JP7355740B2

JP7355740B2 - 発光素子

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Publication number: JP7355740B2
Application number: JP2020538279A
Authority: JP
Inventors: 秀輝渡邊; 雄介中山
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2039-08-05
Also published as: WO2020039904A1; US20210184434A1; JPWO2020039904A1

Description

本技術は、半導体レーザ等の発光素子に関する。

特許文献１に記載の半導体レーザ素子では、厚み方向に連続的に組成が変化するように、下部光閉じ込め層、及び上部光閉じ込め層がそれぞれ形成される。また下部光閉じ込め層と下部クラッド層との層間に、バンドギャップ波長が一定となる組成からなる介在層が形成される。また上部光閉じ込め層と上部クラッド層との層間にも、同じ組成からなる介在層が形成される。これにより、構成元素の供給流量が少ない領域であっても、安定した結晶層を形成することができ、キャリア注入効率や結晶性を向上させることが可能とのことである（特許文献１の明細書段落［００３４］［００３５］［００５１］図１等）。

特開２００３－１７４２３６号公報

特許文献１に記載の半導体レーザ素子のように、厚み方向に組成が連続的に変化する層が形成される場合に、発光素子を非破壊で効率よく検査することを可能とするための技術が求められている。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、非破壊で効率のよい検査を実現することが可能となる発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る発光素子は、第１の組成変化層と、中間層と、第２の組成変化層とを具備する。
前記第１の組成変化層は、厚み方向における第１の位置から第２の位置に向かって、第１の変化率で組成が連続的に変化する。
前記中間層は、前記厚み方向における前記第２の位置から第３の位置までの間に構成され、前記第１の組成変化層の前記第２の位置の組成と等しい組成からなる。
前記第２の組成変化層は、前記厚み方向における前記第３の位置から第４の位置に向かって第２の変化率で組成が連続的に変化し、前記第３の位置における組成が、前記中間層の組成と等しい。

この発光素子では、厚み方向における第１の位置から第４の位置までの間に、組成が一定となる中間層が形成される。これにより、例えばＸ線回折等を用いることで、非破壊で効率よく発光素子を検査することが可能となる。

前記第１の変化率は、前記第２の変化率と等しくてもよい。

前記発光素子は、半導体レーザ素子として構成されてもよい。

前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層により、ガイド層が構成されてもよい。

前記中間層は、２０ｎｍ以上の厚みを有してもよい。

前記中間層は、前記第１の位置を０、前記第４の位置を１としたときに、０．１から０．９までの範囲内で構成されてもよい。

前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層により、前記第２の位置から前記第３の位置までの組成が一定である組成傾斜層が構成されてもよい。

前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層の各々は、所定の金属元素を含む同じ半導体材料からなってもよい。この場合、前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、前記所定の金属元素の組成比が連続的に変化する層であってもよい。また前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、前記所定の金属元素の組成比が連続的に変化する層であってもよい。

前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、屈折率が連続的に変化する層であってもよい。この場合、前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、屈折率が連続的に変化する層であってもよい。

前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、バンドギャップが連続的に変化する層であってもよい。この場合、前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、バンドギャップが連続的に変化する層であってもよい。

前記発光素子は、さらに、１以上の他の層を具備してもよい。この場合、前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層は、前記中間層の組成が、前記１以上の他の層のいずれの組成とも異なるように構成されてもよい。

前記第２の位置及び前記第３の位置は、前記中間層の組成が、前記１以上の他の層のいずれの組成とも異なるように設定されてもよい。

以上のように、本技術によれば、非破壊で効率のよい検査を実現することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

一実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成の一例を示す模式図である。半導体レーザ素子の積層構造の具体例を示すグラフである。積層構造の厚み方向における位置と、バンドギャップとの関係を示す模式的なグラフである。半導体レーザ素子の積層構造をＸ線回折（ＸＲＤ）で評価した場合の回折角度とＸ線強度の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。比較例として挙げる半導体レーザ素子の積層構造の具体例を示すグラフである。半導体レーザ素子の積層構造をＸ線回折で評価した場合の回折角度とＸ線強度の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［半導体レーザ素子］
図１は、本技術の一実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成の一例を示す模式図である。図１では、断面を表すハッチングは省略されている。

本実施形態では、半導体レーザ素子１００として、窒化物半導体レーザが構成される。窒化物半導体は、窒素（Ｎ）元素を含む半導体であり、またアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等の金属元素を含んで構成される化合物半導体である。

半導体レーザ素子１００は、基板１０と、ｎ型クラッド層１１と、ｎ側ガイド層１２と、発光層１３とを有する。また半導体レーザ素子１００は、ｐ側ガイド層１４と、電子障壁層（ＥＢ層）１５と、ｐ型クラッド層１６と、ｐ型コンタクト層１７とを有する。

図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、基板１０、ｎ型クラッド層１１、ｎ側ガイド層１２、発光層１３、ｐ側ガイド層１４、電子障壁層（ＥＢ層）１５、ｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７の順番で各層が積層された積層構造を有する。

本実施形態では、基板１０として、ＧａＮ基板が用いられる。これに限定されず、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＯ等の、他の材料からなる基板が用いられてよい。

また基板１０の主面の結晶面は、極性面、半極性面、非極性面のいずれでもよい。極性面は具体的には、例えば面指数を用いて｛０，０，０，１｝、｛０，０，０，－１｝と表すことができる。半極性面は、例えば｛２，０，－２，１｝、｛１，０，－１，１｝、｛２，０，－２，－１｝、｛１，０，－１，－１｝と表すことができる。非極性面は、例えば｛１，１，－２，０｝、｛１，－１，０，０｝と表すことができる。本実施例においては、主面の結晶面が極性面である｛０，０，０，１｝面となるように構成されている。

ｎ型クラッド層１１は、基板１０の主面上に形成される。ｎ型クラッド層１１としては、例えばｎ型導電性を有するＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ｎ型クラッド層１１として形成されてもよい。

ｎ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができる。ｎ型クラッド層１１の厚み（膜厚）は、例えば５００ｎｍから３０００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

ｎ側ガイド層１２は、ｎ型クラッド層１１上に形成される。ｎ側ガイド層１２としては、例えばノンドープのＧａＮ層、ＧａＩｎＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ｎ側ガイド層１２として形成されてもよい。

本実施形態では、ｉ型のｎ側ガイド層１２が形成されるが、ｎ型の導電性を有するようにｎ側ガイド層１２が形成されてもよい。ｎ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができる。ｎ側ガイド層１２の厚みは、例えば１０ｎｍから５００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

発光層（活性層）１３は、ｎ側ガイド層１２上に形成される。発光層１３は、量子井戸構造を有し、井戸層と障壁層とが積層して形成される。井戸層としては、例えばｎ型導電性を有するＩｎＧａＮ層等が形成される。ｎ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができる。なお、井戸層が、ノンドープ層により構成されてもよい。井戸層の厚みは、例えば１ｎｍから２０ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

障壁層としては、例えばｎ型導電性を有するＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。ｎ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＳｉを用いることができる。なお、障壁層が、ノンドープ層により構成されてもよい。障壁層の厚みは、例えば１ｎｍから１００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

なお障壁層のバンドギャップは、井戸層で最大となるバンドギャップ以上となるように設定されている。井戸層と障壁層とは交互に設けられ、井戸層の数は、ｍ≧１を満足する整数となる。本実施の形態においてはｍ＝２である。もちろんこの構成に限定される訳ではない。

発光層１３により生成される光子波長は、例えば４３０ｎｍから５５０ｎｍの範囲に含まれる。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定される訳ではない。

ｐ側ガイド層１４は、発光層１３上に形成される。ｐ側ガイド層１４としては、例えばノンドープのＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ｐ側ガイド層１４として形成されてもよい。

本実施形態では、ｉ型のｐ側ガイド層１４が形成されるが、ｐ型の導電性を有するようにｐ側ガイド層１４が形成されてもよい。ｐ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＭｇを用いることができる。ｐ側ガイド層１４の厚みは、例えば１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

本実施形態では、ｐ側ガイド層１４が、モニタ層を有する組成傾斜層として構成される。モニタ層を有する組成傾斜層については、後に詳しく説明する。

電子障壁層（ＥＢ層）１５は、ｐ側ガイド層１４上に形成される。ＥＢ層１５としては、例えばｐ型導電性を有するＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ＥＢ層１５として形成されてもよい。

ｐ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＭｇを用いることができる。ＥＢ層１５の厚みは、例えば３ｎｍから５０ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

ｐ型クラッド層１６は、ＥＢ層１５上に形成される。ｐ型クラッド層１６としては、例えばｐ型導電性を有するＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ｐ型クラッド層１６として形成されてもよい。

ｐ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＭｇを用いることができる。ｐ型クラッド層１６の厚みは、例えば１ｎｍから３００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型クラッド層１６上に形成される。ｐ型コンタクト層１７としては、例えばｐ型導電性を有するＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、又はＡｌＧａＩｎＮ層等が形成される。あるいは、これらの層が複数積層された層が、ｐ型コンタクト層１７として形成されてもよい。

ｐ型導電性を実現するためのドーパントとしては、例えばＭｇを用いることができる。ｐ型コンタクト層１７の厚みは、例えば１ｎｍから３００ｎｍの範囲で設計可能である。もちろんこの範囲に含まれる場合に限定されず、任意に設計されてよい。

図２は、半導体レーザ素子１００の積層構造の具体例を示すグラフである。グラフの横軸は、半導体レーザ素子１００の表面（透明導電膜や電極等までを含んだ際の表面）からの距離（ｎｍ）であり、積層構造の厚み方向における位置に相当する。グラフの縦軸は、屈折率である。またグラフの上方側には、図１に示す各層の符号が付されている。

図２に示す積層構造は、以下の構成となっている。
ｎ型クラッド層１１…Ａｌ組成６％、膜厚１０００ｎｍのＡｌＧａＮ層
ｎ側ガイド層１２…Ｉｎ組成２％、膜厚２００ｎｍのＧａＩｎＮ層
発光層１３…発光波長が４５０ｎｍとなる井戸層数２障壁層数１のＧａＩｎＮ積層構造
ｐ側ガイド層１４…モニタ層を有する組成傾斜層（詳細は後述）
ＥＢ層１５…Ａｌ組成１０％、膜厚１０ｎｍのＡｌＧａＮ層
ｐ型クラッド層１６…Ａｌ組成５．５％、膜厚２５０ｎｍのＡｌＧａＮ層
ｐ型コンタクト層…膜厚８０ｍｎのＧａＮ層

ｐ側ガイド層１４は、第１の組成変化層２０と、モニタ層２１と、第２の組成変化層２２とを有する。第１の組成変化層２０は、厚み方向における第１の位置から第２の位置に向かって、第１の変化率で組成が連続的に変化する層である。

本実施形態では、Ｉｎ組成が発光層１３から表面に向かって４％から３％に傾斜した膜厚５０ｎｍのＧａＩｎＮ組成傾斜層が、第１の組成変化層２０として形成される。ｐ側ガイド層１４と発光層１３との境界位置が第１の位置Ｐ１となる。またＩｎ組成が３％となる位置が、第２の位置Ｐ２となる。

モニタ層２１は、厚み方向における第２の位置Ｐ２から第３の位置Ｐ３までの間に構成され、第１の組成変化層２０の第２の位置Ｐ２の組成と等しい組成からなる。本実施形態では、Ｉｎ組成が３％、膜厚５０ｎｍのＧａＩｎＮモニタ層が、モニタ層２１として形成される。従って、第２の位置Ｐ２から表面側に５０ｎｍ進んだ位置が、第３の位置Ｐ３となる。

本実施形態において、モニタ層２１は、組成が一定となる中間層として機能する。モニタ層２１のことを、組成一定層ということも可能である。

なおモニタ層２１を構成する上で、「～の組成と等しい組成」や「組成が一定」等の表現は、「～の組成と完全に等しい組成」や「組成が完全に一定」等の概念のみならず、「～の組成と実質的に等しい組成」「組成が実質的に一定」等の概念を含み得る。

例えば本実施形態において、「第１の組成変化層２０の第２の位置Ｐ２の組成と等しい組成」は、Ｉｎ組成が、第１の組成変化層２０の第２の位置Ｐ２のＩｎ組成を基準として、±０．１％の範囲に含まれる場合を含み得る。例えば第１の組成変化層２０の第２の位置Ｐ２のＩｎ組成が３％である場合は、Ｉｎ組成が２．９％～３．１％の範囲に含まれる層は、「第１の組成変化層２０の第２の位置Ｐ２の組成と等しい組成」からなる層に含まれる。

また「組成が一定となる組成一定層」は、Ｉｎ組成の変動が±０．１％以内となる層を含み得る。例えば「Ｉｎ組成が３％で一定となる組成一定層」は、Ｉｎ組成の変動幅が２．９％～３．１％の範囲である層を含み得る。

なお、「～の組成と実質的に等しい組成」「組成が実質的に一定」を規定する具体的な数値範囲が、±０．１％の範囲に限定される訳ではない。後に説明する非破壊で効率よく半導体レーザ素子１００を検査することが可能となる、という本技術の効果が発揮される範囲で、「～の組成と実質的に等しい組成」「組成が実質的に一定」の具体的な規定範囲が定められてよい。

第２の組成変化層２２は、厚み方向における第３の位置Ｐ３から第４の位置Ｐ４に向かって第２の変化率で組成が連続的に変化し、第３の位置Ｐにおける組成が、モニタ層２１の組成と等しい層である。

本実施形態では、Ｉｎ組成が第３の位置Ｐ３から表面に向かって３％から０％に傾斜した膜厚１５０ｎｍのＧａＩｎＮ組成傾斜層が、第２の組成変化層２２として形成される。ｐ側ガイド層１４とＥＢ層１５との境界位置が第４の位置Ｐ４となる。

なお、本実施形態では、第１の組成変化層２０のＩｎ組成の変化率と、第２の組成変化層２２のＩｎ組成の変化率とは、互いに等しい。すなわち上記した第１の変化率と、第２の変化率とは、互いに等しい。

従って、第１の位置Ｐ１から第４の位置Ｐ４までに形成されるｐ側ガイド層１４は、途中の部分（第２の位置Ｐ２から第３の位置Ｐ３の間）に組成が一定となるモニタ層２１が形成された組成傾斜層ということができる。また、ｐ側ガイド層１４の構成を、モニタ層２１を含むＧＲＩＮ（Graded Index）構造ということも可能である。

本実施形態では、第１の組成変化層２０、モニタ層２１、第２の組成変化層２２の各々は、所定の金属元素（Ｉｎ）を含む同じ半導体材料（ＧａＩｎＮ）からなる。第１の組成変化層２０は、第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に向かって、所定の金属元素（Ｉｎ）の組成比が連続的に変化する層となる。モニタ層２１は、所定の金属元素（Ｉｎ）の組成比が一定の層となる。また第２の組成変化層２２は、第３の位置Ｐ３から第４の位置Ｐ４に向かって、所定の金属元素（Ｉｎ）の組成比が連続的に変化する層となる。

図２に示すように、Ｉｎの組成比が小さくなると、屈折率は小さくなる。Ｉｎの組成比が大きくなると、屈折率は小さくなる。従って、第１の組成変化層２０では、第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に向かって、屈折率が連続的に変化する。モニタ層２１では、屈折率は一定となる。第２の組成変化層２２では、第３の位置Ｐ３から第４の位置Ｐ４に向かって、屈折率が連続的に変化する。従って、ｐ側ガイド層１４のモニタ層２１以外の領域では、ＥＢ層１５から発光層１３に向かって、屈折率が連続的に大きくなる。

図３は、積層構造の厚み方向における位置と、バンドギャップとの関係を示す模式的なグラフである。図３では、発光層１３の厚みが、模式的に大きく図示されている。

各層において、屈折率が小さくなると、バンドギャップは大きくなる。また屈折率が大きくなると、バンドギャップは小さくなる。従って、図３に示すように、従って、第１の組成変化層２０では、第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２に向かって、バンドギャップが連続的に変化する。モニタ層２１では、バンドギャップは一定となる。第２の組成変化層２２では、第３の位置Ｐ３から第４の位置Ｐ４に向かって、バンドギャップが連続的に変化する。従って、ｐ側ガイド層１４のモニタ層２１以外の領域では、ＥＢ層１５から発光層１３に向かって、バンドギャップが連続的に小さくなる。

モニタ層２１以外の領域において、発光層１３に向かって、屈折率が高く、バンドギャップが狭くなっていくため、光とキャリアとを発光層１３に閉じ込めることが可能となる。この結果、半導体レーザの高出力、及び高効率化が可能となる。すなわち本実施形態では、モニタ層２１を含む組成傾斜層（ＧＲＩＮ構造）を形成することで、レーザ特性の向上が実現されている。

モニタ層２１を含む組成傾斜層を形成する方法としては、例えば有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD）が挙げられる。マスフローコントローラ等により、原料ガスの流量制御及び時間制御を実行することで、組成傾斜層の所望の位置にモニタ層２１を形成することが可能となる。もちろん他の成膜技術等が用いられてもよい。

例えば、厚み方向において、第１の位置を０、第４の位置を１としたときに、０．１から０．９までの範囲内の任意の位置に、モニタ層２１を形成することが可能である。またモニタ層２１の厚みも、適宜設定可能である。

典型的には、モニタ層２１は、Ｘ線回折等の解析においてモニタリング可能なように形成される。例えば、モニタ層２１は、半導体レーザ素子１００の他の層のいずれの組成とも異なるように構成される。これにより、例えば図１に示すｎ側ガイド層１２等の１以上の他の層のいずれの組成とも異なるよに、モニタ層２１が形成される。これにより、モニタ層２１の状態等をモニタリングすることが可能となる。

例えば、MOCVD法等により、連続的にｐ側ガイド層１４が形成されるとする。この場合、モニタ層２１の組成は、モニタ層２１が形成される位置（第２の位置Ｐ２及び第３の位置Ｐ３）により規定される。従って、第２の位置Ｐ２及び第３の位置Ｐ３は、モニタ層２１の組成が、他の層のいずれの組成ともことなるように設定される。言い換えれば、第２の位置Ｐ２及び第３の位置Ｐ３は、モニタ層２１の組成が所望のものとなるように、適宜設定される。

モニタ層２１の厚みも、モニタ層２１がモニタリング可能な厚みに設定される。例えば２０ｎｍ以上の厚みを有するように、モニタ層２１が形成される。これにより、モニタ層２１を十分にモニタリングすることが可能となる。もちろんこれに限定されず、２０ｎｍ以下の厚みが採用されてもよい。

図４は、半導体レーザ素子の積層構造をＸ線回折（ＸＲＤ）で評価した場合の回折角度とＸ線強度の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。

モニタ層２１のＩｎ組成３％の信号が、矢印の位置に明確なピークとして確認されており、Ｘ線回折の波形からモニタ層２１のＩｎ組成を評価することが可能であることが分かる。モニタ層２１が組成傾斜層のどの位置にあるかは、成長時間の設定によって明らかであるため、モニタ層２１のＩｎ組成を評価することで、組成傾斜層であるｐ側ガイド層１４の出来栄えを判定することができる。

例えば、Ｉｎ組成３％の信号が、明確なピークとして確認されない場合、モニタ層２１が適正に形成されていないことが分かる。従って、モニタ層２１を含む組成傾斜層も適正に形成されていないことになる。例えばＩｎ組成３％以外の他の組成比のピークが確認された場合も同様に、組成傾斜層が適正に形成されていないことになる。

このように、モニタ層２１のモニタリング結果に基づいて、組成傾斜層全体の評価を行うことが可能となる。この結果、組成傾斜層を含む半導体レーザ素子１００を、非破壊で効率的に検査することが可能となる。

またＸ線反射率法（ＸＲＲ）等により、モニタ層２１の厚みを測定することも可能である。測定されたモニタ層２１の厚みに基づいて、組成傾斜層全体を評価することも可能である。例えばモニタ層２１の厚みが大きすぎる、あるいは小さすぎる場合には、組成傾斜層が適正に形成されていないことになる。

図５は、比較例として挙げる半導体レーザ素子の積層構造の具体例を示すグラフである。この半導体レーザ素子では、ｐ側ガイド層９１４の構成が異なり、他の層については、図２に示す半導体レーザ素子１００と同様の構成となる。

ｐ側ガイド層９１４としては、Ｉｎ組成が発光層から表面に向かって４％から０％に傾斜した膜厚２００ｎｍのＧａＩｎＮ組成傾斜層が形成されている。すなわち、比較例として挙げる半導体レーザ素子では、組成傾斜層の中にモニタ層は形成されない。

ｐ側ガイド層９１４として、組成傾斜層を形成することで、光とキャリアとを発光層に閉じ込めることが可能となる。この結果、半導体レーザの高出力、及び高効率化が可能となる。

図６は、半導体レーザ素子の積層構造をＸ線回折で評価した場合の回折角度とＸ線強度の関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。

ｐ側ガイド層９１４の全体にわたってＩｎ組成が連続的に変化しているため、図６の破線の円で囲んだ領域に示すように、ブロードな信号しか得られない（小さな凸はフリンジ（干渉縞）である）。そのため、Ｘ線回折評価等により、組成傾斜層であるｐ側ガイド層９１４の出来栄えを評価することができない。このため非破壊で効率的に半導体レーザ素子

以上、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００では、厚み方向における第１の位置Ｐ１から第４の位置Ｐ４までの間に、組成が一定となるモニタ層２１が形成される。これにより、例えばＸ線回折等を用いることで、非破壊で効率よく半導体レーザ素子１００を検査することが可能となる。

近年，ＧａＮ系半導体を用いた青、緑レーザが商用化されたことにより、半導体レーザ素子を用いた光源の商用化が進んでおり、高出力で高効率な半導体レーザ光源への期待が高まっている。半導体レーザ素子を高効率化させる手段として，発光層に向かってバンドギャップエネルギーが小さく、屈折率が大きくなる組成傾斜層を導入することが有効である。組成傾斜層を有する構造は、一般的にＧＲＩＮ構造と呼ばれ、光とキャリアを効率的に発光層に閉じ込めることができる。

しかしながら、組成傾斜層の屈折率は連続的に変化するため、出来栄えをＸ線回折などで非破壊検査することはできず、ウェハを割って断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡：Transmission Electron Microscope）やＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法：Secondary Ion Mass Spectrometry）などの解析手段を用いて評価する必要がある。そのため、半導体レーザ素子を作製するウェハそのものの出来栄えを管理することが困難であった。

本実施形態に係る半導体レーザ素子１００では、組成傾斜層の途中に組成が均一なモニタ層２１が形成される。これによりＸ線回折等を用いた基板評価によって、非破壊でモニタ層２１の組成や結晶性をモニタリングすることができる。このモニタリング結果に基づいて、組成傾斜層の出来栄えを判定できるようになる。すなわちモニタ層２１を管理することで、組成傾斜層の出来栄えを間接的に管理できるようになる。

なお非破壊による半導体レーザ素子の解析方法として、Ｘ線解析法以外の方法を採用することが可能である。例えばエリプソメーター等を用いた解析等が行われる場合でも、本技術は有効である。すなわちモニタ層２１を形成することで、組成傾斜層の出来栄えを間判定することが可能である。

＜その他の実施形態＞
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記では、半導体レーザ素子１００として、窒化物半導体レーザを例に挙げた。これに限定されず、他の種類の半導体レーザ素子に対しても、本技術は適用可能である。また半導体レーザ素子以外の発光素子に対しても、本技術は適用可能である。そのような発光素子として、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、半導体光増幅器を挙げることができる。

上記では、ｐ側のガイド層１４を、モニタ層を有する組成傾斜層として構成した。これに限定されず、例えばｎ側ガイド層等を、モニタ層を有する組成傾斜層として構成してもよい。またｐ側とｎ側との両方のガイド層を、モニタ層を有する組成傾斜層として構成してもよい。この場合、各々のモニタ層の組成は、異なるように設計される。もちろん、ガイド層以外の層が、モニタ層を有する組成傾斜層として構成されてもよい。

上記では、第１の組成変化層２０の組成の変化率である第１の変化率と、第２の組成変化層２２の組成の変化率である第２の変化率とが、互いに等しい場合を例に挙げた。これに限定されず、第１の変化率と第２の変化率とが互いに異なっていても、本技術は適用可能である。

各図面を参照して説明した半導体レーザ素子、積層構造等の各構成や、半導体レーザ素子の解析方法はあくまで一実施形態であり、本技術の趣旨を逸脱しない範囲で、任意に変形可能である。すなわち本技術を実施するための他の任意の構成や解析方法等が採用されてよい。

本開示において、「一定」「均一」「等しい」「同じ」等は、「完全に一定」「完全に均一」「完全に等しい」「完全に同じ」等の概念のみならず、「実質的に一定」「実質的に均一」「実質的に等しい」「実質的に同じ」等の概念を含み得る。例えば「完全に一定」「完全に均一」「完全に等しい」「完全に同じ」等を基準とした所定の範囲を意味する概念も含まれる。

以上説明した本技術に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）厚み方向における第１の位置から第２の位置に向かって、第１の変化率で組成が連続的に変化する第１の組成変化層と、
前記厚み方向における前記第２の位置から第３の位置までの間に構成され、前記第１の組成変化層の前記第２の位置の組成と等しい組成からなる中間層と、
前記厚み方向における前記第３の位置から第４の位置に向かって第２の変化率で組成が連続的に変化し、前記第３の位置における組成が、前記中間層の組成と等しい第２の組成変化層と
を具備する発光素子。
（２）（１）に記載の発光素子であって、
前記第１の変化率は、前記第２の変化率と等しい
発光素子。
（３）（１）又は（２）に記載の発光素子であって、
半導体レーザ素子として構成される
発光素子。
（４）（３）に記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層により、ガイド層が構成される
発光素子。
（５）（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記中間層は、２０ｎｍ以上の厚みを有する
発光素子。
（６）（１）から（５）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記中間層は、前記第１の位置を０、前記第４の位置を１としたときに、０．１から０．９までの範囲内で構成される
発光素子。
（７）（１）から（６）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層により、前記第２の位置から前記第３の位置までの組成が一定である組成傾斜層が構成される
発光素子。
（８）（１）から（７）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層の各々は、所定の金属元素を含む同じ半導体材料からなり、
前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、前記所定の金属元素の組成比が連続的に変化する層であり、
前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、前記所定の金属元素の組成比が連続的に変化する層である
発光素子。
（９）（１）から（８）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、屈折率が連続的に変化する層であり、
前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、屈折率が連続的に変化する層である
発光素子。
（１０）（１）から（９）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層は、前記第１の位置から前記第２の位置に向かって、バンドギャップが連続的に変化する層であり、
前記第２の組成変化層は、前記第３の位置から前記第４の位置に向かって、バンドギャップが連続的に変化する層である
発光素子。
（１１）（１）から（１０）のうちいずれか１つに記載の発光素子であって、さらに、
１以上の他の層を具備し、
前記第１の組成変化層、前記中間層、及び前記第２の組成変化層は、前記中間層の組成が、前記１以上の他の層のいずれの組成とも異なるように構成される
発光素子。
（１２）（１１）に記載の発光素子であって、
前記第２の位置及び前記第３の位置は、前記中間層の組成が、前記１以上の他の層のいずれの組成とも異なるように設定される
発光素子。

Ｐ１～Ｐ４…第１の位置～第４の位置
１０…基板
１４…ｐ側ガイド層
２０…第１の組成変化層
２１…モニタ層
２２…第２の組成変化層
１００…半導体レーザ素子

Claims

発光素子であって、
基板と、
前記基板上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成されたｎ側ガイド層と、
前記ｎ側ガイド層上に形成され、井戸層と障壁層とが積層された量子井戸構造を有する発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ側ガイド層と、
前記ｐ側ガイド層上に形成された電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上に形成されたｐ型コンタクト層と
を具備し、
前記発光素子の厚み方向において、前記ｐ側ガイド層と前記発光層との境界位置を第１の境界位置とし、前記ｐ側ガイド層と前記電子障壁層との境界位置を第２の境界位置とすると、
前記ｐ側ガイド層は、
前記厚み方向において、前記第１の境界位置から予め規定された第１の規定位置までの間に構成された第１の組成変化層と、
前記厚み方向において、前記第１の規定位置から予め規定された第２の規定位置までの間に構成されたモニタ層と、
前記厚み方向において、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置までの間に構成された第２の組成変化層と
を有し、
前記第１の組成変化層、前記モニタ層、及び前記第２の組成変化層の各々は、所定の金属元素を含む同じ半導体材料からなり、
前記第１の組成変化層は、前記厚み方向において、前記第１の境界位置から前記第１の規定位置に向かって、第１の変化率で前記所定の金属元素の組成比が連続的に小さくなり、
前記モニタ層は、前記厚み方向において、前記第１の規定位置から前記第２の規定位置にかけて、前記所定の金属元素の組成比が、前記第１の組成変化層の前記第１の規定位置における組成比と等しい組成比で一定となるように構成され、
前記第２の組成変化層は、前記厚み方向において、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置に向かって、第２の変化率で前記所定の金属元素の組成比が連続的に小さくなり、前記第２の規定位置における前記所定の金属元素の組成比が前記モニタ層の前記所定の金属元素の組成比と等しい
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の規定位置及び前記第２の規定位置は、前記ｐ側ガイド層に対する非破壊検査を実行する際の基準となる位置として設定される
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層、前記モニタ層、及び前記第２の組成変化層は、前記モニタ層の組成が、前記ｎ型クラッド層、前記ｎ側ガイド層、前記発光層、前記電子障壁層、前記ｐ型クラッド層、及び前記ｐ型コンタクト層のいずれの組成とも異なるように構成される
発光素子。
請求項３に記載の発光素子であって、
前記第１の規定位置及び前記第２の規定位置は、前記モニタ層の組成が、前記ｎ型クラッド層、前記ｎ側ガイド層、前記発光層、前記電子障壁層、前記ｐ型クラッド層、及び前記ｐ型コンタクト層のいずれの組成とも異なるように設定される
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層は、前記第１の境界位置から前記第１の規定位置に向かって、屈折率が連続的に小さくなり、
前記第２の組成変化層は、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置に向かって、屈折率が連続的に小さくなる
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の組成変化層は、前記第１の境界位置から前記第１の規定位置に向かって、バンドギャップが連続的に大きくなり、
前記第２の組成変化層は、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置に向かって、バンドギャップが連続的に大きくなる
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記第１の変化率は、前記第２の変化率と等しい
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
半導体レーザ素子として構成される
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記モニタ層は、２０ｎｍ以上の厚みを有する
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記モニタ層は、前記第１の境界位置を０、前記第２の境界位置を１としたときに、０．１から０．９までの範囲内で構成される
発光素子。
請求項１に記載の発光素子であって、
前記ｐ側ガイド層は、前記第１の規定位置から前記第２の規定位置までの前記所定の金属元素の組成比が一定である組成傾斜層として構成される
発光素子。
発光素子であって、
基板と、
前記基板上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成されたｎ側ガイド層と、
前記ｎ側ガイド層上に形成され、井戸層と障壁層とが積層された量子井戸構造を有する発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ側ガイド層と、
前記ｐ側ガイド層上に形成された電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上に形成されたｐ型コンタクト層と
を具備し、
前記発光素子の厚み方向において、前記ｎ側ガイド層と前記発光層との境界位置を第１の境界位置とし、前記ｎ側ガイド層と前記ｎ型クラッド層との境界位置を第２の境界位置とすると、
前記ｎ側ガイド層は、
前記厚み方向において、前記第１の境界位置から予め規定された第１の規定位置までの間に構成された第１の組成変化層と、
前記厚み方向において、前記第１の規定位置から予め規定された第２の規定位置までの間に構成されたモニタ層と、
前記厚み方向において、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置までの間に構成された第２の組成変化層と
を有し、
前記第１の組成変化層、前記モニタ層、及び前記第２の組成変化層の各々は、所定の金属元素を含む同じ半導体材料からなり、
前記第１の組成変化層は、前記厚み方向において、前記第１の境界位置から前記第１の規定位置に向かって、第１の変化率で前記所定の金属元素の組成比が連続的に小さくなり、
前記モニタ層は、前記厚み方向において、前記第１の規定位置から前記第２の規定位置にかけて、前記所定の金属元素の組成比が、前記第１の組成変化層の前記第１の規定位置における組成比と等しい組成比で一定となるように構成され、
前記第２の組成変化層は、前記厚み方向において、前記第２の規定位置から前記第２の境界位置に向かって、第２の変化率で前記所定の金属元素の組成比が連続的に小さくなり、前記第２の規定位置における前記所定の金属元素の組成比が前記モニタ層の前記所定の金属元素の組成比と等しい
発光素子。