(57)【要約】本発明の半導体発光素子において、半導体基板３００上に、第１導電型の第１クラッド層３１２と、量子井戸活性層３１４と、第２導電型の第２クラッド層３１６とがこの順に積層されている。第２クラッド層３１６に、リッジ型のストライプにより導波路が形成されている。レーザ光が出射される前端面におけるリッジストライプの幅をＷｆ、前端面とは反対側の後端面におけるリッジストライプの幅をＷｒ、前端面の反射率をＲｆ、後端面の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒ及びＷｆ＞Ｗｒの関係を有する。導波路には、基本横モード、１次高次横モード、２次高次横モード及び３次高次横モードが導波される。
2013171950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、量子井戸活性層と、第２導電型の第２クラッド層とがこの順に積層され、
前記第２クラッド層に、リッジ型のストライプにより導波路が形成され、
レーザ光が出射される側である前端面における前記リッジストライプの幅をＷｆ、前記前端面とは反対側である後端面における前記リッジストライプの幅をＷｒ、前記前端面の反射率をＲｆ、前記後端面の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒ及びＷｆ＞Ｗｒの関係を有しており、
前記導波路には、基本横モード、１次高次横モード、２次高次横モード及び３次高次横モードが導波されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記前端面における電流注入領域の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２クラッド層の上に、コンタクト層を更に備え、
前記前端面における前記コンタクト層の幅Ｗｃは、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいこと特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２クラッド層の上に、開口部を有する電流ブロック層を更に備え、
前記前端面における前記電流ブロック層の開口部の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
前記前端面における前記リッジストライプの形状が凸型であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
前記前端面における前記リッジストライプの水平方向の両端部が、イオン注入により高抵抗化されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
前記導波路における前記リッジストライプの幅が共振器方向に変化する領域の長さをＬとし、当該変化の始端と終端とにおける前記リッジストライプの幅の差の絶対値を△Ｗ１とし、角度θがｔａｎ（θ）＝△Ｗ１／（２Ｌ）を満たす角度であるとするとき、
θは、０．０５°以上で且つ０．１５°以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つにおいて、
共振器長が８００μｍ以上で且つ１３００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が１０μｍ以上で且つ３０μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が４ｎｍ以上で且つ１０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項８において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さは、２ｎｍ以上で且つ５ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１つにおいて、
共振器長が５５０μｍ以上で且つ１０００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が６μｍ以上で且つ１２μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が９ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さが３ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプロジェクタ光源等の発光装置に用いられる高出力半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大画面の画像を効率的に得るための一形態として、映像信号に応じた画像を形成する小型の液晶パネル等の空間光変調素子を、ランプ等の光源からの光により照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する投射型画像表示装置、例えばプロジェクタが広く用いられている。このようなプロジェクタ等の投射型画像表示装置においては、可視光の波長帯域で高い発光効率が得られる超高圧水銀ランプにより光源を構成することが一般的である。【０００３】
これに対して、昨今、プロジェクタの光源に高圧水銀ランプではなく、半導体素子であるＬＥＤが用いられ始めている。ＬＥＤプロジェクタは消費電力が低く、静音性が高く、ランプ寿命が長いといった特徴があり、本体サイズも小型になる。【０００４】
しかしながら、ＬＥＤは発光層である活性層における自然放出光を利用しているので、輝度が十分とはいえない。そこで、光源にワット級の大出力が可能な半導体レーザを用い、それにより蛍光体を励起することによって、可視域の光に対して十分な輝度を得ることが可能なレーザプロジェクタが注目されている。【０００５】
現在、窒化物系材料を用いた半導体レーザは、可視光から紫外光まで発光が可能であり、この光源に好適な半導体発光素子として要望されている。【０００６】
例えば、窒化物系半導体レーザで青色、緑色光の光源を形成し、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いたレーザを赤色光源とすれば、小型低消費電力のレーザプロジェクタを実現することができる。  【０００７】
ここで、プロジェクタ光源に使用される半導体レーザにはワット級の大出力動作のみな
らず、５０℃以上の高温動作時においても１００００時間以上の長期動作が要望されている。【０００８】
これに対し、半導体レーザにおいて大出力を得るためには、共振器端面が自らの出射光で溶融破壊されるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）の発生を抑制しなければならない。ＣＯＤ発生を防止するためには、レーザ光の取り出し側である共振器前端面側には反射率が１０％程度以下の低反射率（ＡＲ）となるように誘電体膜をコーティングし、一方、後端面側には９０％程度以上の高反射率（ＨＲ）となるように誘電体膜をコーティングすることが効果的である。この構成により、前端面側からの光の取り出し効率が向上し、電流−光出力特性におけるスロープ効率（電流注入に対する光出力の増加の割合）が向上し、動作電流値を低減して素子の発熱を小さくすることが可能となる。更に、同一の光出力に対し、前端面側共振器内部の光密度も小さくなる。この結果、ＣＯＤが発生する光出力レベルを高出力化することができる。【０００９】
また、ＡｌＧａＩｎＰ系材料やＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体レーザの場合、通常、数百ｍＷ以上の動作が必要な高出力半導体レーザの長期動作を保証するために、端面窓構造レーザが広く用いられている。この構造においては、共振器端面近傍の量子井戸活性層に不純物拡散を行い、量子井戸を無秩序化してバンドギャップエネルギーを大きくすることにより、端面近傍領域がレーザ光に対してほぼ透明な領域となっている。この結果、共振器端面における光吸収による発熱にともなうバンドギャップエネルギーの縮小を抑制できる。これにより端面での光吸収が低減され、ＣＯＤの発生を抑制することが可能となる。【００１０】
これに対し、窒化物系材料を用いたレーザの場合、量子井戸活性層に用いられるＩｎＧａＡｌＮ系材料は不純物拡散により無秩序化することが材料物性上難しいため、現状では、端面窓構造は用いられていない。【００１１】
そこで、現在のところ窒化物系ワット級半導体レーザにおいては、リッジ型の導波路構造において、端面での光密度を低減するために、リッジストライプ幅を８μｍから１５μｍ程度以上に広くしたワイドストライプの半導体レーザに対して、前端面にＡＲコーティングを施し、後端面にはＨＲコーティングを施した導波路構造が用いられている。このようにすることで、導波路の光分布は水平方向に大きく広がるため、共振器端面での光密度が低減しＣＯＤレベルを向上させることができる。【００１２】
尚、本明細書では、共振器方向に垂直であって、活性層面に平行な方向を水平方向とし、共振器方向に垂直であって、活性層面の法線方向に平行な方向を垂直方向と表現する。【００１３】
通常、リッジストライプ幅が共振器方向に対して一定幅のストレートストライプ構造を有する高出力半導体レーザ装置においては、レーザ光の出射端面（ＡＲ）側の反射率Ｒｆと後端面（ＨＲ）側の反射率Ｒｒの差が極端に大きくなると、レーザ装置の共振器方向、つまり共振器方向の光の電界強度が、出射端面（ＡＲ）側で強く、後端面（ＨＲ）側で弱いような偏った形になる。この場合、活性層への注入キャリアの消費は出射端面（ＡＲ）付近において大きく、後端面（ＨＲ）付近ではあまり消費されなくなってしまうこととなる。一方、電流は、共振器方向においては同じ密度で注入されるので、共振器方向において空間的ホールバーニング（Spatial Hole Burning）と呼ばれるキャリア濃度の偏りが生じ、この影響により十分な利得が得られなくなってしまうことになる。このように、従来のストレートストライプ構造の高出力半導体レーザ装置において、高スロープ効率を得るために出射端面の反射率を低下させすぎて、この出射端面の反射率と後端面の反射率との差が極端に大きくなった場合、電界強度分布に偏りが発生する。この結果、利得及びスロープ効率が低下することになり、結果的に光出力が制限され、１ワット以上の光出力を得ることが困難になる。【００１４】
そこで、特許文献１にかかる従来の発明においては、図３２に示すような共振器方向に導波路の幅が除々に広がるテーパストライプ構造を用いることにより、光の電界強度の共振器方向における極端な偏りの発生を抑制し、空間的ホールバーニングを低減している。【００１５】
この場合、スロープ効率の向上を目的として出射端面を低反射率にすることにより、後端面の反射率との差を極端に大きくした場合であっても、共振器方向の空間的ホールバーニングに起因する利得の飽和が抑制可能となる。【００１６】
従って、より高いスロープ効率を得るために、出射端面の反射率を０．１％以下とすることによってミラーロスが増大した場合であっても、空間的ホールバーニング（以下、ＳＨＢ）により抑制されていた利得の飽和がなくなり、高いスロープ効率を実現することができる。【００１７】
また、共振器の出射端面における光の電界強度の集中がなくなるので、出射端面のＣＯＤ破壊の発生を抑制することができる。【００１８】
テーパストライプ構造については、空間的ホールバーニングの低減だけでなく、導波路を伝播する導波光の形状変換や、高次横モードをカットオフして基本横モードのみを増幅しレーザ発振させて取り出すために用いられており、特許文献１以外にも、特許文献２から特許文献５に示すようなストライプ構造も報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００１−３５８４０５号公報
【特許文献２】特開平５−６７８４５号公報
【特許文献３】特開２００２−２８０６６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１２１７８号公報
【特許文献５】米国特許第６３１７４４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述のように、動作中に素子がＣＯＤにより劣化することを防止するためには、窒化物系半導体レーザにおいては端面窓構造を備えることが困難であるため、光の取り出し側である前端面側の導波路のストライプ幅を広げて端面光密度を小さくすることが効果的である。【００２１】
また、ワット級高出力レーザは動作電流値が大きく、動作時の素子の自己発熱も非常に大きくなる。素子の発熱を抑制するためには素子の消費電力（＝動作電流値×動作電圧−光出力）を低減することが重要である。消費電力を低減することは、電力変換効率（＝動作電流値×動作電圧）を低減することと同等であり、動作電流値のみならず動作電圧の低減も行わなければならない。【００２２】
ここで、ＣＯＤの発生を抑制するために単純にストライプ幅を広げると、導波路の面積が大きくなる。これにより、素子の直列抵抗が小さくなり動作電圧は減少するが、動作電流値が増大して電力変換効率の低下につながる。ＣＯＤの発生を抑制しつつ動作電流値を低減するためには、前端面側の導波路ストライプを広げつつ、後端面側のストライプ幅を狭めてテーパストライプ構造として導波路ストライプの面積の増大を抑えることが効果的である。【００２３】
しかしながら、テーパストライプ構造を取り入れて、活性層の動作キャリア濃度の共振器方向に対する空間的ホールバーニングは抑制できた場合であっても、前端面側のストライプ幅が広いことから、水平方向への活性層中のキャリアの空間的ホールバーニングが発生する。【００２４】
ワット級の高出力レーザにおいては、動作電流値が大きく、動作する光出力も非常に高い。従って、キャリアの空間的ホールバーニングの発生はスロープ効率の低下及び温度特性の低下をもたらす。動作中の素子の発熱量の大きいワット級レーザにおいて、温度特性の劣化により動作電流値は温度上昇に対して加速度的に増大する。【００２５】
ワット級高出力レーザにおけるスロープ効率の低下や温度特性の低下は、高温動作時の光出力の低下のみならず、素子の劣化に直結し、実用上重大な支障をきたすことになる。【００２６】
以上のことから、本発明は、温度特性と長期信頼性に優れた電力変換効率の高いワット級半導体発光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本開示の半導体発光素子は、半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、量子井戸活性層と、第２導電型の第２クラッド層とがこの順に積層され、第２クラッド層に、リッジ型のストライプにより導波路が形成され、レーザ光が出射される側である前端面におけるリッジストライプの幅をＷｆ、前端面とは反対側である後端面におけるリッジストライプの幅をＷｒ、前端面の反射率をＲｆ、後端面の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒ及びＷｆ＞Ｗｒの関係を有しており、導波路には、基本横モード、１次高次横モード、２次高次横モード及び３次高次横モードが導波される。【００２８】
この構成により、少なくとも３次までの高次横モードが導波可能であるから、電流−光出力特性にキンクが生じてもキンク発生時のスロープ効率変動が小さくなり、高温動作時における動作電流値の増大、ワット級動作時における素子の劣化を抑制することができる。また、後端面のリッジストライプ幅を、少なくとも３次までの高次横モードが導波可能な幅まで広げた場合、電流が注入される領域の面積が増大し、素子の直列が小さくなるので、動作電圧を小さくすることが可能となる。この結果、高温動作時においても線形性に優れた電流−光出力特性と、より低い動作電圧特性を得ることが可能となる。【００２９】
尚、前端面における電流注入領域の幅は、前端面におけるリッジストライプの幅Ｗｆよりも小さくても良い。【００３０】
この構成により、水平方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生が抑制される。その結果、利得飽和、漏れ電流の発生を更に抑制可能となり、動作電流値が低くなるので、温度特性が更に向上する。【００３１】
また、第２クラッド層の上に、コンタクト層を更に備え、前端面におけるコンタクト層の幅Ｗｃは、前端面におけるリッジストライプの幅Ｗｆよりも小さくても良い。【００３２】
この構成により、前端面側の活性層では、リッジストライプの水平方向両端部への電流の注入量が低減され、水平方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生がより顕著に抑制される。この結果、利得飽和、漏れ電流の発生を更に抑制可能となり、動作電流値が低くなるので、温度特性が更に向上する。【００３３】
また、第２クラッド層の上に、開口部を有する電流ブロック層を更に備え、前端面における電流ブロック層の開口部の幅は、前端面におけるリッジストライプの幅Ｗｆよりも小さくても良い。【００３４】
この構成により、前端面側の活性層では、リッジストライプの水平方向両端部への電流の注入量が低減され、水平方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生がより顕著に抑制される。この結果、利得飽和、漏れ電流の発生が更に抑制可能となり、動作電流値が低くなるので、温度特性がさらに向上する。【００３５】
尚、前端面における前記リッジストライプの形状が凸型であっても良い。【００３６】
この構成により、前端面側の活性層では、リッジストライプの水平方向両端部への電流の注入量が低減され、水平方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生がより顕著に抑制される。この結果、利得飽和、漏れ電流の発生が更に抑制可能となり、動作電流値が低くなるので、温度特性がさらに向上する。【００３７】
また、前端面におけるリッジストライプの水平方向の両端部が、イオン注入により高抵抗化されていても良い。【００３８】
この構成により、前端面側の活性層では、リッジストライプの水平方向両端部への電流の注入量が低減され、水平方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生がより顕著に抑制される。この結果、利得飽和、漏れ電流の発生が更に抑制可能となり、動作電流値が低くなるので、温度特性がさらに向上する。【００３９】
また、導波路におけるリッジストライプの幅が共振器方向に変化する領域の長さをＬとし、当該変化の始端と終端とにおけるリッジストライプの幅の差の絶対値を△Ｗ１とし、角度θがｔａｎ（θ）＝△Ｗ１／（２Ｌ）を満たす角度であるとするとき、θは、０．０５°以上で且つ０．１５°以下の範囲にあっても良い。【００４０】
この構成により、共振器方向のキャリアの空間的ホールバーニングの発生がより顕著に抑制される。この結果、利得飽和、漏れ電流の発生が更に抑制可能となり、動作電流値がより低くなるので、温度特性が更に向上する。【００４１】
また、共振器長が８００μｍ以上で且つ１３００μｍ以下の範囲にあり、前端面におけるリッジストライプの幅が１０μｍ以上で且つ３０μｍ以下の範囲にあり、量子井戸活性層のウェル層の合計厚が４ｎｍ以上で且つ１０ｎｍ以下の範囲にあっても良い。【００４２】
この構成により、ウェル層の合計厚が薄くても、漏れ電流の増大を防ぐことが可能となり、高温動作時においても発振しきいキャリア濃度及び動作電流値の増大を防止できる。この結果、高温動作時においても低動作電流特性を得ることができ、高い電力変換効率を得ることが可能となる。【００４３】
また、量子井戸活性層におけるウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、ウェル層の各層の厚さは、２ｎｍ以上で且つ５ｎｍ以下の範囲にあっても良い。【００４４】
この構成により、ウェル層の原子組成分布に不均一性が生じる組成分離の発生と、格子欠陥の発生を抑制することが可能となり、発振しきいキャリア濃度と動作電流値の増大を防止できる。この結果、高い電力変換効率の４４５ｎｍ帯の半導体発光素子を得ることが可能となる。【００４５】
また、共振器長が５５０μｍ以上で且つ１０００μｍ以下の範囲にあり、前端面におけるリッジストライプの幅が６μｍ以上で且つ１２μｍ以下の範囲にあり、量子井戸活性層のウェル層の合計厚が９ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下であっても良い。【００４６】
この構成により、ウェル層の合計厚が薄くとも、漏れ電流の増大を防ぐことが可能となり、高温動作時においても発振しきいキャリア濃度と動作電流値の増大を防止できる。この結果、高温動作時においても低動作電流特性を得ることができ、高い電力変換効率を得ることが可能となる。【００４７】
また、量子井戸活性層におけるウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、ウェル層の各層の厚さが３ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下の範囲にあっても良い。【００４８】
この構成により、ウェル層の原子組成分布に不均一性が生じる組成分離の発生と、格子欠陥の発生を抑制することが可能となり、発振しきいキャリア濃度と動作電流値の増大を防止できる。この結果、高い電力変換効率の４０５ｎｍ帯の半導体発光素子を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明により、温度特性と長期信頼性に優れた電力変換効率の高いワット級高出力レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、共振器方向の光強度の分布と、共振器方向のキャリアの空間的ホールバーニングを示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子において、テーパ角θを０°から０．５°まで変化させた場合の電流−光出力特性の温度依存性測定結果を示す図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作特性のテーパ角θ依存性測定結果の動作電流値、動作電圧、電力変換効率を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子における、リッジストライプと電流注入ストライプの構造図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子における、キャリアの空間的ホールバーニングのΔＷ依存性計算結果を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｈ）は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子における、平均リッジストライプ幅８μｍ、共振器長８００μｍ、テーパ角０．１°の場合の動作キャリア濃度のΔＷ依存性計算結果を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態、第２の実施形態、及び比較例における、電流−光出力特性測定結果を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図である。
【図１８】図１８は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図である。
【図１９】図１９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図２０】図２０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図２１】図２１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図２２】図２２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度のテーパ角依存性の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図２３】図２３は、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図である。
【図２４】図２４は、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図である。
【図２５】図２５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子における、キャリアの空間的ホールバーニングのΔＷ依存性計算結果を示す図である。
【図２６】図２６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度の水平方向分布計算結果を示す図である。
【図２７】図２７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子における、動作キャリア濃度の共振器方向分布計算結果を示す図である。
【図２８】図２８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態、第４の実施形態、及び比較例における、電流−光出力特性測定結果を示す図である。
【図２９】図２９（ａ）は本発明の第５の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図、図２９（ｂ）は本発明の第６の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図、図２９（ｃ）は本発明の第７の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図、図２９（ｄ）は本発明の第８の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造図である。
【図３０】図３０（ａ）は、本発明の第９の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図、図３０（ｂ）は、本発明の第１０の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図である。
【図３１】図３１は、本発明の第１１の実施形態にかかる半導体発光素子のリッジストライプ構造図である。
【図３２】図３２は、従来の半導体発光素子の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明を行う。
【００５２】
（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の断面構造を図２に示す。図２に示すのは、ＧａＮ基板３００上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚２．５μｍ）３１２、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層（８６０Å（８６ｎｍ））３１３、ＩｎＧａＮ系材料からなる多重量子井戸活性層３１４、ｐ型量子井戸電子障壁層３１５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ）３１７、光分布に対して透明な電流ブロック層３１８、ｐ型電極３２０、ｎ型電極３２１からなる半導体レーザ装置の断面図である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６にはリッジ型のストライプにより導波路が形成され、平均リッジストライプ幅（Ｗ）は８．０μｍである。尚、ｎ型、ｐ型の上下は上述した順に限られず、ｎ型、ｐ型を入れ換えてもよい。
【００５３】
この時、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６について、リッジ上部と活性層３１４までの距離が０．５μｍ、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐ（０．２μｍ）としている。
【００５４】
ここで、本発明の第１の実施形態においては、活性層に垂直方向に光を閉じこめるためにｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６のＡｌ組成を０．０５としている。
【００５５】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６のＡｌ組成を大きくすると、活性層とクラッド層間の屈折率差を大きくすることができる。これにより、活性層に垂直方向に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながら、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差が原因となって、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくしすぎると格子欠陥が生じ、信頼性の低下につながる。従って、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を０．２以下として素子を作製するのが好ましい。
【００５６】
また、本発明の第１の実施形態における多重量子井戸活性層３１４は、波長４０５ｎｍのレーザ発振を得るために、厚さ７５Å（７．５ｎｍ）、Ｉｎ組成０．０５のＩｎＧａＮウェル層を２層備えたＤＱＷ（Double Quantum Well）構造としている。
【００５７】
波長４０５ｎｍ帯のレーザ発振光を得るためには、量子井戸活性層におけるウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、Ｉｎの原子組成ｘｗが、０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、且つ、ウェル層の各層の厚さが３０Å（３ｎｍ）以上、８０Å（８ｎｍ）以下であることが好ましい。この原子組成範囲において、ウェル層の厚さが８０Å（８ｎｍ）よりも厚くなると、ウェル層内部に蓄積される歪エネルギーが増大し、ウェル層の原子組成が不均一となり、発光効率の低下をもたらす。この理由を以下に説明する。
【００５８】
ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮから構成される窒化物混晶半導体を考えると、ＩｎＮ−ＧａＮ間、ＩｎＮ−ＡｌＮ間、及び、ＧａＮ−ＡｌＮ間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及び２．３％である。この場合、ＩｎＮ、ＧａＮ及びＡｌＮ間において原子間距離が互いに異なっていることから、例えばＩｎＧａＡｌＮ層の格子定数がＧａＮと同じになるように原子組成を設定しても、ＩｎＧａＡｌＮ層を構成する原子間の、原子間隔や結合角の大きさが、２元化合物半導体の場合における理想状態の大きさと異なる。このことから、内部歪エネルギーがＩｎＧａＡｌＮ層内に蓄積する。この内部歪エネルギーを低減するために、ＩｎＧａＡｌＮ層内で原子組成が互いに異なる領域が共存する相分離が発生することになる。
【００５９】
この場合、ＩｎＧａＡｌＮ層内にＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子は不均一に分布する。従って、相分離を含む層のバンドギャップエネルギー分布や屈折率分布も不均一になってしまう。相分離した部分の組成不均一領域は、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。よって、相分離が生じると、半導体レーザの動作電流が増大し、それによって半導体レーザの寿命を短縮させることになる。
【００６０】
ＧａＮとＡｌＮは格子定数の差が小さく、ＩｎＮとＧａＮ、及び、ＩｎＮとＡｌＮは格子定数の差が大きい。このことから、ＩｎＧａＡｌＮ層において内部歪エネルギーはＩｎの原子組成ｘｗに最も大きく影響される。ここで、ＩｎＧａＡｌＮウェル層のＩｎ組成ｘｗが０．１の場合、ウェル層の膜厚が８０Å（８ｎｍ）を超えると、ウェル層に蓄積される歪エネルギーが増大し、相分離や格子欠陥が発生してしまう。この結果、素子の発光効率が低下する。
【００６１】
従って、波長４０５ｎｍのレーザ発振を得るためには、ＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮウェル層のバンドギャップエネルギーの制約から、Ｉｎの原子組成ｘｗが０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、ウェル層の膜厚は８０Å（８ｎｍ）以下であることが好ましい。
【００６２】
また、ウェル層の膜厚が薄くなりすぎると、ウェル層中の動作キャリア濃度が大きくなることから、漏れ電流が増大して温度特性の劣化につながる。このことから、ウェル層の膜厚は最低３０Å（３ｎｍ）以上であることが好ましい。
【００６３】
薄い膜厚のウェル層を用いると、そのウェル層に蓄積される内部歪エネルギーは減少する。これにより相分離や格子欠陥の発生を抑制できるが、前述のように漏れ電流が増大してしまう。そこで、薄いウェル層を多層用いると、動作キャリア濃度が減少するので、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。
【００６４】
しかしながら、多重量子井戸活性層のウェル層の合計膜厚が厚くなり過ぎると、量子井戸活性層全体に蓄積される歪エネルギーが増大し、格子欠陥の発生につながる。従って、格子欠陥と相分離の発生を抑制しつつ、漏れ電流の発生を抑制するためには、ウェル層の合計膜厚を９０Å（９ｎｍ）以上、２００Å（２０ｎｍ）以下とすることが好ましい。
【００６５】
ＩｎＧａＡｌＮウェル層のＩｎ組成と膜厚を上記範囲で作製すると、高い電力変換効率の４０５ｎｍ帯の半導体発光素子を得ることが可能となる。
【００６６】
また、前記リッジ側面上に、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層（０．１μｍ）３１８が形成されている。この構造において、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１７から注入された電流は電流ブロック層３１８の開口部によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する活性層３１４に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は百ｍＡ程度の注入電流により実現される。
【００６７】
この時生じた、活性層へ注入されたキャリアの再結合により発光した光は、活性層と垂直な方向については、クラッド層３１２、３１６により垂直方向の光閉じ込めが行われる。また、活性層と平行な方向に対しては、電流ブロック層３１８がクラッド層よりも屈折率が低いことから、水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層３１８はレーザ発振光に対して透明であるから光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。
【００６８】
また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるので、高出力動作に適した１０−３のオーダのΔＮを容易に得ることができる。更に、その大きさを電流ブロック層３１８と活性層間の距離（ｄｐ）の大きさによって、同じく１０−３のオーダにて精密に制御することができる。このことから、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。本発明の第１の実施形態においては、ΔＮを１．５×１０−３の値として、水平方向の光の閉じ込めを行っている。
【００６９】
次に、図３に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子の共振器方向のリッジストライプ形状を示す。図３に示す様に、前端面側のリッジストライプ幅（Ｗｆ）が後端面側のリッジストライプ幅（Ｗｒ）よりも広い、つまりＷｆ＞Ｗｒの関係を有するテーパストライプ形状としている。また、前端面側の共振器端面では、光の取り出し効率を向上させるために反射率Ｒｆが６％の低反射率コーティング、後端面側には反射率Ｒｒが９５％の高反射率コーティングを施している。反射率の値はこれに限られず、Ｒｆ＜Ｒｒの関係を有していれば良い。
【００７０】
ここで、リッジストライプ幅の共振器方向に対する傾き角（テーパ角）をθとする。θは、導波路のうちリッジストライプ幅が共振器方向に変化する領域の長さをＬとし、当該変化の始端と終端でのリッジストライプ幅の差の絶対値（すなわち本実施形態においてはＷｆとＷｒとの差の絶対値）をΔＷ１としたとき、ｔａｎ（θ）＝ΔＷ１／（２Ｌ）を満たす角度である。
【００７１】
以上のような半導体発光素子において、高温動作時においても、高い光出力を得るためのテーパストライプ形状について説明を行う。本実施形態においては、６０℃以上の高温動作時においても１ワット以上の光出力を得られることが確認されている。
【００７２】
まず、テーパ角θの値が半導体発光素子の温度特性に与える影響について検証する。図４（ａ）から（ｆ）に示すのは、共振器長が８００μｍの素子において、リッジストライプの面積を一定（６４００μｍ２一定、つまり、平均リッジストライプ幅が８μｍ）にして、テーパ角θを０°から０．５°まで変化させた場合の電流−光出力特性の温度依存性の測定結果である。図４（ａ）から（ｆ）のそれぞれに、テーパ角θの値と、そのときのＷｆおよびＷｒの値を示している。図４（ａ）から（ｃ）に示すように、Ｗｒが４．２μｍより小さくなる（θが０．２７°よりも大きくなる）と電流−光出力特性に非線形な折れ曲がりが生じ、また、６０℃で高温動作時において光出力は熱飽和する傾向を示している。一方、図４（ｄ）から（ｆ）に示すように、Ｗｒが５．４μｍより大きくなる（θが０．１９°よりも小さくなる）と電流−光出力特性は６０℃の高温動作時においても線形性に優れ、１ワット以上の高温動作時においても熱飽和する傾向は生じていない。
【００７３】
この理由は以下のように考えられる。
【００７４】
通常のテーパ角θが０°のストライプ構造レーザでは、図１に示すように、端面反射率の低い前端面側の導波路における活性層内光強度が大きくなる。このことから、前端面側の活性層に注入された電子及び正孔について、誘導放出により単位時間に消費される数が多くなり、前端面側活性層の動作キャリア濃度が大きくなるＳＨＢが発生する。ここでテーパ角を大きくしていくと、前端面側のリッジ幅が大きくなるので、水平方向の光分布の幅が広くなって光密度が減少していく。従って、テーパ角の増大に伴い、前端面側において単位時間当たりに消費される電子及び正孔の数は減少する。逆に後端面側では、テーパ角の増大に伴い、水平方向の光分布の幅が狭くなり光密度が増大するので、後端面側で単位時間当たりに消費される電子及び正孔の数は増大する。この結果、テーパ角を大きくしすぎると、後端面側の活性層中の動作キャリア濃度が小さくなるＳＨＢが発生する。
【００７５】
ＳＨＢの度合いが大きくなると、活性層中の動作キャリア濃度が大きい側の活性層では、電子や正孔が熱的に励起されて活性層からクラッド層に漏れ出すキャリアオーバーフローが増大し、光出力の熱飽和レベルが低下する。
【００７６】
また、共振器方向に対してＳＨＢが生じると、活性層内において最も大きな増幅利得を得る波長にばらつきが生じてしまい、発振しきい電流値の増大につながる。発振しきい電流値が増大すると、高温動作時におけるキャリアオーバーフローが増大し、温度特性の劣化につながる。
【００７７】
次に、導波路に導波する高次横モードの次数が、半導体発光素子の温度特性に与える影響について検証する。
【００７８】
Ｗｒが狭くなると、より高次の水平横モードは導波することができずカットオフされるので、発振可能な水平横モードの数が少なくなってしまう。
【００７９】
導波路に導波する高次横モードの次数は、リッジストライプ幅により制限される。本実施形態のようなテーパ導波路では、最も幅が狭い部分であるＷｒにより、導波可能な高次横モードの次数が決定されることになる。
【００８０】
レーザ発振中に横モード同士が結合すると、共振器方向における光分布形状が変化する。高次横モードがカットオフされていない場合（つまり、Ｗｒが高次横モードを許容する程度に広い場合）、同時に発振可能な高次横モードの次数が小さいほど、前記の光分布形状の変形が大きく、電流−光出力特性に大きな非線形性が生じる。つまり、温度特性が悪い。
【００８１】
また、ワット級の高出力レーザでは、素子の直列抵抗を小さくし動作中の素子の自己発熱を低減する必要がある。従って、リッジストライプ幅は、基本横モードのみならず、高次横モードも導波可能な広いリッジストライプ幅であるほうが、ワット級の高出力動作には好ましい。しかしながら、あまりにリッジストライプ幅を広くすると発振しきい電流値が増大し、レーザ発振直後の素子の発熱や消費電力が大きくなってしまう。
【００８２】
そこで、前述の図４（ａ）から（ｆ）について、導波路に導波する高次横モードの次数の観点から再度検証する。図４（ａ）から（ｆ）では、Ｗｒを１μｍから８μｍまで変化させている。図４（ａ）に示すのは、Ｗｒが１μｍの構造であり、２５℃において基本横モードのみが導波可能である。図４（ｂ）に示すのは、Ｗｒが３μｍの構造であり、２５℃において基本横モード、１次横モードが導波可能である。図４（ｃ）に示すのはＷｒが４．２μｍの構造であり、２５℃において基本横モードから２次横モードまで導波可能である。図４（ｄ）に示すのは、Ｗｒ５．４μｍの構造であり、２５℃において基本横モードから３次横モードまで導波可能である。
【００８３】
図４（ａ）に示す構造では、２５℃において基本横モードのみが導波可能である。しかし、テーパ構造におけるリッジストライプ幅の共振器方向に対する変化が大きくなりすぎ、前述の様に、後端面側の活性層中の動作キャリア濃度が小さくなるＳＨＢが発生する。この場合、レーザ発振直後は基本横モード動作していても、発光効率が低いので素子の自己発熱が大きくなり、動作電流値の増大と共に、リッジストライプ内外の実効屈折率差（ΔＮ）が増大していく。この結果、高次横モードがカットオフされなくなり（つまり、高次横モードの導波も可能となり）電流−光出力特性にキンクが発生する。その結果、図４（ａ）に示す様に、スロープ効率が低く、光出力１５０ｍＷ程度でキンクが発生し、光出力の熱飽和レベルも、６０℃で５００ｍＷ程度の特性を示している。
【００８４】
図４（ｂ）に示す構造では、２５℃において基本横モードと１次横モードが導波可能である。しかし、このテーパストライプ構造においても、図４（ａ）に示した構造と同様にテーパストライプ構造におけるリッジストライプ幅の共振器方向に対する変化が大きくなりすぎる。結果として、前述の様に、後端面側の活性層中の動作キャリア濃度が小さくなるＳＨＢが発生する。
【００８５】
このことから、スロープ効率は通常のストレートストライプ構造に対して低い。また、光出力の熱飽和レベルも６０℃において１０００ｍＷ程度であり、ワット級のレーザとしては不十分である。更に、この構造では、光出力５００ｍＷ程度において電流−光出力特性にキンクが発生し、電流−光出力特性も線形性が乏しく、不安定な特性を示している。このような特性では、素子の動作特性が安定せず、素子を量産した場合に同じストライプ構造の素子を作製しても、素子間の動作特性ばらつきが大きくなる。
【００８６】
特に、１ワット以上の高出力動作を考えると、動作電流値のばらつきの大きさは、素子の動作中の活性層温度のばらつきに影響するので、素子の長期信頼性保証時間も大きくばらつくことになる。従って、高次横モード動作するレーザにおいて、電流−光出力特性の線形性を大きく阻害するようなキンクのない線形性に優れた特性を実現することは非常に重要である。これに対し、図４（ｂ）に示すような電流−光出力特性では、実用上、重大な支障をきたすことになる。
【００８７】
図４（ｃ）に示す構造では、２５℃において基本横モードから２次横モードまで導波可能である。このテーパストライプ構造においては、図４（ａ）、（ｂ）に示した構造と比較して、リッジストライプ幅の共振器方向に対する変化が小さくなり、ＳＨＢの発生は相対的に抑制され、スロープ効率は向上している。しかしながら、この構造でも、光出力６００ｍＷ程度において電流−光出力特性にはキンクが発生し、不安定な特性を示している。この様な特性では、素子の動作特性が安定せず、素子を量産した場合に同じストライプ構造の素子を作製しても、素子間の動作特性ばらつきが大きくなる。
【００８８】
特に１ワット以上の高出力動作を考えると、動作電流値のばらつきの大きさは、素子の動作中の活性層温度のばらつきに影響するので、素子の長期信頼性保証時間も大きくばらつくことになる。従って、高次横モード動作するレーザにおいて、電流−光出力特性の線形性を大きく阻害するようなキンクのない線形性に優れた特性を実現することは、前述と同様に非常に重要である。
【００８９】
これに対し、図４（ｃ）に示すような電流−光出力特性では、実用上、重大な支障をきたすことになる。
【００９０】
図４（ｄ）に示す構造では、２５℃において基本横モードから３次横モードまで導波可能である。このテーパストライプ構造においては、図４（ａ）〜（ｃ）で示した構造と比較して、リッジストライプ幅の共振器方向に対する変化は更に小さい。従って、ＳＨＢの発生は相対的に抑制されて、スロープ効率は図４（ｆ）に示す通常のストレートストライプを若干上回るレベルにまで向上している。このテーパストライプ構造では、電流−光出力特性の線形性を阻害するようなキンクは見られていない。これは、導波している横モードの次数の数が多くなっているので、仮に、ある横モードの光分布の電界が結合し、共振器方向に対する光分布の形状が変化しても、その影響が小さくなることによると考えられる。
【００９１】
図４（ｅ）に示す構造では、２５℃において基本横モードから３次横モードまで導波可
能である。このテーパストライプ構造においては、図４（ａ）〜（ｄ）で示した構造と比
較して、リッジストライプ幅の共振器方向に対する変化はさらに小さい。従って、ＳＨＢの発生は相対的に抑制されて、２５℃動作時のスロープ効率は図４（ｆ）に示す通常のストレートストライプの特性と比較して１．０３倍に向上している。このテーパストライプ構造では、電流−光出力特性の線形性を阻害するようなキンクは見られていない。これは、図４（ｄ）と同様に導波している横モードの次数の数が多くなっているので、仮に、ある横モードの光分布の電界同士が結合し、共振器方向に対する光分布の形状が変化しても、その影響が小さくなることによると考えられる。
【００９２】
図４（ｆ）に示す構造では、２５℃において基本横モードから４次横モードまで導波可
能である。この構造においても、電流−光出力特性には線形性を大きく阻害するようなキ
ンクは見られていない。
【００９３】
図４（ａ）から（ｆ）に示すに実験結果から、基本横モード以外の高次横モードがカットオフされていないリッジストライプ幅の広いレーザにおいて、高次横モードが発振したとしても、電流−光出力特性に非線形が生じるほどの影響を与えないようにするためには、３次横モード以上の高次横モードを導波可能とすればよいことが分かる。
【００９４】
また、３次横モード以上の高次横モードを導波可能なテーパストライプ構造において、テーパ角θが０．１°近傍に、ＳＨＢを抑制しつつ電流−光出力特性におけるスロープ効率を向上できるテーパ角が存在することが分かる。
【００９５】
ここで、従来のテーパストライプ構造は、基本横モード光のみを増幅あるいはレーザ発振させ、それ以外の高次横モード光は減衰させることを目的としていた。これは、例えば、半導体レーザを光ディスク用レーザの光源や溶接用の光源として用いる場合、出射光をレンズにより回折限界まで１点に集光し、可能な限り小さなスポット径を実現する必要があるからである。
【００９６】
窒化物系半導体レーザにおいて、基本横モード動作でワット級の半導体レーザを実現する場合、端面窓構造を実現することが困難なので、前端面側のストライプ幅を広げる必要がある。また、高次横モードをカットオフするためには、リッジストライプ幅を１μｍ程度以下に狭める必要がある。
【００９７】
これらのことから、テーパストライプ構造により基本横モード動作するワット級の超高出力半導体レーザを実現するためには、後端面側のストライプ幅を１μｍ程度とすると共に、光を取り出す側の前端面ではリッジストライプ幅を８μｍから１５μｍ程度に大きく広げなくてはならない。このようなリッジストライプ幅の共振器方向の変化を共振器長１０００μｍ程度の場合に行うと、ストライプ幅の共振器方向への変化率が大きくなり過ぎるので、大きなＳＨＢが発生するだけでなく、基本横モードの導波路損失が増大してしまう。
【００９８】
この結果、電流−光出力特性における外部微分量子効率が低下し、高温動作時の光出力の熱飽和レベルが低下してしまう。従って、基本横モード動作する素子において高温高出力動作可能な特性を得るためには、共振器長を２０００μｍ程度以上に長くする必要がある。この場合、ワット級の高出力動作が得られたとしても、共振器長が長いため動作電流値が大きくなって電力変換効率が低下してしまうのみならず、素子の製造コストが高くなってしまう。
【００９９】
しかしながら、本発明者らは、例えばプロジェクタ用の光源として要望されるワット級の半導体レーザでは、出射光をレンズの回折限界まで集光する必要がないので、基本横モードのみにて動作する必要はなく、高次横モード発振を生じていてもよいという点に着目した。その結果、本実施形態のような、ワット級の高出力動作と高い電力変換効率とを両立する半導体発光素子が実現できた。
【０１００】
図５に示すのは、図４に示したテーパストライプ構造素子における、動作電流値、動作電圧及び電力変換効率（ＷＰＥ）のテーパ角θ依存性の測定結果である。図５に示すように、テーパ角θを０．０５°以上で且つ０．１５°以下において、動作電圧はほぼ一定であるが、動作電流値が低減され、テーパ角０．１°で最大のＷＰＥが得られることが分かる。これは、テーパ角０．１°近傍において、ＳＨＢと、キャリアのオーバーフローの発生とが抑制され、活性層中で最も効率よく、電子と正孔が誘導放出により消費されるためと考えられる。
【０１０１】
これらのことより、テーパストライプ構造においては、基本横モードに加え、１次高次横モード、２次高次横モード、及び３次高次横モードを導波可能であることにより、電流光出力特性の線形性を高めることができ、結果として良好な温度特性を得ることができるより好ましくは、テーパ角を０．０５°以上、０．１５°以下、さらに好ましくは０．１°とすれば、ＳＨＢの発生を抑制し、より良好な温度特性を得ることができる。
【０１０２】
次に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子における活性層面内での動作中のキャリア濃度分布から、テーパ角θと共振器方向のＳＨＢとの関係について説明する。
【０１０３】
まず、図６（ａ）から（ｄ）に、共振器長を５５０μｍの一定としてテーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の前端面及び後端面側活性層における動作キャリア濃度分布の計算結果を示す。図６（ａ）及び（ｂ）は、平均リッジストライプ幅が６μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図６（ｃ）及び（ｄ）は、平均リッジストライプ幅が１２μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図６（ａ）及び（ｃ）は後端面側、図６（ｂ）及び（ｄ）は前端面側について示している。
【０１０４】
また、図７（ａ）から（ｄ）に、共振器長を５５０のμｍ一定としてテーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の共振器方向に対する、リッジ中央部直下活性層における動作キャリア濃度と、図６に示すキャリア濃度が最大値となる箇所（リッジ端部直下の活性層）における動作キャリア濃度分布の変化を示す。図７（ａ）及び（ｂ）は、平均リッジストライプ幅が６μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図７（ｃ）及び（ｄ）は、平均リッジストライプ幅が１２μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図７（ａ）及び（ｃ）がリッジ端部、図７（ｂ）及び（ｄ）がリッジ中央部について示している。
【０１０５】
次に、図８（ａ）から（ｄ）に、共振器長を１０００μｍの一定として、テーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の前端面及び後端面側活性層における動作キャリア濃度分布を示す。図８（ａ）及び（ｂ）は、平均リッジストライプ幅が６μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図８（ｃ）及び（ｄ）は、平均リッジストライプ幅が１２μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図８（ａ）及び（ｃ）は後端面側、図８（ｂ）及び（ｄ）は前端面側について示している。
【０１０６】
また、図９（ａ）から（ｄ）に、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子において、共振器長を１０００μｍの一定として、テーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の共振器方向に対する、リッジ中央部直下活性層における動作キャリア濃度と、図８に示すキャリア濃度が最大値となる箇所（リッジ端部近傍直下の活性層）における動作キャリア濃度分布の変化を示す。図９（ａ）及び（ｂ）は、平均リッジストライプ幅が６μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図９（ｃ）及び（ｄ）は、平均リッジストライプ幅が１２μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図９（ａ）及び（ｃ）がリッジ端部、図９（ｂ）及び（ｄ）がリッジ中央部について示している。
【０１０７】
以上の図６から図９に示すように、いずれのストライプ構造であっても、テーパ角０．１°の場合に、活性層面内における動作中のキャリア濃度分布の差が小さい。つまり、この場合にＳＨＢの発生が最も抑制されていることが分かる。このことから、発振波長４０５ｎｍ帯の半導体レーザにおいて、平均リッジストライプ幅を６μｍから１２μｍ、共振器長を５５０μｍから１０００μｍとするストライプ形状範囲において、テーパ角を０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とすることにより、ＳＨＢの発生が抑制されることが分かる。従って、平均リッジストライプ幅を６μｍから１２μｍ、共振器長を５５０μｍから１０００μｍのストライプ形状範囲において、テーパ角θを０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とすると、温度特性に優れた熱飽和レベルの高い高出力レーザを得ることが可能となると考えられる。
【０１０８】
以上のようなのテーパストライプ形状とすることにより、共振器方向のＳＨＢの発生が抑制され、動作キャリア濃度が均一になる。
【０１０９】
従来のストレートストライプ構造の場合には、活性層の動作キャリア濃度は後端面側の方が前端面側と比較して相対的に高い。このことから、１ワット以上の高出力動作中において、活性層中の動作キャリア濃度の高い領域からの格子欠陥の増殖が生じ、素子の長期動作信頼性の低下につながっていた。
【０１１０】
これに対し、本実施形態のテーパストライプ構造においては、１ワット以上の高出力動作時においても、動作電流値が低く素子の自己発熱が小さくなる。更に、新しい効果として、共振器方向の動作キャリア濃度が一定となるので、共振器長が５５０μｍから１０００μｍ以下の短い共振器長であっても、活性層での格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性が向上する。
【０１１１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、テーパ角θを０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とするとＳＨＢの発生を抑制可能であることを説明した。しかし、このテーパ角の範囲であっても、リッジ端部近傍直下活性層部の動作キャリア濃度は、リッジ中央部直下活性層部の動作キャリア濃度と比較して高く、水平方向のＳＨＢが完全に抑制されていないことが分かる。
【０１１２】
そこで、第２の実施形態では、水平方向のＳＨＢをより効果的に抑制し、更に温度特性を向上させる構造について説明を行う。
【０１１３】
図１０に示すのは、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子の断面図である。この構造において、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造（図２）と異なるのは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６上に形成されるｐ型ＧａＮコンタクト層３１７の幅（前端面部の幅をＷｃとする）である。本実施形態にかかる半導体発光素子では、前端面側のリッジストライプ幅Ｗｆに対し、Ｗｆ＞Ｗｃの関係を有していることを特徴としている。
【０１１４】
図１１に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体発光素子の共振器方向のリッジストライプ形状を示す。図１１に示すように、前端面側のリッジストライプ幅（Ｗｆ）は後端面側のリッジストライプ幅（Ｗｒ）よりも広く、テーパストライプ形状となっている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１７の幅は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６に形成されたリッジストライプ頂上部の幅よりも共振器方向のそれぞれの位置においてΔＷ（＝Ｗｆ−Ｗｃ）だけ狭い構造としている。また、前端面側の共振器端面には、光の取り出し効率を向上させるために６％の低反射率コーティングを施し、後端面側には９５％の高反射率コーティングを施している。この点については、本発明の第１の実施形態にかかる半導体発光素子と同様である。
【０１１５】
この構造において、平均リッジストライプ幅（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１６に形成されたリッジストライプ頂上部の幅の平均値）を６μｍ、９μｍ又は１２μｍとし、共振器長を１０００μｍ又は５５０μｍとした場合のストライプ形状において、１ワット動作時の活性層中の動作キャリア濃度のＳＨＢの大きさを、ΔＮｈｂの計算により求めた。
【０１１６】
ΔＮｈｂは、活性層動作キャリア濃度の最大値と、リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度の最小値との差である。ΔＮｈｂが小さい場合、活性層の動作キャリア濃度が均一に近く、ＳＨＢの発生が活性層面内で抑制されていると考えられる。
【０１１７】
図１２（ａ）から（ｃ）に示すのは、上記ストライプ形状における、ΔＮｈｂのΔＷ依存性の計算結果である。
【０１１８】
図１２（ａ）に示すように、ΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅６μｍではΔＷが０．５μｍから２μｍの範囲において低減され、ΔＷが１μｍ付近のときに最も小さくなり、更にΔＷを大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１１９】
また、図１２（ｂ）に示すようにΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅９μｍではΔＷが０．５μｍから３μｍの範囲において低減され、ΔＷが２μｍ付近のときに最も小さくなり、更にΔＷを大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１２０】
更に、図１２（ｃ）に示すようにΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅１２μｍではΔＷが１μｍから４μｍの範囲において低減され、ΔＷが３μｍ付近のときに最も小さくなり、更にΔＷを大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１２１】
つまり、平均リッジストライプ幅をＷａｖｅ（μｍ）とするとき、ΔＷ（μｍ）の大きさを（Ｗａｖｅ／３−１）μｍとすればΔＮｈｂを最小にできることが分かる。また、共振器長５５０μｍから１０００μｍ、平均リッジストライプ幅６μｍから１２μｍの範囲において、好ましくはΔＷを（（Ｗａｖｅ／３−１）±１）μｍ以内の範囲とし、更に好ましくはΔＷを（（Ｗａｖｅ／３−１）±０．５）μｍ以内の範囲とすればΔＮｈｂを低減できることが分かる。
【０１２２】
図１３（ａ）から（ｄ）に、共振器長を５５０μｍ又は１０００μｍ、平均リッジストライプ幅を６μｍ又は１２μｍ、テーパ角θを０．１°、ΔＷを２μｍとしたテーパストライプ形状について、前端面側及び後端面側の活性層における動作キャリア濃度分布の計算結果を示す。
【０１２３】
図１４（ａ）から（ｄ）に、共振器長を５５０μｍ又は１０００μｍ、平均リッジストライプ幅を６μｍ又は１２μｍ、テーパ角θを０．１°、ΔＷを２μｍとしたテーパストライプ形状について、リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度、及び、水平方向の動作キャリア濃度の最大値（リッジ端部近傍直下活性層の動作キャリア濃度）の共振器方向依存性の計算結果を示す。
【０１２４】
図１３、１４に示す結果から、ΔＷを２μｍとすることにより、ΔＷを０μｍとした構造（つまり、第１の実施形態における、共振器長、テーパ角、平均リッジストライプ幅が同条件の構造）よりもΔＮｈｂを小さくできることがわかる。
【０１２５】
具体的には、本実施形態では、ΔＮｈｂを２×１０１８ｃｍ−３以下の大きさに低減できている。
【０１２６】
図１５に、平均リッジストライプ幅８μｍ、共振器長８００μｍ、テーパ角θが０．１°のテーパストライプ構造において、ΔＷを０μｍ、１μｍ、２μｍ及び３μｍと変化させた場合の活性層動作キャリア濃度の共振器方向、及び、前後端面における水平方向の濃度分布計算結果を示す。
【０１２７】
図１５から、ΔＷが０μｍの場合において、リッジ中央部直下の活性層では、前端面から後端面にかけて動作キャリア濃度はほぼ一定であることが分かる。ただし、前端面側のリッジ端部近傍直下のキャリア濃度が高く、水平方向のＳＨＢの発生は完全に抑制されていないことも分かる。
【０１２８】
しかしながら、ΔＷを２μｍとすると、活性層動作キャリア濃度分布は共振器方向に対しても、水平方向に対してもほぼ均一となる。リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度の最低値に対してキャリア濃度の最大値は２×１０１８ｃｍ−３程度以下とΔＷが０μｍの場合の約２０％の大きさまで抑制されていることが分かる。このような構造とすることにより、活性層に注入された電子、正孔がクラッド層に漏れ出すキャリアオーバーフローをより効果的に抑制でき、温度特性をさらに向上させ、６０℃以上の高温動作時においても安定してワットクラスの超高出力動作を実現することができる。
【０１２９】
図１６（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第１の実施形態、及び、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の電流−光出力特性の２５℃、及び６０℃における測定結果を示す。
【０１３０】
第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、図２に示す断面構造を有する素子において、平均リッジストライプ幅は８μｍ、共振器長は８００μｍ、テーパ角θは０．１°としている。第２の実施形態にかかる半導体発光素子は、図１０に示す断面構造を有する素子において、平均リッジストライプ幅は８μｍ、共振器長は８００μｍ、テーパ角θは０．１°、ΔＷは２μｍとしている。
【０１３１】
また、図１６の各図には、比較のためにリッジストライプ幅８μｍでテーパ角が０°、ΔＷが０μｍの場合（通常の直線ストライプ構造）の特性を合わせて示している。
【０１３２】
図１６から、第１の実施形態のようなテーパストライプ構造とすることにより、高温動作時において、スロープ効率が１．０３倍に向上し、更に第２の実施形態のようにΔＷを２μｍとすることで、スロープ効率がさらに１．１倍に向上していることが分かる。
【０１３３】
また、電流−光出力特性は高温動作時においても線形性に優れ、発光効率の低下につながるキンクは生じていないことが分かる。これは、本発明の第１の実施形態、本発明の第２の実施形態ともに後端面側のリッジストライプ幅Ｗｒが６．６μｍであることから、導波可能な高次横モードは４次モード以上となり、各横モードが結合した場合でも共振器方向に対する光分布の変化の影響が小さく、発光効率の変化が小さいことによる。
【０１３４】
これらのことより、本発明の第１の実施形態、第２の実施形態では、従来の直線ストライプ構造と比較して、テーパストライプ構造を用いたとしても電流−光出力特性の線形性を損なわずに、発光効率や温度特性を向上させることができる。
【０１３５】
また、本実施形態のテーパストライプ形状とすることにより、共振器方向のみならず水平方向のＳＨＢの発生が抑制され、活性層面内の光分布が存在する領域の動作キャリア濃度が更に均一になる。
【０１３６】
従来のストレートストライプ構造の場合には、活性層の動作キャリア濃度は後端面側の方が前端面側と比較して相対的に高い。このことから、１ワット以上の高出力動作中において、活性層中の動作キャリア濃度の高い領域からの格子欠陥の増殖が生じ、素子の長期動作信頼性の低下につながっていた。
【０１３７】
これに対し、本実施形態のテーパストライプ構造においては、１ワット以上の高出力動作時においても、動作電流値が低く素子の自己発熱が小さくなる。更に、新しい効果として、共振器方向のみならず水平方向の動作キャリア濃度も一定となるので、共振器長が５５０μｍから１０００μｍ以下の短い共振器長であっても、活性層での格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性が向上する。
【０１３８】
（第３の実施形態）
上述した第１の実施形態及び第２の実施形態では、波長４０５ｎｍ帯のレーザ発振光を得る半導体発光素子について説明したが、本発明は特定の波長帯に限られるものではない。
【０１３９】
本実施形態では、上述した実施形態とは異なる波長帯のレーザ発振光を得る半導体発光素子についても、同様の効果を得られることを説明する。
【０１４０】
本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造を図１７に示す。
【０１４１】
図１７に示すのは、ＧａＮ基板４００上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚２．５μｍ）４１２、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層（８６０Å（８６ｎｍ））４１３、ＩｎＧａＮ系材料からなる多重量子井戸活性層４１４、ｐ型量子井戸電子障壁層４１５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６、ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ）４１７、光分布に対して透明な電流ブロック層４１８、ｐ型電極４２０、ｎ型電極４２１からなる半導体レーザ装置の断面図である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６にはリッジ型のストライプにより導波路が形成され、平均リッジストライプ幅（Ｗ）は１５．０μｍである。尚、ｎ型、ｐ型の上下は上述した順に限られず、ｎ型、ｐ型を入れ換えてもよい。
【０１４２】
この時、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６は、リッジ上部と活性層４１４までの距離を０．５μｍ、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐ（０．２μｍ）としている。
【０１４３】
ここで、本発明の第３の実施形態においては、活性層に垂直方向に光を閉じこめるために、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６のＡｌ組成を０．０７としている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４１２及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６のＡｌ組成を大きくすると、活性層とクラッド層との間の屈折率差を大きくすることができる。これにより、活性層に垂直方向に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。
【０１４４】
しかしながら、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくしすぎると格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。従って、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を０．２以下として素子を作製することが好ましい。
【０１４５】
また、本発明の第３の実施形態における多重量子井戸活性層４１４は、波長４４５ｎｍのレーザ発振を得るために、厚さ３０Å（３ｎｍ）、Ｉｎ組成０．１２であるＩｎＧａＮウェル層を２層備えたＤＱＷ（Double Quantum Well）構造としている。
【０１４６】
波長４４５ｎｍ帯のレーザ発振光を得るためには、量子井戸活性層におけるウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、Ｉｎの原子組成ｘｗは、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、ウェル層の各層の厚さが２０Å（２ｎｍ）以上、５０Å（５ｎｍ）以下であることが好ましい。
【０１４７】
この原子組成範囲において、ウェル層の厚さが５０Å（５ｎｍ）よりも厚くなると、ウェル層内部に蓄積される歪エネルギーが増大し、ウェル層の原子組成が不均一となり、発光効率の低下をもたらす。この理由を以下に説明する。
【０１４８】
ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮから構成される窒化物混晶半導体を考えると、ＩｎＮ−ＧａＮ間、ＩｎＮ−ＡｌＮ間、及び、ＧａＮ−ＡｌＮ間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及び２．３％である。この場合、ＩｎＮ、ＧａＮ及びＡｌＮ間において原子間距離が互いに異なっていることから、例えばＩｎＧａＡｌＮ層の格子定数がＧａＮと同じになるように原子組成を設定しても、ＩｎＧａＡｌＮ層を構成する原子間の、原子間隔や結合角の大きさが、２元化合物半導体の場合における理想状態の大きさと異なる。このことから、内部歪エネルギーがＩｎＧａＡｌＮ層内に蓄積する。この内部歪エネルギーを低減するために、ＩｎＧａＡｌＮ層内で原子組成が互いに異なる領域が共存する相分離が発生することになる。
【０１４９】
この場合、ＩｎＧａＡｌＮ層内にＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子は不均一に分布する。従って、相分離を含む層のバンドギャップエネルギー分布や屈折率分布も不均一になってしまう。相分離した部分の組成不均一領域は、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。よって、相分離が生じると、半導体レーザの動作電流が増大し、それによって半導体レーザの寿命を短縮させることになる。
【０１５０】
ＧａＮとＡｌＮは格子定数の差が小さく、ＩｎＮとＧａＮ、及び、ＩｎＮとＡｌＮは格子定数の差が大きい。このことから、ＩｎＧａＡｌＮ層において内部歪エネルギーはＩｎの原子組成ｘｗに最も大きく影響される。ここで、ＩｎＧａＡｌＮウェル層のＩｎ組成ｘｗが０．１５の場合、ウェル層の膜厚が５０Å（５ｎｍ）を超えると、ウェル層に蓄積される歪エネルギーが増大し、相分離や格子欠陥が発生してしまう。この結果、素子の発光効率が低下する。
【０１５１】
また、ＩｎＧａＡｌＮウェル層のＩｎ組成ｘｗが０．１以下の場合、ウェル層自身のバンドギャップエネルギーが波長４４５ｎｍに相当するエネルギーよりも大きくなってしまい、４４５ｎｍよりも短波長の波長でレーザ発振を生じてしまう。
【０１５２】
従って、波長４４５ｎｍのレーザ発振を得るためにはＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮウェ
ル層のＩｎの原子組成ｘｗは、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、ウェル層の膜厚は５０Å（５ｎｍ）以下であれば、相分離や格子欠陥の発生を抑制することができる。
【０１５３】
また、ウェル層の膜厚が薄くなりすぎると、ウェル層中の動作キャリア濃度が大きくな
ることから、漏れ電流が増大して温度特性の劣化につながる。このことから、ウェル層の膜厚は最低２０Å（２ｎｍ）以上であることが好ましい。
【０１５４】
薄い膜厚のウェル層を用いると、そのウェル層に蓄積される内部歪エネルギーは減少する。これにより相分離や格子欠陥の発生を抑制できるが、前述のように漏れ電流が増大してしまう。そこで、薄いウェル層を多層用いると、動作キャリア濃度が減少するので、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。
【０１５５】
しかしながら、多重量子井戸活性層のウェル層の合計膜厚が厚くなり過ぎると、量子井戸活性層全体に蓄積される歪エネルギーが増大し、格子欠陥の発生につながる。従って、格子欠陥と相分離の発生を抑制しつつ、漏れ電流の発生を抑制するためには、ウェル層の合計膜厚を４０Å（４ｎｍ）以上、１００Å（１０ｎｍ）以下とすることが好ましい。
【０１５６】
ＩｎＧａＡｌＮウェル層のＩｎ組成と膜厚を上記範囲で作製すると、高い電力変換効率
の４４５ｎｍ帯の半導体発光素子を得ることが可能となる。
【０１５７】
また、前記リッジ側面上に、ＳｉＮからなる誘電体の電流ブロック層（０．１μｍ）４１８が形成されている。この構造において、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１７から注入された電流は電流ブロック層４１８の開口部によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する活性層４１４に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は百ｍＡ程度の注入電流により実現される。
【０１５８】
この時生じた、活性層へ注入されたキャリアの再結合により発光した光は、活性層と垂直な方向へは、クラッド層４１２、４１６により垂直方向の光閉じ込めが行われる。また、活性層と平行な方向に対しては、電流ブロック層４１８がクラッド層よりも屈折率が低いので、水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層４１８はレーザ発振光に対して透明であるから光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。
【０１５９】
また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるので、高出力動作に適した１０−３のオーダのΔＮを容易に得ることができる。更に、その大きさを電流ブロック層４１８と活性層間の距離（ｄｐ）の大きさによって、同じく１０−３のオーダにて精密に制御することができる。このことから、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。本発明の第３の実施形態においては、ΔＮを１．５×１０−３の値として、水平方向の光の閉じ込めを行っている。
【０１６０】
次に、図１８に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子の共振器方向のリッジストライプ形状を示す。図１８に示すように、前端面側のリッジストライプ幅（Ｗｆ）は後端面側のリッジストライプ幅（Ｗｒ）よりも広い、すなわちＷｆ＞Ｗｒの関係を有する、テーパストライプ形状としている。また、前端面側の共振器端面では、光の取り出し効率を向上させるために反射率Ｒｆ＝６％の低反射率コーティング、後端面側には反射率Ｒｒ＝９５％の高反射率コーティングを施している。反射率の値はこれに限られず、Ｒｆ＜Ｒｒの関係を有していれば良い。
【０１６１】
ここで、リッジストライプ幅の共振器方向に対する傾き角をθとする。高温動作時においても、高い光出力を得るために、第１の実施形態において説明したことと同様に、導波路に基本モードだけでなく、少なくとも３次横モードまでの高次横モードを導波可能とするのが良い。更に、ＳＨＢの発生を抑制するためテーパ角を０．０５°以上、０．１５°以下、好ましくは０．１°とすれば良い。本実施形態にかかる半導体発光素子では、テーパ角θを０．１°として共振器方向のＳＨＢの発生を抑制している。
【０１６２】
また、Ｗｒを、３次横モード以上の高次横モードを導波可能な値に設定しているので、異なる次数の横モードが同時に発振する。よって、それぞれの光分布の電界が結合した場合でも、存在する横モードの次数の数が０次から３次の４モードあることから共振器方向の光分布の変形の影響が低減される。
【０１６３】
従って、電流−光出力特性においてキンクによる線形性の低下の影響は小さく、キンクによる熱飽和レベルの低下は小さくなる。この結果、本発明の第３の実施形態では、６０℃、１ワット以上の高温動作時においても熱飽和の影響は小さく、線形性に優れた電流−光出力特性が得られる。
【０１６４】
次に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子における活性層面内での動作中の
キャリア濃度分布から、テーパ角θと共振器方向のＳＨＢとの関係について説明する。
【０１６５】
図１９（ａ）から（ｄ）に、共振器長を８００μｍの一定として、テーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の前端面及び後端面側活性層における動作キャリア濃度分布の計算結果を示す。図１９（ａ）及び（ｂ）では、平均リッジストライプ幅が１０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図１９（ｃ）及び（ｄ）では、平均リッジストライプ幅が３０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図１９（ａ）及び（ｃ）は後端面側、図１９（ｂ）及び（ｄ）は前端面側について示している。  
【０１６６】
また、図２０（ａ）から（ｄ）に、共振器長を８００μｍの一定としてテーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の共振器方向に対する、リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度と、図１９に示すキャリア濃度が最大値となる箇所（リッジ端部直下の活性層）における動作キャリア濃度分布の変化を示す。図２０（ａ）及び（ｂ）では、平均リッジストライプ幅が１０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図２０（ｃ）及び（ｄ）では、平均リッジストライプ幅が３０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図２０（ａ）及び（ｃ）がリッジ端部、図２０（ｂ）及び（ｄ）がリッジ中央部について示している。
【０１６７】
次に、図２１（ａ）から（ｄ）には、共振器長を１３００μｍの一定として、テーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の前端面及び後端面側活性層での動作キャリア濃度分布を示す。図２１（ａ）及び（ｂ）では、平均リッジストライプ幅が１０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図２１（ｃ）及び（ｄ）では、平均リッジストライプ幅が３０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、図２１（ａ）及び（ｃ）は後端面側、図２１（ｂ）及び（ｄ）は前端面側について示している。
【０１６８】
また、図２２（ａ）から（ｄ）には、共振器長を１３００μｍの一定として、テーパ形状を変化させた場合（テーパ角θが０°から０．３°まで変化）について、１ワット動作時の共振器方向に対する、リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度と、図２１に示すキャリア濃度が最大値となる箇所（リッジ端部近傍直下の活性層）における動作キャリア濃度分布との変化を示す。図２２（ａ）及び（ｂ）は、平均リッジストライプ幅が１０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示し、図２２（ｃ）及び（ｄ）は、平均リッジストライプ幅が３０μｍとなるようなテーパ形状の計算結果を示している。また、また、図２２（ａ）及び（ｃ）がリッジ端部、図２２（ｂ）及び（ｄ）がリッジ中央部について示している。
【０１６９】
以上の図１９から図２２に示すように、いずれのストライプ構造であっても、テーパ角０．１°の場合に、活性層面内における動作中のキャリア濃度分布の差が小さい。つまり、この場合にＳＨＢの発生が最も抑制されていることが分かる。このことから、発振波長４４５ｎｍ帯の半導体レーザにおいては、平均リッジストライプ幅１０μｍから３０μｍ、共振器長８００μｍから１３００μｍのストライプ形状範囲においてテーパ角を０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とすることにより、ＳＨＢの発生が抑制されることが分かる。従って、平均リッジストライプ幅を１０μｍから３０μｍ、共振器長を８００μｍから１３００μｍのストライプ形状範囲において、テーパ角θを０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とすると、温度特性に優れた熱飽和レベルの高い高出力レーザを得ることが可能となると考えられる。
【０１７０】
また、リッジストライプ幅を広くすると水平方向のＳＨＢが大きくなる傾向がある。しこで、水平方向のＳＨＢをより抑制するために、上記構造において、平均リッジストライプ幅を、１０μｍから２０μｍとするのがより好ましい。
【０１７１】
以上のようなテーパストライプ形状とすることにより、共振器方向のＳＨＢの発生が抑制され、動作キャリア濃度が均一になる。
【０１７２】
従来のストレートストライプ構造の場合には、活性層の動作キャリア濃度は後端面側の方が前端面側と比較して相対的に高い。このことから、１ワット以上の高出力動作中において、活性層中の動作キャリア濃度の高い領域からの格子欠陥の増殖が生じ、素子の長期動作信頼性の低下につながっていた。
【０１７３】
しかしながら、本実施形態のテーパストライプ構造においては、１ワット以上の高出力動作時においても、動作電流値が低く素子の自己発熱が小さくなる。更に、新しい効果として、共振器方向の動作キャリア濃度は一定となるので、共振器長が８００μｍから１３００μｍ以下の短い共振器長であっても、活性層での格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性が向上する。
【０１７４】
（第４の実施形態）
上述した第３の実施形態では、テーパ角θを０．０５°から０．１５°、好ましくは０．１°とするとＳＨＢの発生を抑制可能であることを説明した。しかし、このテーパ角の範囲であっても、リッジ端部近傍直下活性層部の動作キャリア濃度は、リッジ中央部直下活性層部の動作キャリア濃度と比較して高く、水平方向のＳＨＢが完全に抑制されていないことが分かる。
【０１７５】
そこで、第４の実施形態では、ＳＨＢをより効果的に抑制し、更に温度特性を向上させる構造について説明を行う。
【０１７６】
図２３に示すのは、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子の断面図である。この構造において、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造（図１７）と異なるのは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６上に形成されるｐ型ＧａＮコンタクト層４１７の幅（前端面部の幅をＷｃとする）である。本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６に形成されたリッジ頂上部の前端面側の幅をＷｆとすると、Ｗｆ＞Ｗｃの関係を有していることを特徴としている。
【０１７７】
図２４に、本発明の第４の実施形態にかかる半導体発光素子の共振器方向のリッジストライプ形状を示す。図２４に示す様に、前端面側のリッジストライプ幅（Ｗｆ）は後端面側のリッジストライプ幅（Ｗｒ）よりも広く、テーパストライプ形状となっている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１７の幅は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６に形成されたリッジ頂上部の幅よりも共振器方向のそれぞれの位置においてΔＷ（＝Ｗｆ−Ｗｃ）だけ狭い構造としている。また、前端面側の共振器端面では、光の取り出し効率を向上させるために６％の低反射率コーティング、後端面側には９５％の高反射率コーティングを施している。この点については、本発明の第３の実施形態にかかる半導体発光素子と同様である。
【０１７８】
この構造において、平均リッジストライプ幅（ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１６に形成されたリッジ頂上部の幅の平均値）を１０μｍ、２０μｍ又は３０μｍとし、共振器長を１３００μｍ又は８００μｍとした場合のストライプ形状において、１ワット動作時の活性層中の動作キャリア濃度のＳＨＢの大きさを、ΔＮｈｂの計算により求めた。
【０１７９】
ΔＮｈｂは、活性層動作キャリア濃度の最大値とリッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度の最小値との差である。ΔＮｈｂが小さいと、活性層の動作キャリア濃度が均一に近く、ＳＨＢの発生が活性層面内で抑制されていると考えられる。
【０１８０】
図２５（ａ）から（ｃ）に示すのは、上記ストライプ形状における、ΔＮｈｂのΔＷ依存性の計算結果である。
【０１８１】
図２５（ａ）に示すようにΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅１０μｍではΔＷが１．０μｍから４μｍの範囲において低減され、ΔＷが３μｍ付近で最も小さくなり、ΔＷを更に大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１８２】
また、図２５（ｂ）に示すようにΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅２０μｍではΔＷが２．０μｍから８μｍの範囲において低減され、ΔＷが５μｍ付近のときに最も小さくなり、更にΔＷを大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１８３】
更に、図２５（ｃ）に示すようにΔＮｈｂは平均リッジストライプ幅３０μｍではΔＷが３μｍから１０μｍの範囲において低減され、ΔＷが８μｍ付近のときに最も小さくなり、更にΔＷを大きくするとΔＮｈｂは徐々に増大することが分かる。
【０１８４】
また、平均リッジストライプ幅１０μｍから３０μｍにおいては、ΔＷが１μｍ以上あればΔＷが０μｍの場合に対してＳＨＢの大きさが抑制されていることが分かる。また、ΔＷが２μｍ以上あれば、ΔＷが０μｍの場合に対してさらにＳＨＢの大きさが抑制されていることが分かる。
【０１８５】
また、平均リッジストライプ幅をＷａｖｅ（μｍ）とするとき、ΔＷ（μｍ）の大きさを（Ｗａｖｅ／４＋０．３３）μｍとすればΔＮｈｂを最小にできることが分かる。また、共振器長８００μｍから１３００μｍ、平均リッジストライプ幅１０μｍから３０μｍの範囲において、好ましくはΔＷを（（Ｗａｖｅ／４＋０．３３）±２）μｍ以内の範囲とし、更に好ましくはΔＷを（（Ｗａｖｅ／４＋０．３３）±１）μｍ以内の範囲とすればΔＮｈｂを低減できることが分かる。
【０１８６】
ΔＷをあまりに大きくすると、素子の直列抵抗が増大するので動作電圧の増大、ひいては動作中の素子の自己発熱の増大につながる。素子の自己発熱が増大すると熱飽和レベルが低下し、６０℃以上において１ワット以上の高温高出力動作時における熱飽和レベルの低下につながる。これらのことから、好ましくは、ΔＷを１μｍ以上、（（Ｗａｖｅ／４＋０．３３）＋２）μｍ以内とし、更に好ましくは、ΔＷを２μｍ以上、（（Ｗａｖｅ／４＋０．３３）＋１）μｍ以内とすると、動作電圧の大きな増大を招くことなく、温度特性の改善を図ることができる。  
【０１８７】
図２６（ａ）から（ｄ）に、共振器長を８００μｍ又は１３００μｍ、平均リッジストライプ幅を１０μｍ又は３０μｍ、テーパ角θを０．１°、ΔＷを２μｍとしたテーパストライプ形状について、前端面側及び後端面側の活性層における動作キャリア濃度分布の計算結果を示す。
【０１８８】
図２７（ａ）から（ｄ）に、共振器長を８００μｍ又は１３００μｍ、平均リッジストライプ幅を１０μｍ又は３０μｍ、テーパ角θを０．１°、ΔＷを２μｍとしたテーパストライプ形状について、リッジ中央部直下活性層の動作キャリア濃度、及び、水平方向の動作キャリア濃度の最大値（リッジ端部近傍直下活性層の動作キャリア濃度）の共振器方向依存性の計算結果を示す。
【０１８９】
図２６、２７に示す結果から、ΔＷを２μｍとすることにより、ΔＷを０μｍとした構造（つまり、第３の実施形態における、共振器長、テーパ角、平均リッジストライプ幅が同条件の構造）に比べ、ΔＮｈｂを６０％程度以下の値に低減できることが分かる。これは、ＳＨＢが比較的生じやすい、平均リッジストライプ幅が３０μｍと広いの場合においても実現される。また、平均リッジストライプ幅の狭い平均リッジストライプ幅１０μｍの場合では、ΔＮｈｂの大きさはΔＷを０μｍとした構造よりも半減以下の値に低減できることが分かる。
【０１９０】
また、ストライプ幅を広くすると水平方向のＳＨＢが大きくなる傾向がある。このことから、水平方向のＳＨＢをより抑制するために、上記構造において、平均リッジストライプ幅を、１０μｍから２０μｍとするのがより好ましい。
【０１９１】
図２８（ａ）及び（ｂ）に、本発明の第３の実施形態、及び、第４の実施形態にかかる半導体レーザの電流−光出力特性の２５℃及び６０℃における測定結果を示す。
【０１９２】
第３の実施形態にかかる半導体発光素子は、図１７に示す断面構造を有する素子において、平均リッジストライプ幅は１５μｍ、共振器長は１２００μｍ、テーパ角θは０．１°としている。第４の実施形態にかかる半導体発光素子は図２３に示す断面構造を有する素子において、平均リッジストライプ幅は８μｍ、共振器長は８００μｍ、テーパ角θは０．１°、ΔＷは２μｍとしている。
【０１９３】
また、図２８の各図には、比較のためにリッジストライプ幅１５μｍでテーパ角が０°、ΔＷが０μｍの場合（通常の直線ストライプ構造）の特性を合わせて示している。
【０１９４】
図２８から、第３の実施形態のようなテーパストライプ構造とすることにより、図１６に示した特性と同様にスロープ効率が１．０３倍に向上し、更に第４の実施形態のようにΔＷを２μｍとすることで、高温動作時のスロープ効率がさらに１．１倍に向上していることが分かる。
【０１９５】
また、電流−光出力特性は高温動作時においても線形性に優れ、発光効率の低下につながるキンクは生じていないことが分かる。これは、本発明の第３の実施形態、本発明の第４の実施形態ともに後端面側のリッジ幅Ｗｒが１２．９μｍであることから、導波可能な高次横モードは４次モード以上となり、各横モードが結合した場合でも共振器方向に対する光分布の変化の影響が小さく、発光効率の変化が小さいことによる。
【０１９６】
これらのことより、本発明の第３の実施形態、第４の実施形態では、従来のストレートストライプ構造と比較して、テーパストライプ構造を用いて、電流−光出力特性の線形性を損なわずに、発光効率や温度特性を向上させることができる。
【０１９７】
また、本実施形態のテーパストライプ形状とすることにより、共振器方向のみならず水平方向のＳＨＢの発生が抑制され、活性層面内の光分布が存在する領域の動作キャリア濃度がさらに均一になる。
【０１９８】
従来のストレートストライプ構造の場合には、活性層の動作キャリア濃度は後端面側の方が前端面側と比較して相対的に高い。このことから、１ワット以上の高出力動作中において、活性層中の動作キャリア濃度の高い領域からの格子欠陥の増殖が生じ、素子の長期動作信頼性の低下につながっていた。
【０１９９】
これに対し、本実施形態のテーパストライプ構造においては、１ワット以上の高出力動作時においても、動作電流値が低く素子の自己発熱が小さくなる。更に、新しい効果として、共振器方向のみならず水平方向の動作キャリア濃度も一定となるので、共振器長が８００μｍから１３００μｍ以下の短い共振器長であっても、活性層での格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性が向上する。
【０２００】
（第５の実施形態）
本発明の第２の実施形態及び第４の実施形態においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層（３１７、４１７）の幅が、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（３１６、４１６）に形成されたリッジ頂上部の幅よりも狭い構造を示した。これは、リッジ頂上部へ電流が注入される電流注入領域の幅をリッジ頂上部の幅よりも狭くするための一実施形態である。従って、他の構造によっても、電流注入領域の幅をリッジ頂上部の幅よりも狭くすることができる。
【０２０１】
図２９（ａ）に示す第５の実施形態では、少なくとも前端面において、電流ブロック層（３１８、４１８）の開口部の幅をリッジ頂上部の幅よりも狭くしている。その結果、ｐ型電極（３２０、４２０）からリッジ頂上部へ電流が注入される電流注入領域の幅が、リッジ頂上部の幅よりも狭い構造となり、同様の効果が得られる。
【０２０２】
（第６の実施形態）
図２９（ｂ）に示す第６の実施形態では、ｐ型ＧａＮコンタクト層（３１７、４１７）の幅が、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（３１６、４１６）に形成されたリッジ頂上部の幅よりも狭いことに加えて、少なくとも前端面においてリッジストライプの水平方向の両端部にイオン注入を行い高抵抗化している。
【０２０３】
本実施形態においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層（３１７、４１７）の外側にイオン注入を行い高抵抗化している。この領域３５０、４５０を高抵抗化すると、電流のリッジ内部での水平方向への拡がりが抑えられ、小さいΔＷによってＳＨＢの発生を抑えることができる。この場合、電流注入領域の幅が狭くなることによる素子の直列抵抗の増大が抑えられ、動作電圧の増大が低減される。この結果、高温動作時においても、更に高い熱飽和レベルを実現できる。
【０２０４】
（第７の実施形態）
図２９（ｃ）に示す第７の実施形態では、少なくとも前端面におけるｐ型ＧａＮコンタクト層（３１７、４１７）の外側のリッジ部をエッチングにより除去することにより、リッジストライプの形状を凸型としている。つまり、相対的に幅の広い下部の上に、下部よりも幅の狭い上部が積層され、下部と上部との境目には段差が生じた形状である（下部、上部のいずれも、側面が傾斜していても良い）。このような構造によると、電流のリッジ内部での水平方向への拡がりが抑えられ、小さいΔＷによってＳＨＢの発生を抑えることができる。この場合、電流注入領域の幅が狭くなることによる素子の直列抵抗の増大が抑えられ、動作電圧の増大が低減される。この結果、高温動作時においても、更に高い熱飽和レベルを実現できる。
【０２０５】
（第８の実施形態）
図２９（ｄ）に示す第８の実施形態では、ｐ型ＧａＮコンタクト層（３１７、４１７）の幅をリッジ頂上部の幅よりも狭くし、さらに外側のリッジ部をエッチングにより除去している。このような構造では、電流のリッジ内部での水平方向への拡がりがより確実に抑えられ、ＳＨＢの発生を抑えることができる。この結果、高温動作時においても、更に高い熱飽和レベルを実現できる。
【０２０６】
（第９の実施形態）
前述した第２の実施形態及び第４の実施形態に示すように（つまり、図１１及び図２４に示すように）ΔＷの大きさが共振器方向に対して一定であることは、必須では無い。少なくとも前端面においてＷｆ＞Ｗｃであれば、ΔＷの大きさが共振器方向に対して変化していてもよく、また部分的にΔＷ＝０であってもよい。
【０２０７】
このことは、ｐ型ＧａＮコンタクト層の幅により電流注入領域の幅を制限した場合のみに限らず、第５の実施形態から第８の実施形態に示したような構造においても成り立つ。つまり、少なくとも前端面部において電流注入領域の幅がＷｆよりも狭ければよいのであって、電流注入領域の幅とＷｆとの差ΔＷの大きさが共振器方向に対して変化していてもよいし、また部分的にΔＷ＝０であってもよい。
【０２０８】
以下、第９の実施形態および第１０の実施形態に具体例を示す。図３０（ａ）に示す第９の実施形態では、電流注入領域の幅がリッジ頂上部の幅よりも狭くなっているのは共振器中央部付近からであり、後端面から共振器中央部付近までは電流注入領域の幅とリッジ頂上部の幅とは同一である。また、ΔＷは前端面に近づくにつれて大きくなっている。前端面、後端面にそれぞれ低反射率コーティング、高反射率コーティングを施したテーパストライプ構造においては、後端面よりもストライプ幅の広い前端面側でＳＨＢが発生しやすい。そこで、本実施形態のように光密度の高い前端面側のΔＷを大きくし、テーパストライプ構造における前端面側のＳＨＢの発生を抑制すれば良い。
【０２０９】
（第１０の実施形態）
図３０（ｂ）に示す第１０の実施形態では、電流注入領域の幅がリッジ頂上部の幅よりも狭くなっているのは後端面からであり、ΔＷは前端面に近づくにつれて大きくなっている。このようにすれば、リッジストライプ幅が相対的に前端面よりも狭い後端面側のストライプ領域において、電流注入領域の幅が更に狭くなることに起因する素子直列抵抗の増大を抑制することができる。従って、素子の動作電圧の増大が抑制でき素子の自己発熱が抑制される結果、６０℃以上の高温動作時においてもさらに高い熱飽和レベルを得ることが可能となる。
【０２１０】
（第１１の実施形態）
また、これまでの実施形態においては、導波路のリッジストライプの中央線は共振器端面の法線方向と平行となる実施形態についてのみ示してきたが、傾きを持っていてもよい。
【０２１１】
具体的には、図３１に示す第１１の実施形態のように中央線と前端面の法線とのなす角をβとすると、βが７°以上の角度であってもよい。この場合、導波路を伝播する光は端面で反射した後、導波路に再び結合し導波する光の割合が１０−４以下の非常に小さい値に抑えられる。この結果、レーザ発振が生じることなく、導波光が増幅されるスーパールミネッセントダイオードを実現することができる。スーパールミネッセントダイオードでは、レーザ発振を生じていない状態にて誘導放出光を得ることができる。この場合、高出力状態の誘導放出光であっても、出射光の位相がそろうことは無い。この特徴により、プロジェクタ光源や照明光源に使用した場合、スペックル雑音の小さい放射光を得ることができる。
【０２１２】
従って、これまで図３、図１１、図１８、図２４、及び図３０において説明してきた導波路構造において、リッジストライプの中央線と前端面とのなす角βを７°以上とすることにより、６０℃以上の高温動作状態においても１ワット以上動作可能なスーパールミネッセントダイオードを実現することができる。
【０２１３】
上述した実施形態において、テーパ領域は、前端面、後端面の間にあればよく、両端面近傍にストライプ幅の変化しない領域が存在してもよい。具体的には、前端面、後端面近傍に１００μｍのストライプ幅の変化しない領域を設ければ、素子をへき開分離する場合、へき開位置ずれによる素子の特性変動を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１４】
本発明の半導体発光素子によれば、高温においても超高出力動作可能な温度特性に優れ
たワット級の光源を実現でき、例えばプロジェクタ光源等に応用できる。
【符号の説明】
【０２１５】
３００  ｎ型ＧａＮ基板
３１２  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３１３  ｎ型ＡｌＧａＮガイド層
３１４  量子井戸活性層
３１５  ｐ型量子井戸電子障壁層
３１６  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３１７  ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１８  電流ブロック層
３２０  ｐ型電極
３２１  ｎ型電極
４００  ｎ型ＧａＮ基板
４１２  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４１３  ｎ型ＡｌＧａＮガイド層
４１４  量子井戸活性層
４１５  ｐ型量子井戸電子障壁層
４１６  ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４１７  ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１８  電流ブロック層
４２０  ｐ型電極
４２１  ｎ型電極
【図１】
2013171950.tif 000003
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年6月26日(2013.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、量子井戸活性層と、第２導電型の第２クラッド層とがこの順に積層され、
前記第２クラッド層に、リッジ型のストライプにより導波路が形成され、
レーザ光が出射される側である前端面における前記リッジストライプの幅をＷｆ、前記前端面とは反対側である後端面における前記リッジストライプの幅をＷｒ、前記前端面の反射率をＲｆ、前記後端面の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒ及びＷｆ＞Ｗｒの関係を有しており、
前記前端面における電流注入領域の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さく、
前記導波路には、基本横モード、１次高次横モード、２次高次横モード及び３次高次横モードが導波されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
請求項１において、
前記第２クラッド層の上に、コンタクト層を更に備え、
前記前端面における前記コンタクト層の幅Ｗｃは、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいこと特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１において、
前記第２クラッド層の上に、開口部を有する電流ブロック層を更に備え、
前記前端面における前記電流ブロック層の開口部の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１、３又は４において、
前記前端面における前記リッジストライプの形状が凸型であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１及び３〜５のいずれか１つにおいて、
前記前端面における前記リッジストライプの水平方向の両端部が、イオン注入により高抵抗化されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１及び３〜６のいずれか１つにおいて、
前記導波路における前記リッジストライプの幅が共振器方向に変化する領域の長さをＬとし、当該変化の始端と終端とにおける前記リッジストライプの幅の差の絶対値をΔＷ１とし、角度θがｔａｎ（θ）＝ΔＷ１／（２Ｌ）を満たす角度であるとするとき、
θは、０．０５°以上で且つ０．１５°以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１及び３〜７のいずれか１つにおいて、
共振器長が８００μｍ以上で且つ１３００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が１０μｍ以上で且つ３０μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が４ｎｍ以上で且つ１０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項８において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さは、２ｎｍ以上で且つ５ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１及び３〜７のいずれか１つにおいて、
共振器長が５５０μｍ以上で且つ１０００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が６μｍ以上で且つ１２μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が９ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さが３ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月28日(2014.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層と、量子井戸活性層と、第２導電型の第２クラッド層とがこの順に積層され、
前記第２クラッド層に、リッジ型のストライプにより導波路が形成され、
レーザ光が出射される側である前端面における前記リッジストライプの幅をＷｆ、前記前端面とは反対側である後端面における前記リッジストライプの幅をＷｒ、前記前端面の反射率をＲｆ、前記後端面の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒ及びＷｆ＞Ｗｒの関係を有しており、
前記導波路には、基本横モード、１次高次横モード、２次高次横モード及び３次高次横モードが導波され、
前記導波路における前記リッジストライプの幅が共振器方向に変化する領域の長さをＬとし、当該変化の始端と終端とにおける前記リッジストライプの幅の差の絶対値を△Ｗ１とし、角度θがｔａｎ（θ）＝△Ｗ１／（２Ｌ）を満たす角度であるとするとき、
θは、０．０５°以上で且つ０．１５°以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記前端面における電流注入領域の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２クラッド層の上に、コンタクト層を更に備え、
前記前端面における前記コンタクト層の幅Ｗｃは、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいこと特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２クラッド層の上に、開口部を有する電流ブロック層を更に備え、
前記前端面における前記電流ブロック層の開口部の幅は、前記前端面における前記リッジストライプの幅Ｗｆよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
前記前端面における前記リッジストライプの形状が凸型であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つにおいて、
前記前端面における前記リッジストライプの水平方向の両端部が、イオン注入により高抵抗化されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
共振器長が８００μｍ以上で且つ１３００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が１０μｍ以上で且つ３０μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が４ｎｍ以上で且つ１０ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０．１≦ｘｗ≦０．１５の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さは、２ｎｍ以上で且つ５ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１つにおいて、
共振器長が５５０μｍ以上で且つ１０００μｍ以下の範囲にあり、
前記前端面における前記リッジストライプの幅が６μｍ以上で且つ１２μｍ以下の範囲にあり、
前記量子井戸活性層のウェル層の合計厚が９ｎｍ以上で且つ２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９において、
前記量子井戸活性層における前記ウェル層の原子組成をＩｎｘｗＧａｙｗＡｌ１−ｘｗ−ｙｗＮとするとき、０≦ｘｗ≦０．１の関係を満たし、
前記ウェル層の各層の厚さが３ｎｍ以上で且つ８ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする半導体発光素子。
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月24日(2014.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、ワット級高出力レーザは動作電流値が大きく、動作時の素子の自己発熱も非常に大きくなる。素子の発熱を抑制するためには素子の消費電力を低減することが重要である。消費電力を低減することは、電力変換効率を向上することと同等であり、動作電流値のみならず動作電圧の低減も行わなければならない。
［補正の理由等］
明細書段落００２１において、「消費電力」及び「電力変換効率」の後の括弧書きはいずれも誤って残っていたものであるため、削除しました。また、電力変換効率についての「低減する」の誤記を「向上する」に訂正しました。これに関し、例えば段落００２６の「以上のことから、本発明は、温度特性と長期信頼性に優れた電力変換効率の高いワット級半導体発光素子を実現することを目的とする。（下線追加）」等、高い電力変換効率を得ることを目指していることが明細書の随所に記載されています。
【国際調査報告】
2013171950.tif 000035
2013171950.tif 000036