JPWO2015092992A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

リッジ上の電極での吸収損失を低減しつつ、基板と第１クラッド層及び第２クラッド層との間の格子不整の抑制と、垂直方向の光閉じ込め率を増大させる。基板（１１）と、基板（１１）の上に設けられたＡｌＧａＮからなるｎ型の第１クラッド層（１２）、第１クラッド層（１２）の上に設けられた光ガイド層（１３）を備える。さらに、光ガイド層（１３）の上に設けられた活性層（１４）と、活性層（１４）の上に設けられた電子障壁層（１５）、ＡｌＧａＮからなるｐ型の第２クラッド層（１６）、第２クラッド層（１６）の上方に設けられたｐ型コンタクト層（１７）、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層（１７）上に設けられた酸化インジウム錫よりなる導電性酸化物層（１８）を備えている。さらに、ｐ型の第２クラッド層（１６）にはリッジ（２３）が形成されている。

Description

本発明は車載ヘッドランプやプロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子に関する。
従来、ＧａＮやＡｌＧａＮといったＩＩＩ族窒化物半導体よりなる半導体発光素子として例えば特許文献１に記載されている半導体レーザ素子が知られている。この従来の半導体発光素子について、図１０を用いて説明する。
従来の半導体発光素子は、ＧａＮよりなる基板１０１の上にＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるバッファ層１０２、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０３、Ｉｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層１０４が形成されている。その上にＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる層とＧａＮよりなる層とを交互に形成してなるｎ型クラッド層１０５、ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６が形成されている。その上にアンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層とアンドープのＩｎ０．３２Ｇａ０．６８Ｎよりなる井戸層とを交互に形成してなる活性層１０７、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０８が形成されている。そしてその上にＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる層とＧａＮよりなる層とを交互に形成してなるｐ型クラッド層１１０、ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１１が順次形成されている。そしてｐ型コンタクト層１１１からｐ型光ガイド層１０９の途中に至り、ｐ型光ガイド層１０９の残し厚みが０．１μｍになるまでエッチングされて形成されたリッジ構造の側面およびｐ型光ガイド層１０９の上面にはＺｒ酸化物よりなる保護膜１６２が形成されている。そしてｐ型コンタクト層１１１および第２の保護膜１６２の上にはＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０が形成されている。さらにｎ型コンタクト層１０３が一部露出するまでエッチングされ、ｎ型コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極１２１が形成され、ｎ電極１２１、ｐ電極１２０およびｎ型コンタクト層１０３を覆うようにＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜１６４が形成されている。そして誘電体多層膜１６４のｐ型コンタクト層１１１側の開口部にはｐ電極１２０に接するようにパッド電極１２２が設けられ、誘電体多層膜１６４のｎ電極１２１にある開口部にはパッド電極１２３が設けられている。
特開２００２−２７０９７１号公報
このような従来の半導体発光素子では、基板１０１とｎ型クラッド層１０５及びｐ型クラッド層１１０との間の格子不整の抑制と、基板１０１に対して垂直方向の光閉じ込めとの両立が難しいことが問題となっていた。
すなわち、上記従来の半導体発光素子において、垂直方向の光閉じ込めを大きくしようとする場合、ｎ型クラッド層１０５や、ｐ型クラッド層１１０の屈折率を下げる必要があるため、例えばＡｌ組成を増やす必要がある。その一方で、ｎ型クラッド層１０５やｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成を増やすと、基板１０１との間の格子不整が大きくなってしまう。格子不整が大きくなると格子欠陥が発生しやすくなり発光効率の低下につながる。そのため、ｎ型クラッド層１０５や、ｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成をあまりに大きくすることができないため、Ａｌ組成が１０％以下の低いＡｌ組成のＡｌＧａＮを用いる。この場合、ｎ型、ｐ型クラッド層と活性層間の屈折率差が小さくなり、光分布は活性層の上下に大きく広がりやすく、リッジ導波路の頂上に形成される電極や、基板に導波光の裾野が到達し吸収損失が生じやすくなる。このような導波光の光吸収を低減するためには、クラッド層厚を厚くすることにより、光分布の裾野が、リッジ上に形成される電極や、基板に到達しないようにすることが必要となる。しかしながら、リッジ型の導波路が形成されるｐ型クラッド層１１０の厚さが厚くなると、素子の直列抵抗が増大し動作電圧が大きくなる。このことから、レーザ発振動作時における発熱が大きくなり光出力が熱飽和しやすくなってしまう。その結果として、基板１０１とｎ型クラッド層１０５及びｐ型クラッド層１１０との間の格子不整の抑制と、ｐ型クラッド層１１０の厚さの増大の防止、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることが難しくなっていた。
そこで本発明は、リッジが形成される導電型のクラッド層厚が薄くても、リッジ上の電極での吸収損失を低減しつつ、基板と第１クラッド層及び第２クラッド層との間の格子不整の抑制と、垂直方向の光閉じ込めをすべて満足させることを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の半導体発光素子は、基板と、基板の上に形成された、Ａｌを有するＩＩＩ族窒化物半導体よりなる一導電形の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体よりなる活性層と、を有する。そして活性層の上に形成された、Ａｌを有するＩＩＩ族窒化物半導体よりなる逆導電形の第２のクラッド層と、第２のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、導電性化合物を上面とし、第２のクラッド層を下面とするリッジ構造と、を有する。そして第２のクラッド層のＡｌ組成は、第１のクラッド層のＡｌ組成よりも小さく、導電性化合物層の屈折率は、第２のクラッド層の屈折率よりも小さいものである。
この構成により、第２のクラッド層のＡｌ組成は、第１のクラッド層のＡｌ組成よりも小さいことにより第１クラッド層よりも第２クラッド層が相対的に屈折率が高くなるので光分布が第２クラッド層にかたよる形状となる。また、導電性化合物の屈折率が第２のクラッド層の屈折率よりも小さいので、リッジ直下での光分布は第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に分布することになり、活性層への光分布の垂直方向の光閉じ込め係数が増大する。これらのことにより、リッジ内外の実効屈折率差（ΔＮ）が増大する。
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造は、２次以上の高次横モードを伝播することが好ましい。この好ましい構成によれば、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じてもその影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなる。
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面と後端面とで形成される導波路を有し、リッジ構造は前端面と後端面との間に形成され、かつリッジ構造の側面に含まれ、かつ前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とは、所定の角度をなすことが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路がテーパを有するので空間的ホールバーニングが生じにくくなる。
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面の反射率をＲｆ、後端面の反射率をＲｒ、前端面におけるリッジの幅をＷｆ、後端面におけるリッジの幅をＷｒとしたとき、Ｒｆ＜ＲｒかつＷｆ＞Ｗｒであることが好ましい。
本発明の半導体発光素子は、さらに前端面から後端面へ向かう方向と導波路の方向とのなす角度は、０．０５°以上かつ０．１５°以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、さらに空間的ホールバーニングが生じにくくなる。
本発明の半導体発光素子は、さらに第２クラッド層の膜厚が０．３μｍ以上かつ０．６μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、第２クラッド層の膜厚が０．３μｍ以上であることで活性層の光閉じ込め率を大きくできるとともに、第２のクラッド層の層厚が０．６μｍ以下であるので、半導体発光素子の直列抵抗を小さくすることができる。
本発明の半導体発光素子は、さらに導電性化合物層がインジウムとスズとを含む酸化物よりなり、かつ厚さが０．１５μｍ以上かつ０．３μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、導波路損失を小さくでき、ΔＮおよび光閉じ込め係数を大きくすることができるとともに、半導体発光素子の電気抵抗を低減することができる。
本発明の半導体発光素子は、さらに第１のクラッド層はＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎよりなり、第２のクラッド層はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎよりなり、Ｘ１−Ｘ２≧０．０２、Ｘ１≦０．１、０．０３≦Ｘ２≦０．０７の関係を満たすことが好ましい。
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の外側における第２のクラッド層の層厚は、０ｎｍより大きく５０ｎｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、リッジ構造の内側と外側とにおいて実効屈折率差を大きくとることができる。
本発明の半導体発光素子は、さらにリッジ構造の側面には第２のクラッド層よりも屈折率の小さい電流ブロック層が形成されていることが好ましい。
本発明の半導体発光素子によれば、ＩＩＩ族窒化物を用いた半導体レーザ、特に発振波長が５３０ｎｍ帯の緑色半導体レーザにおいても、光閉じ込め係数とΔＮが大きく、格子欠陥の発生が抑制され、導波路損失の小さいレーザを実現することができる。このため、温度特性に優れ、長期信頼性動作可能な半導体レーザを実現することが可能となる。
本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子の断面図。 同半導体発光素子の活性層１４に生じる水平方向の応力分布のリッジ高さ依存性を示す図。 同半導体発光素子における第２クラッド層１６の膜厚が０．３μｍの場合の導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差（ΔＮ）の第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１及び第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２の依存性およびＸ１とＸ２との関係を示す図。 同半導体発光素子における導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差（ΔＮ）の第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１及び第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２の依存性を示す、第２クラッド層１６の膜厚が０．２μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．３μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．４μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．５μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．６μｍの場合の図。 同半導体発光素子に関し導電性酸化物層１８をなくした構造において、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差（ΔＮ）の第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１及び第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２の依存性を示す、第２クラッド層１６の膜厚が０．２μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．３μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．４μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．５μｍの場合の図。 同第２クラッド層１６の膜厚が０．６μｍの場合の図。 同半導体発光素子において導電性酸化物層１８の層厚を変化させた場合の導波路損失を示す図。 同半導体発光素子において導電性酸化物層１８の層厚を変化させた場合のΔＮの変化を示す図。 本発明の第２の実施の形態における半導体発光素子のストライプ形状の平面図。 同半導体発光素子の電流−光出力特性を示す、導電性酸化物層１８を用いた場合の図。 同導電性酸化物層を用いない場合の図。 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。 同半導体発光素子のストライプ形状の変形例を示す平面図。 従来の半導体発光素子の断面図。
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態における半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。なお、以下においてＡｌＧａＮとはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）のことであり、ＩｎＧａＮとはＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）のことである。また、ＩｎＡｌＧａＮとはＩｎｚＡｌｔＧａ１−ｚ−ｔＮ（０＜ｚ＜１、０＜ｔ＜１）のことである。組成を表すｘ、ｙ、ｚ、ｔは半導体発光素子の層構造により適宜決めることができる。
（１）半導体発光素子の構造
本実施の形態の半導体発光素子は、図１に示すごとく、ＧａＮからなる基板１１と、基板１１の上に設けられたＡｌＧａＮからなるｎ型の第１クラッド層１２、第１クラッド層１２の上に設けられたｎ型のＧａＮからなる光ガイド層１３、光ガイド層１３の上に設けられた量子井戸構造の活性層１４とを備えている。そして、活性層１４の上に設けられたｐ型のＡｌＧａＮからなる電子障壁層１５、ＡｌＧａＮからなるｐ型の第２クラッド層１６、ｐ型の第２クラッド層１６の上方に設けられたｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７を備えている。さらに、ｐ型コンタクト層１７上に設けられた酸化インジウム錫（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、以下ＩＴＯという）よりなる導電性酸化物層１８を備えている。さらに、ｐ型の第２クラッド層１６にはリッジ２３が形成され、リッジ２３の側壁にはＳｉＯ２よりなる電流ブロック層２０が備えられており、電流ブロック層２０及び、導電性酸化物層１８上には、ｐ型電極２２が備えられている。また、基板１１の裏面には、ｎ型電極２１が設けられている。
なお、上記においてｎ型の半導体層についてはＳｉがドープされており、ｐ型の半導体層についてはＭｇがドープされている。
活性層１４としては、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成が０．３のＩｎＧａＮからなる井戸層と厚さ７．５ｎｍのＧａＮからなる量子障壁層を用いた多重量子井戸構造としている。井戸数としては、可能な限り多い方が、活性層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大できるので有利であるが、４層以上に多くなると各量子井戸層の動作キャリア密度が均一にならないため発光効率の低下を招いてしまう。本実施の形態では、井戸層の層数は３層としている。この結果、各井戸での動作キャリア密度を均一にしつつ、光閉じ込め係数の増大を実現できる。また、量子障壁層としてＧａＮを用いて、Ｉｎ組成の高いＩｎＧａＮ井戸層で生じる格子不整による格子欠陥の発生を、井戸層の上下をＧａＮで挟むことにより抑制している。
本実施の形態の半導体発光素子について、図１の紙面に垂直な方向を共振器の方向とし、共振器の方向に垂直な２枚の面を端面としている。すなわち、本実施の形態の半導体発光素子は、半導体レーザである。なお、２枚の端面のうち前端面および後端面はＡｌＮ膜とＡｌ２Ｏ３膜との多層膜によってコーティングされており、それぞれ反射率が前端面について５％、後端面について９５％である。すなわち、前端面の反射率を後端面の反射率よりも小さくしている。
本実施の形態における半導体発光素子の発光波長は、５３０ｎｍである。
なお、本実施の形態における半導体発光素子は、基板１１の上方からみたとき、リッジ２３の２つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。
本実施の形態の半導体発光素子について、第１クラッド層１２のＡｌ組成をＸ１、第２クラッド層１６のＡｌ組成をＸ２とする。また、図１に示すようにリッジ２３の幅をＷ、第２クラッド層１６についてリッジ内部２４での厚さをＭ２、リッジ２３の高さをＨ、リッジ外部２５における第２クラッド層１６の層厚をｄｐとする。また、リッジ内部２４とリッジ外部２５との実効屈折率差をΔＮとする。なお、リッジ２３はエッチング（通常はドライエッチング）を施すことにより作成される。すなわち、リッジ外部２５における第２クラッド層１６は、エッチングを施すことによりリッジ内部２４における第２クラッド層１６より薄くすることから、ｄｐはリッジ外部２５における第２クラッド層１６の、エッチング残し厚みということもできる。
なお、図１より明らかなようにＭ２とＨとｄｐとの間には、以下の（数１）に示す関係式が成立する。
（数１） Ｍ２＝Ｈ＋ｄｐ
（２）検討
本願発明者は、導電性酸化物層１８を用いた本実施の形態の半導体発光素子について、Ｘ１、Ｘ２、Ｗ、Ｍ２、Ｈ、ΔＮ、ｄｐおよびお導電性酸化物層１８の厚さがどのような値が望ましいかについて検討した。その検討結果について以下に説明する。
（２−１）ｄｐについて
層厚ｄｐの大きさについて説明すると、ｄｐが大きいとΔＮが小さくなるため、ｄｐは可能な限り小さいほうが好ましい。しかしながら、ｄｐをあまりに小さくするとエッチング、特にドライエッチングを施した際のエッチング深さのウェハ面内のばらつきにより、ドライエッチングによる結晶構造の損傷の影響が活性層１４に達することになり、長期信頼性保証を阻害する要因となる。このため、ｄｐとして０ｎｍから５０ｎｍまでの範囲になるようにエッチングの制御を行う。
ｄｐが０ｎｍから５０ｎｍに変化してもＭ２は不変であるため、垂直方向の光閉じ込め係数や、ｐ型コンタクト層１７やｐ型電極２２において光分布に生じる導波路損失にほとんど変化はない。
一方、ｄｐが０ｎｍから５０ｎｍに変化した場合、リッジ外部２５における実効屈折率が変化することになるのでΔＮは変化することになる。本実施の形態の場合は電流ブロック層２０として屈折率の低いＳｉＯ２を用いているので、ｄｐが増加すればリッジ外部２５における実効屈折率が増加することになる。すなわち、ｄｐの増加によりΔＮが小さくなる。
後述するが、ΔＮは、２次以上の高次横モードを安定してレーザ発振させるためにはできるだけ高いほうが良い。したがって、最もΔＮが小さくなるｄｐが５０ｎｍの場合について、導波路損失の大きな増大を招かずに、可能な限り大きなΔＮを得ることできるようにＸ１、Ｘ２を決めることにする。５０ｎｍより小さいｄｐにおいてはよりΔＮが大きくなる。そこで、以下の説明ではｄｐを５０ｎｍとしている。
（２−２）半導体発光素子にかかる応力について
電流ブロック層２０にＳｉＯ２（熱膨張係数：０．６×１０−６／Ｋ〜０．９×１０−６／Ｋ）を用いた場合には熱膨張係数が、ＧａＮ（熱膨張係数：５．６×１０−６／Ｋ）やＡｌＮ（熱膨張係数：４．２×１０−６／Ｋ）と比べて小さくなるため、電流ブロック層２０とリッジ２３との間には熱膨張係数の差に起因する応力が発生する。このため電流ブロック層２０と活性層１４との間の第２クラッド層１６にはリッジ２３の下端部の両側の領域で、活性層１４に平行な面内で圧縮性の応力が発生し、結晶構造に歪が生じる。結晶構造が歪むとその部分の屈折率が変化する。一般にＩＩＩ族窒化物半導体は圧縮性の応力がかかると屈折率が増加する。そのため、リッジ２３の下端近傍領域の第２クラッド層１６の屈折率は圧縮性の応力のためにその大きさが増大するように変化してしまう。この結果、ΔＮが低下してしまう。
さらに、リッジ２３の下端両側の活性層１４におけるバンドギャップエネルギーが小さくなるため、リッジ２３に注入した電流は、リッジ２３の両側領域を流れやすくなる。このため、リッジ２３の直下の活性層に電流が均一に注入されなくなり、スロープ効率の低下につながる。このため、リッジ２３の下端部の両側に生じる電流ブロック層２０と第２クラッド層１６の熱膨張係数の差に基づく歪を可能な限り低減する必要がある。
本願発明者は、図１に示す半導体発光素子について第２クラッド層１６のリッジ内部２４での厚さＭ２とリッジ内部２４とリッジ外部２５とにおける第２クラッド層１６にかかる応力との関係について検討した。図２にその検討結果を示す。図２において、横軸はリッジ２３の中央を原点とし、ＧａＮ基板１１に平行で、かつ端面に平行な方向として第２クラッド層１６の位置を表し、縦軸は所定の位置での第２クラッド層１６にかかる応力の大きさを任意単位にて表したものである。縦軸において０より大きければ第２クラッド層１６には圧縮応力がかかり、０より小さければ第２クラッド層１６には引張応力がかかることになる。なお、検討した半導体発光素子については、リッジ幅Ｗを１６μｍとした。またＭ２として０．３μｍ、０．６μｍ、０．８μｍの３つについて検討した。
図２に示すように、Ｍ２が大きいすなわちリッジ２３の高さＨが高いほどリッジ内部２４における圧縮応力が大きいことがわかった。特にリッジ内部２４の、リッジ外部２５との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きいことがわかった。また、Ｍ２が大きいほどリッジ内部２４の圧縮応力の分布が不均一であることがわかった。このことから、リッジ２３の高さＨが高いほどリッジ内部２４の、リッジ外部２５との境界近傍において圧縮応力が顕著に大きくなり、そこでのバンドギャップが小さくなり、リッジ内部２４においてリッジ外部２５との境界近傍により電流が流れる。そしてリッジ２３に均一に電流を流すことが困難であることがわかる。またこのことからリッジ２３の高さＨが高いほどリッジ２３に流れる電流について電流の通り道が狭くなり、半導体発光素子の電気抵抗が大きくなることがわかる。
すなわち、リッジ２３の下端部の両側の領域に生じる応力の低減と、半導体発光素子の電気抵抗の低減のためにリッジ２３の高さＨを小さくする必要がある。
なお、図２よりＭ２を０．８μｍから０．３μｍに低減させると、リッジ２３の下端部両側の活性層に生じる歪はほぼ半減し、また応力分布が平坦となっていることがわかる。すなわち、Ｍ２≦０．３μｍであれば半導体発光素子の電気抵抗を小さくすることができる。
（２−３）ΔＮについて
リッジ内部２４とリッジ外部２５との実効屈折率差ΔＮについて説明する。
ΔＮが小さい場合、リッジ幅Ｗを広げても２次以上の横モードに対する水平横方向の光分布（水平横モード）の閉じ込め機構が弱く、基本（０次）横モードと１次横モードでのみ動作しやすくなる。この結果、横モード間の干渉による相互作用が大きくなり、光分布形状が大きく変化し、電流−光出力特性が非線形を示すキンクが生じ、光出力が不安定になりやすい。
一方、２次以上の横モードが発振すると、異なる次数同士の横モードが干渉し、光分布の結合が生じて、光分布の変形が生じても、その影響が小さくなり、大きな非線形を有するキンクが生じにくくなるため、電流−光出力特性の線形性が向上する。
すなわち、キンクを生じにくくして電流−光出力特性の線形性を向上させるためには、２次以上の横モードが発振する半導体発光素子が望ましいことになる。
プロジェクタ光源等に用いられる半導体発光素子には数１００ｍＷ以上の高出力動作が求められている。これに対し、高出力レーザにおいては、共振器端面における光密度を低減し、端面がレーザ自らの光で溶融破壊されるＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）の発生を抑制するために、リッジ幅Ｗが５μｍ以上のいわゆるワイドストライプ構造を用いる。このようなワイドストライプ構造に対して２次横モード光をリッジ内部に閉じ込め、レーザ発振させるためにはΔＮの値としては、少なくとも２．５×１０−３が必要である。なお、ΔＮをさらに大きくすれば２次以上の高次横モードの水平方向の光閉じ込め率が大きくなり、２次以上の高次横モードを含むレーザ発振を安定して生じるようになる。
（２−４）光閉じ込め係数について
また、半導体発光素子、特に波長が５３０ｎｍあたりに発光波長を有する半導体発光素子において良好な温度特性を得るためには、活性層１４に対する垂直方向の光閉じ込め係数は大きいほうがよく、少なくとも１％の光閉じ込め係数（垂直方向）を有していることが必要である。なお、以下垂直方向の光閉じ込め係数のことを垂直横モード閉じ込め係数という。
（２−５）Ｘ１、Ｘ２それぞれの値について
次に、第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１と第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２それぞれの値について説明する。
第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１を大きくすると第１クラッド層１２の屈折率が低くなり、活性層１４との屈折率差を大きくすることができ垂直方向の光閉じ込め係数を大きくすることができる。光閉じ込め係数を大きくすると、活性層への注入電流が少ない状態でも大きな利得を得ることが可能となるため、発振しきい電流値や、活性層での動作キャリア密度が小さくなる。そのため、高温動作時において、活性層に注入されたキャリアが熱的に励起されてクラッド層に漏れ出すキャリアのオーバーフローを抑制することができる。このため、垂直方向の光閉じ込め係数の増大は、高温高出力動作時においても、電流−光出力特性における熱飽和する光出力を増大させ、動作電流値の低い温度特性に優れたレーザの実現に効果的である。
しかしながらＸ１を大きくしすぎると、ＧａＮよりなる基板１１とＡｌＧａＮよりなる第１クラッド層１２との間の格子定数の差と熱膨張係数の差がともに大きくなるため、格子欠陥やクラックの発生につながる。このため、Ｘ１≦０．１とする必要がある。
また、第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２もＸ１と同様に大きくすると活性層への垂直方向光閉じ込め係数の増大につながる。しかし、大きくしすぎるとｐ型不純物であるＭｇの活性化率が低下し、第２クラッド層１６の電気抵抗が増大し、半導体発光素子の電気抵抗の増大につながる。半導体発光素子の電気抵抗の増大は、半導体発光素子のレーザ発振動作中における自己発熱が増大し、電流−光出力特性における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。そこで、垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ、第２クラッド層１６の抵抗を増大させないためには、Ｘ２≦０．０７とする必要がある。
なお、Ｘ２を小さくしていくと、垂直方向の光分布は第２クラッド層１６に寄っていくため、ΔＮは増大する。しかしながら、Ｘ２を小さくしすぎると、あまりに光分布が第２クラッド層１６寄りとなり、ｐ型コンタクト層１７および第２クラッド層１６での不純物によるフリーキャリア吸収損失と、ｐ型電極２２における吸収損失が増大し、導波路損失が増大してしまう。導波路損失が増大すると電流−光出力特性におけるレーザ発振後の、注入電流量の変化に対する光出力の変化の割合（スロープ効率）の低下につながり、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの低下につながる。したがって、Ｘ２の値としては、導波路損失の大きな増大を抑制するために０．０３以上とする必要がある。
（２−６）Ｘ１とＸ２との関係について
図１に示すような半導体発光素子においては、リッジ外部２５において第２クラッド層１６が薄くなっているために、リッジ外部２５における活性層１４に垂直である方向の光分布（垂直横モード）は、第１クラッド層１２側にかたよる。なお、リッジ内部２４においては、垂直横モードは活性層１４に対しほぼ対称となる。
ここで、第１クラッド層１２のＡｌ組成Ｘ１が第２クラッド層１６のＡｌ組成Ｘ２よりも大きい場合、第１クラッド層１２の屈折率が第２クラッド層１６の屈折率よりも小さくなるので、リッジ外部２５における実効屈折率はリッジ内部２４における実効屈折率よりもさらに小さくすることができる。すなわち、ΔＮを大きくすることができ、水平横モードの光閉じ込め率を大きくすることができる。
そこで本願発明者は、図１に示す半導体発光素子について、Ｘ１、Ｘ２をパラメータとし、Ｎ２＝０．３μｍとしてΔＮを求めた。なお、Ｗを６μｍ、導電性酸化物層１８の層厚を０．１７μｍとして検討した。その結果を図３に示す。図３において、１％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、１．５×１０−３、２×１０−３、２．５×１０−３、３×１０−３、３．５×１０−３とあるのはΔＮのことである。また、６ｃｍ−１や１０ｃｍ−１のようにｃｍ−１が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す。また、図３において導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差（ΔＮ）は破線で示している。
図３に示すように、ΔＮが２．５×１０−３以上となるＸ１とＸ２との関係は、Ｘ１≦０．１かつＸ２≦０．０７では、
（数２） Ｘ１−Ｘ２≧０．０２
の領域、すなわち図３においては直線ＡＢの右側の領域である。
以上をまとめると、図１に示す半導体発光素子について、ΔＮが２．５×１０−３以上となり、かつ垂直方向に光閉じ込め係数の増大効果を得つつ半導体発光素子の電気抵抗を小さくするためには、
（数２） Ｘ１−Ｘ２≧０．０２
（数３） Ｘ１≦０．１
（数４） ０．０３≦Ｘ２≦０．０７
が必要となる。
（２−８）導電性酸化物層１８の層厚の検討
次に、導電性酸化物層１８の効果および導電性酸化物層１８の層厚の条件を調べるために、Ｍ２を変化させたときの半導体発光素子の特性について説明する。
導電性酸化物層１８の厚さを０．１７μｍ、Ｗを６μｍ、Ｍ２として０．２μｍ〜０．６μｍと変化させた場合の半導体発光素子の特性を図４Ａ〜図４Ｅに示す。また、比較として導電性酸化物層１８がない場合すなわち図１に示す半導体発光素子から導電性酸化物層１８を除去した半導体発光素子について、Ｍ２として０．２μｍ〜０．６μｍと変化させたときの半導体発光素子の特性を図５Ａ〜図５Ｅに示す。図４Ａ〜図４Ｅ、図５Ａ〜図５ＥとＭ２の値および導電性酸化物層１８の有無との関係は、表１のようになる。
Figure 2015092992
なお、図４Ａ〜図４Ｅ、図５Ａ〜図５Ｅにおいて、１％、１．１％、１．２％、１．３％、１．４％とあるのは垂直横モード閉じ込め係数のことであり、１．５×１０−３、２×１０−３、２．５×１０−３、３×１０−３等とあるのはΔＮのことである。また、６ｃｍ−１や１０ｃｍ−１のようにｃｍ−１が付されている曲線は、半導体発光素子の導波路損失を表す曲線である。
また、図４、図５において、導波路損失は実線で示し、垂直横モード閉じ込め係数は一点鎖線で示し、実効屈折率差（ΔＮ）は破線で示している。また、これらの図において斜線パターンで示した領域（ハッチング領域）は、（数２）から（数４）を満足し、光閉じ込め係数が１％以上、かつΔＮが２．５×１０−３以上の領域を示している。
図４Ａ〜図４Ｅに示すように、Ｍ２を０．３μｍ以上とすれば、（数１）から（数３）を満足し、垂直横モード閉じ込め係数が１％以上、ΔＮが２．５×１０−３以上の領域が存在することがわかる。また、Ｍ２が大きいほど（数１）から（数３）を満足する領域でのΔＮが大きくなり、一方で導波路損失が小さくなることがわかる。Ｍ２が０．８μｍ以上となるとリッジ高さＨが高くなり、活性層に生じる歪や、素子の抵抗が大きくなってしまう。半導体発光素子の直列抵抗の増大を招かないためには、Ｍ２≦０．６μｍとすればよい。
したがって、図２および図４Ａ〜図４Ｅに示した結果より、リッジ下端部の両側の活性層の歪の発生を抑制し、１％以上の光閉じ込め係数かつ２．５×１０−３以上のΔＮを得るためには、（数１）から（数３）を満足し、Ｍ２が０．３μｍ以上かつ０．６μｍ以下であればよいことがわかる。この場合、導波路損失は最大で１２．５ｃｍ−１となることがわかる。
（２−９）導電性酸化物層１８の効果の検討
次に、導電性酸化物層１８の効果について検討する。図５Ａ〜図５Ｅにおいて、（数２）から（数４）を満足する領域で、１％以上の光閉じ込め係数、２．５×１０−３以上のΔＮ、導波路損失が１２．５ｃｍ−１以下である範囲をハッチング領域で示す。導電性酸化物層１８を備えない半導体発光素子に関するこの領域は、導電性酸化物層１８を備えた半導体発光素子での図４Ａ〜図４Ｅに示す領域よりも非常に小さくなっている。これは、導電性酸化物層１８にＩＴＯを用いた場合、屈折率が２．０２と小さいために、垂直方向の光分布が、導電性酸化物層１８で急激に減衰し、ｐ型コンタクト層１７における光分布の割合は小さくなり、導波路損失が低減するためである。この効果はＭ２が小さいほど大きく、図４Ｄと図５Ｄ、図４Ｃと図５Ｃ及び図４Ｂと図５Ｂとを比べれば、Ｍ２が同一であっても導波路損失は相対的に小さくなっていることがわかる。このように導電性酸化物層１８を備えることにより、１％以上の光閉じ込め係数、２．５×１０−３以上のΔＮと、１２．５ｃｍ−１以下の導波路損失を同時に実現することが可能となる。この結果、高温動作時においても、熱飽和しない高出力特性を実現することが可能となる。また、リッジ２３の下端部の両側の活性層１４における歪が小さいため、活性層１４におけるバンドギャップの面内分布を低減できるだけでなく、活性層１４での格子欠陥の発生も抑制できる。そのため、長期にわたって高出力動作可能な信頼性の高い５３０ｎｍ帯の窒化物系レーザを実現可能となる。
特に、Ｍ２が０．４μｍ以下の領域でも、１％以上の光閉じ込め係数、２．５×１０−３以上のΔＮと、１２．５ｃｍ−１以下の低導波路損失を同時に実現でき、さらに、リッジ２３の下端部の両側の活性層における歪を低減することが可能となる。この結果、半導体発光素子の電気抵抗がさらに小さくなる。また、活性層１４での格子欠陥の発生もより抑制できるため、長期にわたって高出力動作可能である、信頼性のより高い半導体レーザ素子が得られるのである。
（２−１０）導電性酸化物層１８の層厚について
また、ＩＴＯを導電性酸化物層１８として用いた場合に最低限必要な導電性酸化物層１８の厚さについて説明する。図６Ａ、図６Ｂに本実施の形態における半導体発光素子においてＩＴＯの膜厚を変化させた場合の、導波路損失およびΔＮの検討結果を示す。図６Ａ、図６Ｂいずれも横軸が導電性酸化物層１８の厚さ、縦軸は図６Ａについては導波路損失、図６ＢについてはΔＮを表す。図６Ａ、図６Ｂに示すように導電性酸化物層１８の厚さを０μｍから０．１５μｍへと厚くしていくと導波路損失が小さくなり、一方ΔＮは増大していくことがわかる。つまり、厚さ０．１５μｍ以上の導電性酸化物層１８をｐ型コンタクト層１７の上に形成することにより、導波路損失の低減効果だけでなく、ΔＮも増大させ、２次以上の高次横モード発振を安定化させる効果があることがわかる。
ＩＴＯ膜の厚さが０．１５μｍ以上となると、導波路損失、ΔＮ、光閉じ込め係数はすべてほぼ一定となることがわかる。従って、ＩＴＯを導電性酸化物層１８とした構造では、導電性酸化膜層厚を０．１５μｍ以上とすればよいことがわかる。ＩＴＯ膜を厚くし過ぎると、ＩＴＯ膜の持つ電気抵抗により半導体発光素子の電気抵抗が増大することが考えられるので、ＩＴＯ膜の厚さは０．３μｍ以下とすることが好ましい。
（２−１１）まとめ
Ａｌ組成が０．１のＡｌＧａＮの屈折率２．３６よりも屈折率の小さい導電性酸化物層１８をｐ型コンタクト層１７上に形成し、第２クラッド層１６の層厚（Ｍ２）を０．３μｍから０．６μｍとし、（数２）から（数４）を満たす構造について検討した。ストライプ幅Ｗが５μｍ以上として高次横モードがカットオフされていない場合において、上記構造は、導電性酸化物層１８を用いない構造と比較して、リッジ２３の高さを低くしても導波路損失が低減される。そしてΔＮの増大効果による安定した２次以上の高次横モード発振を実現し、低リッジによるリッジ下端部両側近傍領域の歪を低減できることがわかる。
歪の低減は、ΔＮの低下の防止につながる。この結果、電流−光出力特性におけるキンクの抑制、スロープ効率の増大、高温動作時における熱飽和する光出力レベルの向上が実現する。それだけでなく、リッジ２３の直下の活性層１４の面内歪が低減され、活性層１４のバンドギャップエネルギーのばらつきが抑制可能となり、半導体発光素子の発光効率の低下と格子欠陥の増殖が抑制され、長期動作信頼性を向上させることが可能となる。また、第２クラッド層１６の厚さ（Ｍ２）を０．３μｍ以上かつ０．５μｍ以下とすれば、半導体発光素子の電気抵抗を低減できるため、さらなる高温高出力動作特性を得るためにはより好ましい。
（３）本実施の形態の半導体発光素子の一例
次に、上記において検討した、本実施の形態の半導体発光素子の一例について簡単に述べる。
本実施の形態にかかる半導体発光素子において、Ｘ１を０．０９、Ｘ２を０．０５、Ｍ２を０．４μｍとした。本実施の形態の半導体発光素子の層構造について、表２にまとめる。なお、表２において屈折率は、発光波長である５３０ｎｍに対する値である。
Figure 2015092992
上記表２に示す半導体発光素子においては、導波路損失は８．０ｃｍ−１、光閉じ込め係数は１．４％、ΔＮは３．６×１０−３となった。また、発光波長は５３０ｎｍであり、緑色のレーザ発振が得られた。
（第２の実施の形態）
（１）テーパストライプ構造について
第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、基板１１の上方からみたとき、リッジ２３の２つの側壁が共振器の方向に平行である場合のストライプ構造の半導体レーザ素子である。
本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子は、いわゆるテーパストライプ構造の半導体発光素子である。なお、半導体発光素子を構成する各半導体層および導電性酸化物層１８の積層構造、ならびに電極の構造は、第１の実施の形態と同様である。また、端面反射率についても第１の実施の形態と同様である。
ここで、図７に示すようにリッジ側壁に沿う方向と共振器の方向となす角をθとする。この角度θがテーパ角である。実施の形態１で説明したテーパ角θが０°のストライプ構造の半導体レーザ素子では、端面反射率の低い前端面側の導波路における活性層内の光密度が大きくなる。このため、前端面側の活性層１４に注入された電子、正孔が誘導放出により単位時間に消費される数が多くなり、前端面側の活性層１４の動作キャリア密度が大きくなるキャリアの空間的ホールバーニング（Ｓｐａｔｉａｌ Ｈｏｌｅ Ｂｕｒｎｉｎｇ、略してＳＨＢ）が発生する。ここでテーパ角θを大きくしていくと前端面側のリッジ幅が大きくなるため、共振器方向に垂直な水平横方向の光分布の幅が広くなって光密度が減少していく。従って、テーパ角θの増大に伴い、前端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は減少する。逆に後端面側では、テーパ角の増大に伴い、水平横方向の光分布の幅が狭くなり光密度が増大するため、後端面側で単位時間当たりに消費される電子、正孔の数は増大する。この結果、テーパ角を大きくしすぎると、後端面側の活性層１４における動作キャリア密度が小さくなりＳＨＢが発生する。ＳＨＢの度合いが大きくなると活性層１４における動作キャリア濃度が大きい側の活性層１４では、電子や正孔が熱的に励起されて活性層から第１クラッド層１２または第２クラッド層１６に漏れ出すキャリア（キャリアオーバーフロー）が増大し、光出力の熱飽和レベルが低下する。
また、共振器方向に対してＳＨＢが生じると、活性層１４の内部にて、最も大きな増幅利得を得る波長にばらつきが生じてしまい、発振しきい電流値の増大につながる。発振しきい電流値が増大すると高温動作時におけるキャリアオーバーフローが増大し、温度特性の劣化につながる。さらに、テーパ角θが大きいと導波路を伝播する導波光に伝播損失が生じてしまう。このため、テーパ角θは０．１°±０．０５°以内の範囲（０．０５°以上、０．１５°以下）に設定することが好ましい。この場合、リッジ２３の下の活性層１４においてＳＨＢの発生が抑制され、キャリアオーバーフローの発生が抑制される。さらに、動作キャリア濃度の均一性が向上し、活性層１４において最も大きな増幅利得が得られる波長が均一となるため、スロープ効率と、温度特性が向上し、さらなる高温高出力動作が可能となる。
また、後端面側のリッジ幅Ｗｒが狭くなると、より高次の水平横モードは導波することができず、カットオフされるため発振可能な水平横モードの数が少なくなってしまう。高次横モードがカットオフされていない場合、同時に発振可能な高次横モードの次数が小さくなると、レーザ発振中に横モード同士が結合した場合に共振器方向の光分布形状の変形が大きく、電流−光出力特性には大きな非線形性が生じてしまい、温度特性が低下する。これを防止するためには、Ｗｒは最低３次モード以上の高次横モードが導波する幅である必要がある。高次横モードがカットオフされない広いストライプ幅の場合、電流―光出力特性において、キンクによる大きな非線形性を生じさせないためには、３次モード以上が導波可能であることが効果的である。例えば、３次横モードまで導波可能な導波路の場合、導波可能な最高次数である３次モードの実効屈折率はリッジ外の領域の実効屈折率とほぼ同一となるため、水平方向に対し、光分布はリッジ外に大きく裾野がある広がりの大きい形状となる。この場合、３次横モードはリッジ外への光分布のしみ出しが大きいので、レーザ発振させるためには、大きな電流注入量が必要である。このため、３次モードの発振しきい電流値は基本（０次）横モード、１次横モード及び２次横モードと比較して相対的に高くなり、３次モードが導波可能であっても実質レーザ発振するのは基本横モードから２次横モードまでの３種のモードとなる。最低３種の次数の横モードが同時にレーザ発振すれば、横モード間の干渉による相互作用を相対的に小さくでき、横モード同士が干渉し結合しても、光分布形状の変化を小さくできる。そのため、電流−光出力特性にキンクが生じて、非線形を低減できるため、光出力を安定化することができる。
このようなテーパ形状を有する導波路を、本実施の形態にかかる半導体発光素子に対して形成すれば、リッジ２３の高さを低くできるため半導体発光素子の電気抵抗がいっそう低くなり、高温高出力動作に有利である。また、リッジ２３の高さを低くしても導電性酸化物層１８を用いることは、図６Ｂに示すようにΔＮを増大する効果がある。そのため、Ｗｒを狭くしても３次以上の高次横モードがカットオフされないので、電流−光出力における非線形性の大きなキンクの発生を防止することができる。本実施の形態の場合、Ｗｒは最低４μｍあれば良い。このΔＮを増大させる効果は、導電性酸化物層１８への光分布のしみ出しが大きいほど効果があるため、第２クラッド層厚（Ｍ２）が小さくなるほど有利である。Ｍ２が０．３μｍ以上、０．５μｍ以下の範囲で導波路形状をテーパ形状とすれば、よりいっそう素子の直列抵抗が低減し、スロープ効率と、温度特性が向上し、電流−光出力特性において非線形性の大きなキンクの発生を抑制しつつ、さらなる高温高出力動作が可能となる。
（２）本実施の形態の半導体発光素子の一例およびその特性
本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子において、Ｘ１は０．０５、Ｘ２は０．０９、第２クラッド層厚０．４μｍ、共振器長を６００μｍとしている。この半導体発光素子にかかる各層のパラメータについて表２と同様である。なお、リッジ２３の幅は、後端面側において６μｍで前端面側へ向けて広くなっている。リッジ２３側面のテーパ角θは、θ＝０．１°である。
この半導体発光素子の導波路損失は７．９ｃｍ−１、光閉じ込め係数は１．４５％、ΔＮは３．７×１０−３である。
本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の電流−光出力特性を図８Ａに示す。また、本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の構造から、厚さ０．１７μｍの導電性酸化物層１８をなくした構造を有する半導体発光素子の電流−光出力特性を比較例として図８Ｂに示す。この比較例にかかる半導体発光素子の導波路損失は１３．５ｃｍ−１、光閉じ込め係数は１．４％、ΔＮは３．３×１０−３である。なお、半導体発光素子の素子温度について、２５℃の場合と５０℃の場合とについて検討した。
図８Ａと図８Ｂとを比較すると、導電性酸化物層１８を用いることによりスロープ効率が１．４倍に改善することがわかる。これは、導電性酸化物層１８を用いることにより、第２クラッド層１６の膜厚を０．４μｍに薄くしても、金属電極での吸収損失が低減したため高いスロープ効率が向上すると考えられる。また、導電性酸化物層１８を用いることによりΔＮも増大し、横モードの閉じ込め率を高める機能があることがわかる。
すなわち、導電性酸化物層１８を用いた本実施の形態の半導体発光素子は、導電性酸化物層１８を用いない半導体発光素子と比べスロープ効率が向上し、かつ横モードの閉じ込め率を向上させることができるのである。
（３）テーパストライプ構造の変形例
なお、上記第２の実施形態について、基板１１の上方からみたテーパストライプ構造の形状は図７に示す形状に限らない。例えば図９Ａに示すように前端面の近傍および後端面の近傍がテーパ角０°のストライプ形状で、前端面と後端面との間においてストライプ形状のテーパ角が０°でない半導体発光素子でも上記と同様の効果が得られる。
また、リッジ幅の共振器方向に対する変化率が一定でなくてもよい。例えば、図９Ｂや図９Ｃに示すように、曲線状のテーパストライプであってもよい。
また、図７や図９Ａ〜図９Ｃを含むリッジ２３のストライプ構造において、リッジ２３の共振器法線方向となす角の最大値が０．０５°以上、０．１５°以下であればなおよい。
（他の実施の形態）
なお、上記第１の実施の形態および第２の実施の形態に示す半導体発光素子に用いる導電性酸化物層１８について、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を用いているが、それだけに限らない。例えば、波長５３０ｎｍ帯におけるＡｌ組成０．１のＡｌＧａＮの屈折率２．３６よりも屈折率の小さい導電性酸化物であれば、リッジ高さ（Ｈ）を低くすることによる導波路損失の低減効果を得ることが可能である。具体的にはインジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）の内の、少なくとも１種を含む酸化物からなる導電性酸化物であればよい。また例えば、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｚｎ２ＳｎＯ４、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ、ＭｇＩｎＯ４、Ｇａ２Ｏ３のような導電性酸化物であってもよい。
また、導電性酸化物の代わりに、ＴｉＮ、ＺｒＮといった導電性窒化物を用いることができる。これらは、屈折率の低い導電性酸化物層１８において、垂直方向の光分布が急激に減衰するため、ｐ型電極２２における吸収損失の影響を低減できる。
上記実施の形態および変形例に用いることのできる導電性酸化物および導電性窒化物ならびに導電性材料の例を表３に列挙する。
Figure 2015092992
なお、電流ブロック層２０として上記実施の形態では第２クラッド層１６より屈折率の小さいＳｉＯ２を用いたが、ＳｉＯ２に限らず第２クラッド層１６より屈折率の小さい他の絶縁体よりなる層、例えばＡｌ２Ｏ３やＳｉＮを用いることができる。
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第１クラッド層１２のＡｌ組成をＸ１としているが、第１クラッド層をＡｌＧａＮとＧａＮからなる超格子層とすることも可能である。この場合において、Ｘ１は超格子層における平均のＡｌ組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ３ｎｍであってＡｌ組成０．２のＡｌＧａＮ層と、厚さ３ｎｍのＧａＮからなる超格子層で形成する場合、Ｘ１は０．１となる。また、超格子層を厚さ４ｎｍであってＡｌ組成０．２のＡｌＧａＮ層と、厚さ６ｎｍのＧａＮからなる超格子層で形成する場合、Ｘ１は０．０８となる。
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、第２クラッド層１６のＡｌ組成をＸ２としているが、第２クラッド層をＡｌＧａＮとＧａＮからなる超格子層とすることも可能である。この場合は、Ｘ２は超格子層における平均のＡｌ組成とすればよい。すなわち、超格子層を厚さ３ｎｍであってＡｌ組成０．１のＡｌＧａＮ層と、厚さ３ｎｍのＧａＮからなる超格子層で形成する場合、Ｘ２は０．０５となる。
また、上記実施の形態に係る半導体発光素子において、発光波長は５３０ｎｍであるが、活性層１４の組成や層構造を変更することにより発光波長を変えることができる。本発明は、発光波長が約３７０ｎｍの近紫外領域から波長が約６００ｎｍの赤色領域までの半導体発光素子に対し適用することができる。
本発明の半導体発光素子は、素子の直列抵抗の低減、安定した高次横モード発振による線形性に優れた電流−光出力特性、導波路損失の低減、垂直方向の光閉じ込めを両立することができるという効果を有し、車載ヘッドランプやプロジェクタ光源用等において有用である。
１１ 基板
１２ 第１クラッド層
１３ 光ガイド層
１４ 活性層
１５ 電子障壁層
１６ 第２クラッド層
１７ ｐ型コンタクト層
１８ 導電性酸化物層
２０ 電流ブロック層
２１ ｎ型電極
２２ ｐ型電極
２３ リッジ

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成された、Ａｌを有するＩＩＩ族窒化物半導体よりなる一導電形の第１のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層の上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体よりなる活性層と、
    前記活性層の上に形成された、Ａｌを有するＩＩＩ族窒化物半導体よりなる逆導電形の第２のクラッド層と、
    前記第２のクラッド層上に形成された導電性化合物層と、
    前記導電性化合物を上面とし、前記第２のクラッド層を下面とするリッジ構造と、
    を有し、
    前記第２のクラッド層のＡｌ組成は、前記第１のクラッド層のＡｌ組成よりも小さく、
    前記導電性化合物層の屈折率は、前記第２のクラッド層の屈折率よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記リッジ構造は、２次以上の高次横モードを伝播する幅を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前端面と後端面とで形成される導波路を有し、前記リッジ構造は前記前端面と前記後端面との間に形成され、かつ前記リッジ構造の側面に含まれ、かつ前記前端面から前記後端面へ向かう方向と前記導波路の方向とは、所定の角度をなすことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記前端面の反射率をＲｆ、前記後端面の反射率をＲｒ、前記前端面におけるリッジの幅をＷｆ、前記後端面におけるリッジの幅をＷｒとしたとき、Ｒｆ＜ＲｒかつＷｆ＞Ｗｒであることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
  5. 前記前端面から前記後端面へ向かう方向と前記導波路の方向とのなす角度は、０．０５°以上かつ０．１５°以下であることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第２のクラッド層の膜厚が０．３μｍ以上かつ０．６μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記導電性化合物層がインジウムとスズとを含む酸化物よりなり、かつ厚さが０．１５μｍ以上かつ０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  8. 前記第１のクラッド層はＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎよりなり、前記第２のクラッド層はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎよりなり、Ｘ１−Ｘ２≧０．０２、Ｘ１≦０．１、０．０３≦Ｘ２≦０．０７の関係を満たすことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  9. 前記リッジ構造の外側における前記第２のクラッド層の層厚は、０ｎｍより大きく５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
  10. 前記リッジ構造の側面には前記第２のクラッド層よりも屈折率の小さい電流ブロック層が形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
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