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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022162707
(43)【公開日】2022-10-25
(54)【発明の名称】半導体発光素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/10 20210101AFI20221018BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20221018BHJP
H01S 5/20 20060101ALI20221018BHJP
【ＦＩ】
H01S5/10
H01S5/323
H01S5/20
H01S5/323 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021067669
(22)【出願日】2021-04-13
(71)【出願人】
【識別番号】000102212
【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109380
【弁理士】
【氏名又は名称】小西 恵
(74)【代理人】
【識別番号】100109036
【弁理士】
【氏名又は名称】永岡 重幸
(72)【発明者】
【氏名】川中 敏
(72)【発明者】
【氏名】萩元 将人
(72)【発明者】
【氏名】杉谷 晃彦
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA35
5F173AA41
5F173AC03
5F173AC13
5F173AC23
5F173AC35
5F173AC42
5F173AC52
5F173AD06
5F173AF02
5F173AF03
5F173AF13
5F173AF22
5F173AF32
5F173AF42
5F173AF52
5F173AG05
5F173AG12
5F173AH08
5F173AH22
5F173AP33
5F173AP45
5F173AQ10
5F173AR07
(57)【要約】
【課題】半導体発光素子の発熱を低減し、スロープ効率を向上させる。
【解決手段】一態様に係る半導体発光素子によれば、傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板と、前記傾斜面上に積層され、前記傾斜角に応じた波長のレーザ光を放射する複数の発光層とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】一態様に係る半導体発光素子によれば、傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板と、前記傾斜面上に積層され、前記傾斜角に応じた波長のレーザ光を放射する複数の発光層とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板と、
前記傾斜面上に積層され、前記傾斜角に応じた波長のレーザ光を放射する複数の発光層とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
前記傾斜面上に積層され、前記傾斜角に応じた波長のレーザ光を放射する複数の発光層とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項2】
前記半導体基板の元素が自然超格子を構成しやすい結晶面を基準面として前記傾斜面が設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項3】
前記傾斜面は、前記半導体基板の特定の結晶面でない成長面を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項4】
前記基準面は、前記半導体基板の裏面に対して水平に設定され、
前記傾斜面の傾斜角の平均値は、前記半導体基板に対する前記基準面の傾斜角に等しいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記傾斜面の傾斜角の平均値は、前記半導体基板に対する前記基準面の傾斜角に等しいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項5】
前記半導体基板に形成された曲面の接線の傾きが異なる位置に複数の発光層が積層されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項6】
前記半導体基板に形成されたリッジストライプ構造を備え、
前記傾斜面は、前記半導体基板に対し、前記リッジストライプ構造に沿って一定の角度で延在するとともに、前記リッジストライプ構造と直交する方向に傾斜することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記傾斜面は、前記半導体基板に対し、前記リッジストライプ構造に沿って一定の角度で延在するとともに、前記リッジストライプ構造と直交する方向に傾斜することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項7】
前記リッジストライプ構造上に高さが揃うようにして設けられた電極を備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項8】
前記半導体基板はＧａＡｓ系基板であり、
前記発光層に含まれる活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ結晶層またはＧａＩｎＡｓＰ結晶層（ＡｌもしくはＡｓ組成がゼロの場合も含む）のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記発光層に含まれる活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ結晶層またはＧａＩｎＡｓＰ結晶層（ＡｌもしくはＡｓ組成がゼロの場合も含む）のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項9】
前記半導体基板はＧａＮ系基板であり、
前記発光層に含まれる活性層は、ＩｎＧａＮ結晶層またはＡｌＧａＩｎＮ結晶層のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記発光層に含まれる活性層は、ＩｎＧａＮ結晶層またはＡｌＧａＩｎＮ結晶層のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項10】
前記半導体基板は、異種材料の半導体または誘電体から構成される支持基板上に形成され、
前記半導体基板は、前記発光層と同種材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記半導体基板は、前記発光層と同種材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項11】
前記レーザ光は、同じ色領域の範囲内で異なる波長を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体レーザを用いたプロジェクタなどのディスプレイ装置の市場が拡大している。
また、近年、様々な分野において、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）、複合現実（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）および代替現実（ＳＲ：Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）などのリアリティ化技術が実用化され、これらの技術を用いたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ－ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）およびＡＲグラス等のディスプレイ装置が商品化されている。
また、近年、様々な分野において、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）、複合現実（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）および代替現実（ＳＲ：Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）などのリアリティ化技術が実用化され、これらの技術を用いたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ－ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）およびＡＲグラス等のディスプレイ装置が商品化されている。
【0003】
例えば、ヘッドマウントディスプレイでは、光源にＲＧＢ（赤色・緑色・青色）の３色のレーザ光を用い、画像表示用の空間変調素子であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）により画像を作成し、導波路（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を通して網膜等に投影する技術が知られている。このＭＥＭＳを用いたシステムは、画像の広色域化、高解像度化および広視野角化を図ることができ、ＲＧＢの各色において複数の半導体レーザを用いたマルチビーム化が図られている。
【0004】
特許文献１には、同一素子内で複数の波長のレーザを発振可能な多波長半導体レーザが開示されている。特許文献１の技術では、ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸レーザにおいて、第１と第２の量子井戸活性層の井戸幅（物理的膜厚）を異ならせることで、多波長化が図られている。
【0005】
また、特許文献２には、ＣＤ用レーザダイオード（発光波長７８０ｎｍ）とＤＶＤ用レーザダイオードＬＤ２（発光波長６５０ｎｍ）を１チップ上に搭載するモノリシックレーザダイオードが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平０５－０８２８９４号公報
【特許文献2】特開２００９－０１６８８１号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】応用物理学会学会誌応用物理1992年第61巻第8号PP806－PP812、「化合物半導体自然超格子構造の電子状態」、吉田 博
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
半導体レーザをディスプレイ装置に用いる場合、解像度およびフレームレートなどの画質を向上させるため、狭ピッチでマルチ発光層（複数の発光層）を独立駆動するモノリシック構造の横シングルモード半導体レーザが求められる。
しかしながら、横シングルモードレーザは波長幅が狭く干渉性が高い。このため、ＲＧＢの各色の波長を同一とし、各色の波長が揃っていると、レーザ光の干渉性による画質低下が生じる。
しかしながら、横シングルモードレーザは波長幅が狭く干渉性が高い。このため、ＲＧＢの各色の波長を同一とし、各色の波長が揃っていると、レーザ光の干渉性による画質低下が生じる。
【0009】
そこで、本発明の目的は、レーザ光の干渉性を低下させることが可能な半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板と、前記傾斜面上に積層され、前記傾斜角に応じた波長のレーザ光を放射する複数の発光層とを備える。
【0011】
これにより、傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板に発光層を成膜することで、複数の波長のレーザ光を放射する複数の発光層を形成することができる。このため、複数の波長のレーザ光を放射する複数の発光層を形成するために、異なる波長のレーザ光を放射する発光層ごとに発光層の成膜を繰り返す必要がなくなる。また、異なる波長のレーザ光を放射する発光層の成膜を一度で済ませるため、従来技術（特許文献１）のように開口率の異なる絶縁層を選択成長マスクとして半導体基板に形成する必要がなくなる。また、選択成長マスク上に多結晶が堆積したり、発光層の組成ずれによって所望の層構成とは異なる結晶構造となったり、結晶欠陥が生じたりするのを防止することができる。このため、結晶品質の低下および工程増を抑制しつつ、複数の波長のレーザ光を放射する複数の発光層を形成することができる。
【0012】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板の元素が自然超格子を構成しやすい結晶面を基準面として前記傾斜面が設けられる。なお、本発明において自然超格子を構成しやすい結晶面とは、例えばＩｎＧａＰ結晶おいてIII族結晶面にＩｎ原子が多く存在する格子面とＧａ原子が多く存在する格子面とが規則的に並ぶことでエネルギー的に安定な状態を実現する格子配列となるが、このような状態を実現可能な方位を持つ面をいう。
【0013】
これにより、基準面に対して傾斜角を変化させることで、発光層の禁制帯幅を変化させ、発振波長を変化させることができる。このため、傾斜角が異なる傾斜面を有する半導体基板に発光層を成膜することで、複数の波長のレーザ光を放射する複数の発光層を形成することができる。
【0014】
本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記傾斜面は、前記半導体基板の特定の結晶面でない成長面を含む。ここで言う「特定の結晶面」とは、（００１）面、（１１１）面、あるいは、（０００１）面等の簡易なミラー指数で規定される結晶面のことを指すものとする。
【0015】
これにより、半導体基板の傾斜面の角度を数度のステップで変化させることが可能となり、同色性を維持しつつ、レーザ光の波長を変化させることができる。このため、異なる波長のレーザ光に基づいてレーザ光の干渉性を低下させることができ、レーザ光の干渉性による画質低下を抑制することができる。
【0016】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記基準面は、前記半導体基板の裏面に対して水平に設定され、前記複数の傾斜面の傾斜角の平均値は、前記半導体基板に対する前記基準面の傾斜角に等しい。
【0017】
これにより、半導体発光素子の製造プロセスにおける傾斜面形成に伴う各半導体発光素子形成箇所との段差を軽減することができ、フォトリソグラフィおよびドライエッチングなどのプロセスにおける加工精度の低下を抑制することができる。
【0018】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板に形成された曲面の接線の傾きが異なる位置に複数の発光層が積層される。
【0019】
これにより、傾斜角の異なる位置で発光波長の異なるレーザ光を放射する発光層を形成することができる。
【0020】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板に形成されたリッジストライプ構造を備え、前記傾斜面は、前記半導体基板に対し、前記リッジストライプ構造に沿って一定の角度で延在するとともに、前記リッジストライプ構造と直交する方向に傾斜する。
【0021】
これにより、レーザ光の導波方向に沿って光を閉じ込めつつ、波長ごとにレーザ光を増幅させることができ、発光効率を向上させつつ、多波長マルチビーム化することができる。
【0022】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記リッジストライプ構造上に高さが揃うようにして設けられた電極を備える。
【0023】
これにより、電極を配置したサブマウント上に多波長マルチビーム半導体レーザをジャンクションダウンボンディング実装することができる。このため、多波長マルチビーム半導体レーザの放熱性を向上させることができ、多波長マルチビーム半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
【0024】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記発光層に含まれる活性層は、ＡｌＧａＩｎＰ結晶層またはＧａＩｎＡｓＰ結晶層（ＡｌもしくはＡｓ組成がゼロの場合も含む）のいずれか少なくとも１つを含む。
【0025】
これにより、赤色から近赤外域において、多波長マルチビーム半導体レーザを実現することができる。
【0026】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板はＧａＮ基板であり、前記発光層に含まれる活性層は、ＩｎＧａＮ結晶層またはＡｌＧａＩｎＮ結晶層のいずれか少なくとも１つを含む。
【0027】
これにより、青紫から緑色域において、多波長マルチビーム半導体レーザを実現することができる。
【0028】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記半導体基板は、異種材料の半導体または誘電体から構成される支持基板上に形成され、前記半導体基板は、前記発光層と同種材料から構成される。
【0029】
これにより、半導体基板を薄膜化することができ、半導体基板のコストダウンを図ることが可能となるとともに、半導体基板が割れやすい場合においても、半導体基板を安定してハンドリングすることができる。
【0030】
また、本発明の一態様に係る半導体発光素子によれば、前記レーザ光は、同じ色領域の範囲内で異なる波長を有している。
【0031】
これにより、複数の波長のレーザ光に基づいてレーザ光の干渉性を低下させることができ、レーザ光の干渉性による画質低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【0032】
本発明の一態様においては、レーザ光の干渉性を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】第１実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図3】第１実施形態に係る半導体発光素子の波長と基板傾角との関係を示す図である。
【図4A】第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図4B】第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図4C】第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図4D】第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図4E】第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5A】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す断面図である。
【図5B】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5C】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5D】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5E】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5F】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5G】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5H】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5I】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図5J】第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す斜視図である。
【図6】第２実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図7】第３実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図8】第４実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
【図9】第５実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0034】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の構成に必須のものとは限らない。実施形態の構成は、本発明が適用される装置の仕様や各種条件（使用条件、使用環境等）によって適宜修正または変更され得る。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定され、以下の個別の実施形態によって限定されない。また、以下の説明に用いる図面は、各構成を分かり易くするため、実際の構造と縮尺および形状などを異ならせることがある。
【0035】
図１は、第１実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図、図２は、図１の半導体発光素子の１つのリッジストライプ構造を拡大して示す断面図である。なお、図２では、図１の領域Ｒを拡大して示した。また、以下の説明では、半導体基板に４つ発光層が積層され、４個の異なる波長のレーザ光を放射する構成を例にとるが、半導体基板上にｍ（ｍは２以上の整数）個の発光層が積層され、ｍ個の異なる波長のレーザ光を放射する構成であってもよい。また、以下の説明では、赤色域において多波長化された半導体レーザを例にとる。
【0036】
図１および図２において、半導体レーザＬＡは、ｎ型半導体基板１１上に積層されたｍ（図１の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板１１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板１１の元素が自然超格子を構成しやすい結晶面を基準面として傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを設けることができる。傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍは、ｎ型半導体基板１１の特定の結晶面でない成長面を含むのが好ましい。ここで言う「特定の結晶面」とは、（００１）面、（１１１）面、あるいは、（０００１）面等の簡易なミラー指数で規定される結晶面のことを指すものとする。この基準面は、ｎ型半導体基板１１の裏面に対して水平に設定し、傾斜角θ１～θｍの平均値は、ｎ型半導体基板１１に対する基準面の傾斜角に等しくするのが好ましい。
【0037】
ｎ型半導体基板１１上には、発光層を含む半導体積層構造１２が形成されている。半導体積層構造１２は、ｍ個のリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍを備える。また、ｎ型半導体基板１１上には、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍのトップ面が露出されるように保護膜１３が形成されている。保護膜１３は、例えば、ＳｉＯ２膜またはＳｉＮ膜などの絶縁膜である。各リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍ上には、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍのトップ面に接触するｐ側電極１４が形成されている。
【0038】
図２に示すように、半導体積層構造１２では、例えば、ｎ型バッファ層２１、ｎ型クラッド層２２、活性層２３、ｐ型第１クラッド層２４、ｐ型エッチング停止層２５、ｐ型第２クラッド層２６、ｐ型界面層２７およびｐ型キャップ層２８がｎ型半導体基板１１上に順次積層されている。ここで、半導体積層構造１２のうち、ｐ型第２クラッド層２６、ｐ型界面層２７およびｐ型キャップ層２８がリッジストライプ状にパターニングされている。このとき、ｐ型エッチング停止層２５は、ｐ型第２クラッド層２６、ｐ型界面層２７およびｐ型キャップ層２８をリッジストライプ状にパターニングするときのエッチングの停止に用いることができる。
【0039】
ここで、半導体レーザＬＡが赤色域において多波長化される場合、半導体積層構造１２として、例えば、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（Ａｌ組成Ｘ＝０．７）、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層（Ａｌ組成Ｘ＝０．７）、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層、ｐ型ＧａＩｎＰ界面層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層の積層構造を用いることができる。
【0040】
ｎ型半導体基板１１上に傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを持たせるために、例えば、チップ幅を３００～４００ｕｍとして、このチップ幅のピッチで周期的に凸状に湾曲した曲面ＫＭＡをｎ型半導体基板１１上に形成することができる。この曲面ＫＭＡの形状はかまぼこ状であってもよいし、アーチ状であってもよい。そして、ｎ型半導体基板１１上に形成された曲面ＫＭＡの接線の傾きが異なる位置にｍ個の傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを配置することにより、ｍ個の傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍの傾斜角θ１～θｍを互いに異ならせることができる。そして、各傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍ上にｍ個の発光層を積層することにより、発光層ごとに異なる波長のレーザ光を放射させることができる。
【0041】
例えば、ｍ個の発光層を曲面ＫＭＡ上に５０ｕｍ間隔で配置し、傾斜角θ１～θｍを－５度から３度ステップで＋４度まで変化させることができる。このとき、各傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍの傾斜角θ１～θｍは、ｎ型半導体基板１１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として、５度オフ、８度オフ、１１度オフ、１４度オフとすることができる。半導体レーザＬＡの組立後に特性評価を行ったところ、４ビームレーザの発光層ごとに異なる波長でのレーザ発振を確認できた。このとき、最短波長６３６ｎｍから最長波長６５１ｎｍまで、１５ｎｍの波長差を得ることができた。なお、本実施形態では、半導体レーザＬＡに集積化された発光層の個数は４個としたが、チップ上に配置できる限りは発光層の個数に特に制約はない。
【0042】
ＧａＡｓ基板上に結晶成長したＧａＩｎＰ結晶を活性層２３に用いた場合、自然超格子構造の制御により、ＧａＩｎＰ層の禁制帯幅を制御できる。例えば、「レーザ研究 第１８巻 第８号 ＰＰ５９２－５９５、平成２年８月、日野功 可視光半導体レーザ材料ＡｌＧａＩｎＰの結晶構造と素子特性」に記載されているように、結晶成長の際の成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比および基板のオフ角度を調整することで、禁制帯幅を１．８５～１．９１ｅＶ（光の波長では、６４９～６７０ｎｍの範囲に相当）程度変化させることができる。ＧａＩｎＰ結晶は、ＩＩＩ族元素のＧａおよびＩｎと、Ｖ族元素のＰで結晶格子が形成され、無秩序状態（Ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ）では、ＧａおよびＩｎが不規則に並んでいる。これに対し、特定の結晶成長条件および基板面を持つ結晶上に成長した場合、ＧａおよびＩｎが規則的に並び、Ｇａ面とＩｎ面が交互に並ぶ秩序状態（Ｏｒｄｅｒｅｄ）が生じることがある。この秩序状態は、ＧａＰ型ＩｎＰの超格子が自発的に形成された状態となることから、自然超格子と呼ばれる。この自然超格子が形成された状態では、禁制帯幅が縮小し、ＧａＩｎＰ層の禁制帯幅が変化する。そして、自然超格子が形成された面から傾きを変化させると、その傾きに応じて、自然超格子の規則性が徐々に乱れ、禁制帯幅が徐々に増大することから、レーザ光の波長を徐々に変化させることができる。自然超格子の形成は、ｎ型半導体基板１１がｎ型ＧａＡｓ半導体基板１１の場合、（００１）面に近い結晶面上への成長に固有の現象である。
【0043】
なお、原料ガスのＶ／ＩＩＩ比および成長温度などの結晶成長条件を変えると、自然超格子の形成が自発的に抑制され、基板表面の結晶面方位によらず禁制帯幅の変動がほとんどなくなる場合がある。このため、半導体レーザＬＡの多波長化の波長範囲に応じて、所望の波長差が得られる結晶成長条件を取る必要がある。ただし、このような波長変化が大きい結晶成長条件を設定しても、成長した（Ａｌ）ＧａＩｎＰ結晶の質が低下したり、作製した半導体レーザＬＡの特性および性能が低下するという悪影響は見られない。このため、所望の性能の半導体レーザＬＡが実現できる結晶成長条件の範囲内で所望の波長差が得られる結晶成長条件を選択できる。
【0044】
以上説明したように、上述した実施形態によれば、ｎ型半導体基板１１上で各発光層を配置する位置にストライプ状の導波路構造が伸びる共振器方向とは直交する方向に傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを形成し、基板面に対する傾斜角θ１～θｍを発光層ごとに制御することで発光層ごとに発光波長を調整することができ、簡便な作製プロセスで発光層ごとに異なる波長で動作する半導体レーザＬＡを構成することができる。活性層２３にＡｌＧａＩｎＰ結晶またはＧａＩｎＰ結晶材料を用いる場合、傾斜角θ１～θｍに応じて活性層２３内の自然超格子構造の規則性の程度が変化する。その結果、傾斜角θ１～θｍに応じて活性層２３の禁制帯幅を変化させることができ、ｍ個の発光層ごとに発振波長を変えることができる。また、傾斜角θ１～θｍがステップ状に変化する例を示しているが、等間隔で傾斜角θ１～θｍを変える必要はなく、少なくとも２種類以上の傾斜角を含んでいれば、傾斜角θ１～θｍが全て異なっている必要はない。
【0045】
また、半導体レーザＬＡでは、ｎ型半導体基板１１上に設けられる傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍの傾斜角θ１～θｍを発光層ごとに調整することで各発光層の波長制御を実現することができる。このため、半導体積層構造１２を形成するための多層結晶成長を複数回繰り返すことなく、半導体レーザＬＡを作製でき、コスト増を抑制することができる。また、多層結晶成長を複数回繰り返すことなく、複数回の熱履歴に晒されるのを防止することができるため、結晶中のドーパントの拡散、結晶表面近くの構成元素の脱離・置換・酸化などの結晶の質の低下、外部からの不純物のコンタミネーションなどを防止することができる。さらに、異なる波長のレーザ光を放射する発光層の成膜を１度で済ませるために、開口率の異なる絶縁層を選択成長マスクとしてｎ型半導体基板１１上に形成する必要がなくなり、選択成長マスク上に多結晶が堆積したり、発光層の組成ずれによって所望の層構成とは異なる結晶構造となったり、結晶欠陥が生じたりするのを防止することができる。この結果、半導体レーザＬＡの品質の低下を抑制しつつ、波長マルチビーム化を図ることができる。
【0046】
図３は、第１実施形態に係る半導体発光素子のＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）波長と基板傾角との関係を示す図である。なお、図３では、（００１）面からのＧａＡｓ基板の傾角とその上に成長したＧａＩｎＰ結晶のホトルミネッセンスによる発光波長の関係の一例を示す。
【0047】
図３に示すように、傾斜面の傾きを調整し、例えば、基板表面の傾角を０～１５°の範囲で発光層ごとに調整すれば、発光層間の波長差を約２０ｎｍとなる多波長マルチビームレーザを容易に作製できることが判る。同図では、ＧａＡｓ基板上に成膜されたＧａＩｎＰ層での発光波長を示しているが、ＧａＩｎＰ層またはＡｌＧａＩｎＰ層を多重量子井戸構造の井戸層に用いた場合も、当該多重量子井戸層の禁制帯幅の変化が発光波長の差異となって表れる。
【0048】
発光層の配置位置での傾斜角の振り方については、基板表面の傾角が０度から１５度の範囲で振れるように設定すれば、発光層間の波長差を最大化することができ、２０ｎｍ以上の波長差が取れる。これだけの波長差があれば、画質の向上には十分である。従って、各発光層の配置位置での基板表面の傾角が最大でも０度から１５度の変えられる構成とすればよく、半導体レーザが実際に使用されるシステムの要求に従って、必要な波長差を得るために必要な分だけ発光層ごとに傾斜角を変化させればよい。例えば、１０ｎｍの波長差を得るのであれば、７度から１２度の範囲で発光層の配置位置の傾斜角を変化させればよい。
【0049】
なお、半導体基板の元々の基板傾角に関しては、単波長半導体レーザを作製する場合と同様に選択してもよいが、所望の波長差を実現するために選択した発光層の配置位置での傾斜角の振り幅のおおよその平均値に取ることが好ましい。上述した実施形態において、半導体基板の元の表面よりも傾斜した面上に形成したリッジ構造が傾斜し、発光層（図１では、特に外側の２つの発光層）も斜めに傾斜する。半導体レーザの作製プロセスおよび性能には大きな影響が及ばないようにするため、この傾斜角は１５度以下であるのが好ましい。
【0050】
図１の構成では、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板上に複数の傾角を持たせるために、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板（（００１）１０度オフ基板）に加工を施し、レーザの共振器方向に伸びるかまぼこ状の斜面形成を行った。このとき、基板表面の加工方法としては、例えば、半導体材料またはガラス材料の表面にマイクロレンズ加工を行う方法を適用することができる。
【0051】
ただし、図１に示すように、かまぼこ状の大きな斜面形成を行っている場合、曲面ＫＭＡの頂上と１５度傾斜した位置での段差が大きくなる。このため、ウェハプロセスで各種の加工・パターン形成を行う際のフォトレジストの塗布条件およびエッチング条件などを調整する必要がある。従って、半導体基板自体の基板傾角を発光層の配置位置の傾斜角の略平均値に設定することで、発光層の配置位置の傾斜角を小さくし、プロセス面の尤度を向上させることができる。
【0052】
図４Ａから図４Ｅは、第１実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す斜視図である。
図４Ａにおいて、スピンコートなどの方法にて、半導体ウェハＷの表面にフォトレジストを塗布する。次に、ストライプ状のパターンが形成されたフォトマスクを介してフォトレジストを感光し、現像を行うことにより、共振器長方向にストライプ状に延在するレジストパターン３１を半導体ウェハＷ上に形成する。
図４Ａにおいて、スピンコートなどの方法にて、半導体ウェハＷの表面にフォトレジストを塗布する。次に、ストライプ状のパターンが形成されたフォトマスクを介してフォトレジストを感光し、現像を行うことにより、共振器長方向にストライプ状に延在するレジストパターン３１を半導体ウェハＷ上に形成する。
【0053】
次に、レジストパターン３１が形成された半導体ウェハＷを２００℃程度で数分～２０分間程加熱する。このとき、レジストパターン３１の熱可塑性によりパターン形状が変形し、かまぼこ状に変形したレジストパターン３２が半導体ウェハＷ上に形成される。（図４Ｂ）
【0054】
次に、半導体ウェハＷの上面からのドライエッチングにより、レジストパターン３２を薄肉化する。このとき、レジストパターン３２から露出された半導体ウェハＷの表面もエッチングされながら、レジストパターン３２の薄肉化が進行する。このため、レジストパターン３２の厚さが薄い部分では、半導体ウェハＷの厚さ方向のエッチング量が増大し、共振器方向と垂直な方向に周期的に配置された曲面ＫＭＡが半導体ウェハＷの表面に形成される。（図４Ｃ）
【0055】
なお、本実施形態では、半導体ウェハＷ上に曲面ＫＭＡを周期的に配置した例を示したが、曲面ＫＭＡの周期的な配置に限られるものではない。発光層ごとの波長の変化のさせ方または半導体ウェハＷ上のチップ配置の都合などにより、非周期的なパターン配置としたり、部分的に周期が変わるような構造としてもよい。また、本プロセス工程では、レジストパターン３２をエッチングマスクとして半導体ウェハＷを直接加工する方法を示したが、エッチング装置、エッチングガスおよび基板材料の種類によっては、レジストパターン３２と半導体ウェハＷとのエッチング選択比が調整しにくい場合もある。この場合、レジストパターン３２と半導体ウェハＷとの間にＳｉＯ２などで構成されたハードマスクなどの中間層を挟み、レジストパターン３２をハードマスクに一旦転写してから、このハードマスクをエッチングマスクとして半導体ウェハＷを加工するようにしてもよい。
【0056】
なお、マイクロレンズ加工のプロセス手法を用いて半導体基板上に傾斜面を形成するために、レジストパターンの形状を半導体基板に転写して加工する場合、レジストパターンと半導体基板の材料のエッチング選択比で半導体基板に形成される形状の高さが決定される。エッチングガスおよびドライエッチング条件の調整またはＳｉＯ２膜などの中間層の利用により、エッチングの選択比をある程度自由に調整することができる。
【0057】
ただし、半導体基板の加工時のプロセスばらつきにより、各発光層の配置位置での半導体基板表面の傾斜角が変動する可能性がある。例えば、各発光層または特定の発光層の位置で半導体表面の傾斜角が±１度ずれたとしても、図３の基板傾角と波長変化の関係から、発光層ごとの波長差を十分に担保することができる。
【0058】
また、共振器方向に対するかまぼこ状の曲面ＫＭＡの傾斜面の角度ずれについては、単一波長レーザの作製時のパターン合わせ精度が確保されればよい。例えば、１つのレーザチップについて、傾斜面のパターン形状が共振器方向に対して１～２度傾いた配置となっていてもよい。単一波長半導体レーザ作製プロセスでは、端面コーティングを行う際のバー状の劈開での劈開位置ずれを防ぐために、±０．０３°以内程度にパターンの角度ずれを抑えている。多波長半導体レーザ作製プロセスにおいても、単一波長半導体レーザ作製プロセスの合わせ精度と同様の精度でパターン形成を行えばよい。
【0059】
半導体ウェハＷに曲面ＫＭＡが形成されると、単一波長半導体レーザの半導体積層プロセスと同様の半導体積層プロセスを実施することにより、多波長マルビーム半導体レーザを作製することができる。このとき、図４Ｄに示すように、曲面ＫＭＡが形成された半導体ウェハＷ上に多層結晶成長を行うことにより、半導体積層構造１２を半導体ウェハＷ上に形成する。
【0060】
次に、ＳｉＯ２膜などのハードマスクをエッチングマスクとして半導体積層構造１２をドライエッチングすることにより、図４Ｅに示すように、素子領域ＲＡ１～ＲＡ４ごとにリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍを形成する。詳細な製造工程のステップは図５Ａから図５Ｊで示すが、図４Ｅでは更に、半導体ウェハＷからハードマスクを除去した後、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍが覆われるようにＳｉＯ２膜などの保護膜１３を半導体ウェハＷ上に形成する。
次に、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍに電流を流すための開口部を保護膜１３に形成する。
次に、保護膜１３に形成された開口部を介してリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍのトップ面に接触するｐ側電極１４を各素子領域ＲＡ１～ＲＡ４のリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍごとに形成する。
次に、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍに電流を流すための開口部を保護膜１３に形成する。
次に、保護膜１３に形成された開口部を介してリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍのトップ面に接触するｐ側電極１４を各素子領域ＲＡ１～ＲＡ４のリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍごとに形成する。
【0061】
上述した実施形態では、絶縁膜で保護されたリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍを示したが、絶縁膜の代わりにＧａＡｓやＡｌＩｎＰ等による埋込成長を行ったレーザ構造であってもよい。
また、本実施形態では、１～数ミクロンの段差がある部分に各発光層が形成された構造を示した。このとき、ｐ型電極１４にＡｕメッキを施すことで、各発光層の上部の高さを調整し、チップ表面を平坦化してもよい。
また、本実施形態では、１～数ミクロンの段差がある部分に各発光層が形成された構造を示した。このとき、ｐ型電極１４にＡｕメッキを施すことで、各発光層の上部の高さを調整し、チップ表面を平坦化してもよい。
【0062】
本実施形態では、半導体基板にＧａＡｓ、半導体レーザの構成材料にＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を使用した赤色レーザの場合を示したが、半導体基板および半導体レーザの構成材料については、この材料系に限られない。例えば、半導体基板にＧａＡｓ、活性層の半導体材料にＩｎＧａＡｓＰを用いた赤色から近赤外域の半導体レーザに適用してもよいし、半導体基板にＧａＮ、半導体レーザの構成材料にＡｌＧａＮおよびＩｎＧａＮなどの窒化物半導体を用いたＧａＮ系の青紫～緑色の半導体レーザに適用してもよい。
【0063】
例えば、発振波長４５０～４６０ｎｍの青色半導体レーザを作製する場合、多重量子井戸活性層の井戸層には、Ｉｎ組成が０．１８～０．２程度のＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０．１８≦ｘ≦０．２）が用いられる。発光層間で１０ｎｍの波長差を得ようとすると、０．０１５～０．０２程度のＩｎの組成差異が生じればよく、例えば、（０００１）ｃ面と、ｃ面からａ軸方向に１０度程度傾斜させた面にそれぞれ発光層を設ければよい。
【0064】
図５Ａから図５Ｊは、第１実施形態に係る半導体発光素子のリッジストライプ構造の製造方法の一例を示す断面図である。
図５Ａにおいて、曲面ＫＭＡが形成されたｎ型半導体基板１１上に多層結晶成長を行うことにより、半導体積層構造１２をｎ型半導体基板１１上の全面に形成する。
図５Ａにおいて、曲面ＫＭＡが形成されたｎ型半導体基板１１上に多層結晶成長を行うことにより、半導体積層構造１２をｎ型半導体基板１１上の全面に形成する。
【0065】
次に、図５Ｂに示すように、ＣＶＤまたはスパッタなどの方法により、ＳｉＯ２膜３３を半導体積層構造１２上の全面に成膜する。
【0066】
次に、図５Ｃに示すように、スピンコートなどの方法にてレジスト膜をＳｉＯ２膜３３上の全面にコーティングする。そして、フォトリソグラフィ技術にてレジスト膜をパターニングすることにより、ストライプ状のレジストパターン３４をＳｉＯ２膜３３上に形成する。
【0067】
次に、図５Ｄに示すように、レジストパターン３４をエッチングマスクとしてＳｉＯ２膜３３をドライエッチングすることにより、ＳｉＯ２膜３３をストライプ状にパターニングする。
【0068】
次に、図５Ｅに示すように、ストライプ状にパターニングされたＳｉＯ２膜３３をエッチングマスクとして半導体積層構造１２のｐ型クラッド層の途中までをドライエッチングで除去し、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍを形成する。
【0069】
次に、図５Ｆに示すように、ドライエッチングなどの方法にてＳｉＯ２膜３３を除去する。そして、ＣＶＤなどの方法により、ＳｉＯ２膜などからなる保護膜１３を半導体積層構造１２上の全面に成膜する。
【0070】
次に、図５Ｇに示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いることにより保護膜１３をパターニングし、発光層に電流を注入するための開口部１５を保護膜１３に形成する。
【0071】
次に、図５Ｈに示すように、各発光層を独立駆動するために、開口部１５を介して半導体積層構造１２のトップ面に接続されたｐ側電極１４を各リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍ上に形成する。このとき、ｐ型電極１４にＡｕメッキを施すことで、ｐ型電極１４の高さを揃えるようにしてもよい。この場合、ｐ側電極１４の電界めっきを行うための通電時間をリッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍごとに調整することにより、リッジストライプ構造ＳＡ１～ＳＡｍごとにめっき厚を調整することができる。
【0072】
次に、図５Ｉに示すように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）またはエッチバックなどの方法により、ｎ型半導体基板１１の裏面側を薄化する。このとき、ｎ型半導体基板１１の厚さは１００μｍ程度に設定することができる。次に、図５Ｊに示すように、半導体ウェハＷの裏面にｎ側電極３５を形成する。
【0073】
図６は、第２実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
図６において、半導体レーザＬＢは、ｎ型半導体基板４１上に積層されたｍ（図６の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板４１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板４１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを設けることができる。ここで、傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍは、その上に形成される発光層ごとに個別に傾斜角θ１～θｍが設定される。このとき、ｎ型半導体基板４１上において傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍの高さを互いに等しくすることができ、チップ表面の凹凸や段差を小さく抑えることができる。
図６において、半導体レーザＬＢは、ｎ型半導体基板４１上に積層されたｍ（図６の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板４１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板４１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを設けることができる。ここで、傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍは、その上に形成される発光層ごとに個別に傾斜角θ１～θｍが設定される。このとき、ｎ型半導体基板４１上において傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍの高さを互いに等しくすることができ、チップ表面の凹凸や段差を小さく抑えることができる。
【0074】
ｎ型半導体基板４１上には、発光層を含む半導体積層構造４２が形成されている。半導体積層構造４２は、ｍ個のリッジストライプ構造ＳＢ１～ＳＢｍを備える。また、ｎ型半導体基板４１上には、リッジストライプ構造ＳＢ１～ＳＢｍのトップ面が露出されるように保護膜４３が形成されている。各リッジストライプ構造ＳＢ１～ＳＢｍ上には、リッジストライプ構造ＳＢ１～ＳＢｍのトップ面に接触するｐ側電極４４が形成されている。
【0075】
なお、ｎ型半導体基板４１上の傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍは、ウェットエッチングを利用することで形成できる。ＧａＡｓ基板をウェットエッチングする際には、エッチング液に対して一定の溶解性を持つレジストマスクをエッチングマスクとして使用して傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを形成する。このようなエッチングマスクを使用すると、ＧａＡｓ基板のエッチング中にレジストマスクが溶解し、パターン境界が徐々に後退するため、傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍの傾斜角θ１～θｍを制御することができる。なお、傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍの傾斜角θ１～θｍの調整には、例えば、使用するエッチング液の混合比、具体的には硫酸と過酸化水素の混合比を調整すればよい。
【0076】
また、光化学反応による半導体結晶のエッチング速度上昇作用を利用し、エッチングパターンを投影しながら化学エッチングを進めることで、所望の傾斜角θ１～θｍを持つ傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍをｎ型半導体基板４１上に形成するようにしてもよい。ｎ型半導体基板４１に傾斜面ＭＢ１～ＭＢｍを形成した後、第１実施形態と同様のプロセスにより多波長マルチビームレーザを作製することができる。
【0077】
なお、本実施形態では、各発光層の高さ方向の位置がほぼ揃った構造となっているため、第１実施形態のような追加のＡｕメッキによる高さ調整は省略することができる。
【0078】
図７は、第３実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
図７において、半導体レーザＬＣは、ｎ型半導体基板５１上に積層されたｍ（図７の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板５１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板５１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍを設けることができる。ここで、ｎ型半導体基板５１には、傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍが設定される曲面ＫＭＣが形成される。この曲面ＫＭＣの断面は、周期的にうねるような形状を持つことができる。そして、この曲面ＫＭＣのうねりの周期ごとに個別に傾斜角θ１～θｍが設定される。このとき、図１の１つのかまぼこ状の曲面ＫＭＡ上に傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを設けた構成に比べて、ｎ型半導体基板５１上の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍの高さの差を小さくすることができ、チップ表面の凹凸や段差を小さく抑えることができる。
図７において、半導体レーザＬＣは、ｎ型半導体基板５１上に積層されたｍ（図７の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板５１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板５１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍを設けることができる。ここで、ｎ型半導体基板５１には、傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍが設定される曲面ＫＭＣが形成される。この曲面ＫＭＣの断面は、周期的にうねるような形状を持つことができる。そして、この曲面ＫＭＣのうねりの周期ごとに個別に傾斜角θ１～θｍが設定される。このとき、図１の１つのかまぼこ状の曲面ＫＭＡ上に傾斜面ＭＡ１～ＭＡｍを設けた構成に比べて、ｎ型半導体基板５１上の傾斜面ＭＣ１～ＭＣｍの高さの差を小さくすることができ、チップ表面の凹凸や段差を小さく抑えることができる。
【0079】
ｎ型半導体基板５１上には、発光層を含む半導体積層構造５２が形成されている。半導体積層構造５２は、ｍ個のリッジストライプ構造ＳＣ１～ＳＣｍを備える。また、ｎ型半導体基板５１上には、リッジストライプ構造ＳＣ１～ＳＣｍのトップ面が露出されるように保護膜５３が形成されている。各リッジストライプ構造ＳＣ１～ＳＣｍ上には、リッジストライプ構造ＳＣ１～ＳＣｍのトップ面に接触するｐ側電極５４が形成されている。
【0080】
ｎ型半導体基板５１上に曲面ＫＭＣを形成する場合、図４Ａ～図４Ｃに示すように、マイクロレンズの加工方法を利用することができる。このとき、あまり小さなパターンを形成すると、加工精度が低下する。そこで、加工精度を上げ、かつ、チップ上の段差を軽減するために、第１実施形態と同様に１つのかまぼこ状の曲面ＫＭＡを形成した後、ハードマスクを介して曲面ＫＭＡのドライエッチングを部分的に行うことで、発光層ごとに高さ位置を調整するようにしてもよい。
【0081】
図８は、第４実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に垂直に切断して示す断面図である。
図８において、半導体レーザＬＤは、ｎ型半導体基板６１上に積層されたｍ（図８の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板６１は、サファイア基板６０上に形成されている。なお、ｎ型半導体基板６１の支持基板は、サファイア基板６０に限定されることなく、ｎ型半導体基板６１と異種材料の半導体または誘電体から構成されてもよい。ただし、ｎ型半導体基板６１は、発光層と同種材料から構成することができる。
図８において、半導体レーザＬＤは、ｎ型半導体基板６１上に積層されたｍ（図８の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板６１は、サファイア基板６０上に形成されている。なお、ｎ型半導体基板６１の支持基板は、サファイア基板６０に限定されることなく、ｎ型半導体基板６１と異種材料の半導体または誘電体から構成されてもよい。ただし、ｎ型半導体基板６１は、発光層と同種材料から構成することができる。
【0082】
ｎ型半導体基板６１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＤ１～ＭＤｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＤ１～ＭＤｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板６１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＤ１～ＭＤｍを設けることができる。ここで、ｎ型半導体基板６１に傾斜面ＭＤ１～ＭＤｍを設けるために、１つのかまぼこ状の曲面ＫＭＤがｎ型半導体基板５１上に形成される。なお、ｎ型半導体基板６１上に形成される傾斜面は、図６の構成であってもよいし、図７の構成であってもよい。
【0083】
ｎ型半導体基板６１上には、発光層を含む半導体積層構造６２が形成されている。半導体積層構造６２は、ｍ個のリッジストライプ構造ＳＤ１～ＳＤｍを備える。また、ｎ型半導体基板６１上には、リッジストライプ構造ＳＤ１～ＳＤｍのトップ面が露出されるように保護膜６３が形成されている。各リッジストライプ構造ＳＤ１～ＳＤｍ上には、リッジストライプ構造ＳＤ１～ＳＤｍのトップ面に接触するｐ側電極６４が形成されている。また、ｎ型半導体基板６１上には、ｎ型半導体基板６１の表面に接触するｎ側電極６５が形成されている。
【0084】
ｎ型半導体基板６１として、ｎ型ＧａＮ層を用いるようにしてもよい。このとき、サファイア基板６０上にｎ型ＧａＮ層を１０～２０μｍ程度成長し、そのｎ型ＧａＮ層の表面に傾斜面ＭＤ１～ＭＤｍを設けることができる。このｎ型半導体基板６１上に、例えば、ｎ型ＧａＮバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層などを順次結晶成長し、半導体積層構造６２を形成することができる。
【0085】
サファイア基板６０を使用した場合のように、ｎ型半導体基板６１の支持基板として絶縁性基板を使用する場合は、ｎ型半導体基板６１の裏面にｎ側電極を設けても素子に導通できない。このため、ｎ型半導体基板６１の表面側の一部の半導体積層構造６２を除去した後にｎ側電極６５を形成し、ｐ側電極６４およびｎ側電極６５の双方の電極をｎ型半導体基板６１の表面側に設けることができる。その他にも、Ｓｉ基板上にＧａＮ層またはＧａＡｓ層を形成して半導体基板として用いるようにしてもよい。
【0086】
図９は、第５実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図である。なお、上述した実施形態では端面発光型半導体レーザを例にとったが、本実施形態では、垂直共振器型半導体レーザを例にとる。
【0087】
図９において、半導体レーザＬＥは、ｎ型半導体基板７１上に積層されたｍ（図９の例では、ｍ＝４）個の発光層を備える。ｎ型半導体基板７１は、傾斜角θ１～θｍが異なるｍ個の傾斜面ＭＥ１～ＭＥｍを有する。ｍ個の発光層は、ｍ個の傾斜面ＭＥ１～ＭＥｍ上にそれぞれ積層され、傾斜角θ１～θｍに応じてｍ個の波長のレーザ光を放射する。このとき、ｎ型半導体基板７１の元素が自然超格子を構成する面を基準面として傾斜面ＭＥ１～ＭＥｍを設けることができる。ここで、ｎ型半導体基板７１に傾斜面ＭＥ１～ＭＥｍを設けるために、１つのかまぼこ状の曲面ＫＭＥがｎ型半導体基板７１上に形成される。なお、ｎ型半導体基板７１上に形成される傾斜面は、図６の構成であってもよいし、図７の構成であってもよい。また、図８に示すように、サファイア基板上にｎ型半導体基板７１を設けるようにしてもよい。
【0088】
ｎ型半導体基板７１上には、発光層を含む半導体積層構造７２が形成されている。半導体積層構造７２は、ｍ個の円筒状リッジ構造ＳＥ１～ＳＥｍを備える。また、円筒状リッジ構造ＳＥ１～ＳＥｍのトップ面には、レーザ光が出射される発光部７３が設けられる。また、円筒状リッジ構造ＳＥ１～ＳＥｍのトップ面には、発光層に電流を注入する電極が発光部７３を取り囲むように設けられ、パット電極７４に接続されている。
【0089】
半導体積層構造７２として、例えば、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ ＤＢＲ層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：分布ブラッグ反射鏡）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型ＡｌＡｓ層、ｐ型ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ ＤＢＲ層およびＧａＡｓコンタクト層の積層構造を用いることができる。このとき、ＡｌＡｓ層を酸化させることで電流狭窄層を形成し、通電領域と横モードを制御することができる。
【0090】
ここで、発光層ごとの波長変化は、発光層の配置位置の傾斜角θ１～θｍに依存し、その部分に結晶成長したＭＱＷ活性層の禁制帯幅に基づいて発光波長が変化する。このため、垂直共振器型の半導体レーザＬＥについても多波長マルチビーム化を図ることができる。
【0091】
なお、本実施形態では、横方向に一列に発光層が並ぶ一次元的な配列を例示したが、発光層を二次元的に配置したり、用途に応じて複数の発光層の配置位置を調整したりするようにしてもよい。
【0092】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0093】
ＬＡ 半導体レーザ
１１ ｎ型半導体基板
１２ 半導体積層構造
１３ 保護膜
１４ 電極
ＳＡ１～ＳＡｍ リッジストライプ構造
２１ ｎ型バッファ層
２２ ｎ型クラッド層
２３ 活性層
２４ ｐ型第１クラッド層
２５ ｐ型エッチング停止層
２６ ｐ型第２クラッド層
２７ ｐ型界面層
２８ ｐ型キャップ層
１１ ｎ型半導体基板
１２ 半導体積層構造
１３ 保護膜
１４ 電極
ＳＡ１～ＳＡｍ リッジストライプ構造
２１ ｎ型バッファ層
２２ ｎ型クラッド層
２３ 活性層
２４ ｐ型第１クラッド層
２５ ｐ型エッチング停止層
２６ ｐ型第２クラッド層
２７ ｐ型界面層
２８ ｐ型キャップ層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図5F】
【図5G】
【図5H】
【図5I】
【図5J】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
