(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置されると共にｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体（０．０４≦ｘ≦０．０６）からなる第１光ガイド層と、
前記第１光ガイド層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されると共にＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体（０．０１≦ｙ≦０．０３）からなる第２光ガイド層と、を備える、窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２光ガイド層がＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体（０．０１≦ｙ≦０．０２５）からなる、請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２光ガイド層の導電型がｐ型である、請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体基板の主面が半極性主面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】
前記半極性主面が、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から前記窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜している、請求項４に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項６】
前記半極性主面の前記ｍ軸方向への傾斜角度が６３°以上８０°未満である、請求項５に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層が、５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な量子井戸構造を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項８】
前記活性層における井戸層の数が３以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１光ガイド層の膜厚が３０〜２００ｎｍである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第２光ガイド層の膜厚が３０〜２００ｎｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、活性層、電子ブロック層、ｐ型光ガイド層及びｐ型クラッド層が半導体基板上にこの順に積層されてなる半導体発光素子が知られている（例えば、下記非特許文献１参照）。非特許文献１に記載された半導体発光素子では、ｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層が互いに同じ組成を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Journal  of  Applied  physics、107、023101（2010）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、窒化ガリウム系半導体発光素子に対しては、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点から、クラッド層のＩｎ組成やＡｌ組成を大きくして屈折率を小さくすることや、光ガイド層のＩｎ組成を大きくして屈折率を大きくすることが検討されている。しかしながら、これらの場合、Ｉｎ組成やＡｌ組成の増加に伴い、ＧａＮ等からなる半導体基板と各半導体層との格子不整合が大きくなり正孔や電子の移動度が低下するため、各半導体層の比抵抗が増大してしまい動作電圧が高くなる。そのため、窒化ガリウム系半導体発光素子に対しては、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが求められている。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決しようとするものであり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが可能な窒化ガリウム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】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の知見を見出した。すなわち、上部ＩｎＧａＮ半導体層及び下部ＩｎＧａＮ半導体層に活性層が挟まれた積層構造を半導体基板上に有する窒化ガリウム系半導体発光素子において、活性層上に位置する上部ＩｎＧａＮ半導体層では、正孔の移動度が低いこと等に起因して、活性層の下に位置する下部ＩｎＧａＮ半導体層に比してＩｎ組成の増加に伴い比抵抗が増加し易い。そのため、上部ＩｎＧａＮ半導体層では、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点からＩｎ組成を高めると、比抵抗が顕著に大きくなり動作電圧が高くなる。
【０００７】
一方、下部ＩｎＧａＮ半導体層では、上部ＩｎＧａＮ半導体層に比してＩｎ組成の増加に伴い比抵抗が増加し難く、Ｉｎ組成を高めた場合であっても比抵抗の増加量が少なく、動作電圧が高くなることを抑制することができる。また、このような現象は、下部ＩｎＧａＮ半導体層の導電型がｎ型である場合に顕著に確認される。そのため、このようなｎ型の下部ＩｎＧａＮ半導体層では、Ｉｎ組成を高めることにより、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【０００８】
すなわち、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に配置されると共にｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体（０．０４≦ｘ≦０．０６）からなる第１光ガイド層と、第１光ガイド層上に配置された活性層と、活性層上に配置されると共にＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体（０．０１≦ｙ≦０．０３）からなる第２光ガイド層と、を備える。
【０００９】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体からなる第２光ガイド層の比抵抗は、ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体からなる第１光ガイド層に比してＩｎ組成の増加に伴い増加し易く、第１光ガイド層の比抵抗は、第２光ガイド層に比してＩｎ組成の増加に伴い比抵抗が増加し難い。本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、第２光ガイド層のＩｎ組成ｙを低くして０．０１≦ｙ≦０．０３の範囲に調整しつつ、第１光ガイド層のＩｎ組成ｘを高くして０．０４≦ｘ≦０．０６の範囲に調整している。このようにＩｎ組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のＩｎ組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることができる。したがって、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子では、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【００１０】
半導体基板の主面は、半極性主面であってもよく、当該半極性主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面（ｃ面（｛０００１｝面））から窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。
【００１１】
半極性主面のｍ軸方向への傾斜角度は、６３°以上８０°未満であることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。
【００１２】
活性層は、５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な量子井戸構造を有していてもよい。
【００１３】
活性層における井戸層の数は、３以下であってもよい。
【００１４】
第１光ガイド層の膜厚は、３０〜２００ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。
【００１５】
第２光ガイド層の膜厚は、３０〜２００ｎｍであることが好ましい。この場合、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することが可能な窒化ガリウム系半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す模式断面図である。
【図２】比抵抗とＩｎ組成との関係を示す図面である。
【図３】窒化ガリウム系半導体発光素子の内部ロスとＩｎ組成との関係を示す図面である。
【図４】動作電圧とＩｎ組成との関係を示す図面である。
【図５】レーザの縦方向広がり角とＩｎ組成との関係を示す図面である。
【図６】閾値電流及びＩｎ組成の関係と、スロープ効率及びＩｎ組成の関係とを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る窒化ガリウム系半導体発光素子を示す模式断面図である。本実施形態に係る半導体レーザ（窒化ガリウム系半導体発光素子）１は、半導体基板１０、半導体領域２０、活性層３０及び半導体領域４０を備えている。
【００２０】
半導体基板１０は、例えば、ＧａＮ基板等の窒化ガリウム系半導体基板である。半導体基板１０は、互いに対向する表面１０ａと裏面１０ｂとを有している。半導体基板１０の表面１０ａは、例えば、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のｍ軸方向に傾斜した半極性主面である。表面１０ａのｍ軸方向への傾斜角度は、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を更に低減する観点から、６３°以上８０°未満が好ましく、７０°以上８０°未満がより好ましく、７１°以上７９°以下が更に好ましい。
【００２１】
半導体レーザ１は、半導体領域２０、活性層３０及び半導体領域４０を半導体基板１０の表面１０ａ上に表面１０ａの法線方向にエピタキシャル成長させて形成される。半導体基板１０の表面１０ａ上にエピタキシャル成長する半導体領域（半導体領域２０、活性層３０、半導体領域４０）の各構成層の主面は、表面１０ａの結晶方位を引き継ぐ傾向がある。
【００２２】
半導体領域２０は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、一又は複数のＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層を有している。半導体領域２０における少なくとも一つのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層のＩｎ組成ｘは、０．０４≦ｘ≦０．０６であり、０．０４≦ｘ≦０．０５が好ましい。また、半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層のＩｎ組成ｘが０．０４≦ｘ≦０．０６であることが好ましい。半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層のＩｎ組成ｘが０．０４未満であると、光閉じ込め効率が充分に向上せず、閾値電流が低減しなくなる。半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層のＩｎ組成ｘが０．０６を超えると、半導体基板１０との格子不整合が増大し、動作電圧が増加してしまう。
【００２３】
また、半導体領域２０における少なくとも一つのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層の膜厚は、３０〜２００ｎｍが好ましく、１００〜１５０ｎｍがより好ましい。また、半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層の膜厚が３０〜２００ｎｍであることが好ましい。半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層の膜厚が３０ｎｍ未満であると、閾値電流が増加する傾向がある。半導体領域２０における全てのＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層の膜厚が２００ｎｍを超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
【００２４】
半導体領域２０は、例えば、バッファ層２０ａ、下部クラッド層２０ｂ、下部光ガイド層２０ｃ及び下部光ガイド層２０ｄを有しており、ＩｎＧａＮ半導体層である下部光ガイド層（第１光ガイド層）２２として下部光ガイド層２０ｄを有している。
【００２５】
バッファ層２０ａは、半導体基板１０の表面１０ａ上に配置されており、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。バッファ層２０ａのｎ型ドーパント濃度は、例えば３×１０１８／ｃｍ３である。バッファ層２０ａの膜厚は、例えば１．１μｍである。
【００２６】
下部クラッド層２０ｂは、バッファ層２０ａ上に配置されており、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層等）である。下部クラッド層２０ｂのｎ型ドーパント濃度は、例えば１×１０１８〜５×１０１８／ｃｍ３である。下部クラッド層２０ｂの膜厚は、例えば１．２μｍである。
【００２７】
下部光ガイド層２０ｃは、下部クラッド層２０ｂ上に配置されており、例えば、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。下部光ガイド層２０ｃのｎ型ドーパント濃度は、例えば１×１０１８〜３×１０１８／ｃｍ３である。下部光ガイド層２０ｃの膜厚は、例えば０．２５０μｍである。
【００２８】
下部光ガイド層２０ｄは、バッファ層２０ａ、下部クラッド層２０ｂ及び下部光ガイド層２０ｃを介して半導体基板１０上に配置されている。下部光ガイド層２０ｄは、Ｓｉ等をｎ型ドーパントとして含有するｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層（Ｉｎ０．０２５Ｇａ０。９７５Ｎ半導体層等）である。下部光ガイド層２０ｄの膜厚は、例えば０．１１５μｍである。
【００２９】
下部光ガイド層２０ｄのｎ型ドーパント濃度は、１×１０１７〜３×１０１８／ｃｍ３が好ましく、２×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３がより好ましい。下部光ガイド層２０ｄのｎ型ドーパント濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であると、動作電圧が増加する傾向がある。下部光ガイド層２０ｄのｎ型ドーパント濃度が３×１０１８／ｃｍ３を超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
【００３０】
活性層３０は、下部光ガイド層２０ｄ上に配置されており、下部光ガイド層２０ｄの主面２０ｓに接合している。活性層３０は、例えば単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）や多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。活性層３０は、例えば５１０〜５５０ｎｍの光を発生可能な量子井戸構造を有している。活性層３０における井戸層の数は、例えば３以下であり、２以下であってもよい。本実施形態では、活性層３０は、単一の井戸層から構成されている。活性層３０は、例えばＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ等の窒化ガリウム系半導体層であり、例えばノンドープである。活性層３０を構成する井戸層の膜厚は、例えば３ｎｍである。
【００３１】
半導体領域４０は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層から構成されており、半導体領域４０は、一又は複数のＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層を有している。半導体領域４０における少なくとも一つのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層のＩｎ組成ｙは、０．０１≦ｙ≦０．０３であり、０．０２≦ｙ≦０．０３が好ましい。また、半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層のＩｎ組成ｙが０．０１≦ｙ≦０．０３であることが好ましい。半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層のＩｎ組成ｙが０．０１未満であると、光閉じ込め効率が充分に向上せず、閾値電流が低減しなくなる。半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層のＩｎ組成ｙが０．０３を超えると、半導体基板１０との格子不整合が増大し、動作電圧が増加してしまう。
【００３２】
また、半導体領域４０における少なくとも一つのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の膜厚は、３０〜２００ｎｍが好ましく、１００〜１５０ｎｍがより好ましい。また、半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の膜厚が３０〜２００ｎｍであることが好ましい。半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の膜厚が３０ｎｍ未満であると、閾値電流が増加する傾向がある。半導体領域４０における全てのＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の膜厚が２００ｎｍを超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
【００３３】
半導体領域４０は、例えば、上部光ガイド層４０ａ、電子ブロック層４０ｂ、上部光ガイド層４０ｃ、上部光ガイド層４０ｄ、上部クラッド層４０ｅ及びコンタクト層４０ｆを有しており、ＩｎＧａＮ半導体層である上部光ガイド層（第２光ガイド層）４２として上部光ガイド層４０ａ及び上部光ガイド層４０ｃを有している。上部光ガイド層４０ａがＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ半導体層であり、上部光ガイド層４０ｃがＩｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ半導体層であるとした場合に、本実施形態では、上部光ガイド層４０ａ又は上部光ガイド層４０ｃの少なくとも一方のＩｎ組成（ｙ１、ｙ２）が０．０１〜０．０３であればよい。
【００３４】
上部光ガイド層４０ａは、活性層３０上に配置されており、活性層３０の主面３０ｓに接合している。上部光ガイド層４０ａは、例えばノンドープのＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ半導体層（Ｉｎ０．０２５Ｇａ０。９７５Ｎ半導体層等）である。上部光ガイド層４０ａの膜厚は、例えば０．０７５μｍである。
【００３５】
電子ブロック層４０ｂは、上部光ガイド層４０ａ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。電子ブロック層４０ｂのｐ型ドーパント濃度は、例えば１×１０１９／ｃｍ３である。電子ブロック層４０ｂの膜厚は、例えば２０ｎｍである。
【００３６】
上部光ガイド層４０ｃは、電子ブロック層４０ｂ上に配置されている。上部光ガイド層４０ｃは、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ半導体層（Ｉｎ０．０２５Ｇａ０。９７５Ｎ半導体層等）である。上部光ガイド層４０ｃの膜厚は、例えば０．０５０μｍである。
【００３７】
上部光ガイド層４０ｃのｐ型ドーパント濃度は、１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３が好ましく、２×１０１８〜７×１０１８／ｃｍ３がより好ましい。上部光ガイド層４０ｃのｐ型ドーパント濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満であると、動作電圧が増加する傾向がある。上部光ガイド層４０ｃのｐ型ドーパント濃度が１×１０１９／ｃｍ３を超えると、閾値電流が増加する傾向がある。
【００３８】
ここで、ｐ型のＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の比抵抗とＩｎ組成ｙとの関係の測定結果を図２に示す。縦軸はＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層の比抵抗（Ω・ｃｍ）を示し、横軸はＩｎ組成ｙを示す。ｐ型ドーパントとしてＭｇを用い、ｐ型ドーパント濃度を３×１０１８／ｃｍ３に調整して測定を行った。
【００３９】
図２を参照すると、Ｉｎ組成ｙの増加に伴い比抵抗が顕著に増加することが確認される。Ｉｎ組成ｙが増加するに伴い、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層における半導体基板１０との格子不整合が増大したため、比抵抗が増加したものと推測される。
【００４０】
上部光ガイド層４０ｄは、上部光ガイド層４０ｃ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。上部光ガイド層４０ｄのｐ型ドーパント濃度は、例えば２×１０１８〜２×１０１９／ｃｍ３である。上部光ガイド層４０ｄの膜厚は、例えば０．２５０μｍである。
【００４１】
上部クラッド層４０ｅは、上部光ガイド層４０ｄ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層（Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層等）である。上部クラッド層４０ｅのｐ型ドーパント濃度は、例えば５×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３である。上部クラッド層４０ｅの膜厚は、例えば０．４０μｍである。
【００４２】
コンタクト層４０ｆは、上部クラッド層４０ｅ上に配置されており、例えば、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ＋型窒化ガリウム系半導体層（ＧａＮ層等）である。コンタクト層４０ｆのｐ型ドーパント濃度は、例えば３×１０１９／ｃｍ３である。コンタクト層４０ｆの膜厚は、例えば０．０５０μｍである。
【００４３】
本発明者の知見によれば、ＩｎＧａＮ半導体層である下部光ガイド層２２及び上部光ガイド層４２に活性層３０が挟まれた積層構造を半導体基板１０上に有する半導体レーザ１において、活性層３０上に位置する上部光ガイド層４２では、正孔の移動度が低いことや、上部光ガイド層４２がｐ型半導体である場合にはドーパント（例えばＭｇ）のアクセプタ準位が高いことに起因して、活性層３０の下に位置する下部光ガイド層２２に比してＩｎ組成の増加に伴い比抵抗が増加し易い。そのため、上部光ガイド層４２では、光閉じ込め効率を向上させて閾値電流を低減する観点からＩｎ組成を高めると、比抵抗が顕著に大きくなり動作電圧が高くなる。
【００４４】
一方、下部光ガイド層２２では、上部光ガイド層４２に比してＩｎ組成の増加に伴い比抵抗が増加し難く、Ｉｎ組成を高めた場合であっても比抵抗の増加量が少なく、動作電圧が高くなることを抑制することができる。また、このような現象は、下部光ガイド層２２の導電型がｎ型である場合に顕著に確認される。そのため、このような下部光ガイド層２２では、Ｉｎ組成を高めることにより、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【００４５】
また、上部光ガイド層４２では、比抵抗を低減する観点から、下部光ガイド層２２に比してドーパント濃度を高くする傾向がある。しかしながら、このようにドーパント濃度を高くすると、光の吸収（内部ロス）が大きくなるため閾値電流が高くなる。そのため、このような上部光ガイド層４２のＩｎ組成を高めて屈折率を高めると、上部光ガイド層４２に光が集中し光が吸収されてしまい易く、閾値電流が更に高くなる。
【００４６】
一方、下部光ガイド層２２では、上部光ガイド層４２に比して比抵抗が低くなり易いことから、ドーパント濃度を低く抑えることができる。そのため、このような下部光ガイド層２２では、Ｉｎ組成を高めて屈折率が増加し下部光ガイド層２２に光が集中する場合であっても、光の吸収（内部ロス）が増加することを抑制しつつ、光閉じ込め効率を良くして閾値電流を低減することができる。
【００４７】
以上のような半導体レーザ１では、上部光ガイド層４２（ＩｎｙＧａ１−ｙＮ半導体層）のＩｎ組成ｙを低くして０．０１≦ｙ≦０．０３の範囲に調整しつつ、下部光ガイド層２２（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層）のＩｎ組成ｘを高くして０．０４≦ｘ≦０．０６の範囲に調整している。このように活性層３０を基準として下部光ガイド層２２及び上部光ガイド層４２のＩｎ組成が非対称となるように調整された半導体レーザ１では、Ｉｎ組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のＩｎ組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることができる。したがって、半導体レーザ１では、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【００４８】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上述の実施形態において半導体基板１０の表面１０ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のｍ軸の方向に傾斜しているが、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面であってもよく、窒化ガリウム系半導体のｃ軸に直交する面から窒化ガリウム系半導体のａ軸の方向に傾斜していてもよい。これらの場合においても、半導体レーザ１と同様にＩｎ組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のＩｎ組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることが可能であり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【００４９】
また、半導体領域４０の表面側に、半導体発光素子の光導波方向に延びるリッジ部が形成されていてもよい。この場合、半導体領域４０において電流挟搾されるため、半導体領域４０における電圧降下は、格子不整合による高抵抗化の影響を大きく受けて増加し易い。しかしながら、リッジ部を有する半導体発光素子においても、半導体レーザ１と同様にＩｎ組成の増加に伴う比抵抗の増加の程度に応じて各半導体層のＩｎ組成を調整することで、比抵抗の増加を抑制しつつ光閉じ込め効率を良くすることが可能であり、動作電圧の増加を抑制しつつ閾値電流を低減することができる。
【００５０】
また、上記半導体レーザ１では、上部光ガイド層４０ａはノンドープであるが、Ｍｇ等をｐ型ドーパントとして含有するｐ型窒化ガリウム系半導体層であってもよい。また、上記半導体レーザ１では、上部光ガイド層４０ａ及び上部光ガイド層４０ｃの間に電子ブロック層４０ｂが配置されているが、電子ブロック層４０ｂが配置されることなく単一の上部光ガイド層が形成されていてもよい。
【００５１】
次に、半導体レーザ１と同様の構成を有する半導体発光素子モデルを用いたデバイスシミュレーションの結果について説明する。半導体発光素子モデルとしては、具体的には下記のモデルを用いた。
【００５２】
（半導体発光素子モデル）
半導体基板１０（ノンドープＧａＮ基板、主面：｛２０−２１｝面（ｃ面からｍ軸方向への傾斜角度：７５°）
バッファ層２０ａ（ｎ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：３×１０１８／ｃｍ３、膜厚：１．１μｍ）
下部クラッド層２０ｂ（ｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：２×１０１８／ｃｍ３、膜厚：１．２μｍ）
下部光ガイド層２０ｃ（ｎ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：２×１０１８／ｃｍ３、膜厚：０．２５０μｍ）
下部光ガイド層２０ｄ（ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ半導体層、Ｉｎ組成ｘ：０．０２５≦ｘ≦０．０６、ドーパント：Ｓｉ、ドーパント濃度：６×１０１７／ｃｍ３、膜厚：０．１１５μｍ）
活性層３０（ノンドープＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層、膜厚：３ｎｍ）
上部光ガイド層４０ａ（ノンドープＩｎ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎ半導体層、膜厚：０．０７５μｍ）
電子ブロック層４０ｂ（ｐ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：１×１０１９／ｃｍ３、膜厚：２０ｎｍ）
上部光ガイド層４０ｃ（ｐ型Ｉｎ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：３×１０１８／ｃｍ３、膜厚：０．０５０μｍ）
上部光ガイド層４０ｄ（ｐ型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：３×１０１８／ｃｍ３、膜厚：０．２５０μｍ）
上部クラッド層４０ｅ（ｐ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：７×１０１８／ｃｍ３、膜厚：０．４０μｍ）
コンタクト層４０ｆ（ｐ＋型ＧａＮ層、ドーパント：Ｍｇ、ドーパント濃度：３×１０１９／ｃｍ３、膜厚：０．０５０μｍ）
【００５３】
図３は、シミュレーションによって提供された半導体発光素子の内部ロスとＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸は半導体発光素子の内部ロス（ｃｍ−１）を示し、横軸は下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成を示す。
【００５４】
図３を参照すると、Ｉｎ組成の増加に伴い内部ロスが低下していることが確認される。このような現象は、以下の要因によるものと推測される。すなわち、下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成が増加するに伴い下部光ガイド層２０ｄの屈折率が増加し、下部光ガイド層２０ｄに光が集中することとなる。これにより、下部クラッド層２０ｂのように下部光ガイド層２０ｄに比してドーパント濃度の高い半導体層に光が集中することが抑制されることとなり、内部ロスが低下したものと推測される。
【００５５】
図４は、シミュレーションによって提供された動作電圧とＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸は２００ｍＡの電流を流すための動作電圧Ｖｆ（Ｖ）を示し、横軸は下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成を示す。
【００５６】
図４を参照すると、Ｉｎ組成の変化に伴い動作電圧が大きく変動しないことが確認される。この結果より、Ｉｎ組成が０．０２５〜０．０６の範囲では、Ｉｎ組成の変化に伴い下部光ガイド層２０ｄの比抵抗が大きく変動しないことが確認される。
【００５７】
図５は、シミュレーションによって提供されたレーザの縦方向広がり角とＩｎ組成との関係を示す図面である。縦軸はレーザの縦方向広がり角（°）を示し、横軸は下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成を示す。
【００５８】
図５を参照すると、Ｉｎ組成の増加に伴いレーザの縦方向広がり角が増加していることが確認される。また、Ｉｎ組成０．０２５では、レーザの縦方向広がり角が小さいことが確認される。このような現象は、下部クラッド層２０ｂと下部光ガイド層２０ｄとの屈折率差が小さいため、光閉じ込め効率が充分に向上していないことによるものと推測される。一方、Ｉｎ組成０．０４〜０．０６では、レーザの縦方向広がり角が大きいことが確認される。このような現象は、下部クラッド層２０ｂと下部光ガイド層２０ｄの屈折率差が大きいため、光閉じ込め効率が充分に向上していることによるものと推測される。
【００５９】
図６は、シミュレーションによって提供された閾値電流及びＩｎ組成の関係と、スロープ効率及びＩｎ組成の関係とを示す図面である。縦軸（左軸）は閾値電流Ｉｔｈ（ｍＡ）を示し、縦軸（右軸）はスロープ効率Ｓｅ（Ｗ／Ａ）を示し、横軸は下部光ガイド層２０ｄのＩｎ組成を示す。
【００６０】
図６を参照すると、Ｉｎ組成０．０２５では、閾値電流が高いと共にスロープ効率が低いのに対し、Ｉｎ組成０．０４〜０．０６では、閾値電流が低いと共にスロープ効率が高いことが確認される。Ｉｎ組成０．０４〜０．０６では、Ｉｎ組成０．０２５に比して光閉じ込め効率が向上して下部光ガイド層２０ｄや活性層３０を通る光の割合が増加し、活性層３０で誘電放出が起こり易くなることに起因して、閾値電流が低下すると共にスロープ効率が向上しているものと推測される。
【符号の説明】
【００６１】
１…半導体レーザ（窒化ガリウム系半導体発光素子）、１０…半導体基板、１０ａ…主面、２２…下部光ガイド層（第１光ガイド層）、３０…活性層、４２…上部光ガイド層（第２光ガイド層）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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