JP7736723B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

窒化物系半導体発光素子

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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２０１４－１３１０１９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、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することが効果的である。しかしながら、Ｐ型クラッド層の膜厚を低減することに伴い、積層方向（つまり、各半導体層の成長方向）における光強度分布のピークが、活性層からＮ型クラッド層へ向かう向きに移動する。このため、活性層への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、窒化物系半導体発光素子の高出力化の実現が困難となる。
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側第１ガイド層と、前記Ｐ側第１ガイド層の上方に配置されるＰ側第２ガイド層と、前記Ｐ側第２ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、前記Ｐ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギー以上であり、前記Ｐ側第１ガイド層の膜厚をＴｐ１、前記Ｐ側第２ガイド層の膜厚をＴｐ２、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎ１とすると、
Ｔｎ１＜Ｔｐ１＋Ｔｐ２
の関係を満足する。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記Ｐ側第１ガイド層と前記Ｐ側第２ガイド層との平均屈折率は、前記Ｎ側ガイド層の平均屈折率より小さくてもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記Ｐ側第１ガイド層は、ＩｎＸｐ１Ｇａ１－Ｘｐ１Ｎからなり、前記Ｎ側ガイド層は、ＩｎＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎからなり、
Ｘｎ１≦Ｘｐ１
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、
Ｘｎ１＜Ｘｐ１
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記Ｐ側第２ガイド層は、ＩｎＸｐ２Ｇａ１－Ｘｐ２Ｎからなり、
Ｘｐ２＜Ｘｎ１
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記バリア層は、ＩｎＸｂＧａ１－ＸｂＮからなり、
Ｘｐ１＜Ｘｂ
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きくてもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、
Ｔｐ１＜Ｔｐ２
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、
Ｔｐ１＜Ｔｎ１
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記積層方向における光強度分布のピークは、前記活性層に位置してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、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くてもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、前記Ｐ側第２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、前記活性層から離れるにしたがってＡｌ組成比が単調に増大するＡｌ組成変化領域を有してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、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
の関係を満足してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記Ｐ型クラッド層の膜厚は、４６０ｎｍ以下であってもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、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てもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、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側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きくてもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、アレイ状に配列される複数の光出射部を有してもよい。
また、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様において、前記半導体積層体の前記端面の反射率は、０．１％以下であってもよい。
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、比較例の窒化物系半導体発光素子のリッジの下方の部分での積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。 図６は、比較例の窒化物系半導体発光素子の溝の下方の部分での積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。 図７は、比較例１の窒化物系半導体発光素子のリッジの下方の部分での光強度分布及び屈折率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２の窒化物系半導体発光素子のリッジの下方の部分での光強度分布及び屈折率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、比較例３の窒化物系半導体発光素子のリッジの下方の部分での光強度分布及び屈折率分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１０は、比較例４の窒化物系半導体発光素子のリッジの下方の部分での光強度分布及び屈折率分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１１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バンドギャップエネルギー分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。 図１２は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の光強度分布及び屈折率分布のシミュレーション結果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放射角と光強度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ＩＬ特性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各バリア層のＩｎ組成比が４％である場合の、Ｐ側第２ガイド層のＩｎ組成比及び膜厚と、各パラメータ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に係る窒化物系半導体発光素子の各バリア層のＩｎ組成比が０％である場合の、Ｐ側第２ガイド層のＩｎ組成比及び膜厚と、各パラメータ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、比較例の窒化物系半導体発光素子のＰ側第２ガイド層の膜厚と、Ｐ型クラッド層の膜厚と、各パラメータとの関係を示すグラフである。 図１８は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＰ側第２ガイド層の膜厚と、Ｐ型クラッド層の膜厚と、各パラメータとの関係を示すグラフである。 図１９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２０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２１Ａ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２１Ｂは、実施の形態４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断面図である。 図２２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２３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ＩＩＡ－ＩＩＡ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側第１ガイド層１０６と、Ｐ側第２ガイド層１０７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Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層１０２には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
Ｎ型第２クラッド層１０３は、基板１０１の上方に配置されるＮ型クラッド層の一例である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、Ｎ型第１クラッド層１０２の上方に配置される。Ｎ型第２クラッド層１０３は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型第２クラッド層１０３は、膜厚１００ｎｍのＮ型ＧａＮ層である。Ｎ型第２クラッド層１０３には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第２クラッド層１０３の上方に配置される光ガイド層である。Ｎ側ガイド層１０４は、Ｎ型第１クラッド層１０２及びＮ型第２クラッド層１０３より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
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Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ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Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ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Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ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Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ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Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
Ｐ側第１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側第１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。本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６は、膜厚８０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層である。
Ｐ側第２ガイド層１０７は、Ｐ側第１ガイド層１０６の上方に配置される光ガイド層である。Ｐ側第２ガイド層１０７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。本実施の形態では、Ｐ側第２ガイド層１０７は、膜厚１９５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。
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側第２ガイド層１０７と、電子障壁層１０９との間に配置され、Ｐ側第２ガイド層１０７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ＡｌＧａＮ層である。また、電子障壁層１０９は、Ｐ型クラッド層１１０に近づくにしたがってＡｌ組成比が単調増加する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１０９においては、電子障壁層１０９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１０９は、中間層１０８との界面付近において、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎで表される組成を有し、Ｐ型クラッド層１１０に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が単調増加し、Ｐ型クラッド層１１０との界面付近において、Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎで表される組成を有する。電子障壁層１０９には、不純物として濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
電子障壁層１０９により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層１１０へ漏れることを抑制できる。また、電子障壁層１０９がＡｌ組成比に単調に増大する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１０９の価電子帯の電位障壁を低減できる。したがって、Ｐ型クラッド層１１０から活性層１０５へ正孔が流れやすくなる。したがって、本実施の形態のように、アンドープ層であるＰ側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７の合計膜厚が大きい場合にも、窒化物系半導体発光素子１００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。
Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５の上方に配置されるＰ型のクラッド層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、電子障壁層１０９とコンタクト層１１１との間に配置される。Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが高い層である。Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は、４６０ｎｍ以下であってもよい。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の電気抵抗を抑制できる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子１００の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子１００の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００の高出力動作が可能となる。なお、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００において、Ｐ型クラッド層１１０のクラッド層としての機能を十分に発揮するために、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２００ｎｍ以上であればよい。また、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚は２５０ｎｍ以上であってもよい。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１１０には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層１１０の活性層１０５に近い側の端部における不純物濃度は、活性層１０５から遠い側の端部における不純物濃度よりも低い。具体的には、Ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層とを有する。
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１００ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層１１１には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、活性層１０５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１２は、Ｐ型クラッド層１１０の上面のうち、リッジ１１０Ｒの上面以外の領域に配置される。本実施の形態では、電流ブロック層１１２は、ＳｉＯ２層である。
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、半導体積層体１００Ｓのうち基板１０１以外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ＰＳ１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ＰＳ２とする。ここで、位置ＰＳ１及びＰＳ２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側第１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ＰＳ１と位置ＰＳ２との差の絶対値をピーク位置の差ΔＰとする。
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、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からＮ型クラッド層へ近づく向きにずれる。このため、活性層への光閉じ込め係数が低下し、これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、半導体発光素子の高出力での動作が困難となる。本実施の形態では、Ｐ側第２ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーより大きく、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層１０６のバンドギャップエネルギー以上である。また、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚をＴｐ１、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚をＴｐ２、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚をＴｎ１とすると、
Ｔｎ１＜Ｔｐ１＋Ｔｐ２ （１）
の関係を満足する。
このように、窒化物系半導体発光素子１００においては、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層１０６のバンドギャップエネルギー以上である。具体的には、Ｐ側第１ガイド層１０６は、ＩｎＸｐ１Ｇａ１－Ｘｐ１Ｎからなり、Ｎ側ガイド層１０４は、ＩｎＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎからなり、
Ｘｎ１≦Ｘｐ１ （２）
の関係を満足する。したがって、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率は、Ｐ側第１ガイド層１０６の屈折率以下となる。これにより、例えば、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率がＰ側第１ガイド層１０６の屈折率より大きい場合と比較して、光強度分布を活性層１０５からＰ側第１ガイド層１０６へ近づく向きに移動させることができる。
本実施の形態では、上述したＮ側ガイド層１０４及びＰ側第１ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｎ１及びＸｐ１について、
Ｘｎ１＜Ｘｐ１ （３）
の関係を満足する。より具体的には、Ｎ側ガイド層１０４は、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層であり、Ｐ側第１ガイド層１０６は、Ｉｎ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層である。ここで、ＩｎＧａＮ層においては、Ｉｎ組成比が大きくなるにしたがって、バンドギャップエネルギーは小さくなり、屈折率は大きくなる。したがって、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーより大きい。つまり、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率は、Ｐ側第１ガイド層１０６の屈折率より小さい。これにより、例えば、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率がＰ側第１ガイド層１０６の屈折率以上である場合と比較して、光強度分布を活性層１０５からＰ側第１ガイド層１０６へ近づく向きに移動させることができる。
また、上述したとおり、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２との和が、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１より大きい。このように、比較的屈折率が大きいＰ側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７の膜厚の和をＮ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１より大きくすることにより、Ｐ側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７の膜厚の和がＮ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１以下である場合と比較して、光強度分布を活性層１０５からＰ側第１ガイド層１０６へ近づく向きに移動させることができる。したがって、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２クラッド層１０３へ近づく向きにずれることを抑制できる。ここで、Ｐ側第２ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーより大きい。つまり、Ｐ側第２ガイド層１０７の屈折率は、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率より小さい。これにより、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。
また、上述したとおり、Ｐ側第２ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーより大きい。具体的には、Ｐ側第２ガイド層１０７は、ＩｎＸｐ２Ｇａ１－Ｘｐ２Ｎからなり、Ｐ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比Ｘｐ２とＮ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｎ１とについて、
Ｘｐ２＜Ｘｎ１ （４）
の関係を満足する。より具体的には、Ｎ側ガイド層１０４は、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層であり、Ｐ側第２ガイド層１０７は、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。したがって、Ｎ側ガイド層１０４の屈折率は、Ｐ側第２ガイド層１０７の屈折率より大きい。これにより、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。
また、本実施の形態では、活性層１０５のバリア層１０５ａ、１０５ｃ及び１０５ｅは、ＩｎＸｂＧａ１－ＸｂＮからなり、各バリア層及びＰ側第１ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｂ及びＸｐ１について、
Ｘｐ１＜Ｘｂ （５）
の関係を満足する。これにより、各バリア層の屈折率を、Ｐ側第１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に位置させることができる。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。
また、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６とＰ側第２ガイド層１０７との平均屈折率は、Ｎ側ガイド層１０４の平均屈折率より小さい。これにより、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。
また、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ１及びＴｐ２について、
Ｔｐ１＜Ｔｐ２ （６）
の関係を満足する。このように、バンドギャップエネルギーが小さい、つまり、屈折率が大きいＰ側第１ガイド層１０６の膜厚を比較的小さくすることで、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。また、Ｉｎ組成比が小さいＰ側第１ガイド層１０６の膜厚を比較的小さくすることで、半導体積層体１００Ｓ内で最もＩｎ組成比が大きいウェル層１０５ｂ及び１０５ｄの上方の近傍にＩｎ組成比が小さく、かつ、膜厚の大きいＰ側第１ガイド層１０６を配置することを回避できる。したがって、格子欠陥の発生を抑制できる。
また、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６及びＮ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｐ１及びＴｎ１について、
Ｔｐ１＜Ｔｎ１ （７）
の関係を満足する。このように、バンドギャップエネルギーの小さい、つまり、屈折率が大きいＰ側第１ガイド層１０６の膜厚をＮ側ガイド層１０４の膜厚より小さくすることで、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。
また、本実施の形態では、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、Ｐ側第２ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーより大きい。このように、Ｎ型第１クラッド層１０２よりバンドギャップエネルギーが小さい、つまり、屈折率が大きいＮ型第２クラッド層１０３を、Ｎ型第１クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層１０４との間に配置することで、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。また、Ｎ型第２クラッド層１０３のバンドギャップエネルギーをＰ側第２ガイド層１０７のバンドギャップエネルギーより大きくすることで、光強度分布が活性層１０５からＮ型第２クラッド層１０３へ近づきすぎることを抑制できる。
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ＰＳ１を２．５ｎｍ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。また、ΔＰを６．４ｎｍ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１．４５％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側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７をアンドープ層し、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２との和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１．６ｃｍ－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、２．４×１０－３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２．４×１０－３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ＰＳ１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ＰＳ２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ＰＳ１に近い位置に移動する。このため、位置ＰＳ１と位置ＰＳ２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側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７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ＰＳ１と位置ＰＳ２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では光分布強度が小さいため活性層１０５に注入された電子と正孔との発光再結合確率が低下し、非発光再結合が増大する。これに伴い窒化物系半導体発光素子１００が劣化しやすくなる。このため、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。
［１－３．効果］
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５～図１２を用いて説明する。図５及び図６は、それぞれ、比較例の窒化物系半導体発光素子のリッジ１１０Ｒの下方の部分及び溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。図５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リッジ１１０Ｒの下方の部分におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とが示されている。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溝１１０Ｔの下方の部分におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とが示されている。図７～図１０は、それぞれ比較例１～比較例４の窒化物系半導体発光素子のリッジ１１０Ｒの下方の部分での光強度分布及び屈折率分布のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。図１１のグラフ（ａ）及びグラフ（ｂ）には、それぞれ、窒化物系半導体発光素子１００のリッジ１１０Ｒの下方の部分及び溝１１０Ｔの下方の部分でのバンドギャップエネルギー分布と光強度分布とが示されている。図１２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の光強度分布及び屈折率分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
図５、図６及び図１１の横軸は、積層方向を示し、縦軸は、バンドギャップエネルギー及び光強度を示す。図７～図１０、及び図１２の横軸は、積層方向における位置を示し、左側及び右側の縦軸は、それぞれ、光強度及び屈折率を示す。図７～図１０、及び図１２においては、溝１１０Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布も併せて点線で示されている。
図５～図９に示される比較例１～３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。比較例１～３の窒化物系半導体発光素子は、単一のＮ側ガイド層９０４と、単一のＰ側ガイド層９０６とを有する。Ｎ側ガイド層９０４と、Ｐ側ガイド層９０６とは、同一のバンドギャップエネルギーを有する。
比較例１の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚Ｔｎ０の方が、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚Ｔｐ０より大きい。具体的には、Ｎ側ガイド層９０４は、膜厚３４０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、Ｐ側ガイド層９０６は、膜厚１００ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。比較例２の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚Ｔｎ０は、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚Ｔｐ０と等しい。具体的には、Ｎ側ガイド層９０４及びＰ側ガイド層９０６は、いずれも、膜厚２２０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。比較例３の窒化物系半導体発光素子においては、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚Ｔｎ０の方が、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚Ｔｐ０より小さい。具体的には、Ｎ側ガイド層９０４は、膜厚１００ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、Ｐ側ガイド層９０６は、膜厚３４０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。
図１０に示される比較例４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。比較例４の窒化物系半導体発光素子は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、Ｎ側ガイド層と、Ｐ側第１ガイド層と、Ｐ側第２ガイド層とを有する。比較例４の窒化物系半導体発光素子においては、Ｐ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーと等しく、Ｐ側第１ガイド層の膜厚Ｔｐ１、Ｐ側第２ガイド層の膜厚Ｔｐ２、Ｎ側第１ガイド層の膜厚Ｔｎ１について、
Ｔｎ１＝Ｔｐ１＋Ｔｐ２、 （８）
及び、
Ｔｐ１＝Ｔｐ２ （９）
が成り立つ。具体的には、Ｎ側ガイド層は、膜厚２２０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、Ｐ側第１ガイド層は、膜厚１１０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、Ｐ側第２ガイド層は、膜厚１１０ｎｍのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。
また、シミュレーションにおいては、比較例１－４の電子障壁層９０９、及び、本実施の形態に係る電子障壁層１０９のＡｌ組成比は一様としている。言い換えると、各電子障壁層のＡｌ組成比は、積層方向において傾斜していない。
以上で述べた比較例１～比較例４及び本実施の形態に係る各窒化物系半導体発光素子のシミュレーションにおいて用いた素子構造を以下の表１に、シミュレーションで求められた各数値を以下の表２に、それぞれ示す。
表２には、リッジ１１０Ｒの下端部から電子障壁層１０９までの距離ｄｃ、光閉じ込め係数、導波路損失、実効屈折率差ΔＮ、リッジ１１０Ｒの下方の部分の水平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ＰＳ１、及び、ピーク位置ＰＳ１と導波可能限界モードの積層方向におけるピーク位置ＰＳ２との差の絶対値ΔＰが示されている。なお、距離ｄｃは、実効屈折率差を２．８×１０－３以下にできる距離に設定されている。また、導波可能限界モードとは、各窒化物系半導体発光素子において伝搬し得る最高次モードを意味する。導波可能限界モードの積層方向におけるピーク位置は、高次モードが支配的な溝１１０Ｔの下方の部分における光強度分布のピーク位置に対応する数値である。
比較例１の窒化物系半導体発光素子では、図５及び図６の各グラフ（ａ）、並びに図７に示されるように、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚が、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚より大きいため、光強度分布のピークがＮ側ガイド層９０４内に位置する。このため、活性層１０５への光閉じ込め係数が低く、光出力の熱飽和レベルが低い。また、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚が小さいため、リッジ１１０Ｒの下端部と活性層１０５との間の距離ｄｐが小さくなる。したがって、実効屈折率差ΔＮが大きくなるため、出射光の水平方向における拡がり角が大きくなる。また、実効屈折率差ΔＮを小さくするためには、リッジ１１０Ｒの下端部から電子障壁層９０９までの距離ｄｃを８０ｎｍと比較的大きく必要がある。このため、上述した漏れ電流が増大し、窒化物系半導体発光素子の発振閾値電流が増大する。
また、比較例１の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚が比較的小さいため、溝１１０Ｔに配置される電流ブロック層１１２の光強度分布に対する影響が比較的大きい。このため、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位置と、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位置との差ΔＰが比較的大きい（特に図７参照）。このため、比較例１の窒化物系半導体発光素子のＩＬ特性の線形性は低い。
比較例２の窒化物系半導体発光素子では、図５及び図６の各グラフ（ｂ）、並びに、図８に示されるように、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚が、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚と等しいため、リッジ１１０Ｒの下方の部分では、光強度分布のピークが活性層１０５内に位置する。このため、リッジ１１０Ｒの下方の部分では、活性層１０５への光閉じ込め係数が高い。しかしながら、比較例２の窒化物系半導体発光素子では、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚が大きくないため、溝１１０Ｔに配置される電流ブロック層１１２の光強度分布に対する影響を受ける。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は、Ｎ側ガイド層９０４に位置するため、溝１１０Ｔの下方の部分では光閉じ込め係数が低い。また、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位置と、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位置との差ΔＰが比較的大きい。このため、比較例２の窒化物系半導体発光素子のＩＬ特性の線形性は低い。
比較例３の窒化物系半導体発光素子では、図５及び図６の各グラフ（ｃ）、並びに図９に示されるように、Ｎ側ガイド層９０４の膜厚が、Ｐ側ガイド層９０６の膜厚より小さいため、光強度分布のピークがＰ側ガイド層９０６内に位置する。このため、活性層１０５への光閉じ込め係数が低く、光出力の熱飽和レベルが低い。
また、比較例３の窒化物系半導体発光素子では、光強度分布のピークがＰ側ガイド層９０６に位置するため、電流ブロック層１１２の光強度分布に対する影響が比較的大きい。このため、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位置と、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位置との差ΔＰが比較的大きい（特に図９参照）。したがって、比較例３の窒化物系半導体発光素子のＩＬ特性の線形性は低い。
比較例４の窒化物系半導体発光素子では、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００と比較して、Ｐ側第２ガイド層の膜厚が小さいため、図１０に示されるように、電流ブロック層１１２の光強度分布に対する影響が比較的大きい。このため、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位置と、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位置との差ΔＰが比較的大きい。したがって、比較例４の窒化物系半導体発光素子のＩＬ特性の線形性は低い。
以上の各比較例に対して、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１とＰ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２との和が、Ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１より大きいため、実効屈折率差ΔＮを小さくすることができる。したがって、出射光の水平方向における拡がり角を低減できる。また、リッジ１１０Ｒの下端部から電子障壁層１０９までの距離ｄｃを、各比較例の距離ｄｃより大幅に小さい４０ｎｍとすることができる。したがって、リッジ１１０Ｒの下端部と電子障壁層１０９との間に流れる漏れ電流を抑制することができるため、発振閾値電流を低減できる。
また、本実施の形態では、図１１及び図１２に示されるように、リッジ１１０Ｒの下方の部分及び溝１１０Ｔの下方の部分の両方で、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。したがって、光閉じ込め係数を各比較例より高めることができる。また、ピーク位置の差ΔＰを低減できるため、ＩＬ特性の線形性を高めることができる。
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、積層方向における光強度分布のピークを活性層１０５に位置させるため、比較例１などのように光強度分布のピークをＮ側ガイド層に位置させる場合より、Ｐ型クラッド層１１０における光強度が大きくなる。このため、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Ｐ型クラッド層１１０におけるフリーキャリア損失が増大する懸念がある。しかしながら、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６及びＰ側第２ガイド層１０７をアンドープ層し、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２との和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。また、本実施の形態では、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ため、光強度が比較的高いＰ型クラッド層１１０の活性層１０５に近い側の端部におけるフリーキャリア損失を抑制できる。
ここで、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の出力特性について、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の放射角と光強度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には、比較例として、実効屈折率差ΔＮが７×１０－３である比較例の窒化物系半導体発光素子の放射角と光強度との関係も併せて示されている。図１４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＩＬ特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４には、比較例２の窒化物系半導体発光素子のＩＬ特性も併せて示されている。
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では、実効屈折率差ΔＮが２．８×１０－３以下であるため、比較例の窒化物系半導体発光素子より、水平方向におけるビーム拡がり角を低減できる。図１３に示される例では、ピークの１／ｅ２の強度となるビーム全幅を９．３°程度に低減できる。
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では、比較例の窒化物系半導体発光素子より線形性の高いＩＬ特性を得られる。また、比較例より高いスロープ効率（１．９Ｗ／Ａ程度）を得ることができる。
次に、本実施の形態に係るＰ側第２ガイド層１０７の構成と効果との関係について、図１５及び図１６を用いて詳細に説明する。図１５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各バリア層のＩｎ組成比が４％である場合の、Ｐ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比Ｘｐ２及び膜厚Ｔｐ２と、各パラメータとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１６は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各バリア層のＩｎ組成比が０％である場合の、Ｐ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比Ｘｐ２及び膜厚Ｔｐ２と、各パラメータ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及び図１６のグラフ（ａ）～（ｆ）には、それぞれ、Ｐ側第２ガイド層の膜厚Ｔｐ２と、導波路損失、光閉じ込め係数Γｖ、実効屈折率差ΔＮ（×１０－３）、位置ＰＳ１、位置ＰＳ２、及び、ΔＰとの関係が示されている。また、各グラフにおいては、Ｐ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比Ｘｐ２が、０％、０．５％、１％、２％、３％、及び、４％である場合の各グラフが示されている。また、シミュレーションにおいては、Ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｎ１を４％とし、膜厚を１６０ｎｍとしている。また、Ｐ側第１ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐ１を４．５％とし、膜厚を８０ｎｍとしている。
図１５及び図１６のグラフ（ａ）に示されるように、すべてのＩｎ組成比Ｘｐ２において、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２が大きくなるにしたがって、導波路損失が減少する。また、Ｉｎ組成比Ｘｐ２が減少するにしたがって、導波路損失が減少する。
図１５及び図１６のグラフ（ｂ）に示されるように、すべてのＩｎ組成比Ｘｐ２において、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２がゼロから１００ｎｍ程度の範囲内で、光閉じ込め係数Γｖが最大となり、膜厚Ｔｐ２が１００ｎｍより大きくなるにしたがって、光閉じ込め係数Γｖが減少する。また、膜厚Ｔｐ２が１００ｎｍ以上の場合に、Ｉｎ組成比Ｘｐ２が減少するにしたがって、光閉じ込め係数Γｖが増大する。
図１５及び図１６のグラフ（ｃ）に示されるように、すべてのＩｎ組成比Ｘｐ２において、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２が大きくなるにしたがって、実効屈折率差ΔＮが減少する。また、Ｉｎ組成比Ｘｐ２が減少するにしたがって、実効屈折率差ΔＮが概ね減少する傾向にある。
図１５及び図１６のグラフ（ｄ）及びグラフ（ｅ）に示されるように、すべてのＩｎ組成比Ｘｐ２において、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２が大きくなるにしたがって、位置ＰＳ１及びＰＳ２が増大する。また、Ｉｎ組成比Ｘｐ２が減少するにしたがって、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が概ね減少する傾向にある。なお、図１５及び図１６のグラフ（ｄ）及びグラフ（ｅ）には、光閉じ込め係数を高められる位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２の範囲の一例として、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が－５ｎｍ以上、１８ｎｍ以下である範囲が示されている。この範囲のうち、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が０以上、１３ｎｍ以下の範囲が、活性層１０５のうち、ウェル層１０５ｂ、バリア層１０５ｃ、及びウェル層１０５ｄのいずれかにある場合に相当する。また、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が－５ｎｍ以上、０未満の範囲が、活性層１０５のＮ型第２クラッド層１０３に最も近いウェル層１０５ｂからＮ型第２クラッド層１０３に向かって５ｎｍ以内の距離の範囲に相当する。また、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が１３ｎｍより大きく、１８ｎｍ以下の範囲が、活性層１０５のＰ型クラッド層１１０に最も近いウェル層１０５ｄからＰ型クラッド層１１０に向かって５ｎｍ以内の距離の範囲に相当する。したがって、このような位置－５ｎｍ以上、１８ｎｍ以下に光強度分布のピークを位置させることで、光閉じ込め係数Γｖを高めることができる。
図１５及び図１６のグラフ（ｆ）に示されるように、Ｐ側第１ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｐ１とＰ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比とが等しい場合（つまり、本実施の形態とは異なる場合）を除いて、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２が大きくなるにしたがって、ΔＰは、概ね減少する傾向にある。なお、図１５及び図１６のグラフ（ｆ）には、ＩＬ特性の線形性を高められるΔＰの範囲の一例として、ΔＰが０以上２０ｎｍ以下である範囲が示されている。
図１５及び図１６の各グラフから、Ｐ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２を１００ｎｍ以上とすることで、導波路損失の低減、光閉じ込め係数Γｖの増大、及び、実効屈折率差ΔＮの低減を同時に実現できる。また、光閉じ込め係数Γｖをより高めるために、膜厚Ｔｐ２は２５０ｎｍ以下であってもよい。また、位置ＰＳ１及びＰＳ２を活性層１０５のウェル層１０５ｂ及び１０５ｄの近傍とするために、Ｐ側第２ガイド層１０７のＩｎ組成比Ｘｐ２は、０．５％以上であってもよい。
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＰ側第２ガイド層１０７の膜厚Ｔｐ２、及び、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚と、各パラメータとの関係について、比較例と比較しながら図１７及び図１８を用いて説明する。図１７は、比較例の窒化物系半導体発光素子のＰ側第２ガイド層の膜厚と、Ｐ型クラッド層の膜厚と、各パラメータとの関係を示すグラフである。図１８は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＰ側第２ガイド層１０７の膜厚と、Ｐ型クラッド層１１０の膜厚と、各パラメータとの関係を示すグラフである。図１７及び図１８においては、各膜厚と、導波路損失αｉ、光閉じ込め係数Γｖ、及び、実効屈折率差ΔＮとの関係が、等高線で示されている。図１７に示される比較例は、上述した比較例２の窒化物系半導体発光素子と同様に、同一の膜厚及びＩｎ組成比を有する単一のＮ側ガイド層及び単一のＰ側ガイド層を備える。
図１７には、比較例の窒化物系半導体発光素子において、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が、ともに－５ｎｍ以上、１８ｎｍ以下であり、かつ、ΔＰが２０ｎｍ以下である領域がハッチングで示されている。しかしながら、この領域においては、実効屈折率差ΔＮが４×１０－３より大きくなるため、出射光の水平方向における拡がり角を抑制できない。また、この領域においては、ΔＰを１０ｎｍ以下とすることもできない。なお、比較例の窒化物系半導体発光素子においても、距離ｄｃを８０ｎｍ程度とすることで、実効屈折率差ΔＮを３×１０－３以下とすることができるが、この場合、上述したとおり、電子障壁層１０９と溝１１０Ｔとの間への漏れ電流が発生するため、発振閾値電流が増大し、窒化物系半導体発光素子の温度特性の低下を招く。このように、比較例の窒化物系半導体発光素子では、本開示の課題を解決できない。
図１８には、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、位置ＰＳ１及び位置ＰＳ２が、ともに－５ｎｍ以上、１８ｎｍ以下であり、かつ、ΔＰが２０ｎｍ以下である領域が斜線及びドットのハッチングで示されている。また、当該範囲のうちΔＰが５ｎｍ以下である領域が、ドットのハッチングで示されており、ΔＰが５ｎｍより大きく、１０ｎｍ以下である領域が、斜線のハッチングで示されている。図１８に示されるように、ハッチングされた領域においては、実効屈折率差ΔＮが２．８×１０－３以下である。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では、距離ｄｃが４０ｎｍ程度であっても、上記各条件を満足することができる。
（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、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１９を用いて説明する。
図１９は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図１９に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１２と、Ｐ側電極１１３と、Ｎ側電極１１４とを備える。半導体積層体２００Ｓは、基板１０１と、Ｎ型第１クラッド層２０２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側第１ガイド層１０６と、Ｐ側第２ガイド層１０７と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層２１０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２０２は、膜厚１２００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０３６Ｇａ０．９６４Ｎ層である。Ｎ型第１クラッド層２０２には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－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２１０は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。Ｐ型クラッド層２１０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２１０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２１０は、活性層１０５に近い側に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、活性層１０５から遠い側に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
また、Ｐ型クラッド層２１０には、実施の形態１に係るＰ型クラッド層１１０と同様に、リッジ２１０Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層２１０には、リッジ２１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝２１０Ｔが形成されている。
本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００によっても実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様の効果が奏される。
さらに、本実施の形態においては、Ｎ型第１クラッド層２０２及びＰ型クラッド層２１０は、Ａｌを含み、Ｎ型第１クラッド層２０２及びＰ型クラッド層２１０のＡｌ組成比をそれぞれ、Ｙｎｃ、及び、Ｙｐｃとすると、
Ｙｎｃ＞Ｙｐｃ （１０）
の関係を満足する。
ここで、Ｎ型第１クラッド層２０２及びＰ型クラッド層２１０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２０２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２０２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２１０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２１０全体での平均のＡｌ組成比である０．０３５となる。
これにより、Ｎ型第１クラッド層２０２の屈折率を、Ｐ型クラッド層２１０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２００の動作電圧を低減するために、Ｐ型クラッド層２１０の膜厚を低減しても、Ｎ型第１クラッド層２０２の屈折率が、Ｐ型クラッド層２１０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２０２へ近づく向きに移動することを抑制できる。
本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが２．５×１０－３であり、リッジ２１０Ｒ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ＰＳ１が２．５ｎｍであり、ΔＰが６．４ｎｍ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１．９ｃｍ－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、リッジ２１０Ｒのコンタクト層１１１上に透光性導電膜を備える点において、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図２０を用いて説明する。
図２０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３００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、透光性導電膜３２０とを備える。
本実施の形態に係る透光性導電膜３２０は、Ｐ型クラッド層２１０の上方に配置され、窒化物系半導体発光素子３００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３２０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３００によっても実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００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２１０の上方に配置される透光性導電膜３２０を備えるため、Ｐ型クラッド層２１０の上方を伝搬する光の損失を低減できる。また、Ｐ型クラッド層２１０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３００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３００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２．１×１０－３であり、リッジ２１０Ｒ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ＰＳ１が２．０ｎｍであり、ΔＰが５．７ｎｍ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１．９ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子３００を実現できる。
（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、活性層の構成において、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図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて説明する。
図２１Ａ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２１Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００が備える活性層４０５の構成を示す断面図である。
図２１Ａ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２０２と、Ｎ型第２クラッド層１０３と、Ｎ側ガイド層１０４と、活性層４０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、Ｐ側第２ガイド層１０７と、中間層１０８と、電子障壁層１０９と、Ｐ型クラッド層２１０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４０５は、図２１Ｂ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４００によれば、実施の形態２係る窒化物系半導体発光素子２００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４００においては、活性層４０５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４００においても、Ｎ側ガイド層１０４、Ｐ側第１ガイド層１０６、Ｐ側第２ガイド層１０７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４０５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２．５×１０－３であり、リッジ２１０Ｒ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ＰＳ１が２．１ｎｍであり、ΔＰが６．３ｎｍであり、活性層４０５への光閉じ込め係数が０．７２％であり、導波路損失が１．８ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子４００を実現できる。なお、本実施の形態では、活性層４０５の合計膜厚が、実施の形態２に係る活性層１０５より８ｎｍ小さいため、実施の形態２より光閉じ込め係数が小さくなる。
（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。
また、上記実施の形態１～３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１０４、Ｐ側第１ガイド層１０６、Ｐ側第２ガイド層１０７を用いれば、垂直方向の光分布の位置の制御性を高めることができるため、垂直方向の光分布のピークをウェル層近傍に位置させることができる。したがって、低発振しきい値、低導波路損失、高い光閉じ込め係数、及び、線形性にすぐれた電流－光出力（ＩＬ）特性を有する窒化物系半導体発光素子を実現することができる。
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２２を用いて説明する。図２２は、変形例１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２２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５００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２２では、窒化物系半導体発光素子５００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５００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５００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５００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５００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５００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５００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５００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２３に示される変形例２に係る窒化物系半導体発光素子５００ａ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、本発明の窒化物系半導体発光素子は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２２及び図２３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、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３及び４に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。また、実施の形態３に係る透光性導電膜を実施の形態１及び４に係る各窒化物系半導体発光素子に適用してもよい。
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、５００ａ 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、４００Ｓ 半導体積層体
１０１ 基板
１０２、２０２ Ｎ型第１クラッド層
１０３ Ｎ型第２クラッド層
１０４、９０４ Ｎ側ガイド層
１０５、４０５ 活性層
１０６ Ｐ側第１ガイド層
１０７ Ｐ側第２ガイド層
１０８ 中間層
１０９、９０９ 電子障壁層
１１０、２１０ Ｐ型クラッド層
１１０Ｒ、２１０Ｒ リッジ
１１０Ｔ、２１０Ｔ 溝
１１１ コンタクト層
１１２ 電流ブロック層
１１３ Ｐ側電極
１１４ Ｎ側電極
３２０ 透光性導電膜
９０６ Ｐ側ガイド層

Claims (18)

  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側第１ガイド層と、
    前記Ｐ側第１ガイド層の上方に配置されるＰ側第２ガイド層と、
    前記Ｐ側第２ガイド層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを有し、
    前記Ｐ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、
    前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギー以上であり、
    前記Ｐ側第１ガイド層の膜厚をＴｐ１、前記Ｐ側第２ガイド層の膜厚をＴｐ２、前記Ｎ側ガイド層の膜厚をＴｎ１とすると、
    Ｔｎ１＜Ｔｐ１＋Ｔｐ２
    の関係を満足する
    窒化物系半導体発光素子。
  2. 前記Ｐ側第１ガイド層と前記Ｐ側第２ガイド層との平均屈折率は、前記Ｎ側ガイド層の平均屈折率より小さい
    請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 前記Ｐ側第１ガイド層は、ＩｎＸｐ１Ｇａ１－Ｘｐ１Ｎからなり、
    前記Ｎ側ガイド層は、ＩｎＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎからなり、
    Ｘｎ１≦Ｘｐ１
    の関係を満足する
    請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  4. Ｘｎ１＜Ｘｐ１
    の関係を満足する
    請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 前記Ｐ側第２ガイド層は、ＩｎＸｐ２Ｇａ１－Ｘｐ２Ｎからなり、
    Ｘｐ２＜Ｘｎ１
    の関係を満足する
    請求項３又は４に記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 前記バリア層は、ＩｎＸｂＧａ１－ＸｂＮからなり、
    Ｘｐ１＜Ｘｂ
    の関係を満足する
    請求項３～５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 前記Ｎ側ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きい
    請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. Ｔｐ１＜Ｔｐ２
    の関係を満足する
    請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  9. Ｔｐ１＜Ｔｎ１
    の関係を満足する
    請求項１～８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 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１～９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１～１０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Ｐ側第２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、前記活性層から離れるにしたがってＡｌ組成比が単調に増大するＡｌ組成変化領域を有する
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  13. 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１～１２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Ｐ型クラッド層の膜厚は、４６０ｎｍ以下である
    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型クラッド層の上方に配置される透光性導電膜を備える
    請求項１～１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  16. 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側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きい
    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. アレイ状に配列される複数の光出射部を有する
    請求項１～１６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１～１７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
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