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WO2012123997A1 - 半導体発光素子及びそれを用いた発光装置 - Google Patents

半導体発光素子及びそれを用いた発光装置 Download PDF

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WO2012123997A1
WO2012123997A1 PCT/JP2011/004224 JP2011004224W WO2012123997A1 WO 2012123997 A1 WO2012123997 A1 WO 2012123997A1 JP 2011004224 W JP2011004224 W JP 2011004224W WO 2012123997 A1 WO2012123997 A1 WO 2012123997A1
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WO
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light emitting
emitting device
semiconductor light
semiconductor
light
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PCT/JP2011/004224
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English (en)
French (fr)
Inventor
折田　賢児
山中　一彦
Original Assignee
パナソニック株式会社
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Publication date
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting element and a light emitting device using the same, and more particularly to a semiconductor light emitting element having an optical waveguide and a light emitting device using the same.
  • a light-emitting diode (light-emitting diode: LED), a laser diode (LD), and a super-luminescent diode (super-luminescent diode) having a semiconductor laminated film in which a p-type semiconductor, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor are laminated.
  • SLD semiconductor light emitting devices.
  • LEDs that emit red light having an emission wavelength of around 630 nm are widely used for switch illumination of electric / electronic devices.
  • LEDs that emit light having an emission wavelength of 370 nm to 480 nm are combined with phosphors that emit fluorescence having a fluorescence wavelength of around 550 nm to form white LEDs, and are used as general lighting sources for home use, backlight sources for liquid crystal televisions, and portable light sources. Used in flash light sources for electronic equipment.
  • the LD and SLD have features that the LED does not have.
  • An LED is a semiconductor light emitting device that uses spontaneous emission light generated by recombination of injected carriers.
  • SLDs and LDs have optical waveguides that are guided while spontaneous emission light travels along the optical waveguide in the direction of the light exit end face.
  • LDs are capable of laser oscillation in the Fabry-Perot (FP) mode by optical resonators formed before and after the optical waveguide, and emit light efficiently, and are used for light sources such as optical pickups and laser displays.
  • the SLD is configured so as to suppress the formation of an optical resonator due to end face reflection and to prevent laser oscillation in the FP mode.
  • the SLD shows incoherence and a broad spectrum shape like a normal LED, and an element having an output up to about several tens of mW has been put into practical use.
  • Such SLDs are used in the field of optical measurement such as optical fiber gyros and optical coherence tomography (OCT), but are required in the field of image projection such as laser displays. It is also attracting attention as an incoherent light source.
  • a semiconductor multilayer film 920 is formed on a substrate 910, and a current injection region 925 formed in the semiconductor multilayer film 920 by zinc (Zn) diffusion functions as an optical waveguide.
  • This optical waveguide extends in the longitudinal direction of the substrate 910 and is inclined at 5 ° to 15 ° ( ⁇ in the figure) with respect to the end face of the optical waveguide, thereby reducing the mode reflectivity (for example, (See Non-Patent Document 1, etc.). Except that the optical waveguide is inclined, it has almost the same structure as an LD using laser oscillation in the FP mode.
  • LEDs can efficiently generate spontaneously emitted light in the light-emitting layer, but light is emitted in random directions and reflected by the difference in refractive index between the semiconductor and the outside, so that light is efficiently used. It cannot radiate well.
  • SLDs and LDs can efficiently emit light to the outside by stimulated emission light, but they require a carrier inversion distribution to generate stimulated emission. If the threshold current is not injected into the semiconductor light emitting device, the stimulated emission cannot be dominant in the light output.
  • the power corresponding to the product of the threshold current and the threshold voltage (voltage applied to the element to obtain the threshold current) is used for the emission of spontaneous emission light.
  • this spontaneously emitted light is not effectively utilized, resulting in invalid power consumption.
  • Spontaneous emission light is generated in a certain amount to maintain stimulated emission even when stimulated emission becomes dominant. Therefore, if this spontaneously emitted light is not used as the light output, the power corresponding to the product of the threshold current and the threshold voltage becomes ineffective power consumption, and the power conversion efficiency of the SLD and LD (light output energy per unit time / Input power consumption) will be limited.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor light-emitting element with high power conversion efficiency that can use both spontaneous emission light and stimulated emission light and a light-emitting device using the same. is there.
  • a semiconductor light emitting element includes a substrate and a semiconductor laminated film, and emits light from either the substrate side or the semiconductor laminated film side.
  • a semiconductor light emitting device includes a substrate, a first cladding layer of the first conductivity type formed on the substrate, a light emitting layer formed on the first cladding layer, And a second clad layer of the second conductivity type formed on the light emitting layer, and is formed so as to be electrically connected to the semiconductor laminated film having the optical waveguide and the first clad layer.
  • the first electrode and a second electrode formed so as to be electrically connected to the second cladding layer, and the light-emitting layer is guided light that guides the optical waveguide and non-waveguide that does not guide the optical waveguide.
  • the guided light is generated, and the non-guided light is radiated to the outside from one of the substrate side and the semiconductor laminated film side.
  • the non-guided light is radiated to the outside from either the substrate side or the semiconductor laminated film side, so that the non-guided light can be effectively used as a light output, Power conversion efficiency can be improved.
  • the second electrode includes a transparent electrode made of a material transparent to guided light and non-guided light.
  • the second electrode may be formed on the transparent electrode and on the region excluding the optical waveguide, and may include a non-transparent electrode made of a material that is not transparent to the guided light and the non-guided light.
  • the semiconductor light emitting device preferably further includes a reflection portion formed below the light emitting layer and reflecting non-guided light.
  • the reflection portion includes a reflection film made of a metal formed on the surface of the substrate opposite to the surface on which the semiconductor multilayer film is formed.
  • the reflection part may include a film formed on the substrate and made of a material having a refractive index different from that of the semiconductor laminated film.
  • the reflection part may include a recess formed in the upper part of the substrate.
  • the substrate is preferably made of a material transparent to guided light and non-guided light.
  • the second electrode is preferably made of a material that reflects non-guided light.
  • the first electrode may include a non-transparent electrode made of a material that is not transparent to the guided light and the non-guided light, and the non-transparent electrode may have an opening under the optical waveguide.
  • the substrate includes an uneven portion having a one-dimensional period or a two-dimensional period on a surface opposite to the surface on which the semiconductor multilayer film is formed.
  • the end face of the optical waveguide is preferably inclined with respect to the direction perpendicular to the substrate surface.
  • a first light-emitting device includes the semiconductor light-emitting element and a package that holds the semiconductor light-emitting element, and the semiconductor light-emitting element is held such that a surface on the substrate side is in contact with the package, Guided light and non-guided light radiated from the element are radiated from above the package to the outside.
  • the guided light and the non-guided light radiated from the semiconductor light emitting element are radiated from the upper side of the package to the outside, both the guided light and the non-guided light can be used. Conversion efficiency can be improved.
  • a second light-emitting device includes the semiconductor light-emitting element and a package that holds the semiconductor light-emitting element, and the semiconductor light-emitting element is held such that a surface on the semiconductor stacked film side is in contact with the package. Guided light and non-guided light radiated from the light emitting element are radiated to the outside from above the package.
  • both the guided light and the non-guided light radiated from the semiconductor light emitting element are radiated from the upper side of the package to the outside, both the guided light and the non-guided light can be used. Conversion efficiency can be improved.
  • the package has a concave shape having a bottom surface and a side wall surface, and the side wall surface is inclined so that the angle with the bottom surface is an obtuse angle, It is preferable to reflect the guided light.
  • the first light-emitting device and the second light-emitting device according to the present invention further include a member that is provided above the package and includes a phosphor.
  • the phosphor can convert a part or all of the light emitted from the semiconductor light emitting element, the wavelength of the light emitted from the light emitting device can be freely set.
  • the first light-emitting device and the second light-emitting device according to the present invention are configured to be able to select a first operation for emitting guided light and non-guided light and a second operation for emitting only non-guided light. It is preferable.
  • the light emitting device of the present invention can be used efficiently depending on the application.
  • the first operation is selected when the amount of current flowing through the semiconductor light emitting element is larger than the threshold current
  • the second operation is selected when the amount of current flowing through the semiconductor light emitting element is smaller than the threshold current. It is preferable.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • FIG. 1 (a) to 1 (c) show a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a plan view
  • FIG. 1 (b) is FIG. 1 (a).
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line Ic-Ic in FIG. 1A
  • FIG. 1D is a light emission according to the first embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows an apparatus.
  • 2 (a) to 2 (f) are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
  • 3A and 3B show the operation of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3A is a plan view
  • FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line IIIb-IIIb
  • FIG. 3C is a cross-sectional view illustrating the operation of the light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing characteristics of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5A and 5B show a semiconductor light emitting device according to a first modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5A is a plan view
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line Vb-Vb in FIG. 6A and 6B show the operation of the semiconductor light emitting element according to the first modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 6A is a plan view
  • FIG. 7 is a graph showing the characteristics of the semiconductor light emitting device according to the first modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A and FIG. 8B show a semiconductor light emitting device according to a second modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8A is a plan view
  • FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line VIIIb-VIIIb in FIG. 9A and 9B show the operation of the semiconductor light emitting device according to the second modification of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 9A is a plan view
  • FIG. ) Is a cross-sectional view taken along line IXb-IXb in FIG.
  • FIG. 10 (a) to 10 (c) show a semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 10 (a) is a plan view
  • FIG. 10 (b) is FIG. 10 (a).
  • FIG. 10C is a cross-sectional view taken along line Xb-Xb.
  • FIG. 11A shows a mounting form of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention, which is a sectional view taken along line XIa-XIa in FIG. 10A
  • 12A and 12B show the operation of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 12A is a cross-sectional view showing the same cross section as FIG. 11A.
  • FIG. 12B is a sectional view showing the same section as FIG. 10B
  • FIG. 12C is a sectional view showing the operation of the light emitting device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13 (a) to 13 (c) show a semiconductor light emitting element mounting form according to each modification of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 (a) is a sectional view of the first modification.
  • FIG. 13B is a sectional view of the second modified example
  • FIG. 13C is a bottom view of the second modified example.
  • FIG. 14 is a sectional view showing a light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 (a) to 13 (c) show a semiconductor light emitting element mounting form according to each modification of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 (a) is a sectional view of the first modification.
  • FIG. 13B is
  • FIG. 15 is a sectional view showing the operation of the light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 16A to FIG. 16C are diagrams and graphs showing application examples of the light emitting device according to the third embodiment of the present invention.
  • 17 (a) to 17 (c) show a semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, FIG. 17 (a) is a plan view, and FIG. 17 (b) is FIG. 17 (a).
  • FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line XVIIb-XVIIb, and FIG. 17C is a bottom view.
  • FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line XVIIb-XVIIb, and FIG. 17C is a bottom view.
  • FIG. 18 (a) shows a mounting form of a semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention, which is a sectional view taken along line XVIIIa-XVIIIa of FIG. 17 (a), and FIG. It is sectional drawing which shows the light-emitting device which concerns on 4th Embodiment.
  • FIG. 19A is a cross-sectional view showing the operation of the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 19B shows the operation of the light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention. It is sectional drawing.
  • FIG. 20 is a perspective view showing a conventional semiconductor light emitting device.
  • the semiconductor light-emitting device 1 is a semiconductor light-emitting device composed of a nitride semiconductor that emits any light from ultraviolet light to blue light with an emission wavelength of 380 nm to 490 nm.
  • LD diode
  • a semiconductor light emitting element having an emission wavelength of around 405 nm will be described.
  • a nitride semiconductor multilayer film 40 is formed on a substrate 10 made of sapphire.
  • the nitride semiconductor multilayer film 40 includes, for example, a lower contact layer 11 made of n-type gallium nitride (GaN) and a lower clad layer (first clad layer made of n-type aluminum gallium nitride (Al 0.05 Ga 0.95 N). ) 12, a light emitting layer 13 as an active layer, an upper clad layer (second clad layer) 14 as a p-type AlGaN superlattice clad layer, and an upper contact layer 15 made of p-type GaN are sequentially laminated. .
  • a lower contact layer 11 made of n-type gallium nitride (GaN) and a lower clad layer (first clad layer made of n-type aluminum gallium nitride (Al 0.05 Ga 0.95 N). ) 12
  • a light emitting layer 13 as an active layer
  • an upper clad layer (second clad layer) 14 as a p-type AlG
  • the lower contact layer 11 has a film thickness of about 1 ⁇ m and is doped with Si so that the silicon (Si) concentration is about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the lower cladding layer 12 has a thickness of about 1.5 ⁇ m and is doped with Si so that the Si concentration is about 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the light-emitting layer 13 includes an n-side light guide layer made of undoped GaN with a thickness of about 0.1 ⁇ m, an indium gallium nitride (InGaN) multiple quantum well active layer, and a p-type film made of undoped GaN with a thickness of about 0.1 ⁇ m.
  • the InGaN multiple quantum well active layer is a triplet composed of a well layer made of undoped InGaN with a thickness of about 3 nm and a barrier layer made of undoped In 0.02 Ga 0.98 N with a thickness of about 7 nm.
  • the In composition of the well layer is controlled so that the emission wavelength is about 405 nm.
  • the upper cladding layer 14 has a total film thickness of about 0.5 ⁇ m composed of a p-type Al 0.1 Ga 0.9 N film having a thickness of about 2 nm and a p-type GaN film having a thickness of about 2 nm. It has a superlattice structure and is doped with Mg so that the Mg concentration is about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 . Further, the upper cladding layer 14 is formed with a ridge stripe portion, whereby an optical waveguide 20 is configured. The direction in which the optical waveguide 20 extends is the ⁇ 1-100> direction of the crystal axis of the stacked GaN films.
  • the film thickness of the upper cladding layer 14 is the thickness of the portion where the ridge stripe portion is formed, and the thickness of the portion where the ridge stripe portion is not formed is 0.1 ⁇ m.
  • the width of the lower end of the ridge stripe portion is 2 ⁇ m and the width of the upper end is 1.4 ⁇ m.
  • the upper contact layer 15 has a film thickness of about 20 nm and is doped with Mg so that the Mg concentration is about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • the upper contact layer 15 is formed only on the top surface of the ridge stripe portion of the upper cladding layer 14.
  • a current blocking layer 21 made of silicon oxide (SiO 2 ) having an opening on the ridge stripe portion is formed on the upper clad layer 14.
  • a transparent electrode (part of the second electrode) made of indium tin oxide (ITO) that is transparent to guided light and non-guided light described later. ) 22 is formed on the current blocking layer 21 and the upper contact layer 15.
  • An n-side electrode (first electrode) 23 is formed on the lower contact layer 11, and on the transparent electrode 22 on a region excluding the optical waveguide 20, with respect to guided light and non-guided light described later.
  • a p-side electrode (a part of the second electrode) 24 made of a non-transparent material is formed.
  • a reflective film 25 made of an alloy including, for example, aluminum (Al), platinum (Pt), and gold (Au) is formed as a reflective portion on the surface of the substrate 10 opposite to the surface on which the nitride semiconductor multilayer film 40 is formed. Has been.
  • the chip of the semiconductor light emitting device 1 is formed by cleaving with the (1-100) plane of the crystal plane orientation of the laminated GaN film as a cleavage plane.
  • the chip size including the bonding pad region
  • the chip width is about 150 ⁇ m and the chip length is about 800 ⁇ m.
  • a first protective film 35 having a reflectivity of about 10% is formed on the front end face 30 that emits guided light, and the rear end face 31 that reflects the guided light and returns to the optical waveguide again has end face reflection.
  • a second protective film 36 having a reflectance of about 95% is formed as a film.
  • the semiconductor light-emitting device 1 is simplified and shown.
  • the semiconductor light emitting element 1 according to the present embodiment is mounted in a concave package 50 having an upper opening through a reflective film 25.
  • the interior of the package 50 has a bottom surface on which the semiconductor light emitting element 1 is held, and a side wall surface connecting the bottom surface and the top surface.
  • the side wall surface is an inclined surface having an obtuse angle with the bottom surface, and the side wall surface is a reflecting surface 51 capable of reflecting light.
  • a metal wiring (not shown) is embedded in the package 50, and the metal wiring and the p-side electrode 24 and the n-side electrode 23 of the semiconductor light emitting element 1 are connected by, for example, a thin metal wire (not shown).
  • a thin metal wire (not shown).
  • power can be supplied to the semiconductor light emitting element 1 from the outside of the package 50.
  • the inside of the package 50 is sealed by providing a cover glass 52 in the opening above the package 50 (light emission side).
  • a nitride semiconductor multilayer film 40 is formed on a substrate 10 made of sapphire, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Specifically, a lower contact layer 11 made of n-type GaN, a lower clad layer 12 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N, a light emitting layer 13, and a p-type AlGaN superlattice clad layer on the substrate 10. An upper cladding layer 14 and an upper contact layer 15 made of p-type GaN are sequentially formed.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • dry etching and wet etching are performed on a part of the lower cladding layer 12, the light emitting layer 13, the upper cladding layer 14, and the upper contact layer 15 to form a lower portion. A part of the contact layer 11 is exposed.
  • the upper cladding layer 14 and the upper contact layer 15 are etched to form a ridge stripe portion constituting the optical waveguide 20 in the upper cladding layer 14.
  • a current blocking layer 21 made of SiO 2 is formed on the upper cladding layer 14 and the upper contact layer 15, and is formed on the upper contact layer 15 by etching.
  • the current blocking layer 21 is removed.
  • a transparent electrode 22 made of ITO is formed on the upper contact layer 15 and the current blocking layer 21.
  • the n-side electrode 23 is formed on the lower contact layer 12 exposed in FIG. 2 (b), and the region excluding the optical waveguide 20 is formed on the transparent electrode 22.
  • a p-side electrode 24 is formed thereon.
  • a reflective film 25 made of an alloy containing Al, Pt, and Au is formed on the surface of the substrate 10 opposite to the surface on which the nitride semiconductor multilayer film 40 is formed.
  • the semiconductor light emitting element 1 can be formed.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) the operation of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
  • electrons and holes are injected into the light emitting layer (active layer) 13 from the n-side electrode 23 and the p-side electrode 24, and laser oscillation occurs above the threshold current value.
  • Guided light 71 mainly composed of stimulated emission light is emitted from the front end face 30.
  • the non-waveguide light 70a mainly composed of spontaneous emission light and radiated above the optical waveguide 20 is radiated to the outside of the semiconductor light emitting device 1 from above the optical waveguide 20 (semiconductor laminated film 40 side).
  • the non-waveguide light 70 b radiated below 20 is reflected by the reflective film 25 and radiates from the top of the optical waveguide 20 to the outside of the semiconductor light emitting element 1. At this time, since the p-side electrode 24 is not disposed on the optical waveguide 20, the radiation of the non-waveguide light 70a and 70b is not hindered.
  • the semiconductor light emitting device 1 is shown in a simplified manner.
  • guided light 71 is radiated from the front end face 30 of the semiconductor light emitting device 1.
  • the emitted guided light 71 is reflected by the reflection surface 51 of the package 50 and radiates to the outside of the package 50 through the cover glass 52.
  • non-waveguide light 70 a and 70 b radiated from the upper part of the optical waveguide 20 of the semiconductor light emitting device 1 also radiates to the outside of the package 50 through the cover glass 52.
  • the stimulated emission light that is the main component of the guided light 71 and the spontaneous emission light that is the main component of the non-waveguide light 70a and 70b are both emitted from the same surface side (upper side) of the package 50 through the cover glass 52. And can be used as an optical output.
  • the semiconductor light-emitting device of this embodiment As compared to conventional semiconductor light emitting device, the semiconductor light-emitting device of this embodiment, the light output is increased by P 1 by unguided light component, the operation for obtaining the optical output P 2 The current can be reduced from I 2 to I 3 .
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • a semiconductor light emitting device 101 according to this modification is an element having an optical waveguide that functions as a super luminescent diode (SLD) in a part of the semiconductor light emitting device.
  • SLD super luminescent diode
  • the formation position and composition of the reflection part formed below the light emitting layer 13 are different from those of the first embodiment.
  • the point which the front end surface 30 inclines about 10 degrees with respect to the width direction of the optical waveguide 20 differs from 1st Embodiment.
  • the rear end face 31 is perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 20.
  • a selective growth mask 125 made of SiO 2 formed in a stripe shape with a width of about 10 ⁇ m is formed on the substrate 10 in part. Therefore, when the lower contact layer 11 is formed on the substrate 10, the lower contact layer 11 is selectively grown from the region where the selective growth mask 125 is opened and the substrate 10 is exposed, and the width of the selective growth mask 125 is increased. The lower contact layer 11 is formed so as to cover the selective growth mask 125 from both ends in the direction toward the center.
  • the threading dislocation density of the GaN film increases and the internal quantum efficiency of the light emitting layer 13 decreases.
  • the threading dislocation density of the GaN film such as the lower contact layer 11 formed on the substrate 10 made of sapphire is reduced, and the light emitting layer 13
  • the internal quantum efficiency can be improved. Note that threading dislocations are concentrated in the combined portion of the selectively grown GaN films (the central portion in the width direction of the selective growth mask 125), and the internal quantum efficiency of the light emitting layer 13 is reduced.
  • the central portion in the width direction and the central portion in the width direction of the selective growth mask 125 are formed so as to be shifted by about 3 ⁇ m.
  • the refractive index of the selective growth mask 125 made of SiO 2 is different from the refractive index of the lower contact layer 11 made of GaN, light is Fresnel reflected or totally reflected at the interface between the selective growth mask 125 and the lower contact layer 11. . That is, the selective growth mask 125 functions as a reflection portion. For this reason, in this modification, it is not necessary to form the reflective film on the back surface side of the substrate 10, but it may be formed.
  • the front end face 30 is inclined by about 10 ° with respect to the width direction of the optical waveguide 20, so that the guided light 71 is reflected by the front end face 30.
  • the mode reflectivity returning to the optical waveguide 20 is reduced to about 10 ⁇ 3 % and the laser oscillation due to the end face reflection (laser oscillation in the FP mode) is suppressed. ) Can be obtained.
  • the first protective film 35 is formed so that the reflectance (Fresnel reflectance) is about 0.5%, and the mode reflectance is further reduced.
  • the rear end surface 31 on which the second protective film 36 is formed is perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide 20 and therefore has a reflectivity of about 95% as in the first embodiment.
  • the effective amplification length is increased to twice the chip length without causing a decrease in carrier density due to an increase in the chip length. it can.
  • the non-guided lights 70a and 70b are emitted upward and downward from the light emitting layer 13, respectively.
  • the non-waveguide light 70 b radiated downward from the light emitting layer 13 is reflected upward by Fresnel reflection and total reflection at the interface between the lower contact layer 11 and the selective growth mask 125. For this reason, the non-waveguide lights 70 a and 70 b are radiated to the outside of the semiconductor light emitting element 101 from above the optical waveguide 20.
  • the semiconductor light emitting element according to the first modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the increase in the light output of the stimulated emission light becomes gradual.
  • non-guided light whose main component is spontaneous emission can be used as the optical output.
  • the semiconductor light-emitting device of the present modification as compared with the conventional semiconductor light emitting device, the operating current in the light output P 2 can be reduced from I 2 to I 3.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • FIGS. 8A and 8B the semiconductor light emitting device 102 according to this modification is an SLD, and the shape of the reflecting portion formed below the light emitting layer 13 is the first embodiment. And different. Furthermore, the point which the optical waveguide 20 inclines with respect to the perpendicular direction of the front end surface 30 differs from 1st Embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 102 of the present modification has a recess provided on the upper portion of the substrate 10 as a reflection portion.
  • the recesses are formed in a stripe shape along the waveguide direction of the optical waveguide 20, and the bottom surface has a depth of about 1 ⁇ m and a width of about 10 ⁇ m.
  • threading dislocations are generated in the lower contact layer 11.
  • this modification by forming the lower contact layer 11 on the concave portion, the threading dislocation density can be reduced as in the first modification of the first embodiment, and the inside of the active layer can be reduced. The quantum efficiency can be improved.
  • the central portion in the width direction of the optical waveguide 20 and the central portion in the width direction of the bottom surface of the recess are arranged so as to be shifted by about 3 ⁇ m.
  • the optical waveguide 20 is inclined by about 10 ° with respect to the vertical direction of the front end face 30 and is perpendicular to the rear end face 31 in order to perform the SLD operation.
  • the optical waveguide 20 is inclined at a length of about 600 ⁇ m from the front end face 30, and the optical waveguide 20 is curved with a curvature of about 1000 ⁇ m so as to be perpendicular to the rear end face 31.
  • the operation of the semiconductor light emitting device 102 according to the second modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the mode reflectivity is reduced to about 10 ⁇ 3 %, and laser oscillation by end face reflection is performed. SLD operation can be obtained.
  • the mode reflectivity at the rear end face 31 is about 95% as in the first embodiment.
  • the SLD operation can be performed even with a high light output of about 200 mW.
  • the non-waveguide lights 70a and 70b radiate above and below the optical waveguide 20.
  • the non-waveguide lights 70 a and 70 b radiated downward from the light emitting layer 13 is reflected upward by Fresnel reflection and total reflection at the interface between the lower contact layer 11 and the substrate 10.
  • the non-waveguide lights 70 a and 70 b are radiated to the outside of the semiconductor light emitting element 102 from above the optical waveguide 20.
  • a reflective film may be formed under the substrate 10.
  • the non-guided light mainly composed of spontaneous emission light can be used as the optical output, so that the operating current can be reduced.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • the semiconductor light emitting device according to this embodiment is an LD as in the first embodiment, but a reflective film is formed under the substrate 10. This is different from the first embodiment in that is not formed.
  • the semiconductor light emitting device 201 according to the present embodiment is mounted on a package 250 described later such that the p side (upper side) is in contact with the bottom surface of the package 250 (junction down mounting).
  • the substrate 10 is preferably transparent to guided light and non-guided light described later.
  • a transparent electrode is not formed as the second electrode which is a p-side electrode, but a high reflectance p-side electrode 224 is formed instead.
  • a material of the high reflectivity p-side electrode 224 for example, Pd, Ag, Pt, and Au alloy having high reflectivity and being in ohmic contact with p-type GaN are used.
  • the first bump 231 made of Au is formed on the high reflectance p-side electrode 224 for junction down mounting on the package 250, thereby mounting.
  • the surface is flat.
  • a second bump 232 made of Au is formed on the exposed surface of the lower contact layer 11 via the n-side electrode 23, and the semiconductor light emitting device 201 is formed by the first bump 231 and the second bump 232. It can be mounted on the package 250 stably and horizontally.
  • the semiconductor light emitting element 201 is shown in a simplified manner. As shown in FIGS. 11A and 11B, the semiconductor light emitting element 201 is junction-down mounted on the package 250.
  • the package 250 is provided with a via wiring 251 that is a wiring penetrating the bottom surface of the package 250.
  • the via wiring 251 is connected to the first bump 231 and the second bump 232, whereby the semiconductor light emitting element 201 and the outside of the package 250 can be electrically connected, so that the wiring process is omitted. Can do.
  • the guided light 71 mainly composed of stimulated emission light is radiated from the front end face 30 by laser oscillation as in the first embodiment.
  • the non-waveguide light 70a mainly composed of spontaneous emission light is emitted from the light emitting layer 13 toward the substrate 10 to the outside of the semiconductor light emitting device 201, and the non-waveguide light 70b is emitted from the light emitting layer 13 to the upper cladding layer 14.
  • the non-waveguide light 70a and 70b can be used as the light output together with the waveguide light 71, the light emission efficiency can be improved and the operating current can be reduced as in the first embodiment.
  • the guided light 71 radiated from the front end surface 30 of the semiconductor light emitting element 201 is reflected by the reflection surface 51 of the package 250 and radiates to the outside of the package 50 through the cover glass 52.
  • the non-waveguide lights 70 a and 70 b are also emitted to the outside of the package 50 through the cover glass 52. Accordingly, the stimulated emission light that is the main component of the guided light 71 and the spontaneous emission light that is the main component of the non-guided light 70 a and 70 b are both emitted from the cover glass 52 on the same surface side (upper side) of the package 250. Can be used as light output.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • the height of the back surface of the substrate 10 (the surface opposite to the surface on which the nitride semiconductor multilayer film 40 is formed) is 500 nm.
  • the concavo-convex part having a width of about 500 nm is randomly formed.
  • substrate 10 in non-guided light can be improved about 3 times.
  • the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device 201 is improved as compared with the semiconductor light emitting device according to the second embodiment, and the operating current can be further reduced.
  • substrate 10 does not need to be formed at random, may be periodic, and a periodic structure also has a one-dimensional period (diffraction grating) and a two-dimensional period (two-dimensional photonic crystal). ).
  • a conductive n-type GaN substrate 310 is used as the substrate.
  • the non-transparent electrode 222 made of metal can be provided on the back surface of the n-type GaN substrate 310.
  • the non-transparent electrode 222 is formed to have an opening so as not to block non-waveguide light emitted from the light emitting layer 13.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved.
  • the semiconductor light emitting element 101 used in the light emitting device according to the present embodiment is a semiconductor light emitting element according to the first modification of the first embodiment, and particularly functions as an SLD that emits light having a wavelength of around 405 nm.
  • the semiconductor light emitting element 101 is shown in a simplified manner. As shown in FIG.
  • the light emitting device 500 according to the present embodiment is different from the light emitting device according to the first embodiment in red (R) having a wavelength of 590 nm to 680 nm on the cover glass 52 of the package 50.
  • phosphors include, for example, (Sr, Ca) AlSiN 3 : Eu that emits red light, and ⁇ sialon: Eu that emits green light, which emits blue light.
  • the phosphor is BaMgAl 10 O 17 : Eu.
  • the guided light 71 and the non-guided lights 70 a and 70 b radiated from the semiconductor light emitting element 101 pass through the phosphor layer 560 and are excited to the outside of the package 50. Output as light 571. Part of the excitation light 571 is absorbed by the phosphor layer 560 and excites the phosphor. As a result, red, green, and blue fluorescence 572 is generated from the phosphor. As a result, the light emitting device 500 functions as a white light emitting device.
  • the light emitting device of the third embodiment will be described with reference to FIG. Specifically, an example in which the light emitting device according to the present embodiment is used as a light source for flashlights such as a mobile phone and a smartphone equipped with a digital camera will be described. In this application example, the fact that the light emitting device of the third embodiment emits light having different characteristics based on different light emission principles by different operating currents is actively used.
  • a semiconductor light emitting device in which the amount of operating current flowing through the semiconductor light emitting device 101 is smaller than the threshold current and stimulated emission has not started or the amount of light is small.
  • the light emitted from 101 is mainly spontaneous emission light.
  • the emitted light has low directivity, and the emission angle pattern of light emission has a wide distribution such as a Lambertian distribution. That is, white light emitted from the light emitting device 500 has low luminance, but has low directivity and can illuminate a wide range. For this reason, the light when such an operating current is small can be used as the torch mode of the light source for flashlight.
  • the semiconductor light emitting device 101 in the case where the amount of operating current flowing through the semiconductor light emitting device 101 is larger than the threshold current and the stimulated emission becomes dominant is large.
  • the light emitted from is mainly stimulated emission light having a characteristic that the emission angle is relatively narrow, about 10 ° to 20 °.
  • the light emitted from the phosphor layer 560 is mainly white light emitted from a region having a relatively small area (near the upper part of the reflection surface of the package).
  • a lens or the like is designed and arranged in accordance with the region where white light is emitted, light with high luminance and a narrow emission angle due to a large operating current is selectively illuminated on the imaging body of the digital camera. It can be used as a flash mode for a light source that can Further, when the amount of the operating current is reduced, it is possible to switch to the torch mode as described above.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, and the power conversion efficiency can be improved. Moreover, by using each of spontaneous emission light and stimulated emission light depending on the application, it can be used for a plurality of desired applications using one light emitting device.
  • the semiconductor light emitting device 101 according to the first modification of the first embodiment is used as the semiconductor light emitting device, but the present invention is not limited to this.
  • a semiconductor light emitting element having an optical waveguide that functions as an SLD or LD as shown in the first embodiment and the second embodiment may be used.
  • a semiconductor light emitting element having an emission wavelength near 405 nm is used, but the present invention is not limited to this.
  • a semiconductor light emitting element that emits light of 450 nm to 470 nm may be used.
  • the phosphors of the phosphor layer 560 are three types of phosphors that emit red, green, and blue fluorescence, the present invention is not limited thereto.
  • a combination of two types of phosphors that emit blue and yellow fluorescence may be used.
  • a semiconductor light emitting device that emits light having an emission wavelength of 450 nm to 470 nm is used, two types of phosphors that emit green and red fluorescence may be used, or one type of phosphor that emits yellow fluorescence. May be used.
  • the phosphors that emit yellow fluorescence are, for example, YAG: Ce and ⁇ sialon: Eu.
  • an integral phosphor-containing glass obtained by mixing the phosphor with a low-melting glass may be used.
  • FIGS. 17 and 18A A semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17 and 18A.
  • the description of the same parts as those of the first embodiment, the second embodiment, and the modifications thereof will be omitted, and only different parts will be described.
  • the semiconductor light emitting device 701 according to this embodiment is different from the SLD according to the first modification of the first embodiment in the second embodiment.
  • the package 750 is mounted junction-down.
  • the front end surface is an inclined end surface 765 inclined by about 45 ° with respect to a direction perpendicular to the substrate surface.
  • a triangular pyramid having a height of about 250 nm is formed on the back surface of the substrate 10 (the surface opposite to the surface on which the nitride semiconductor multilayer film 40 is formed) with a two-dimensional period (triangular lattice arrangement, with a period of about 100 nm) are formed.
  • the semiconductor light emitting element 701 is held in a package 750, and a phosphor that emits red fluorescence and a fluorescence that emits green fluorescence. It is enclosed so that it may be covered with the fluorescent substance 760 which uses the silicone which contains three types of fluorescent substance particles of the body and the fluorescent substance which emits blue fluorescence.
  • the package 750 is not provided with a reflection surface for guided light.
  • the guided light 71 is reflected by the inclined end surface 765 and radiates outside the semiconductor light emitting element 701 toward the substrate 10 side.
  • the non-waveguide light 70 a is emitted upward from the light emitting layer 13, and the non-waveguide light 70 b is emitted downward from the light emitting layer 13, and is reflected upward by the high reflectivity p-side electrode 224. Therefore, the non-waveguide lights 70a and 70b are radiated to the outside from the substrate 10 side of the semiconductor light emitting element 701.
  • the operation of the light emitting device of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • a fine structure sufficiently smaller than the wavelength is formed on the back surface of the substrate 10, so that the refractive index gradually changes at the interface between the substrate 10 and the phosphor 760.
  • the Fresnel reflection due to the difference in refractive index between the substrate 10 and the phosphor 760 is reduced.
  • reflection of light propagating in the thickness direction of the substrate is reduced. That is, the guided light 71 propagates inside the phosphor 760 without being reflected on the back surface of the substrate 10.
  • the semiconductor light emitting device 701 operates as an SLD.
  • the non-waveguide lights 70a and 70b propagating to the upper clad layer 14 side and the lower clad layer 12 side also pass through the back surface of the substrate 10 without being reflected and enter the phosphor 760.
  • the waveguided light 71 and the non-guided light 70a and 70b incident on the phosphor 760 generate fluorescence 772 by causing the phosphor particles to emit RGB light as the excitation light 771.
  • the light emitting device functions as a white light source.
  • both spontaneous emission light and stimulated emission light can be used, power conversion efficiency can be improved, and further, it can be used as a white light source. Can do.
  • the configuration in which the inclined end face is provided as in the fourth embodiment is used for a semiconductor light emitting device that is mounted in a junction-up manner as in the first embodiment by reversing the inclined end face of the fourth embodiment. It is also possible.
  • the front end surface is an inclined end surface, but the rear end surface may be an inclined end surface, and both the front end surface and the rear end surface may be inclined end surfaces.
  • the semiconductor light emitting element and the phosphor is shown.
  • various combinations of the emission wavelength and the fluorescence wavelength can be applied.
  • Various combinations of body materials can also be applied.
  • the optical waveguide is formed by forming the ridge stripe portion.
  • the optical waveguide is formed by diffusing impurities such as zinc. May be formed, and other methods may be used.
  • the configuration in which the protective film is formed on the end face of the optical waveguide has been described.
  • the protective film is not formed on the end face of the optical waveguide. It doesn't matter.
  • the configuration in which the rear end face of the optical waveguide is formed with a film that is perpendicular to the optical waveguide and has a high reflectivity has been described. You may make it incline with respect to the width direction.
  • the blue-violet LD or blue-violet SLD in which the nitride semiconductor multilayer film is formed on the sapphire substrate has been described.
  • the present invention uses a GaN substrate and a Si substrate. Also good.
  • the emission wavelength in the visible region such as ultraviolet (wavelength less than 400 nm), blue (wavelength near 480 nm) and green (wavelength near 560 nm) using nitride semiconductor, or red (wavelength near 620 nm) using other semiconductor materials
  • it is effective for increasing the efficiency of a semiconductor light emitting device using stimulated emission such as LD and SLD that emit light having a light emission wavelength such as infrared (wavelength 700 nm or more).
  • the semiconductor light emitting device and the light emitting device using the same can use both spontaneous emission light and stimulated emission light, and can improve power conversion efficiency.
  • the present invention is useful for a semiconductor light emitting element having an optical waveguide applicable to a light source for a display such as a projector, a general illumination, a flash light source of a portable electronic device, and a light emitting device using the same.

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Abstract

　半導体発光素子（１）は、基板（１０）と、基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層（１２）、該第１のクラッド層の上に形成された発光層（１３）、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層（１４）を含み、光導波路（２０）を有する半導体積層膜（４０）と、第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極（２３）と、第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極（２２）、（２４）とを備えている。発光層は、光導波路を導波する導波光、及び光導波路を導波しない非導波光を生じ、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する。

Description

半導体発光素子及びそれを用いた発光装置
　本発明は、半導体発光素子及びそれを用いた発光装置に関し、特に、光導波路を有する半導体発光素子及びそれを用いた発光装置に関する。
　一般に、ｐ型半導体と発光層とｎ型半導体とが積層された半導体積層膜を有する発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）、レーザダイオード（laser diode：ＬＤ）及びスーパールミネッセントダイオード（super luminescent diode：ＳＬＤ）等が半導体発光素子として知られている。これらの中で、発光波長が６３０ｎｍ付近の赤色の光を発するＬＥＤは、電気・電子機器のスイッチ照明に広く用いられている。また、発光波長が３７０ｎｍ～４８０ｎｍの光を発するＬＥＤは、蛍光波長が５５０ｎｍ前後の蛍光を発する蛍光体と組み合わせて白色ＬＥＤを構成し、家庭用の一般照明光源、液晶テレビのバックライト光源及び携帯電子機器のフラッシュ光源に用いられている。一方、ＬＤ及びＳＬＤは、ＬＥＤが有さない特徴を備えている。ＬＥＤは、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光を利用する半導体発光素子であるが、ＳＬＤ及びＬＤは光導波路を有し、自然放出光が光導波路を光出射端面方向に進む間に誘導放出による利得を得て増幅された誘導放出光を、光出射端面から放射することができる。特にＬＤは、光導波路の前後に形成された光共振器によりファブリ・ペロー（ＦＰ）モードによるレーザ発振が可能であり、効率良く光を放射し、光ピックアップ及びレーザディスプレイ等の光源に用いられている。一方、ＳＬＤはＬＤと異なり、端面反射による光共振器の形成を抑え、ＦＰモードによるレーザ発振が生じないように構成されている。このため、ＳＬＤは通常のＬＥＤと同様に、インコヒーレント性及び広帯域なスペクトル形状を示し、数十ｍＷ程度までの出力の素子が実用化されている。このようなＳＬＤは、例えば光ファイバジャイロ及び医療用光学的干渉断層計（optical coherence tomography：ＯＣＴ）等の光計測の分野において用いられているが、レーザディスプレイ等の映像投射の分野において必要とされるインコヒーレント光源としても注目されている。
　以下、従来の半導体発光素子の一つとして、従来のＳＬＤについて説明する。
　図２０に示すように、従来のＳＬＤ９００では、基板９１０の上に半導体積層膜９２０が形成されており、亜鉛（Ｚｎ）拡散により半導体積層膜９２０に形成された電流注入領域９２５が光導波路として機能する。この光導波路は基板９１０の長手方向に延び、光導波路の端面に対して５°～１５°（図中のθ）傾斜して形成されていることにより、モード反射率を低減している（例えば、非特許文献１等を参照。）。光導波路が傾斜していること以外は、ＦＰモードによるレーザ発振を利用したＬＤとほぼ同一の構造である。
Gerald A. Alphose、 Dean B. Gibert、 M. G. Harvey、Michael Ettenberg　著, IEEE Journal of Quantum Electronics、1988年発行24巻12号2454頁
　従来のＬＥＤ、ＬＤ及びＳＬＤ等の半導体発光素子に対して、これらが搭載される機器の消費電力を低減するために、発光効率がより向上することが望まれている。従来のＬＥＤは、発光層において自然放出光を効率良く生成できるが、光がランダムな方向に放射され、また、半導体と外部との界面でそれらの屈折率差により反射されるため、光を効率良く外部に放射することができない。一方、従来のＳＬＤ及びＬＤ等は、誘導放出光により効率良く光を外部に放射することができるが、誘導放出を発生させるためにキャリアの反転分布を必要とするため、一定値以上の電流（閾値電流）を半導体発光素子に注入しなければ、光出力のうち誘導放出が支配的となる状態とすることはできない。すなわち、閾値電流と閾値電圧（閾値電流とするために素子に印加する電圧）との積の値分の電力は、自然放出光の放出に用いられる。従来のＳＬＤ及びＬＤではこの自然放出光が有効に活用されておらず、無効消費電力となっていた。自然放出光は誘導放出が支配的な状態となっても、誘導放出を維持するために一定量発生する。従って、この自然放出光を光出力として利用しなければ、閾値電流と閾値電圧との積の値分の電力は無効消費電力となり、ＳＬＤ及びＬＤの電力変換効率（単位時間当たりの光出力エネルギー／投入消費電力）が制限されることとなる。
　本発明は前記の問題に鑑み、その目的は、自然放出光と誘導放出光との両方を利用できる、電力変換効率が高い半導体発光素子及びそれを用いた発光装置を得られるようにすることにある。
　本発明は前記の目的を達成するために、半導体発光素子を、基板と半導体積層膜とを含み、基板側又は半導体積層膜側のいずれか一方から光を放射する構成とする。
　具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された発光層、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層を含み、光導波路を有する半導体積層膜と、第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極と、第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極とを備え、発光層は、光導波路を導波する導波光、及び光導波路を導波しない非導波光を生じ、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する。
　本発明に係る半導体発光素子によると、非導波光は、基板側及び半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射するため、非導波光を有効に光出力として利用することができ、電力変換効率を向上することができる。
　本発明に係る半導体発光素子において、第２の電極は、導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる透明電極を含むことが好ましい。
　この場合、第２の電極は、透明電極の上で且つ光導波路を除く領域の上に形成され、導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含んでもよい。
　本発明に係る半導体発光素子は、発光層の下方に形成され、非導波光を反射する反射部をさらに備えていることが好ましい。
　この場合、反射部は、基板の半導体積層膜が形成された面と反対側の面上に形成された金属からなる反射膜を含むことが好ましい。
　また、反射部は、基板の上に形成され、半導体積層膜と屈折率が異なる材料からなる膜を含んでもよい。
　また、反射部は、基板の上部に形成された凹部を含んでもよい。
　本発明に係る半導体発光素子は、基板は、導波光及び非導波光に対して透明な材料からなることが好ましい。
　この場合、第２の電極は、非導波光を反射する材料からなることが好ましい。
　また、この場合、第１の電極は、導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含み、非透明電極は、光導波路の下に開口部を有してもよい。
　さらに、この場合、基板は、半導体積層膜が形成された面と反対側の面に１次元周期又は２次元周期の凹凸部を含むことが好ましい。
　本発明に係る半導体発光素子において、光導波路の端面は、基板面に垂直な方向に対して傾斜していることが好ましい。
　本発明に係る第１の発光装置は、前記の半導体発光素子と、半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、半導体発光素子は、基板側の面が前記パッケージと接するように保持され、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射する。
　本発明に係る第１の発光装置によると、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射するため、導波光と非導波光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　本発明に係る第２の発光装置は、前記の半導体発光素子と、半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、半導体発光素子は、半導体積層膜側の面がパッケージと接するように保持され、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射する。
　本発明に係る第２の発光装置によると、半導体発光素子から放射する導波光と非導波光とをパッケージの上方から外部に放射するため、導波光と非導波光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置において、パッケージは、底面及び側壁面を有する凹形状であり、側壁面は、底面との角度が鈍角となるように傾斜しており、導波光を反射することが好ましい。
　本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置は、パッケージの上方に設けられ、蛍光体を含む部材をさらに備えていることが好ましい。
　このようにすると、蛍光体により、半導体発光素子から放射された光の一部又は全部の波長を変換できるため、発光装置から放射する光の波長を自由に設定することができる。
　本発明に係る第１の発光装置及び第２の発光装置は、導波光及び非導波光を放射する第１の動作と、非導波光のみを放射する第２の動作とを選択可能に構成されていることが好ましい。
　このようにすると、本発明の発光装置を、用途に応じて効率良く用いることができる。
　この場合、半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも大きい際に、第１の動作が選択され、半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも小さい際に、第２の動作が選択されることが好ましい。
　本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
図１（ａ）～図１（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のIb－Ib線における断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のIc－Ic線における断面図であり、図１（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。 図２（ａ）～図２（ｆ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を工程順に示す断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示し、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIb－IIIb線における断面図であり、図３（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。 図４は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフである。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子を示し、図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のVb－Vb線における断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の動作を示し、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のVIb－VIb線における断面図である。 図７は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の特性を示すグラフである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子を示し、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のVIIIb－VIIIb線における断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子の動作を示し、図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のIXb－IXb線における断面図である。 図１０（ａ）～図１０（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のXb－Xb線における断面図であり、図１０（ｃ）は底面図である。 図１１（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１０（ａ）のXIa－XIa線における断面図であり、図１１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示し、図１２（ａ）は図１１（ａ）と同一の断面を示す断面図であり、図１２（ｂ）は図１０（ｂ）と同一の断面を示す断面図であり、図１２（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。 図１３（ａ）～図１３（ｃ）は本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１３（ａ）は第１変形例の断面図であり、図１３（ｂ）は第２変形例の断面図であり、図１３（ｃ）は第２変形例の底面図である。 図１４は本発明の第３の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。 図１５は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。 図１６（ａ）～図１６（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る発光装置の応用例を示す図及びグラフである 図１７（ａ）～図１７（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子を示し、図１７（ａ）は平面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のXVIIb－XVIIb線における断面図であり、図１７（ｃ）は底面図である。 図１８（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の実装形態を示し、図１７（ａ）のXVIIIa－XVIIIa線における断面図であり、図１８（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る発光装置を示す断面図である。 図１９（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の動作を示す断面図であり、図１９（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る発光装置の動作を示す断面図である。 図２０は従来の半導体発光素子を示す斜視図である。
　（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について図１（ａ）～（ｃ）を参照しながら説明する。本実施形態に係る半導体発光素子１は、発光波長が３８０ｎｍ～４９０ｎｍの紫外光から青色のいずれかの光を発する窒化物半導体により構成された半導体発光素子であり、半導体発光素子の一部にレーザダイオード（ＬＤ）として機能する光導波路を有する半導体発光素子である。本実施形態では、特に発光波長が４０５ｎｍ付近である半導体発光素子について説明する。図１（ａ）～（ｃ）に示すように、サファイアからなる基板１０の上に、窒化物半導体積層膜４０が形成されている。窒化物半導体積層膜４０は、例えばｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる下部コンタクト層１１、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ）からなる下部クラッド層（第１のクラッド層）１２、活性層である発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層である上部クラッド層（第２のクラッド層）１４及びｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層１５が順次積層された積層膜である。なお、下部コンタクト層１１は、膜厚が約１μｍであり、シリコン（Ｓｉ）濃度が約１×１０１８ｃｍ－３となるようにＳｉがドープされている。下部クラッド層１２は、膜厚が約１．５μｍであり、Ｓｉ濃度が約５×１０１７ｃｍ－３となるようにＳｉがドープされている。発光層１３は、アンドープＧａＮからなる膜厚が約０．１μｍのｎ側光ガイド層と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）多重量子井戸活性層と、アンドープＧａＮからなる膜厚が約０．１μｍのｐ側光ガイド層と、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が約１×１０１９ｃｍ－３となるようにＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる膜厚が約１０ｎｍの電子ブロック層とを含む。ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層は、アンドープＩｎＧａＮからなる膜厚が約３ｎｍの井戸層と、アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる膜厚が約７ｎｍの障壁層とにより構成される３重量子井戸構造であり、井戸層のＩｎ組成は、発光波長が約４０５ｎｍとなるように制御されている。上部クラッド層１４は、膜厚が約２ｎｍであるｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜と膜厚が約２ｎｍであるｐ型ＧａＮ膜とからなる合計膜厚が約０．５μｍである超格子構造であり、Ｍｇ濃度が約１×１０２０ｃｍ－３となるようにＭｇがドープされている。また、上部クラッド層１４には、リッジストライプ部が形成されており、これにより、光導波路２０が構成される。光導波路２０が延びる方向は、積層されたＧａＮ膜の結晶軸の＜１－１００＞方向である。前記の上部クラッド層１４の膜厚はリッジストライプ部が形成されている部分の膜厚であり、リッジストライプ部が形成されていない部分の膜厚は０．１μｍである。また、リッジストライプ部の下端の幅は２μｍであり、上端の幅は１．４μｍである。上部コンタクト層１５は、膜厚が約２０ｎｍであり、Ｍｇ濃度が約１×１０２０ｃｍ－３となるようにＭｇがドープされている。なお、上部コンタクト層１５は、上部クラッド層１４のリッジストライプ部の頂面にのみ形成されている。
　上部クラッド層１４の上には、リッジストライプ部の上に開口部を有する酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電流阻止層２１が形成されている。電流阻止層２１及び上部コンタクト層１５の上には、後に説明する導波光及び非導波光に対して透明な酸化インジウムスズ（indium tin oxide：ＩＴＯ）からなる透明電極（第２の電極の一部）２２が形成されている。下部コンタクト層１１の上に、ｎ側電極（第１の電極）２３が形成され、透明電極２２の上において、光導波路２０を除く領域の上に、後に説明する導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなるｐ側電極（第２の電極の一部）２４が形成されている。基板１０の窒化物半導体積層膜４０が形成された面と反対側の面に、反射部として、例えばアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）を含む合金からなる反射膜２５が形成されている。
　図示はしないが、積層されたＧａＮ膜における結晶面の面方位の（１－１００）面を劈開面として劈開し、半導体発光素子１のチップを形成している。なお、チップサイズは、ボンディングパッド領域も含めて、チップ幅が約１５０μｍであり、チップ長が約８００μｍである。半導体発光素子１において、導波光を放射する前方端面３０には反射率が約１０％である第１保護膜３５が形成され、導波光を反射し再び光導波路に戻す後方端面３１には端面反射膜として反射率が約９５％である第２保護膜３６が形成されている。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る発光装置について図１（ｄ）を参照しながら説明する。なお、図１（ｄ）では、半導体発光素子１を簡略化して示している。図１（ｄ）に示すように、本実施形態に係る発光装置１００では、上方が開口された凹状のパッケージ５０の内部に、反射膜２５を介して本実施形態に係る半導体発光素子１が実装されている。パッケージ５０の内部は、半導体発光素子１が保持された底面、及び該底面と上面とを結ぶ側壁面を有する。側壁面は、底面との角度が鈍角となるような傾斜面であり、側壁面は光を反射することが可能な反射面５１である。パッケージ５０には金属配線（図示せず）が埋め込まれており、その金属配線と半導体発光素子１のｐ側電極２４及びｎ側電極２３とが、例えば金属細線（図示せず）により接続されることにより、パッケージ５０の外部から半導体発光素子１に電力が供給できるようになっている。また、パッケージ５０の上方（光出射側）の開口部にカバーガラス５２を設けることにより、パッケージ５０の内部を封止している。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について図２を参照しながら説明する。
　図２（ａ）に示すように、サファイアからなる基板１０の上に、例えば有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法により窒化物半導体積層膜４０を形成する。具体的に、基板１０の上に、ｎ型ＧａＮからなる下部コンタクト層１１、ｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる下部クラッド層１２、発光層１３、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層である上部クラッド層１４及びｐ型ＧａＮからなる上部コンタクト層１５を順次形成する。
　次に、図２（ｂ）に示すように、下部クラッド層１２、発光層１３、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５の一部に対して、例えばドライエッチング及びウェットエッチングを行うことにより、下部コンタクト層１１の一部を露出する。
　次に、図２（ｃ）に示すように、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５に対してエッチングを行い、上部クラッド層１４に光導波路２０を構成するリッジストライプ部を形成する。
　次に、図２（ｄ）に示すように、上部クラッド層１４及び上部コンタクト層１５の上に、ＳｉＯ２からなる電流阻止層２１を形成し、エッチングにより上部コンタクト層１５の上に形成された電流阻止層２１を除去する。
　次に、図２（ｅ）に示すように、上部コンタクト層１５及び電流阻止層２１の上に、ＩＴＯからなる透明電極２２を形成する。
　次に、図２（ｆ）に示すように、図２（ｂ）において露出された下部コンタクト層１２の上にｎ側電極２３を形成し、透明電極２２の上において、光導波路２０を除く領域の上にｐ側電極２４を形成する。また、基板１０の窒化物半導体積層膜４０が形成された面と反対側の面にＡｌ、Ｐｔ及びＡｕを含む合金からなる反射膜２５を形成する。以上により、半導体発光素子１を形成することができる。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の動作ついて図３（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｎ側電極２３及びｐ側電極２４から電子及び正孔が発光層（活性層）１３に注入され、閾値電流値以上においてレーザ発振が生じ、誘導放出光を主成分とする導波光７１が、前方端面３０から放射する。一方、自然放出光を主成分とし、光導波路２０の上方に放射する非導波光７０ａは光導波路２０の上（半導体積層膜４０側）から半導体発光素子１の外部に放射し、さらに、光導波路２０の下方に放射する非導波光７０ｂは反射膜２５により反射されて光導波路２０の上から半導体発光素子１の外部に放射する。この際、ｐ側電極２４が光導波路２０の上に配置されていないため、非導波光７０ａ、７０ｂの放射は妨げられない。
　次に、本発明の第１の実施形態に係る発光装置の動作ついて図３（ｃ）を参照しながら説明する。なお、図３（ｃ）では、半導体発光素子１を簡略化して示している。図３（ｃ）に示すように、半導体発光素子１の前方端面３０から導波光７１が放射する。放射した導波光７１は、パッケージ５０の反射面５１により反射され、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。一方、半導体発光素子１の光導波路２０の上部から放射した非導波光７０ａ、７０ｂも、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。従って、導波光７１の主成分である誘導放出光と、非導波光７０ａ、７０ｂの主成分である自然放出光とは、共にパッケージ５０の同一面側（上側）からカバーガラス５２を通って放射し、光出力として利用され得る。
　本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性について図４を参照しながら説明する。図４に示すように、従来の半導体発光素子と比較して、本実施形態の半導体発光素子は、非導波光成分により光出力がＰ１だけ増大するため、光出力Ｐ２を得るための動作電流がＩ２からＩ３に低減することができる。
　本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　（第１の実施形態の第１変形例）
　本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子について図５を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体発光素子１０１は、半導体発光素子の一部にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）として機能する光導波路を有する素子であり、また、発光層１３の下方に形成された反射部の形成位置及び組成が第１の実施形態と異なる。さらに、前方端面３０が光導波路２０の幅方向に対して約１０°傾斜している点が第１の実施形態と異なる。なお、後方端面３１は光導波路２０の長手方向に対して垂直である。
　具体的に、本変形例に係る半導体発光素子１０１には、基板１０の上に一部に幅が約１０μｍのストライプ状に形成されたＳｉＯ２からなる選択成長マスク１２５が形成されている。このため、下部コンタクト層１１を基板１０の上に形成する際、選択成長マスク１２５が開口して基板１０が露出している領域から、下部コンタクト層１１が選択成長され、選択成長マスク１２５の幅方向の両端側から中央部に向かって選択成長マスク１２５を覆うように下部コンタクト層１１が形成される。サファイアからなる基板１０の上に結晶構造の異なるＧａＮ膜を成長すると、ＧａＮ膜の貫通転位密度が大きくなり、発光層１３の内部量子効率が低減してしまう。本変形例では、前述のように選択成長マスク１２５を形成することにより、サファイアからなる基板１０の上に形成される下部コンタクト層１１等のＧａＮ膜の貫通転位密度を低減し、発光層１３の内部量子効率を向上することができる。なお、選択成長されたＧａＮ膜の合体部（選択成長マスク１２５の幅方向における中央部）は貫通転位が密集し、発光層１３の内部量子効率が低下するため、発光領域となる光導波路２０の幅方向の中央部と選択成長マスク１２５の幅方向の中央部とは、３μｍ程度ずれるように形成される。ＳｉＯ２からなる選択成長マスク１２５の屈折率は、ＧａＮからなる下部コンタクト層１１の屈折率と異なるため、選択成長マスク１２５と下部コンタクト層１１との界面において、光はフレネル反射又は全反射される。すなわち、選択成長マスク１２５は反射部として機能する。このため、本変形例では、基板１０の裏面側に反射膜を形成しなくてもよいが、形成しても構わない。
　次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の動作について図６を参照しながら説明する。図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例では、前方端面３０が光導波路２０の幅方向に対して約１０°傾斜しているため、導波光７１が前方端面３０で反射された場合、光導波路２０に戻るモード反射率が約１０－３％まで低減し、端面反射によるレーザ発振（ＦＰモードによるレーザ発振）を抑制するため、ＳＬＤ動作（レーザ発振を伴わない誘導放出動作）を得ることができる。なお、第１保護膜３５は反射率（フレネル反射率）が約０．５％となるように成膜され、モード反射率をさらに低減している。一方、第２保護膜３６が形成された後方端面３１は、光導波路２０の長手方向に対して垂直であるため、第１の実施形態と同様に約９５％の反射率となっている。その結果、後方端面３１に向かって伝播する導波光は後方端面３１において反射されるため、チップ長の増大によるキャリア密度の低下を招くことなく、実効的な増幅長をチップ長の２倍に拡大できる。
　このような構成とすることにより、前方端面３０での低反射によるレーザ発振を抑制するのみでなく、前方端面３０での利得飽和を抑制すること、及び後方端面３１での高反射による増幅長の拡大によって、外部量子効率を向上し、２００ｍＷ程度の高光出力でもＳＬＤ動作ができる。
　一方、非導波光７０ａ、７０ｂは発光層１３からそれぞれ上方及び下方に放射する。発光層１３から下方に放射する非導波光７０ｂは、下部コンタクト層１１と選択成長マスク１２５との界面において、フレネル反射及び全反射することにより上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方から半導体発光素子１０１の外部に放射する。
　次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子の特性について図７を参照しながら説明する。図７に示すように、第１の実施形態のＬＤとは異なり、誘導放出光が支配的になる段階において、誘導放出光の光出力の増大が緩やかとなるが、本質的には第１の実施形態と同様に、自然放出光を主成分とする非導波光を光出力として利用できる。その結果、本変形例の半導体発光素子は、従来の半導体発光素子と比較して、光出力Ｐ２における動作電流をＩ２からＩ３に低減することができる。
　本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　（第１の実施形態の第２変形例）
　本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子について図８を参照しながら説明する。本変形例において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体発光素子１０２は、ＳＬＤであり、また、発光層１３の下方に形成された反射部の形状が第１の実施形態と異なる。さらに、光導波路２０が前方端面３０の垂直方向に対して傾斜している点が、第１の実施形態と異なる。
　具体的に、本変形例の半導体発光素子１０２は、反射部として基板１０の上部に凹部が設けられている。この凹部は、光導波路２０の導波方向に沿ってストライプ状に形成され、底面の深さは約１μｍであり、幅は約１０μｍである。一般に、下部コンタクト層１１を該下部コンタクト層１１の材料と異なるサファイアからなる基板１０の上に成長すると、下部コンタクト層１１に貫通転位が生じることとなる。これに対して、本変形例では、下部コンタクト層１１を前記凹部の上に形成することにより、第１の実施形態の第１変形例と同様に貫通転位密度を低減できて、活性層の内部量子効率を向上することができる。なお、第１の実施形態の第１変形例と同様に、光導波路２０の幅方向の中央部と凹部の底面の幅方向の中央部とは約３μｍずれるように配置されている。
　また、本変形例に係る半導体発光素子１０２において、ＳＬＤ動作をさせるために、光導波路２０が前方端面３０の垂直方向に対して約１０°傾斜し、後方端面３１に対しては垂直である。なお、光導波路２０が傾斜している長さは、前方端面３０から約６００μｍであり、光導波路２０は後方端面３１に対しては垂直になるように曲率が約１０００μｍで湾曲している。
　次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子１０２の動作について図９を参照しながら説明する。図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、前方端面３０が光導波路２０の垂直方向に対して傾斜することにより、モード反射率が約１０－３％まで低減し、端面反射によるレーザ発振を抑制し、ＳＬＤ動作を得ることができる。一方、後方端面３１は光導波路２０に対して垂直であるため、後方端面３１におけるモード反射率は、第１の実施形態と同様に約９５％の反射率となっている。なお、光導波路２０の前方端面３０側の傾斜部と後方端面３１側の垂直部との接続領域の曲率は１０００μｍと十分に大きいため、光導波路２０の曲げに伴う導波光の伝播損失は無視できるほど小さく、ＳＬＤの発光効率を低減させない。このような構成により、第１の実施形態の第１変形例と同様に、２００ｍＷ程度の高光出力でもＳＬＤ動作が可能となる。
　一方、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方及び下方等に放射する。非導波光７０ａ、７０ｂのうち、発光層１３から下方に放射する非導波光７０ｂは、下部コンタクト層１１と基板１０との界面におけるフレネル反射及び全反射により、上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは、光導波路２０の上方から半導体発光素子１０２の外部に放射する。なお、本変形例においても、基板１０の下に反射膜を形成しても構わない。その結果、第１の実施形態の第１変形例と同様に、自然放出光を主成分とする非導波光を光出力として利用できるため、動作電流を低減することができる。
　本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体発光素子によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子について図１０及び図１１（ａ）を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図１０（ａ）～（ｃ）及び図１１（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態と同様にＬＤであるが、基板１０の下に反射膜が形成されていない点が第１の実施形態と異なる。また、本実施形態に係る半導体発光素子２０１は、後に説明するパッケージ２５０に、ｐ側（上側）がパッケージ２５０の底面に接するように実装される（ジャンクションダウン実装）。本実施形態では、基板１０は後に説明する導波光及び非導波光に対して透明であることが好ましい。
　具体的に、本実施形態に係る半導体発光素子２０１には、ｐ側電極である第２の電極として透明電極が形成されておらず、代わりに高反射率ｐ側電極２２４が形成されている。高反射率ｐ側電極２２４の材料は、高反射率を有し且つｐ型ＧａＮに対してオーミック接触となる、例えばＰｄ、Ａｇ、Ｐｔ及びＡｕ合金が用いられる。
　また、第２の実施形態の半導体発光素子２０１では、パッケージ２５０にジャンクションダウン実装されるために、高反射率ｐ側電極２２４の上にＡｕからなる第１のバンプ２３１が形成され、これにより実装面を平坦にしている。また、下部コンタクト層１１の露出面の上にｎ側電極２３を介してＡｕからなる第２のバンプ２３２が形成され、第１のバンプ２３１と第２のバンプ２３２とにより、半導体発光素子２０１を安定且つ水平にパッケージ２５０に実装することができる。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置について図１１を参照しながら説明する。なお、図１１（ｂ）では、半導体発光素子２０１を簡略化して示している。図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体発光素子２０１がパッケージ２５０にジャンクションダウン実装されている。第２の実施形態の発光装置２００において、パッケージ２５０には、該パッケージ２５０の底面を貫通する配線であるビア配線２５１が設けられている。ビア配線２５１は、第１のバンプ２３１及び第２のバンプ２３２と接続され、これにより、半導体発光素子２０１とパッケージ２５０の外部とを電気的に接続することができるため、配線工程を省略することができる。
　次に、本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の動作について図１２（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様にレーザ発振により、誘導放出光を主成分とする導波光７１が、前方端面３０から放射する。一方、自然放出光を主成分とする非導波光７０ａが発光層１３から基板１０側に向かって半導体発光素子２０１の外部に放射し、さらに、非導波光７０ｂが発光層１３から上部クラッド層１４側へ放射し、高反射率ｐ側電極２２４で反射されて基板１０側に向かって半導体発光素子２０１の外部に放射する。この際、基板１０と発光層１３との間には、電極等の光を遮る部材が配置されていないため、非導波光７０ａ、７０ｂの放射は妨げられない。このように、非導波光７０ａ、７０ｂを導波光７１と共に光出力として利用することができるため、第１の実施形態と同様に発光効率を向上させ、動作電流を低減することができる。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置の動作ついて図１２（ｃ）を参照しながら説明する。図１２（ｃ）に示すように、半導体発光素子２０１の前方端面３０から放射する導波光７１はパッケージ２５０の反射面５１により反射され、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。一方、非導波光７０ａ、７０ｂも、カバーガラス５２を通ってパッケージ５０の外部に放射する。従って、導波光７１の主成分である誘導放出光と、非導波光７０ａ、７０ｂの主成分である自然放出光とは、パッケージ２５０の同一面側（上側）であるカバーガラス５２から共に放射し、光出力として利用され得る。
　本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　（第２の実施形態の各変形例）
　本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子について図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）に示すように、第２の実施形態の一変形例では、基板１０の裏面（窒化物半導体積層膜４０が形成されている面と反対側の面）に、高さが５００ｎｍ程度であり、幅が５００ｎｍ程度である凹凸部がランダムに形成されている。凹凸部が形成されることにより、光の散乱及び回折を生じさせ、基板１０における全反射を低減できる。このため、基板１０の裏面が平坦である場合と比較して、非導波光における基板１０からの光取り出し効率を約３倍向上できる。その結果、半導体発光素子２０１の発光効率が第２の実施形態に係る半導体発光素子よりも向上し、動作電流をより低減することができる。
　なお、基板１０の裏面に形成された凹凸部はランダムに形成される必要はなく、周期的であってもよく、周期構造も１次元周期（回折格子）及び２次元周期（２次元フォトニック結晶）であってもよい。
　第２の実施形態の他の変形例では、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、基板として導電性のｎ型ＧａＮ基板３１０を用いている。このため、金属からなる非透明電極２２２をｎ型ＧａＮ基板３１０の裏面に設けることができる。この場合、発光層１３から放射する非導波光を遮らないように、非透明電極２２２は開口部を有するように形成される。
　本発明の第２の実施形態の各変形例に係る半導体発光素子によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。
　（第３の実施形態）
　本発明の第３の実施形態に係る発光装置について図１４を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。本実施形態に係る発光装置に用いられる半導体発光素子１０１は、前記の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子であり、特に波長が４０５ｎｍ付近の光を放射するＳＬＤとして機能する光導波路を有する半導体発光素子である。なお、図１４では、半導体発光素子１０１を簡略化して示している。図１４に示すように、本実施形態に係る発光装置５００は、第１の実施形態に係る発光装置と異なり、パッケージ５０のカバーガラス５２の上に、波長が５９０ｎｍ～６８０ｎｍの赤色（Ｒ）で発光する蛍光体と、波長が５００ｎｍ～５９０ｎｍの緑色（Ｇ）で発光する蛍光体と、波長が４５０ｎｍ～５００ｎｍの青色（Ｂ）で発光する蛍光体の３種類の蛍光体を含む蛍光体層５６０が塗布されている。これら３種類の蛍光体の具体例は、例えば、赤色で発光する蛍光体は（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕであり、緑色で発光する蛍光体はβサイアロン：Ｅｕであり、青色で発光する蛍光体はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕである。
　次に、本発明の第３の実施形態に係る発光装置の動作について図１５を参照しながら説明する。図１５に示すように、本実施形態に係る発光装置５００において、半導体発光素子１０１から放射した導波光７１及び非導波光７０ａ、７０ｂは、蛍光体層５６０を通過し、パッケージ５０の外部に励起光５７１として出力される。励起光５７１の一部は蛍光体層５６０に吸収され蛍光体を励起する。その結果、蛍光体から赤色、緑色及び青色の蛍光５７２が生じる。その結果、発光装置５００は白色光の発光装置として機能する。
　次に、第３の実施形態の発光装置の応用例について図１６を参照しながら説明する。具体的には、本実施形態に係る発光装置を、デジタルカメラを搭載した携帯電話及びスマートフォン等のフラッシュライト用光源として用いる場合の一例について説明する。本応用例では、第３の実施形態の発光装置が異なる動作電流により異なる発光原理に基づく異なる特性の光を放射することを積極的に利用している。
　まず、図１６（ａ）及び（ｃ）に示すように、半導体発光素子１０１に流れる動作電流の量が閾値電流よりも小さくて誘導放出が開始していない、又は光量が少ない場合の半導体発光素子１０１から放射する光は、主に、自然放出光である。このとき、放射する光は指向性が低く、発光の放射角度パターンはランバーシアン分布のような広い分布を取る。すなわち、発光装置５００から放射する白色光は低輝度であるが、指向性が低く、広い範囲を照らすことができる。このため、このような動作電流が小さい場合の光をフラッシュライト用光源のトーチモードとして利用できる。
　一方、図１６（ｂ）及び（ｃ）に示すように、半導体発光素子１０１に流れる動作電流の量が閾値電流よりも大きくて誘導放出が支配的となった光量が多い場合の半導体発光素子１０１から放射する光は、主に、放射角度が約１０°～２０°と比較的狭いという特性を有する誘導放出光である。このため、蛍光体層５６０から放射する光は、主に、比較的小さい面積の領域（パッケージの反射面の上部近傍）から放射する白色光となる。そこで、この白色光が発光している領域に合わせてレンズ等を設計し、配置すれば、大きい動作電流による高輝度で且つ放射角が狭い光を、デジタルカメラの撮像体を選択的に照らすことが可能な光源のフラッシュモードとして利用できる。また、動作電流の量を小さくすると、上述のようなトーチモードに切り替えることができる。
　本発明の第３の実施形態に係る発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができる。また、自然放出光と誘導放出光とのそれぞれを用途に応じて使い分けることにより、１つの発光装置を用いて複数の所望の用途に利用することができる。
　なお、本実施形態において、半導体発光素子として第１の実施形態の第１変形例に係る半導体発光素子１０１を用いたが、これに限られない。第１の実施形態及び第２の実施形態に示した、一部にＳＬＤ又はＬＤとして機能する光導波路を有する半導体発光素子を用いてもよい。また、本実施形態では、発光波長が４０５ｎｍ付近である半導体発光素子を用いたが、これに限られない。例えば、４５０ｎｍ～４７０ｎｍの光を放射する半導体発光素子を用いてもよい。また、蛍光体層５６０の蛍光体を赤色、緑色及び青色の蛍光を発する３種類の蛍光体としたが、これに限られない。例えば、青色及び黄色の蛍光を発する２種類の蛍光体の組み合わせでもよい。また、発光波長が４５０ｎｍ～４７０ｎｍの光を放射する半導体発光素子を用いる場合は、緑色及び赤色の蛍光を発する２種類の蛍光体を用いてもよいし、黄色の蛍光を発する１種類の蛍光体を用いてもよい。なお、黄色の蛍光を発する蛍光体は、例えばＹＡＧ：Ｃｅ及びαサイアロン：Ｅｕ等である。
　なお、上記のカバーガラス５２及び蛍光体層５６０には、例えば低融点ガラスに上記蛍光体を混合させた一体の蛍光体含有ガラスを用いてもよい。
　（第４の実施形態）
　本発明の第４の実施形態の半導体発光素子について図１７及び図１８（ａ）を参照しながら説明する。本実施形態において、第１の実施形態、第２の実施形態及びこれらの変形例と同一の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図１７（ａ）～（ｃ）及び図１８（ａ）に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子７０１は、第１の実施形態の第１変形例に係るＳＬＤを第２の実施形態と同様の構成にして、パッケージ７５０にジャンクションダウン実装される。
　具体的に、本実施形態に係る半導体発光素子７０１では、前方端面を基板面に垂直な方向に対して約４５°傾斜した傾斜端面７６５としている。また、基板１０の裏面（窒化物半導体積層膜４０が形成されている面とは反対側の面）には高さが約２５０ｎｍである三角錐が、２次元周期（三角格子配列、周期が約１００ｎｍ）で配列している微細構造が形成されている。
　次に、本発明の第４の実施形態の発光装置について図１８を参照しながら説明する。図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る発光装置８００において、半導体発光素子７０１は、パッケージ７５０に保持され、赤色の蛍光を発する蛍光体、緑色の蛍光を発する蛍光体及び青色の蛍光を発する蛍光体の３種類の蛍光体粒子を含有するシリコーンを材料とする蛍光体７６０により覆われるように封入されている。なお、パッケージ７５０は、第１の実施形態～第３の実施形態のパッケージとは異なり、導波光に対する反射面が設けられていない。
　次に、第４の実施形態の半導体発光素子の動作について図１９（ａ）を参照しながら説明する。図１９（ａ）に示すように、導波光７１は傾斜端面７６５で反射され、基板１０側に向かって半導体発光素子７０１の外部に放射する。また、非導波光７０ａは発光層１３から上方に向かって放射し、非導波光７０ｂは発光層１３から下方に向かって放射し、高反射率ｐ側電極２２４により上方に反射される。このため、非導波光７０ａ、７０ｂは半導体発光素子７０１の基板１０側から外部に放射する。
　次に、第４の実施形態の発光装置の動作について図１９（ｂ）を参照しながら説明する。図１９（ｂ）に示すように、基板１０の裏面には波長よりも十分に小さい微細構造が形成されているため、基板１０と蛍光体７６０との界面において屈折率が緩やかに変化しており、基板１０と蛍光体７６０との屈折率の差に起因するフレネル反射が低減される。その結果、基板の厚さ方向に伝播する光に対する反射が低減する。すなわち、導波光７１は基板１０の裏面で反射されずに、蛍光体７６０の内部に伝播する。このように、傾斜端面７６５で反射された導波光７１が光導波路２０に戻らないため、半導体発光素子７０１はＳＬＤとして動作する。一方、上部クラッド層１４側及び下部クラッド層１２側に伝播する非導波光７０ａ、７０ｂも、ほとんど反射されずに基板１０の裏面を透過し、蛍光体７６０へ入射する。このように蛍光体７６０へ入射した導波光７１及び非導波光７０ａ、７０ｂは、励起光７７１として蛍光体粒子をＲＧＢ発光させることにより蛍光７７２が生じる。その結果、本実施形態に係る発光装置は、白色光源として機能する。
　本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子及び発光装置によると、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができ、さらに、白色光源として用いることができる。
　第４の実施形態のように傾斜端面を設ける構成は、第４の実施形態の傾斜端面と傾斜方向を逆にすることにより、第１の実施形態のようにジャンクションアップ実装する半導体発光素子に用いることも可能である。また、本実施形態では、前方端面を傾斜端面としたが、後方端面を傾斜端面としてもよく、前方端面及び後方端面の両方を傾斜端面としても構わない。
　なお、本実施形態において、半導体発光素子及び蛍光体の一例を示したが、第３の実施形態に示したように、発光波長及び蛍光波長の種々の組み合わせを適用することができ、また、蛍光体材料の種々の組み合わせを適用することもできる。
　第１の実施形態～第４の実施形態において、リッジストライプ部を形成することにより光導波路を形成したが、例えば非特許文献１に提示された構成のように、亜鉛等の不純物拡散により光導波路を形成してもよく、他の方法を用いても構わない。
　また、導波光の反射率の制御及び素子の信頼性の確保のために、光導波路の端面には保護膜が形成された構成について説明したが、光導波路の端面に保護膜を形成しなくても構わない。また、高い発光効率を得るために、光導波路の後方端面は光導波路と垂直で且つ反射率が高い膜が形成された構成について説明したが、光導波路の前方端面及び後方端面の両方を光導波路の幅方向に対して傾斜させても構わない。
　第１の実施形態～第４の実施形態において、サファイア基板の上に窒化物半導体積層膜が形成された青紫色ＬＤ又は青紫色ＳＬＤについて説明したが、本発明はＧａＮ基板及びＳｉ基板を用いてもよい。また、窒化物半導体を用いた紫外（波長４００ｎｍ未満）、青（波長４８０ｎｍ付近）及び緑（波長５６０ｎｍ付近）等の可視域の発光波長、又はその他の半導体材料を用いた赤（波長６２０ｎｍ付近）及び赤外（波長７００ｎｍ以上）等の発光波長の光を放射するＬＤ及びＳＬＤ等の誘導放出を利用した半導体発光素子の高効率化にも有効である。
 本発明に係る半導体発光素子及びそれを用いた発光装置は、自然放出光と誘導放出光との両方を利用でき、電力変換効率を向上することができ、特に、電子機器のスイッチ照明、液晶テレビ及びプロジェクタ等のディスプレイ用の光源、一般照明並びに携帯電子機器のフラッシュ光源等に適用できる光導波路を有する半導体発光素子及びそれを用いた発光装置等に有用である。
１　半導体発光素子
１０　基板
１１　下部コンタクト層
１２　下部クラッド層
１３　発光層
１４　上部クラッド層
１５　上部コンタクト層
２０　光導波路
２１　電流阻止層
２２　透明電極
２３　ｎ側電極
２４　ｐ側電極
２５　反射膜
３０　前方端面
３１　後方端面
３５　第１保護膜
３６　第２保護膜
４０　窒化物半導体積層膜
５０　パッケージ
５１　反射面
５２　カバーガラス
７０ａ　非導波光
７０ｂ　非導波光
７１　導波光
１００　発光装置
１０１　半導体発光素子
１０２　半導体発光素子
１２５　選択成長マスク
２００　発光装置
２０１　半導体発光素子
２２２　非透明電極
２２４　高反射率ｐ側電極
２３１　第１のバンプ
２３２　第２のバンプ
２５０　パッケージ
２５１　ビア配線
３１０　ｎ型ＧａＮ基板
５００　発光装置
５６０　蛍光体層
５７１　励起光
５７２　蛍光
７０１　半導体発光素子
７５０　パッケージ
７６０　蛍光体
７６５　傾斜端面
７７１　励起光
７７２　蛍光
８００　発光装置

Claims (19)

  1. 　基板と、
    　前記基板の上に形成された第１導電型である第１のクラッド層、該第１のクラッド層の上に形成された発光層、及び該発光層の上に形成された第２導電型である第２のクラッド層を含み、光導波路を有する半導体積層膜と、
    　前記第１のクラッド層と電気的に接続するように形成された第１の電極と、
    　前記第２のクラッド層と電気的に接続するように形成された第２の電極とを備え、
    　前記発光層は、前記光導波路を導波する導波光、及び前記光導波路を導波しない非導波光を生じ、
    　前記非導波光は、前記基板側及び前記半導体積層膜側のうちのいずれか一方から外部に放射する半導体発光素子。
  2. 　請求項１において、
    　前記第２の電極は、前記導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる透明電極を含む半導体発光素子。
  3. 　請求項２において、
    　前記第２の電極は、前記透明電極の上で且つ前記光導波路を除く領域の上に形成され、前記導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含む半導体発光素子。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項において、
    　前記発光層の下方に形成され、前記非導波光を反射する反射部をさらに備えている半導体発光素子。
  5. 　請求項４において、
    　前記反射部は、前記基板の前記半導体積層膜が形成された面と反対側の面上に形成された金属からなる反射膜を含む半導体発光素子。
  6. 　請求項４において、
    　前記反射部は、前記基板の上に形成され、前記半導体積層膜と屈折率が異なる材料からなる膜を含む半導体発光素子。
  7. 　請求項４において、
    　前記反射部は、前記基板の上部に形成された凹部を含む半導体発光素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項において、
    　前記光導波路の端面は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜している半導体発光素子。
  9. 　請求項１において、
    　前記基板は、前記導波光及び非導波光に対して透明な材料からなる半導体発光素子。
  10. 　請求項９において、
    　前記第２の電極は、前記非導波光を反射する材料からなる半導体発光素子。
  11. 　請求項９又は１０において、
    　前記第１の電極は、前記導波光及び非導波光に対して透明でない材料からなる非透明電極を含み、
    　前記非透明電極は、前記光導波路の下に開口部を有する半導体発光素子。
  12. 　請求項９～１１のいずれか１項において、
    　前記基板は、前記半導体積層膜が形成された面と反対側の面に１次元周期又は２次元周期の凹凸部を含む半導体発光素子。
  13. 　請求項９～１２のいずれか１項において、
    　前記光導波路の端面は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜している半導体発光素子。
  14. 　請求項１～８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
    　前記半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、
    　前記半導体発光素子は、前記基板側の面が前記パッケージと接するように保持され、
    　前記半導体発光素子から放射する前記導波光と前記非導波光とを前記パッケージの上方から外部に放射する発光装置。
  15. 　請求項１及び９～１３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子と、
    　前記半導体発光素子を保持するパッケージとを備え、
    　前記半導体発光素子は、前記半導体積層膜側の面が前記パッケージと接するように保持され、
    　前記半導体発光素子から放射する前記導波光と前記非導波光とを前記パッケージの上方から外部に放射する発光装置。
  16. 　請求項１４又は１５において、
    　前記パッケージは、底面及び側壁面を有する凹形状であり、
    　前記側壁面は、前記底面との角度が鈍角となるように傾斜しており、前記導波光を反射する発光装置。
  17. 　請求項１４～１６のいずれか１項において、
    　前記パッケージの上方に設けられ、蛍光体を含む部材をさらに備えている発光装置。
  18. 　請求項１４～１７のいずれか１項において、
    　前記導波光及び非導波光を放射する第１の動作と、前記非導波光のみを放射する第２の動作とを選択可能に構成されている発光装置。
  19. 　請求項１８において、
    　前記半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも大きい際に、前記第１の動作が選択され、
    　前記半導体発光素子に流れる電流量が閾値電流よりも小さい際に、前記第２の動作が選択される発光装置。
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