JPWO2017195502A1 - 窒化物系発光素子 - Google Patents

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Abstract

窒化物系発光素子は、ＧａＮ基板（１１）上に、第１導電側第１半導体層（１２）、活性層（１５）、第２導電側第１半導体層（１９）を順次備え、活性層（１５）と第２導電側第１半導体層（１９）の間には、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の電子障壁層（１８）を備え、電子障壁層（１８）は、Ａｌ組成が変化する第１領域（１８ａ）を有し、第１領域（１８ａ）は、活性層（１５）から第２導電側第１半導体層（１９）に向かう方向に対してＡｌ組成が単調増加しており、第２導電側第１半導体層（１９）における電子障壁層（１８）に近い側の領域（１９ａ）の不純物濃度は、電子障壁層（１８）に遠い側の領域（１９ｂ）の不純物濃度に対して相対的に低い。

Description

本発明は、窒化物系発光素子に関する。
現在、車用のヘッドライト光源として、ハロゲンランプ、ＨＩＤ(高輝度放電)ヘッドランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプが広く用いられている。現状では、ヘッドライトについてはＨＩＤが主流であり、フォグランプや、車のドレスアップ光源に用いられている。
また、昨今、ＬＥＤよりも発光強度の高い発光素子として、ＬＤ（レーザダイオード）を用いて発光強度を高めたレーザヘッドライト光源が注目されている。ヘッドライトの光源に使用される発光素子としては、例えば、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温においてワット級の高出力動作を行っても数千時間以上の長期動作を行うことができる超高出力青色半導体レーザが要望されている。
このような発光素子を実現するためには、レーザ発振動作中の発光素子の自己発熱を可能な限り抑制する必要がある。また、発光素子において、低動作電流かつ低電圧動作による超低消費電力動作を実現する必要がある。
低動作電流を実現するためには、発光素子において、発光層となる活性層に注入された電子が熱的に励起されて活性層からＰ型クラッド層へ漏れ出すという漏れ電流の発生を抑制することが重要である。特許文献１、２に記載の技術では、漏れ電流の発生を抑制するために、Ｐ型クラッド層と活性層の間に、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を用いている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００２−２７０９７１号公報 特開２０１４−３３２９号公報
発光素子において消費電力を可能な限り低減するには、漏れ電流の発生を抑制するだけでなく、導波路損失の低減、漏れ電流の抑制および動作電圧の低減を同時に行う必要がある。
そこで、本発明は、導波路損失の低減、漏れ電流の抑制および動作電圧の低減を同時に行う発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様にかかる窒化物系発光素子は、ＧａＮ基板上に、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１導電側第１半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、第２導電型の窒化物系半導体を含む第２導電側第１半導体層を順次備え、前記活性層と前記第２導電側第１半導体層の間には、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の電子障壁層を備え、前記電子障壁層は、Ａｌ組成が変化する第１領域を有し、前記第１領域は、前記活性層から前記第２導電側第１半導体層に向かう方向に対してＡｌ組成が単調増加しており、前記第２導電側第１半導体層における前記電子障壁層に近い側の領域の不純物濃度は、前記電子障壁層に遠い側の領域の不純物濃度に対して相対的に低い。
本発明によれば、導波路損失の低減、漏れ電流の抑制および動作電圧の低減を同時に行う発光素子を提供することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１にかかる発光素子の断面構造を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１にかかる発光素子の成長層方向のバンドギャップエネルギー分布を示す図である。 図２Ａにおいて、（ａ）は本発明に実施の形態１にかかる発光素子の成長層方向のバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）はピエゾ分極電荷、（ｃ）は電子障壁層近傍のバンドギャップエネルギー分布を示す図である。 図２Ｂは、ピエゾ電界による電子障壁層のバンド構造変化を示す図である。 図３は、電子障壁層のＡｌ組成分布を示す図である。 図４において、（ａ）はＡｌ組成変化領域の幅（ｘ３）を変化させたときの１００ｍＡ動作電圧の計算結果、（ｂ）はＡｌ組成変化領域の幅（ｘ１）を変化させたときの１００ｍＡ動作電圧の計算結果、（ｃ）はＡｌ組成変化領域の幅（ｘ１、ｘ３）を変化させたときの１００ｍＡ動作電圧の計算結果である。 図５において、（ａ）はＡｌ組成一定領域（３５％）の幅ｘ２を７ｎｍとした場合のバンド構造の計算結果、（ｂ）はＡｌ組成増大領域（０％から３５％へ変化）の幅ｘ１を５ｎｍ、Ａｌ組成一定（３５％）領域の幅ｘ２を２ｎｍとした場合のバンド構造の計算結果、（ｃ）はＡｌ組成減少領域（３５％から０％へ変化）の幅ｘ３を５ｎｍ、Ａｌ組成一定（３５％）領域の幅ｘ２を２ｎｍとした場合の１００ｍＡ動作時のバンド構造の計算結果である。 図６Ａは、電子障壁層のＡｌ組成分布を示す図である。 図６Ｂにおいて、（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２０％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｂ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２５％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｃ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３０％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のｘ１及びｘ２依存性の計算結果、（ｄ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３５％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｅ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が４０％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果である。 図７において、（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２０％の場合における電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｂ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２５％の場合における電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｃ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３０％の場合における電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｄ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３５％の場合における電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）ｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｅ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が４０％の場合における電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）ｘ１及びｘ２への依存性の計算結果である。 図８において、（ａ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２０％の場合における導波路損失のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｂ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が２５％の場合における導波路損失のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｃ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３０％の場合における導波路損失のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｄ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が３５％の場合における導波路損失のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果、（ｅ）は本発明の実施の形態１にかかる発光素子におけるＡｌ組成一定領域のＡｌ組成が４０％の場合における導波路損失のｘ１及びｘ２への依存性の計算結果である。 図９において、（ａ）は本発明に実施の形態１にかかる発光素子の成長層方向のバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）は本発明に実施の形態１にかかる発光素子の電子障壁層、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層での不純物濃度分布、（ｃ）は電子障壁層近傍のバンドギャップエネルギー分布を示す図である。 図１０は、１００ｍＡ動作時における動作電圧の計算結果である。 図１１は、導波路損失の低減量の計算結果である。 図１２において、（ａ）は５×１０１８ｃｍ−３のＭｇをドーピングした場合の１００ｍＡ動作時の動作電圧の計算結果、（ｂ）は電子障壁層へ１×１０１９ｃｍ−３のＭｇをドーピングした場合の１００ｍＡ動作時の動作電圧の計算結果（ｃ）は電子障壁層へ２×１０１９ｃｍ−３のＭｇをドーピングした場合の１００ｍＡ動作時の動作電圧の計算結果である。 図１３において、（ａ）は従来の構造を有する発光素子の電流−光出力特性、（ｂ）は従来の構造を有する素子の電流−電圧特性、（ｃ）は本発明の実施の形態１の構造を有する発光素子の電流−光出力特性、（ｄ）は本発明の実施の形態１の構造を有する発光素子の電流−電圧特性を示す図である。 図１４において、（ａ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層および第２光ガイド層の界面から１×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドーピングした場合のＮ型層領域のバンド構造の計算結果、（ｂ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層および第２光ガイド層から１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした場合の１００ｍＡ動作時のＮ型層領域のバンド構造、（ｃ）は本発明の実施の形態２にかかる発光素子に対する１００ｍＡ動作時のＮ型層領域のバンド構造の計算結果である。 図１５において、（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる発光素子におけるバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）は本発明の実施の形態２にかかる発光素子における不純物の濃度分布（ドーピング量）を示す図である。 図１６において、（ａ）は本発明の実施の形態２にかかる発光素子の断面構造、（ｂ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層、第２光ガイド層および第３光ガイド層の界面近傍を示す拡大図である。 図１７において、（ａ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層と第２光ガイド層界面からのＮ型不純物のドーピング量を変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧のドーピング領域の幅への依存性の計算結果、（ｂ）は第２ガイド層と第３ガイド層界面からのＮ型不純物のドーピング量を変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧のドーピング領域の幅への依存性の計算結果、（ｃ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層と第２光ガイド層の界面、および、第２ガイド層と第３ガイド層の界面からのＮ型不純物のドーピング量を変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧のドーピング領域の幅への依存性の計算結果である。 図１８は、導波路損失の高濃度不純物ドーピング領域幅依存性の計算結果である。 図１９は、本発明の実施の形態４にかかる発光素子におけるバンドギャップエネルギー分布を示す図である。 図２０において、（ａ）は本発明の実施の形態４にかかる発光素子の断面構造を示す断面図、（ｂ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層、第２光ガイド層および第３光ガイド層の界面近傍を示す拡大図である。 図２１は、本発明の実施の形態４にかかる発光素子の、１００ｍＡ動作時の動作電圧の不純物濃度への依存性の計算結果である。 図２２は、本発明の実施の形態４にかかる発光素子の、１００ｍＡ動作時の動作電圧のバンド構造の計算結果である。 図２３において、（ａ）は本発明の実施の形態５にかかる発光素子の断面構造を示す断面図、（ｂ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層、第２光ガイド層および第３光ガイド層の界面近傍を示す拡大図である。 図２４において、（ａ）は本発明の実施の形態５にかかる発光素子のバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）は本発明の実施の形態５にかかる発光素子の不純物の濃度分布（ドーピング量）を示す図である。 図２５において、（ａ）は本発明の実施の形態６にかかる発光素子の断面構造、（ｂ）はＮ型ＡｌＧａＮクラッド層、第２光ガイド層および第３光ガイド層の界面近傍を示す拡大図である。 図２６において、（ａ）は本発明の実施の形態６にかかる発光素子のバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）は本発明の実施の形態６にかかる発光素子の不純物の濃度分布（ドーピング量）を示す図である。 図２７において、（ａ）は本発明の実施の形態６にかかる発光素子の電子障壁層のバンド構造分布の一例、（ｂ）は他の一例、（ｃ）はその他の例を示す図である。 図２８において、（ａ）は従来例にかかる発光素子の構造、（ｂ）はバンド構造を示す図である。 図２９Ａにおいて、（ａ）は従来例にかかる発光素子の成長層方向のバンドギャップエネルギー分布、（ｂ）はピエゾ分極電荷、（ｃ）は電子障壁層近傍のバンドギャップエネルギー分布を示す図である。 図２９Ｂは、ピエゾ電界による電子障壁層のバンド構造変化を示す図である。 図３０は、従来例にかかる発光素子のバンド構造を示す図である。
（本発明の基礎となった知見）
実施の形態を説明する前に、本発明の基礎となった知見について説明する。
現在、車用のヘッドライト光源として、ハロゲンランプ、ＨＩＤ(高輝度放電)ヘッドランプ、ＬＥＤ（発光ダイオード）ランプが広く用いられている。
ハロゲンランプは、電球内部に封入する窒素やアルゴン等の不活性ガスに、ハロゲンガスを微量入れ、内部のフィラメントに通電して、白熱させた際の発光を利用しており、従前より、広く用いられている。ＨＩＤランプは、ハロゲンランプと異なり、フィラメントを持たず、電球が切れることがなく、放電できる限り発光する。ＨＩＤランプは、一般的に、ハロゲンランプと比較して高価ではあるが、低消費電力でありながら、高輝度、長寿命という利点がある。ＬＥＤランプは、寿命が長く、取替えの手間もバルブのみの交換で済み、消費電力は、ＨＩＤよりも低く、発熱量も低い。ただし、明るさはＨＩＤと比較して落ちるため、現状では、ヘッドライトはＨＩＤが主流であり、フォグランプや、車のドレスアップ光源に用いられている。
また、昨今、ＬＥＤよりも発光強度の高い発光素子として、ＬＤ（レーザダイオード）を光源として用いることで発光強度を高めたレーザヘッドライト光源が注目されている。ヘッドライトの光源に使用される発光素子として、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温においてワット級の高出力動作時においても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力の青色半導体レーザが要望されている。このような超高出力の青色半導体レーザで蛍光体を励起し、黄色光を得ることができれば、照射光全体として白色の超高出力光源を得ることが可能となる。
このような高信頼性の超高出力の青色半導体レーザを実現するためには、レーザ発振動作中の素子の自己発熱を可能な限り抑制する必要がある。また、低動作電流、低電圧動作による超低消費電力動作を実現する必要がある。
通常、半導体レーザは、発光層となる活性層を、活性層よりもバンドギャップエネルギーの高いＮ型、Ｐ型のクラッド層で挟んだ、ＤＨ（ダブルへテロジャンクション）構造をとっている。半導体レーザにおいて低動作電流を実現するためには、８５℃の高温動作時においても、活性層に注入された電子が熱的に励起されて、活性層からＰ型クラッド層へ漏れ出す無効電流（漏れ電流）の発生を抑制することが重要である。
漏れ電流の発生を抑制するには、Ｐ型クラッド層と活性層の間に、特許文献１、２に示されているように、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を用いることが効果的である。このような構成とすれば、活性層に注入された電子は、熱的に励起されても、バンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を超えることが難しくなる。従って、半導体レーザにおいて漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。
上述のように、漏れ電流の発生を抑制するには、Ｐ型クラッド層と活性層の間に、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を用いることが効果的である。
例えば、特許文献１にかかる構造では、図２８の（ａ）および（ｂ）に示すように、活性層２１２がＮ型層２１１とＰ型層２１３で挟まれており、活性層２１２と上部クラッド層２３０の間に、バンドギャップエネルギーが上部クラッド層２３０よりも大きいＰ側電子閉じ込め層２２８を有する構造としている。この構造においては、活性層２１２に注入された電子は、ＡｌＧａＮからなるＰ側電子閉じ込め層２２８のエネルギー障壁により、上部クラッド層２３０へ高温動作時においても漏れにくくなる。
しかしながら、窒化物系材料においては、基板にＧａＮ結晶の（０００１）面（Ｃ面）を用いた場合、ＧａＮはウルツァイト（ＷＺ）型結晶構造であるため、ＷＺ型結晶構造の原子配列から、窒化物系材料は、物性として圧電性（ピエゾ効果）を有することが知られている。この場合、結晶に応力が掛かるとそれに応じた分極による電界が結晶中に新たに生じることになる。具体的には、図２９Ａおよび図２９Ｂに示すように、ＡｌＧａＮからなるＰ側電子閉じ込め層２２８とＧａＮとの間には格子不整合が存在し、応力が生じる。その結果、ＡｌＧａＮからなるＰ側電子閉じ込め層２２８とＧａＮとの結晶構造が歪むため、ピエゾ効果による電界が生じ、Ｐ側電子閉じ込め層２２８のバンド構造が変形する。このとき、図２９Ａの（ｂ）、（ｃ）および図２９Ｂに示すように、Ｐ側電子閉じ込め層２２８において、Ｐ側のエネルギーが高くなるようにバンド構造が変形する。このような変形が生じると、Ｐ型クラッド層２３０から活性層２１２に注入される正孔に対して、Ｐ側電子閉じ込め層２２８でのエネルギー障壁が大きくなり、活性層２１２からＰ型クラッド層２３０へ漏れていく電子に対するエネルギー障壁は、逆に小さくなる。この結果、素子の動作電圧と漏れ電流が増大し、消費電力の増大につながる。
また、特許文献２には、図３０に示すように、活性層３５０とクラッド層３７０の間に、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０を形成し、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の両界面領域３８２および３８４では、Ａｌ組成を徐々に変化された構造が開示されている。この構造において、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の両界面領域のＡｌ組成を徐々に変化させることにより、両界面領域３８２および３８４で生じる応力を分散させ、活性層３５０に付加される応力を低減する技術が開示されている。
Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の界面においてＡｌ組成を徐々に変化させると、界面において形成されるピエゾ電界は、Ａｌ組成が変化している領域に分散されるため、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０のピエゾ電界によるバンド構造の変化を制御することができる。
ここで、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０のＮ型クラッド層側のＡｌ組成を活性層側からＰ型クラッド層側に向けて徐々に増大させると、ピエゾ電界とバンドギャップエネルギーを徐々に変化させることが可能となる。このとき、ピエゾ電界による価電子帯のバンド構造の変化と、バンドギャップエネルギーの変化が相殺するように補償させることができれば、電子障壁層の正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制しつつ、電子に対するエネルギー障壁を増大させることが可能となる。
一方、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０では電子に対するエネルギー障壁を増大させて漏れ電流を抑制する必要から、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０におけるＡｌ組成を２０％程度以上に高くする必要がある。Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０においてＡｌ組成が高いと、Ｐ型のドーパントとして使用するＭｇの活性化率が低下しやすくなる。そのため、イオン化アクセプター密度を高めてＰ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の伝導帯のエネルギーを高くする必要があり、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０におけるＭｇのドーピング濃度を、他のＰ型層と比較して相対的に高めなければならない。この場合、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の膜厚が厚くなりすぎると、レーザの導波路で形成される光分布に対するＰ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０でのフリーキャリア損失の影響が大きくなってしまう。この結果、電流−光出力特性における注入電流に対する光出力の変化の割合（スロープ効率）が小さくなり、動作電流値の増大を招くことになる。
逆に、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０が薄くなりすぎると、Ａｌ組成が傾斜しているＰ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の界面領域３８２の膜厚が薄くなる。よって、ピエゾ電界による価電子帯のバンド構造の変化と、バンドギャップエネルギーの変化を相殺するようにＡｌ組成と膜厚を制御することが困難になる。
したがって、単純にＡｌ組成傾斜電子障壁層３８０の界面領域３８２および３８４においてＡｌ組成を変化させるだけでは、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０での導波路損失の増大を抑制しつつ、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０の正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制し、さらに、電子に対するエネルギー障壁を増大させること全て満足させることは困難である。しかし、特許文献２においては、Ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層３８０のＡｌ組成傾斜が、漏れ電流や動作電圧、導波路損失に与える影響は何ら考慮されていない。
車載ヘッドライトの光源となる窒化物系青色半導体レーザに対しては、８５℃の高温においてワット級の高出力動作時においても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力青色半導体レーザが要望されている。よって、超高調光出力青色半導体レーザの消費電力を可能な限り低減する必要がある。このためには、導波路損失の低減、漏れ電流の抑制、動作電圧の低減を同時に行う必要がある。
以下に示す窒化物系発光素子は、８５℃の高温動作においても、漏れ電流の少ない、低消費電力の高信頼性のワット級超高出力レーザを実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、説明を行う。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、工程及び工程の順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
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。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または簡略化する。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る窒化物系発光素子（以下、単に「発光素子」ともいう。）の断面構造を図１Ａに示す。図１Ａに示すのは、ＧａＮ基板１１上に、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚１．２μｍ）１２、Ｎ型ＧａＮからなる第２光ガイド層（１００ｎｍ）１３、アンドープのＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層（膜厚１８５ｎｍ）１４、アンドープの多重量子井戸活性層１５、アンドープのＩｎＧａＮからなる第１光ガイド層（膜厚１００ｎｍ）１６、Ｐ型のＧａＮからなる中間層（膜厚５ｎｍ）１７、Ｐ型の電子障壁層１８、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（膜厚６６０ｎｍ）１９、Ｐ型ＧａＮコンタクト層（膜厚０．１μｍ）２０、光分布に対して透明な電流ブロック層３０、Ｎ型電極３１、Ｐ型電極３２からなる発光素子の断面図である。リッジの幅（Ｗ）は１６．０μｍである。
このとき、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９では、リッジ上部と多重量子井戸活性層１５までの距離を０．８７μｍ、リッジ下端部と多重量子井戸活性層１５との距離をｄｐ（０．２μｍ）としている。
Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２は、本発明における第１導電側第１半導体層に相当し、第１導電型であるＮ型の窒化物系半導体（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ）を少なくとも含む。
多重量子井戸活性層１５は、本発明における活性層に相当し、少なくともＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体の材料からなる。
Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９は、本発明における第２導電側第１半導体層に相当し、第２導電型であるＰ型の窒化物系半導体（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ）を少なくとも含む。
Ｐ型の電子障壁層１８は、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む。電子障壁層１８は、Ａｌ組成が変化するＡｌ組成増大領域（第１領域）１８ａを有し、Ａｌ組成増大領域１８ａは、多重量子井戸活性層１５からＰ型ＡｌＧａＮクラッド層１９に向かう方向に対してＡｌ組成が単調増加している。また、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９における電子障壁層１８に近い側の低ドーピング領域１９ａの不純物濃度は、電子障壁層に遠い側の高ドーピング領域１９ｂの不純物濃度に対して相対的に低い。なお、電子障壁層１８の構成については、後に詳述する。
ここで、本実施の形態においては、多重量子井戸活性層１５に垂直方向（基板法線方向）に光を閉じ込めるためにＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、及び、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９のＡｌ組成を０．０３５（３．５％）としている。Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２及びＰ型ＡｌＧａＮクラッド層１９のＡｌ組成を大きくすると、多重量子井戸活性層１５とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２およびＰ型ＡｌＧａＮクラッド層１９との間の屈折率差を大きくすることができる。これにより、多重量子井戸活性層１５に垂直方向に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながら、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２とＧａＮ基板１１との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮクラッド層１２のＡｌ組成を大きくしすぎると、格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。従って、ＡｌＧａＮクラッド層１２のＡｌ組成は０．０５（５％）以下で素子を作製する必要がある。
また、本実施の形態における多重量子井戸活性層１５は、波長４５０ｎｍのレーザ発振を得るために、図１Ｂに示すように、厚さ３０Å、Ｉｎ組成０．１６（１６％）のＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄを２層備えたＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造としている。多重量子井戸活性層１５におけるバリア層１５ａ、１５ｃ、１５ｅは、厚さ７ｎｍ、Ｉｎ組成０．００８（０．８％）のＩｎＧａＮとしている。
ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄのＩｎ組成は、４５０ｎｍ帯のレーザ発振光を得るために、組成１５％以上の高Ｉｎ組成が必要である。この場合、ＧａＮとの格子不整が１．７％以上となり、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄの膜厚を厚くしすぎると、格子欠陥が生じてしまう。逆に、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄの膜厚を薄くしすぎると、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄへの垂直方向の光閉じ込め係数が小さくなり、発振しきい値や動作キャリア密度が高くなるため、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。従って、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄの膜厚は２７Å以上３３Å以下の範囲で作製することが好ましい。
また、第１光ガイド層１６、第３光ガイド層１４のＩｎ組成が小さいと、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄへの垂直方向の光閉じ込めが小さくなり、発振しきい値や動作キャリア密度が高くなる。この結果、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。逆に、第１光ガイド層１６、第３光ガイド層１４のＩｎ組成が大きいと、ＩｎＧａＮとＧａＮとの格子不整の増大により、格子欠陥が生じやすくなる。このため、格子欠陥が生じずに、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄへの垂直方向の光閉じ込め係数を増大させるために、第１光ガイド層１６、第３光ガイド層１４のＩｎ組成は、０．０３（３％）以上、０．０６（６％）以下で作製することが好ましい。
本実施の形態においては、第１光ガイド層１６、第３光ガイド層１４のＩｎ組成を０．０３（３％）として、格子欠陥の発生の抑制と、ＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄへの垂直方向の光閉じ込め係数の増大を両立させている。
また、リッジ側面上に、ＳｉＯ２からなる誘電体の電流ブロック層（０．１μｍ）３０が形成されている。この構造において、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２０から注入された電流は、電流ブロック層３０によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ下端部下方に位置する多重量子井戸活性層１５に集中して電流注入される。また、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は、百ｍＡ程度の注入電流により実現される。多重量子井戸活性層１５へ注入された電子と正孔からなるキャリアの再結合により発光した光は、多重量子井戸活性層１５と垂直な方向については、第１光ガイド層１６、第３光ガイド層１４、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９により垂直方向の光は閉じ込められる。多重量子井戸活性層１５と平行な方向（以下、水平方向）については電流ブロック層３０がＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９よりも屈折率が低いため、水平方向の光は閉じ込められる。また、電流ブロック層３０はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層３０に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１×１０−３のオーダのΔＮ（リッジ内外の垂直方向実効屈折率の差）を容易に得ることができる。さらに、ΔＮの大きさを電流ブロック層３０と多重量子井戸活性層１５間の距離（ｄｐ）の大きさで、同じく１×１０−３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力の発光素子を得ることができる。本実施の形態においては、ΔＮの値を５×１０−３として、水平横方向の光の閉じ込めを行っている。
図２Ａの（ａ）に、本実施の形態にかかる構造の成長層方向のバンドギャップエネルギー分布を示す。
図２Ａの（ａ）に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のバンドギャップエネルギーをＥ１、第２光ガイド層１３のバンドギャップエネルギーをＥ２とすると、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２のバンドギャップエネルギーＥ１と第２光ガイド層１３のバンドギャップエネルギーＥ２とは、Ｅ１＞Ｅ２の関係を有している。また、第３光ガイド層１４のバンドギャップエネルギーをＥ３とすると、第２光ガイド層１３のバンドギャップエネルギーＥ２と第３光ガイド層１４のバンドギャップエネルギーＥ３とは、Ｅ２＞Ｅ３の関係を有している。
窒化物系半導体材料では、バンドギャップエネルギーが高いと、格子定数と屈折率が大きくなるという性質がある。また、レーザ発振に必要な発振しきい電流値を小さくし、動作電流値の低減をはかるためには、活性層への垂直方向の光閉じ込めを強くすることが有効である。活性層への垂直方向の光閉じ込めを強くするためには、活性層とクラッド層の屈折率差を大きくすることや、活性層とクラッド層の間に、屈折率がクラッド層よりも高い光ガイド層を形成して垂直方向の光分布が活性層に集中しやすくすることが有効である。
本実施の形態において、多重量子井戸活性層１５を構成するＩｎＧａＮウェル層１５ｂ、１５ｄに対する屈折率差を大きくするために、Ｎ型クラッド層１２には、屈折率が小さいＡｌＧａＮを用いて、垂直方向の光閉じ込めを強めている。また、多重量子井戸活性層１５とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の間には、バンドギャップエネルギーが相対的に小さく、屈折率が相対的に大きい第３光ガイド層１４を形成し、さらに垂直方向の光閉じ込めを強めている。このような構成とすることで、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２上に多重量子井戸活性層１５を形成した場合に比べて、垂直方向の光閉じ込め係数を強め、発振しきい電流値や動作電流値を低減することが可能となる。
ここで、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２上に、接するように第３光ガイド層１４を形成すると、格子定数の差が大きいため、界面での応力が大きくなり、格子欠陥が発生しやすくなる。格子欠陥が発生すると、レーザ発振に寄与しない非発光再結合中心となるため、発振しきい電流値や動作電流値の増大をもたらすことになる。この結果、高温高出力状態での長期信頼性動作保証に重大な支障をきたしてしまうことになる。
格子欠陥の発生を抑制するために、本実施の形態において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と、第３光ガイド層１４の間に、バンドギャップエネルギーがＥ１とＥ３の間の大きさであるＥ２を有する第２光ガイド層１３を備えている。この場合、第２光ガイド層１３の格子定数は、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と、第３光ガイド層１４の間の大きさとなるために、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第３光ガイド層１４間の格子定数の差に起因する応力の大きさが低減されるため、界面での格子欠陥の発生を抑制することができる。
一方、第２光ガイド層１３の屈折率も、格子定数と同じく、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と、第３光ガイド層１４の間の大きさとなる。従って、第２光ガイド層１３の膜厚を厚くしすぎると、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２が、多重量子井戸活性層１５と離れるために、垂直方向の光の閉じ込めが弱まってしまう。そこで、本実施の形態において、第２光ガイド層１３の膜厚を、第３光ガイド層１４よりも薄くし、界面での格子欠陥の発生抑制と、多重量子井戸活性層１５への垂直方向の光閉じ込めの増大を両立させている。
また、電子障壁層１８はＡｌＧａＮから成り、Ａｌ組成が０（０％）のＧａＮからＡｌ組成０．３５（３５％）のＡｌＧａＮまで、Ａｌ組成が膜厚５ｎｍの範囲で徐々に増大するＡｌ組成増大領域１８ａと、Ａｌ組成が０．３５（３５％）で一定となる領域１８ｂ（膜厚２ｎｍ）から構成されている。この場合、電子障壁層１８のバンドギャップエネルギーは、図２Ａの（ａ）に示すように、多重量子井戸活性層１５側のバンドギャップエネルギーが垂直方向に対して徐々に増大する構造となっている。
図２９Ａの（ａ）に示すように、電子障壁層（Ｐ側電子閉じ込め層）２２８を、組成が一定のＡｌＧａＮとすると、引っ張り歪により電子障壁層２２８の両界面には、図２９Ａの（ｂ）に示すようなピエゾ分極による電荷が付加される。この場合、電子障壁層２２８には、図２９Ａ（ｂ）に示すような電界Ｅｐが付加され、電子障壁層２２８のバンド構造は図２９Ｂに示すように変化し、ホールに対する電位障壁が増大し、電子に対する電位障壁が小さくなる。このため、動作電圧が増大し、素子の消費電力が増大し、素子の自己発熱が大きくなる。特に、高温動作時においては、多重量子井戸活性層２１２に注入された電子は、電子障壁層２２８を越えて、クラッド層２３０側へ漏れ易くなり、温度特性を損なうことになる。
これに対し、図２Ａの（ａ）に示す本実施の形態にかかる構造における電子障壁層１８では、図２Ａの（ｂ）および（ｃ）に示すように、Ａｌ組成が多重量子井戸活性層１５側の界面で徐々に変化している。これにより、Ａｌ組成が変化する多重量子井戸活性層１５側の領域１８ａにおいて、電子障壁層１８に生じるピエゾ分極電荷も分散して生じ、ピエゾ分極電荷によって生じる電界（ピエゾ電界）の大きさも徐々に変化する。Ａｌ組成が徐々に変化するとバンドギャップエネルギーも徐々に変化することから、図２Ｂに模式的に示すように、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造の変化を電子障壁層１８の組成変化による価電子バンド構造の変化で効果的に打ち消すことが可能となる。このとき、正孔に対する電子障壁層１８のエネルギー障壁の増大を抑制することで、発光素子１の動作電圧が小さくなると共に、電子に対するエネルギー障壁を増大することが可能となる。
まず、発光素子１の動作電圧の、電子障壁層１８でのＡｌ組成の分布状態依存性を数値計算による詳細な見積もりを行ったので説明を行う。本実施の形態では、中間層１７には１×１０１９ｃｍ−３、電子障壁層１８には、２×１０１９ｃｍ−３、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９には１×１０１９ｃｍ−３、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２０には、１×１０２０ｃｍ−３のＭｇを、Ｐ型の不純物としてドーピングしている。また、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３には、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを、Ｎ型不純物としてドーピングしている。中間層１７には、電子障壁層１８と同じく高濃度のＭｇをドーピングし、中間層１７と電子障壁層１８との界面でスパイクが発生することによる動作電圧の増大を抑制している。この構造条件を用いて、発光素子の動作電圧の見積もりを行った。
中間層１７と電子障壁層１８とのＰ型界面でのスパイクの発生を効果的に抑えるためには、中間層１７のバンドギャップエネルギーは、電子障壁層１８の最も多重量子井戸活性層１５寄りの領域のバンドギャップ以下とし、第１光ガイド層１６のバンドギャップよりも大きくしつつ、中間層１７に、１×１０１９ｃｍ−３以上に高濃度のＭｇをドーピングすることが効果的である。ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮにおいては、バンドギャップエネルギーが大きいと格子定数が小さくなる関係があるため、この構成により、中間層１７の格子定数は、電子障壁層１８以上、第１光ガイド層１６未満の大きさとなる。この結果、電子障壁層１８の格子定数と第１光ガイド層１６の格子定数との間の格子定数の結晶格子からなる中間層１７を備えることにより、電子障壁層１８と第１光ガイド層１６の間に生じる格子不整によるピエゾ分極が、中間層１７で分散される。このため、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造のスパイクの障壁電位を小さくすることができ、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。本実施の形態では中間層１７はＰ型ＧａＮとしている。
電子障壁層１８には、Ａｌ組成に応じて、Ａｌ組成増大領域１８ａ、Ａｌ組成一定領域１８ｂおよびＡｌ組成減少領域１８ｃの３つの領域が形成されている。なお、Ａｌ組成に応じて、Ａｌ組成増大領域１８ａおよびＡｌ組成減少領域１８ｃを合わせてＡｌ組成変化領域と呼ぶ。計算においては、電子障壁層１８のＡｌ組成分布は、図３に示すように、多重量子井戸活性層１５側のＡｌ組成増大領域１８ａの幅をｘ１、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅をｘ２、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側のＡｌ組成減少領域１８ｃの幅をｘ３としている。また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１ではＡｌ組成は０％から３５％まで変化させ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２ではＡｌ組成は３５％とし、Ａｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３ではＡｌ組成は３５％から０％まで変化させている。
また、ストライプ幅、すなわち、リッジ下端部の幅は１５μｍ、共振器長は１１５０μｍとして、電流−電圧特性の見積もりを行い、電流が１００ｍＡ流れる電圧を１００ｍＡ動作の動作電圧とし計算している。
ここで、電子障壁層１８のＡｌ組成が２０％以上に高い場合、ドーピングするＭｇの濃度を、１×１０１９ｃｍ−３以上に高めないと電子障壁層１８における価電子帯のバンド構造でのスパイクが大きくなり正孔に対する電位障壁が増大してしまう。このため、電子障壁層１８の膜厚を厚くすると、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯バンド構造におけるスパイクの増大による動作電圧の増大のみならず、導波光に対する導波路損失が増大し、動作電流値の増大につながる。逆に、電子障壁層１８の膜厚が薄いとトンネル効果により、電子障壁層１８のエネルギー障壁を電子、正孔は通過しやすくなり、漏れ電流が発生する。そこで、従来の電子障壁層１８の膜厚は、５ｎｍから１０ｎｍの範囲で設定し、典型的には膜厚を７ｎｍとしてきた。Ａｌ組成を３５％一定とした電子障壁層１８の構造では、電子障壁層１８の膜厚が５ｎｍ及び７ｎｍの場合、動作電圧はそれぞれ、３．６５Ｖ、３．７Ｖである。
図４の（ａ）は、電子障壁層１８には、Ａｌ組成減少領域１８ｃがＰ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側のみに形成されており、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、７ｎｍである構造において、Ａｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を１ｎｍから３０ｎｍまで変化させた場合の動作電圧の計算結果である。
図４の（ａ）に示すように、発光素子１において、Ａｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３、あるいは、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が小さいと電圧低減の効果はあるが、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を大きくすると、１００ｍＡ動作時の動作電圧が増大する。これは、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側にＡｌ組成減少領域１８ｃを設けると、価電子帯のエネルギーバンド構造においてピエゾ電界により正孔に対する電位障壁が増大するためである。図４の（ａ）に示す結果では、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下、Ａｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を５ｎｍ以下とすれば、３．６Ｖ以下の１００ｍＡ動作時の動作電圧が得られ、電圧低減の効果がある。
さらに、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を１ｎｍ以下、Ａｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を３ｎｍ以下とすれば、動作電圧が３．４５Ｖ以下となり、従来の電子障壁層と比較して０．２Ｖ程度以上の低電圧効果がある。この場合、電子障壁層１８の合計膜厚が４ｎｍ以下と薄くなりすぎるため、トンネル効果により漏れ電流の発生が懸念される。従って、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側にのみＡｌ組成減少領域１８ｃを設けた場合、漏れ電流の発生を抑制しつつ、発光素子の動作電圧を安定して低減できる。なお、低電圧化の効果は、０．２Ｖ程度である。
図４の（ｂ）に示すのは、電子障壁層１８には、Ａｌ組成増大領域１８ａが多重量子井戸活性層１５側のみに形成されており、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、７ｎｍである構造において、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を１ｎｍから３０ｎｍまで変化させた場合の動作電圧の計算結果である。
図４の（ｂ）に示すように、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を大きくすると、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍ以下の場合には、発光素子の動作電圧の変化は微小であるが、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以上であれば、発光素子の動作電圧が低減されることがわかる。
これは、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ未満の場合、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅が非常に小さくなり、電子障壁層１８のエネルギーバンド分布は、ほぼ、Ａｌ組成増大領域１８ａにより決まると考えられる。この場合、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造の変化は、電子障壁層１８の組成変化による価電子バンド構造の変化で打ち消され、価電子帯のバンド構造でのスパイクが小さくなり、動作電圧がほぼ一定となると考えられる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以上の場合、Ａｌ組成増大領域の幅ｘ１が小さいと、Ａｌ組成一定領域１８ｂにおけるピエゾ効果により、価電子帯のバンド構造でのスパイクの影響で、発光素子の動作電圧が増大する。しかしながら、Ａｌ組成増大領域の幅ｘ１を大きくしていくと、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造の変化は、電子障壁層１８の組成変化による価電子バンド構造の変化で効果的に打ち消され、正孔に対する電子障壁層１８の電位障壁が低減される。その結果、発光素子の動作電圧が小さくなると考えられる。この動作電圧の低減効果は、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上であれば得られる。また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が１０ｎｍ以上となると、発光素子の動作電圧はほぼ一定となることから、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば動作電圧は３．３５Ｖ以下に低減される。これにより、従来の電子障壁層の構造と比較して０．３Ｖ程度の低電圧効果が得られる。
また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が７ｎｍ以下であれば、発光素子の動作電圧は低減される。さらに発光素子の動作電圧を低減するためには、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２は、好ましくは４ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以下であればよい。
図４の（ｃ）は、電子障壁層１８の多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａ、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側にＡｌ組成減少領域１８ｃが形成されており、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、７ｎｍである構造において、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３をそれぞれ１ｎｍから３０ｎｍまで変化させた場合の動作電圧の計算結果である。
図４の（ｃ）に示すように、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を大きくすると、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が０ｎｍの場合には、発光素子の動作電圧の変化は微小であるが、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍ以上であれば、発光素子の動作電圧が低減されることがわかる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が０ｎｍの場合、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側のＡｌ組成減少領域１８ｃにおけるピエゾ電界のために、価電子帯のバンド構造にはスパイクが形成される。このスパイクの影響で、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３がそれぞれ５ｎｍ以下の領域において、発光素子の動作電圧が増大すると考えられる。Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３が５ｎｍ以上となると、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造の変化は、電子障壁層１８の組成変化による価電子バンド構造の変化で打ち消される。従って、価電子帯のバンド構造でのスパイクの大きさは一定となり、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１およびＡｌ組成減少領域１８ｃの幅ｘ３を大きくしても動作電圧はほぼ一定となる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍ以上となると、Ａｌ組成増大領域ｘ１が小さい場合、Ａｌ組成一定領域１８ｂにおけるピエゾ効果により、価電子帯のエネルギー分布におけるスパイクの影響で、発光素子の動作電圧が増大する。しかしながら、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を大きくしていくと、ピエゾ電界による電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造の変化は、電子障壁層１８の組成変化による価電子バンド構造の変化で効果的に打ち消される。これにより、正孔に対する電子障壁層１８の電位障壁が低減され、発光素子の動作電圧が小さくなる。この動作電圧の低減効果は、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上あればよいことがわかる。また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が１０ｎｍ以上となると、発光素子の動作電圧はほぼ一定となる。このことから、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であれば、発光素子の動作電圧は３．４Ｖ以下となり、従来の電子障壁層と比較して、０．２５Ｖ程度の電圧低減効果が得られる。
また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が７ｎｍ以下であれば、発光素子の動作電圧は低減され、さらに動作電圧を低減するためには、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２は好ましくは４ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以下であればよい。
ここで、電子障壁層１８のＡｌ組成は高く、ドーピングするＭｇの濃度を後述するように、１×１０１９ｃｍ−３以上に高めないと電子障壁層１８における価電子帯のバンド構造でのスパイクが大きくなり正孔に対する電位障壁が増大してしまう。このため、電子障壁層１８の合計膜厚を厚くすると、導波光に対する導波路損失が増大し、動作電流値の増大につながる。従って、低動作電圧、低導波路損失を両立されるためには、電子障壁層１８の合計膜厚が薄い方が良く、多重量子井戸活性層１５側にのみＡｌ組成増大領域１８ａを形成することが好ましい。
図４の（ａ）から（ｃ）に示す結果から、電子障壁層１８におけるＡｌ組成が変化する領域は、導波路損失と動作電圧の低減の両立を図るためには、多重量子井戸活性層１５側のみに形成することが好ましいことがわかる。
図５の（ａ）にＡｌ組成増大領域１８ａおよびＡｌ組成減少領域１８ｃがなく、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）の幅ｘ２を７ｎｍとした場合、図５の（ｂ）に多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａ（０％から３５％へ変化）を５ｎｍ形成し、Ａｌ組成一定（３５％）領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍとした場合、図５の（ｃ）にＰ型ＡｌＧａＮクラッド層１９側にＡｌ組成減少領域１８ｃ（３５％から０％へ変化）を５ｎｍ形成し、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）の幅を２ｎｍとした場合において、動作電流値が１００ｍＡとなる場合のバンド構造の詳細な計算結果をそれぞれ示す。
図５の（ａ）に示すように、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで構成される電子障壁層１８においては、電子障壁層１８にはピエゾ効果による電界により正孔に対する電位障壁が大きくなるように価電子帯のバンド構造が変化していることがわかる。
図５の（ｂ）に示す結果では、電子障壁層１８の価電子帯のバンド構造は、ピエゾ効果による電界による変形と、Ａｌ組成の変化によるバンドギャップエネルギーの変化が上手く打ち消され、正孔に対する電位障壁が小さくなっていることがわかる。さらに、電子に対する電位障壁も高くなり、漏れ電流が発生しにくくなっていることがわかる。
図５の（ｃ）に示す結果では、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで構成される電子障壁層１８と同様に、電子障壁層１８にはピエゾ効果による電界により正孔に対する電位障壁が大きくなるように価電子帯のバンド構造が変化していることがわかる。
図５の（ａ）から（ｃ）に示す結果からも、電子障壁層１８には、多重量子井戸活性層１５側にのみＡｌ組成を変化する領域を形成した方が、発光素子の動作電圧の低減と、漏れ電流発生抑制に効果があることがわかる。
次に、電子障壁層１８におけるＡｌ組成一定領域１８ｂを多重量子井戸活性層１５側にのみ形成した場合において、低電圧化、低導波路損失化、漏れ電流の抑制の全てを満足する、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１とＡｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２について説明を行う。
図６Ａおよび図６Ｂの（ａ）から（ｅ）に、本実施の形態の構造におけるＡｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２０％、２５％、３０％、３５％、４０％の場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧のＡｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１及びＡｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２への依存性の計算結果をそれぞれ示す。
図６Ａは、電子障壁層のＡｌ組成分布を示す図である。電子障壁層１８には多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａが形成されている。Ａｌ組成増大領域１８ａでは、Ａｌ組成０％（ＧａＮ）からＡｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成となるように組成を徐々に変化させている。その他の構造パラメータは、図４の（ａ）から（ｃ）での計算に用いた構造と同様である。
図６Ｂの（ａ）から（ｅ）に示すように、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２５％以上の場合に、発光素子の動作電圧の低減効果があることがわかる。
従来のように、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８を用いた場合の発光素子の動作電圧は、図６Ｂの（ａ）から（ｅ）に示す結果から、電子障壁層１８の厚さを７ｎｍとすると、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、３．３Ｖ、３．４Ｖ、３．５５Ｖ、３．７Ｖ、３．８Ｖとなる。
これに対し、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とした場合の動作電圧は、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、３．２７Ｖ以下、３．２８Ｖ以下、３．３２Ｖ以下、３．４２Ｖ以下、３．５４Ｖ以下となるため、低電圧化の効果は、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、０．０２３Ｖ以上、０．１２Ｖ以上、０．２３Ｖ以上、０．２８Ｖ以上、０．２６Ｖ以上の値となる。
また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とした場合の動作電圧は、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、３．２６Ｖ以下、３．２７Ｖ、３．３Ｖ、３．３４Ｖ、３．４１Ｖ以下となるため、低電圧化の効果は、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、０．０４Ｖ以上、０．１３Ｖ以上、０．２５Ｖ以上、０．３６Ｖ以上、０．３９Ｖ以上の値となる。
このように、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を２５％以上、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、０．１２Ｖ以上の動作電圧の低減効果を得ることができる。
さらに、Ａｌ組成一定領域でのＡｌ組成を３０％以上、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、０．２３Ｖ以上の動作電圧低減効果を得ることができる。
また、Ａｌ組成一定領域でのＡｌ組成を２５％以上、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、０．１３Ｖ以上の動作電圧低減効果を得ることができる。
さらに、Ａｌ組成一定領域でのＡｌ組成を３０％以上、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍから１０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、０．２５Ｖ以上の動作電圧低減効果を得ることができる。
８５℃以上の高温動作状態において、３Ｗ以上の高出力動作を行う場合、わずかな発熱量の増大で光出力の熱飽和が生じやすくなるため、動作電圧の低減は非常に重要である。
次に、図７の（ａ）から（ｅ）に、本実施の形態の構造においてＡｌ組成が２０％、２５％、３０％、３５％、４０％の場合における１００ｍＡ動作時の電子障壁層の電子障壁エネルギー（ΔＥ）のＡｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１及びＡｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２への依存性の計算結果をそれぞれ示す。電子障壁層１８には多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａが形成されている。それぞれのＡｌ組成においてＡｌ組成増大領域１８ａでは、Ａｌ組成０％（ＧａＮ）からＡｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成となるように組成を変化させている。その他の構造パラメータは、図４での計算に用いた構造と同様である。
図７の（ａ）から（ｅ）に示すように、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を大きくしていくとΔＥが増大し、１０ｎｍでほぼ一定になることがわかる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２５％以上で、Ａｌ組成増大領域１８ａによるΔＥの増大効果が大きくなっていくことがわかる。これは、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成を大きくするとピエゾ効果によるピエゾ電界が大きくなるが、Ａｌ組成増大領域１８ａにおけるバンドギャップエネルギーの増大が価電子帯に形成されるスパイク形成を打ち消すように機能し、バンドギャップエネルギーの増大が、そのままΔＥ増大に旨く寄与できるためと考えられる。
Ａｌ組成が２５％以上の場合、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が小さいほどΔＥ増大効果が大きく、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２は４ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以下であれば良い。
Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８を用いた場合のΔＥは、図７の（ａ）から（ｅ）に示す結果から、電子障壁層１８の厚さを７ｎｍとすると、Ａｌ組成２０％、２５％、３０％、３５％、４０％に対して、それぞれ、０．５３ｅＶ、０．５４Ｖ、０．５２Ｖ、０．５２Ｖ、０．４８Ｖとなる。このことから、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８では、電子障壁層１８のＡｌ組成を大きくしてもΔＥは０．５４ｅＶ程度で飽和し、その後、減少していくことがわかる。図６Ｂの（ａ）から（ｅ）に示す結果から、Ａｌ組成の増大と共に、動作電圧が増大している。従って、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８では、電子障壁層１８のＡｌ組成を大きくしていくと、Ａｌ組成２５％程度でΔＥは飽和し、その後、Ａｌ組成を大きくしても、価電子帯に形成されるバンド構造でのスパイクの増大に寄与していくと考えられる。このことから、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８において、動作電圧の増大を抑制しつつΔＥを増大するためには、Ａｌ組成２５％程度がよいことがわかる。この場合、動作電圧は３．４Ｖ程度で、ΔＥは０．５４ｅＶである。
これに対し、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を２５％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、ΔＥは０．６２ｅＶ以上が得られる。このとき、動作電圧は図６Ｂの（ｂ）の結果から、３．２８Ｖ以下の値が得られる。
また、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を２５％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、ΔＥは０．６４ｅＶ以上が得られる。このとき、発光素子の動作電圧は図６Ｂの（ｂ）の結果から、３．２７Ｖ以下の値が得られる。
このように、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌが２５％の場合、多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成することで、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（２５％）の電子障壁層１８の構造と比較して、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が４ｎｍ以下の場合、０．１２Ｖ程度の低電圧化と、０．０８ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以下の場合、０．１３Ｖ程度の低電圧化と、０．１ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。
次に、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を３０％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、図７の（ｃ）の結果から、ΔＥは０．７ｅＶ以上が得られる。このとき、動作電圧は図６Ｂの（ｃ）の結果から、３．３２Ｖ以下の値が得られる。
また、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を３０％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、ΔＥは０．７ｅＶ以上が得られる。このとき、動作電圧は図６Ｂの（ｃ）の結果から、３．３Ｖ以下の値が得られる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３０％）のみで形成された電子障壁層１８の構造では、厚さ７ｎｍの場合、動作電圧は３．５５Ｖ程度で、ΔＥは０．５２ｅＶである。
従って、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌが３０％の場合、多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成することで、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３０％）で形成された電子障壁層１８の構造と比較して、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が４ｎｍ以下の場合、０．２４Ｖ程度の低電圧化と、０．１８ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以下の場合、０．２５Ｖ程度の低電圧化と、０．１８ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。
次に、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を３５％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、図７の（ｄ）の結果から、ΔＥは０．７４ｅＶ以上が得られる。このとき、発光素子の動作電圧は図６Ｂの（ｄ）の結果から、３．４２Ｖ以下の値が得られる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を３５％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、ΔＥは０．８２ｅＶ以上が得られる。このとき、発光素子の動作電圧は図６Ｂの（ｄ）の結果から、３．３４Ｖ以下の値が得られる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）のみで形成された電子障壁層１８の構造では、厚さ７ｎｍの場合、動作電圧は３．７Ｖ程度で、ΔＥは０．５２ｅＶである。
従って、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌが３５％の場合、多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成することで、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）のみで形成された電子障壁層１８の構造と比較して、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が４ｎｍ以下の場合、０．２８Ｖ程度の低電圧化と、０．２２ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以下の場合、０．３６Ｖ程度の低電圧化と、０．３ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。
次に、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を４０％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、図７の（ｅ）の結果から、ΔＥは０．７４ｅＶ以上が得られる。このとき、動作電圧は、図６Ｂの（ｅ）の結果から、３．５４Ｖ以下の値が得られる。
また、Ａｌ組成一定領域１８ｂでのＡｌ組成を３５％、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲において、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、ΔＥは０．８４ｅＶ以上が得られる。このとき、動作電圧は、図６Ｂの（ｅ）の結果から、３．４１Ｖ以下の値が得られる。
Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）のみで形成された電子障壁層１８の構造では、厚さ７ｎｍの場合、動作電圧は３．８Ｖ程度で、ΔＥは０．４８ｅＶである。
従って、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が３５％の場合、多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成することで、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）の電子障壁層１８の構造と比較して、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が４ｎｍ以下の場合、０．２６Ｖ程度の低電圧化と、０．２６ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ以下の場合、０．３９Ｖ程度の低電圧化と、０．３６ｅＶのΔＥの増大を実現することが可能となる。
このように、電子障壁層１８の多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成すれば、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、ｘ２を４ｎｍ以下、さらに好ましくは２ｎｍ以下の範囲で膜厚を制御すれば、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成を２５％以上（Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が０ｎｍの場合は、電子障壁層１８の最大Ａｌ組成が２５％）の場合、Ａｌ組成一定領域１８ｂのみで形成された電子障壁層１８の構造と比較して、低電圧化とΔＥの向上を両立させることが可能となる。低電圧化とΔＥ増大の効果は、電子障壁層１８のＡｌ組成が高いほど大きい。ただし、電子障壁層１８のＡｌ組成を４０％以上に大きくすると、ＧａＮとの格子不整が大きくなり、格子欠陥が発生しやすくなるため好ましくない。従って、本実施の形態にかかる構造における電子障壁層１８のＡｌ組成は４０％以下としている。
次に、図８の（ａ）から（ｅ）に、本実施の形態に係る発光素子の構造において、電子障壁層１８のＡｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２０％、２５％、３０％、３５％、４０％の場合における導波路損失のＡｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１及びＡｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２への依存性の計算結果をそれぞれ示す。電子障壁層１８には、多重量子井戸活性層１５側にのみＡｌ組成増大領域１８ａが形成されている。それぞれのＡｌ組成においてＡｌ組成増大領域１８ａでは、Ａｌ組成０％（ＧａＮ）からＡｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成となるように組成を変化させている。その他の構造パラメータは図４での計算に用いた構造と同様である。導波路損失の値は、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が１ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が０ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が４０％の場合、つまり、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が１ｎｍの場合にＡｌ組成を０％から４０％まで変化させた構造の導波路損失を基準として、他の構造における導波路損失の増大分の計算結果を示している。
図８の（ａ）から（ｅ）に示すように、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を大きくしていくと導波路損失が増大していくことがわかる。電子障壁層１８にＡｌ組成が２０％以上の高Ａｌ組成層を用いる場合、Ａｌ組成が高いのでＰ型のドーパントとして使用するＭｇの活性化率が低下しやすい。そのため、イオン化アクセプター密度を高めて電子障壁層１８の伝導帯のエネルギーを高くする必要がある。そこで、電子障壁層１８におけるＭｇのドーピング濃度を、他のＰ型層と比較して相対的に高めなければならない。一例として、１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度のＭｇのドーピングが必要である。従って、本実施の形態にかかる発光素子の構造では、２×１０１９ｃｍ−３のＭｇをドーピングしている。この場合、電子障壁層１８の膜厚が厚くなりすぎると、レーザの導波路で形成される光分布に対する電子障壁層でのフリーキャリア損失が大きくなり、導波路損失が増大する。導波路損失の増大は、電流−光出力特性におけるスロープ効率を招き、動作電流値の増大につながる。これにより、導波路損失は、特に高温特性の低下を招くことになる。このような導波路損失の増大を抑制するためには、電子障壁層１８の合計膜厚は薄い方が好ましい。Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１として１０ｎｍ以下、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２として４ｎｍ以下で電子障壁層１８を構成すると、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２５％の場合は、導波路損失の増大を０．５ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が３０％の場合は、導波路損失の増大を０．４２ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が３５％の場合は、導波路損失の増大を０．３２ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が４０％の場合は、導波路損失の増大を０．３ｃｍ−１以下の範囲に抑制することができる。
また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１として１０ｎｍ以下、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２として２ｎｍ以下で電子障壁層１８を構成すると、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成が２５％の場合は、導波路損失の増大を０．４６ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、組成一定領域のＡｌ組成が３０％の場合は、導波路損失の増大を０．４１ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、組成一定領域のＡｌ組成が３５％の場合は、導波路損失の増大を０．３２ｃｍ−１以下に抑制することができる。また、組成一定領域のＡｌ組成が４０％の場合は、導波路損失の増大を０．３ｃｍ−１以下の範囲に抑制することができる。
このように、電子障壁層１８で増大する導波路損失の増大を抑制するためには、電子障壁層１８のＡｌ組成の割合が高いほうが好ましいが、Ａｌ組成一定領域１８ｂのＡｌ組成を４０％以上とすると、ＧａＮとの格子不整が大きくなり、格子欠陥が発生しやすくなるため好ましくない。従って、本実施の形態にかかる発光素子の構造における電子障壁層１８のＡｌ組成は、前述のように４０％以下としている。
上述のように、Ａｌ組成増大領域１８ａを電子障壁層１８に用いると、導波路損失が若干増大してしまう。導波路損失の増大は、８５℃以上の高温動作状態において、動作電流値の増大から、発光素子の漏れ電流や自己発熱の増大を招いてしまう。３Ｗ以上の高出力動作を行う場合、わずかな発熱量の増大で光出力の熱飽和が生じやすくなるため、導波路損失の低減は非常に重要である。
そこで、本実施の形態にかかる発光素子の構造では、図９の（ｃ）に示すように、低ドーピング領域１９ａを備えている。低ドーピング領域１９ａは、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９におけるＰ型不純物となるＭｇのドーピング量が、電子障壁層１８近傍において、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２０側のＰ型ＡｌＧａＮクラッド層である高ドーピング領域１９ｂよりも低い領域である。電子障壁層１８は多重量子井戸活性層１５に近いため、低ドーピング領域１９ａの領域でも光分布が多く存在する。よって、低ドーピング領域１９ａが導波路損失に与える影響は大きい。従って、この低ドーピング領域１９ａを備えることにより、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９でのフリーキャリア損失を低減でき、導波路損失の低減を行うことができる。しかし、Ｍｇドーピング量を低減しすぎると、素子抵抗の増大を招き、動作電圧の増大につながる。
そこで、これまでと同様に、１００ｍＡ動作時における動作電圧のＰ型ＡｌＧａＮクラッド層の低ドーピング領域１９ａの膜厚（ｚｐ）及び、Ｍｇドーピング濃度依存性の見積もりを行った。
計算では、電子障壁層１８には多重量子井戸活性層１５側にのみに、厚さ５ｎｍのＡｌ組成増大領域１８ａを形成し、Ａｌ組成一定領域１８ｂの膜厚を２ｎｍとしている。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂではＡｌ組成は３５％としており、Ａｌ組成増大領域１８ａではＡｌ組成は０％から３５％まで増大させている。電子障壁層１８には、２×１０１９ｃｍ−３の濃度のＭｇのドーピングを行い、高ドーピング領域１９ｂには、１×１０１９ｃｍ−３の濃度のＭｇのドーピングを行った構造としている。これにより、高ドーピング領域１９ｂでの素子の直列抵抗の増大を抑制している。通常、低ドーピング領域１９ａにおいて、図９の（ｂ）に示すようにステップ状のＭｇ濃度プロファイルを実現することは、結晶成長プロセス上困難である。そこで、電子障壁層１８、低ドーピング領域１９ａ、高ドーピング領域１９ｂにおける平均のＭｇドーピング量をそれぞれ、Ｐ型不純濃度Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３として考える。ここで、Ｐ型不純濃度Ｐ１は２×１０１９ｃｍ−３、Ｐ型不純濃度Ｐ３は１×１０１９ｃｍ−３である。
図１０に、膜厚ｚｐを０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、Ｐ型不純濃度Ｐ２を１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下とした場合の１００ｍＡ動作時における発光素子の動作電圧の計算結果を示す。
図１０に示すように、膜厚ｚｐを大きくすると、動作電圧の増大を招くことわかる。そこで、本実施の形態のおいては、膜厚ｚｐを３００ｎｍ以下として動作電圧の増大を抑制している。この場合、膜厚ｚｐを３００ｎｍと厚くしても、Ｐ型不純濃度Ｐ２が３×１０１８ｃｍ−３以上あれば、動作電圧は殆ど変化しない。また、膜厚ｚｐを３００ｎｍと厚くしても、Ｐ型不純濃度Ｐ２が１×１０１８ｃｍ−３以上あれば、動作電圧の増大は０．０５Ｖ以下の範囲に抑えられる。
次に、図１０で計算を行った構造に対し、Ｐ型不純濃度Ｐ２の大きさとして、１×１０１８ｃｍ−３から５×１０１８ｃｍ−３まで、１×１０１８ｃｍ−３ずつ濃度を増大させて、Ｐ型不純濃度Ｐ３を１×１０１９とした場合の導波路損失の大きさからの導波路損失の低減量の見積もりを行った。このときの膜厚と導波路損失の低減量との関係を図１１に示す。図１１に示すように、各Ｐ型不純濃度Ｐ２の値については、膜厚ｚｐが大きい方が導波路損失の低減効果が大きい。導波路損失低減の効果は、Ｐ型不純濃度Ｐ２が５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲でも得ることが可能である。膜厚ｚｐが１００ｎｍ以上あれば、導波路損失の低減効果は大きい。さらに好ましくは膜厚ｚｐが２００ｎｍ以上あれば、Ｐ型不純濃度Ｐ２が５×１０１８ｃｍ−３である場合において、導波路損失を２ｃｍ−１低減することができる。
しかしながら、膜厚ｚｐを大きくすると、図１０に示すように、発光素子の動作電圧の増大を招く。そこで、本発明においては、膜厚ｚｐを２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下として動作電圧の増大を抑制している。この膜厚ｚｐの範囲においてＰ型不純濃度Ｐ２を３×１０１８ｃｍ−３とすれば、導波路損失を２．８ｃｍ−１低減することができる。さらに、Ｐ型不純濃度Ｐ２を１×１０１８ｃｍ−１とすれば、導波路損失を３．６ｃｍ−１低減することができる。従って、膜厚ｚｐを２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、Ｐ型不純濃度Ｐ２を３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下とすれば、導波路損失を２ｃｍ−１以上、３．２ｃｍ−１以下の範囲で低減することができる。この場合、図１０に示した結果から、動作電圧は殆ど変化しない。
さらに、膜厚ｚｐを２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、Ｐ型不純濃度Ｐ２を１×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下とすれば、導波路損失を２．８ｃｍ−１以上４．２ｃｍ−１以下の範囲で低減することができる。この場合、図１０に示した結果から、動作電圧は０．０５Ｖ程度増大する。Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ、Ａｌ組成一定領域もＡｌ組成が３５％の場合０．３６Ｖ程度の低電圧化を実現できるため、Ｐ型不純濃度Ｐ２を１×１０１８ｃｍ−３以上、３×１０１８ｃｍ−３以下とした場合の電圧増大分０．０５Ｖを差し引くと０．３１Ｖの低電圧効果を期待することができる。
低ドーピング領域１９ａを備えることによる低導波路損失化の効果は電子障壁層１８のＡｌ組成が一定である従来の構造でも得ることができ、スロープ効率が増大し、高温高出力動作実現に有効である。しかし、本実施の形態に示すように、電子障壁層１８を、多重量子井戸活性層１５側のＡｌ組成が徐々に増大する電子障壁層１８とすることにより、低電圧化、低導波路損失化、電子障壁エネルギーの増大による漏れ電流の低減を、同時に実現することができる。この結果、８５℃以上の高温高出力動作を実現する上で、本実施の形態に係る発光素子の構造は、従来の発光素子の構造よりも非常に有効となる。
また、図８の（ｄ）の結果より、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１が５ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍ、Ａｌ組成一定領域もＡｌ組成が３５％の場合、導波路損失は０．２ｃｍ−１増大するが、Ｐ型不純濃度Ｐ２を１×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下とすれば、導波路損失を２．８ｃｍ−１以上４．２ｃｍ−１以下の範囲で低減されるため、差し引き導波路損失は、２．６ｃｍ−１以上４．０ｃｍ−１以下の範囲で低減可能となる。
このように、本実施の形態に示すように多重量子井戸活性層１５側に組成変化領域を形成し、Ｐ型クラッド層の多重量子井戸活性層１５側に、低ドーピング領域を備えることにより、動作電圧と導波路損失の低減と、ΔＥの増大により温度特性の向上を全て満足する素子を実現することが可能となる。
本実施の形態においては膜厚ｚｐを２５０ｎｍ、Ｐ型不純濃度Ｐ２を３×１０１８ｃｍ−３としている。この構成により、３ｃｍ−１程度の低損失化と、０．３６Ｖの低電圧化、０．８２ｅＶのΔＥ増大が実現可能である。この場合、導波路損失は４．０ｃｍ−１まで低減される。
次に、低電圧化に必要な電子障壁層１８に対するＭｇのドーピング量について説明を行う。図１２の（ａ）から（ｃ）に示すのは、本実施の形態における構造において、電子障壁層には、Ａｌ組成増大領域１８ａが多重量子井戸活性層１５側のみに形成されており、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）の幅ｘ２が、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍ、７ｎｍの構造において、Ａｌ組成増大領域の幅ｘ１を１ｎｍから３０ｎｍまで変化させた場合の動作電圧の計算結果である。図１２の（ａ）には電子障壁層へ５×１０１８ｃｍ−３のＭｇをドーピングし、図１２の（ｂ）には電子障壁層へ１×１０１９ｃｍ−３のＭｇをドーピングし、図１２の（ｃ）には電子障壁層へＭｇを２×１０１９ｃｍ−３ドーピングした場合の計算結果である。Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９には、一様にＭｇを１×１０１９ｃｍ−３のドーピングを行っている。また、Ｐ型ＧａＮ中間層１７には、電子障壁層１８と同じ量のＭｇのドーピングを行った構造としている。
これまで、説明を行ってきたように、電子障壁層１８へＭｇを２×１０１９ｃｍ−３ドーピングした場合（図１２の（ｃ））、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を４ｎｍ以下とすると、１００ｍＡ動作時の動作電圧は３．４Ｖ以下に低減される。また、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１を１０ｎｍ以下、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２を２ｎｍ以下とすると、１００ｍＡ動作時の動作電圧は３．４Ｖ以下に低減される。
これに対し、図１２の（ａ）に示すように、電子障壁層へのＭｇのドーピング量を５×１０１８ｃｍ−３とすると、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍより大きいと、１００ｍＡ動作時の動作電圧は３．４Ｖ以上となる。また、１００ｍＡ動作時の動作電圧を３．４Ｖ以下とするためには、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍの場合、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１は２ｎｍ以下、ｘ２が０ｎｍの場合、ｘ１は５ｎｍ以下としなければならないことがわかる。
図１２の（ｂ）に示すように、電子障壁層１８へのＭｇのドーピング量を１×１０１９ｃｍ−３とすると、１００ｍＡ動作時の動作電圧を３．４Ｖ以下とするためには、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が２ｎｍより大きい場合にはＡｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１は１０ｎｍ以上必要である。また、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が１ｎｍの場合、ｘ１が１０ｎｍ以下で動作電圧は３．４２Ｖ以下となる。従って、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２が０ｎｍの場合は、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１は１０ｎｍ以下であれよい。
従って、電子障壁層１８へのＭｇのドーピング量は、高い方が低電圧化には有利であり、電子障壁層１８の構成膜厚が変動しても、安定して低電圧化を実現するためには、電子障壁層１８へのＭｇのドーピング量は、１×１０１９ｃｍ−３以上必要であることがわかる。しかし、Ｍｇのドーピング量を高くしすぎると、導波路損失の増大を招いてしまう。
本実施の形態においては、電子障壁層１８のＭｇのドーピング量は２×１０１９ｃｍ−３、Ａｌ組成増大領域１８ａの幅ｘ１は５ｎｍ、Ａｌ組成一定領域１８ｂの幅ｘ２は２ｎｍとして低電圧動作と低導波路損失を両立させている。
図１３の（ａ）および（ｂ）に、Ａｌ組成一定領域１８ｂ（３５％）の電子障壁層１８（膜厚７ｎｍ）を有し、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９に、１×１０１９ｃｍ−３の濃度のＭｇを均一にドーピングした構造を有する発光素子の電流−光出力特性と、電流−電圧特性とをそれぞれ示す。従来の構造では、８５℃の高温動作時においては、光出力２Ｗ程度で熱飽和が生じていることがわかる。
図１３の（ｃ）および（ｄ）に、本実施の形態に係る発光素子の構造を有する素子の電流−光出力特性と電流−電圧特性をそれぞれ示す。本実施の形態に係る発光素子の構造では、８５℃の高温動作時においても、３Ｗ以上の高出力が得られている。この理由として、次の３つが考えられる。（１）第１に、電子障壁層１８の多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成増大領域１８ａを形成したことにより、電子に対する電位障壁が０．３ｅＶ程度増大し、高温動作状態においても漏れ電流の発生を抑制している。（２）第２に、図１３の（ｂ）および（ｄ）に示すように、電子障壁層１８の多重量子井戸活性層１５側にＡｌ組成が変化（増大）するＡｌ組成増大領域１８ａを形成したことにより、価電子帯のバンドに形成される正孔に対するスパイクの電位障壁が小さくなったことである。これにより、発光素子の動作電圧は０．３Ｖ程度低減され、発光素子の自己発熱が抑制されたことである。（３）第３に、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９に低ドーピング領域１９ａを形成したことにより、導波路損失が３ｃｍ−１低減したことである。これにより、本実施の形態に係る発光素子では、従来の導波路損失７ｃｍ−１から約半分の低損失導波路となり、スロープ効率が向上している。このように、本実施の形態に係る発光素子の構造を用いることで、８５℃の高温動作時においても３Ｗ以上の高出力動作を実現することが可能となる。
［効果等］
以上、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光装置によると、窒化物系の発光素子である発光素子において、ピエゾ電界による電子障壁層の価電子帯のバンド構造の変化を電子障壁層の組成変化による価電子バンド構造の変化で打ち消し、正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制することで動作電圧の増大を抑制することができる。また、電子に対するエネルギー障壁を増大することが可能となる。さらに、電子障壁層に近い側の第２クラッド層の不純物濃度を低減することで、導波路損失を低減することができる。この結果、第２クラッド層の不純物濃度を低減しても、動作電圧の増大を招くことなく、漏れ電流を抑制しつつ導波路損失の低減が可能となる。よって、動作電流値と動作電圧が低減される。従って、低導波路損失、低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい発光素子を実現することができる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る発光素子について説明する。
上述した実施の形態１に示した発光素子では、電子障壁層１８のＡｌ組成分布、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９及び電子障壁層１８のＭｇドーピングプロファイルを詳細に設計することで、低電圧、低導波路損失、ΔＥの増大を全て実現可能な発光素子の構造について説明を行った。ここで、本発明の実施の形態２にかかる発光素子において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３および第３光ガイド層１４で構成されるＮ型層についても、ドーピングプロファイルを工夫することで、さらに低損失化、低電圧化を実現するべく構造検討を行った。以下に、本実施の形態に係る発光素子について説明を行う。
まず、Ｎ型不純物のドーピングプロファイルについて説明を行う。実施の形態１にかかる発光素子の構造においては、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３には、Ｎ型不純物として１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングし、第３光ガイド層１４にはＮ型不純物のドーピングを行っていない構造について、動作電圧、導波路損失の見積もりを行ってきた。さらなる導波路損失を低減するためには、上記のＮ型層（Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３および第３光ガイド層１４）に対し、動作電圧の増大への寄与が小さい領域に対しては、Ｎ型不純物のドーピング濃度を低減し、導波路損失を低減することができる。Ｎ型層において、動作電圧増大への寄与が大きいと考えられるのは、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３との界面、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４との界面である。これらの界面では、バンドギャップエネルギーが異なることや格子不整により、ピエゾ分極電荷が生じる。これにより、伝導帯のバンド構造には図１４の（ａ）から（ｃ）に示すようなスパイクが生じる。このスパイクは、電子の電気伝導の妨げとなるため、発光素子の動作電圧の増大につながる。
このような、Ｎ型層界面でのスパイクの影響を小さくするためには、Ｎ型層へのＮ型不純物のドーピング濃度を大きくし、電子のフェルミエネルギーを増大させて、Ｎ型層各層の伝導帯のエネルギーを高めることでスパイクの形成を抑制することができる。図１４の（ａ）には、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１７ｃｍ−３のＳｉをドーピングした場合、図１４の（ｂ）には、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした場合の１００ｍＡ動作時のＮ型層領域のバンド構造の計算結果である。
図１４の（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｓｉのドーピング濃度を高めることで、界面に形成される伝導帯エネルギーバンドでのスパイクが形成される領域の幅やスパイクの障壁エネルギーの高さが低減されていることがわかる。しかし、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３へのＳｉのドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３のへ増大させると、Ｎ型層でのフリーキャリア損失の増大により、導波路損失が０．４６ｃｍ−１増大する。この導波路損失の増大量は、発光素子全体の導波路損失に対し１０％程度の大きさを有しており、スロープ効率の低下に与える影響は大きい。
そこで、本実施の形態にかかる発光素子の構造において、動作電圧と導波路損失の増大を抑制可能なＮ型不純物濃度プロファイルの検討を行った。Ｎ型層での電圧の増大は、前述のようにヘテロ界面でのスパイクの影響が大きい。そこで、図１５の（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面に、それぞれ、膜厚±ｚ１、±ｚ２の領域にＮ型不純物を高ドーピングした構造につき、動作電圧の低減効果の見積もりを行った。
具体的には、図１５の（ａ）および（ｂ）に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１２ａとする。第２光ガイド層１３において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１３ａとする。高濃度不純物領域１２ａおよび高濃度不純物領域１３ａを合わせて第１の高濃度不純物領域という。第１の高濃度不純物領域には、Ｎ型不純物であるＳｉが、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の高濃度不純物領域１２ａ以外の高濃度不純物領域および第２光ガイド層１３の高濃度不純物領域１３ａ以外の高濃度不純物領域よりも高濃度になるようにドーピングされている。
同様に、第２光ガイド層１３において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１３ｂとする。第３光ガイド層１４において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１４ｂとする。高濃度不純物領域１３ｂと高濃度不純物領域１４ｂとを合わせて第２の高濃度不純物領域という。第２の高濃度不純物領域には、Ｎ型不純物であるＳｉが、第２光ガイド層１３の高濃度不純物領域１３ｂ以外の高濃度不純物領域および第３光ガイド層１４の高濃度不純物領域１４ｂ以外の高濃度不純物領域よりも高濃度になるようにドーピングされている。
Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から第１の界面領域へのＮ型不純物のドーピング量をＮ１、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から第２の界面領域へのＮ型不純物のドーピング量をＮ２とする。高濃度不純物領域１２ａ、１３ａ、１３ｂ以外のＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３でのＮ型不純物のドーピング量をＮｂとする。第３光ガイド層１４における高濃度不純物領域１４ｂ以外の領域には、導波路損失の増大を抑制するために、Ｎ型不純物はドーピングされていない。Ｎ型の不純物としては、Ｓｉを用いている。図１６の（ａ）および（ｂ）に発光素子の断面構造を示す。
図１７の（ａ）に、ＮｂとＮ２を１×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎ１を１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３と変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧の、膜厚ｚ１依存性の計算結果を示す。この構造では、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面±ｚ１以内の第１の界面領域のみ高濃度のＮ型不純物がドーピングされている。
この場合、図１７の（ａ）に示すように、膜厚ｚ１が５ｎｍ以上、Ｎ１が１×１０１８ｃｍ−３以上であれば、動作電圧は０．２Ｖ程度低減され、３．６Ｖ一定となる。
図１７の（ｂ）に、ＮｂとＮ１を１×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎ２を１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３と変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧の、膜厚ｚ２依存性の計算結果を示す。この構造では、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面±ｚ２以内の第２の界面領域のみ高濃度のＮ型不純物がドーピングされている。
この場合、図１７の（ｂ）に示すように、膜厚ｚ２が１０ｎｍ以上、Ｎ２が１×１０１８ｃｍ−３以上であれば、動作電圧は０．４Ｖ程度低減され、３．４Ｖ一定となる。また、膜厚ｚ２が１０ｎｍ以上、Ｎ２が２×１０１８ｃｍ−３以上であれば、動作電圧は０．４５Ｖ程度低減され、３．３５Ｖ一定となる。つまり、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、Ｎ型ＧａＮ第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合と同じ動作電圧となる。
図１７の（ｃ）に、Ｎｂを１×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３と変化させた場合の、１００ｍＡ動作時の動作電圧の、膜厚ｚ１及びｚ２依存性の計算結果を示す。計算では、Ｎ１とＮ２、膜厚ｚ１とｚ２は、それぞれ、同一の値としている。
この場合、図１７の（ｃ）に示すように、膜厚ｚ１とｚ２が１０ｎｍ以上、Ｎ１とＮ２が１×１０１８ｃｍ−３以上であれば、動作電圧は０．４５Ｖ程度低減され、３．３５Ｖ一定となる。つまり、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、Ｎ型ＧａＮ第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合と同じ動作電圧となる。
上記の結果から、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合と同じ動作電圧を保持しつつ、Ｎ型不純物によるフリーキャリア損失の増大を可能な限り低減するためには、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面±１０ｎｍ以上の領域のみＮ型不純物を２×１０１８ｃｍ−３ドーピングするか、あるいは、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面±１０ｎｍ以上と、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面±１０ｎｍ以上の領域に、Ｎ型不純物を１×１０１８ｃｍ−３ドーピングすればよいことがわかる。
図１８に、図１７の（ｃ）に示した構造と同じく、Ｎｂを１×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３、１．５×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３、２．５×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３と変化させた場合の、導波路損失の増大量と膜厚ｚ１及びｚ２依存性の計算結果を示す。計算では、Ｎ１とＮ２、膜厚ｚ１とｚ２は、それぞれ、同一の値としている。ここで、図１８に示す導波路損失の増大量は、膜厚ｚ１とｚ２が５ｎｍ、Ｎｂを１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３とした構造に対する相対的な導波路損失の増大量を示している。
図１７の（ｃ）と図１８に示すように、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａを、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａに隣接する界面、すなわち、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±１０ｎｍの範囲（領域幅は２０ｎｍ）以上±２０ｎｍの範囲（領域幅は４０ｎｍ）以下の範囲とし、Ｎ型不純物の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１８ｃｍ−３以下とすれば、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合の動作電圧と同等の動作電圧を維持しつつ、導波路損失の増大抑制を実現することが可能となる。
特に、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３以上１．５×１０１８ｃｍ−３以下とし、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａをＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±１０ｎｍの範囲（領域幅は２０ｎｍ）以上、±２０ｎｍの範囲（領域幅は４０ｎｍ）以下の範囲とすれば、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合の動作電圧と同等の動作電圧を維持しつつ、ｚ１とｚ２が５ｎｍ、Ｎｂを１×１０１７ｃｍ−３、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３とした構造に対して導波路損失の増大を０．３ｃｍ−１以下に抑制可能となる。
本実施の形態では、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａをＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±１０ｎｍの範囲（領域幅は２０ｎｍ）としている。このとき、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合の動作電圧と同等の動作電圧を維持しつつ、０．４ｃｍ−１の低導波路損失化を実現でき３．６ｃｍ−１の低導波路損失を実現することが可能となる。
図１４の（ｃ）に、Ｎ１とＮ２を１×１０１８ｃｍ−３、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａを高濃度不純物領域１２ａ、１３ａの界面から±１０ｎｍの範囲（領域幅は２０ｎｍ）とした本実施の形態の構造に対する１００ｍＡ動作時のバンド構造の計算結果を示している。
図１４の（ｃ）に示すように、Ｓｉのドーピング濃度を高めることで、界面に形成される伝導帯エネルギーバンドでのスパイクが低減されていることがわかる。
以上、本実施の形態に係る発光素子によると、第１クラッド層と第２光ガイド層の界面、および、第２光ガイド層と第３光ガイド層の界面の少なくとも一方の界面において、相対的に不純物濃度を高めることで、界面での電子のフェルミエネルギーを増大することができる。したがって、伝導帯のエネルギーバンドが平坦化され、発光素子の動作電圧を低減することができる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る発光素子について説明する。
実施の形態２に示した図１５に示す構造において、Ｎ１とＮ２を２×１０１８ｃｍ−３以上２．５×１０１８ｃｍ−３以下とし、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａをＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±５ｎｍの範囲（領域幅は１０ｎｍ）以上±１０ｎｍ（領域幅は２０ｎｍ）以下の範囲とすれば、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合の動作電圧と同等の動作電圧を維持しつつ、０．２ｃｍ−１以上の低導波路損失化を実現することが可能となる。
本発明の実施の形態３では、実施の形態２で説明を行った構造に対し、Ｎ１とＮ２を２×１０１８ｃｍ−３、高濃度不純物領域１２ａ、１３ａをＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±５ｎｍの範囲（領域幅は１０ｎｍ）の範囲としている。このとき、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを均一にドーピングした場合の動作電圧と同等の動作電圧を維持しつつ、０．４ｃｍ−１の低導波路損失化を実現でき３．６ｃｍ−１の低導波路損失を実現することが可能となる。
（実施の形態４）
次に、実施の形態４に係る発光素子について説明する。
前述のように、Ｎ型層で、動作電圧増大への寄与が大きいと考えられるのは、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍の領域である。これらの界面近傍の領域（界面近傍領域）では、バンドギャップエネルギーが異なることや格子不整により、ピエゾ分極電荷が生じるため、伝導帯のバンド構造には図１４の（ａ）に示すようなスパイクが生じる。このスパイクは、電子の電気伝導の妨げとなるため、素子の動作電圧の増大につながる。これまで、電子障壁層１８のＡｌ組成分布、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９及び電子障壁層１８のＭｇドーピングプロファイルや、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３及び第３光ガイド層１４のドーピングプロファイルを詳細に検討することで、低電圧、低導波路損失、ΔＥの増大を全て実現可能な構造につき説明を行ってきた。
ここで、本発明の実施の形態４にかかる発光素子において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域では、原子組成を徐々に変化させている。この構造では、図１８に示すように、伝導帯のバンド構造に形成される界面のスパイクやピエゾ分極電荷の分布の急峻性を緩やかにできる。したがって、電子の電気伝導性が向上し、動作電圧の低減を行うことが可能となる。
さらに、この構造においては、本発明の実施の形態２や本発明の実施の形態３で説明したように界面近傍に１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度のＮ型不純物をドーピングする必要はないので、導波路損失の大きな増大を伴うことなく、低電圧化を実現することが可能となる。
図１９に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍に、それぞれ、膜厚±ｚ１、±ｚ２の領域にそれぞれの層の原子組成を補間する構造につき、動作電圧の低減効果の見積もりを行った。
具体的には、図１９に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を組成変化領域１２ｃとする。第２光ガイド層１３において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を組成変化領域１３ｃとする。組成変化領域１２ｃおよび組成変化領域１３ｃを合わせて第１の組成変化領域という。
同様に、第２光ガイド層１３において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を組成変化領域１３ｄとする。第３光ガイド層１４において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を組成変化領域１４ｄとする。組成変化領域１３ｄと組成変化領域１４ｄとを合わせて第２の組成変化領域という。
Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の第１の組成変化領域では、Ａｌ組成を徐々に変化させ、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の第２の組成変化領域では、Ｉｎ組成を徐々に変化させている。
Ｎ型の不純物としてはＳｉを用いている。図２０に発光素子の断面構造を示す。
図２１にＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度を１×１０１７ｃｍ−３、３×１０１７ｃｍ−３、５×１０１７ｃｍ−３、１×１０１８ｃｍ−３とし、第３光ガイド層１４はアンドープとした場合における１００ｍＡ動作時の動作電圧の膜厚ｚ１及びｚ２依存性の計算結果を示す。その他の構造パラメータは本発明の実施の形態１で示した構造と同一である。計算では、膜厚ｚ１とｚ２は同一の膜厚として同時に変化させている。
図２１に示すように、組成変化領域の膜厚ｚ１とｚ２を大きくすると動作電圧は低減され、１０ｎｍ以上でほぼ一定となることがわかる。また、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であり、かつ、組成変化領域の膜厚ｚ１とｚ２が共に１０ｎｍ以上（組成変化領域の膜厚２０ｎｍ以上）であると、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度を共に１×１０１８ｃｍ−３で均一にドーピングした場合と同等の動作電圧となる。
本実施の形態においては、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３とし、組成変化領域の膜厚ｚ１とｚ２が共に１０ｎｍであるとして、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度を共に１×１０１８ｃｍ−３で均一にドーピングした場合と同等の動作電圧を実現できるとともに、０．２ｃｍ−１の低導波路損失化を実現きる。
図２２に、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、第２光ガイド層１３のＮ型不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３とし、組成変化領域の膜厚ｚ１とｚ２が共に１０ｎｍとしたときの、本実施の形態の構造に対する１００ｍＡ動作時のバンド構造の計算結果を示している。
図２２に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域に、組成変化領域を形成することで、界面に形成される伝導帯エネルギーバンドでのスパイクが低減されていることがわかる。
以上、本実施の形態に係る発光素子によると、第１クラッド層と第２光ガイド層の界面、および、第２光ガイド層と第３光ガイド層の界面の少なくとも一方の界面において、徐々に組成が変化する組成変化領域を形成する。これにより、界面で生じる伝導帯エネルギーバンドの不連続が無くなり、ピエゾ電荷が界面に集中して形成されることが抑制され、伝導帯のエネルギーバンドが平坦化される。その結果、素子の動作電圧を低減することができる。
（実施の形態５）
次に、実施の形態５に係る発光素子について説明する。
Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面での伝導帯のバンド構造にスパイク発生を抑制するために、実施の形態３では、界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）に、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度のＮ型不純物をドーピングすることを示した。また、実施の形態４では、界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）において、組成を補間するように原子組成を徐々に変化させる組成変化領域を設けることを示した。
本発明の実施の形態５においては、図２３および図２４に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域１２ｅおよび１３ｅ（界面より±１０ｎｍ以上の領域）に、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度のＮ型不純物をドーピングしている。また、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域１３ｆおよび１４ｆ（界面より±１０ｎｍ以上の領域）では、組成を補間するように原子組成を徐々に変化させている。これにより、発光素子の動作電圧を低減することができる。
具体的には、図２３の（ｂ）および図２４に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１２ｅとする。第２光ガイド層１３において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１３ｅとする。高濃度不純物領域１２ｅおよび高濃度不純物領域１３ｅを合わせて第１の高濃度不純物領域という。第１の高濃度不純物領域には、Ｎ型不純物であるＳｉが、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の高濃度不純物領域１２ｅ以外の高濃度不純物領域および第２光ガイド層１３の高濃度不純物領域１３ｅ以外の高濃度不純物領域よりも高濃度になるようにドーピングされている。
また、第２光ガイド層１３において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を組成変化領域１３ｆとする。第３光ガイド層１４において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を組成変化領域１４ｆとする。組成変化領域１３ｆと組成変化領域１４ｆとを合わせて第２の組成変化領域という。
すなわち、図２３に示す断面構造において、図２４に示すように、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±１０ｎｍ以内の高濃度不純物領域１２ｅおよび１３ｅ（膜厚２０ｎｍ）では、１×１０１８ｃｍ−３のＮ型不純物をドーピングしている。このとき、Ｎｂ１を１×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎｂ２を５×１０１７ｃｍ−３としている。また、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から±１０ｎｍ以下の組成変化領域１３ｆおよび１４ｆでは、原子組成を徐々に変化させた構造としている。
この構造により、Ｎ型層界面でのスパイクの発生による動作電圧増大を抑制することができる。これにより、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３に均一に１×１０１８ｃｍ−３のＮ型不純物をドーピングした構造と同等の動作電圧と、０．２ｃｍ−１の低損失化を実現している。
（実施の形態６）
次に、実施の形態６に係る発光素子について説明する。
Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面での伝導帯のバンド構造にスパイク発生を抑制するために、実施の形態３では、界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）に、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度のＮ型不純物をドーピングすることを示した。また、実施の形態４では、界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）において、組成を補間するように原子組成を徐々に変化させる組成変化領域を設けることを示した。
本発明の実施の形態６においては、図２５および図２６に示すように、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）に、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度のＮ型不純物をドーピングしている。また、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域（界面より±１０ｎｍ以上の領域）に、組成を補間するように原子組成を徐々に変化させている。
具体的には、図２５の（ｂ）および図２６に示すように、第２光ガイド層１３において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１３ｈとする。第３光ガイド層１４において、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から膜厚ｚ２までの界面近傍領域を高濃度不純物領域１４ｈとする。高濃度不純物領域１３ｈと高濃度不純物領域１４ｈとを合わせて第３の高濃度不純物領域という。第３の高濃度不純物領域には、Ｎ型不純物であるＳｉが、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の高濃度不純物領域１２ｇ以外の高濃度不純物領域および第２光ガイド層１３の高濃度不純物領域１３ｇ以外の高濃度不純物領域よりも高濃度になるようにドーピングされている。
また、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を組成変化領域１２ｇとする。第２光ガイド層１３において、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から膜厚ｚ１までの界面近傍領域を組成変化領域１３ｇとする。組成変化領域１２ｇおよび組成変化領域１３ｇを合わせて第１の組成変化領域という。
すなわち、図２５に示す断面構造において、図２６に示すように、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面から±１０ｎｍ以内の高濃度不純物領域１３ｈおよび１４ｈ（膜厚２０ｎｍ）には、１×１０１８ｃｍ−３のＮ型不純物をドーピングしている。このとき、Ｎｂ１を５×１０１７ｃｍ−３とし、Ｎｂ２をアンドープとしている。また、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面から±１０ｎｍ以下の組成変化領域１２ｇおよび１３ｇでは、原子組成を徐々に変化させた構造としている。
この構造により、Ｎ型層界面でのスパイクの発生による動作電圧増大を抑制することができる。これにより、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３に均一に１×１０１８ｃｍ−３のＮ型不純物をドーピングした構造と同等の動作電圧と、０．２ｃｍ−１の低損失化を実現している。
（その他の実施の形態）
なお、本発明は、上述した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、例えば以下に示すような変更を適宜加えてもよい。
これまで示してきた、実施の形態１〜６では、電子障壁層１８のＡｌ組成変化領域は、図２７の（ａ）に示すように、Ａｌ組成が徐々に変化する構造を用いてきた。しかし、電子障壁層１８のＡｌ組成変化領域は、図２７の（ｂ）に示すように、ステップ状にＡｌ組成を変化させたり、図２７の（ｃ）に示すように、ステップ状の変化と、徐々に連続的に変化するような領域を合わせてもかまわない。なお、本発明において「単調増加」とは、値が増加する変化であればよく、直線状、曲線状またはステップ状等のいずれの変化も含むものとしている。
図２７の（ｂ）および（ｃ）とする構成をとっても、電子障壁層１８の多重量子井戸活性層１５側の領域で生じるピエゾ電荷を各ステップの界面に分散させることができるため、ピエゾ電界を電子障壁層１８でのバンドギャップ変化で打ち消すように機能させることができる。よって、価電子帯バンド構造における正孔に対する電位障壁となるスパイク形成を抑制することができる。
また、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９として、単一組成のＡｌＧａＮからなる構造を用いて説明を行ってきたが、Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９が、例えばＰ型ＡｌＧａＮとＰ型ＧａＮとから構成される超格子層であってもかまわない。
また、上述した実施の形態では、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域には、高濃度不純物領域か、組成変化領域の一方を備えた発光素子の構造について、低電圧化と低導波路損失化の効果を示した。しかし、これに限らず、界面近傍領域は、高濃度不純物領域と組成変化領域の両方を備えた構造としてもよい。これにより、低電圧化と低導波路損失化の効果を得ることができる。
また、ＧａＮ基板１１とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の界面においても、同様に、界面を高濃度不純物領域と組成変化領域の少なくとも一方を備えた構造としてもよい。これにより、低電圧化の効果を得ることができる。特に、ＧａＮ基板１１近傍では、導波路の光分布強度は減衰するため、ＧａＮ基板１１とＮ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の界面において、Ｎ型不純物を高濃度としてもフリーキャリア損失の増大は非常に小さく、導波路損失の増大を伴うことなく低電圧化を実現することができる。
また、上述した実施の形態では、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面近傍領域に、高濃度不純物領域または組成変化領域を備えた発光素子の構造について、低電圧化と低導波路損失化の効果を示してきた。しかし、発光素子は、Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２と第２光ガイド層１３の界面近傍領域、及び、第２光ガイド層１３と第３光ガイド層１４の界面の一方のみに、高濃度不純物領域および組成変化領域の少なくとも一方を備えた構造としてもよい。これにより、低電圧化と低導波路損失化の効果を得ることができる。
また、上述の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、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上述の実施の形態及び変形例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発明に含まれる。
本発明は、超高出力動作可能でかつ温度特性に優れた車載ヘッドライト用光源に利用することができる。
１１ ＧａＮ基板
１２ Ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（第１導電側第１半導体層）
１２ａ 高濃度不純物領域（第３領域）
１２ｃ 組成変化領域
１２ｅ 高濃度不純物領域
１２ｇ 組成変化領域
１３ 第２光ガイド層（第１導電側第２半導体層）
１３ａ 高濃度不純物領域（第４領域）
１３ｂ 高濃度不純物領域（第７領域）
１３ｃ 組成変化領域
１３ｄ 組成変化領域
１３ｅ 高濃度不純物領域
１３ｆ 組成変化領域
１３ｇ 組成変化領域
１３ｈ 高濃度不純物領域
１４ 第３光ガイド層（第１導電側第３半導体層）
１４ｂ 高濃度不純物領域（第８領域）
１４ｄ 組成変化領域
１４ｆ 組成変化領域
１４ｈ 高濃度不純物領域
１５ 多重量子井戸活性層（活性層）
１５ａ、１５ｃ、１５ｅ バリア層
１５ｂ、１５ｄ ＩｎＧａＮウェル層
１６ 第１光ガイド層（第２導電側第２半導体層）
１７ ＧａＮ中間層（第２導電側第３半導体層）
１８ 電子障壁層
１８ａ Ａｌ組成増大領域（第１領域）
１８ｂ Ａｌ組成一定領域（第２領域）
１８ｃ Ａｌ組成減少領域
１９ Ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（第２導電側第１半導体層）
１９ａ 低ドーピング領域（電子障壁層に近い側の領域）
１９ｂ 高ドーピング領域（電子障壁層に遠い側の領域）
２０ Ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ 電流ブロック層
３１ Ｎ型電極
３２ Ｐ型電極
２１１ Ｎ型層
２１２ 活性層
２１３ Ｐ型層
２２５ 下部クラッド層
２３１ｂ 第１の窒化物系半導体層
２３２ｂ 第２の窒化物系半導体層
２２８ Ｐ側電子閉じ込め層
２３０ 上部クラッド層
２０１ 井戸層
２０２ 障壁層
３００ 半導体レーザ
３３０ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
３４０ Ｎ側非ドープＧａＮ導波路
３５０ ＭＱＷ活性層
３５２ ＩｎＧａＮ井戸副層
３５４ ＧａＮ障壁副層
３６０ Ｐ側非ドープＧａＮ導波路層
３８２ 次第に増加するアルミニウム濃度部分
３８４ 次第に減少するアルミニウム濃度部分
３８６ アルミニウム濃度が平坦域
３７０ ＳＬＳクラッド層
３７２ ｐ−ＡｌＧａＮ副層
３７４ ｐ−ＧａＮ副層

Claims (20)

  1. ＧａＮ基板上に、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１導電側第１半導体層、ＧａまたはＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層、第２導電型の窒化物系半導体を含む第２導電側第１半導体層を順次備え、
    前記活性層と前記第２導電側第１半導体層の間には、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の電子障壁層を備え、
    前記電子障壁層は、Ａｌ組成が変化する第１領域を有し、
    前記第１領域は、前記活性層から前記第２導電側第１半導体層に向かう方向に対してＡｌ組成が単調増加しており、
    前記第２導電側第１半導体層における前記電子障壁層に近い側の領域の不純物濃度は、前記電子障壁層に遠い側の領域の不純物濃度に対して相対的に低い
    窒化物系発光素子。
  2. 前記第２導電側第１半導体層は、前記電子障壁層と接している
    請求項１に記載の窒化物系発光素子。
  3. 前記電子障壁層は、Ａｌ組成が一定である第２領域を有し、
    前記第２領域は、前記第１領域と前記第２導電側第１半導体層の間に配置されている
    請求項１または２に記載の窒化物系発光素子。
  4. 前記電子障壁層の前記第２領域は、前記第２導電側第１半導体層に接する
    請求項３に記載の窒化物系発光素子。
  5. 前記第１領域の膜厚は、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  6. 前記第２領域の膜厚は、４ｎｍ以下である
    請求項３または４に記載の窒化物系発光素子。
  7. 前記電子障壁層のＡｌ組成の最大の割合は、２５％以上である
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  8. 前記電子障壁層の不純物濃度は、１×１０−１９ｃｍ−３以上である
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  9. 前記第２導電側第１半導体層における前記電子障壁層に近い側の領域の膜厚は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、前記第２導電側第１半導体層における前記電子障壁層に近い側の領域の不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下である
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  10. 前記活性層と前記電子障壁層の間には、第２導電側第２半導体層が配置されている
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  11. 前記第２導電側第２半導体層と前記第２導電側第１半導体層との間には、第２導電側第３半導体層が配置され、前記第２導電側第３半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第２導電側第２半導体層よりも大きく、かつ、前記第１領域のバンドギャップエネルギー以下である
    請求項１０に記載の窒化物系発光素子。
  12. 前記第２導電側第３半導体層は、ｐ型のＧａＮである
    請求項１１に記載の窒化物系発光素子。
  13. 前記第１導電側第１半導体層と前記活性層の間には、第１導電側第２半導体層が配置され、前記第１導電側第１半導体層のバンドギャップエネルギーをＥ１、
    前記第１導電側第２半導体層のバンドギャップエネルギーをＥ２とすると、
    Ｅ１＞Ｅ２の関係を有している
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
  14. 前記第１導電側第１半導体層において前記第１導電側第１半導体層と前記第１導電側第２半導体層との界面に隣接する第３領域および前記第１導電側第２半導体層において前記第１導電側第２半導体層と前記第１導電側第１半導体層との界面に隣接する第４領域の少なくとも一方は、前記第１導電側第１半導体層の前記第３領域に隣接する第５領域及び前記第１導電側第２半導体層の前記第４領域に隣接する第６領域の不純物濃度と比較して相対的に高い濃度の不純物がドーピングされている高濃度不純物領域、または、前記第５領域から前記第６領域までの原子組成を補間するように組成が変化している組成変化領域の少なくとも一方が形成されている
    請求項１３に記載の窒化物系発光素子。
  15. 前記第１導電側第２半導体層と前記活性層の間には、第１導電側第３半導体層が配置され、前記第１導電側第３半導体層のバンドギャップエネルギーをＥ３とすると、
    Ｅ２＞Ｅ３の関係を有している
    請求項１３または１４に記載の窒化物系発光素子。
  16. 前記第１導電側第２半導体層において前記第１導電側第２半導体層と前記第１導電側第３半導体層との界面に隣接する第７領域および前記第１導電側第３半導体層において前記第１導電側第３半導体層と前記第１導電側第２半導体層との界面に隣接する第８領域の少なくとも一方は、前記第１導電側第２半導体層の前記第７領域に隣接する第９領域及び前記第１導電側第３半導体層の前記第８領域に隣接する第１０領域の不純物濃度と比較して相対的に高い濃度の不純物がドーピングされている高濃度不純物領域、または、前記第９領域から前記第１０領域までの原子組成を補間するように組成が変化している組成変化領域の少なくとも一方が形成されている
    請求項１５に記載の窒化物系発光素子。
  17. 前記高濃度不純物領域における不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１．５×１０１８ｃｍ−３以下であって、前記高濃度不純物領域が形成されている領域は、前記高濃度不純物領域に隣接する界面から、当該界面からの距離が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下までの領域である
    請求項１６に記載の窒化物系発光素子。
  18. 前記高濃度不純物領域における不純物濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以上２．５×１０１８ｃｍ−３以下であって、前記高濃度不純物領域が形成されている領域は、前記高濃度不純物領域に隣接する界面から、当該界面からの距離が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下までの領域である
    請求項１６に記載の窒化物系発光素子。
  19. 前記組成変化領域における不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であって、前記組成変化領域が形成されている領域は、前記組成変化領域に隣接する界面から、当該界面からの距離が１０ｎｍ以上の領域である
    請求項１６に記載の窒化物系発光素子。
  20. 前記第１導電側第３半導体層の膜厚は、前記第１導電側第２半導体層の膜厚よりも大きい
    請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の窒化物系発光素子。
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