JP2023031164A - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物系半導体発光素子１００は、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０４と、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、Ｐ型クラッド層１１０とを有し、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加し、Ｎ側ガイド層１０４は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上であり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚をＴｐ、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＴｎとすると、Ｔｎ＜Ｔｐの関係を満足する。【選択図】図５

Description

本開示は、窒化物系半導体発光素子に関する。

従来、窒化物系半導体発光素子が加工装置などの光源に使用されている。加工装置の光源においては、より一層の高出力化及び高効率化が求められている。窒化物系半導体発光素子を高効率化するために、例えば、動作電圧を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１など参照）。

特開２０１８－５００２１号公報

窒化物系半導体発光素子において、動作電圧を低減するために、特許文献１に記載された技術の他に、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することが効果的である。しかしながら、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することに伴い、積層方向（つまり、各半導体層の主面に垂直な方向）における光強度分布のピークが、活性層からＮ型クラッド層へ向かう向きに移動する。このため、活性層への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、窒化物系半導体発光素子の高出力化の実現が困難となる。

本開示は、このような課題を解決するものであり、動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、半導体積層体を備え、前記半導体積層体の積層方向に垂直な方向の端面から光を出射する窒化物系半導体発光素子であって、前記半導体積層体は、Ｎ型第１クラッド層と、前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、前記Ｎ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー以上であり、前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ
の関係を満足する。

本開示によれば、動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供できる。

図１は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な平面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における光強度分布の概要を示す模式図である。 図４は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置の座標を示すグラフである。 図５は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図６は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。 図７は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図８は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向におけるキャリア濃度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図９は、実施の形態１に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１０は、実施の形態１に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１は、比較例３の窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。 図１２は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。 図１３は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１６は、実施の形態１に係るＮ側ガイド層の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１７は、実施の形態１に係るＮ側ガイド層の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１８は、実施の形態１に係るＰ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１９は、実施の形態１に係るＰ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図２０は、実施の形態１に係るＰ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図２１は、実施の形態１に係るＰ型クラッド層の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図２２は、実施の形態２に係るＰ型クラッド層の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図２３Ａは、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２３Ｂは、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図２４は、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図２５は、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２６は、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図２７は、実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２８は、実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図２９は、実施の形態４に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３０は、実施の形態４に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３１は、実施の形態４に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３２は、実施の形態４に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３３は、実施の形態４に係るＮ側ガイド層における平均Ｉｎ組成比と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 図３４は、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３５は、実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３６Ａは、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３６Ｂは、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３７は、実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３８は、実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図３９Ａは、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３９Ｂは、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図４０は、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図４１は、実施の形態９の変形例１に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図４２は、実施の形態９の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子の活性層及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。 図４３は、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図４４は、変形例２に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。

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。

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。

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。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。

［１－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１及び図２Ａは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２Ａには、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００が備える活性層１０５の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。窒化物系半導体発光素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。

窒化物系半導体発光素子１００は、図２Ａに示されるように、窒化物系半導体層を含む半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓの積層方向（つまり、Ｚ軸方向）に垂直な方向の端面１００Ｆ（図１参照）から光を出射する。本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子１００は、共振器を形成する二つの端面１００Ｆ及び１００Ｒを有する半導体レーザ素子である。端面１００Ｆは、レーザ光を出射するフロント端面であり、端面１００Ｒは、端面１００Ｆより反射率が高いリア端面である。本実施の形態では、端面１００Ｆ及び１００Ｒの反射率は、それぞれ、１６％及び９５％である。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の共振器長（つまり、端面１００Ｆと端面１００Ｒと間の距離）は１２００μｍ程度である。

図２Ａに示されるように、窒化物系半導体発光素子１００は、半導体積層体１００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体１００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。

基板１０１は、窒化物系半導体発光素子１００の基台となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、Ｎ型ＧａＮ基板である。

Ｎ型第１クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置されるＮ型クラッド層の一例である。Ｎ型第１クラッド層１０２は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型第１クラッド層１０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ_{０．０３５}Ｇａ_{０．９６５}Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層１０２には、不純物として濃度１×１０^１８ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。

Ｎ型第２クラッド層１０３は、基板１０１の上方に配置されるＮ型クラッド層の一例である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、Ｎ型第１クラッド層１０２の上方に配置される。Ｎ型第２クラッド層１０３は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、膜厚１００ｎｍのＮ型ＧａＮ層である。Ｎ型第２クラッド層１０３には、不純物として濃度１×１０^１８ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。Ｎ型第２クラッド層１０３のバンドギャップエネルギーは、Ｎ型第１クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーより小さく、かつ、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最大値以上である。

Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第２クラッド層１０３の上方に配置される光ガイド層である。Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第１クラッド層１０２及びＮ型第２クラッド層１０３より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって（つまり、各半導体層の結晶成長の向きと逆向きにＮ型第１クラッド層１０２に近づくにしたがって）単調に増加する。ここで、バンドギャップエネルギーが単調に増加する構成には、積層方向においてバンドギャップエネルギーが一定である領域が存在する構成も含まれる。また、Ｎ側ガイド層１０４は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。ここで、バンドギャップエネルギーが積層方向において連続的に単調に増加する構成には、積層方向において不連続的にバンドギャップエネルギーが変化する構成は含まれない。本開示においては、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成とは、バンドギャップエネルギーの不連続な増加量がその位置のバンドギャップエネルギーの２％未満である構成である。例えば、Ｎ側ガイド層１０４において活性層１０５から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成とは、Ｎ側ガイド層１０４のある位置におけるバンドギャップエネルギーに対する、当該位置から結晶成長の向きと逆向きに微小な距離だけ変位した位置におけるバンドギャップエネルギーの増加量が当該位置のバンドギャップエネルギーの２％未満である構成である。例えば、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成には、バンドギャップエネルギーが積層と逆の方向においてステップ状に２％以上増加するような構成は含まれないが、バンドギャップエネルギーが積層方向においてステップ状に２％未満だけ変化するような構成は含まれる。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４全体において、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加するが、Ｎ側ガイド層１０４構成はこれに限定されない。例えば、Ｎ側ガイド層１０４全体の膜厚に対する、バンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分の膜厚の割合は、５０％以上であってもよい。また、当該割合は、７０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。

ここで、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーのＮ型第２クラッド層１０３に近づく向き（結晶成長の向きと逆の向き）における増大量をΔＥｇｎとする。Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーの結晶成長の向きと逆の向きにおける増大量とは、例えば、Ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い側の界面におけるバンドギャップエネルギーと、Ｎ型第２クラッド層１０３に近い側の界面におけるバンドギャップエネルギーとの差で定義される。また、ΔＥｇｎの内、連続的に増加するバンドギャップエネルギーの大きさのΔＥｇｎに対する割合は、７０％以上あればよい。また、当該割合は、８０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。このように、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーを結晶成長の向きと逆向きに増大させることで、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率は、活性層１０５に近づくにしたがって連続的に単調に増加する。この場合、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。ここで、ΔＥｇｎが小さいと、その効果が小さく、逆に大きくなり過ぎると、Ｎ側ガイド層１０４のうち活性層１０５に隣接するバンドギャップエネルギーの小さい領域で、活性層１０５から発生する光が吸収されることで、導波路損失が増大してしまう。このような導波路損失を抑制するために、ΔＥｇｎは１００ｍｅＶ以上、４００ｍｅＶ以下であってもよい。

Ｎ側ガイド層１０４が、Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮからなる場合には、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に減少する。これにより、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。ここで、Ｉｎ組成比Ｘｎが単調に減少する構成には、積層方向においてＩｎ組成比Ｘｎが一定である領域が存在する構成も含まれる。また、Ｎ側ガイド層１０４は、Ｉｎ組成比が、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に減少する部分を含む。ここで、Ｉｎ組成比Ｘｎが連続的に単調に減少する構成には、積層方向において不連続的にＩｎ組成比Ｘｐが変化する構成は含まれない。連続的に単調に減少する構成とは、Ｎ側ガイド層１０４のある位置におけるＩｎ組成比Ｘｎの積層方向における不連続な減少量が、その位置におけるＩｎ組成比Ｘｎの２０％未満である構成である。

Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギーは、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギー以下である。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値は、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値以上である。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値は、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値と等しい。つまり、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギーは、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＴｎ、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚をＴｐとすると、
Ｔｎ＜Ｔｐ （１）
の関係を満足する。

また、Ｎ側ガイド層１０４におけるＩｎ組成比の最大値は、各バリア層のＩｎ組成比以下である。

本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍのＮ型Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ層である。Ｎ側ガイド層１０４には、不純物として濃度３×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。より具体的には、Ｎ側ガイド層１０４は、活性層１０５に近い方の界面付近においてＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い方の界面付近においてＧａＮで表される組成を有する。Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。

活性層１０５は、Ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造を有する発光層である。本実施の形態では、活性層１０５は、図２Ｂに示されるように、ウェル層１０５ｂ及び１０５ｄと、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、及び１０５ｅとを有する。

バリア層１０５ａは、Ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ａは、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａとバリア層１０５ｃとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層１０５ｂは、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層である。

バリア層１０５ｃは、ウェル層１０５ｂの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ｃは、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃとバリア層１０５ｅとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層１０５ｄは、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎ層である。

バリア層１０５ｅは、ウェル層１０５ｄの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ｅは、膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

窒化物系半導体発光素子１００は、以上のような構成を有する活性層１０５を備えることで、４３０ｎｍ以上４５５ｎｍ以下の波長の光を出射できる。

本実施の形態では、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。つまり、各バリア層の屈折率は、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の屈折率より大きい。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高めることができる。本実施の形態に係る各バリア層のように、各バリア層がＩｎ_ＸｂＧａ_１－ＸｂＮからなる場合には、各バリア層のＩｎ組成比は、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の最大値以上であり、かつ、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の最大値以上である。

Ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５の上方に配置される光ガイド層である。Ｐ側ガイド層１０６は、Ｐ型クラッド層１１０より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。

ここで、Ｐ側ガイド層１０６におけるバンドギャップエネルギーが単調に増加する構成には、積層方向においてバンドギャップエネルギーが一定である領域が存在する構成も含まれる。また、Ｐ側ガイド層１０６は、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。ここで、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成には、積層方向において不連続的にバンドギャップエネルギーが変化する構成は含まれない。本開示においては、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成とは、前述のＮ側ガイド層と同様に、ある位置におけるバンドギャップエネルギーの不連続な増加量がその位置のバンドギャップエネルギーの２％未満である構成である。例えば、バンドギャップエネルギーが連続的に単調に増加する構成には、バンドギャップエネルギーが積層方向においてステップ状に２％以上増加するような構成は含まれないが、バンドギャップエネルギーが積層方向においてステップ状に２％未満だけ変化するような構成は含まれる。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６全体において、バンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加するが、Ｐ側ガイド層１０６の構成はこれに限定されない。例えば、Ｐ側ガイド層１０６全体の膜厚に対する、バンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分の膜厚の割合は、５０％以上であってもよい。また、当該割合は、７０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。

ここで、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーのＮ型第２クラッド層の方向における増大量をΔＥｇｐする。Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの積層方向における増大量とは、例えば、Ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い側の界面におけるバンドギャップエネルギーと、Ｐ型クラッド層１１０に近い側の界面におけるバンドギャップエネルギーとの差で定義される。また、ΔＥｇｐの内、連続的に増加するバンドギャップエネルギーの大きさのΔＥｇｐに対する割合は、７０％以上あればよい。また、当該割合は、８０％以上であってもよいし、９０％以上であってもよい。このように、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーを積層方向に増大させることで、Ｐ側ガイド層１０６の屈折率は、活性層１０５に近づくにしたがって連続的に単調に増加する。この場合、Ｐ側ガイド層１０６の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。ここで、ΔＥｇｐが小さいと、その効果が小さく、逆に大きくなり過ぎると、Ｐ側ガイド層１０６のうち活性層１０５に隣接するバンドギャップエネルギーの小さい領域で、活性層１０５から発生する光が吸収されることで、導波路損失が増大してしまう。このような導波路損失を抑制するために、ΔＥｇｐは１００ｍｅＶ以上、４００ｍｅＶ以下であってもよい。

Ｐ側ガイド層１０６が、Ｉｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮからなる場合には、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に減少する。これにより、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。また、Ｐ側ガイド層１０６は、Ｉｎ組成比Ｘｐが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。これにより、Ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含む。

上述したとおり、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギー以上である。言い換えると、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値は、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値以下である。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の平均値は、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値と等しい。また、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐは、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎより大きい。Ｐ側ガイド層１０６におけるＩｎ組成比の最大値は、各バリア層のＩｎ組成比以下である。

本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮ層である。より具体的には、Ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５に近い方の界面付近においてＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い方の界面付近においてＧａＮで表される組成を有する。Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。

中間層１０８は、活性層１０５の上方に配置される層である。本実施の形態では、中間層１０８は、Ｐ側ガイド層１０６と、電子障壁層１０９との間に配置され、Ｐ側ガイド層１０６と、電子障壁層１０９との格子定数の違いに起因して生じる応力を低減する。これにより、窒化物系半導体発光素子１００における結晶欠陥の発生を抑制できる。本実施の形態では、中間層１０８は、膜厚２０ｎｍのアンドープＧａＮ層である。

電子障壁層１０９は、活性層１０５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層１０９は、中間層１０８と、Ｐ型クラッド層１１０との間に配置される。電子障壁層１０９は、膜厚５ｎｍのＰ型Ａｌ_０．３６Ｇａ_０．６４Ｎ層である。電子障壁層１０９には、不純物として濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされている。電子障壁層１０９により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ漏れることを抑制できる。

Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５の上方に配置されるＰ型のクラッド層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、電子障壁層１０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は、４６０ｎｍ以下であってもよい。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の電気抵抗を抑制できる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子１００の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子１００の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の高出力動作が可能となる。なお、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００において、Ｐ型クラッド層１１０のクラッド層としての機能を十分に発揮するために、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２００ｎｍ以上であればよい。また、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２５０ｎｍ以上であってもよい。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０３５}Ｇａ_{０．９６５}Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層１１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０^１８ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０３５}Ｇａ_{０．９６５}Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０３５}Ｇａ_{０．９６５}Ｎ層とを有する。

窒化物系半導体発光素子１００のＰ型クラッド層１１０には、リッジ１１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層１１０には、リッジ１１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝１１０Ｔが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図２Ａに示されるように、リッジ１１０Ｒの下端部（つまり、溝１１０Ｔの底部）と活性層１０５との間の距離をｄｐとしている。また、リッジ１１０Ｒの下端部におけるＰ型クラッド層１１０の膜厚（つまり、リッジ１１０Ｒの下端部と、Ｐ型クラッド層１１０及び電子障壁層１０９の界面との間の距離）をｄｃとしている。

コンタクト層１１１は、Ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、Ｐ側電極１１３とオーミック接触する層である。本実施の形態では、コンタクト層１１１は、膜厚６０ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層１１１には、不純物として濃度１×１０^２０ｃｍ^－３のＭｇがドープされている。

電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、活性層１０５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上面のうち、リッジ１１０Ｒの上面以外の領域に配置される。本実施の形態では、電流ブロック層１１２は、ＳｉＯ_２層である。

Ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１の上方に配置される導電層である。本実施の形態では、Ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１及び電流ブロック層１１２の上方に配置される。Ｐ側電極１１３は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。

Ｎ側電極１１４は、基板１０１の下方に（つまり、基板１０１のＮ型第１クラッド層１０２などが配置された主面の反対側の主面に）配置される導電層である。Ｎ側電極１１４は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。

窒化物系半導体発光素子１００は、以上のような構成を有することにより、図２Ａに示されるように、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分との間に実効屈折率差ΔＮが生じる。これにより、活性層１０５のリッジ１１０Ｒの下方の部分で発生した光を水平方向（つまり、Ｘ軸方向）に閉じ込めることができる。

［１－２．光強度分布及び光出力の安定性］
次に本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の光強度分布及び光出力の安定性について説明する。

まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向（各図のＺ軸方向）における光強度分布について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布の概要を示す模式図である。図３には、窒化物系半導体発光素子１００の模式的な断面図と、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの各々に対応する位置における積層方向における光強度分布の概要を示すグラフが示されている。

一般に窒化物系半導体発光素子において、活性層において光が発生するが、積層方向における光強度分布は、積層構造に依存し、必ずしも活性層に光強度分布のピークが位置しない。また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層構造は、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分とで異なるため、光強度分布も、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分とで異なる。図３に示されるように、リッジ１１０Ｒの下方の部分の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）中央での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰ１とする。また、溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰ２とする。ここで、位置Ｐ１及びＰ２について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置の座標を示すグラフである。図４に示されるように、活性層１０５のウェル層１０５ｂのＮ側の端面、つまり、ウェル層１０５ｂのＮ側ガイド層１０４に近い方の端面の積層方向における位置の座標をゼロとし、下方（Ｎ側ガイド層１０４に向かう向き）を座標の負の向きとし、上方（Ｐ側ガイド層１０６に向かう向き）を座標の正の向きとする。また、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差の絶対値をピーク位置の差ΔＰとする。

以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、動作電圧を低減するためにＰ型クラッド層１１０の膜厚が比較的薄く設定されている。これに伴い、リッジ１１０Ｒの高さ（つまり、リッジ１１０Ｒの溝１１０Ｔの底面からの高さ）も比較的低く設定されている。一般にこのような構成を有する半導体発光素子においては、積層方向における光強度分布のピーク位置が活性層１０５からＮ型第２クラッド層１０３へ近づく向きにずれる。このため、活性層１０５への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、半導体発光素子の高出力での動作が困難となる。本実施の形態では、上述したように、Ｐ側ガイド層１０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギーと等しい。一方、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐは、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎより大きい（上記不等式（１））。このように、各クラッド層より屈折率が大きいＰ側ガイド層１０６の膜厚を大きくすることで、光強度分布を活性層１０５からＰ側ガイド層１０６へ近づく向きに移動させることが可能となる。したがって、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００によれば、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置するように制御することが可能となる。

さらに、本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。つまり、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の屈折率は、活性層１０５に近づくにしたがって連続的に単調に増加する。このようにＮ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。

本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の組成は、それぞれ、Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ、及び、Ｉｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮで表される。Ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近における組成は、それぞれ、Ｉｎ_Ｘｎ１Ｇａ_{１－Ｘｎ１}Ｎ、及び、Ｉｎ_Ｘｎ２Ｇａ_{１－Ｘｎ２}Ｎで表される。Ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い方の界面付近、及び、遠い方の界面付近における組成は、それぞれ、Ｉｎ_Ｘｐ１Ｇａ_{１－Ｘｐ１}Ｎ、及び、Ｉｎ_Ｘｐ２Ｇａ_{１－Ｘｐ２}Ｎで表される。上述したとおり、本実施の形態では、Ｘｎ１＝Ｘｐ１＝０．０４であり、Ｘｎ２＝Ｘｐ２＝０である。

また、本実施の形態では、活性層１０５のバリア層１０５ａ、１０５ｃ及び１０５ｅは、Ｉｎ_ＸｂＧａ_１－ＸｂＮからなり、各バリア層、Ｎ側ガイド層１０４、及びＰ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｂ、Ｘｎ及びＸｐについて、
Ｘｐ≦Ｘｂ （２）
Ｘｎ≦Ｘｂ （３）
の関係を満足する。これにより、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下となる。つまり、各バリア層の屈折率を、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４より大きくすることができる。これにより、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。また、光強度分布が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ近づく向きに移動し過ぎることを抑制できる。この効果は、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値未満とした方が大きくなり、光閉じ込め係数も大きくなる。

以上のような構成により、本実施の形態では、リッジ１１０Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ１を１５．９ｎｍとすることができる。つまり、光強度分布のピークを活性層１０５に位置させることができる（図４参照）。また、ΔＰを６．２ｎｍに抑制することができる。これにより、活性層１０５への光閉じ込め係数を１．４４％程度まで高めることができる。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００によれば、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に位置させることができる。なお、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置するとは、窒化物系半導体発光素子１００の水平方向の少なくとも一つの位置において、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置する状態を意味し、水平方向のすべての位置において、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５に位置する状態に限定されない。

本実施の形態のように、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に位置させると、光強度分布のピークがＮ側ガイド層１０４に位置する場合より、光のうちＰ型クラッド層１１０に位置する部分の割合が増加し得る。ここで、Ｐ型クラッド層１１０は、Ｎ型第１クラッド層１０２及びＮ型第２クラッド層１０３より不純物濃度が高いため、光のうちＰ型クラッド層１１０に位置する部分の割合が増加することで、Ｐ型クラッド層１１０におけるフリーキャリア損失の増大が懸念される。しかしながら、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層１０６をアンドープ層とし、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐを比較的大きくすることで、光強度分布のうち、アンドープ層に位置する部分の割合を高めることができる。したがって、フリーキャリア損失の増大を抑制できる。具体的には、本実施の形態では、導波路損失を３．４ｃｍ^－１程度に抑制することができる。

また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、出射光の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）における拡がり角を低減するために、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分との間の実効屈折率差ΔＮが比較的小さくなるように設定されている。具体的には、実効屈折率差ΔＮは、電流ブロック層１１２と活性層１０５との間の距離ｄｐ（図２Ａ参照）を調整することによって設定される。ここで、距離ｄｐを大きくするほど実効屈折率差ΔＮは小さくなる。本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮは、２．９×１０^－３程度である。したがって、本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮが２．９×１０^－３より大きい場合より、リッジ１１０Ｒによって形成される導波路を伝搬可能な高次モード（つまり、高次横モード）の個数が少ない。このため、窒化物系半導体発光素子１００の出射光に含まれるすべての横モードのうち、各高次モードが占める割合が比較的大きくなる。したがって、モード数の増減、及び、モード間結合に起因する活性層１０５への光閉じ込め係数の変化量が比較的大きくなる。このため、窒化物系半導体発光素子１００においてモード数の増減、及び、モード間結合が発生する場合、供給される電流に対する光出力の特性（いわゆるＩＬ特性）の線形性が低下する。言い換えると、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分（いわゆる、キンク）が生じる。これに伴い、窒化物系半導体発光素子１００の光出力の安定性が低下し得る。

上述したような光出力の安定性の低下について、以下で説明する。窒化物系半導体発光素子１００では、リッジ１１０Ｒの下方の部分での光強度分布は、基本モード（つまり、０次モード）が支配的であり、溝１１０Ｔの下方の部分での光強度分布は、高次モードが支配的である。このため、窒化物系半導体発光素子１００のリッジ１１０Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ１と、溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置Ｐ２との差ΔＰが大きい場合に、モード数の増減、及び、モード間結合が発生すると、活性層１０５への光閉じ込め係数が変動するため、光出力の安定性が低下する。

例えば、高次モードが減少した場合、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの両方の下方の部分における光強度分布を足し合わせた光強度分布のピークは、位置Ｐ１に近い位置に移動する。このため、位置Ｐ１と位置Ｐ２との差ΔＰが大きいほど、モード数が変化した場合の活性層１０５への光閉じ込め係数の変動が大きくなる。したがって、光出力の安定性が低下する。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、上述したとおりの構成を有するＮ側ガイド層１０４と、Ｐ側ガイド層１０６とを備えるため、リッジ１１０Ｒの下方の部分、及び、溝１１０Ｔの下方の部分の両方において、光強度分布のピークを活性層１０５に位置させることができる。つまり、光強度分布のピークの位置Ｐ１と位置Ｐ２との差ΔＰを小さくすることができる。これにより、仮にモード数の増減、及び、モード間結合が発生した場合においても、リッジ１１０Ｒ及び溝１１０Ｔの両方の下方の部分における光強度分布を足し合わせた光強度分布のピークの積層方向における位置の変動が抑制される。したがって、光出力の安定性を高めることができる。

なお、上述したように、実効屈折率差ΔＮを比較的小さい値に設定するために、距離ｄｐは比較的大きい値に設定される。距離ｄｐが設定される際に、リッジ１１０Ｒの下端部（つまり、溝１１０Ｔの底部）が電子障壁層１０９より下方に位置するように設定すると、電子障壁層１０９はバンドギャップエネルギーが大きいため、コンタクト層１１１から注入された正孔は、電子障壁層１０９を通過する場合にリッジ１１０Ｒの側壁からリッジ１１０Ｒの外側へ漏れやすくなる。その結果、正孔は溝１１０Ｔの下方に流れる。これに伴い、溝１１０Ｔの下方の活性層１０５では光強度が小さいため活性層１０５に注入された電子と正孔との発光再結合確率が低下し、非発光再結合が増大する。このような非発光再結合の増大により窒化物系半導体発光素子１００が劣化しやすくなる。このような劣化を抑制するため、リッジ１１０Ｒの下端部は、電子障壁層１０９より上方に位置するように設定される。また、リッジ１１０Ｒの下端部から電子障壁層１０９までの距離ｄｃ（図２Ａ参照）が大きくなり過ぎると、正孔がリッジ１１０Ｒから、溝１１０Ｔと電子障壁層１０９との間に流れ込み、漏れ電流となる。このような漏れ電流が増大することを抑制するために、距離ｄｃは可能な限り小さい値に設定される。距離ｄｃは、例えば、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。本実施の形態では、距離ｄｃは、４０ｎｍである。

［１－３．効果］
［１－３－１．各ガイド層］
上述した本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各ガイド層の効果について、比較例の窒化物系半導体発光素子と比較しながら図６～図８を用いて説明する。図６は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。図６のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の屈折率分布と光強度分布とが示されている。図６の各グラフにおいて、屈折率分布は実線で、光強度分布は破線で、それぞれ示されている。

図７は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図７のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子の価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布が示されている。図７のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の価電子帯電位及び正孔フェルミ準位の分布が示されている。図７の各グラフにおいて、価電子帯電位は実線で、正孔フェルミ準位は破線で、それぞれ示されている。

図８は、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子、及び、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向におけるキャリア濃度の分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図８のグラフ（ａ）～グラフ（ｃ）には、それぞれ、比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子のキャリア濃度の分布が示されている。図８のグラフ（ｄ）には、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のキャリア濃度の分布が示されている。図８の各グラフにおいて、電子の濃度分布は実線で、正孔の濃度分布は破線で、それぞれ示されている。

比較例１～比較例３の窒化物系半導体発光素子は、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層の構成において、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。図６のグラフ（ａ）に示される比較例１の窒化物系半導体発光素子は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１１０４と、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層からなるＰ側ガイド層１１０６とを備える。図６のグラフ（ｂ）に示される比較例２の窒化物系半導体発光素子は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１２０４と、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層からなるＰ側ガイド層１２０６とを備える。図６のグラフ（ｃ）に示される比較例３の窒化物系半導体発光素子は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層からなるＮ側ガイド層１３０４と、膜厚２８０ｎｍのＰ側ガイド層１３０６とを備える。比較例３の窒化物系半導体発光素子のＰ側ガイド層１３０６は、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６と同様の構成を有する。

比較例１の窒化物系半導体発光素子では、Ｎ側ガイド層１１０４及びＰ側ガイド層１１０６の組成が同一であり、Ｎ側ガイド層１１０４の方が、Ｐ側ガイド層１１０６より膜厚が大きい。したがって、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、図６のグラフ（ａ）に示されるように、積層方向における光強度分布のピークがＮ側ガイド層１１０４に位置する。このため、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３３％という低い値となる。また、図７のグラフ（ａ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１１０６において、正孔をＰ側ガイド層１１０６から活性層１０５へ伝導させるために、Ｐ側ガイド層１１０６における活性層１０５から遠い方の界面から、活性層１０５に近い方の界面に近づくにしたがって、正孔フェルミ準位は増大する。一方、価電子帯電位は、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向においてほぼ一定である。このため、Ｐ側ガイド層１１０６における正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差は、活性層１０５に近づくにしたがって大きくなる。このため、図８のグラフ（ａ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向における正孔及び電子の濃度、つまり、フリーキャリア濃度は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって大きくなる。このように、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層１１０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できないため、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できない。比較例１の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが３．６×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ－３４．１ｎｍ及び－７５．６ｎｍであり、差ΔＰは、４１．５ｎｍである。また、導波路損失は、４．５ｃｍ^－１であり、Ｎ側ガイド層１１０４及びＰ側ガイド層１１０６におけるフリーキャリア損失（以下、「ガイド層フリーキャリア損失」とも称する。）は、２．８ｃｍ^－１である。

比較例２の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層１２０６の膜厚がＮ側ガイド層１２０４の膜厚より大きいため、図６のグラフ（ｂ）に示されるように、積層方向における光強度分布のピークは、比較例１の窒化物系半導体発光素子より活性層１０５に近づく。このため、比較例２の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数は、１．３７％となり、比較例１の窒化物系半導体発光素子より若干改善される。しかしながら、図７のグラフ（ｂ）に示されるように、比較例１と同様に、Ｐ側ガイド層１２０６における正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差は、活性層１０５に近づくにしたがって大きくなる。このため、図８のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１２０６の積層方向における正孔及び電子の濃度、つまり、フリーキャリア濃度は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって大きくなる。このように、Ｐ側ガイド層１２０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できないため、比較例２の窒化物系半導体発光素子では、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できない。比較例２の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが３．３×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ３１．３ｎｍ及び１０．８ｎｍであり、差ΔＰは、２０．５ｎｍである。また、導波路損失は、５．２ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、３．６ｃｍ^－１である。

比較例３の窒化物系半導体発光素子では、図６のグラフ（ｃ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１３０６の屈折率が、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。このため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、光閉じ込め係数は、１．４９％となり、比較例２の窒化物系半導体発光素子よりさらに改善される。また、Ｐ側ガイド層１３０６のバンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加するため、図７のグラフ（ｄ）に示されるように、活性層１０５から遠ざかるにしたがって価電子帯電位が連続的に減少する。これにより、Ｐ側ガイド層１３０６において、正孔フェルミ準位と価電子帯電位との差をほぼ一定にすることが可能となる。このため、図８のグラフ（ｃ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１３０６の積層方向における正孔及び電子の濃度を低減し、かつ、ほぼ一定とすることができる。このように、Ｐ側ガイド層１３０６の積層方向におけるフリーキャリア濃度を低減できる。しかしながら、Ｎ側ガイド層１３０４における活性層１０５から遠い方の界面（つまり、Ｎ型第２クラッド層１０３との界面）において、バンドギャップエネルギーが不連続となるため、図８のグラフ（ｃ）に示されるように、当該界面において正孔の濃度がスパイク状に増大する。このため、比較例の窒化物系半導体発光素子においても、Ｎ側ガイド層１３０４における非発光再結合とフリーキャリア損失とを低減できない。比較例３の窒化物系半導体発光素子１００では、実効屈折率差ΔＮが２．１×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ１．３ｎｍ及び－４．３ｎｍであり、差ΔＰは、５．６ｎｍである。また、導波路損失は、３．２０ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．８ｃｍ^－１である。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、図６のグラフ（ｄ）に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６の屈折率だけでなく、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率も、活性層１０５に近づくにしたがって増大するため、積層方向における光強度分布のピークをより一層、活性層１０５に近づけやすくなる。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、光閉じ込め係数は、１．４４％となり、比較例３の窒化物系半導体発光素子と同等の光閉じ込め係数を得られる。また、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加するため、Ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の界面における、バンドギャップエネルギーの不連続性を低減できる。したがって、図８のグラフ（ｄ）に示されるように、当該界面及びＮ側ガイド層１０４における正孔の濃度を、比較例３の窒化物系半導体発光素子より大幅に低減できる。このように、Ｐ側ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４におけるフリーキャリア濃度を低減できるため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、フリーキャリア損失の低減、及び非発光再結合確率の低減を実現できる。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、実効屈折率差ΔＮが２．９×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ１５．９ｎｍ及び９．７ｎｍであり、差ΔＰは、６．２ｎｍである。このように、本実施の形態では、位置Ｐ１及び差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。また、導波路損失は、３．４０ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．４５ｃｍ^－１である。このように、本実施の形態では、導波路損失及びフリーキャリア損失を低減できる。特に、本実施の形態では、各比較例と比べて、フリーキャリア損失を低減できる。

次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ側ガイド層１０４におけるＩｎ組成比分布の効果について図９及び図１０を用いて説明する。図９及び図１０は、それぞれ、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。

図９及び図１０には、Ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ１を４％、活性層１０５から遠い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ２を０％、１％、２％、３％、及び４％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を一定の変化率で減少させた場合の光閉じ込め係数及び動作電圧が示されている。なお、ここで、動作電圧として、窒化物系半導体発光素子への供給電流が３Ａの場合に窒化物系半導体発光素子に印加される電圧が示されている。また、図９及び図１０には、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。

図９及び図１０に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４におけるＩｎ組成比が活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合より、Ｎ側ガイド層１０４の高屈折率領域を活性層１０５に近接させることができるため、光閉じ込め係数を増大させることができ、かつ、動作電圧を低減できる。また、平均Ｉｎ組成比が２％未満の場合に、より一層、導波路損失を低減でき、かつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。

例えば、図９及び図１０に示される、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が２％で均一である場合には、光閉じ込め係数は、１．３９％であり、実効屈折率差ΔＮが３．０×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ２０．４ｎｍ及び１０．４ｎｍであり、差ΔＰは、１０．０ｎｍである。また、導波路損失は、３．４ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．３８ｃｍ^－１である。このように、Ｉｎ組成比が均一である場合には、光強度分布のピークを活性層に位置させることができず、光閉じ込め係数も本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より低くなる。

続いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減する効果について、上述した比較例３の窒化物系半導体発光素子と比較しながら、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、比較例３の窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。図１２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係を示すグラフである。図１１及び図１２のグラフ（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）には、それぞれ、各窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置と、ピエゾ分極電荷密度、ピエゾ分極電界、及び伝導帯電位との関係が示されている。なお、図１１及び図１２のグラフ（ｃ）には、正孔フェルミ準位が併せて破線で示されている。

図１１のグラフ（ａ）に示されるように、比較例３の窒化物系半導体発光素子のＮ側ガイド層１３０４のピエゾ分極電荷密度は、積層方向において一定である。このため、Ｎ側ガイド層１３０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電荷密度のギャップが大きい。これに伴い、Ｎ側ガイド層１３０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面にピエゾ分極電荷が局所的に形成される。これにより、大きいピエゾ分極電界が発生する。したがって、図１１のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｎ側ガイド層１３０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面にスパイク状のピエゾ分極電界が発生する。この結果、Ｎ側ガイド層１３０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面近傍に、正孔が誘引され、当該界面における伝導帯電位が増大する（図１１のグラフ（ｃ）に示されるΔＥ１参照）。

一方、図１２のグラフ（ａ）に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ側ガイド層１０４の分極電荷密度は、活性層１０５に近い方の界面から遠い方の界面に近づくにしたがって、単調に減少する。このため、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電荷密度のギャップが抑制される。これにより、ピエゾ分極電荷は、Ｎ側ガイド層１０４の積層方向に分散される。したがって、図１２のグラフ（ｂ）に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面におけるピエゾ分極電界を抑制できる。この結果、図１２のグラフ（ｃ）に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４とＮ型第２クラッド層１０３及び活性層１０５との各界面近傍における、正孔が誘引されることに起因する伝導帯電位の増大（図１２のグラフ（ｃ）に示されるΔＥ１）を抑制できる。これにより、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｎ型第２クラッド層１０３から活性層１０５へ向かって流れる電子の伝導性を向上させることができるため、動作電圧を低減できる。

［１－３－２．Ｎ側ガイド層における不純物］
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４における不純物による効果について図１３～図１５を用いて説明する。図１３、図１４、及び図１５は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ側ガイド層１０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）、導波路損失、及び動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１３～図１５のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）は、それぞれ、Ｎ側ガイド層１０４における不純物（Ｓｉ）の濃度が、０（つまり、アンドープ）、３×１０^１７ｃｍ^－３、６×１０^１７ｃｍ^－３、及び、１×１０^１８ｃｍ^－３である場合のシミュレーション結果が示されている。

図１３～図１５には、Ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ１を４％、活性層１０５から遠い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｎ２を０％、１％、２％、３％、及び４％とし、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を一定の変化率で減少させた場合の光閉じ込め係数及び動作電圧が示されている。また、図１３～図１５には、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。

図１３に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００においては、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数を高めることができる。また、図１３から本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００において、光閉じ込め係数は、不純物濃度にはほぼ依存しないことがわかる。

図１４に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００においては、不純物を添加しない場合を除いて、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より導波路損失を低減できる。これは、不純物の添加により電子濃度は増大するが、Ｎ側ガイド層１０４の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布によって正孔濃度が減少することに起因すると考えられる。

図１５に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００においては、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が均一である比較例の窒化物系半導体発光素子より動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子１００に添加する不純物の濃度を高めることで、Ｎ側ガイド層１０４における電子濃度を高めることができるため、より一層動作電圧を低減できる。

図１４及び図１５より、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｎ側ガイド層１０４における不純物濃度を１×１０^１７ｃｍ^－３以上６×１０^１７ｃｍ^－３以下とすることで、導波路損失の大幅な増大を抑制しつつ、動作電圧を低減できる。

［１－３－３．Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層の膜厚］
次に、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層１０６との膜厚の関係による効果について図１６及び図１７を用いて説明する。図１６及び図１７は、それぞれ、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４の膜厚と、位置Ｐ１及び差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６及び図１７に係るシミュレーションにおいては、Ｎ側ガイド層１０４とＰ側ガイド層１０６との膜厚の和を４４０ｎｍで一定に維持しながら、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の各膜厚を変化させている。Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５に近い方の界面付近において、４％であり、活性層１０５から遠い方の界面付近において０％である。Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、積層方向において一定の変化率で変化させている。また、図１６及び図１７には、比較例として、Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比が２％で一定である例のシミュレーション結果も併せて破線で示されている。

図１６に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを１６０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とすることで、位置Ｐ１を活性層１０５に位置させることができる。言い換えると、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６の膜厚の和の３６％以上５７％以下としてもよい。これにより、位置Ｐ１を－７ｎｍ以上１８ｎｍ以下とすること、つまり、光強度分布のピークを活性層１０５内に位置させることができる。

図１７に示されるように、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎを２２０ｎｍ未満とすることで、つまり、Ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐより小さくすることで、差ΔＰを低減できる。特に、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚を、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層の膜厚の和の２３％以上４３％以下とすることで、差ΔＰを２０ｎｍ以下とすることができる。また、図１７に示されるように、Ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比を２％で一定とした場合においても、Ｎ側ガイド層の膜厚をＰ側ガイド層１０６の膜厚より小さくすることで、差ΔＰを低減できるが、本実施の形態に係るＰ側ガイド層１０６のように、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の方が、より一層差ΔＰを低減できる。

［１－３－４．Ｐ型クラッド層］
次に、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚について図１８～図２２を用いて説明する。図１８は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１９は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２０は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、実効屈折率差ΔＮとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２１は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、位置Ｐ１との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２２は、本実施の形態に係るＰ型クラッド層１１０の膜厚と、差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。また、図１８～図２２には、比較例として、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層のＩｎ組成比が共に２％で一定である比較例のシミュレーション結果も併せて示されている。また、図１８～図２２には、後述する実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子３００のシミュレーション結果も併せて示されている。

図１８に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、比較例の窒化物系半導体発光素子より光閉じ込め係数を大きくすることができる。また、本実施の形態では、上述した各ガイド層及び各バリア層の構成により、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を２５０ｎｍまで薄くしても、光閉じ込め係数が低下しない。

図１９に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、比較例の窒化物系半導体発光素子より導波路損失を低減できる。また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を３００ｎｍ程度まで薄くしても、導波路損失が大幅に増大することを抑制できる。

図２０に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、比較例の窒化物系半導体発光素子より実効屈折率差ΔＮを低減できる。

図２１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、比較例の窒化物系半導体発光素子と同様に、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚が２５０ｎｍ以上８２０ｎｍ以下の全範囲において位置Ｐ１を活性層１０５に位置させることができる。また、図２２に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚が２５０ｎｍ以上８２０ｎｍ以下の全範囲において、比較例の窒化物系半導体発光素子より差ΔＰを低減できる。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚を低減することが可能となるため、動作電圧を低減できる。

［１－３－５．各バリア層］
次に、本実施の形態に係る活性層１０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、上述したように、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとすることで、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値より大きくし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同じとした比較例４の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例４の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３４％であり、実効屈折率差ΔＮが３．２×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ３３．９ｎｍ及び１０．３ｎｍであり、差ΔＰは、２３．６ｎｍである。また、導波路損失は、３．６ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．３２ｃｍ^－１である。このように、比較例４の窒化物系半導体発光素子では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが大きいため、つまり、各バリア層の屈折率が小さいため、光閉じ込め係数が本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より減少している。これに伴い、比較例４の窒化物系半導体発光素子の他の評価指標も、位置Ｐ１を除いて、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００より悪化している。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層１０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下とすることで、光閉じ込め係数を増大させることができる。これに伴い、差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。

まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図２３Ａ、図２３Ｂ、及び図２４を用いて説明する。図２３Ａは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２３Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００が備える活性層２０５の構成を示す模式的なグラフである。図２４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の活性層２０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図２３Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体２００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層２０５と、Ｐ側ガイド層２０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。

活性層２０５は、図２３Ｂに示されるように、ウェル層１０５ｂ及び１０５ｄと、バリア層２０５ａ、１０５ｃ、及び２０５ｅとを有する。

バリア層２０５ａは、Ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層２０５ａは、膜厚６ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

バリア層２０５ｅは、ウェル層１０５ｄの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層１０５ｅは、膜厚６ｎｍのアンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

本実施の形態に係るＰ側ガイド層２０６は、図２４に示されるように、積層方向においてバンドギャップエネルギーが一定である点において、実施の形態１に係るＰ側ガイド層１０６と相違する。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層２０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮ層であり、Ｐ側ガイド層２０６のＩｎ組成比Ｘｐは、２％である。

このような活性層２０５及びＰ側ガイド層２０６を有する窒化物系半導体発光素子２００においても、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、動作電圧を低減でき、かつ、活性層２０５への光閉じ込め係数を高めることができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが３．５×１０^－３であり、位置Ｐ１が１１．０ｎｍであり、位置Ｐ２が２．５ｎｍであり、差ΔＰが８．５ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が１．３３％であり、導波路損失が５．１ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．６ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子２００を実現できる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００との相違点を中心に説明する。

まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図２５及び図２６を用いて説明する。図２５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２６は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の活性層２０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図２５に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００は、半導体積層体３００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体３００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層２０５と、Ｐ側ガイド層３０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態に係るＰ側ガイド層３０６は、図２４に示されるように、積層方向においてバンドギャップエネルギーがステップ状に変化する点において、実施の形態２に係るＰ側ガイド層２０６と相違する。Ｐ側ガイド層３０６は、Ｐ側第１ガイド層３０６ａと、Ｐ側第２ガイド層３０６ｂとを有する。Ｐ側第１ガイド層３０６ａは、活性層２０５の上方に配置され、活性層２０５より大きいバンドギャップエネルギーを有するガイド層である。Ｐ側第２ガイド層３０６ｂは、Ｐ側第１ガイド層３０６ａの上方に配置され、Ｐ側第１ガイド層３０６ａより大きいバンドギャップエネルギーを有するガイド層である。本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層３０６ａは、膜厚８０ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層であり、Ｐ側第２ガイド層３０６ｂは、膜厚２００ｎｍのアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層である。このように、Ｐ側第１ガイド層３０６ａは、Ｐ側第２ガイド層３０６ｂよりＩｎ組成比が大きい。

このようなＰ側ガイド層３０６を有する窒化物系半導体発光素子３００においても、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子２００と同様に、動作電圧を低減でき、かつ、活性層２０５への光閉じ込め係数を高めることができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．８×１０^－３であり、位置Ｐ１が１３．０ｎｍであり、位置Ｐ２が９．１ｎｍであり、差ΔＰが３．９ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が１．４７％であり、導波路損失が３．９ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．９ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子３００を実現できる。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の効果について、比較例５～比較例７の窒化物系半導体発光素子と比較して説明する。

比較例５の窒化物系半導体発光素子は、Ｎ側ガイド層が積層方向において一定のバンドギャップエネルギーを有する点において、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。比較例５の窒化物系半導体発光素子が備えるＮ側ガイド層は、膜厚１６０ｎｍのＮ型Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層であり、不純物として、濃度３×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。比較例５の窒化物系半導体発光素子においては、実効屈折率差ΔＮが３．５×１０^－３であり、位置Ｐ１が１２．６ｎｍであり、位置Ｐ２が４．７ｎｍであり、差ΔＰが７．９ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が１．２７％であり、導波路損失が５．１ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が２．５ｃｍ^－１である。

このように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００によれば、上述した構成を有するＮ側ガイド層１０４を備えるため、比較例５の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数を高めることができる。

比較例６及び比較例７の窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーが、Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより小さい点において、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００と相違する。比較例６及び比較例７の窒化物系半導体発光素子が備えるＰ側ガイド層は、膜厚１００ｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層であるＰ側第１ガイド層と、Ｐ側第１ガイド層の上方に配置され、膜厚１００ｎｎｍのアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層であるＰ側第２ガイド層とを有する。比較例６の窒化物系半導体発光素子が備えるＮ側ガイド層は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層１０４と同様の構成を有する。比較例７の窒化物系半導体発光素子が備えるＮ側ガイド層は、積層方向において、一定のバンドギャップエネルギーを有する。具体的には、比較例７の窒化物系半導体発光素子が備えるＮ側ガイド層は、膜厚１６０ｎｍのＮ型Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層であり、不純物として濃度３×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。

比較例６及び比較例７の窒化物系半導体発光素子では、それぞれ、位置Ｐ１が、３２，７ｎｍ、及び３８．３ｎｍであり、光強度分布のピーク位置が活性層から外れ、Ｐ側ガイド層にある。このため、リッジ１１０Ｒによって形成される導波路を伝搬可能な高次モードと、導波路に安定的に閉じ込められている低次モードとの間で結合が生じた場合、光閉じ込め径巣が変化しやすい。つまり、ＩＬ特性の線形性が低下しやすい。特に、比較例６及び比較例７のように、実効屈折率差ΔＮが３．０×１０^－３と小さい場合には、導波路を伝搬可能な高次モード数が減少するため、モード間結合に起因するＩＬ特性への影響が大きくなる。このため比較例６及び比較例７の窒化物系半導体発光素子では、ＩＬ特性の線形性が低下しやすい。

一方、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００では、位置Ｐ１は、１３．０ｎｍであり、比較例６及び比較例７の窒化物系半導体発光素子の位置Ｐ１より大幅に小さい。このため、ＩＬ特性の線形性の低下を抑制できる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。

［４－１．全体構成］
まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図２７及び図２８を用いて説明する。図２７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２８は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００の活性層２０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図２７に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００は、半導体積層体４００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体４００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層４０４と、活性層２０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態に係るＮ側ガイド層４０４においては、実施の形態１に係るＮ側ガイド層１０４と同様に、バンドギャップエネルギーは、活性層２０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層４０４は、Ｎ型Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ層であり、Ｎ側ガイド層４０４には、不純物として、濃度３×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。また、Ｎ側ガイド層４０４の活性層２０５に近い側の界面からＮ側ガイド層４０４の積層方向の中央部までの領域におけるＩｎ組成比の積層方向における平均変化率の絶対値は、中央部からＮ側ガイド層４０４のＮ型第１クラッド層１０２に近い側の界面までの領域におけるＩｎ組成比の積層方向における平均変化率の絶対値よりも小さい。言い換えると、Ｎ側ガイド層４０４の積層方向の位置とＩｎ組成比との関係を示す曲線は、上に凸な形状を有する。さらに言い換えると、Ｎ側ガイド層４０４の積層方向の位置とバンドギャップエネルギーとの関係を示す曲線は、下に凸な形状を有する（図２８参照）。

Ｎ側ガイド層４０４は、Ｎ側第１ガイド層４０４ａと、Ｎ側第２ガイド層４０４ｂとを有する。Ｎ側第１ガイド層４０４ａは、Ｎ型第２クラッド層１０３の上方に配置されるガイド層である。Ｎ側第１ガイド層４０４ａは、膜厚８０ｎｍのＩｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ層である。より具体的には、Ｎ側第１ガイド層４０４ａは、活性層２０５から遠い方の界面付近においてＩｎ_Ｘｎ２Ｇａ_{１－Ｘｎ２}Ｎで表される組成を有し、活性層２０５に近い方の界面付近においてＩｎ_ＸｎｍＧａ_{１－Ｘｎｍ}Ｎで表される組成を有する（図２８参照）。Ｎ側第１ガイド層４０４ａのＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。Ｎ側第２ガイド層４０４ｂは、Ｎ側第１ガイド層４０４ａの上方に配置されるガイド層である。言い換えると、Ｎ側第２ガイド層４０４ｂは、Ｎ側第１ガイド層４０４ａと活性層２０５との間に配置される。Ｎ側第２ガイド層４０４ｂは、膜厚８０ｎｍのＮ型Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ層である。より具体的には、Ｎ側第２ガイド層４０４ｂは、活性層２０５に近い方の界面付近においてＩｎ_Ｘｎ１Ｇａ_{１－Ｘｎ１}Ｎで表される組成を有し、活性層２０５から遠い方の界面付近においてＩｎ_ＸｎｍＧａ_{１－Ｘｎｍ}Ｎで表される組成を有する。Ｎ側第２ガイド層４０４ｂのＩｎ組成比Ｘｎは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。本実施の形態では、Ｘｎ１＝０．０４、Ｘｎｍ＝０．０３、Ｘｎ２＝０である。

［４－２．効果］
［４－２－１．Ｉｎ組成比分布］
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００のＮ側ガイド層４０４におけるＩｎ組成比分布の効果について図２９～図３３を用いて説明する。図２９は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層４０４における平均Ｉｎ組成比と、光閉じ込め係数（Γｖ）との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図３０は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層４０４における平均Ｉｎ組成比と、導波路損失との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図３１は、本実施の形態に係るＮ側ガイド層４０４における平均Ｉｎ組成比と、動作電圧との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図３２及び図３３は、それぞれ、本実施の形態に係るＮ側ガイド層４０４における平均Ｉｎ組成比と、位置Ｐ１及び差ΔＰとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図２９～図３３には、Ｎ側ガイド層４０４の活性層２０５に近い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ１を４％、活性層２０５から遠い方の界面付近におけるＩｎ組成比Ｘｐ２を０％とし、活性層２０５から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比を連続的に単調に減少させた場合の導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。より具体的には、図２９～図３３には、Ｎ側ガイド層４０４の積層方向の中央部におけるＩｎ組成比Ｘｎｍを変化させることで、Ｎ側ガイド層４０４における平均Ｉｎ組成比を変化させた場合の、各シミュレーション結果が示されている。また、図２９～図３３には、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合のシミュレーション結果についても併せて破線で示されている。

図２９～図３３に示される例では、平均Ｉｎ組成比が２％より大きい場合において、Ｎ側ガイド層４０４の積層方向の位置とＩｎ組成比との関係を示す曲線は、に凸な形状となる。例えば、平均Ｉｎ組成比が２．５％の場合が、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００に相当する。

図２９及び図３０に示されるように、Ｎ側ガイド層４０４におけるＩｎ組成比が活性層２０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合より、光閉じ込め係数を増大させることができ、かつ、導波路損失を低減できる。また、平均Ｉｎ組成比が２％より大きい方が、より一層、光閉じ込め係数を増大させることができ、かつ、導波路損失を低減できる。

また、図３１に示されるように、Ｎ側ガイド層４０４におけるＩｎ組成比が活性層２０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合より、動作電圧を低減できる。また、平均Ｉｎ組成比が２％より大きい方が、より一層、動作電圧を低減できる。

また、図３２及び図３３に示されるように、Ｎ側ガイド層４０４におけるＩｎ組成比が活性層２０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する場合の方が、Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比が均一である場合より、光強度分布のピークの位置Ｐ１を活性層２０５に近づけることができ、かつ、差ΔＰを低減できる。また、平均Ｉｎ組成比が２％より大きい場合に、位置Ｐ１を活性層２０５内に位置させることができ、かつ、差ΔＰをより一層低減できる。これは、平均Ｉｎ組成比が２％より大きい方が、Ｎ側ガイド層４０４のうち、活性層２０５に近い領域の屈折率を高めることができるため、光を活性層２０５の近傍に導くことができることに起因すると考えられる。

［４－２－２．各バリア層］
次に、本実施の形態に係る活性層２０５の各バリア層の構成の効果について比較例と比較しながら説明する。本実施の形態では、上述したように、各バリア層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層４０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値以下である。ここで、比較例として、各バリア層の組成をアンドープＧａＮとして、各バリア層のバンドギャップエネルギーを、Ｎ側ガイド層４０４及びＰ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーの最小値より大きくし、その他の構成は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００と同じである比較例８の窒化物系半導体発光素子のシミュレーション結果を示す。比較例８の窒化物系半導体発光素子では、光閉じ込め係数が１．３６％であり、実効屈折率差ΔＮが３．４×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ２２．８ｎｍ及び２．２ｎｍであり、差ΔＰは、２０．６ｎｍである。また、導波路損失は、３．４ｃｍ^－１であり、Ｎ側ガイド層及びＰ側ガイド層におけるフリーキャリア損失は、１．４ｃｍ^－１である。

これに対して、本実施の形態では、光閉じ込め係数が１．４４％であり、実効屈折率差ΔＮが３．４×１０^－３であり、光強度分布のピークの位置Ｐ１及びＰ２が、それぞれ１０．９ｎｍ及び５．５ｎｍであり、差ΔＰは、５．４ｎｍである。また、導波路損失は、３．４ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失は、１．７ｃｍ^－１である。

このように、本実施の形態では、各バリア層のバンドギャップエネルギーが各ガイド層以下であるため、つまり、各バリア層の屈折率が各ガイド層より大きいため、光閉じ込め係数を比較例８の窒化物系半導体発光素子より高めることができる。これに伴い、本実施の形態では、位置Ｐ１及び差ΔＰも、比較例８の窒化物系半導体発光素子より低減できる。このように本実施の形態では差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分が生じにくくなる。

（実施の形態５）
実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ型第１クラッド層とＰ型クラッド層とのＡｌ組成比の関係、及び、電子障壁層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図３４を用いて説明する。

図３４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００の全体構成を示す模式的な断面図である。

図３４に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００は、半導体積層体５００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体５００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層５０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層５０９と、Ｐ型クラッド層５１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態に係るＮ型第１クラッド層５０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ_{０．０３６}Ｇａ_{０．９６４}Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層５０２には、不純物として濃度１×１０^１８ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。

本実施の形態に係るＰ型クラッド層５１０は、電子障壁層５０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層５１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層５１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層である。Ｐ型クラッド層５１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層５１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層５１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０^１８ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層とを有する。

Ｐ型クラッド層５１０には、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、リッジ５１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層５１０には、リッジ５１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝５１０Ｔが形成されている。

本実施の形態においては、Ｎ型第１クラッド層５０２及びＰ型クラッド層５１０は、Ａｌを含み、Ｎ型第１クラッド層５０２及びＰ型クラッド層５１０のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ （４）
の関係を満足する。

ここで、Ｎ型第１クラッド層５０２及びＰ型クラッド層５１０の少なくとも一方が、超格子構造である場合、組成比Ｙｎｃ及びＹｐｃは、平均のＡｌ組成比を示す。例えば、Ｎ型第１クラッド層５０２が、複数の厚さ２ｎｍのＧａＮ層と、複数の厚さ２ｎｍのＡｌ組成比０．０７のＡｌＧａＮ層とを含み、複数のＧａＮ層の各々と、複数のＡｌＧａＮ層の各々とが交互に積層される場合、ＹｎｃはＮ型第１クラッド層５０２全体での平均のＡｌ組成比である０．０３５となる。Ｐ型クラッド層５１０が、複数の厚さ２ｎｍのＧａＮ層と、複数の厚さ２ｎｍのＡｌ組成比０．０７のＡｌＧａＮ層とを含み、複数のＧａＮ層の各々と、複数のＡｌＧａＮ層の各々とが交互に積層される場合、ＹｐｃはＰ型クラッド層５１０全体での平均のＡｌ組成比である０．０３５となる。

上記式（４）が成り立つことにより、Ｎ型第１クラッド層５０２の屈折率を、Ｐ型クラッド層５１０の屈折率より低減できる。したがって、窒化物系半導体発光素子５００の動作電圧を低減するために、Ｐ型クラッド層５１０の膜厚を低減しても、Ｎ型第１クラッド層５０２の屈折率が、Ｐ型クラッド層５１０の屈折率より小さいため、積層方向における光強度分布のピークが活性層１０５からＮ型第１クラッド層５０２へ近づく向きに移動することを抑制できる。

電子障壁層５０９は、活性層１０５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層５０９は、中間層１０８と、Ｐ型クラッド層５１０との間に配置される。電子障壁層５０９は、膜厚５ｎｍのＰ型ＡｌＧａＮ層である。また、電子障壁層５０９は、Ｐ型クラッド層５１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加するＡｌ組成比傾斜領域を有する。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を含む構成も含まれる。例えば、Ａｌ組成比が単調増加する構成には、Ａｌ組成比がステップ状に増加するような構成も含まれる。本実施の形態に係る電子障壁層５０９においては、電子障壁層５０９全体がＡｌ組成比増加領域であり、積層方向において、一定の変化率でＡｌ組成比が増加する。具体的には、電子障壁層５０９は、中間層１０８との界面付近において、Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎで表される組成を有し、Ｐ型クラッド層５１０に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が単調増加し、Ｐ型クラッド層５１０との界面付近において、Ａｌ_０．３６Ｇａ_０．６４Ｎで表される組成を有する。電子障壁層５０９には、不純物として濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされている。

電子障壁層５０９により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層５１０へ漏れることを抑制できる。また、電子障壁層５０９が、Ａｌ組成比が単調に増大するＡｌ組成変化領域を有することで、Ａｌ組成比が一様である場合より、電子障壁層５０９の価電子帯の電位障壁を低減できる。これにより、Ｐ型クラッド層５１０から活性層１０５へ正孔が流れやすくなる。したがって、本実施の形態のように、アンドープ層であるＰ側ガイド層１０６の膜厚が大きい場合にも、窒化物系半導体発光素子５００の電気抵抗の増大を抑制できる。これにより、窒化物系半導体発光素子５００の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子５００の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子５００の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子５００の高出力動作が可能となる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが３．０×１０^－３であり、位置Ｐ１が１７．３ｎｍであり、差ΔＰが７．０ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．４５％であり、導波路損失が３．３ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．３ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子５００を実現できる。

（実施の形態６）
実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、リッジにおけるコンタクト層上に透光性導電膜を備える点において、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００との相違点を中心に図３５を用いて説明する。

図３５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３５に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００は、半導体積層体６００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４と、透光性導電膜６２０とを備える。半導体積層体６００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層５０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層５０９と、Ｐ型クラッド層６１０と、コンタクト層６１１とを有する。

本実施の形態に係るＰ型クラッド層６１０は、電子障壁層５０９とコンタクト層６１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層６１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層６１０は、膜厚３３０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層である。Ｐ型クラッド層６１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層６１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層６１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０^１８ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚１８０ｎｍのＰ型Ａｌ_{０．０２６}Ｇａ_{０．９７４}Ｎ層とを有する。

Ｐ型クラッド層６１０には、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００と同様に、リッジ６１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層６１０には、リッジ６１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝６１０Ｔが形成されている。

コンタクト層６１１は、Ｐ型クラッド層６１０の上方に配置され、Ｐ側電極１１３とオーミック接触する層である。本実施の形態では、コンタクト層６１１は、膜厚１０ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層６１１には、不純物として濃度１×１０^２０ｃｍ^－３のＭｇがドープされている。

本実施の形態に係る透光性導電膜６２０は、Ｐ型クラッド層６１０の上方に配置され、窒化物系半導体発光素子６００で発生する光の少なくとも一部を透過させる導電膜である。透光性導電膜６２０として、例えば、錫ドープの酸化インジウム（ＩＴＯ）、Ｇａドープの酸化亜鉛、Ａｌドープの酸化亜鉛、Ｉｎ及びＧａドープの酸化亜鉛等の、可視光に対して透過性を有し、低抵抗の電気伝導性を示す酸化膜を用いることができる。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００によっても、上述した図１８～図２２に示されるように、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様の効果が奏される。

さらに、本実施の形態においては、Ｐ型クラッド層６１０の上方に配置される透光性導電膜６２０を備えるため、Ｐ型クラッド層６１０の上方を伝搬する光の損失を低減できる。図１９に示されるように、この効果は、Ｐ型クラッド層６１０の膜厚が小さい場合に特に顕著である。また、Ｐ型クラッド層６１０の膜厚をより一層低減することが可能となるため、窒化物系半導体発光素子６００の電気抵抗をより一層低減することができる。その結果、窒化物系半導体発光素子６００のスロープ効率を高めることができ、かつ、動作電圧を低減することができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．７×１０^－３であり、位置Ｐ１が１５．１ｎｍであり、差ΔＰが５．４ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．４７％であり、導波路損失が４．０ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．３ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子６００を実現できる。

（実施の形態７）
実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、活性層の構成において、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００との相違点を中心に図３６Ａ及び図３６Ｂを用いて説明する。

図３６Ａは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３６Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００が備える活性層７０５の構成を示す断面図である。

図３６Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００は、半導体積層体７００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４と、透光性導電膜６２０とを備える。半導体積層体７００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層５０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層７０５と、Ｐ側ガイド層１０６と、中間層１０８と、電子障壁層５０９と、Ｐ型クラッド層５１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態に係る活性層７０５は、図３６Ｂに示されるように、単一量子井戸構造を有し、単一のウェル層１０５ｂと、ウェル層１０５ｂを挟むバリア層１０５ａ及び１０５ｃとを有する。ウェル層１０５ｂは、実施の形態１に係るウェル層１０５ｂと同様の構成を有し、バリア層１０５ａ及び１０５ｃは、実施の形態１に係るバリア層１０５ａ及び１０５ｃと同様の構成を有する。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００によれば、実施の形態５及び実施の形態６に係る各窒化物系半導体発光素子と同様の効果が奏される。特に、上述したような単一量子井戸構造を有する窒化物系半導体発光素子７００においては、活性層７０５が単一のウェル層１０５ｂを有する。このように、屈折率が大きいウェル層１０５ｂの個数が少ない窒化物系半導体発光素子７００においても、Ｎ側ガイド層１０４、Ｐ側ガイド層１０６などの構成により、積層方向における光強度分布のピークを活性層７０５又はその近傍に位置させることができる。したがって、光閉じ込め係数を高めることができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．９×１０^－３であり、位置Ｐ１が９．７ｎｍであり、差ΔＰが８．６ｎｍであり、活性層７０５への光閉じ込め係数が０．７５％であり、導波路損失が３．３ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．４ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子７００を実現できる。なお、本実施の形態では、活性層７０５の合計膜厚が、実施の形態５に係る活性層１０５より８ｎｍ小さいため、実施の形態５より光閉じ込め係数が小さくなる。

（実施の形態８）
実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーが、Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい点において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図３７及び図３８を用いて説明する。

図３７は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３８は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００の活性層１０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図３７に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００は、半導体積層体８００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体８００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側ガイド層８０６と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態では、Ｐ側ガイド層８０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮ層である。より具体的には、Ｐ側ガイド層８０６は、活性層１０５に近い方の界面付近においてＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎで表される組成を有し、活性層１０５から遠い方の界面付近においてＧａＮで表される組成を有する。Ｐ側ガイド層８０６のＩｎ組成比Ｘｐは、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で減少する。

このように、本実施の形態に係るＰ側ガイド層８０６のＩｎ組成比の平均値は、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の平均値未満である。したがって、Ｐ側ガイド層８０６の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギーより大きい（図３８参照）。言い換えると、Ｐ側ガイド層８０６の平均屈折率は、Ｎ側ガイド層１０４の平均屈折率未満である。ここで、Ｐ側ガイド層８０６の膜厚がＮ側ガイド層１０４の膜厚より大きいため、光強度分布のピークが、活性層１０５に対してＰ側ガイド層８０６寄りに偏り得る。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層８０６の平均屈折率がＮ側ガイド層１０４の平均屈折率未満であるため、光強度分布のピークが、活性層１０５に対してＰ側ガイド層８０６寄りに偏ることを抑制できる。

また、Ｐ側ガイド層８０６のＩｎ組成比は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に減少する。つまり、Ｐ側ガイド層８０６の屈折率は、活性層１０５に近づくにしたがって連続的に単調に増加する。これにより、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．８×１０^－３であり、位置Ｐ１が９．９ｎｍであり、位置Ｐ２が２．１ｎｍであり、差ΔＰが７．８ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．４２％であり、導波路損失が３．４ｃｍ^－１であり、ガイド層フリーキャリア損失が１．３０ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子８００を実現できる。このように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００においては、Ｐ側ガイド層８０６の平均バンドギャップエネルギーがＮ側ガイド層１０４の平均バンドギャップエネルギーより大きいため、積層方向における光強度分布のピークを、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００より、活性層１０５の積層方向における中心付近に近づけることができる。

（実施の形態９）
実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に出射光の波長帯域において実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図３９Ａ、図３９Ｂ、及び図４０を用いて説明する。

図３９Ａは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３９Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００が備える活性層９０５の構成を示す模式的な断面図である。図４０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００の活性層９０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図３９Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００は、半導体積層体９００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体９００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層９０２と、Ｎ側ガイド層９０４と、活性層９０５と、Ｐ側ガイド層９０６と、電子障壁層９０９と、Ｐ型クラッド層９１０と、コンタクト層１１１とを有する。

本実施の形態に係るＮ型第１クラッド層９０２は、膜厚７４０ｎｍのＮ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層９０２には、不純物として濃度５×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。

本実施の形態に係るＮ側ガイド層９０４は、膜厚１３０ｎｍのＮ型Ａｌ_ＸｎａＧａ_{１－Ｘｎａ}Ｎ層である。Ｎ側ガイド層９０４には、不純物として濃度５×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。より具体的には、Ｎ側ガイド層９０４は、活性層９０５に近い方の界面付近においてＡｌ_Ｘｎａ１Ｇａ_{１－Ｘｎａ１}Ｎで表される組成を有し、活性層９０５から遠い方の界面付近においてＡｌ_Ｘｎａ２Ｇａ_{１－Ｘｎａ２}Ｎで表される組成を有する。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層９０４の活性層９０５に近い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｎａ１は０であり、Ｎ側ガイド層９０４の活性層９０５から遠い方の界面付近におけるＡｌ組成比Ｘｎａ２は、０．０６（つまり６％）である。Ｎ側ガイド層９０４のＡｌ組成比Ｘｎａは、活性層９０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で増加する。

本実施の形態に係る活性層９０５は、図３９Ｂに示されるように、ウェル層９０５ｂと、バリア層９０５ａ及び９０５ｃとを有する。

バリア層９０５ａは、Ｎ側ガイド層９０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層９０５ａは、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

ウェル層９０５ｂは、バリア層９０５ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層９０５ｂは、バリア層９０５ａとバリア層９０５ｃとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層９０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層である。

バリア層９０５ｃは、ウェル層９０５ｂの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。本実施の形態では、バリア層９０５ｃは、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００は、以上のような構成を有する活性層９０５を備えることで、３５０ｎｍ以上３９０ｎｍ以下の波長の光を出射できる。

本実施の形態に係るＰ側ガイド層９０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。

本実施の形態に係る電子障壁層９０９は、膜厚５ｎｍのＰ型Ａｌ_０．３６Ｇａ_０．６４Ｎ層である。電子障壁層９０９には、不純物として濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされている。

本実施の形態に係るＰ型クラッド層９１０は、電子障壁層９０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層９１０は、活性層９０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層９１０は、膜厚６６０ｎｍのＰ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層である。Ｐ型クラッド層９１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層９１０の活性層９０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層９０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層９１０は、活性層９０５に近い側に配置される濃度２×１０^１８ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚２５０ｎｍのＰ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層と、活性層９０５から遠い側に配置される濃度１×１０^１９ｃｍ^－３のＭｇがドープされた膜厚４１０ｎｍのＰ型Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層とを有する。

Ｐ型クラッド層９１０には、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、リッジ９１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層９１０には、リッジ９１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝９１０Ｔが形成されている。本実施の形態では、リッジ９１０Ｒの下端部におけるＰ型クラッド層９１０の膜厚ｄｃは、３０ｎｍである。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００において、Ｎ側ガイド層９０４のＡｌ組成比Ｘｎａは、活性層９０５から遠ざかるにしたがって単調に増加する。つまり、Ｎ側ガイド層９０４の屈折率は、活性層９０５に近づくにしたがって単調に増加する。これにより、積層方向における光強度分布のピークを活性層９０５に近づけることができる。

また、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚は、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚より大きい。これにより、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚がＮ側ガイド層９０４の膜厚以下である場合より、リッジ９１０Ｒの下端部と活性層９０５との間の距離ｄｐが大きくなるため、実効屈折率差ΔＮを小さくすることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子９００の光出力の安定性を高めることができる。

また、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層９０６のＡｌ組成比が、Ｎ側ガイド層９０４の平均Ａｌ組成比より大きい。つまり、Ｐ側ガイド層９０６の平均バンドギャップエネルギーが、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーより大きい（図４０参照）。したがって、Ｐ側ガイド層９０６の平均屈折率は、Ｎ側ガイド層９０４の平均屈折率未満である。上述のとおり、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚がＮ側ガイド層９０４の膜厚より大きいため、光強度分布のピークが、活性層９０５に対してＰ側ガイド層９０６寄りに偏り得る。本実施の形態では、Ｐ側ガイド層９０６の平均屈折率がＮ側ガイド層９０４の平均屈折率未満であるため、光強度分布のピークが、活性層９０５に対してＰ側ガイド層９０６寄りに偏ることを抑制できる。

また、本実施の形態では、Ｎ側ガイド層９０４にＮ型不純物をドープすることで、実施の形態１と同様に、窒化物系半導体発光素子９００の直列抵抗を低減できる。さらに、本実施の形態では、図４０に示されるように、Ｎ側ガイド層９０４の最小バンドギャップエネルギー（つまり、Ｎ側ガイド層９０４の活性層９０５との界面付近におけるバンドギャップエネルギー）がバリア層９０５ａのバンドギャップエネルギーより小さい。このように、Ｎ側ガイド層９０４の活性層９０５との界面付近におけるバンドギャップエネルギーがバリア層９０５ａのバンドギャップエネルギーより小さくなる場合にも、Ｎ側ガイド層９０４にＮ型不純物をドープすることで、Ｎ側ガイド層９０４における正孔濃度の増大を抑制できる。この結果、Ｎ側ガイド層９０４における電子と正孔との非発光再結合確率を低減できるため、窒化物系半導体発光素子９００の発光効率及び長期信頼性の低下を抑制できる。

また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００によれば、電子と正孔との基底量子準位間のエネルギー差に相当する波長が３８０ｎｍ以下となっても、バリア層９０５ａ及び９０５ｃが、Ａｌ組成が０．０４以上のＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層で形成されているためバリア層９０５ａ及び９０５ｃのバンドギャップエネルギーが３．４７ｅＶ以上となり、波長３７５ｎｍに相当するエネルギー３．２８ｅＶより十分大きくなることから、ウェル層９０５ｂに３７５ｎｍ帯の発光波長となる量子準位を容易に形成することができる。また、電子と正孔とを量子井戸領域の量子準位に閉じ込めることができるため、量子井戸領域における電子及び正孔がＮ側ガイド層９０４及びＰ側ガイド層９０６へ漏れることを抑制できる。したがって、窒化物系半導体発光素子９００の発光効率を高めることができるため、窒化物系半導体発光素子９００の温度特性を高めることができる。

本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．２×１０^－３であり、位置Ｐ１が２．９ｎｍであり、位置Ｐ２が２．３ｎｍであり、差ΔＰが０．６ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が６．７％であり、導波路損失が２．８ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子９００を実現できる。

本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００の効果を説明するために、比較例９～３の窒化物系半導体発光素子の特性について説明する。

比較例９及び比較例１０の窒化物系半導体発光素子は、それぞれ、Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比が３％及び２％である点において、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００と相違し、その他の点において一致する。比較例９の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、比較例１０の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギー未満である。

比較例９の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが１．８×１０^－３であり、位置Ｐ１が１０．８ｎｍであり、位置Ｐ２が９．９ｎｍであり、差ΔＰが０．９ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が５．７％であり、導波路損失が３．２ｃｍ^－１である。比較例１０の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが３．１×１０^－３であり、位置Ｐ１が８０．４ｎｍであり、位置Ｐ２が６８．９ｎｍであり、差ΔＰが１１．５ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が４．７％であり、導波路損失が３．５ｃｍ^－１である。

このように、本実施の形態では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーがＮ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーより大きいため、比較例９及び比較例１０の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数、導波路損失及び光強度分布のピーク位置を改善できる。

比較例３の窒化物系半導体発光素子は、Ｎ側ガイド層の組成が一様である点において本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００と相違し、その他の点において一致する。比較例３の窒化物系半導体発光素子のＮ側ガイド層は、膜厚１３０ｎｍのＮ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層である。当該Ｎ側ガイド層には、不純物として濃度５×１０^１７ｃｍ^－３のＳｉがドープされている。

比較例３の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが４．１×１０^－３であり、位置Ｐ１が４９．５ｎｍであり、位置Ｐ２が３５．７ｎｍであり、差ΔＰが１３．８ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が５．０％であり、導波路損失が３．４ｃｍ^－１である。

このように、本実施の形態では、Ｎ側ガイド層９０４のバンドギャップエネルギーが、活性層９０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加することにより、比較例３の窒化物系半導体発光素子より、実効屈折率差ΔＮ、光閉じ込め係数、及び、光強度分布のピーク位置を改善できる。

（実施の形態９の変形例１）
次に、実施の形態９の変形例１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子９００と相違し、その他の点において一致する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、図４１を用いて説明する。図４１は、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子の活性層９０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

図４１に示されるように、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子のＰ側ガイド層９０６Ａは、Ｐ側第１ガイド層９０６ａと、Ｐ側第２ガイド層９０６ｂとを有する。Ｐ側第１ガイド層９０６ａは、活性層９０５の上方に配置されるガイド層である。Ｐ側第２ガイド層９０６ｂは、Ｐ側第１ガイド層９０６ａの上方に配置され、Ｐ側第１ガイド層９０６ａより大きいバンドギャップエネルギーを有するガイド層である。本変形例では、Ｐ側第１ガイド層９０６ａは、膜厚７０ｎｍのアンドープＡｌ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層であり、Ｐ側第２ガイド層９０６ｂは、膜厚２１０ｎｍのアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層である。このように、Ｐ側第１ガイド層９０６ａは、Ｐ側第２ガイド層９０６ｂよりＡｌ組成比が大きい。

本変形例に係る窒化物系半導体発光素子においても、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子９００と同様の効果が奏される。さらに、本変形例では、Ｐ側ガイド層９０６ＡのＡｌ組成比が、活性層９０５から遠ざかるにしたがってステップ状に増加する。これにより、Ｐ側ガイド層９０６Ａの活性層９０５に近い領域の屈折率を、活性層９０５から遠い領域の屈折率より高めることができるため、光強度分布のピークを活性層９０５に近づけることができる。

本変形例によれば、実効屈折率差ΔＮが１．２４×１０^－３であり、位置Ｐ１が１１．６ｎｍであり、位置Ｐ２が１１．３ｎｍであり、差ΔＰが０．３ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が７．７％であり、導波路損失が２．５ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子を実現できる。

本変形例に係る窒化物系半導体発光素子の効果を説明するために、比較例１１及び比較例１２の窒化物系半導体発光素子の特性について説明する。

比較例１１及び比較例１２の窒化物系半導体発光素子は、それぞれ、Ｐ側第２ガイド層のＡｌ組成比が３．６７％及び２．３％である点において、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子９００と相違し、その他の点において一致する。比較例１１の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、比較例１２の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギー未満である。

比較例１１の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが１．７×１０^－３であり、位置Ｐ１が３４．８ｎｍであり、位置Ｐ２が３３．３ｎｍであり、差ΔＰが１．５ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が６．８％であり、導波路損失が２．８ｃｍ^－１である。比較例１２の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが２．５×１０^－３であり、位置Ｐ１が６０．１ｎｍであり、位置Ｐ２が５６．６ｎｍであり、差ΔＰが３．５ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が５．４％であり、導波路損失が３．３ｃｍ^－１である。

このように、本変形例では、Ｐ側ガイド層９０６Ａの平均バンドギャップエネルギーがＮ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーより大きいため、比較例１１及び比較例１２の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数、導波路損失及び光強度分布のピーク位置を改善できる。

（実施の形態９の変形例２）
次に、実施の形態９の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側ガイド層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布において、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子９００と相違し、その他の点において一致する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、図４２を用いて説明する。図４２は、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子の活性層９０５及びその近傍の各層のバンドギャップエネルギーの分布を示す模式的なグラフである。

本変形例に係るＰ側ガイド層９０６Ｂは、膜厚２８０ｎｍのアンドープＡｌ_ＸｐａＧａ_{１－Ｘｐａ}Ｎ層である。より具体的には、Ｐ側ガイド層９０６Ｂは、活性層９０５に近い方の界面付近においてＧａＮで表される組成を有し、活性層９０５から遠い方の界面付近においてＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎで表される組成を有する。Ｐ側ガイド層９０６ＢのＡｌ組成比Ｘｐａは、活性層９０５から遠ざかるにしたがって、一定の変化率で増加する。したがって、Ｐ側ガイド層９０６Ｂのバンドギャップエネルギーは、活性層９０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。

本変形例に係る窒化物系半導体発光素子においても、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子９００と同様の効果が奏される。さらに、本変形例では、Ｐ側ガイド層９０６ＢのＡｌ組成比が、活性層９０５から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加する。これにより、Ｐ側ガイド層９０６Ｂの屈折率が活性層９０５に近づくにしたがって高くなるため、光強度分布のピークを活性層９０５に近づけることができる。

本変形例によれば、実効屈折率差ΔＮが１．１３×１０^－３であり、位置Ｐ１が２２．２ｎｍであり、位置Ｐ２が２１．３ｎｍであり、差ΔＰが０．９ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が７．３％であり、導波路損失が２．６ｃｍ^－１である窒化物系半導体発光素子を実現できる。

本変形例に係る窒化物系半導体発光素子の効果を説明するために、比較例１３及び比較例１４の窒化物系半導体発光素子の特性について説明する。

比較例１３及び比較例１４の窒化物系半導体発光素子は、それぞれ、Ｐ側ガイド層の活性層９０５から遠い方の界面におけるＡｌ組成比が６％及び４％である点において、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子と相違し、その他の点において一致する。比較例１３の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーと等しい。また、比較例１４の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギー未満である。

比較例１３の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが１．４３×１０^－３であり、位置Ｐ１が３６．４ｎｍであり、位置Ｐ２が３４．９ｎｍであり、差ΔＰが１．５ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が６．６％であり、導波路損失が２．８ｃｍ^－１である。比較例１４の窒化物系半導体発光素子では、実効屈折率差ΔＮが１．９×１０^－３であり、位置Ｐ１が５４．６ｎｍであり、位置Ｐ２が５２．３ｎｍであり、差ΔＰが２．３ｎｍであり、活性層９０５への光閉じ込め係数が５．７％であり、導波路損失が３．１ｃｍ^－１である。

このように、本変形例では、Ｐ側ガイド層９０６Ｂの平均バンドギャップエネルギーがＮ側ガイド層９０４の平均バンドギャップエネルギーより大きいため、比較例１３及び比較例１４の窒化物系半導体発光素子より、光閉じ込め係数、導波路損失及び光強度分布のピーク位置を改善できる。

（変形例など）
以上、本開示に係る窒化物系半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子が半導体レーザ素子である例を示したが、窒化物系半導体発光素子は、半導体レーザ素子に限定されない。例えば、窒化物系半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。この場合、窒化物系半導体発光素子が備える半導体積層体の端面の半導体積層体からの出射光に対する反射率は、０．１％以下であってもよい。このような反射率は、例えば、端面に、誘電体多層膜などからなる反射防止膜を形成することによって実現できる。又は、導波路となるリッジがフロント端面の法線方向から５°以上傾いてフロント端面と交わる傾斜ストライプ構造とすれば、フロント端面で反射した導波光が再び導波路と結合し導波光となる成分の割合を０．１％以下の小さい値とすることができる。特に、出射光の波長を４３０ｎｍ以上４５５ｎｍ以下の帯域とする場合には、活性層１０５のウェル層１０５ｂ及び１０５ｄの膜厚が３５Å以下となる。この場合、本開示に係る窒化物系半導体発光素子による導波路損失を低減する効果、活性層１０５への光閉じ込め係数を増大する効果により、端面の反射率を低減しても、光増幅利得を確保できる。また、このような窒化物系半導体発光素子を波長選択素子を含む外部共振器内に配置する場合、窒化物系半導体発光素子の自己発熱を低減でき、かつ、出射光の波長変動を抑制できるため、所望の選択波長での発振を実現しやすくなる。

また、上記実施の形態１～６においては、窒化物系半導体発光素子は、活性層１０５の構造としてウェル層を２層含む構造を有していたが、単一のウェル層のみを含む構造であってもよい。このように、活性層に含まれる屈折率の高いウェル層が１層のみである場合においても、本開示のＮ側ガイド層、及びＰ側ガイド層を用いれば、積層方向の光強度分布の位置の制御性を高めることができるため、積層方向の光強度分布のピークをウェル層近傍に位置させることができる。したがって、低発振しきい値、低導波路損失、高い光閉じ込め係数、及び、線形性にすぐれた電流－光出力（ＩＬ）特性を有する窒化物系半導体発光素子を実現することができる。

また、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子は、単一のリッジを有したが、窒化物系半導体発光素子は、複数のリッジを備えてもよい。このような窒化物系半導体発光素子について、図４３を用いて説明する。図４３は、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子１０００の全体構成を示す模式的な断面図である。図４３に示されるように、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子１０００は、複数の実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００が水平方向にアレイ状に配列された構成を有する。図４３では、窒化物系半導体発光素子１０００は、３個の窒化物系半導体発光素子１００が一体的に配列された構成を有するが、窒化物系半導体発光素子１０００が備える窒化物系半導体発光素子１００の個数は３個に限定されない。窒化物系半導体発光素子１０００が備える窒化物系半導体発光素子１００の個数は、２個以上であればよい。各窒化物系半導体発光素子１００は、光を出射する光出射部１００Ｅを有する。光出射部１００Ｅは、活性層１０５のうち、光を出射する部分であり、活性層１０５のうちリッジ１１０Ｒの下方に位置する部分に相当する。このように、変形例１に係る窒化物系半導体発光素子１０００は、アレイ状に配列される複数の光出射部１００Ｅを有する。これにより、一つの窒化物系半導体発光素子１０００から複数の出射光を得られるため、高出力の窒化物系半導体発光素子１０００を実現できる。なお、変形例１では、窒化物系半導体発光素子１０００は、複数の窒化物系半導体発光素子１００を備えたが、窒化物系半導体発光素子１０００が備える複数の窒化物系半導体発光素子はこれに限定されず、他の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子であってもよい。

また、図４４に示される変形例２に係る窒化物系半導体発光素子１０００ａのように、個々の光出射部１００Ｅが、幅（Ｘ軸方向における寸法）８μｍ以上２０μｍ以下、深さ（Ｚ軸方向における寸法）１．０μｍ以上１．５μｍ以下の分離溝１００Ｔで分離されていてもよい。この様な構造を採用することで、隣り合う光出射部１００Ｅ間の間隔が３００μｍ以下に狭くなった場合でも、個々の光出射部１００Ｅの動作中の自己発熱による熱干渉を低減することができる。

また、本開示の半導体レーザ装置はΔＮが小さく水平拡がり角を小さくすることが可能であるので、図４３及び図４４に示される光出射部１００Ｅの中心間の距離を狭くしても個々の光出射部１００Ｅからの出射光同士が干渉しにくくなり、光出射部１００Ｅの中心間の距離を２５０μｍ以下に狭くすることができる。変形例２では、当該距離は２２５μｍである。

また、上記各実施の形態及びその変形例では、各ガイド層は、Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮ層であったが、各ガイド層の組成はこれに限定されない。例えば、Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比をＸｎａとし、Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比をＸｐａとすると、Ｎ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｎａＧａ_{１－Ｘｎａ}Ｎからなり、Ｎ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｐａＧａ_{１－Ｘｐａ}Ｎからなってもよい。この場合、Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比は、活性層から遠ざかるにしたがって連続的に単調に増加し、Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値は、Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値より小さくてもよい。このような構成を有する窒化物系半導体発光素子によっても、動作電圧を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる。また、Ｎ側ガイド層の活性層に近い側の界面からＮ側ガイド層の積層方向の中央部までの領域におけるＡｌ組成比の積層方向における平均変化率の絶対値は、中央部からＮ側ガイド層のＮ型第１クラッド層に近い側の界面までの領域におけるＡｌ組成比の積層方向における平均変化率の絶対値よりも小さくてもよい。

また、上記各実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ型第２クラッド層１０３、中間層１０８、電子障壁層１０９、及び電流ブロック層１１２を備えるが、これらの層を必ずしも備えなくてもよい。

また、Ｐ型クラッド層１１０、５１０、及び６１０は、Ａｌ組成比が均一な層であったが、各Ｐ型クラッド層の構成はこれに限定されない。例えば、各Ｐ型クラッド層は、複数のＡｌＧａＮ層の各々と、複数のＧａＮ層の各々とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。具体的には、各Ｐ型クラッド層は、例えば、厚さ１．８５ｎｍのＡｌ組成比０．０５２（５．２％）のＡｌＧａＮ層と、厚さ１．８５ｎｍのＧａＮ層とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。この場合、各Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比は、超格子構造における平均のＡｌ組成比０．０２６（２．６％）で定義される。

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。

例えば、実施の形態１に係る各クラッド層の構成を実施の形態５及び６に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。また、実施の形態６に係る透光性導電膜を実施の形態１～実施の形態５に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。

本開示の窒化物系半導体発光素子は、例えば、高出力かつ高効率な光源として加工機用の光源などに適用できる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００，１０００ａ 窒化物系半導体発光素子
１００Ｅ 光出射部
１００Ｆ、１００Ｒ 端面
１００Ｔ 分離溝
１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ、４００Ｓ、５００Ｓ、６００Ｓ、７００Ｓ、８００Ｓ、９００Ｓ 半導体積層体
１０１ 基板
１０２、５０２、９０２ Ｎ型第１クラッド層
１０３ Ｎ型第２クラッド層
１０４、４０４、９０４、１１０４、１２０４、１３０４ Ｎ側ガイド層
１０５、２０５、７０５、９０５ 活性層
１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅ、２０５ａ、２０５ｅ、９０５ａ、９０５ｃ バリア層
１０５ｂ、１０５ｄ、９０５ｂ ウェル層
１０６、２０６、３０６、８０６、９０６、９０６Ａ、９０６Ｂ、１１０６、１２０６、１３０６ Ｐ側ガイド層
１０８ 中間層
１０９、５０９、９０９ 電子障壁層
１１０、５１０、６１０、９１０ Ｐ型クラッド層
１１０Ｒ、５１０Ｒ、６１０Ｒ、９１０Ｒ リッジ
１１０Ｔ、５１０Ｔ、６１０Ｔ、９１０Ｔ 溝
１１１、６１１ コンタクト層
１１２ 電流ブロック層
１１３ Ｐ側電極
１１４ Ｎ側電極
３０６ａ、９０６ａ Ｐ側第１ガイド層
３０６ｂ、９０６ｂ Ｐ側第２ガイド層
４０４ａ Ｎ側第１ガイド層
４０４ｂ Ｎ側第２ガイド層
６２０ 透光性導電膜

Claims (23)

1. 半導体積層体を備え、前記半導体積層体の積層方向に垂直な方向の端面から光を出射する窒化物系半導体発光素子であって、
   前記半導体積層体は、
   Ｎ型第１クラッド層と、
   前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
   前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、
   前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、
   前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、
   前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
   前記Ｎ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、
   前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギー以上であり、
   前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
   Ｔｎ＜Ｔｐ
   の関係を満足する
   窒化物系半導体発光素子。
2. 前記Ｎ側ガイド層は、Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮからなり、
   前記Ｐ側ガイド層は、Ｉｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮからなり、
   前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に減少し、
   前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値以上である
   請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記Ｎ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｎａＧａ_{１－Ｘｎａ}Ｎからなり、
   前記Ｐ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｐａＧａ_{１－Ｘｐａ}Ｎからなり、
   前記Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
   前記Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値以下である
   請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 半導体積層体を備え、前記半導体積層体の積層方向に垂直な方向の端面から光を出射する窒化物系半導体発光素子であって、
   前記半導体積層体は、
   Ｎ型第１クラッド層と、
   前記Ｎ型第１クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
   前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層とバリア層とを含み、量子井戸構造を有する活性層と、
   前記活性層の上方に配置されるＰ側ガイド層と、
   前記Ｐ側ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、
   前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
   前記Ｎ側ガイド層は、バンドギャップエネルギーが、前記活性層から遠ざかるにしたがって連続的に増加する部分を含み、
   前記Ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい
   窒化物系半導体発光素子。
5. 前記Ｐ側ガイド層の膜厚をＴｐ、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎとすると、
   Ｔｎ＜Ｔｐ
   の関係を満足する
   請求項４に記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記Ｎ側ガイド層は、Ｉｎ_ＸｎＧａ_１－ＸｎＮからなり、
   前記Ｐ側ガイド層は、Ｉｎ_ＸｐＧａ_１－ＸｐＮからなり、
   前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に減少し、
   前記Ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の平均値より大きい
   請求項４又は５に記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記Ｎ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｎａＧａ_{１－Ｘｎａ}Ｎからなり、
   前記Ｐ側ガイド層は、Ａｌ_ＸｐａＧａ_{１－Ｘｐａ}Ｎからなり、
   前記Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比は、前記活性層から遠ざかるにしたがって単調に増加し、
   前記Ｎ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値は、前記Ｐ側ガイド層のＡｌ組成比の平均値より小さい
   請求項４又は５に記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 前記Ｎ側ガイド層の前記活性層に近い側の界面から前記Ｎ側ガイド層の前記積層方向の中央部までの領域におけるＩｎ組成比の前記積層方向における平均変化率の絶対値は、前記中央部から前記Ｎ側ガイド層の前記Ｎ型第１クラッド層に近い側の界面までの領域におけるＩｎ組成比の前記積層方向における平均変化率の絶対値よりも小さい
   請求項２又は６に記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 前記Ｎ側ガイド層の前記活性層に近い側の界面から前記Ｎ側ガイド層の前記積層方向の中央部までの領域におけるＡｌ組成比の前記積層方向における平均変化率の絶対値は、前記中央部から前記Ｎ側ガイド層の前記Ｎ型第１クラッド層に近い側の界面までの領域におけるＡｌ組成比の前記積層方向における平均変化率の絶対値よりも小さい
   請求項３又は７に記載の窒化物系半導体発光素子。
10. 前記バリア層は、Ｉｎ_ＸｂＧａ_１－ＸｂＮからなり、
    前記Ｎ側ガイド層におけるＩｎ組成比の最大値は、前記バリア層のＩｎ組成比以下であり、
    前記Ｐ側ガイド層におけるＩｎ組成比の最大値は、前記バリア層のＩｎ組成比以下である
    請求項１～９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
11. 前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層及び前記Ｐ側ガイド層の各々のバンドギャップエネルギーの最小値以下である
    請求項１、２、４～６、８～１０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
12. 前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層及び前記Ｐ側ガイド層の各々のバンドギャップエネルギーの最小値より大きい
    請求項３又は７に記載の窒化物系半導体発光素子。
13. 前記Ｎ側ガイド層には、１×１０^１７ｃｍ^－３以上６×１０^１７ｃｍ^－３以下の濃度の不純物がドープされている
    請求項１～１２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
14. 前記積層方向における光強度分布のピークは、前記活性層に位置する
    請求項１～１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
15. 前記Ｐ型クラッド層の前記活性層に近い側の端部における不純物濃度は、前記活性層から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い
    請求項１～１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
16. 前記Ｐ側ガイド層と前記Ｐ型クラッド層との間に配置される電子障壁層を備え、
    前記電子障壁層は、前記活性層から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に増加するＡｌ組成変化領域を有する
    請求項１～１５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
17. 前記Ｐ側ガイド層と前記Ｐ型クラッド層との間に配置される電子障壁層を備え、
    前記Ｐ型クラッド層にはリッジが形成されており、前記リッジの下端部と前記電子障壁層との間の距離が１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である
    請求項１～１６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
18. 前記Ｎ型第１クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含み、
    前記Ｎ型第１クラッド層及び前記Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
    Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ
    の関係を満足する
    請求項１～１７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
19. 前記Ｐ型クラッド層の膜厚は、４６０ｎｍ以下である
    請求項１～１８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
20. 前記Ｐ型クラッド層の上方に配置される透光性導電膜を備える
    請求項１～１９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
21. 前記Ｎ型第１クラッド層と前記Ｎ側ガイド層との間に配置されるＮ型第２クラッド層を備え、
    前記Ｎ型第２クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ型第１クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記Ｐ側ガイド層のバンドギャップエネルギーの最大値以上である
    請求項１～２０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
22. アレイ状に配列される複数の光出射部を有する
    請求項１～２１のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
23. 前記半導体積層体の前記端面の反射率は、０．１％以下である
    請求項１～２２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。

Images