特許 7407027 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-20

(45)【発行日】2023-12-28

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/22 20060101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

H01S5/22

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020040258

(22)【出願日】2020-03-09

(65)【公開番号】P2021141293

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-01-16

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用ＧａＮ系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111383

【弁理士】

【氏名又は名称】芝野 正雅

(74)【代理人】

【識別番号】100170922

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 誠

(72)【発明者】

【氏名】川口 真生

【審査官】村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２５８５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０２２２３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０７２４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５０１３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２２２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２３３５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１２９２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１４２３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２１３２４１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２１４２６５７（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２３４０６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０１１２７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ガイド層と、
前記光ガイド層の上方に配置され、リッジ部が形成された半導体層と、を備え、
前記リッジ部には上下方向に延びた複数の溝部が形成され、
前記リッジ部の幅方向において、前記複数の溝部の間隔は、外側が中央よりも狭く、
前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと低くなるように、前記複数の溝部が設定されている、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体発光素子において、
前記リッジ部の幅方向において、前記複数の溝部の幅は、互いに等しい、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項3】

請求項１または２に記載の半導体発光素子において、
前記複数の溝部の上下方向における深さは、互いに等しい、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項4】

請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体発光素子において、
前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと略直線状に低くなるように、前記複数の溝部が設定されている、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項5】

請求項４に記載の半導体発光素子において、
前記複数の溝部によって分割された前記リッジ部の領域数は、２５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項6】

請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体発光素子において、
前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと略ガウス形状で低くなるように、前記複数の溝部が設定されている、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項7】

請求項６に記載の半導体発光素子において、
前記複数の溝部によって分割された前記リッジ部の領域数は、５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項8】

請求項１ないし７の何れか一項に記載の半導体発光素子において、
前記複数の溝部の等価屈折率は、前記複数の溝部以外のリッジ部の等価屈折率よりも低い、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項9】

請求項８に記載の半導体発光素子において、
前記複数の溝部は、エッチング処理により前記半導体層に形成された溝に絶縁材料が満たされることにより形成される、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【請求項10】

光ガイド層と、
前記光ガイド層の上方に配置され、リッジ部が形成された半導体層と、を備え、
前記リッジ部には上下方向に延びた複数の溝部が形成され、
前記リッジ部の幅方向において、前記複数の溝部の幅は、外側が中央よりも広く、
前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと低くなるように、前記複数の溝部が設定されている、
ことを特徴とする半導体発光素子。

【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し、たとえば、製品の加工等に用いて好適なものである。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体発光装置が、様々な製品の加工に用いられている。この場合、加工品質を高めるために、半導体発光装置から出射される光は、高出力であることと、高次モードがカットされた基本モードであることが好ましい。以下の特許文献１、２には、高次モードの光をカットするために、導波路の中央部の屈折率を高くし、導波路の周辺部の屈折率を低くする構成が記載されている。

【0003】

特許文献１では、高さが異なる複数のリッジストライプを導波路に形成することにより、導波路の屈折率が調整されている。この構成では、導波路の中央部に配置されるリッジストライプの高さが導波路の周辺部に配置されるリッジストライプよりも高く設定されることにより、複数のリッジストライプからなる導波路の中央部の屈折率が高められる。

【0004】

特許文献２では、複数のリッジストライプを接続する溝の底面形状を調整することにより、導波路の屈折率が調整されている。この構成では、各溝の底面が、導波路の中央部が高く周辺部が低いレンズ形状に沿うように形成されることにより、複数のリッジストライプからなる導波路の中央部の屈折率が高められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１－１７５２８１号公報

【文献】国際公開第２０１１／０１２１００号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１に記載の構成では、高さの異なる複数のリッジストライプを形成するために、エッチングを繰り返す必要があるため、製造工程が煩雑になってしまう。また、上記特許文献２に記載の構成では、各溝の底面をレンズ形状に沿うように形成するために、レジストの熱効果を利用して、熱により収縮したレジストを犠牲層としてエッチングが行われる。このため、半導体ウェハ面内においてレジストの収縮率にばらつきが生じやすく、精度良くレンズ形状の底面を形成することが困難となる。

【0007】

かかる課題に鑑み、本発明は、中央の等価屈折率が高められた導波路を簡易かつ高精度に形成可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様は、半導体発光素子に関する。本態様に係る半導体発光素子は、光ガイド層と、前記光ガイド層の上方に配置され、リッジ部が形成された半導体層と、を備える。前記リッジ部には上下方向に延びた複数の溝部が形成され、前記リッジ部の幅方向において、前記複数の溝部の間隔は、外側が中央よりも狭い。前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと低くなるように、前記複数の溝部が設定されている。

【0009】

本態様に係る半導体発光素子によれば、光ガイド層で生じた光を伝搬させる導波路が、リッジ部に対応して形成され、リッジ部の幅方向において、リッジ部に形成された複数の溝部の間隔は、外側が中央よりも狭くなっている。これにより、リッジ部に対応する導波路において、中央の等価屈折率が高められる。したがって、半導体発光素子において高次モードのレーザ光をカットして、高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。また、異なる間隔で並ぶ複数の溝部は、エッチング処理により、比較的容易に形成され得る。よって、中央の等価屈折率が高められた導波路を簡易かつ高精度に形成できる。

【0010】

本発明の第２の態様は、半導体発光素子に関する。本態様に係る半導体発光素子は、光ガイド層と、前記光ガイド層の上方に配置され、リッジ部が形成された半導体層と、を備える。前記リッジ部には上下方向に延びた複数の溝部が形成され、前記リッジ部の幅方向において、前記複数の溝部の幅は、外側が中央よりも広い。前記リッジ部の幅方向において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと低くなるように、前記複数の溝部が設定されている。

【0011】

本態様に係る半導体発光素子によれば、光ガイド層で生じた光を伝搬させる導波路が、リッジ部に対応して形成され、リッジ部に形成された複数の溝部の幅が、外側が中央よりも広くなっている。これにより、リッジ部に対応する導波路において、中央の等価屈折率が高められる。したがって、半導体発光素子において高次モードのレーザ光をカットして、高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。また、異なる幅で並ぶ複数の溝部は、エッチング処理により、比較的容易に形成され得る。よって、中央の等価屈折率が高められた導波路を簡易かつ高精度に形成できる。

【発明の効果】

【0012】

以上のとおり、本発明によれば、中央の等価屈折率が高められた導波路を簡易かつ高精度に形成可能な半導体発光素子を提供することができる。

【0013】

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１（ａ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の構成を模式的に示す上面図である。図１（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。

【図2】図２（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図4】図４（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図5】図５（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図6】図６（ａ）、（ｂ）は、実施形態１に係る、半導体発光素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図7】図７は、実施形態１に係る、半導体発光素子におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。

【図8】図８は、実施形態１に係る、半導体発光装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図9】図９（ａ）、（ｂ）は、変更例に係る、半導体発光素子におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。

【図10】図１０は、変更例に係る、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状およびガウス形状となる場合の、リッジ部の領域数および励振モード数の関係を示すシミュレーション結果である。

【図11】図１１は、実施形態２に係る、半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。

【図12】図１２は、実施形態２に係る、半導体発光素子におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｘ軸方向は、導波路における光の伝搬方向であり、Ｙ軸方向は、導波路の幅方向である。Ｚ軸方向は、半導体発光素子を構成する各層の積層方向である。

【0016】

＜実施形態１＞
図１（ａ）は、半導体発光素子１の構成を模式的に示す上面図であり、図１（ｂ）は、半導体発光素子１の構成を模式的に示す断面図である。図１（ａ）では、便宜上、パッド電極７２の図示が省略されている。図１（ｂ）は、図１（ａ）においてＡ－Ａ’で切断した半導体発光素子１をＸ軸正方向に見た断面図である。

【0017】

図１（ａ）に示すように、半導体発光素子１には、導波路ＷＧが設けられている。導波路ＷＧは、Ｘ軸方向に直線状に延びている。導波路ＷＧは、Ｙ軸方向において導波路ＷＧの外への光の進行を制限する作用を有する。

【0018】

端面１ａは、Ｘ軸正側に位置する導波路ＷＧの端面であり、半導体発光素子１の出射側の端面でもある。端面１ｂは、Ｘ軸負側に位置する導波路ＷＧの端面であり、半導体発光素子１の反射側の端面でもある。以下、端面１ｂ側から端面１ａへと向かう光を「前進波」と称し、端面１ａ側から端面１ｂへと向かう光を「後退波」と称する。

【0019】

前進波が端面１ａに到達すると、前進波の一部は出射光として端面１ａからＸ軸正方向に出射され、前進波の一部は端面１ａで反射されて後退波となる。後退波は、導波路ＷＧを通ってＸ軸負方向に進み、端面１ｂに到達すると、後退波の大部分は端面１ｂで反射し前進波となる。こうして、半導体発光素子１内で生じた光は、端面１ａと端面１ｂとの間で増幅され、端面１ａから出射される。

【0020】

図１（ｂ）に示すように、半導体発光素子１は、基板１０と、第１半導体層２０と、光ガイド層３０と、第２半導体層４０と、絶縁膜６０と、ｐ側電極７１と、パッド電極７２と、ｎ側電極８０と、を備える。

【0021】

第１半導体層２０は、基板１０の上方に配置されている。第１半導体層２０は、ｎ側クラッド層である。

【0022】

光ガイド層３０は、第１半導体層２０の上方に配置されている。光ガイド層３０は、下から順に、ｎ側光ガイド層３１と、活性層３２と、ｐ側光ガイド層３３とが積層された積層構造を有する。発光領域３０ａは、導波路ＷＧに対応する位置に配置され、半導体発光素子１から出射される光の大部分が発生および伝搬する領域である。

【0023】

第２半導体層４０は、ｐ側光ガイド層３３の上方に配置されている。第２半導体層４０は、下から順に、電子障壁層４１と、ｐ側クラッド層４２と、ｐ側コンタクト層４３とが積層された積層構造を有する。

【0024】

リッジ部５０は、第２半導体層４０の上部に形成されており、リッジ形状（突条形状）を有する。リッジ部５０は、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に延びた形状を有しており、図１（ｂ）に示すように、Ｚ軸正方向に突出した形状を有している。また、リッジ部５０の上面には、Ｘ軸方向に延びるとともにＺ軸方向に深さを有する６つの溝５０ａが形成されている。リッジ部５０に６つの溝５０ａが形成されることにより、リッジ部５０の端部と溝５０ａとの間、および、隣り合う２つの溝５０ａの間に、７つのリッジストライプ部５２が形成される。

【0025】

絶縁膜６０は、発光領域３０ａの光を閉じ込めるために、導波路ＷＧのＹ軸方向の外側においてｐ側クラッド層４２の上方に配置されている。また、絶縁膜６０は、リッジ部５０の溝５０ａにも配置されており、溝５０ａに絶縁膜６０が配置されることにより、溝部５１が形成される。

【0026】

ｐ側電極７１は、ｐ側コンタクト層４３の上方において、導波路ＷＧに対応する位置に配置されている。ｐ側電極７１は、ｐ側コンタクト層４３とオーミック接触するオーミック電極である。パッド電極７２は、導波路ＷＧよりもＹ軸方向に長い形状であり、ｐ側電極７１および絶縁膜６０と接触している。

【0027】

ｎ側電極８０は、基板１０の下方に配置されており、基板１０とオーミック接触するオーミック電極である。

【0028】

次に、半導体発光素子１の製造方法について、図２（ａ）～図６（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）～図６（ｂ）は、図１（ｂ）と同様の断面図である。

【0029】

図２（ａ）に示すように、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板である基板１０上に、有機金属気層成長法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ法）により、第１半導体層２０と、光ガイド層３０と、第２半導体層４０とを順次成膜する。

【0030】

具体的には、厚さ４００μｍの基板１０上に、第１半導体層２０としてｎ型Ａｌ０．０３ＧａＮクラッド層を２μｍ成長させる。続いて、第１半導体層２０の上に、ｎ側光ガイド層３１としてｉ－ＧａＮ層を０．１μｍ成長させる。さらに、Ｉｎ０．０２ＧａＮバリア層とＩｎ０．０７ＧａＮ量子井戸層の２周期からなる活性層３２を成長させる。バリア層の膜厚は、たとえば２０ｎｍ、量子井戸層の膜厚は、たとえば７ｎｍに設定するとよい。バリア層は、量子井戸層の間だけでなく、量子井戸層の上下にも成長させるとよい。続いて、ｐ側光ガイド層３３としてｉ－ＧａＮ層を０．１μｍ成長させる。

【0031】

続いて、電子障壁層４１としてＡｌ０．３５ＧａＮを５ｎｍ成長させる。続いて、電子障壁層４１の上に、ｐ側クラッド層４２として、ｐ－Ａｌ０．０．０６ＧａＮ層１．５ｎｍとＧａＮ層１．５ｎｍを１６０周期繰り返して形成した０．４８μｍの歪超格子からなる層を成長させる。続いて、ｐ側コンタクト層４３として、０．０５μｍ厚のｐ－ＧａＮ層を成長させる。

【0032】

次に、図２（ｂ）に示すように、たとえば熱ＣＶＤ法により、ｐ側コンタクト層４３上に、保護膜９１として、膜厚が０．３μｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜を成膜する。

【0033】

次に、図３（ａ）に示すように、たとえばフォトリソグラフィ法およびフッ化水素酸を用いるエッチング法により、リッジ部５０以外の領域および溝５０ａの領域に位置する保護膜９１をエッチングする。すなわち、リッジ部５０の溝５０ａ以外の領域をストライプ状に残して他の領域をエッチングする。これにより、保護膜９１は、エッチングにより、Ｘ軸方向に延びた形状とされ、Ｙ軸方向に隙間を空けて複数（図３（ａ）の場合は７個）に分割される。また、六方晶窒化物半導体の自然劈開面（ｍ面）を利用して端面１ａ、１ｂ（図１（ａ）参照）を形成することを考慮して、ストライプの向きはｍ軸方向に平行とする。

【0034】

次に、図３（ｂ）に示すように、たとえば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法により、保護膜９１をマスクとして用いて、積層構造体の上部を０．４μｍの深さにエッチングし、エッチング範囲の下端を、ｐ側クラッド層４２の範囲とする。これにより、ｐ側コンタクト層４３およびｐ側クラッド層４２の上部に、リッジ部５０と、リッジ部５０に設けられた溝５０ａとが形成される。

【0035】

このとき、各溝５０ａのＺ軸方向の深さ（ｐ側コンタクト層４３の上面からの深さ）が、互いに等しい深さｄｐとなるようエッチングが行われる。また、Ｚ軸方向における、溝５０ａの底面位置と、リッジ部５０の外側に位置するｐ側クラッド層４２の上面の位置とが等しくなるようエッチングが行われる。これにより、ｐ側クラッド層４２の上面も、ｐ側コンタクト層４３の上面から深さｄｐの位置となる。このように、リッジ部５０および溝５０ａのエッチングが行われると、リッジ部５０の形成プロセスと、溝５０ａの形成プロセスとを簡略化できる。

【0036】

次に、図４（ａ）に示すように、帯状の保護膜９１を、たとえばフッ化水素酸を用いて除去する。リッジ部５０に形成された溝５０ａの幅、および、溝５０ａで区切られたリッジストライプ部５２の幅は、図３（ａ）を参照して説明した保護膜９１の幅により決まる。実施形態１では、６個の溝５０ａは、Ｙ軸方向の幅がいずれもｄ１０とされる。また、Ｙ軸方向において、溝５０ａの間隔（リッジストライプ部５２の幅）は、中央から外側に向かってｄ２１、ｄ２２、ｄ２３、ｄ２４となり、各溝５０ａの幅の関係は、ｄ２１＞ｄ２２＞ｄ２３＞ｄ２４となる。

【0037】

たとえば、リッジ部５０のＹ軸方向における各サイズは以下のように設定される。リッジ部５０の幅（リッジ部５０の左端から右端までの長さ）は１６μｍに設定される。溝５０ａの幅ｄ１０は、０．０５～０．５μｍ程度に設定され、０．３μｍ以下に設定されるのが好ましい。リッジストライプ部５２の幅ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３、ｄ２４は、それぞれ、３．５μｍ、１．８μｍ、１．３μｍ、０．５μｍに設定される。

【0038】

次に、図４（ｂ）に示すように、たとえば熱ＣＶＤ法により、図４（ａ）に示す積層構造体上に、リッジ部５０を含む全面にわたって、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜６０を形成する。このとき、絶縁膜６０の絶縁材料が６つの溝５０ａ内に満たされることにより、溝部５１が形成される。すなわち、溝部５１は、溝５０ａと、溝５０ａに収容された絶縁膜６０の絶縁材料とにより構成される。したがって、Ｙ軸方向において、溝部５１の幅は、図４（ａ）に示した溝５０ａの幅ｄ１０と同じであり、溝部５１の間隔（リッジストライプ部５２の幅）は、図４（ａ）に示した溝５０ａの間隔ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３、ｄ２４と同じである。

【0039】

次に、図５（ａ）に示すように、たとえばフォトリソグラフィ法およびフッ化水素酸を用いるエッチング法により、ｐ側コンタクト層４３上に位置する絶縁膜６０のみを除去して、ｐ側コンタクト層４３の上面を露出させる。これにより、溝５０ａに配置された絶縁膜６０は、ｐ側コンタクト層４３の上面から上方向に突出する。

【0040】

次に、図５（ｂ）に示すように、たとえば電子ビーム（Electron Beam：ＥＢ）蒸着法により、少なくとも露出したｐ側コンタクト層４３上に、パラジウムと白金とからなる金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、ｐ側コンタクト層４３に対応する位置以外の金属積層膜を除去して、ｐ側電極７１を形成する。

【0041】

次に、図６（ａ）に示すように、リソグラフィ法およびリフトオフ法により、図５（ｂ）に示す積層構造体の上を覆うように、たとえば、Ｘ軸方向の長さが９００μｍでＹ軸方向の長さが１５０μｍのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド電極７２を選択的に形成する。続いて、基板１０の下面をダイヤモンドスラリにより研磨して、基板１０の厚さが１００μｍ程度になるまで薄膜化する。

【0042】

次に、図６（ｂ）に示すように、たとえばＥＢ蒸着法により、基板１０の下面に、たとえばＴｉ、白金、金からなる金属積層膜を形成することでｎ側電極８０を形成する。

【0043】

次に、図６（ｂ）までの製造工程を終えた半導体発光素子を、ｍ軸方向の長さがたとえば２０００μｍとなるようにｍ面に沿って劈開（１次劈開）する。続いて、たとえば電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、レーザ光を出射する劈開面に対してフロントコート膜を形成して端面１ａを形成し、反対側の劈開面に対してリアコート膜を形成して端面１ｂを形成する。端面１ａ、１ｂの反射率は、コート膜の材料、構成、膜厚などの調整により設定される。ここでは、レーザ特性の高効率を得るために、フロント側の端面１ａの反射率を０．６％とし、リア側の端面１ｂの反射率を９５．３％とした。なお、端面１ａの反射率は０．１％～１８％程度に設定され、端面１ｂの反射率は９０％以上に設定されるのが好ましい。

【0044】

続いて、１次劈開された半導体発光素子を、たとえばＹ軸方向の長さが４００μｍピッチとなるように劈開（２次劈開）する。こうして、図１（ａ）、（ｂ）に示した半導体発光素子１が完成する。

【0045】

図７は、半導体発光素子１におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。等価屈折率とは、光に実質的に作用する屈折率のことであり、半導体発光素子１の内部を伝播する光に対して定義される屈折率のことである。

【0046】

図７に示す等価屈折率の分布は、溝部５１のＹ軸方向の中心を通るＺ軸に平行な線で、半導体発光素子１を分割し、分割した半導体発光素子１の各領域において、等価屈折率法を用いて屈折率を算出することにより得られる。実施形態１によれば、Ｙ軸方向において、６つの溝部５１の幅が等しく設定され、溝部５１の間隔が、外側が中央よりも狭く設定されている。これにより、等価屈折率の分布に示すように、リッジ部５０に対応する導波路ＷＧにおいて、中央から外側に向かって屈折率が段階的に小さくなる。このように、中央から外側に向かって屈折率が段階的に小さくなると、Ｙ軸方向（スロー軸方向）における発振モード数を低減することができる。

【0047】

図８は、半導体発光装置３の構成を模式的に示す断面図である。

【0048】

半導体発光装置３は、半導体発光素子１とサブマウント２を備える。半導体発光素子１のｐ側電極７１側を、たとえば、表面をＡｕメタルコートしたＳｉＣとＡｕＳｎ半田とからなるサブマウント２に融着させる。これにより、半導体発光装置３が完成する。半導体発光装置３は、たとえば、製品の加工に用いられる。

【0049】

なお、図８に示す半導体発光装置３は、半導体発光素子１のｐ側電極７１側がサブマウント２に接続される形態（ジャンクションダウン実装）であるが、これに限らず、半導体発光素子１のｎ側電極８０がサブマウント２に接続される形態（ジャンクションアップ実装）であってもよい。また、半導体発光装置３は、ｐ側電極７１とｎ側電極８０の両方に別々のサブマウントが接続される形態でもよい。

【0050】

＜実施形態１の効果＞
実施形態１によれば、以下の効果が奏される。

【0051】

光ガイド層３０で生じた光を伝搬させる導波路ＷＧが、リッジ部５０に対応して形成され、リッジ部５０の幅方向（Ｙ軸方向）において、リッジ部５０に形成された複数の溝部５１の間隔は、外側が中央よりも狭くなっている。すなわち、図４（ａ）に示したように、溝部５１の間隔ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３、ｄ２４が、ｄ２１＞ｄ２２＞ｄ２３＞ｄ２４に設定されている。これにより、図７に示したように、リッジ部５０に対応する導波路ＷＧにおいて、中央の等価屈折率が高められる。したがって、半導体発光素子１において高次モードのレーザ光をカットして、高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。また、異なる間隔で並ぶ複数の溝部５１は、エッチング処理により、比較的容易に形成され得る。よって、中央の等価屈折率が高められた導波路ＷＧを簡易かつ高精度に形成できる。

【0052】

なお、高次モードのレーザ光をカットするために、導波路ＷＧのＹ軸方向の幅を狭くする構成（比較例）も考えられる。しかしながら、このような比較例では、導波路ＷＧにおいてレーザ光が増幅されると、導波路ＷＧにおいて温度が上昇しやすくなり、半導体発光素子１が劣化しやすくなる問題が生じる。これに対し、実施形態１によれば、リッジ部５０に複数の溝部５１を形成することで高次モードのレーザ光をカットできるため、導波路ＷＧのＹ軸方向の幅を狭くする必要がない。よって、高次モードのレーザ光をカットしつつ、導波路ＷＧにおける温度上昇を抑制して、半導体発光素子１の劣化を抑制できる。

【0053】

リッジ部５０の幅方向（Ｙ軸方向）において、複数の溝部５１の幅は、互いに等しい。すなわち、図４（ａ）に示したように、複数の溝部５１の幅はいずれもｄ１０に設定されている。これにより、リッジ部５０に形成する溝部５１の幅を最小限に抑えて、リッジ部５０において第２半導体層４０（ｐ側コンタクト層４３）を十分に残すことができる。よって、所定レベルのレーザ光を出射させるために半導体発光素子１に印加する電流を低く抑えて、半導体発光素子１の破損を抑制することができる。

【0054】

複数の溝部５１の上下方向における深さは、互いに等しい。これにより、エッチング処理により、複数の溝部５１をさらに容易に形成することができる。

【0055】

複数の溝部５１の等価屈折率は、複数の溝部５１以外のリッジ部５０（リッジストライプ部５２）の等価屈折率よりも低い。これにより、リッジ部５０の幅方向（Ｙ軸方向）の外側に狭い間隔で設けられた溝部により、導波路ＷＧの外側の等価屈折率を低く設定できる。

【0056】

複数の溝部５１は、エッチング処理により第２半導体層４０に形成された溝５０ａに絶縁膜６０の絶縁材料が満たされることにより形成される。これにより、複数の溝部５１の等価屈折率を、複数の溝部５１以外のリッジ部５０（リッジストライプ部５２）の等価屈折率よりも容易に低く設定できる。

【0057】

＜リッジ部の領域数および等価屈折率の分布形状の変更例＞
実施形態１では、リッジ部５０に６つの溝部５１が形成されることにより、リッジ部５０が７つに分割され、７つのリッジストライプ部５２が形成された。しかしながら、リッジ部５０の領域数（分割数）は７つに限らず、３つ以上であればよい。また、等価屈折率の分布形状は、中央が外側よりも高ければよい。以下、リッジ部５０の領域数および等価屈折率の分布形状の具体的な変更例について説明する。

【0058】

図９（ａ）、（ｂ）は、本変更例に係る、半導体発光素子１におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）は、いずれも、リッジ部５０に形成された溝部５１の数が１０個であり、リッジ部５０の領域数が１１個である場合の変更例である。図９（ａ）、（ｂ）に示す変更例では、実施形態１と比較して、各溝部５１の幅はｄ１０で同じであり、溝部５１の間隔のみが異なっている。

【0059】

図９（ａ）に示す変更例では、リッジ部５０の幅方向（Ｙ軸方向）において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと略直線状に低くなるように、複数の溝部５１が設定されている。すなわち、図９（ａ）に破線で示すように、等価屈折率の分布が、リッジ部５０の中央を頂点とし、外側の端部を底辺とする二等辺三角形に近似する形状となっている。図９（ｂ）に示す変更例では、図９（ｂ）に破線で示すように、リッジ部５０の幅方向（Ｙ軸方向）において、等価屈折率の分布が、中央から外側へと略ガウス形状で低くなるように、複数の溝部５１が設定されている。図９（ａ）、（ｂ）に示す何れの変更例においても、複数の溝部５１の間隔を、外側が中央よりも狭くなるよう設定することにより、図９（ａ）、（ｂ）に示すように等価屈折率の分布を形成できる。

【0060】

図１０は、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状およびガウス形状となる場合の、リッジ部５０の領域数（リッジストライプ部５２の数）およびＹ軸方向のモード数（励振モード数）の関係を示すシミュレーション結果である。

【0061】

図１０を参照して分かるように、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状およびガウス形状の何れの場合も、リッジ部５０の領域数が大きくなるほど励振モード数が減少し、半導体発光素子１から得られるレーザ光のビーム品質が向上する。

【0062】

また、等価屈折率の分布がガウス形状である場合、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状である場合と比較して、より少ないリッジ部５０の領域数で、励振モード数を抑制できる。

【0063】

また、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状である場合、複数の溝部５１によって分割されたリッジ部５０の領域数が２５以上であると、励振モード数が５以下となり、半導体発光素子１から得られるレーザ光のビーム品質を高めることができる。また、等価屈折率の分布がガウス形状である場合、複数の溝部５１によって分割されたリッジ部５０の領域数が５以上であると、励振モードが５以下となり、半導体発光素子１から得られるレーザ光のビーム品質を高めることができる。さらに、等価屈折率の分布がガウス形状である場合、等価屈折率の分布が二等辺三角形形状である場合と比較して、より少ないリッジ部５０の領域数で、励振モード数を５以下に設定できる。

【0064】

＜実施形態２＞
実施形態１では、Ｙ軸方向において、複数の溝部５１の幅が何れもｄ１０に設定され、溝部５１の間隔は、外側が中央よりも狭くなるよう、複数の溝部５１が設定された。これに対し、実施形態２では、Ｙ軸方向において、溝部５１の間隔が等しく、複数の溝部５１の幅が外側が中央より広くなるよう、複数の溝部５１が設定される。

【0065】

図１１は、実施形態２に係る、半導体発光素子１の構成を模式的に示す断面図である。

【0066】

実施形態２では、Ｙ軸方向において、溝部５１の間隔は何れもｄ２０に設定されており、複数の溝部５１の幅は、中央から外側に向かって、ｄ１１、ｄ１２、ｄ１３となり、各溝部５１の幅の関係は、ｄ１１＜ｄ１２＜ｄ１３となっている。

【0067】

図１２は、実施形態２に係る、半導体発光素子１におけるＹ軸方向の等価屈折率の分布を示す図である。

【0068】

図１２に示す等価屈折率の分布は、図７の場合と同様、溝部５１のＹ軸方向の中心を通るＺ軸に平行な線で、半導体発光素子１を分割し、分割した半導体発光素子１の各領域において、等価屈折率法を用いて屈折率を算出することにより得られる。実施形態２では、Ｙ軸方向において、溝部５１の間隔が等しく設定され、６つの溝部５１の幅が、外側が中央よりも広く設定されている。これにより、等価屈折率の分布に示すように、リッジ部５０に対応する導波路ＷＧにおいて、中央から外側に向かって屈折率が段階的に小さくなる。

【0069】

したがって、実施形態２によれば、リッジ部５０に対応する導波路ＷＧにおいて、中央の等価屈折率が高められるため、実施形態１と同様、半導体発光素子１において高次モードのレーザ光をカットして、高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。また、異なる幅で並ぶ複数の溝部５１は、エッチング処理により、比較的容易に形成され得る。よって、中央の等価屈折率が高められた導波路ＷＧを簡易かつ高精度に形成できる。

【0070】

＜その他の変更例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能である。

【0071】

たとえば、上記実施形態および変更例では、溝部５１は、溝５０ａに絶縁膜６０の絶縁材料が満たされることにより構成されたが、溝５０ａに満たされる材料は絶縁膜６０の絶縁材料に限らず、複数の溝部５１以外のリッジ部５０（リッジストライプ部５２）の等価屈折率より低ければよい。

【0072】

また、上記実施形態および変更例において、複数の溝５０ａ（溝部５１）の上下方向における深さは、Ｙ軸方向において、外側が中央よりも大きくてもよい。ただし、溝部５１を簡易に形成するためには、上記実施形態と同様、複数の溝部５１の上下方向における深さが等しい方が好ましい。

【0073】

また、上記実施形態および変更例において、Ｚ軸方向における、溝５０ａ（溝部５１）の底面位置と、リッジ部５０の外側に位置するｐ側クラッド層４２の上面の位置とは異なっていてもよい。ただし、溝部５１およびリッジ部５０を簡易に形成するためには、上記実施形態と同様、溝５０ａの底面位置とｐ側クラッド層４２の上面の位置とが等しい方が好ましい。

【0074】

また、上記実施形態１および変更例において、複数の溝部５１の間隔（ギャップ）を外側が中央よりも狭くなるよう溝部５１を設定することと、溝部５１のピッチ（隣り合う２つの溝部５１のＹ軸方向における中心間距離）を外側が中央よりも狭くなるよう溝部５１を設定することとは、実質的に等価である。すなわち、溝部５１のピッチを外側が中央よりも狭くなるよう溝部５１を構成した場合も、上記実施形態１および変更例と同様に、中央の等価屈折率が高められた導波路ＷＧを形成できる。

【0075】

なお、半導体発光装置３は、製品の加工に限らず、他の用途に用いられてもよい。

【0076】

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0077】

１ 半導体発光素子
３０ 光ガイド層
４０ 第２半導体層（半導体層）
５０ リッジ部
５０ａ 溝
５１ 溝部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】