半導体素子、ならびにこれを用いた照明装置および画像受像機
【課題】電流狭窄部に歪などをもたらすことなく、十分な電流狭窄を行なうことができ、簡便に作製することが可能な半導体素子、特には半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、該ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、第１の層と第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子、特には半導体レーザ素子、ならびにこれを用いた照明装置および画像受像機。
【解決手段】窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、該ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、第１の層と第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子、特には半導体レーザ素子、ならびにこれを用いた照明装置および画像受像機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、特には半導体レーザ素子に関する。また本発明は、当該半導体素子を用いた照明装置および画像受像機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青緑色〜紫外にかけての波長域のレーザ光を発振する半導体レーザ素子の開発が進められている。特に、波長４０５ｎｍ付近のレーザ光を発振する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ素子については、光ピックアップ用光源として実用化段階に入りつつある。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎを主たる構成元素とし、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を主たる構成元素とする化合物であり、これらの元素の他にＴｌ、Ｂ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂなどが適宜混晶化される場合もある。
【０００３】
ここで、図８は、窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。従来、窒化物系半導体を用いた半導体レーザでは、図８に示されるように、リッジ型の導波路構造が採用される場合が多い。具体的には、ＧａＮ等からなる基板８０１の上に一回の結晶成長によって形成された窒化物系半導体多層膜（バッファ層８０２、下部クラッド層８０３、活性層８０４および上部クラッド層８０５）からなるダブルへテロ構造のうち上部クラッド層８０５を、ドライエッチングによってストライプ状のメサ形状に加工し、該メサの上部にのみｐ型層用オーミック電極８０８をコンタクト層８０６に接して設け、それ以外の部分は絶縁膜８０７に覆われた構成とされる。基板８０１としてはｎ型基板が使われることが多いため、メサ形状に加工される上部クラッド層８０５は通常ｐ型層となる。なお、基板８０１の反対側の面には、ｎ型層用のオーミック電極８０９が設けられる。
【０００４】
窒化物系半導体は、アクセプタ不純物の活性化率が低く、低抵抗のｐ型半導体部を得ることが難しい。また、ｐ型層と電極との接触抵抗も高く、良好なオーミック性が得られにくい傾向にある。このように抵抗が高いため、素子の動作電圧・消費電力が高くなり、発熱の要因となる。特に、図８に示されるようなリッジ型構造は、抵抗が比較的高いｐ型層にて電流を細く絞ることによって電流の狭窄を行なっており、また接触抵抗が高いｐ型電極のオーミックコンタクト部がリッジ上の狭い領域にだけ設けられるため、素子抵抗が増大しやすい構造となっている。
【０００５】
このような素子抵抗増大の問題は、内部ストライプ型構造により解決しうると考えられる。特許文献１に内部ストライプ型構造を有する半導体レーザ素子の一例が開示されている。図９は、特許文献１に示される、窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の別の一例を示す断面図である。図９に示される半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮ活性層４の上（あるいは下）に設けられた、ＡｌＮ（あるいは高抵抗膜）からなり、かつストライプ状の溝を設けたＡｌＮ横モード制御層７を、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６および８で挟んだ構造を有しており、当該ＡｌＮ横モード制御層７により電流の狭窄と横モードの制御を行なうことが可能となっている。また、このような構成とすることにより、ｐ型層におけるオーミック電極の面積を大きくすることができ、またｐ型層内で電流が広がるので抵抗が低減することが期待される。
【０００６】
しかし、電流狭窄層にＡｌＮや高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮを用いる場合は、高抵抗層が得られやすく、十分な電流狭窄特性が得られるものの、クラッド層やガイド層として用いられる低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮやＧａＮとの格子定数の差に起因する歪が大きく、その上への再成長層に結晶欠陥が多く生じ、素子の寿命が短くなる問題を有している。一方、電流狭窄層にＧａＮや低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮを用いる場合は、単膜においては電流狭窄に十分な高抵抗な層が得られない。電流狭窄層の導電型を周囲の層と反転させ、ｐｎ逆接合を用いる構成もあるが、ｐｎ逆接合界面に結晶再成長界面が接するために、ｐｎ逆接合界面の結晶性が良好でなく、耐圧が低く、十分な電流狭窄が行なえないという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−１５８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電流狭窄部に歪などをもたらすことなく、十分な電流狭窄を行なうことができ、簡便に作製することが可能な半導体素子、特には半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、当該半導体素子、特には半導体レーザ素子を用いた照明装置および画像受像機等の応用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、半導体レーザ素子が有するｐ型半導体部のうち、２層構造からなるｐ型クラッド層を形成するにあたり、該２層のうちの基板に近い側の層の表面を平坦な領域と凹凸（たとえばノコギリ歯状の凹凸）を伴う領域とを有する構成として、表面がＣ面［（０００１）面］から傾いた斜面を形成する領域を設け、その上にＭｇドープされたＡｌＧａＮ層を結晶成長すると、Ｃ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、傾いた斜面上の再成長界面部にはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するという現象を見出した。本発明は、このような現象を半導体レーザの電流狭窄に積極的に利用したものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、該ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、第１の層と第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子である。
【００１０】
また、本発明は、基板上に形成された、ｎ型の導電型を示すｎ型半導体部と、ｐ型の導電型を示すｐ型半導体部と、該ｎ型半導体部と該ｐ型半導体部との間に位置する活性層部と、を含み、少なくともｐ型半導体部が窒化物半導体からなる半導体レーザ素子である、上記半導体素子を提供する。
【００１１】
ここで、前記第１の層と前記第２の層との境界面において、平坦な領域は、少なくとも２つの凹凸を伴う領域によって挟まれるように位置することが好ましい。このような構成により、該境界を横切って流れる電流を、上記境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、上記境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００１２】
好ましくは、上記第１の層および上記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、マグネシウムでドープされている。
【００１３】
また、好ましくは上記第１の層および上記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、有機金属気相成長法によって形成される。
【００１４】
また、上記半導体素子を構成する各層は、窒化物六方晶における（０００１）面に平行な面方位が表面に現れるように積層されることが好ましい。
【００１５】
上記凹凸を伴う領域における凹凸形状は、ドライエッチングにより形成されたものであることが好ましい。
【００１６】
好適な実施態様としては、上記平坦な領域はストライプ形状を有しており、上記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、上記平坦な領域を構成するストライプに対して平行に延びる構成である。
【００１７】
また、別の好適な実施態様としては、上記平坦な領域はストライプ形状を有しており、上記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプと直交するように延びる構成である。より好ましくは、当該周期的な凹凸形状における凹凸の繰返しピッチΛは、Λ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq）［ただし、λは発振波長、ｎeqは等価屈折率、Ｎは１以上の整数］の関係を満たす。
【００１８】
また、本発明の半導体素子、半導体レーザ素子においては、上記第１の層および上記第２の層のうち、基板から遠い側の層の屈折率は、基板に近い側の層の屈折率より低いことが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、上記半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から発振したレーザ光の少なくとも一部を吸収して当該レーザ光とは異なる波長の光を発する物質と、を含む、照明装置を提供する。
【００２０】
ここで、上記物質は、上記半導体レーザ素子から発振した波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光の少なくとも一部を吸収して白色の光を発する蛍光体であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、上記半導体レーザ素子を光源とする画像受像機を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電流狭窄特性に優れた半導体レーザ素子等の半導体素子および当該半導体素子を用いた照明装置、画像受像機等の応用システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子を模式的に示す、端面方向から見た斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１２０で示す部分の拡大図である。図１（ａ）において、内部の構造を示すために一部を切り欠いて示している。図１（ａ）および図１（ｂ）で示される半導体レーザ素子１００は、電流狭窄幅（ストライプ幅、すなわち、図１（ａ）における領域Ａのｘ方向の幅)が１０μｍであるブロードエリア型の半導体レーザ素子であり、波長４０５ｎｍで高次の水平横モードのレーザ光を発振するものである。
【００２５】
図１（ａ）および図１（ｂ）で示される半導体レーザ素子１００の具体的構成を以下に示す。Ｃ面［（０００１）面］を主面とするｎ型ＧａＮからなる導電性の基板１０１の表面上には、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層１０２および層厚２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下クラッド層１０３から構成されるｎ型半導体部と、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層１０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第１のウエル層１０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層１０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第２のウエル層１０７および層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層１０８から構成される活性層部と、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるキャリアブロック層１０９、最厚部０．３μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一上クラッド層１１０、最薄部０．２μｍのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる第二上クラッド層１１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１２から構成されるｐ型半導体部と、が順次積層されている。そして、当該コンタクト層１１２の表面上には、層厚１５ｎｍのＰｄ層と層厚１５ｎｍのＭｏ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極１１３が形成されている。また、基板１０１の裏面上には、層厚５ｎｍのＨｆ層と層厚１５０ｎｍのＡｌ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極１１４が形成される。なお、本明細書中の各層の名称において、「上」とは基板からより遠いことを意味し、「下」とは基板により近いことを意味するものとする。
【００２６】
バッファ層１０２、下クラッド層１０３にはドナー不純物としてＳｉ（シリコン）がドーピングされており、キャリアブロック層１０９、第一上クラッド層１１０、第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２にはアクセプタ不純物としてＭｇ（マグネシウム）がドーピングされている。
【００２７】
また、上記半導体の積層体の両端面が劈開されることによってファブリペロー共振器が得られており、ファブリペロー共振器を構成する反射鏡となる積層体の両端面はそれぞれ共振器長方向に直交するように位置している。そして、光出射側の前端面には、発振するレーザ光の反射率が５％となる厚さ８０ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる低反射膜（図示せず）が形成されており、前端面の反対側にある後端面には、ＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜とのペア４対からなり、発振するレーザ光の管内波長の１／４の厚みを有し、発振するレーザ光の反射率が９５％となる高反射膜（図示せず）が形成されている。また、ファブリペロー共振器の共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は、たとえば８００μｍである。
【００２８】
ここで、半導体レーザ素子１００は、第一上クラッド層１１０の表面における、図１（ａ）中の領域Ｂとした部分にノコギリ歯状の凹凸形状が施されており、その凹凸形状を含む表面の上に第二上クラッド層１１１が再成長により形成されている点に特徴がある。すなわち、第一上クラッド層１１０の表面上には、凹凸部１１５が形成されている。さらに具体的には、第一上クラッド層１１０の表面における、図１（ａ）の領域Ａで示される、表面が平坦な領域、すなわち表面がＣ面［（０００１）面］で形成される領域は、およそ第一上クラッド層１１０表面の中心の位置において、共振器方向（ｚ方向）にストライプ状に延びており、該ストライプ状の領域Ａを挟むように、図１（ａ）の２つの領域Ｂで示される、表面がノコギリ歯状の凹凸形状を有する領域、すなわち表面がＣ面から傾いた面からなる領域が設けられている。このような構造を有する第一上クラッド層１１０の表面上に第二上クラッド層１１１を形成することにより、これらの層の境界面は、領域Ａで示される平坦な領域と、２つの凹凸を伴う領域とから構成されることとなる。
【００２９】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状は、図１（ａ）に示されるように、素子内での光の導波方向（ｚ方向）と直交または略直交する方向に周期的に繰り返されており、かつ該凹凸形状は、このような周期性を有する複数のラインを構成している。凹凸形状における凸部間の距離、すなわち凹凸の繰返しピッチΛは、０．３μｍである。ただし、０．３μｍに限定されるものではなく、任意の繰返しピッチΛを採り得る。繰返しピッチΛは、たとえば０．１〜０．５μｍ程度であればよく、好ましくは０．２〜０．４μｍ程度である。この範囲内であれば、凹凸形状の深さを必要以上に深くすることなく、Ｃ面が凹凸の底部や頂部に現れることがないので、十分な電流狭窄特性を得ることができる。また、本実施形態においては、凹凸形状が形成するラインは、上記領域Ａの平坦なストライプに対して平行または略平行に延びている。すなわち、該凹凸のラインが延びる方向は、共振器方向（ｚ方向）と平行または略平行である。
【００３０】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状の凹凸の高さ（凹凸部における最も低い位置から最も高い位置までの高さ）は、０．１５μｍである。ただし、０．１５μｍに限定されるものではなく、凹凸形状のピッチに応じて、底部や頂部にＣ面が露出しない深さにすればよい。凹凸形状の斜面部の角度にもよるが、およそ凹凸形状のピッチの半分程度の深さとすれば底部や頂部にＣ面が露出しないため、十分な電流狭窄特性を得ることができる。
【００３１】
以上のような構成、すなわち、Ｃ面を主面とする基板１０１の上に設けられた第一上クラッド層１１０の表面に、Ｃ面で形成されたストライプ状の領域Ａと、表面がＣ面から傾いた面からなる領域Ｂとを設け、そのような第一上クラッド層１１０の表面上に、Ｍｇでドープされた第二上クラッド層１１１を再成長させることにより、領域ＡのＣ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、領域ＢにはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するので、ストライプ状の領域Ａが抵抗の低い電流通路となり、これを半導体レーザの電流狭窄通路として利用できる。すなわち、このような構成により、第一上クラッド層１１０と第二上クラッド層１１１との間の境界を横切って流れる電流を、境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００３２】
また、第二上クラッド層１１１のＡｌ混晶比を、第一上クラッド層１１０のそれよりも高くすることにより、第二上クラッド層１１１の屈折率を第一上クラッド層１１０の屈折率より低くしているため、ストライプ内部（第一上クラッド層１１０における領域Ａの部分）の方がストライプ外部（第一上クラッド層１１０における領域Ｂの部分）よりも等価屈折率が高くなり、光分布のストライプ内への閉じ込めも効果的に生じるようになる。
【００３３】
このような構成による本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子は、簡便な方法により十分な電流狭窄と光分布のストライプ内への閉じ込めを実現することができ、また格子定数が近い材料系のみで構成することができるので、図９に示した従来の構造にて問題として指摘した歪を内包しない点で優れる。さらには、図８に示した従来のリッジ型の構成とは異なり、接触抵抗が大きなｐ型電極の面積を大きくすることができるために、電極抵抗成分を著しく小さくすることができる点、さらには電流狭窄の機能を果たすＭｇの取り込みが著しく低い高抵抗層の層厚が薄いために、電流が絞られている体積が小さくなる点から、電流狭窄通路部での直列抵抗の低減にも効果的である。
【００３４】
次に、図１に示される半導体レーザ素子の製造方法の一例について図２を参照して述べる。図２は、本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す概略工程図であり、図１におけるｘ−ｙ面に平行な面の断面図として示したものである。まず、図２（ａ）に示すように、Ｃ面を主面とする基板１０１の表面上に、バッファ層１０２から第一上クラッド層１１０に至る各層を、第１回目のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶成長して形成する。この際、基板１０１は窒化物六方晶（０００１）面（Ｃ面）を主面としているため、この上に結晶成長された各層１０２〜１１０の表面には基板１０１と平行な面方位が現れている。下記第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２についても同様である。第一上クラッド層１１０の成長後のウエハを取り出し、フォトリソグラフィ技術を利用して、電流通路となるストライプに相当する領域Ａに幅１０μｍのフォトレジストマスク１１６を、それ以外の部分である領域Ｂにピッチ０．２μｍでディユーティ比５０％の格子状のフォトレジストマスク１１７を形成する。続いて、その表面を、ＳｉＣｌ4をエッチングガスとするＩＣＰエッチングによりエッチングした後、フォトレジストマスク１１６および１１７を剥離すると、図２（ｂ）に示すような、電流通路となる部分（領域Ａ）は平坦なＣ面が残り、それ以外の部分（領域Ｂ）にはＣ面から傾いた面から構成される凹凸形状が付与される（凹凸部１１５の形成）。その上に第２回目のＭＯＣＶＤ法により第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２を結晶成長して形成する（図２（ｃ）参照）。
【００３５】
その後、基板１０１の厚さを、たとえば１００μｍにまで薄層化した後、図２（ｃ）に示すように、コンタクト層１１２の表面上にオーミック電極１１３を形成し、基板１０１の裏面上にオーミック電極１１４を形成する。ついで、オーミック電極形成後のウエハを劈開することによってレーザバーを形成し、その劈開によって得られたレーザバーの前端面に低反射膜を形成するとともに、後端面に高反射膜を形成する。そして、低反射膜および高反射膜の形成後のレーザバーを、たとえば横幅４００μｍ、奥行き（図１におけるｚ方向）８００μｍのチップ状に分割することによって、図１に示す、第１の実施形態の半導体レーザ素子が得られる。
【００３６】
上記製造方法においては、領域Ｂにおけるノコギリ歯状の凹凸形状をドライエッチングにより形成しているが、これにより、領域Ｂの部分に、より高抵抗化された第二上クラッド層１１１を成長させることが可能となる。
【００３７】
ここで、フォトレジストマスクのパターンについて説明する。図３は、本発明の半導体レーザ素子の製造において用いられるフォトレジストマスクのパターンの変形例を示す模式図であり、図１におけるｘ−ｚ面に平行な面の断面図として示したものである。上記半導体レーザ素子の製造方法の説明においては、図３（ａ）で示されるパターンを採用したが、フォトレジストマスクのパターンは図３（ａ）のパターンに限られるものではなく、たとえば、図３（ｂ）または（ｃ）に示すパターンとすることもできる。
【００３８】
図３（ｂ）に示すパターンにおいては、両端面近傍におけるフォトレジストマスク１１６のｘ方向の幅が、共振器中央部近傍における幅よりも広くなっており、一方、共振器の中央部付近における凹凸領域形成用のフォトレジストマスク１１７のｚ方向の幅は、他の部分のフォトレジストマスク１１７と比べてより狭くなっている。図３（ｂ）に示すフォトレジストマスクパターンを採用した場合には、光出射側の端面における発光面積が広くなるため、端面の光損傷が抑制され、高出力のレーザ光を取り出すことができるようになる。
【００３９】
また、図３（ｃ）に示すパターンは、凹凸領域形成用のフォトレジストマスク１１７を共振器の両端面の近傍にも形成したものである。このパターンを採用した場合には、共振器の両端面に電流が注入されなくなるため、これらの端面における発熱が抑制され、端面の損傷が少なくなり、長寿命の半導体レーザ素子を得ることができるようになる。このように、凹凸を形成する領域の形状を適宜設定することにより、半導体レーザ素子に様々な機能を付加することが可能となる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図４（ａ）は、本発明に係る第２の実施形態の半導体レーザ素子を模式的に示す、端面方向から見た斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４２０で示す部分の拡大図である。図４（ａ）において、内部の構造を示すために一部を切り欠いて示している。図４（ａ）および図４（ｂ）で示される半導体レーザ素子４００は、電流狭窄幅（ストライプ幅、すなわち、図４（ａ）における領域Ａのｘ方向の幅)が１．５μｍである水平方向にシングルモードの半導体レーザ素子であり、波長４１０ｎｍで単一の縦モードにてレーザ発振するものである。
【００４１】
図４（ａ）および図４（ｂ）で示される半導体レーザ素子４００の具体的構成を以下に示す。Ｃ面［（０００１）面］を主面とするｎ型ＧａＮからなる導電性の基板４０１の表面上には、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層４０２および層厚２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下クラッド層４０３から構成されるｎ型半導体部と、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層４０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第１のウエル層４０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層４０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第２のウエル層４０７および層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層４０８から構成される活性層部と、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるキャリアブロック層４０９、最厚部０．３μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一上クラッド層４１０、最薄部０．２μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第二上クラッド層４１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４１２から構成されるｐ型半導体部と、が順次積層されている。そして、当該コンタクト層４１２の表面上には、層厚１５ｎｍのＰｄ層と層厚１５ｎｍのＭｏ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極４１３が形成されている。また、基板４０１の裏面上には、層厚５ｎｍのＨｆ層と層厚１５０ｎｍのＡｌ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極４１４が形成される。
【００４２】
バッファ層４０２、下クラッド層４０３にはドナー不純物としてＳｉ（シリコン）がドーピングされており、キャリアブロック層４０９、第一上クラッド層４１０、第二上クラッド層４１１およびコンタクト層４１２にはアクセプタ不純物としてＭｇ（マグネシウム）がドーピングされている。
【００４３】
また、上記半導体の積層体の両端面は、劈開されることによって得られている。そして、光出射側の前端面には、発振するレーザ光の反射率が５％となる厚さ８０ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる低反射膜（図示せず）が形成されており、前端面の反対側にある後端面には、ＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜とのペア４対からなり、発振するレーザ光の管内波長の１／４の厚みを有し、発振するレーザ光の反射率が９５％となる高反射膜（図示せず）が形成されている。また、共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は、たとえば８００μｍである。
【００４４】
ここで、半導体レーザ素子４００は、第一上クラッド層４１０の表面における、図４（ａ）中の領域Ｂとした部分にノコギリ歯状の凹凸形状が施されており、その凹凸形状を含む表面の上に第二上クラッド層４１１が再成長により形成されている点に特徴がある。すなわち、第一上クラッド層４１０の表面上には、凹凸部４１５が形成されている。さらに具体的には、第一上クラッド層４１０の表面における、図４（ａ）の領域Ａで示される、表面が平坦な領域、すなわち表面がＣ面［（０００１）面］で形成される領域は、およそ第一上クラッド層４１０表面の中心の位置において、共振器方向（ｚ方向）にストライプ状に延びており、該ストライプ状の領域Ａを挟むように、図４（ａ）の２つの領域Ｂで示される、表面がノコギリ歯状の凹凸形状を有する領域、すなわち表面がＣ面から傾いた面からなる領域が設けられている。このような構造を有する第一上クラッド層４１０の表面上に第二上クラッド層４１１を形成することにより、これらの層の境界面は、領域Ａで示される平坦な領域と、２つの凹凸を伴う領域とから構成されることとなる。
【００４５】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状は、図４（ａ）に示されるように、素子内での光の導波方向（ｚ方向）に周期的に繰り返されており、かつ該凹凸形状は、このような周期性を有する複数のラインを構成している。凹凸形状における凸部間の距離、すなわち凹凸の繰返しピッチΛは、０．１６μｍであり、分布帰還型レーザとして発振するよう構成されている。ただし、繰返しピッチΛは、０．１６μｍに限定されるものではなく、半導体レーザ素子の発振波長をλ、等価屈折率をｎeqとしたとき、ピッチΛをΛ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq） ［ただしＮは１以上の整数］となるように凹凸の繰返しピッチΛを選択すると、分布帰還型レーザとして機能するようになる。本実施形態の場合、Ｎ＝２であり、２次の回折格子として機能している。また、本実施形態においては、凹凸形状が形成するラインは、上記領域Ａの平坦なストライプに対して直交または略直交するように延びている。すなわち、該凹凸のラインが延びる方向は、共振器方向（ｚ方向）と直交または略直交している。
【００４６】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状の凹凸の高さ（凹凸部における最も低い位置から最も高い位置までの高さ）は、０．０８μｍである。ただし、０．０８μｍに限定されるものではなく、凹凸形状の底部や頂部にＣ面が露出しない深さにすればよい。凹凸形状のピッチの半分程度の深さとすれば十分な電流狭窄特性を得ることができる。
【００４７】
以上のような構成、すなわち、Ｃ面を主面とする基板４０１の上に設けられた第一上クラッド層４１０の表面に、Ｃ面で形成されたストライプ状の領域Ａと、表面がＣ面から傾いた面からなる領域Ｂとを設け、そのような第一上クラッド層４１０の表面上に、Ｍｇでドープされた第二上クラッド層４１１を再成長させることにより、領域ＡのＣ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、領域ＢにはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するので、ストライプ状の領域Ａが抵抗の低い電流通路となり、これを半導体レーザの電流狭窄通路として利用できる。すなわち、このような構成により、第一上クラッド層４１０と第二上クラッド層４１１との間の境界を横切って流れる電流を、境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００４８】
また、第二上クラッド層４１１のＡｌ混晶比を、第一上クラッド層４１０のそれよりも高くすることにより、第二上クラッド層４１１の屈折率を第一上クラッド層４１０の屈折率より低くしているため、ストライプ内部（第一上クラッド層４１０における領域Ａの部分）の方がストライプ外部（第一上クラッド層４１０における領域Ｂの部分）よりも等価屈折率が高くなり、光分布のストライプ内への閉じ込めも効果的に生じるようになる。
【００４９】
このような構成による本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子は、簡便な方法により十分な電流狭窄と光分布のストライプ内への閉じ込めを実現することができ、また格子定数が近い材料系のみで構成することができるので、図９に示した従来の構造にて問題として指摘した歪を内包しない点で優れる。さらには、図８に示した従来のリッジ型の構成とは異なり、接触抵抗が大きなｐ型電極の面積を大きくすることができるために、電極抵抗成分を著しく小さくすることができる点、さらには電流狭窄の機能を果たすＭｇの取り込みが著しく低い高抵抗層の層厚が薄いために、電流が絞られている体積が小さくなる点から、電流狭窄通路部での直列抵抗の低減にも効果的である。さらに本実施形態の構成によれば、分布帰還型レーザとして機能し、単一縦モードでの良好な発振が得られるようになる。
【００５０】
なお、図４に示す半導体レーザ素子４００は、第１の実施形態と同様の製造方法にて製造することができるが、回折格子として機能する凹凸部のマスクの作製においては、電子ビーム露光や干渉露光を用いることによって凹凸のピッチを精密に作りこむことが可能である。
【００５１】
＜変形例＞
上記第１および第２の実施の形態においては、電流狭窄通路としてのストライプ部以外の部分、すなわち領域Ｂにおける凹凸形状が形成するラインが、共振器方向（ｚ方向）に平行あるいは直交する構成について詳細を説明したが、原理上、ストライプ部以外の部分（領域Ｂ）における凹凸形状は必ずしも共振器方向に平行あるいは直交するライン状の構成である必要はない。
【００５２】
ここで、図５は、本発明の半導体レーザ素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。ストライプ部以外の部分（領域Ｂ）における凹凸形状は、たとえば、図５に示されるような六角錘形状の突起が周期的あるいはランダムに配列した構成（凹凸部５１５）であってもよく、あるいは任意の多角錘・円錐等の他の形状の突起が周期的あるいはランダムに配列した構成であってもよく、少なくとも領域Ｂにおける表面がＣ面から傾いた表面から形成されるのであれば、同様の効果を得ることができる。なお、図５に示される半導体レーザ素子５００は、領域Ｂにおける凹凸形状を除いては、図１や図２に示される半導体レーザ素子と同様の構造を有している。
【００５３】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態では、ストライプ幅（電流狭窄幅）が１０μｍのブロードエリアレーザおよびストライプ幅（電流狭窄幅）が１．５μｍのシングルモードレーザの例を示したが、本発明はこれらに限られるものでないことは言うまでもない。
【００５４】
本発明の半導体レーザ素子の構造ならびに本発明の半導体レーザ素子を構成する層の材質および層厚は、上述の各実施形態の態様に限定されるものではない。特に半導体レーザ素子がＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成式で表わされる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成されている場合には本発明の効果を十分に得ることができる。なお、この組成式において、ｘはＡｌ（アルミニウム）の混晶比を示し、ｙはＧａ（ガリウム）の混晶比を示し、ｚはＩｎ（インジウム）の混晶比を示す。また、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いるにあたっては、適宜、上記組成式に表記された元素以外のＩＩＩ族元素（ボロンなど）およびＶ族元素（砒素、リンまたはビスマスなど）が混晶化されていてもよく、不純物元素（亜鉛、ベリリウム、テルル、マグネシウム、硫黄、セレンまたはシリコンなど）を適宜添加することもできる。
【００５５】
また、本発明の半導体レーザ素子においては、ｎ半導体部およびｐ型半導体部はそれぞれ、単層であってもよく、複数層であってもよい。また、本発明の半導体レーザ素子においては、活性層部の構造は特に限定されず、たとえば、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを適用することができる。また、活性層部を構成する層の歪量または井戸層厚に関しても特に制限はなく、活性層部を構成するバリア層に圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。
【００５６】
さらに、本発明の半導体レーザ素子において、発振するレーザ光の波長は、特に限定されず、用途に合わせて適宜調整することができる。
【００５７】
また、本発明の半導体レーザ素子に用いられる基板としては、上記第１の実施形態および第２の実施形態に示されるもの以外にもたとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板または砒化ガリウム基板などの単結晶基板を用いることも可能である。なお、基板上に結晶成長によって層構造を形成する場合、任意の原料を用いた任意の結晶成長方法により形成することができる。
【００５８】
上記第１の実施形態および第２の実施形態は、半導体レーザ素子に関するが、本発明は半導体レーザ素子に限定されるものではない。本発明の基本的な構成は、半導体レーザの電流狭窄部のみならず、窒化物半導体素子において局所的に高抵抗部を設ける必要がある場合、局所的に電流の通路を制御する必要がある場合に適用可能であり、本発明の基本的な構成を備えた半導体レーザ素子以外の半導体素子もまた、本発明の一部である。
【００５９】
上記に示した各種の変形や置き換えについては、以下の他の実施の形態に対しても当てはまるものである。
【００６０】
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明に係る第３の実施形態である白色照明装置を示す模式図である。白色照明装置６００は、上記第２の実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成の半導体レーザ素子６０１と、レンズ系６０２と、蛍光体６０３とから構成される。このような構成の白色照明装置６００において、半導体レーザ素子６０１から発振した波長４０５ｎｍのレーザ光は、レンズ系６０２を通過した後に蛍光体６０３に照射され、蛍光体６０３によってその少なくとも一部が吸収される。そして、蛍光体６０３によって吸収されたレーザ光は、その波長が変換されて白色光６０４を発光する。
【００６１】
ここで、半導体レーザ素子６０１としては、上記第２の実施形態に係る半導体レーザ素子に限られるものではなく、上記第１の実施形態の半導体レーザ素子など本発明の範囲に包含されるあらゆる半導体レーザ素子を用いることができる。また、蛍光体６０３としては、特に限定されないが、半導体レーザ素子６０１から発振した、たとえば波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して赤色の光を発光する赤色蛍光体（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して緑色の光を発光する緑色蛍光体（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して青色の光を発光する青色蛍光体（（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+）を混合したものなどを用いることができる。
【００６２】
白色照明装置６００においては、蛍光体の励起光源として本発明の半導体レーザ素子が用いられていることから、半導体レーザ素子６０１での消費電力が著しく小さくなり、電気−光変換効率が高く、発熱が抑制された、小型で高輝度な点光源が得られる。
【００６３】
また、このような本発明の半導体レーザ素子を励起光源に用いた白色照明装置は、従来の蛍光灯や白熱灯などの白色照明装置に比べて電気−光変換効率が高く、長寿命であり、かつ水銀などの有毒物質を含まない点で優れている。したがって、本発明の半導体レーザ素子を備えた白色照明装置６００は、蛍光灯および白熱灯の代替装置として有用である。
【００６４】
半導体レーザ素子６０１から発振されるレーザ光の波長は必ずしも４０５ｎｍである必要はなく、蛍光体の吸収線に合わせて調節することができる。たとえば、波長４２０ｎｍよりも長い波長を有する可視の青色のレーザ光（波長４５０ｎｍ）を発振する本発明の半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から発振した青色のレーザ光の一部を吸収し、少なくとも赤色および緑色のスペクトル成分を有する光を発する蛍光体とを含む構成とすることにより、白色照明装置６００を構成することも可能である。このような白色照明装置もまた、小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長いなど、特性に優れた白色照明装置となる。
【００６５】
なお、蛍光体の形態には特に制限はなく、板面上あるいは曲面上に塗布された蛍光体であってもよく、光ファイバなどの部品の少なくとも一部に含有されていてもよい。
【００６６】
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明に係る第４の実施形態である画像受像機を示す模式図である。画像受像機７００は、半導体レーザ素子部７０１を光源としている。ここで、半導体レーザ素子部７０１は、赤色、緑色または青色のレーザ光をそれぞれ発振する、少なくとも３種類の半導体レーザ素子から構成されており、そのうちの青色または青色および緑色の光源に上記第１の実施形態および／または第２の実施形態のような構成を有する本発明の半導体レーザ素子が適用されている。
【００６７】
半導体レーザ素子部７０１から発振した可視レーザ光は、ミラー７０２などの光学手段によりデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの光制御素子７０３に導入され、レンズ系などの投影手段７０４によって、スクリーン７０５に画像が投影されることになる。
【００６８】
ここで、画像信号７０６は、画像解析回路７０７により解析され、光制御素子７０３が制御されるとともに、光制御回路７０８を通して光源である半導体レーザ素子部７０１が制御される。
【００６９】
図７に示すような本発明の半導体レーザ素子を光源とした画像表示機構を有する画像受像機７００においては、光源の色純度が高いために色再現性が高く、また、本発明の半導体レーザ素子が適用されているために光源の高発光特性と低消費電力とを実現することができる。
【００７０】
なお、本発明の半導体レーザ素子の適用範囲は、上記第３の実施形態および第４の実施形態に示す白色照明装置や画像受像機に限られるものではなく、レーザメスおよび各種加工用レーザなど、あるいは各種励起光源などの高出力かつ高効率のレーザ光を必要とする各種応用システムに適用することができる。励起光源として用いられる本発明の半導体レーザ素子から発振するレーザ光の波長は必ずしも４０５ｎｍあるいはその近辺の波長でなくてもよく、応用形態に合わせて適宜選択することができる。
【００７１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の半導体レーザ素子を用いることによって、小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長いなどの特性に優れた白色照明装置および画像表示システムなどの応用システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子を示す模式図であり、（ａ）は、端面方向から見た斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す概略工程図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の製造において用いられるフォトレジストマスクのパターンの変形例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態の半導体レーザ素子を示す模式図であり、（ａ）は、端面方向から見た斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す図である。
【図５】本発明の半導体レーザ素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第３の実施形態である白色照明装置を示す模式図である。
【図７】本発明に係る第４の実施形態である画像受像機を示す模式図である。
【図８】窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。
【図９】窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の別の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００，４００，５００，６０１ 半導体レーザ素子、１０１，４０１ 基板、１０２，４０２ バッファ層、１０３，４０３ 下クラッド層、１０４，４０４ 下ガイド層、１０５，４０５ 第１のウエル層、１０６，４０６ バリア層、１０７，４０７ 第２のウエル層、１０８，４０８ 上ガイド層、１０９，４０９ キャリアブロック層、１１０，４１０ 第一上クラッド層、１１１，４１１ 第二上クラッド層、１１２，４１２ コンタクト層、１１３，１１４，４１３，４１４ オーミック電極、１１５，４１５，５１５ 凹凸部、１１６，１１７ フォトレジストマスク、６００ 白色照明装置、６０２ レンズ系、６０３ 蛍光体、６０４ 白色光、７０１ 半導体レーザ素子部、７０２ ミラー、７０３ 光制御素子、７０４ 投影手段、７０５ スクリーン、７０６ 画像信号、７０７ 画像解析回路、７０８ 光制御回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、特には半導体レーザ素子に関する。また本発明は、当該半導体素子を用いた照明装置および画像受像機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、青緑色〜紫外にかけての波長域のレーザ光を発振する半導体レーザ素子の開発が進められている。特に、波長４０５ｎｍ付近のレーザ光を発振する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ素子については、光ピックアップ用光源として実用化段階に入りつつある。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎを主たる構成元素とし、Ｖ族元素としてＮ（窒素）を主たる構成元素とする化合物であり、これらの元素の他にＴｌ、Ｂ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂなどが適宜混晶化される場合もある。
【０００３】
ここで、図８は、窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。従来、窒化物系半導体を用いた半導体レーザでは、図８に示されるように、リッジ型の導波路構造が採用される場合が多い。具体的には、ＧａＮ等からなる基板８０１の上に一回の結晶成長によって形成された窒化物系半導体多層膜（バッファ層８０２、下部クラッド層８０３、活性層８０４および上部クラッド層８０５）からなるダブルへテロ構造のうち上部クラッド層８０５を、ドライエッチングによってストライプ状のメサ形状に加工し、該メサの上部にのみｐ型層用オーミック電極８０８をコンタクト層８０６に接して設け、それ以外の部分は絶縁膜８０７に覆われた構成とされる。基板８０１としてはｎ型基板が使われることが多いため、メサ形状に加工される上部クラッド層８０５は通常ｐ型層となる。なお、基板８０１の反対側の面には、ｎ型層用のオーミック電極８０９が設けられる。
【０００４】
窒化物系半導体は、アクセプタ不純物の活性化率が低く、低抵抗のｐ型半導体部を得ることが難しい。また、ｐ型層と電極との接触抵抗も高く、良好なオーミック性が得られにくい傾向にある。このように抵抗が高いため、素子の動作電圧・消費電力が高くなり、発熱の要因となる。特に、図８に示されるようなリッジ型構造は、抵抗が比較的高いｐ型層にて電流を細く絞ることによって電流の狭窄を行なっており、また接触抵抗が高いｐ型電極のオーミックコンタクト部がリッジ上の狭い領域にだけ設けられるため、素子抵抗が増大しやすい構造となっている。
【０００５】
このような素子抵抗増大の問題は、内部ストライプ型構造により解決しうると考えられる。特許文献１に内部ストライプ型構造を有する半導体レーザ素子の一例が開示されている。図９は、特許文献１に示される、窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の別の一例を示す断面図である。図９に示される半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮ活性層４の上（あるいは下）に設けられた、ＡｌＮ（あるいは高抵抗膜）からなり、かつストライプ状の溝を設けたＡｌＮ横モード制御層７を、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６および８で挟んだ構造を有しており、当該ＡｌＮ横モード制御層７により電流の狭窄と横モードの制御を行なうことが可能となっている。また、このような構成とすることにより、ｐ型層におけるオーミック電極の面積を大きくすることができ、またｐ型層内で電流が広がるので抵抗が低減することが期待される。
【０００６】
しかし、電流狭窄層にＡｌＮや高Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮを用いる場合は、高抵抗層が得られやすく、十分な電流狭窄特性が得られるものの、クラッド層やガイド層として用いられる低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮやＧａＮとの格子定数の差に起因する歪が大きく、その上への再成長層に結晶欠陥が多く生じ、素子の寿命が短くなる問題を有している。一方、電流狭窄層にＧａＮや低Ａｌ混晶比のＡｌＧａＮを用いる場合は、単膜においては電流狭窄に十分な高抵抗な層が得られない。電流狭窄層の導電型を周囲の層と反転させ、ｐｎ逆接合を用いる構成もあるが、ｐｎ逆接合界面に結晶再成長界面が接するために、ｐｎ逆接合界面の結晶性が良好でなく、耐圧が低く、十分な電流狭窄が行なえないという問題がある。
【特許文献１】特開２００１−１５８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電流狭窄部に歪などをもたらすことなく、十分な電流狭窄を行なうことができ、簡便に作製することが可能な半導体素子、特には半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、当該半導体素子、特には半導体レーザ素子を用いた照明装置および画像受像機等の応用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、半導体レーザ素子が有するｐ型半導体部のうち、２層構造からなるｐ型クラッド層を形成するにあたり、該２層のうちの基板に近い側の層の表面を平坦な領域と凹凸（たとえばノコギリ歯状の凹凸）を伴う領域とを有する構成として、表面がＣ面［（０００１）面］から傾いた斜面を形成する領域を設け、その上にＭｇドープされたＡｌＧａＮ層を結晶成長すると、Ｃ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、傾いた斜面上の再成長界面部にはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するという現象を見出した。本発明は、このような現象を半導体レーザの電流狭窄に積極的に利用したものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、該ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、第１の層と第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子である。
【００１０】
また、本発明は、基板上に形成された、ｎ型の導電型を示すｎ型半導体部と、ｐ型の導電型を示すｐ型半導体部と、該ｎ型半導体部と該ｐ型半導体部との間に位置する活性層部と、を含み、少なくともｐ型半導体部が窒化物半導体からなる半導体レーザ素子である、上記半導体素子を提供する。
【００１１】
ここで、前記第１の層と前記第２の層との境界面において、平坦な領域は、少なくとも２つの凹凸を伴う領域によって挟まれるように位置することが好ましい。このような構成により、該境界を横切って流れる電流を、上記境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、上記境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００１２】
好ましくは、上記第１の層および上記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、マグネシウムでドープされている。
【００１３】
また、好ましくは上記第１の層および上記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、有機金属気相成長法によって形成される。
【００１４】
また、上記半導体素子を構成する各層は、窒化物六方晶における（０００１）面に平行な面方位が表面に現れるように積層されることが好ましい。
【００１５】
上記凹凸を伴う領域における凹凸形状は、ドライエッチングにより形成されたものであることが好ましい。
【００１６】
好適な実施態様としては、上記平坦な領域はストライプ形状を有しており、上記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、上記平坦な領域を構成するストライプに対して平行に延びる構成である。
【００１７】
また、別の好適な実施態様としては、上記平坦な領域はストライプ形状を有しており、上記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプと直交するように延びる構成である。より好ましくは、当該周期的な凹凸形状における凹凸の繰返しピッチΛは、Λ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq）［ただし、λは発振波長、ｎeqは等価屈折率、Ｎは１以上の整数］の関係を満たす。
【００１８】
また、本発明の半導体素子、半導体レーザ素子においては、上記第１の層および上記第２の層のうち、基板から遠い側の層の屈折率は、基板に近い側の層の屈折率より低いことが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、上記半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から発振したレーザ光の少なくとも一部を吸収して当該レーザ光とは異なる波長の光を発する物質と、を含む、照明装置を提供する。
【００２０】
ここで、上記物質は、上記半導体レーザ素子から発振した波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光の少なくとも一部を吸収して白色の光を発する蛍光体であることが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、上記半導体レーザ素子を光源とする画像受像機を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電流狭窄特性に優れた半導体レーザ素子等の半導体素子および当該半導体素子を用いた照明装置、画像受像機等の応用システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
＜第１の実施形態＞
図１（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子を模式的に示す、端面方向から見た斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１２０で示す部分の拡大図である。図１（ａ）において、内部の構造を示すために一部を切り欠いて示している。図１（ａ）および図１（ｂ）で示される半導体レーザ素子１００は、電流狭窄幅（ストライプ幅、すなわち、図１（ａ）における領域Ａのｘ方向の幅)が１０μｍであるブロードエリア型の半導体レーザ素子であり、波長４０５ｎｍで高次の水平横モードのレーザ光を発振するものである。
【００２５】
図１（ａ）および図１（ｂ）で示される半導体レーザ素子１００の具体的構成を以下に示す。Ｃ面［（０００１）面］を主面とするｎ型ＧａＮからなる導電性の基板１０１の表面上には、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層１０２および層厚２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下クラッド層１０３から構成されるｎ型半導体部と、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層１０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第１のウエル層１０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層１０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第２のウエル層１０７および層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層１０８から構成される活性層部と、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるキャリアブロック層１０９、最厚部０．３μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一上クラッド層１１０、最薄部０．２μｍのｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなる第二上クラッド層１１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１２から構成されるｐ型半導体部と、が順次積層されている。そして、当該コンタクト層１１２の表面上には、層厚１５ｎｍのＰｄ層と層厚１５ｎｍのＭｏ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極１１３が形成されている。また、基板１０１の裏面上には、層厚５ｎｍのＨｆ層と層厚１５０ｎｍのＡｌ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極１１４が形成される。なお、本明細書中の各層の名称において、「上」とは基板からより遠いことを意味し、「下」とは基板により近いことを意味するものとする。
【００２６】
バッファ層１０２、下クラッド層１０３にはドナー不純物としてＳｉ（シリコン）がドーピングされており、キャリアブロック層１０９、第一上クラッド層１１０、第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２にはアクセプタ不純物としてＭｇ（マグネシウム）がドーピングされている。
【００２７】
また、上記半導体の積層体の両端面が劈開されることによってファブリペロー共振器が得られており、ファブリペロー共振器を構成する反射鏡となる積層体の両端面はそれぞれ共振器長方向に直交するように位置している。そして、光出射側の前端面には、発振するレーザ光の反射率が５％となる厚さ８０ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる低反射膜（図示せず）が形成されており、前端面の反対側にある後端面には、ＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜とのペア４対からなり、発振するレーザ光の管内波長の１／４の厚みを有し、発振するレーザ光の反射率が９５％となる高反射膜（図示せず）が形成されている。また、ファブリペロー共振器の共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は、たとえば８００μｍである。
【００２８】
ここで、半導体レーザ素子１００は、第一上クラッド層１１０の表面における、図１（ａ）中の領域Ｂとした部分にノコギリ歯状の凹凸形状が施されており、その凹凸形状を含む表面の上に第二上クラッド層１１１が再成長により形成されている点に特徴がある。すなわち、第一上クラッド層１１０の表面上には、凹凸部１１５が形成されている。さらに具体的には、第一上クラッド層１１０の表面における、図１（ａ）の領域Ａで示される、表面が平坦な領域、すなわち表面がＣ面［（０００１）面］で形成される領域は、およそ第一上クラッド層１１０表面の中心の位置において、共振器方向（ｚ方向）にストライプ状に延びており、該ストライプ状の領域Ａを挟むように、図１（ａ）の２つの領域Ｂで示される、表面がノコギリ歯状の凹凸形状を有する領域、すなわち表面がＣ面から傾いた面からなる領域が設けられている。このような構造を有する第一上クラッド層１１０の表面上に第二上クラッド層１１１を形成することにより、これらの層の境界面は、領域Ａで示される平坦な領域と、２つの凹凸を伴う領域とから構成されることとなる。
【００２９】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状は、図１（ａ）に示されるように、素子内での光の導波方向（ｚ方向）と直交または略直交する方向に周期的に繰り返されており、かつ該凹凸形状は、このような周期性を有する複数のラインを構成している。凹凸形状における凸部間の距離、すなわち凹凸の繰返しピッチΛは、０．３μｍである。ただし、０．３μｍに限定されるものではなく、任意の繰返しピッチΛを採り得る。繰返しピッチΛは、たとえば０．１〜０．５μｍ程度であればよく、好ましくは０．２〜０．４μｍ程度である。この範囲内であれば、凹凸形状の深さを必要以上に深くすることなく、Ｃ面が凹凸の底部や頂部に現れることがないので、十分な電流狭窄特性を得ることができる。また、本実施形態においては、凹凸形状が形成するラインは、上記領域Ａの平坦なストライプに対して平行または略平行に延びている。すなわち、該凹凸のラインが延びる方向は、共振器方向（ｚ方向）と平行または略平行である。
【００３０】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状の凹凸の高さ（凹凸部における最も低い位置から最も高い位置までの高さ）は、０．１５μｍである。ただし、０．１５μｍに限定されるものではなく、凹凸形状のピッチに応じて、底部や頂部にＣ面が露出しない深さにすればよい。凹凸形状の斜面部の角度にもよるが、およそ凹凸形状のピッチの半分程度の深さとすれば底部や頂部にＣ面が露出しないため、十分な電流狭窄特性を得ることができる。
【００３１】
以上のような構成、すなわち、Ｃ面を主面とする基板１０１の上に設けられた第一上クラッド層１１０の表面に、Ｃ面で形成されたストライプ状の領域Ａと、表面がＣ面から傾いた面からなる領域Ｂとを設け、そのような第一上クラッド層１１０の表面上に、Ｍｇでドープされた第二上クラッド層１１１を再成長させることにより、領域ＡのＣ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、領域ＢにはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するので、ストライプ状の領域Ａが抵抗の低い電流通路となり、これを半導体レーザの電流狭窄通路として利用できる。すなわち、このような構成により、第一上クラッド層１１０と第二上クラッド層１１１との間の境界を横切って流れる電流を、境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００３２】
また、第二上クラッド層１１１のＡｌ混晶比を、第一上クラッド層１１０のそれよりも高くすることにより、第二上クラッド層１１１の屈折率を第一上クラッド層１１０の屈折率より低くしているため、ストライプ内部（第一上クラッド層１１０における領域Ａの部分）の方がストライプ外部（第一上クラッド層１１０における領域Ｂの部分）よりも等価屈折率が高くなり、光分布のストライプ内への閉じ込めも効果的に生じるようになる。
【００３３】
このような構成による本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子は、簡便な方法により十分な電流狭窄と光分布のストライプ内への閉じ込めを実現することができ、また格子定数が近い材料系のみで構成することができるので、図９に示した従来の構造にて問題として指摘した歪を内包しない点で優れる。さらには、図８に示した従来のリッジ型の構成とは異なり、接触抵抗が大きなｐ型電極の面積を大きくすることができるために、電極抵抗成分を著しく小さくすることができる点、さらには電流狭窄の機能を果たすＭｇの取り込みが著しく低い高抵抗層の層厚が薄いために、電流が絞られている体積が小さくなる点から、電流狭窄通路部での直列抵抗の低減にも効果的である。
【００３４】
次に、図１に示される半導体レーザ素子の製造方法の一例について図２を参照して述べる。図２は、本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す概略工程図であり、図１におけるｘ−ｙ面に平行な面の断面図として示したものである。まず、図２（ａ）に示すように、Ｃ面を主面とする基板１０１の表面上に、バッファ層１０２から第一上クラッド層１１０に至る各層を、第１回目のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶成長して形成する。この際、基板１０１は窒化物六方晶（０００１）面（Ｃ面）を主面としているため、この上に結晶成長された各層１０２〜１１０の表面には基板１０１と平行な面方位が現れている。下記第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２についても同様である。第一上クラッド層１１０の成長後のウエハを取り出し、フォトリソグラフィ技術を利用して、電流通路となるストライプに相当する領域Ａに幅１０μｍのフォトレジストマスク１１６を、それ以外の部分である領域Ｂにピッチ０．２μｍでディユーティ比５０％の格子状のフォトレジストマスク１１７を形成する。続いて、その表面を、ＳｉＣｌ4をエッチングガスとするＩＣＰエッチングによりエッチングした後、フォトレジストマスク１１６および１１７を剥離すると、図２（ｂ）に示すような、電流通路となる部分（領域Ａ）は平坦なＣ面が残り、それ以外の部分（領域Ｂ）にはＣ面から傾いた面から構成される凹凸形状が付与される（凹凸部１１５の形成）。その上に第２回目のＭＯＣＶＤ法により第二上クラッド層１１１およびコンタクト層１１２を結晶成長して形成する（図２（ｃ）参照）。
【００３５】
その後、基板１０１の厚さを、たとえば１００μｍにまで薄層化した後、図２（ｃ）に示すように、コンタクト層１１２の表面上にオーミック電極１１３を形成し、基板１０１の裏面上にオーミック電極１１４を形成する。ついで、オーミック電極形成後のウエハを劈開することによってレーザバーを形成し、その劈開によって得られたレーザバーの前端面に低反射膜を形成するとともに、後端面に高反射膜を形成する。そして、低反射膜および高反射膜の形成後のレーザバーを、たとえば横幅４００μｍ、奥行き（図１におけるｚ方向）８００μｍのチップ状に分割することによって、図１に示す、第１の実施形態の半導体レーザ素子が得られる。
【００３６】
上記製造方法においては、領域Ｂにおけるノコギリ歯状の凹凸形状をドライエッチングにより形成しているが、これにより、領域Ｂの部分に、より高抵抗化された第二上クラッド層１１１を成長させることが可能となる。
【００３７】
ここで、フォトレジストマスクのパターンについて説明する。図３は、本発明の半導体レーザ素子の製造において用いられるフォトレジストマスクのパターンの変形例を示す模式図であり、図１におけるｘ−ｚ面に平行な面の断面図として示したものである。上記半導体レーザ素子の製造方法の説明においては、図３（ａ）で示されるパターンを採用したが、フォトレジストマスクのパターンは図３（ａ）のパターンに限られるものではなく、たとえば、図３（ｂ）または（ｃ）に示すパターンとすることもできる。
【００３８】
図３（ｂ）に示すパターンにおいては、両端面近傍におけるフォトレジストマスク１１６のｘ方向の幅が、共振器中央部近傍における幅よりも広くなっており、一方、共振器の中央部付近における凹凸領域形成用のフォトレジストマスク１１７のｚ方向の幅は、他の部分のフォトレジストマスク１１７と比べてより狭くなっている。図３（ｂ）に示すフォトレジストマスクパターンを採用した場合には、光出射側の端面における発光面積が広くなるため、端面の光損傷が抑制され、高出力のレーザ光を取り出すことができるようになる。
【００３９】
また、図３（ｃ）に示すパターンは、凹凸領域形成用のフォトレジストマスク１１７を共振器の両端面の近傍にも形成したものである。このパターンを採用した場合には、共振器の両端面に電流が注入されなくなるため、これらの端面における発熱が抑制され、端面の損傷が少なくなり、長寿命の半導体レーザ素子を得ることができるようになる。このように、凹凸を形成する領域の形状を適宜設定することにより、半導体レーザ素子に様々な機能を付加することが可能となる。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図４（ａ）は、本発明に係る第２の実施形態の半導体レーザ素子を模式的に示す、端面方向から見た斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４２０で示す部分の拡大図である。図４（ａ）において、内部の構造を示すために一部を切り欠いて示している。図４（ａ）および図４（ｂ）で示される半導体レーザ素子４００は、電流狭窄幅（ストライプ幅、すなわち、図４（ａ）における領域Ａのｘ方向の幅)が１．５μｍである水平方向にシングルモードの半導体レーザ素子であり、波長４１０ｎｍで単一の縦モードにてレーザ発振するものである。
【００４１】
図４（ａ）および図４（ｂ）で示される半導体レーザ素子４００の具体的構成を以下に示す。Ｃ面［（０００１）面］を主面とするｎ型ＧａＮからなる導電性の基板４０１の表面上には、層厚０．５μｍのｎ型ＧａＮからなるバッファ層４０２および層厚２μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる下クラッド層４０３から構成されるｎ型半導体部と、層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる下ガイド層４０４、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第１のウエル層４０５、層厚１０ｎｍのＩｎＧａＮからなるバリア層４０６、層厚５ｎｍのＩｎＧａＮからなる第２のウエル層４０７および層厚０．０５μｍのノンドープＧａＮからなる上ガイド層４０８から構成される活性層部と、層厚０．０２μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるキャリアブロック層４０９、最厚部０．３μｍのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一上クラッド層４１０、最薄部０．２μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第二上クラッド層４１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層４１２から構成されるｐ型半導体部と、が順次積層されている。そして、当該コンタクト層４１２の表面上には、層厚１５ｎｍのＰｄ層と層厚１５ｎｍのＭｏ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極４１３が形成されている。また、基板４０１の裏面上には、層厚５ｎｍのＨｆ層と層厚１５０ｎｍのＡｌ層とがこの順序で積層されてなるオーミック電極４１４が形成される。
【００４２】
バッファ層４０２、下クラッド層４０３にはドナー不純物としてＳｉ（シリコン）がドーピングされており、キャリアブロック層４０９、第一上クラッド層４１０、第二上クラッド層４１１およびコンタクト層４１２にはアクセプタ不純物としてＭｇ（マグネシウム）がドーピングされている。
【００４３】
また、上記半導体の積層体の両端面は、劈開されることによって得られている。そして、光出射側の前端面には、発振するレーザ光の反射率が５％となる厚さ８０ｎｍのＡｌ2Ｏ3からなる低反射膜（図示せず）が形成されており、前端面の反対側にある後端面には、ＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜とのペア４対からなり、発振するレーザ光の管内波長の１／４の厚みを有し、発振するレーザ光の反射率が９５％となる高反射膜（図示せず）が形成されている。また、共振器長（前端面と後端面との間の最短距離）は、たとえば８００μｍである。
【００４４】
ここで、半導体レーザ素子４００は、第一上クラッド層４１０の表面における、図４（ａ）中の領域Ｂとした部分にノコギリ歯状の凹凸形状が施されており、その凹凸形状を含む表面の上に第二上クラッド層４１１が再成長により形成されている点に特徴がある。すなわち、第一上クラッド層４１０の表面上には、凹凸部４１５が形成されている。さらに具体的には、第一上クラッド層４１０の表面における、図４（ａ）の領域Ａで示される、表面が平坦な領域、すなわち表面がＣ面［（０００１）面］で形成される領域は、およそ第一上クラッド層４１０表面の中心の位置において、共振器方向（ｚ方向）にストライプ状に延びており、該ストライプ状の領域Ａを挟むように、図４（ａ）の２つの領域Ｂで示される、表面がノコギリ歯状の凹凸形状を有する領域、すなわち表面がＣ面から傾いた面からなる領域が設けられている。このような構造を有する第一上クラッド層４１０の表面上に第二上クラッド層４１１を形成することにより、これらの層の境界面は、領域Ａで示される平坦な領域と、２つの凹凸を伴う領域とから構成されることとなる。
【００４５】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状は、図４（ａ）に示されるように、素子内での光の導波方向（ｚ方向）に周期的に繰り返されており、かつ該凹凸形状は、このような周期性を有する複数のラインを構成している。凹凸形状における凸部間の距離、すなわち凹凸の繰返しピッチΛは、０．１６μｍであり、分布帰還型レーザとして発振するよう構成されている。ただし、繰返しピッチΛは、０．１６μｍに限定されるものではなく、半導体レーザ素子の発振波長をλ、等価屈折率をｎeqとしたとき、ピッチΛをΛ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq） ［ただしＮは１以上の整数］となるように凹凸の繰返しピッチΛを選択すると、分布帰還型レーザとして機能するようになる。本実施形態の場合、Ｎ＝２であり、２次の回折格子として機能している。また、本実施形態においては、凹凸形状が形成するラインは、上記領域Ａの平坦なストライプに対して直交または略直交するように延びている。すなわち、該凹凸のラインが延びる方向は、共振器方向（ｚ方向）と直交または略直交している。
【００４６】
本実施形態において、領域Ｂにおける凹凸形状の凹凸の高さ（凹凸部における最も低い位置から最も高い位置までの高さ）は、０．０８μｍである。ただし、０．０８μｍに限定されるものではなく、凹凸形状の底部や頂部にＣ面が露出しない深さにすればよい。凹凸形状のピッチの半分程度の深さとすれば十分な電流狭窄特性を得ることができる。
【００４７】
以上のような構成、すなわち、Ｃ面を主面とする基板４０１の上に設けられた第一上クラッド層４１０の表面に、Ｃ面で形成されたストライプ状の領域Ａと、表面がＣ面から傾いた面からなる領域Ｂとを設け、そのような第一上クラッド層４１０の表面上に、Ｍｇでドープされた第二上クラッド層４１１を再成長させることにより、領域ＡのＣ面の上には均一にＭｇがドープされた低抵抗ｐ型層が結晶成長するのに対し、領域ＢにはＭｇの取り込みが著しく少ない高抵抗層が成長するので、ストライプ状の領域Ａが抵抗の低い電流通路となり、これを半導体レーザの電流狭窄通路として利用できる。すなわち、このような構成により、第一上クラッド層４１０と第二上クラッド層４１１との間の境界を横切って流れる電流を、境界面が凹凸を伴う領域において阻止し、境界面が平坦な領域に電流を集中させることができる。
【００４８】
また、第二上クラッド層４１１のＡｌ混晶比を、第一上クラッド層４１０のそれよりも高くすることにより、第二上クラッド層４１１の屈折率を第一上クラッド層４１０の屈折率より低くしているため、ストライプ内部（第一上クラッド層４１０における領域Ａの部分）の方がストライプ外部（第一上クラッド層４１０における領域Ｂの部分）よりも等価屈折率が高くなり、光分布のストライプ内への閉じ込めも効果的に生じるようになる。
【００４９】
このような構成による本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子は、簡便な方法により十分な電流狭窄と光分布のストライプ内への閉じ込めを実現することができ、また格子定数が近い材料系のみで構成することができるので、図９に示した従来の構造にて問題として指摘した歪を内包しない点で優れる。さらには、図８に示した従来のリッジ型の構成とは異なり、接触抵抗が大きなｐ型電極の面積を大きくすることができるために、電極抵抗成分を著しく小さくすることができる点、さらには電流狭窄の機能を果たすＭｇの取り込みが著しく低い高抵抗層の層厚が薄いために、電流が絞られている体積が小さくなる点から、電流狭窄通路部での直列抵抗の低減にも効果的である。さらに本実施形態の構成によれば、分布帰還型レーザとして機能し、単一縦モードでの良好な発振が得られるようになる。
【００５０】
なお、図４に示す半導体レーザ素子４００は、第１の実施形態と同様の製造方法にて製造することができるが、回折格子として機能する凹凸部のマスクの作製においては、電子ビーム露光や干渉露光を用いることによって凹凸のピッチを精密に作りこむことが可能である。
【００５１】
＜変形例＞
上記第１および第２の実施の形態においては、電流狭窄通路としてのストライプ部以外の部分、すなわち領域Ｂにおける凹凸形状が形成するラインが、共振器方向（ｚ方向）に平行あるいは直交する構成について詳細を説明したが、原理上、ストライプ部以外の部分（領域Ｂ）における凹凸形状は必ずしも共振器方向に平行あるいは直交するライン状の構成である必要はない。
【００５２】
ここで、図５は、本発明の半導体レーザ素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。ストライプ部以外の部分（領域Ｂ）における凹凸形状は、たとえば、図５に示されるような六角錘形状の突起が周期的あるいはランダムに配列した構成（凹凸部５１５）であってもよく、あるいは任意の多角錘・円錐等の他の形状の突起が周期的あるいはランダムに配列した構成であってもよく、少なくとも領域Ｂにおける表面がＣ面から傾いた表面から形成されるのであれば、同様の効果を得ることができる。なお、図５に示される半導体レーザ素子５００は、領域Ｂにおける凹凸形状を除いては、図１や図２に示される半導体レーザ素子と同様の構造を有している。
【００５３】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態では、ストライプ幅（電流狭窄幅）が１０μｍのブロードエリアレーザおよびストライプ幅（電流狭窄幅）が１．５μｍのシングルモードレーザの例を示したが、本発明はこれらに限られるものでないことは言うまでもない。
【００５４】
本発明の半導体レーザ素子の構造ならびに本発明の半導体レーザ素子を構成する層の材質および層厚は、上述の各実施形態の態様に限定されるものではない。特に半導体レーザ素子がＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成式で表わされる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成されている場合には本発明の効果を十分に得ることができる。なお、この組成式において、ｘはＡｌ（アルミニウム）の混晶比を示し、ｙはＧａ（ガリウム）の混晶比を示し、ｚはＩｎ（インジウム）の混晶比を示す。また、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いるにあたっては、適宜、上記組成式に表記された元素以外のＩＩＩ族元素（ボロンなど）およびＶ族元素（砒素、リンまたはビスマスなど）が混晶化されていてもよく、不純物元素（亜鉛、ベリリウム、テルル、マグネシウム、硫黄、セレンまたはシリコンなど）を適宜添加することもできる。
【００５５】
また、本発明の半導体レーザ素子においては、ｎ半導体部およびｐ型半導体部はそれぞれ、単層であってもよく、複数層であってもよい。また、本発明の半導体レーザ素子においては、活性層部の構造は特に限定されず、たとえば、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを適用することができる。また、活性層部を構成する層の歪量または井戸層厚に関しても特に制限はなく、活性層部を構成するバリア層に圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。
【００５６】
さらに、本発明の半導体レーザ素子において、発振するレーザ光の波長は、特に限定されず、用途に合わせて適宜調整することができる。
【００５７】
また、本発明の半導体レーザ素子に用いられる基板としては、上記第１の実施形態および第２の実施形態に示されるもの以外にもたとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板または砒化ガリウム基板などの単結晶基板を用いることも可能である。なお、基板上に結晶成長によって層構造を形成する場合、任意の原料を用いた任意の結晶成長方法により形成することができる。
【００５８】
上記第１の実施形態および第２の実施形態は、半導体レーザ素子に関するが、本発明は半導体レーザ素子に限定されるものではない。本発明の基本的な構成は、半導体レーザの電流狭窄部のみならず、窒化物半導体素子において局所的に高抵抗部を設ける必要がある場合、局所的に電流の通路を制御する必要がある場合に適用可能であり、本発明の基本的な構成を備えた半導体レーザ素子以外の半導体素子もまた、本発明の一部である。
【００５９】
上記に示した各種の変形や置き換えについては、以下の他の実施の形態に対しても当てはまるものである。
【００６０】
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明に係る第３の実施形態である白色照明装置を示す模式図である。白色照明装置６００は、上記第２の実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成の半導体レーザ素子６０１と、レンズ系６０２と、蛍光体６０３とから構成される。このような構成の白色照明装置６００において、半導体レーザ素子６０１から発振した波長４０５ｎｍのレーザ光は、レンズ系６０２を通過した後に蛍光体６０３に照射され、蛍光体６０３によってその少なくとも一部が吸収される。そして、蛍光体６０３によって吸収されたレーザ光は、その波長が変換されて白色光６０４を発光する。
【００６１】
ここで、半導体レーザ素子６０１としては、上記第２の実施形態に係る半導体レーザ素子に限られるものではなく、上記第１の実施形態の半導体レーザ素子など本発明の範囲に包含されるあらゆる半導体レーザ素子を用いることができる。また、蛍光体６０３としては、特に限定されないが、半導体レーザ素子６０１から発振した、たとえば波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して赤色の光を発光する赤色蛍光体（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して緑色の光を発光する緑色蛍光体（ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ）、および波長４０５ｎｍのレーザ光の少なくとも一部を吸収して青色の光を発光する青色蛍光体（（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+）を混合したものなどを用いることができる。
【００６２】
白色照明装置６００においては、蛍光体の励起光源として本発明の半導体レーザ素子が用いられていることから、半導体レーザ素子６０１での消費電力が著しく小さくなり、電気−光変換効率が高く、発熱が抑制された、小型で高輝度な点光源が得られる。
【００６３】
また、このような本発明の半導体レーザ素子を励起光源に用いた白色照明装置は、従来の蛍光灯や白熱灯などの白色照明装置に比べて電気−光変換効率が高く、長寿命であり、かつ水銀などの有毒物質を含まない点で優れている。したがって、本発明の半導体レーザ素子を備えた白色照明装置６００は、蛍光灯および白熱灯の代替装置として有用である。
【００６４】
半導体レーザ素子６０１から発振されるレーザ光の波長は必ずしも４０５ｎｍである必要はなく、蛍光体の吸収線に合わせて調節することができる。たとえば、波長４２０ｎｍよりも長い波長を有する可視の青色のレーザ光（波長４５０ｎｍ）を発振する本発明の半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子から発振した青色のレーザ光の一部を吸収し、少なくとも赤色および緑色のスペクトル成分を有する光を発する蛍光体とを含む構成とすることにより、白色照明装置６００を構成することも可能である。このような白色照明装置もまた、小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長いなど、特性に優れた白色照明装置となる。
【００６５】
なお、蛍光体の形態には特に制限はなく、板面上あるいは曲面上に塗布された蛍光体であってもよく、光ファイバなどの部品の少なくとも一部に含有されていてもよい。
【００６６】
＜第４の実施形態＞
図７は、本発明に係る第４の実施形態である画像受像機を示す模式図である。画像受像機７００は、半導体レーザ素子部７０１を光源としている。ここで、半導体レーザ素子部７０１は、赤色、緑色または青色のレーザ光をそれぞれ発振する、少なくとも３種類の半導体レーザ素子から構成されており、そのうちの青色または青色および緑色の光源に上記第１の実施形態および／または第２の実施形態のような構成を有する本発明の半導体レーザ素子が適用されている。
【００６７】
半導体レーザ素子部７０１から発振した可視レーザ光は、ミラー７０２などの光学手段によりデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの光制御素子７０３に導入され、レンズ系などの投影手段７０４によって、スクリーン７０５に画像が投影されることになる。
【００６８】
ここで、画像信号７０６は、画像解析回路７０７により解析され、光制御素子７０３が制御されるとともに、光制御回路７０８を通して光源である半導体レーザ素子部７０１が制御される。
【００６９】
図７に示すような本発明の半導体レーザ素子を光源とした画像表示機構を有する画像受像機７００においては、光源の色純度が高いために色再現性が高く、また、本発明の半導体レーザ素子が適用されているために光源の高発光特性と低消費電力とを実現することができる。
【００７０】
なお、本発明の半導体レーザ素子の適用範囲は、上記第３の実施形態および第４の実施形態に示す白色照明装置や画像受像機に限られるものではなく、レーザメスおよび各種加工用レーザなど、あるいは各種励起光源などの高出力かつ高効率のレーザ光を必要とする各種応用システムに適用することができる。励起光源として用いられる本発明の半導体レーザ素子から発振するレーザ光の波長は必ずしも４０５ｎｍあるいはその近辺の波長でなくてもよく、応用形態に合わせて適宜選択することができる。
【００７１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の半導体レーザ素子を用いることによって、小型、高輝度で、電気−光変換効率が高く、寿命が長いなどの特性に優れた白色照明装置および画像表示システムなどの応用システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子を示す模式図であり、（ａ）は、端面方向から見た斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す概略工程図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の製造において用いられるフォトレジストマスクのパターンの変形例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態の半導体レーザ素子を示す模式図であり、（ａ）は、端面方向から見た斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す図である。
【図５】本発明の半導体レーザ素子の別の一例を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第３の実施形態である白色照明装置を示す模式図である。
【図７】本発明に係る第４の実施形態である画像受像機を示す模式図である。
【図８】窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。
【図９】窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の別の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００，４００，５００，６０１ 半導体レーザ素子、１０１，４０１ 基板、１０２，４０２ バッファ層、１０３，４０３ 下クラッド層、１０４，４０４ 下ガイド層、１０５，４０５ 第１のウエル層、１０６，４０６ バリア層、１０７，４０７ 第２のウエル層、１０８，４０８ 上ガイド層、１０９，４０９ キャリアブロック層、１１０，４１０ 第一上クラッド層、１１１，４１１ 第二上クラッド層、１１２，４１２ コンタクト層、１１３，１１４，４１３，４１４ オーミック電極、１１５，４１５，５１５ 凹凸部、１１６，１１７ フォトレジストマスク、６００ 白色照明装置、６０２ レンズ系、６０３ 蛍光体、６０４ 白色光、７０１ 半導体レーザ素子部、７０２ ミラー、７０３ 光制御素子、７０４ 投影手段、７０５ スクリーン、７０６ 画像信号、７０７ 画像解析回路、７０８ 光制御回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、
前記ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、
前記第１の層と前記第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
基板上に形成された、ｎ型の導電型を示すｎ型半導体部と、ｐ型の導電型を示すｐ型半導体部と、前記ｎ型半導体部と前記ｐ型半導体部との間に位置する活性層部と、を含み、少なくとも前記ｐ型半導体部が窒化物半導体からなる半導体レーザ素子である、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第１の層と前記第２の層との境界面において、平坦な領域は、少なくとも２つの凹凸を伴う領域によって挟まれるように位置することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第１の層および前記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、マグネシウムでドープされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１の層および前記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、有機金属気相成長法によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
半導体素子を構成する各層は、窒化物六方晶における（０００１）面に平行な面方位が表面に現れるように積層されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記凹凸を伴う領域における凹凸形状は、ドライエッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記平坦な領域はストライプ形状を有しており、
前記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプに対して平行に延びることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記平坦な領域はストライプ形状を有しており、
前記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプと直交するように延びることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記周期的な凹凸形状における凹凸の繰返しピッチΛは、Λ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq）［ただし、λは発振波長、ｎeqは等価屈折率、Ｎは１以上の整数］の関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１の層および前記第２の層のうち、基板から遠い側の層の屈折率は、基板に近い側の層の屈折率より低いことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項１２】
請求項２に記載の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から発振したレーザ光の少なくとも一部を吸収して前記レーザ光とは異なる波長の光を発する物質と、を含む、照明装置。
【請求項１３】
前記物質は、前記半導体レーザ素子から発振した波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光の少なくとも一部を吸収して白色の光を発する蛍光体であることを特徴とする、請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
請求項２に記載の半導体レーザ素子を光源とする画像受像機。
【請求項１】
窒化物半導体からなるｐ型半導体部を有する半導体素子であって、
前記ｐ型半導体部は、隣接して積層される第１の層および第２の層の少なくとも２層を有し、
前記第１の層と前記第２の層との境界面は、平坦な領域と、１または複数の凹凸を伴う領域とから構成されることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
基板上に形成された、ｎ型の導電型を示すｎ型半導体部と、ｐ型の導電型を示すｐ型半導体部と、前記ｎ型半導体部と前記ｐ型半導体部との間に位置する活性層部と、を含み、少なくとも前記ｐ型半導体部が窒化物半導体からなる半導体レーザ素子である、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第１の層と前記第２の層との境界面において、平坦な領域は、少なくとも２つの凹凸を伴う領域によって挟まれるように位置することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第１の層および前記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、マグネシウムでドープされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１の層および前記第２の層のうち、少なくとも基板から遠い側の層は、有機金属気相成長法によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
半導体素子を構成する各層は、窒化物六方晶における（０００１）面に平行な面方位が表面に現れるように積層されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記凹凸を伴う領域における凹凸形状は、ドライエッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記平坦な領域はストライプ形状を有しており、
前記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプに対して平行に延びることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記平坦な領域はストライプ形状を有しており、
前記凹凸を伴う領域は、周期的な凹凸形状のラインからなり、該ラインは、前記平坦な領域を構成するストライプと直交するように延びることを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記周期的な凹凸形状における凹凸の繰返しピッチΛは、Λ＝Ｎ×λ／（２・ｎeq）［ただし、λは発振波長、ｎeqは等価屈折率、Ｎは１以上の整数］の関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１の層および前記第２の層のうち、基板から遠い側の層の屈折率は、基板に近い側の層の屈折率より低いことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項１２】
請求項２に記載の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から発振したレーザ光の少なくとも一部を吸収して前記レーザ光とは異なる波長の光を発する物質と、を含む、照明装置。
【請求項１３】
前記物質は、前記半導体レーザ素子から発振した波長が４２０ｎｍよりも短いレーザ光の少なくとも一部を吸収して白色の光を発する蛍光体であることを特徴とする、請求項１２に記載の照明装置。
【請求項１４】
請求項２に記載の半導体レーザ素子を光源とする画像受像機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１６６３９４（Ｐ２００８−１６６３９４Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５２４７７（Ｐ２００６−３５２４７７）
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]