JPWO2015114711A1 - 半導体発光素子およびその駆動回路 - Google Patents

Abstract

窒化物半導体発光素子をセットに組み込んだ後、その窒化物半導体のｐ層の経時劣化を回復させる。発光素子内部に、第１発光領域と第２発光領域を形成する。ここで第１発光領域は、所望のレーザ発光を放射できる構造となっている。通常の動作は、この第１発光領域のレーザ発光のみを用い、セットの光源として使用する。セットがこのレーザ光を使用しない期間（回復期間）は、第１発光領域に逆バイアスを印加し、さらに、第２発光領域を光らせる。ここで、第２発光領域の光は、マグネシウムと水素の結合エネルギーより大きなエネルギーを有する光を発し、その光の少なくとも一部が第１発光領域に達する。この結果、第１発光領域では、マグネシウムと水素の分離および逆バイアスによる水素の移動が生じ、ｐ層の経時劣化を回復させることが可能になる。

Description

本発明は光ディスク、プロジェクタ、照明の光源等に用いられる窒化物半導体光源素子に関する。

光ディスク、プロジェクタ、照明の光源等に用いる窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどから構成されている。光源として用いるためには、ｐ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体から成るｐｎ接合が必要であり、このため、ｐ型窒化物半導体の実現が不可欠である。一般に、ｐ型窒化物半導体のドーパントとして、マグネシウム（Ｍｇ）が用いられる。しかしＭｇは自己補償や水素（Ｈ）との結合性が高く（Ｍｇ−Ｈ結合）、結合してしまうとＭｇはアクセプタとして機能しない。このため、熱アニールを用いることにより、Ｍｇ−Ｈ結合を分離させ、Ｍｇを活性化する手法が多く使われている。

また、熱を印加することなく、光のエネルギーでＭｇとＨの結合を切断することも提案されている。例えば、特許文献１では、Ｍｇ−Ｈ結合より大きなエネルギーを有するレーザ光を照射することにより活性化することが述べられている。また、特許文献２には、Ｍｇ−Ｈ結合より大きなエネルギーを有する光に加え、３００℃〜４００℃の熱アニールを併用し、活性化を行っている。この特許文献２においては、０．０６７ｅＶ以上のエネルギーの光によりＭｇ−Ｈ結合が分離すると記載されている。

一方、特許文献３に示されているように、これらの処理を施してもｐ型窒化物から完全に水素を取り除くことは困難である。このため特許文献３では、窒化物レーザ素子の動作の合間に逆バイアスを印加することにより、ｐ型窒化物中の水素を電極側に動かし劣化を抑制することが記載されている。

ここで従来の窒化物光半導体の構造について説明する。まず、光半導体として、半導体レーザを示す。図２７は、従来の半導体レーザを出射面からみた構造である。ｎ型ＧａＮ基板５０１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０２、ＧａＮガイド層５０３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０４、光ガイド層５０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアオーバーフロー抑制層５０６、ｐ型クラッド層５０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０８が形成されている。表面にはリッジ５０９が形成され、その周囲をＳｉＯ_２絶縁層５１０が覆っている。リッジ５０９の上部にはＳｉＯ_２絶縁層５１０が無い開口部があり、ｐ型電極５１１が形成されており、外部電源（図示せず）に接続されている。基板裏面にはｎ型電極５１２が形成されている。前後の出射面は、鏡面になっており、所謂、ファブリペロー型共振器を形成している。外部電源から供給された電流はリッジ５０９に集中し、リッジ内部を流れる。この高い電流密度により活性層内で反転分布が起こり誘導放出状態、すなわち利得媒体となる。この共振器内を導波する光の利得が、共振器損失（ミラー損失＋吸収損失）を超えた時、レーザ発振を開始する。

リッジの両側には凸領域５１３および凸領域５１４を有する。

一方、図２８は、光半導体素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す。ｎ型ＧａＮ基板５０１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０２、ＧａＮガイド層５０３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層５０４、ガイド層５０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアオーバーフロー抑制層５０６、ｐ型クラッド層５０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層５０８から構成されている。表面にはリッジや狭窄機能を有する絶縁膜は無く、透明電極５２０が一様に形成されている。このため、外部から注入された電流はチップ全面に広がり、自然放出光が外部に取り出される。

特開２００５−３３２８４５号公報 特開２００６−３１３８４４号公報 国際公開番号ＷＯ２００７／１３８７７４

上記のような手法は、各々以下の課題を有する。

（１）熱による活性化
熱アニールは通常４００℃以上の温度を必要とする。この温度のため、プロセスは制限を受けプロセスの自由度が下がり、必ずしも最適なプロセスを構築できない。また、光半導体の製造工程に導入できても、製品そのものにこのような高い温度を印加することはできない。ましてや、プロジェクタ装置や光ディスク装置などのセットに組み込んでしまえば、熱プロセスを加えることは不可能である。つまり、チップ内部に残存する水素に起因した劣化（動作電圧の経時的な増加など）に対しては適用できない。

（２）光による活性化
光による活性化を行うためには、その光を照射するため、半導体光源とは別の光源が必要になる。この光活性化を半導体プロセスで行う場合は、そのような光源を設置することはできる。しかし、セット、装置に半導体光源が組み込まれた後に照射用光源を追加することは、例えば、照明光源用の光学系が必要になり、セット、装置の大型化に繋がり望ましくない。

（３）逆バイアスによる活性化
逆バイアスによる活性化の場合、逆バイアスによる電界により、ｐ型窒化物半導体内のＨを移動させることができるが、ＨがＭｇと結合してしまっては、逆バイアスを印加してもＨはＭｇ近傍に固定されているため、移動させることは困難である。

そこで本開示では、窒化物からなる光半導体素子単体（言いかえれば、セット、装置に組み込まれた後でも）、Ｍｇ−Ｈ結合を分離させ、かつ、そのＨを移動させる構造および駆動方法を提供する。これにより、光半導体の、実際の使用環境における経時劣化（例えば、セット、装置に組み込んだ後の動作電圧の上昇など）を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。

上記課題を解決するために本開示の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体よりなるｎ型の導電性を示す第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体よりなる活性層とを有する。そして活性層の上に形成された、Ｍｇが添加されてｐ型の導電性を示すＩＩＩ族窒化物半導体よりなる第２のクラッド層とを有する。そして第２のクラッド層は、基板の上面側からみて第１発光領域と第２発光領域と、第１発光領域と第２発光領域との境界に形成された分離領域とを有する。そして第２発光領域は、第１発光領域に逆バイアスが印加されたときに順バイアスが印加されて発光光を生じ、前記発光光は第１発光領域における第２クラッド層に入射する。

この構成により、第１発光領域を発光させないすなわち半導体発光素子を使用しない場合に第１発光領域に逆バイアスをかけ、かつ第２発光領域を発光させて第１発光領域における第２クラッド層に入射させる。このようにすることで第２クラッド層にドーピングされたマグネシウムと水素との結合を容易に切断することができ、第２クラッド層のｐ型ドーパントの活性化をすることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに光のエネルギーは、第２のクラッド層内のマグネシウムと水素との結合体の結合エネルギーより高いことが好ましい。この好ましい構成によれば、光が第２クラッド層に到達することによりマグネシウムと水素の結合を容易に分解できる。

本開示の半導体発光素子は、さらに第２光は、自然放出光であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第２光がレーザ発振モードに結合するのを防止することができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに第１発光領域の活性層と第２発光領域の活性層は、実質的に同一の層からなることが好ましい。この好ましい構成によれば、第２領域にて生じた光をほとんど無損失に第１発光領域に到達させることができ、無効となる第２光が減り、回復効率が向上する。

本開示の半導体発光素子は、さらに基板の裏面は鏡面であり、基板の裏面に金属層が形成され、発光光は金属層において反射されて第１発光領域における第２クラッド層に入射することが好ましい。この好ましい構成によれば、第２領域にて生じた光を効率的に第１発光領域に到達させることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに第２の領域における第２のクラッド層の上には周期的に配列された金属層を有し、かつ発光光は金属層において回折されることが好ましい。この好ましい構成によれば、第２領域にて生じた光を効率的に第１発光領域に到達させることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに基板、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を挟んで対向する２枚の端面を有し、２枚の端面の間に共振器が形成されることが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに第２の領域における第２のクラッド層の上には周期的に配列された複数の金属層を有し、かつ発光光は金属層において回折されることが好ましい。この好ましい構成によれば、第２領域にて生じた光を効率的に第１発光領域に到達させることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに複数の金属層は、長手方向が互いに平行になることが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに長手方向は、共振器に沿っていることが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに長手方向は、共振器に対し所定の角度をなすことが好ましい。この好ましい構成によれば、金属層において回折された光が半導体発光素子内でランダムに多重反射をすることになるので、第１領域に均等に光を入射させることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに２枚の端面のうちの一方に対向する光学素子をさらに備え、光学素子に対向する端面の反射率は、もう一方の端面の反射率よりも小さいことが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに２枚の端面のうちの少なくとも一方において、第２発光領域における端面の反射率が第１発光領域における端面の反射率よりも小さいことが好ましい。この好ましい構成によれば、第２発光領域にて生じる光についてレーザ発振閾値を高くすることができ、第２発光領域にて生じる自然放出光の強度を強くすることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに基板には回折格子が設けられ、かつ発光光は回折格子において回折されて第１発光領域における第２クラッド層に入射することが好ましい。この好ましい構成によれば、第２領域にて生じた光を効率的に第１発光領域に到達させることができる。

本開示の半導体発光素子は、さらに基板の裏面に設けられ、かつ周期的に配列された金属層よりなることが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに回折格子は、基板の表面に設けられた凹部と凸部とを周期的に配列させてなることが好ましい。

本開示の半導体発光素子は、さらに回折格子は、基板の裏面に設けられた凹部と凸部とを周期的に配列させてなることが好ましい。

本開示の半導体発光素子の駆動回路は、Ｍｇが添加されてｐ型の導電性を有する層を有し、第１発光領域と第２発光領域とを同一基板上に備え、かつ第２発光領域において生じる発光光が第１発光領域におけるｐ型の導電性を有する層に入射する半導体発光素子とを備える。そして第１のスイッチおよび第２のスイッチと、第１の順バイアス回路と、第１の逆バイアス回路と、第２の順バイアス回路と、第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御するスイッチ制御回路とを備える。そして第１発光領域は前記第１のスイッチの単極側の端子に接続され、第１の順バイアス回路と第１の逆バイアス回路はそれぞれ第１のスイッチの多投側の端子のうちの異なる２つに接続される。そして第２発光領域は第２のスイッチの一方の端子に接続され、第２の順バイアス回路は第２のスイッチの他方の端子に接続される。そしてスイッチ制御回路は、第１のスイッチの多投側の端子のうち第１の逆バイアス回路に接続されているときは第２のスイッチの上記他方の端子に接続して第２の順バイアス回路に接続するよう第１のスイッチおよび第２のスイッチを制御する。

この構成によれば、第１のスイッチの多投側の端子のうち第１の逆バイアス回路に接続されているときは第２のスイッチの多投側の端子のうち第２の順バイアス回路に接続する。このようにすることで第１の発光領域に逆バイアスが印加されている状態で第２の発光領域に順バイアスを印加させることができ、第２の発光領域からの光を第１発光領域に照射させることができるので、第１の領域において効率よくＭｇを活性化することができる。

本開示の半導体発光素子の駆動回路は、センサーをさらに備え、第１のスイッチの多投側の端子のうち第１の順バイアス回路に接続して第１発光領域からの光をセンサーが受光し、センサーが受光する信号を基に第１のスイッチの多投側の端子を切替えることが好ましい。この好ましい構成によれば、半導体発光素子の劣化状態を知ってＭｇの活性化を行うことができるので、半導体発光素子を効率よく元の状態に戻すことができる。

本開示の半導体発光素子の駆動回路は、さらに第１のスイッチの多投側の端子のうち第１の順バイアス回路に接続して所定の時間が経過したとき第１のスイッチの多投側の端子を切替えることが好ましい。

以上の構成により、光半導体素子単体で、セット、装置に組み込んだまま、逆バイアスｐｎ接合部に光を照射することができる。これにより、装置が小型化にしたまま、光半導体素子の劣化を防ぐことができ、装置の信頼性の回復を行うことができる。この回復期間は、駆動回路のプログラム、タイマーで決めるだけでなく、光センサーを用いることで、外界の明るさの変化に応じて制御することができる。

なお、本発明では、セットにおいて、光半導体素子を使用しない時間を活用し、素子特性の劣化を回復させることができるので、効率よく装置の信頼性の回復を行うことができる。

本発明の実施の形態１における半導体発光素子の側面図。 同実施の形態１における駆動回路の回路ブロック図。 同実施の形態１における半導体発光素子の通常駆動におけるレーザ発光状態を示す図。 同半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光状態を示す図。 同半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が裏面電極において反射してリッジへ向かうことを示す図。 同半導体発光素子における溝幅とリッジへ入射する光の量との関係を示す図。 同半導体発光素子の電流電圧特性を示す図。 同半導体発光素子の電流光出力特性を示す図。 本発明の実施の形態１の第１変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が裏面電極において回折してリッジへ向かうことを示す図。 同実施の形態１の第２変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が表面電極にて回折し、裏面電極において反射してリッジへ向かうことを示す図。 同実施の形態１の第２変形例に示す半導体発光素子の上面図。 同実施の形態１の第３変形例に示す半導体発光素子の上面図。 同実施の形態１の第４変形例に示す半導体発光素子の上面図。 同実施の形態１の第５変形例に示す半導体発光素子の上面図。 同実施の形態１の第６変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が側面および裏面電極において反射してリッジへ向かうことを示す図。 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の側面図。 同実施の形態２における半導体発光素子の上面図。 同実施の形態２における駆動回路の回路ブロック図。 同実施の形態２における通常駆動時のＬＥＤ発光状態を示す図。 同実施の形態２における回復駆動Ａの時の自然放出発光光が裏面電極にて反射して第１発光部へ向かうことを示す図。 本発明の実施の形態２の第１変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が基板表面において回折して第１発光部へ向かうことを示す図。 同実施の形態２の第２変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が反射層にて反射して第１発光部へ向かうことを示す図。 同実施の形態２の第３変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が基板表面において回折して第１発光部へ向かうことを示す図。 同実施の形態２の第４変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が反射層において反射して第１発光部へ向かうことを示す図。 同実施の形態２の第３変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が基板表面において回折して第１発光部へ向かうことを示す図。 同実施の形態２の第４変形例に示す半導体発光素子の回復駆動における自然放出発光光が反射層において反射して第１発光部へ向かうことを示す図。 従来の半導体レーザの側面図。 従来の半導体ＬＥＤの側面図。

本開示にかかる発明の実施の形態を、図面を用いて以下に説明する。

ここに示す実施の形態において、「順方向」とは、接続されたｐｎ接合に順バイアス（ｐ側が正電圧、ｎ側が負電圧）が印加された状態、「逆方向」とは、接続されたｐｎ接合に逆バイアス（ｐ側が負電圧、ｎ側が正電圧）が印加された状態を示す。

なお、以下においてＡｌＧａＮとはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）のことであり、ＩｎＧａＮとはＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）のことである。また、ＩｎＡｌＧａＮとはＩｎ_ｚＡｌ_ｔＧａ_{１−ｚ−ｔ}Ｎ（０＜ｚ＜１、０＜ｔ＜１）のことである。組成を表すｘ、ｙ、ｚ、ｔは半導体発光素子の層構造により適宜決めることができる。

（実施の形態１）
以下、本開示にかかる発明の実施の形態１における半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。

なお、一部図面においては煩雑さを避けるため、一部図番を省略している。

（１−１）半導体発光素子の構造
実施の形態１における半導体発光素子１９（レーザ素子）を図１に示す。図１は、実施の形態１における半導体発光素子１９を出射部端部（発光面）から見た図である。ｃ面（（０００１）面）を主面とするｎ型ＧａＮよりなる基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層２、ＧａＮよりなる光ガイド層３（ｎ側）、量子井戸構造の活性層４、ＧａＮよりなる光ガイド層５（ｐ側）が順次形成されている。光ガイド層５の上にはｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子オーバーフロー抑制層６、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層７、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層８が順次形成されている。ドーパントはｎ型層がＳｉ、ｐ型層がＭｇであり、導電型を記入していない層はアンドープである。活性層４としては、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成が０．１のＩｎＧａＮからなる井戸層と厚さ７．５ｎｍのＧａＮからなる量子障壁層とを交互に形成し、井戸層を３層、量子障壁層を２層とした３重量子井戸構造としている。基板１からｐ型コンタクト層８までの構成について、表１に示す。

なお、基板１の裏面（ｎ型クラッド層２が形成された面とは逆の面）は、例えば研磨により鏡面となっている。

この半導体発光素子１９の表面には、溝９および溝１０が形成されており、これらの溝９および溝１０に挟まれた領域がリッジ１１となる。リッジ１１の上にはｐ型用の中央電極１２が形成され、溝９および溝１０には厚さが０．２μｍのＳｉＯ_２よりなる保護膜１３が形成されている。一方、溝９および溝１０によって形成された凸領域１４および凸領域１５の表面にはそれぞれｐ型用の第１端電極１６、第２端電極１７が形成されている。なお、リッジ１１の幅は４μｍ、溝９および溝１０の幅はそれぞれ１０μｍ、１０μｍである。凸領域１４および凸領域１５の幅はそれぞれ１９０μｍ、１９０μｍである。

また、基板１の裏面には、共通電極１８が形成されている。

中央電極１２、第１端電極１６および第２端電極１７は厚さが５０ｎｍのパラジウムと厚さが５０ｎｍの白金と厚さが１００ｎｍの金との積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）よりなる。また、共通電極１８は厚さが２０ｎｍのチタンと厚さが７０ｎｍの白金と厚さが５００ｎｍの金との積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）であり、電気的導通を取るだけでなく、活性層４の発光を反射することができる。

中央電極１２、第１端電極１６および第２端電極１７はともにｐ型コンタクト層８に対してオーミック接触をする。また、共通電極１８は、基板１に対してオーミック接触をする。

ここで図５に示す基板１の裏面での反射を利用してリッジ１１に自然放出光５２を導く場合において、自然放出光５２の発光点中心からリッジ１１へ実際に光が当たるような構造パラメータがどのような値であるかについて以下に述べる。

本願発明者らは、半導体発光素子１９における溝９および溝１０の幅とリッジ１１へ入射する光の量との関係について、計算によって求めた。その結果を図６に示す。

本計算では、凸領域１４および凸領域１５の活性層４から任意の方向へ向かう発光のうち、リッジ１１へ向かう光量を計算した。横軸は溝９および溝１０の幅、縦軸は光量である。リッジ１１の幅は５μｍ、チップ幅は４００μｍにした。基板厚（≒活性層と裏面との距離）をパラメータにしている（図６の右側に５０μｍ、８０μｍ、１５０μｍとあるのは基板の厚さを表す）。ここで「光量」には、溝が大きくなる（すなわち凸部が狭くなる）ため、同じ電流に対して、電流密度が上昇し、各発光点における発光強度が増加することも含んでいる。この図からわかるように、溝９および溝１０の幅が５０μｍ以下では、基板１を薄くするほうが、リッジ１１に到達する光量が増加することがわかる。しかし、基板１を薄くするとハンドリングが難しくなるため、実施の形態１では基板１の厚さを８０μｍにした。

従来例（図２７）の半導体発光素子の構造では、この凸領域（図２７の領域５１３および領域５１４）は単にハンドリングを容易にする部分であったが、本発明では自然放出光５２の領域として活用している点が、素子構造の観点から大きく異なる。基板１の裏面にはｎ型用の共通電極１８が形成されている。

なお、図１において、紙面が出射部端部（発光面）であり、（１１−２０）面である。また、リッジ１１はストライプ状となっており、ストライプの伸びる方向が＜１１−２０＞方向である。また、リッジ１１を挟んで出射部端部と反対側にもう１つの端部（図示せず）が形成されており、この端部の面と発光面とはともに鏡面であり、この２枚の面で共振器（図示せず）が形成されている。すなわち、図１において、紙面が前端面であり、リッジ１１を挟んでできる端面が後端面である。＜１１−２０＞方向が共振器の方向である。なお、前端面と後端面との間隔は６００μｍすなわち半導体発光素子１９の共振器長は６００μｍである。前端面と後端面には各々、アンチレフレクションコーティング、ハイレフレクションコーティングが施されている（これらコーティングはスパッタ装置により、Ａｌ_２Ｏ_３などの誘電体を積層することにより形成することができる）。なお、凸領域１４および凸領域１５の、共振器の方向に沿った長さは、それぞれ６００μｍ、６００μｍである。半導体発光素子１９は、放熱や雰囲気からの汚染を防ぐため、外径９ｍｍの銅パッケージ（図示せず）に気密実装されている。以上が、実施の形態１の半導体発光素子１９の構成である。

なお、前端面および後端面は、例えば劈開により形成される。半導体発光素子１９の側面もまた、例えば劈開により形成される。

なお、共通電極１８はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ以外に、半導体発光素子１９が放射する光を反射する金属材料を用いることができる。例えば、アルミニウムを含む膜を用いることができる。アルミニウムを含む膜の一例として、Ｔｉ／Ａｌがある。

また、中央電極１２、第１端電極１６および第２端電極１７以外に、ｐ型コンタクト層８とオーミック接触をする金属、例えばＮｉ／ＡｕやＩＴＯを用いることができる。

半導体発光素子１９の活性層４の発光波長は、４０５ｎｍであり、エネルギーは３．０６ｅＶであり、Ｍｇ−Ｈ結合エネルギーより十分大きい。

（１−２）半導体発光素子の駆動回路
次に、本開示の発明にかかる半導体発光素子の駆動回路について説明する。図２は本実施の形態における駆動回路（およびそれを含む装置）の回路ブロック図である。筐体３０の中に半導体発光素子１９が組みこまれている。筐体３０の中には、中央順方向回路３１と中央逆方向回路３２がスイッチ３３を介して、中央電極１２に接続されている。さらに筐体３０の中には端順方向回路３４がスイッチ３５を介して、第１端電極１６、第２端電極１７に接続されている。また、筐体３０の内部にはスイッチ３３およびスイッチ３５の制御を行う制御回路３６が組み込まれている。

制御回路３６には、外部回路３７またはセンサー３８の少なくとも一方が接続されている。なお、筐体３０には光学素子３９が取付けられている（図２においては概念的に描いている）。この光学素子３９はリッジ１１の直下の活性層４からの発光を効率的に外部に取り出すように配置されている。従って、半導体発光素子１９の他の部分の活性層４からの発光が光学系に入射しても途中で蹴られてしまい、外部に出てくる光量は極めて少なくなる。

なお、図２に示す半導体発光素子１９の構成は図１に示す半導体発光素子１９と同じであるが、煩雑さを避けるため、番号の一部を省略している。

なお、光学素子３９は、例えば単数のレンズまたは複数のレンズの組み合わせ、光ファイバ、レンズとファイバとの組み合わせ、レンズとプリズム、レンズと回折格子等、光学素子または複数の光学素子の組み合わせを用いることができる。

なお、全体制御のため図示していないが、中央順方向回路３１、中央逆方向回路３２および端順方向回路３４が制御回路３６に接続されているのはいうまでもない。

以下、本発明の駆動回路の動作方法について述べる。

（１−２−１）通常駆動
外部回路３７（例えばタイマーを組み込んだ機器）またはセンサー３８（例えば照度センサー）からのトリガ信号が制御回路３６に入り、スイッチ３３が中央順方向回路３１側に切り替えられ、スイッチ３５がオフ（ＯＦＦ）の状態になる。この結果、中央電極１２には順方向バイアスが印加され、リッジ１１の直下の活性層が光る（溝９および溝１０により、リッジ１１のｐ層から凸領域１４および凸領域１５のｐ層への漏れ電流は無視できる）。このリッジ１１の領域は幅が４μｍと非常に狭く、リッジ１１の直下の活性層４の電流密度は非常に高くなる。この光は活性層４から利得を受け、前述の共振器の吸収損出、ミラー損失より利得が大きくなればレーザ発振を開始する。一方、凸領域１４および凸領域１５は無バイアスで電流は流れないので、発光は生じない。リッジ１１の順方向バイアスによる電流が閾値を越えると、図３に示すように、リッジ１１の直下の活性層４にレーザ光５１が生じ、凸領域１４および凸領域１５には発光は生じない。このレーザ光５１が光学素子３９を通じて筐体３０の外部に放出される。なお、図３に示す半導体発光素子１９の構成は図１に示す半導体発光素子１９と同じである。

なお、図３においてはレーザ光５１のニアフィールドパターンが模式的に示されている。それは活性層４を中心に基板に沿う方向に伸びた形状となる。

（１−２−２）回復駆動
長時間上記の通常駆動が続くと、リッジ１１のｐ層（電子オーバーフロー抑制層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８）におけるＨの移動や、ＭｇとＨの再結合により、ｐ層が高抵抗化し、レーザ特性が劣化する。そこで、筐体３０の外部にレーザ光５１を取り出すことが不要な時、すなわち、通常駆動を行わない時は、リッジ１１の直下に、Ｍｇ−Ｈ結合を分解させるエネルギーを有する光を照射し、かつ逆バイアス駆動により、特性を回復させる。具体的には、凸部に１００ｍＡ流して発光させ、逆バイアスはマイナス５Ｖ（−５Ｖ）印加した。印加時間は３０分である。

外部回路３７又はセンサー３８からのトリガ信号（レーザ光５１が不要）により、スイッチ３３は中央逆方向回路３２に切り替わる。これにより、リッジ１１の内部には逆バイアスが印加される。またリッジ１１の直下の活性層４に電子、正孔は注入されないので光らない。一方、スイッチ３５はオン（ＯＮ）の状態になり、凸領域１４および凸領域１５の直下の活性層４には電子および正孔が注入され再結合し、発光する。ここで、リッジ１１に比べ、凸領域１４および凸領域１５の幅は１０倍以上大きいため、電流密度が低く、光利得はマイナス（吸収のみ）であり、レーザ発振は起こらない。つまり自然放出光のみとなる。したがって、図４のように、凸領域１４および凸領域１５の直下の活性層４からは自然放出光５２が放射される。レーザ光５１の場合、共振器方向に平行な光が増幅するので、共振器に平行な方向の光成分が非常に多い。それに対し、自然放出光５２は方向依存性なく等方的に光が放射される。この結果、図５に示すように、一部の自然放出光５２は共通電極１８で反射されてリッジ１１の直下のｐ層を照射する。しかも、その光のエネルギーはレーザ光５１とほぼ同じエネルギー（〜３ｅＶ）であり、Ｍｇ−Ｈ結合を容易に分解する。この結果、その照射されたリッジ１１のｐ層領域では、自然放出光５２が照射されかつ逆バイアスが印加されることになり、ｐ層の特性を元に回復させる。

なお、特徴的なことは、この自然放出光５２は、活性層４以外では吸収されないので、半導体発光素子１９の内部を伝搬する際、ほとんど損失を受けないことである。（活性層４は非常に薄い、およそ数１０ｎｍ以下であるので、図５のように単純に活性層４を横切る光（斜め光成分５３すなわち自然放出光のうち、共通電極１８に斜めに入射し、ｎ型電極で反射されてリッジ１１に向かう成分）に対する損失は非常に小さい。）これは、回復用光源（凸領域１４および凸領域１５）とレーザ光源（リッジ１１）とが同一チップ（モノリシック集積している）で同じ活性層４を用いているためであり、特に製造上の困難さを伴うことなく、このような性質が得られる。

以上のような動作により、外部から加熱や光照射を行うことなく、装置に組み込んだままで、半導体発光素子１９の信頼性を回復させることができる。

（１−３）半導体発光素子の特性
上記本実施の形態の半導体発光素子１９の特性について以下に説明する。

半導体発光素子１９について、電流電圧特性を図７に、電流光出力特性を図８にそれぞれ示す。図７において横軸が半導体発光素子１９のリッジ１１を流れる電流、縦軸が半導体発光素子１９のリッジ１１に印加される電圧である。また、図８において横軸が半導体発光素子１９のリッジ１１を流れる電流、縦軸が半導体発光素子１９のリッジ１１より放射される光の出力（光出力）である。また、図７および図８において、初期（半導体発光素子１９に最初に電流を流した直後）におけるグラフを曲線Ａで表し、半導体発光素子１９について温度５０℃、光出力１００ｍＷという条件のもとで２０００時間動作させた場合（通常駆動の場合）におけるグラフを曲線Ｂで表す。また、上記温度５０℃、光出力１００ｍＷという条件のもとで２０００時間動作させた後に、温度を２５℃としてリッジ１１にマイナス１０Ｖの逆バイアスを印加する。そして凸領域１４および凸領域１５にそれぞれ電流を３００ｍＡずつ、５時間を流して発光させ、リッジ１１に対し光照射をした場合（回復駆動の場合）におけるグラフを曲線Ｃで表す。

図７および図８において、曲線Ａと曲線Ｂとを比較した場合、曲線Ｂのほうが立ち上がり電圧は大きく、同じ電流値であっても曲線Ｂのほうが電圧は高く、光出力が小さいことがわかる。また、図８において曲線Ｂの場合に電流値を増加させると光出力が飽和傾向にあることがわかる。これは半導体発光素子１９について温度５０℃、光出力１００ｍＷという条件のもとで２０００時間動作させた場合に半導体発光素子１９の電流電圧特性が劣化していることを示している。一方、曲線Ａと曲線Ｃおよび曲線Ｂと曲線Ｃとを比較すると、曲線Ｃは曲線Ｂと比べて立ち上がり電圧が小さく、かつ同じ電流値であっても曲線Ｃのほうが電圧は小さく、光出力が大きいことがわかる。また、曲線Ｃは、曲線Ａにほぼ一致していることがわかる。このことから、温度を２５℃としてリッジ１１にマイナス１０Ｖの逆バイアスを印加し、凸領域１４および凸領域１５にそれぞれ電流を３００ｍＡずつ、５時間を流した場合に半導体発光素子がほぼ初期の状態に回復していることがわかる。

なお、上記回復駆動について、逆バイアスのみで凸領域１４および凸領域１５に電流を流さない場合、およびリッジ１１に逆バイアスをかけず光照射のみの場合は、曲線Ｂからほとんど変化がなかった。

なお、通常駆動と回復駆動は、例えば、センサー３８等でレーザ出射光をモニターさせ、そのモニターの状態からレーザの劣化内容（劣化量、劣化モード）を、予めプログラムされた内容に従って判断させる。そして回復動作の時間、インターバル（Ｎ回目の回復動作とＮ＋１回目の回復動作の間隔、但しＮは自然数）を自動決定させてもよい。

（第１変形例）
上記半導体発光素子１９について、自然放出光５２には、図５に示す斜め光成分５３の他に、共通電極１８に垂直に進行する成分も含まれる。このような垂直成分は有効に使われない。そこで、本変形例では共通電極１８について面内において複素屈折率が変化する構造を用いる。ここで複素屈折率の変化としたのは、実屈折率の変化のみならず、反射体（虚部屈折率）の周期的変化もあるためである。複素屈折率が周期的に変化する場合とは、例えば短冊状の金属層を周期的に配列して反射層とした場合があり、この場合当該反射層は反射率が面内で周期的に変化する。

図９は上記半導体発光素子１９について共通電極１８の代わりに反射体であるｎ型電極５４を周期０．４μｍの間隔で形成したものである。動作は回復時の動作である（通常使用時の動作は変わらない）。なお、ｎ型電極５４の幅は０．２μｍである。

この周期による回折の効果であるが、一般に周期Λの周期的屈折率変化（媒質の平均屈折率ｎ）に、波長λの光が入射した場合、
（数１） ｍ＝Λ／（λ／2ｎ）
で決まる整数ｍに対し、（１８０／ｍ）度の整数倍の方向にブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折が生じる。本変形例では約３５度おきの方向に回折が生じる。この回折により、ｎ型電極５４に垂直に向かう光は斜め光成分５７として斜め方向に向かい（回折光成分５５すなわち自然放出光５２のうち、ｎ型電極５４に垂直に入射しリッジ１１に向かう成分）、リッジ１１の下のｐ層を照射することができる。すなわち、凸領域１４または凸領域１５の発光を、回復用に有効に使用することができ、低消費電力になる。

（第２変形例）
上記で説明したように自然放出光５２は共通電極１８に垂直に向かう成分もあるが、同時に第１端電極１６または第２端電極１７に向かう成分もある。そこで本変形例では、半導体発光素子１９について、第１端電極１６および第２端電極１７の複素屈折率が変化する構造とした。

本変形例にかかる半導体発光素子１９は、具体的には断面構成を図１０に示すように第１端電極１６および第２端電極１７の代わりにｐ型電極５６が周期０．４μｍで形成されている。

ここで、本変形例にかかる半導体発光素子１９を上面から見た構造を図１１に示す。図１１において出射側端面コート膜５８、反射側端面コート膜５９がある。レーザ動作時には、これら出射側端面コート膜５８および反射側端面コート膜５９で挟まれたリッジ１１の領域が共振器となりレーザ発振する。ｐ型電極５６の変化は、リッジ１１のその共振器方向に垂直に形成されている。

この結果、ｐ型電極５６に垂直に向かう斜め光成分５７（自然放出光５２のうち、ｐ型電極５６に垂直に入射し、ｐ型電極５６で回折された後、共通電極１８で反射されてリッジ１１に向かう成分）は、第１変形例と同様ブラッグ回折により、ｐ型電極５６で回折を受け斜め方向に反射する。そして共通電極１８で反射されてリッジ１１の直下のｐ層を照射し、特性を回復させることができる。

（第３変形例）
上記第２変形例にかかる半導体発光素子１９について、ｐ型電極５６を図１２に示すように共振器方向に対して斜めに設けてもよい。これにより、半導体発光素子１９の内部での光の反射がより複雑になり（例えばチップの端で斜め反射されることが繰り返され、様々な光路がチップ内部にできる）、リッジ１１の下部のｐ層に到達する光量が一様になる。この結果、回復効率の場所依存性が少なくなる。

なお、ｐ型電極５６を図１２に示すように共振器に対して斜めに設けた場合において、共振器側面は劈開で形成されており鏡面に近い平坦面が形成されるので、共振器側面において多重反射が起こり、リッジ１１の下部のｐ層に到達する光量を一様にできる。

ここで斜めにする角度は、図１２のチップ対角線に対して、直交する方向が望ましい。これにより、チップ長辺、短辺に対する傾斜性がともに最大となり、多重反射が最も大きくなるからである。

（第４変形例）
本変形例にかかる半導体発光素子１９について、上面から見た構造を図１３に示す。断面構成は、図１０と同様であり、ｐ型電極５６が周期０．４μｍで形成されている。

第２変形例にかかる半導体発光素子１９との違いは、半導体発光素子１９の側面がリッジの長手方向に対し傾斜していることである。なお、半導体発光素子１９の側面は、例えば劈開により形成されている。半導体発光素子１９の側面がリッジ１１の長手方向に対し傾斜していることにより、側面での反射により斜め方向に反射することで半導体発光素子１９の内部にて多重反射が起こる。それによりリッジ１１の下部のｐ層に到達する光量が一様になる。この結果、回復効率の場所依存性が少なくなる。

なお、半導体発光素子１９の端面の面方位を（１１−２０）とした場合、半導体発光素子１９の側面の面方位を（１−１００）とすることができる。この場合、劈開をきわめて容易に行うことができる。

（第５変形例）
本変形例にかかる半導体発光素子１９について、図１４を用いて説明する。光照射の効果を高めるためには、回復時における凸領域１４および凸領域１５の発光を強め、リッジ１１の中央電極１２に到達する光量を増大させることが望ましい。そのためには、第１端電極１６および第２端電極１７を通じた凸領域１４および凸領域１５の注入電流を増やすが、このようにすると活性層４のキャリア密度が増え、誘導放出を行い、光利得を有する。この光利得が閾値利得を超えると凸領域１４および凸領域１５がレーザ発振を開始する。誘導放出による再結合時間は自然放出による再結合時間より短いため、一旦レーザ発振すると、注入した電子、正孔対はレーザモードに消費される。レーザモードは共振器方向に導波するため、リッジ下のｐ層に照射される光は増えない。従って、凸領域１４および凸領域１５においてはレーザ発振を抑制することが必須であり、そのためには閾値利得Ｇ_ｔｈを十分に高くしなければならない。一般にＧ_ｔｈは、
（数２） Ｇ_ｔｈ＝[αi+αｍ]／Γ
で与えられる。ここで、αｉは内部損失、Γは光閉じ込め係数であり、αｍはミラー損失とよばれる。αｉはほぼ材料等で決まるので、リッジ１１の下部の値とほぼ同じである。しかしながら、αｍは、ファブリペロー型共振器の場合、
（数３） αｍ＝（１／（２Ｌ））ｌｎ（１／（Ｒｆ・Ｒｒ））
で与えられるので、構造的に変えることが可能である。ここでＬは共振器長、Ｒｆ、Ｒｒは端面コートを含む共振器面の反射率、ｌｎは自然対数である。

そこで本変形では、図１４に示すように、凸領域１４および凸領域１５における端面コートを含む端部６０および端部６１を低反射化すれば、数２および数３に従ってＧ_ｔｈは大きくなるので、レーザ発振は起こりにくくなる。低反射化する方法としては、凸領域１４および凸領域１５の端面をエッチング等で粗面化することによって実現可能である。また、凸領域１４および凸領域１５の端面のコート膜の厚みをエッチング等でリッジ端面の出射側端面コート膜５８および反射側端面コート膜５９に比較して適切に変えることによって低反射化が実現可能である。

（第６変形例）
本変形例にかかる半導体発光素子１９について、図１５を用いて説明する。本変形例では、凸領域１４および凸領域１５の端部が掘り込まれ、傾斜面７１が形成されている。本図では、ｎ型クラッド層２より上層を傾斜面７１にしているが、基板１から傾斜があっても構わない。また傾斜面７１に曲率があってもよい。また掘り込み底面７２は平坦（基板面に平行）であってもよい。この掘り込み部７３は、ＳｉＯ_２よりなる絶縁膜６５およびＳｉＯ_２よりなる絶縁膜６７が形成されており、その絶縁膜６７の上には、発光光を反射するｐ側電極６６およびｐ側電極６８が形成されている。ｐ側電極６６およびｐ側電極６８はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕから構成されている。回復駆動において自然放出光５２には半導体発光素子１９の端へ向かう光成分（反射光成分７０）が存在する。この反射光成分７０は、傾斜面７１で反射し、図１５に示すように、共通電極１８で更に反射され、リッジ１１のｐ層に達し、Ｍｇ−Ｈ結合の分解に寄与する。したがって、自然放出光５２をより効率的に使用することができる。なお、この傾斜面７１は、チップ分離のための溝と共用も可能である。

なお、上記実施の形態１および第１変形例〜５にかかる半導体発光素子１９において、リッジ１１の幅および共振器長は上記に限らずリッジ幅が２μｍ〜１０μｍ、共振器長が５００μｍ〜２０００μｍの範囲にある値であれば、上記半導体発光素子１９が奏するのと同様の効果が得られる。

なお、複素屈折率の周期的分布について、図１３に示す以外に、例えば図９に示すｎ型電極５４の配置方向をリッジ１１の長手方向に対し斜めになるように配置してもよい。また、第１端電極１６、第２端電極１７または共通電極１８について、金属層を部分的に薄くすることや、金属層を一部形成しないこと等により反射率に分布を設けてもよい。このようにした場合、リッジ１１の下部のｐ層に到達する光量が一様にできる。この結果、回復効率の場所依存性が少なくなる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。

（２−１）半導体発光素子の構造
実施の形態２における半導体発光素子１００を図１６に示す。図１６は、半導体発光素子１００を側面から見た図である。

本発明の半導体発光素子１００はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）である。ｎ型ＧａＮよりなる基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層１０２、ＧａＮよりなる光ガイド層１０３、量子井戸の活性層１０４が順次形成されている。そして活性層１０４の上にＧａＮよりなる光ガイド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮよりなる電子オーバーフロー抑制層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層１０７、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０８およびｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０９が順次形成されている。ドーパントはｎ型層はＳｉ、ｐ型層はＭｇであり、導電型を記入していない層はアンドープである。

活性層１０４としては、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ組成が０．２のＩｎＧａＮからなる井戸層と厚さ２ｎｍのＧａＮからなる量子障壁層とを交互に形成し、井戸層を３層、量子障壁層を２層とした３重量子井戸構造としている。基板１０１からｐ型コンタクト層１０８までの構成について、表２に示す。なお、ｐ型コンタクト層１０８とｐ型コンタクト層１０９とは、同一組成および同一層厚である。

ｐ型コンタクト層１０８とｐ型コンタクト層１０９とは分離溝１１０によって第１発光部１１１と第２発光部１１２とに分かれている。なお、ｐ型コンタクト層１０８とｐ型コンタクト層１０９とを分離することにより、例えば、第１発光部１１１へ注入した電流が、第２発光部１１２へ漏れることを防いでいる。なお、分離溝１１０の深さはｐ型クラッド層１０７に達してもよい。

ｐ型コンタクト層１０８およびｐ型コンタクト層１０９それぞれにはｐ型電極１１３、ｐ型電極１１４が形成されている。ｐ型電極１１３およびｐ型電極１１４は酸化インジウム錫（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、略してＩＴＯ）を用いた透明電極であり、活性層１０４で発生した光を外部に取り出す。また基板１０１の裏面にはｎ型電極１１５が形成されている。

図１７は、素子を上面から見たものである。分離溝１１０はジグザグ状になっており、第１発光部１１１と第２発光部１１２が入れ子状になっている。このようにすることにより、後述のように、通常動作時の第１発光部１１１と第２発光部１１２の境界が曖昧になり、あたかも一つのＬＥＤからの発光のようにさせることができる。

半導体発光素子１００の発光面のサイズは上記に限らず、縦が５００μｍ、横が５００μｍである。

本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる活性層１０４の発光波長は、４５０ｎｍであり、エネルギーは２．７５ｅＶであり、Ｍｇ−Ｈ結合エネルギーより十分大きい。

（２−２）半導体発光素子の駆動回路
次に、本実施の形態にかかる半導体発光素子１００の駆動回路について説明する。

図１８は本実施形態における駆動回路（およびそれを含む装置の）回路ブロック図である。筐体１３０の中に半導体発光素子１００が組みこまれている。筐体１３０の中には、右順方向回路１３１と右逆方向回路１３２がスイッチ１３３を介して、ｐ型電極１１４に接続されている。更に左順方向回路１３４と左逆方向回路１３５がスイッチ１３６を介して、ｐ型電極１１３に接続されている。

また、筐体１３０の内部にはスイッチ１３３およびスイッチ１３６の制御を行う制御回路１３７が組み込まれている。

制御回路１３７には、外部回路１３８またはセンサー１３９の少なくとも一方が、必要に応じ接続されている。なお、筐体１３０には光学系１４０が取付けられている（図１８においては概念的に描いている）。この光学系１４０は半導体発光素子１００からの発光を効率的に外部に取り出すような光学設計（レンズ設計など）がされている。なお、その光学系の近傍もしくは内部には、制御回路１３７で開閉可能なシャッター１４１がある。更にはＬＥＤ発光の分布を検出するモニター用イメージセンサ１４２が設けられている。

なお、全体制御のため図示していないが、右順方向回路１３１、右逆方向回路１３２、左順方向回路１３４および左逆方向回路１３５が制御回路１３７に接続されているのはいうまでもない。

以下、本発明の駆動回路の動作方法について述べる。

（２−２−１）通常駆動
外部回路１３８（例えばタイマーを組み込んだ機器）またはセンサー１３９（例えば照度センサー）からのトリガ信号が制御回路１３７に入り、スイッチ１３３、１３６がそれぞれ右順方向回路１３１、左順方向回路１３４に接続される。この結果、第１発光部１１１と第２発光部１１２が共に発光する。この時、図１７に示したように、第１発光部１１１と第２発光部１１２の界面は曖昧になるため、図１９のように一つの自然放出光１６０のようになり表面から出射光１６１が取り出される。なお、半導体発光素子１００は、面積が十分大きいので電流密度は５００Ａ／ｃｍ^２以下であり、また端面等に共振器構造を有しないことから、レーザ発振は起こらない。またこの通常駆動時には、シャッター１４１が開になるよう、制御回路１３７からコントロールされ、半導体発光素子１００の出射光は光学系１４０を通じて外部に出射される。

（２−２−２）回復駆動
長時間、（２−２−１）の通常駆動が続くと、ｐ層（ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０８）におけるＨの移動やＭｇとの再結合により、ｐ層が高抵抗化し、レーザ特性が劣化する。そこで、筐体外部にレーザ光を取り出すことが不要な時、すなわち、通常駆動を行わない時は、ｐ層に、Ｍｇ−Ｈ結合を分解させるエネルギーを有する光を照射し、かつ、逆バイアスを加え、特性を回復させる。なお、この回復時には、光が外部に漏れることを防ぐため、制御回路１３７によりシャッター１４１を閉にしてもよい。

更に、回復駆動は回復駆動Ａと回復駆動Ｂの２種類から構成される。

（ａ）回復駆動Ａ
外部回路１３８又はセンサー１３９からのトリガ信号（レーザ光が不要）により、スイッチ１３６は左逆方向回路１３５に接続される。これにより、第１発光部１１１には逆バイアスが印加される。また活性層１０４に電子、正孔は注入されないので発光しない。一方、スイッチ１３３は右順方向回路１３１に接続され第２発光部１１２の活性層１０４には電子、正孔が注入され再結合し、発光する。この回復運動における発光光１６２は自然放出光であり方向依存性なく等方的に光が放出される。この結果、図２０に示すように、発光光１６２の一部の光はｎ型電極１１５で反射されて反射光成分１６３となり、第１発光部１１１のｐ層を照射する。

（ｂ）回復駆動Ｂ
外部回路１３８又はセンサー１３９からのトリガ信号（レーザ光が不要）により、スイッチ１３３は右逆方向回路１３２に接続される。これにより、第２発光部１１２には逆バイアスが印加される。また活性層に電子、正孔は注入されないので発光しない。一方、スイッチ１３６は左順方向回路１３４に接続され第１発光部１１１の活性層１０４には電子、正孔が注入され再結合し、発光する。この光は自然放出光であり方向依存性なく等方的に光が放出される。この結果、一部の光はｎ型電極１１５で反射されて第２発光部１１２のｐ層を照射する。

回復駆動Ａおよび回復駆動Ｂにおいて、ｐ層に照射される光エネルギーはＬＥＤ光と同じエネルギー（〜２．７５ｅＶ）であり、Ｍｇ−Ｈ結合を容易に分解する。この結果、その照射された領域では、光と逆バイアスが存在し、ｐ層特性を元に回復させる。

また、回復駆動Ａと回復駆動Ｂは、半導体発光素子１００の劣化具合を例えばセンサー１３９（またはモニターイメージセンサ１４２）を通じて、制御回路１３７で予めプログラムされた劣化基準に従って劣化内容（劣化量等）を判断させ、
（数４） 通常動作→回復駆動Ａ→回復駆動Ｂ→通常動作
のように１回で行う場合もあれば、
（数５） 通常動作→回復駆動Ａ→回復駆動Ｂ→回復駆動Ａ→回復駆動Ｂ→・・・・・・・・・→回復駆動Ａ→回復駆動Ｂ→通常動作
のように複数回行ってもよい。

更には、モニター用イメージセンサ１４２により、半導体発光素子１００の発光パターンを取得し、制御回路１３７等で半導体発光素子１００の発光パターンを解析する。そして第１発光部１１１および第２発光部１１２のどちらが劣化しているかを判断して、回復駆動Ａおよび回復駆動Ｂにおける逆方向印加量、順方向印加量を調整してもよい。これにより、少ない電力で効率的に回復させることができ、回復効率が向上する。

以上のような動作により、外部から、加熱や光照射を行うことなく、装置に組み込んだままで、半導体発光素子１００の信頼性を回復させることができる。

（第１変形例）
本実施の形態の半導体発光素子１００について、基板１０１とｎ型クラッド層１０２の間に、複素屈折率変化を取り入れることにより、逆バイアス印加されたｐ層への光照射を増加させることができる。例えば、周期的凹凸１７０を形成した場合を図２１に示す。発光光１６２のうち、基板に垂直に進む成分を周期的凹凸１７０によって回折させ、回折光成分１６４として効率的にｐ層へ向かわせることができる。

（第２変形例）
本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる第２変形例について、図２２を用いて説明する。

本変形例にかかる半導体発光素子１００は、サファイア基板２０１の上に反射層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３が形成されている（サファイア基板２０１と反射層２０２の間にバッファ層があってもよい）。またｎ型ＧａＮコンタクト層２０３はｎ型電極２０４が形成されている。反射層２０２は、厚さが３ｎｍのＧａＮと厚さが４ｎｍのＡｌＮとの周期層で形成され、主に４５度方向の光に対して反射が最大になるようにしている。ｎ型クラッド層１０２からｐ型コンタクト層１０９までの各層は表２に同じである。本図は回復駆動Ａを描いている。第２発光部１１２における発光光（自然放出光２０５）の一部が反射層２０２により反射されて反射光成分１６３となり、逆バイアスが印加された第１発光部１１１に達し、Ｍｇ−Ｈ結合を分離させることにより、第１発光部１１１を回復させる。続く回復駆動Ｂにより、第２発光部１１２を回復させる。

（第３変形例）
なお、本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる第３変形例として、第２変形例にかかる反射層２０２の代わりに図２３に示すようにしてもよい。すなわち、サファイア基板２０１に凹凸２０６を形成し、その上にｎ型クラッド層１０２からｐ型コンタクト層１０９までの各層を形成して、自然放出光２０５の一部を凹凸２０６を用いて回折させ、第１発光部１１１（または第２発光部１１２）のｐ層に回折光成分１６４を照射させることも可能である。

（第４変形例）
なお、本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる第４変形例として、第３変形例にかかる凹凸２０６を、図２４のようにサファイア基板２０１の裏面２０７に形成してもよい。

（第５変形例）
なお、本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる第５変形例として、第１変形例にあるように基板１０１とｎ型クラッド層１０２の間に、複素屈折率変化を取り入れる代わりに、図２５のように基板１０１の裏面に傾斜面１７１を設け、当該傾斜面を含む基板１０１の裏面に反射用のｎ型電極１１５を形成してもよい。この場合、発光光１６２のうち、基板に垂直に進む成分を傾斜面１７１にて反射させ、反射光成分１６３として効率的にｐ層へ向かわせることができる。

基板１０１の裏面に設ける傾斜面１７１は、研磨により得られる。なお、半導体発光素子１００を形成した基板１０１の主面としてＧａＮのｃ面（（０００１面））を主面とする代わりに、例えば（１１−２０）面を主面としてもよい。この場合、傾斜面を（１−１００）面とすることができ、（１−１００）面は劈開により作成することができるので傾斜面を良好な鏡面とすることができる。

（第６変形例）
なお、本実施の形態の半導体発光素子１００にかかる第６変形例として、第３変形例にかかるサファイア基板２０１の凹凸２０６の代わりに図２６に示すようにしてもよい。すなわち、サファイア基板２０１の上に金属層２０８を周期的に形成した後にＧａＮまたはＡｌＮよりなるバッファ層（図示せず）を形成した後にｎ型ＧａＮコンタクト層２０３以降の各半導体層を形成し、金属層２０８を回折格子として用いることも可能である。この場合においては、サファイア基板以外にＳｉ基板やＳｉＣ基板、ＧａＮ基板等を用いることができる。

この第６変形例にかかる構成ついては、発光光１６２のうち、基板に垂直に進む成分を回折光成分１６４として効率的にｐ層へ向かわせることができる。

なお、この構成は実施の形態１および各変形例に対しても適用することができる。

なお、上記実施の形態２および各変形例について、半導体発光素子１００の発光面のサイズは上記に限らず、およそ縦が３００μｍ〜１０００μｍ、横が３００μｍ〜１０００μｍであればよい。この発光面のサイズにおいては電流密度は１ｋＡ／ｃｍ^２以下であり、誘導放出を生じさせないようにできる。

なお、上記の実施の形態１および実施の形態２ならびに各変形例において、基板１としてＧａＮ基板、またサファイア基板２０１を用いたが、それらに限らず活性層４または活性層１０４からの発光を透過する金属、例えばスピネル基板を用いることもできる。また、基板１またはサファイア基板２０１の表面側（すなわち半導体層が形成された側）を用いる場合には、Ｓｉ基板（特に面方位が（００１）であるＳｉ基板）やＳｉＣ基板、ハフニウム基板等を用いることも可能である。

また、上記の実施の形態１および実施の形態２ならびに各変形例において、回折素子として半導体層の表面または基板１の裏面に金属層を形成し、当該金属層の上に例えばＳｉＯ_２膜やＳｉＮ膜といった保護膜を形成してもよい。この場合、金属層の間隔は保護膜の屈折率により適宜設定すればよい。

また、上記実施の形態１および実施の形態２においては、波長が４０５ｎｍである光源または波長が４５０ｎｍである光源について説明したが、光源の波長としてはこれらに限定されず、近紫外領域〜燈色領域の波長でも可能である。例えば波長が３８５ｎｍの近紫外光でもよいし、また波長が５３０ｎｍといった緑色光でもよい。また、各半導体層の組成や層厚は光源の波長に応じ適宜変更することが可能である。

また、各電極の材料や厚さは上記に限定されず、光源の波長や用途（例えば他の素子や回路などの組みあわせ）によって別の値を取り得る。

また、上記の実施の形態１および実施の形態２ならびに各変形例において、半導体発光素子１９または半導体発光素子１００を形成した基板１０１の主面としてＧａＮのｃ面（（０００１面））を主面とする代わりに、例えば（１１−２０）面を主面としてもよく、（１−１００面）を主面としてもよい。（１１−２０）面や（１−１００）面を主面とした場合、その上に形成される半導体層を無極性とすることができる。それにより、半導体発光素子１９または半導体発光素子１００について順バイアスを印加した場合に分極による活性層４または活性層１０４について量子準位のレベルシフトが生じないので、発光波長が安定した発光素子を得ることができる。

以上、様々な実施の形態を述べたが、これらの実施例を組み合わせることにより、Ｍｇ−Ｈ結合を分解する光をより効率的に使用し回復効率を向上できることはいうまでもない。

本発明の半導体発光素子は、セットに組み込んだまま、信頼性を回復さえることができ、光ディスク用光源のみならず、プロジェクタ光源、ヘッドライト光源、照明光源等において有用である。

１ 基板
２ ｎ型クラッド層
３，５ 光ガイド層
４ 活性層
６ 電子オーバーフロー抑制層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層
９，１０ 溝
１１ リッジ
１２ 中央電極
１３ 保護膜
１４，１５ 凸領域
１６ 第１端電極
１７ 第２端電極
１８ 共通電極
１９ 半導体発光素子
３０ 筐体
３１ 中央順方向回路
３２ 中央逆方向回路
３３，３５ スイッチ
３４ 端順方向回路
３６ 制御回路
３７ 外部回路
３８ センサー
３９ 光学素子
５１ レーザ光
５２ 自然放出光
５３，５７ 斜め光成分
５４ ｎ型電極
５５ 回折光成分
５６ ｐ型電極
５８ 出射側端面コート膜
５９ 反射側端面コート膜
６０，６１ 端部
６５，６７ 絶縁膜
６６，６８ ｐ側電極
７０ 反射光成分
７１ 傾斜面
１００ 半導体発光素子
１０１ 基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３，１０５ 光ガイド層
１０４ 活性層
１０６ 電子オーバーフロー抑制層
１０７ ｐ型クラッド層
１０８，１０９ ｐ型コンタクト層
１１０ 分離溝
１１１ 第１発光部
１１２ 第２発光部
１１３，１１４ ｐ型電極
１１５ ｎ型電極
１３０ 筐体
１３１ 右順方向回路
１３２ 右逆方向回路
１３３，１３６ スイッチ
１３４ 左順方向回路
１３５ 左逆方向回路
１３７ 制御回路
１３８ 外部回路
１３９ センサー
１４０ 光学系
１４１ シャッター
１４２ モニター用イメージセンサ
１６０ 自然放出光
１６１ 出射光
１６２ 発光光
１６３ 反射光成分
１６４ 回折光成分
１７０ 周期的凹凸
１７１ 傾斜面
２０１ サファイア基板
２０２ 反射層
２０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２０４ ｎ型電極
２０５ 自然放出光
２０６ 凹凸
２０７ 裏面
２０８ 金属層

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体よりなるｎ型の導電性を示す第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層の上に形成された、ＩＩＩ族窒化物半導体よりなる活性層と、
   前記活性層の上に形成された、Ｍｇが添加されてｐ型の導電性を示すＩＩＩ族窒化物半導体よりなる第２のクラッド層とを有し、
   前記第２のクラッド層は、前記基板の上面側からみて第１発光領域と第２発光領域と、前記第１発光領域と前記第２発光領域との境界に形成された分離領域とを有し、
   前記第２発光領域は、前記第１発光領域に逆バイアスが印加されたときに順バイアスが印加されて発光光を生じ、
   前記発光光は前記第１発光領域における前記第２クラッド層に入射することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記発光光のエネルギーは、前記第２のクラッド層内のマグネシウムと水素との結合体の結合エネルギーより高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記発光光は、自然放出光であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１発光領域の活性層と前記第２発光領域の活性層は、実質的に同一の層からなることを特徴とする特長とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記基板の裏面は鏡面であり、前記基板の裏面に金属層が形成され、前記発光光は前記金属層において反射されて前記第１発光領域における第２クラッド層に入射することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記第２の領域における前記第２のクラッド層の上には周期的に配列された金属層を有し、かつ前記発光光は前記金属層において回折されることを特徴とする請求項１または５に記載の半導体発光素子。
7. 前記基板、前記第１クラッド層、前記活性層および前記第２クラッド層を挟んで対向する２枚の端面を有し、前記２枚の端面の間に共振器が形成されることを特徴とする請求項１または５に記載の半導体発光素子。
8. 前記第２の領域における前記第２のクラッド層の上には周期的に配列された複数の金属層を有し、かつ前記発光光は前記金属層において回折されることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記複数の金属層は、長手方向が互いに平行になることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記長手方向は、前記共振器に沿っていることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
11. 前記長手方向は、前記共振器に対し所定の角度をなすことを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
12. 前記２枚の端面のうちの一方に対向する光学素子をさらに備え、前記光学素子に対向する端面の反射率は、もう一方の端面の反射率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
13. 前記２枚の端面のうちの少なくとも一方において、前記第２発光領域における端面の反射率が前記第１発光領域における端面の反射率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
14. 前記基板には回折格子が設けられ、かつ前記発光光は前記回折格子において回折されて前記第１発光領域における前記第２クラッド層に入射することを特徴とする請求項１、５または７に記載の半導体発光素子。
15. 前記回折格子は、前記基板の裏面に設けられ、かつ周期的に配列された金属層よりなることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子。
16. 前記回折格子は、前記基板の表面に設けられた凹部と凸部とを周期的に配列させてなることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子。
17. 前記回折格子は、前記基板の裏面に設けられた凹部と凸部とを周期的に配列させてなることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子。
18. Ｍｇが添加されてｐ型の導電性を有する層を有し、第１発光領域と第２発光領域とを同一基板上に備え、かつ前記第２発光領域において生じる発光光が第１発光領域における前記ｐ型の導電性を有する層に入射する半導体発光素子と、
    第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
    第１の順バイアス回路と、第１の逆バイアス回路と、第２の順バイアス回路と、
    前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御する制御回路とを備え、
    前記第１発光領域は前記第１のスイッチの単極側の端子に接続され、前記第１の順バイアス回路と前記第１の逆バイアス回路はそれぞれ前記第１のスイッチの多投側の端子のうちの異なる２つに接続され、
    前記第２発光領域は前記第２のスイッチの一方の端子に接続され、前記第２の順バイアス回路は前記第２のスイッチの他方の端子に接続され、
    前記制御回路は、前記第１のスイッチの前記多投側の端子のうち前記第１の逆バイアス回路に接続されているときは前記第２のスイッチの前記他方の端子を接続して前記第２の順バイアス回路に接続するよう前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを制御することを特徴とする半導体発光素子の駆動回路。
19. センサーをさらに備え、前記第１のスイッチの前記多投側の端子のうち前記第１の順バイアス回路に接続して前記第１発光領域からの光を前記センサーが受光し、前記センサーが受光する信号を基に前記第１のスイッチの多投側の端子を切替えることを特徴とする請求項１８に記載の半導体発光素子の駆動回路。
20. 前記第１のスイッチの前記多投側の端子のうち前記第１の順バイアス回路に接続して所定の時間が経過したとき前記第１のスイッチの多投側の端子を切替えることを特徴とする請求項１８に記載の半導体発光素子の駆動回路。