CN104737393B - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

半导体发光元件包括：由GaN形成的衬底(11)；设置在衬底(11)上方的第一包覆层(12)；设置在第一包覆层(12)上方的量子阱有源层(13)；设置在量子阱有源层(13)上方的第二包覆层(14)；以及设置在衬底(11)与第一包覆层(12)之间的第一折射率修正层(15)。第一折射率修正层包括In1‑x‑yAlyGaxN(x+y＜1)层，x和y满足关系式x/1.05+y/0.69＞1、x/1.13+y/0.49＞1或x/1.54+y/0.24＞1，并且满足x/0.91+y/0.75≥1和x/1.08+y/0.91≤1。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明涉及一种用于投影仪光源等的半导体发光元件。
背景技术
专利文献1中记载了一种具有利用p型包覆层和n型包覆层夹住有源层的结构的半导体发光元件。具体而言，包括：衬底；设置在衬底上方的第一导电型第一包覆层；设置在第一包覆层上方的量子阱有源层；以及设置在量子阱有源层上方的第二导电型第二包覆层。
专利文献1：日本公开专利公报特开2002-270971号公报
发明内容
-发明所要解决的技术问题-
在这样的现有半导体发光元件中，存在难以使抑制衬底与第一包覆层之间的晶格失配和衬底的垂直方向上的陷光两立的问题。
即，在上述现有结构中，若要使垂直方向的光陷阱增大，优选第一包覆层的折射率较低。因此，例如优选第一包覆层的Al组成比高。另一方面，如果增加第一包覆层的Al组成比，则第一包覆层与衬底之间的晶格失配会增大。这样，难以使由增加第一包覆层的Al组成比引起的垂直方向的陷光和对衬底与第一包覆层之间的晶格失配情况的抑制两立。
本发明的技术问题是使对衬底与第一包覆层之间的晶格失配的抑制和垂直方向的光陷阱两立。
-用以解决技术问题的技术方案-
本发明中的半导体发光元件的一方式中，在衬底与第一包覆层之间具有包括第一导电型In1-x-yAlyGaxN层的第一折射率修正层，x和y满足关系式x/1.05+y/0.69＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，并且发出的光的波长在430nm以上。
-发明的效果-
根据本发明的半导体发光元件，能够抑制衬底与第一包覆层之间的晶格失配情况，同时能够使垂直方向的光陷阱增大。
附图说明
图1是一实施方式中的半导体发光元件的剖视图。
图2是表示一实施方式中的半导体发光元件的第一折射率修正层中使用的材料组成比设定区域的图。
图3是表示一实施方式中的半导体发光元件的第一折射率修正层中使用的另一材料组成比设定区域的图。
图4是表示一实施方式中的半导体发光元件的第一折射率修正层中使用的另一材料组成比设定区域的图。
图5(a)是表示一实施方式中的半导体发光元件的晶格缺陷与临界膜厚的关系的图，图5(b)是表示一实施方式中的半导体发光元件的晶格缺陷与标准化临界膜厚的关系的图。
图6是表示处于整体(Bulk)状态的InGaAlN材料组成分离区域的热力学解析结果的图。
图7是表示与GaN层晶格匹配的InGaAlN材料中组成分离区域的热力学解析结果的图。
图8(a)是表示AlGaN的临界膜厚对Al组成比的依赖性的图，(b)是表示InGaN的临界膜厚对In组成比的依赖性的图，(c)是表示InAlN的临界膜厚对In组成比的依赖性的图。
图9是表示一实施方式中的半导体发光元件的第一折射率修正层中使用的另一材料组成比设定区域的图。
图10是表示InAlN的折射率的膜厚结构比依赖性的图。
图11(a)是表示约430nm的半导体发光元件中InAlN的折射率的膜厚结构比依赖性的图，图11(b)是表示约530nm的半导体发光元件中InAlN的折射率的膜厚结构比依赖性的图。
图12(a)是表示现有半导体发光元件的折射率分布的计算结果的图，图12(b)是表示现有半导体发光元件中的垂直方向光分布的计算结果的图。
图13(a)是表示一实施方式的半导体发光元件的折射率分布的计算结果的图，图13(b)是表示一实施方式的半导体发光元件中的垂直方向光分布的计算结果的图。
图14是表示一实施方式中的半导体发光元件的第一折射率修正层中使用的另一材料组成比设定区域的图。
图15是实施例3中的半导体发光元件的剖视图。
图16是实施例4中的半导体发光元件的剖视图。
图17是实施例5中的半导体发光元件的剖视图。
图18是表示实施例5中的变形例的半导体发光元件的剖视图。
图19是表示实施例5中的变形例的半导体发光元件的剖视图。
具体实施方式
在本发明中，A设置在B的“上方”这样的表述，包括A经由其他部件设置在B上和A以与B接触的方式设置在B上这两种情况。A设置在B“上”这样表述的情况也一样。
在本发明中，第一导电型与第二导电型是互不相同的导电类型，当第一导电型为n型的情况下第二导电型为p型，当第一导电型为p型的情况下第二导电型为n型。
在本发明中，将氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)以及氮化镓(GaN)的混晶表示为InaAlbGacN。在没有特指第三族(III族)元素的组成比的情况下，有时会省略下标文字。
第一方面的半导体发光元件包括：由GaN形成的衬底、设置在衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型第一包覆层、设置在第一包覆层上方的量子阱有源层、设置在量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型第二包覆层以及设置在衬底与第一包覆层之间的第一导电型第一折射率修正层，第一折射率修正层包括In1-x- yAlyGaxN层，x和y满足关系式x/1.05+y/0.69＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，量子阱有源层发出的光的波长在430nm以上，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，x+y＜1。
第二方面的半导体发光元件包括：由GaN形成的衬底、设置在衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型第一包覆层、设置在第一包覆层上方的量子阱有源层、设置在量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型第二包覆层以及设置在衬底与第一包覆层之间的第一导电型第一折射率修正层，第一折射率修正层包括In1-x- yAlyGaxN层，x和y满足关系式x/1.13+y/0.49＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，量子阱有源层发出的光的波长在530nm以上，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，x+y＜1。
第三方面的半导体发光元件包括：由GaN形成的衬底、设置在衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型第一包覆层、设置在第一包覆层上方的量子阱有源层、设置在量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型第二包覆层以及设置在衬底与第一包覆层之间的第一导电型第一折射率修正层，第一折射率修正层包括In1-x- yAlyGaxN层，x和y满足关系式x/1.54+y/0.24＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，量子阱有源层发出的光的波长在630nm以上，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，x+y＜1。
各个方面的半导体发光元件可以构成为x和y满足关系式x/0.96+y/0.81≥1以及x/1.04+y/0.87≤1，还可以构成为x和y满足关系式x/0.99+y/0.82≥1以及x/1.01+y/0.84≤1，也可以构成为x和y满足关系式x/0.80+y/0.89≥1。
各个方面的半导体发光元件可以构成为第一折射率修正层是包括In1-x-yAlyGaxN层和GaN层的超晶格层。
在各个方面的半导体发光元件中，x可以为0。
各个方面的半导体发光元件还可以构成为包括设置在第一折射率修正层与衬底之间的第三包覆层。
在该情况下可以构成为，第一包覆层由GaN形成且第三包覆层由AlGaN形成。
各个方面的半导体发光元件还可以构成为包括设置在第二包覆层上方的第二折射率修正层。
各个方面的半导体发光元件还可以构成为还包括设置在量子阱有源层上方的第二折射率修正层，并且，第二包覆层具有上层和下层，第二折射率修正层设置在上层与下层之间。
各个方面的半导体发光元件还可以构成为包括设置在量子阱有源层与第二包覆层之间的第二折射率修正层。
(一实施方式)
下面，参照附图来对半导体发光元件的一实施方式进行说明。如图1所示，一实施方式中的半导体发光元件包括：由GaN形成的衬底11；设置在衬底11上方的第一导电型第一包覆层12；设置在上述第一包覆层12上方的量子阱有源层13；以及设置在上述量子阱有源层13上方的第二导电型第二包覆层14。
第一包覆层12由In1-n1-n2Aln2Gan1N(0≤n1＜1，0＜n2＜1，n1+n2≤1)形成，第二包覆层14由In1-m1-m2Alm1Gam2N(0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1)形成。
在衬底11与第一包覆层12之间设置有第一导电型折射率修正层15。在第一包覆层12与量子阱有源层13之间设置有导向层313。在量子阱有源层13与第二包覆层14之间设置有第二导电型量子阱电子势垒层315。第二包覆层14具有脊14A，在脊14A上设置有第二导电型接触层317。在除脊14A上部之外的第二包覆层14上设置有对于光分布而言是透明的电流阻挡层318。在衬底11的下表面设置有第一电极321，在接触层317和电流阻挡层318上设置有第二电极320。
折射率修正层15包括第一导电型In1-x-yAlyGaxN(x+y＜1)层。当发出的光的波长在430nm以上的情况下，In1-x-yAlyGaxN层的Ga组成比x以及Al组成比y满足下面的式1。
x/1.05+y/0.69＞1···(式1)
构成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式1，由此能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。下面对其理由进行说明。
首先，当使用Aln2Gan1N作为第一包覆层12的材料的情况下，从增强在量子阱有源层13的垂直方向上的陷光方面来看，为了减小第一包覆层12的折射率，期望Al组成比n2比较大。然而，如果使Al组成比n2增大，例如将其设定为0.1以上，则由GaN形成的衬底11与由Aln2Gan1N形成的第一包覆层12之间的热膨胀系数之差变大，由此元件结构容易因结晶生长时的热历史而产生龟裂。此外，还容易产生晶格缺陷。因此，从抑制龟裂的产生的方面来看，第一包覆层12的Al组成比n2的最大值为0.1，第一包覆层12的折射率的实质下限值为当Al组成比n2为0.1情况下的折射率。
因此，只要折射率修正层15的折射率小于该第一包覆层12的折射率的实质下限值即可。
在发出的光的波长为430nm的情况下，在图2中，In1-x-yAlyGaxN层的组成比与通过x/1.05+y/0.69＝1表示的线段是一致的，其中上述In1-x-yAlyGaxN层的折射率等于Al组成比n2为0.1的Al0.1Ga0.9N层的折射率。即，具有将In组成比为0.31、Al组成比为0.69、Ga组成比为0的In0.31Al0.69N与Al组成比为0.1、Ga组成比为0.9、In组成比为0的Al0.1Ga0.9N连接的线段上的组成比的层，其折射率等于第一包覆层12的折射率的实质下限值。
因此，具有该线段的上侧即AlN侧的组成比的层的折射率实质上小于第一包覆层12的折射率的下限值。因此，如果利用具有满足式1的组成比的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够形成折射率小于第一包覆层12的折射率的折射率修正层15。
这样，当发出的光的波长在430nm以上的情况下，通过在第一包覆层12下部设置In1-x-yAlyGaxN(x/1.05+y/0.69＞1，x+y＜1)层，能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。由此，能够使量子阱有源层13的有效折射率与第一包覆层12的折射率之差增大，能够使垂直方向的光陷阱增大。
在本实施方式中还构成为，形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足下面的式2和式3。
x/0.91+y/0.75≥1···(式2)
x/1.08+y/0.91≤1···(式3)
构成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式2和式3，由此能够将折射率修正层15与衬底11以及折射率修正层15与第一包覆层12的晶格常数的差抑制在1％以内。因此，能够抑制衬底11与第一包覆层12的晶格失配情况。
因此，如果利用将这些式1、式2以及式3都满足的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够使衬底11与第一包覆层12之间的晶格匹配和垂直方向的光陷阱两立。
当发出的光的波长在530nm以上的情况下，式1的条件的可允许范围变至以下所示的式4的条件的范围。
x/1.13+y/0.49＞1···(式4)
当发出的光的波长在530nm以上的情况下，使形成折射率修正层15的In1-x- yAlyGaxN层满足式4，由此能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。当发出的光的波长为530nm的情况下，在图3中，In1-x-yAlyGaxN层的组成比与用x/1.13+y/0.49＝1表示的线段是一致的，其中，上述In1-x-yAlyGaxN层的折射率等于Al0.1Ga0.9N层的折射率，上述Al0.1Ga0.9N是使第一包覆层12的折射率成为下限值即Al组成比为0.1的情况下的组成。即，发出的光的波长在530nm以上的情况下，具有将In组成比为0.51、Al组成比为0.49、Ga组成比为0的In0.51Al0.49N与Al组成比为0.1、Ga组成比为0.9、In组成比为0的Al0.1Ga0.9N连接的线段上的组成比的层，其折射率等于第一包覆层12的折射率的实质下限值。
因此，具有该线段的上侧即AlN侧的组成比的层的折射率小于第一包覆层12的折射率的实质下限值。因此，如果由满足式4的组成比的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够形成折射率小于第一包覆层12的折射率的折射率修正层15。
这样，发出的光的波长在530nm以上的情况下，通过在第一包覆层12下部设置In1-x-yAlyGaxN(x/1.13+y/0.49＞1，x+y＜1)层，能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。由此，能够使量子阱有源层13的有效折射率与第一包覆层12的折射率的差增大，能够使垂直方向的光陷阱增大。
另外，发出的光的波长在530nm以上的情况下，也能够通过使形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式2和式3，来将折射率修正层15与衬底11以及折射率修正层15与第一包覆层12的晶格常数的差抑制在1％以内。因此，能够抑制衬底11与第一包覆层12的晶格失配情况。
另外，当发出的光的波长在630nm以上的情况下，式1的条件的可允许范围变至以下所示的式5的条件的范围。
x/1.54+y/0.24＞1···(式5)
当发出的光的波长在630nm以上的情况下，形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式5，由此能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。当发出的光的波长为630nm的情况下，在图4中，In1-x-yAlyGaxN层的组成比与用x/1.54+y/0.24＝1表示的线段是一致的，其中，上述In1-x-yAlyGaxN层的折射率等于Al0.1Ga0.9N层折射率，Al0.1Ga0.9N为使第一包覆层12的折射率成为下限值的Al组成比为0.1的情况下的组成。即，当发出的光的波长在630nm以上的情况下，具有将In组成比为0.76、Al组成比为0.24、Ga组成比为0的In0.76Al0.24N与Al组成比为0.1、Ga组成比为0.9、In组成比为0的Al0.1Ga0.9N连接的线段上的组成比的层，其折射率与第一包覆层12的折射率的实质下限值相等。
因此，具有该线段的上侧即AlN侧的组成比的层的折射率小于第一包覆层12的折射率的实质下限值。因此，如果利用具有满足式5的组成比的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够形成折射率小于第一包覆层12的折射率的折射率修正层15。
这样，当发出的光的波长在630nm以上的情况下，通过在第一包覆层12的下部设置In1-x-yAlyGaxN(x/1.13+y/0.49＞1，x+y≤1)层，能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率。由此，能够使量子阱有源层13的有效折射率与第一包覆层12的折射率的差增大，从而能够使垂直方向的光陷阱增大。
即使当发出的光的波长在630nm以上的情况下，形成折射率修正层15的In1-x- yAlyGaxN层满足式2和式3，由此也能够将折射率修正层15与衬底11以及折射率修正层15与第一包覆层12的晶格常数的差抑制在1％以内。因此，能够抑制衬底11与第一包覆层12的晶格失配情况。
还可以使形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式1、式4或式5的同时满足下述式6和式7。如果按照这种方式形成，则能够提高折射率修正层15的设计自由度。下面对其理由进行说明。
x/1.04+y/0.87≤1···(式6)
x/0.96+y/0.81≥1···(式7)
首先，图5(a)以及图5(b)分别表示InAlN中产生晶格缺陷的临界膜厚与晶格失配的关系以及用晶格失配为1％的情况下的值对临界膜厚进行了标准化的标准化临界膜厚与晶格失配的关系。如图5(a)所示，由GaN 形成的衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差在0.45％以下的情况下，在膜厚小于或等于的范围内能够抑制晶格缺陷的产生。
因此，能够通过将晶格常数的差抑制在0.45％以内来提高折射率修正层15的设计自由度。在此，通过上述式6和式7得到的原子组成比范围是由GaN形成的衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差在0.45％以下的情况下的原子组成比范围。如果利用满足式6和式7这两个式的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够将衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差抑制在0.45％以内。由此，能够提高折射率修正层15的设计自由度。尤其在该情况下，如果将折射率修正层15设定为由厚度在以下的In1-x-yAlyGaxN层与GaN层构成的超晶格层，则能够得到导电特性中量子效应即量子隧穿效应，从而能够降低元件串联电阻值。
因此，如果使形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式1、式4或式5，并且满足式6和式7，则能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率的同时提高折射率修正层15的设计自由度。此外，如图2所示，满足式1、式6以及式7的范围包括于满足式1、式2以及式3的范围。如图3所示，满足式4、式6以及式7的范围包括于满足式4、式2以及式3的范围。如图4所示，满足式5、式6以及式7的范围包括于满足式5、式2以及式3的范围。
还可以构成为，形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式1、式4或者式5的同时满足下述式8、式9。如果按照这种方式构成，则能够进一步提高折射率修正层15的设计自由度。下面对其理由进行说明。
x/1.01+y/0.84≤1···(式8)
x/0.99+y/0.82≥1···(式9)
如图5(a)、图5(b)所示，当由GaN形成的衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差在0.1％以下的情况下，产生晶格缺陷的临界膜厚急剧地增大。
因此，能够通过将晶格常数的差抑制在0.1％以内来提高折射率修正层15的设计自由度。通过式8和式9得到的原子组成比范围是由GaN形成的衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差在0.1％以下的情况下的原子组成比范围。如果利用满足式8和式9这两个式的In1-x-yAlyGaxN层形成折射率修正层15，则能够将衬底11与折射率修正层15的晶格常数的差抑制在0.1％以内。由此，能够提高折射率修正层15的设计自由度。尤其在该情况下，即使将折射率修正层15的厚度设定在以上，也能够抑制晶格缺陷的产生。
因此，如果使形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式1、式4或式5，并且满足式8和式9，则能够使折射率修正层15的折射率小于第一包覆层12的折射率的同时提高折射率修正层15的设计自由度。此外，如图2所示，满足式1、式8以及式9的范围包含于满足式1、式2以及式3的范围中。如图3所示，满足式4、式8以及式9的范围包含于满足式4、式2以及式3的范围中。如图4所示，满足式5、式8以及式9的范围包含于满足式5、式2以及式3的范围中。
如图6所示，如果使x和y满足以下的式10，则能够抑制组成分离，从而是优选的。
x/0.80+y/0.89≥1···(式10)
图6示出整体InAlGaN中产生组成分离的原子组成比相对于通过热力学计算求出的各种结晶生长温度的范围。从图6可知，若降低结晶生长温度，则产生组成分离的原子组成比范围扩大。
由于形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层满足式10，因而即使使In1-x-yAlyGaxN层在1000℃以下的温度进行结晶生长，也能够容易地得到均匀的原子组成比分布。
折射率修正层15还可以仅由In1-x-yAlyGaxN形成，然而通过将折射率修正层15设为由包括In1-x-yAlyGaxN层和GaN层的多重量子阱形成的超晶格层，能够提高温度特性。下面对其理由进行说明。
首先，通过将折射率修正层15设定为由包括In1-x-yAlyGaxN层和GaN层的多重量子阱形成的超晶格层，成为与由GaN形成的衬底11晶格匹配的In1-x-yAlyGaxN层被由GaN形成的衬底11与GaN层夹住的结构。由此，In1-x-yAlyGaxN层的上下界面双方均成为与GaN的界面。因此，难以产生由界面中的晶格失配引起的应变能增大、热力学上的组成分离的情况。此外，即使产生极小的组成分离情况，由于使GaN层在In1-x-yAlyGaxN层上生长，所以结晶性容易复原。由此，在整个折射率修正层15中，晶格缺陷或光吸收中心的产生得到抑制，从而能够实现均匀的组成比面内分布。
其结果，能够实现工作电流值低、斜率效率(slope effect)高、温度特性优良的半导体发光元件。
而且，通过将折射率修正层15所包括的In1-x-yAlyGaxN层设定为InAlN(x＝0)层，容易对结晶生长时的组成比进行控制。由此，能够对垂直方向的光分布进行精度更高的控制。其结果，能够提高半导体发光元件的产品合格率并降低半导体发光元件的制作成本。
实施例
下面记载进一步具体的实施例。
(实施例1)
实施例1中的半导体发光元件具有如图1所示的截面结构。
实施例1的半导体发光元件中，在由GaN形成的衬底11的上表面设置有由In1-x- yAlyGaxN层形成的n型折射率修正层15(膜厚为0.5μm)。在折射率修正层15的上表面设置有由AlGaN形成的n型第一包覆层12(膜厚为1.0μm)。在第一包覆层12的上表面设置有由AlGaN形成的导向层313(膜厚为)。导向层313还可以构成为包括n型GaN层或非掺杂GaN层。在导向层313的上表面设置有由InGaN形成的多重量子阱有源层13。在多重量子阱有源层13的上表面设置有p型量子阱电子势垒层315。在量子阱电子势垒层315的上表面设置有由AlGaN形成的p型第二包覆层14。第二包覆层14具有脊14A，在脊14A的上表面设置有由p型GaN形成的接触层317(膜厚为0.1μm)。在第二包覆层14的除脊14A之外的上表面和脊14A的侧面设置有对于光分布而言透明的电流阻挡层318。在接触层317和电流阻挡层318的上表面设置有p侧电极即第二电极320，在衬底11的下表面设置有n侧电极即第一电极321。第二包覆层14中脊14A的宽度W为8.0μm。
在第二包覆层14中，将脊14A的上表面与量子阱有源层13之间的距离设为0.5μm，将脊14A的下端部与量子阱有源层13的距离设为0.1μm。
在实施例1中，为了在量子阱有源层13的垂直方向上进行陷光，将n型第一包覆层12和p型第二包覆层14设定为Al0.05Ga0.95N。如果使第一包覆层12和第二包覆层14的Al组成比增大，则能够使量子阱有源层13与第一包覆层12以及量子阱有源层13与第二包覆层14之间的折射率差增加。由此，能够在量子阱有源层13的垂直方向上较强烈地进行陷光，能够减小振荡阈值电流。
为了得到波长430nm的激光振荡效应，将实施例1中的量子阱有源层13设定为包括两层由厚度为、In组成比为0.15的In0.15Ga0.85N形成的阱层的DQW(Double QuantumWell，双量子阱)结构。
In0.15Ga0.85N层与GaN层之间的晶格失配为1.6％。因此，如果将阱层的厚度设定在以上，则大幅地超过临界膜厚，导致产生晶格缺陷。晶格缺陷会成为光吸收中心，导致元件的振荡阈值电流或工作电流值增大。为了避免可靠性降低，尽可能地抑制晶格缺陷的产生尤为重要。因此，从抑制晶格缺陷的方面来看，优选将阱层的厚度厚设定在以下。
当阱层在以下比较薄的情况下，优选设定为阱层数量为两层的DQW(DoubleQuantum Well)结构或者阱层数量为三层的TQW(Triple Quantum Well，三量子阱)结构。通过设定成这样的结构，能够抑制陷光系数减小的情况。并且，通过将阱层数量设定在三层以下，能够抑制各阱层的移动载流子密度的波动以及各阱层的赋予最大增益的增益峰值波长的波动。还能够抑制振荡阈值电流增大以及元件串联电阻值增大。并且，抑制由压电效应引起的对势垒层中电位势垒倾斜的影响，能够抑制元件的温度特性的劣化。
在实施例1中，在由GaN形成的衬底11与第一包覆层12之间包括由In1-x-yAlyGaxN(x+y≤1)形成的n型折射率修正层15(膜厚为0.5μm)。x和y满足式2和式3、式6和式7、式8和式9、以及式10中的任意一组，并且满足式1。
实施例1的半导体发光元件在脊14A的侧面上具有由SiN形成的介电质电流阻挡层318(膜厚为0.1μm)。因此，从由p型GaN形成的接触层317注入到的电流被电流阻挡层318限制，从而在水平方向上只在脊14A上流动，并且上述电流集中注入在位于脊14A的底部下方的量子阱有源层13中。因此，激光振荡所需的载流子的翻转分布状态是通过100mA左右的注入电流来实现的。关于与量子阱有源层13垂直的方向上而言，通过注入到量子阱有源层13的载流子的再结合而发光的光的陷光是由第一包覆层12和第二包覆层14进行的。在与量子阱有源层13平行的方向上的陷光是由折射率比第一包覆层和第二包覆层14小的电流阻挡层318进行的。由于电流阻挡层318对于激光振荡光而言是透明的，所以实质上不吸收光，从而能够实现低损耗波导。由于在波导中传输的光分布能够较多地渗出电流阻挡层，所以能够容易地得出适于高输出工作的10-3级别的折射率差ΔN。而且，通过电流阻挡层318与量子阱有源层13之间的距离dp，能够精确地控制10-3级别的ΔN的大小。因此，能够精确地控制光分布并且得到低工作电流下的高输出半导体激光。在实施例1中，将折射率差ΔN的值设定为3.5×10-3，来进行水平横向上的陷光。
对形成折射率修正层15的In1-x-yAlyGaxN层的原子组成比进行说明。以由InN、AlN、GaN形成的InAlGaN氮化物混晶半导体为例，InN-GaN之间、InN-AlN之间以及GaN-AlN之间的晶格失配分别为11.3％、13.9％以及2.3％。在该情况下，InN、GaN以及AlN之间的原子间距离互不相同。因此，形成InAlGaN层的原子间的原子间隔以及再结合角的大小不同于二元化合物半导体情况下的理想状态。因此，即使以晶格常数等于GaN的晶格常数的方式设定InAlGaN层的原子组成比，内部应变能也会贮存在InAlGaN层内。
由于InAlGaN中存在要降低该内部应变能的作用，所以存在产生组成分离的组成比范围。如果产生组成分离，则In原子、Ga原子以及Al原子在InAlGaN层内就会不均匀地分布。由此，In原子、Ga原子以及Al原子不是按照各结构层内的原子组成比而均匀地分布，而是分布存在偏析。如果产生组成分离，则带隙能的分布以及折射率分布也会变得不均匀。产生了组成分离的部分的组成比不均匀区域起到光吸收中心的作用。并且成为使波导光发生散射的原因。因此，如果产生组成分离，则半导体激光的工作电流增大，可靠性降低。
图6示出整体In1-x-yAlyGaxN中产生组成分离的原子组成比相对于通过热力学计算求出的各种结晶生长温度的范围。从图6可知，若使结晶生长温度降低，则产生组成分离的原子组成比范围扩大。当In1-x-yAlyGaxN在1000℃左右的温度进行结晶生长的情况下，如图6中的斜线部所示，容易在Ga组成比x和Al组成比y满足x/0.80+y/0.89≥1的范围中得到均匀的原子组成比分布。因此，当将In1-x-yAlyGaxN层的膜厚设定在0.1μm以上的情况下，为了得到具有不会产生组成分离的均匀的原子组成比分布的膜，优选将原子组成比范围设定为x/0.80+y/0.89≥1。当将In1-x-yAlyGaxN层的厚度设定在以上的情况下，为了得到具有不会产生组成分离的均匀的原子组成比分布的膜，也优选将原子组成比范围设定为x/0.80+y/0.89≥1。如果In1-x-yAlyGaxN层的厚度在以上，则即使与GaN衬底的晶格失配值为1％左右的值，也会超过临界膜厚，从而产生晶格缺陷的可能性增加。如果产生晶格缺陷，则晶格常数接近该层的原来的晶格常数值，从而由与衬底之间的晶格失配引起的应变能减小。因此，在图6所示的整体状态原子组成比范围下容易产生组成分离。此外，在实施例1中，整体状态In1-x-yAlyGaxN，是指具有由该In1-x-yAlyGaxN的原子组成比决定的晶格常数的In1-x-yAlyGaxN膜。
图7示出在由GaN形成的衬底11上形成由In1-x-yAlyGaxN层形成的折射率修正层15的情况下产生组成分离的原子组成比相对于通过热力学计算求出的各种结晶生长温度的范围，其中，上述衬底11与上述折射率修正层15晶格匹配。不同于整体状态In1-x-yAlyGaxN，当在由GaN形成的衬底11上制作由In1-x-yAlyGaxN层形成的折射率修正层15的情况下，如果在1000℃左右的高温下进行结晶生长，则不会产生组成分离。这是由于，在1000℃左右的高温下，以折射率修正层15与由GaN形成的衬底11晶格匹配的方式在In1-x-yAlyGaxN层内产生应变能，在所有原子组成比范围内，晶体结构在热力学方面而言趋于稳定之故。
然而，如果In1-x-yAlyGaxN层的膜厚超过图8(a)～图8(c)所示的临界膜厚，则由于应变能的影响，可能会产生晶格缺陷，上述应变能是为了与由GaN形成的衬底11晶格匹配而产生的应变能。图8(a)、(b)以及(c)示出表示在由GaN形成的衬底11上形成的AlGaN层、InGaN层、InAlN层临界膜厚的组成比依赖性的计算结果。如图8(a)所示，如果在由GaN形成的衬底11上形成AlGaN层，则在Al组成比为0.1的情况下临界膜厚为，在Al组成比为0.05的情况下临界膜厚为，Al组成比为0.02的情况下临界膜厚为。因此，如果在衬底11上形成膜厚为1μm左右以上的由AlGaN层形成的包覆层，则大多数情况下认为在包覆层产生晶格缺陷。这样的晶格缺陷使AlGaN包覆层的电阻增大或起到光吸收中心的功能，所以导致工作电流值和振荡阈值电流的增大。
接下来，对量子阱有源层13进行说明。如图8(b)所示，如果在由GaN形成的衬底11上形成InGaN层，则在In组成比为0.07的情况下临界膜厚为，在In组成比为0.15的情况下临界膜厚为，在In组成比为0.30的情况下临界膜厚为。因此，当量子阱有源层13使用In组成比在0.15以上的阱层的情况下，如果膜厚大于，则容易产生晶格缺陷。因此，认为很难在不会产生晶格缺陷的情况下使阱层厚度大于 以上。从带隙波长方面来看，优选波长430nm的蓝色激光元件使用In组成比为0.15左右的InGaN作为阱层。此外，当波长530nm的绿色激光元件的情况下优选使用In组成比为0.3左右的InGaN。如之前的描述，从工作电流值和振荡阈值电流的增大、工作电压的增大方面来看，优选将阱层的数量设定在3层以下。因此，在波长大于430nm的波长范围中阱层的合计厚度非常薄，该合计厚度在左右，从而难以使垂直方向陷光系数增大。
为了使垂直方向陷光系数增大，优选量子阱有源层13中的势垒层使用折射率比GaN的折射率大且In组成比在0.03到0.07左右的InGaN层。在该情况下，当In组成比为0.03的情况下临界膜厚为，当In组成比为0.07的情况下临界膜厚为。在实施例1中设定为0.05。该情况下的临界膜厚为。因此，如果设置在最靠近由AlGaN形成的第一包覆层12的InGaN阱层与第一包覆层12之间的InGaN势垒层的膜厚在左右以上，则量子阱电子势垒层315容易产生晶格缺陷。并且，势垒层与阱层之间的界面已产生晶格弛豫现象的可能性较高。如果产生晶格弛豫，则实际的晶格常数接近InGaN层原来的值，因此接近整体状态InGaN层。因此，InGaN阱层容易产生如图6所示的组成分离。在波长约530nm的绿色激光的情况下，由于用于阱层的InGaN层的In组成比为0.3左右，所以出现组成分离的影响。因此，在波长约530nm的绿色激光的情况下，从抑制组成分离的方面来看，优选在衬底11侧与最接近第一包覆层12侧的阱层接触的势垒层使用GaN层。例如，如果In组成比为0.05的In0.05Ga0.95N势垒层上形成GaN层，并使晶格常数复原成GaN的晶格常数后，形成In组成比为0.3的In0.3Ga0.7N层，则能够一边抑制组成分离的产生，一边使垂直方向的光陷阱增大。
如图8(c)所示，在由GaN形成的衬底11上形成InAlN层之际，如果将In组成比设定为在0.17附近，则InAlN层与GaN晶格匹配，因此临界膜厚急剧地变大。因此，如果将In组成比在0.17附近的InAlN层用于折射率修正层15，则能够抑制如在第一包覆层12看到的晶格缺陷的产生。In组成比为0.11、Al组成比为0.89的In0.11Al0.89N层的临界膜厚是，In组成比为0.24、Al组成比为0.76的In0.24Al0.76N层的临界膜厚也是 。因此，如果将In组成比在0.11到0.24之间(Al组成比在0.76到0.89之间)并且厚度在以下的多层InAlN层用于折射率修正层15，则能够防止晶格缺陷产生。In组成比为0.14、Al组成比为0.86的In0.14Al0.86N层的临界膜厚是，In组成比为0.2、Al组成比为0.8的In0.2Al0.8N层的临界膜厚也达到。因此，如果将In组成比在0.14到0.2之间(Al组成比在0.8到0.86之间)并且厚度在以下的多层InAlN层用于折射率修正层15，则能够防止晶格缺陷产生。当没有产生晶格缺陷的状态下，如图7所示，折射率修正层15采用将以InAlN层与GaN层作为基本单位重复多次而形成的InAlN/GaN超晶格结构的情况下，能够抑制晶格缺陷的产生和组成分离的产生，上述InAlN层具有没有产生组成分离的上述组成比和膜厚范围。因此，非常有利于降低激光的光分布区域中的波导损耗和工作电压。而且，使晶格匹配以便InAlN与GaN的晶格常数的差在1％以内、优选在0.45％以内、更优选在0.1％以内，则能够抑制在氮化物中成为问题的压电电压的产生，该压电电压是由晶格失配引起的。因此，能够抑制由InAlN/GaN超晶格层的电位势垒引起电阻增大的现象，从而能够降低工作电压。
上述效果不仅能够在InAlN层中实现，还能够在包含Ga的InAlGaN层中实现。当Al组成比为0.4、Ga组成比为0.6时，GaN上的AlGaN层的临界膜厚为。当In组成比为0.07、Ga组成比为0.93时，GaN上的InGaN的临界膜厚为。
因此，如果将满足x/1.08+y/0.91≤1和x/0.91+y/0.75≥1、膜厚在以下的In1-x-yAlyGaxN层制作在GaN上，则能够抑制晶格缺陷和组成分离的产生。
当设置了由InAlGaN/GaN超晶格结构形成的折射率修正层15的情况下，能够抑制晶格缺陷的产生和组成分离的产生，因此非常有利于降低激光的光分布区域中的波导损耗，其中，上述InAlGaN/GaN超晶格结构是将以满足上述原子组成比范围和膜厚范围的In1-x-yAlyGaxN层与GaN层为基本单位层叠多次而形成的。
在Al组成比为0.18、Ga组成比为0.72的情况下，GaN上的AlGaN层的临界膜厚为。在In组成比为0.03、Ga组成比为0.97的情况下，GaN上的InGaN层的临界膜厚在。
因此，如果将由满足x/1.16+y/0.86≤1和x/0.97+y/0.8≥1、膜厚在以下的In1-x-yAlyGaxN层形成的折射率修正层15制作在由GaN形成的衬底11上，则能够抑制晶格缺陷和组成分离的产生。并且，由以满足该原子组成比范围和膜厚范围的In1-x-yAlyGaxN层与GaN层作为基本单位来层叠多次而形成的InAlGaN/GaN超晶格结构形成的折射率修正层15能够抑制晶格缺陷的产生和组成分离的产生，因此非常有利于降低激光的光分布区域中的波导损耗。
而且，使晶格匹配以便InAlGaN与GaN的晶格常数的差在1％以内、优选在0.45％以内、更优选在0.1％以内，则能够抑制在氮化物中成为问题的压电电压的产生，该压电电压是由晶格失配引起的。因此，能够抑制由InAlGaN/GaN超晶格层的电位势垒引起电阻增大的现象，从而能够降低工作电压。
对波长约430nm的在InAlGaN的折射率小于Al组成比为0.1、Ga组成比为0.9的包覆层(Al0.1Ga0.9N包覆层)的折射率的InAlGaN原子组成比范围进行说明。在AlGaN中，Al组成比越高，则折射率越低，因此，如果要使折射率小于Al0.1Ga0.9N的折射率，则使Al组成比大于0.1。当InAlN中Al组成比为0.69的情况下，其折射率等于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。因此，Al组成比在0.69以上的组成比范围中时，其折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。由此可以认为，在x/1.05+y/0.69＞1的范围中在In1-x-yAlyGaxN的折射率小于在Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。此外，如上所述，从晶格缺陷的产生和电阻增大的方面来看，包覆层很难使用Al组成比在0.1以上的AlGaN。
因此，如果折射率修正层15使用由原子组成比范围在x/1.08+y/0.91≤1并且x/0.91+y/0.75≥1、膜厚在以下的In1-x-yAlyGaxN层，或者x/1.04+y/0.87≤1、x/0.96+y/0.81≥1并且x/1.05+y/0.69＞1、膜厚在以下的In1-x-yAlyGaxN层和GaN层形成的多层超晶格层，则抑制晶格缺陷和组成分离的产生并且能够得到折射率小于在Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率的层。折射率修正层使用具有该范围的原子组成比的In1-x-yAlyGaxN层，能够抑制晶格缺陷和组成分离的产生，如果以折射率小于Al0.1Ga0.9N层折射率的方式设定膜厚结构比(Duty比)，则能够实现低损耗折射率修正层15。
当折射率修正层15使用厚度在以上、原子组成比范围在x/1.08+y/0.91≤1并且x/0.91+y/0.75≥1的In1-x-yAlyGaxN层的情况下，为了抑制组成分离的产生，使原子组成比范围还满足x/0.80+y/0.89≥1的条件。这是由于，如果产生晶格缺陷，则In1-x-yAlyGaxN层产生晶格弛豫，从而接近整体状态之故。此外，该组成比范围是图9中用阴影线表示的区域。
接下来，对上述折射率修正层15中的In1-x-yAlyGaxN层与GaN层的层厚结构比(以下称为Duty比)进行说明。在此，如果将折射率修正层15中的In1-x-yAlyGaxN层的膜厚设为A、将GaN层的膜厚设为B，则Duty比为A/(A+B)％。
图10示出波长为430nm以及530nm的在与GaN晶格匹配的In组成比为0.17、Al组成比为0.83的In0.17Al0.83N中的折射率的Duty比依赖性。在图10，为了进行比较参考，用直线示出波长为430nm以及530nm的在Al组成比为0.1的Al0.1Ga0.9N中的折射率的大小。如图10所示，如果波长约430nm时的Duty比在21％以上，则折射率小于在Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。并且，如果波长约530nm时的Duty比在11％以上，则折射率小于在Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。
在图10中，为了对适合于在波长约405nm下用于得到激光振荡的In0.07Ga0.93N层的折射率、适合于在波长约430nm下用于得到激光振荡的In0.15Ga0.95N层的折射率以及适合于在波长约530nm下用于得到激光振荡的In0.3Ga0.7N层的折射率进行比较，用虚线进行图示。此外，为了参考，还图示波长为405nm的Al0.1Ga0.9N的折射率。
如图10所示，波长405nm的在阱层与Al0.1Ga0.9N层的折射率差ΔN405为0.20，波长430nm时的折射率差ΔN430为0.15，波长530nm时的折射率差ΔN530为0.11。
这样，如果包覆层使用AlGaN，则随着波长从430nm增加到530nm，阱层与AlGaN包覆层的折射率差降低，并且垂直方向的陷光系数降低。因此，包覆层仅使用AlGaN层的现有激光结构中，垂直方向的陷光系数较小，导致温度特性的劣化。
相对于此，如图10所示，如果设置包括In0.17Al0.83N层和GaN层的超晶格层即折射率修正层15，则在波长约430nm时通过将Duty比设定在21％以上，能够使折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。并且，在波长约530nm时通过将Duty比设定在11％以上，能够使折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。
接下来，图11(a)示出在设置了In0.24Al0.76N层即折射率修正层15以及包括In0.11Al0.89N层和GaN层的超晶格层即折射率修正层15的情况下对波长430nm的折射率的Duty比依赖性。在设置了In0.24Al0.76N层的情况下，波长约430nm在In0.24Al0.76N层的折射率小于在Al0.1Ga0.9N层的折射率的Duty比在33％以上。在设置了In0.11Al0.89N层的情况下，波长约430nm在In0.11Al0.89N层的折射率小于Al0.1Ga0.9N的折射率的Duty比在12％以上。因此，如果在由Al组成比在0.76与0.89之间的InAlN层和GaN层形成的超晶格层中将Duty比设定在33％以上，则折射率小于Al0.1Ga0.9N层折射率，从而有利于形成不产生晶格缺陷和组成分离的低损耗折射率修正层15。
接下来，图11(b)示出在设置了In0.24Al0.76N即折射率修正层15以及由In0.11Al0.89N层和GaN层形成的超晶格层即折射率修正层15的情况下对波长530nm的折射率的Duty比依赖性。在设置了In0.24Al0.76N层的情况下，波长约530nm在In0.24Al0.76N层中的折射率小于在Al0.1Ga0.9N层的折射率的Duty比在19％以上。在设置了In0.11Al0.89N层的情况下，波长约530nm在In0.11Al0.89N层中的折射率小于在Al0.1Ga0.9N层的折射率的Duty比在5％以上。因此，如果由Al组成比在0.76与0.89之间的InAlN层和GaN层形成的超晶格层中使Duty比在19％以上，则折射率会小于Al0.1Ga0.9N层的折射率。
在实施例1中，将由厚度为的In0.17Al0.83N层和厚度为的GaN层形成的厚度为0.5μm的超晶格层(Duty比为50％)用作折射率修正层15。包覆层只使用AlGaN层的现有结构具有如图12(a)和(b)所示的垂直方向上的折射率分布和光分布，垂直方向陷光系数的计算结果为1.1％，相对于此，实施例1的结构具有如图13(a)和(b)所示的垂直方向上的折射率分布和光分布，垂直方向陷光系数的计算结果为1.8％。即，相比现有值，能够将垂直方向陷光系数提高至约1.6倍。其结果，能够改善高温工作特性、使热饱和的光输出增大并且减小高温工作时的工作电流值。通过折射率修正层15能够抑制第一包覆层12产生晶格缺陷，通过折射率修正层15还能够抑制在折射率修正层15的上侧生长的各层产生晶格缺陷。因此，难以产生晶格弛豫，还能够抑制由InGaN形成的有源层产生组成分离，从而能够实现提高斜率效率和改善温度特性。
在制作InAlN/GaN超晶格和InAlGaN/GaN超晶格的情况下，要求形成具有17％左右的高In组成比的InAlN层和InAlGaN层。因此，为了提高In原子渗入结晶生长层的效率，需要使上述超晶格的每单位时间的结晶生长膜厚(结晶生长速率)小于AlGaN层的每单位时间的结晶生长膜厚。因此，通过包覆层的一部分中使用结晶生长速率较大的AlGaN层，能够缩短整个元件结构结晶生长所需的时间，从而能够降低元件制作成本并提高批量生产率。
(实施例2)
为了得到约530nm的激光振荡，实施例2的半导体发光元件构成为，将图1所示的实施例1的结构中的量子阱有源层13的InGaN阱层的In组成比设定为0.3。并且，为了抑制晶格缺陷产生，将阱层的厚度设定为 ，并将量子阱有源层13设定为TQW结构。
对波长约530nm在折射率修正层15中的折射率小于第一包覆层12在的折射率的原子组成比范围进行说明，其中，第一包覆层12由Al0.1Ga0.9N形成，折射率修正层15由In1-x- yAlyGaxN层形成。在AlGaN，Al组成比越高，则折射率越低，因此，为了使折射率小于由Al0.1Ga0.9N形成的包覆层(Al0.1Ga0.9N包覆层)的折射率，使Al组成比大于0.1。InAlN中Al组成比为0.49的情况下，其折射率等于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。因此，InAlN 中的Al组成比在0.49以上的组成比范围中，其折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。由此可以认为，在In1-x-yAlyGaxN，x/1.13+y/0.49≥1的范围中的折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率。此外，如上所述，从产生晶格缺陷、电阻增大方面来看，包覆层使用Al组成比在0.1以上的AlGaN是非常困难的。
因此，如果折射率修正层使用原子组成比在x/1.08+y/0.91≤1并且x/0.91+y/0.75≥1的范围且膜厚为以下的In1-x-yAlyGaxN层，或者包括原子组成比在x/1.04+y/0.87≤1、x/0.96+y/0.81≥1并且x/1.13+y/0.49＞1的范围且膜厚为以下的In1-x- yAlyGaxN层和GaN层的多层超晶格层，则抑制晶格缺陷和组成分离的产生并且能够得到折射率小于Al0.1Ga0.9N包覆层的折射率的层。通过让折射率修正层15使用具有该范围的原子组成比的In1-x-yAlyGaxN层，能够抑制晶格缺陷和组成分离的产生。如果以折射率小于Al0.1Ga0.9N层的折射率的方式设定Duty比，则能够实现低损耗折射率修正层15。
当折射率修正层15使用厚度在以上且原子组成比在x/1.08+y/0.91≤1并且x/0.91+y/0.75≥1范围的In1-x-yAlyGaxN层的情况下，为了抑制组成分离的产生，优选使原子组成比范围满足图14中用阴影线表示的区域即x/0.8+y/0.89≥1的条件。
在实施例2中，将折射率修正层15设定为，由厚度为的In0.17Al0.83N层和厚度为的GaN层形成的厚度为0.7μm的超晶格层(Duty比为50％)。包覆层只使用AlGaN层的现有结构中的垂直方向陷光系数为0.8％，相对于此，实施例2的结构中的垂直方向陷光系数为1.5％，能够提高至约2倍。其结果，能够改善高温工作特性、使热饱和的光输出增大并且减小高温工作时的工作电流值。通过折射率修正层15能够抑制第一包覆层12产生晶格缺陷，通过折射率修正层15还能够抑制在折射率修正层15的上侧生长的各层产生晶格缺陷。因此，难以产生晶格弛豫，还能够抑制由InGaN形成的有源层产生组成分离，从而能够实现提高斜率效率和改善温度特性。
(实施例3)
如图15所示，在实施例3的半导体发光元件中，第一包覆层12由InAlGaN形成，而不是由AlGaN形成。除此之外的部分与实施例1或实施例2一样。即使这样构成，也能够抑制晶格缺陷和组成分离的产生，并且能够得到低损耗折射率修正层15和增大垂直方向陷光系数。
(实施例4)
如图16所示，在实施例4的半导体发光元件中，在折射率修正层15与衬底11之间设置有第三包覆层12A。除此之外的部分与实施例1至实施例3一样。
与第一包覆层12一样，优选将第三包覆层12A设定为由In1-n1-n2Aln2Gan1N(0≤n1＜1，0＜n2＜1，n1+n2≤1)形成的层。然而，不需要使第三包覆层12A与第一包覆层12的组成比相等。
如实施例1中图示，通过将折射率修正层15直接设置在衬底11上，能够增大晶格失配的抑制效果。然而，如果如本实施例那样设置，则能够容易地调整第二包覆层12的膜厚。由此，具有在抑制晶格失配的同时也能够调整垂直方向的光陷阱大小这样的优点。
(实施例5)
如图17所示，实施例5的半导体发光元件在第二包覆层14与接触层317之间包括第二折射率修正层16。除此之外的部分与实施例1或实施例2一样。
第二折射率修正层16是第二导电型层，在本实施例中是p型层。与折射率修正层15一样，第二折射率修正层16是包含In1-x-yAlyGaxN的层，并且Al组成比y和Ga组成比x的范围与折射率修正层15相同。例如，当波长在430nm以上的情况下，组成比范围是满足式2和式3、式6和式7、式8和式9、以及式10中的任意一组并且满足式1的范围。当波长在530nm以上的情况下可以用式4替代式1，当波长在630nm以上的情况下可以用式5替代式1。此外，还可以使第二折射率修正层16为超晶格层。然而，不需要使折射率修正层15的组成比与第二折射率修正层16的组成比一致。
通过这样构成，能够得到在实施例1中提到的陷光效应和抑制晶格失配的效果，还能够抑制光到达接触层317，从而能够降低波导损耗。
另外，如图18所示，还可以构成为，第二包覆层14具有第一层141和第二层142，并且第二折射率修正层16设置在第二包覆层14的第一层141与第二层142之间。在该情况下，也能够得到上述降低波导损耗的效果。图17中的在接触层317的正下方设置第二折射率修正层16的结构的降低波导损耗效果更显著。
如图19所示，还可以将第二折射率修正层16设置在由AlGaN形成的第二包覆层14与量子阱有源层13之间。如果这样构成，则能够使在实施例1中提到的陷光效应更大，并且还能够得到上述的降低波导损耗的效果。
另外，在实施例1到实施例5中，作为形成第一包覆层12的材料，例示了使用AlGaN的情况，但是还可以使用GaN。
下面对其理由进行说明。折射率修正层15的折射率小于Al组成比为0.1的Al0.1Ga0.9N的折射率。因此，即使第一包覆层12由GaN形成，也能够使量子阱有源层13的垂直方向上的陷光系数增大。
而且，由于使第一包覆层12为GaN层，因此与由GaN形成的衬底11晶格匹配，并且热膨胀系数也相等。因此，相比将第一包覆层12设定为AlGaN层的情况，能够进一步抑制晶格缺陷的产生，并且能够防止出现波导损耗增加、长期可靠性降低的情况。
此外，在图16所示的实施例4中，还可以使第一包覆层12为GaN层，并且使设置于折射率修正层15与衬底11之间的第三包覆层12A为折射率小于GaN折射率的AlGaN层。如果这样构成，则能够使折射率修正层15与由GaN形成的衬底11之间的分布光更可靠地衰减。如果光分布至衬底11，则由于由GaN形成的衬底11的折射率高，所以强度难以衰减。因此，激光的光束辐射方向图(远场方向图)产生紊乱，从而存在降低与透镜等光学部件部品的光学结合效率的可能性。特别是，如果当折射率修正层15的膜厚在0.5μm以下的情况下将第三包覆层12A设定为AlGaN层，则能够使分布光在折射率修正层15与由GaN形成的衬底11之间可靠地衰减。其结果，能够抑制生长时间因使折射率修正层15变厚而增加进而制造成本增大的情况，并且能够可靠地进行陷光。
在实施例5中例示了第一包覆层12为AlGaN层的情况，但是第一包覆层12还可以为GaN层。
下面对其理由进行说明。由于折射率修正层16的折射率小于Al组成比为0.1的Al0.1Ga0.9N的折射率，所以即使使第一包覆层12为GaN层，也能够使量子阱有源层13的垂直方向上的陷光系数增大。而且，由于将第一包覆层12设定为GaN层，因此第一包覆层12与由GaN形成的衬底晶格匹配，并且第一包覆层12与由GaN形成的衬底的热膨胀系数也相等。因此，相比第一包覆层12使用AlGaN层的情况，能够进一步抑制晶格缺陷的产生，并且能够防止波导损耗增加、长期可靠性降低的情况。
-产业实用性-
本发明中的半导体发光元件能够使抑制衬底与第一包覆层之间的晶格失配和垂直方向的光陷阱这两方面并存，特别适用于投影仪用光源等。
-符号说明-
11-衬底；
12-第一包覆层；
13-量子阱有源层；
14-第二包覆层；
14A-脊；
15-折射率修正层；
16-第二折射率修正层；
141-第一层；
142-第二层；
313-导向层；
315-量子阱电子势垒层；
317-接触层；
318-电流阻挡层；
320-第二电极；
321-第一电极。

Claims (13)

1.一种半导体发光元件，其特征在于：包括：
由GaN形成的衬底，
设置在上述衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型的第一包覆层，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，
设置在上述第一包覆层上方的量子阱有源层，
设置在上述量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型的第二包覆层，其中，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，以及
设置在上述衬底与上述第一包覆层之间的第一导电型的第一折射率修正层，
上述第一折射率修正层包括In1-x-yAlyGaxN层，其中，x+y＜1，
上述x和上述y满足关系式x/1.05+y/0.69＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，
上述量子阱有源层发出的光的波长在430nm以上。
2.一种半导体发光元件，其特征在于：包括：
由GaN形成的衬底，
设置在上述衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型的第一包覆层，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，
设置在上述第一包覆层上方的量子阱有源层，
设置在上述量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型的第二包覆层，其中，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，以及
设置在上述衬底与上述第一包覆层之间的第一导电型的第一折射率修正层，
上述第一折射率修正层包括In1-x-yAlyGaxN层，其中，x+y＜1，
上述x和上述y满足关系式x/1.13+y/0.49＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，
上述量子阱有源层发出的光的波长在530nm以上。
3.一种半导体发光元件，其特征在于：包括：
由GaN形成的衬底，
设置在上述衬底上方的由In1-n1-n2Aln2Gan1N形成的第一导电型的第一包覆层，其中，0＜n1＜1，0≤n2＜1，n1+n2≤1，
设置在上述第一包覆层上方的量子阱有源层，
设置在上述量子阱有源层上方的由In1-m1-m2Alm2Gam1N形成的第二导电型的第二包覆层，其中，0＜m1＜1，0＜m2＜1，m1+m2≤1，以及
设置在上述衬底与上述第一包覆层之间的第一导电型的第一折射率修正层，
上述第一折射率修正层包括In1-x-yAlyGaxN层，其中，x+y＜1，
上述x和上述y满足关系式x/1.54+y/0.24＞1、x/0.91+y/0.75≥1以及x/1.08+y/0.91≤1，
上述量子阱有源层发出的光的波长在630nm以上。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述x和上述y满足关系式x/0.96+y/0.81≥1和x/1.04+y/0.87≤1。
5.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述x和上述y满足关系式x/0.99+y/0.82≥1和x/1.01+y/0.84≤1。
6.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述x和上述y满足关系式x/0.80+y/0.89≥1。
7.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述第一折射率修正层为由包括上述In1-x-yAlyGaxN层和GaN层的多重量子阱形成的超晶格层。
8.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述x等于0。
9.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
还包括设置在上述第一折射率修正层与上述衬底之间的第三包覆层。
10.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于：
上述第一包覆层由GaN形成，上述第三包覆层由A1GaN形成。
11.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
还包括设置在上述第二包覆层上方的第二折射率修正层。
12.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
还包括设置在上述量子阱有源层上方的第二折射率修正层，
上述第二包覆层具有第一层和第二层，
上述第二折射率修正层设置在上述第一层与上述第二层之间。
13.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的半导体发光元件，其特征在于：
还包括设置在上述量子阱有源层与上述第二包覆层之间的第二折射率修正层。
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