(57)【要約】  半導体発光素子（１００）は、基板（１１）の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層（１２）と、第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層（１５）と、活性層（１５）の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第１導電型と異なる第２導電型の電子障壁層（１８）と、電子障壁層（１８）の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層（１９）とを備え、電子障壁層（１８）は、第２半導体層に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比増加領域を有し、電子障壁層（１８）における第２導電型の不純物濃度最大位置は、Ａｌ組成比増加領域において電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層（１８）の活性層（１５）側の界面との中間位置より活性層（１５）に近い。
2020158254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、
前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、
前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む前記第１導電型と異なる第２導電型の電子障壁層と、
前記電子障壁層の上方に配置され、前記第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、
前記電子障壁層は、前記第２半導体層に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比増加領域を有し、
前記電子障壁層における前記第２導電型の不純物濃度最大位置は、前記Ａｌ組成比増加領域において前記電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置と、前記電子障壁層の前記活性層側の界面との中間位置より前記活性層に近い
半導体発光素子。
【請求項２】
前記電子障壁層の平均格子定数は、前記基板の平均格子定数より小さい
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記電子障壁層に生じる前記基板の主面に平行な方向における格子の平均歪は、引っ張り性の歪である
請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基板は、Ｉｎの原子組成比をｘ、Ｇａの原子組成比をｙとすると、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）で表される組成を有する
請求項２又は３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電子障壁層における前記第２導電型の不純物濃度は、前記不純物濃度最大位置から前記第２半導体層に近づくにしたがって単調減少する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層と前記電子障壁層との間に配置され、Ｉｎを含む第２導電側光ガイド層をさらに備える
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され、Ｉｎを含む第１導電側光ガイド層をさらに備え、
前記第１導電側光ガイド層と前記第２導電側光ガイド層との合計膜厚は、２５０ｎｍ以上である
請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記電子障壁層と前記活性層との間に配置され、前記第２導電型のＧａ１−ｘＩｎｘＮ（０≦ｘ＜１）からなる中間層をさらに備え、
前記中間層は、前記第２導電側光ガイド層よりＩｎ組成比が小さい
請求項６又は７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記中間層は、前記第２導電型の不純物を含み、
前記中間層及び前記電子障壁層における前記不純物濃度最大位置が、前記中間層に位置している
請求項８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記Ａｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、前記第１領域と前記第２半導体層との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、
前記第２変化率は、前記第１変化率より大きい
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２半導体層は、前記電子障壁層に隣接して配置される低不純物濃度領域と、前記低不純物濃度領域より前記電子障壁層から遠い位置に配置され、前記第２導電型の不純物濃度が前記低不純物濃度領域より高い高不純物濃度領域とを有する
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記電子障壁層のＡｌ組成比の最大値は、０．２以上、０．３５以下であり、
前記電子障壁層の前記第２導電型の不純物濃度の最大値は、２×１０１９ｃｍ−３以上であり、
前記第２半導体層の前記低不純物濃度領域の不純物濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以上、３×１０１８ｃｍ−３以下であり、
前記第２半導体層の前記低不純物濃度領域の膜厚は、１５０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以下である
請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記活性層は、
少なくともＧａを含む複数の障壁層と、
１以上の井戸層と、
複数の組成比傾斜層とを有し、
前記１以上の井戸層の各々は、前記複数の障壁層のうち隣り合う二つの障壁層の間に配置され、
前記複数の組成比傾斜層の各々は、前記１以上の井戸層のうちの一つの井戸層と、前記複数の障壁層のうち前記一つの井戸層と隣り合う一つの障壁層との間に配置され、
前記複数の組成比傾斜層の各々のＩｎ組成比は、前記一つの井戸層のＩｎ組成比から前記一つの障壁層のＩｎ組成比へと連続的に変化する
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第１導電型は、ｎ型であり、
前記第２導電型は、ｐ型であり、
前記複数の組成比傾斜層のうち、前記一つの井戸層の前記基板側において隣り合う組成比傾斜層は、前記一つの井戸層の前記電子障壁層側において隣り合う前記組成比傾斜層より厚い
請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記複数の組成比傾斜層のうち前記一つの井戸層と隣り合う二つの組成比傾斜層の合計膜厚は、０．８ｎｍ以上、２．４ｎｍ以下である
請求項１３又は１４に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記１以上の井戸層の層数は１である
請求項１５に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、半導体レーザ素子などの半導体発光素子を光源として用いた溶接加工光源及び車載レーザヘッドライト光源が注目されている。【０００３】
金、銅などの金属は波長４０５ｎｍ〜４５０ｎｍの青紫色域から青色域の光に対する吸収係数が大きいため、青紫色域から青色域のレーザ光源は、これらの金属を加工するレーザ溶接加工装置の光源に適している。【０００４】
また、青色レーザ光で蛍光体を励起し、黄色光を得ることができれば、全体として白色の超高出力光源を得ることが可能となる。【０００５】
これらのことから、波長４０５ｎｍ〜４５０ｎｍ帯の青紫色域から青色域のレーザ光を得ることができる窒化物系の超高出力半導体レーザ素子が光源として要望されている。【０００６】
ここで、上記用途における半導体レーザ素子には、例えば、３ワット以上の高出力動作において、１万時間程度以上の長期信頼性が要望されている。【０００７】
このような高信頼性の超高出力半導体レーザ素子を実現するためには、レーザ発振動作中の自己発熱を可能な限り抑制する必要がある。このため、超高出力半導体レーザ素子において、低動作電流かつ低動作電圧による超低消費電力動作を実現する必要がある。【０００８】
低動作電流を実現するためには、高温動作時、又は、超高出力動作時における素子の自己発熱により、活性層に注入された電子が熱的に励起されて、活性層からｐ型クラッド層へ漏れ出すことによって生じる無効電流（つまり、漏れ電流）を抑制することが重要である。【０００９】
特許文献１及び２に示されるように、漏れ電流の発生抑制には、ｐ型クラッド層と活性層との間に、ｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を配置する構成が効果的である。このような構成とすれば、活性層に注入された電子が、熱的に励起されても、バンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を超えることが難しくなり、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２７０９７１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１７／１９５５０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
例えば、特許文献１に開示された半導体発光素子の構造について図２８Ａ及び図２８Ｂを用いて説明する。図２８Ａは、特許文献１に開示された半導体発光素子の積層構造を示す模式図である。図２８Ｂは、特許文献１に開示された半導体発光素子のバンド構造を示すグラフである。図２８Ａ及び図２８Ｂに示されるように、特許文献１に開示された半導体発光素子においては、活性層２１２がｎ型層２１１とｐ型層２１３とで挟まれている。ｎ型層２１１は、ｎ側第１の窒化物半導体層２３１ｂと、ｎ側第２の窒化物半導体層２３２ｂと、下部クラッド層２２５とを有する。ｐ型層２１３は、ｐ側電子閉じ込め層２２８と、ｐ側第１の窒化物半導体層２３１ａと、ｐ側第２の窒化物半導体層２３２ａと、上部クラッド層２３０とを有する。活性層２１２は、井戸層２０１ａ及び２０１ｂと、障壁層２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃとを有する。【００１２】
図２８Ｂに示されるように、活性層２１２と上部クラッド層２３０との間には、バンドギャップエネルギーが上部クラッド層２３０よりも高い電子障壁層に相当するｐ側電子閉じ込め層２２８が配置されている。この構造によれば、高温動作時においても、活性層２１２に注入された電子は、ＡｌＧａＮからなるｐ側電子閉じ込め層２２８のエネルギー障壁により上部クラッド層２３０へ漏れにくくなる。【００１３】
しかしながら、ｐ側電子閉じ込め層２２８の価電子帯側に形成されるエネルギー障壁により、上部クラッド層２３０から活性層２１２に向かって正孔が流れにくくなり動作電圧が増大する。【００１４】
次に、特許文献２に開示された半導体発光素子について図２９を用いて説明する。図２９は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。特許文献２に開示された半導体発光素子は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４１２と、第２光ガイド層４１３と、第３光ガイド層４１４と、多重量子井戸活性層４１５と、第１光ガイド層４１６と、ＧａＮ中間層４１７と、電子障壁層４１８と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１９とを備える。特許文献２には、図２９に示されるように、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１８の活性層４１５側の界面においてＡｌ組成比を徐々に変化させている。これにより、当該界面において形成されるピエゾ効果による分極電荷を、Ａｌ組成比が変化している領域に分散させて、電子障壁層４１８の分極電荷によるバンド構造の変化を低減し、低動作電圧化を図っている。【００１５】
ここで、電子障壁層４１８のｎ型クラッド層側のＡｌ組成比を、活性層側からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１９側に向けて、徐々に増大させると、分極電荷とバンドギャップとを徐々に変化させることが可能となる。この時、分極電荷による価電子帯のバンド構造の変化と、バンドギャップエネルギーの変化とを相殺させることができれば、電子障壁層４１８の正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制しつつ、電子に対するエネルギー障壁を増大させることが可能となる。このため、電子障壁層４１８を用いることによる動作電圧の増大を抑制することができる。【００１６】
しかしながら、上述のとおり、レーザ溶接加工光源や車載ヘッドライト光源には、高温高出力での１万時間以上の長期動作が可能な超高出力半導体レーザ素子が要望されており、その消費電力を可能な限り低減する必要がある。【００１７】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温高出力動作時においても、低消費電力の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】
【００１８】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る半導体発光素子は、基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む前記第１導電型と異なる第２導電型の電子障壁層と、前記電子障壁層の上方に配置され、前記第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、前記電子障壁層は、前記第２半導体層に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比増加領域を有し、前記電子障壁層における前記第２導電型の不純物濃度最大位置は、前記Ａｌ組成比増加領域において前記電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置と、前記電子障壁層の前記活性層側の界面との中間位置より前記活性層に近い。【００１９】
本開示に係る半導体発光素子により、電子障壁層に形成される分極電荷面密度は、活性層との界面から第２半導体層に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が最大となる位置まで徐々に増大する。この場合、単位体積当たりの分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、電子障壁層内では、活性層との界面から第２半導体層に近づくにしたがって、電子障壁層のＡｌ組成比の変化率に応じてその大きさが増大する正の分極電荷が形成される。【００２０】
一方、Ａｌ組成比が積層方向において一定の電子障壁層では、電子障壁層の活性層側の界面において、分極電荷面密度がステップ状に変化し、この界面に形成される単位体積当たりに換算した分極電荷密度はデルタ関数状の非常に大きい値となる。【００２１】
本開示に係る電子障壁層では、活性層側から積層方向に、Ａｌ組成比が最大となる位置まで単調増加する構造としているため、電子障壁層の活性層との界面に生じる正の分極電荷の体積密度が低下する。電子障壁層の活性層側の界面には、電気的中性条件を満足させるために、電子が誘引される。【００２２】
さらに本開示に係る電子障壁層においては、電子障壁層における第２導電型の不純物濃度最大位置は、Ａｌ組成比増加領域において電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層の活性層側の界面との中間位置より活性層に近い。【００２３】
例えば、電子障壁層がｐ型半導体層である場合、不純物のドーピングにより生じるイオン化アクセプタによる負電荷の分布は、活性層側界面側の方が大きくなる。【００２４】
このイオン化アクセプタによる負電荷のため、電子障壁層の活性層側の界面の正の分極電荷が中性化され、当該界面に電気的に誘因される電子濃度も小さくなる。この界面に電気的に誘起される電子濃度が高いと、この領域でのバンドの電位が低下するため、電子障壁層の価電子帯のバンド電位が低下し、正孔に対する電位障壁が大きくなるため動作電圧の増大を招く。【００２５】
本開示の構造では、この界面に電気的に誘起される電子濃度を低減する効果があるため、半導体発光素子の動作電圧の増大を抑制することが可能となる。【００２６】
また、電子障壁層の価電子帯におけるバンド構造の電位低下を抑制できるため、伝導帯のバンドが相対的に増大し、活性層から電子障壁層を超えて第２導電型（ｐ型）層側に漏れる電子の発生を抑制することができる。これにより、半導体発光素子が高温高出力動作においても、漏れ電流を抑制することができる。つまり、半導体発光素子の温度特性が向上する。【００２７】
このイオン化アクセプタによる電子障壁層の活性層側の界面での分極電荷の中性化効果は、電子障壁層における不純物の全ドーピング量を、電子障壁層に不純物を均一にドーピングした場合の全ドーピング量と同一とし、電子障壁層の活性層側の界面側のドーピング量を相対的に高めても、下記分布形状とすることで得ることができる。すなわち、Ａｌ組成比増加領域において、電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層の活性層側の界面との中間位置に対して活性層側に不純物濃度最大位置が位置するように分布させる。【００２８】
これにより、電子障壁層における不純物ドーピングによるフリーキャリア損失の増大を招くことなく低動作電圧特性を得ることができる。また、高温高出力動作時において、電子が熱的に励起されて電子障壁層を超えて、第２半導体層に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制する効果が増大する。【００２９】
この結果、従来の半導体発光素子と比較して、より低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい半導体発光素子を実現することができる。また、電子障壁層における不純物の全ドーピング量を、電子障壁層内に不純物を均一にドーピングするドーピングプロファイルの場合（後述する比較例２）における電子障壁層への全ドーピング量と同程度とすることができるため、導波路損失の増大を抑制することができる。したがって、本開示に係る半導体発光素子よれば、導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧特性が得られる。これにより、半導体発光素子の自己発熱が低減するため、高温高出力動作時においても、低消費電力である半導体発光素子を実現できる。
【発明の効果】
【００３０】
本開示によれば、高温高出力動作においても、低消費電力の半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】図１Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施の形態１に係る活性層の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。
【図２】図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、実施の形態１及び比較例２に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。
【図４】図４は、実施の形態２に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。
【図５】図５は、比較例に係る電子障壁層におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る電子障壁層におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図７は、比較例に係る電子障壁層におけるＡｌ組成比を積層方向において均一とした場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図８】図８は、電子障壁層におけるＡｌ組成比が積層方向において第２半導体層に近づくにしたがって単調に増加する場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図９】図９は、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有する場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有し、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、第２半導体層の低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、第２半導体層の低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有する場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有し、Ａｌ組成比増加領域が第１領域及び第２領域を有する場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【図１８】図１８は、導波路損失及び動作電圧と、第２半導体層の低不純物濃度領域の不純物濃度及び膜厚との関係を示す図である。
【図１９】図１９は、第２光ガイド層及び第３光ガイド層のＩｎ組成比が３％である場合の実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失及び閉じ込め係数と、第２光ガイド層及び第３光ガイド層の膜厚との関係を示す図である。
【図２０】図２０は、第２光ガイド層及び第３光ガイド層のＩｎ組成比が５％である場合の実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失及び閉じ込め係数と、第２光ガイド層及び第３光ガイド層の膜厚との関係を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態１に係る半導体発光素子の電流−光出力特性及び電流−電圧特性を示す図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、実施の形態３に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、実施の形態３に係る活性層の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。
【図２３】図２３は、実施の形態３に係る井戸層の近傍領域のバンド構造を示す模式図である。
【図２４】図２４は、実施の形態３に係る半導体発光素子のバンド構造及び波動関数と組成比傾斜層の膜厚との関係を示す図である。
【図２５】図２５は、実施の形態３に係る障壁層のＩｎ組成比と電子波動関数及び正孔波動関数の相互相関との関係を示すグラフである。
【図２６Ａ】図２６Ａは、実施の形態４に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは、実施の形態４に係る活性層の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。
【図２７Ａ】図２７Ａは、比較例に係る半導体発光素子の活性層近傍におけるバンド構造及びキャリアの状態を示す模式図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、実施の形態４に係る半導体発光素子の活性層近傍におけるバンド構造及びキャリアの状態を示す模式図である。
【図２８Ａ】図２８Ａは、特許文献１に開示された半導体発光素子の積層構造を示す模式図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、特許文献１に開示された半導体発光素子のバンド構造を示すグラフである。
【図２９】図２９は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
（実施の形態１）
［１−１．全体構成］
実施の形態１に係る半導体発光素子の全体構成について図１Ａを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の概略構成を示す模式的な断面図である。
【００３６】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、窒化物系の半導体レーザ素子である。図１Ａには、半導体発光素子１００の共振方向に垂直な断面が示されている。
【００３７】
図１Ａに示されるように、半導体発光素子１００は、基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５と、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。本実施の形態では、半導体発光素子１００は、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。
【００３８】
基板１１は、半導体発光素子１００の各半導体層が積層される板状の基台である。基板１１は、Ｉｎの原子組成比をｘ、Ｇａの原子組成比をｙとすると、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）で表される組成を有する。本実施の形態では、基板１１は、ＧａＮ基板である。
【００３９】
第１半導体層１２は、基板１１の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、第１導電型はｎ型である。第１半導体層１２は、膜厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層からなる。
【００４０】
第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２の上方に配置され、第１半導体層１２より屈折率が高い光ガイド層である。本実施の形態では第１光ガイド層１３は、膜厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなる第１導電型の半導体層である。
【００４１】
第２光ガイド層１４は、活性層１５と第１半導体層１２との間に配置され、Ｉｎを含む第１導電側光ガイド層である。本実施の形態では、第２光ガイド層１４は、第１光ガイド層１３の上方に配置され、膜厚１８５ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。
【００４２】
活性層１５は、第１半導体層１２の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、活性層１５は、第２光ガイド層１４の上方に配置されるアンドープの多重量子井戸を含む。
【００４３】
第３光ガイド層１６は、活性層１５と電子障壁層１８との間に配置され、Ｉｎを含む第２導電側光ガイド層である。本実施の形態では、第３光ガイド層１６は、活性層１５の上方に配置され、膜厚９０ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。第３光ガイド層１６は、電子障壁層１８に近づくにしたがってＩｎの組成比が減少する組成比傾斜領域を有する。組成比傾斜領域は、第３光ガイド層１６の第２半導体層１９側（中間層１７側）の領域に配置される。
【００４４】
中間層１７は、電子障壁層１８と活性層１５との間に配置され、窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、中間層１７は、電子障壁層１８と第２導電側光ガイド層（第３光ガイド層１６）との間に配置され、第２導電型のＧａ１−ｘＩｎｘＮ（０≦ｘ＜１）からなり、第２導電側光ガイド層（第３光ガイド層１６）よりＩｎ組成比が小さい。より詳しくは、中間層１７は、膜厚３ｎｍの第２導電型のＧａＮを含む。第２導電型は第１導電型と異なる導電型であり、本実施の形態ではｐ型である。
【００４５】
半導体発光素子１００は、中間層１７を備えることにより、電子障壁層１８と第２導電側光ガイド層との格子定数の違いに起因して界面に生じる応力を低減できる。これにより、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。さらに、中間層１７の導電型をｐ型とすることで半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。
【００４６】
電子障壁層１８は、活性層１５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の層である。本実施の形態では、電子障壁層１８は、中間層１７と、第２半導体層１９との間に配置され、ｐ型ＡｌＧａＮからなる。本実施の形態では、電子障壁層１８の平均格子定数は、基板１１の平均格子定数より小さい。また、電子障壁層１８に生じる基板１１の主面に平行な方向における格子の平均歪は、引っ張り性の歪である。電子障壁層１８の詳細構成については後述する。
【００４７】
第２半導体層１９は、電子障壁層１８の上方に配置され、第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む半導体層である。本実施の形態では、第２半導体層１９は、膜厚６６０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層である。
【００４８】
コンタクト層２０は、第２半導体層１９の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、コンタクト層２０は、膜厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮよりなる。
【００４９】
電流ブロック層３０は、第２半導体層１９の上方に配置され、活性層１５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。本実施の形態では、電流ブロック層３０は、ＳｉＯ２からなる。
【００５０】
ｎ側電極３１は、基板１１の下方に配置される導電層である。ｎ側電極３１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。
【００５１】
ｐ側電極３２は、コンタクト層２０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３２は、コンタクト層２０及び電流ブロック層３０の上方に配置される。ｐ側電極３２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。
【００５２】
半導体発光素子１００の第２半導体層１９には、リッジが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図１Ａに示されるように、リッジ下端部と活性層１５との距離をｄｐとしている。また、リッジ下端部とリッジ上端部との距離をＨとしている。また、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の共振器長は１２００μｍ程度である。
【００５３】
ここで、本実施の形態においては、活性層１５に垂直方向（基板１１の主面に対する法線方向）に光を閉じ込めるために、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０３５（３．５％）としている。この結果、第１半導体層１２及び第２半導体層１９の屈折率は、半導体発光素子１００の光分布領域における実効屈折率よりも小さくなるため、第１半導体層１２及び第２半導体層１９はクラッド層として機能する。
【００５４】
ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を大きくすると、活性層１５と、クラッド層として機能する第１半導体層１２及び第２半導体層１９との屈折率差を大きくすることができる。これにより、活性層１５の積層方向（つまり、基板１１の主面に垂直な方向）に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながらＡｌＧａＮ層と基板１１との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比を大きくしすぎると格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。したがって、本実施の形態では、第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０５（つまり、５％）以下とする。
【００５５】
続いて、本実施の形態に係る活性層１５について図１Ｂを用いて説明する。図１Ｂは、本実施の形態に係る活性層１５の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。活性層１５は、波長４５０ｎｍのレーザ発振を得るために、図１Ｂに示されるように、活性層１５は、２層の井戸層１５ｂ及び１５ｄと、３層の障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅとを備えたＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有する。２層の井戸層１５ｂ及び１５ｄの各々は、３層の障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅのうち隣り合う二つの障壁層の間に配置される。
【００５６】
井戸層１５ｂ及び１５ｄは、膜厚３ｎｍ、Ｉｎ組成比０．１６（つまり、１６％）のＩｎＧａＮからなる。障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅは、Ｉｎ組成比０．０４（つまり、４％）のＩｎＧａＮからなる。障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅは、それぞれ、膜厚７ｎｍ、膜厚７ｎｍ及び膜厚５ｎｍでＩｎ組成比０．０４（つまり、４％）のＩｎＧａＮからなる。井戸層においては、４５０ｎｍ帯のレーザ発振光を得るために、１５％以上の高Ｉｎ組成比が必要である。この場合、井戸層と基板１１との格子不整が１．７％以上となり、その膜厚を厚くしすぎると、格子欠陥が生じてしまう。逆に、薄くしすぎると、井戸層への積層方向の光閉じ込め係数が小さくなり、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなるため、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。したがって、本実施の形態では、井戸層の膜厚は、例えば、２ｎｍ以上、３．３ｎｍ以下である。
【００５７】
また、井戸層のＩｎ組成比を０．２３（２３％）として、井戸層のバンドギャップエネルギーを小さくすれば、波長４６７ｎｍ帯のレーザ発振光を得ることができる。
【００５８】
また、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６は、Ｉｎを含むことで屈折率をｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９よりも高めた層である。これにより、リッジに対応する導波路を伝搬する光分布に対する実効屈折率を高め、第１半導体層１２及び第２半導体層１９による光分布の積層方向への閉じ込め効果を高めることができる。したがって、半導体発光素子１００における導波路損失を低減できる。
【００５９】
ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が小さいと、井戸層への積層方向における光閉じ込め効果が小さくなるため、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなる。この結果、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。逆に、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が大きいと、基板１１との格子不整の増大により、格子欠陥が生じやすくなる。このため、格子欠陥が生じずに、井戸層への積層方向（垂直方向）の光閉じ込め係数を増大させるために、本実施の形態では、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比は、例えば、０．０３（つまり、３％）以上、０．０６（つまり、６％）以下である。本実施の形態においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を０．０３（つまり、３％）として、格子欠陥の発生の抑制と、井戸層への積層方向の光閉じ込め係数の増大とを両立させている。
【００６０】
また、第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４が有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４の有する各禁制帯幅エネルギーの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。これにより、第２光ガイド層１４をＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２の直上に形成する場合と比較して、界面で生じる分極電荷によるバンド構造のスパイク状の変形を抑制できる。したがって、電子の活性層１５への伝導を容易化できる。
【００６１】
また、中間層１７は、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各禁制帯幅エネルギーの大きさの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。
【００６２】
また、Ｉｎを含む圧縮性の格子歪を有する第２光ガイド層１４、活性層１５及び第３光ガイド層１６を順に積層し、その直上に引っ張り性の格子歪を有するＡｌＧａＮ層からなる電子障壁層１８を積層すると界面に生じる応力が大きくなり、結晶欠陥が生じるおそれがある。中間層１７を、膜厚３ｎｍのＧａＮとすれば、界面の応力を緩和させることができる。
【００６３】
また、中間層１７が厚くなりすぎると、屈折率の低い第２半導体層１９が活性層１５から離れるため、活性層１５への積層方向の光の閉じ込め効果が弱まる。そこで、中間層１７の膜厚を１０ｎｍ以下のできるだけ薄い膜厚とする。本実施の形態に係る半導体発光素子では、中間層１７の膜厚を３ｎｍとしている。
【００６４】
また、本実施に形態に係る半導体発光素子１００においては、リッジ側面上に、膜厚０．１μｍのＳｉＯ２からなる誘電体の電流ブロック層３０が形成されている。この構造において、コンタクト層２０から注入された電流は電流ブロック層３０によりリッジ部のみに流れる。このため、活性層１５のうちリッジ底部下方に位置する活性層１５の領域に集中して電流が注入される。これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は、百ｍＡ程度の比較的少ない注入電流により実現される。活性層１５へ注入された電子及び正孔からなるキャリアの再結合により発生した光は、活性層１５の積層方向においては、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６、第１半導体層１２及び第２半導体層１９により閉じ込められる。一方、活性層１５と平行な方向（積層方向と垂直な方向。以下、水平方向ともいう）においては、電流ブロック層３０が第１半導体層１２及び第２半導体層１９よりも屈折率が低いため、光閉じ込めが可能となる。また、電流ブロック層３０はレーザ発振光に対する光吸収が小さいため、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝搬する光分布は電流ブロック層３０に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０−３のオーダのΔＮ（リッジ内外の積層方向実効屈折率の差）を精密に実現できる。さらに電流ブロック層３０と活性層１５との間の距離ｄｐを調整することで、同じく１０−３のオーダで精密にΔＮの大きさを調整できる。このため、光分布を精密に調整しつつ、低動作電流の半導体発光素子１００を得ることができる。本実施の形態においては、ΔＮが４．８×１０−３となるように距離ｄｐなどが調整されている。
【００６５】
電子障壁層１８は、ｐ型ＧａＮからなる中間層１７上に形成され、電子障壁層１８の禁制帯幅のエネルギーの大きさは、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のそれよりも大きい。これにより、電子障壁層１８の伝導帯バンドの電位を高くし、エネルギー障壁を形成することができる。この結果、活性層１５に注入された電子が熱的に励起されて第２半導体層１９に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制できるため、半導体発光素子１００の高温動作特性を向上させることができる。
【００６６】
ここで、ＡｌＧａＮからなる層の禁制帯幅エネルギーはＡｌ組成比に比例して大きくなる。したがって、本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のＡｌ組成比よりも高く、例えば、０．１５（つまり、１５％）以上である。
【００６７】
本実施の形態では、ＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層１６の直上の層のうち、Ａｌを含有しない領域が中間層１７である。中間層１７の直上のＡｌを含む領域のうち、第２半導体層１９より下方の領域が電子障壁層１８である。電子障壁層１８においては、Ａｌ組成比が下方から上方に向かって徐々に増大して、１５％以上の最大値を有する。電子障壁層１８においては、当該最大値を有する位置から、さらに上方に向かってＡｌ組成比は減少し、第２半導体層１９側の界面において、第２半導体層１９のＡｌ組成比と一致する。電子障壁層１８のＡｌ組成比と不純物濃度の分布形状については、後で詳細に説明する。
【００６８】
［１−２．比較例１に係る電子障壁層の構成］
続いて、本実施の形態に係る電子障壁層１８の作用及び効果の説明に先立ち、比較例１に係る電子障壁層構成について図２を用いて説明する。図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層１８Ａの構成を示す模式図である。図２に示される模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、それぞれ比較例１に係る半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８Ａの分極電荷面密度分布、不純物濃度分布、電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。
【００６９】
比較例１に係る半導体発光素子は、電子障壁層１８Ａの構成において、本実施の形態に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層１８Ａについて、本実施の形態に係る電子障壁層１８との相違点を中心に説明する。なお、図２の模式図（ａ）に示されるように、比較例１に係る半導体発光素子は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００と同様の組成比傾斜領域１６ａを有する。
【００７０】
比較例１に係る電子障壁層１８Ａにおいては、Ａｌ組成比の分布は、積層方向において均一である。これに伴い図２の模式図（ａ）に示されるように、電子障壁層１８Ａの積層方向において、バンドギャップエネルギーは一定となる。
【００７１】
続いて、電子障壁層１８Ａにおける分極電荷面密度について図２の模式図（ｂ）を用いて説明する。窒化物半導体に形成される分極電荷面密度は、その構成層に係る歪によるピエゾ分極成分と、原子組成で決まるに自然分極成分の和に依存する。したがって、各層に生じる分極電荷の面密度は、歪によるピエゾ分極成分と自然分極成分との和で構成される。各層に生じる歪の大きさと自然分極の大きさとは共に、原子組成に比例する。このため、ＡｌＧａＮ層に形成される分極電荷の面密度は、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成に比例する。したがって、Ａｌ組成比が一定の比較例１の電子障壁層１８Ａに形成される分極電荷面密度は、一定となる。
【００７２】
図２の模式図（ｃ）に示されるように、電子障壁層１８Ａ内の不純物（Ｍｇ）濃度分布は、活性層から遠ざかるにしたがって低くなる。なお、電子障壁層１８Ａにおける不純物の全ドーピング量は、本実施の形態に係る電子障壁層１８における不純物の全ドーピング量と同じである。
【００７３】
また、分極電荷体積密度の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例する。このため、図２の模式図（ｂ）に示されるように、分極電荷面密度がステップ状に変化する電子障壁層１８Ａの界面においては、図２の模式図（ｄ）に示されるように、分極電荷体積密度は、Δ関数状に分布する。電子障壁層１８Ａの活性層１５側の界面には、正の分極電荷（σ＋）が形成され、電子障壁層１８Ａの第２半導体層１９側の界面には、負の分極電荷（σ−）が形成される。これに伴い、両界面には、電気的中性条件を満足させるために、逆極性のキャリアが誘引される。つまり、電子障壁層１８Ａの活性層１５側の界面には、電子が誘引され、電子障壁層１８Ａの第２半導体層１９側の界面には、正孔が誘引される。
【００７４】
また、電子障壁層１８Ａには、アクセプタとなる不純物（Ｍｇ）がドーピングされている。このため、不純物が活性化し、アクセプタとして機能すると、負電荷を持つイオン化アクセプタが形成される。形成されるイオン化アクセプタの濃度は、ドーピングする不純物濃度に依存する。
【００７５】
また、ＡｌＧａＮ層においては、Ａｌ組成比が高いほど、Ｍｇの活性化率は低くなる。また、バンドの電位が高くなるとアクセプタの活性化率は低くなる。比較例１に係る電子障壁層１８Ａでは、ピエゾ分極の影響で電子障壁層１８Ａのバンドは第２半導体層１９側の電位が高くなるように変化する。この時、電子障壁層１８Ａの第２半導体層１９側の価電子帯のバンドの電位（Ｅｖ）と正孔のフェルミ準位（Ｅｆａ）とのエネルギーの差（Ｅｆａ−Ｅｖ）が小さくなるため、電子障壁層１８Ａ内のｐ型層側の不純物の活性化率は低下する。したがって、不純物濃度最大位置が第２半導体層１９側の界面より活性層１５側の界面に近い場合も、活性層１５側の界面より第２半導体層１９側の界面に近い場合も、また、不純物濃度分布が均一である場合にも、電子障壁層１８Ａ内のイオン化アクセプタの電子障壁層１８Ａの第２半導体層１９に近い側における濃度が低下する。
【００７６】
以上のことから、電子障壁層１８Ａ近傍の電荷分布、つまり、ピエゾ分極電荷、キャリア及びイオン化アクセプタの分布は図２の模式図（ｄ）に示されるようになる。
【００７７】
比較例１に係る電子障壁層１８Ａの活性層１５側界面の分極電荷密度が非常に大きいため、電子障壁層１８Ａの活性層１５側界面に電気的に誘引される電子濃度が大きくなる。この領域の電子濃度が高いと、図２の模式図（ｅ）に示されるように、バンドの電位を小さくする方向の電界が積層構造に形成される。この結果、電子障壁層１８Ａの価電子帯のバンドの電位が低下し、正孔に対する電子障壁層１８Ａの電位障壁が増大する。また、同時に電子障壁層１８Ａの伝導帯のバンドの電位も低下するため、活性層１５に注入された電子に対する電子障壁層１８Ａの電位障壁が小さくなる。これにより、活性層１５に注入された電子が、電子障壁層１８Ａを超えて第２半導体層１９に漏れやすくなる。
【００７８】
図２の電子障壁層１８Ａを用い、電子障壁層１８Ａ内の不純物濃度分布の最大位置を活性層１５との界面とした場合の電子障壁層１８Ａ近傍のバンド電位の変化が図２の模式図（ｆ）に示される。
【００７９】
このように、電子障壁層１８Ａの活性層１５側の界面での電子の蓄積量が多く、バンドの電位の低下が大きいため、電子に対する電位障壁（ΔＥｃ）が小さく、正孔に対する電位障壁が大きくなり、温度特性の低下と、動作電圧の増大を招く。
【００８０】
以上より、比較例１に係るＡｌ組成比が一定の電子障壁層１８Ａでは、電子障壁層１８Ａ内の不純物濃度最大位置を活性層１５との界面としても、電子障壁層１８Ａの活性層１５側の界面におけるピエゾ分極電荷密度が非常に大きいため、電子障壁層１８Ａ内のイオン化アクセプタ分布への影響が小さく、電子障壁層１８Ａのピエゾ分極による動作電圧の増大、温度特性の低下に対して効果は小さい。以降の説明において、Ａｌ組成比が一定であり、不純物濃度最大位置に関わらず不純物濃度分布を有する電子障壁層を比較例１とする。
【００８１】
［１−３．実施の形態１に係る電子障壁層の構成］
次に、本実施の形態に係る電子障壁層１８の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の構成を示す模式図である。図３に示される模式図（ａ）、（ｂ２）、（ｃ２）、（ｄ２）、（ｅ２）及び（ｆ）は、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８の分極電荷面密度分布、不純物濃度分布、電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。なお、図３には、比較例２に係る電子障壁層の構成についても併せて示されている。図３の模式図（ｂ１）、（ｃ１）、（ｄ１）及び（ｅ１）は、それぞれ比較例２に係る電子障壁層の分極電荷面密度分布、不純物濃度分布、電荷分布及び電界分布を示す。また、図３の模式図（ｆ）には、本実施の形態及び比較例２に係るバンド構造が、それぞれ実線及び破線で示されている。
【００８２】
本実施の形態に係る電子障壁層１８は、第２半導体層１９に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加する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がある構成も含まれる。例えば、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１８においては、電子障壁層１８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。比較例２に係る電子障壁層も本実施の形態に係る電子障壁層１８と同様のＡｌ組成比分布を有する。
【００８３】
電子障壁層１８における第２導電型の不純物濃度最大位置は、Ａｌ組成比増加領域において電子障壁層１８のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層１８の活性層１５側の界面との中間位置より活性層１５に近い。本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比が最大となる位置は、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の界面であり、図３の模式図（ｃ２）に示されるように電子障壁層１８における第２導電型の不純物濃度最大位置は、電子障壁層１８の活性層１５側の界面である。電子障壁層１８において、第２半導体層１９に近づくにしたがって不純物濃度は単調減少する。ここで、不純物濃度が単調減少する構成には、不純物濃度が積層方向において一定である領域がある構成も含まれる。例えば、不純物濃度がステップ状に減少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１８においては、積層方向において、一定の変化率で不純物濃度が減少する。
【００８４】
一方、比較例２に係る電子障壁層においては、図３の模式図（ｃ１）に示されるように不純物（Ｍｇ）の濃度が積層方向において均一である。なお、比較例２に係る電子障壁層における第２導電型の不純物の全ドーピング量は、本実施の形態に係る電子障壁層１８における第２導電型の不純物の全ドーピング量と同一である。以降の説明において、Ａｌ組成比増加領域を有し、不純物濃度分布が一定の電子障壁層を比較例２とする。
【００８５】
本実施の形態に係る電子障壁層１８に形成される分極電荷面密度は、図３の模式図（ｂ２）に示されるように、Ａｌ組成比が増大するにしたがって増加していく。
【００８６】
分極電荷体積密度の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図３の模式図（ｄ１）及び（ｄ２）に示されるように、形成される分極電荷体積密度は、電子障壁層１８内において一定である。
【００８７】
また、電子障壁層１８においては、アクセプタとなる不純物（Ｍｇ）がドーピングされている。このため不純物が活性化し、アクセプタとして機能すると、負電荷を持つイオン化アクセプタが形成される。形成されるイオン化アクセプタの濃度は、ドーピングする不純物濃度に依存する。
【００８８】
また、ＡｌＧａＮ層においては、Ａｌ組成比が高いほど、Ｍｇの活性化率は低くなる。また、ピエゾ分極の影響で電子障壁層１８のバンドは、第２導電型の第２半導体層１９側の電位が高くなるように変化する。このとき、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の価電子帯のバンドの電位（Ｅｖ）と正孔のフェルミ準位（Ｅｆａ）とのエネルギーの差（Ｅｆａ−Ｅｖ）が小さくなるため、電子障壁層１８内の第２半導体層１９側の不純物の活性化率は低下する。したがって、不純物濃度最大位置が、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の界面より活性層１５側の界面に近い場合も、活性層１５側の界面より第２半導体層１９側の界面に近い場合も、また、不純物濃度分布が均一である場合にも、電子障壁層１８内のイオン化アクセプタの電子障壁層１８の第２半導体層１９に近い側における濃度が低下する。
【００８９】
比較例２及び本実施の形態の電子障壁層近傍の電荷（つまり、ピエゾ分極電荷（体積密度）、イオン化アクセプタ及びキャリア）の分布は、それぞれ図３の模式図（ｄ１）及び（ｄ２）に示されるようになる。比較例２及び本実施の形態とも電子障壁層の分極電荷体積密度が比較例１と比べて小さくなるため、イオン化アクセプタに起因する負電荷で正電荷の分極電荷を補償する効果が生じる。特に、本実施の形態に係る電子障壁層１８のように、電子障壁層１８の不純物濃度を活性層１５側において高くした場合、電子障壁層１８の活性層１５側における分極電荷の補償効果が最も高くなる。より具体的には、電子障壁層１８における不純物濃度最大位置が、Ａｌ組成比増加領域において電子障壁層１８のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層１８の活性層１５側の界面との中間位置より活性層に近い場合に、分極電荷の補償効果が最も高くなる。この結果、図３の模式図（ｅ１）及び（ｅ２）に示されるように、本実施の形態に係る電子障壁層１８においては、比較例２に係る電子障壁層より、活性層１５側の界面付近の領域に誘引される電子濃度が小さくなる。この領域の電子濃度が低いため、図３の模式図（ｅ１）及び（ｅ２）に示されるように、本実施の形態に係る電子障壁層１８においては、比較例２に係る電子障壁層より、積層方向に形成される、バンドの電位を小さくする方向の電界も小さくなる。
【００９０】
これに伴い、図３の模式図（ｆ）に示されるように、本実施の形態に係る電子障壁層１８の方が比較例２に係る電子障壁層より価電子帯のバンドの電位の低下量が小さくなるため、正孔に対する電子障壁層１８の電位障壁は小さくなる。また、同時に電子障壁層１８の伝導帯のバンドの電位の低下量も小さくなるため、電子に対する電位障壁が大きくなる。これにより、活性層１５に注入された電子が、電子障壁層１８を超えて第２半導体層１９に漏れる、漏れ電流の発生を抑制できる。
【００９１】
このように本実施の形態に係る電子障壁層１８の活性層１５側の界面での電子の蓄積量が小さく、バンドの電位の低下も小さいため、電子に対する電位障壁（ΔＥｃ）が大きくなる。また、正孔に対する電位障壁が小さくなる。したがって、本実施の形態に係る半導体発光素子１００によれば、温度特性の向上と、動作電圧の低減とを実現できる。また、電子障壁層１８において活性層１５寄りに不純物濃度最大位置が配置されるようにドーピングを行うと、バンドの電位の低下量がより小さくなり、上記効果が増大する。
【００９２】
以上より、Ａｌ組成比が単調に増大する電子障壁層１８では、電子障壁層１８内の不純物濃度分布の最大位置を活性層１５側に配置すれば、電子障壁層１８内に形成されるピエゾ分極電荷密度を低減できる。このため、電子障壁層１８内のイオン化アクセプタにより、正電荷であるピエゾ分極電荷を、負電荷のイオン化アクセプタで補償できる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側の界面に誘引される電子濃度が小さくなり、動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現できる。
【００９３】
ここで、電子障壁層１８への不純物のドーピングの総量を、比較例２に示す電子障壁層内に不純物を均一にドーピングする場合における電子障壁層へのドーピング総量と同一とし、電子障壁層１８内の不純物濃度分布の最大位置を活性層１５側にすれば、不純物ドーピングによるフリーキャリア損失の増大を招かずに動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現できる。
【００９４】
さらに、電子障壁層１８への不純物の全ドーピング量を、比較例２に示す電子障壁層内に不純物を均一にドーピングする場合における電子障壁層へのドーピング総量未満とし、電子障壁層１８内の不純物濃度最大位置を活性層１５側にすれば、不純物ドーピングによるフリーキャリア損失を低減しつつ、動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現できる。
【００９５】
本実施の形態に係る電子障壁層１８を用い、電子障壁層１８内の不純物濃度最大位置を活性層１５寄りに配置した場合、図３の模式図（ｆ）に示されるように、価電子帯の電位の低下が抑制され、伝導帯の電位が増大される。これにより、正孔に対する電位障壁の低減と、電子漏れに対する電位障壁の増大とが可能となるため、動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現できる。
【００９６】
電子障壁層１８をＡｌＧａＮ層で形成し、基板１１との格子不整により電子障壁層１８に生じる基板１１の主面に平行な方向における格子の平均歪が、引っ張り性の歪である場合、電子障壁層１８に生じる歪によるピエゾ分極成分と、ＡｌＧａＮ層からなる電子障壁層１８の原子組成で決まる自然分極成分とは、分極の電界の向きが同一であるため互いに強め合う。このため、ピエゾ効果の影響が大きくなる。また、電子障壁層１８に生じる平均歪が引っ張り性であれば、電子障壁層１８全体で生じる格子不整によるピエゾ分極成分と原子組成で決まる電子障壁層１８の自然分極成分とが互いに強め合い、ピエゾ効果の影響が大きくなる。
【００９７】
これらに対し、上述のＡｌ組成比が単調に増大する電子障壁層１８の構造や、不純物濃度分布最大位置を活性層１５寄りに配置することは、ピエゾ効果の影響を抑制し、動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現するのに有効である。
【００９８】
また、基板１１としては、電子障壁層の平均格子定数よりも大きい格子定数を有するＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板だけでなく、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ基板（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１）を用いても上記効果を得ることができる。
【００９９】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、電子障壁層におけるＡｌ組成比の分布において実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子の電子障壁層について図４を用いて説明する。
【０１００】
［２−１．電子障壁層の構成］
図４は、本実施の形態に係る半導体発光素子の電子障壁層１１８の構成を示す模式図である。図４に示される模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１１８の分極電荷面密度分布、不純物濃度分布、電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。
【０１０１】
本実施の形態に係る電子障壁層１１８は、実施の形態１に係る電子障壁層１８と同様に、第２半導体層１９に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比増加領域を有する。また、電子障壁層１１８における第２導電型の不純物濃度最大位置は、Ａｌ組成比増加領域において電子障壁層１１８のＡｌ組成比が最大となる位置と、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面との中間位置より活性層１５に近い。本実施の形態では、図４の模式図（ｃ）に示されるように電子障壁層１１８のＡｌ組成比が最大となる位置は、電子障壁層１１８の第２半導体層１９側の界面であり、電子障壁層１１８における第２導電型の不純物濃度最大位置は、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面である。電子障壁層１１８において、第２半導体層１９に近づくにしたがって不純物濃度は単調減少する。
【０１０２】
本実施の形態では、図４の模式図（ａ）に示されるように、Ａｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域１１８ａと、第１領域１１８ａと第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域１１８ｂとを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。言い換えると、Ａｌ組成比の積層方向における変化の割合が、第２半導体層１９に近づくにしたがって小さい値から大きい値に変化する。また、本実施の形態では、第１変化率及び第２変化率は、それぞれ第１領域１１８ａ及び第２領域１１８ｂにおいて一定であるが、必ずしも一定でなくてもよい。
【０１０３】
電子障壁層１１８に形成される分極電荷面密度は、図４の模式図（ｂ）に示されるように、Ａｌ組成比の増大に応じて増加していく。分極電荷体積密度の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図４の模式図（ｄ）に示されるように、形成される分極電荷体積密度の量は、第１領域１１８ａより第２領域１１８ｂの方が多くなる。また、本実施の形態では、第１領域１１８ａ及び第２領域１１８ｂの各々において、分極電荷体積密度は一定である。
【０１０４】
また、図４の模式図（ｃ）に示されるように本実施の形態に係る電子障壁層１１８においても、実施の形態１に係る電子障壁層１８と同様の濃度分布で不純物がドーピングされている。このため、電子障壁層１１８において、実施の形態１に係る電子障壁層１８と同様にイオン化アクセプタが形成される。
【０１０５】
電子障壁層１１８近傍の電荷（ピエゾ分極電荷（体積密度）、イオン化アクセプタ及びキャリア）の分布は、図４の模式図（ｄ）に示されるようになる。図４の模式図（ｄ）に示されるように、電子障壁層１１８の活性層１５側の分極電荷体積密度が、実施の形態１に係る電子障壁層１８よりさらに小さくなる。このため、イオン化アクセプタに起因する負電荷で活性層１５側の正電荷の分極電荷を補償する効果がより大きくなる。
【０１０６】
電子障壁層１１８の活性層１５側において不純物濃度を高くした場合、活性層１５側の分極電荷の補償効果が最も高くなる。この結果、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面付近の領域に誘引される電子濃度は、実施の形態１に係る電子障壁層１８と比較して、より小さくなる。この領域の電子濃度が低いため、積層方向に形成される、バンドの電位を小さくする方向の電界も、より小さくなる。
【０１０７】
これに伴い、電子障壁層１１８の価電子帯のバンドの電位の低下量が実施の形態１に係る電子障壁層１８よりさらに小さくなり、正孔に対する電子障壁層１１８の電位障壁も、より小さくなる。
【０１０８】
また、同時に電子障壁層１１８の伝導帯のバンドの電位の低下量もより小さくなるため、電子に対する電位障壁がより大きくなる。これにより、活性層１５に注入された電子が、電子障壁層１１８を超えて第２半導体層１９に漏れる、漏れ電流の発生をより一層抑制できる。
【０１０９】
本実施の形態に係る電子障壁層１１８を用い、電子障壁層１１８内の不純物濃度最大位置を活性層１５寄りに配置した場合の電子障壁層１１８近傍のバンド電位の変化が図４の模式図（ｆ）に示される。なお、図４の模式図（ｆ）には、比較のために、電子障壁層における不純物の全ドーピング量は本実施の形態に係る電子障壁層１１８と同じであって、電子障壁層において不純物が均一に分布する場合のバンド構造が破線で示されている。
【０１１０】
図４の模式図（ｆ）に示されるように、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面での電子の蓄積量が、実施の形態１に係る電子障壁層１８よりさらに小さく、バンドの電位の低下もさらに小さくなる。これにより、電子に対する電位障壁（ΔＥｃ）がより大きくなり、正孔に対する電位障壁がさらに小さくなるため、さらなる温度特性の向上と、動作電圧の低減とを実現できる。
【０１１１】
また、電子障壁層１１８において活性層１５寄りに不純物濃度最大位置が配置されるようにドーピングを行うと、バンドの電位の低下量がより小さくなり、上記効果が増大する。
【０１１２】
以上より、Ａｌ組成比の変化率が、第２半導体層１９に近づくにしたがって小さい値から大きい値に変化する電子障壁層１１８では、電子障壁層１１８内の不純物濃度最大位置を活性層１５寄りに配置すれば、電子障壁層１１８内に形成される活性層１５側の界面付近におけるピエゾ分極電荷密度を低減できる。このため、電子障壁層１１８内のイオン化アクセプタにより、活性層１５側の界面付近に分布する正電荷であるピエゾ分極電荷を、負電荷のイオン化アクセプタで補償する効果が増大する。この結果、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面付近の領域に誘引される電子濃度がより小さくなり、さらなる動作電圧の低減と、温度特性の向上とを実現できる。
【０１１３】
［２−２．シミュレーション結果］
次に、実施の形態１及び２に係る半導体発光素子のシミュレーション結果について説明する。
【０１１４】
［２−２−１．比較例のバンド構造及び電荷分布］
まず、比較例に係る電子障壁層におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果について図５を用いて説明する。図５は、比較例に係る電子障壁層におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果を示す図である。図５には、図２の模式図（ａ）と同様に電子障壁層において、Ａｌ組成比を積層方向に均一に分布させた場合のシミュレーション結果が示されている。図５のグラフ（ａ１）、（ａ２）及び（ａ３）は、それぞれ、電子障壁層において不純物Ｍｇを濃度１．５×１０１９ｃｍ−３で均一にドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す。図５のグラフ（ｂ１）、（ｂ２）及び（ｂ３）は、それぞれ、電子障壁層における不純物Ｍｇの濃度が、活性層１５側界面において最大値２．８×１０１９ｃｍ−３をとり、活性層１５側界面から第２半導体層１９側の界面に向かって不純物Ｍｇの濃度が単調に減少し、かつ、第２半導体層１９側の界面において第２半導体層１９における不純物Ｍｇの濃度と同じ濃度となるようにドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す（比較例１）。この場合、電子障壁層における不純物Ｍｇの平均濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３となる。図５のグラフ（ｃ１）、（ｃ２）及び（ｃ３）は、それぞれ、電子障壁層における不純物Ｍｇの濃度が、活性層１５側界面での濃度であるアンドープの状態から第２半導体層１９の界面に向かって線形に単調増加し、第２半導体層１９側界面において最大値２．８×１０１９ｃｍ−３をとるようにドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す（比較例１）。この場合、電子障壁層における不純物Ｍｇの平均濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３となる。なお、各グラフの横軸は、積層方向の位置を示し、０ｎｍの位置が電子障壁層と活性層１５との界面に相当し、５ｎｍの位置が、電子障壁層と第２半導体層１９との界面に相当する。また、図５の（ａ１）、（ａ２）、（ｂ１）、（ｂ２）、（ｃ１）及び（ｃ２）には、フェルミ準位が併せて破線で示されている。図５の（ａ３）、（ｂ３）及び（ｃ３）には、電子、正孔及びイオン化アクセプタの分布が、それぞれ、実線、破線及び一点鎖線で示されている。
【０１１５】
図５に示されるように、不純物濃度の分布形状を変えても、電子障壁層の界面における電子濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上あり、バンド構造は、ほぼ同じである。また、電子障壁層の界面でのピエゾ分極電荷が大きいため、イオン化アクセプタによるピエゾ分極電荷の補償効果が小さい。
【０１１６】
［２−２−２．実施の形態１のバンド構造及び電荷分布］
次に、実施の形態１に係る電子障壁層１８におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果について図６を用いて説明する。図６は、実施の形態１に係る電子障壁層１８におけるバンド構造及び電荷分布のシミュレーション結果を示す図である。図６には、図３の模式図（ａ）と同様に電子障壁層において、Ａｌ組成比が第２半導体層１９に近づくにしたがって直線的に増大する場合のシミュレーション結果が示されている。図６のグラフ（ａ１）、（ａ２）及び（ａ３）は、それぞれ、電子障壁層において不純物Ｍｇを濃度１．５×１０１９ｃｍ−３で均一にドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す。図６のグラフ（ｂ１）、（ｂ２）及び（ｂ３）は、実施の形態１に係る電子障壁層１８のシミュレーション結果を示すグラフである。図６のグラフ（ｂ１）、（ｂ２）及び（ｂ３）は、それぞれ、電子障壁層１８における不純物Ｍｇの濃度が活性層１５側界面において最大値２．８×１０１９ｃｍ−３をとり、活性層１５側界面から第２半導体層１９側の界面に向かって単調に線形に減少し、かつ、第２半導体層１９側の界面において第２半導体層１９における不純物Ｍｇ濃度と同じ濃度となるようにドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す。この場合、電子障壁層における平均濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３となる。図６のグラフ（ｃ１）、（ｃ２）及び（ｃ３）は、それぞれ、電子障壁層における不純物Ｍｇの濃度が活性層１５側界面での濃度であるアンドープの状態から第２半導体層１９の界面に向かって線形に単調増加し、第２半導体層１９側界面において最大値２．８×１０１９ｃｍ−３をとるようにドーピングした場合の伝導帯の電位分布、価電子帯の電位分布及び電荷分布を示す。この場合、電子障壁層における不純物Ｍｇの平均濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３となる。なお、各グラフの横軸は、積層方向の位置を示し、０ｎｍの位置が電子障壁層と活性層１５との界面に相当し、位置５ｎｍの位置が、電子障壁層と第２半導体層１９との界面に相当する。また、図６の（ａ１）、（ａ２）、（ｂ１）、（ｂ２）、（ｃ１）及び（ｃ２）には、フェルミ準位が併せて破線で示されている。図６の（ａ３）、（ｂ３）及び（ｃ３）には、電子、正孔及びイオン化アクセプタの分布が、それぞれ、実線、破線及び一点鎖線で示されている。
【０１１７】
図６のグラフ（ｂ３）に示されるように、電子障壁層１８の活性層１５側の界面において濃度が最大となるように、不純物をドーピングする場合には、電子障壁層１８の界面における電子濃度は１×１０１８ｃｍ−３程度に低減し、図６のグラフ（ａ３）及び（ｃ３）に示される場合よりバンド構造変化が小さくなる。
【０１１８】
また、電子障壁層１８内のピエゾ分極電荷を、イオン化アクセプタによるピエゾ分極電荷で補償できるため、電子障壁層１８の活性層１５側の界面近傍に誘引される電子濃度が低減する。これに伴い電子に対する電位障壁（ΔＥｃ）が大きくなり、正孔に対する電位障壁が小さくなるため、温度特性の向上と、動作電圧の低減とを実現できる。
【０１１９】
［２−２−３．動作電圧（Ａｌ組成比を積層方向において均一とした場合）］
次に、電子障壁層におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布と半導体発光素子の動作電圧との関係に関するシミュレーション結果について図７〜図１７を用いて説明する。
【０１２０】
まず、電子障壁層におけるＡｌ組成比を積層方向において均一とした場合のシミュレーション結果について図７を用いて説明する。
【０１２１】
図７は、比較例に係る電子障壁層におけるＡｌ組成比を積層方向において均一とした場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図７のグラフ（ａ）は、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図７のグラフ（ａ）の横軸は積層方向における位置を示す。
【０１２２】
図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧（Ｖｏｐ）と不純物濃度最大位置（Ｍｇ濃度最大位置）との関係を示すグラフである。また、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）には、最大不純物濃度（最大Ｍｇ濃度）をパラメータとして変化させた場合のシミュレーション結果が示されている。本シミュレーションでは、不純物濃度最大位置を、活性層１５側の界面から第２半導体層１９側の界面まで変化させている。また、不純物濃度は、線形に変化させている。
【０１２３】
各グラフの点線、破線、一点鎖線及び二点鎖線は、それぞれ、電子障壁層を均一な不純物濃度（Ｍｇ濃度）の５×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３、１．５×１０１９ｃｍ−３及び２×１０１９ｃｍ−３でドーピングした場合のシミュレーション結果を示す。また、各グラフの黒丸、白丸、黒四角、及び白四角は、それぞれ、最大不純物濃度が０．８×１０１９ｃｍ−３、１．８×１０１９ｃｍ−３、２．８×１０１９ｃｍ−３及び３．８×１０１９ｃｍ−３となるようにドーピングした場合のシミュレーション結果を示す。これらの条件では、電子障壁層の不純物濃度の平均値は、不純物濃度最大位置が活性層１５側の界面にある場合、それぞれ、５×１０１８ｃｍ−３、１×１０１９ｃｍ−３、１．５×１０１９ｃｍ−３及び２×１０１９ｃｍ−３となる。電子障壁層の不純物濃度の平均値は、不純物濃度最大位置が第２半導体層１９側の界面にある場合、それぞれ、４×１０１８ｃｍ−３、０．９×１０１９ｃｍ−３、１．４×１０１９ｃｍ−３及び１．９×１０１９ｃｍ−３となる。なお、図７及び後述する図８〜図１７においては、第２導電型の不純物としてＭｇを用いた場合のシミュレーション結果が示されている。また、後述する図８〜図１３、図１６及び図１７のグラフ（ｂ）〜（ｄ）並びに図１４及び図１５のグラフ（ｂ）における不純物濃度の条件は、図７のグラフ（ｂ）〜（ｄ）における不純物濃度の条件と同一である。
【０１２４】
本シミュレーションにおいては、図７のグラフ（ａ）に示されるように、電子障壁層における第２導電型の不純物濃度は、不純物濃度最大位置から第２半導体層に近づくにしたがって単調減少する。また、第２半導体層１９は、電子障壁層に隣接して配置される低不純物濃度領域と、低不純物濃度領域より電子障壁層から遠い位置に配置され、第２導電型の不純物濃度が低不純物濃度領域より高い高不純物濃度領域とを有する。なお、第２半導体層におけるＡｌ組成比は一定であり、電子障壁層におけるＡｌ組成比より低い。本シミュレーションでは、低不純物濃度領域の膜厚を１７０ｎｍ、不純物濃度を２×１０１８ｃｍ−３としている。
【０１２５】
図７〜図１７に示されるシミュレーションでは、ピーク不純物濃度は、均一に不純物をドーピングした場合より高くなるが、電子障壁層への全ドーピング量を、均一に不純物をドーピングした場合の電子障壁層への不純物の全ドーピング量以下とすることができる。したがって、図７〜図１７に示される各シミュレーション条件においては、均一ドーピングした場合と比較して不純物ドーピングによるフリーキャリア損失の増大を抑制することができる。
【０１２６】
比較例に係る電子障壁層の構造では、図７のグラフ（ａ）に示されるように、電子障壁層のＡｌ組成比が、積層方向において一定である場合、電子障壁層のＡｌ組成比が２０％、３０％、３５％のいずれにおいても、最大不純物濃度を変えても、３００ｍＡ動作時の動作電圧は、ほとんど変化しない。また、不純物濃度最大位置を変えても低動作電圧化の効果はない。これは、前述のように、Ａｌ組成比が一定の電子障壁層１８では、電子障壁層１８内の不純物濃度最大位置を活性層１５との界面としても、電子障壁層１８の活性層１５側の界面におけるピエゾ分極電荷密度が非常に大きいため、電子障壁層１８内のイオン化アクセプタ分布への影響が小さく、電子障壁層１８のピエゾ分極による動作電圧の増大や、温度特性の低下の抑制に対して効果は小さいためである。
【０１２７】
［２−２−４．動作電圧（Ａｌ組成比が単調に増加する場合）］
次に、実施の形態１と同様に、電子障壁層におけるＡｌ組成比が積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって単調に増加する場合のシミュレーション結果について図８を用いて説明する。図８は、電子障壁層におけるＡｌ組成比が積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって単調に増加する場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図８のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図８のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１２８】
図８のグラフ（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、不純物濃度最大位置を電子障壁層のＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。これにより、均一に不純物をドーピングした場合と比べて不純物の全ドーピング量を増大させることなく、低動作電圧化を実現することができる。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１２９】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１３０】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１３１】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１３２】
［２−２−５．動作電圧（電子障壁層の膜厚が１０ｎｍの場合）］
次に、電子障壁層の膜厚を１０ｎｍとした場合のシミュレーション結果について、図９を用いて説明する。図９は、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図９のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図９のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。本シミュレーションにおいては、図８に示した例と同様に電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって単調に増加する。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１３３】
図９のグラフ（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合にも、不純物濃度最大位置をＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より電子障壁層の活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１３４】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１３５】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の範囲において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１３６】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１３７】
［２−２−６．動作電圧（電子障壁層が第１領域及び第２領域を有する場合（膜厚５ｎｍ））］
次に、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有する場合のシミュレーション結果について図１０を用いて説明する。図１０は、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有する場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図１０のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１０のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１３８】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。言い換えると、電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって、第１変化率、及び、第１変化率より大きい第２変化率の二つの変化率で単調に増加する。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１０の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると下に凸型となっている。
【０１３９】
本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚は５ｎｍであり、第１領域の膜厚は２．５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から５％へ線形に増大する。第２領域の膜厚も２．５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、５％から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）に向かって線形に増大する。
【０１４０】
不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１４１】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１４２】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１４３】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１４４】
［２−２−７．動作電圧（電子障壁層が第１領域及び第２領域を有する場合（膜厚１０ｎｍ））］
次に、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有し、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合のシミュレーション結果について図１１を用いて説明する。図１１は、電子障壁層が第１領域及び第２領域を有し、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍである場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図１１のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１１のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１４５】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１１の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると下に凸型となっている。
【０１４６】
本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚は１０ｎｍであり、第１領域の膜厚は５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から５％へ線形に増大する。第２領域の膜厚も５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、５％から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）に向かって線形に増大する。
【０１４７】
不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１４８】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１４９】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１５０】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１５１】
［２−２−８．動作電圧（電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合（膜厚５ｎｍ））］
次に、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合のシミュレーション結果について図１２を用いて説明する。図１２は、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図１２のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１２のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１５２】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より小さい。言い換えると、電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって、第１変化率、及び、第１変化率より小さい第２変化率の二つの変化率で単調に増加する。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１２の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると上に凸型となっている。
【０１５３】
本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚は５ｎｍであり、第１領域の膜厚は２．５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から、最大Ａｌ組成比から５％低いＡｌ組成比へ線形に増大する。第２領域の膜厚も２．５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、最大Ａｌ組成比から５％低いＡｌ組成比から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）に向かって線形に増大する。
【０１５４】
不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。また、導波路損失の増大も抑制できる。ただし、これらの効果は、図８に示される電子障壁層が直線状のＡｌ組成比分布を有する場合と比べて小さい。
【０１５５】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１５６】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１５７】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１５８】
［２−２−９．動作電圧（電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合（膜厚１０ｎｍ））］
次に、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型であって、電子障壁層の膜厚が１０ｎｍの場合のシミュレーション結果について図１３を用いて説明する。図１３は、電子障壁層のＡｌ組成比分布が上に凸型の場合における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図１３のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１３のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１５９】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より小さい。言い換えると、電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって、第１変化率、及び、第１変化率より小さい第２変化率の二つの変化率で単調に増加する。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１３の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると上に凸型となっている。
【０１６０】
本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚は１０ｎｍであり、第１領域の膜厚は５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から、最大Ａｌ組成比から５％低いＡｌ組成比へ線形に増大する。第２領域の膜厚も５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、最大Ａｌ組成比から５％低いＡｌ組成比から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）に向かって線形に増大する。
【０１６１】
不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧が低減する。また、導波路損失の増大も抑制できる。ただし、これらの効果は、図９に示される電子障壁層が直線状のＡｌ組成比分布を有する場合と比べて小さい。
【０１６２】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１６３】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１６４】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１６５】
［２−２−１０．動作電圧（低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合）］
次に、第２半導体層１９の低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合のシミュレーション結果について、図１４を用いて説明する。図１４は、第２半導体層１９の低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。図１４のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１４のグラフ（ａ）には、不純物（Ｍｇ）濃度分布の二つの例が、一点鎖線及び破線で示されている。図１４のグラフ（ｂ）は、図７のグラフ（ｃ）と同様に、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が３０％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１６６】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１４の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると下に凸型となっている。電子障壁層の膜厚は５ｎｍであり、第１領域の膜厚は２．５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から５％へ線形に増大する。第２領域の膜厚も２．５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、５％から最大Ａｌ組成比（３０％）に向かって線形に増大する。
【０１６７】
本シミュレーションでは、最大不純物濃度を２．８×１０１９ｃｍ−３とし、不純物濃度最大位置を活性層１５側の界面から第２半導体層１９側の界面まで変化させている。
【０１６８】
低不純物濃度領域の膜厚を１７０ｎｍとし、低不純物濃度領域の不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３及び５×１０１８ｃｍ−３と変えてシミュレーションを行った。また、図１４のグラフ（ｂ）には、電子障壁層における不純物濃度を均一とし、低不純物濃度領域の濃度を５×１０１７ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３及び５×１０１８ｃｍ−３と変えた場合の動作電圧が、それぞれ、点線、破線、一点鎖線及び二点鎖線で併せて示されている（比較例２）。
【０１６９】
図１４のグラフ（ｂ）に示されるように、低不純物濃度領域の不純物濃度を、１×１０１８ｃｍ−３以上とすれば、動作電圧の急激な増大を抑制することが可能となる。さらに、不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置よりも活性層１５側の界面に近い位置とすると、電子障壁層内に均一に不純物ドーピングをした場合と比較して動作電圧を低減することができる。
【０１７０】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１７１】
［２−２−１１．動作電圧（不純物濃度最大位置が中間層にある場合）］
次に、中間層１７が、第２導電型の不純物を含み、中間層１７及び電子障壁層における不純物濃度最大位置が、中間層１７に位置している場合のミュレーション結果について、図１５を用いて説明する。図１５は、第２半導体層１９の低不純物濃度領域の不純物濃度を変更した場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【０１７２】
図１５のグラフ（ａ）は、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１５のグラフ（ａ）には、中間層１７におけるＡｌ組成比も併せて示されている。図１５のグラフ（ｂ）は、図７のグラフ（ｃ）と同様に、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が３０％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１７３】
本シミュレーションでは、電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって単調に増加する。電子障壁層の膜厚は５ｎｍであり、Ａｌ組成比は０％から３０％へ線形に増大している。最大Ａｌ組成比３０％、最大不純物濃度を２．８×１０１９ｃｍ−３とし、不純物のドーピング開始の位置を、中間層１７における電子障壁層との界面から５ｎｍの位置、２．５ｎｍの位置、及び、０ｎｍの位置（つまり界面の位置）とした場合において、不純物濃度最大位置を活性層１５側の界面から第２半導体層１９側の界面へ変化させている。第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。また、図１５のグラフ（ｂ）には、比較例２として、中間層の不純物ドーピング領域及び電子障壁層における不純物濃度を均一とし、不純物のドーピング開始位置（つまり、不純物ドーピング領域の活性層１５側の端の位置）を、中間層１７における電子障壁層との界面から５ｎｍの位置、２．５ｎｍの位置、及び、０ｎｍの位置（つまり界面の位置）とした場合の動作電圧が、それぞれ、点線、破線及び一点鎖線で併せて示されている。
【０１７４】
図１５のグラフ（ｂ）に示されるように、電子障壁層への不純物のドーピング開始位置を中間層１７における電子障壁層との界面から５ｎｍの位置とした場合、ドーピング開始位置を中間層１７と電子障壁層との界面とした場合と比べて、０．０２Ｖ程度の低動作電圧化の効果がある。
【０１７５】
さらに、不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、電子障壁層内のみに均一に不純物ドーピングをした場合と比較して動作電圧を低減できる。
【０１７６】
なお、不純物のドーピング開始位置を活性層１５に近づけ過ぎると導波路損失の増大につながる。不純物のドーピング開始位置が中間層１７と電子障壁層との界面から２．５ｎｍの位置の場合と５ｎｍの位置の場合とでは低動作電圧化の効果はあまり変わらないため、導波路損失の増大を招かずに、低動作電圧化を実現するためには、電子障壁層と中間層１７との界面から不純物のドーピング開始位置までの距離は、５ｎｍ以下としてもよい。
【０１７７】
また、電子障壁層の不純物のドーピング開始位置は、電子障壁層における活性層１５側の界面から積層方向に１ｎｍ以内の位置とし、不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置よりも活性層１５側の界面に近い位置とすると、低動作電圧化が可能である。
【０１７８】
［２−２−１２．動作電圧（電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有する場合）］
次に、電子障壁層が、Ａｌ組成比増加領域と第２半導体層１９との間にＡｌ組成比が一定であるＡｌ組成比一定領域を有する場合のミュレーション結果について、図１６を用いて説明する。図１６は、電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有する場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【０１７９】
図１６のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１６のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１８０】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層の膜厚は８ｎｍである。電子障壁層は、Ａｌ組成比が０から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）まで線形に増大する膜厚５ｎｍのＡｌ組成比増加領域と、Ａｌ組成比増加領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が最大Ａｌ組成比で一定である膜厚３ｎｍのＡｌ組成比一定領域とを有する。
【０１８１】
図１６のグラフ（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧を低減できる。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１８２】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１８３】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１８４】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１８５】
電子障壁層が、Ａｌ組成比増加領域の第２半導体層側に膜厚３ｎｍのＡｌ組成比一定領域を備えても、このＡｌ組成比一定領域においては、電子障壁層のピエゾ効果の影響でバンドの電位が高くなるため、不純物の活性化率が低く、動作電圧の変動に対する影響が小さい。Ａｌ組成比一定領域をあまりに厚くすると、電子障壁層を通過する正孔の受ける直列抵抗が増大するが、Ａｌ組成比一定領域の膜厚が５ｎｍ以下であれば動作電圧の大幅な増大を招かない。Ａｌ組成比一定領域の膜厚は、３ｎｍ以下であってもよい。これにより、動作電圧の大幅な増大をより一層抑制できる。
【０１８６】
また、図１６のグラフ（ａ）に、破線で示されるように、Ａｌ組成比一定領域と第２半導体層１９との間に、第２半導体層１９に近づくにしたがって単調にＡｌ組成比が減少するＡｌ組成比減少領域を設けてもよい。Ａｌ組成比は、図１６のグラフ（ａ）で実線で示されるＡｌ組成比分布と比較して小さく、不純物の活性化率が高くなり、相対的に多くの正孔が生成されるため動作電圧は低くなる。したがって、電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置から５ｎｍ以下の距離でＡｌ組成比を高不純物濃度領域の平均Ａｌ組成比と同一となるように低下させれば、動作電圧の増大を抑制することができる。また、電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置から３ｎｍ以下の距離でＡｌ組成比を高不純物濃度領域の平均Ａｌ組成比と同一となるように低下させてもよい。これにより、動作電圧の増大をより一層抑制できる。
【０１８７】
［２−２−１３．動作電圧（電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有し、Ａｌ組成比増加領域が第１領域及び第２領域を有する場合）］
次に、電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有し、Ａｌ組成比増加領域が第１領域及び第２領域を有する場合のシミュレーション結果について図１７を用いて説明する。図１７は、電子障壁層がＡｌ組成比一定領域を有し、Ａｌ組成比増加領域が第１領域及び第２領域を有する場合の動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示す図である。
【０１８８】
図１７のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、図７のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同様に、それぞれ、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が２０％、３０％及び３５％である半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と不純物濃度最大位置との関係を示すグラフである。なお、第２半導体層１９の構成は、図７に示されるシミュレーションで用いた構成と同様である。
【０１８９】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層のＡｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。電子障壁層におけるＡｌ組成比分布を示すグラフは、図１７の模式図（ａ）の実線で示されるように、横軸を積層方向の位置、縦軸をＡｌ組成比とすると下に凸型となっている。電子障壁層の膜厚は８ｎｍであり、第１領域の膜厚は２．５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から５％へ線形に増大する。第２領域の膜厚も２．５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、５％から最大Ａｌ組成比（２０％、３０％又は３５％）に向かって線形に増大する。電子障壁層は、さらに、Ａｌ組成比増加領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が最大Ａｌ組成比で一定である膜厚３ｎｍのＡｌ組成比一定領域を有する。
【０１９０】
図１７のグラフ（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、不純物濃度最大位置を電子障壁層内でＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置とすると、均一に不純物をドーピングした場合（比較例２）と比較して動作電圧を低減できる。また、導波路損失の増大も抑制できる。
【０１９１】
低動作電圧化の効果は、不純物濃度最大位置をできるだけ活性層１５側の界面に近い位置とした方が大きく、活性層１５側の界面からの距離をＡｌ組成比増加領域の膜厚の２５％以内とすればさらに増大できる。
【０１９２】
Ａｌ組成比が２０％以上、３５％以下の場合には、最大不純物濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３以上の場合において低動作電圧化の効果が生じているため、最大不純物濃度が２×１０１９ｃｍ−３以上で導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化を実現できる。
【０１９３】
また、最大不純物濃度は２．５×１０１９ｃｍ−３以上であってもよい。これにより導波路損失の増大を抑制しつつ、低動作電圧化効果をより一層増大できる。
【０１９４】
上述したように電子障壁層が、Ａｌ組成比増加領域の第２半導体層側に膜厚３ｎｍのＡｌ組成比一定領域を備えても、動作電圧の変動に対する影響が小さい。また、Ａｌ組成比一定領域をあまりに厚くすると、電子障壁層を通過する正孔の受ける直列抵抗が増大するが、Ａｌ組成比一定領域の膜厚が５ｎｍ以下であれば動作電圧の大幅な増大を招かない。Ａｌ組成比一定領域の膜厚は、３ｎｍ以下であってもよい。これにより、動作電圧の大幅な増大をより一層抑制できる。
【０１９５】
また、図１７のグラフ（ａ）に、破線で示されるように、Ａｌ組成比一定領域と第２半導体層１９との間に、第２半導体層１９に近づくにしたがって単調にＡｌ組成比が減少するＡｌ組成比減少領域を設けてもよい。これにより、上述したように、動作電圧は低くなる。したがって、電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置から５ｎｍ以下の距離でＡｌ組成比を高不純物濃度領域の平均Ａｌ組成比と同一となるように低下させれば、動作電圧の増大を抑制することができる。また、電子障壁層のＡｌ組成比が最大となる位置から３ｎｍ以下の距離でＡｌ組成比を高不純物濃度領域の平均Ａｌ組成比と同一となるように低下させてもよい。これにより、動作電圧の増大をより一層抑制できる。
【０１９６】
［２−２−１４．導波路損失及び動作電圧］
次に、導波路損失及び動作電圧と、第２半導体層の低不純物濃度領域の不純物濃度及び膜厚との関係について図１８を用いて説明する。図１８は、導波路損失及び動作電圧と、第２半導体層の低不純物濃度領域の不純物濃度及び膜厚との関係を示す図である。
【０１９７】
図１８のグラフ（ａ）は、図７のグラフ（ａ）と同様に、電子障壁層及び第２半導体層１９におけるＡｌ組成比分布及び不純物濃度分布を示すグラフである。図１８のグラフ（ｂ）は、導波路損失と低不純物濃度領域における不純物（Ｍｇ）濃度との関係を示すグラフである。図１８のグラフ（ｂ）においては、低不純物濃度領域の膜厚が５０ｎｍ、１５０ｎｍ、１７０ｎｍ、２７０ｎｍ及び３７０ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す各グラフが示されている。
【０１９８】
図１８のグラフ（ｃ）は、半導体発光素子の３００ｍＡ動作時における動作電圧と、低不純物濃度領域における不純物（Ｍｇ）濃度との関係を示すグラフである。図１８のグラフ（ｃ）においても、グラフ（ｂ）と同様に、低不純物濃度領域の膜厚が５０ｎｍ、１５０ｎｍ、１７０ｎｍ、２７０ｎｍ及び３７０ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す各グラフが示されている。
【０１９９】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層の膜厚は５ｎｍである。電子障壁層は、Ａｌ組成比が０から最大Ａｌ組成比（３０％）まで線形に増大する膜厚５ｎｍのＡｌ組成比増加領域を有する。電子障壁層における最大不純物濃度を２．８×１０１９ｃｍ−３とし、不純物濃度最大位置を電子障壁層の活性層１５側の界面としている。また、第２半導体層１９の高不純物濃度領域の不純物濃度は１×１０１９ｃｍ−３としている。
【０２００】
図１８のグラフ（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、低不純物濃度領域の不純物濃度を１．５×１０１８ｃｍ−３以上、３×１０１８ｃｍ−３以下とし、膜厚を１５０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以下とすることで、低不純物濃度領域を設けず高不純物濃度領域の不純物濃度を１×１０１９ｃｍ−３で一定とした場合と比較して、動作電圧増大の大幅な増大を抑制しつつ、４ｃｍ−１以下の低導波路損失を実現することができる。また、低不純物濃度領域の膜厚を１７０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以下としてもよい。これにより、動作電圧の増大をより一層抑制しつつ、導波路損失３．５ｃｍ−１以下の低導波路損失を実現できる。
【０２０１】
なお、図１８には、電子障壁層における最大Ａｌ組成比を０．３（つまり３０％）である場合のシミュレーション結果を示したが、最大Ａｌ組成比が０．２（つまり２０％）以上、０．３５（つまり３５％）以下であっても同様の効果が得られる。また、図１８には、電子障壁層における不純物濃度の最大値が２．８×１０１９ｃｍ−３である場合のシミュレーション結果を示したが、電子障壁層における不純物濃度の最大値が２×１０１９ｃｍ−３以上であっても同様の効果が得られる。
【０２０２】
［２−２−１５．導波路損失及び導波路損失］
次に、実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失と、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚との関係について図１９を用いて説明する。図１９は、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が３％である場合の実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失及び閉じ込め係数と、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚との関係を示す図である。図１９のグラフ（ａ）は、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を３％とした場合における第２光ガイド層１４の膜厚（横軸）及び第３光ガイド層１６の膜厚（縦軸）に対する導波路損失及び閉じ込め係数のシミュレーション結果を示している。図１９の模式図（ｂ）は、実施の形態２に係る半導体発光素子の禁制帯幅Ｅｇ分布を模式的に示す図である。模式図（ｂ）においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６に対応する部分がハッチングされている。
【０２０３】
本シミュレーションにおいては、電子障壁層１１８の膜厚は５ｎｍであり、第１領域の膜厚は２．５ｎｍであって、第１領域においてＡｌ組成比は、０％から５％へ線形に増大する。第２領域の膜厚も２．５ｎｍであり、第２領域においてＡｌ組成比は、５％から最大Ａｌ組成比（３０％）に向かって線形に増大する。
【０２０４】
不純物濃度最大位置は、電子障壁層１１８の活性層１５側の界面に位置し、最大不純物濃度は、導波路損失の増大を招かず、低動作電圧化効果を得るために、２×１０１９ｃｍ−３としている。
【０２０５】
第２半導体層１９は、電子障壁層１１８に隣接して配置され、不純物濃度が２×１０１８ｃｍ−３であり、膜厚１７０ｎｍの低不純物濃度領域を有する。
【０２０６】
この構造において、ＩｎＧａＮからなる第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚を変えた場合における、リッジ幅Ｗを３０μｍとした場合の導波路損失、リッジ内外の実効屈折率差（ΔＮ）、及び、活性層１５への積層方向における光閉じ込め係数のシミュレーション結果が図１９のグラフ（ａ）に示される。
【０２０７】
ΔＮは、リッジ内部の領域の積層構造で決まる積層方向の実効屈折率（Ｎ１）と、リッジ外部の領域の積層構造で決まる積層方向の実効屈折率（Ｎ２）の差（Ｎ１−Ｎ２）を意味する。ΔＮが大きいと導波路の水平方向への内部への横方向の光閉じ込め効果が大きくなり、光分布の水平方向への光閉じ込め効果が大きくなる。半導体発光素子が、リッジ幅Ｗが２０μｍ以上の単一リッジ構造を有する場合、ΔＮが１×１０−３以上でないと、リッジ内部への光閉じ込め効果が小さくなり、安定した水平横モード発振を得ることができなくなる。
【０２０８】
図１９のグラフ（ａ）に示されるように、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の合計膜厚を厚くすると導波路を伝搬する光分布の活性層１５への積層方向光閉じ込め効果が大きくなる。この場合、不純物のドーピングを行っていない活性層１５、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６における光分布の存在比率が大きくなるため、フリーキャリア損失の影響が小さくなる。この結果、導波路損失が小さくなる。
【０２０９】
例えば、第２光ガイド層１４の膜厚を１８０ｎｍ、第３光ガイド層１６の膜厚を１２０ｎｍとすると、ΔＮは４．８×１０−３、導波路損失は３．５ｃｍ−１となり、安定した水平横モード動作と４ｃｍ−１以下の低導波路損失とが得られる。この結果、電流−光出力特性は線形に近くなり、高いスロープ効率が得られる。なお、スロープ効率とは、レーザ発振後の、注入電流（ΔＩ）に対する光出力の増加（ΔＰ）の割合（ΔＰ／ΔＩ）のことである。
【０２１０】
また、図１９のグラフ（ａ）より、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を３５０ｎｍとすると、ΔＮが１．１×１０−３である場合において、導波路損失は１．８ｃｍ−１まで低減できることがわかる。また、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を３００ｎｍとすると、ΔＮが２×１０−３以上である場合において、導波路損失は２．６ｃｍ−１程度まで低減できることがわかる。
【０２１１】
したがって、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６の合計膜厚を３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下とすれば、ΔＮを１×１０−３以上とすることで安定した水平横モード動作が得られ、かつ、導波路損失が２．６ｃｍ−１以下の低損失導波路を実現することができる。
【０２１２】
次に、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が５％である場合の実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失と、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚との関係について図２０を用いて説明する。図２０は、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が５％である場合の実施の形態２に係る半導体発光素子の導波路損失及び閉じ込め係数と、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚との関係を示す図である。図２０のグラフ（ａ）は、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を５％とした場合における第２光ガイド層１４の膜厚（横軸）及び第３光ガイド層１６の膜厚（縦軸）に対する導波路損失及び閉じ込め係数のシミュレーション結果を示している。図２０の模式図（ｂ）は、実施の形態２に係る半導体発光素子の禁制帯幅Ｅｇ分布を模式的に示す図である。模式図（ｂ）においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６に対応する部分がハッチングされている。
【０２１３】
本シミュレーションにおいては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を５％とした点以外は、図１９を用いて説明したシミュレーションと同じ条件でシミュレーションを行った。
【０２１４】
この構造において、ＩｎＧａＮからなる第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚を変えた場合における、リッジ幅Ｗを３０μｍとした場合の導波路損失、リッジ内外の実効屈折率差（ΔＮ）、活性層１５への積層方向における光閉じ込め係数のシミュレーション結果が図２０のグラフ（ａ）に示される。
【０２１５】
図２０のグラフ（ａ）に示されるように、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を高めたために導波路を伝搬する光分布の活性層１５への積層方向光閉じ込め効果が大きくなる。この場合、不純物のドーピングを行っていない活性層１５、第２光ガイド層及び第３光ガイド層における光分布の存在比率が大きくなるため、フリーキャリア損失の影響が小さくなる。この結果、導波路損失が小さくなる。
【０２１６】
例えば、第２光ガイド層１４の膜厚を１８０ｎｍ、第３光ガイド層１６の膜厚を１２０ｎｍとすると、ΔＮは３．９×１０−３、導波路損失は２ｃｍ−１となり、安定した水平横モード動作と２ｃｍ−１以下の低導波路損失とが得られる。この結果、電流−光出力特性は線形に近くなり、高いスロープ効率が得られる。
【０２１７】
また、図２０のグラフ（ａ）より、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を３５０ｎｍとすると、ΔＮが１．１×１０−３である場合において、導波路損失は１．２ｃｍ−１まで低減できることがわかる。また、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を３００ｎｍとすると、ΔＮが２×１０−３程度である場合において、導波路損失は１．７ｃｍ−１程度まで低減できることがわかる。
【０２１８】
また、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を２５０ｎｍとすると、ΔＮが３．５×１０−３程度において、導波路損失は２ｃｍ−１程度まで低減できることがわかる。
【０２１９】
したがって、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を３００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下とすれば、ΔＮを１×１０−３以上とすることで安定した水平横モード動作が得られ、かつ、導波路損失が１．７ｃｍ−１以下の低損失導波路を実現することができる。
【０２２０】
また、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６との合計膜厚を２５０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下とすれば、ΔＮを１×１０−３以上とすることで安定した水平横モード動作が得られ、かつ、導波路損失が２ｃｍ−１以下の低損失導波路を実現することができる。
【０２２１】
以上より、第１導電側（ｎ側）、第２導電側（ｐ側）のＩｎＧａＮからなる各光ガイド層のＩｎ組成比範囲３％以上、５％以下において、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６の合計膜厚を３００ｎｍ以上３５０ｎｍとすると、導波路損失を２．６ｃｍ−１以下に抑制しつつ、１×１０−３以上のΔＮを実現することができる。
【０２２２】
［２−２−１６．電流−光出力特性及び電流−電圧特性］
次に、実施の形態１に係る半導体発光素子の電流−光出力特性及び電流−電圧特性について図２１を用いて説明する。図２１は、実施の形態１に係る半導体発光素子の電流−光出力特性及び電流−電圧特性を示す図である。図２１のグラフ（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、半導体発光素子の、２５℃における電流−光出力特性、８５℃における電流−光出力特性、２５℃における電流−電圧特性、及び、８５℃における電流−電圧特性を示す。
【０２２３】
各グラフの曲線（ａ）は、電子障壁層以外の構成は実施の形態１に係る半導体発光素子と同様の構成を有する比較例に係る半導体発光素子の特性を示す。本比較例では、膜厚５ｎｍの電子障壁層におけるＡｌ組成比分布は均一であり、Ａｌ組成比は３０％である。また、電子障壁層には、不純物（Ｍｇ）が濃度１．５×１０１９ｃｍ−３で均一にドーピングされている。
【０２２４】
各グラフの曲線（ｂ）は、電子障壁層以外の構成は実施の形態１に係る半導体発光素子と同様の構成を有する他の比較例に係る半導体発光素子の特性を示す。本比較例２では、電子障壁層におけるＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって、０％から３０％へ線形に増大する分布を有する。また、電子障壁層には、不純物（Ｍｇ）が濃度１．５×１０１９ｃｍ−３で均一にドーピングされている。
【０２２５】
各グラフの曲線（ｃ）は、実施の形態１に係る半導体発光素子１００の特性を示す。半導体発光素子１００では、電子障壁層１８におけるＡｌ組成比は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって、線形に増大する分布を有する。Ａｌ組成比は、電子障壁層１８の活性層１５側の界面において０％であり、第２半導体層１９側の界面において３０％である。また、電子障壁層１８における不純物（Ｍｇ）濃度は、積層方向において第２半導体層１９に近づくにしたがって線形に減少する分布を有する。不純物濃度は、電子障壁層１８の活性層１５側の界面において２．８×１０１９ｃｍ−３である。また電子障壁層１８における平均不純物濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３である。
【０２２６】
図２１の各グラフからわかるように、実施の形態１に係る半導体発光素子によれば、電子障壁層１８におけるＡｌ組成比を傾斜させ、かつ、不純物濃度最大位置を活性層１５側の界面に近い位置とすることで、低動作電圧化と温度特性の向上とを実現できる。
【０２２７】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、活性層の構成において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１との相違点を中心に図２２Ａ及び図２２Ｂを用いて説明する。
【０２２８】
図２２Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｂの概略構成を示す模式的な断面図である。図２２Ａには、半導体発光素子１００ｂの共振方向に垂直な断面が示されている。図２２Ａに示されるように、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と同様に、基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５Ｂと、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。半導体発光素子１００ｂは、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。
【０２２９】
本実施の形態に係る活性層１５Ｂについて、図２２Ｂを用いて説明する。図２２Ｂは、本実施の形態に係る活性層１５Ｂの積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。
【０２３０】
図２２Ｂに示されるように、活性層１５Ｂは、実施の形態１に係る活性層１５と同様に、２層の井戸層１５ｂ及び１５ｄと、３層の障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅとを備えたＤＱＷ構造を有する。２層の井戸層１５ｂ及び１５ｄの各々は、３層の障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅのうち隣り合う二つの障壁層の間に配置される。本実施の形態では、活性層１５Ｂは、さらに、４層の組成比傾斜層２１ａ〜２１ｄとを有する。
【０２３１】
４層の組成比傾斜層２１ａ〜２１ｄの各々は、２層の井戸層１５ｂ及び１５ｄのうちの一つの井戸層と、３層の障壁層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅのうち当該一つの井戸層と隣り合う一つの障壁層との間に配置される。４層の組成比傾斜層２１ａ〜２１ｄの各々のＩｎ組成比は、当該一つの井戸層のＩｎ組成比から当該一つの障壁層のＩｎ組成比へと連続的に変化する。言い換えると、４層の組成比傾斜層２１ａ〜２１ｄの各々のＩｎ組成比は、隣り合う井戸層との界面において、当該隣り合う井戸層と同一のＩｎ組成比を有し、隣り合う障壁層との界面において、当該隣り合う障壁層と同一のＩｎ組成比を有する。４層の組成比傾斜層２１ａ〜２１ｄの各々のＩｎ組成比は、隣り合う障壁層との界面から、隣り合う井戸層との界面に向かって単調に減少する。
【０２３２】
続いて、本実施の形態に係る活性層１５Ｂについて、図２３を用いてより詳細に説明する。図２３は、本実施の形態に係る井戸層１５ｂの近傍領域のバンド構造を示す模式図である。図２３には、井戸層１５ｂと、障壁層１５ａ及び１５ｃと、組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂとにおけるバンド構造が示されている。
【０２３３】
この構造において、組成比傾斜層２１ａ及び組成比傾斜層２１ｂの膜厚をそれぞれＸ１及びＸ２とする。この時、井戸層１５ｂは、Ｘ１−Ｘ２＜０の場合には障壁層１５ａと障壁層１５ｃとの間の中間位置に対して基板１１寄りに配置され、Ｘ１−Ｘ２＝０の場合には中間位置に配置され、Ｘ１−Ｘ２＞０の場合には第２半導体層１９寄りに配置される。
【０２３４】
同様に、組成比傾斜層２１ｃ及び組成比傾斜層２１ｄの膜厚をそれぞれＸ３及びＸ４とする（図示せず）。この時、井戸層１５ｄは、Ｘ３−Ｘ４＜０の場合には障壁層１５ｃと障壁層１５ｅとの間の中間位置に対して基板１１寄りに配置され、Ｘ３−Ｘ４＝０の場合には、中間位置に配置され、Ｘ３−Ｘ４＞０の場合には第２半導体層１９（つまりｐ型層）寄りに配置される。
【０２３５】
ここで本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｂにおいて、活性層１５Ｂの組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂの膜厚を変えた場合のバンド構造及びキャリアの基底状態の波動関数を計算した結果について図２４を用いて説明する。図２４は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｂのバンド構造及び波動関数と組成比傾斜層の膜厚との関係を示す図である。図２４のグラフ（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、Ｘ１を０ｎｍ、Ｘ２を１．６ｎｍとし、井戸層１５ｂの膜厚を２．８ｎｍとした場合の伝導帯及び価電子帯のバンド構造と電子及び正孔の基底状態の波動関数とを示すグラフである。図２４のグラフ（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ、Ｘ１を０．８ｎｍ、Ｘ２を０．８ｎｍとし、井戸層１５ｂの膜厚を２．８ｎｍとした場合の伝導帯及び価電子帯のバンド構造と電子及び正孔の基底状態の波動関数とを示すグラフである。図２４のグラフ（ｅ）及び（ｆ）は、それぞれ、Ｘ１を１．６ｎｍ、Ｘ２を０ｎｍとし、井戸層１５ｂの膜厚を２．８ｎｍとした場合の伝導帯及び価電子帯のバンド構造と電子及び正孔の基底状態の波動関数とを示すグラフである。図２４のグラフ（ａ）〜（ｆ）の横軸は積層方向における位置を示し、縦軸は電位を示す。図２４のグラフ（ａ）〜（ｆ）において、キャリアの波動関数、バンド構造及び基底準位エネルギーが、それぞれ点線、破線及び実線で示されている。図２４のグラフ（ａ）、（ｃ）及び（ｅ）の実線は、伝導帯に形成される電子の基底準位エネルギーの電位を示し、グラフ（ｂ）、（ｄ）及び（ｆ）の実線は、価電子帯に形成されるホールの基底準位エネルギーの電位を示す。
【０２３６】
また、図２４には、井戸層１５ｂの膜厚と、電子波動関数及び正孔波動関数の相互相関との関係も併せて示されている。図２４のグラフ（ｇ）には、井戸層１５ｂの膜厚を２ｎｍとしたときのＸ１とＸ２との差（Ｘ１−Ｘ２）と相互相関との関係が示されている。図２４のグラフ（ｈ）には、井戸層１５ｂの膜厚を２．８ｎｍとしたときのＸ１とＸ２との差（Ｘ１−Ｘ２）と相互相関との関係が示されている。図２４のグラフ（ｇ）及び（ｈ）には、Ｘ１とＸ２との和が０．８ｎｍ、１．６ｎｍ又は２．４ｎｍである場合の相互相関の計算結果が示されている。
【０２３７】
なお、電子及び正孔の波動関数を、それぞれ、φｅ及びφｈとすると、電子波動関数と正孔波動関数の相互相関は、以下の式１で表される。
【０２３８】
【数１】
2020158254.tif 000003
【０２３９】
基板１１の（０００１）面上に窒化物半導体を積層した半導体レーザ素子では、ピエゾ効果により、井戸層１５ｂのバンドの電位を示すグラフは、第２半導体層１９（ｐ型層）側が低くなるように傾く。このため電子波動関数は第２半導体層１９側へ、正孔波動関数は基板１１側へ偏る。また、電子波動関数の方が、正孔波動関数よりも井戸層１５ｂ外側への拡がりが大きく、組成比傾斜層の影響を受けやすい。
【０２４０】
井戸層１５ｂと障壁層１５ａとの間に組成比傾斜層２１ａを配置すると（つまり、井戸層１５ｂの基板１１側に組成比傾斜層２１ａを配置すると）、電子波動関数は、基板１１側へ拡がり易くなり、正孔波動関数との相互相関が増大する。また、井戸層１５ｂの基板１１側の組成比傾斜層２１ａの膜厚Ｘ１を、第２半導体層１９側の組成比傾斜層２１ｂの膜厚Ｘ２よりも厚くすると、電子波動関数と正孔波動関数との相互相関が大きくなる。
【０２４１】
井戸層１５ｂの基板１１側に組成比傾斜層２１ａを配置することで電子波動関数の偏りが低減するため、電子波動関数と正孔波動関数との相互相関が増大する。相互相関の増大により発光再結合確率が増大し、活性層１５Ｂにおける増幅利得が向上するため、発振しきい電流値及び動作キャリア密度が小さくなり、漏れ電流及び動作電流の低減が可能となる。
【０２４２】
続いて、障壁層１５ａ及び１５ｃのＩｎ組成比と電子波動関数及び正孔波動関数の相互相関との関係について図２５を用いて説明する。図２５は、本実施の形態に係る障壁層１５ａ及び１５ｃのＩｎ組成比と電子波動関数及び正孔波動関数の相互相関との関係を示すグラフである。図２５のグラフ（ａ）及び（ｂ）には、障壁層１５ａ及び１５ｃのＩｎ組成比が０．０４（つまり４％）である場合の相互相関の計算結果が示されている。図２５のグラフ（ｃ）及び（ｄ）には、障壁層１５ａ及び１５ｃのＩｎ組成比が０である場合の相互相関の計算結果が示されている。図２５のグラフ（ａ）及び（ｃ）には、井戸層１５ｂの膜厚を２ｎｍとしたときのＸ１とＸ２との差（Ｘ１−Ｘ２）と相互相関との関係が示されている。図２５のグラフ（ｂ）及び（ｄ）には、井戸層１５ｂの膜厚を２．８ｎｍとしたときのＸ１とＸ２との差（Ｘ１−Ｘ２）と相互相関との関係が示されている。図２５の各グラフには、Ｘ１とＸ２との和が０．８ｎｍ、１．６ｎｍ又は２．４ｎｍである場合の相互相関の計算結果が示されている。
【０２４３】
本実施の形態に係る組成比傾斜層を配置する場合、電子の方が正孔より有効質量が小さいので波動関数の井戸層１５ｂ外への拡がりが大きく、組成比傾斜層の影響を受けやすい。このため、障壁層１５ａ及び１５ｃのＩｎ組成比を高めた方が、相互相関の改善効果が大きい。
【０２４４】
井戸層１５ｂの基板１１側の組成比傾斜層２１ａの膜厚Ｘ１を相対的に第２半導体層１９側の組成比傾斜層２１ｂの膜厚Ｘ２よりも厚くすると、電子波動関数は井戸層１５ｂの積層方向における中心位置へ分布しやすくなり、電子波動関数と正孔波動関数との相互相関が高まる。
【０２４５】
井戸層１５ｂが薄くなりすぎると、井戸層１５ｂへの積層方向における光閉じ込めが低下し、発振しきい電流値の増大を招く。逆に井戸層１５ｂが厚くなりすぎると、４５０ｎｍ帯の青色レーザ光を得るためには井戸層１５ｂにおいて１５％以上の高Ｉｎ組成比が必要となる。このため、井戸層１５ｂでのピエゾ電界が大きくなり、バンドの傾きも増大し電子波動関数と正孔波動関数との相互相関が低下することから、井戸層１５ｂをあまりに厚くはできない。
【０２４６】
図２４及び図２５に示されるように、例えば、井戸層の膜厚を２ｎｍ以上、２．８ｎｍ以下とし、井戸層と隣り合う二つの組成比傾斜層の合計膜厚（Ｘ１＋Ｘ２）を０．８ｎｍ以上、２．４ｎｍ以下とし、障壁層のＩｎ組成比を０％以上、４％以下とする。また、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型であり、複数の組成比傾斜層のうち、一つの井戸層の基板１１側において隣り合う組成比傾斜層は、当該一つの井戸層の電子障壁層１８側において隣り合う組成比傾斜層より厚くてもよい。この場合、井戸層１５ｂへの光閉じ込めの低下を招かず相互相関を増大できる。これにより、発振しきい電流値及び動作電流を低減できるため、高温高出力動作時における消費電力の増大を抑制できる。したがって、半導体発光素子の長期動作における信頼性を確保できる。
【０２４７】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、活性層が単一の井戸層を有する点において、実施の形態３に係る半導体発光素子１００ｂと相違し、その他の点において一致する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態３に係る半導体発光素子１００ｂとの相違点を中心に図２６Ａ及び図２６Ｂを用いて説明する。
【０２４８】
図２６Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｃの概略構成を示す模式的な断面図である。図２６Ａには、半導体発光素子１００ｃの共振方向に垂直な断面が示されている。図２６Ａに示されるように、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｃは、実施の形態３に係る半導体発光素子１００ｂと同様に、基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５Ｃと、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。半導体発光素子１００ｃは、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。
【０２４９】
本実施の形態に係る活性層１５Ｃについて、図２６Ｂを用いて説明する。図２６Ｂは、本実施の形態に係る活性層１５Ｃの積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。
【０２５０】
図２６Ｂに示されるように、活性層１５Ｃは、１層の井戸層１５ｂと、２層の障壁層１５ａ及び１５ｂとを有する。つまり、活性層１５Ｃは、井戸層の層数が１である単一量子井戸構造を有する。活性層１５Ｃは、組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂをさらに有する。組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂの構成は、実施の形態３に係る組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂと同様である。
【０２５１】
本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｃの効果について、比較例と比較しながら図２７Ａ及び図２７Ｂを用いて説明する。図２７Ａ及び図２７Ｂは、それぞれ、比較例及び本実施の形態に係る半導体発光素子の活性層近傍におけるバンド構造及びキャリアの状態を示す模式図である。図２７Ａに示される比較例に係る半導体発光素子は、電子障壁層のＡｌ組成比が均一である点において実施の形態４に係る半導体発光素子１００ｃと相違しその他の点において一致する。
【０２５２】
比較例に係る半導体発光素子では、電子障壁層はＡｌ組成比が均一なＡｌＧａＮ層からなり、電子障壁層に生じるピエゾ効果により、電子障壁層の価電子帯のバンドの電位が低下する（図２７Ａの破線参照）。このため、正孔に対する電位障壁が増大する。
【０２５３】
単一量子井戸構造を有する活性層では、井戸層への積層方向における光閉じ込め係数が小さく、発振しきい値の増大、動作キャリ電流値、及び、動作キャリア密度の増大を招きやすい。このため、高温高出力動作時において活性層に注入された電子が熱的に励起されて第２半導体層側へ漏れやすくなる。
【０２５４】
電子障壁層での正孔の電位障壁も高いため、正孔を活性層に注入するためには高い動作電圧が必要となり、消費電力増大を招く。消費電力の増大は、半導体発光素子の自己発熱の増大につながる。このように、単一量子井戸構造を有する活性層を採用することで、ますます漏れ電流が生じやすくなり、高温高出力動作時の動作電流、及び、動作キャリア密度が増大し高温高出力動作時における光出力の熱飽和が生じる。この結果、高温高出力での長期動作における信頼性が低下し得る。
【０２５５】
一方、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｃにおける電子障壁層１８では、Ａｌ組成比は積層方向において、第２半導体層１９に近づくにしたがって徐々に増大する。また、不純物となるＭｇは、Ａｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５Ｃ側の界面に近い位置に最大値を取るようにドーピングされている。
【０２５６】
この結果、導波路損失の増大を招くことなく、正孔に対する電子障壁層１８の電位障壁を低減できるため、低動作電圧を実現できる。
【０２５７】
また、活性層１５Ｃでは、井戸層１５ｂの基板１１側に組成比傾斜層２１ａを配置することで、Ｉｎ組成比を傾斜させている。これにより、電子波動関数と正孔波動関数との相互相関を増大し、かつ、電子障壁層１８でのホール障壁を低減することができる。
【０２５８】
この結果、本実施の形態に係る半導体発光素子１００ｃでは、単一量子井戸構造を有する活性層１５Ｃにおいて漏れ電流発生を抑制し、動作電流を低減できる。したがって、本実施の形態に係る単一量子井戸構造と電子障壁層構造とを用いれば、単一量子井戸構造を有する活性層を用いた半導体発光素子１００ｃにおいて、高温高出力での長期動作における信頼性保証を確保できる。
【０２５９】
（実施の形態４の変形例）
実施の形態４に係る半導体発光素子の変形例について説明する。上記各実施の形態では、発振波長４５０ｎｍ帯の青色レーザ光を出射する半導体発光素子について説明したが、半導体発光素子が出射するレーザ光の波長帯はこれに限定されない。本変形例では、４５０ｎｍ帯以外の発振波長を有する半導体発光素子の一例として発振波長４０５ｎｍの青紫レーザ光を出射する半導体発光素子について、実施の形態４に係る半導体発光素子１００ｃとの相違点を中心に説明する。
【０２６０】
本変形例に係る半導体発光素子は、図２６Ａ及び図２６Ｂに示される実施の形態４に係る半導体発光素子１００ｃと同様の層構成を有する。つまり、本変形例に係る半導体発光素子は、基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５Ｃと、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。本変形例に係る半導体発光素子は、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。
【０２６１】
本変形例に係る第１半導体層１２は、膜厚３．０μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層である。第１光ガイド層１３は、膜厚１３０ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。第２光ガイド層１４は、膜厚１７０ｎｍのＩｎＧａＮ層である。第３光ガイド層１６は、膜厚４０ｎｍのＩｎＧａＮ層である。中間層１７は、膜厚３ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。電子障壁層１８は、ｐ型ＡｌＧａＮ層である。第２半導体層１９は、膜厚６６０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層である。コンタクト層２０は、膜厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。電流ブロック層３０、ｎ側電極３１及びｐ側電極３２は、実施の形態４に係る半導体発光素子１００ｃ（及び実施の形態１に係る半導体発光素子１００）と同様の構成を有する。本変形例においてもリッジ幅Ｗは３０μｍ程度である。また、半導体発光素子の共振器長は１２００μｍ程度である。
【０２６２】
ここで、本変形例においては、活性層１５Ｃに積層方向に光を閉じ込めるために、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０２６（２．６％）としている。この結果、第１半導体層１２、第２半導体層１９の屈折率は、半導体発光素子の光分布領域における実効屈折率よりも小さくなるため、クラッド層として機能する。
【０２６３】
本変形例に係る活性層１５Ｃは、単一量子井戸構造を有し、単一の井戸層１５ｂと２層の障壁層１５ａ及び１５ｃとを有する。井戸層１５ｂは、波長４０５ｎｍのレーザ発振を得るために、膜厚７．５ｎｍ、Ｉｎ組成比０．０６６（６．６％）のアンドープＩｎＧａＮからなる。障壁層１５ａ及び１５ｃは、Ｉｎ組成比０．００８（０．８％）のＩｎＧａＮ層であり、それぞれ、膜厚２０ｎｍ、及び、膜厚１８ｎｍである。
【０２６４】
また、活性層１５Ｃは、組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂをさらに有する。組成比傾斜層２１ａは、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとの間に配置され、膜厚０．８ｎｍで、積層方向においてＩｎ組成比が０．８％から６．６％まで連続的に変化する層である。組成比傾斜層２１ｂは、障壁層１５ｃと井戸層１５ｂとの間に配置され、膜厚０．２ｎｍで、積層方向においてＩｎ組成比が６．６％から０．８％に変化する層である。
【０２６５】
また、波長４００ｎｍ帯でレーザ発振を得るために、井戸層１５ｂの膜厚を４ｎｍとし、井戸層１５ｂで形成される量子準位間のエネルギーを大きくしてもよい。又は、井戸層１５ｂのＩｎ組成比を０．０５６（５．６％）とし、井戸層１５ｂ自身のバンドギャップエネルギーを大きくしてもよい。この場合、組成比傾斜層２１ａのＩｎ組成比は、積層方向において井戸層１５ｂに近づくにしたがって０．８％から５．６％へ変化し、組成比傾斜層２１ｂのＩｎ組成比は、積層方向において井戸層１５ｂから遠ざかるにしたがって５．６％から０．８％へ変化する。また、障壁層１５ａ及び１５ｃをＧａＮ層とすることで、井戸層１５ｂで形成される量子準位間のエネルギーを高めてもよい。この場合、組成比傾斜層２１ａ及び２１ｂのＩｎ組成比は、積層方向において井戸層１５ｂに近づくにしたがって０％から井戸層のＩｎ組成比へ変化している。
【０２６６】
また、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６は、Ｉｎを含むことで屈折率をｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９よりも高めた層である。これにより、リッジに対応する導波路を伝搬する光分布に対する実効屈折率を高め、第１半導体層１２及び第２半導体層１９による光分布の積層方向への光閉じ込め効果を高めることができる。したがって、半導体発光素子における導波路損失を低減できる。
【０２６７】
また、波長４０５ｎｍ帯においては、波長４５０ｎｍと比較して、同一組成比でのＡｌＧａＮとＩｎＧａＮとの屈折率の差が大きくなり、第２光ガイド層１４を形成せずとも、活性層１５Ｃへの光分布の積層方向の光閉じ込め効果を高めることができる。このため、本変形例においては、ＩｎＧａＮからなる第２光ガイド層１４は必ずしも形成する必要はない。
【０２６８】
ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が小さいと、井戸層への積層方向における光閉じ込め効果が小さくなるため、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなる。この結果、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。逆に、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が大きいと、波長４０５ｎｍのレーザ光に対して光吸収損失が生じる。このため、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比は０．００１（０．１％）以上、０．００８（０．８％）以下としてもよい。本変形例においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を０．００３（０．３％）として、井戸層への積層方向の光閉じ込め係数を増大させている。
【０２６９】
また、第２光ガイド層１４のＩｎ組成比を第３光ガイド層１６のＩｎ組成比より高い０．００８（０．８％）とすれば、導波路の光分布を第１半導体層１２寄りに配置できる。ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１半導体層１２に、１×１０１８ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３の濃度のｎ型不純物をドーピングすれば第１半導体層１２を低抵抗化できる。この濃度は、１×１０１９ｃｍ−３程度の濃度の不純物をドーピングする第２半導体層１９よりも低い不純物濃度である。このため、光分布を第１半導体層１２寄りとすれば、フリーキャリア損失を低減できるため、導波路損失を低減することができる。
【０２７０】
また、第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４が有する各格子定数及び各禁制帯幅エネルギーの間の大きさの格子定数及び禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。これにより、第２光ガイド層１４をＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２の直上に形成する場合と比較して、界面で生じるピエゾ効果によるバンド構造のスパイク状の変形を小さくすることができる。したがって、電子の活性層１５Ｃへの電気伝導を容易化できる。
【０２７１】
また、中間層１７は、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層１８と、ＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層１６とが有する格子定数及び禁制帯幅エネルギーの間の大きさとなる格子定数及び禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。
【０２７２】
また、Ｉｎを含む圧縮性の格子歪を有する第２光ガイド層１４、活性層１５Ｃ及び第３光ガイド層１６を順に積層し、その直上に引っ張り性の格子歪を有するＡｌＧａＮ層からなる電子障壁層１８を積層すると界面に生じる応力が大きくなり、結晶欠陥が生じるおそれがある。一方、中間層１７を、膜厚３ｎｍのＧａＮ層とすれば、第３光ガイド層１６と電子障壁層１８との間に加わる応力を緩和させることができる。
【０２７３】
また、第３光ガイド層１６は、その中間層１７側に、Ｉｎ組成比が、積層方向において第３光ガイド層１６の活性層１５Ｃとの界面におけるＩｎ組成比から中間層１７のＩｎ組成比に徐々に変化する組成比傾斜領域１６ａを有してもよい。これにより、第３光ガイド層１６と中間層１７との界面のピエゾ効果による分極電荷を組成比傾斜領域１６ａに分散させることが可能となる。このため、第３光ガイド層１６と中間層１７との界面に形成されるバンド電位のスパイク状の変形を抑制することが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。
【０２７４】
また、中間層１７が厚くなりすぎると、屈折率の低い第２半導体層１９と活性層１５Ｃとの距離が大きくなるため、活性層１５Ｃへの積層方向の光の閉じ込め効果が弱まる。このため、中間層１７の膜厚は１０ｎｍ以下のできるだけ薄い膜厚としてもよい。本変形例では、中間層１７の膜厚は３ｎｍである。
【０２７５】
また、本変形例に係る半導体発光素子においては、リッジ側面上に、膜厚０．１μｍのＳｉＯ２からなる誘電体の電流ブロック層３０が形成されている。この構造において、コンタクト層２０から注入された電流は電流ブロック層３０によりリッジ部のみに流れる。このため、リッジ底部下方に位置する活性層１５Ｃの領域に集中して電流が注入される。これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は、百ｍＡ程度の比較的少ない注入電流により実現される。活性層１５Ｃへ注入された電子及び正孔からなるキャリアの再結合により発光した光は、活性層１５Ｃの積層方向へは、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６、第１半導体層１２及び第２半導体層１９により閉じ込められ、積層方向に垂直な方向（水平方向）においては、電流ブロック層３０の屈折率が、第１半導体層１２及び第２半導体層１９よりも屈折率が低いため、光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層３０はレーザ発振光に対する光吸収が少ないため、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝搬する光の分布は電流ブロック層に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１×１０−３のオーダのΔＮ（リッジ内外の積層方向における実効屈折率の差）を精密に実現できる。さらに、電流ブロック層３０と活性層１５Ｃとの間の距離ｄｐを調整することで、同じく１０−３のオーダで精密にΔＮの大きさを調整できる。このため、光分布を精密に調整しつつ、低動作電流の高出力の半導体発光素子を得ることができる。本変形例においては、ΔＮが３×１０−３となるように距離ｄｐなどが調整されている。
【０２７６】
電子障壁層１８は、ｐ型ＧａＮからなる中間層１７上に形成され、電子障壁層１８の禁制帯幅のエネルギーの大きさは、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のそれよりも大きい。これにより、電子障壁層１８の伝導帯バンドの電位を高くし、エネルギー障壁を形成することができる。この結果、活性層１５Ｃに注入された電子が熱的に励起されて第２半導体層１９に漏れる現象を抑制できるため、半導体発光素子の高温動作特性を向上させることができる。
【０２７７】
本変形例では、電子障壁層１８の膜厚は５ｎｍである。電子障壁層１８は、第２半導体層１９に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比増加領域を有する。Ａｌ組成比増加領域は、Ａｌ組成比が第１変化率で変化する膜厚２．５ｎｍの第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、Ａｌ組成比が第２変化率で変化する膜厚２．５ｎｍの第２領域とを有し、第２変化率は、第１変化率より大きい。第１領域においてはＡｌ組成比が０％から５％へ線形に増大し、第２領域においてはＡｌ組成比が５％から３０％へ線形に増大する。
【０２７８】
電子障壁層１８中の不純物となるＭｇの最大不純物濃度は２×１０１９ｃｍ−３とし、積層方向における不純物濃度最大位置は、電子障壁層１８のＡｌ組成比増加領域の積層方向における中間位置より活性層１５側の界面に近い位置としている。
【０２７９】
第２半導体層１９の低不純物濃度領域は、膜厚を１７０ｎｍ、その不純物濃度を２×１０１８ｃｍ−３として、低導波路損失化と低動作電圧化とを両立させている。
【０２８０】
本変形例に係る半導体発光素子において、これまで述べてきた電子障壁層１８のＡｌ組成比分布形状、不純物のドーピングプロファイル、ヘテロ界面での組成比の傾斜構造を用いれば、４５０ｎｍ帯の青色レーザ素子と同様に、温度特性に優れた、低動作電圧の４０５ｎｍの青紫色レーザ素子を実現できる。
【０２８１】
また、本変形例に係る半導体発光素子において、リッジ幅Ｗを３０μｍ以上とすれば、ワット級の大出力動作が可能な超高出力レーザ素子を実現できる。
【０２８２】
（変形例など）
以上、本開示に係る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。
【０２８３】
例えば、上記各実施の形態では、発振波長４５０ｎｍ帯の青色レーザ素子と発振波長４０５ｎｍ帯の青紫色レーザ素子についての説明を行ってきたが、本開示は窒化物を用いた他の波長帯の窒化物系レーザ素子にも適用することができる。
【０２８４】
また、上記各半導体発光素子においては、活性層における井戸層の層数を１又は２としたが、井戸層の層数はこれらに限定されない。井戸層の層数は１以上であればよい。つまり、活性層は、複数の障壁層と、１以上の井戸層とを有していればよい。
【０２８５】
また、組成比傾斜層の層数も井戸層の層数に応じて適宜決定されればよい。つまり、活性層は、少なくともＧａを含む複数の障壁層と、１以上の井戸層と、複数の組成比傾斜層とを有してもよい。１以上の井戸層の各々は、複数の障壁層のうち隣り合う二つの障壁層の間に配置され、複数の組成比傾斜層の各々は、１以上の井戸層のうちの一つの井戸層と、複数の障壁層のうち当該一つの井戸層と隣り合う一つの障壁層との間に配置されてもよい。
【０２８６】
また、上記各実施の形態においては、半導体発光素子は、第１光ガイド層、第２光ガイド層、第３光ガイド層及び中間層を備えたが、これらの層は必須の構成要素ではない。
【０２８７】
また、上記各実施の形態においては、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、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、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。
【０２８８】
また、上記各実施の形態及びその変形例に係る半導体発光素子においては、リッジ構造を用いて電流狭窄を実現したが、電流狭窄を実現するための手段は、これに限定されず、電極ストライプ構造、埋め込み型構造などを使用してもよい。
【０２８９】
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。
【産業上の利用可能性】
【０２９０】
本開示の半導体発光素子は、例えば、高温動作においても、低消費電力の光源として車載ヘッドライト光源などに適用できる。
【符号の説明】
【０２９１】
１１  基板
１２  第１半導体層
１３  第１光ガイド層
１４  第２光ガイド層
１５、１５Ｂ、１５Ｃ  活性層
１５ａ、１５ｃ、１５ｅ  障壁層
１５ｂ、１５ｄ  井戸層
１６  第３光ガイド層
１６ａ  組成比傾斜領域
１７  中間層
１８、１８Ａ、１１８  電子障壁層
１９  第２半導体層
２０  コンタクト層
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ  組成比傾斜層
３０  電流ブロック層
３１  ｎ側電極
３２  ｐ側電極
１００、１００ｂ、１００ｃ  半導体発光素子
１１８ａ  第１領域
１１８ｂ  第２領域
２０１ａ、２０１ｂ  井戸層
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ  障壁層
２１１  ｎ型層
２１２  活性層
２１３  ｐ型層
２２５  下部クラッド層
２２８  ｐ側電子閉じ込め層
２３０  上部クラッド層
２３１ｂ  第１の窒化物半導体層
２３２ｂ  第２の窒化物半導体層
４１２  クラッド層
４１３  第２光ガイド層
４１４  第３光ガイド層
４１５  活性層
４１６  第１光ガイド層
４１７  中間層
４１８  電子障壁層
４１９  クラッド層
【図１Ａ】
2020158254.tif 000004
【図１Ｂ】
2020158254.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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