JPWO2019187583A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

半導体発光素子（１００）、ＧａＮ基板（１１）と、ＧａＮ基板（１１）の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層（１２）と、第１半導体層（１２）の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層（１５）と、活性層（１５）の上方に配置され、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）と、電子障壁層（１８）の上方に配置され、第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層（１９）とを備え、電子障壁層（１８）は、Ａｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層（１９）との間に配置され、Ａｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有し、第１領域及び第２領域において、Ａｌ組成比は活性層（１５）から第２半導体層（１９）に向かう方向に対して単調増加し、第２の変化率は第１の変化率よりも大きい。

Description

本開示は、半導体発光素子に関する。

昨今、ＬＥＤよりも発光強度の高い半導体レーザ素子を光源として用いることで、明るさを高めた車載レーザヘッドライト光源が注目されている。

車載ヘッドライト光源に使用される半導体レーザ素子として、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温で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可能な超高出力青色半導体レーザ素子が要望されている。

このような超高出力の青色レーザ光で蛍光体を励起し、黄色光を得ることができれば、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半導体レーザ素子を実現するためには、レーザ発振動作中の自己発熱を可能な限り抑制する必要がある。このため、超高出力半導体レーザ素子において、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、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（つまり、漏れ電流）の発生を抑制することが重要である。

漏れ電流の発生抑制には、ｐ型クラッド層と活性層との間に、特許文献１及び２に示すように、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が、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り、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。

特開２００２−２７０９７１号公報 国際公開第２０１７／１９５５０２号

例えば、特許文献１に開示された半導体発光素子の構造について図３３を用いて説明する。図３３は、特許文献１に開示された半導体発光素子の層構造を示す模式図である。図３３の構造図（ａ）及びグラフ（ｂ）は、それぞれ、特許文献１に開示された半導体発光素子の積層構造、及び、バンド構造を示す。図３３に示すように、特許文献１に開示された半導体発光素子においては、活性層２１２がｎ型層２１１とｐ型層２１３とで挟まれている。活性層２１２と上部クラッド層２３０との間には、バンドギャップエネルギーが上部クラッド層２３０よりも高い電子障壁層に相当するｐ側電子閉じ込め層２２８が配置されている。この構造によれば、高温動作時においても、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へ漏れにくくなる。

次に、特許文献２に開示された半導体発光素子について図３４を用いて説明する。図３４は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。特許文献２には、図３４に示すように、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１８の活性層４１５側の界面においてＡｌ組成比を徐々に変化させている。これにより、当該界面において形成される分極電界を、Ａｌ組成比が変化している領域に分散させて、電子障壁層４１８の分極電界によるバンド構造の変化を低減し、低動作電圧化を図っている。

ここで、電子障壁層のｎ型クラッド層側のＡｌ組成比を、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、分極電界とバンドギャップとを徐々に変化させることが可能となる。この時、分極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とを相殺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。

しかしながら、Ａｌ組成比を変化させることで、電子障壁層の正孔に対するエネルギー障壁の増大抑制と電子に対するエネルギー障壁増大効果とは得られるものの、低電圧化の効果が不十分である。

上述のとおり、車載ヘッドライト光源用には、８５℃の高温で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可能な超高出力青色半導体レーザ素子が要望されており、そ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。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温動作においても、低消費電力の半導体発光素子を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る半導体発光素子は、ＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む電子障壁層と、前記電子障壁層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、前記電子障壁層は、前記ＧａＮ基板の主面と垂直な積層方向においてＡｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、前記第１領域と前記第２半導体層との間に配置され、前記積層方向においてＡｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有し、前記第１領域及び前記第２領域において、Ａｌ組成比は前記活性層から前記第２半導体層に向かう方向に対して単調増加し、前記第２の変化率は前記第１の変化率よりも大きい。

本開示により、電子障壁層に形成される分極電荷面密度は、活性層側から積層方向に、傾きが小さい直線的な変化から、傾きの大きい直線的な変化を伴い増大する。この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、電子障壁層内で、活性層側から積層方向に、その大きさが２段階に増大する正の分極電荷が形成される。

この結果、電子障壁層の活性層側界面に生じる正の分極電荷面密度が低下する。このとき、活性層側の界面には、電気的中性条件を満足させるために、電子が誘引されるが、電子障壁層内の活性層近傍領域の正の分極電荷密度が小さいため、この界面に電気的に誘因される電子濃度も小さくなる。

このため、電子障壁層の活性層側界面に生じた電子の影響によるバンド電位の低下が抑制され、価電子帯に形成される正孔に対する電位障壁が小さくなり、伝導帯に形成される電子に対する電位障壁が増大する。

この結果、高温高出力動作時において、電子が熱的に励起されて電子障壁層を超えて、第２半導体層に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制する効果が増大する。

この結果、従来の電子障壁層と比較して、より低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい半導体発光素子を実現することができる。また、半導体発光素子の自己発熱が低減される結果、高温動作時においても、低消費電力である半導体発光素子を得ることが可能となる。

本開示によれば、高温動作においても、低消費電力の半導体発光素子を提供できる。

図１Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る活性層の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。 図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第１例を示す模式図である。 図４Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第２例を示す模式図である。 図５Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第３例を示す模式図である。 図５Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第４例を示す模式図である。 図５Ｃは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第５例を示す模式図である。 図５Ｄは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第６例を示す模式図である。 図６は、実施の形態１に係る電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成比分布の一例を示す図である。 図７は、実施の形態１に係る電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成比分布の他の一例を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第１の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、比較例２に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第２の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第３の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、比較例３に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、シミュレーションにおいて用いた電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を示す模式図である。 図１４は、電子障壁層の膜厚が５ｎｍである場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５は、電子障壁層の膜厚が１５ｎｍである場合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に係る半導体発光素子における第２半導体層の不純物ドーピングプロファイルを示す模式図である。 図１７Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子における動作電圧の低不純物濃度領域の不純物濃度依存性を示すグラフである。 図１７Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子における導波路損失の低不純物濃度領域の不純物濃度依存性を示すグラフである。 図１８は、実施の形態１に係る低不純物濃度領域の不純物ドーピング濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３から１×１０^１９ｃｍ^−３まで変化させた場合の価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルの計算結果を示すグラフである。 図１９は、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を、形状ａ、形状ｂ及び形状ｃとした場合における半導体発光素子の特性を示すグラフである。 図２０は、実施の形態２に係る半導体発光素子の第３光ガイド層の組成比傾斜領域における分極電荷の形成を説明する模式図である。 図２１は、比較例４に係る半導体発光素子の第３光ガイド層における分極電荷の形成を説明する模式図である。 図２２Ａは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３及び２×１０^１９ｃｍ^−３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２２Ｂは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３及び２×１０^１９ｃｍ^−３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２２Ｃは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３及び２×１０^１９ｃｍ^−３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２３は、実施の形態２に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。 図２４は、実施の形態２に係る半導体発光素子において、バリア層にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２５は、実施の形態２に係る半導体発光素子において、バリア層と第２光ガイド層との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２６は、実施の形態３に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。 図２７は、実施の形態３に係る半導体発光素子において、バリア層にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２８は、実施の形態３に係る半導体発光素子において、バリア層と第２光ガイド層との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２９は、実施の形態４に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルと、禁制帯幅エネルギー分布との関係を示す模式図である。 図３０は、実施の形態４に係る半導体発光素子において、３００ｍＡ動作時の動作電圧の第１半導体層及び第２半導体層のＡｌ組成比依存性の計算結果を示すグラフである。 図３１は、実施の形態５に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図３２は、実施の形態５に係る半導体発光素子の光閉じ込め係数及び実効屈折率差の計算結果を示すグラフである。 図３３は、特許文献１に開示された半導体発光素子の層構造を示す模式図である。 図３４は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。

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。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、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。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示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。従って、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）
［１−１．全体構成］
実施の形態１に係る半導体発光素子の全体構成について図１Ａを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の概略構成を示す模式的な断面図である。

本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、窒化物系の半導体レーザ素子である。図１Ａには、半導体発光素子１００の共振方向に垂直な断面が示されている。

図１Ａに示すように、半導体発光素子１００は、ＧａＮ基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５と、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。本実施の形態では、半導体発光素子１００は、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。

第１半導体層１２は、ＧａＮ基板１１の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、第１導電型はｎ型である。第１半導体層１２は、膜厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層からなる。

第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２の上方に配置され、膜厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなる第１導電型の半導体層である。

第２光ガイド層１４は、第１光ガイド層１３の上方に配置され、膜厚１８５ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。

活性層１５は、第１半導体層１２の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、活性層１５は、第２光ガイド層１４の上方に配置され、アンドープの多重量子井戸を含む。

第３光ガイド層１６は、活性層１５の上方に配置され、膜厚９０ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。

中間層１７は、電子障壁層１８と活性層１５との間に配置され、窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、中間層１７は、電子障壁層１８と第３光ガイド層１６との間に配置され、膜厚３ｎｍの第２導電型のＧａＮを含む。第２導電型は第１導電型と異なる導電型であり、本実施の形態ではｐ型である。

電子障壁層１８は、活性層１５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の層である。本実施の形態では、電子障壁層１８は、中間層１７と、第２半導体層１９との間に配置され、ｐ型のＡｌＧａＮからなる。

第２半導体層１９は、電子障壁層１８の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む第２導電型の半導体層である。本実施の形態では、第２半導体層１９は、膜厚６６０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層である。

コンタクト層２０は、第２半導体層１９の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、コンタクト層２０は、膜厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮよりなる。

電流ブロック層３０は、第２半導体層１９の上方に配置され、活性層１５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。本実施の形態では、電流ブロック層３０は、ＳｉＯ_２からなる。

ｎ側電極３１は、ＧａＮ基板１１の下方に配置される導電層である。ｎ側電極３１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。

ｐ側電極３２は、コンタクト層２０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３２は、コンタクト層２０及び電流ブロック層３０の上方に配置される。ｐ側電極３２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。

半導体発光素子１００の第２半導体層１９には、リッジが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図１Ａに示すように、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐとしている。

ここで、本実施の形態においては、活性層１５に垂直方向（基板法線方向）に光を閉じこめるために、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０３５（３．５％）としている。この結果、第１半導体層１２及び第２半導体層１９の屈折率は、半導体発光素子１００で発生する光分布の実効屈折率よりも小さくなるため、第１半導体層１２及び第２半導体層１９はクラッド層として機能する。

ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を大きくすると、活性層１５と、クラッド層として機能する第１半導体層１２及び第２半導体層１９との屈折率差を大きくすることができる。これにより、活性層１５の積層方向（つまり、ＧａＮ基板１１の主面に垂直な方向）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ＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比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、本実施の形態では、第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０５（つまり、５％）以下とする。

続いて、本実施の形態に係る活性層１５について図１Ｂを用いて説明する。図１Ｂは、本実施の形態に係る活性層１５の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。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、膜厚３ｎｍ、Ｉｎ組成比０．１６（つまり、１６％）のＩｎＧａＮからなる２層のウェル層１５ｂ及び１５ｄを備えたＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有する。バリア層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅは、それぞれ、膜厚７ｎｍ、膜厚７ｎｍ及び膜厚５ｎｍでＩｎ組成比０．０４（つまり、４％）のＩｎＧａＮからなる。ウェル層においては、４５０ｎｍ帯のレーザ発振光を得るために、１５％以上の高Ｉｎ組成比が必要である。この場合、ウェル層とＧａＮ基板１１との格子不整が１．７％以上となり、その膜厚を厚くしすぎると、格子欠陥が生じてしまう。逆に、薄くしすぎると、ウェル層への積層方向の光閉じ込め係数が小さくなり、発振しきい値及び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、本実施の形態では、ウェル層の膜厚は、例えば、２．７ｎｍ以上、３．３ｎｍ以下である。

また、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６は、Ｉｎを含むことで屈折率をｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９よりも高めた層である。これにより、リッジに対応する導波路を伝搬する光分布の実効屈折率を高め、第１半導体層１２及び第２半導体層１９による光分布の積層方向への閉じ込め作用を高めることができる。

ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が小さいと、ウェル層への垂直方向の光閉じ込めが小さくなるため、発振しきい値及び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２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が大きいと、ＧａＮ基板１１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、ウェル層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大させるために、本実施の形態では、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比は、例えば、０．０３（つまり、３％）以上、０．０６（つまり、６％）以下である。本実施の形態においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を０．０３（つまり、３％）として、格子欠陥の発生の抑制と、ウェル層への垂直方向の光閉じ込め係数の増大とを両立させている。

また、第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４の有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４の有する各禁制帯幅エネルギーの大きさの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。この結果、第２光ガイド層１４をＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２の直上に形成する場合と比較して、界面で生じる分極電荷によるバンド構造のスパイク状の変形を抑制でき、電子の活性層１５への伝導を容易にすることができる。

また、中間層１７は、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各禁制帯幅エネルギーの大きさの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。

また、Ｉｎを含む圧縮性の格子歪を有する第２光ガイド層１４、活性層１５、第３光ガイド層１６を形成し、その直上に引っ張り性の格子歪を有するＡｌＧａＮ層を形成すると界面に生じる応力が大きくなり、結晶欠陥が生じる可能性がある。中間層１７を、膜厚３ｎｍのＧａＮとすれば、界面の応力を緩和させることができる。

また、中間層１７が厚くなりすぎると、屈折率の低い第２半導体層１９が活性層１５から離れるため、活性層１５への積層方向の光の閉じ込め効果が弱まる。そこで、中間層１７の膜厚を１０ｎｍ以下のできるだけ薄い膜厚とする。本実施の形態に係る半導体発光素子では、中間層１７の膜厚を３ｎｍとしている。

また、リッジ側面上に、膜厚０．１μｍのＳｉＯ_２からなる誘電体の電流ブロック層３０が形成されている。この構造において、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るため、活性層１５のうちリッジ底部下方に位置する領域に集中して電流注入される。これにより、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。活性層１５へ注入された電子及び正孔からなるキャリアの再結合により発生した光は、活性層１５の積層方向へは、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６、第１半導体層１２及び第２半導体層１９により閉じ込められる。一方、活性層１５と平行な方向（積層方向と垂直な方向。以下、水平方向ともいう）に対しては、電流ブロック層３０が第１半導体層１２及び第２半導体層１９よりも屈折率が低いため、光閉じ込めが可能となる。また、電流ブロック層３０はレーザ発振光に対する光吸収が小さいため、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１０^−３のオーダのΔＮ（リッジ内外の積層方向実効屈折率の差）を精密に実現できる。さらにΔＮの大きさを電流ブロック層３０と活性層１５との間の距離（ｄｐ）の大きさに応じて、同じく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、低動作電流の半導体発光素子１００を得ることができる。本実施の形態においては、ΔＮが４．８×１０^−３となるように制御することで、水平方向の光閉じ込めを行っている。

電子障壁層１８は、ｐ型のＧａＮからなる中間層１７上に形成され、電子障壁層１８の禁制帯幅エネルギーの大きさは、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のそれよりも大きい。このように設定することで、電子障壁層１８の伝導帯バンドの電位を高くし、エネルギー障壁を形成することができる。この結果、活性層１５に注入された電子が熱的に励起されて第２半導体層１９に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制できるため、半導体発光素子１００の高温動作特性を向上させることができる。

ここで、ＡｌＧａＮからなる層の禁制帯幅エネルギーはＡｌ組成比に比例して大きくなる。従って、本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のＡｌ組成比よりも高く、例えば、０．１５（つまり、１５％）以上である。

本実施の形態では、ＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層１６の直上の層のうち、Ａｌを含有しない領域が中間層１７である。中間層１７の直上のＡｌを含む領域のうち、第２半導体層１９より下方の領域が電子障壁層１８である。電子障壁層１８においては、Ａｌ組成比が下方から上方に向かって徐々に増大して、１５％以上の最大値を有する。電子障壁層１８においては、当該最大値を有する位置から、さらに上方に向かってＡｌ組成比は減少し、第２半導体層１９側の界面において、第２半導体層１９のＡｌ組成比と一致する。

電子障壁層１８のＡｌ組成比の分布形状については、後で詳細に説明する。

［１−２．比較例の電子障壁層の構成］
続いて、本実施の形態に係る電子障壁層１８の作用及び効果の説明に先立ち、比較例に係る電子障壁層構成について図２を用いて説明する。図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層１８Ａの構成を示す模式図である。模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ比較例１に係る半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８Ａの分極電荷面密度分布、分極電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。

比較例１に係る半導体発光素子は、電子障壁層１８ＡのＡｌ組成比の分布において本実施の形態に係る半導体発光素子１００と相違する。図２の模式図（ａ）に示すように、比較例１に係る電子障壁層１８ＡのＡｌ組成比は、活性層１５側から第２半導体層１９側に向かって直線的に増大する。なお、図２の模式図（ａ）に示すように、第３光ガイド層１６は、組成比傾斜領域１６ａを含むが、この点においては、本実施の形態に係る半導体発光素子１００と相違しない。

窒化物半導体に形成される分極電荷面密度は、その構成層に係る歪によるピエゾ分極成分と、原子組成で決まるに自然分極成分の和に依存する。従って、各層に生じる分極電荷の面密度は、歪によるピエゾ分極成分と自然分極成分との和で構成される。各層に生じる歪の大きさと自然分極の大きさとは共に、原子組成に比例する。このため、ＡｌＧａＮ層に形成される分極電荷の面密度は、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成に比例する。したがって、Ａｌ組成比が直線的に増大する比較例１の電子障壁層１８Ａに形成される分極電荷面密度は、図２の模式図（ｂ）に示すように、直線的に増大する。

この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図２の模式図（ｃ）に示すように、形成される分極電荷の量は、電子障壁層１８Ａ内で一定である。

電子障壁層１８Ａの活性層１５側の領域では正の分極電荷が、活性層１５から遠い方の界面では負の分極電荷が、それぞれ形成される。この結果、図２の模式図（ｃ）に示すように、両界面には、電気的中性条件を満足させるために、逆極性のキャリアが誘引されるが、電子障壁層１８Ａ内の正の分極電荷密度が比較的小さいため、誘引される電子の濃度は比較的小さくなる。例えば、電子障壁層が層内で均一のＡｌ組成比を有する場合より、比較例１では、界面に誘引される電子の濃度は比較的小さくなる。

このため、図２の模式図（ｄ）に示すように、電子障壁層１８Ａの活性層１５側界面に生じた電子のために負の電界が生じるが、その電子濃度が小さいため、図２の模式図（ｅ）に示すように電子障壁層１８Ａの活性層１５に接する界面の電位の低下を抑制できる。また、電子障壁層１８Ａの活性層１５側のＡｌ組成比が小さく、禁制帯幅エネルギー（つまり、バンドギャップエネルギー）が小さい。このため、活性層１５側正孔に対して価電子帯に形成される電位障壁を抑制でき、動作電圧を低減できる。

［１−３．実施の形態１に係る電子障壁層の構成］
続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の構成を示す模式図である。模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８の分極電荷面密度分布、分極電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。

本実施の形態に係る半導体発光素子１００では、電子障壁層１８は、活性層１５側から順にＡｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比の変化率の大きい第２領域とを有する。

このため、電子障壁層１８に形成される分極電荷面密度分布は、図３の模式図（ｂ）に示すように、比較的小さい傾きで変化する領域と、比較的大きい傾きで変化する領域とを有する。

この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図３の模式図（ｃ）に示すように、分極電荷は、電子障壁層１８内で、図２の模式図（ｃ）に示した分布に対して活性層１５側で、その大きさが小さい。また、本実施の形態では、分極電荷の大きさが積層方向の位置に応じて２段階に変化する。

電子障壁層１８の活性層１５側の界面では正の分極電荷が、活性層１５から遠い側の界面では負の分極電荷が、それぞれ形成される。この結果、図３の模式図（ｃ）に示すように、両界面には、電気的中性条件を満足させるために、逆極性のキャリアが誘引される。本実施の形態では、電子障壁層１８内の活性層１５側の領域における正の分極電荷密度が小さいため、図２の模式図（ｃ）に示した場合よりも電子濃度は小さくなる。

このため、図３の模式図（ｄ）に示すように、電子障壁層１８の活性層１５側界面に誘引された電子のために負の電界が生じるが、その電子濃度が比較例１より小さくなる。従って、図３の模式図（ｅ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５に接する界面の電位の低下量が低減する。また、電子障壁層１８の活性層１５側のＡｌ組成比が小さく、禁制帯幅エネルギーが小さい。このため、活性層１５側正孔に対して価電子帯に形成される電位障壁は図２に示される比較例１の場合よりもさらに小さくなる。従って、本実施の形態に係る半導体発光素子では、動作電圧がさらに小さくなる。

また、図３の模式図（ｄ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の電界が小さいため、電子障壁層１８の活性層１５側での電位の低下が小さく、電子に対する電子障壁層１８の電位障壁（図３のΔＥｃ）が大きくなり、高温高出力動作時において、電子が熱的に励起されて電子障壁層１８を超えて、第２半導体層に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制する効果が増大する。この結果、従来の電子障壁層と比較して、より低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい半導体発光素子１００を実現することができる。また、半導体発光素子の自己発熱が低減される結果、高温動作時においても、低消費電力である半導体発光素子を得ることが可能となる。具体的には、８５℃の高温で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可能な超高出力の青色半導体レーザ素子を実現できる。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の例について図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第１例及び第２例を示す模式図である。

図４Ａは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。図４Ｂは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域との間に組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が配置されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。

図４Ａ及び図４Ｂに示すいずれの場合でも、電子障壁層１８の活性層側の界面の位置ｘ＝Ｘｓと、電子障壁層１８においてＡｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍとの中点ｘ＝Ｘｐにおいて、そのＡｌ組成比が、位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比との平均値よりも小さい値としている。さらに、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍにおいて、電子障壁層１８のＡｌ組成比の大きさは、図４Ａ及び図４Ｂにおいて位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と、位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比とを結ぶ点線の大きさ以下である。このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｐとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比の変化率は、点線で示す変化率以下の値となる。

また、図４Ｂに示す構造では、電子障壁層１８を形成し始める第１領域のＡｌ組成比変化率を、その後に形成する領域のＡｌ組成比変化率よりも高めている。これは、電子障壁層１８の活性層１５側界面の位置、つまり、電子障壁層１８を形成し始める位置の制御性を高め、半導体発光素子１００の動作特性の再現性の安定性を高める効果がある。

以上のように、本実施の形態では、電子障壁層１８は、ＧａＮ基板１１の主面と垂直な積層方向においてＡｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、積層方向においてＡｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有する。第１領域及び第２領域において、Ａｌ組成比は活性層１５から第２半導体層に向かう方向に対して単調増加し、第２の変化率は第１の変化率よりも大きい。

これにより、電子障壁層１８の活性層１５側界面への分極電荷の大きさの影響を、図４Ａ及び図４Ｂで点線で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、点線で示す構造に対して小さくなるため、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。従って、高温動作においても低消費電力の半導体発光素子１００を実現できる。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の他の例について図５Ａ〜図５Ｄを用いて説明する。

図５Ａ〜図５Ｄは、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第３例〜第６例を示す模式図である。

図５Ａは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、Ａｌ組成比最大点から第２半導体層１９に近づくに従ってＡｌ組成比は減少し、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。

図５Ｂは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が相対的に大きい第２領域との間に、組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が形成されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、Ａｌ組成比最大点から第２半導体層１９に近づくに従ってＡｌ組成比は減少し、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。

図５Ｃは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比最大点からＡｌ組成比が一定である一定領域と、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。

図５Ｄは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域との間に組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が形成されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比最大点からＡｌ組成比が一定である一定領域と、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。

図５Ａ〜図５Ｄに示すいずれの場合でも、電子障壁層１８が形成され始める位置ｘ＝Ｘｓと、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍとの中点ｘ＝Ｘｐにおいて、そのＡｌ組成比が、位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比との平均値よりも小さい値としている。さらに、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍにおいて、電子障壁層１８のＡｌ組成比の大きさは、各図において位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と、位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比とを結ぶ点線の大きさ以下の範囲で形成されている。このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｐとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比の変化率は、点線で示す変化率以下の値となる。

以上のように本実施の形態では、電子障壁層１８の活性層１５側界面への分極電荷の大きさの影響を、点線で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、点線で示す構造に対して小さくなるため、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。

また、電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層１９に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が単調に減少する第２減少領域とを有する。このため、図中の一点鎖線で示された一定のＡｌ組成比減少率を示す構成よりもＡｌ組成比が減少する領域での平均Ａｌ組成比が小さくなる。

また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の界面の位置ｘ＝Ｘｅは、第２半導体層１９の平均Ａｌ組成比と電子障壁層１８のＡｌ組成比とが同一の値となる位置である。第２半導体層１９がＧａＮを含む、Ａｌ組成比の異なる２種のＡｌＧａＮ層からなる超格子で形成される場合は、位置ｘ＝Ｘｅは、第２半導体層１９の積層方向に対する平均Ａｌ組成比と、電子障壁層１８のＡｌ組成比とが同一となる位置を意味する。

ここで、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮにおいては、通常ドーパントとして使用されるＭｇの活性化率が低い。このため高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮは、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＮよりも抵抗が高くなる。そのため、電子障壁層１８において、高Ａｌ組成比となる領域が厚くなると、価電子帯のバンド構造において正孔の活性層１５側への電気伝導を阻害する電位障壁を形成する領域の膜厚が厚くなるため、正孔の伝導が阻害される。これに伴い動作電圧が増大する。このため、Ａｌ組成比の成長膜厚方向に対し減少する領域である、第２減少領域と第１減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。当該合計膜厚は、例えば、４ｎｍ以下である。また、当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。

図５Ａ〜図５Ｄのいずれの場合でも、図中の一点鎖線で示された一定のＡｌ組成比減少率を示す構成よりもＡｌ組成比が減少する領域での平均Ａｌ組成比が小さくなり、半導体発光素子１００の動作電圧の増大を抑制することができる。

また、図５Ｃ及び図５Ｄに示す例では、Ａｌ組成比が一定となる領域が形成されている。これは、半導体発光素子１００の製造時の同一ウェハ面内でのＡｌ組成比のばらつきを考慮して形成されている領域である。これにより、同一ウェハ面内の電子障壁層１８において一定の最大Ａｌ組成比を得ることができるため、電位障壁ΔＥｃの大きさのウェハ面内での均一性を高めることができる。ただし、このＡｌ組成比一定領域の膜厚が厚くなりすぎると、高Ａｌ組成比となる領域の膜厚が厚くなるため、前述のように動作電圧増大を招いてしまう。このため、組成比一定領域の膜厚は、可能な限り薄い方が良い。当該組成比一定領域の膜厚は、例えば２ｎｍ以下である。また、当該組成比一定領域の膜厚は、１ｎｍ以下であってもよい。

以上では、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が複数の一次直線で表される場合について説明したが、以下では一次直線に限定されない関数ｆ（ｘ）で表される場合について図６を用いて説明する。なお、ここで、ＧａＮ基板１１の主面と垂直な積層方向をｘ軸方向としている。図６は、本実施の形態に係る電子障壁層１８の積層方向におけるＡｌ組成比分布の一例を示す図である。図６のグラフ（ａ）は、Ａｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を示すグラフである。図６のグラフ（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ関数ｆ（ｘ）の一次導関数ｆ’（ｘ）及び二次導関数ｆ’’（ｘ）を示すグラフである。

図６に示すように、電子障壁層１８は、Ｘｓ＜ｘ≦Ｘｍを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となる第１凹領域を有する。この関係を満足することにより、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの間では、ｆ（ｘ）は図６のグラフ（ａ）に示すように凹形状（つまり、下に凸形状）となる。

また、図６のグラフ（ｃ）に示すように、第１凹領域における位置ｘ＝Ｘ１において、二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大となっている。このことにより、第１凹領域に組成比の変化率が最大となる位置ｘ＝Ｘ１が存在し、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘ１までの間でＡｌ組成比の変化率が徐々に増大していくことになる。

この場合、Ａｌ組成比の変化率は活性層１５側の方が小さくなり、活性層１５側界面近傍領域での分極電荷の大きさを低減することができる。このため、前述のように位置ｘ＝Ｘｓ近傍の活性層１５側界面に存在する電子濃度を低減することができ、電子障壁層１８の価電子帯に形成されるホール障壁電位の増大を抑制できる。この結果、素子の動作電圧の低減及び電位障壁ΔＥｃの増大を実現できる。

図６のグラフ（ｂ）に示すように、ｆ’（ｘ）の大きさは連続しており、不連続となる位置が存在しない。このため、電子障壁層１８内で形成される分極電荷面密度が急峻に変化する位置が存在しない。従って、電子障壁層１８内で形成される正の分極電荷が急激に増大する位置が発生することを防止することができる。

この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍領域での電子濃度を低減することができ、動作電圧を低減することができる。

また、図６のグラフ（ａ）に示すように、電子障壁層１８は、位置ｘについてＸ１＜ｘ≦Ｘｅを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第１凸領域を有する。

このとき、第１凸領域において、関数ｆ（ｘ）は上に凸形状となる。従って、関数ｆ（ｘ）の形状は、下に凸の第１凹領域の第２半導体層１９側に、上に凸の第１凸領域が形成された構成となる。Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍは、第１凸領域に配置される。

このＡｌ組成比分布形状の場合、電子障壁層１８内で形成される分極電荷はｆ’（Ｘ）にほぼ比例するため、分極電荷の大きさは、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍では小さく、第２半導体層１９側よりも小さくなる。

この場合、活性層１５側界面近傍領域での分極電荷の大きさが低減されることから、前述のように位置ｘ＝Ｘｓ近傍の活性層１５側界面に存在する電子濃度を低減することができ、電子障壁層１８の価電子帯に形成されるホール障壁電位の増大を抑制できる。この結果、素子の動作電圧の低減及び電位障壁ΔＥｃの増大を実現できる。

また、第１凸領域のＡｌ組成比分布形状は上に凸形状であるため、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍ近傍でのＡｌ組成比の変化率が小さくなる。このため、Ａｌ組成比の最大値の制御性が良い。このことから、半導体発光素子１００製造時のウェハ面内の最大Ａｌ組成比のばらつきを抑制することができる。このため、再現性よく、電位障壁ΔＥｃの大きい、温度特性に優れた素子を得ることができる。

電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層１９に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が単調に減少する第２減少領域とを有する。言い換えると、第２減少領域におけるＡｌ組成比の変化率の絶対値は、第１減少領域におけるＡｌ組成比の変化率の絶対値より小さい。

ここで、第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚が厚いと、Ａｌ組成比が第２導電型の第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも高いために、ホールの電気伝導を阻害する領域の膜厚増大につながり、動作電圧の増大をもたらす。

したがって、第２減少領域と第１減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。本実施の形態では、当該合計膜厚は、例えば、４ｎｍ以下である。当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。

また、図６のグラフ（ａ）に示すように、点（Ｘｓ，ｆ（Ｘｓ））を通り、関数ｆ（ｘ）と第１凸領域の位置ｘ＝Ｘｔで接する一次関数をｇ（ｘ）とすると、Ｘｓ＜ｘ＜Ｘｔを満足する位置ｘにおいて、関数ｆ（ｘ）、関数ｇ（ｘ）及び一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｇ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足している。

この場合、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間でｇ（ｘ）で決まる三角形状のＡｌ組成比分布よりも、ｆ（ｘ）で決まるＡｌ組成比の方が値が小さくなる。

このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｇ（ｘ）で決まるＡｌ組成比以下の値となる。

この場合、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍での分極電荷の大きさを、ｇ（ｘ）で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間のＡｌ組成比がｇ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。

続いて、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が一次直線に限定されない関数ｆ（ｘ）で表される場合の他の例について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る電子障壁層１８の積層方向におけるＡｌ組成比分布の他の一例を示す図である。図７のグラフ（ａ）は、Ａｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を示すグラフである。図７のグラフ（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ関数ｆ（ｘ）の一次導関数ｆ’（ｘ）及び二次導関数ｆ’’（ｘ）を示すグラフである。

図７のグラフ（ａ）〜（ｃ）に示すＡｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を有する電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ＜ｘ≦Ｘｍを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）＞０かつｆ’（ｘ）＞０となる第１凹領域を有する。位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの間でこの関係を満足する第１凹領域では、ｆ（ｘ）は図７のグラフ（ａ）に示すように凹形状（つまり、下に凸形状）となる。

また、図７のグラフ（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１凹領域でｆ’’（ｘ）が極大となる位置を位置ｘ＝Ｘ１とする。電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’（ｘ）が連続的に変化し、ｆ’（ｘ）＞０かつ二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大になる位置を含む第２凹領域を有する。

この場合、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍に、第１凹領域の活性層１５側よりもＡｌ組成比が増大する割合の大きい領域があるが、急峻なステップ状の変化ではない第２凹領域が形成されている。

急峻なステップ状にＡｌ組成比が増大すると、そのステップ状に変化する位置で発生する分極電荷が大きくなり、電子障壁層１８と活性層１５との界面で発生する電子濃度の増大から前述のように動作電圧の増大につながる。

本実施の形態では、電子障壁層１８と活性層１５との界面近傍でのＡｌ組成比の変化はステップ状でないため、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。

また、図７のグラフ（ａ）〜（ｃ）に示すように、電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第２凸領域を有する。これにより、第２凸領域のＡｌ組成比分布形状は上に凸形状となる。

活性層１５近傍の界面に、凹形状（つまり、下に凸形状）から上に凸形状に変わる形状の、第２凹領域及び第２凸領域を順次形成すれば、第２凹領域、第２凸領域を順次形成しない場合と比較して、電子障壁層１８の形成初期において、Ａｌ組成比の増加率を大きくすることができる。この結果、電子障壁層１８を形成し始める位置の制御性を高め、素子の動作特性の再現性を高める効果がある。

ここで、第２凸領域の第２半導体層１９側に、凹形状の第１凹領域を形成する。つまり、第２凸領域は、第２凹領域と、第１凹領域との間に配置される。この場合、Ａｌ組成比が増大する変化率の大きい領域が形成され、大きい分極電荷の発生する領域を活性層１５側から遠ざけることができる。

また、第１凹領域の第２半導体層１９側に、上に凸形状の第１凸領域が形成されている。第１凸領域は、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍを含む。

この場合、Ａｌ組成比最大となる位置ｘ＝Ｘｍ近傍でのＡｌ組成比の変化率が小さくなり、Ａｌ組成比の最大値を制御性良く作製することができる。このことから、半導体発光素子作製時のウェハ面内の最大Ａｌ組成比のばらつきを抑制することができる。このため、再現性よく、電位障壁ΔＥｃの大きい、温度特性に優れた半導体発光素子を得ることができる。

また、図７のグラフ（ａ）に示すように、関数ｆ（ｘ）と第２凸領域の点（Ｘｕ，ｆ（Ｘｕ））で接し、かつ、関数ｆ（ｘ）と第１凸領域の点（Ｘｖ，ｆ（Ｘｖ））で接する一次関数を関数ｈ（ｘ）とする。Ｘｕ＜ｘ＜Ｘｖを満足する位置ｘにおいて、関数ｆ（ｘ）、関数ｈ（ｘ）及び一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｈ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足する。

この場合、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間でｈ（ｘ）で決まる台形状のＡｌ組成比分布よりも、ｆ（ｘ）で決まるＡｌ組成比の方が値が小さくなる。

このため、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｈ（ｘ）で決まるＡｌ組成比以下の値となる。

電子障壁層内に形成される分極電荷は前述のようにｆ’（ｘ）に比例する。

この場合、正の分極電荷面が相対的に大きく形成される領域は図７のグラフ（ｂ）に示すようにｆ’（ｘ）の極大値近傍の領域であるため、位置ｘ＝Ｘｕよりも位置ｘ＝Ｘｖ近傍の正の分極電荷が大きくなる。

その結果、位置ｘ＝Ｘｕ近傍での正の分極電荷の大きさを、ｈ（ｘ）で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間のＡｌ組成比がｈ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり、電位障壁ΔＥｃを増大できる。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。

また、電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が減少する第２減少領域とを有する。第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚が厚いと、Ａｌ組成比が第２半導体層１９の平均Ａｌ組成比よりも高い領域が増大するため、ホールの伝導を阻害する領域の膜厚増大につながり、動作電圧の増大につながる。

従って第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。本実施の形態では、当該合計膜厚は、例えば４ｎｍ以下である。当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。

また、図６及び図７に示した電子障壁層１８のＡｌ組成比分布形状において、位置ｘ＝（Ｘｓ＋Ｘｍ）／２において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となっている。

これにより、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの中点では、ｆ（ｘ）は凹形状（つまり、下に凸形状）の増加関数となる。ｇ（ｘ）で決まる三角形状のＡｌ組成比分布、又は、ｈ（ｘ）で決まる台形状のＡｌ組成比分布よりもｆ（ｘ）は小さく、位置ｘ＝Ｘｓにおける電子障壁層１８の分極電荷の影響を低減でき、電子濃度が低減される。

このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、ｇ（ｘ）又はｈ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。

図６及び図７に示した電子障壁層１８のＡｌ組成比分布形状において、第１凹領域の幅が、（Ｘｍ−Ｘｓ）／２以上となっている。

この場合、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍまでの範囲において、分極電荷の大きさが大きくなる領域をＡｌ組成比最大点Ｘｍ寄りに配置できるため、分極電荷発生位置を電子障壁層１８の活性層１５側界面から遠ざけることができる。

このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、ｇ（ｘ）又はｈ（ｘ）で示される構成に対して、より小さくなり、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位をより低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８には、Ｍｇがドーピングされている。電子障壁層１８の第１凸領域では、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮが使用される。これにより、電位障壁ΔＥｃが大きくなることで電子の第２半導体層への漏れを抑制できる。最大Ａｌ組成比は、例えば０．２以上、又は、０．３以上としてもよい。このようにＡｌ組成比が高くなるとＭｇのアクセプタ準位のエネルギーとＡｌＧａＮの価電子帯とのエネルギー差が大きくなるため、Ｍｇはアクセプタとして活性化しにくくなる。そこで電子障壁層１８へのＭｇのドーピング濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上に高め、活性化するアクセプタの濃度を高めてもよい。ただし、Ｍｇのドーピング濃度を３×１０^１９ｃｍ^−３以上と、あまりに高めると電子障壁層１８の結晶性の低下が生じ、高温高出力動作時の半導体発光素子１００の信頼性の低下につながりかねない。そこでＭｇのドーピング濃度を、３×１０^１９ｃｍ^−３未満としてもよい。

本実施の形態に係る半導体発光素子１００では、電子障壁層１８には１×１０^１９ｃｍ^−３以上２×１０^１９ｃｍ^−３以下のＭｇドーピングを行っている。

また、Ａｌ組成比が相対的に低い位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝（Ｘｓ＋Ｘｍ）／２までの間の領域では、Ｍｇのアクセプタとしての活性化率が高いため、ドーピングするＭｇの濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３とし、Ａｌ組成比が高くなる第１凸領域近傍ではドーピングするＭｇの濃度を２×１０^１９ｃｍ^−３と相対的に高めてもよい。これにより、Ｍｇ濃度の増大による電子障壁層１８での結晶性の低下を抑制することができる。

また、図４Ａ及び図４Ｂ及び図５Ａ〜図５Ｄに示す電子障壁層１８の構成において、第１領域の膜厚が電子障壁層１８の膜厚の５０％より大きく８０％以下、かつ、位置ｘ＝（Ｘｍ＋Ｘｓ）／２でのＡｌ組成比が電子障壁層１８におけるＡｌ組成比最大値の５０％以下であってもよい。これにより、後述するように、動作電圧の低減、電位障壁ΔＥｃの増大、及び、漏れ電流の低減を同時に実現することができる。

図４Ａ及び図４Ｂに示した複数の一次直線で表されるＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８の第１領域ではＡｌ組成比の変化率が小さく、その第２半導体層１９側の第２領域ではＡｌ組成比の変化率が大きい。

これに対し、図６及び図７に示す曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、位置ｘ＝Ｘ１よりも第２半導体層１９寄りの領域でＡｌ組成比の変化率の増大する割合（ｆ’’（ｘ））が大きくなるため、曲率が増大し、Ａｌ組成比の大きさを示す関数ｆ（ｘ）の曲率が大きくなるという特徴がある。

このことから、図６及び図７に示した曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、図４Ａ及び図４Ｂに示した第１領域は、第１凹領域内で、Ａｌ組成比の変化率の変化（ｆ’’（ｘ））が最大になる位置ｘ＝Ｘ１よりも活性層１５寄りの領域に相当する。

従って、図６及び図７に示した曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、第１領域の膜厚が電子障壁層１８の膜厚の５０％より大きく８０％以下、かつ、位置ｘ＝（Ｘｍ＋Ｘｓ）／２でのＡｌ組成比が電子障壁層１８におけるＡｌ組成比最大値の５０％以下であれば、動作電圧の低減、ΔＥｃの増大、漏れ電流の低減を同時に実現することができる。

以上のように、本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比が変化する領域において、Ａｌ組成比が連続的に変化する。このような電子障壁層１８のＡｌ組成比分布は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて形成できる。ＭＯＣＶＤにおいて、結晶成長させる際、例えば、当該結晶の原料を含むガスの供給量を時間的に変化させることで、組成比分布を自在に調整できる。上述したＡｌ組成比分布の各形状は、時間に対して微小なステップ状にＡｌ供給量を変化させることで実現できる。なお、この場合、Ａｌ供給量を時間に対して直線的に変化させても、原料ガスの粘性などの影響により結晶成長面に到達する原料に時間遅延が生じるため、曲線状のＡｌ組成比分布となり得る。

［１−４．電子障壁層の作用及び効果］
次に、本実施の形態に係る電子障壁層１８の作用及び効果について、図８〜図１２を用いて説明する。

図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第１の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図９は、比較例２に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第２の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第３の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図１２は、比較例３に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。なお、各シミュレーションにおいては、いずれも半導体発光素子の動作電流を３００ｍＡとしている。

図８〜図１２の各グラフ（ａ）は、電子障壁層近傍の禁制帯幅エネルギー（バンドギャップ）の分布を示し、各グラフ（ｂ）は、電子障壁層近傍の単位体積あたりの分極電荷の分布を示す。図８〜図１２の各グラフ（ｃ）は、電子障壁層近傍の電子、正孔濃度の分布を示し、各グラフ（ｄ）は、電子障壁層１８近傍の電界分布を示す。図８〜図１２の各グラフ（ｅ）は、電子障壁層１８近傍の伝導帯バンド構造と電子のフェルミエネルギーの分布とを示し、各グラフ（ｆ）は、電子障壁層１８近傍の価電子帯バンド構造と正孔（つまり、ホール）のフェルミエネルギーの分布とを示す。

図８は、電子障壁層１８の膜厚を７ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、電子障壁層１８は、膜厚５ｎｍの第１領域と、膜厚２ｎｍの第２領域とを有する。第１領域においては、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．１５に直線的に増加させている。第２領域においては、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０．１５から０．３５に増加させている。

図８のグラフ（ｂ）に示すように、電子障壁層１８の活性層１５側には、１×１０^１９ｃｍ^−３の正の分極電荷が生じ、第２半導体層側には５×１０^１９ｃｍ^−３の正の分極電荷が生じている。図８のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。この分極電荷は、例えば、電子障壁層の均一なＡｌ組成比０．３５を有する場合と比較して１％程度に相当する。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、−５．３×１０^−２Ｃ／ｍ^２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０^−１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０^２２ｃｍ^−３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。このように本実施の形態に係る電子障壁層１８によれば、活性層１５側における分極電荷を抑制できる。本開示において、分極電荷の体積密度は、電子濃度に換算した値である。

図８のグラフ（ｃ）に示すように、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層側界面に１×１０^１７ｃｍ^−３の濃度の電子が誘引されている。これに伴い、電子障壁層の活性層側界面に電界が生じるが、その強度も−０．２ＭＶ／ｃｍに低減されている。この結果、図８のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も抑制されるため、電子に対する電位障壁ΔＥｃの低下と正孔に対する電位障壁ΔＥｖの増大とが抑制されている。図８に示す構成では、電位障壁ΔＥｃは０．７７ｅＶ、電位障壁ΔＥｖは０．２２ｅＶである。また、図２に示す比較例１のシミュレーション結果なども参照すると、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が、図８に示した電子障壁層１８のように凹形状（下に凸形状）である方が、電子に対する電位障壁ΔＥｃは大きく、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが小さくなることがわかった。

図９には、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の比較例２として、電子障壁層１８Ｂの構成だけが本実施の形態と異なる半導体発光素子をシミュレーションした結果を示す。比較例２に係る電子障壁層１８Ｂの膜厚を７ｎｍとし、電子障壁層１８Ｂの活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．３５に、増加させている。ただし、そのＡｌ組成比の増加率は徐々に減少するようにＡｌ組成比を増加させている。つまり、Ａｌ組成比分布のグラフは直線でなく上に凸形状となる。

図９のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８Ｂの活性層１５側には、５×１０^１９ｃｍ^−３の正の分極電荷が生じている。図９のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。この値は、図８に示した本実施の形態に係る半導体発光素子１００のシミュレーションで生じた値の５倍である。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、−５．３×１０^−２Ｃ／ｍ^２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０^−１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０^２２ｃｍ^−３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。

図９のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８Ｂ界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面に１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度の電子が誘引されている。この濃度は、図８のグラフ（ｃ）に示した値の１０倍程度に相当する。このため、電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面に生じる電界は−０．９ＭＶ／ｃｍとなり、その絶対値は、図８のグラフ（ｃ）に示した場合の約４．５倍となっている。この結果、図８のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面の伝導帯、価電子帯のバンドの電位の低下も図８に示した結果と比較して大きくなる。これに伴い、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図９に示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６８ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２８ｅＶとなっている。

図１０は、電子障壁層１８の膜厚を７ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、電子障壁層１８の活性層１５側の膜厚５ｎｍの領域で、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．１５に徐々に（直線的に）増加させている。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍの領域で、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の増加率が増大するように、Ａｌ組成比を０．３５まで増加させている。この場合、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍの領域で、Ａｌ組成比分布が凹形状（下に凸形状）となる。

図１０のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５寄りの領域には、活性層１５から遠ざかるに従って、２×１０^１９ｃｍ^−３から１×１０^１９ｃｍ^−３へと減少するように分布した正の分極電荷が生じている。図１０のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、−５．３×１０^−２Ｃ／ｍ^２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０^−１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０^２２ｃｍ^−３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。

図１０のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層１５側界面に１×１０^１７ｃｍ^−３の濃度の電子が誘引されている。この濃度は、図９のグラフ（ｃ）に示した場合の１０分の１程度に抑制されている。このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面に生じる電界は−０．３ＭＶ／ｃｍとその絶対値も抑制されている。この結果、図１０のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯、価電子帯のバンドの電位低下も抑制されるため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが増大し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが低下している。図１０示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．７７ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２３ｅＶとなっている。

図１１に示すシミュレーションにおいては、図１０に示す電子障壁層の第２半導体層１９側に、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比が減少する領域（以下、「Ａｌ組成比減少領域」ともいう）２ｎｍを付加した構成を有する電子障壁層１８を用いている。

電子障壁層１８のＡｌ組成比減少領域では、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の減少率の絶対値が徐々に大きくなり、その後、徐々に小さくなるようにＡｌ組成比が第２半導体層１９と同じになるまで減少していく。つまり、Ａｌ組成比減少領域は、Ａｌ組成比分布形状が上に凸形状となる領域の第２半導体層１９側に、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域が形成されたＡｌ組成比分布を有する。

図１１のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側には、活性層１５から遠ざかるに従って、２×１０^１９ｃｍ^−３から１×１０^１９ｃｍ^−３へと減少するように分布した正の分極電荷が生じている。図１１のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側におけるＡｌ組成が減少する領域では、図示はしていないが、２×１０^２０ｃｍ^−３程度の負の分極電荷が生じている。

図１１のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層１５側界面に１×１０^１７ｃｍ^−３の濃度の電子が誘引されている。

この電子濃度は、図１０に示した構成と同等の値であるが、電子障壁層１８の第２半導体層１９側にＡｌ組成比減少領域を付加したために、図１１のグラフ（ｆ）に示すように価電子帯バンド構造の電位の最小値が低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大するため、半導体発光素子１００の動作電圧が増大する。

図１１のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も図１０に示した構造と比較して低減されている。このため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図１１に示す構造では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６８ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２８ｅＶとなっている。

正孔に対する電位障壁ΔＥｖは図１０に示した構成と比較して０．０５ｅＶ程度増大し、半導体発光素子１００の電流−電圧特性において、立ち上がり電圧の０．０４Ｖ程度の増大を招くことになる。このため、電子障壁層１８のＡｌ組成比減少領域は可能な限り薄い方が良い。

図１２には、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の比較例３として、電子障壁層１８Ｃの構成だけが本実施の形態と異なる半導体発光素子をシミュレーションした結果を示す。比較例３に係る電子障壁層１８Ｃの膜厚を９ｎｍとし、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側の膜厚７ｎｍの領域において、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．３５に、増加させている。電子障壁層１８Ｃの第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍのＡｌ組成比減少領域において、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を第２半導体層１９と同じになるまで減少させている。

電子障壁層１８ＣのＡｌ組成比減少領域では、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の減少率の絶対値が徐々に大きくなり、その後、徐々に小さくなるようにＡｌ組成比が減少していく。つまり、Ａｌ組成比減少領域は、Ａｌ組成比分布形状が上に凸形状となる領域の第２半導体層１９側に、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域が形成されたＡｌ組成比分布を有する。

図１２のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８Ｃの活性層側には、２×１０^１９ｃｍ^−３の正の分極電荷が生じている。図１２のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側におけるＡｌ組成が減少する領域では、図示はしていないが、２×１０^２０ｃｍ^−３程度の負の分極電荷が生じている。

図１２のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８Ｃの活性層１５側界面に２×１０^１７ｃｍ^−３の濃度の電子が誘引されている。

このように電子濃度が、図１１に示す構成の２倍程度に増加している。これは、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側の膜厚７ｎｍの領域のＡｌ組成比が、図１１に示す構成より大きいためである。つまり、図１１に示す構成のようにＡｌ組成比分布が凹形状を有する方が、誘引される電子濃度を低減できる。

図１２のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８Ｃの活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も、図１１に示す構成と比較して低減されている。このため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図１２に示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６６ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．３０ｅＶとなっている。

次に、本実施の形態に係る電子障壁層１８のＡｌ組成比分布の形状と、半導体発光素子１００の動作電圧及び電子に対する電位障壁ΔＥｃとの関係について、図１３〜図１５を用いて説明する。図１３は、シミュレーションにおいて用いた電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を示す模式図である。図１４及び図１５は、それぞれ電子障壁層の膜厚が５ｎｍ及び１５ｎｍである場合のシミュレーション結果を示すグラフである。

本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚が５ｎｍ及び１５ｎｍの各場合について、電子障壁層のＡｌ組成比最大値、第１領域のＡｌ組成比最大値、及び、第１領域の膜厚を変化させて、動作電流値３００ｍＡでの動作電圧と、電子に対する電位障壁ΔＥｃとを見積もり、電子漏れ抑制及び低電圧化に効果のある形状の検討を行った。

まず、図１４を用いて電子障壁層の膜厚が５ｎｍの場合のシミュレーション結果について説明する。

図１４のグラフ（ａ）〜（ｅ）は、３００ｍＡ動作時の動作電圧の、第１領域の膜厚依存性の計算結果を示し、グラフ（ｆ）〜（ｊ）は、電子の電位障壁ΔＥｃの、第１領域の膜厚依存性の計算結果を示す。グラフ（ａ）及び（ｆ）は、最大Ａｌ組成比が０．１５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｂ）及び（ｇ）は、最大Ａｌ組成比が０．２であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｃ）及び（ｈ）は、最大Ａｌ組成比が０．２５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｄ）及び（ｉ）は、最大Ａｌ組成比が０．３であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｅ）及び（ｊ）は、最大Ａｌ組成比が０．３５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５の各場合における計算結果を示す。

各グラフにおいて、白丸で表示している点は、図１３に示すＡｌ組成比分布形状が、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域と、凸形状（つまり、上に凸形状）となる領域の境界となる“直線状形状”となる第１領域の膜厚を表している。

図１５のグラフ（ａ）〜（ｊ）は、それぞれ、電子障壁層の膜厚が１５ｎｍである点以外は、図１４のグラフ（ａ）〜（ｊ）と同様の計算結果を示すグラフである。

各グラフにおいて、白丸で表示している点は、図１４の各グラフと同様に“直線状形状”となる第１領域の膜厚を表している。

図１４及び図１５のグラフ（ａ）〜（ｅ）に示すように、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が０．１５以上０．３５以下、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５以上０．３５以下の範囲において、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上あれば、直線状形状の場合の動作電圧以下の値となる。

第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚と同一になった場合は、電子障壁層の最大Ａｌ組成比は第１領域の最大Ａｌ組成比となる。従って、第１領域の膜厚が電子障壁層の膜厚に近づくにつれて、電子障壁層の禁制帯幅エネルギーが大きい領域の膜厚が薄くなる。このため量子力学的なトンネル効果の影響により、電子に対する電位障壁ΔＥｃは電子障壁層の最大Ａｌ組成比を、第１領域の最大Ａｌ組成比とした場合のΔＥｃの値に近づいていく。

図１４及び図１５のグラフ（ｆ）〜（ｇ）に示すように、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が０．１５以上０．３５以下、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５以上０．３５以下の範囲において、第１領域の膜厚が電子障壁層の膜厚の８０％以下であれば、電子に対する電位障壁ΔＥｃの低下を抑制することができる。

図１４から図１５に示した結果より、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上、８０％以下あれば、動作電圧を直線状形状の場合より抑制でき、かつ、電子障壁層の高Ａｌ組成比領域の薄膜化に伴うΔＥｃの低下を抑制することができる。

ここで、電子障壁層の膜厚が２ｎｍ以下となると、電子障壁層膜厚の薄膜化により、トンネル電流の発生や、電子障壁層の活性層側界面に存在する電子が、熱的に励起され電子障壁層を超える電子のオーバーフローを招きやすくなる。

また、電子障壁層のＡｌ組成比の最大値を１５％以上に高くすると、Ｍｇを高濃度でドーピングする必要があり、電子障壁層の膜厚を厚くすると、導波路損失の増大を招いてしまう。

従って、電子障壁層の膜厚は、３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下で作製する必要がある。

また、電子障壁層の膜厚を、５ｎｍ以上、１５ｎｍ以下の範囲とし、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上、８０％以下としてもよい。これにより、導波路損失の増大を招かずに安定してトンネル電流、及び、電子のオーバーフローの発生を抑制しつつ、動作電圧を低減することができる。

本実施の形態では、電子障壁層の膜厚を７ｎｍ、第１領域の膜厚を４ｎｍ、第２領域の膜厚を３ｎｍとして、温度特性の向上と動作電圧の低減を両立させている。

［１−５．不純物ドーピングプロファイル］
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第２半導体層１９における不純物ドーピングプロファイルについて図１６を用いて説明する。図１６は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００における第２半導体層１９の不純物ドーピングプロファイルを示す模式図である。

図１６に示すように、不純物濃度Ｐ１（＝１×１０^１８ｃｍ^−３）である電子障壁層１８の上方に第２半導体層１９が形成される。第２半導体層１９は、電子障壁層１８側から順に、不純物濃度Ｐ２で膜厚Ｘ２の低不純物濃度領域１９ａと、不純物濃度Ｐ３の高不純物濃度領域１９ｂとを含む。これにより、光分布が第２半導体層１９で被るフリーキャリア損失を低減することで、導波路損失を低減する。

ただし、不純物濃度Ｐ２が小さくなりすぎるか、膜厚Ｘ２が厚くなりすぎると抵抗が増大し動作電圧が増大する。そこで、動作電圧の増大を抑制しつつ、低導波路損失を実現するための低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２及び不純物濃度Ｐ２を検討する。

図１６に示すＮ１は、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２とｎ型ＧａＮからなる第１光ガイド層１３におけるＳｉからなるｎ型不純物の濃度であり、ここでは、１×１０^１８ｃｍ^−３としている。また、図１６に示すＰ４はｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２０のＭｇからなるｐ型不純物の濃度であり、ここでは１×１０^２０ｃｍ^−３としている。このような条件において、低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２及び不純物濃度Ｐ２と、動作電圧及び導波路損失との関係について、図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて説明する。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子１００における動作電圧及び導波路損失の低不純物濃度領域１９ａの不純物濃度依存性を示すグラフである。図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ不純物濃度Ｐ２が、０．５×１０^１８ｃｍ^−３から１×１０^１９ｃｍ^−３の範囲である場合における３００ｍＡ動作時の動作電圧、及び、導波路損失の不純物濃度が示されている。また、図１７Ａ及び図１７Ｂでは、低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２が５０ｎｍ、１７０ｎｍ、２７０ｎｍ及び３７０ｎｍである場合の依存性の計算結果が示されている。

図１７Ａに示すように、ｐ型不純物であるＭｇの濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−３以下となると動作電圧が急激に増大する。

図１７Ｂに示すように、低不純物濃度領域１９ａの膜厚が１７０ｎｍ以上の場合に導波路損失低減効果が大きい。

そこで、本実施の形態では、低不純物濃度領域１９ａの膜厚を１７０ｎｍ、Ｍｇのドーピング濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３として低動作電圧化及び低導波路損失化を実現する。このＭｇドーピングプロファイルにより、第２半導体層１９の不純物ドーピングを１×１０^１９ｃｍ^−３で一定とした場合と比較して、３００ｍＡ動作時の動作電圧の増大を０．１Ｖに抑制し、かつ、導波路損失を７ｃｍ^−１から４ｃｍ^−１へと約半減することができる。

続いて、本実施の形態に係る第２半導体層１９の低不純物濃度領域１９ａの不純物ドーピング濃度と、価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルとの関係について図１８を用いて説明する。図１８は、本実施の形態に係る低不純物濃度領域１９ａの不純物ドーピング濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３から１×１０^１９ｃｍ^−３まで変化させた場合の価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルの計算結果を示すグラフである。ここで、第２半導体層１９の高不純物濃度領域１９ｂのＭｇドーピング濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３としている。

図１８に示すように、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度を小さくすると価電子帯のバンド構造の傾きが大きくなり、正孔が電界により加速され高エネルギー化しやすくなることがわかる。高エネルギー化した正孔は、電子障壁層の活性層側の領域の価電子帯のバンドの傾きでさらに加速されることで高エネルギー化するため、漏れ正孔電流の発生を招く。

また、高エネルギー化した正孔に、Ｍｇのドーピング濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３と高い電子障壁層を通過させると、結晶欠陥の増殖を招き、半導体発光素子１００の信頼性の低下要因をとなる。

図１８より、上述した価電子帯のバンド構造の傾きは、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下になると増大することがわかる。

従って、導波路損失及び動作電圧の増大を招かず、かつ、正孔の低不純物濃度領域１９ａでの価電子帯のバンド構造の傾きによる高エネルギーの正孔の発生を抑えるためには、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下の範囲に制御すればよいことがわかる。

図１８の結果と併せて、図１７Ａ及び図１７Ｂに示した結果を考慮すれば、低不純物濃度領域１９ａの膜厚を１５０ｎｍから２００ｎｍとし、Ｍｇドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以上、２×１０^１８ｃｍ^−３以下の範囲に制御すれば導波路損失及び動作電圧の増大を招かず、かつ、価電子帯のバンド構造の傾きによる高エネルギーの正孔の発生を抑えることができる。これにより、高温動作特性の向上、及び、動作電流値の低減を実現できるため、半導体発光素子１００の動作信頼性を向上させることができる。

次に、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状と、半導体発光素子特性との関係について、図１９を用いて説明する。図１９は、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を、形状ａ、形状ｂ及び形状ｃとした場合における半導体発光素子の特性を示すグラフである。ここで、形状ａは、本実施の形態に係る電子障壁層のＡｌ組成比分布形状に相当し、活性層側の膜厚４ｎｍの第１領域においてＡｌ組成比は０から０．１５まで直線的に増大し、第２半導体層側の膜厚３ｎｍの第２領域においてＡｌ組成比は０．１５から０．３５まで直線的に増大する形状である。形状ｂは、活性層側の膜厚４ｎｍの領域において、活性層側から第２半導体層側に進むに従って、Ａｌ組成比が０から０．３５まで直線的に最大値まで増加し、第２半導体層側の膜厚３ｎｍの領域において、Ａｌ組成比が最大値０．３５で一定である形状である。形状ｃは、膜厚７ｎｍの電子障壁層におけるＡｌ組成比分布が０．３５で一定である形状である。

図１９のグラフ（ａ）は、２５℃における電流―光出力特性を示し、グラフ（ｂ）は、２５℃における電流―電圧特性を示し、グラフ（ｃ）は、８５℃における電流―光出力特性を示し、グラフ（ｄ）は、８５℃における電流―電圧特性の測定結果を示す。

図１９に示すように、形状ａによれば、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状においてＡｌ組成比変化率の小さい第１領域、Ａｌ組成比変化率の大きい第２領域を形成することで、動作電圧が低減されると共に、電流―光出力特性の温度特性の向上効果があることがわかる。

本実施の形態では、電子障壁層の第１領域において、Ａｌ組成比分布形状における膜厚４ｎｍの領域でＡｌ組成比を０から０．１５へ増大させた形状を採用し、第２領域において、膜厚３ｎｍの領域でＡｌ組成比を０．１５から０．３５へ増大させた形状を採用しているが、形状ａの第１領域及び第２領域の各膜厚は、上記の各膜厚に限定されない。

図１９に示す測定結果は、活性層側がサブマウント側に近くなるようにダイヤモンドからなるサブマウント上にジャンクションダウンで実装された半導体発光素子を用いて取得した。この実装形態により半導体発光素子の熱抵抗が低減するため温度特性が向上するが、ダイヤモンドの熱伝導率は１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、他のサブマウントに使用されている材料例えば熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＳｉＣ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＡｌＮなどと比較して非常に大きく、抗熱性を実現するために適している。そのため、高温高出力動作時における半導体発光素子の温度上昇も小さくなる。このため、通常、温度が上昇すると、ドーピングしたｐ型不純物であるＭｇの活性化率が高まり、ｐ型層の抵抗が低下するため、動作電圧が低減する。しかしながら、ダイヤモンドサブマウントを使用すると半導体発光素子の温度上昇が抑制されるため、室温から高温に温度を上げた場合の動作電圧の低減幅が小さくなる。従って、本実施の形態に係る電子障壁層のＡｌ組成比分布を採用することで、ホールの電気伝導性を高めて低動作電圧化を図ることは、放熱性を向上させて熱抵抗を小さくした実装形態で半導体発光素子を動作させる場合、消費電力の低減に、より効果的となる。

例えば、熱抵抗を低減する方法として、ダイヤモンドサブマウントにジャンクションダウンで実装する場合に加えて、単結晶ＳｉＣサブマウントにジャンクションダウンで実装する場合、あるいは、共振器長を１２００μｍ以上、ストライプ幅を４０μｍ以上として、放熱性を高めて熱抵抗を低減する場合が考えられる。

特に１０ワット以上の超高出力半導体レーザ素子では、放熱性の観点からストライプ幅を４０μｍ以上、共振器長を１５００μｍ以上としてもよい。これにより、本実施の形態に係る電子障壁層による動作電圧の低減はより一層効果的となる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層における不純物ドーピング構成、及び、活性層の第２光ガイド層側のバリア層又はその界面における不純物ドーピング構成において実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。

［２−１．全体構成］
上述のとおり、本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と同様に図１Ａで示されるような層構造を有する。

本実施の形態に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層１６及び活性層１５のバリア層１５ａの構成において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。第３光ガイド層１６及びバリア層１５ａの構成及びその効果について説明する。

［２−２．第３光ガイド層における不純物ドーピング構成］
本実施の形態に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６の中間層１７側の領域には、組成比傾斜領域１６ａが配置されている。本実施の形態においては、組成比傾斜領域１６ａにＭｇがドーピングされる。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子における不純物ドーピング分布について図２０及び図２１を用いて説明する。図２０は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａにおける分極電荷の形成を説明する模式図である。図２０の模式図（ａ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域のバンド構造（つまり、禁制帯幅エネルギー）を模式的に示す。図２０の模式図（ｂ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域の分極電荷分布を模式的に示す。図２０の模式図（ｃ）及び模式図（ｄ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域におけるＭｇドーピングプロファイルを模式的に示す。模式図（ｃ）が示すプロファイルは、組成比傾斜領域１６ａにおいてＭｇドーピング濃度が均一である。模式図（ｄ）が示すプロファイルは、組成比傾斜領域１６ａにおいてＭｇドーピング濃度が傾斜している。具体的には、組成比傾斜領域１６ａの活性層１５側から電子障壁層１８側に向かって、Ｍｇドーピング濃度が増大する。模式図（ｅ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａ近傍領域の伝導帯バンド構造を模式的に示す。

図２１は、比較例４に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６における分極電荷の形成を説明する模式図である。図２１に示す比較例４に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域を有さない点において、本実施の形態に係る半導体発光素子と相違し、その他の点において一致する。図２１の模式図（ａ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域のバンド構造（つまり、禁制帯幅エネルギー）を模式的に示す。図２１の模式図（ｂ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域の分極電荷分布を模式的に示す。図２１の模式図（ｃ）は、第３光ガイド層１６の電子障壁層１８側の端部に配置された組成比傾斜領域１６ａの近傍領域におけるＭｇドーピングプロファイルを模式的に示す。模式図（ｃ）が示すプロファイルでは、第３光ガイド層１６における電子障壁層１８側の領域において均一な分布でＭｇがドーピングされる。模式図（ｄ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域の伝導帯バンド構造を模式的に示す。

本実施の形態に係る半導体発光素子では、中間層１７と第３光ガイド層１６との境界にあるＩｎの組成比分布が傾斜している組成比傾斜領域１６ａを形成している。なお、比較例４に係る半導体発光素子では、組成比傾斜領域１６ａを有さない。

第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域１６ａを有さない場合、図２１に示すように中間層１７と第３光ガイド層１６の界面に正の分極電荷が形成される。このため、電気的中性条件を満足するようにバンド構造が変形し、電子が中間層１７と第３光ガイド層１６との界面に誘引される。この結果、当該界面のバンド構造には、図２１の模式図（ｄ）に示すような凹みが生じ、この凹みが正孔に対して電位障壁として働く。このため比較例４に係る半導体発光素子では、動作電圧が増大する。

これに対し、第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域１６ａを有する場合、図２０の模式図（ｂ）に示すように中間層１７と第３光ガイド層１６との界面に形成された正の分極電荷は、組成比傾斜領域１６ａ全体に小さい密度で分散する。このため、図２０の模式図（ｅ）に示すようにバンド構造の変形が小さく、図２１に示したような凹みが生じない。このため、半導体発光素子の動作電圧の増大を抑制することができる。

さらに、組成比傾斜領域１６ａにＭｇをドーピングすれば、活性層１５における正孔濃度を高めることができ、さらに動作電圧を低減することができる。

図２０の模式図（ｃ）に示すように組成比傾斜領域１６ａ内で均一濃度でＭｇをドーピングすれば、第３光ガイド層１６での正孔の電気伝導性が高まり、動作電圧が低減する。

また、図２０の模式図（ｄ）に示すように組成比傾斜領域１６ａ内で活性層１５側の濃度が低い傾斜濃度とすれば、第３光ガイド層１６で光分布が受けるフリーキャリア損失の発生を抑制することができ、低電圧化を図りつつ、導波路損失の増大を抑制することができる。

ここで、組成比傾斜領域１６ａの効果について図２２Ａ〜図２２Ｃを用いて説明する。図２２Ａ、図２２Ｂ及び図２２Ｃは、それぞれ、Ｍｇドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３及び２×１０^１９ｃｍ^−３である場合における本実施の形態に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。各図においては、組成比傾斜領域１６ａの有る場合と、無い場合における３００ｍＡ動作時の動作電圧の計算結果が示されている。組成比傾斜領域１６ａがある場合は、Ｍｇドーピング領域は組成比傾斜領域１６ａと同じ膜厚として組成比傾斜領域厚を変化させている。また、各図中の実線は、組成比傾斜領域１６ａ内で均一濃度でＭｇドーピングした場合を表し、点線は活性層１５側のＭｇドーピング濃度が低い傾斜ドーピングを行った場合を表している。

図２２Ａ〜図２２Ｃより、Ｍｇのドーピング濃度を高めた方が、動作電圧が０．０１Ｖ程度低減されることがわかる。また、Ｍｇドーピング領域長が長いほど動作電圧が低減されるが、Ｍｇドーピング領域長を長くしすぎると導波路損失の増大を招く。Ｍｇドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が１０ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。Ｍｇドーピング濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が５ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。

Ｍｇドーピング濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が３ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。

また、組成比傾斜領域１６ａ内で均一ドーピングした場合も、傾斜ドーピングした場合も、動作電圧の低減効果はほぼ同等である。したがって、導波路損失の増大抑制の観点から、組成比傾斜領域１６ａにはＭｇを傾斜ドーピングしてもよい。

組成比傾斜領域１６ａへのＭｇドーピングによれば低動作電圧化の効果だけでなく、より低い動作電圧で正孔の電気伝導性を高める効果をも奏することができる。このため、ワット級の高温高出力動作時における温度特性の向上、及び、長期動作信頼性保証の観点から、組成比傾斜領域１６ａへのＭｇドーピングは非常に重要である。

また、組成比傾斜領域１６ａにおいて、電子障壁層１８側のＩｎ組成比を、ｐ型ＧａＮからなる中間層１７と同じＩｎ組成比まで（つまり、Ｉｎ組成比０まで）変化させる場合について検討する。この場合、組成比傾斜領域１６ａの界面に前述のようにＭｇドーピングを行えば、組成比傾斜領域１６ａの電子障壁層１８側界面はｐ型のＧａＮとなっているため、ｐ型のＧａＮ層からなる第２導電型の中間層はなくてもかまわない。

［２−３．バリア層における不純物ドーピング構成］
次に、本実施の形態に係る活性層１５のバリア層１５ａにおける不純物ドーピング構成について説明する。

本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａか、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を有する。これにより、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａの界面に生じる負の分極電荷の影響を打ち消し、バリア層１５ａの価電子帯のバンドの電位を低下させることで、ウェル層１５ｂ、ウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状を均一化させることができる。これにより、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの２層で形成される量子波動関数の形状の均一性を向上させることができる。このため、各ウェル層で最も高い増幅利得が得られる波長を近づけることができるため、増幅利得を高めることができる。これにより、レーザ発振に必要な発振しきい電流値を低減することができる。

さらに、本実施の形態に係る不純物ドーピングによれば、正孔が第１光ガイド層に漏れる正孔のオーバーフローの発生を抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。

ここで、本実施の形態に係る不純物ドーピングについて図２３を用いて説明する。図２３は、本実施の形態に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。図２３の模式図（ａ）は、活性層１５の各層の界面で形成される単位体積あたりの分極電荷を示す。模式図（ｂ）は、活性層１５近傍領域のバンド構造を示す。模式図（ｃ）は、バリア層１５ａにドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｄ）は、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示す。

図２３の模式図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａ、又は、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。本実施の形態では、不純物としてＳｉをドーピングしている。

続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図２４及び図２５を用いて説明する。図２４は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａにＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２４のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。

第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷に起因して、この界面での電気的な中性条件を満足するようバンド構造が変化する。さらに、負の分極電荷に起因して正孔が発生する。したがって、当該界面の電位が上昇する。このため、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷を補償することで価電子帯のバンド電位が増大することを抑制するため、この界面の近傍領域にｎ型不純物をドーピングすることは有効である。

図２４のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大する。これに伴い、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。

バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁を増大する効果が大きくなるが、図２４のグラフ（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ、ウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。

図２５は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２５のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。本計算では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域にＳｉドーピングしている。

図２５のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大し、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。

正孔のオーバーフロー抑制効果は、図２４のグラフ（ｂ）と図２５のグラフ（ｂ）を比較すれば、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へＳｉドーピングした方が、第２光ガイド層１４の価電子帯バンドの電位も下がる。このため、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。

バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉのドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなる。しかしながら、図２５のグラフ（ｂ）に示す結果より、５×１０^１８ｃｍ^−３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、活性層１５のバリア層の構成において、実施の形態２に係る半導体発光素子と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態２に係る半導体発光素子との相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係る半導体発光素子では、バリア層１５ａ、バリア層１５ｃ及びバリア層１５ｅが、Ｉｎ組成比０．０４のＩｎＧａＮでなく、ＧａＮからなる。

各バリア層をＧａＮとすることで、各ウェル層での価電子帯のバンド障壁を大きくすることができる。しかしながら、この構造においても、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷に起因して、この界面での電気的な中性条件を満足するようバンド構造が変化する。さらに、負の分極電荷に起因して正孔が発生する。したがって当該界面の電位が上昇する。このため、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷を補償することで、価電子帯のバンド電位が増大することを抑制するため、この界面の近傍領域にｎ型不純物をドーピングすることは有効である。

そこで、本実施の形態に係る半導体発光素子では、バリア層１５ａか、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。

これにより、上記実施の形態２と同様に、半導体発光素子の増幅利得を高めることができ、レーザ発振に必要な発振しきい電流値を低減することができる。さらに、正孔が第２光ガイド層１４に漏れる正孔のオーバーフローの発生を抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。

ここで、本実施の形態に係る不純物ドーピングについて図２６を用いて説明する。図２６は、本実施の形態に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。図２６の模式図（ａ）は、活性層１５の各層の界面で形成される単位体積あたりの分極電荷を示す。模式図（ｂ）は、活性層１５近傍領域のバンド構造を示す。模式図（ｃ）は、バリア層１５ａにドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｄ）は、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示す。

図２６の模式図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａ、又は、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。本実施の形態では、不純物としてＳｉをドーピングしている。

続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図２７及び図２８を用いて説明する。図２７は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａにＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２７のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。

図２７のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大する。これに伴い、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。

バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなるが、図２７のグラフ（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。

図２８は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２８のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。本計算では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域にＳｉドーピングしている。

図２８のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４の界面へのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大し、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。

正孔のオーバーフロー抑制効果は、図２７のグラフ（ｂ）と図２８のグラフ（ｂ）を比較すれば、バリア層１５ａにＳｉをドーピングした方が、バリア層１５ａの禁制帯幅エネルギーが大きいため価電子帯バンドの電位が下がる効果が大きい。このため、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。

バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなるが、図２８（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。

また、実施の形態２及び３では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面か、バリア層１５ａの一方に不純物をドーピングした結果を示したが、両方にドーピングすれば、より一層、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面に不純物ドーピングを行う点において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に図２９を用いて説明する。

図２９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルと、禁制帯幅エネルギー分布との関係を示す模式図である。図２９の模式図（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の禁制帯幅エネルギー分布を示す。

本実施の形態に係る半導体発光素子は、図２９に示すように、実施の形態１に係る半導体発光素子において、さらに、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域に、Ｓｉからなるｎ型不純物をそれぞれ、濃度Ｎ２及びＮ３の大きさで相対的に高濃度にドーピングした構造である。第１半導体層１２及び第１光ガイド層１３において、相対的に高濃度にドーピングされていない領域のＳｉからなるｎ型不純物のドーピング濃度をＮ１（＝１×１０^１８ｃｍ^−３）とする。

このようにドーピングすることで、それぞれの界面に生じる負の分極電荷に電気的に誘因される正孔によりバンドが変形することで界面の生じるスパイク状の電位障壁の形成を、抑制することができる。また、高濃度ドーピングされている領域が狭いので導波路損失を抑制できる。この結果、導波路損失を低い値の保ったまま、動作電圧をさらに低電圧化することができる。

続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図３０を用いて説明する。図３０は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、３００ｍＡ動作時の動作電圧の第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比依存性の計算結果を示すグラフである。各グラフ内の線が同一動作電圧の座標を示し、当該線に付された数値が動作電圧を示す。図３０のグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面に、１×１０^１８ｃｍ^−１、５×１０^１８ｃｍ^−１及び１×１０^１９ｃｍ^−１のＳｉドーピングを行った場合の計算結果を示す。

界面へのＳｉドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−１の場合、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めると動作電圧が増大するが、界面へのＳｉのドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−１以上の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を高めても動作電圧は一定となる。このことから、界面へのＳｉを５×１０^１８ｃｍ^−１以上ドーピングすることで、Ａｌ組成比が０．０８以内の範囲であれば、界面で生じる分極電荷によるバンド構造の変形の発生を抑制することができるため、さらに低動作電圧化を実現することが可能となる。

本実施の形態に係る半導体発光素子においては、界面に５×１０^１８ｃｍ^−１のＳｉをドーピングすることで、３００ｍＡ動作時の動作電圧を０．０３Ｖ程度小さくできる。

また、このようにドーピングすることで、それぞれの界面に生じる負の分極電荷に電気的に誘因される正孔によりバンドが変形することで界面の生じるスパイク状の電位障壁の形成を抑制することができる。

ｎ型層の界面に正孔が誘因されてバンドが変形する場合、ｎ型領域には電子が多数存在するため電子と正孔とのオージェ非発光再結合が界面で生じやすくなる。ヘテロ界面でオージェ非発光再結合が発生すると非発光再結合中心近傍の領域の温度が局所的に増大し、格子定数の違いから格子欠陥の増殖が生じやすくなるため、半導体発光素子の信頼性劣化につながる。

導波路損失の増大を招かず、ｎ型半導体のヘテロ界面でのオージェ非発光再結合の発生を抑制するためには、ヘテロ界面近傍領域に高濃度不純物をドーピングすることが有効である。また、濃度Ｎ２及びＮ３は５×１０^１８ｃｍ^−１以上の大きさであればよく、同じ大きさである必要はない。

また、不純物を高濃度にドーピングする領域は、ヘテロ界面における分極電荷を、逆の極性の電荷を形成することで打ち消すために形成するものである。したがって、ヘテロ界面に５×１０^１８ｃｍ^−３以上の不純物濃度となるようにドーピングし、ヘテロ界面以外の領域では不純物ドーピング濃度が低下していてもよい。この場合、高濃度の不純物領域幅が等価的に狭まるのでフリーキャリア損失の発生が小さくなり、導波路損失が小さくなる。この結果、動作電流値を低減し、温度特性が向上する。

（実施の形態５）
実施の形態５に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、導波路損失をより一層低減するための構成を備える点において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に図３１を用いて説明する。

図３１は、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の概略構成を示す模式的な断面図である。図３１に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子５００は、実施の形態１に係る半導体発光素子１００の構成に加えて、さらに、導電性酸化膜３３を備える。

導電性酸化膜３３は、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間に配置された膜である。導電性酸化膜３３としては、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と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である。

この場合、導電性酸化膜３３は屈折率が低く、コンタクト層２０とｐ側電極３２との間に形成することで、導波路を伝搬する光のｐ側電極における吸収損失を抑制できる。さらに、その屈折率の低さから、光の閉じ込め作用が強く、図３１に示すリッジ高さＨを０．４５μｍ以下に低くしても、光分布がｐ側電極３２にしみ出すことで吸収損失が発生することを抑制することができる。リッジを形成するｐ型ＡｌＧａＮ層は抵抗率がｎ型のＡｌＧａＮと比較して高いため、リッジ高さＨ（リッジ部における第２半導体層１９の膜厚）を薄くすることは、半導体発光素子５００の直列抵抗低減に有効である。

本実施の形態に係る半導体発光素子５００では、導電性酸化膜３３として膜厚０．２μｍのＩＴＯを用いている。

続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の効果について図３２を用いて説明する。図３２は、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の光閉じ込め係数及び実効屈折率差の計算結果を示すグラフである。図３２のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれリッジ高さＨを、０．２５μｍ、０．３５μｍ、０．４５μｍ、０．５５μｍ及び０．６５μｍとした場合の計算結果を示す。図３２において、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚をパラメータとして、導波路損失（各グラフ内の実線）、ウェル層１５ｂとウェル層１５ｄへの積層方向の光分布の光閉じ込め係数（各グラフ内の二点鎖線）、及び、リッジ内外の実効屈折率差ΔＮ（点線）の計算結果を示している。

リッジ内外の実効屈折率差ΔＮとは、リッジ内部の積層方向の光分布の実効屈折率とリッジ外の積層方向光分布の実効屈折率との差である。ΔＮが大きいと光分布のリッジ内外の水平方向（積層界面に平行な方向）の閉じ込めが大きくなり、水平方向の光分布はリッジ内部に強く閉じ込められる。実効屈折率差ΔＮが小さくなると、導波路を伝搬可能な水平横モードの最高次数が小さくなる。

最も次数の低い基本横モードを０次モードとすると、最低でも３種以上の次数の光分布が同時に動作していないと、電流−光出力特性において非線形の折れ曲がり（キンク）が生じやすくなり、半導体発光素子の光出力パワーの安定性が損なわれる。従って、少なくとも２次モードの高次水平横モードがカットオフされないように、ある一定値以上に実効屈折率差ΔＮを設定する必要がある。

リッジ幅Ｗが大きいとカットオフされる水平横モードの最高次数が大きくなるため、必要な実効屈折率差ΔＮは小さくなる。リッジ幅Ｗが１０μｍから３０μｍの場合、実効屈折率差ΔＮが３×１０^−３以上ないと安定して３種以上の次数の異なる水平横モードが同時にレーザ発振しにくくなる。リッジ幅Ｗが４０μｍ以上ある場合には、実効屈折率差ΔＮが１×１０^−４以上あれば、少なくとも基本横モードから２次の高次水平横モードが安定して同時にレーザ発振し、キンクの発生を抑制できる。Ｗが５０μｍ以上ある場合には、リッジストライプを導波可能な水平横モードの次数は急激に多くなり、実効屈折率差ΔＮが０より大きければ、少なくとも基本横モードから２次の高次水平横モードが安定して同時にレーザ発振する。

ここでは、導電性酸化膜３３としてＩＴＯ膜を、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間に形成する。この場合、図３２に示すように、リッジ高さＨが０．２５μｍ以上０．６５μｍ以下の範囲において、実効屈折率差ΔＮを１×１０^−４以上とするためには、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．４５μｍ以下とすればよい。また、リッジ高さＨが０．２５μｍ以上０．６５μｍ以下の範囲において、実効屈折率差ΔＮを３×１０^−３以上とするためには、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．３μｍ以下とすればよいことがわかる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上あれば、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚が厚いほど、導波路損失が小さくなる。ただし、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚が厚くなりすぎると、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６とのアンドープ領域も厚くなり、抵抗が増大する。このため、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．６μｍ以下としてもよい。

また、図３２より、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さを０．２５μｍまで低くしても導波路損失の増大を招かないことがわかる。

リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間に導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さＨを０．３５μｍまで低くしても導波路損失の急激な増大を抑制できるため、リッジ高さを０．２５μｍ以上０．４５μｍ以下の範囲に設定した場合は、半導体発光素子の直列抵抗を低減できるため、特に有効である。

本実施の形態に係る半導体発光素子５００においては、実施の形態１に係る半導体発光素子１００において、膜厚０．２μｍのＩＴＯからなる導電性酸化膜３３をリッジ上に形成している。この半導体発光素子５００において、リッジ高さＨを０．２５μｍ、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．２５μｍとすることで、導波路損失が１．６ｃｍ^−１に抑制できる。この半導体発光素子５００においては、実効屈折率差ΔＮが１×１０^−３程度に小さいため、リッジ幅Ｗを４０μｍ以上とすれば、電流―光出力特性におけるキンクの発生を抑制することができる。

また、実施の形態１に係る半導体発光素子においても、リッジの高さＨを０．４５μｍ、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．２５μｍとすれば、導波路損失が１．８ｃｍ^−１と２ｃｍ^−１以下の非常に損失の少ない導波路の実現を行うことができる。この構成においても、実効屈折率差ΔＮが１×１０^−３程度に小さいため、リッジ幅Ｗを４０μｍ以上とすれば、電流―光出力特性におけるキンクの発生を抑制することができる。

また、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さＨが０．２５μｍから０．６５μｍの範囲において、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．３μｍ以上とすると、導波路損失は３ｃｍ^−１以下となる。第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３９μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ^−１以下となる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上の場合は、実効屈折率差ΔＮは小さくなるが、キンクが発生しにくくなり、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．５μｍ以上とすると、１．５ｃｍ^−１以下の超低損失導波路を実現することができる。

また、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成しない場合は、上記計算と同様の計算から、リッジ高さＨが０．４５μｍから０．６５μｍの範囲において、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３１μｍ以上とすると、導波路損失は４ｃｍ^−１以下となる。また、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３６μｍ以上とすると、導波路損失は３ｃｍ^−１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．４μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ^−１以下となる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上の場合は、実効屈折率差ΔＮは小さくなるが、キンクが発生しにくくなり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．５μｍ以上とすると、１．５ｃｍ^−１以下の超低損失導波路を実現することができる。

リッジ高さＨが０．５５μｍ以上０．６５μｍ以下において、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．２５μｍ以上とすると、導波路損失は５ｃｍ^−１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３３μｍ以上とすると、導波路損失は４ｃｍ^−１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との膜厚を０．４２μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ^−１以下となる。

また、リッジ上にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、導電性酸化膜３３は屈折率が低いため、導波路に形成される光分布のｐ側電極３２への拡がりが低減される。この結果、ｐ側電極での光吸収が低減し、導波路損失が低減される。前述のように、導波路損失の低減のためには、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を厚くするとよい。これは、積層方向の光分布が屈折率の高い活性層に集中し、ｐ側電極３２への光分布の拡がりが抑制されるだけでなく、電子又は正孔濃度の高いｎ型層又はｐ型層において光分布の存在する割合が小さくなるためフリーキャリア損失が低減するためである。

ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の界面近傍の領域には、分極電荷が発生する。分極電荷の影響を低減するためには、分極電荷の発生する界面近傍領域のみにドーピングすればよい。当該界面近傍を除く領域には意図的に不純物をドーピングしない方が、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６での電子、正孔の濃度が小さくなるため光分布が受けるフリーキャリア損失が小さくなる。

しかしながら、不純物ドーピングにより、光分布のリッジ内外の実効屈折率差ΔＮが低下し、水平横方向の光の閉じ込めが低下する。リッジ幅Ｗが３０μｍ以下の場合、実効屈折率差ΔＮが３×１０^−３以下となると、３種以上の次数の水平横モードが安定して同時にレーザ発振しにくくなり、電流―光出力特性にキンクが発生する。

そこで、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を厚くした状態で、実効屈折率差ΔＮを高めるためには第１半導体層１２のＡｌ組成比を、第２半導体層１９よりも高めることが有効である。これは、ＡｌＧａＮにおいて、Ａｌ組成比を高めると屈折率が低くなるため、光分布が、屈折率の高い第２半導体層１９側に偏る結果、リッジの水平方向内外の構造上に違いによる実効屈折率の違いの影響が増すため、実効屈折率差ΔＮを高めることができるからである。

この場合、リッジ上にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成し、リッジ高さＨを０．４５μｍ以下に低く設定すれば、半導体発光素子５００の直列抵抗が低減され、積層方向光分布のｐ型層であるリッジ内部での存在割合が小さくなる。このため、フリーキャリア損失が低減され、さらにｐ側電極３２での吸収損失の発生も抑制することができる。

この時、図３０に示したように、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面へのＳｉのドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−１の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めると動作電圧が増大する。一方、界面へのＳｉのドーピング濃度が５×１０^１８ｃｍ^−１以上の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を高めても動作電圧は一定となる。このことから、界面へのＳｉを５×１０^１８ｃｍ^−１以上ドーピングする場合、Ａｌ組成比が０．０８以内の範囲であれば、界面で生じる分極電荷によるバンド構造の変形の発生を抑制することができる。これにより、さらに低動作電圧化を実現することが可能となる。

第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めた場合、Ｓｉを５×１０^１８ｃｍ^−１以上ドーピングする界面は、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面と、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面とのうち、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面のみであっても、低動作電圧化の効果を得ることができる。

この結果、直列抵抗の低減、実効屈折率差ΔＮの増大、導波路損失の低減を同時に行うことができる。したがって、低動作電圧特性及び発光効率が高く、キンクの生じない電流−光出力特性を有する半導体発光素子を実現することが可能となる。

（変形例など）
以上、本開示に係る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、上記各実施の形態では、発振波長４５０ｎｍ帯の青色レーザ素子についての説明を行ってきたが、本開示は発振波長４０５ｎｍの青紫レーザ素子にも適用することができる。

また、上記各実施の形態においては、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、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、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。

また、上記各実施の形態及びその変形例に係る半導体発光素子においては、リッジ構造を用いて電流狭窄を実現したが、電流狭窄を実現するための手段は、これに限定されず、電極ストライプ構造、埋め込み型構造などを使用してもよい。

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。

本開示の半導体発光素子は、例えば、高温動作においても、低消費電力の光源として車載ヘッドライト光源などに適用できる。

１１ ＧａＮ基板
１２ 第１半導体層
１３ 第１光ガイド層
１４ 第２光ガイド層
１５、４１５ 活性層
１５ａ、１５ｃ、１５ｅ バリア層
１５ｂ、１５ｄ ウェル層
１６ 第３光ガイド層
１６ａ 組成比傾斜領域
１７ 中間層
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、４１８ 電子障壁層
１９ 第２半導体層
１９ａ 低不純物濃度領域
１９ｂ 高不純物濃度領域
２０ コンタクト層
３０ 電流ブロック層
３１ ｎ側電極
３２ ｐ側電極
３３ 導電性酸化膜
１００、５００ 半導体発光素子
２１１ ｎ型層
２１２ 活性層
２１３ ｐ型層
２２８ ｐ側電子閉じ込め層
２３０ 上部クラッド層

Claims (19)

1. ＧａＮ基板と、
   前記ＧａＮ基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、
   前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む電子障壁層と、
   前記電子障壁層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、
   前記電子障壁層は、前記ＧａＮ基板の主面と垂直な積層方向においてＡｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、前記第１領域と前記第２半導体層との間に配置され、前記積層方向においてＡｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有し、
   前記第１領域及び前記第２領域において、Ａｌ組成比は前記活性層から前記第２半導体層に向かう方向に対して単調増加し、
   前記第２の変化率は前記第１の変化率よりも大きい
   半導体発光素子。
2. 前記電子障壁層のＡｌ組成比が変化する領域において、Ａｌ組成比が連続的に変化する
   請求項１に記載の半導体発光素子。
3. ＧａＮ基板と
   前記ＧａＮ基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、
   前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む電子障壁層と、
   前記電子障壁層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、
   前記電子障壁層において、前記ＧａＮ基板の主面と垂直な積層方向をｘ軸方向として、
   前記活性層に最も近い前記積層方向の位置を位置ｘ＝Ｘｓ、前記活性層から最も遠い側の前記積層方向の位置を位置ｘ＝Ｘｅとし、
   前記位置ｘ＝Ｘｓと前記位置ｘ＝Ｘｅとの間においてＡｌ組成比が最も大きい前記積層方向における位置を位置ｘ＝Ｘｍとし、
   Ｘｓ≦ｘ≦Ｘｅを満足する位置ｘにおける前記電子障壁層のＡｌ組成比が関数ｆ（ｘ）で表され、前記関数ｆ（ｘ）のＸに関する一次導関数をｆ’（ｘ）、前記関数ｆ（ｘ）のＸに関する二次導関数をｆ’’（ｘ）として、
   前記電子障壁層は、位置ｘについてＸｓ＜ｘ≦Ｘｍを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となる第１凹領域を有する
   半導体発光素子。
4. 前記第１凹領域における位置ｘ＝Ｘ１において、前記二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大になる
   請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記電子障壁層のＡｌ組成比が変化する領域において、Ａｌ組成比が連続的に変化する
   請求項３又は４に記載の半導体発光素子。
6. 前記電子障壁層は、位置ｘについてＸ１＜ｘ≦Ｘｅを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第１凸領域を有する
   請求項３〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記位置ｘ＝Ｘｍは、前記第１凸領域に配置される
   請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 点（Ｘｓ，ｆ（Ｘｓ））を通り、前記関数ｆ（ｘ）と前記第１凸領域の点（Ｘｔ，ｆ（Ｘｔ））で接する一次関数を関数ｇ（ｘ）とすると、Ｘｓ＜ｘ＜Ｘｔを満足する位置ｘにおいて、前記関数ｆ（ｘ）、前記関数ｇ（ｘ）及び前記一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｇ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足する
   請求項６又は７に記載の半導体発光素子。
9. 前記電子障壁層は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’（ｘ）＞０、かつ、前記二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大になる位置を含む第２凹領域を有する
   請求項４〜８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記電子障壁層は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第２凸領域を有する
    請求項４〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
11. 前記電子障壁層は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第２凸領域を有し、
    前記第２凸領域は、前記第２凹領域と、前記第１凹領域との間に配置される
    請求項９に記載の半導体発光素子。
12. 前記電子障壁層は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第２凸領域を有し、
    前記関数ｆ（ｘ）と前記第２凸領域の点（Ｘｕ，ｆ（Ｘｕ））で接し、かつ、前記関数ｆ（ｘ）と前記第１凸領域の点（Ｘｖ，ｆ（Ｘｖ））で接する一次関数を関数ｈ（ｘ）とすると、Ｘｕ＜ｘ＜Ｘｖを満足する位置ｘにおいて、前記関数ｆ（ｘ）、前記関数ｈ（ｘ）及び、前記一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｈ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足する
    請求項６に記載の半導体発光素子。
13. 位置ｘ＝（Ｘｓ＋Ｘｍ）／２において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となる
    請求項３〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
14. 前記第１凹領域の幅は、（Ｘｍ−Ｘｓ）／２以上である
    請求項３〜１３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
15. 前記第１領域の厚さが前記電子障壁層の膜厚の５０％より大きく８０％以下、かつ、位置ｘ＝（Ｘｍ＋Ｘｓ）／２でのＡｌ組成比が前記電子障壁層におけるＡｌ組成比最大値の５０％以下である
    請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
16. 前記電子障壁層において、前記ＧａＮ基板の主面と垂直な積層方向をｘ軸方向として、
    前記活性層に最も近い前記積層方向の位置を位置ｘ＝Ｘｓ、前記活性層から最も遠い側の前記積層方向の位置を位置ｘ＝Ｘｅとし、
    前記位置ｘ＝Ｘｓと前記位置ｘ＝Ｘｅとの間においてＡｌ組成比が最も大きい前記積層方向における位置を位置ｘ＝Ｘｍとし、
    前記電子障壁層は、前記活性層側から順に、前記位置ｘ＝Ｘｍから前記第２半導体層に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、前記第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が単調に減少する第２減少領域とを有する
    請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
17. 前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である
    請求項１〜１６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
18. 前記電子障壁層は第２導電型である
    請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
19. 前記電子障壁層と前記活性層との間に配置され、窒化物系半導体を含む中間層をさらに備え、
    前記活性層は、ＩｎＧａＮを含み、
    前記中間層は、第２導電型のＧａＮを含む
    請求項１〜１８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

Images