(57)【要約】【課題】製品寿命の低下を抑制しつつ、１チップで所望の波長の光を出力できる発光装置を提供する。【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１の波長の光を発生し、その第１の波長の光が共振する１次側導波路を有する共振装置２と、１次側導波路から第１の波長の光の光パワー移行が生じる距離ｄで半導体基板１０上に配置され、希土類元素がドープされた２次側導波路を有する出力装置３とを備える。【選択図】図１
2009170450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１の波長の光を発生し、該第１の波長の光が共振する１次側導波路を有する共振装置と、
前記１次側導波路から前記第１の波長の光の光パワー移行が生じる距離で前記半導体基板上に配置され、希土類元素がドープされた２次側導波路を有する出力装置と
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記１次側導波路がリング形状であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。  
【請求項３】
前記１次側導波路が、互いに対向した１対の共振器端面が両端に形成されたストライプ状であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記２次側導波路が、互いに対向した１対の共振器端面が両端に形成されたストライプ状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記２次側導波路が、前記２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング構造の回折格子領域を有することを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記回折格子領域が、屈折率が互いに異なる複数の領域を前記２次側導波路に沿って隣接させたグレーティングユニットを複数備え、前記２次側導波路を伝搬する光の伝播係数がβのとき、前記グレーティングユニットの配置ピッチが２π／βであることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
前記２次側導波路が、前記２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化する周回グレーティング構造の回折格子領域を有するリング形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項８】
前記回折格子領域が、屈折率が互いに異なる複数の領域を前記２次側導波路に沿って隣接させたグレーティングユニットを複数備え、前記２次側導波路を伝搬する光の伝播係数がβのとき、前記グレーティングユニットの配置ピッチが２π／βであることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記１次側導波路と前記２次側導波路との間隔が前記第１の波長以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記１次側導波路と前記２次側導波路とのモード結合係数がκのとき、前記間隔が前記第１の波長以下の範囲にある前記１次側導波路の長さがπ／（２κ）以上であることを特徴とする請求項９に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体を有する発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ等に、半導体基板上に複数の窒化物系化合物半導体層を積層して形成された発光素子が使用されている。具体的には、青色、赤色、緑色等の各波長の光を発生する発光素子が、光ディスク用ピックアップ光源、レーザービームプリンタ用光源、通信用光源、アレイ光源、マウス光源等として利用されている。例えば、窒化物系化合物半導体層を積層した発光素子で緑色の光を出力するために、２倍波を利用する方法等が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−１２２８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、各種波長の光を出力するために２倍波を利用するには、複数のチップを使用する必要がある等、発光装置の構成が複雑になり、規模が大きくなるという問題がある。また、２倍波を利用する等して緑色光を良好なレーザ特性で発光させるためには、電流注入量を大きくする必要がある。しかし、電流注入量を増大させると、発光素子の発熱量が増大する。また、２倍波を利用した発光装置以外でも、良好なレーザ特性を得るために電流注入量を増大させることによって、発光素子の寿命が低下するという問題があった。
【０００４】
上記問題点を鑑み、本発明は、製品寿命の低下を抑制しつつ、１チップで所望の波長の光を出力できる発光装置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】
【０００５】
本発明の一態様によれば、（イ）半導体基板と、（ロ）半導体基板上に配置され、第１の波長の光を発生し、その第１の波長の光が共振する１次側導波路を有する共振装置と、（ハ）１次側導波路から第１の波長の光の光パワー移行が生じる距離で半導体基板上に配置され、希土類元素がドープされた２次側導波路を有する出力装置とを備える発光装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、製品寿命の低下を抑制しつつ、１チップで所望の波長の光を出力できる発光装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００８】
又、以下に示す第１乃至第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【０００９】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る発光装置は、図１に示すように、半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、第１の波長λ1の光を発生し、その第１の波長λ1の光が共振する１次側導波路を有する共振装置２と、１次側導波路から第１の波長λ1の光の光パワー移行が生じる距離ｄで半導体基板１０上に配置され、希土類元素がドープされた２次側導波路を有する出力装置３とを備える。図１に示した第１の実施の形態に係る発光装置では、共振装置２のリッジ部２８０が１次側導波路であり、出力装置３のリッジ部３８０が２次側導波路である。
【００１０】
「光パワー移行」は、共振装置２の１次側導波路で共振する光がモード結合によって出力装置３の２次側導波路に移行する現象であり、移行した光によって２次側導波路で光が励起される。つまり、共振装置２からの第１の波長λ1の光（以下において、「１次光」という。）の光パワー移行によって、出力装置３の２次側導波路にドープされた希土類元素が１次光で励起され、２次側導波路で第２の波長λ2の光（以下において、「２次光」という。）が生じる。第２の波長λ2は、２次側導波路にドープされた希土類元素の種類に依存する。
【００１１】
図１に示したように、第１の実施の形態に係る発光装置の、共振装置２及び出力装置３が配置された半導体基板１０の基板主面の面法線方向からみた共振装置２の形状は楕円形のリング形状であり、出力装置３の形状はストライプ状である。より具体的には、共振装置２は、出力装置３に隣接する領域Ａで長さＬにわたって直線部分を有する楕円形状である。
【００１２】
詳細な構造は後述するが、共振装置２は、曲がり導波路の両端をつないでリング形状にした１次側導波路を有し、１次光が１次側導波路を周回方向に伝播するリング共振器として機能する。ここで、共振装置２がリング共振器として動作する場合に、１次側導波路において発振するモードの伝播係数をβ1とする。なお、「モード」は光の状態を意味する。真空中の光の波長をλ、リング共振器の有効屈折率をｎとして、伝播係数β1は概ね２πｎ／λ程度の値になる。（π：円周率）。
【００１３】
また、出力装置３は、出力面３０１と反射面３０２を両端面とするストライプ状の２次側導波路を有し、光軸に垂直な２次側導波路の両端面に反射鏡を形成したファブリペロー共振器として機能する。つまり、２次側導波路の両端に、互いに対向する１対の共振器端面が形成される。そのため、２次側導波路において励起された２次光は、２次側導波路の一方の端面である出力面３０１と他方の端面である反射面３０２間を往復しながら増幅され、増幅された光の一部が出力面３０１から出力される。
【００１４】
共振装置２の１次側導波路と出力装置３の２次側導波路との距離ｄは、第１の波長λ1程度であることが好ましい。これは、１次側導波路から２次側導波路への光パワー移行によって、出力装置３において効率的に第２の波長λ2の２次光を発光させるためである。距離ｄが大きすぎる場合には、１次側導波路から２次側導波路への光パワー移行が生じない。
【００１５】
出力装置３から第１の波長λ1程度である距離ｄの範囲に含まれる共振装置２の１次側導波路の長さＬが、以下の式（１）を満足する結合長Ｌｃ以上である場合に、１次側導波路から２次側導波路への光パワー移行が生じる：
Ｌｃ＝（２ｑ−１）×π／（２κ）  ・・・（１）
式（１）で、ｑは整数、κは１次側導波路と２次側導波路のモード結合係数である。なお、モード結合係数κは、一般的に以下の式（２）〜式（５）で定義される：
κ＝ｕωｓｉｎ（２ｕ）（２Δ）1/2×ｅｘｐ（−γ2ｓ）／｛ν（１＋ω）ｄ｝  ・・・（２）
ν＝πｄｎ1（２Δ）1/2／λ0  ・・・（３）
ｕ＝｛（ｎ1κ0）2−β2｝1/2×ｄ／２  ・・・（４）
ω＝｛（β2−ｎ2κ0）2｝1/2×ｄ／２  ・・・（５）
式（２）〜式（５）において、ｓは移行する光の波長程度の値、λ0は真空中の波長、Δはコアとクラッドの比屈折率差、ｎはコアの屈折率である。添え字の１、２はそれぞれ１次側導波路、２次側導波路の値であることを示す。式（３）で表されるνは規格化周波数、式（４）で表されるｕはコアでの横方向規格化伝播定数、式（５）で表されるωはクラッドでの横方向規格化伝播定数である。
【００１６】
１次側導波路から２次側導波路に全光パワーが移行した後は、逆に２次側導波路から１次側導波路に光パワー移行し始める。よって、１次側導波路の直線部分は、結合長Ｌｃ程度であることが好ましい。
【００１７】
図２に、図１のＩ−Ｉ方向に沿った共振装置２及び出力装置３の切断面を示す。図２に示すように、共振装置２は、半導体基板１０と、半導体基板１０の基板主面上に配置されたｎ型半導体の第１半導体層２０と、第１半導体層２０上に配置されたリング形状の活性層２３０と、活性層２３０上に配置されたリング形状のｐ型半導体の第２半導体層２４０とを備える。第１半導体層２０は、ｎ型クラッド層２０１、ｎ型ガイド層２０２及びｎ型超格子層２０３を備える。第２半導体層２４０は、活性層２３０上にｐ型電子ブロック層２４１、ｐ型ガイド層２４２、ｐ型クラッド層２４３及びｐ型コンタクト層２４４が順に積層されている。
【００１８】
ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層２４３で挟まれた領域が、共振装置２の１次側導波路である。
【００１９】
第１半導体層２０、活性層２３０及び第２半導体層２４０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等により、半導体基板１０の基板主面上に成長させられる。ｐ側電極２６０とｎ側電極７０間に電流が流されて、共振装置２でレーザ発振が起こる。つまり、第１半導体層２０から活性層２３０に電子が注入され、第２半導体層２４０から活性層２３０に正孔(ホール）が注入される。活性層２３０において注入された電子と正孔とが再結合することにより、第１の波長λ1の１次光が発生する。
【００２０】
ｎ型ガイド層２０２及びｐ型ガイド層２４２は、活性層２３０にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込める「キャリア閉じ込め効果」を生じさせるための半導体層である。これにより、活性層２３０における電子と正孔の再結合の効率が高められる。
【００２１】
ｎ型クラッド層２０１及びｐ型クラッド層２４３は、活性層２３０で発生する光をｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層２４３の間に閉じ込める「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。そのため、ｎ型クラッド層２０１の屈折率はｎ型ガイド層２０２より小さく、かつｐ型クラッド層２４３の屈折率はｐ型ガイド層２４２より小さく設定される。なお、ｎ型ガイド層２０２及びｐ型ガイド層２４２には、キャリア閉じ込めと共に光閉じ込め効果も生じさせる。
【００２２】
半導体基板１０には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等が採用可能であるが、サファイア基板を使用してもよい。
【００２３】
活性層２３０には、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる複数のバリア層と、そのバリア層間に配置され、バリア層よりバンドギャップが小さい発光層とからなる量子井戸（ＱＷ）構造を採用可能である。例えば、膜厚３ｎｍ程度のＩｎＧａＮ層からなる発光層と、発光層よりインジウム（Ｉｎ）組成の小さい膜厚７ｎｍ程度のＩｎＧａＮ層からなるバリア層とを、交互に数周期（ペア）繰り返し積層して、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２３０が形成される。
【００２４】
発光波長は、Ｉｎの組成比を調整すること等によって、例えば４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度に設定できる。また、発光層をＩｎの組成比が５％以上のＩｎＧａＮ層としてバンドギャップを比較的小さくし、バリア層をバンドギャップが比較的大きなＧａＮ層として量子井戸層を構成してもよい。
【００２５】
ｎ型クラッド層２０１は、ＡｌＧａＮ層等にｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープして形成される。また、ｎ型クラッド層２０１に、複数のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した超格子構造も採用可能である。例えば膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２．５ｎｍ程度のＧａＮ層を、２６０周期（ペア）程度繰り返し積層してｎ型クラッド層２０１が構成される。
【００２６】
ｎ型ガイド層２０２は、例えば膜厚６０ｎｍ程度のＧａＮ層にｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープして形成される。
【００２７】
ｎ型超格子層２０３は、格子定数差の大きいＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の応力を緩和し、活性層２３０を成長させやすくするものであり、例えばＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に１０周期程度積層した構造が用いられる。
【００２８】
ｐ型電子ブロック層２４１は、活性層２３０からの電子の流出を防いで、活性層２３０における電子と正孔の再結合効率を高める。ｐ型電子ブロック層２４１は、例えば、膜厚１３ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層に、ｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）をドープして形成される。
【００２９】
ｐ型ガイド層２４２は、例えば膜厚１００ｎｍ程度のＧａＮ層にｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープして形成される。
【００３０】
ｐ型クラッド層２４３は、ＡｌＧａＮ層等にｐ型ドーパントとしてのＭｇ等をドープして形成される。また、ｐ型クラッド層２４３には、複数のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した超格子構造等が採用可能である。例えば膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２．５ｎｍ程度のＧａＮ層を、８５周期（ペア）程度繰り返し積層してｐ型クラッド層２４３が構成される。
【００３１】
ｐ型コンタクト層２４４は、第２半導体層２４０とｐ側電極２６０間の電気抵抗を低減するための低抵抗層である。ｐ型コンタクト層２４４は、例えば膜厚６０ｎｍ程度のＧａＮ層にｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度でドープして形成される。
【００３２】
また、図２に示すように、第２半導体層２４０、活性層２３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部を円周方向に沿ってエッチングして、リッジ部２８０が形成されている。
【００３３】
更に、共振装置２の上面に絶縁膜２５０が配置されている。絶縁膜２５０上にｐ側電極２６０が配置され、絶縁膜２５０に設けられた開口部においてｐ側電極２６０がｐ型コンタクト層２４４に接続されている。つまり、図１に示すように、ｐ側電極２６０がリッジ部２８０の頂面のｐ型コンタクト層２４４だけに接触するように、第２半導体層２４０、活性層２３０、及びｎ型超格子層２０３の露出部を覆って絶縁膜２５０が配置される。
【００３４】
共振装置２及び出力装置３が配置された基板主面に対向する半導体基板１０の裏面に接して、ｎ側電極７０が配置される。ｎ側電極７０は、ダイボンディングにより図示を省略する配線基板上の配線パターン上に接して配置される。そして、ｐ側電極２６０上に配置されるボンディングパッド２６５と配線基板とが、ボンディングワイヤーで電気的に接続される。
【００３５】
図２に示した共振装置２では、ｐ側電極２６０とｎ側電極７０間に流れる電流がリッジ部２８０に集中するため、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジ部２８０の表面は、ｐ側電極２６０との接触領域以外が絶縁膜２５０で覆われて保護されるので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができると共に、側面からのリーク電流を防ぐことができる。
【００３６】
ｐ側電極２６０は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）やインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明電極が採用可能である。また、ｎ側電極７０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜や、Ａｌ−チタン（Ｔｉ）−金（Ａｕ）の積層体等が採用可能である。絶縁膜２５０は、例えば膜厚１００ｎｍ程度のジルコニア（ＺｒＯ2）膜や、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜等が採用可能である。
【００３７】
共振装置２では、ｐ側電極２６０とｎ側電極７０間に電流が流されて、活性層２３０で第１の波長λ1の１次光が発生する。既に説明したように、第１の波長λ1は、活性層２３０の構成等によって所望の値に設定される。活性層２３０で発生した１次光は、ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層２４３に挟まれた１次側導波路を周回方向に伝播する。このとき、共振装置２の１次側導波路と出力装置３の２次側導波路間の距離ｄが第１の波長λ1程度であり、かつ長さＬが式（１）で定義される結合長Ｌｃである場合に、１次側導波路から２次側導波路へ光パワーが完全に移行する。
【００３８】
２次側導波路への光パワー移行により、第１の波長λ1の１次光で２次側導波路にドープされた希土類元素が励起され、ドープされた希土類元素の種類に応じた第２の波長λ2の２次光が２次側導波路で発生する。
【００３９】
図１のＩ−Ｉ方向に沿った出力装置３の切断面は、図２に示すように共振装置２とほぼ同一の層構造を有し、第１半導体層２０上に配置されたストライプ状の活性層３３０と、活性層３３０上に配置されたストライプ状のｐ型半導体の第２半導体層３４０とを備える。第２半導体層３４０は、活性層３３０上にｐ型電子ブロック層３４１、ｐ型ガイド層３４２、ｐ型クラッド層３４３及びｐ型コンタクト層３４４が順に積層された構造である。ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層３４３で挟まれた領域が、出力装置３の２次側導波路である。活性層３３０及び第２半導体層３４０の各層は、共振装置２の活性層２３０及び第２半導体層２４０の各層と同様の機能を有し、同様の構造を採用可能である。
【００４０】
図２に示すように、出力装置３の第２半導体層３４０、活性層３３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部をエッチングし、若しくは再成長させて、リッジ部３８０が形成されている。
【００４１】
また、出力装置３の上面に絶縁膜３５０が配置される。絶縁膜３５０上にｐ側電極３６０が配置され、絶縁膜３５０に設けられた開口部においてｐ側電極３６０がｐ型コンタクト層３４４に接続されている。つまり、ｐ側電極３６０がリッジ部３８０の頂面のｐ型コンタクト層３４４だけに接触するように、第２半導体層３４０、活性層３３０、及びｎ型超格子層２０３の露出部を覆うように絶縁膜３５０が配置される。
【００４２】
２次側導波路の両端、即ち出力面３０１及び反射面３０２は、互いに対向する１対の共振器端面となるように形成される。出力面３０１及び反射面３０２は、例えば劈開により形成される。図３に、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った２次側導波路の切断面を示す。図３に示すように、出力面３０１及び反射面３０２が共振器端面の反射鏡として機能するように、出力面３０１及び反射面３０２を被覆して出力側絶縁膜３０３及び反射側絶縁膜３０４がそれぞれ形成される。例えば、ＺｒＯ2の単膜である出力側絶縁膜３０３が出力面３０１上に形成される。一方、ＺｒＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に複数回繰り返し積層した反射側絶縁膜３０４が反射面３０２上に形成される。図３は、ＺｒＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に５回積層した例である。出力側絶縁膜３０３及び反射側絶縁膜３０４は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法等により形成される。
【００４３】
第２の波長λ2に対応させて、出力面３０１の反射率は小さく、反射面３０２の反射率は大きくなるように、出力側絶縁膜３０３と反射側絶縁膜３０４は形成される。具体的には、出力面３０１の反射率を３２％程度、反射面３０２の反射率を１００％若しくはそれに近い反射率にする。図３に示した例では、出力側絶縁膜３０３を構成するＺｒＯ2の単膜の膜厚が、λ2／（２ｎ1）に設定される。ここで、ｎ1はＺｒＯ2の屈折率である。また、反射側絶縁膜３０４は、膜厚がλ2／（４ｎ1）のＺｒＯ2膜と、膜厚がλ2／（４ｎ2）のＳｉＯ2膜とを交互に積層して構成される。ｎ2はＳｉＯ2の屈折率である。
【００４４】
上記のようにして、ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層３４３に挟まれた領域を共振路とし、出力面３０１と反射面３０２を共振器端面とする分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）型のファブリペロー共振器が形成される。１次光の光パワー移行によって出力装置３に発生する２次光は、ｎ型ガイド層２０２及びｐ型ガイド層３４２に沿って出力面３０１と反射面３０２間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が出力面３０１からレーザ光として出力装置３の外部に出力される。
【００４５】
第２の波長λ2が所望の値になるように、２次側導波路にドープされる希土類元素が選択される。希土類元素がドープされる層は、ｎ型ガイド層２０２からｐ型ガイド層２４２までのどの層であってもかまわない。希土類元素のドーピング方法としては、イオン注入法やエピタキシャル成長中でのドーピング等の方法が採用可能である。２次側導波路にドープされた希土類元素が第１の波長λ1の１次光を吸収して、第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2の２次光を発光する。
【００４６】
例えば、２次側導波路にドープされる希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を選択することにより、第２の波長λ2は５３２ｎｍ程度になる。つまり、出力装置３は緑色光を出力する。また、２次側導波路にプラセオジウム（Ｐｒ）をドープすることにより、第２の波長λ2は６５０ｎｍ程度になり、出力装置３は赤色光を出力する。
【００４７】
例えば、共振装置２の１次側導波路で４３０〜４９０ｎｍ程度の第１の波長λ1の青色光を共振させる。この青色光が１次側導波路から２次側導波路に光パワー移行されて、２次側導波路にＥｒをドープした出力装置３から５３０ｎｍ程度の第２の波長λ2の緑色光が出力される。
【００４８】
本発明の第１の実施の形態に係る発光装置によれば、２次側導波路にドープする希土類元素の種類を任意に選択できるため、緑色光や赤色光等の種々の波長の光を出力する発光装置を１チップ化できる。また、電流注入をする領域と２次光を出力する領域が異なるため、電流注入による発熱量の増大に起因する出力装置３の寿命の低下を抑制できる。
【００４９】
以下に、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる発光装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００５０】
（イ）図４に示すように、半導体基板１０を構成するウェハ上に、ＭＯＣＶＤ法等により、第１半導体層２０を形成する。
【００５１】
（ロ）出力装置３が形成される領域の第１半導体層２０上にＳｉＯ2膜等の絶縁膜５００を形成した後、共振装置２の活性層２３０、第２半導体層２４０を形成する。そして、プラズマエッチング等のドライエッチングによって、第２半導体層２４０、活性層２３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部を除去して、図５に示すようにリッジ部２８０を形成する。具体的には、例えばフォトレジスト膜を第２半導体層２４０の全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってエッチングする部分のフォトレジスト膜を除去して第２半導体層２４０の表面の一部を露出させる。次いで、フォトレジスト膜をマスクにして第２半導体層２４０、活性層２３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部をエッチング除去してリッジ部２８０を形成する。
【００５２】
（ハ）絶縁膜５００を除去した後、図６に示すように、共振装置２を覆うように新たな絶縁膜５０１を配置する。絶縁膜５０１にはＳｉＯ2膜等が採用可能である。そして、出力装置３から出力される２次光の第２の波長λ2が所望の値になるように選択された希土類元素を、出力装置３が形成される領域の第１半導体層２０にイオン注入法等によりドープする。例えば、エルビウム（Ｅｒ）或いはプラセオジウム（Ｐｒ）を１×１０17〜１０20の濃度でドープする。その後、第１半導体層２０の希土類元素がドープされた領域上に出力装置３の活性層３３０、第２半導体層３４０を形成する。そして、共振装置２のリッジ部２８０の形成と同様にして、第２半導体層３４０、活性層３３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部をエッチング除去してリッジ部３８０を形成する。
【００５３】
（ニ）絶縁膜５０１を除去した後、リッジ部２８０及びリッジ部３８０の上面に、リフトオフ法等によって絶縁膜２５０及び絶縁膜３５０をそれぞれ形成する。具体的には、フォトレジスト膜等でリフトオフ用マスクを形成した後、共振装置２及び出力装置３の全面に絶縁体薄膜を形成する。この絶縁体薄膜をリフトオフ法によりｐ型コンタクト層２４４及びｐ型コンタクト層３４４の頂面が露出するよう除去し、絶縁膜２５０及び絶縁膜３５０を形成する。
【００５４】
（ホ）露出したｐ型コンタクト層２４４の頂面に接するように、ｐ側電極２６０を絶縁膜２５０上に形成する。また、露出したｐ型コンタクト層３４４の頂面に接するように、ｐ側電極３６０を絶縁膜３５０上に形成する。更に、半導体基板１０の裏面にｎ側電極７０を形成する。
【００５５】
（ヘ）次いで、ウェハを各半導体装置にチップ分割する。チップ分割は、例えば劈開、或いはダイシング用ブレードによりウェハを切断して行う。必要に応じて、出力面３０１及び反射面３０２について化学的機械的研磨等の研磨処理（鏡面処理）を行う。その後、出力面３０１及び反射面３０２上に、上述の出力側絶縁膜３０３及び反射側絶縁膜３０４を、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法等によりそれぞれ形成する。
【００５６】
上記のような本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の製造方法によれば、ドープする希土類元素に応じた第２の波長λ2の２次光を出力する発光装置を１チップ化し、かつ電流注入による発熱量の増大に起因する出力装置３の寿命の低下を抑制できる。
【００５７】
＜第１の変形例＞
図７に本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る発光装置を示す。図７に示した発光装置は、共振装置２を介して出力装置３に対向する位置に、出力装置３と同様の構成で第２の出力装置３Ａを配置した構成である。出力装置３Ａの２次側導波路に出力装置３の２次側導波路にドープした希土類元素と異なる種類の希土類元素をドープすることによって、出力装置３Ａから第３の波長の光を出力することができる。
【００５８】
例えば、共振装置２で青色光を発振させて、その青色光の一部を共振装置２の外部に出力するように共振装置２を構成する。そのために、例えば共振装置２の直線部分の長さＬを、発振している青色光が共振装置２の外部に出力される程度の長さにする。そして、出力装置３の２次側導波路にＥｒをドープし、出力装置３Ａの２次側導波路にＰｒをドープすることによって、出力装置３から緑色光が出力され、出力装置３Ａから赤色光が出力される。つまり、出力装置３及び出力装置３Ａの２次側導波路に適切な希土類元素をドープすることにより、ＲＧＢの各光を出力する発光装置を１チップで実現できる。
【００５９】
なお、出力装置３の２次側導波路にドープした希土類元素と同じ種類の希土類元素を出力装置３Ａの２次側導波路にドープすることにより、出力装置３と出力装置３Ａから同じ波長の光を出力してもよいことは勿論である。
【００６０】
＜第２の変形例＞
図８に本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る発光装置を示す。図８に示した発光装置は、共振装置２の形状が楕円形状ではなく、直線部分の無いリング形状とした構成である。
【００６１】
図８に示すように、１次側導波路から２次側導波路への光パワー移行に関与する１次側導波路の長さＬは、出力装置３の２次側導波路から第１の波長λ1程度の距離ｄの範囲に含まれる１次側導波路部分の両端を結ぶ線分の長さになる。この長さＬを結合長Ｌｃ以上にすることによって、共振装置２から出力装置３への光パワー移行が生じる。共振装置２に直線部分がないため、共振装置２で発振した光の外部への出力が低減される。
【００６２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る発光装置は、図９に示すように、出力装置３１の半導体基板１０の基板主面の面法線方向からみた形状がリング形状であることが、図１に示した発光装置と異なる。なお、図９では共振装置２Ａが直線部分の無いリング形状である例を示したが、共振装置２Ａが図１と同様に楕円形状であってもよい。
【００６３】
出力装置３１は、曲がり導波路の両端をつないでリング形状にした２次側導波路を有し、第２の波長λ2の光が２次側導波路を周回方向に伝播するリング共振器として機能する。つまり、共振装置２Ａからの１次光の光パワー移行によって、出力装置３１の２次側導波路にドープされた希土類元素が１次光で励起され、２次側導波路で２次光が生じる。
【００６４】
図９に示したように、２次側導波路から第１の波長λ1程度の距離ｄの範囲に含まれる共振装置２Ａの１次側導波路の両端を結ぶ線分の長さＬは、結合長Ｌｃであるように設定される。その結果、１次側導波路から２次側導波路へ光パワーが完全に移行し、出力装置３１の２次側導波路で第２の波長λ2の２次光が生じる。
【００６５】
図１０に、図９のＩＶ−ＩＶ方向に沿った出力装置３１の切断面を示す。後述する回折格子領域がｐ型ガイド層３４２に形成される以外は、出力装置３１は図２に示した出力装置３と同様の層構造を有する。つまり、出力装置３１は、第１半導体層２０上に配置されたリング形状の活性層３３０と、活性層３３０上に配置されたリング形状のｐ型半導体の第２半導体層３４０とを備える。第２半導体層３４０は、活性層３３０上にｐ型電子ブロック層３４１、ｐ型ガイド層３４２、ｐ型クラッド層３４３及びｐ型コンタクト層３４４が順に積層された構造であり、ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層３４３で挟まれた領域が、出力装置３１の２次側導波路である。
【００６６】
また、第２半導体層３４０、活性層３３０、及びｎ型超格子層２０３の上部の一部を円周方向に沿ってエッチングして、リッジ部３８０が形成されている。
【００６７】
更に、出力装置３１の上面に絶縁膜３５０が配置されている。絶縁膜３５０上にｐ側電極３６０が配置され、絶縁膜３５０に設けられた開口部においてｐ側電極３６０がｐ型コンタクト層３４４に接続されている。
【００６８】
図１１に、ｐ型ガイド層３４２の半導体基板１０の主面に平行な切断面を示す。図１１に示すように、ｐ型ガイド層３４２は、ｍ個のグレーティングユニット４２１〜４２ｍが円周方向に連続して配置された回折格子領域４２０を有する（ｍ：２以上の整数）。後述するように、ｐ型ガイド層３４２の回折格子領域４２０は、リング形状の２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化する周回グレーティング構造である。
【００６９】
図１２に、図９のＶ−Ｖ方向に沿った出力装置３１の切断面を示す。図１１及び図１２に示すように、回折格子領域４２０は、第１の屈折率ｎ１を有し、第２半導体層３４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝が表面に形成された第１領域４２ａと、第１領域４２ａの溝に埋め込まれ、第１の屈折率ｎ１と異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂとを備える。ここで、「動径方向」は円心から円周状の各点に延伸する方向である。
【００７０】
つまり、グレーティングユニット４２１〜４２ｍのそれぞれは、第１の屈折率ｎ１を有する第１領域４２ａと、第１の屈折率ｎ１と屈折率の異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂが隣接して配置された構造である。このため、出力装置３１の２次側導波路は、円周方向に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング屈折率導波路となる。
【００７１】
具体的には、例えば第１領域４２ａを比屈折率が１．４〜１．６程度のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）で構成し、第２領域４２ｂを比屈折率が２．６程度のＧａＮ或いはＡｌＧａＮで構成する。なお、ＡｌＧａＮの屈折率は組成に依存する。そのため、例えば第１領域４２ａをＧａＮで形成し、第２領域４２ｂをＧａＮと異なる屈折率に設定されたＡｌＧａＮで形成してもよい。第１領域４２ａと第２領域４２ｂの円周方向に沿った幅の比は１：１程度であることが好ましい。回折格子領域４２０の形成方法は後述する。
【００７２】
グレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチｐは、図１１に示す第２半導体層３４０の円心Ｃから互いに隣接するグレーティングユニット４２１、４２２にそれぞれ延伸する直線がなす鋭角Δθと、第２半導体層３４０の曲率半径Ｒとの積で定義される。曲率半径Ｒは、円心Ｃからグレーティングユニット４２１〜４２ｍの例えば外周と内周との中間点までの距離である。
【００７３】
図９に示した出力装置３１がリング共振器として動作する場合の伝播係数、即ち２次側導波路を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数がβ2であるとき、グレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチは、２π／β2に等しくなるように設定される（π：円周率）。なお、真空中の光の波長をλ、リング共振器の有効屈折率をｎとして、伝播係数β2は概ね２πｎ／λ程度の値になる。
【００７４】
以下に、出力装置３１のリング共振器としての動作について説明する。リング共振器は、曲がり導波路の両端をつないで円形の導波路とした共振器である。一般に、リング共振器において、曲率半径Ｒが一定の曲がり導波路であるリング部の円周に沿って伝播する光の伝播係数βが定義される。リング共振器で共振可能な光の伝播係数βは、以下の式（６）の条件を満たす：
Ｒβ＝ｊ  ・・・・・（６）
式（６）で、ｊは自然数である。
【００７５】
式（６）を満たす伝播係数βのうち最も利得の大きな伝播係数βlaserの光が選択的にリング共振器で共振する。既に説明したように、２次側導波路を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数β2のとき、グレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチｐは、２π／β2に等しくなるように設定される。つまり、伝播係数β2は、図１１に示した鋭角Δθと曲率半径Ｒを用いて、以下の式（７）によって表される：
β2＝２π／ｐ＝２π／（Δθ×Ｒ）  ・・・・・（７）
出力装置３１の２次側導波路を伝播する光の伝播係数がβ2＝βlaserの場合に、回折格子領域４２０のグレーティング（配置ピッチ２π／β2）の効果により、伝播係数βlaserである２次側導波路を伝播する光のモード（以下において、「リング共振器内モード」という。）が、半導体基板１０の主面と垂直方向の放射モードと結合する。ここで、「モードの結合」とは、あるモードにある光（光子）が別のモードに移ることを可能にすることをいう。
【００７６】
通常、リング共振器を円周方向に沿って伝播する光が基板主面と垂直方向に出力されることはない。しかし、図９に示した出力装置３１では、式（６）及び式（７）を満足するように回折格子領域４２０のグレーティング構造を形成することによって、２次側導波路を周回する光は半導体基板１０の主面と垂直方向に回折される。
【００７７】
つまり、出力装置３１において、回折格子の回折効果によって、リング共振器内モードを半導体基板１０の主面と垂直方向への放射モードに結合する。なお、β2とβlaserが完全に一致しなくても、β2とβlaserがほぼ一致する場合にも、リング共振器内モードは半導体基板１０の主面と垂直方向からわずかに離れた方向の放射モードと結合する。
【００７８】
したがって、図１３に示すように、出力装置３１から、半導体基板１０の主面と垂直な方向に、環状のビーム１００が出力される。ビーム１００は、絶縁膜３５０に設けられた開口部を介してｐ側電極３６０を透過して出力される。
【００７９】
半導体基板と垂直に光を出力する面発光レーザダイオードとして、共振器が半導体基板と垂直に配置された「垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）」が知られている。しかし、ＶＣＳＥＬは、共振層を基板に平行な分布ブラック反射鏡（ＤＢＲ）で挟んだ構造を有するため、ＶＣＳＥＬの放熱性が低下する。このため、ＶＣＳＥＬの高出力化が抑制され、或いは信頼性が低下するという問題がある。
【００８０】
しかし、図９に示した発光装置は、ＶＣＳＥＬのように半導体基板１０に平行に配置されたＤＢＲを使用しないため、ＤＢＲ構造に起因する放熱性の低下が抑制される。その結果、面発光レーザダイオードの信頼性の低下を招くことなく、高出力化が可能である。
【００８１】
なお、ｐ側電極２６０、ｐ側電極３６０に例えばＡｌ膜やニッケル（Ｎｉ）／Ａｕ合金等からなるメタル電極を採用して、ｐ側電極２６０、ｐ側電極３６０を配線基板にダイボンディングしてもよい。このとき、ｎ側電極７０に開口部を設けて、この開口部からビーム１００を出力する。
【００８２】
以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置によれば、２次側導波路にドープする希土類元素の種類を任意に選択することにより、発熱による製品寿命の低下を抑制しつつ、緑色光や赤色光等の種々の波長の光を面発光する発光装置を１チップ化できる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００８３】
以下に、図１４〜図２０を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置３１の製造方法を説明する。図１４〜図１６は、図９のＶ−Ｖ方向に沿った切断面である。図１７〜図２０は、図９のＩＶ−ＩＶ方向に沿った切断面である。なお、以下に述べる発光装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００８４】
（イ）図４〜図６を参照して説明した方法と同様にして、共振装置２を形成し、第１半導体層２０の出力装置３１が形成される領域に希土類元素をドープする。希土類元素がドープされた第１半導体層２０上に、ＭＯＣＶＤ法等により活性層３３０、ｐ型電子ブロック層３４１を順次形成する。その後、ｐ型電子ブロック層３４１上にＧａＮからなるｐ型ガイド層３４２を積層して、図１４に示す構造断面が得られる。
【００８５】
（ロ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法等を用いたエッチングによって、図１５に示すように、例えば膜厚１００ｎｍのｐ型ガイド層３４２の表面に、第２半導体層３４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を、深さ６０ｎｍ程度で形成する。溝のピッチがグレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチｐとなるため、２次側導波路内を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数β2に対し、溝のピッチが２π／β2であるように設定される。つまり、溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、式（３）を満足する値に設定される。
【００８６】
（ハ）図１６に示すように、ｐ型ガイド層３４２の表面に形成された溝を埋め込むようにして、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３４３をＭＯＣＶＤ法等により形成する。つまり、ｐ型ガイド層３４２の上部で溝に挟まれた部分のＧａＮが第１領域４２ａであり、ｐ型ガイド層３４２の表面に形成された溝に埋め込まれた部分のＡｌＧａＮが第２領域４２ｂである回折格子領域４２０が形成される。その後、ｐ型クラッド層３４３上にｐ型コンタクト層３４４が形成される。
【００８７】
（ニ）プラズマエッチング等のドライエッチングによって、第２半導体層３４０、活性層３３０、ｎ型超格子層２０３の上部の一部を除去してリッジ部３８０を形成する。具体的には、例えば、ＳＯＧ膜をｐ型コンタクト層３４４上に塗布した後、図１７に示すようにフォトリソグラフィ技術によって、リッジ部３８０を形成する領域のＳＯＧ膜９０を残して、エッチングする部分のＳＯＧ膜を除去し、第２半導体層３４０の表面の一部を露出させる。その後、図１８に示すように、ＳＯＧ膜９０をマスクにして第２半導体層３４０、活性層３３０、ｎ型超格子層２０３の上部の一部をエッチング除去して、リッジ部３８０を形成する。
【００８８】
（ホ）ＳＯＧ膜９０を除去した後、図１９に示すようにｐ型コンタクト層３４４の頂面のみを露出させて、第２半導体層３４０の上面に絶縁膜３５０を形成する。例えば、フォトレジスト膜等でリフトオフ用マスクをｐ型コンタクト層３４４の頂面に形成した後、出力装置３１全体を覆うように絶縁体薄膜を形成する。この絶縁体薄膜をリフトオフして、絶縁膜３５０を形成する。
【００８９】
（ヘ）露出したｐ型コンタクト層３４４の頂面に接するように、絶縁膜３５０上にｐ側電極３６０を形成し、図２０に示す構造断面を得る。
【００９０】
以上に説明したように、半導体基板１０上に第１半導体層２０からｐ型ガイド層３４２まで成長させた後、回折格子領域４２０が形成される。その後、成長炉に半導体基板１０を再度投入して、ｐ型クラッド層３４３及びｐ型コンタクト層３４４が形成される。つまり、上記に説明した例では、グレーティングユニット４２１〜４２ｍのそれぞれは、ＧａＮからなる第１領域４２ａと、ＡｌＧａＮからなる第２領域４２ｂが隣接して配置された構造である。
【００９１】
図２１〜図２５を参照して、グレーティングユニット４２１〜４２ｍの第１領域４２ａがＧａＮからなり、第２領域４２ｂがＧａＮよりも屈折率の低い絶縁膜からなる回折格子領域４２０を形成する例を示す。図２１〜図２５は、図９のＶ−Ｖ方向に沿った切断面である。
【００９２】
（イ）第１半導体層２０の希土類元素がドープされた領域上に、活性層３３０、ｐ型電子ブロック層３４１、及びｐ型ガイド層３４２を積層して、図２１に示す構造断面が得られる。ｐ型ガイド層３４２はＧａＮからなる。
【００９３】
（ロ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法によって、図２２に示すように、ｐ型ガイド層３４２の表面に、第２半導体層３４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を形成する。溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、図１５の説明で既に述べたように、式（７）を満足する値に設定される。
【００９４】
（ハ）図２３に示すように、ｐ型ガイド層３４２の表面に形成された溝を埋め込むようにして、例えばＳＯＧ膜や酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜等の屈折率がＧａＮより低い低屈折率膜４２Ｂがスパッタ法等によって形成される。
【００９５】
（ニ）その後、低屈折率膜４２Ｂの表面がエッチングされる。具体的には、図２４に示すように、低屈折率膜４２Ｂの上面とｐ型ガイド層３４２の溝部の上面が同じ高さになるまでエッチバックされて、回折格子領域４２０が形成される。つまり、回折格子領域４２０の第２領域４２ｂがｐ型ガイド層３４２で構成され、第１領域４２ａが低屈折率膜４２Ｂで構成される。
【００９６】
（ホ）図２５に示すように、回折格子領域４２０上に、ｐ型クラッド層３４３及びｐ型コンタクト層３４４を形成する。
【００９７】
回折格子領域４２０の形成方法の更に他の例を、図２６〜図２９を参照して説明する。図２６〜図２９は、図９のＶ−Ｖ方向に沿った切断面である。
【００９８】
（イ）第１半導体層２０の希土類元素がドープされた領域上に、活性層３３０、ｐ型電子ブロック層３４１、及びｐ型ガイド層３４２を積層して、図２６に示す構造断面が得られる。
【００９９】
（ロ）図２７に示すように、ｐ型ガイド層３４２上に、ＡｌＧａＮよりも屈折率が低い低屈折率膜４２Ｂが、スパッタ法等によって形成される。低屈折率膜４２Ｂには、例えばＳＯＧ膜等が採用可能である。
【０１００】
（ハ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法によって、図２８に示すように、低屈折率膜４２Ｂの表面に、第２半導体層３４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を形成する。このとき、ｐ型ガイド層３４２の表面が露出するまで溝を形成してもよい。溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、図１５の説明で述べたように、式（７）を満足する値に設定される。
【０１０１】
（ニ）低屈折率膜４２Ｂの表面に形成された溝を埋め込むようにして、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３４３が形成される。つまり、低屈折率膜４２Ｂが第２領域４２ｂであり、低屈折率膜４２Ｂに形成された溝に埋め込まれた部分のＡｌＧａＮが第１領域４２ａである回折格子領域４２０が形成される。ｐ型クラッド層３４３上にｐ型コンタクト層３４４が形成されて、図２９に示す構造断面が得られる。
【０１０２】
なお、図３０に示すように、ｎ型ガイド層２０２までがリッジ部３８０に含まれるように出力装置３１を形成してもよい。図３０は、図９のＩＶ−ＩＶ方向に沿った断面図である。このことにより、横方向への光の閉じ込め効果が向上し、光学的なロスを抑制できる。
【０１０３】
上記のような本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の製造方法によれば、互いに屈折率の異なる第１領域４２ａと第２領域４２ｂを含む回折格子領域４２０を形成することが可能であり、緑色光や赤色光等の種々の波長の光を面発光する発光装置を、発熱量の増大を抑制しつつ、１チップ化できる。
【０１０４】
＜変形例＞
図３１に本発明の第２の実施の形態の変形例に係る発光装置を示す。図３１に示した発光装置は、共振装置２Ａと出力装置３１を、円心Ｃとする同心円状に配置した構成である。
【０１０５】
図３１に示したように、共振装置２Ａの１次側導波路の内径Ｒ１と出力装置３１の２次側導波路の外径Ｒ２との差が、第１の波長λ1程度の距離ｄであるように設定される。その結果、１次側導波路から２次側導波路への光パワー移行が生じ、２次側導波路で第２の波長λ2の２次光が生じる。
【０１０６】
なお、図３１では共振装置２Ａと出力装置３１が共に真円である例を示したが、共振装置２Ａと出力装置３１のいずれか、或いは両方が真円でなくてもよい。この場合、出力装置３１の２次側導波路の外縁から第１の波長λ1程度の距離ｄの範囲に含まれる共振装置２Ａの１次側導波路部分の両端を結ぶ線分の長さが、式（１）を満たす結合長Ｌｃであるように設定される。
【０１０７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る発光装置の上面図を図３２に、図３２のＶＩ−ＶＩ方向に沿った出力装置３２の断面図を図３３に示す。図３２及び図３３に示すように、２次側導波路の両端面が互いに対向した１対の共振器端面となるように、出力装置３２は、両端面が反射面３０２であるストライプ状の２次側導波路を有する。更に出力装置３２は、２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング構造である回折格子領域４２０を有する。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【０１０８】
図３３に示すように、回折格子領域４２０は、２次側導波路の中央付近に、ｍ個のグレーティングユニット４２１〜４２ｍが第２の波長λ2の光の光軸方向に連続して配置される（ｍ：２以上の整数）領域である。つまり、回折格子領域４２０は、光軸方向に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング屈折率導波領域となる。グレーティングユニット４２１〜４２ｍのそれぞれは、第１の屈折率ｎ１を有する第１領域４２ａと、第１の屈折率ｎ１と屈折率の異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂが隣接して配置された構造である。図３３に示した例では、回折格子領域４２０は、第１の屈折率ｎ１を有し、光軸方向と垂直方向に延伸するストライプ状の複数の溝が表面に形成された第１領域４２ａと、第１領域４２ａの溝に埋め込まれ、第１の屈折率ｎ１と異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂとを有する。
【０１０９】
図３２に示した出力装置３２がファブリペロー共振器として動作する場合の伝播係数、つまり２次側導波路で共振する光の伝播係数がβ2であるとき、グレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチは、１／β2に等しくなるように設定される。このため、回折格子領域４２０のグレーティングの効果により、２次側導波路を半導体基板１０の主面と平行方向に伝播する光のモードが、半導体基板１０の主面と垂直方向の放射モードと結合する。つまり、２次側導波路の両端面である反射面３０２間を往復しながら増幅される光の一部が、回折格子領域４２０で回折されて、回折格子領域４２０の上方に位置するリッジ部３８０の出力面３１０からビーム１００として半導体基板１０の主面と垂直方向に出力される。
【０１１０】
図３２に示したように、２次側導波路から第１の波長λ1程度の距離ｄの範囲に含まれる共振装置２の１次側導波路の長さＬは、式（１）を満たす結合長Ｌｃに設定される。その結果、共振装置２から出力装置３２への光パワー移行が生じる。
【０１１１】
共振装置２からの１次光の光パワー移行によって、出力装置３２の２次側導波路にドープされた希土類元素が１次光で励起され、２次側導波路で２次光が生じる。出力装置３２で発生した２次光は反射面３０２間を往復しながら増幅され、増幅された光の一部が回折格子領域４２０で回折されて出力面３１０から出力される。
【０１１２】
図３３に示すように、回折格子領域４２０が形成される以外は、出力装置３２は図３に示した出力装置３と同様の層構造を有する。即ち、出力装置３２は、第１半導体層２０の希土類元素がドープされた領域上に配置されたストライプ状の活性層３３０と、活性層３３０上に配置され、回折格子領域４２０を含むストライプ状のｐ型半導体の第２半導体層３４０とを備える。ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層３４３で挟まれた領域が、出力装置３２の２次側導波路である。
【０１１３】
回折格子領域４２０は、第２の実施の形態に係る発光装置の説明において図１４〜図２９を参照して説明した方法と同様にして、形成可能である。つまり、ＧａＮからなるｐ型ガイド層３４２の表面に形成した溝にＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３４３を埋め込む方法、ＧａＮからなるｐ型ガイド層３４２の表面に形成した溝にＧａＮよりも屈折率の低い絶縁膜を埋め込む方法、ＡｌＧａＮよりも屈折率が低い低屈折率膜の表面に形成した溝にＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３４３を埋め込む方法、等が採用可能である。
【０１１４】
また、反射面３０２である出力装置３２の両端面は、第１の実施の形態に係る発光装置の説明において図３を参照して説明した方法と同様にして形成可能である。つまり、共振器端面の反射鏡として、反射面３０２を被覆するように反射側絶縁膜３０４がそれぞれ形成される。例えば、図３に示したＺｒＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に複数回繰り返し積層した反射側絶縁膜３０４が、反射面３０２上に形成される。
【０１１５】
本発明の第３の実施の形態に係る出力装置によれば、出力装置３２をストライプ状にすることにより、リング形状にする場合に比べてチップ面積を小さくすることができる。そして、ストライプ状の２次側導波路に回折格子領域４２０を形成することにより、緑色光や赤色光等の種々の波長の光を面発光する発光装置を１チップ化できる。他は、第２の実施の形態と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【０１１６】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る発光装置の上面図を図３４に、図３４のＶＩＩ−ＶＩＩ方向に沿った共振装置２１の１次側導波路の断面図を図３５に、図３４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に沿った出力装置３２の２次側導波路の断面図を図３６に、それぞれ示す。
【０１１７】
図３４及び図３５に示すように、共振装置２１は両端面が反射面２１２であるストライプ状の１次側導波路を有するファブリペロー共振器である。つまり、ｐ側電極２６０とｎ側電極７０間に電流が流されて、活性層２３０で第１の波長λ1の１次光が発生する。この発生した１次光は、１次側導波路の両端面である反射面２１２を共振器端面として共振する。また、図３４及び図３６に示すように、出力装置３２は、両端面が反射面３０２であるストライプ状の２次側導波路を有し、かつ、２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング構造である回折格子領域４２０を有する。
【０１１８】
図３５に示すように、共振装置２１は図２に示した共振装置２と同様の層構造を有し、半導体基板１０と、半導体基板１０の基板主面上に配置されたｎ型半導体の第１半導体層２０と、第１半導体層２０上に配置された活性層２３０と、活性層２３０上に配置されたｐ型半導体の第２半導体層２４０とを備える。ｎ型クラッド層２０１とｐ型クラッド層２４３で挟まれた領域が、共振装置２１の１次側導波路である。共振装置２１のボンディングパッドは図示を省略したが、例えばリッジ部２８０上に、ｐ側電極２６０と接して配置できる。
【０１１９】
１次側導波路の両端面は、図３を参照して２次側導波路の両端面について説明した方法と同様にして形成可能である。つまり、共振器端面の反射鏡として、反射面２１２を被覆するように反射側絶縁膜２１４がそれぞれ形成される。例えば、図３に示した反射側絶縁膜３０４と同様にＺｒＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に複数回繰り返し積層した反射側絶縁膜２１４が、反射面２１２上に形成される。つまり、反射面２１２の反射率を１００％若しくはそれに近い反射率にするため、反射側絶縁膜２１４は、膜厚がλ2／（４ｎ1）のＺｒＯ2膜と、膜厚がλ2／（４ｎ2）のＳｉＯ2膜とを交互に積層して構成される。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率、ｎ2はＳｉＯ2の屈折率である。
【０１２０】
図３４及び図３６に示したように、出力装置３２は、第３の実施の形態に係る発光装置で説明した出力装置３２と同様の構成である。つまり、出力装置３２は、第１半導体層２０の希土類元素がドープされた領域上に配置されたストライプ状の活性層３３０と、活性層３３０上に配置されたストライプ状のｐ型半導体の第２半導体層３４０とを備える。そして、出力装置３２は、両端面が反射面３０２であるストライプ状の２次側導波路を有し、かつ、２次側導波路に沿って屈折率が周期的に変化するグレーティング構造である回折格子領域４２０を有する。
【０１２１】
図３４に示したように、共振装置２１の１次側導波路は、出力装置３２の２次側導波路から第１の波長λ1程度の距離ｄに出力装置３２と平行に配置される。１次側導波路の長さＬは、式（１）を満たす結合長Ｌｃに設定される。その結果、共振装置２１から出力装置３２への光パワー移行が生じる。
【０１２２】
共振装置２１からの１次光の光パワー移行によって、出力装置３２の２次側導波路にドープされた希土類元素が１次光で励起される。その結果、２次側導波路で２次光が生じる。
【０１２３】
図３６に示した出力装置３２が共振器として動作する場合の伝播係数がβ2であるとき、グレーティングユニット４２１〜４２ｍの配置ピッチは、１／β2に等しくなるように設定される。このため、回折格子領域４２０のグレーティングの効果により、２次側導波路を半導体基板１０の主面と平行方向に伝播する光のモードが、半導体基板１０の主面と垂直方向の放射モードと結合する。つまり、２次側導波路の両端面である反射面３０２間を往復しながら増幅される光の一部が、回折格子領域４２０で回折されて、出力面３１０からビーム１００として半導体基板１０の主面と垂直方向に出力される。
【０１２４】
なお、出力装置３２に回折格子領域４２０を形成せず、２次側導波路の一方の端面を反射率が３２％程度の出力面として形成して、２次側導波路を伝搬する２次光の光軸方向に光を出力させてもよい。
【０１２５】
本発明の第４の実施の形態に係る発光装置によれば、共振装置２１をストライプ状にすることにより、リング形状にする場合に比べてチップ面積を小さくすることができる。そして、ストライプ状の２次側導波路に回折格子領域４２０を形成することにより、緑色光や赤色光等の種々の波長の光を面発光する発光装置を１チップ化できる。他は、第３の実施の形態と実質的に同様であるので、重複した記載を省略する。
【０１２６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１２７】
既に述べた第１乃至第４の実施の形態の説明においては、半導体基板１０の裏面にｎ側電極７０が配置されていたが、サファイア基板等の電流が流れない基板を使用する場合は、第２半導体層２４０、活性層２３０及び第１半導体層２０の一部をエッチング除去して第１半導体層２０のｎ型クラッド層２０１の表面の一部を露出させ、露出させたｎ型クラッド層２０１の表面上にｎ側電極を配置してもよい。
【０１２８】
また、希土類元素を第１半導体層２０の一部にドープする例を説明したが、希土類元素は、ｎ型ガイド層２０２からｐ型ガイド層３４２までのいずれかの層にドープすればよい。
【０１２９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図２】図１に示した発光装置のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。
【図３】図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った２次側導波路の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図７】本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図１０】図９に示した発光装置のＩＶ−ＩＶ方向に沿った断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の回折格子領域を示す模式的な断面図である。
【図１２】図９に示した発光装置の出力装置のＶ−Ｖ方向に沿った断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力光を示す模式図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その６）。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その７）。
【図２１】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図２４】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図２５】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の他の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図２６】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の更に他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図２７】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の更に他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図２８】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の更に他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図２９】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の更に他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図３０】本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の出力装置の変形例のＩＶ−ＩＶ方向に沿った断面図である。
【図３１】本発明の第２の実施の形態の変形例に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図３２】本発明の第３の実施の形態に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図３３】図３２に示した発光装置の出力装置のＶＩ−ＶＩ方向に沿った断面図である。
【図３４】本発明の第４の実施の形態に係る発光装置の構成を示す模式的な上面図である。
【図３５】図３４に示した発光装置のＶＩＩ−ＶＩＩ方向に沿った共振装置の断面図である。
【図３６】図３４に示した発光装置のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向に沿った出力装置の断面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
２、２Ａ、２１…共振装置
３、３Ａ、３１、３２…出力装置
１０…半導体基板
２０…第１半導体層
４２ａ…第１領域
４２ｂ…第２領域
７０…ｎ側電極
１００…ビーム
２０１…ｎ型クラッド層
２０２…ｎ型ガイド層
２０３…ｎ型超格子層
２１２…反射面
２１４…反射側絶縁膜
２３０…活性層
２４０…第２半導体層
２４１…ｐ型電子ブロック層
２４２…ｐ型ガイド層
２４３…ｐ型クラッド層
２４４…ｐ型コンタクト層
２５０…絶縁膜
２６０…ｐ側電極
２６５…ボンディングパッド
２８０…リッジ部
３０１…出力面
３０２…反射面
３０３…出力側絶縁膜
３０４…反射側絶縁膜
３１０…出力面
３３０…活性層
３４０…第２半導体層
３４１…ｐ型電子ブロック層
３４２…ｐ型ガイド層
３４３…ｐ型クラッド層
３４４…ｐ型コンタクト層
３５０…絶縁膜
３６０…ｐ側電極
３８０…リッジ部
４２０…回折格子領域
４２１〜４２ｍ…グレーティングユニット
【図１】
2009170450.tif 000003
【図２】
2009170450.tif 000004
【図３】
2009170450.tif 000005
【図４】
2009170450.tif 000006
【図５】
2009170450.tif 000007
【図６】
2009170450.tif 000008
【図７】
2009170450.tif 000009
【図８】
2009170450.tif 000010
【図９】
2009170450.tif 000011
【図１０】
2009170450.tif 000012
【図１１】
2009170450.tif 000013
【図１２】
2009170450.tif 000014
【図１３】
2009170450.tif 000015
【図１４】
2009170450.tif 000016
【図１５】
2009170450.tif 000017
【図１６】
2009170450.tif 000018
【図１７】
2009170450.tif 000019
【図１８】
2009170450.tif 000020
【図１９】
2009170450.tif 000021
【図２０】
2009170450.tif 000022
【図２１】
2009170450.tif 000023
【図２２】
2009170450.tif 000024
【図２３】
2009170450.tif 000025
【図２４】
2009170450.tif 000026
【図２５】
2009170450.tif 000027
【図２６】
2009170450.tif 000028
【図２７】
2009170450.tif 000029
【図２８】
2009170450.tif 000030
【図２９】
2009170450.tif 000031
【図３０】
2009170450.tif 000032
【図３１】
2009170450.tif 000033
【図３２】
2009170450.tif 000034
【図３３】
2009170450.tif 000035
【図３４】
2009170450.tif 000036
【図３５】
2009170450.tif 000037
【図３６】
2009170450.tif 000038