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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】P2023010171
(43)【公開日】2023-01-20
(54)【発明の名称】窒化物系半導体発光素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20230113BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021114115
(22)【出願日】2021-07-09
(71)【出願人】
【識別番号】520133916
【氏名又は名称】ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(74)【代理人】
【識別番号】100137235
【弁理士】
【氏名又は名称】寺谷 英作
(74)【代理人】
【識別番号】100131417
【弁理士】
【氏名又は名称】道坂 伸一
(72)【発明者】
【氏名】高山 徹
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA08
5F173AF42
5F173AF53
5F173AG17
5F173AH22
5F173AR14
5F173AR23
(57)【要約】
【課題】動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体発光素子１００は、半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓは、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０４と、ウェル層とバリア層とを含む活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、Ｐ型クラッド層１１０とを有し、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加し、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上であり、バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下であり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚は、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚より大きい。
【選択図】図５
【解決手段】窒化物系半導体発光素子１００は、半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓは、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０４と、ウェル層とバリア層とを含む活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、Ｐ型クラッド層１１０とを有し、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加し、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上であり、バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下であり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚は、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚より大きい。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体積層体を備え、前記半導体積層体の積層方向に垂直な方向の端面から光を出射する窒化物系半導体発光素子であって、
前記半導体積層体は、
Ｎ型第１クラッド層と、
前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、
前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、
前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
前記Ｐ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、
前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー以上であり、
前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層及び前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最小値以下であり、
前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ
の関係を満足する
窒化物系半導体発光素子。
前記半導体積層体は、
Ｎ型第１クラッド層と、
前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、
前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、
前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
前記Ｐ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、
前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー以上であり、
前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層及び前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最小値以下であり、
前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ
の関係を満足する
窒化物系半導体発光素子。
【請求項2】
前記Ｐ側ガイド層は、ＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮからなり、
前記Ｎ側ガイド層は、ＩｎＸｎＧａ１－ＸｎＮからなり、
前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に減少し、
前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値以上である
請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記Ｎ側ガイド層は、ＩｎＸｎＧａ１－ＸｎＮからなり、
前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に減少し、
前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値以上である
請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項3】
前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値より大きい
請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項4】
前記Ｐ側ガイド層の前記活性層に近い側の界面から前記Ｐ側ガイド層の前記積層方向の中央部までの領域におけるＩｎ組成比の前記積層方向における平均変化率は、前記中央部から前記Ｐ側ガイド層の前記Ｐ型クラッド層に近い側の界面までの領域におけるＩｎ組成比の前記積層方向における平均変化率よりも大きい
請求項２又は３に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項２又は３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項5】
前記バリア層は、ＩｎＸｂＧａ１－ＸｂＮからなり、
前記Ｐ側ガイド層におけるＩｎ組成比の最大値は、前記バリア層のＩｎ組成比以下である
請求項２～４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記Ｐ側ガイド層におけるＩｎ組成比の最大値は、前記バリア層のＩｎ組成比以下である
請求項２～４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項6】
前記積層方向における光強度分布のピークは、前記活性層に位置する
請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項7】
前記Ｐ型クラッド層の前記活性層に近い側の端部における不純物濃度は、前記活性層から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い
請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項8】
前記Ｐ側ガイド層と前記Ｐ型クラッド層との間に配置される電子障壁層を備え、
前記電子障壁層は、前記活性層から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成比増加領域を有する
請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記電子障壁層は、前記活性層から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成比増加領域を有する
請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項9】
前記Ｐ側ガイド層と前記Ｐ型クラッド層との間に配置される電子障壁層を備え、
前記Ｐ型クラッド層にはリッジが形成されており、前記リッジの下端部と前記電子障壁層との間の距離が１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である
請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記Ｐ型クラッド層にはリッジが形成されており、前記リッジの下端部と前記電子障壁層との間の距離が１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である
請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項10】
前記Ｎ型第１クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含み、
前記Ｎ型第１クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ
の関係を満足する
請求項１～９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記Ｎ型第１クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ
の関係を満足する
請求項１～９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項11】
前記Ｐ型クラッド層の膜厚は、４６０ｎｍ以下である
請求項１～１０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～１０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項12】
前記Ｐ型クラッド層の上方に配置される透光性導電膜を備える
請求項１～１１のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～１１のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項13】
前記Ｎ型第１クラッド層と前記Ｎ側ガイド層との間に配置されるＮ型第２クラッド層を備え、
前記Ｎ型第２クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ型第１クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最大値以上である
請求項１～１２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
前記Ｎ型第２クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ型第１クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最大値以上である
請求項１～１２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項14】
アレイ状に配列される複数の光出射部を有する
請求項１～１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項15】
前記半導体積層体の前記端面の反射率は、０．１％以下である
請求項１～１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
請求項１～１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、窒化物系半導体発光素子が加工装置などの光源に使用されている。加工装置の光源においては、より一層の高出力化及び高効率化が求められている。窒化物系半導体発光素子を高効率化するために、例えば、動作電圧を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１８－５００２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
窒化物系半導体発光素子において、動作電圧を低減するために、特許文献１に記載された技術の他に、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することが効果的である。しかしながら、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することに伴い、積層方向（つまり、各半導体層の成長方向）における光強度分布のピークが、活性層からＮ型クラッド層へ向かう向きに移動する。このため、活性層への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、窒化物系半導体発光素子の高出力化の実現が困難となる。
【0005】
本開示は、このような課題を解決するものであり、動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系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】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、半導体積層体を備え、前記半導体積層体の積層方向に垂直な方向の端面から光を出射する窒化物系半導体発光素子であって、前記半導体積層体は、Ｎ型第１クラッド層と、前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、前記Ｐ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー以上であり、前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層及び前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最小値以下であり、前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ
の関係を満足する。
Ｔｎ＜Ｔｐ
の関係を満足する。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
【0010】
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【0011】
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
【0012】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。
実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。
【0013】
［１－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１及び図２Ａは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２Ａには、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００が備える活性層１０５の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。窒化物系半導体発光素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１及び図２Ａは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２Ａには、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００が備える活性層１０５の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。窒化物系半導体発光素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。
【0014】
窒化物系半導体発光素子１００は、図２Ａに示されるように、窒化物系半導体層を含む半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓの積層方向（つまり、Ｚ軸方向）に垂直な方向の端面１００Ｆ（図１参照）から光を出射する。本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子１００は、共振器を形成する二つの端面１００Ｆ及び１００Ｒを有する半導体レーザ素子である。端面１００Ｆは、レーザ光を出射するフロント端面であり、端面１００Ｒは、端面１００Ｆより反射率が高いリア端面である。本実施の形態では、端面１００Ｆ及び１００Ｒの反射率は、それぞれ、１６％及び９５％である。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の共振器長（つまり、端面１００Ｆと端面１００Ｒと間の距離）は１２００μｍ程度である。
【0015】
図２Ａに示されるように、窒化物系半導体発光素子１００は、半導体積層体１００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体１００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0016】
基板１０１は、窒化物系半導体発光素子１００の基台となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、Ｎ型ＧａＮ基板である。
【0017】
Ｎ型第１クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置されるＮ型クラッド層の一例である。Ｎ型第１クラッド層１０２は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型第１クラッド層１０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層１０２には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
【0018】
Ｎ型第２クラッド層１０３は、基板１０１の上方に配置されるＮ型クラッド層の一例である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、Ｎ型第１クラッド層１０２の上方に配置される。Ｎ型第２クラッド層１０３は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、膜厚１００ｎｍのＮ型ＧａＮ層である。Ｎ型第２クラッド層１０３には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。Ｎ型第２クラッド層１０３のバンドギャップエネルギーは、Ｎ型第１クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最大値以上である。
【0019】
Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第２クラッド層１０３の上方に配置される光ガイド層である。Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第１クラッド層１０２及びＮ型第２クラッド層１０３より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
【0020】
活性層１０５は、Ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造を有する発光層である。本実施の形態では、活性層１０５は、図２Ｂに示されるように、ウェル層１０５ｂ及び１０５ｄと、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、及び１０５ｅとを有する。
【0021】
バリア層１０５ａは、Ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ａは、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
【0022】
ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａとバリア層１０５ｃとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層１０５ｂは、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層である。
【0023】
バリア層１０５ｃは、ウェル層１０５ｂの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ｃは、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
【0024】
ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃとバリア層１０５ｅとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層１０５ｄは、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層である。
【0025】
バリア層１０５ｅは、ウェル層１０５ｄの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ｅは、膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
【0026】
本実施の形態では、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。つまり、各バリア層の屈折率は、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の屈折率より大きい。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高めることができる。
【0027】
Ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５の上方に配置される光ガイド層である。Ｐ側ガイド層１０６は、Ｐ型クラッド層１１０より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。ここで、バンドギャップエネルギーが単調に増加する構成には、積層方向においてバンドギャップエネルギーが一定である領域が存在する構成も含まれる。Ｐ側ガイド層１０６は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。ここで、バンドギャップエネルギーが連続的に増加する構成には、積層方向において不連続的にバンドギャップエネルギーが変化する構成は含まれない。本開示においては、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成とは、ある位置におけるバンドギャップエネルギーの積層方向における不連続な増加量がその位置のバンドギャップエネルギーの大きさの２％未満である構成を意味する。例えば、バンドギャップエネルギーが連続的に増加する構成には、バンドギャップエネルギーが積層方向においてステップ状に２％以上増加するような構成は含まれないが、バンドギャップエネルギーが積層方向においてステップ状に２％未満だけ増加するような構成は含まれる。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６の全体において、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加するが、Ｐ側ガイド層１０６の構成はこれに限定されない。例えば、Ｐ側ガイド層１０６全体の膜厚に対する、バンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分の膜厚の割合は、５０％以上であってもよい。また、当該割合は、７０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。
【0028】
また、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの積層方向における増大量（ΔＥｇｐ）は、１００ｍｅＶ以上であるとよい。ここで、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの積層方向における増大量とは、例えば、Ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い側の端面付近におけるバンドギャップエネルギーと、Ｐ型クラッド層１１０に近い側の端面付近におけるバンドギャップエネルギーとの差で定義される。また、ΔＥｇｐの内、連続的に増加するバンドギャップエネルギーの大きさは、７０％以上あればよい。また、当該割合は、８０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。
【0029】
Ｐ側ガイド層１０６が、ＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮからなる場合には、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に減少する。これにより、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。ここで、Ｉｎ組成比Ｘｐが連続的に単調に減少する構成には、積層方向においてＩｎ組成比Ｘｐが一定である領域が存在する構成も含まれる。Ｐ側ガイド層１０６は、Ｉｎ組成比Ｘｐが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に減少する部分を含む。ここで、Ｉｎ組成比Ｘｐが連続的に減少する構成には、積層方向において不連続的にＩｎ組成比Ｘｐが変化する構成は含まれない。本開示においては、連続的に減少する構成とは、Ｐ側ガイド層１０６内のある位置におけるＩｎ組成比Ｘｐの積層方向における不連続な減少量がその位置におけるＩｎ組成比Ｘｐの２０％未満である構成を意味する。
【0030】
Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上である。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値は、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値以上である。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値は、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値より大きい。また、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚をＴｐ、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＴｎとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ （１）
の関係を満足する。
Ｔｎ＜Ｔｐ （１）
の関係を満足する。
【0031】
また、Ｐ側ガイド層１０６におけるＩｎ組成比の最大値は、各バリア層のＩｎ組成比以下である。
【0032】
本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮ層である。より具体的には、Ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５に近い側の界面付近においてＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い側の界面付近においてＧａＮで表される組成を有する。Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。
【0033】
中間層１０８は、活性層１０５の上方に配置される層である。本実施の形態では、中間層１０８は、Ｐ側ガイド層１０６と、電子障壁層１０９との間に配置され、Ｐ側ガイド層１０６と、電子障壁層１０９との格子定数の違いに起因して生じる応力を低減する。これにより、窒化物系半導体発光素子１００における結晶欠陥の発生を抑制できる。本実施の形態では、中間層１０８は、膜厚２０ｎｍのアンドープＧａＮ層である。
【0034】
電子障壁層１０９は、活性層１０５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層１０９は、中間層１０８と、Ｐ型クラッド層１１０との間に配置される。電子障壁層１０９は、膜厚５ｎｍのＰ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。電子障壁層１０９には、不純物として濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。電子障壁層１０９により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ漏れることを抑制できる。
【0035】
Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５の上方に配置されるＰ型のクラッド層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、電子障壁層１０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は、４６０ｎｍ以下であってもよい。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の電気抵抗を抑制できる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子１００の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子１００の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の高出力動作が可能となる。なお、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００において、Ｐ型クラッド層１１０のクラッド層としての機能を十分に発揮するために、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２００ｎｍ以上であればよい。また、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２５０ｎｍ以上であってもよい。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層１１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
【0036】
窒化物系半導体発光素子１００のＰ型クラッド層１１０には、リッジ１１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層１１０には、リッジ１１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝１１０Ｔが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図２Ａに示されるように、リッジ１１０Ｒの下端部（つまり、溝１１０Ｔの底部）と活性層１０５との間の距離をｄｐとしている。また、リッジ１１０Ｒの下端部におけるＰ型クラッド層１１０の膜厚（つまり、リッジ１１０Ｒの下端部と、Ｐ型クラッド層１１０及び電子障壁層１０９の界面との間の距離）をｄｃとしている。
【0037】
コンタクト層１１１は、Ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、Ｐ側電極１１３とオーミック接触する層である。本実施の形態では、コンタクト層１１１は、膜厚６０ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層１１１には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
【0038】
電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、活性層１０５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上面のうち、リッジ１１０Ｒの上面以外の領域に配置される。本実施の形態では、電流ブロック層１１２は、ＳｉＯ２層である。
【0039】
Ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１の上方に配置される導電層である。本実施の形態では、Ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１及び電流ブロック層１１２の上方に配置される。Ｐ側電極１１３は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
【0040】
Ｎ側電極１１４は、基板１０１の下方に（つまり、基板１０１のＮ型第１クラッド層１０２などが配置された主面の反対側の主面に）配置される導電層である。Ｎ側電極１１４は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
【0041】
窒化物系半導体発光素子１００は、以上のような構成を有することにより、図２Ａに示されるように、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分との間に実効屈折率差ΔＮが生じる。これにより、活性層１０５のリッジ１１０Ｒの下方の部分で発生した光を水平方向（つまり、Ｘ軸方向）に閉じ込めることができる。
【0042】
［１－２．光強度分布及び光出力の安定性］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の光強度分布及び光出力の安定性について説明する。
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の光強度分布及び光出力の安定性について説明する。
【0043】
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向（各図のＺ軸方向）における光強度分布について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布の概要を示す模式図である。図３には、窒化物系半導体発光素子１００の模式的な断面図と、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの各々に対応する位置における積層方向における光強度分布の概要を示すグラフが示されている。
【0044】
一般に窒化物系半導体発光素子において、活性層において光が発生するが、積層方向における光強度分布は、積層構造に依存し、必ずしも活性層に光強度分布のピークが位置しない。また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層構造は、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分とで異なるため、光強度分布も、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分とで異なる。図３に示されるように、リッジ１１０Ｒの下方の部分の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）中央での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰ１とする。また、溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰ２とする。ここで、位置Ｐ１及びＰ２について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置の座標を示すグラフである。図４に示されるように、活性層１０５のウェル層１０５ｂのＮ側の端面、つまり、ウェル層１０５ｂのＮ側ガイド層１０４に近い側の端面の積層方向における位置の座標をゼロとし、下方（Ｎ側ガイド層１０４に向かう向き）を座標の負の向きとし、上方（Ｐ側ガイド層１０６に向かう向き）を座標の正の向きとする。また、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差の絶対値をピーク位置の差ΔＰとする。
【0045】
以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。
【0046】
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、動作電圧を低減するためにＰ型クラッド層１１０の膜厚が比較的薄く設定されている。これに伴い、リッジ１１０Ｒの高さ（つまり、リッジ１１０Ｒの溝１１０Ｔの底面からの高さ）も比較的低く設定されている。一般にこのような構成を有する半導体発光素子においては、積層方向における光強度分布のピーク位置が活性層１０５からＮ型第２クラッド層１０３へ近づく向きにずれる。このため、活性層への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、半導体発光素子の高出力での動作が困難となる。本実施の形態では、図５に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上である。一方、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐは、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎより大きい（上記不等式（１））。このように、各クラッド層より屈折率が大きいＰ側ガイド層１０６の膜厚を大きくすることで、光強度分布を活性層１０５からＰ側ガイド層１０６へ近づく向きに移動させることが可能となる。したがって、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００によれば、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置するように制御することが可能となる。
【0047】
さらに、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する部分を有する。つまり、Ｐ側ガイド層１０６は、屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって連続的に単調に増加する部分を有する。このようにＰ側ガイド層１０６の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。
【0048】
また、本実施の形態では、活性層１０５のバリア層１０５ａ、１０５ｃ及び１０５ｅは、ＩｎＸｂＧａ１－ＸｂＮからなり、各バリア層、Ｎ側ガイド層１０４、及びＰ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｂ、Ｘｎ及びＸｐについて、
Ｘｐ≦Ｘｂ （２）
Ｘｎ≦Ｘｂ （３）
の関係を満足する。これにより、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下となる。つまり、各バリア層の屈折率を、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４の最大値以上とすることができる。これにより、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。また、光強度分布が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ近づく向きに移動し過ぎることを抑制できる。この効果は、各バリア層の屈折率を、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４の最大値より大きくすることで、さらに高めることができる。
Ｘｐ≦Ｘｂ （２）
Ｘｎ≦Ｘｂ （３）
の関係を満足する。これにより、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下となる。つまり、各バリア層の屈折率を、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４の最大値以上とすることができる。これにより、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。また、光強度分布が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ近づく向きに移動し過ぎることを抑制できる。この効果は、各バリア層の屈折率を、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４の最大値より大きくすることで、さらに高めることができる。
【0049】
以上のような構成により、本実施の形態では、リッジ１１０Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ１を１．３ｎｍとすることができる。つまり、光強度分布のピークを活性層１０５のウェル層１０５ｂに位置させることができる（図４参照）。また、ΔＰを５．６ｎｍに抑制することができる。これにより、活性層１０５への光閉じ込め係数を１．４９％程度まで高めることができる。
【0050】
以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００によれば、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に位置させることができる。なお、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置するとは、窒化物系半導体発光素子１００の水平方向の少なくとも一つの位置において、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置する状態を意味し、水平方向のすべての位置において、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置する状態に限定されない。
【0051】
本実施の形態のように、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に位置させると、光強度分布のピークがＮ側ガイド層１０４に位置する場合より、光のうちＰ型クラッド層１１０に位置する部分の割合が増加し得る。ここで、Ｐ型クラッド層１１０は、Ｎ型第１クラッド層１０２及びＮ型第２クラッド層１０３より不純物濃度が高いため、光のうちＰ型クラッド層１１０に位置する部分の割合が増加することで、Ｐ型クラッド層１１０におけるフリーキャリア損失の増大が懸念される。しかしながら、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６をアンドープ層とし、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐを比較的大きくすることで、光強度分布のうち、アンドープ層に位置する部分の割合を高めることができる。したがって、フリーキャリア損失の増大を抑制できる。具体的には、本実施の形態では、導波路損失を３．２ｃｍ－１程度に抑制することができる。
【0052】
また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、出射光の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）における拡がり角を低減するために、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分との間の実効屈折率差ΔＮが比較的小さくなるように設定されている。具体的には、実効屈折率差ΔＮは、電流ブロック層１１２と活性層１０５との間の距離ｄｐ（図２Ａ参照）を調整することによって設定される。ここで、距離ｄｐを大きくするほど実効屈折率差ΔＮは小さくなる。本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮは、２．１×１０－３程度である。したがって、本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮが２．１×１０－３より大きい場合より、リッジ１１０Ｒによって形成される導波路を伝搬可能な高次モード（つまり、高次横モード）の個数が少ない。このため、窒化物系半導体発光素子１００の出射光に含まれるすべての横モードのうち、各高次モードが占める割合が比較的大きくなる。したがって、モード数の増減、及び、モード間結合に起因する活性層１０５への光閉じ込め係数の変化量が比較的大きくなる。このため、窒化物系半導体発光素子１００においてモード数の増減、及び、モード間結合が発生する場合、供給される電流に対する光出力の特性（いわゆるＩＬ特性）の線形性が低下する。言い換えると、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分（いわゆる、キンク）が生じる。これに伴い、窒化物系半導体発光素子１００の光出力の安定性が低下し得る。
【0053】
上述したような光出力の安定性の低下について、以下で説明する。窒化物系半導体発光素子１００では、リッジ１１０Ｒの下方の部分での光強度分布は、基本モード（つまり、０次モード）が支配的であり、溝１１０Ｔの下方の部分での光強度分布は、高次モードが支配的である。このため、窒化物系半導体発光素子１００のリッジ１１０Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ１と、溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ２との差ΔＰが大きい場合に、モード数の増減、及び、モード間結合が発生すると、活性層１０５への光閉じ込め係数が変動するため、光出力の安定性が低下する。
【0054】
例えば、高次モードが減少した場合、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの両方の下方の部分における光強度分布を足し合わせた光強度分布のピークは、位置Ｐ１に近い位置に移動する。このため、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差ΔＰが大きいほど、モード数が変化した場合の活性層１０５への光閉じ込め係数の変動が大きくなる。したがって、光出力の安定性が低下する。
【0055】
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、上述したとおりの構成を有するＮ側ガイド層１０４と、Ｐ側ガイド層１０６とを備えるため、リッジ１１０Ｒの下方の部分、及び、溝１１０Ｔの下方の部分の両方において、光強度分布のピークを活性層１０５に位置させることができる。つまり、光強度分布のピークの位置Ｐ１と位置Ｐ２との差ΔＰを小さくすることができる。これにより、仮にモード数の増減、及び、モード間結合が発生した場合においても、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの両方の下方の部分における光強度分布を足し合わせた光強度分布のピークの積層方向における位置の変動が抑制される。したがって、光出力の安定性を高めることができる。
【0056】
なお、上述したように、実効屈折率差ΔＮを比較的小さい値に設定するために、距離ｄｐは比較的大きい値に設定される。距離ｄｐが設定される際に、リッジ１１０Ｒの下端部（つまり、溝１１０Ｔの底部）が電子障壁層１０９より下方に位置するように設定すると、電子障壁層１０９はバンドギャップエネルギーが大きいため、コンタクト層１１１から注入された正孔は、電子障壁層１０９を通過する場合にリッジ１１０Ｒの側壁からリッジ１１０Ｒの外側へ漏れやすくなる。その結果、正孔は溝１１０Ｔの下方に流れる。これに伴い、溝１１０Ｔの下方の活性層１０５では光分布強度が小さいため活性層１０５に注入された電子と正孔との発光再結合確率が低下し、非発光再結合が増大する。このような非発光再結合の増大により窒化物系半導体発光素子１００が劣化しやすくなる。このような劣化を抑制するため、リッジ１１０Ｒの下端部は、電子障壁層１０９より上方に位置するように設定される。また、リッジ１１０Ｒの下端部から電子障壁層１０９までの距離ｄｃ（図２Ａ参照）が大きくなり過ぎると、正孔がリッジ１１０Ｒから、溝１１０Ｔと電子障壁層１０９との間に流れ込み、漏れ電流となる。このような漏れ電流が増大することを抑制するために、距離ｄｃは可能な限り小さい値に設定される。距離ｄｃは、例えば、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。
【0057】
［１－３．効果］
［１－３－１．各ガイド層］
上述した本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各ガイド層の効果について、比較例の窒化物系半導体発光素子と比較しながら図６～図８を用いて説明する。図６は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。図６のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６の各グラフにおいて、屈折率分布は実線で、光強度分布は破線で、それぞれ示されている。
［１－３－１．各ガイド層］
上述した本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各ガイド層の効果について、比較例の窒化物系半導体発光素子と比較しながら図６～図８を用いて説明する。図６は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。図６のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６の各グラフにおいて、屈折率分布は実線で、光強度分布は破線で、それぞれ示されている。
【0058】
図７は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図７のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子の価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布が示されている。図７のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布が示されている。図７の各グラフにおいて、価電子帯電位は実線で、正孔フェルミ準位は破線で、それぞれ示されている。
【0059】
図８は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向におけるキャリア濃度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図８のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子のキャリア濃度の分布が示されている。図８のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のキャリア濃度の分布が示されている。図８の各グラフにおいて、電子の濃度分布は実線で、正孔の濃度分布は破線で、それぞれ示されている。
【0060】
比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子は、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層の構成において、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。図６のグラフ（ａ）に示される比較例１の窒化物系半導体発光素子は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１１０４と、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＰ側ガイド層１１０６とを備える。図６のグラフ（ｂ）に示される比較例２の窒化物系半導体発光素子は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１２０４と、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＰ側ガイド層１２０６とを備える。図６のグラフ（ｃ）に示される比較例３の窒化物系半導体発光素子は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１３０４と、膜厚２８０ｎｍのＰ側ガイド層１３０６とを備える。比較例３の窒化物系半導体発光素子のＰ側ガイド層１３０６は、活性層１０５の上方に配置される膜厚１４０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層からなるＰ側第１ガイド層１３０６ａと、Ｐ側第１ガイド層１３０６ａの上方に配置され、膜厚１４０ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層からなるＰ側第２ガイド層１３０６ｂとを含む。
【0061】
比較例１の窒化物系半導体発光素子では、Ｎ側ガイド層１１０４及びＰ側ガイド層１１０６の組成が同一であり、Ｎ側ガイド層１１０４の方が、Ｐ側ガイド層１１０６より膜厚が大きい。したがって、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、図６のグラフ（ａ）に示されるように、積層方向における光強度分布のピークがＮ側ガイド層１１０４に位置する。このため、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３３％という低い値となる。また、図７のグラフ（ａ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１１０６において、正孔をＰ側ガイド層１１０６から活性層１０５へ伝導させるために、Ｐ側ガイド層１１０６における活性層１０５から遠い側の界面から、活性層１０５に近い側の界面に近づくにしたがって、正孔フェルミ準位は増大する。一方、価電子帯電位は、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向においてほぼ一定である。このため、Ｐ側ガイド層１１０６における正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差は、活性層１０５に近づくにしたがって大きくなる。このため、図８のグラフ（ａ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向における正孔及び電子の濃度、つまり、フリーキャリア濃度は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって大きくなる。このように、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できないため、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できない。比較例１の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが３．６×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ－３４．１ｎｍ及び－７５．６ｎｍであり、差ΔＰは、４１．５ｎｍである。また、導波路損失は、４．５ｃｍ－１であり、Ｎ側ガイド層１１０４及びＰ側ガイド層１１０６におけるフリーキャリア損失（以下、「ガイド層フリーキャリア損失」とも称する。）は、２．８ｃｍ－１である。
【0062】
比較例２の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層１２０６の膜厚がＮ側ガイド層１２０４の膜厚より大きいため、図６のグラフ（ｂ）に示されるように、積層方向における光強度分布のピークは、比較例１の窒化物系半導体発光素子より活性層１０５に近づく。このため、比較例２の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数は、１．３７％となり、比較例１の窒化物系半導体発光素子より若干改善される。しかしながら、図７のグラフ（ｂ）に示されるように、比較例１と同様に、Ｐ側ガイド層１２０６における正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差は、活性層１０５に近づくにしたがって大きくなる。このため、図８のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１２０６の積層方向における正孔及び電子の濃度、つまり、フリーキャリア濃度は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって大きくなる。このように、Ｐ側ガイド層１２０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できないため、比較例２の窒化物系半導体発光素子では、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できない。比較例２の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが３．３×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ３１．３ｎｍ及び１０．８ｎｍであり、差ΔＰは、２０．５ｎｍである。また、導波路損失は、５．２ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、３．６ｃｍ－１である。
【0063】
比較例３の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層１３０６のうち、活性層１０５から遠い領域であるＰ側第２ガイド層１３０６ｂの屈折率を、活性層１０５から近い領域であるＰ側第１ガイド層１３０６ａの屈折率より小さくしている。これにより、図６のグラフ（ｃ）に示されるように、積層方向における光強度分布のピークは、比較例２の窒化物系半導体発光素子よりさらに活性層１０５に近づく。このため、比較例３の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数は、１．４７％となり、比較例２の窒化物系半導体発光素子よりさらに改善される。しかしながら、Ｐ側第１ガイド層１３０６ａとＰ側第２ガイド層１３０６ｂとの境界面のヘテロ障壁において、ピエゾ分極電荷に起因して、図７のグラフ（ｃ）に示されるように、価電子帯電位の分布にスパイク状の形状の領域が生成される。このため、図８のグラフ（ｃ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１３０６の積層方向における電子の濃度は、価電子帯電位が不連続に変化する部分でスパイク状に増大する。また、Ｐ側ガイド層１３０６における正孔の濃度も１×１０１７ｃｍ－３を超える。このように、Ｐ側ガイド層１３０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できないため、比較例３の窒化物系半導体発光素子では、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できない。比較例３の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが２．５×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ１０．７ｎｍ及び４．４ｎｍであり、差ΔＰは、６．３ｎｍである。また、導波路損失は、３．９３ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、２．５６ｃｍ－１である。
【0064】
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、図６のグラフ（ｄ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。このため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、光閉じ込め係数は、１．４９％となり、比較例３の窒化物系半導体発光素子よりさらに改善される。また、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加するため、図７のグラフ（ｄ）に示されるように、活性層１０５から遠ざかるにしたがって価電子帯電位が連続的に減少する。これにより、Ｐ側ガイド層１０６において、正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差をほぼ一定にすることが可能となる。このため、図８のグラフ（ｄ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６の積層方向における正孔及び電子の濃度を低減し、かつ、ほぼ一定とすることができる。ここで、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの積層方向における増大量（ΔＥｇｐ）が小さいと、その効果が小さくなるため、ΔＥｇｐは１００ｍｅＶ以上であるとよい。逆に、ΔＥｇｐを大きくしすぎると、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーにおける、活性層１０５側の端のバンドギャップエネルギーが小さくなり得る。この場合、Ｐ側ガイド層１０６の価電子帯電位の傾きが大きくなりすぎるため、活性層１０５に注入された正孔がＮ側ガイド層１０４側へ漏れる漏れ電流が発生する。このためΔＥｇｐは４００ｍｅＶ以下であってもよい。
【0065】
このように、Ｐ側ガイド層１０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できるため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できる。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、実効屈折率差ΔＮが２．１×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ１．３ｎｍ及び－４．３ｎｍであり、差ΔＰは、５．６ｎｍである。このように、本実施の形態では、位置Ｐ１及び差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。また、導波路損失は、３．２０ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．８ｃｍ－１である。このように、本実施の形態では、各比較例と比べて、導波路損失及びフリーキャリア損失を低減できる。
【0066】
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層１０６との膜厚の関係による効果について図９～図１３を用いて説明する。図９は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１２は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図９～図１３に係るシミュレーションにおいては、Ｎ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層１０６との膜厚の和を４４０ｎｍで一定に維持しながら、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の各膜厚を変化させている。Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比は４％であり、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５に近い側の界面付近において、４％であり、活性層１０５から遠い側の界面付近において０％である。Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、積層方向において一定の変化率で変化させている。また、図９～図１３には、比較例として、Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比が２％で一定である例のシミュレーション結果も併せて破線で示されている。
【0067】
図９に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、光閉じ込め係数を増大させることができる。なお、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎは、１００ｎｍ以上であってもよい。これにより、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎが薄くなり過ぎることで、光強度分布が活性層１０５からＰ側ガイド層１０６へ向かう向きに移動し過ぎることを抑制できる。また、図９に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比を２％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＰ側ガイド層１０６の膜厚より小さくすることで、光閉じ込め係数を増大させることができるが、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層光閉じ込め係数を増大させることができる。
【0068】
図１０に示されるように、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、Ｉｎ組成比を活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少させた場合の方が、Ｉｎ組成比が２％で一定の場合よりも、導波路損失を低減できる。また、本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を変化させても導波路損失を３．５ｃｍ－１以下でほぼ一定とすることができる。
【0069】
図１１に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、実効屈折率差ΔＮを低減できる。また、図１１に示されるように、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、Ｉｎ組成比が２％で一定である場合より、実効屈折率差ΔＮを低減できる。
【0070】
図１２に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、位置Ｐ１の絶対値を低減できる。なお、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎは、１００ｎｍ以上１９０ｎｍ以下であってもよい。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上４３％以下としてもよい。これにより、位置Ｐ１を－７ｎｍ以上１８ｎｍ以下とすること、つまり、光強度分布のピークを活性層１０５内に位置させることができる。また、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上４３％以下とし、距離ｄｃを４０ｎｍとする場合、図１１に示されるように、実効屈折率差ΔＮを２×１０－３以上２．２×１０－３以下の範囲に維持できる。
【0071】
また、図１２に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比を２％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＰ側ガイド層１０６の膜厚より小さくすることで、位置Ｐ１の絶対値を低減できるが、Ｎ側ガイド層の膜厚が１６０ｎｍ以上の場合には、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層位置Ｐ１の絶対値を低減できる。
【0072】
図１３に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、差ΔＰを低減できる。特に、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上４３％以下とすることで、差ΔＰを２０ｎｍ以下とすることができる。また、図１３に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比を２％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層の膜厚をＰ側ガイド層１０６の膜厚より小さくすることで、差ΔＰを低減できるが、Ｎ側ガイド層の膜厚が１６０ｎｍ以上の場合には、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層差ΔＰを低減できる。
【0073】
［１－３－２．各バリア層］
次に、本実施の形態に係る活性層１０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、上述したように、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとして、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以上とし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同じである比較例４の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例４の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３９％であり、実効屈折率差ΔＮが２．３×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ０．３５ｎｍ及び－２１．９ｎｍであり、差ΔＰは、２２．３ｎｍである。また、導波路損失は、３．４ｃｍ－１であり、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層におけるフリーキャリア損失は、１．８４ｃｍ－１である。このように、比較例４の窒化物系半導体発光素子では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが大きいため、つまり、各バリア層の屈折率が小さいため、光閉じ込め係数が本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より減少している。これに伴い、比較例４の窒化物系半導体発光素子の他の評価指標も、位置Ｐ１を除いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より悪化している。
次に、本実施の形態に係る活性層１０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、上述したように、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとして、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以上とし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同じである比較例４の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例４の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３９％であり、実効屈折率差ΔＮが２．３×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ０．３５ｎｍ及び－２１．９ｎｍであり、差ΔＰは、２２．３ｎｍである。また、導波路損失は、３．４ｃｍ－１であり、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層におけるフリーキャリア損失は、１．８４ｃｍ－１である。このように、比較例４の窒化物系半導体発光素子では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが大きいため、つまり、各バリア層の屈折率が小さいため、光閉じ込め係数が本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より減少している。これに伴い、比較例４の窒化物系半導体発光素子の他の評価指標も、位置Ｐ１を除いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より悪化している。
【0074】
以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下とすることで、光閉じ込め係数を増大させることができる。これに伴い、差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。
【0075】
［１－３－３．Ｐ型クラッド層］
次に、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚について図１４～図１８を用いて説明する。図１４は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１５は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１７は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１８は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図１４～図１８には、比較例として、Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比が２％及び４％でそれぞれ一定である二つの比較例のシミュレーション結果も併せて示されている。また、図１４～図１８には、後述する実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子４００のシミュレーション結果も併せて示されている。
次に、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚について図１４～図１８を用いて説明する。図１４は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１５は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１７は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１８は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図１４～図１８には、比較例として、Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比が２％及び４％でそれぞれ一定である二つの比較例のシミュレーション結果も併せて示されている。また、図１４～図１８には、後述する実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子４００のシミュレーション結果も併せて示されている。
【0076】
図１４に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、各比較例の窒化物系半導体発光素子より光閉じ込め係数を大きくすることができる。また、本実施の形態では、上述した各ガイド層及び各バリア層の構成により、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を２５０ｎｍまで薄くしても、光閉じ込め係数が低下しない。
【0077】
図１５に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、比較例の窒化物系半導体発光素子より導波路損失を低減できる。また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を３００ｎｍ程度まで薄くしても、導波路損失が大幅に増大することを抑制できる。
【0078】
図１６に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、各比較例の窒化物系半導体発光素子より実効屈折率差ΔＮを低減できる。
【0079】
【0080】
以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を低減することが可能となるため、動作電圧を低減できる。
【0081】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。
実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。
【0082】
［２－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１９及び図２０を用いて説明する。図１９は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１９及び図２０を用いて説明する。図１９は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。
【0083】
図１９に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体２００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層２０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0084】
Ｐ側ガイド層２０６では、実施の形態１に係るＰ側ガイド層１０６と同様に、Ｐ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。また、Ｐ側ガイド層２０６は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層２０６は、アンドープＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮ層であり、Ｐ側ガイド層２０６の活性層１０５に近い側の界面からＰ側ガイド層２０６の積層方向の中央部までの領域におけるＩｎ組成比の積層方向における平均変化率は、中央部からＰ側ガイド層２０６のＰ型クラッド層１１０に近い側の界面までの領域におけるＩｎ組成比の積層方向における平均変化率よりも大きい。言い換えると、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の位置とＩｎ組成比との関係を示す曲線は、下に凸な形状を有する。さらに言い換えると、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示す曲線は、上に凸な形状を有する（図２０参照）。
【0085】
本実施の形態では、Ｐ側ガイド層２０６は、Ｐ側第１ガイド層２０６ａと、Ｐ側第２ガイド層２０６ｂとを有する。Ｐ側第１ガイド層２０６ａは、膜厚１４０ｎｍのアンドープＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮ層である。より具体的には、Ｐ側第１ガイド層２０６ａは、活性層１０５に近い側の界面付近においてＩｎＸｐ１Ｇａ１－Ｘｐ１Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い側の界面付近においてＩｎＸｐｍＧａ１－ＸｐｍＮで表される組成を有する。Ｐ側第１ガイド層２０６ａのＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。Ｐ側第２ガイド層２０６ｂは、膜厚１４０ｎｍのアンドープＩｎＸｐＧａ１－ＸｐＮ層である。より具体的には、Ｐ側第２ガイド層２０６ｂは、活性層１０５に近い側の界面付近においてＩｎＸｐｍＧａ１－ＸｐｍＮで表される組成を有し、活性層１０５から遠い側の界面付近においてＩｎＸｐ２Ｇａ１－Ｘｐ２Ｎで表される組成を有する。Ｐ側第２ガイド層２０６ｂのＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。本実施の形態では、Ｘｐ１＝０．０４、Ｘｐｍ＝０．０２、Ｘｐ２＝０である。
【0086】
［２－２．効果］
［２－２－１．フリーキャリア損失］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００のフリーキャリア損失低減効果について図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の積層方向における価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図２２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の積層方向におけるキャリア濃度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
［２－２－１．フリーキャリア損失］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００のフリーキャリア損失低減効果について図２１及び図２２を用いて説明する。図２１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の積層方向における価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図２２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の積層方向におけるキャリア濃度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【0087】
図２１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００では、Ｐ側ガイド層２０６における価電子帯電位を示す曲線を下に凸な形状とすることができる。ここで、Ｐ側ガイド層２０６における正孔フェルミ準位を示す曲線は、下に凸な形状を有する。このため、Ｐ側ガイド層２０６における価電子帯電位を示す曲線を下に凸な形状とすることにより、Ｐ側ガイド層２０６における正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差を、実施の形態１に係るＰ側ガイド層１０６より均一化することができる。したがって、図２２に示されるように、Ｐ側ガイド層２０６の特に活性層１０５に近い領域における正孔の濃度を低減できる。これにより、Ｐ側ガイド層２０６におけるフリーキャリア損失をより一層低減できる。具体的には、本実施の形態では、ガイド層フリーキャリア損失を１．７ｃｍ－１にまで低減でき、導波路損失を３．１ｃｍ－１にまで低減できる。
【0088】
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００では、実効屈折率差ΔＮが１．９×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ－３．８ｎｍ及び－１５．８ｎｍであり、差ΔＰは、１２ｎｍである。このように、本実施の形態では、位置Ｐ１及び差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。
【0089】
［２－２－２．Ｉｎ組成比分布］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００のＰ側ガイド層２０６におけるＩｎ組成比分布の効果について図２３及び図２４を用いて説明する。図２３及び図２４は、それぞれ、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６における平均Ｉｎ組成比と、導波路損失及び光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層２０６の活性層１０５に近い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ１を４％、活性層１０５から遠い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ２を０％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。より具体的には、図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の中央部におけるＩｎ組成比Ｘｐｍを変化させることで、Ｐ側ガイド層２０６における平均Ｉｎ組成比を変化させた場合の、導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。図２３及び図２４に示される例では、平均Ｉｎ組成比が２％未満の場合において、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の位置とＩｎ組成比との関係を示す曲線は、下に凸な形状となる。例えば、平均Ｉｎ組成比が１．５％の場合が、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００に相当し、平均Ｉｎ組成比が２％の場合が、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００に相当する。また、図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００のＰ側ガイド層２０６におけるＩｎ組成比分布の効果について図２３及び図２４を用いて説明する。図２３及び図２４は、それぞれ、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６における平均Ｉｎ組成比と、導波路損失及び光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層２０６の活性層１０５に近い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ１を４％、活性層１０５から遠い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ２を０％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。より具体的には、図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の中央部におけるＩｎ組成比Ｘｐｍを変化させることで、Ｐ側ガイド層２０６における平均Ｉｎ組成比を変化させた場合の、導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。図２３及び図２４に示される例では、平均Ｉｎ組成比が２％未満の場合において、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の位置とＩｎ組成比との関係を示す曲線は、下に凸な形状となる。例えば、平均Ｉｎ組成比が１．５％の場合が、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００に相当し、平均Ｉｎ組成比が２％の場合が、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００に相当する。また、図２３及び図２４には、Ｐ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。
【0090】
図２３及び図２４に示されるように、Ｐ側ガイド層２０６におけるＩｎ組成比が活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｐ側ガイド層２０６におけるＩｎ組成比が均一である場合より、導波路損失を低減でき、かつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。また、平均Ｉｎ組成比が２％未満の場合に、より一層、導波路損失を低減でき、かつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。
【0091】
［２－２－３．各ガイド層の膜厚の関係］
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層２０６との膜厚の関係による効果について図２５～図２９を用いて説明する。図２５は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２６は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２７は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２８は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２９は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２５～図２９に係るシミュレーションにおいては、Ｎ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層２０６との膜厚の和を４４０ｎｍで一定に維持しながら、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６の各膜厚を変化させている。Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比は４％であり、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５に近い側の界面付近において、４％であり、活性層１０５から遠い側の界面付近において０％であり、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の中央部において１％である。また、図２５～図２９には、比較例として、Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比が１．５％で一定である例のシミュレーション結果も併せて破線で示されている。
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層２０６との膜厚の関係による効果について図２５～図２９を用いて説明する。図２５は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２６は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２７は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２８は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２９は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２５～図２９に係るシミュレーションにおいては、Ｎ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層２０６との膜厚の和を４４０ｎｍで一定に維持しながら、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６の各膜厚を変化させている。Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比は４％であり、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５に近い側の界面付近において、４％であり、活性層１０５から遠い側の界面付近において０％であり、Ｐ側ガイド層２０６の積層方向の中央部において１％である。また、図２５～図２９には、比較例として、Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比が１．５％で一定である例のシミュレーション結果も併せて破線で示されている。
【0092】
図２５に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層２０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、光閉じ込め係数を増大させることができる。なお、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎは、１００ｎｍ以上であってもよい。これにより、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎが薄くなり過ぎることで、光強度分布が活性層１０５からＰ側ガイド層２０６へ向かう向きに移動し過ぎることを抑制できる。また、図２５に示されるように、Ｐ側ガイド層２０６のＩｎ組成比を１．５％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＰ側ガイド層の膜厚より小さくすることで、光閉じ込め係数を増大させることができるが、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層光閉じ込め係数を増大させることができる。
【0093】
図２６に示されるように、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６のように、Ｉｎ組成比を活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少させた場合の方が、Ｉｎ組成比が１．５％で一定の場合よりも、導波路損失を低減できる。また、本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を変化させても導波路損失を３．２ｃｍ－１以下でほぼ一定とすることができる。
【0094】
図２７に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層２０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、実効屈折率差ΔＮを低減できる。また、図２７に示されるように、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、Ｉｎ組成比が１．５％で一定である場合より、実効屈折率差ΔＮを低減できる。
【0095】
図２８に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層２０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、位置Ｐ１の絶対値を低減できる。なお、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎは、１００ｎｍ以上１６５ｎｍ以下であってもよい。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上３８％以下としてもよい。これにより、位置Ｐ１を－７ｎｍ以上１８ｎｍ以下とすること、つまり、光強度分布のピークを活性層１０５内に位置させることができる。また、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上３８％以下とし、距離ｄｃを４０ｎｍとする場合、図２７に示されるように、実効屈折率差ΔＮを１．８５×１０－３以上２．０×１０－３以下の範囲に維持できる。
【0096】
また、図２８に示されるように、Ｐ側ガイド層２０６のＩｎ組成比を１．５％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＰ側ガイド層２０６の膜厚より小さくすることで、位置Ｐ１の絶対値を低減できるが、Ｎ側ガイド層の膜厚が１６０ｎｍ以上の場合には、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層位置Ｐ１の絶対値を低減できる。
【0097】
図２９に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層２０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、差ΔＰを低減できる。特に、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上３８％以下とすることで、差ΔＰを１３ｎｍ以下とすることができる。また、図２９に示されるように、Ｐ側ガイド層２０６のＩｎ組成比を１．５％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層の膜厚をＰ側ガイド層２０６の膜厚より小さくすることで、差ΔＰを低減できるが、本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層差ΔＰを低減できる。
【0098】
［２－２－４．バリア層］
次に、本実施の形態に係る活性層１０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとして、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーの最小値以上とし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同じである比較例５の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例５の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３７％であり、実効屈折率差ΔＮが２．７×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ２８．１ｎｍ及び９．２ｎｍであり、差ΔＰは、１８．９ｎｍである。また、導波路損失は、４ｃｍ－１であり、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層におけるフリーキャリア損失は、２．５ｃｍ－１である。このように、比較例５の窒化物系半導体発光素子では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが大きいため、つまり、各バリア層の屈折率が小さいため、光閉じ込め係数が本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００より減少している。これに伴い、比較例５の窒化物系半導体発光素子の他の評価指標も、位置Ｐ２を除いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００より悪化している。
次に、本実施の形態に係る活性層１０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとして、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーの最小値以上とし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同じである比較例５の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例５の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３７％であり、実効屈折率差ΔＮが２．７×１０－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ２８．１ｎｍ及び９．２ｎｍであり、差ΔＰは、１８．９ｎｍである。また、導波路損失は、４ｃｍ－１であり、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層におけるフリーキャリア損失は、２．５ｃｍ－１である。このように、比較例５の窒化物系半導体発光素子では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが大きいため、つまり、各バリア層の屈折率が小さいため、光閉じ込め係数が本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００より減少している。これに伴い、比較例５の窒化物系半導体発光素子の他の評価指標も、位置Ｐ２を除いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００より悪化している。
【0099】
以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００では、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下とすることで、光閉じ込め係数を増大させることができる。これに伴い、差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。
【0100】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ型第１クラッド層とＰ型クラッド層とのＡｌ組成比の関係、及び、電子障壁層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図３０を用いて説明する。
実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ型第１クラッド層とＰ型クラッド層とのＡｌ組成比の関係、及び、電子障壁層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図３０を用いて説明する。
【0101】
図３０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の全体構成を示す模式的な断面図である。
【0102】
図３０に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００は、半導体積層体３００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体３００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層３０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層３０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0103】
本実施の形態に係るＮ型第１クラッド層３０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０３６Ｇａ０．９６４Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層３０２には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
【0104】
本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０は、上述したとおり膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。
【0105】
本実施の形態においては、Ｎ型第１クラッド層３０２及びＰ型クラッド層１１０は、Ａｌを含み、Ｎ型第１クラッド層３０２及びＰ型クラッド層１１０のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ （４）
の関係を満足する。
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ （４）
の関係を満足する。
【0106】
ここで、Ｎ型第１クラッド層３０２及びＰ型クラッド層１１０の少なくとも一方が、超格子構造である場合、組成比Ｙｎｃ及びＹｐｃは、平均のＡｌ組成比を示す。例えば、Ｎ型第１クラッド層３０２が、複数の厚さ２ｎｍのＧａＮ層と、複数の厚さ２ｎｍのＡｌ組成比０．０７のＡｌＧａＮ層とを含み、複数のＧａＮ層の各々と、複数のＡｌＧａＮ層の各々とが交互に積層される場合、ＹｎｃはＮ型第１クラッド層３０２全体での平均のＡｌ組成比である０．０３５となる。Ｐ型クラッド層１１０が、複数の厚さ２ｎｍのＧａＮ層と、複数の厚さ２ｎｍのＡｌ組成比０．０７のＡｌＧａＮ層とを含み、複数のＧａＮ層の各々と、複数のＡｌＧａＮ層の各々とが交互に積層される場合、ＹｐｃはＰ型クラッド層１１０全体での平均のＡｌ組成比である０．０３５となる。
【0107】
これにより、Ｎ型第１クラッド層３０２の屈折率を、Ｐ型クラッド層１１０の屈折率より低減できる。したがって、窒化物系半導体発光素子３００の動作電圧を低減するために、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を低減しても、Ｎ型第１クラッド層３０２の屈折率が、Ｐ型クラッド層１１０の屈折率より小さいため、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５からＮ型第１クラッド層３０２へ近づく向きに移動することを抑制できる。
【0108】
電子障壁層３０９は、活性層１０５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層３０９は、中間層１０８と、Ｐ型クラッド層１１０との間に配置される。電子障壁層３０９は、膜厚５ｎｍのＰ型ＡｌＧａＮ層である。また、電子障壁層３０９は、Ｐ型クラッド層１１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成比増加領域を有する。ここで、Ａｌ組成比が単調に増加する構成には、Ａｌ組成比が積層方向において一定である領域を含む構成も含まれる。例えば、Ａｌ組成比が単調に増加する構成には、Ａｌ組成比がステップ状に増加するような構成も含まれる。本実施の形態に係る電子障壁層３０９においては、電子障壁層３０９全体がＡｌ組成比増加領域であり、積層方向において、一定の変化率でＡｌ組成比が増加する。具体的には、電子障壁層３０９は、中間層１０８との界面付近において、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎで表される組成を有し、Ｐ型クラッド層１１０に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が単調に増加し、Ｐ型クラッド層１１０との界面付近において、Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎで表される組成を有する。電子障壁層３０９には、不純物として濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
【0109】
電子障壁層３０９により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ漏れることを抑制できる。また、電子障壁層３０９が、Ａｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成比増加領域を有することで、Ａｌ組成比が一様である場合より、電子障壁層３０９の価電子帯の電位障壁を低減できる。これにより、Ｐ型クラッド層１１０から活性層１０５へ正孔が流れやすくなる。したがって、本実施の形態のように、アンドープ層であるＰ側ガイド層１０６の膜厚が大きい場合にも、窒化物系半導体発光素子３００の電気抵抗の増大を抑制できる。これにより、窒化物系半導体発光素子３００の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子３００の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子３００の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子３００の高出力動作が可能となる。
【0110】
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが１．９×１０－３であり、位置Ｐ１が５．３ｎｍであり、差ΔＰが４．２ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．５５％であり、導波路損失が３．６ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．４ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子３００を実現できる。
【0111】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、リッジにおけるコンタクト層上に透光性導電膜を備える点において、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００との相違点を中心に図３１を用いて説明する。
実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、リッジにおけるコンタクト層上に透光性導電膜を備える点において、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００との相違点を中心に図３１を用いて説明する。
【0112】
図３１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００は、半導体積層体４００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４と、透光性導電膜４２０とを備える。半導体積層体４００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層３０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層３０９と、Ｐ型クラッド層４１０と、コンタクト層４１１とを有する。
【0113】
本実施の形態に係るＰ型クラッド層４１０は、電子障壁層３０９とコンタクト層４１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層４１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層４１０は、膜厚３３０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。Ｐ型クラッド層４１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層４１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層４１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１８０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
【0114】
Ｐ型クラッド層４１０には、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と同様に、リッジ４１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層４１０には、リッジ４１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝４１０Ｔが形成されている。
【0115】
コンタクト層４１１は、Ｐ型クラッド層４１０の上方に配置され、Ｐ側電極１１３とオーミック接触する層である。本実施の形態では、コンタクト層４１１は、膜厚１０ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層４１１には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
【0116】
本実施の形態に係る透光性導電膜４２０は、Ｐ型クラッド層４１０の上方に配置され、窒化物系半導体発光素子４００で発生する光の少なくとも一部を透過させる導電膜である。透光性導電膜４２０として、例えば、錫ドープの酸化インジウム（ＩＴＯ）、Ｇａドープの酸化亜鉛、Ａｌドープの酸化亜鉛、Ｉｎ及びＧａドープの酸化亜鉛等の、可視光に対して透過性を有し、低抵抗の電気伝導性を示す酸化膜を用いることができる。
【0117】
また、透光性導電膜４２０は、少なくともＰ型クラッド層４１０の上方に形成されていればよく、電流ブロック層１１２とＰ側電極１１３との間に形成されていてもよい。
【0118】
【0119】
さらに、本実施の形態においては、Ｐ型クラッド層４１０の上方に配置される透光性導電膜４２０を備えるため、Ｐ型クラッド層４１０の上方を伝搬する光の損失を低減できる。図１５に示されるように、この効果は、Ｐ型クラッド層４１０の膜厚が薄い場合に特に顕著である。Ｐ型クラッド層４１０の膜厚を０．３２μｍまで薄くしても導波路損失の大幅な増大を抑制できる。さらに、Ｐ型クラッド層４１０の膜厚を０．２５μｍまで薄くしても、Ｐ型クラッド層４１０の膜厚が０．６μｍの場合に比べて、導波路損失の増加量を０．８ｃｍ－１以下に抑制可能である。この増加量は、透光性導電膜４２０を用いない実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００の増加量に比べて、半分以下に抑制できていることがわかる。また、Ｐ型クラッド層４１０の膜厚をより一層低減することが可能となるため、窒化物系半導体発光素子４００の電気抵抗をより一層低減することができる。その結果、窒化物系半導体発光素子４００のスロープ効率を高めることができ、かつ、動作電圧を低減することができる。
【0120】
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．０×１０－３であり、位置Ｐ１が１．４ｎｍであり、差ΔＰが４．０ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．５１％であり、導波路損失が３．８ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．９ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子４００を実現できる。
【0121】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、活性層の構成において、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００との相違点を中心に図３２Ａ及び図３２Ｂを用いて説明する。
実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、活性層の構成において、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００との相違点を中心に図３２Ａ及び図３２Ｂを用いて説明する。
【0122】
図３２Ａは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００が備える活性層５０５の構成を示す断面図である。
【0123】
図３２Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００は、半導体積層体５００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４と、透光性導電膜４２０とを備える。半導体積層体５００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層３０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層５０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層３０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0124】
本実施の形態に係る活性層５０５は、図３２Ｂに示されるように、単一量子井戸構造を有し、単一のウェル層１０５ｂと、ウェル層１０５ｂを挟むバリア層１０５ａ及び１０５ｃとを有する。ウェル層１０５ｂは、実施の形態１に係るウェル層１０５ｂと同様の構成を有し、バリア層１０５ａ及び１０５ｃは、実施の形態１に係るバリア層１０５ａ及び１０５ｃと同様の構成を有する。
【0125】
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００によれば、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００と同様の効果が奏される。特に、上述したような単一量子井戸構造を有する窒化物系半導体発光素子５００においては、活性層５０５が単一のウェル層１０５ｂを有する。このように、屈折率が大きいウェル層１０５ｂの個数が少ない窒化物系半導体発光素子５００においても、Ｎ側ガイド層１０４、Ｐ側ガイド層１０６などの構成により、積層方向における光強度分布のピークを活性層５０５又はその近傍に位置させることができる。したがって、光閉じ込め係数を高めることができる。
【0126】
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．１×１０－３であり、位置Ｐ１が１．１ｎｍであり、差ΔＰが６．０ｎｍであり、活性層５０５への光閉じ込め係数が０．７５％であり、導波路損失が３．８ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．４ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子５００を実現できる。なお、本実施の形態では、活性層５０５の合計膜厚が、実施の形態３に係る活性層１０５より８ｎｍ小さいため、実施の形態３より光閉じ込め係数が小さくなる。
【0127】
（実施の形態６）
実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主にＮ側ガイド層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。
実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主にＮ側ガイド層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。
【0128】
［６－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について、図３３及び図３４を用いて説明する。図３３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について、図３３及び図３４を用いて説明する。図３３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。
【0129】
図３３に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００は、半導体積層体６００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体６００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層６０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層６０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層６１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0130】
本実施の形態に係るＮ型第１クラッド層６０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層６０２には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
【0131】
本実施の形態に係るＰ型クラッド層６１０は、電子障壁層１０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層６１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層６１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層である。Ｐ型クラッド層６１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層６１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層６１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層とを有する。
【0132】
Ｐ型クラッド層６１０には、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、リッジ６１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層６１０には、リッジ６１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝６１０Ｔが形成されている。
【0133】
本実施の形態に係るＮ側ガイド層６０４は、Ｎ型第２クラッド層１０３の上方に配置される光ガイド層である。Ｎ側ガイド層６０４は、Ｎ型第１クラッド層６０２及びＮ型第２クラッド層１０３より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。図３４に示されるように、Ｎ側ガイド層６０４のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。
【0134】
Ｎ側ガイド層６０４が、ＩｎＸｎＧａ１－ＸｎＮからなる場合には、Ｎ側ガイド層６０４のＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する。これにより、Ｎ側ガイド層６０４のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。
【0135】
Ｎ側ガイド層６０４は、膜厚１６０ｎｍのＮ型ＩｎＸｎＧａ１－ＸｎＮ層である。より具体的には、Ｎ側ガイド層６０４は、活性層１０５に近い側の界面付近においてＩｎＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い側の界面付近においてＩｎＸｎ２Ｇａ１－Ｘｎ２Ｎで表される組成を有する。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層６０４の活性層１０５に近い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ１は４％であり、活性層１０５から遠い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ２は０％である。Ｎ側ガイド層６０４のＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。
【0136】
［６－２．効果］
［６－２－１．Ｉｎ組成比分布］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００のＮ側ガイド層６０４におけるＩｎ組成比分布の効果について図３５及び図３６を用いて説明する。図３５及び図３６は、それぞれ、本実施の形態に係るＮ側ガイド層６０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
［６－２－１．Ｉｎ組成比分布］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００のＮ側ガイド層６０４におけるＩｎ組成比分布の効果について図３５及び図３６を用いて説明する。図３５及び図３６は、それぞれ、本実施の形態に係るＮ側ガイド層６０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【0137】
図３５及び図３６には、Ｎ側ガイド層６０４の活性層１０５に近い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ１を４％、活性層１０５から遠い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ２を０％、１％、２％、３％、及び４％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を一定の変化率で減少させた場合の光閉じ込め係数及び動作電圧が示されている。なお、各図には、動作電圧として、供給電流量が３Ａの場合の動作電圧が示されている。また、図３５及び図３６には、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。
【0138】
図３５及び図３６に示されるように、Ｎ側ガイド層６０４におけるＩｎ組成比が活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合より、Ｎ側ガイド層６０４の高屈折率領域を活性層１０５に近接させることができるため、光閉じ込め係数を増大させることができ、かつ、動作電圧を低減できる。また、平均Ｉｎ組成比が２％未満の場合に、より一層、導波路損失を低減でき、かつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。
【0139】
続いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の動作電圧低減効果について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と比較しながら、図３７及び図３８を用いて説明する。図３７は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。図３８は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。図３７及び図３８のグラフ（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）には、それぞれ、各窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係が示されている。なお、図３７及び図３８のグラフ（ｃ）には、正孔フェルミ準位が併せて破線で示されている。
【0140】
図３７のグラフ（ａ）に示されるように、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ側ガイド層１０４のピエゾ分極電荷密度は、積層方向において一定である。このため、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電荷密度のギャップが大きい。これに伴い、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面にピエゾ分極電荷が局所的に形成される。これにより、大きいピエゾ分極電界が発生する。したがって、図３７のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面にスパイク状のピエゾ分極電界が発生する。この結果、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面近傍に、正孔が誘引され、当該界面における伝導帯電位が増大する（図３７のグラフ（ｃ）に示されるΔＥ１参照）。
【0141】
一方、図３８のグラフ（ａ）に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００のＮ側ガイド層６０４の分極電荷密度は、活性層１０５に近い側の界面から遠い側の界面に近づくにしたがって、単調に減少する。このため、Ｎ側ガイド層６０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電荷密度のギャップが抑制される。これにより、ピエゾ分極電荷は、Ｎ側ガイド層６０４の積層方向に分散される。したがって、図３８のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｎ側ガイド層６０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電界を抑制できる。この結果、図３８のグラフ（ｃ）に示されるように、Ｎ側ガイド層６０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面近傍における、正孔が誘引されることに起因する伝導帯電位の増大（図３８のグラフ（ｃ）に示されるΔＥ１）を抑制できる。これにより、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００では、Ｎ型第２クラッド層１０３から活性層１０５へ向かって流れる電子の伝導性を向上させることができるため、動作電圧を低減できる。
【0142】
［６－２－２．Ｎ側ガイド層における不純物］
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層６０４における不純物による効果について図３９～図４１を用いて説明する。図３９、図４０、及び図４１は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００のＮ側ガイド層６０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）、導波路損失、及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図３９～図４１のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、それぞれ、Ｎ側ガイド層６０４における不純物（Ｓｉ）の濃度が、０（つまり、アンドープ）、３×１０１７ｃｍ－３、６×１０１７ｃｍ－３、１×１０１８ｃｍ－３である場合のシミュレーション結果が示されている。なお、図４１には、動作電圧として、供給電流量が３Ａの場合の動作電圧が示されている。
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層６０４における不純物による効果について図３９～図４１を用いて説明する。図３９、図４０、及び図４１は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００のＮ側ガイド層６０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）、導波路損失、及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図３９～図４１のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、それぞれ、Ｎ側ガイド層６０４における不純物（Ｓｉ）の濃度が、０（つまり、アンドープ）、３×１０１７ｃｍ－３、６×１０１７ｃｍ－３、１×１０１８ｃｍ－３である場合のシミュレーション結果が示されている。なお、図４１には、動作電圧として、供給電流量が３Ａの場合の動作電圧が示されている。
【0143】
図３９～図４１には、Ｎ側ガイド層６０４の活性層１０５に近い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ１を４％、活性層１０５から遠い側の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ２を０％、１％、２％、３％、及び４％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を一定の変化率で減少させた場合の光閉じ込め係数及び動作電圧が示されている。また、図３９～図４１には、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。
【0144】
図３９に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００においては、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数を高めることができる。また、図３９から本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００において、光閉じ込め係数は、不純物濃度にはほぼ依存しないことがわかる。
【0145】
図４０に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００においては、不純物を添加しない場合を除いて、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より導波路損失を低減できる。これは、不純物の添加により電子濃度は増大するが、Ｎ側ガイド層６０４の積層方向におけるエネルギーバンドギャップ分布によって正孔濃度が減少することに起因すると考えられる。
【0146】
図４１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００においては、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子６００に添加する不純物の濃度を高めることで、Ｎ側ガイド層６０４における電子濃度を高めることができるため、より一層動作電圧を低減できる。
【0147】
図４０及び図４１より、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００では、Ｎ側ガイド層６０４における不純物濃度を１×１０１７ｃｍ－３以上６×１０１７ｃｍ－３以下とすることで、導波路損失の大幅な増大を抑制しつつ、動作電圧を低減できる。
【0148】
以上のように、本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．９×１０－３であり、位置Ｐ１が１５．９ｎｍであり、差ΔＰが６．２ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．４４％であり、導波路損失が３．４ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．４５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子６００を実現できる。
【0149】
（実施の形態７）
実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主にＰ型クラッド層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図４２を用いて説明する。
実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主にＰ型クラッド層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図４２を用いて説明する。
【0150】
図４２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００の全体構成を示す模式的な断面図である。図４２に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００は、半導体積層体７００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体７００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層７０９と、Ｐ型クラッド層７１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0151】
本実施の形態に係る電子障壁層７０９は、膜厚１．６ｎｍのＰ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。電子障壁層７０９には、不純物として濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
【0152】
本実施の形態に係るＰ型クラッド層７１０は、電子障壁層７０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層７１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。Ｐ型クラッド層７１０には、実施の形態１に係るＰ型クラッド層１１０と同様に、リッジ７１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層７１０には、リッジ７１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝７１０Ｔが形成されている。
【0153】
Ｐ型クラッド層７１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。Ｐ型クラッド層７１０には、不純物としてＭｇがドープされている。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層７１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。また、Ｐ型クラッド層７１０の不純物濃度は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に増加する領域を有する。ここで、不純物濃度が単調に増加する構成には、積層方向において不純物濃度が一定である領域が存在する構成も含まれる。具体的には、Ｐ型クラッド層７１０は、活性層１０５に最も近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、その上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１８０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、その上方に配置される濃度１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１２０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。このように、本実施の形態では、Ｐ型クラッド層７１０は、活性層１０５に最も近い第１層と、第１層より不純物濃度が大きい第２層と、第２層より不純物濃度が大きい第３層とを有する。
【0154】
本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚がＮ側ガイド層１０４の膜厚と比較して大きい。この場合、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５近傍領域に分布するため、Ｐ型クラッド層７１０への光の拡がりが抑制される。したがって、Ｐ型クラッド層７１０における光強度が弱い。このため、Ｐ型クラッド層７１０のコンタクト層１１１に近い領域におけるＭｇ濃度を増加させても導波路損失の増大を抑制できる。また、Ｍｇ濃度を増加させることで、窒化物系半導体発光素子７００の直列抵抗（つまり、Ｐ側電極１１３とＮ側電極１１４との間の抵抗）を低減することが可能となる。
【0155】
例えば、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２００ｎｍ以上の場合には、Ｐ型クラッド層７１０のコンタクト層１１１との界面からの距離が０．１５μｍ以内の領域では、Ｍｇ濃度を１．３×１０１９ｃｍ－３以上に高めても導波路損失の増大を抑制できる程度に、十分に光強度が小さくなる。このようにＰ型クラッド層７１０のＭｇ濃度を高めることで、窒化物系半導体発光素子７００の直列抵抗を低減することが可能となる。なお、Ｐ型クラッド層７１０におけるＭｇ濃度は、１．６×１０１９ｃｍ－３以下であってもよい。これにより、Ｍｇ濃度を高め過ぎることに起因するキャリアの移動度の低下を抑制できるため、直列抵抗の増大を抑制できる。
【0156】
Ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２５０ｎｍ以上の場合には、Ｐ型クラッド層７１０における光強度がさらに弱くなるため、Ｐ型クラッド層７１０におけるＭｇ濃度が最も低い低濃度領域の膜厚を２０ｎｍ以下としても、導波路損失の増大を抑制できる。
【0157】
また、Ｐ型クラッド層７１０において、Ｍｇ濃度を積層方向にステップ状に変化させる必要はなく、連続的に変化させてもよい。例えば、Ｐ型クラッド層７１０におけるＭｇ濃度は以下のような構成を有してもよい。Ｐ型クラッド層７１０の活性層１０５に近い側の界面においては、Ｍｇ濃度は、電子障壁層７０９におけるＭｇ濃度１．５×１０１９ｃｍ－３とほぼ等しい。Ｐ型クラッド層７１０の当該界面からの距離が１００ｎｍ以内の領域において、Ｍｇ濃度が１×１０１８ｃｍ－３から３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲に到達するように、当該界面から遠ざかるにしたがって、Ｍｇ濃度が単調に減少してもよい。このように、Ｐ型クラッド層７１０は、活性層１０５に最も近い領域において、活性層１０５から遠ざかるにしたがって不純物濃度が単調に減少する濃度減少領域を有してもよい。さらに、Ｐ型クラッド層７１０は、濃度減少領域の上方に配置され、積層方向におけるＭｇ濃度の変化が小さく、Ｐ型クラッド層７１０において最もＭｇ濃度が低い低濃度領域を有してもよい。低濃度領域においては、例えば、Ｍｇ濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下である。さらに、Ｐ型クラッド層７１０は、低濃度領域の上方に配置され、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｍｇ濃度が単調に増加する濃度増加領域を有してもよい。濃度増加領域においては、例えば、Ｍｇ濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下の範囲から、１．３×１０１９ｃｍ－３まで単調に増加する。
【0158】
また、濃度増加領域は、活性層１０５に近い側に配置される高増加率領域と、高増加率領域の上方に配置される低増加率領域とを有してもよい。高増加率領域のＭｇ濃度の積層方向における変化率は、低増加率領域のＭｇ濃度の積層方向における変化率より大きい。
【0159】
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが１．９×１０－３であり、位置Ｐ１が３．６ｎｍであり、差ΔＰが２．８ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．５４％であり、導波路損失が３．６ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．４ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子７００を実現できる。
【0160】
（実施の形態８）
実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、電子障壁層の構成において、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子７００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子７００との相違点を中心に図４３及び図４４を用いて説明する。
実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、電子障壁層の構成において、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子７００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子７００との相違点を中心に図４３及び図４４を用いて説明する。
【0161】
図４３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００の全体構成を示す模式的な断面図である。図４４は、本実施の形態に係る電子障壁層８０９の積層方向におけるＡｌ組成比の分布を示すグラフである。図４４に示されるグラフの横軸は積層方向における位置ｘを示し、縦軸はＡｌ組成比を示す。図４４においては、電子障壁層７０９と併せて、中間層１０８及びＰ型クラッド層７１０の一部におけるＡｌ組成比の分布も示されている。
【0162】
図４３に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００は、半導体積層体８００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体８００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層８０９と、Ｐ型クラッド層７１０と、コンタクト層１１１とを有する。
【0163】
本実施の形態に係る電子障壁層８０９は、Ｐ型ＡｌＧａＮ層である。電子障壁層８０９には、不純物として濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。電子障壁層８０９は、Ｐ型クラッド層１１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成比増加領域と、Ａｌ組成比増加領域の上方に配置され、Ｐ型クラッド層７１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調に減少するＡｌ組成比減少領域とを有する。ここで、Ａｌ組成比が単調に減少する構成には、Ａｌ組成比が積層方向において一定である領域を含む構成も含まれる。例えば、Ａｌ組成比が単調に減少する構成には、Ａｌ組成比がステップ状に減少するような構成も含まれる。図４４に示されるグラフにおいて、位置ｘ＝Ｘｓが、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面を指し、位置ｘ＝Ｘｅが電子障壁層８０９のＰ型クラッド層７１０との界面を指す。なお、位置ｘ＝Ｘｓは、Ｐ型クラッド層７１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が増加する領域の端部で定義されてもよい。位置ｘ＝Ｘｅは、Ｐ型クラッド層７１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が減少する領域の端部、言い換えると、積層方向においてＡｌ組成比が一定である領域の端部で定義されてもよい。位置ｘ＝Ｘｍは、電子障壁層８０９においてＡｌ組成比が最大となる位置である。また、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍまでの領域が、Ａｌ組成比増加領域であり、位置ｘ＝Ｘｍから位置ｘ＝Ｘｅまでの領域が、Ａｌ組成比減少領域である。
【0164】
電子障壁層８０９の膜厚は、５ｎｍ以下である。Ａｌ組成比増加領域の膜厚は、２ｎｍ以下である。Ａｌ組成比減少領域の膜厚は、Ａｌ組成比増加領域の膜厚より大きい。電子障壁層８０９においてＡｌ組成比が最大である領域の膜厚は、０．５ｎｍ以下である。ここで、Ａｌ組成比が最大である領域とは、Ａｌ組成比が、電子障壁層８０９におけるＡｌ組成比の最大値の９５％以上である領域を意味する。
【0165】
図４４に示されるグラフには、電子障壁層８０９の積層方向における位置に対するＡｌ組成比の分布を示す曲線ｆ（ｘ）と併せて直線ｇ（ｘ）及びｈ（ｘ）が示されている。直線ｇ（ｘ）は、曲線ｆ（ｘ）の位置ｘ＝Ｘｓにおける点と、位置ｘ＝Ｘｍにおける点とを通る直線である。直線ｈ（ｘ）は、曲線ｆ（ｘ）の位置ｘ＝Ｘｍにおける点と、位置ｘ＝Ｘｅにおける点とを通る直線である。図４４に示されるように、曲線ｆ（ｘ）は、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍの範囲において、下に凸の曲線である。また、曲線ｆ（ｘ）は、位置ｘ＝Ｘｍから位置ｘ＝Ｘｅの範囲において、下に凸の曲線である。言い換えると、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの中間点に相当する位置ｘ＝Ｘｄ１においてｆ（Ｘｄ１）＜ｇ（Ｘｄ１）である。また、位置ｘ＝Ｘｍと位置ｘ＝Ｘｅとの中間点に相当する位置ｘ＝Ｘｄ２においてｆ（Ｘｄ２）＜ｈ（Ｘｄ２）である。
【0166】
以上のように、電子障壁層８０９の活性層１０５に近い側のＡｌ組成比を傾斜させることで、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面で形成される正のピエゾ分極電荷をＡｌ組成比増加領域に分散させることができる。これに伴い、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面において、正のピエゾ分極電荷により誘引される電子濃度が低減される。この結果、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面の価電子帯のポテンシャルエネルギーの低下を抑制できる。これにより、Ｐ型クラッド層７１０から活性層１０５へ流れる正孔に対する電位障壁が小さくなり動作電圧が低減する。
【0167】
また、Ａｌ組成比が最大である領域の膜厚を０．５ｎｍ以下とすることで、正孔に対する価電子帯での電位障壁を小さくすることができ、動作電圧を低減することができる。
【0168】
また、電子障壁層８０９の膜厚を５ｎｍ以下とすることで、電子障壁層８０９で形成される価電子帯の電位障壁の幅（つまり厚さ）を狭めることができる。この結果、正孔に対するＰ型クラッド層７１０から活性層１０５への電気伝導障壁を小さくすることができるため、動作電圧が低減する。ここで、電子障壁層８０９の膜厚が２ｎｍより薄くなると活性層１０５からＰ型クラッド層７１０へ電子障壁層８０９を超えて流れる電子が増大するため、電子障壁層８０９の膜厚は２ｎｍ以上必要である。
【0169】
また、Ａｌ組成比増加領域の膜厚が、２ｎｍ以下の場合、電子障壁層８０９の膜厚を５ｎｍ以下としつつ、電子障壁層８０９のＡｌ組成比減少領域の膜厚をＡｌ組成比増加領域の膜厚より大きくすることで、活性層１０５からＰ型クラッド層７１０へ電子障壁層８０９を超えて流れる電子の発生を抑制することができる。
【0170】
また、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面近傍に形成される正のピエゾ分極電荷は、Ａｌ組成比の変化率が相対的に小さい中間層１０８に近い領域より、Ａｌ組成比の変化率が相対的に大きい領域の方が多くなる。電子障壁層８０９のＡｌ組成比増加領域における曲線ｆ（ｘ）の形状を下に凸とすることで、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面近傍におけるＡｌ組成比の変化率を小さくできるため、当該界面において正のピエゾ分極電荷を低減できる。したがって、当該界面において正のピエゾ分極電荷により誘引される電子濃度が低下する。これに伴い、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面における正孔に対する価電子帯の電位障壁を小さくすることができる。
【0171】
さらに、電子障壁層８０９のＡｌ組成比減少領域における曲線ｆ（ｘ）の形状を下に凸とすることで、位置ｘ＝Ｘｍ近傍のＡｌ組成比の高い領域の膜厚を薄くすることができ、電子障壁層８０９で形成される価電子帯の電位障壁の幅をさらに狭めることができる。この結果、正孔のＰ型クラッド層７１０から活性層１０５への電気伝導障壁を小さくすることができ、動作電圧が低減する。
【0172】
本実施の形態に係る電子障壁層８０９におけるＭｇ濃度は１．５×１０１９ｃｍ－３以下であってもよい。電子障壁層８０９の活性層１０５に近い側の領域（つまり、Ａｌ組成比増加領域）におけるＡｌ組成が傾斜しているため、Ｍｇ濃度を１．５×１０１９ｃｍ－３以下としても電子障壁層８０９における正孔に対する電位障壁を小さくすることができる。これにより、電子障壁層８０９のＡｌ組成比を３０％以上に高めても動作電圧の増大を抑制できる。
【0173】
また、電子障壁層８０９の活性層１０５に近い側の領域（つまり、Ａｌ組成比増加領域）における曲線ｆ（ｘ）の形状を下に凸とすることで、価電子帯の電位障壁形成抑制効果が高まり、Ｍｇ濃度を１×１０１９ｃｍ－３以下とすることが可能となる。なお、Ｍｇ濃度を０．７×１０１８ｃｍ－３以上としてもよい。これにより、電子障壁層８０９の価電子帯の電位が低下し過ぎることを抑制できる。
【0174】
本実施の形態では、電子障壁層８０９は、中間層１０８との界面付近において、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎで表される組成を有し、Ｐ型クラッド層７１０に近づくにしたがって、電子障壁層８０９のＡｌ組成比が単調に増加する。そして、電子障壁層８０９の中間層１０８との界面からの距離が１ｎｍである位置ｘ＝Ｘｍにおいて、電子障壁層８０９は、Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎで表される組成を有する。位置ｘ＝ＸｍからＰ型クラッド層７１０に近づくにしたがって、電子障壁層８０９のＡｌ組成比が単調に減少する。電子障壁層８０９は、Ｐ型クラッド層７１０との界面付近において、Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎで表される組成を有する。
【0175】
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが１．９×１０－３であり、位置Ｐ１が３．６ｎｍであり、差ΔＰが２．８ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．５４％であり、導波路損失が３．６ｃｍ－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．４ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子８００を実現できる。
【0176】
（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物系半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
以上、本開示に係る窒化物系半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【0177】
例えば、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子が半導体レーザ素子である例を示したが、窒化物系半導体発光素子は、半導体レーザ素子に限定されない。例えば、窒化物系半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。この場合、窒化物系半導体発光素子が備える半導体積層体の端面の半導体積層体からの出射光に対する反射率は、０．１％以下であってもよい。このような反射率は、例えば、端面に、誘電体多層膜などからなる反射防止膜を形成することによって実現できる。又は、導波路となるリッジがフロント端面の法線方向から５°以上傾いてフロント端面と交わる傾斜ストライプ構造とすれば、フロント端面で反射した導波光が再び導波路と結合し導波光となる成分の割合を０．１％以下の小さい値とすることができる。特に、出射光の波長を４３０ｎｍ以上４５５ｎｍ以下の帯域とする場合には、活性層１０５のウェル層１０５ｂ及び１０５ｄの膜厚が３５Å以下となる。この場合、本開示に係る窒化物系半導体発光素子による低導波路損失効果、活性層１０５への光閉じ込め係数増大効果により、端面の反射率を低減しても、光増幅利得を確保できる。また、このような窒化物系半導体発光素子を波長選択素子を含む外部共振器内に配置する場合、窒化物系半導体発光素子の自己発熱を低減でき、かつ、出射光の波長変動を抑制できるため、所望の選択波長での発振を実現しやすくなる。
【0178】
また、上記実施の形態１～４、６においては、窒化物系半導体発光素子は、活性層１０５の構造としてウェル層を２層含む構造を有していたが、単一のウェル層のみを含む構造であってもよい。このように、活性層に含まれる屈折率の高いウェル層が１層のみである場合においても、本開示のＮ側ガイド層、及びＰ側ガイド層を用いれば、垂直方向の光分布の位置の制御性を高めることができるため、垂直方向の光分布のピークをウェル層近傍に位置させることができる。したがって、低発振しきい値、低導波路損失、高い光閉じ込め係数、及び、線形性にすぐれた電流－光出力（ＩＬ）特性を有する窒化物系半導体発光素子を実現することができる。
【0179】
また、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子は、単一のリッジを有したが、窒化物系半導体発光素子は、複数のリッジを備えてもよい。このような窒化物系半導体発光素子について、図４５を用いて説明する。図４５は、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子９００の全体構成を示す模式的な断面図である。図４５に示されるように、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子９００は、複数の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００が水平方向にアレイ状に配列された構成を有する。図４５では、窒化物系半導体発光素子９００は、３個の窒化物系半導体発光素子１００が一体的に配列された構成を有するが、窒化物系半導体発光素子９００が備える窒化物系半導体発光素子１００の個数は３個に限定されない。窒化物系半導体発光素子９００が備える窒化物系半導体発光素子１００の個数は、２個以上であればよい。各窒化物系半導体発光素子１００は、光を出射する光出射部１００Ｅを有する。光出射部１００Ｅは、活性層１０５のうち、光を出射する部分であり、活性層１０５のうちリッジ１１０Ｒの下方に位置する部分に相当する。このように、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子９００は、アレイ状に配列される複数の光出射部１００Ｅを有する。これにより、一つの窒化物系半導体発光素子９００から複数の出射光を得られるため、高出力の窒化物系半導体発光素子９００を実現できる。なお、変形例１では、窒化物系半導体発光素子９００は、複数の窒化物系半導体発光素子１００を備えたが、窒化物系半導体発光素子９００が備える複数の窒化物系半導体発光素子はこれに限定されず、他の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子であってもよい。
【0180】
また、図４６に示される変形例２に係る窒化物系半導体発光素子９００ａのように、個々の光出射部１００Ｅが、幅（Ｘ軸方向における寸法）８μｍ以上２０μｍ以下、深さ（Ｚ軸方向における寸法）１．０μｍ以上１．５μｍ以下の分離溝１００Ｔで分離されていてもよい。この様な構造を採用することで、隣り合う光出射部１００Ｅ間の間隔が３００μｍ以下に狭くなった場合でも、個々の光出射部１００Ｅの動作中の自己発熱による熱干渉を低減することができる。
【0181】
また、本開示の半導体レーザ装置はΔＮが小さく水平拡がり角を小さくすることが可能であるので、図４５及び図４６に示される光出射部１００Ｅの中心間の距離を狭くしても個々の光出射部１００Ｅからの出射光同士が干渉しにくくなり、光出射部１００Ｅの中心間の距離を２５０μｍ以下に狭くすることができる。変形例２では、当該距離は２２５μｍである。
【0182】
また、上記各実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ型第２クラッド層１０３、中間層１０８、電子障壁層１０９、及び電流ブロック層１１２を備えるが、これらの層を必ずしも備えなくてもよい。
【0183】
また、Ｐ型クラッド層１１０、４１０、及び６１０は、Ａｌ組成比が均一な層であったが、各Ｐ型クラッド層の構成はこれに限定されない。例えば、各Ｐ型クラッド層は、複数のＡｌＧａＮ層の各々と、複数のＧａＮ層の各々とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。具体的には、各Ｐ型クラッド層は、例えば、厚さ１．８５ｎｍのＡｌ組成比０．０５２（５．２％）のＡｌＧａＮ層と、厚さ１．８５ｎｍのＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。この場合、各Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比は、超格子構造における平均のＡｌ組成比０．０２６（２．６％）で定義される。
【0184】
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【0185】
例えば、実施の形態１に係る各クラッド層の構成を実施の形態３及び４に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。また、実施の形態３に係る透光性導電膜を実施の形態１及び４に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0186】
本開示の窒化物系半導体発光素子は、例えば、高出力かつ高効率な光源として加工機用の光源などに適用できる。
【符号の説明】
【0187】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、９００ａ 窒化物系半導体発光素子
１００Ｅ 光出射部
１００Ｆ、１００Ｒ 端面
１００Ｔ 分離溝
１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ、４００Ｓ、５００Ｓ、６００Ｓ、７００Ｓ、８００Ｓ 半導体積層体
１０１ 基板
１０２、３０２、６０２ Ｎ型第１クラッド層
１０３ Ｎ型第２クラッド層
１０４、６０４、１１０４、１２０４、１３０４ Ｎ側ガイド層
１０５、５０５ 活性層
１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅ バリア層
１０５ｂ、１０５ｄ ウェル層
１０６、２０６、１１０６、１２０６、１３０６ Ｐ側ガイド層
１０８ 中間層
１０９、３０９、７０９、８０９ 電子障壁層
１１０、４１０、６１０、７１０ Ｐ型クラッド層
１１０Ｒ、４１０Ｒ、６１０Ｒ、７１０Ｒ リッジ
１１０Ｔ、４１０Ｔ、６１０Ｔ、７１０Ｔ 溝
１１１、４１１ コンタクト層
１１２ 電流ブロック層
１１３ Ｐ側電極
１１４ Ｎ側電極
２０６ａ、１３０６ａ Ｐ側第１ガイド層
２０６ｂ、１３０６ｂ Ｐ側第２ガイド層
４２０ 透光性導電膜
１００Ｅ 光出射部
１００Ｆ、１００Ｒ 端面
１００Ｔ 分離溝
１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ、４００Ｓ、５００Ｓ、６００Ｓ、７００Ｓ、８００Ｓ 半導体積層体
１０１ 基板
１０２、３０２、６０２ Ｎ型第１クラッド層
１０３ Ｎ型第２クラッド層
１０４、６０４、１１０４、１２０４、１３０４ Ｎ側ガイド層
１０５、５０５ 活性層
１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅ バリア層
１０５ｂ、１０５ｄ ウェル層
１０６、２０６、１１０６、１２０６、１３０６ Ｐ側ガイド層
１０８ 中間層
１０９、３０９、７０９、８０９ 電子障壁層
１１０、４１０、６１０、７１０ Ｐ型クラッド層
１１０Ｒ、４１０Ｒ、６１０Ｒ、７１０Ｒ リッジ
１１０Ｔ、４１０Ｔ、６１０Ｔ、７１０Ｔ 溝
１１１、４１１ コンタクト層
１１２ 電流ブロック層
１１３ Ｐ側電極
１１４ Ｎ側電極
２０６ａ、１３０６ａ Ｐ側第１ガイド層
２０６ｂ、１３０６ｂ Ｐ側第２ガイド層
４２０ 透光性導電膜
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32A】
【図32B】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】