｎｍのＡｌＧａＮからなる１３０周期の超格子構造で構成される。ｐ型コンタクト層１１１は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。ｎ型不純物（dopant）は、例えばＳｉであり、ｐ型不純物は、例えばＭｇである。
【００１７】
開口部１０９が、活性層１０５と電流狭窄層１０８により機能せしめられる能動多モード導波路を構成する。開口部１０９の幅は、基本横モードと１次横モードとが許容されるように決められる。例えば水平方向の屈折率差が８×１０−３、導波光の波長が４４０ｎｍである場合、当該能動多モード導波路幅がおよそ１〜３μｍであれば基本横モードと１次横モードとが許容される。
【００１８】
活性層１０５は、基本横モードが主に分布する第１の活性層領域１１４と、１次横モードが主に分布する第２の活性層領域１１５において、各々の発光波長が異なるように形成される。具体的には、図１に係る半導体発光素子は、基板１０１にストライプ状の凸形状を形成することで活性層１０５を凸形状としている。これにより、発光のスペクトル幅が広がり、可干渉性が低減する。そのため、スペックルが低減される。これは、例えば、図２に示すような窒化物半導体の物性を利用している。
【００１９】
図２は、ＩｎＧａＮを活性層とする窒化物半導体発光素子において、活性層の半導体基板の主面に対する傾斜角度と、活性層発光波長との関係を示すグラフである。この活性層発光波長の活性層傾斜角度依存性は、本発明者らが独自に見出したものである。例えば、０．２度の傾斜角度差で４ｎｍの発光波長差、０．４度の傾斜角度差で８ｎｍの発光波長差が得られることが示されている。これは、傾斜角によって活性層の組成・層厚の両方若しくは何れか一方が変化するためである。従って、例えば第１の活性層領域１１４の幅をおよそ１μｍ、第２の活性層領域１１５の幅を片側およそ１μｍとし、各々の領域の傾斜角度差を０．２度以上、好ましくは０．４度以上とすることで、基本横モードと１次横モードの発光波長差を少なくとも２ｎｍ以上、好ましくは４ｎｍ以上とすることが可能となる。なお、図２は、波長４１０ｎｍ近傍についての例であるが、波長が変わっても同様の傾向を示す。
【００２０】
実施の形態１に係る半導体発光素子の発振動作では、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の繰り返しが生じる。
（Ａ）モード利得（modal gain）の高い基本横モードで発振
（Ｂ）基本横モード分布に対応するキャリアが減少し、いわゆる空間的ホールバーニング（spatial hole burning）が発生
（Ｃ）１次横モードの利得が基本横モードに比べて高くなり、１次横モードで発振
（Ｄ）１次横モード分布に対応するキャリアが減少
ここで、基本横モードが主に分布する第１の活性層領域１１４と、１次横モードが主に分布する第２の活性層領域１１５において、各々の発光波長が異なるため、時間平均で見ると発振スペクトル幅が広がった状態となる。従って、レーザ光の可干渉性が低減し、スペックルが低減される。
【００２１】
特に、窒化物系半導体発光素子では、キャリア拡散長（carrier diffusion length）が短く空間的ホールバーニングを生じやすいため、（Ａ）〜（Ｄ）の繰り返しが顕著となり、より好適なスペックル低減効果をもたらす。
【００２２】
次に、図１を参照して第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。素子構造の作製には、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を用いる。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。ｎ型不純物としてシラン、ｐ型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。
【００２３】
まず、通常のフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いて、ＧａＮからなるｎ型半導体基板１０１にストライプ状の凸形状を形成する。次いで、加工したｎ型半導体基板１０１を成長装置に投入する。その後、アンモニアを供給しながらｎ型半導体基板１０１を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。
【００２４】
１回目の成長では、ＡｌＧａＮからなるｎ型バッファ層１０２、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、ＧａＮからなるｎ側光閉じ込め層１０４、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０５、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１０６、ＧａＮからなるｐ側光閉じ込め層１０７、ＡｌＮからなる電流狭窄層１０８を形成する。成長温度は、電流狭窄層１０８は２００〜８００℃、活性層１０５は８００℃、それ以外は１１００℃とする。電流狭窄層１０８は低温で成長するため、１回目の成長終了時はアモルファス状である。
【００２５】
その上にＳｉＯ２膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、所望の開口部を有するＳｉＯ２マスクを形成する。次に、燐酸と硫酸の混合液を５０〜２００℃に保持してエッチング液とし、電流狭窄層１０８に所望の開口部１０９を形成する。ここで、アモルファス状のＡｌＮは容易にエッチングされ、単結晶のＧａＮはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。
【００２６】
次に、電流狭窄層１０８に開口部１０９が形成された半導体積層基板を、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で２回目の成長を開始する。ここで、ＡｌＮ電流狭窄層１０８は、基板の昇温過程で単結晶化が進む。次いで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子からなるｐ型クラッド層１１０、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１１を形成する。その後、上面にｐ側電極１１２、下面にｎ側電極１１３を形成する。
【００２７】
このようにして作製した窒化物半導体発光素子は、基本横モードと１次横モードを許容する能動多モード導波路を有し、基本横モードが主に分布する第１の活性層領域１１４と、１次横モードが主に分布する第２の活性層領域１１５において、各々の発光波長が異なる。従って、発光のスペクトル幅が広がり、可干渉性が低減するため、スペックルが低減される。
【００２８】
なお、上記製造方法は例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解され得るところである。
【００２９】
図３及び図４に、本発明の実施の形態１の変形例を示す。図３に係る半導体発光素子は、基板１０１にストライプ状の凹形状を形成することで活性層１０５を凹形状とした点が、図１に係る半導体発光素子と異なる。図４では、基板１０１にストライプ状のステップ形状を形成することで活性層１０５をステップ形状とした点が、図１に係る半導体発光素子と異なる。
【００３０】
実施の形態２
図５に、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子を示す。実施の形態１では、基本横モードが主に分布する第１の活性層領域と１次横モードが主に分布する第２の活性層領域の発光波長を異にするために、活性層１０５の一部をｎ型半導体基板１０１の主面に対して傾斜させた。しかしながら、このような手法に限定されるわけではない。すなわち、第１の活性層領域１１４の発光波長と第２の活性層領域１１５の発光波長とが異なれば、図５に示すように、活性層１０５が傾斜していなくてもよい。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３１】
製造方法について説明する。基板１０１には段差を設けずに電流狭窄層１０８まで形成する。その後、通常のイオン注入もしくは不純物拡散により、第２の活性層領域１１５において多重量子井戸構造を混晶化して発光波長を短波化する。それ以外は、本発明の第１の実施の形態と同様である。本実施の形態では、第１の活性層領域１１４と第２の活性層領域１１５の傾斜角度は実質的に同一であるが、各々の発光波長は異なる。従って、本発明の効果は好適に得られる。
【００３２】
なお、上記実施の形態は例示であり、様々な変形例が可能である。例えば、素子断面形状は、図示したようなインナーストライプ構造に限定されず、リッジ構造でも良い。また、第１の活性層領域と第２の活性層領域の発光波長が異なれば、半導体材料系は窒化物に限定されず、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子にも適用可能である。ＡｌＧａＩｎＰ系半導体においては、自然超格子（natural superlattice）の形成による発光波長の長波化現象が知られており、傾斜活性層、イオン注入、不純物拡散などの手法により発光波長の短波化が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  ｎ型半導体基板
１０２  ｎ型バッファ層
１０３  ｎ型クラッド層
１０４  ｎ側光閉じ込め層
１０５  活性層
１０６  キャップ層
１０７  ｐ側光閉じ込め層
１０８  電流狭窄層
１０９  開口部
１１０  ｐ型クラッド層
１１１  ｐ型コンタクト層
１１２  ｐ側電極
１１３  ｎ側電極
１１４  第１の活性層領域
１１５  第２の活性層領域
【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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