(57)【要約】【課題】高周波重畳機能を保有しない電源回路を用いた発光装置においても、可干渉性の低いレーザ光を生じ、また発光光の演色性を向上させた発光装置、照明装置および表示装置を提供すること。【解決手段】少なくとも基板と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層とを、少なくともこの順に備えている半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が発するレーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、半導体レーザ素子が自励発振レーザ素子であることを特徴とする、発光装置。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基板と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層とを、少なくともこの順に備えている半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子が発するレーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、
半導体レーザ素子が自励発振レーザ素子であることを特徴とする、発光装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は、窒化物半導体を含む、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子は、発振波長が３９０〜５００ｎｍである、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と活性層の間に、活性層から近い側から、第１導電型中間層と、第１導電型可飽和吸収層を少なくとも備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子は、活性層と第２導電型クラッド層の間に、活性層から近い側から、第２導電型中間層と、第２導電型可飽和吸収層を少なくとも備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ素子が、アレイ型半導体レーザ素子であることを特徴とする、発光装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子を２個以上備えていることを特徴とする発光装置。
【請求項８】
複数の発光点からのレーザ光の内、波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが存在していることを特徴とする、請求項６または７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の発光装置を利用した照明装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載の発光装置を利用した表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子と蛍光体とを備える発光装置に関するものであり、詳しくは、照明装置、または、表示装置として利用できる発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、白熱電球や蛍光灯のような従来からの発光装置に代って、半導体発光デバイスと蛍光体とを用いた発光装置が開発されている。半導体発光デバイスの一例としてはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光層を含む発光ダイオードを挙げることができ、赤色から青色さらには白色で発光する発光ダイオードが実用化されている。発光ダイオードを用いた発光装置は、小型かつ安価であって消費電力が少なくて寿命が長いといった従来の照明装置にない特徴を有している。しかしながら、発光ダイオードを用いた発光装置は、白熱電球や蛍光灯ほどの大きな光出力を有し得ないことから、現在のところでは主として、照明装置としてはイルミネーション、インジケータなど、表示装置としてはディスプレイのバックライトなどとして利用されるに留まっている。
【０００３】
半導体発光デバイスとしては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成された半導体レーザ素子を用いた発光装置も考案されている。特許文献１には、半導体レーザ素子と、該レンズからの拡散レーザ光を励起光として可視光に変換する蛍光体とを備えた発光装置が開示されている。
【０００４】
発光装置に用いる半導体レーザ素子としては、波長３９０〜４２０ｎｍの紫色若しくは近紫外のレーザ光を発する半導体レーザ素子と、赤〜青の蛍光を発する蛍光体材料を配合した蛍光体とを用い、レーザ光が蛍光体で吸収、変換された蛍光光により白色光を発するタイプと、波長４２０〜５００ｎｍの青色のレーザ光を発する半導体レーザ素子と、緑〜赤の蛍光を発する蛍光体材料を配合した蛍光体とを用い、半導体レーザ素子からのレーザ光と蛍光体からの蛍光光を併せて白色光を発するタイプが存在する。
【０００５】
また、特許文献１には、前記の発光装置において、アレイ型半導体レーザ素子を使用している実施例が記載されている。発光装置として機能させるためには、半導体レーザ素子の出力として、通常１Ｗ以上が必要とされることが多い。しかし、単一ストライプ構造の半導体レーザ素子では、半導体材料の光学的損傷を生じる為、数百ｍＷ程度以下の光出力しか得られない。このため、ストライプを複数有する、アレイ型半導体レーザ素子を用いることにより、数Ｗの高出力動作を実現させることができる。
【特許文献１】特開平７−２８２６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の半導体レーザ素子を用いた発光装置において、以下のような課題が存在している。
【０００７】
アレイ型半導体レーザ素子を用いると、複数の発光点からレーザ光が出射されるが、互いのレーザ光が干渉する為、出射光には干渉縞が生じることになる。このような半導体レーザ素子を用いた発光装置を、照明装置や表示装置として使用する場合、発光ムラの原因となり、実用上望ましくない。
【０００８】
また、半導体レーザ素子から放出されるレーザ光の大部分は、蛍光体に照射されて、一部は波長変換されて発光装置外部に取り出され、一部は蛍光体を透過して発光装置外部に取り出されるが、残りは蛍光体で反射して、その一部は再び半導体レーザ素子の内部に入射する。また、半導体レーザ素子と蛍光体の間に透明なガラスが存在するか、若しくは発光装置外部にスクリーン等の反射面が存在すると、それらによってもレーザ光は反射し、その一部は再び半導体レーザ素子の内部に入射する。
【０００９】
これらの光は、戻り光と呼び、半導体レーザ素子のレーザ発振動作、即ち光出力を不安定とさせる要因となる。このような発光装置を、照明装置や表示装置として使用する場合、発光ムラの原因となり、実用上望ましくない。
【００１０】
また、波長４２０〜５００ｎｍの青色のレーザ光を発する半導体レーザ素子を用いたタイプの発光装置においては、レーザ光の一部は蛍光体によって赤〜緑の波長の光に変換され、レーザ光と併せて白色光を生じさせているが、このタイプにおいては、半導体レーザ素子から発光したレーザ光を発光装置からの光として使用するため、出射光がレーザ光の可干渉性に起因する、レーザ光特有のギラギラ感（スペックルパターン）を生じる。このような光を照明装置や表示装置の光源として使用する場合、発光ムラの原因となり、実用上望ましくない。
【００１１】
上記課題は、全て、半導体レーザ素子からのレーザ光が、可干渉性（コヒーレンス）を有している為に生じる課題である。この対策として、半導体レーザ素子への注入電流を変調する高周波重畳を行うことにより、可干渉性を下げることが可能である。しかしこれを実現させる為には、半導体レーザ素子へ電力供給を行う電源回路に高周波重畳機能を持たせる必要があるが、これは発光装置のコストアップや、サイズ拡大に繋がる為、実用上望ましくない。
【００１２】
また発光装置においては、可視波長帯域、即ち４００〜７００ｎｍに渡る発光スペクトルの均一性が高いこと（演色性）が求められる。波長４２０〜５００ｎｍの青色のレーザ光を発する半導体レーザ素子を用いたタイプの発光装置においては、レーザ光を発光装置からの光として使用するため、発光装置からの、可視波長帯域に渡る発光スペクトルは、青色の波長帯において急峻な形状となるため、演色性が極めて低いという課題がある。
【００１３】
上述のような問題に鑑み、本発明の目的は、高周波重畳機能を保有しない電源回路を用いた発光装置においても、可干渉性の低いレーザ光を生じ、また発光光の演色性を向上させた発光装置、照明装置および表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、自励発振レーザ素子を発光装置に用いることで、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明は以下のとおりである。
【００１５】
本発明は、少なくとも基板と、第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層とを、少なくともこの順に備えている半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が発するレーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、半導体レーザ素子が自励発振レーザ素子であることを特徴とする、発光装置である。
【００１６】
ここで、本発明に用いられる自励発振（半導体）レーザ素子とは、出射レーザ光が素子単独で短い周期の点滅を行うようなレーザ素子である。自励発振半導体レーザ素子の構造は、自励発振を起こすものであれば特に限定されず、活性層周辺に可飽和吸収層（Ｓ．Ａ．）と呼ばれる領域を持たせた構造等が挙げられる。活性層周辺に可飽和吸収層を設ける場合、可飽和吸収層は活性層で生じたレーザ光の吸収・放出を行う働きをするため、結果として出射レーザ光は短い周期で点滅することになる。つまり、シングルモードレーザに高周波電流を重畳したときと同じ効果が、自励発振レーザ素子では素子単体で得られる。これにより、戻り光を低減し、レーザ光の可干渉を弱めることができる。
【００１７】
本発明の自励発振レーザ素子は、発光装置の動作時に半導体レーザ素子が自励発振していれば本発明の効果は発生し、上記構造以外にも、層厚に垂直な方向の光閉じ込めが、インデックスガイドとゲインガイドの中間的な状態となるように設定することにより、活性層内部に可飽和吸収領域を設ける、ウィークリー・インデックス・ガイド（ＷＩ）型構造であっても良い。
【００１８】
本発明の自励発振（半導体）レーザ素子は、窒化物半導体を含むものであることが好ましい。該窒化物半導体は、窒素を主成分とする半導体であり、自励発振レーザ素子に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮが挙げられる。
【００１９】
なお、本願明細書においては、ＩｎＧａＮとは、Ｉｎ（インジウム）とＧａ（ガリウム）とＮ（窒素）を主に含有する半導体であって、これらの３元素で９９％以上の組成を占めるものを意味し、Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎとの記載は、半導体に含まれるＩｎとＧａの比率が0.07：0.93であることを意味するものとする（ＡｌＧａＮ、ＧａＮについても同様）。
【００２０】
また、本発明の自励発振レーザ素子は、発振波長が３９０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
本発明の前記半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層と活性層の間に、活性層から近い側から、第１導電型中間層と、第１導電型可飽和吸収層を少なくとも備えていることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層と第２導電型クラッド層の間に、活性層から近い側から、第２導電型中間層と、第２導電型可飽和吸収層を少なくとも備えていることが好ましい。
【００２３】
本発明の発光装置においては、半導体レーザ素子がアレイ型半導体レーザ素子であるか、または、半導体レーザ素子を２個以上備えていることが好ましい。また、本発明の発光装置は、複数の発光点からのレーザ光の内、波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが存在している場合に特に有用である。
【００２４】
本発明の発光装置に用いられる自励発振半導体レーザ素子の基板は、特に限定されないず、ｎ−ＧａＮ基板、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等が挙げられ、好ましくは、ｎ−ＧａＮ基板である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、半導体レーザ素子および蛍光体を用いた発光装置において、レーザ光の可干渉を弱めることができるため、出射光の干渉縞や光ムラといった発光装置として好ましくない現象を抑えることができる。また、従来よりも高出力で安定した出射光を維持することのできる発行装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本願の図面において、同一の符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
【００２７】
図１は、本発明の発光装置における実施形態の構成を示すブロック図である。
以下、図１を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
本発明における発光装置１００は、自励発振半導体レーザ素子１０１と、蛍光体１０２とを備える。そして、自励発振半導体レーザ素子が発するレーザ光１０３が、蛍光体に吸収されるように、自励発振半導体レーザ素子と蛍光体とが配置されている。蛍光体で吸収されたレーザ光は、蛍光体により蛍光光１０４に変換され、発光装置外部に取り出される。
【００２９】
本発明の発光装置では、自励発振半導体レーザ素子を使用しており、レーザ光の可干渉性が低くなっているため、自励発振半導体レーザ素子がアレイ型自励発振半導体レーザ素子であるか、若しくは自励発振半導体レーザ素子が２個以上あり、個々の発光点からのレーザ光の波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが存在しても、互いのレーザ光が干渉することが無いので、出射光に干渉縞が生じることは無いという効果を奏する。
【００３０】
また、レーザ光の一部が蛍光体等により反射し、再び自励発振半導体レーザ素子に入射する光、即ち戻り光１０５があっても、本発明の発光装置では自励発振半導体レーザ素子を使用しており、レーザ光の可干渉性が低くなっている為、レーザ発振動作、即ち光出力が不安定となることを防止できるという効果を奏する。
【００３１】
図２は、本発明の発光装置における第２の実施形態の構成を示すブロック図である。以下、図２を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。
【００３２】
本発明における発光装置２００は、発振波長４２０〜５００ｎｍの自励発振半導体レーザ素子２０１と、蛍光体２０２とを備える。そして、自励発振半導体レーザ素子が発するレーザ光２０３が、蛍光体に吸収されるように、自励発振半導体レーザ素子と蛍光体とが配置されている。蛍光体で吸収されたレーザ光は、蛍光体により蛍光光２０４に変換され、発光装置外部に取り出される。またレーザ光の一部２０５は蛍光体で吸収されずに蛍光体を透過し、発光装置外部に取り出される。すなわち、第２の実施形態の発光装置においては、蛍光体による蛍光光と、透過したレーザ光の一部とを併せて白色光を生じさせている。（なお図２においても、戻り光は存在しているが、図示していない。）
第２の実施形態の発光装置においては、上記の効果に加え、以下の効果が存在する。
【００３３】
第２の実施形態の発光装置においては、レーザ光の可干渉性が低くなっている為、可干渉性に起因するレーザ光特有のスペックルパターンが軽減されるという効果を有している。
【００３４】
また、第２の実施形態の発光装置は、蛍光光とレーザ光の一部とを併せて白色光を生じさせているが、自励発振半導体レーザ素子を用いているので、従来の発光装置に比べてレーザ光のスペクトルが広がり、白色光の演色性が改善するという効果も有している。
【実施例１】
【００３５】
図３は、実施例１の発光装置を示す模式的な断面図である。
アレイ型自励発振半導体レーザ素子３０１は、ステム３０２と一体的に形成されたブロック３０３上に実装されている。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、ワイヤ３０４により、ステムと一体的に形成されたピン３０５に接続され、発光装置外部からピンに電力供給することにより、アレイ型自励発振半導体レーザ素子に通電させることができる。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、キャップ３０６により、気密された空間内３０７に配置されている。但しキャップには、ガラス製の透過窓３０８が設けられており、これによりアレイ型自励発振半導体レーザ素子から発光したレーザ光３０９は、透過窓を通過して気密された空間の外に放出されている。さらにキャップの外側に、蛍光体３１０が配置されており、レーザ光の大部分が蛍光体に照射され、吸収され、蛍光光３１１に変換されて放出される。
【００３６】
図４は、実施例１の自励発振半導体レーザ素子である窒化物半導体レーザ素子を、ストライプ方向から見た断面図である。
【００３７】
この窒化物半導体レーザ素子は、Ｐ型可飽和吸収層を備えた構造であって、基板側から説明すると、Ｎ電極４１０、ｎ−ＧａＮ基板４１１、ｎ−ＧａＮ層４１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層４１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４１４、ｎ−ＧａＮガイド層４１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層４１６、ｐ−ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．４１７、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．４１８、ＩｎＧａＮのＳ．Ａ．４１９、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．４２０、ｐ−ＧａＮガイド層４２１、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４２２、ｐ−ＧａＮコンタクト層４２３、絶縁膜４２４、Ｐ電極４２５を有している。
【００３８】
本願明細書の記載において、Ｓ．Ａ．とは可飽和吸収層（Ｓａｔｕｒａｂｌｅ−Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）を、Ｃ．Ｅ．とはキャリア消滅層（Ｃａｒｒｉｅｒ−Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）を指す（以下、同様）。
【００３９】
図４に示すように、実施例１の自励発振半導体レーザ素子は、リッジ構造を用いた屈折率導波路をもつ自励発振半導体レーザ素子である。ｐ−ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．は注入されたエレクトロンのオーバーフローを防止するためのキャリアブロック層としての効果もある。
【００４０】
＜実施例１の製造方法＞
以下、図３及び図４を参照しつつ、実施例１の発光装置の製造方法を説明する。
【００４１】
なお、本明細書中で述べるエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長する方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法を含む。
【００４２】
まず、窒化ガリウム半導体層をＧａＮ基板４１１上にエピタキシャル成長させる。ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板をセットし、Ｖ族原料のＮＨ3とＩＩＩ族原料のＴＭＧａを用いて、５５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッファ層を２５ｎｍ成長する（図示せず）。次に、１０７５℃の成長温度で前記原料にＳｉＨ4を加えｎ−ＧａＮ層４１２（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を３μｍ形成する。続いて成長温度を７００℃から８００℃程度に下げ、ＴＭＩｎのＩＩＩ族原料の供給を行い、ｎ−Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層４１３を５０ｎｍ成長する。再び基板温度を１０７５℃に上げ、ＴＭＡｌのＩＩＩ族原料を用いて、２．０μｍ厚のｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長し、続いてｎ−ＧａＮガイド層４１５を０．１μｍ成長する。
【００４３】
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４１４は上記に限るものではなく、０．０３から０．２０程度の混晶比の均一な層であったり、混晶比の異なる複数の層であったり、混晶比が連続的に変化する層であったりしてもよく、層厚も異なっていてもよい。ｎ−ＧａＮ基板への放射ロスが十分抑えられることが重要である。また、ｎ−ＧａＮガイド層４１５も上記に限るものではなく、活性層の光閉じ込め係数とＦＦＰパターンを最適化するために変更されるべきであるが、一意に決まるのではない。特に、若干のＩｎが混晶されていたり、アンドープ（Ｓｉ不純物濃度１×１０17／ｃｍ3以下）であったりしてもよく、層厚が異なっていてもよい。
【００４４】
その後、基板温度を７３０℃に下げ、４周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎバリア層より構成される活性層（多重量子井戸構造）４１６を、バリア層／井戸層／バリア層／井戸層／バリア層／井戸層／バリア層の順序で成長する。バリア層と井戸層、または井戸層とバリア層との間に、１秒以上１８０秒以内の成長中断を行ってもよい。これにより各層の平坦性が向上して、発光半値幅が減少する。活性層にはＳｉを不純物として添加しているが、バリア層、井戸層ともにアンドープ（Ｓｉ不純物濃度１×１０17／ｃｍ3以下）としたり、どちらか一方をアンドープとしてもよい。また、活性層は３周期に限らずＳＱＷ（単一量子井戸）でもよく、２周期から１２周期程度でもよく、望ましくは３周期から６周期がよい。
【００４５】
次に、基板温度を再び１０５０℃まで昇温して、厚さ１８ｎｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの第１のＣ．Ｅ．４１７を成長する。ｐ型不純物としてＭｇを５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3で添加した。なお、ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの第１のＣ．Ｅ．４１７は５ｎｍから４０ｎｍであることが望ましく、ｐ層方向にＡｌの組成が少なくなるような構造であったり、Ａｌの組成が異なる１つ以上の層の組み合わせであってもよい。ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎの第１のＣ．Ｅ．１７が５ｎｍより薄くなるとキャリアオーバーフローにより閾値が上昇する。
【００４６】
次に、基板温度を７３０℃に下げて、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの第２のＣ．Ｅ．４１８を２ｎｍ成長し、続いて、Ｉｎ0.10Ｇａ0.90ＮのＳ．Ａ．４１９を１ｎｍ、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの第３のＣ．Ｅ．４２０を２ｎｍ成長する。これらの層にはｐ型不純物としてＭｇを１×１０17／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3で添加したが、アンドープ（Ｍｇ不純物濃度１×１０17／ｃｍ3以下を意味し、他の層からの拡散や、成長時の残留ガスによる少量の添加物が含まれる。）であったり、それぞれの層で不純物濃度が異なっていたりしてもよい。しかし、Ｓ．Ａ．で光を吸収することにより発生する電子を、短時間で緩和させなければ、次の吸収が不可能になり自励発振が継続できなくなるため、Ｓ．Ａ．は、隣接するＣ．Ｅ．に比べ、Ｍｇ不純物濃度を増加させた方がより望ましい。
【００４７】
Ｓ．Ａ．が励起子ボーア半径程度かそれよりも薄くなる４ｎｍ以下では、Ｓ．Ａ．の実質的なバンドギャップを、ウェハーのフォトルミネッセンスＰＬ測定や、吸収スペクトルで調べることができる。また、４ｎｍよりも厚い場合には、ウェハーの吸収スペクトルを観察することが望ましい。内部電界によるキャリアの局在化が影響するためである。これ
らの測定の結果、活性層の実質的なバンドギャップとＳ．Ａ．の実質的なバンドギャップとの差が−０．１５ｅＶ〜＋０．０２ｅＶ以内となるようにして、これらの実質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整する。なお、Ｓ．Ａ．及びＣ．Ｅ．を積層後、１秒以上１８０秒以内の成長中断を行ってもよい。
【００４８】
続いて、基板温度を再び１０５０℃まで昇温しながら、０．０９５μｍのｐ−ＧａＮガイド層４２１、０．５μｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４２２、０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層４２３を成長する。ｐ型不純物としてＭｇを５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3で添加した。
【００４９】
上記のように、各層を構成する元素およびドープ元素の各原料に、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3、Ｃｐ2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）、ＳｉＨ4を用いている。
【００５０】
ｐ−ＧａＮコンタクト層４２３の形成後、ドライエッチングによりリッジ構造を形成し、リッジ構造以外の部位にＳｉＯ2から成る絶縁膜４２４を設けて、その上面にＰ電極４２５（Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ）を形成する。なお、絶縁膜４２４はＳｉＯ2に限らず、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ａｌ2Ｏ3などや、これらのうちの２つ以上の材質の混合体や層構造であってもよい。また、Ｓｉ等の吸収材料を用いて、ロスガイド構造にしてもよい。リッジ幅は１μｍから２０μｍ程度であればよく、またリッジ幅が一定でない変調リッジ構造やテーパーリッジ構造であってもよい。
【００５１】
その後、ＧａＮ基板の裏面側から研磨またはエッチングにより基板の一部を除去して、ウェハーの厚さを７０〜３００μｍ程度までに薄く調整する。これは、後の工程でウェハーを分割し個々のレーザチップにするのを容易にするための工程である。特に、レーザ端面ミラーも分割時に形成する場合には、７０〜１２０μｍ程度に薄く調整することが望ましい。本実施の形態においては、研削機及び研磨機を用いて、ウェハーの厚さを１００μｍに調整した。なお、研磨機のみを用いてもよい。ウェハーの裏面は、研磨機により磨かれているため平らである。
【００５２】
研磨後、ＧａＮ基板４１１裏面に薄い金属膜を蒸着して、Ｎ電極４１０を設ける。このＮ電極４１０はＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕの層構造より成る。このような薄い金属膜を膜厚の制御性よく形成するには真空蒸着法が適しており、本実施例１においてもこの手法を用いた。ただし、イオンプレーティング法やスパッタ法等の他の手法を用いてもかまわない。Ｐ、Ｎ電極の特性向上のために、金属膜形成後５００℃でアニールを行い、良好なオーミック電極を得ている。なお、Ｎ電極のアニールは、Ｈｆ／Ａｌを蒸着した後に行ない、アニール後にＭｏ／Ｐｔ／Ａｕをメタライズしてもよい。
【００５３】
上記のようにして製作した半導体素子は、下記の方法で分割した。まず、活性層が存在する表面側からダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、ウェハーに適宜力を加えて、スクライブラインに沿ってウェハーを分割した。スクライブラインは裏面側から入れてもよい。他の手法としては、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いて傷入れまたは切断を行うダイシング法、エキシマレーザ等のレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブラインとするレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光の照射により照射部位を蒸発させて溝入れ加工を行うレーザアブレーション法等を用いても、同様にチップ分割可能である。
【００５４】
なお、出射後面には高反射膜（ＨＲ）をコーティングすることもある。高反射膜は、よく知られているように、低屈折率材質と高屈折率材質を光学波長λの１／４の厚さで交互に積層することで得られ、本実施の形態ではＳｉＯ2／ＴｉＯ2から成る４ペア（８層）を用いた。これにより後面の反射率は約９５％に上がる。
【００５５】
また、出射前面には低反射膜（ＡＲ）をコーティングすることもある。低反射膜は、良く知られているように、低屈折率材質を光学波長λの約１／４の厚さで積層することで得られ、０．５％程度まで下げることが可能である。
【００５６】
次に、ダイボンディング法により、分割された自励発振半導体レーザ素子をヒートシンク上に実装した。自励発振半導体レーザ素子は、Ｐ電極側を接合面にするジャンクションダウンでハンダ等を用いて接着した。ここでいうヒートシンクはステムのブロックのことである。ハンダの材質としては、例えばＡｕＳｎ（Ｓｎ＝２０％）、ＳｎＡｇＣｕを用いる。ここで、必要に応じて、自励発振半導体レーザ素子とヒートシンクの間に、サブマウントを配置しても良い。これは、自励発振半導体レーザ素子とヒートシンクを電気的に分離したいといった要請等により設けられる。サブマウント材料としては、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ダイヤモンド等の高熱伝導材料が用いられる。
【００５７】
次に、自励発振半導体レーザ素子とリード間をワイヤーで電気的に接続する。電気的に接続する手段としては、例えばワイヤーボンド装置を用いてＡｕ線等のワイヤーを両者間に張ることにより達成される。
【００５８】
次に、キャップにより、自励発振半導体レーザ素子を気密封じする。これは、発光装置が実用環境下で長期間の使用に耐えるように、半導体材料、ハンダ材、電極材料、ワイヤボンディング部が湿気などの外気に犯されるのを防止する目的でなされる。方法としては、良く知られた方法があり、小型円筒形のキャップの場合にはリングウェルド法、大型パッケージの場合にはシームウェルド法やレーザウェルド法がある。
【００５９】
最後に、キャップの透過窓の外側に、蛍光体を配置した。蛍光体は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体（黄色）、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（黄色）、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（緑色）、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ（赤色）、セリウムを含む酸窒化珪素化合物（青色）、等が挙げられ、単独で用いる場合もあればこれらを混合させて用いる場合も有り、照明装置及び表示装置の用途や要求仕様により選択する。本実施例においては、高効率・高演色性に優れた組み合わせの例として、セリウムを含む酸窒化珪素化合物（青色）とβ−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（緑色）とα−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（黄色）とＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ（赤色）の組み合わせを採用した。
【００６０】
可飽和吸収特性を利用した自励発振半導体レーザを得るためには、可飽和吸収体のキャリア寿命が重要なパラメータになることが、山田らにより理論的に検討されている（ＩＥＩＣ．Ｅ． Ｔｒａｎｓ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ．Ｅ８１−Ｃ， １９９８）。ＩｎＧａＮを活性層に用いる窒化物半導体では、可飽和吸収体として利用される可飽和吸収層（Ｓ．Ａ．）にもＩｎＧａＮを用いる。一般的に、ＩｎＧａＮを活性層に用いる窒化物半導体レーザでは、ＧａＮおよびＡｌＧａＮを併用するダブルへテロ構造が採用される。
【００６１】
それぞれのバルクにおけるバンドギャップは、低い方からＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの順であり、格子定数は、大きい方からＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮの順である。また、エピタキシャル成長における成長温度は、ＩｎＧａＮが約８００℃以下であり、ＧａＮ及びＡｌＧａＮは１０００℃程度であることが多い。
【００６２】
このような特性をもつ３種類の材料を組み合わせた窒化物半導体レーザを用い、キャリア寿命を適切に制御することが可能なＳ．Ａ．システムについて、以下に説明する。
【００６３】
なお、本明細書において、Ｓ．Ａ．は可飽和吸収層を示し、Ｓ．Ａ．システムは、Ｓ．Ａ．の可飽和吸収特性に影響を与えるＳ．Ａ．近傍の層とＳ．Ａ．を含むものである。本明細書では、内部電界を利用したＳ．Ａ．システム、ヘテロ界面における欠陥等などによる再結合を利用したＳ．Ａ．システムについて述べる。
【００６４】
＜内部電界について＞
上記３種類の材料を用いたエピタキシャル成長層は、相互の歪みにより大きな内部電界が生じる。一般に、内部電界には圧電効果と自発分極があり、バンドベンディングの傾きが材料でおおよそ決定される。Ｓ．Ａ．システムの実質的な吸収特性を決めるＳ．Ａ．はＩｎＧａＮから成り、含まれるＩｎの組成Ｉｎ（ｘ）は隣接する層に対して大きくなる。このＳ．Ａ．は、周辺の層構造よりも格子定数が大きいため、圧縮歪みが発生する。通常、窒化ガリウム系の半導体はｃ面方向に成長面を持ち、Ｇａリッチで成長する。ｐ−ｎジャンクションを有する窒化ガリウム系の半導体では、前記歪みを有するＩｎＧａＮから成るＳ．Ａ．は、Ｐ層方向（一般的に成長方向であることが多い）にエネルギーが小さくなるようにバンドベンディングする。このベンディング方向は、窒化ガリウム系の半導体に設けられたＰ電極、Ｎ電極間に順バイアスした場合と同様である。
【００６５】
また、これらの窒化ガリウム系の半導体では、基板として、ＧａＮ基板やサファイア基板を用いることが多く、これらの基板の格子定数はＩｎＧａＮよりも小さいため、基板上に積層されたＳ．Ａ．は圧縮歪みを受ける。
【００６６】
一方、Ｉｎの組成の少ないＩｎＧａＮやＧａＮ、Ａｌの組成の少ないＡｌＧａＮ等は、周辺層の状態によりベンディング方向が異なる。また、Ａｌの組成の多いＡｌＧａＮでは、Ｐ層方向にエネルギーが高くなるようにバンドベンディングするが、半導体レーザ動作時は外部印加電界を考慮する必要がある。このような特徴を適切に利用することにより、窒化物半導体特有のＳ．Ａ．システムを構築することができることが分かった。
【００６７】
＜キャリア消滅層（Ｃ．Ｅ．）＞
Ｓ．Ａ．のキャリアを速やかに緩和させるためには、前述の内部電界の効果を用いて、キャリア消滅層（Ｃ．Ｅ．）へ少数キャリアをトンネルさせることが可能である（経路＿Ｂ）。
【００６８】
なお、本明細書ではＳ．Ａ．システムにおけるＳ．Ａ．以外の層は、直接的、間接的にかかわらず、全てＳ．Ａ．におけるキャリアを消滅させるために用いられるので、こ
れら全ての層をＣ．Ｅ．（キャリア消滅層）と呼ぶ。詳細は後述する。
【００６９】
トンネル効果によるＣ．Ｅ．のキャリア寿命をτC.E.、Ｃ．Ｅ．の層厚をｄC.E.、トンネル確率をτtとし、Ｓ．Ａ．内の再結合時間をτS.A.、Ｓ．Ａ．の層厚をｄS.A.とすれば、τtが十分短い場合には、
τＳ．Ａ．’＝ｄＳ．Ａ．／（ｄＣ．Ｅ．／τＣ．Ｅ．＋ｄＳ．Ａ．／τＳ．Ａ．）
となり、例えば、τＳ．Ａ．＝τＣ．Ｅ．かつ２×ｄＳ．Ａ．＝ｄＣ．Ｅ．の場合には、
τＳ．Ａ．’＝τＳ．Ａ．／３
になる。また、τＣ．Ｅ．が十分早い、あるいはｄＣ．Ｅ．が十分厚い場合には、
τＳ．Ａ．’＝１／（１／τＳ．Ａ．＋１／τｔ）
のように記述できる。
【００７０】
Ｃ．Ｅ．のキャリア寿命を短くするためには、Ｃ．Ｅ．とＡｌＧａＮヘテロ界面における再結合を利用することもできる。後述するように、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮへテロ界面では成長温度の変化が大きいこと、格子定数が異なることから、欠陥等による再結合が促進されると考えられる。
【００７１】
Ｓ．Ａ．からＣ．Ｅ．へのトンネル確率を高くするためには、井戸層に生成したキャリアの分布がＣ．Ｅ．にしみ出し、かつ、Ｃ．Ｅ．にトンネルできる準位が存在することが望ましい。Ｓ．Ａ．の層厚ｄS.A.が励起子ボーア半径よりも小さい場合には、吸収により生成したキャリアの分布はＳ．Ａ．の外にしみ出す。このように、ＩｎＧａＮから成るＳ．Ａ．井戸層の幅は、４ｎｍ以下であることが望ましく、特に、３ｎｍ以下がよいことが分かった。
【００７２】
一方、例えば、大きくバンドベンディングしたＳ．Ａ．では、前述のようにＰ層方向にエネルギーが下がるため、少数キャリアがエレクトロンの場合には、キャリア分布がＰ層方向に偏り、少数キャリアがホールの場合には、キャリア分布が基板方向に偏る。このようなバンドベンディングの大きい歪み量子井戸から成るＳ．Ａ．では、層厚が４ｎｍ以上であっても、それぞれＰ層方向、基板方向のＣ．Ｅ．にキャリア分布がしみ出すと考えられる。ただし、このような歪み量子井戸から成るＳ．Ａ．では、バンドベンディングによる実質的なバンドギャップ縮小が大きく、相対的にＩｎの組成Ｉｎ（ｘ）を小さくする必要がある。
【００７３】
Ｃ．Ｅ．へのトンネル効果を得るためには、Ｃ．Ｅ．もＳ．Ａ．と同様に、Ｐ層方向にエネルギーが低くなるようにバンドベンディングすることが望ましく、Ｃ．Ｅ．近傍にＡｌＧａＮ層を設けるとよい。望ましくはＡｌの組成が高いほうがよく、０．１以上であって、さらに望ましくは０．１５以上であるとよい。
【００７４】
順バイアス時には、Ｓ．Ａ．のバンドベンディングが大きくなるように外部電界が働く。Ｓ．Ａ．およびＣ．Ｅ．をノンドープにすることで、外部電界の効果を顕著にすることが可能である。これにより、作りつけのトンネル効果が期待できなくても、レーザ動作時にＳ．Ａ．からＣ．Ｅ．へのトンネル効果が期待できる。
【００７５】
＜界面再結合＞
バンドベンディングの効果の他に、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮへテロ界面による再結合によって、Ｓ．Ａ．のキャリア寿命を低減することが期待できる（経路＿Ｃ）。上記のへテロ界面では、格子定数の不整合に成長温度の著しい不連続が加わるために、界面で欠陥や界面準位による再結合が期待されることが分かった。Ｓ．Ａ．のキャリア分布には励起子ボーア半径程度の広がりがあるため、上記のへテロ界面が非常に近傍に存在すれば、ヘテロ界面の欠陥や界面準位へのトンネル効果により、キャリアの速い緩和が期待できる。
【００７６】
キャリア分布の井戸層からのしみ出しを大きくするためには、ＩｎＧａＮから成るＳ．Ａ．層の幅は４ｎｍ以下であることが望ましく、特に３ｎｍ以下がよい。一方、例えば、大きくバンドベンディングした歪み量子井戸から成るＳ．Ａ．では、前述のようにＰ層方向にエネルギーが下がり、少数キャリアがエレクトロンの場合には、キャリア分布がＰ層方向に偏るため、Ｓ．Ａ．のＰ層方向近傍にヘテロ界面があればよく、少数キャリアがホールの場合には、キャリア分布が基板方向に偏るため、Ｓ．Ａ．の基板方向近傍にヘテロ界面があればよい。このような歪み量子井戸から成るＳ．Ａ．では、井戸の幅が４ｎｍ以上であってもキャリア寿命の低減が期待できる。
【００７７】
実施例１におけるＳ．Ａ．システムの説明図を図５に示す。
図５においては、Ｓ．Ａ．システムのＮ電極側から、ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．４１７、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．４１８、ＩｎＧａＮのＳ．Ａ．４１９、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．４２０が設けられていることを示している。
【００７８】
エレクトロンの緩和経路には、図５に示したように、Ｓ．Ａ．４１９での緩和（経路＿Ａ）、第１のＣ．Ｅ．４１７／第２のＣ．Ｅ．４１８ヘテロ界面での緩和（経路＿Ｃ）、Ｓ．Ａ．４１９から第３のＣ．Ｅ．４２０へのトンネリングによる緩和（経路＿Ｂ）がある。経路＿Ａは輻射再結合と非輻射再結合を含むものである。このように経路＿Ｂおよび経路＿Ｃをコントロールすることで、窒化物半導体レーザ特有のＳ．Ａ．システムを構築することができる。
【００７９】
図５に示したＳ．Ａ．システムでは、Ｓ．Ａ．がＰ層側に配置されているが、Ｓ．Ａ．は、Ｐ層、Ｎ層のどちらにあっても同様の効果が期待できる。Ｐ層においては、ホールが多数キャリアのため、エレクトロンのトンネル効果が重要である。また、Ｎ層においては、エレクトロンが多数キャリアのため、ホールのトンネル効果が、自励発振するために重要である。
【００８０】
実施例１では、第２のＣ．Ｅ．４１８、Ｓ．Ａ．４１９、第３のＣ．Ｅ．４２０について層厚等を検討した。
【００８１】
経路＿Ｃを利用するためには、エレクトロンの広がりを利用する必要があり、Ｓ．Ａ．の中心から第１のＣ．Ｅ．層４１７までの距離が励起子ボーア半径と同程度でなければならず、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ．／２ ≦ １０ｎｍ
がよいと考えられ、さらに望ましくは、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ．／２ ≦ ４ｎｍ
がよいと考えられる。
【００８２】
第２のＣ．Ｅ．４１８はＩｎＧａＮまたはＧａＮであって、Ｉｎの組成は０から０．０５程度がよい。また、第２のＣ．Ｅ．４１８の成長温度は８３０℃以下が望ましい。
【００８３】
経路＿Ｂを利用するためには、第１のＣ．Ｅ．４１７から第３のＣ．Ｅ．４１９までの距離が短いほうがよく、格子緩和されないことが必要である。経路＿Ｂと経路＿Ｃの効果の区別は難しいが、実施例１において、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ． ≦ １５ｎｍ
であれば自励発振が確認された。さらに望ましくは、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ． ≦ ５ｎｍ
がよかった。上記範囲内であれば窒化物半導体レーザは自励発振を得やすく、層厚を適切に調整することで自励発振特性を制御できる。
【００８４】
Ｓ．Ａ．は、望ましくは励起子ボーア半径程度の４ｎｍ以下がよく、０．５ｎｍ以上がよい。０．５ｎｍ以下ではＳ．Ａ．内のＩｎの凝集により、層として考えられないためである。しかしながら、４ｎｍよりも厚いＳ．Ａ．であっても、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ． ≦ １５ｎｍ
においては、第２のＣ．Ｅ．が薄くなってＳ．Ａ．の歪みが大きくなるため、自励発振を得ることができる。
【００８５】
したがって、Ｓ．Ａ．システム構造２においては、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ． ≦ １５ｎｍ
がよい。さらに望ましくは、
ｄＣ．Ｅ．２＋ｄＳ．Ａ． ≦ ５ｎｍ
がよい。
【００８６】
実施例１において、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．４１８はＧａＮであってもよく、ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．４１７とＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．４１８の間に薄いＧａＮの層が挿入されていてもよく、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．４１８とＩｎＧａＮのＳ．Ａ．４１９の間にＧａＮが挿入されていてもよく、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．４２０はＧａＮであってもよく、また、ＩｎＧａＮのＳ．Ａ．４１９とＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．４２０の間にＧａＮが挿入されていてもよい。
【００８７】
なお、実施例１において、Ｓ．Ａ．およびＣ．Ｅ．は基板からの圧縮歪みを受けているため、経路＿Ｂの効果を促進しているものと考えられる。このような効果を得るためには、基板の格子定数がＳ．Ａ．およびＣ．Ｅ．の格子定数よりも小さいことが望ましく、具体的には、ＧａＮと同じか、小さければよい。基板には、例えば、サファイア基板やサファイアに少量のＡｌとＯ（酸素）以外の元素を混晶したもの、ＡｌＧａＮ基板などのＧａＮにＧａとＮ以外の元素を混晶したものが考えられる。
【００８８】
自励発振周波数は光子寿命によって変更することができるため、共振器長、端面反射率を変えるとよい。
【００８９】
窒化物半導体レーザにおけるＳ．Ａ．システム以外の層は、上述のものと異なっていても、本発明の効果が期待できる。例えば、多層構造のＡｌＧａＮクラッド層や、ＳＬＳクラッド、ＩｎＧａＮガイド層等である。また、活性層と第１のＣ．Ｅ．の間に、ＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層があってもよい。
【００９０】
ところで、これらのＳ．Ａ．システムを設けた窒化物半導体レーザにおいては、共振器内の光子寿命が自励発振特性を決定づける大きな要因の一つである。光子寿命を長くする方法として、たとえば、端面反射率を高くする、共振器長を長くする、内部損失を減らす試みが有効である。特に、反射率や共振器長は容易に変更可能であるため、窒化物半導体レーザ製作の最終工程で変更するとよいであろう。また、内部損失が少ない窒化物半導体レーザほど、短共振器長であっても自励発振特性が得られる。また、前面および後面の反射率が高い窒化物半導体レーザほど、短共振器長であっても自励発振特性が得られるが、前面の反射率を高くすると前面からのレーザ光取り出しが困難になるため、自励発振が可能な光出力幅は見かけ上狭くなる。
【００９１】
これらを考慮すれば、共振器長は１５０ｎｍ以上、望ましくは３００ｎｍ以上、さらに望ましくは４５０ｎｍ以上がよく、後面の反射率は７０％以上であることが望ましい。一方、前面の反射率は５〜６０％であることが望ましい。前面の反射率が６０％より大きいと、見かけ上の自励発振可能な光出力幅が狭くなり、５％未満では、光子寿命が短くなって自励発振しにくいためである。
【００９２】
このようにして製作した発光装置の諸特性を調べた。自励発振半導体レーザ素子の共振器長は６５０μｍ、ストライプ幅５μｍとした。室温２５℃において電流閾値約６０ｍＡで連続発振し、発振波長３９０〜４２０ｎｍであった。また、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）はリップル等が無く、レンズ等で集光する際に問題は無かった。基本横モードで発振していると推定される。次に、光出力を１００ｍＷに固定し（ＡＰＣ駆動）、高速の受光素子と電気オシロスコープを用いて光波形を観測したところ、自励発振していることが分かった。なお、自励発振の有無は、電気スペアナや光オシロスコープ等による観測でも検出可能である。
【００９３】
（実験例１）  自励発振波形の撮影
図６は、測定で得られた実施例１の自励発振波形をデジタルカメラで撮影したものである。測定時にはパルス電流を用いており、パルス幅は１．８μｓ、デューティー比は１％で、オシロスコープで２ｎｓ／ｄｉｖである。
【００９４】
次に、注入電流を変えながら自励発振とその時の光出力を調べたところ、約５００ｍＷまで自励発振が認められた。なお、前後の反射率などを調整すれば、１Ｗ程度まで自励発振することも可能である。
【００９５】
半導体レーザが自励発振を行なうためには、Ｓ．Ａ．の線形傾斜利得が高く、キャリア寿命が短いことが必要であることが、他材質の検討で明らかにされている。窒化物半導体では、波長が４００ｎｍと短いことによりフォトンエネルギーが高いため、また、材料も違うため、上記のような特性を実現するために、新たな探求が必要であることは至極明らかである。
【００９６】
（実験例２）  干渉縞の確認
図７（ａ）は、３アレイ型自励発振半導体レーザ素子を搭載した、実施例１の発光装置において、蛍光体が無い状態におけるファーフィールドパターンを示したものである。図７（ｂ）は、従来の発光装置、即ち、半導体レーザ素子として、自励発振しない半導体レーザ素子（Ｓ．Ａ．を有しない半導体レーザ素子）を用いた発光装置における、ファーフィールドパターンを示している。ここでファーフィールドパターンは、自励発振半導体レーザ素子の発光面に垂直な方向から、基板面に対して平行な方向に対して走査することにより得られたものである。
【００９７】
図７より、本実施例の発光装置におけるファーフィールドパターンは単峰形状であるのに対し、従来の発光装置では、干渉縞が生じており、複峰形状になっていることが示される。これは、本発明の発光装置では、自励発振半導体レーザ素子を用いているので、可干渉性が低下しており、複数の発光点から放出されたレーザ光が互いに干渉しない為に生じた結果であり、本発明の効果に他ならない。
【００９８】
（実験例３）  戻り光量に対する相対雑音強度
図８は、戻り光量に対する相対雑音強度（ＲＩＮ）を測定した例である。８０１は実施例１の発光装置に対して測定したものであり、８０２は、従来の発光装置、即ち、半導体レーザ素子として、自励発振しない半導体レーザ素子（Ｓ．Ａ．を有しない半導体レーザ素子）を用いた発光装置に対して測定したものであり、いずれも蛍光体が無い状態での測定結果を表している。
【００９９】
図８より、本発明の発光装置におけるＲＩＮは、従来の発光装置に対して低くなっている。これは、本発明の発光装置では、自励発振半導体レーザ素子を用いているので、可干渉性が低下しており、戻り光による光出力に含まれる雑音強度が減少しているためである。これにより、蛍光体を配置しても、蛍光体表面における反射による相対雑音、即ち、発光強度における雑音強度は、本発明の発光装置の方が、従来の発光装置に比べて低くなると予想される。
【０１００】
（実験例４）  自励発振半導体レーザ素子の発光点位置に対する発振波長の測定
図９は、自励発振半導体レーザ素子の発光点位置に対する発振波長を測定する方法を示す模式図である。発光装置９００は、図３の発光装置から、蛍光体とキャップ部分を除いた構成である。発光装置に電力を供給し、レーザ発振させた状態で、自励発振半導体レーザ素子の端面からのレーザ光を対物レンズ９０２を用いて光ファイバー９０３に結合させ、光スペクトルアナライザー９０４に入射させて発光スペクトルを測定する。対物レンズと光ファイバーを、端面及び基板に対し平行な方向に走査させることにより、それぞれの位置における発光スペクトルのピーク値を測定することにより、発光点位置に対する発振波長を測定することが可能となる。
【０１０１】
図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、３つの発光点を有する従来型の（自励発振しない半導体レーザ素子を用いた）発光装置に対して、図９に示す測定系を用いて、各発光点位置に対する発振波長をプロットした例である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各々異なるロットの従来型発光装置に対して測定した例であり、説明の為に顕著な３つの例について示している。図１０（ａ）は、隣り合う発光点位置における発振波長の差は全て１ｎｍ以下である例を、図１０（ｂ）は、隣り合う発光点位置における発振波長の差が１ｎｍ以下の組み合わせと１ｎｍより大きい組み合わせが混在している例を、図１０（ｃ）は、隣り合う発光点位置における発振波長の差が全て１ｎｍより大きい例を示している。ここで３つの発光点とは、実施例１のようにアレイ型自励発振半導体レーザ素子が実装された発光装置では、夫々のストライプの出射端面に相当し、実施例３のように複数の自励発振半導体レーザ素子が実装された発光装置では、個々の自励発振半導体レーザ素子が有するストライプの出射端面に相当する。
【０１０２】
図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）のうち、（ａ）（ｂ）において、図７（ｂ）に示すような多峰形状のファーフィールドーパターンが観測された。さらに多数のアレイからなる、自励発振しない半導体レーザ素子を用いた、従来型の発光装置について調べたところ、複数の発光点からのレーザ光の内、波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが１つでも存在すると、図７（ｂ）に示すような多峰形状のファーフィールドーパターンが観測されることが判った。しかし、自励発振半導体レーザ素子を用いた、本発明の発光装置においては、複数の発光点からのレーザ光の内、波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが存在しても、図７（ｂ）に示すような多峰形状のファーフィールドーパターンは観測されなかった。このことから、複数の発光点からのレーザ光の内、波長差が１ｎｍ以下の組み合わせが１つでも存在するような状況において、本発明の効果は顕著となることが判る。
【実施例２】
【０１０３】
図１１は、本発明の実施例２の自励発振半導体レーザ素子を、ストライプ方向から見た断面図である。
【０１０４】
この窒化物半導体レーザ素子は、Ｐ型可飽和吸収層を備えた構造であって、基板側から説明すると、Ｎ電極１１１０、ｎ−ＧａＮ基板１１１１、ｎ−ＧａＮ層１１１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１１１３、Ｓ．Ａ．システム１１１４、ｎ−ＧａＮガイド層１１１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１１１６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層１１１７、ｐ−ＧａＮガイド層１１１８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１１９、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１２０、絶縁膜１１２１、Ｐ電極１１２２である。
【０１０５】
図１２は、実施例２のＳ．Ａ．システムを示す。基板側から、ｎ−ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．１２０１、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．１２０２、ＩｎＧａＮのＳ．Ａ．１２０３、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．１２０４、ｎ−ＡｌＧａＮの第４のＣ．Ｅ．１２０５である。
【０１０６】
実施例２は、自励発振半導体レーザ素子として、図１１に示したものを使用している他は、実施例１と同じ形態である。
【０１０７】
実施例２では、ｎ型可飽和吸収層を用いているため、少数キャリアがホールである他は、実施例１と同様の効果が期待される。
【０１０８】
ＡｌＧａＮの第４のＣ．Ｅ．１２０５により、
ｄＣ．Ｅ．３＋ｄＳ．Ａ． ≦ １５ｎｍ
がよい。さらに望ましくは、
ｄＣ．Ｅ．３＋ｄＳ．Ａ． ≦ ５ｎｍ
がよい。またＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．１２０１により、
ｄＣ．Ｅ．２ ≦ １５ｎｍ
がよく、さらに望ましくは、
ｄＣ．Ｅ．２ ≦ ５ｎｍ
がよい。上記範囲であれば第１のＣ．Ｅ．１２０１および第４のＣ．Ｅ．１２０５により経路＿Ｂが期待できる。
【０１０９】
ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．１２０１およびＡｌＧａＮの第４のＣ．Ｅ．１２０５のＡｌの組成は、望ましくは０．１以上であって、さらに望ましくは０．１５以上であるとよい。また、ＡｌＧａＮの第４のＣ．Ｅ．１２０５の層厚は、望ましくは５ｎｍ以上であるとよく、これにより経路＿Ｂが期待できる。
【０１１０】
なお、ＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．１２０１はクラッド層を兼ねているため、層厚は０．５μｍ以上と厚くなる。基板への放射モードを抑制するためには１．０μｍ以上が望ましい。
【０１１１】
図１２のＳ．Ａ．システム構造において、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．１２０４はＧａＮであってもよく、ＡｌＧａＮの第４のＣ．Ｅ．１２０５とＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．１２０４の間に薄いＧａＮが挿入されていてもよく、ＩｎＧａＮの第３のＣ．Ｅ．１２０４とＩｎＧａＮのＳ．Ａ．１２０３の間にＧａＮが挿入されていてもよく、また、ＩｎＧａＮの第２のＣ．Ｅ．２とＡｌＧａＮの第１のＣ．Ｅ．１の間にＧａＮが挿入されていてもよい。
【実施例３】
【０１１２】
図１３は、本発明の実施例３の発光装置を示す模式的な断面図である。
アレイ型自励発振半導体レーザ素子１３０１は、ステム１３０２と一体的に形成されたブロック１３０３上に実装されている。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、ワイヤ１３０４により、ステムと一体的に形成されたピン１３０５に接続され、発光装置外部からピンに電力供給することにより、アレイ型自励発振半導体レーザ素子に通電させることができる。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、キャップ１３０６により、気密された空間内１３０７に配置されている。但しキャップには、ガラス製の透過窓１３０８が設けられており、これによりアレイ型自励発振半導体レーザ素子から発光したレーザ光１３０９は、透過窓を通過して気密された空間の外に放出されている。さらにキャップの外側に、蛍光体１３１０が配置されており、レーザ光の大部分が蛍光体に照射され、吸収され、蛍光光１３１１に変換されて放出される。
【０１１３】
実施例３では、自励発振半導体レーザ素子が複数個、ブロック上に実装されている他は、実施例１と同様の形態である。実施例３の発光装置においても、レーザ光の発光点を複数個所有しており、この点においても実施例１と同様である。原理・効果についても、実施例１と同様である。
【０１１４】
実施例３において、複数個の自励発振半導体レーザ素子はそれぞれ、アレイ型自励発振半導体レーザ素子でも良く、また実施例２に示す自励発振半導体レーザ素子でも良く、原理・効果についても同様である。
【実施例４】
【０１１５】
実施例４は、図２に示す発光装置の具体例である。
実施例４の第１の特徴は、自励発振半導体レーザ素子の発振波長が４２０〜５００ｎｍの範囲内であることであり、第２の特徴は、発振波長に併せて蛍光体の組み合わせが異なることであり、第３の特徴は、自励発振半導体レーザ素子から蛍光体に入射させるレーザ光の内の一部を、故意に透過させ、蛍光体からの蛍光光と併せて白色光を生成する点である。
【０１１６】
実施例４における発光装置の製造方法は、発振波長が上記範囲内となるように、活性層成長時にＩｎの混晶比を調整することと、蛍光体の組み合わせを変更させることと、レーザ光を故意に透過させるように、蛍光体の形状を変更することのみであり、同様であるので省略する。
【０１１７】
蛍光体の組み合わせとしては、レーザ光の青色と補色関係にある色を発光する蛍光体が良く、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体（黄色）、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（黄色）が挙げられる。
【０１１８】
図１４は、発光装置の発光スペクトルを示している。（ａ）において、１４０１は実施例４の発光装置の発光スペクトルを示している。（ｂ）において、１４０２は、（自励発振しない半導体レーザ素子を用いた）従来型の発光装置の発光スペクトルを示している。
【０１１９】
従来型の発光装置の発光スペクトル１４０２では、波長４００−５００ｎｍの波長帯において、半導体レーザ素子からのレーザ光に起因する、急峻なスペクトル形状１４０４が生じており、演色性を悪化させている。これに対し、実施例４における発光装置の発光スペクトル１４０１では、半導体レーザ素子からの発光スペクトル１４０３が広がっており、演色性の改善が見られている。これは、本発明の発光装置では、自励発振半導体レーザ素子を用いている為、レーザ光のスペクトル線幅が、縦多モード化により広がっているためであり、本発明の効果に他ならない。
【０１２０】
また、実施例４の発光装置から放射された光をスクリーンに投影したところ、従来型の発光装置に比べ、スペックルパターンの大幅な改善が見られた。これは、本発明の発光装置では、レーザ光の一部が透過して発光装置外部に取り出されているが、レーザ光の可干渉性が低くなっている為であり、本発明の効果に他ならない。
【実施例５】
【０１２１】
図１５は、実施例５の発光装置を示す模式的な断面図である。
アレイ型自励発振半導体レーザ素子１５０１は、ステム１５０２と一体的に形成されたブロック１５０３上に実装されている。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、ワイヤ１５０４により、ステムと一体的に形成されたピン１５０５に接続され、発光装置外部からピンに電力供給することにより、アレイ型自励発振半導体レーザ素子に通電させることができる。アレイ型自励発振半導体レーザ素子は、キャップ１５０６により、気密された空間内１５０７に配置されている。但しキャップには、ガラスによる透過窓１５０８が設けられており、これによりアレイ型自励発振半導体レーザ素子から発光したレーザ光１５０９は、透過窓を通過して気密された空間の外に放出されている。さらに本実施例においては、ガラス部分に蛍光体が混入されたものを使用している。ここでレーザ光の大部分が蛍光体に照射され、吸収され、蛍光光１５１０に変換されて放出される。
【０１２２】
実施例５においては、実施例１に比べ、蛍光体材料が、キャップのガラス部に混入されていることを特徴としている。
【０１２３】
原理及び効果については、実施例１と同様である。
実施例５において、自励発振半導体レーザ素子は、実施例２に示した自励発振半導体レーザ素子を用いても良く、また実施例３のように、複数の自励発振半導体レーザ素子が実装されていてもよく、また実施例４のように、発振波長が４２０−５００ｎｍで、自励発振半導体レーザ素子から蛍光体に入射させるレーザ光の内の一部を、故意に透過させ、蛍光体からの蛍光光と併せて白色光を生成する構成でも良い。
【０１２４】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の請求範囲は上記に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示されるものである。
【０１２５】
上記各実施例において、発光装置に用いられる自励発振半導体レーザ素子の基板はｎ−ＧａＮ基板を用いたが、これに限定されるものではなく、サファイア基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等を用いても良い。
【０１２６】
また上記各実施例において、低温ＧａＮバッファ層、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層、ｎ−ＧａＮガイド層、ｐ−ＧａＮガイド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層は必要な要件ではない。無くても良く、また別の窒化物半導体からなる材料に置き換えてもよい。
【０１２７】
さらに、上記各実施例において、半導体レーザ素子はリッジ構造が形成されているが、光導波路構造が形成されていれば良く、これに限定されるものではない。例えば、一般によく知られているセルフ・アラインド・ストラクチャ（ＳＡＳ）構造、電極ストライプ構造、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造、チャネルド・サブストレイト・プレイナ（ＣＳＰ）構造などとしても、本発明の本質にかかわるものではなく、上述と同様の効果が得られる。
【０１２８】
さらに、上記各実施例において、自励発振半導体レーザ素子の自励発振を起こす方法としてＳ．Ａ．を導入した構造を示したが、発光装置の動作時に、半導体レーザ素子が自励発振していれば本発明の効果は発生し、代わりに層厚に垂直な方向の光閉じ込めが、インデックスガイドとゲインガイドの中間的な状態となるように設定することにより、活性層内部に可飽和吸収領域を設ける、ウィークリー・インデックス・ガイド（ＷＩ）型構造でも良い。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明の発光装置は、出射光の出力性能に優れ、光ムラ等の問題のないため、照明装置または表示装置に利用するために適したものである。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の発光装置における実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の発光装置における第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】実施例１の発光装置を示す模式的な断面図である。
【図４】実施例１の自励発振半導体レーザを、ストライプ方向から見た断面図である。
【図５】実施例１におけるＳ．Ａ．システムの説明図である。
【図６】測定で得られた自励発振波形をデジタルカメラで撮影したものである。
【図７】本発明および従来の発光装置のファーフィールドパターンを示す図である。
【図８】本発明および従来の発光装置の戻り光量に対する相対雑音強度（ＲＩＮ）を示す図である。
【図９】自励発振半導体レーザ素子の発光点位置に対する発振波長を測定する方法を示す模式図である。
【図１０】３つの発光点を有する、自励発振しない半導体レーザ素子を用いた、従来型の発光装置に対して、図９に示す測定系を用いて、発光点位置に対する発振波長をプロットした例である。
【図１１】実施例２の自励発振半導体レーザ素子を、ストライプ方向から見た断面図である。
【図１２】本発明のＳ．Ａ．システム構造を示す図である。
【図１３】実施例３の発光装置を示す模式的な断面図である。
【図１４】本発明の発光装置の発光スペクトルを示す図である。
【図１５】実施例の発光装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１００  発光装置、１０１  自励発振半導体レーザ素子、１０２  蛍光体、１０３  レーザ光、１０４  蛍光光、１０５  戻り光、２００  発光装置、２０１  自励発振半導体レーザ素子、２０２  蛍光体、２０３  レーザ光、２０４  蛍光光、２０５  レーザ光の一部、３０１  アレイ型自励発振半導体レーザ素子、３０２  ステム、３０３  ブロック、３０４  ワイヤ、３０５  ピン、３０６  キャップ、３０７  気密された空間内、３０８  透過窓、３０９  レーザ光、３１０  蛍光体、３１１  蛍光光、４１０  Ｎ電極、４１１  ｎ−ＧａＮ基板、４１２  ｎ−ＧａＮ層、４１３  ｎ−クラック防止層、４１４  ｎ−クラッド層、４１５  ｎ−ガイド層、４１６  ｎ−ＩｎＧａＮ活性層、４１７  第１のＣ．Ｅ．、４１８  第２のＣ．Ｅ．、４１９  Ｓ．Ａ．、４２０  第３のＣ．Ｅ．、４２１  ｐ−ガイド層、４２２  ｐ−クラッド層、４２３  ｐ−コンタクト層、４２４  絶縁膜、４２５  Ｐ電極、  ９００  発光装置、９０１  アレイ型自励発振半導体レーザ素子、９０２  対物レンズ、９０３  光ファイバー、９０４  光スペクトルアナライザー、１１１０  Ｎ電極、１１１１  ｎ−ＧａＮ基板、１１１２  ｎ−ＧａＮ層、１１１３  ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層、１１１４  Ｓ．Ａ．システム、１１１５  ｎ−ＧａＮガイド層、１１１６  ｎ−ＩｎＧａＮ活性層、１１１７  ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層、１１１８  ｐ−ＧａＮガイド層、１１１９  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、１１２０  ｐ−ＧａＮコンタクト層、１１２１  絶縁膜、１１２２  Ｐ電極、１３０１  アレイ型自励発振半導体レーザ素子、１３０２  ステム、１３０３  ブロック、１３０４  ワイヤ、１３０５  ピン、１３０６  キャップ、１３０７  気密された空間内、１３０８  透過窓、１３０９  レーザ光、１３１０  蛍光体、１３１１  蛍光光、１５０１  アレイ型自励発振半導体レーザ素子、１５０２  ステム、１５０３  ブロック、１５０４  ワイヤ、１５０５  ピン、１５０６  キャップ、１５０７  気密された空間内、１５０８  透過窓、１５０９  レーザ光、１５１０  蛍光光。
【図１】
2009224397.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６】
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