(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面上に設けられ、動作時に光を生成する活性層を含む窒化物半導体多層膜とを備え、
前記窒化物半導体多層膜のうち前記活性層の下面と接する層、または前記活性層に、凹部、段差、及び突状部のうち少なくとも１つが形成されており、
前記窒化物半導体多層膜の上部には、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプが形成されており、
前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の幅方向の中心までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化し、
前記活性層におけるバンドギャップエネルギーは、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化し、
前記凹部の深さ、前記段差の深さ、または前記突状部の高さは前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化している半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記凹部、前記段差または前記突状部は前記リッジストライプに沿って延伸しており、
前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の端までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなっており、
前記活性層におけるバンドギャップエネルギーは、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなっている半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記凹部、前記段差または前記突状部は前記リッジストライプに沿って延伸しており、
前記凹部、前記段差または前記突状部の前記リッジストライプの延伸方向とほぼ直交する方向の幅は、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなっており、
前記活性層におけるバンドギャップエネルギーは、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなっている半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記凹部、前記段差または突状部は前記リッジストライプに沿って不連続に複数個設けられている半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体発光素子において、
前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の端までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって小さくなっている半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記前端面は光出射端面であり、
前記光導波路の光軸は前記光出射端面の法線に対して傾斜している半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記凹部、前記段差または前記突状部は、前記基板に形成されている半導体発光素子。
【請求項８】
基板と、
前記基板の上面上に設けられ、活性層を含む窒化物半導体多層膜と備え、
前記窒化物半導体多層膜のうち前記活性層の下面と接する層、または前記活性層に、凹部、段差、及び突状部のうち少なくとも１つが形成されており、
前記窒化物半導体多層膜の上部には、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプが形成されており、
前記凹部の深さ、前記段差の深さ、または前記突状部の高さは前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化している半導体発光素子。
【請求項９】
基板または前記基板上の半導体層に凹部、段差または突状部を設けた後、前記基板上面上または前記半導体層の上面上に、動作時に光を生成する活性層を含む窒化物半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、
前記窒化物半導体多層膜の上部に、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプを形成する工程（ｂ）とを備え、
前記工程（ｂ）では、前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の幅方向の中心までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化するように前記リッジストライプが形成されることで、前記活性層のバンドギャップエネルギーを前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化させ、
前記凹部の深さ、前記段差の深さ、または前記突状部の高さは前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化している半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記凹部、前記段差または前記突状部は前記リッジストライプに沿って延伸しており、
前記工程（ｂ）では、前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の端までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなるように前記リッジストライプを形成する半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記凹部、前記段差または前記突状部は前記リッジストライプに沿って延伸しており、
前記工程（ｂ）では、前記凹部、前記段差または前記突状部の前記リッジストライプの延伸方向とほぼ直交する方向の幅は、前記前端面から前記後端面に向かって連続的に小さくなるように前記リッジストライプを形成する半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法において、
前記凹部、前記段差または突状部は不連続に複数個設けられており、
前記工程（ｂ）では、前記凹部、前記段差または突状部に沿って前記リッジストライプを形成す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】
本明細書に記載された技術は、高発光効率でインコヒーレントな半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファイバジャイロや医療用ＯＣＴ（optical coherent tomography）など光計測の分野で必要とされるインコヒーレント光源として、スーパールミネッセントダイオード（以下、「ＳＬＤ」と称する）が注目されている。ＳＬＤは半導体レーザ（以下、「ＬＤ」と称する）と同様に光導波路を用いた半導体発光素子である。ＳＬＤにおいては、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光出射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光出射端面から放出される。ＳＬＤがＬＤと異なる点は、端面反射による光共振器の形成を抑え、ＦＰ（ファブリ・ペロー）モードによるレーザ発振が生じないようにしていることである。そのため、ＳＬＤは通常の発光ダイオードと同様にインコヒーレント性と広帯域なスペクトル形状を示すと共に、数１０ｍＷ程度までの出力を得ることが可能である。そのため、光ファイバージャイロスコープなどに用いられている。特に窒化物半導体（ＧａＮ）を用いたＳＬＤは、紫外から緑までの可視域の高出力インコヒーレント光源として、レーザ・ディスプレイなど映像投射などへの応用が期待されている（非特許文献１）。【０００３】
図６（ａ）は非特許文献１に記載の、従来のＧａＮ系ＳＬＤを示す模式図であり、（ｂ）は当該ＳＬＤの出射光の波長スペクトルを示す図である。リッジ型光導波路を光出射端面に対して数度、傾斜して形成することにより、モード反射率を低減している。光導波路が基板端面に対して傾斜している、言い換えれば、ＧａＮ基板の主面に対して活性層やクラッド層の主面が傾いていることを除き、ＳＬＤは半導体レーザと同様のデバイス構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００９−０５７２５４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F. Feltin、 A. Castiglia、  G. Cosendey、L. Sulmoni、J. F. Carlin、N. Grandjean、M. Rossetti、J. Dorsaz、V. Laino、M. Duelk、C. Velez  著, Applied Physics Japan、2009年発行95巻8号081107頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１で報告されているＧａＮ系ＳＬＤは、その発光スペクトルの半値全幅が約１０ｎｍであり、ＬＥＤ（light emitting device）の発光スペクトルの半値全幅約２０ｎｍよりも狭い。発光スペクトルが広いほど、光ファイバージャイロスコープにおけるレイリー後方散乱が減少し、ノイズを低減することができる。また、映像投射においても光源の発光スペクトルが広いほどスペックル・ノイズが低減し、映像品質が向上する。従って、ＳＬＤの発光スペクトル幅を増加させることが望ましい。【０００７】
また、非特許文献１で示されている傾斜光導波路を用いたＳＬＤの場合、光導波路を導波する光にとって前端面と後端面は同一であるため、同一の光出力が２つの端面から放射される。そのため、ＳＬＤ内部で発生する光の半分が後端面から放射され有効に利用できず、発光効率が低い。端面に対して光導波路が傾斜している場合、平面波に対して高反射率なコート膜を端面上に形成しても、光導波路のモード反射率は低いままである。ＳＬＤの後端面から放射される光は、反射ミラーなどを実装パッケージ内部に設けることにより、ある程度は回収することは可能であるが、この場合、パッケージのコストが増加する。【０００８】
本発明は、発光スペクトルが広く、高い発光効率を有し、且つ製造コストの大幅な増加を回避しうる半導体発光素子及びその製造方法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】
【０００９】
基板または基板上の半導体層に凹部や段差または突状部を設けた後に発光構造を成長させると、凹部、段差または突状部の近傍領域にける活性層のバンドギャップを、凹部、段差または突状部から離れた領域のバンドギャップとは異なるように制御できる。本願発明者はこのことを利用して、発光スペクトルの拡大、発光効率の向上、という上記従来技術の課題を解決を図るために、独自に検討を重ねて本願発明に想到した。【００１０】
本願発明の実施形態の一例である半導体発光素子は、基板と、前記基板の上面上に設けられ、動作時に光を生成する活性層を含む窒化物半導体多層膜とを備え、前記窒化物半導体多層膜のうち前記活性層の下面と接する層、または前記活性層に、凹部、段差、及び突状部のうち少なくとも１つが形成されており、前記窒化物半導体多層膜の上部には、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプが形成されており、前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の幅方向の中心までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化し、前記活性層におけるバンドギャップエネルギーは、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化している。【００１１】
この構成によれば、リッジストライプの幅方向の中心から凹部、段差または突状部までの距離を前端面から後端面に向かって連続的に変化させることで、活性層のバンドギャップエネルギーを連続的または段階的に変化させているので、光利得ピーク波長を同一素子内で連続的または段階的に変化させることができ、光導波路における光増幅を維持しつつ、光増幅が生じる波長範囲を拡大することができる。また、リッジストライプの幅方向の中心から凹部、段差または突状部までの距離を制御することで、後端面近傍の活性層で導波光を吸収させつつ前端面近傍の活性層で導波光の吸収を抑えることもできるので、例えば後端面に反射ミラーを設けなくても、低コストで発光効率の向上を図ることができる。【００１２】
また、本発明の実施形態の他の一例に係る半導体発光素子は、基板と、前記基板の上面上に設けられ、活性層を含む窒化物半導体多層膜と備え、前記窒化物半導体多層膜のうち前記活性層の下面と接する層、または前記活性層に、凹部、段差、及び突状部のうち少なくとも１つが形成されており、前記窒化物半導体多層膜の上部には、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプが形成されており、前記凹部の深さ、前記段差の深さ、または前記突状部の高さは前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化している。【００１３】
この構成によれば、前記凹部の深さ、前記段差の深さ、または前記突状部の高さによって活性層のバンドギャップエネルギーを前端面から後端面に向けて変化させることができるので、光導波路における光増幅を維持しつつ、光増幅が生じる波長範囲を拡大することができる。【００１４】
本発明の実施形態の他の一例に係る半導体発光素子の製造方法は、基板または前記基板上の半導体層に凹部、段差または突状部を設けた後、前記基板上面上または前記半導体層の上面上に、動作時に光を生成する活性層を含む窒化物半導体多層膜を形成する工程（ａ）と、前記窒化物半導体多層膜の上部に、前端面、及び前記前端面に対向する後端面を有し、光導波路となるリッジストライプを形成する工程（ｂ）とを備え、前記工程（ｂ）では、前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の幅方向の中心までの距離が、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化するように前記リッジストライプが形成されることで、前記活性層のバンドギャップエネルギーを前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化させる。【００１５】
この方法によれば、工程（ｂ）で前記リッジストライプの幅方向の中心から前記凹部、前記段差または前記突状部の幅方向の中心までの距離を、前記前端面から前記後端面に向かって連続的または段階的に変化させることで、活性層のバンドギャップエネルギーを前端面から後端面に向かって変化させることができるので、発光スペクトル幅を拡大しつつ、発光効率の向上を図ることができる。また、リッジストライプを有する従来の半導体発光素子と比べて工程数を増やさずに作製することが可能であるので、製造コストの大幅な増加を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態の一例によれば、発光波長幅が広く、発光効率の高い半導体発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る青紫色ＳＬＤを示す図である。
【図２】図２（ａ）は、実施形態に係るＳＬＤにおいて、リッジストライプの前端面近傍及び後端面近傍での自然放出光の発光スペクトルを模式的に示す図であり、（ｂ）は、ＳＬＤの前端面から出射される光の波長スペクトルを模式的に示す図である。
【図３】図３（ａ）は、実施形態に係るＳＬＤの第１の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、当該変形例に係るＳＬＤにおける凹部２のａ軸方向幅とバンドギャップエネルギーの変化量との関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、実施形態に係るＳＬＤの第２の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、当該変形例に係るＳＬＤにおける凹部２の深さとバンドギャップエネルギーの変化量との関係を示す図である。
【図５】図５は、実施形態の第３の変形例に係るＳＬＤを示す平面図である。
【図６】図６（ａ）は従来のＧａＮ系ＳＬＤを示す模式図であり、（ｂ）は当該ＳＬＤの出射光の波長スペクトルを示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は本発明をＤＢＲレーザに適用した場合の模式図であり、（ｃ）は、比較のために作製した、段差を設けない比較例を示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ比較例、本願発明の一例に係る特性を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００１９】
（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について、六方晶ＧａＮ系半導体を用いる青紫色ＳＬＤ（中心発光波長４０５ｎｍ）を例に、図を参照しながら説明する。
【００２０】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る青紫色ＳＬＤを示す図である。図１（ａ）は、本実施形態のＳＬＤを基板上方から見た場合の平面図である。図１（ｂ）は、当該ＳＬＤを図１（ａ）に示すIb-Ib線に沿って紙面に垂直な方向で切った場合の断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）に示すIc-Ic線に沿って紙面に垂直な方向で切った場合の本実施形態のＳＬＤを示す断面図（光出射方向から見た図）である。図１（ｃ）ではＳＬＤの光出射端面近傍の断面を示し、背後に見える配線電極１４、パッド電極１５は図示していない。また、六方晶ＧａＮ系結晶の面方位を、これらの図中ではｃ、ａ、ｍで示す。ｃは（０００１）面の法線ベクトル、即ちｃ軸を、ａは（１１−２０）面とその等価面の法線ベクトル、即ちａ軸を、ｍは（１−１００）面とその等価面の法線ベクトル、即ちｍ軸を意味する。ここで、本願明細書においては、面方位におけるミラー指数に付した負符号”−”は、該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態のＳＬＤは、基板１と、基板１の上面上に順次形成されたＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層３、ＧａＮからなるｎ側光ガイド層４、活性層６、ＧａＮからなるｐ側光ガイド層７、Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるオーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）８、ｐ型クラッド層９、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０、ｐ側電極１３、金属からなる配線電極１４、及びパッド電極１５と、基板１の下面上に形成されたｎ側電極１６とを備えている。
【００２２】
すなわち、ｎ型クラッド層３、ｎ側光ガイド層４、活性層６、ｐ側光ガイド層７、オーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）８、ｐ型クラッド層９、及びｐ型コンタクト層１０を含むIII族（現行ＩＵＰＡＣ分類では１３族）窒化物半導体多層膜が基板１上又は半導体層上に設けられている。基板１は例えば六方晶のＧａＮからなり、（０００１）面を主面（上面）としている。また、ＳｉＯ２からなる絶縁膜（パッシベーション膜）１２はｐ型クラッド層９の上面を覆っている。
【００２３】
ｐ型クラッド層９は、膜厚１．５ｎｍのＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層と、膜厚が１．５ｎｍのＧａＮ層とが１６０周期繰り返されて構成された、膜厚０．４８μｍの歪超格子構造を有している。
【００２４】
ｎ型クラッド層３の膜厚は例えば２μｍ程度であり、ｎ側光ガイド層４の膜厚は例えば０．１μｍ程度であり、ｐ側光ガイド層７の膜厚は例えば０．１μｍ程度であり、オーバーフロー抑制層８の膜厚は１０ｎｍ程度であり、ｐ型コンタクト層１０の膜厚は０．０５μｍ程度である。
【００２５】
また、光出射端面（図１（ａ）の右端；前端面）から後端面（図１（ａ）の左端）までの距離、すなわちＳＬＤのチップ長は例えば８００μｍである。
【００２６】
活性層６は、交互に形成されたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層とＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる量子井戸層とを有しており、量子井戸層は活性層６内に例えば３周期設けられている。
【００２７】
本実施形態のＳＬＤでは、窒化物半導体多層膜内にｎ型クラッド層３、ｎ側光ガイド層４、活性層６、ｐ側光ガイド層７、オーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）８、ｐ型クラッド層９、及びｐ型コンタクト層１０で構成された光導波路が形成されている。
【００２８】
基板１には凹部、段差または突状部が形成されている。図１（ｃ）に示す例では、基板１の上面には凹部２（破線にて図示）が形成されており、窒化物半導体多層膜の上面にはこの凹部２に起因し、凹部２よりも小さい凹部１８が形成されている。凹部２の幅は例えば３０μｍ程度であり、深さは例えば２μｍ程度である。
【００２９】
さらに、当該光導波路における光伝搬方向（図１（ａ）に示す凹部２、１８が延びる方向）は、図１（ｃ）に示す光出射端面の法線（ｍ軸）に対して例えば約９°程度傾斜している。
【００３０】
また、ｐ型クラッド層９の一部（窒化物半導体多層膜の上部）はストライプ状に突出したストライプ領域（リッジストライプ）を構成しており、ｐ型コンタクト層１０はこのストライプ領域上に形成されている。このリッジストライプは上述の光導波路の一部を構成する。ｐ型コンタクト層１０のｐ側電極１３もストライプ状になっている。このストライプ領域はｍ軸方向に対して１０°傾斜している（図１（ａ）参照）。このように、ストライプ領域のｍ軸方向に対する傾斜角は凹部２のｍ軸方向に対する傾斜角よりも若干大きいので、ストライプ状領域の中心から凹部２の端までの距離は、光出射端面（前端面）から後端面に向かうにつれて連続的に大きくなっており、光出射端面における当該距離は例えば５μｍであり、後端面における当該距離は例えば１５μｍとなっている。本願発明者が実施した上記の構造や成長条件においては、当該距離が２０μ以上になると活性層の発光波長がほとんど変化しなくなる。しかしながら、その他の構造や成長条件においては、活性層の発光波長が変化する範囲は異なるため、本願発明を実施するため際の当該距離や傾斜角は上記の値に限られない。
【００３１】
なお、図１（ａ）〜（ｃ）に示す場合の他、ストライプ状領域（リッジストライプ）の中心から凹部２（凹部に代えて段差、突状部が形成されている場合は段差または突状部）の端までの距離は、後述のように光出射端面（前端面）から後端面に向かうにつれて段階的に大きくなっていてもよい。いずれの場合でも、凹部２の幅方向の中心同士を結んだ中心線とリッジストライプの幅方向の中心との距離は、前端面から後端面に向かうにつれて連続的または段階的に変化していればよい。
【００３２】
次に、図１（ａ）〜（ｃ）を参照して本実施形態に係るＳＬＤの製造方法を説明する。
【００３３】
まず、一方の主面（上面）が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮからなる基板１の上面上に、例えば原料としてＳｉＨ４を用いた熱ＣＶＤ（chemical vapor deposition)法によりＳｉＯ２膜を６００ｎｍ程度の膜厚で堆積する。
【００３４】
その後、フォトリソグラフィにより、除去部分の長辺がｍ軸に対して例えば９°傾斜し、且つ除去部分の幅が３０μｍのストライプ形状になるようにＳｉＯ２膜を除去する。次に、ＣＦ４を用いた誘導結合プラズマ（inductive coupled plasma；ＩＣＰ）エッチング装置により、ＳｉＯ２膜を除去した領域を２μｍ程度の深さになるまでエッチングし、基板１の上部に凹部２を設ける。本工程で、凹部２の形成は上述したのとは異なる条件でのエッチングにより行ってもよく、エッチングに用いるガスの種類を変えるなど、基板に凹部を形成できる種々のエッチング方法を用いることができる。次いで、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ２膜を除去する。なお、基板１の上部に形成するのは必ずしも凹部でなくともよく、段差や突状部を形成してもよい。
【００３５】
次に、例えば有機金属気層成長法（metalorganic chemical vapor deposition；ＭＯＣＶＤ法）により、基板１の上面上にｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなるｎ型クラッド層３を２μｍ程度成長させる。なお、以下の窒化物半導体もＭＯＣＶＤ法などにより形成する。
【００３６】
続いて、ｎ型クラッド層３の上に、ｎ側光ガイド層４としてｎ型ＧａＮ層を０．１μｍ程度成長させる。さらに、ｎ側光ガイド層４上に、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層と、Ｉｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる量子井戸層とを交互に積層し、３周期の量子井戸層を含む活性層６を形成する。このとき、活性層６のうち、凹部２から離れた領域５のバンドギャップエネルギーＥｇ１は、活性層６のうち凹部２の近傍に位置する領域のバンドギャップエネルギーＥｇ２に対して、Ｅｇ１＜Ｅｇ２となる。
【００３７】
次に、活性層６上にｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイド層７を０．１μｍ程度成長させる。続いて、ｐ側光ガイド層７上にｐ型のＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなるオーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）８を１０ｎｍ程度成長させる。次いで、ＯＦＳ層８の上に、膜厚が１．５ｎｍ程度のＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層と、膜厚が１．５ｎｍ程度のＧａＮ層とを１６０周期繰り返し堆積させて、全体の膜厚が０．４８μｍの歪超格子からなるｐ型クラッド層９を形成する。
【００３８】
次いで、膜厚が０．０５μｍ程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０をｐ型クラッド層９上に成長させる。ここで、基板１に設けられた凹部２（または段差）の上にも上述の窒化物半導体層が成長されるが、当該窒化物半導体層は凹部２を埋め込む形で成長されるので、ｐ型コンタクト層１０の上面に形成される凹部１８の幅及び深さは凹部２の幅及び深さよりも小さくなる場合がある。窒化物半導体層の成長条件によっては、凹部２は活性層６の成長後に完全に埋め込まれて平坦となることもある。このような場合であっても、基板１に設けられた凹部２に起因して活性層６の成長直前の層もしくは活性層６の上面に凹部が残り、凹部が設けられない場合に比べて活性層６の発光波長が短くなっていれば、本実施形態の効果を得ることができる。
【００３９】
このように凹部（または段差）２に起因して活性層の発光波長が変化する理由に関しては、特許文献１に記述されている。
【００４０】
すなわち、本実施形態の製造方法においては、ＧａＮ系の混晶成長において、成長面のオフ角度が組成に影響する現象を活用している。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板の（０００１）面上に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）よりなる混晶を成長させる場合は、（０００１）面に対するオフ角度が大きくなると、Ｉｎ組成が大きく低下することが知られている。
【００４１】
凹部、段差または突状部を設けた基板上にＧａＮ系混晶を成長すると、凹部、段差または突状部の近傍において結晶面に傾斜が生じ、オフ角度が変化する。このため、凹部、は段差または突状部の深さあるいは高さ及び形状を調整することにより、オフ角度が変化する領域の面積及びオフ角度の大きさを制御することができる。すなわち、オフ角度に応じて、ＧａＮ系混晶の組成比、例えばＩｎＧａＮ中のＩｎ組成が変わり、バンドギャップを所望の値に制御することができる。
【００４２】
本実施形態のＳＬＤでは、凹部２（または段差または突状部）に起因して生じた凹部が形成された窒化物半導体層（ｎ側光ガイド層４）上に活性層６が形成されているので、活性層６を構成する量子井戸層のＩｎ組成が層内で変化している。このため、後述のように発光波長の半値全幅は凹部２または段差を設けない場合に比べて著しく大きくなっている。
【００４３】
なお、オフ角によって形成される窒化物半導体の組成が変わる現象はＩｎＧａＮに限らず発生し、これを本実施形態の構成の実現に利用することができる。例えば、Ａｌを含むＧａＮ系半導体において、Ａｌ組成が変化する場合においても、ＩｎＧａＮを用いたときと同様の現象が起こると推察できる。
【００４４】
なお、活性層６の結晶成長に用いる手法としては、ＭＯＣＶＤ法の他に、分子ビーム成長法（ＭＢＥ法）や化学ビーム成長法（ＣＢＥ法）など、窒化物系の青紫色半導体レーザ構造を成長させることが可能な他の成長手法を用いてもかまわない。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、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、Ｎ原料としてアンモニア、ｎ型不純物のＳｉ原料のとしてシランガス、ｐ型不純物のＭｇ原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムをそれぞれ用いればよい。
【００４５】
次に、例えば熱ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を０．３μｍ程度の膜厚で成膜する。フォトリソグラフィを用いて、フォトレジストにより幅１．５μｍのストライプ状の領域を残して窒化物半導体多層膜の上面を露出させる。ここで、窒化物半導体多層膜は、ｎ型クラッド層３、ｎ側光ガイド層４、活性層６、ｐ側光ガイド層７、オーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）８、ｐ型クラッド層９、及びｐ型コンタクト層１０を含む膜である。
【００４６】
本工程で形成されるストライプ状領域は、特許文献１に記載された半導体発光素子と異なりｍ軸方向に対して１０°程度傾斜している。また、ストライプ状領域の中心から凹部２の端までの距離は、後工程でチップ状（チップ長８００μｍ）にする場合、当該チップの光出射端面の前端面においては５μｍとし、光出射端面の後端面においては１５μｍとなるように、フォトリソグラフィにおいてアライメントする。すなわち、ストライプ状領域の中心から凹部２の端までの距離が、前端面から後端面に向かって連続的または段階的に変化するようにストライプ状領域を形成する。次に、ＩＣＰを用いて、窒化物半導体多層膜（ｐ型コンタクト層１０及びｐ型クラッド層９）を深さにして０．３５μｍ程度エッチングし、リッジストライプを形成する。
【００４７】
その後、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ２膜を除去してから、再度、熱ＣＶＤ法を用いて基板（作製中のＳＬＤ）の上面全体にＳｉＯ２膜を２００ｎｍ程度の膜厚で形成する。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィを用いてフォトレジストのうち、リッジストライプの頂上に位置する部分に幅１．３μｍの開口を形成する。
【００４９】
次に、例えばＳｉＯ２膜をマスクとして用い、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）により開口部のＳｉＯ２膜を除去する。次に、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置を用い、ｐ側電極材料膜として膜厚が４０ｎｍのＰｄ膜と膜厚が３５ｎｍＰｔ膜とをＳｉＯ２膜上に順次真空蒸着する。次いで、リフトオフ法により、ｐ側電極材料膜のうちリッジストライプの頂上部上に形成された部分を除去し、ｐ側電極１３を形成する。  さらに、リッジストライプを覆うように、リッジストライプが延びる方向の長さが５００μｍ、リッジストライプに垂直な方向の幅が１５０μｍである配線電極１４を形成する。配線電極１４は、下から順に積層されたＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜（それぞれ膜厚が５０ｎｍ、２００ｎｍ、１００ｎｍ）からなり、ｐ側電極１３と同様にフォトリソグラフィを用いて形成する。
【００５０】
ＳＬＤをチップ状に個片化する際、配線電極１４を切断すると、配線電極１４に密着したｐ側電極１３がｐ型コンタクト層１０から剥がれることがある。そのため、切断前の配線電極１４は隣接するＳＬＤ間で繋がっていないことが望ましい。次いで、電解めっきによりＡｕ膜の厚さを１０μｍにまで増す（パッド電極１５）。このことにより、パッド電極１５を介したワイヤボンディングによるＳＬＤの実装が可能となるとともに、活性層６における発熱を効果的に放熱させることができ、ＳＬＤの信頼性を向上させることが可能となる。
【００５１】
次に、基板１の裏面を、ダイヤモンドスラリーを用いて基板１の厚さが１００μｍ程度になるまで薄片化した後に、基板１の裏面上にｎ側電極１６として膜厚がそれぞれ５ｎｍ、１０ｎｍ、１０００ｎｍのＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜を、例えばＥＢ蒸着法を用いて形成する。
【００５２】
次に、ｍ軸方向の長さが８００μｍとなるように、ウエハ状のＳＬＤをｍ面に沿って１次劈開する。このとき、１次劈開面の１面（前端面）においてリッジストライプの幅方向の中心から凹部２の端までの距離が例えば５μｍ、１次劈開面の他端（後端面）においてはリッジストライプの中心から凹部２の端までの距離が例えば１５μｍとなるように、劈開する。その後、幅方向の長さが２００μｍとなるように、ａ面に沿ってＳＬＤを２次劈開する。こうして本実施形態のＳＬＤが作製できる。
【００５３】
以上のようにして作製されたＳＬＤの動作について、以下、説明する。
【００５４】
本実施形態のＳＬＤにおいては、ｎ側電極１６から注入された電子とｐ側電極１３から注入された正孔とが活性層６において再結合し、こ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。ここで、光導波路を構成するリッジストライプの延伸方向（光導波路の光軸方向）が光出射端面の法線に対して傾斜しているため、端面反射によって光共振器が形成されるのが抑えられる。そのため、ファブリ・ペロー（ＦＰ）モードによるレーザ発振が生じず、本実施形態の半導体発光素子はＳＬＤとして機能する。
【００５５】
図２（ａ）は、本実施形態のＳＬＤにおいて、リッジストライプの前端面近傍及び後端面近傍での自然放出光の発光スペクトルを模式的に示す図であり、（ｂ）は、本実施形態のＳＬＤの前端面から出射される光の波長スペクトルを模式的に示す図である。
【００５６】
光出射端面の前端面近傍において、リッジストライプ下の活性層６は、凹部２から５μｍの距離に位置する。そのため、特許文献１に記述されているように、自然放出光ピーク波長は段差から離れた活性層の値（４０５ｎｍ）よりも約１５ｎｍほど短波長の３９０ｎｍである（図２（ａ）参照）。一方、後端面近傍ではリッジストライプ下の活性層は凹部２から１５μｍの距離に位置するため、自然放出光のピーク波長は４０５ｎｍのままである。なお、前端面と後端面との間において、リッジストライプ下の活性層６のバンドギャップエネルギーは連続的または断続的に変化している。
【００５７】
このように、光利得ピークの波長が前端面近傍では３９０ｎｍ、後端面近傍では４０５ｎｍとなるので、前端面から出射される光の波長スペクトルの半値全幅を、図２（ｂ）に示すように、２５ｎｍ程度まで拡大することができる。これは、凹部２の延伸方向とリッジストライプ延伸方向とが互いにほぼ平行な場合（半値全幅が１０ｎｍ）に比べて、発光光の波長範囲を広げることができる。
【００５８】
なお、本実施形態のＳＬＤにおける発光スペクトル幅の拡大は、凹部２または段差の形状や高さ、成長条件に依存する。原理的には、前端面近傍では井戸層や障壁層にＩｎを全く含まないＧａＮ層だけからなる活性層を形成できるため、この場合、光利得ピークの波長は３６５ｎｍとなり、発光スペクトル幅は理論的には５０ｎｍまで拡大できる。また、凹部または段差を形成しない場合の、活性層の発光波長が４０５ｎｍから長波長化、例えば４２０ｎｍとなるように結晶成長すれば、この場合、光利得ピークの波長は前端面近傍では３６５ｎｍ、後端面近傍では４２０ｎｍとなるため、発光スペクトル幅は６５ｎｍとなる。
【００５９】
また、本実施形態のＳＬＤでは、凹部２とリッジストライプの幅方向の中心との距離を制御することで前端面近傍での活性層６のバンドギャップエネルギーは大きく、後端面近傍での活性層６ではバンドギャップエネルギーは小さくなっている。このため、後端面近傍で発生し前端面へ伝搬する導波光は、前端面近傍の活性層６でほとんど吸収されず、前端面から光が放射される。逆に、前端面近傍で発生し後端面へ伝搬する導波光は、後端面近傍の活性層で吸収される。吸収された光は活性層中に電子−正孔対を形成するが、電子−正孔対の量子エネルギーは活性層のバンドギャップエネルギーよりも高いため、再び再結合して光利得に寄与する（いわゆる、フォトン・リサイクリング効果）。すなわち、後端面へ伝搬する光成分はフォトン・リサイクリング効果により前端面へ伝搬する光成分に変換される。その結果、従来の光導波路構造では無駄に後端面から放出されていた光出力が、前端面から放出されることにより、本実施形態のＳＬＤでは、従来の光導波路構造よりも発光効率を約２倍に向上することができる。
【００６０】
また、光出射端面の法線に対して傾斜して延伸するリッジストライプを形成する工程は、従来の形状のリッジストライプを構成するための工程と比べてマスクの形状を変えるだけで工程数を増加させないので、本実施形態の製造方法によれば、反射ミラー等を別途設ける方法に比べて製造コストを増加させずに発光スペクトルの拡大されたＳＬＤを実現することができる。
【００６１】
なお、以上の説明では本実施形態のＳＬＤにおいてリッジストライプの幅方向の中心から凹部２の端（あるいは中心）までの距離が、前端面から後端面に向かって連続的または段階的に変化することを説明したが、この場合には活性層６及び活性層６の下面に接する層の少なくとも一方に凹部が形成される。このとき、リッジストライプの幅方向の中心から活性層６及び活性層６の下面に接する層に形成される凹部の端までの距離は連続的または段階的に変化する。
【００６２】
−実施形態に係るＳＬＤの変形例−
図３（ａ）は、本実施形態に係るＳＬＤの第１の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、本変形例に係るＳＬＤにおける凹部２の（ａ軸方向）幅とバンドギャップエネルギーの変化量との関係を示す図である。
【００６３】
図３（ａ）に示す第１の変形例に係るＳＬＤでは、光利得ピーク波長をリッジストライプ中の位置に対して連続的に変化させる構成として、前端面から後端面に向かうにつれて凹部２の幅（具体的にはリッジストライプが延伸する方向にほぼ直交する方向の幅）が小さくなるような凹部２を基板１に設けている。
【００６４】
例えば、リッジストライプのａ軸方向（より具体的にはリッジストライプの延伸する方向に直交する方向）の中心から凹部２の端までの距離は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すＳＬＤと同じく５μｍであるが、凹部２の幅が徐々に変化し、前端面において５０μｍ、後端面では０μｍとなっている。この場合も、凹部２のａ軸方向に垂直な方向の中心線とリッジストライプのａ軸方向の中心との距離は、前端面から後端面に向かうにつれて小さくなっている。
【００６５】
図３（ｂ）に示すように、凹部２のａ軸方向幅が大きくなるに従って、活性層６のバンドギャップエネルギーの変化量は大きくなる。これは、上述のように凹部２の幅に応じて活性層６の窒化物半導体組成が変化するためと考えられる。
【００６６】
このように、凹部２の幅を制御することによっても活性層６のバンドギャップエネルギーを制御することができ、図１（ａ）〜（ｃ）の例と同様に発光スペクトルの幅を拡大することができる。図３（ｂ）の例では、前端面近傍においてはバンドギャップエネルギーが１７５ｍｅＶ拡大するため、光利得ピークの波長が４０５ｎｍから３８３ｎｍへと短波長化する。後端面近傍においてはバンドギャップエネルギーが変化せず、光利得ピークの波長は４０５ｎｍのままであるので、凹部２または段差を形成しない場合と比べて発光スペクトル幅を１０ｎｍから２８ｎｍへと拡大することができる。
【００６７】
なお、凹部２に代えて活性層６または活性層６の下面に接する層に段差または突状部が形成されている場合でも同様の効果を発揮することができる。
【００６８】
図４（ａ）は、本実施形態に係るＳＬＤの第２の変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、本変形例に係るＳＬＤにおける凹部２の深さとバンドギャップエネルギーの変化量との関係を示す図である。
【００６９】
図４（ａ）に示す第２の変形例に係るＳＬＤでは、リッジストライプの幅方向の中心と凹部２の端の距離は、上述の第１の変形例に係るＳＬＤと同じく５μｍであるが、凹部２の深さが徐々に変化し、光出射端面の前端面において２μｍ、後端面ではほぼ０μｍとなるように凹部２が形成されている。
【００７０】
図４（ｂ）に示すように、凹部２の幅を一定にした場合のバンドギャップエネルギーにの変化量は凹部２の深さが大きくなるほど大きくなっている。この関係は、凹部２の幅を５μｍ、２０μｍ、５０μｍのいずれにしても成り立っていることが分かる。
【００７１】
従って、凹部２の深さを前端面近傍から後端面近傍に向かって連続的に変化させることによっても活性層６のバンドギャップエネルギーを適宜制御することができる。このため、本変形例に係るＳＬＤは、図１に示すＳＬＤと同様の効果を得ることができる。
【００７２】
すなわち、凹部２のａ軸方向幅を５０μｍとする場合、前端面近傍においてはバンドギャップが１７５ｍｅＶ程度まで拡大するため、光利得ピークの波長が４０５ｎｍから３８３ｎｍへと短波長化する。一方、後端面近傍においてはバンドギャップが変化せず光利得ピークの波長は４０５ｎｍのままであるので、本変形例に係るＳＬＤでは、凹部２を形成しない場合と比べて発光スペクトル幅を１０ｎｍから２８ｎｍへと拡大することができる。
【００７３】
また、本変形例においては、光出射端面（前端面）の法線に対してリッジストライプ及び凹部２（凹部１８）の延伸方向が共に９−１０°程度傾いており、且つリッジストライプと凹部２とはほぼ平行に延伸している。ただし、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、凹部２とリッジストライプとで光出射端面の法線に対する傾きを若干変えてもよい。また、図３（ａ）に示す第１の変形例に係るＳＬＤと同様に、凹部２の幅を連続的にまたは段階的に変化させてもよい。また、凹部２の深さは前端面から後端面に向かって必ずしも連続的に浅くなっている必要はなく、段階的に浅くなっていてもよい。この場合、活性層６のバンドギャップエネルギーは、前端面近傍で大きく、後端面に向かって段階的に小さくなっていく。
【００７４】
また、本変形例に係るＳＬＤでは、光利得ピーク波長をリッジストライプ中の位置に対して連続的に変化させるために、前端面から後端面までリッジストライプに沿って連続した凹部２を形成している。しかし、ＳＬＤの発光スペクトル幅を拡大するためには、凹部２はリッジストライプに沿って連続的に形成されていなくてもよい。
【００７５】
また、凹部２に代えて突状部または段差を基板１に形成してもよい。この場合には凹部の深さに代えて突状部の高さまたは段差の深さが前端面から後端面に向かうにつれて変化する。
【００７６】
図５は、本実施形態の第３の変形例に係るＳＬＤを示す平面図である。本変形例のＳＬＤのように、凹部２（段差）はリッジストライプに沿って不連続に複数形成されていてもよい。
【００７７】
図５に示す例では、凹部２の平面形状は平行四辺形であり、ｍ軸方向（リッジストライプの伸長する方向）の幅は３０μｍ、ａ軸に平行な方向の辺の長さは３０μｍとし、深さは２μｍである。隣合う凹部２同士の間隔（リッジストライプの伸長する方向）を３０μｍとしている。
【００７８】
リッジストライプと凹部２端の距離は、前端面に最も近い凹部２において５μｍから後端面に最も近い凹部２において１５ｎｍとし、前端面から後端面へと向かうにつれ、段階的に変化させている。この場合も、図２と同様に発光スペクトル幅を拡大することができる。このように凹部２が不連続の場合も連続の場合に準じて、前端面から後端面の間に、凹部２の幅もしくは深さを段階的に変化させてもよい。なお、本変形例のＳＬＤにおいても、凹部２のａ軸方向に垂直な方向の中心線とリッジストライプのａ軸方向の中心との距離は、前端面から後端面に向かうにつれて小さくなっている。
【００７９】
また、いずれの実施形態またはその変形例に係るＳＬＤにおいても、活性層６のバンドギャップを制御するための基板に設ける構造体として凹部あるいは段差を用いているが、ＷＯ２００９−０５７２５４号公報に記述されているように、基板１の上面に凹部等の代わりに突起が形成されていてもよい。突起を形成する場合、構造体形成のマスクパターンが異なるだけで、作製方法は上述の凹部２の形成方法と同様である。
【００８０】
また、以上で説明した実施形態及びその変形例に係るＳＬＤにおいては、基板１に凹部２または段差を形成することにより、活性層６の下に接している層もしくは活性層６に凹部または段差を形成したが、活性層６内に段差等を形成する方法はこれに限られない。例えば、基板１に段差を設ける代わりに、窒化物半導体多層膜における活性層６下の層に凹部、段差または突状部を形成し、その上に、活性層６を含む残りの窒化物半導体層を形成することにより、活性層６の下面に接する層もしくは活性層６に凹部、段差または突状部を形成してもよい。
【００８１】
なお、以上の説明で挙げた部材の形状、サイズ、構成材料等は実施形態の一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００８２】
また、本実施形態およびその変形例のＳＬＤのいずれか１つを、凹部２の形状等の点で他の実施形態または変形例のＳＬＤと適宜組み合わせてもよい。例えば、活性層６または窒化物半導体多層膜のうち活性層６の下面に接する層に凹部、段差、及び突状部のうち少なくとも１つが形成されていればよい。
【００８３】
なお、いずれの実施形態または変形例においても、窒化物半導体を用いた青紫色ＳＬＤを例に挙げて本願発明の趣旨を説明したが、本願発明は窒化物半導体を用いた紫外や青、緑などの可視域の発光波長のＳＬＤの発光波長幅の拡大と発光効率の向上にも有効である。
【００８４】
また、本発明はＳＬＤに限らず、導波路を利用した発光素子の発光波長幅の拡大と発光効率の向上にも有効である。例えば、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明は分布反射型（Distributed Bragg Reflector：DBR）レーザに適用することができる。図７（ａ）、（ｂ）は本発明をＤＢＲレーザに適用した場合の模式図である。図７（ｃ）は、比較のために作製した、段差を設けない比較例である。
【００８５】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の一例に係るＤＢＲレーザにおいては、凹部１８、ｐ型電極１３は共にｍ軸方向に延びており、凹部１８の延びる方向はｍ軸方向から見て傾いている。また、ＤＢＲレーザは、利得領域３１と、回折格子２１が形成され、利得領域３１から見てｍ軸方向の一方に配置されたＤＢＲ領域３２とを備えている。
【００８６】
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ比較例、本願発明の一例に係るＤＢＲレーザの特性を示したものである。段差近傍の導波路直下の活性層６では、上述のように自然放出スペクトルだけでなく、図８（ｂ）のように利得スペクトルも拡大する。このため、ＤＢＲレーザの閾値電流が従来技術よりも温度変化に対して安定化する。ＤＢＲレーザにおいては、正味の利得はＤＢＲミラーの反射スペクトルと利得スペクトルの積で決まる。温度上昇時には、各層の屈折率が増加し、利得スペクトルが反射スペクトルと比較して長波長化（すなわち、活性層のバンドギャップが縮小）し、正味の利得が低下し閾値電流が増加する。一方、本発明により利得スペクトルを拡大すれば、温度上昇時の正味の利得が低下しにくく、閾値電流の増加を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の一例に係る半導体発光素子は、発光波長幅の広く発光効率が高いので、レーザ・ディスプレイや光ファイバージャイロスコープ等種々の機器の光源として有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１      基板
２、１８      凹部
３      ｎ型クラッド層
４      ｎ側光ガイド層
５      活性層のうち凹部から離れた領域
６      活性層
７      ｐ側光ガイド層
８      オーバーフロー抑制層
９      ｐ型クラッド層
１０      ｐ型コンタクト層
１３      ｐ側電極
１４      配線電極
１５      パッド電極
１６      ｎ側電極
１８      凹部
【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７】
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【図８】
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【図６】
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