WO2022202448A1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

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nitride
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guide layer
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徹 高山
真治 吉田
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Definitions

  • the present disclosure relates to a nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • nitride-based semiconductor light-emitting devices that emit blue light are known, but there is a demand for high-output nitride-based semiconductor light-emitting devices that emit ultraviolet light with a shorter wavelength (for example, Patent Document 1, etc.). reference).
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device can realize a watt-class ultraviolet laser light source, it can be used as a light source for exposure, a light source for processing, and the like.
  • an active layer having a quantum well structure having an AlGaN layer as a barrier layer is used.
  • the bandgap energy of the barrier layer it is necessary to increase the bandgap energy of the barrier layer.
  • the Al composition ratio of the barrier layer is increased in order to increase the bandgap energy of the barrier layer, the refractive index of the barrier layer is lowered. Therefore, it is necessary to make the refractive index of the clad layer for confining the ultraviolet light in the active layer sufficiently lower than that of the barrier layer.
  • the Al composition ratio must be increased in order to lower the refractive index of the clad layer.
  • a clad layer made of AlGaN having such a large Al composition ratio is crystal-grown on, for example, a substrate made of GaN, tensile strain of the clad layer with respect to the substrate increases. Therefore, when a cladding layer, an active layer, and the like are crystal-grown on a wafer made of GaN in order to manufacture a nitride-based semiconductor light-emitting device, the wafer tends to crack due to tensile strain caused by the AlGaN layer. In order to suppress such cracking of the wafer, it is conceivable to reduce the distortion of the clad layer with respect to the substrate by reducing the film thickness of the clad layer made of AlGaN.
  • the P-type cladding layer made of P-type AlGaN with a high Al composition ratio has a high electrical resistance, it is set to be thinner and have a higher impurity concentration than the N-type cladding layer.
  • Such a P-type clad layer has a higher refractive index than the N-type clad layer 102 . Therefore, the light is biased toward the P-type clad layer from the active layer. Therefore, the light confinement coefficient to the active layer is lowered. Along with this, the thermal saturation level of the optical output is lowered. Therefore, it becomes difficult to realize a high-power nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • An object of the present disclosure is to solve such problems, and to provide a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of reducing the strain in the semiconductor laminate and increasing the light confinement factor to the active layer.
  • one aspect of the nitride-based semiconductor light-emitting device includes an N-type cladding layer, an N-side first guide layer disposed above the N-type cladding layer, and the N-type cladding layer.
  • an N-side second guide layer disposed above the N-side first guide layer; an active layer disposed above the N-side second guide layer and having a well layer and a barrier layer; and an active layer disposed above the active layer.
  • the bandgap energy of the barrier layer is greater than the bandgap energy of the N-side second guide layer
  • the bandgap energy of the N-side second guide layer is greater than the bandgap energy of the N-side second guide layer.
  • the bandgap energy of the N-side first guide layer is smaller than the bandgap energy of the N-type cladding layer, the N-type cladding layer, the N-side first guide layer, the The N-side second guide layer, the barrier layer, and the P-type cladding layer are made of a nitride-based semiconductor containing Al.
  • Another aspect of the nitride-based semiconductor light emitting device includes an N-type clad layer, an N-side guide layer arranged above the N-type clad layer, and an N-side guide layer arranged above the N-side guide layer. , an active layer including a well layer and a barrier layer, and a P-type clad layer disposed above the active layer, wherein the bandgap energy of the barrier layer is larger than the average bandgap energy of the N-side guide layer.
  • the bandgap energy of the N-type cladding layer is greater than the average bandgap energy of the N-side guide layer, and the bandgap energy at the lower end of the N-side guide layer is greater than the bandgap energy at the upper end
  • the N-type cladding layer, the N-side guide layer, the barrier layer, and the P-type cladding layer are made of a nitride-based semiconductor containing Al.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device capable of reducing strain in the semiconductor laminate and increasing the light confinement coefficient to the active layer.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of the nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an active layer included in the nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing an overview of the light intensity distribution in the stacking direction of the nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a graph showing coordinates of positions in the stacking direction of the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a graph schematically showing the bandgap energy distribution and the light intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor stack according to Comparative Example 1.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing bandgap energy distribution and light intensity distribution in the lamination direction of the semiconductor laminate according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph schematically showing the bandgap energy distribution and the light intensity distribution of the semiconductor laminate according to the modification of the first embodiment.
  • 8 is a graph showing a refractive index distribution and a light intensity distribution of a semiconductor laminate according to Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is a graph showing a refractive index distribution and a light intensity distribution of the semiconductor laminate according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 10 is a table showing the relationship between the Al composition ratio of each guide layer and the characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the distribution of conduction band potential energy in the vicinity of the active layer and the wave function of electrons when the Al composition ratio of each barrier layer is 0.02.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the distribution of conduction band potential energy in the vicinity of the active layer and the electron wave function when the Al composition ratio of each barrier layer is 0.05.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of each barrier layer and the band offset ⁇ Ec.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the thickness of the N-type cladding layer 102 of the nitride-based semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 and the waveguide loss.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the film thickness of the N-type cladding layer 102 of the nitride-based semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 and the light confinement factor.
  • FIG. 16 is a schematic side view showing warping of the base material and the semiconductor laminate that occur when the semiconductor laminate is laminated on the base material of the substrate according to the first embodiment.
  • FIG. 17 is a graph showing the amount of warpage of the base material and the semiconductor laminate that occur when the semiconductor laminate is laminated on the base material of the substrate according to the first embodiment.
  • FIG. 18 is a first graph showing the relationship between each guide layer according to Embodiment 1 and the waveguide loss obtained by simulation.
  • FIG. 19 is a second graph showing the relationship between each guide layer according to Embodiment 1 and the waveguide loss obtained by simulation.
  • FIG. 20 is a third graph showing the relationship between each guide layer according to Embodiment 1 and the waveguide loss obtained by simulation.
  • 21A is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 2.
  • FIG. 21B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an active layer included in the nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 2.
  • FIG. 22 is a graph schematically showing bandgap energy distribution and light intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor stack according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 3.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 4.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 5.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 3.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 4.
  • FIG. 25 is a schematic
  • FIG. 26 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 1 of Embodiment 5.
  • FIG. FIG. 27 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 2 of Embodiment 5.
  • FIG. 28 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 3 of Embodiment 5.
  • FIG. 29 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 6.
  • FIG. 30 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 7.
  • FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 8.
  • FIG. 32 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 9.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated. Therefore, the scales and the like are not always the same in each drawing.
  • symbol is attached
  • the terms “upper” and “lower” do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute spatial recognition, but are based on the stacking order in the stacking structure. It is used as a term defined by a relative positional relationship. Also, the terms “above” and “below” are used not only when two components are spaced apart from each other and there is another component between the two components, but also when two components are spaced apart from each other. It also applies when they are arranged in contact with each other.
  • Embodiment 1 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 1 will be described.
  • FIGS. 1, 2A and 2B are a schematic plan view and a cross-sectional view, respectively, showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to this embodiment.
  • FIG. 2A shows a cross-section along line II-II of FIG.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the active layer 105 included in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment.
  • Each figure shows an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis that are orthogonal to each other.
  • the X, Y, and Z axes are a right-handed Cartesian coordinate system.
  • the stacking direction of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 is parallel to the Z-axis direction, and the main emission direction of light (laser light) is parallel to the Y-axis direction.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 includes a semiconductor laminate 100S including nitride-based semiconductor layers. Light is emitted from the end face 100F (see FIG. 1).
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 is a semiconductor laser device having two facets 100F and 100R forming a resonator.
  • the end surface 100F is a front end surface that emits laser light
  • the end surface 100R is a rear end surface having a higher reflectance than the end surface 100F.
  • the reflectances of the end faces 100F and 100R are 16% and 95%, respectively.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 has a waveguide formed between the facet 100F and the facet 100R.
  • the cavity length of nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the present embodiment (that is, the distance between facet 100F and facet 100R) is about 1200 ⁇ m.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 emits ultraviolet light having a peak wavelength in the 375 nm band, for example.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 100S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 100S includes an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, an active layer 105, a P-side first guide layer 106, and an electron barrier layer 107. , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the substrate 101 is a plate-like member that serves as a base for the nitride-based semiconductor light emitting device 100 .
  • substrate 101 is an N-type GaN substrate.
  • the substrate 101 is doped with, for example, Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-type clad layer 102 is an example of a clad layer arranged above the substrate 101 .
  • the N-type cladding layer 102 is a layer having a lower refractive index and a higher bandgap energy than the active layer 105 .
  • the N-type cladding layer 102 is an N-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 540 nm.
  • the N-type cladding layer 102 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-type clad layer 102 is laminated above the substrate 101 made of GaN.
  • the lattice constant of the N-type cladding layer 102 becomes equal to the lattice constant of the substrate 101, and at least Al, Ga, and In
  • the strain of each layer, the band structure, and the refractive index can be controlled by adjusting the composition of each layer. Structural control of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 is facilitated. Therefore, desired characteristics can be easily obtained in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 .
  • the N-side first guide layer 103 is an example of an N-side guide layer arranged above the N-type cladding layer 102 .
  • the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 is smaller than the bandgap energy of the N-type cladding layer 102 . That is, the N-side first guide layer 103 has a higher refractive index than the N-type cladding layer 102 .
  • the N-side first guide layer 103 is made of Al Xn1 Ga 1-Xn1 N (0 ⁇ Xn1 ⁇ 1).
  • the N-side first guide layer 103 is an N-type Al 0.03 Ga 0.97 N layer with a thickness of 100 nm.
  • the N-side first guide layer 103 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-side second guide layer 104 is an example of an N-side guide layer arranged above the N-side first guide layer 103 .
  • the N-side second guide layer 104 has a higher refractive index and a lower bandgap energy than the N-type cladding layer 102 .
  • the bandgap energy of the N-side second guide layer 104 is smaller than the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 . That is, the N-side second guide layer 104 has a higher refractive index than the N-side first guide layer 103 .
  • the N-side second guide layer 104 is made of Al Xn2 Ga 1-Xn2 N (0 ⁇ Xn2 ⁇ 1).
  • the N-side second guide layer 104 is an undoped Al 0.02 Ga 0.98 N layer with a thickness of 120 nm.
  • the impurity concentration of the N-side second guide layer 104 is lower than the impurity concentration of the N-side first guide layer 103 .
  • the N-side first guide layer 103 and the N-side second guide layer 104 are used. It is effective to dope an impurity into each guide layer to reduce the potential of the valence band of each guide layer.
  • an increase in waveguide loss caused by impurities can be suppressed.
  • the N-side second guide layer 104 is not doped with an impurity, but the N-side second guide layer 104 may be doped with an impurity.
  • the resistance of the N-side second guide layer 104 is lowered, so electrons easily flow from the substrate 101 to the active layer 105, and the hole current component leaking from the active layer 105 to the substrate 101 can be reduced.
  • the active layer 105 is a light-emitting layer arranged above the N-side second guide layer 104 and having a quantum well structure.
  • the active layer 105 has a well layer 105b and barrier layers 105a and 105c, as shown in FIG. 2B.
  • the barrier layer 105a is a layer arranged above the N-side second guide layer 104 and functioning as a barrier for the quantum well structure.
  • the barrier layer 105a is made of Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1).
  • the barrier layer 105a is an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer with a thickness of 12 nm.
  • the well layer 105b is a layer arranged above the barrier layer 105a and functioning as a well of the quantum well structure.
  • the well layer 105b is arranged between the barrier layers 105a and 105c.
  • the well layer 105b is an undoped In 0.01 Ga 0.99 N layer with a thickness of 7.5 nm.
  • the barrier layer 105c is a layer arranged above the well layer 105b and functioning as a barrier for the quantum well structure.
  • the barrier layer 105c is made of Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1).
  • the barrier layer 105c is an undoped Al 0.05 Ga 0.95 N layer with a thickness of 10 nm.
  • the P-side first guide layer 106 is an optical guide layer arranged above the active layer 105 .
  • the P-side first guide layer 106 is arranged between the active layer 105 and the P-type cladding layer 108 .
  • the bandgap energy of the P-side first guide layer 106 is smaller than the bandgap energy of the P-type cladding layer 108 .
  • the refractive index of the P-side first guide layer 106 is higher than the refractive index of the P-type cladding layer 108 .
  • the P-side first guide layer 106 is a P-type Al 0.02 Ga 0.98 N layer with a thickness of 200 nm.
  • the P-side first guide layer 106 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the electron barrier layer 107 is a nitride-based semiconductor layer arranged above the active layer 105 .
  • the electron barrier layer 107 is arranged between the P-side first guide layer 106 and the P-type cladding layer 108 .
  • the electron barrier layer 107 is an Al Xd Ga 1-Xd N layer with a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less, and the Al composition ratio Xd is 0.2 or more.
  • the impurity concentration with which the electron barrier layer 107 is doped may be 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more.
  • the electron barrier layer 107 has a thin film thickness of 10 nm or less, the influence on the light intensity distribution can be reduced.
  • the electron barrier layer 107 is a P-type Al 0.36 Ga 0.64 N layer with a thickness of 5 nm.
  • the electron barrier layer 107 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 as an impurity. Since the electron barrier layer 107 can suppress leakage of electrons from the active layer 105 to the P-type clad layer 108, the light conversion efficiency of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 can be enhanced.
  • the P-type clad layer 108 is a P-type clad layer arranged above the active layer 105 .
  • the P-type clad layer 108 is arranged between the electron barrier layer 107 and the contact layer 109 .
  • the bandgap energy of the P-type clad layer 108 is greater than the bandgap energy of the barrier layers 105 a and 105 c of the active layer 105 and the P-side first guide layer 106 .
  • the refractive index of the P-type clad layer 108 is smaller than the refractive indices of the barrier layers 105a and 105c of the active layer 105 and the P-side first guide layer 106.
  • the P-type clad layer 108 is a P-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 450 nm.
  • the P-type clad layer 108 is doped with Mg as an impurity.
  • the P-type cladding layer 108 is located below the vertical center of the P-type cladding layer 108 (that is, on the side closer to the active layer 105), and has an impurity concentration lower than that of other regions in the P-type cladding layer 108. Contains concentration regions.
  • the P-type cladding layer 108 includes a P-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 150 nm doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 disposed below and a P-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer disposed below. and a P-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 300 nm doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 disposed on the side (that is, farther from the active layer 105).
  • free carrier loss caused by impurities in the P-type cladding layer 108 can be reduced, thereby reducing waveguide loss.
  • a ridge 108R is formed in the P-type cladding layer 108 of the nitride-based semiconductor light emitting device 100.
  • the P-type cladding layer 108 is formed with two grooves 108T arranged along the ridge 108R and extending in the Y-axis direction.
  • the ridge width W is approximately 30 ⁇ m.
  • the distance between the lower end of the ridge 108R (that is, the bottom of the trench 108T) and the active layer 105 is dp.
  • the film thickness of the P-type clad layer 108 at the lower end of the ridge 108R (that is, the distance between the lower end of the ridge 108R and the interface between the P-type clad layer 108 and the electron barrier layer 107) is dc.
  • the contact layer 109 is a layer arranged above the P-type cladding layer 108 and in ohmic contact with the P-side electrode 111 .
  • the contact layer 109 is a P-type GaN layer with a thickness of 100 nm.
  • the contact layer 109 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-type cladding layer 102, the N-side first guide layer 103, the N-side second guide layer 104, the barrier layers 105a and 105c, the P-side first The guide layer 106, the electron barrier layer 107, and the P-type cladding layer 108 are made of a nitride semiconductor containing Al.
  • the current blocking layer 110 is an insulating layer arranged above the P-type cladding layer 108 and having transparency to light from the active layer 105 .
  • the current blocking layer 110 is arranged in a region of the upper surface of the P-type cladding layer 108 other than the upper surface of the ridge 108R.
  • the current blocking layer 110 is a SiO2 layer.
  • the P-side electrode 111 is a conductive layer arranged above the contact layer 109 .
  • the P-side electrode 111 is arranged above the contact layer 109 and the current blocking layer 110 .
  • the P-side electrode 111 is, for example, a single layer film or a multilayer film made of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt and Au.
  • the N-side electrode 112 is a conductive layer arranged below the substrate 101 (that is, on the main surface of the substrate 101 opposite to the main surface on which the semiconductor laminate 100S is arranged).
  • the N-side electrode 112 is, for example, a single layer film or a multilayer film made of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt and Au.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 100 has an effective refractive index difference ⁇ N between the portion below the ridge 108R and the portion below the groove 108T, as shown in FIG. 2A. occurs. Thereby, the light generated in the portion of the active layer 105 below the ridge 108R can be confined in the horizontal direction (that is, in the X-axis direction).
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an overview of the light intensity distribution in the stacking direction of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 and a graph showing an overview of the light intensity distribution in the stacking direction at positions corresponding to the ridges 108R and the grooves 108T.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device In a nitride-based semiconductor light-emitting device, light is generated in the active layer, but the light intensity distribution in the lamination direction depends on the lamination structure, and the peak of the light intensity distribution is not necessarily located in the active layer.
  • the laminated structure of the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the present embodiment differs between the portion below the ridge 108R and the portion below the groove 108T, the light intensity distribution is also different in the portion below the ridge 108R. and the portion below the groove 108T. As shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing coordinates of positions in the stacking direction of the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the present embodiment. As shown in FIG.
  • the coordinates of the position of the end face of the active layer 105 on the N side of the well layer 105b, that is, the end face of the well layer 105b closer to the N-type cladding layer 102 in the stacking direction is set to zero, and downward ( The direction toward the N-type cladding layer 102) is the negative direction of the coordinates, and the upward direction (the direction toward the P-type cladding layer 108) is the positive direction of the coordinates.
  • the absolute value of the difference between the positions PS1 and PS2 is defined as the peak position difference ⁇ P.
  • FIGS. 5 to 7 are graphs schematically showing the bandgap energy distribution and the light intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor stacks according to Comparative Example 1 and the present embodiment, respectively.
  • FIG. 7 is a graph schematically showing the bandgap energy distribution and the light intensity distribution of the semiconductor laminate according to the modification of the present embodiment.
  • the semiconductor laminate according to Comparative Example 1 differs from the semiconductor laminate 100S according to the present embodiment in the configurations of the N-side guide layer 993, the active layer 995, and the P-side guide layer 996.
  • the active layer 995 also has barrier layers 995a and 995c and a well layer 995b.
  • Each guide layer according to Comparative Example 1 has a higher bandgap energy than the barrier layers 995a and 995c. That is, each guide layer according to Comparative Example 1 has a smaller refractive index than the barrier layers 995a and 995c.
  • each clad layer made of AlGaN with a high Al composition ratio in order to emit ultraviolet light.
  • the tensile strain of each clad layer made of AlGaN with respect to the substrate 101 made of GaN increases, and the base material of the substrate 101 is likely to crack during the manufacture of the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • the tensile strain is suppressed by reducing the film thickness of each clad layer.
  • the P-type cladding layer 108 made of P-type AlGaN with a high Al composition ratio has a high electrical resistance, it is set to be thinner and have a higher impurity concentration than the N-type cladding layer 102 .
  • Such a P-type clad layer 108 has a higher refractive index than the N-type clad layer 102 .
  • the bandgap energy of the barrier layers 105a and 105c is higher than the bandgap energy of the N-side second guide layer 104.
  • the barrier layers 105a and 105c are made of AlbGa1 - bN (0 ⁇ b ⁇ 1), and the N-side second guide layer 104 is made of AlXn2Ga1 -Xn2N (0 ⁇ Xn2 ⁇ 1). , then b>Xn2.
  • the bandgap energy of the N-side second guide layer 104 is smaller than the bandgap energy of the N-side first guide layer 103, and the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 is less than the bandgap energy of the N-type cladding layer 102. less than energy. That is, when the N-side first guide layer 103 is made of Al Xn1 Ga 1-Xn1 N (0 ⁇ Xn1 ⁇ 1) and the N-type cladding layer 102 is made of Al Xnc Ga 1-Xnc N (0 ⁇ Xnc ⁇ 1), Xn2 ⁇ Xn1, Xn1 ⁇ Xnc.
  • the bandgap energy of the N-side second guide layer 104 which is the guide layer closer to the barrier layer 105a, is smaller than the bandgap energy of the barrier layer 105a. That is, the N-side second guide layer 104 has a higher refractive index than the barrier layer 105a. Also, the refractive index of the N-side second guide layer 104 closer to the active layer 105 than the N-side first guide layer 103 is higher than the refractive index of the N-side first guide layer 103 . Since the semiconductor laminate 100S has such a refractive index distribution, the light intensity distribution can be shifted toward the N-side second guide layer 104 as compared with the semiconductor laminate according to Comparative Example 1.
  • N-side second guide layer 104 As shown in FIG. 6, it is possible to bring the peak position of the light intensity distribution closer to the active layer 105 than in the semiconductor laminate according to Comparative Example 1. . Furthermore, since the active layer 105 is not doped with impurities, the waveguide loss caused by light absorption by impurities can be reduced by locating the peak position of the light intensity distribution in the region near the active layer 105.
  • the N-side first guide layer 103 and the N-side second guide layer 104 may be collectively referred to as one N-side guide layer.
  • the bandgap energy at the lower end of the N-side guide layer (that is, the bandgap energy of the N-side first guide layer 103) is the bandgap energy at the upper end (that is, the N-side second guide layer 104 bandgap energy).
  • the bandgap energy of the barrier layers 105a and 105c is larger than the average bandgap energy of the N-side guide layers.
  • the Al composition ratio of the N-side first guide layer 103 is represented by Xn1 and the Al composition ratio of the N-side second guide layer 104 is represented by Xn2, Xn1>Xn2 relationship is established. That is, the bandgap energy of the N-side second guide layer 104 is smaller than the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 . Therefore, as described above, compared to the semiconductor laminate according to Comparative Example 1, it is possible to bring the peak position of the light intensity distribution closer to the active layer 105 more reliably.
  • the N-side second guide layer 104 is thicker than the N-side first guide layer 103. It differs from the semiconductor stacked body 100S according to the embodiment, but is the same in other respects.
  • the film thickness of the N-side second guide layer 104 having a larger refractive index than that of the N-side first guide layer 103 thicker than the film thickness of the N-side first guide layer 103, the light intensity in the lamination direction
  • the peak position of the distribution tends to spread toward the N-type cladding layer 102 side. Therefore, the controllability of positioning the peak position of the light intensity distribution in the region near the active layer 105 can be enhanced. As a result, it is possible to prevent the peak position from being excessively biased in the direction from the active layer 105 toward the P-side first guide layer 106 .
  • FIGS. 8 and 9 are graphs showing refractive index distributions and light intensity distributions of semiconductor laminates according to Comparative Example 2 and the present embodiment.
  • the Al composition ratio of the N-side second guide layer 904 is 0.03, which is the same as that of the N-side first guide layer 103 and the P-side first guide layer 106.
  • the N-side first guide layer 103 and the N-side second guide layer 904 of the semiconductor laminate according to Comparative Example 2 and the P-side first guide layer 106 have the same Al composition ratio. However, the impurity concentration is different. Therefore, the P-side first guide layer 106 has a higher refractive index than the N-side first guide layer 103 and the N-side second guide layer 904 . Therefore, the peak positions PS1 and PS2 of the light intensity distribution are biased in the direction from the active layer toward the P-side guide layer. Specifically, the peak position PS1 is 96.3 nm, and the peak position difference ⁇ P is 33.4 nm.
  • the refractive index of the N-side second guide layer 104 is higher than the refractive index of the N-side first guide layer 103, so in the case of the semiconductor laminate according to Comparative Example 2, As a result, the peak positions PS1 and PS2 of the light intensity distribution are closer to the active layer 105. FIG. Therefore, the optical confinement factor to the active layer 105 can be increased, and the waveguide loss can be reduced. Also, both the peak positions PS1 and PS2 are brought closer to the active layer 105, and the absolute value of the difference between the positions PS1 and PS2 also becomes smaller. Specifically, the peak position PS1 is 77.1 nm, and the peak position difference ⁇ P is 32.0 nm.
  • the portion below the ridge 108R and the portion below the groove 108T is set so that the effective refractive index difference ⁇ N between is relatively small.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is set by adjusting the distance dp between the current blocking layer 110 and the active layer 105 (see FIG. 2A).
  • the larger the distance dp the smaller the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is about 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3 .
  • the higher-order mode (that is, the higher-order transverse mode) capable of propagating through the waveguide formed by the ridge 108R is higher than when the effective refractive index difference ⁇ N is larger than 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3 . small number.
  • ⁇ N becomes smaller, the number of higher-order modes propagating through the waveguide decreases, so the proportion of each higher-order mode among all the transverse modes contained in the light emitted from the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 increases. Therefore, the influence of the change in the optical confinement coefficient to the active layer 105 due to the increase or decrease in the number of modes and the coupling between modes becomes relatively large.
  • the basic mode is the 0th order mode.
  • the linearity of the optical output characteristic (so-called IL characteristic) with respect to the supplied current is degraded.
  • non-linear portions (so-called kinks) occur in the graph showing the IL characteristics.
  • the stability of the light output of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 may be degraded.
  • the distribution of light propagating through the waveguide is two-dimensionally distributed in regions inside and outside the ridge 108R when viewed from the normal direction of the laser facet. Since a higher-order mode has a lower effective refractive index, the light distribution tends to expand to the trench 108T in the region outside the ridge 108R and is more susceptible to the current blocking layer 110.
  • FIG. Current blocking layer 110 is composed of a material with a lower refractive index than P-type cladding layer 108 in order to laterally confine light in ridge 108R.
  • the peak position PS2 of the light distribution in the stacking direction at the trench 108T in the region outside the ridge 108R is influenced by the current blocking layer 110, and the peak position PS1 of the light distribution in the stacking direction at the ridge 108R is stacked.
  • the direction bias toward the substrate 101 tends to increase.
  • the stacking direction peak position in the groove 108T of the waveguide mode is closest to the substrate 101 with respect to the other waveguide mode light, and the average value of the peak positions in the stacking direction light distribution in the horizontal direction is It comes to be approximated by the stacking direction peak position.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is reduced in order to reduce the horizontal divergence angle of emitted light.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 includes the N-side first guide layer 103, the N-side second guide layer 104, and the P-side first guide layer 106 having the configurations as described above. Therefore, in both the portion below the ridge 108R and the portion below the trench 108T, the peak of the light intensity distribution can be brought closer to the active layer 105, and the positions PS1 and PS2 of the peaks of the light intensity distribution can be adjusted. can be reduced.
  • the distance dp is set to a relatively large value in order to set the effective refractive index difference ⁇ N to a relatively small value.
  • the distance dp is set so that the lower end of the ridge 108R (that is, the bottom of the trench 108T) is positioned below the electron barrier layer 107, the electron barrier layer 107 has a large bandgap energy, so contact Holes injected from layer 109 tend to leak from the sidewalls of ridge 108R to the outside of ridge 108R when passing through electron blocking layer 107 . As a result, holes flow below trench 108T.
  • the lower end of the ridge 108R is set above the electron barrier layer 107.
  • the distance dc (see FIG. 2A) from the lower end of the ridge 108R to the electron barrier layer 107 becomes too large, holes flow from the ridge 108R between the trench 108T and the electron barrier layer 107, resulting in leakage current. Become.
  • the distance dc is set to a value as small as possible.
  • dc should be 70 nm or less. If dc is 45 nm or less, it is possible to further reduce changes in oscillation threshold due to variations in dc.
  • FIG. 10 shows the Al composition ratios of the N-side first guide layer 103, the N-side second guide layer 104, and the P-side first guide layer 106 of the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to this embodiment.
  • FIG. 10 is a table showing the relationship between the Al composition ratio of each guide layer and the characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • FIG. 10 shows the relationship between the nine Al composition ratios of Comparative Example and Composition Examples 1 to 8 and the characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device obtained by simulation.
  • the well thickness normalized light confinement coefficient is a value obtained by dividing the light confinement coefficient by the thickness Tw of the well layer.
  • the Al composition ratio of each guide layer according to the comparative example is 0.03 (that is, 3%).
  • Structural Examples 1 to 8 have different combinations of Al composition ratios.
  • the Al composition ratio is selected from 0.02 (ie 2%), 0.03 (ie 3%) and 0.04 (ie 4%).
  • FIG. 10 shows characteristics for three cases where the well layer thickness (well thickness Tw in FIG. 10) is 7.5 nm, 12.5 nm, and 17.5 nm.
  • the bandgap energy of the N-side second guide layer 104 is preferably smaller than the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 as in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment.
  • the film thickness Tw of the well layer increases, the optical confinement coefficient, waveguide loss, peak position PS1, and peak position difference ⁇ P are improved. This is because the light intensity distribution in the stacking direction approaches the well layer by increasing the thickness of the well layer having a large refractive index.
  • the film thickness Tw of the well layer may be 10 nm or more.
  • the film thickness Tw of the well layer may be 20 nm or less in order to realize a quantum well active layer.
  • FIG. 11 and 12 are graphs showing the relationship between the conduction band potential energy distribution near the active layer 105 and the electron wave function when the Al composition ratios of the barrier layers are 0.02 and 0.05, respectively. is.
  • the horizontal axis of the graph in each figure indicates the distance from a predetermined position, and the vertical axis indicates the potential.
  • the solid line indicates the conduction band potential of each layer
  • the dashed line indicates the quantized energy level of electrons
  • the dashed-dotted line indicates the wave function of electrons.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of each barrier layer and the band offset ⁇ Ec.
  • the band offset ⁇ Ec is increased by increasing the barrier layers 105a and 105c.
  • the Al composition ratio of the barrier layers 105a and 105c is 0.02, which is the same as the Al composition ratio of the N-side second guide layer 104, the band offset ⁇ Ec is 31 meV.
  • leakage of electrons from the barrier layer 105c cannot be sufficiently suppressed during high-power operation.
  • the electron confinement effect in the well layer 105b is small. Therefore, in this embodiment, by setting the Al composition ratio of the barrier layers 105a and 105c to 0.05, as shown in FIG. It is made larger than the bandgap energy of 104. This allows the band offset ⁇ Ec to be 80.2 meV. Therefore, the electron confinement effect in the well layer 105b can be enhanced. As shown in FIG. 13, the band offset ⁇ Ec increases as the Al composition ratio of each barrier layer increases.
  • the bandgap energy of the barrier layers 105 a and 105 c may be made larger than the bandgap energy of the N-side first guide layer 103 . This can further reduce the leakage of electrons from the well layer 105b.
  • the energy difference between the ground quantum levels of electrons and holes formed in the well layer 105b can be increased, light in a short wavelength band such as a 375 nm wavelength band can be easily emitted in the active layer 105. can be generated to
  • the barrier layers 105a and 105c are made of AlGaN
  • the well layer 105b is an InGaN layer with an In composition ratio of 1% and a film thickness of 7.5 nm
  • the Al composition of the barrier layers 105a and 105c is By setting the ratio to 0.04 or more, the band offset ⁇ Ec can be set to 80 meV or more. Thereby, leakage of electrons from the well layer 105b can be suppressed.
  • the band offset ⁇ Ec can be set to 167 meV or more by setting the Al composition ratio of the barrier layers 105a and 105c to 0.05 or more. can do.
  • the difference between the electron quantum level and the conduction band potential energy of the well layer 105b is reduced, so that the band offset ⁇ Ec can be further increased.
  • FIGS. 14 and 15 are graphs showing the relationship between the thickness of the N-type cladding layer 102 of the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to this embodiment, and the waveguide loss and optical confinement factor, respectively.
  • the graphs shown in FIGS. 14 and 15 are obtained by simulation.
  • the Al composition ratios of the N-type clad layer 102 and the P-type clad layer 108 are both set to the same Al composition ratio Xc, and the Al composition ratio Xc and the film thickness of the N-type clad layer 102 are changed.
  • calculating the waveguide loss and the optical confinement factor. 14 and 15 show the waveguide loss and optical confinement factor when the Al composition ratio Xc is 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, and 0.09, respectively. It is In the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 calculated in this simulation, a buffer layer is provided between the substrate 101 and the N-type cladding layer 102 .
  • the buffer layer includes an N-type Al 0.007 Ga 0.993 N layer with a thickness of 1000 nm and an N-type In 0.05 Ga 0.95 N layer with a thickness of 150 nm which are sequentially laminated on the substrate 101 .
  • the buffer layer is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the waveguide loss tends to increase. This is probably because light leaks to the outside of the N-type cladding layer 102 (substrate 101 and buffer layer), is absorbed, or propagates in the substrate in a substrate mode.
  • Such waveguide loss can be reduced by setting the film thickness of the N-type cladding layer 102 to 0.5 ⁇ m or more.
  • the refractive index of each clad layer decreases and the optical confinement factor increases as shown in FIG. 15, thereby reducing the waveguide loss.
  • the waveguide loss can be greatly reduced as compared with the case where the Al composition ratio is 0.05. Also, even if the Al composition ratio is greater than 0.08, the amount of reduction in waveguide loss is small compared to the waveguide loss when the Al composition ratio is 0.08. On the other hand, when the Al composition ratio is increased, the tensile strain of the semiconductor laminate 100S with respect to the substrate 101 increases. In order to suppress such an increase in tensile strain, the Al composition ratio may be 0.08.
  • FIG. 16 is a schematic side view showing warpage of the base material 101M and the semiconductor stack 100S that occurs when the semiconductor stack 100S is stacked on the base material 101M of the substrate 101 according to the present embodiment.
  • Base material 101M of substrate 101 shown in FIG. 16 is, for example, a GaN substrate with a diameter of 2 inches. As shown in FIG.
  • the base material 101M is deformed due to tensile strain on the base material 101M caused by the AlGaN layers in the semiconductor laminate 100S. 101M and the semiconductor laminate 100S are warped.
  • the upper surface of the semiconductor stacked body 100S is warped in a concave direction.
  • FIG. 17 is a graph showing the amount of warpage of the base material 101M and the semiconductor stack 100S when the semiconductor stack 100S is stacked on the base material 101M of the substrate 101 according to the present embodiment.
  • the horizontal axis of FIG. 17 indicates the total thickness of the N-type clad layer 102 and the P-type clad layer 108 made of Al Xc Ga 1-Xc N contained in the semiconductor laminate 100S, and the vertical axis indicates the amount of warpage.
  • the amount of warp when the upper surface of the semiconductor stacked body 100S is concave that is, the depth of the concave indicated by the arrow in FIG. 16
  • the warp amount that is, the height of the convex portion
  • the top surface of the semiconductor stacked body 100S is convex is represented by a positive numerical value.
  • FIG. 17 the simulation result of the amount of warpage when the film thickness of the N-type cladding layer 102 is changed in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 described above is shown by a solid line. Also, FIG. 17 shows the amount of warpage when the Al composition ratio Xc of the N-type clad layer 102 and the P-type clad layer 108 is 0.05, 0.06, 0.07, and 0.08. It is In the simulation, a disk-shaped GaN substrate with a diameter of 2 inches is used as the base material 101M.
  • the buffer layer includes an N-type Al 0.007 Ga 0.993 N layer with a thickness of 300 nm and an N-type In 0.05 Ga 0.95 N layer with a thickness of 150 nm which are sequentially laminated on the base material 101M. .
  • the buffer layer is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the absolute value of the amount of warpage of the base material 101M When using a GaN substrate with a diameter of 2 inches as the base material 101M, if the absolute value of the amount of warpage exceeds 800 ⁇ m, the risk of cracking the base material 101M increases. Therefore, in order to set the absolute value of the amount of warpage of the base material 101M to 700 ⁇ m or less, for example, when the Al composition ratio Xc is 0.06 or more and 0.07 or less, the total thickness of the cladding layers should be 1.1 ⁇ m or less. do it. Further, as described above with reference to FIGS.
  • the film thickness of the N-type clad layer 102 is 0.5 ⁇ m or more, that is, the P-type clad layer 108 and the N-type clad layer 108 having a film thickness of 450 nm (that is, 0.45 ⁇ m).
  • the total film thickness with the layer 102 is 0.95 ⁇ m or more, the waveguide loss can be suppressed and the optical confinement factor can be increased. Therefore, by setting the Al composition ratio Xc to 0.06 or more and 0.07 or less and the total thickness of the clad layers to 0.95 ⁇ m or more and 1.1 ⁇ m or less, cracking of the base material 101M is suppressed.
  • a waveguide with low loss and a large optical confinement factor can be realized. Furthermore, by setting the total thickness of the clad layers to 1.0 ⁇ m or less, the absolute value of the amount of warpage of the base material 101M can be further reduced, so cracking of the base material 101M can be suppressed more reliably.
  • the absolute value of the amount of warpage can be reduced. Therefore, when the buffer layer is provided, cracking of the base material 101M is suppressed, and the total thickness of the clad layers and the Al composition ratio can be increased.
  • FIG. . 18 to 20 are graphs showing the relationship between each guide layer according to this embodiment and the waveguide loss obtained by simulation.
  • the horizontal axis represents the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106
  • the vertical axis represents the waveguide loss.
  • FIGS. 18 to 20 shows a graph for each case where the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104 is changed from 50 nm to 200 nm by 30 nm.
  • the film thickness Tn1 of the N-side first guide layer 103 is 100 nm.
  • 18, 19, and 20 show the relationships when the Al composition ratio Xp1 of the P-side first guide layer 106 is 0.02, 0.03, and 0.04, respectively.
  • the waveguide loss can be reduced as the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104 increases. This is because, as described above, the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104, which has a larger refractive index than the N-type cladding layer 102 and the N-side first guide layer 103, is increased, resulting in a change in the light intensity distribution in the stacking direction. This is because the peak position can be shifted from the P-type cladding layer 108 toward the active layer 105 . In addition, since the active layer 105 is not doped with impurities, the peak position of the light intensity distribution approaches the active layer, thereby reducing waveguide loss caused by impurities.
  • the waveguide loss is can be further reduced.
  • the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106 When the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106 is thin, the waveguide loss tends to increase. Therefore, in order to reduce waveguide loss, the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106 may be 65 nm or more. Further, when the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104 is 150 nm or more, the influence of the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106 on the waveguide loss becomes small. That is, when the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104 is 150 nm or more, the waveguide loss is substantially constant even if the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106 changes. Therefore, in order to increase the flexibility of the film thickness Tp1 of the P-side first guide layer 106, the film thickness Tn2 of the N-side second guide layer 104 may be 150 nm or more.
  • Embodiment 2 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 2 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the first embodiment mainly in the configuration of the well layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 21A to 22, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 21A is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to this embodiment.
  • FIG. 21B is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the active layer 205 included in the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to this embodiment.
  • FIG. 22 is a graph schematically showing the bandgap energy distribution and the light intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor stack 200S according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 200 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 200S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 200S includes an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, an active layer 205, a P-side first guide layer 206, and an electron barrier layer 107. , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the active layer 205 has a well layer 205b and barrier layers 105a and 105c, as shown in FIG. 21B.
  • the well layer 205b according to this embodiment is an undoped In 0.01 Ga 0.99 N layer with a thickness of 17.5 nm.
  • the film thickness of the well layer 205b is 10 nm or more.
  • the P-side first guide layer 206 is a P-type Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 200 nm.
  • the P-side first guide layer 206 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the bandgap energy of the P-type cladding layer 108 made of Al 0.065 Ga 0.935 N is greater than the bandgap energy of the P-side first guide layer 206 .
  • the bandgap energy of the P-side first guide layer 206 is the same as that of the N-side first guide layer 103 made of Al 0.03 Ga 0.97 N and the N-side first guide layer 103 made of Al 0.02 Ga 0.98 N.
  • the peak position of the light intensity distribution can be shifted from the P-side first guide layer 206 toward the N-side guide layer (that is, downward). Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 22, the peak position of the light intensity distribution can be brought closer to the active layer 205 than in Comparative Example 1 described in the first embodiment.
  • the N-type cladding layer 102 is made of Al Xnc Ga 1-Xnc N
  • the N-side guide layer is made of AlGaN
  • the barrier layers 105a and 105c are made of Al b Ga 1-b N.
  • the P-side first guide layer 206 is made of AlGaN
  • the electron barrier layer 107 is made of Al Xd Ga 1-Xd N
  • the P-type cladding layer 108 is made of Al Xpc Ga 1-Xpc N
  • the N-side Assuming that the average Al composition ratio of the guide layers is Xn and the average Al composition ratio of the P-side first guide layer 206 is Xp1, b>Xn, Xp1 ⁇ Xg3, Xnc>Xn, Xpc>Xp1 relationship is established. Thus, since b>Xn holds, the bandgap energies of the barrier layers 105a and 105c are larger than the average bandgap energy of the N-side guide layers.
  • the barrier layers 105a and 105c have a smaller refractive index than the N-side guide layer.
  • the peak position of the light intensity distribution can be shifted from the barrier layers 105a and 105c toward the N-side guide layer (that is, downward). Therefore, it is possible to bring the peak position of the light intensity distribution closer to the active layer 205 than in Comparative Example 1 described in the first embodiment.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 4.3 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 8.9 nm
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 200 having a ⁇ P of 4.2 nm, a light confinement factor in the active layer 205 of 5.2%, and a waveguide loss of 3.7 cm ⁇ 1 can be realized.
  • Embodiment 3 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 3 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment in that it includes a hole blocking layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 23, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 300 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 300 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 300S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 300S includes an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, a hole barrier layer 313, an N-side second guide layer 104, an active layer 205, and a P-side first guide layer 206. , an electron barrier layer 107 , a P-type clad layer 108 and a contact layer 109 .
  • the hole blocking layer 313 is a nitride-based semiconductor layer arranged between the N-type cladding layer 102 and the active layer 205 to prevent holes from leaking from the active layer 205 to the N-type cladding layer 102 .
  • the hole blocking layer 313 is arranged between the N-side first guide layer 103 and the N-side second guide layer 104 .
  • the hole blocking layer 313 is an N-type Al 0.30 Ga 0.70 N layer with a thickness of 4 nm.
  • the hole barrier layer 313 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 300 includes the N-type cladding layer 102 and the hole barrier layer 313 having a higher Al composition ratio than those of the barrier layers 105a and 105c.
  • the hole barrier layer 313 may be doped with an impurity of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more. Thereby, electron conductivity in the hole blocking layer 313 can be enhanced.
  • the film thickness of the hole blocking layer 313 is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the effect of the hole blocking layer 313 on the light intensity distribution can be reduced.
  • the same effects as those of the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment can be obtained.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 4.9 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 10.8 nm
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 300 having a ⁇ P of 4.3 nm, a light confinement factor in the active layer 205 of 5.2%, and a waveguide loss of 5.2 cm ⁇ 1 can be realized.
  • Embodiment 4 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 4 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment in that it includes a P-side second guide layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 24, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 400 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 400 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 400S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 400S includes an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, an active layer 205, a P-side first guide layer 406, and an electron barrier layer 107. , a P-side second guide layer 414 , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the P-side second guide layer 414 is an optical guide layer arranged between the P-side first guide layer 406 and the P-type cladding layer 108 .
  • the P-side second guide layer 414 is arranged between the electron barrier layer 107 and the P-type clad layer 108 .
  • the P-side second guide layer 414 is a P-type Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 50 nm.
  • the P-side second guide layer 414 is doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the P-side first guide layer 406 is a P-type Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 150 nm.
  • the P-side first guide layer 406 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity. That is, in the present embodiment, the thickness of the P-side first guide layer 406 is thinner than the thickness of the P-side first guide layer 206 according to the second embodiment by 50 nm.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 400 includes the P-side second guide layer 414, the thickness of the P-side first guide layer 406 is reduced by the thickness of the P-side second guide layer 414. good too.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 400 includes the P-side second guide layer 414 arranged between the electron barrier layer 107 and the P-type cladding layer 108,
  • the film thickness of the guide layer 406 is thinner than the film thickness of the P-side first guide layer 206 according to the second embodiment by the film thickness of the P-side second guide layer 414 .
  • the electron barrier layer 107 is positioned closer to the well layer 205b of the active layer 205 than the electron barrier layer 107 according to the second embodiment by the thickness of the P-side second guide layer 414. placed.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 9.1 nm
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 400 having a ⁇ P of 6.9 nm, a light confinement factor in the active layer 205 of 5.4%, and a waveguide loss of 4.5 cm ⁇ 1 can be realized.
  • Embodiment 5 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the first embodiment in that it includes a buffer layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 25, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 25 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 500 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 500 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 500S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 500S includes a first buffer layer 521, an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, an active layer 105, and a P-side first guide layer 106. , an electron barrier layer 107 , a P-type clad layer 108 and a contact layer 109 .
  • the first buffer layer 521 is a buffer layer that is arranged between the substrate 101 and the N-type clad layer 102 and contains In.
  • the first buffer layer 521 is an N-type In 0.05 Ga 0.95 N layer with a thickness of 150 nm.
  • the first buffer layer 521 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the tensile strength of the entire semiconductor laminate 500S is reduced. Distortion becomes smaller. Therefore, the concave warpage of base material 101M of substrate 101 described in the first embodiment can be reduced. That is, the flatness of the base material 101M can be improved. Therefore, cracking of the base material 101M can be suppressed.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 96.0 nm
  • a nitride-based semiconductor light emitting device 500 having a ⁇ P of ⁇ 26.3 nm, a light confinement factor in the active layer 105 of 1.69%, and a waveguide loss of 4.65 cm ⁇ 1 can be realized.
  • Modification 1 of Embodiment 5 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 1 of Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500 according to Embodiment 5 in that it further includes a second buffer layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification will be described below with reference to FIG. 26, focusing on the differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 26 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 500A according to this modification.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 500A according to this modification includes a substrate 101, a semiconductor laminate 500AS, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 500AS includes a first buffer layer 521, second buffer layers 522a and 522b, an N-type clad layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, and an active layer 105.
  • a P-side first guide layer 106 an electron barrier layer 107 , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the second buffer layers 522a and 522b are buffer layers arranged on at least one main surface of the first buffer layer 521 and made of GaN.
  • the second buffer layer 522a is arranged on the main surface of the first buffer layer 521 facing the substrate 101 (that is, the lower main surface), and the second buffer layer 522b is arranged on the main surface of the first buffer layer 521. It is arranged on the main surface facing the N-type cladding layer 102 (that is, on the upper main surface). That is, the second buffer layer 522a, the first buffer layer 521, the second buffer layer 522b, and the N-type cladding layer 102 are sequentially laminated on the substrate 101.
  • the second buffer layers 522a and 522b are N-type GaN layers with a film thickness of 10 nm.
  • the second buffer layers 522a and 522b are doped with Si at concentrations of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 and 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as impurities, respectively.
  • the first buffer layer 521 made of InGaN having compressive strain is laminated, so that the lower portion of the first buffer layer 521 becomes It is possible to suppress the occurrence of lattice defects on the main surface (that is, the interface with the second buffer layer 522a).
  • the second buffer layer 522b between the first buffer layer 521 and the N-type clad layer 102 compressive stress and tensile stress generated between the first buffer layer 521 and the N-type clad layer 102 are reduced.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 96.0 nm
  • a ⁇ P of ⁇ 26.3 nm a light confinement factor in the active layer 105 of 1.69%
  • a waveguide loss of 4.65 cm ⁇ 1 realizable.
  • nitride-based semiconductor light-emitting device (Modification 2 of Embodiment 5) A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 2 of Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500 according to Embodiment 5 in that it further includes a third buffer layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification will be described below with reference to FIG. 27, focusing on the differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 27 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 500B according to this modification.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 500B according to this modification includes a substrate 101, a semiconductor laminate 500BS, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112. Prepare.
  • the semiconductor laminate 500BS includes a third buffer layer 523, a first buffer layer 521, an N-type clad layer 102, an N-side first guide layer 103, an N-side second guide layer 104, an active layer 105, It has a P-side first guide layer 106 , an electron barrier layer 107 , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the third buffer layer 523 is a buffer layer that is arranged between the substrate 101 and the first buffer layer 521 and contains Al.
  • the third buffer layer 523 is an N-type Al 0.007 Ga 0.993 N layer with a film thickness of 1000 nm (that is, 1 ⁇ m).
  • the third buffer layer 523 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the third buffer layer 523 made of AlGaN between the substrate 101 made of GaN and the first buffer layer 521 made of InGaN the flatness of the surface of the first buffer layer 521 during crystal growth is improved. can. Therefore, the flatness of the growth surface of each semiconductor layer crystal-grown on the first buffer layer 521 can be improved.
  • the Al composition ratio of the third buffer layer 523 is large, the tensile strain becomes large, and the concave warp amount of the base material 101M of the substrate 101 increases. In order to reduce such a warp amount, the Al composition ratio of the third buffer layer 523 is set to 0.01 or less.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 96.0 nm
  • ⁇ P is ⁇ 26.3 nm
  • the light confinement factor in the active layer 105 is 1.69%
  • the waveguide loss is 4.65 cm ⁇ 1 . realizable.
  • FIG. 5 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 3 of Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500B according to Modification 2 of Embodiment 5 in that it further includes a second buffer layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification will be described below with reference to FIG. 28, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500B according to Modification 2 of Embodiment 5.
  • FIG. 5 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 3 of Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500B according to Modification 2 of Embodiment 5 in that it further includes a
  • FIG. 28 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light emitting device 500C according to this modification.
  • a nitride-based semiconductor light emitting device 500C according to this modification includes a substrate 101, a semiconductor laminate 500CS, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 500CS includes a third buffer layer 523, a first buffer layer 521, second buffer layers 522a and 522b, an N-type cladding layer 102, an N-side first guide layer 103, and an N-side second guide layer 103. It has a layer 104 , an active layer 105 , a P-side first guide layer 106 , an electron barrier layer 107 , a P-type cladding layer 108 and a contact layer 109 .
  • the second buffer layer 522 a is arranged between the third buffer layer 523 and the first buffer layer 521 . Also, the second buffer layer 522 b is arranged between the first buffer layer 521 and the N-type clad layer 102 .
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 500C includes the second buffer layers 522a and 522b, thereby achieving the same effect as the first modification of the fifth embodiment.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 7.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 108R is 96.0 nm
  • ⁇ P is ⁇ 26.3 nm
  • the light confinement factor in the active layer 105 is 1.69%
  • the waveguide loss is 4.65 cm ⁇ 1 . realizable.
  • Modification 4 of Embodiment 5 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Modification 4 of Embodiment 5 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500C according to Modification 3 of Embodiment 5 in the composition of each layer of the semiconductor laminate.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this modification will be described below, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500C according to Modification 3 of Embodiment 5.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device includes a substrate 101, a semiconductor laminate, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112, as in the third modification of the fifth embodiment.
  • the semiconductor laminate includes a third buffer layer, a first buffer layer, two second buffer layers, an N-type clad layer, an N-side first guide layer, an N-side second guide layer, and an active layer. , a P-side first guide layer, an electron barrier layer, a P-type cladding layer, and a contact layer.
  • the third buffer layer according to this modification is an N-type Al 0.02 Ga 0.98 N layer with a thickness of 1000 nm.
  • the third buffer layer is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the first buffer layer according to this modification is an N-type In 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 150 nm.
  • the first buffer layer is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • Each of the two second buffer layers according to this modification is an N-type GaN layer with a film thickness of 10 nm.
  • Each of the two second buffer layers is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-type cladding layer according to this modification is an N-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a film thickness of 540 nm.
  • the N-type cladding layer is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-side first guide layer according to this modification is an N-type Al 0.03 Ga 0.97 N layer with a thickness of 100 nm.
  • the N-side first guide layer is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-side second guide layer according to this modification is an undoped Al 0.02 Ga 0.98 N layer with a thickness of 120 nm.
  • the active layer according to this modification has two barrier layers and a well layer arranged between the two barrier layers, like the active layer according to Modification 3 of Embodiment 5.
  • Each of the two barrier layers according to this modification is an undoped Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 12 nm.
  • the well layer according to this modification is an undoped Al 0.078 Ga 0.892 In 0.03 N layer with a thickness of 17.5 nm.
  • the P-side first guide layer according to this modification is a P-type Al 0.035 Ga 0.965 N layer with a thickness of 200 nm.
  • the P-side first guide layer is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the electron barrier layer, the P-type cladding layer, and the contact layer according to this modification have the same configurations as the electron barrier layer 107, the P-type cladding layer 108, and the contact layer 109, respectively, according to Modification 3 of Embodiment 5.
  • each layer disposed between the N-type cladding layer and the P-type cladding layer has a refractive index lower than that of GaN except for the well layer. Therefore, the effective refractive index in the region where the light propagating through the waveguide is distributed is lower than that of the substrate 101 made of GaN. Furthermore, since the wavelength corresponding to the bandgap energy of GaN is approximately 365 nm, the substrate 101 is transparent to laser light with a wavelength band of 375 nm.
  • the light reaching the substrate 101 spreads over the entire substrate 101 without being attenuated by the substrate 101, increasing waveguide loss.
  • the thickness of the N-type cladding layer with a high Al composition ratio must be, for example, 1 ⁇ m or less, and in this modified example, it is set to 540 nm to suppress an increase in tensile strain.
  • a second N-type InGaN buffer layer having an In composition ratio of 0.04 is provided below the N-type cladding layer in order to attenuate the light by absorption. 1 buffer layer is arranged.
  • the In composition ratio of the first buffer layer 521 was 0.05. It is lower than the In composition ratio of the first buffer layer 521 according to Modification 3 of Mode 5.
  • the In composition ratio of the first buffer layer is increased, the absorption of laser light in this layer increases and the attenuation of light can be increased, but pits are likely to occur in the first buffer layer.
  • the In composition ratio of the first buffer layer is low, the light absorption in this layer becomes small, so that the light is not sufficiently attenuated in the first buffer layer and easily reaches the substrate 101 .
  • the Al composition ratio of the third buffer layer made of N-type AlGaN is set to 0.007, which is higher than the Al composition ratio 0.007 of the third buffer layer 523 of the third modification of the fifth embodiment. 02, the refractive index of the third buffer layer is lowered to increase the attenuation of light in this layer.
  • the buffer layer structure of this modified example although the tensile strain in the third buffer layer increases, the light distribution intensity reaching the substrate 101 is suppressed while suppressing the generation of pits in the first buffer layer. can do.
  • the In composition ratio of the first buffer layer is less than 0.05, the effect of attenuating light in this layer is reduced. Therefore, by increasing the Al composition ratio of the third buffer layer to more than 0.01 and decreasing the refractive index of the third buffer layer, the attenuation of light is increased and the intensity of light reaching the substrate 101 is reduced. There is a need. However, if the Al composition ratio of the third buffer layer is too large, the tensile strain becomes too large. The value should be less than one-third (33.3%). In this modification, the Al composition ratio of the third buffer layer is 30.7% of the Al composition ratio of the N-type cladding layer, which is 0.065.
  • the In composition ratio of the first buffer layer should be 0.03 or more.
  • the In composition ratio of the first buffer layer is 0.05 or more, the light attenuation effect due to light absorption in this layer can be increased, so there is no need to increase the Al composition ratio of the third buffer layer.
  • the third buffer layer is an AlGaN layer having an Al composition ratio of 0.01 or less, it is possible to improve the flatness of the surface of the first buffer layer during crystal growth, and furthermore, the tensile strain caused in the third buffer layer can be improved. can be reduced, the warping of the base material 101M of the substrate 101 can be reduced.
  • the Al composition ratio of the N-side first guide layer is 0.03, the Al composition ratio of the N-side second guide layer is 0.02, and the Al composition ratio of the P-side first guide layer is 0.035.
  • the average refractive index of the N-side first guide layer and the N-side second guide layer is higher than the refractive index of the P-side first guide layer. is higher than the refractive index of the N-side first guide layer.
  • the In composition ratio of the well layer for obtaining laser oscillation in the 375 nm band is set to the In composition ratio when the well layer is an InGaN layer. can be improved by comparison.
  • the In composition ratio can be increased to 0.03 compared to the In composition ratio of 0.01 at which laser oscillation light in the 375 nm band can be obtained when the well layer is an InGaN layer.
  • the In composition ratio of the well layer is 0.05, by setting the Al composition ratio to 0.093, it is possible to obtain laser oscillation at a wavelength of 375 nm in the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • the In composition ratio of the well layer increases, resulting in an increase in the compressive strain of the well layer.
  • the tensile strain accumulated in the N-type cladding layer, the N-side first guide layer, and the N-side second guide layer can be compensated for by the compressive strain of the well layer.
  • the occurrence can be suppressed.
  • the compressive strain of the well layer increases, the difference in the ground state energy level between heavy holes and light holes formed in the well layer increases, and the carrier density of the heavy holes existing at the ground level increases. increases, the amplification gain of the active layer increases with a small injection current, and the oscillation threshold current value can be reduced.
  • x be the Al composition ratio of the well layer (0 ⁇ x ⁇ 1) and y be the In composition ratio (0 ⁇ y ⁇ 1). As a result, it is possible to obtain laser oscillation light in the ultraviolet region with a wavelength of 375 nm in the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • the lattice constants in the a-axis direction of AlN, GaN, and InN constituting AlGaInN are 3.08 ⁇ , 3.16 ⁇ , and 3.5 ⁇ , respectively. big. For this reason, rather than uniformly distributing the In atoms in the AlGaInN layer within the crystal growth plane, local segregation and non-uniform distribution are more likely to result in the formation of group 3 atoms (Al, Ga, In) and nitrogen atoms.
  • the In composition ratio when the In composition ratio is increased, a high In composition region having an average diameter of several tens of nanometers to several nanometers and having a locally high In composition ratio tends to be formed in the growth plane.
  • the high In composition region has a small bandgap energy and functions as a quantum dot active layer.
  • a quantum level is formed not only in the lamination direction (growth layer direction) but also in the growth layer in-plane direction, increasing the concentration of electrons and holes existing at the ground level of the quantum level. becomes possible. Therefore, the oscillation threshold value (oscillation threshold current value) of the nitride-based semiconductor light emitting device can be reduced.
  • the difference in bandgap energy between the guide layer and the well layer is small, and electrons injected into the well layer easily leak to the P-side first guide layer. Therefore, by using the quaternary AlGaInN well layer, the oscillation threshold can be reduced, and electron leakage can be reduced, thereby improving the temperature characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device.
  • Embodiment 6 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 6 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500C according to Modification 3 of Embodiment 5 mainly in that the Al composition ratio of each clad layer is increased. differ.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment will be described below with reference to FIG. 29, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 500C according to Modification 3 of Embodiment 5.
  • FIG. 29 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 6 will be described.
  • FIG. 29 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 600 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 600 includes a substrate 101, a semiconductor laminate 600S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 600S includes a third buffer layer 523, a first buffer layer 521, second buffer layers 522a and 522b, an N-type cladding layer 602, an N-side first guide layer 603, and an N-side second guide layer 603. It has a layer 604 , an active layer 105 , a P-side first guide layer 606 , an electron barrier layer 107 , a P-type cladding layer 608 and a contact layer 109 .
  • the N-type cladding layer 602 is an N-type Al 0.11 Ga 0.89 N layer with a thickness of 540 nm.
  • the N-type cladding layer 602 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-side first guide layer 603 is an N-type Al 0.06 Ga 0.94 N layer with a thickness of 100 nm.
  • the N-side first guide layer 603 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the N-side second guide layer 604 is an undoped Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 120 nm.
  • the P-side first guide layer 606 is a P-type Al 0.08 Ga 0.92 N layer with a thickness of 200 nm.
  • the P-side first guide layer 606 is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the P-type cladding layer 608 is a P-type Al 0.11 Ga 0.89 N layer with a thickness of 450 nm.
  • the P-type clad layer 608 is doped with Mg as an impurity.
  • the P-type cladding layer 608 is located below the vertical center of the P-type cladding layer 608 (that is, on the side closer to the active layer 105), and has an impurity concentration lower than that of other regions in the P-type cladding layer 608. Contains concentration regions.
  • the P-type cladding layer 608 includes a 150-nm-thick P-type Al 0.11 Ga 0.89 N layer doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 disposed below and an upper and a P-type Al 0.11 Ga 0.89 N layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and having a thickness of 300 nm disposed on the side farther from the active layer 105 .
  • a ridge 608R is formed in the P-type cladding layer 608. Also, the P-type cladding layer 608 is formed with two grooves 608T arranged along the ridge 608R and extending in the Y-axis direction.
  • the refractive indices of the N-type clad layer 602 and the P-type clad layer 608 can be reduced by increasing the Al composition ratio of the N-type clad layer 602 and the P-type clad layer 608 . Therefore, in this embodiment, the waveguide loss can be reduced and the optical confinement factor can be increased. In addition, both the peak position PS1 of the light intensity distribution in the lamination direction in the portion below the ridge 608R and the difference ⁇ P between the peak positions can be reduced. As a result, IL characteristics excellent in temperature characteristics and linearity can be realized.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 4.8 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the peak position PS1 of the light intensity distribution in the stacking direction in the portion below the ridge 608R is 6.9 nm
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 600 having a ⁇ P of ⁇ 3.3 nm, a light confinement factor in the active layer 105 of 5.3%, and a waveguide loss of 4.0 cm ⁇ 1 can be realized.
  • Embodiment 7 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 7 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment in the configuration of the N-side guide layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 30, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 200 according to the second embodiment.
  • FIG. 30 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 700 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 700 according to this embodiment includes a substrate 101, a semiconductor laminate 700S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 700S includes an N-type clad layer 102, an N-side guide layer 740, an active layer 205, a P-side first guide layer 206, an electron barrier layer 107, a P-type clad layer 108, and a contact layer 109.
  • the N-side guide layer 740 is an optical guide layer arranged above the N-type cladding layer 102 .
  • the composition of the N-side guide layer 740 is not uniform in the stacking direction.
  • the N-side guide layer 740 is an N-type AlGaN layer with a thickness of 220 nm.
  • the Al composition ratio of the N-side guide layer 740 varies from 0.03 to 0.02 from bottom to top in the stacking direction.
  • the mode of changing the Al composition ratio is not particularly limited.
  • the Al composition ratio of the N-side guide layer 740 changes at a constant rate of change in the stacking direction.
  • a 100 nm thick portion below the N-side guide layer 740 is doped with Si at a concentration of 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the 100 nm thick portion above the N-side guide layer 740 is not doped with impurities.
  • the bandgap energy of the N-type cladding layer 102 is greater than the average bandgap energy of the N-side guide layer 740 .
  • the average refractive index of the N-side guide layer 740 becomes higher than the average refractive index of the N-type cladding layer 102, so the N-side guide layer 740 functions as a light guide layer.
  • the bandgap energy of the barrier layers 105 a and 105 c is greater than the average bandgap energy of the N-side guide layer 740 .
  • the barrier layers 105 a and 105 c have a lower average refractive index than the N-side guide layer 740 . Therefore, as in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment, it is possible to bring the peak position of the light intensity distribution closer to the active layer 205 .
  • the bandgap energy at the lower end (the end closer to the N-type cladding layer 102) of the N-side guide layer 740 is the bandgap energy at the upper end (the end closer to the active layer 205). greater than
  • the bandgap energy of the upper end of N-side guide layer 740, which is the guide layer closer to barrier layer 105a is smaller than the bandgap energy of barrier layer 105a. That is, the refractive index of the upper end portion of the N-side guide layer 740, which is the guide layer closer to the barrier layer 105a, is higher than the refractive index of the barrier layer 105a.
  • the refractive index of the upper end of the N-side guide layer 740 closer to the active layer 205 than the lower end of the N-side guide layer 740 is higher than the refractive index of the lower end. Since the semiconductor stacked body 700S has such a refractive index distribution, the light intensity distribution is directed toward the upper end of the N-side guide layer 740, as in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment. can be shifted to Furthermore, since the active layer 205 is not doped with impurities, by positioning the peak position of the light intensity distribution in the region near the active layer 205, waveguide loss caused by light absorption by impurities can be reduced.
  • the bandgap energy of the P-type cladding layer 108 is greater than the bandgap energy of the P-side first guide layer 206 .
  • the bandgap energy of the P-side first guide layer 206 is greater than the average bandgap energy of the N-side guide layer 740 . That is, the refractive index of the P-side first guide layer 206 is smaller than the average refractive index of the N-side guide layer 740 .
  • the peak position of the light intensity distribution can be shifted from the P-side first guide layer 206 toward the N-side guide layer 740 (that is, downward). Therefore, in the present embodiment, it is possible to bring the peak position of the light intensity distribution closer to the active layer 205 as in the nitride-based semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • Embodiment 8 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 8 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 600 according to Embodiment 6 in that a separation groove is formed in the substrate and that no buffer layer is provided. do.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 31, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 600 according to the sixth embodiment.
  • FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 800 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 800 includes a substrate 801, a semiconductor laminate 800S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 800S includes an N-type cladding layer 602, an N-side first guide layer 603, an N-side second guide layer 604, an active layer 105, a P-side first guide layer 606, and an electron barrier layer 107. , a P-type cladding layer 608 and a contact layer 109 .
  • the substrate 801 is a substrate made of GaN.
  • a plurality of separation grooves 801T are formed in the substrate 801 .
  • the separation trench 801T is formed on the upper major surface of the substrate 801 along the ridge 608R.
  • a semiconductor laminate 800S is laminated in the plurality of separation grooves 801T. That is, the plurality of separation grooves 801T include the N-type cladding layer 602, the N-side first guide layer 603, the N-side second guide layer 604, the active layer 105, the P-side first guide layer 606, the electron barrier layer 107, the P A mold cladding layer 608 and a contact layer 109 are laminated.
  • the width W2 of the nitride-based semiconductor light emitting device 800 is effectively narrowed to the distance W1 between the isolation trenches 801T. be able to. Since the semiconductor laminate 800S laminated on the substrate 801 includes the N-type cladding layer 602 and the P-type cladding layer 608 having a relatively high Al composition ratio, tensile strain is generated with respect to the substrate 801 made of GaN.
  • the lattice constant of the P-type clad layer 608 is larger than that of the N-type clad layer 602 in terms of atomic composition. It is easy to change to the value of the lattice constant according to. Therefore, a shear stress is applied to the semiconductor laminate 800S formed on the end portion of the separation groove 801T closer to the ridge 608R so that the P-type cladding layer 608 shrinks in the horizontal direction.
  • the distance W1 may be, for example, 2500 ⁇ m or less.
  • the distance W1 may be 1000 ⁇ m or more.
  • the width W2 of the nitride-based semiconductor light-emitting device 800 including the two separation grooves 801T is too small, the thermal resistance of the nitride-based semiconductor light-emitting device 800 increases.
  • the width W2 may be 150 ⁇ m or more.
  • the width W2 may be 400 ⁇ m or less.
  • the difference between the distance W1 and the width W2 becomes too small, the nitride semiconductor light emitting element 800 is separated in the direction of the cavity in the separation step of separating each of the plurality of nitride semiconductor light emitting elements 800 fabricated in an array.
  • the side walls of the device 800 tend to attract scattered debris. Such debris increases the risk of leakage current when the nitride-based semiconductor light emitting device 800 is junction-down mounted. Therefore, the difference (W2-W1) between the distance W1 and the width W2 may be 8 ⁇ m or more.
  • the depth of the separation groove 801T is greater than or equal to the thickness from the N-type cladding layer 602 to the contact layer 109 of the semiconductor laminate 800S (that is, greater than or equal to the distance from the lower end of the N-type cladding layer 602 to the upper end of the contact layer 109). If it is
  • the substrate 801 As described above, by forming the separation grooves 801T in the substrate 801, even if the Al composition ratio of each cladding layer is 8% or more as in this embodiment, after the crystal growth of the semiconductor stacked body 800S, the substrate It is possible to suppress the occurrence of cracks in the base material of 801 .
  • Embodiment 9 A nitride-based semiconductor light-emitting device according to Embodiment 9 will be described.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to this embodiment differs from the nitride-based semiconductor light-emitting device 800 according to the eighth embodiment in that it includes a buffer layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 32, focusing on differences from the nitride-based semiconductor light-emitting device 800 according to the eighth embodiment.
  • FIG. 32 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a nitride-based semiconductor light-emitting device 900 according to this embodiment.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device 900 includes a substrate 801, a semiconductor laminate 600S, a current blocking layer 110, a P-side electrode 111, and an N-side electrode 112.
  • the semiconductor laminate 600S includes a third buffer layer 523, a first buffer layer 521, second buffer layers 522a and 522b, an N-type cladding layer 602, an N-side first guide layer 603, and an N-side second guide layer 603. It has a layer 604 , an active layer 105 , a P-side first guide layer 606 , an electron barrier layer 107 , a P-type cladding layer 608 and a contact layer 109 .
  • a plurality of separation grooves 801T are also formed in the substrate 801 according to the present embodiment.
  • Semiconductor laminates 600S are laminated in the plurality of separation grooves 801T. Therefore, the same effect as in the eighth embodiment can be obtained in the present embodiment as well.
  • the semiconductor stacked body 600S according to the present embodiment includes the first buffer layer 521, the second buffer layers 522a and 522b, and the third buffer layer 523, the same effect as in the sixth embodiment is obtained.
  • the Al composition ratio of the electron barrier layer was uniform within the layer, but the electron barrier layer progressed upward (that is, approached the P-type cladding layer). It may have a region where the Al composition ratio gradually increases.
  • the structure in which the Al composition ratio monotonously increases includes a structure including a region in which the Al composition ratio is constant in the stacking direction.
  • the structure in which the Al composition ratio monotonously increases includes a structure in which the Al composition ratio increases stepwise.
  • the electron barrier layer may include an Al composition ratio changing region in which the Al composition ratio monotonously increases as it approaches the P-type cladding layer in the stacking direction, and an Al composition ratio constant region in which the Al composition ratio is constant in the stacking direction. good.
  • the Al composition ratio changing region is arranged at the end of the electron barrier layer closer to the active layer, and the Al composition ratio constant region is arranged at the end of the electron barrier layer closer to the P-type cladding layer. .
  • the Al composition ratio change region the Al composition ratio increases at a constant rate of change as it approaches the P-type cladding layer in the stacking direction.
  • the Al composition ratio changing region has a film thickness of 3 nm, has a composition represented by Al 0.04 Ga 0.96 N near the interface on the side closer to the active layer, and has a constant Al composition ratio.
  • the Al composition ratio monotonically increases as the region approaches, and the composition represented by Al 0.36 Ga 0.64 N is obtained near the interface with the constant Al composition ratio region.
  • the constant Al composition ratio region has a film thickness of 2 nm and has a composition represented by Al 0.36 Ga 0.64 N in the entire region.
  • the electron barrier layer is doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 as an impurity.
  • the potential barrier in the valence band of the electron barrier layer can be reduced more than when the Al composition ratio is uniform. Therefore, holes easily flow from the P-type cladding layer to the active layer. Therefore, it is possible to suppress an increase in electrical resistance of the nitride-based semiconductor light-emitting device. As a result, the operating voltage of the nitride-based semiconductor light emitting device can be reduced. In addition, since self-heating during operation of the nitride-based semiconductor light-emitting device can be reduced, temperature characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device can be improved. Therefore, it is possible to operate the nitride-based semiconductor light-emitting device at high output.
  • the Al composition ratios of the N-type clad layer and the P-type clad layer are the same in each of the above embodiments, they do not necessarily have to be the same.
  • the Al composition ratio of the N-type clad layer may be smaller than the Al composition ratio of the P-type clad layer.
  • the refractive index of the N-type clad layer becomes higher than that of the P-type clad layer, so that the light intensity distribution in the stacking direction can be shifted toward the N-type clad layer.
  • the N-type cladding layer and the P-type cladding layer may be superlattice layers composed of multiple layers of thin films of GaN and AlGaN, for example.
  • the Al composition ratio of each clad layer is represented by the average Al composition ratio of the entire superlattice layer.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device is not limited to a semiconductor laser device.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device may be a superluminescent diode.
  • the reflectance of the end face of the semiconductor laminate included in the nitride-based semiconductor light-emitting device with respect to the emitted light from the semiconductor laminate may be 0.1% or less.
  • Such a reflectance can be realized, for example, by forming an antireflection film made of a dielectric multilayer film or the like on the end face.
  • the guided light reflected by the front end face is coupled with the waveguide again to form a guided light component.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device has a structure including one well layer as the structure of the active layer 105, but it may have a structure including a plurality of well layers. .
  • the nitride-based semiconductor light emitting device includes the electron barrier layer 107 and the current blocking layer 110, but these layers may not necessarily be included.
  • the barrier layer, the N-side guide layer (the N-side first guide layer, the N-side second guide layer, etc.), the P-side first guide layer and the P-side At least one of the second guide layer and the N-type cladding layer may be made of AlGaInN.
  • AlGaInN it is possible to cancel at least part of the tensile strain in the semiconductor laminate, so that the occurrence of cracks can be reduced.
  • AlGaInN which generates compressive strain
  • AlGaInN which generates compressive strain
  • N-side guide layer N-side first guide layer, N-side second guide layer, etc.
  • the other layers barrier layer, P-side guide layer, N-type guide layer, etc.
  • AlGaN for the cladding layer
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device of the present disclosure can be applied, for example, as a light source for processing machines as a high-output and high-efficiency light source.

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Abstract

窒化物系半導体発光素子（１００）は、Ｎ型クラッド層（１０２）と、Ｎ側第１ガイド層（１０３）と、Ｎ側第２ガイド層（１０４）と、ウェル層（１０５ｂ）及びバリア層（１０５ａ、１０５ｃ）を有する活性層（１０５）と、Ｐ型クラッド層（１０８）とを備え、バリア層（１０５ａ、１０５ｃ）のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第２ガイド層（１０４）のバンドギャップエネルギーより大きく、Ｎ側第２ガイド層（１０４）のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第１ガイド層（１０３）のバンドギャップエネルギーより小さく、Ｎ側第１ガイド層（１０３）のバンドギャップエネルギーは、Ｎ型クラッド層（１０２）のバンドギャップエネルギーより小さく、各クラッド層（１０２、１０８）、各ガイド層（１０３、１０４）、及びバリア層（１０５ａ、１０５ｃ）は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる。

Description

窒化物系半導体発光素子
　本開示は、窒化物系半導体発光素子に関する。
　従来、青色光を出射する窒化物系半導体発光素子が知られているが、より短波長の紫外光を出射する高出力の窒化物系半導体発光素子が求められている（例えば、特許文献１など参照）。例えば、窒化物系半導体発光素子によって、ワット級の紫外レーザ光源を実現できれば、露光用光源、加工用光源などに用いることができる。
特開２０１４－１３１０１９号公報
　紫外光を出射する窒化物系半導体発光素子において、例えば、バリア層としてＡｌＧａＮ層を有する量子井戸構造を有する活性層が用いられる。紫外光を出射するためには、バリア層のバンドギャップエネルギーを大きくする必要がある。バリア層のバンドギャップエネルギーを大きくするためにバリア層のＡｌ組成比を大きくすると、バリア層の屈折率が低くなる。このため、紫外光を活性層に閉じ込めるためのクラッド層の屈折率をバリア層より十分低くする必要がある。クラッド層としてＡｌＧａＮ層を用いる場合、クラッド層の屈折率を低くするためにＡｌ組成比を大きくする必要がある。このようにＡｌ組成比が大きいＡｌＧａＮからなるクラッド層を、例えばＧａＮからなる基板上に結晶成長させる場合、クラッド層の基板に対する引っ張り性の歪が大きくなる。したがって、窒化物系半導体発光素子を製造するために、ＧａＮからなるウェハ上にクラッド層、活性層などを結晶成長させる場合、ＡｌＧａＮ層に起因する引っ張り性の歪によって、ウェハが割れやすい。このようなウェハの割れを抑制するために、ＡｌＧａＮからなるクラッド層の膜厚を薄くすることで、クラッド層の基板に対する歪を低減するという対策が考えられる。また、Ａｌ組成比が高いＰ型ＡｌＧａＮからなるＰ型クラッド層は電気抵抗が高くなるため、Ｎ型クラッド層より膜厚をさらに薄く、かつ、不純物濃度を高く設定される。このようなＰ型クラッド層は、Ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きくなる。このため、光が活性層からＰ型クラッド層寄りに偏る。このため活性層への光閉じ込め係数が低下する。これに伴い、光出力の熱飽和レベルが低下する。したがって、窒化物系半導体発光素子の高出力化の実現が困難となる。
　本開示は、このような課題を解決するものであり、半導体積層体における歪を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示に係る窒化物系半導体発光素子の一態様は、Ｎ型クラッド層と、前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側第１ガイド層と、前記Ｎ側第１ガイド層の上方に配置されるＮ側第２ガイド層と、前記Ｎ側第２ガイド層の上方に配置され、ウェル層及びバリア層を有する活性層と、前記活性層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｎ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、前記Ｎ型クラッド層、前記Ｎ側第１ガイド層、前記Ｎ側第２ガイド層、前記バリア層、及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる。
　本開示に係る窒化物系半導体発光素子の他の一態様は、Ｎ型クラッド層と、前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層及びバリア層を含む活性層と、前記活性層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｎ側ガイド層の下方の端部におけるバンドギャップエネルギーは、上方の端部におけるバンドギャップエネルギーより大きく、前記Ｎ型クラッド層、前記Ｎ側ガイド層、前記バリア層、及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる。
　本開示によれば、半導体積層体における歪を低減でき、かつ、活性層への光閉じ込め係数を高めることができる窒化物系半導体発光素子を提供できる。
図１は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な平面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図３は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における光強度分布の概要を示す模式図である。 図４は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子の積層方向における位置の座標を示すグラフである。 図５は、比較例１に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図６は、実施の形態１に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図７は、実施の形態１の変形例に係る半導体積層体のバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図８は、比較例２に係る半導体積層体の屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。 図９は、実施の形態１に係る半導体積層体の屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。 図１０は、各ガイド層のＡｌ組成比の構成と、窒化物系半導体発光素子の特性との関係を示す表である。 図１１は、各バリア層のＡｌ組成比が０．０２の場合の活性層近傍の伝導帯ポテンシャルエネルギーの分布と、電子の波動関数との関係を示すグラフである。 図１２は、各バリア層のＡｌ組成比が０．０５の場合の活性層近傍の伝導帯ポテンシャルエネルギーの分布と、電子の波動関数との関係を示すグラフである。 図１３は、各バリア層のＡｌ組成比と、バンドオフセットΔＥｃとの関係を示すグラフである。 図１４は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＮ型クラッド層１０２の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 図１５は、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子のＮ型クラッド層１０２の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 図１６は、実施の形態１に係る基板の母材に半導体積層体を積層した場合に生じる母材及び半導体積層体の反りを示す模式的な側面図である。 図１７は、実施の形態１に係る基板の母材に半導体積層体を積層した場合に生じる母材及び半導体積層体の反り量を示すグラフである。 図１８は、実施の形態１に係る各ガイド層と、シミュレーションによって求められた導波路損失との関係を示す第１のグラフである。 図１９は、実施の形態１に係る各ガイド層と、シミュレーションによって求められた導波路損失との関係を示す第２のグラフである。 図２０は、実施の形態１に係る各ガイド層と、シミュレーションによって求められた導波路損失との関係を示す第３のグラフである。 図２１Ａは、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２１Ｂは、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 図２２は、実施の形態２に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。 図２３は、実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２４は、実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２５は、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２６は、実施の形態５の変形例１に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２７は、実施の形態５の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２８は、実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図２９は、実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３０は、実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３１は、実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 図３２は、実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成を示す模式的な断面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
　（実施の形態１）
　実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。
　［１－１．全体構成］
　まず、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の全体構成について図１、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図１及び図２Ａは、それぞれ本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２Ａには、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図２Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００が備える活性層１０５の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。窒化物系半導体発光素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。
　窒化物系半導体発光素子１００は、図２Ａに示されるように、窒化物系半導体層を含む半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓの積層方向（つまり、Ｚ軸方向）に垂直な方向の端面１００Ｆ（図１参照）から光を出射する。本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子１００は、共振器を形成する二つの端面１００Ｆ及び１００Ｒを有する半導体レーザ素子である。端面１００Ｆは、レーザ光を出射するフロント端面であり、端面１００Ｒは、端面１００Ｆより反射率が高いリア端面である。本実施の形態では、端面１００Ｆ及び１００Ｒの反射率は、それぞれ、１６％及び９５％である。また、窒化物系半導体発光素子１００は、端面１００Ｆと端面１００Ｒとの間に形成された導波路を有する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の共振器長（つまり、端面１００Ｆと端面１００Ｒと間の距離）は１２００μｍ程度である。また、窒化物系半導体発光素子１００は、例えば、３７５ｎｍ帯にピーク波長を有する紫外光を出射する。
　図２Ａに示されるように、窒化物系半導体発光素子１００は、基板１０１と、半導体積層体１００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体１００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　基板１０１は、窒化物系半導体発光素子１００の基台となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、Ｎ型ＧａＮ基板である。基板１０１には、例えば、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　Ｎ型クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置されるクラッド層の一例である。Ｎ型クラッド層１０２は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい層である。本実施の形態では、Ｎ型クラッド層１０２は、膜厚５４０ｎｍのＮ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。Ｎ型クラッド層１０２には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。本実施の形態では、Ｎ型クラッド層１０２は、ＧａＮからなる基板１０１の上方に積層されている。このように、Ｎ型クラッド層１０２をＧａＮからなる基板１０１の上方に積層することで、Ｎ型クラッド層１０２の格子定数は基板１０１の格子定数と同等となり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの内の少なくとも一種類の元素を含む窒化物をＮ型クラッド層上に格子整合させながらエピタキシャル積層する場合において、各層の歪の制御、バンド構造、屈折率の制御を各層の組成を調整することで行えるため、窒化物系半導体発光素子１００の構造制御が容易になる。したがって、窒化物系半導体発光素子１００において、所望の特性を得やすくなる。
　Ｎ側第１ガイド層１０３は、Ｎ型クラッド層１０２の上方に配置されるＮ側ガイド層の一例である。Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーは、Ｎ型クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーより小さい。つまり、Ｎ側第１ガイド層１０３の屈折率は、Ｎ型クラッド層１０２の屈折率より大きい。Ｎ側第１ガイド層１０３は、ＡｌＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎ（０＜Ｘｎ１≦１）からなる。本実施の形態では、Ｎ側第１ガイド層１０３は、膜厚１００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。Ｎ側第１ガイド層１０３には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　Ｎ側第２ガイド層１０４は、Ｎ側第１ガイド層１０３の上方に配置されるＮ側ガイド層の一例である。Ｎ側第２ガイド層１０４は、Ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。また、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーより小さい。つまり、Ｎ側第２ガイド層１０４の屈折率は、Ｎ側第１ガイド層１０３の屈折率より大きい。Ｎ側第２ガイド層１０４は、ＡｌＸｎ２Ｇａ１－Ｘｎ２Ｎ（０≦Ｘｎ２≦１）からなる。本実施の形態では、Ｎ側第２ガイド層１０４は、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。
　このように、本実施の形態では、Ｎ側第２ガイド層１０４の不純物濃度は、Ｎ側第１ガイド層１０３の不純物濃度より低い。窒化物系半導体発光素子１００の直列抵抗の低減や、ウェル層１０５ｂからの正孔（ホール）の基板１０１側への漏れを防ぐためにはＮ側第１ガイド層１０３及びＮ側第２ガイド層１０４へ不純物をドープし、各ガイド層の価電子帯の電位ポテンシャルを小さくすることが有効である。この場合、Ｎ側第２ガイド層１０４の不純物濃度を、Ｎ側第１ガイド層１０３の不純物濃度よりも小さくすることで、不純物に起因する導波路損失の増大を抑制することができる。つまり、Ｎ側第１ガイド層１０３より活性層１０５に近い、つまり、光強度がより大きい領域であるＮ側第２ガイド層１０４における不純物濃度を低減することで、不純物に起因する光損失を低減できる。
　また、本実施の形態では、Ｎ側第２ガイド層１０４には、不純物はドープされていないが、Ｎ側第２ガイド層１０４へ不純物をドープしてもよい。これにより、Ｎ側第２ガイド層１０４の抵抗が下がるため、基板１０１から活性層１０５へ電子が流れやすくなり、活性層１０５から基板１０１へ漏れる正孔電流成分を低減することができる。この結果、高温動作時における光出力の熱飽和レベルを向上させることができる。
　活性層１０５は、Ｎ側第２ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造を有する発光層である。本実施の形態では、活性層１０５は、図２Ｂに示されるように、ウェル層１０５ｂと、バリア層１０５ａ、及び１０５ｃとを有する。
　バリア層１０５ａは、Ｎ側第２ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。バリア層１０５ａは、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる。本実施の形態では、バリア層１０５ａは、膜厚１２ｎｍのアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
　ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する層である。ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａとバリア層１０５ｃとの間に配置される。本実施の形態では、ウェル層１０５ｂは、膜厚７．５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。
　バリア層１０５ｃは、ウェル層１０５ｂの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する層である。バリア層１０５ｃは、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる。本実施の形態では、バリア層１０５ｃは、膜厚１０ｎｍのアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。
　Ｐ側第１ガイド層１０６は、活性層１０５の上方に配置される光ガイド層である。本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６は、活性層１０５及びＰ型クラッド層１０８の間に配置される。Ｐ側第１ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーは、Ｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーより小さい。つまり、Ｐ側第１ガイド層１０６の屈折率は、Ｐ型クラッド層１０８の屈折率より大きい。本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層１０６は、膜厚２００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。Ｐ側第１ガイド層１０６には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　電子障壁層１０７は、活性層１０５の上方に配置される窒化物系半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層１０７は、Ｐ側第１ガイド層１０６及びＰ型クラッド層１０８の間に配置される。電子障壁層１０７は、膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下のＡｌＸｄＧａ１－ＸｄＮ層であり、Ａｌ組成比Ｘｄは、０．２以上である。これにより、窒化物系半導体発光素子１００の動作電圧の増大を抑制しつつ、電子の活性層１０５付近への閉じ込め効果を向上させることができる。電子障壁層１０７にドープされる不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上であってもよい。これにより、電子障壁層１０７における正孔の伝導性を高めることができる。電子障壁層１０７は、膜厚が１０ｎｍ以下と薄いため、光強度分布への影響を低減できる。本実施の形態では、電子障壁層１０７は、膜厚５ｎｍのＰ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。電子障壁層１０７には、不純物として濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。電子障壁層１０７により、電子が活性層１０５からＰ型クラッド層１０８へ漏れることを抑制できるため、窒化物系半導体発光素子１００の光変換効率を高めることができる。
　Ｐ型クラッド層１０８は、活性層１０５の上方に配置されるＰ型のクラッド層である。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１０８は、電子障壁層１０７とコンタクト層１０９との間に配置される。Ｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは、活性層１０５のバリア層１０５ａ及び１０５ｃ、並びに、Ｐ側第１ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーより大きい。つまり、Ｐ型クラッド層１０８の屈折率は、活性層１０５のバリア層１０５ａ及び１０５ｃ、並びに、Ｐ側第１ガイド層１０６の屈折率より小さい。本実施の形態では、Ｐ型クラッド層１０８は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。Ｐ型クラッド層１０８には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層１０８は、Ｐ型クラッド層１０８の上下方向中央より下方（つまり、活性層１０５に近い側）に位置し、不純物濃度がＰ型クラッド層１０８内の他の領域より低い低濃度領域を含む。具体的には、Ｐ型クラッド層１０８は、下方に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層と、上方（つまり、活性層１０５から遠い側）に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層とを有する。これにより、Ｐ型クラッド層１０８内での不純物に起因するフリーキャリア損失を低減できるため、導波路損失を低減できる。
　窒化物系半導体発光素子１００のＰ型クラッド層１０８には、リッジ１０８Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層１０８には、リッジ１０８Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝１０８Ｔが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図２Ａに示されるように、リッジ１０８Ｒの下端部（つまり、溝１０８Ｔの底部）と活性層１０５との間の距離をｄｐとしている。また、リッジ１０８Ｒの下端部におけるＰ型クラッド層１０８の膜厚（つまり、リッジ１０８Ｒの下端部と、Ｐ型クラッド層１０８及び電子障壁層１０７の界面との間の距離）をｄｃとしている。
　コンタクト層１０９は、Ｐ型クラッド層１０８の上方に配置され、Ｐ側電極１１１とオーミック接触する層である。本実施の形態では、コンタクト層１０９は、膜厚１００ｎｍのＰ型ＧａＮ層である。コンタクト層１０９には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　以上のように、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓのうち、Ｎ型クラッド層１０２、Ｎ側第１ガイド層１０３、Ｎ側第２ガイド層１０４、バリア層１０５ａ及び１０５ｃ、Ｐ側第１ガイド層１０６、電子障壁層１０７、並びに、Ｐ型クラッド層１０８は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる。
　電流ブロック層１１０は、Ｐ型クラッド層１０８の上方に配置され、活性層１０５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１０は、Ｐ型クラッド層１０８の上面のうち、リッジ１０８Ｒの上面以外の領域に配置される。本実施の形態では、電流ブロック層１１０は、ＳｉＯ２層である。
　Ｐ側電極１１１は、コンタクト層１０９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１１１は、コンタクト層１０９及び電流ブロック層１１０の上方に配置される。Ｐ側電極１１１は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
　Ｎ側電極１１２は、基板１０１の下方に（つまり、基板１０１の半導体積層体１００Ｓが配置された主面の反対側の主面に）配置される導電層である。Ｎ側電極１１２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
　窒化物系半導体発光素子１００は、以上のような構成を有することにより、図２Ａに示されるように、リッジ１０８Ｒの下方の部分と、溝１０８Ｔの下方の部分との間に実効屈折率差ΔＮが生じる。これにより、活性層１０５のリッジ１０８Ｒの下方の部分で発生した光を水平方向（つまり、Ｘ軸方向）に閉じ込めることができる。
　［１－２．光強度分布］
　次に本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の光強度分布について説明する。
　本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向（各図のＺ軸方向）における光強度分布について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における光強度分布の概要を示す模式図である。図３には、窒化物系半導体発光素子１００の模式的な断面図と、リッジ１０８Ｒ及び溝１０８Ｔの各々に対応する位置における積層方向における光強度分布の概要を示すグラフが示されている。
　窒化物系半導体発光素子においては、活性層で光が発生するが、積層方向における光強度分布は積層構造に依存し、必ずしも活性層に光強度分布のピークが位置しない。また、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層構造は、リッジ１０８Ｒの下方の部分と、溝１０８Ｔの下方の部分とで異なるため、光強度分布も、リッジ１０８Ｒの下方の部分と、溝１０８Ｔの下方の部分とで異なる。図３に示されるように、リッジ１０８Ｒの下方の部分の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）中央での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰＳ１とする。また、溝１０８Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピーク位置をＰＳ２とする。ここで、位置ＰＳ１及びＰＳ２について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の積層方向における位置の座標を示すグラフである。図４に示されるように、活性層１０５のウェル層１０５ｂのＮ側の端面、つまり、ウェル層１０５ｂのＮ型クラッド層１０２に近い方の端面の積層方向における位置の座標をゼロとし、下方（Ｎ型クラッド層１０２に向かう向き）を座標の負の向きとし、上方（Ｐ型クラッド層１０８に向かう向き）を座標の正の向きとする。また、位置ＰＳ１と位置ＰＳ２との差の絶対値をピーク位置の差ΔＰとする。
　ここで、本実施の形態に係るリッジ１０８Ｒに対応する位置での積層方向における光強度分布について、比較例と比較しながら図５～図７を用いて説明する。図５及び図６は、それぞれ、比較例１及び本実施の形態に係る半導体積層体の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。図７は、本実施の形態の変形例に係る半導体積層体のバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。
　図５に示される比較例１に係る半導体積層体は、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層９９３と、活性層９９５と、Ｐ側ガイド層９９６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８とを有する。比較例１に係る半導体積層体は、Ｎ側ガイド層９９３、活性層９９５、及びＰ側ガイド層９９６の構成において、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓと相違する。比較例１に係る半導体積層体では、Ｎ側ガイド層９９３とＰ側ガイド層９９６との、バンドギャップエネルギー（つまり、屈折率）及び膜厚が等しい。また、活性層９９５は、バリア層９９５ａ及び９９５ｃと、ウェル層９９５ｂとを有する。比較例１に係る各ガイド層は、バリア層９９５ａ及び９９５ｃよりバンドギャップエネルギーが大きい。つまり、比較例１に係る各ガイド層は、バリア層９９５ａ及び９９５ｃより屈折率が小さい。
　比較例１及び本実施の形態に係る半導体積層体において、紫外光を出射するために、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＮからなる各クラッド層を用いる必要がある。これに伴い、ＧａＮからなる基板１０１に対するＡｌＧａＮからなる各クラッド層の引っ張り歪が大きくなり、窒化物系半導体発光素子の製造時に、基板１０１の母材が割れやすくなる。このような母材の割れを抑制するために、各クラッド層の膜厚を小さくすることで引っ張り歪を抑制している。また、Ａｌ組成比が高いＰ型ＡｌＧａＮからなるＰ型クラッド層１０８は電気抵抗が高くなるため、Ｎ型クラッド層１０２より膜厚をさらに薄く、かつ、不純物濃度を高く設定される。このようなＰ型クラッド層１０８は、Ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きくなる。
　また、活性層及び各ガイド層においては、光を導くために、屈折率が大きい層を用いることが求められるが、活性層において紫外光を生成する場合、屈折率が大きいＩｎＧａＮ層では、紫外光が吸収されるため、各ガイド層及び各バリア層では、ＩｎＧａＮ層を用いることができない。このため、各ガイド層及び各バリア層には、ＡｌＧａＮ層が用いられ、ウェル層だけにＩｎＧａＮ層が用いられる。このため、比較例１に係る半導体積層体においては、図５に破線のグラフで示されるように、活性層９９５から屈折率が大きいＰ型クラッド層１０８に近づく向きに光強度分布のピーク位置が偏る。
　これに対して、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓでは、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーより大きい。すなわち、バリア層１０５ａ及び１０５ｃが、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなり、Ｎ側第２ガイド層１０４は、ＡｌＸｎ２Ｇａ１－Ｘｎ２Ｎ（０≦Ｘｎ２≦１）からなる場合、ｂ＞Ｘｎ２である。また、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーより小さく、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーは、Ｎ型クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーより小さい。すなわち、Ｎ側第１ガイド層１０３がＡｌＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎ（０≦Ｘｎ１≦１）、Ｎ型クラッド層１０２がＡｌＸｎｃＧａ１－ＸｎｃＮ（０≦Ｘｎｃ≦１）からなる場合、Ｘｎ２＜Ｘｎ１、Ｘｎ１＜Ｘｎｃである。このように、本実施の形態では、バリア層１０５ａに近い方のガイド層であるＮ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、バリア層１０５ａのバンドギャップエネルギーより小さい。つまり、Ｎ側第２ガイド層１０４の屈折率が、バリア層１０５ａの屈折率より大きい。また、Ｎ側第１ガイド層１０３より活性層１０５に近いＮ側第２ガイド層１０４の屈折率がＮ側第１ガイド層１０３の屈折率より大きい。半導体積層体１００Ｓがこのような屈折率分布を有することにより、比較例１に係る半導体積層体と比較して、光強度分布をＮ側第２ガイド層１０４に近づく向きにシフトさせることができる。このようなＮ側第２ガイド層１０４により、図６に示されるように、比較例１に係る半導体積層体と比較して、光強度分布のピーク位置を活性層１０５に近づけることが可能となる。さらに、活性層１０５には不純物がドープされていないため、光強度分布のピーク位置を活性層１０５近傍領域へ位置させることで不純物による光吸収に起因する導波路損失を低減することができる。
　また、Ｎ側第１ガイド層１０３とＮ側第２ガイド層１０４とをまとめて一つのＮ側ガイド層と称してもよい。この場合、Ｎ側ガイド層の下方の端部におけるバンドギャップエネルギー（つまり、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギー）は、上方の端部におけるバンドギャップエネルギー（つまり、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギー）より大きい。また、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい。これにより、上述のとおり、比較例１に係る半導体積層体と比較して、光強度分布のピーク位置を活性層１０５に近づけることが可能となる。また、上述のとおり、各クラッド層の膜厚を薄くすることができるため、基板１０１の母材の割れを抑制することも可能となる。
　また、Ｎ側第１ガイド層１０３のＡｌ組成比をＸｎ１と表し、Ｎ側第２ガイド層１０４のＡｌ組成比をＸｎ２と表すと、
　Ｘｎ１＞Ｘｎ２
の関係が成り立つ。つまり、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーより小さい。したがって、上述したとおり、比較例１に係る半導体積層体と比較して、光強度分布のピーク位置をより確実に活性層１０５に近づけることが可能となる。
　また、図７に示される本実施の形態の変形例に係る半導体積層体においては、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚が、Ｎ側第１ガイド層１０３の膜厚より厚い点において、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓと相違し、その他の点において一致する。
　このように、屈折率がＮ側第１ガイド層１０３よりも大きいＮ側第２ガイド層１０４の膜厚をＮ側第１ガイド層１０３の膜厚よりも厚くすることで、積層方向における光強度分布のピーク位置がＮ型クラッド層１０２側へ拡がりやすくなる。したがって、光強度分布のピーク位置を活性層１０５近傍領域に位置させる制御性を高めることができる。その結果、当該ピーク位置が活性層１０５からＰ側第１ガイド層１０６へ向かう向きに偏り過ぎることを抑制することができる。
　次に、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓのリッジ１０８Ｒの下方の部分の水平方向中央での積層方向における光強度分布のピーク位置ＰＳ１と、溝１０８Ｔの下方の部分での積層方向における光強度分布のピーク位置ＰＳ２とについて、比較例２に係る半導体積層体と比較しながら図８及び図９を用いて説明する。図８及び図９は、比較例２及び本実施の形態に係る半導体積層体の屈折率分布と光強度分布とを示すグラフである。比較例２に係る半導体積層体は、Ｎ側第２ガイド層９０４のＡｌ組成比が、Ｎ側第１ガイド層１０３及びＰ側第１ガイド層１０６と同じく０．０３である点において、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓと相違し、その他の点において一致する。
　図８に示されるように、比較例２に係る半導体積層体のＮ側第１ガイド層１０３及びＮ側第２ガイド層９０４と、Ｐ側第１ガイド層１０６とは、Ａｌ組成比は同じであるが、不純物濃度が異なる。このため、Ｐ側第１ガイド層１０６の方が、Ｎ側第１ガイド層１０３及びＮ側第２ガイド層９０４より、屈折率が大きくなる。したがって、光強度分布のピーク位置ＰＳ１及びＰＳ２は、活性層からＰ側ガイド層へ向かう向きに偏る。具体的には、ピーク位置ＰＳ１は、９６．３ｎｍであり、ピーク位置の差ΔＰは、３３．４ｎｍである。
　一方、本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓにおいては、Ｎ側第２ガイド層１０４の屈折率がＮ側第１ガイド層１０３の屈折率より大きいため、比較例２に係る半導体積層体の場合より、光強度分布のピーク位置ＰＳ１及びＰＳ２が活性層１０５に近づく。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高められ、導波路損失を低減できる。また、ピーク位置ＰＳ１及びＰＳ２とも、活性層１０５に近づけられ、かつ、位置ＰＳ１と位置ＰＳ２との差の絶対値も小さくなる。具体的には、ピーク位置ＰＳ１は、７７．１ｎｍであり、ピーク位置の差ΔＰは、３２．０ｎｍである。
　本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、出射光の水平方向（つまり、Ｘ軸方向）における拡がり角を低減するために、リッジ１０８Ｒの下方の部分と、溝１０８Ｔの下方の部分との間の実効屈折率差ΔＮが比較的小さくなるように設定されている。具体的には、実効屈折率差ΔＮは、電流ブロック層１１０と活性層１０５との間の距離ｄｐ（図２Ａ参照）を調整することによって設定される。ここで、距離ｄｐを大きくするほど実効屈折率差ΔＮは小さくなる。本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮは、７．４×１０－３程度である。したがって、本実施の形態では、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３より大きい場合より、リッジ１０８Ｒによって形成される導波路を伝搬可能な高次モード（つまり、高次横モード）の個数が少ない。ΔＮが小さくなると導波路を伝搬する高次モードの数が少なくなるため窒化物系半導体発光素子１００の出射光に含まれるすべての横モードのうち、各高次モードが占める割合が大きくなる。したがって、モード数の増減、及び、モード間結合に起因する活性層１０５への光閉じ込め係数の変化量の影響が比較的大きくなる。ここで、基本モードを０次モードとしている。このため、窒化物系半導体発光素子１００においてモード数の増減、及び、モード間結合が発生する場合、供給される電流に対する光出力の特性（いわゆるＩＬ特性）の線形性が低下する。言い換えると、ＩＬ特性を示すグラフにおいて、直線状でない部分（いわゆる、キンク）が生じる。これに伴い、窒化物系半導体発光素子１００の光出力の安定性が低下し得る。
　上述したような光出力の安定性の低下について、以下で説明する。導波路を伝搬する光分布はレーザ端面の法線方向からみるとリッジ１０８Ｒの内部及び外部の領域に２次元的に分布している。次数の高い高次モードほど実効屈折率が低くなるため、光分布はリッジ１０８Ｒの外部の領域にある溝１０８Ｔに拡がり易くなり、電流ブロック層１１０の影響を受けやすくなる。電流ブロック層１１０は、リッジ１０８Ｒに光を横方向に閉じ込めるために、Ｐ型クラッド層１０８より屈折率が低い材料で構成される。このため、リッジ１０８Ｒの外の領域にある溝１０８Ｔでの積層方向光分布のピーク位置ＰＳ２は、電流ブロック層１１０の影響を受けて、リッジ１０８Ｒでの積層方向光分布のピーク位置ＰＳ１に対し積層方向に基板１０１向きの偏りが大きくなりやすい。
　導波路において導波可能な最大次数の導波モードが受ける水平方向の光閉じ込め作用が弱いため、当該導波モードはリッジ１０８Ｒの外の領域にある溝１０８Ｔへ大きく拡がりやすい。このため、当該導波モードの溝１０８Ｔにおける積層方向ピーク位置は、他の導波モード光に対し、最も基板１０１寄りとなり、積層方向光分布のピーク位置の水平方向に対する平均値は、溝１０８Ｔにおける積層方向ピーク位置で近似されるようになる。
　したがって、導波可能最高次数の高次モードと、それより次数の低いモード、例えば基本モードとの間でモード同士の光分布が結合した場合、あるいは、駆動電流の増大に伴って導波可能な最高次横モードの次数が増加した場合、光分布の２次元的な変形が大きくなりやすい。このような光分布の変形に伴い、活性層１０５への光閉じ込め係数が変動するため、光出力の安定性の低下が生じやすい。
　本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、出射光の水平拡がり角を小さくするために実効屈折率差ΔＮを小さくしているため、導波可能な高次モード数が低減されている。このように、導波可能な高次モード数が低減されている場合に、上記光閉じ込め係数の変動が大きくなるため、光出力の安定性の低下を招き、キンクが生じやすくなる。
　本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、上述したとおりの構成を有するＮ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、Ｐ側第１ガイド層１０６とを備えるため、リッジ１０８Ｒの下方の部分、及び、溝１０８Ｔの下方の部分の両方において、光強度分布のピークを活性層１０５に近づけることができ、かつ、光強度分布のピークの位置ＰＳ１と位置ＰＳ２との差ΔＰを小さくすることができる。これにより、仮にモード数の増減、及び、モード間結合が発生した場合においても、リッジ１０８Ｒ及び溝１０８Ｔの両方の下方の部分における光強度分布を足し合わせた光強度分布のピークの積層方向における位置の変動が抑制される。したがって、光出力の安定性を高めることができる。
　なお、上述したように、実効屈折率差ΔＮを比較的小さい値に設定するために、距離ｄｐは比較的大きい値に設定される。距離ｄｐが設定される際に、リッジ１０８Ｒの下端部（つまり、溝１０８Ｔの底部）が電子障壁層１０７より下方に位置するように設定すると、電子障壁層１０７はバンドギャップエネルギーが大きいため、コンタクト層１０９から注入された正孔は、電子障壁層１０７を通過する場合にリッジ１０８Ｒの側壁からリッジ１０８Ｒの外側へ漏れやすくなる。その結果、正孔は溝１０８Ｔの下方に流れる。これに伴い、溝１０８Ｔの下方の活性層１０５では光分布強度が小さいため活性層１０５に注入された電子と正孔との発光再結合確率が低下し、非発光再結合が増大する。これに伴い窒化物系半導体発光素子１００が劣化しやすくなる。このため、リッジ１０８Ｒの下端部は、電子障壁層１０７より上方に位置するように設定される。また、リッジ１０８Ｒの下端部から電子障壁層１０７までの距離ｄｃ（図２Ａ参照）が大きくなり過ぎると、正孔がリッジ１０８Ｒから、溝１０８Ｔと電子障壁層１０７との間に流れ込み、漏れ電流となる。このような漏れ電流が増大することを抑制するために、距離ｄｃは可能な限り小さい値に設定される。ｄｃは７０ｎｍ以下であれば良い。ｄｃが４５ｎｍ以下であればｄｃの変動による発振しきい値の変化をさらに低減することができる。
　［１－３．各ガイド層のＡｌ組成比］
　次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ側第１ガイド層１０３、Ｎ側第２ガイド層１０４、及びＰ側第１ガイド層１０６の各Ａｌ組成比について、図１０を用いて説明する。図１０は、各ガイド層のＡｌ組成比の構成と、窒化物系半導体発光素子の特性との関係を示す表である。図１０には、比較例と、構成例１～構成例８との９通りのＡｌ組成比構成と、シミュレーションによって求められた窒化物系半導体発光素子の特性との関係が示されている。なお、ウェル厚規格化光閉じ込め係数とは、光閉じ込め係数をウェル層の膜厚Ｔｗで割った値である。
　比較例に係る各ガイド層のＡｌ組成比は、いずれも０．０３（つまり３％）である。構成例１～構成例８においては、それぞれ異なるＡｌ組成比の組み合わせを有する。Ａｌ組成比は、０．０２（つまり２％）、０．０３（つまり３％）、及び０．０４（つまり４％）から選択されている。また、図１０には、ウェル層の膜厚（図１０のウェル厚Ｔｗ）が、７．５ｎｍ、１２．５ｎｍ、及び１７．５ｎｍの三つ場合の各々の特性が示されている。
　構成例１～３に示されるように、Ｎ側第２ガイド層のＡｌ組成比Ｘｎ２が、Ｎ側第１ガイド層のＡｌ組成比Ｘｎ１より小さい場合に、つまり、Ｎ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーが、Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより小さい場合に、光閉じ込め係数、導波路損失、ピーク位置ＰＳ１、及びピーク位置の差ΔＰが、いずれも、比較例より、改善されている。したがって、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のように、Ｎ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、Ｎ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーより小さいとよい。
　また、図１０に示されるように、ウェル層の膜厚Ｔｗが大きくなるにしたがって、光閉じ込め係数、導波路損失、ピーク位置ＰＳ１、及びピーク位置の差ΔＰが改善される。これは、屈折率が大きいウェル層の膜厚を厚くすることで、積層方向における光強度分布がウェル層に近づくことに起因する。例えば、ウェル層の膜厚Ｔｗは、１０ｎｍ以上であってもよい。また、ウェル層の膜厚Ｔｗは、量子井戸活性層を実現するために、２０ｎｍ以下であってもよい。
　［１－４．バリア層のバンドギャップエネルギー］
　次に、本実施の形態に係るバリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーについて、図１１～図１３を用いて説明する。図１１及び図１２は、それぞれ、各バリア層のＡｌ組成比が０．０２及び０．０５の場合の活性層１０５近傍の伝導帯ポテンシャルエネルギーの分布と、電子の波動関数との関係を示すグラフである。各図のグラフの横軸は所定の位置から距離を示し、縦軸は電位を示す。各図のグラフにおいて、実線は、各層の伝導帯の電位を示し、破線は、電子の量子化エネルギー準位を示し、一点鎖線は、電子の波動関数を示す。図１３は、各バリア層のＡｌ組成比と、バンドオフセットΔＥｃとの関係を示すグラフである。
　上述したとおり、活性層１０５に隣接するＮ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが小さいため、Ｎ側第２ガイド層１０４による電子のウェル層１０５ｂへの閉じ込め効果は小さい。このため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００では、バリア層１０５ａ及び１０５ｃを大きくすることで、バンドオフセットΔＥｃを大きくする。例えば、図１１に示されるように、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのＡｌ組成比が、Ｎ側第２ガイド層１０４のＡｌ組成比と同じく０．０２の場合には、バンドオフセットΔＥｃは、３１ｍｅＶとなり、特に高出力動作時に電子のバリア層１０５ｃから漏れを十分に抑制できない。つまり、電子のウェル層１０５ｂへの閉じ込め効果が小さい。そこで、本実施の形態では、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのＡｌ組成比を０．０５とすることで、図１２に示されるように、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーをＮ側第２ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーより大きくしている。これにより、バンドオフセットΔＥｃを８０．２ｍｅＶとすることができる。したがって、電子のウェル層１０５ｂへの閉じ込め効果を高めることができる。なお、図１３に示されるように、各バリア層のＡｌ組成比が大きくなるにしたがって、バンドオフセットΔＥｃが大きくなる。
　また、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーをＮ側第１ガイド層１０３のバンドギャップエネルギーより大きくしてもよい。これにより、電子のウェル層１０５ｂからの漏れをより一層低減できる。また、ウェル層１０５ｂ内に形成される電子と正孔との基底量子準位間のエネルギー差を大きくすることができるため、活性層１０５において、波長３７５ｎｍ帯のような短波長帯の光を容易に生成できる。
　例えば、バリア層１０５ａ及び１０５ｃがＡｌＧａＮからなり、ウェル層１０５ｂがＩｎ組成比１％、膜厚７．５ｎｍのＩｎＧａＮ層である場合、図１３に示されるように、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのＡｌ組成比を０．０４以上とすることで、バンドオフセットΔＥｃを８０ｍｅＶ以上とすることができる。これにより、電子のウェル層１０５ｂからの漏れを抑制できる。また、ウェル層１０５ｂがＩｎ組成比１％、膜厚７．５ｎｍのＩｎＧａＮ層である場合、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのＡｌ組成比を０．０５以上とすることで、バンドオフセットΔＥｃを１６７ｍｅＶ以上とすることができる。
　また、ウェル層１０５ｂの膜厚を厚くすることで、電子の量子準位とウェル層１０５ｂの伝導帯ポテンシャルエネルギーとの差は小さくなるため、さらにバンドオフセットΔＥｃをさらに増大させることができる。
　［１－５．各クラッド層のＡｌ組成比及び膜厚］
　次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の各クラッド層のＡｌ組成比及び膜厚について説明する。
　［１－５－１．導波路損失及び光閉じ込め係数］
　まず、窒化物系半導体発光素子１００の各クラッド層のＡｌ組成比及び膜厚と、導波路損失及び光閉じ込め係数との関係について、図１４及び図１５を用いて説明する。図１４及び図１５は、それぞれ、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００のＮ型クラッド層１０２の膜厚と、導波路損失及び光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。なお、図１４及び図１５に示されるグラフは、シミュレーションによって求められたグラフである。本シミュレーションでは、Ｎ型クラッド層１０２及びＰ型クラッド層１０８のＡｌ組成比を共に同一のＡｌ組成比Ｘｃとし、Ａｌ組成比Ｘｃと、Ｎ型クラッド層１０２の膜厚とを変化させた場合の、導波路損失及び光閉じ込め係数を計算している。図１４及び図１５には、それぞれ、Ａｌ組成比Ｘｃが、０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、及び０．０９である各場合の導波路損失及び光閉じ込め係数が示されている。なお、本シミュレーションで計算した窒化物系半導体発光素子１００においては、基板１０１とＮ型クラッド層１０２との間にバッファ層が設けられている。バッファ層は、基板１０１上に順に積層される膜厚１０００ｎｍのＮ型Ａｌ０．００７Ｇａ０．９９３Ｎ層と、膜厚１５０ｎｍのＮ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層とを含む。バッファ層には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　図１４に示されるように、Ｎ型クラッド層１０２の膜厚が０．５μｍ未満の場合には、導波路損失が増大する傾向がみられる。これは、Ｎ型クラッド層１０２の外側（基板１０１及びバッファ層）に光が漏れ、漏れた光が吸収されたり、基板モードとなって基板内を伝搬したりすることに起因すると考えられる。Ｎ型クラッド層１０２の膜厚を０．５μｍ以上とすることで、このような導波路損失を低減できる。また、Ａｌ組成比が大きくなるにしたがって、各クラッド層の屈折率が小さくなり、図１５に示されるように光閉じ込め係数が増大するため、導波路損失が低下する。特に、Ａｌ組成比を０．０６以上とすることで、Ａｌの組成比が０．０５の場合と比較して、導波路損失を大幅に低減できる。また、Ａｌ組成比を０．０８より大きくしても、Ａｌ組成比を０．０８の場合の導波路損失と比較して、導波路損失の低減量は少ない。一方、Ａｌ組成比を大きくすると、半導体積層体１００Ｓの基板１０１に対する引っ張り歪が増大する。このような引っ張り歪が増大することを抑制するために、Ａｌ組成比を０．０８としてもよい。
　［１－５－２．反り量］
　次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の歪に起因する反り量について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施の形態に係る基板１０１の母材１０１Ｍに半導体積層体１００Ｓを積層した場合に生じる母材１０１Ｍ及び半導体積層体１００Ｓの反りを示す模式的な側面図である。図１６に示される基板１０１の母材１０１Ｍは、例えば、直径２インチのＧａＮ基板である。図１６に示されるように、母材１０１Ｍに半導体積層体１００Ｓを積層する（つまり、結晶成長させる）と、半導体積層体１００Ｓ内のＡｌＧａＮ層によって生じる母材１０１Ｍに対する引っ張り性の歪により、母材１０１Ｍ及び半導体積層体１００Ｓに反りが生じる。本実施の形態では、ＡｌＧａＮ層によって生じる母材１０１Ｍに対する引っ張り性の歪により、半導体積層体１００Ｓの上面が凹状となる向きの反りが生じる。
　ここで、母材１０１Ｍ及び半導体積層体１００Ｓの反り量について、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施の形態に係る基板１０１の母材１０１Ｍに半導体積層体１００Ｓを積層した場合に生じる母材１０１Ｍ及び半導体積層体１００Ｓの反り量を示すグラフである。図１７の横軸は、半導体積層体１００Ｓに含まれるＡｌＸｃＧａ１－ＸｃＮからなるＮ型クラッド層１０２及びＰ型クラッド層１０８の合計厚を示し、縦軸は、反り量を示す。ここで、図１６に示されるように、半導体積層体１００Ｓの上面が凹状になる場合の反り量（つまり、図１６において矢印で示される凹部の深さ）は、負の数値で表される。一方、半導体積層体１００Ｓの上面が凸状になる場合の反り量（つまり、凸部の高さ）は、正の数値で表される。
　図１７には、上述した窒化物系半導体発光素子１００において、Ｎ型クラッド層１０２の膜厚を変化させた場合の反り量のシミュレーション結果が実線で示されている。また、図１７には、Ｎ型クラッド層１０２及びＰ型クラッド層１０８のＡｌ組成比Ｘｃが、０．０５、０．０６、０．０７、及び０．０８である各場合の反り量が示されている。また、シミュレーションにおいては、母材１０１Ｍとして、直径２インチの円板状のＧａＮ基板が用いられている。
　なお、図１７においては、歪及び反り量を低減するために母材１０１ＭとＮ型クラッド層１０２との間にバッファ層を設けた場合の反り量についても併せて破線で示されている。バッファ層は、母材１０１Ｍ上に順に積層される膜厚３００ｎｍのＮ型Ａｌ０．００７Ｇａ０．９９３Ｎ層と、膜厚１５０ｎｍのＮ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層とを含む。バッファ層には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　図１７に示されるように、各クラッド層におけるＡｌ組成比が大きくなるにしたがって、また、各クラッド層の合計膜厚が大きくなるにしたがって、反り量の絶対値が大きくなる。これは、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比が大きいほど、また、膜厚が大きいほど、ＧａＮからなる母材１０１Ｍに対する引っ張り歪が大きくなることに起因する。
　母材１０１Ｍとして直径２インチのＧａＮ基板を用いる場合には、反り量の絶対値が８００μｍを超えると、母材１０１Ｍの割れが発生するリスクが高くなる。そこで、母材１０１Ｍの反り量の絶対値を７００μｍ以下とするには、例えば、Ａｌ組成比Ｘｃが０．０６以上０．０７以下の場合、クラッド層の合計膜厚は、１．１μｍ以下とすればよい。また、図１４及び図１５に基づいて上述したとおり、Ｎ型クラッド層１０２の膜厚を０．５μｍ以上、つまり、膜厚４５０ｎｍ（つまり、０．４５μｍ）のＰ型クラッド層１０８とＮ型クラッド層１０２との合計膜厚を０．９５μｍ以上とすることで、導波路損失を抑制し、かつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。したがって、Ａｌ組成比Ｘｃを、０．０６以上、０．０７以下とし、かつ、クラッド層の合計膜厚を０．９５μｍ以上、１．１μｍ以下とすることで、母材１０１Ｍの割れを抑制しつつ、低損失で光閉じ込め係数の大きい導波路を実現できる。さらに、クラッド層の合計膜厚を１．０μｍ以下とすることで、母材１０１Ｍの反り量の絶対値をさらに低減できるため、母材１０１Ｍの割れをより確実に抑制できる。
　また、図１７において破線で示されるように、母材１０１ＭとＮ型クラッド層１０２との間にバッファ層を設けることで、反り量の絶対値を低減できる。したがって、バッファ層を設ける場合には、母材１０１Ｍの割れを抑制しつつ、クラッド層の合計膜厚をより大きく、Ａｌ組成比をより大きくすることが可能となる。
　［１－６．各ガイド層の膜厚］
　次に、Ｎ側第１ガイド層１０３、Ｎ側第２ガイド層１０４、及びＰ側第１ガイド層１０６の膜厚と、導波路損失との関係について、図１８～図２０を用いて説明する。図１８～図２０は、それぞれ、本実施の形態に係る各ガイド層と、シミュレーションによって求められた導波路損失との関係を示すグラフである。図１８～図２０の横軸はＰ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１を表し、縦軸は導波路損失を表す。図１８～図２０の各々には、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２を、５０ｎｍから２００ｎｍまで３０ｎｍずつ変化させた各場合のグラフが示されている。また、Ｎ側第１ガイド層１０３の膜厚Ｔｎ１は１００ｎｍである。図１８、図１９、及び図２０には、それぞれ、Ｐ側第１ガイド層１０６のＡｌ組成比Ｘｐ１が０．０２、０．０３、及び０．０４である場合の関係が示されている。
　図１８～図２０に示されるように、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２が厚くなるにしたがって、導波路損失を低減できる。これは、上述したように、Ｎ型クラッド層１０２及びＮ側第１ガイド層１０３より屈折率が大きいＮ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２が大きくなることで、積層方向における光強度分布のピーク位置をＰ型クラッド層１０８から活性層１０５に近づく向きにシフトさせることができるためである。また、活性層１０５には、不純物がドープされていないため、光強度分布のピーク位置が活性層に近づくことで、不純物に起因する導波路損失を低減できる。
　また、図１８～図２０に示されるように、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２が、Ｎ側第１ガイド層１０３の膜厚Ｔｎ１（＝１００ｎｍ）より厚い場合に、導波路損失をより一層低減できる。
　Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が薄い場合には、導波路損失が増大する傾向にある。したがって、導波路損失を低減するために、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１は、６５ｎｍ以上であってもよい。また、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２が１５０ｎｍ以上である場合には、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１の導波路損失への影響が小さくなる。つまり、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２が１５０ｎｍ以上である場合には、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が変化しても、導波路損失はほぼ一定である。したがって、Ｐ側第１ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１の自由度を高めるために、Ｎ側第２ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ２は、１５０ｎｍ以上であってもよい。
　（実施の形態２）
　実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、ウェル層の構成において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図２１Ａ～図２２を用いて説明する。
　図２１Ａは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２１Ｂは、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００が備える活性層２０５の構成を示す模式的な断面図である。図２２は、本実施の形態に係る半導体積層体２００Ｓの積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布と、光強度分布とを模式的に示すグラフである。
　図２１Ａに示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、基板１０１と、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体２００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層２０５と、Ｐ側第１ガイド層２０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　本実施の形態に係る活性層２０５は、図２１Ｂに示されるように、ウェル層２０５ｂと、バリア層１０５ａ、及び１０５ｃとを有する。本実施の形態に係るウェル層２０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。このように、本実施の形態では、ウェル層２０５ｂの膜厚は、１０ｎｍ以上である。このように屈折率が大きいウェル層２０５ｂの膜厚を厚くすることで、積層方向における光強度分布をウェル層２０５ｂに近づけることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子２００の光閉じ込め係数、導波路損失、ピーク位置ＰＳ１、及びピーク位置の差ΔＰをより一層改善できる。
　本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層２０６は、膜厚２００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。Ｐ側第１ガイド層２０６には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。このように本実施の形態では、Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５ＮからなるＰ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーより大きい。また、Ｐ側第１ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーは、Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７ＮからなるＮ側第１ガイド層１０３、及び、Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８ＮからなるＮ側第２ガイド層１０４を含むＮ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい。つまり、Ｐ側第１ガイド層２０６の屈折率は、Ｎ側ガイド層の平均屈折率より小さい。これにより、光強度分布のピーク位置をＰ側第１ガイド層２０６から、Ｎ側ガイド層へ向かう向きに（つまり、下方に）シフトさせることができる。したがって、本実施の形態では、図２２に示されるように、実施の形態１において述べた比較例１より、光強度分布のピーク位置を活性層２０５に近づけることが可能となる。
　また、本実施の形態において、Ｎ型クラッド層１０２は、ＡｌＸｎｃＧａ１－ＸｎｃＮからなり、Ｎ側ガイド層は、ＡｌＧａＮからなり、バリア層１０５ａ及び１０５ｃは、ＡｌｂＧａ１－ｂＮからなり、Ｐ側第１ガイド層２０６は、ＡｌＧａＮからなり、電子障壁層１０７は、ＡｌＸｄＧａ１－ＸｄＮからなり、Ｐ型クラッド層１０８は、ＡｌＸｐｃＧａ１－ＸｐｃＮからなり、Ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比をＸｎとし、Ｐ側第１ガイド層２０６の平均Ａｌ組成比をＸｐ１とすると、
　ｂ＞Ｘｎ、Ｘｐ１≧Ｘｇ３、Ｘｎｃ＞Ｘｎ、Ｘｐｃ＞Ｘｐ１
の関係が成り立つ。このように、ｂ＞Ｘｎが成り立つことから、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きい。つまり、バリア層１０５ａ及び１０５ｃの屈折率は、Ｎ側ガイド層の屈折率より小さい。これにより、光強度分布のピーク位置をバリア層１０５ａ及び１０５ｃから、Ｎ側ガイド層へ向かう向きに（つまり、下方に）シフトさせることができる。したがって、実施の形態１において述べた比較例１より、光強度分布のピーク位置を活性層２０５に近づけることが可能となる。
　本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが４．３×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が８．９ｎｍであり、ΔＰが４．２ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が５．２％であり、導波路損失が３．７ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子２００を実現できる。
　（実施の形態３）
　実施の形態３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、正孔障壁層を備える点において、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００との相違点を中心に図２３を用いて説明する。
　図２３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２３に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００は、基板１０１と、半導体積層体３００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体３００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、正孔障壁層３１３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層２０５と、Ｐ側第１ガイド層２０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　正孔障壁層３１３は、Ｎ型クラッド層１０２と、活性層２０５との間に配置され、正孔が活性層２０５からＮ型クラッド層１０２へ漏れることを抑制する窒化物系半導体層である。本実施の形態では、正孔障壁層３１３は、Ｎ側第１ガイド層１０３とＮ側第２ガイド層１０４との間に配置される。正孔障壁層３１３は、膜厚４ｎｍのＮ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層である。正孔障壁層３１３には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。このように、窒化物系半導体発光素子３００は、Ｎ型クラッド層１０２、並びに、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する正孔障壁層３１３を備える。これにより、動作電圧の増大を抑制しつつ、正孔の活性層２０５付近への閉じ込め効果を向上させることができる。正孔障壁層３１３には不純物を５×１０１７ｃｍ－３以上ドーピングしてもよい。これにより、正孔障壁層３１３における電子の伝導性を高められる。正孔障壁層３１３の膜厚は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。このように、正孔障壁層３１３の膜厚を薄くすることで、正孔障壁層３１３の光強度分布への影響を低減できるため、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子３００においても、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と同様の効果が奏される。
　本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが４．９×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が１０．８ｎｍであり、ΔＰが４．３ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が５．２％であり、導波路損失が５．２ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子３００を実現できる。
　（実施の形態４）
　実施の形態４に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｐ側第２ガイド層を備える点において、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００との相違点を中心に図２４を用いて説明する。
　図２４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２４に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子４００は、基板１０１と、半導体積層体４００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体４００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層２０５と、Ｐ側第１ガイド層４０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ側第２ガイド層４１４と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　Ｐ側第２ガイド層４１４は、Ｐ側第１ガイド層４０６と、Ｐ型クラッド層１０８との間に配置される光ガイド層である。本実施の形態では、Ｐ側第２ガイド層４１４は、電子障壁層１０７とＰ型クラッド層１０８との間に配置される。Ｐ側第２ガイド層４１４は、膜厚５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。Ｐ側第２ガイド層４１４には、不純物として濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　また、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層４０６は、膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。Ｐ側第１ガイド層４０６には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。つまり、本実施の形態では、Ｐ側第１ガイド層４０６の膜厚が、実施の形態２に係るＰ側第１ガイド層２０６の膜厚より、５０ｎｍだけ薄い。このように、窒化物系半導体発光素子４００がＰ側第２ガイド層４１４を備える場合、Ｐ側第１ガイド層４０６の膜厚を、Ｐ側第２ガイド層４１４の膜厚分だけ薄くしてもよい。
　このように、本実施の形態では、窒化物系半導体発光素子４００は、電子障壁層１０７とＰ型クラッド層１０８との間に配置されるＰ側第２ガイド層４１４を備え、Ｐ側第１ガイド層４０６の膜厚が、実施の形態２に係るＰ側第１ガイド層２０６の膜厚より、Ｐ側第２ガイド層４１４の膜厚分だけ薄い。言い換えると、本実施の形態では、電子障壁層１０７は、Ｐ側第２ガイド層４１４の膜厚分だけ、実施の形態２に係る電子障壁層１０７より活性層２０５のウェル層２０５ｂに近い位置に配置される。このように、電子障壁層１０７をウェル層２０５ｂに近い位置に配置することで、電子障壁層１０７による活性層２０５からＰ型クラッド層１０８へ漏れる電流を、より一層抑制できる。
　本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が９．１ｎｍであり、ΔＰが６．９ｎｍであり、活性層２０５への光閉じ込め係数が５．４％であり、導波路損失が４．５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子４００を実現できる。
　（実施の形態５）
　実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、バッファ層を備える点において、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００との相違点を中心に図２５を用いて説明する。
　図２５は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２５に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子５００は、基板１０１と、半導体積層体５００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体５００Ｓは、第１バッファ層５２１と、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　第１バッファ層５２１は、基板１０１とＮ型クラッド層１０２との間に配置され、Ｉｎを含むバッファ層である。本実施の形態では、第１バッファ層５２１は、膜厚１５０ｎｍのＮ型Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。第１バッファ層５２１には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。このように、基板１０１に対して圧縮性の歪を有するＩｎＧａＮからなる第１バッファ層５２１をＧａＮからなる基板１０１とＮ型クラッド層１０２との間に配置すると半導体積層体５００Ｓ全体の引っ張り性の歪量が小さくなる。このため実施の形態１において述べた基板１０１の母材１０１Ｍの凹状の反りを低減できる。つまり、母材１０１Ｍの平坦性を高めることができる。したがって、母材１０１Ｍの割れを抑制できる。
　本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が９６．０ｎｍであり、ΔＰが－２６．３ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．６９％であり、導波路損失が４．６５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子５００を実現できる。
　（実施の形態５の変形例１）
　実施の形態５の変形例１に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、第２バッファ層をさらに備える点において、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００と相違する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００との相違点を中心に図２６を用いて説明する。
　図２６は、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ａの全体構成を示す模式的な断面図である。図２６に示されるように、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ａは、基板１０１と、半導体積層体５００ＡＳと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体５００ＡＳは、第１バッファ層５２１と、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂと、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂは、第１バッファ層５２１の少なくとも一方の主面に配置され、ＧａＮからなるバッファ層である。本変形例では、第２バッファ層５２２ａは、第１バッファ層５２１の基板１０１と対向する主面（つまり、下方の主面）に配置され、第２バッファ層５２２ｂは、第１バッファ層５２１のＮ型クラッド層１０２と対向する主面（つまり、上方の主面）に配置される。つまり、基板１０１に、第２バッファ層５２２ａ、第１バッファ層５２１、第２バッファ層５２２ｂ、及びＮ型クラッド層１０２が順次積層される。本変形例では、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂは、膜厚１０ｎｍのＮ型ＧａＮ層である。第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂには、それぞれ、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３及び１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　このように、ＧａＮからなる第２バッファ層５２２ａを基板１０１の上方に積層した後に、圧縮性の歪を有するＩｎＧａＮからなる第１バッファ層５２１を積層することで、第１バッファ層５２１の下方の主面（つまり、第２バッファ層５２２ａとの界面）での格子欠陥の発生を抑制することができる。また、第１バッファ層５２１とＮ型クラッド層１０２との間に第２バッファ層５２２ｂを積層することで、第１バッファ層５２１とＮ型クラッド層１０２との間で生じる圧縮性の応力と引っ張り性の応力との差を低減することができる。これにより、第１バッファ層５２１とＮ型クラッド層１０２との間で生じるせん断応力を低減できる。したがって、基板１０１の母材１０１Ｍ上に半導体積層体５００ＡＳを結晶成長した後の加工工程において、窒化物系半導体発光素子５００Ａにクラックが生じることを低減できる。
　本変形例によっても、実施の形態５と同様に、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が９６．０ｎｍであり、ΔＰが－２６．３ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．６９％であり、導波路損失が４．６５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子５００Ａを実現できる。
　（実施の形態５の変形例２）
　実施の形態５の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、第３バッファ層をさらに備える点において、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００と相違する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５に係る窒化物系半導体発光素子５００との相違点を中心に図２７を用いて説明する。
　図２７は、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｂの全体構成を示す模式的な断面図である。図２７に示されるように、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｂは、基板１０１と、半導体積層体５００ＢＳと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体５００ＢＳは、第３バッファ層５２３と、第１バッファ層５２１と、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　第３バッファ層５２３は、基板１０１と第１バッファ層５２１との間に配置され、Ａｌを含むバッファ層である。本変形例では、第３バッファ層５２３は、膜厚１０００ｎｍ（つまり、１μｍ）のＮ型Ａｌ０．００７Ｇａ０．９９３Ｎ層である。第３バッファ層５２３には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　このように、ＧａＮからなる基板１０１とＩｎＧａＮからなる第１バッファ層５２１との間にＡｌＧａＮからなる第３バッファ層５２３を積層すると、結晶成長時の第１バッファ層５２１の表面の平坦性を改善できる。このため、第１バッファ層５２１上に結晶成長する各半導体層の成長面の平坦性を改善できる。第３バッファ層５２３のＡｌ組成比が大きいと引っ張り性の歪が大きくなり、基板１０１の母材１０１Ｍの凹状の反り量が増大する。このような反り量を低減するために、第３バッファ層５２３のＡｌ組成比は０．０１以下に設定される。
　第３バッファ層５２３上に、基板１０１に対して圧縮性の歪を有する第１バッファ層５２１を積層すると、基板１０１の母材１０１Ｍの反りを低減できる。つまり、母材１０１Ｍの平坦性を改善できる。したがって、母材１０１Ｍの結晶成長後の加工工程における割れを抑制できる。
　本変形例によっても、実施の形態５と同様に、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が９６．０ｎｍであり、ΔＰが－２６．３ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．６９％であり、導波路損失が４．６５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子５００Ｂを実現できる。
　（実施の形態５の変形例３）
　実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、第２バッファ層をさらに備える点において、実施の形態５の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｂと相違する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｂとの相違点を中心に図２８を用いて説明する。
　図２８は、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃの全体構成を示す模式的な断面図である。図２８に示されるように、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃは、基板１０１と、半導体積層体５００ＣＳと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体５００ＣＳは、第３バッファ層５２３と、第１バッファ層５２１と、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂと、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側第１ガイド層１０３と、Ｎ側第２ガイド層１０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層１０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　本実施の形態では、第２バッファ層５２２ａは、第３バッファ層５２３と第１バッファ層５２１との間に配置される。また、第２バッファ層５２２ｂは、第１バッファ層５２１とＮ型クラッド層１０２との間に配置される。
　このような構成により、実施の形態５の変形例２に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｂと同様の効果が奏される。また、窒化物系半導体発光素子５００Ｃは、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂを備えることにより、実施の形態５の変形例１と同様の効果を奏する。
　本変形例によっても、実施の形態５と同様に、実効屈折率差ΔＮが７．４×１０－３であり、リッジ１０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が９６．０ｎｍであり、ΔＰが－２６．３ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が１．６９％であり、導波路損失が４．６５ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子５００Ｃを実現できる。
　（実施の形態５の変形例４）
　実施の形態５の変形例４に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、半導体積層体の各層の組成において、実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃと相違する。以下、本変形例に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃとの相違点を中心に説明する。
　本変形例に係る窒化物系半導体発光素子は、実施の形態５の変形例３と同様に、基板１０１と、半導体積層体と、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体は、第３バッファ層と、第１バッファ層と、二つの第２バッファ層と、Ｎ型クラッド層と、Ｎ側第１ガイド層と、Ｎ側第２ガイド層と、活性層と、Ｐ側第１ガイド層と、電子障壁層と、Ｐ型クラッド層と、コンタクト層とを有する。
　本変形例に係る第３バッファ層は、膜厚１０００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。第３バッファ層には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　本変形例に係る第１バッファ層は、膜厚１５０ｎｍのＮ型Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。第１バッファ層には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　本変形例に係る二つの第２バッファ層の各々は、膜厚１０ｎｍのＮ型ＧａＮ層である。二つの第２バッファ層の各々には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　本変形例に係るＮ型クラッド層は、膜厚５４０ｎｍのＮ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。Ｎ型クラッド層には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　本変形例に係るＮ側第１ガイド層は、膜厚１００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。Ｎ側第１ガイド層には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　本変形例に係るＮ側第２ガイド層は、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層である。
　本変形例に係る活性層は、実施の形態５の変形例３に係る活性層と同様に、二つのバリア層と、二つのバリア層の間に配置されるウェル層とを有する。
　本変形例に係る二つのバリア層の各々は、膜厚１２ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　本変形例に係るウェル層は、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＡｌ０．０７８Ｇａ０．８９２Ｉｎ０．０３Ｎ層である。
　本変形例に係るＰ側第１ガイド層は、膜厚２００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層である。Ｐ側第１ガイド層には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　本変形例に係る電子障壁層、Ｐ型クラッド層、及びコンタクト層は、それぞれ、実施の形態５の変形例３に係る電子障壁層１０７、Ｐ型クラッド層１０８、及びコンタクト層１０９と同様の構成を有する。
　以上のような構成を有する本変形例に係る窒化物系半導体発光素子では、Ｎ型クラッド層とＰ型クラッド層との間に配置される各層は、ウェル層を除いてＧａＮより屈折率が低いため、導波路を伝搬する光が分布する領域における実効屈折率はＧａＮからなる基板１０１よりも低くなる。さらに、ＧａＮのバンドギャップエネルギーに相当する波長が約３６５ｎｍであるため、波長３７５ｎｍ帯のレーザ光に対して基板１０１は透明である。
　これらの結果、基板１０１に到達した光は、基板１０１で減衰することなく基板１０１全体に広がってしまい、導波路損失が増大する。
　このような基板１０１に到達する光の割合を低減する方法として、Ｎ型クラッド層の膜厚を厚くする方法が考えられる。しかしながら、この場合、半導体積層体に生じる引っ張り性の歪が大きくなる。このため、基板１０１の母材１０１Ｍに半導体積層体を結晶成長させた後、半導体積層体を含むレーザ素子を形成するための種々の加工工程での温度変化により、半導体積層体が形成された母材１０１Ｍに割れが生じやすくなる。
　従って、Ａｌ組成比の高いＮ型クラッド層の膜厚は、例えば、１μｍ以下とする必要があり、本変形例においては、５４０ｎｍとして引っ張り歪の増大を抑制している。この場合、Ｎ型クラッド層での光の減衰が十分でないため、光を吸収により減衰させるために、Ｎ型クラッド層の下方に、Ｉｎ組成比０．０４のＮ型のＩｎＧａＮバッファ層である第１バッファ層を配置している。
　実施の形態５の変形例３では、第１バッファ層５２１のＩｎ組成比は０．０５であったが、本変形例に係る第１バッファ層ではＩｎ組成比は０．０４であり、実施の形態５の変形例３に係る第１バッファ層５２１のＩｎ組成比より低い。第１バッファ層のＩｎ組成比を高めると、この層でのレーザ光の吸収が大きくなり光の減衰を大きくすることができるが、第１バッファ層においてピットが発生し易くなる。一方で、第１バッファ層のＩｎ組成比が低いと、この層での光吸収が小さくなるため、光が第１バッファ層で十分に減衰されず、基板１０１に到達し易くなる。
　そこで、本変形例のバッファ層構造では、Ｎ型ＡｌＧａＮからなる第３バッファ層のＡｌ組成比を、実施の形態５の変形例３の第３バッファ層５２３のＡｌ組成比０．００７より高い０．０２とすることで、第３バッファ層の屈折率を低くし、この層での光の減衰を大きくしている。この結果、本変形例のバッファ層構造では、第３バッファ層における引っ張り性の歪が大きくなるが、第１バッファ層でのピットの発生を抑制しつつ、基板１０１に到達する光分布強度を抑制することができる。
　第１バッファ層のＩｎ組成比を０．０５未満とした場合、この層での光を減衰させる効果が小さくなる。そこで、第３バッファ層のＡｌ組成比を０．０１より大きくし、第３バッファ層の屈折率を低くすることで光の減衰を大きくして基板１０１に到達する光強度が小さくなるようにする必要がある。ただし、第３バッファ層のＡｌ組成比をあまりに大きくすると引っ張り性の歪が大きくなり過ぎるため、第３バッファ層のＡｌ組成比は、Ｎ型ＡｌＧａＮからなるＮ型クラッド層の平均Ａｌ組成比の３分の１（３３．３％）以下の値にする必要がある。本変形例においては、第３バッファ層のＡｌ組成比は、Ｎ型クラッド層のＡｌ組成比０．０６５の３０．７％である。
　また、第１バッファ層のＩｎ組成比を小さくし過ぎると、この層での光減衰効果が小さくなり、かつ、第１バッファ層の圧縮性の歪が小さくなる。このため、Ａｌ組成比が高く、引っ張り性歪の大きいＮ型クラッド層及びＰ型クラッド層の引っ張り性歪を補償し、結晶成長後のウェハの反りを低減するという、第１バッファ層の効果が小さくなる。このため、第１バッファ層のＩｎ組成比は０．０３以上であればよい。
　第１バッファ層のＩｎ組成比が０．０５以上である場合、この層での光吸収による光減衰効果を大きくすることができるため、第３バッファ層のＡｌ組成比を大きくする必要はない。第３バッファ層が、Ａｌ組成比が０．０１以下のＡｌＧａＮ層であることにより、結晶成長時の第１バッファ層表面の平坦性を改善でき、さらに、第３バッファ層で生じる引っ張り性の歪を小さくすることで、基板１０１の母材１０１Ｍの反りを低減することができる。
　次に、本変形例に係る各ガイド層のＡｌ組成比について説明する。
　Ｎ側第１ガイド層のＡｌ組成比は０．０３であり、Ｎ側第２ガイド層のＡｌ組成比は０．０２であり、Ｐ側第１ガイド層のＡｌ組成比は０．０３５である。このように、本変形例では、Ｎ側第１ガイド層とＮ側第２ガイド層との平均屈折率は、Ｐ側第１ガイド層の屈折率よりも高く、さらに、Ｎ側第２ガイド層の屈折率は、Ｎ側第１ガイド層の屈折率よりも高い。これにより、積層方向における光強度分布のピーク位置ＰＳ１をウェル層近傍領域に位置させる制御性を高めることができる。
　次に、本変形例に係るウェル層について説明する。
　本変形例のように、ウェル層がＡｌを含むＡｌＧａＩｎＮ層であることにより、３７５ｎｍ帯のレーザ発振を得るためのウェル層のＩｎ組成比を、ウェル層がＩｎＧａＮ層である場合のＩｎ組成比と比較して高めることができる。本変形例のウェル層においてはＩｎ組成比を０．０３、Ａｌ組成比を０．０４７とすることで、窒化物系半導体発光素子において、波長３７５ｎｍ帯のレーザ発振を得ることができる。このように、ウェル層がＩｎＧａＮ層である場合に３７５ｎｍ帯のレーザ発振光を得ることができるＩｎ組成比０．０１と比較して、Ｉｎ組成比を０．０３へと高めることができる。また、ウェル層のＩｎ組成比が０．０５の場合は、Ａｌ組成比を０．０９３とすることで、窒化物系半導体発光素子において波長３７５ｎｍ帯のレーザ発振を得ることができる。
　このように、ウェル層をＡｌ含有のＡｌＧａＩｎＮ層とすることにより、ウェル層のＩｎ組成比が高まる結果、ウェル層の圧縮性の歪が増大する。この場合、Ｎ型クラッド層、Ｎ側第１ガイド層、及びＮ側第２ガイド層で蓄積される引っ張り性の歪をウェル層の圧縮性の歪で補償することができるため、ウェハの割れの発生を抑制することができる。さらに、ウェル層の圧縮性の歪が増大するため、ウェル層で形成されるヘビーホールとライトホールとの基底状態のエネルギー準位の差が増大し、基底準位に存在するヘビーホールのキャリア密度が増大するため、少ない注入電流で活性層の増幅利得が増大し、発振しきい電流値を低減することができる。
　ここで、ウェル層のＡｌ組成比をｘ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ組成比をｙ（０≦ｙ≦１）とすると、以下の関係を満足するように各組成比ｘ、ｙを定めることで、窒化物系半導体発光素子において波長３７５ｎｍ帯の紫外域のレーザ発振光を得ることができる。
　　　２．３４ｙ≧ｘ≧２．３４ｙ―０．２３４
　　　ｙ≧０．２３４ 
ここで、ＡｌＧａＩｎＮを構成するＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮのａ軸方向の格子定数は、それぞれ３．０８Å、３．１６Å、３．５Åであり、ＩｎＮの格子定数がＡｌＮ及びＧａＮの格子定数と比較して大きい。このため、ＡｌＧａＩｎＮ層のＩｎ原子が結晶成長面内で均一に分布するよりも、局所的に偏析して不均一に分布した方が、各３族原子（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）と窒素原子との間の格子定数差に基づく安定な原子間隔との差分から生じる内部歪エネルギーの和が小さくなる。また、ＡｌＮとＧａＮとの格子定数の違いは小さいため、Ａｌ原子の分布の不均一性はＩｎ原子の分布の不均一性よりも小さくなる。
　この結果、Ｉｎ組成比を高めると成長面内で平均直径数十ｎｍ～数ｎｍの大きさの、Ｉｎ組成比が局所的に高い高Ｉｎ組成領域が形成されやすくなる。高Ｉｎ組成領域はバンドギャップエネルギーが小さく、量子ドット活性層として機能する。量子ドット領域が形成されると、積層方向（成長層方向）だけでなく、成長層面内方向でも量子準位が形成され、量子準位の基底準位に存在する電子及び正孔濃度を高めることが可能となる。したがって、窒化物系半導体発光素子の発振しきい値（発振しきい電流値）を低減できる。
　波長３７５ｎｍ帯の半導体レーザ素子では、ガイド層とウェル層との間のバンドギャップエネルギーの差が小さく、ウェル層に注入された電子がＰ側第１ガイド層に漏れやすくなる。このため４元のＡｌＧａＩｎＮウェル層を用いることで発振しきい値を低減し、電子の漏れを低減することがで、窒化物系半導体発光素子の温度特性改善を行うことができる。
　（実施の形態６）
　実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、主に、各クラッド層のＡｌ組成比が高められている点において、実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃと相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態５の変形例３に係る窒化物系半導体発光素子５００Ｃ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窒化物系半導体発光素子６００の全体構成を示す模式的な断面図である。図２９に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子６００は、基板１０１と、半導体積層体６００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体６００Ｓは、第３バッファ層５２３と、第１バッファ層５２１と、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂと、Ｎ型クラッド層６０２と、Ｎ側第１ガイド層６０３と、Ｎ側第２ガイド層６０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層６０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層６０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　Ｎ型クラッド層６０２は、膜厚５４０ｎｍのＮ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層である。Ｎ型クラッド層６０２には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　Ｎ側第１ガイド層６０３は、膜厚１００ｎｍのＮ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層である。Ｎ側第１ガイド層６０３には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。
　Ｎ側第２ガイド層６０４は、膜厚１２０ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　Ｐ側第１ガイド層６０６は、膜厚２００ｎｍのＰ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層である。Ｐ側第１ガイド層６０６には、不純物として濃度１×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　Ｐ型クラッド層６０８は、膜厚４５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層である。Ｐ型クラッド層６０８には、不純物としてＭｇがドープされている。また、Ｐ型クラッド層６０８は、Ｐ型クラッド層６０８の上下方向中央より下方（つまり、活性層１０５に近い側）に位置し、不純物濃度がＰ型クラッド層６０８内の他の領域より低い低濃度領域を含む。具体的には、Ｐ型クラッド層６０８は、下方に配置される濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚１５０ｎｍのＰ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層と、上方（つまり、活性層１０５から遠い側）に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされた膜厚３００ｎｍのＰ型Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層とを有する。
　また、Ｐ型クラッド層６０８には、リッジ６０８Ｒが形成されている。また、Ｐ型クラッド層６０８には、リッジ６０８Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延びる二つの溝６０８Ｔが形成されている。
　以上のように、本実施の形態では、Ｎ型クラッド層６０２及びＰ型クラッド層６０８のＡｌ組成比を高めることで、Ｎ型クラッド層６０２及びＰ型クラッド層６０８の屈折率を低減できる。したがって、本実施の形態では、導波路損失を低減し、かつ、光閉じ込め係数を増大できる。また、リッジ６０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピーク位置ＰＳ１、及び、ピーク位置の差ΔＰを共に、低減できる。その結果、温度特性及び線形性に優れたＩＬ特性を実現できる。
　本実施の形態によれば、実効屈折率差ΔＮが４．８×１０－３であり、リッジ６０８Ｒの下方の部分での積層方向における光強度分布のピークの位置ＰＳ１が６．９ｎｍであり、ΔＰが－３．３ｎｍであり、活性層１０５への光閉じ込め係数が５．３％であり、導波路損失が４．０ｃｍ－１である窒化物系半導体発光素子６００を実現できる。
　（実施の形態７）
　実施の形態７に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、Ｎ側ガイド層の構成において、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態２に係る窒化物系半導体発光素子２００との相違点を中心に図３０を用いて説明する。
　図３０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３０に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子７００は、基板１０１と、半導体積層体７００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体７００Ｓは、Ｎ型クラッド層１０２と、Ｎ側ガイド層７４０と、活性層２０５と、Ｐ側第１ガイド層２０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層１０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　本実施の形態に係るＮ側ガイド層７４０は、Ｎ型クラッド層１０２の上方に配置される光ガイド層である。Ｎ側ガイド層７４０の組成は、積層方向において一様ではない。具体的には、Ｎ側ガイド層７４０は、膜厚２２０ｎｍのＮ型ＡｌＧａＮ層である。Ｎ側ガイド層７４０のＡｌ組成比は、積層方向において、下方から上方に向かって、０．０３から０．０２に変化する。Ａｌ組成比の変化の態様は、特に限定されない。本実施の形態では、Ｎ側ガイド層７４０のＡｌ組成比は、積層方向において一定の変化率で変化する。また、Ｎ側ガイド層７４０の下方の１００ｎｍの膜厚の部分には、不純物として濃度５×１０１７ｃｍ－３のＳｉがドープされている。一方、Ｎ側ガイド層７４０の上方の１００ｎｍの膜厚の部分には、不純物はドープされていない。
　このように、Ｎ型クラッド層１０２のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層７４０の平均バンドギャップエネルギーより大きい。これにより、Ｎ側ガイド層７４０の平均屈折率が、Ｎ型クラッド層１０２の平均屈折率より大きくなるため、Ｎ側ガイド層７４０が、光ガイド層として機能する。また、バリア層１０５ａ及び１０５ｃのバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層７４０の平均バンドギャップエネルギーより大きい。つまり、バリア層１０５ａ及び１０５ｃの屈折率は、Ｎ側ガイド層７４０の平均屈折率より小さい。したがって、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、光強度分布のピーク位置を活性層２０５に近づけることが可能となる。
　また、Ｎ側ガイド層７４０の下方の端部（Ｎ型クラッド層１０２に近い方の端部）におけるバンドギャップエネルギーは、上方の端部（活性層２０５に近い方の端部）におけるバンドギャップエネルギーより大きい。このように、本実施の形態では、バリア層１０５ａに近い方のガイド層であるＮ側ガイド層７４０の上方の端部のバンドギャップエネルギーが、バリア層１０５ａのバンドギャップエネルギーより小さい。つまり、バリア層１０５ａに近い方のガイド層であるＮ側ガイド層７４０の上方の端部の屈折率が、バリア層１０５ａの屈折率より大きい。また、Ｎ側ガイド層７４０の下方の端部より活性層２０５に近いＮ側ガイド層７４０の上方の端部の屈折率が下方の端部の屈折率より大きい。半導体積層体７００Ｓがこのような屈折率分布を有することにより、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、光強度分布をＮ側ガイド層７４０の上方の端部に近づく向きにシフトさせることができる。さらに、活性層２０５には不純物がドープされていないため、光強度分布のピーク位置を活性層２０５近傍領域へ位置させることで不純物による光吸収に起因する導波路損失を低減することができる。
　また、Ｐ型クラッド層１０８のバンドギャップエネルギーは、Ｐ側第１ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーより大きい。また、Ｐ側第１ガイド層２０６のバンドギャップエネルギーは、Ｎ側ガイド層７４０の平均バンドギャップエネルギーより大きい。つまり、Ｐ側第１ガイド層２０６の屈折率は、Ｎ側ガイド層７４０の平均屈折率より小さい。これにより、光強度分布のピーク位置をＰ側第１ガイド層２０６から、Ｎ側ガイド層７４０へ向かう向きに（つまり、下方に）シフトさせることができる。したがって、本実施の形態では、実施の形態１に係る窒化物系半導体発光素子１００と同様に、光強度分布のピーク位置を活性層２０５に近づけることが可能となる。
　（実施の形態８）
　実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、基板に分離溝が形成されている点、及び、バッファ層を備えない点において、実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子６００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態６に係る窒化物系半導体発光素子６００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窒化物系半導体発光素子８００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子８００は、基板８０１と、半導体積層体８００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体８００Ｓは、Ｎ型クラッド層６０２と、Ｎ側第１ガイド層６０３と、Ｎ側第２ガイド層６０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層６０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層６０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　基板８０１は、ＧａＮからなる基板である。基板８０１には、複数の分離溝８０１Ｔが形成されている。本実施の形態では、分離溝８０１Ｔは、基板８０１の上方の主面に、リッジ６０８Ｒに沿って形成されている。
　複数の分離溝８０１Ｔには、半導体積層体８００Ｓが積層されている。つまり、複数の分離溝８０１Ｔには、Ｎ型クラッド層６０２、Ｎ側第１ガイド層６０３、Ｎ側第２ガイド層６０４、活性層１０５、Ｐ側第１ガイド層６０６、電子障壁層１０７、Ｐ型クラッド層６０８及びコンタクト層１０９が積層されている。
　このように、分離溝８０１Ｔを基板８０１に形成し、その上に半導体積層体８００Ｓを積層することで、窒化物系半導体発光素子８００の幅Ｗ２を分離溝８０１Ｔ間の距離Ｗ１に実効的に狭めることができる。基板８０１上に積層された半導体積層体８００Ｓは、Ａｌ組成比が比較的高いＮ型クラッド層６０２とＰ型クラッド層６０８を備えるため、ＧａＮからなる基板８０１に対して引っ張り性の歪を生じる。
　ここで、Ｐ型クラッド層６０８はＮ型クラッド層６０２に対して基板８０１から離れているため、Ｐ型クラッド層６０８の格子定数の方がＮ型クラッド層６０２の格子定数よりも、原子組成に応じた格子定数の値へと変化しやすい。このため、分離溝８０１Ｔのリッジ６０８Ｒに近い方の端部上に形成された半導体積層体８００Ｓには、Ｐ型クラッド層６０８が水平方向に縮む向きのせん断応力が印加される。
　このせん断応力が隣り合う二つの分離溝８０１Ｔで挟まれる領域に及ぼす影響は距離Ｗ１が小さい方が大きい。このため、距離Ｗ１が小さい方が、Ｐ型クラッド層６０８に生じる引っ張り性の応力が小さくなり、基板８０１の母材に半導体積層体８００Ｓを積層した後に母材にクラックが生じにくくなる。このため、距離Ｗ１は、例えば、２５００μｍ以下であってもよい。
　しかしながら、距離Ｗ１が小さすぎると、窒化物系半導体発光素子８００の熱抵抗が増大する。このため、距離Ｗ１は、１０００μｍ以上であってもよい。
　また、二つの分離溝８０１Ｔを含む窒化物系半導体発光素子８００の幅Ｗ２が小さすぎると、窒化物系半導体発光素子８００の熱抵抗が増大する。また、アレイ状に互いに繋がった状態で作製された複数の窒化物系半導体発光素子８００の各々を共振器方向に沿って分離する場合に、加工性が低下するため、複数の窒化物系半導体発光素子８００の各々の分離が困難になる。このため幅Ｗ２は１５０μｍ以上であってもよい。また、幅Ｗ２が大きくなりすぎても、窒化物系半導体発光素子８００の熱抵抗値の低減効果が小さくなる。このため幅Ｗ２は４００μｍ以下であってもよい。
　さらに距離Ｗ１と幅Ｗ２との差が小さくなりすぎると、アレイ状に作製された複数の窒化物系半導体発光素子８００の各々を共振器方向に沿って分離する分離工程において、窒化物系半導体発光素子８００の側壁に、飛散したデブリが吸着しやすくなる。このようなデブリにより、窒化物系半導体発光素子８００をジャンクションダウンで実装した場合にリーク電流が発生するリスクが高まる。このため、距離Ｗ１と幅Ｗ２との差（Ｗ２－Ｗ１）は８μｍ以上であってもよい。
　分離溝８０１Ｔの深さが大きい方が、分離溝８０１Ｔのリッジ６０８Ｒに近い方の端部上に形成された半導体積層体８００Ｓにおいて、せん断応力の生じる領域が長くなるため、前述のクラック抑制効果が大きくなる。分離溝８０１Ｔの深さは、半導体積層体８００ＳのＮ型クラッド層６０２からコンタクト層１０９までの厚さ以上（つまり、Ｎ型クラッド層６０２の下方端からコンタクト層１０９の上方端までの距離以上）であればよい。
　以上のように、基板８０１に分離溝８０１Ｔを形成することで、本実施の形態のように、各クラッド層のＡｌ組成比が８％以上であっても、半導体積層体８００Ｓの結晶成長後に基板８０１の母材にクラックが生じることを抑制することができる。
　（実施の形態９）
　実施の形態９に係る窒化物系半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、バッファ層を備える点において、実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子８００と相違する。以下、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、実施の形態８に係る窒化物系半導体発光素子８００との相違点を中心に図３２を用いて説明する。
　図３２は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００の全体構成を示す模式的な断面図である。図３２に示されるように、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子９００は、基板８０１と、半導体積層体６００Ｓと、電流ブロック層１１０と、Ｐ側電極１１１と、Ｎ側電極１１２とを備える。半導体積層体６００Ｓは、第３バッファ層５２３と、第１バッファ層５２１と、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂと、Ｎ型クラッド層６０２と、Ｎ側第１ガイド層６０３と、Ｎ側第２ガイド層６０４と、活性層１０５と、Ｐ側第１ガイド層６０６と、電子障壁層１０７と、Ｐ型クラッド層６０８と、コンタクト層１０９とを有する。
　本実施の形態に係る基板８０１にも、複数の分離溝８０１Ｔが形成されている。複数の分離溝８０１Ｔには、半導体積層体６００Ｓが積層されている。したがって、本実施の形態においても、実施の形態８と同様の効果が奏される。
　さらに、本実施の形態に係る半導体積層体６００Ｓは、第１バッファ層５２１、第２バッファ層５２２ａ及び５２２ｂ、並びに、第３バッファ層５２３を備えるため、実施の形態６と同様の効果を奏する。
　（変形例など）
　以上、本開示に係る窒化物系半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記各実施の形態では、電子障壁層のＡｌ組成比は、層内で一様であったが、電子障壁層は、上方に進むにしたがって（つまり、Ｐ型クラッド層に近づくにしたがって）Ａｌ組成比が徐々に大きくなる領域を有してもよい。Ａｌ組成比が単調増加する構成には、Ａｌ組成比が積層方向において一定である領域を含む構成も含まれる。例えば、Ａｌ組成比が単調増加する構成には、Ａｌ組成比がステップ状に増加するような構成も含まれる。例えば、電子障壁層は、Ａｌ組成比が積層方向においてＰ型クラッド層に近づくにしたがって単調増加するＡｌ組成比変化領域と、Ａｌ組成比が積層方向において一定のＡｌ組成比一定領域とを含んでもよい。Ａｌ組成比変化領域は、例えば、電子障壁層の活性層に近い側の端部に配置され、Ａｌ組成比一定領域は、電子障壁層のＰ型クラッド層に近い側の端部に配置される。Ａｌ組成比変化領域では、積層方向において、Ｐ型クラッド層に近づくにしたがって、一定の変化率でＡｌ組成比が増加する。具体的には、Ａｌ組成比変化領域は、膜厚３ｎｍであり、活性層に近い側の界面付近において、Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎで表される組成を有し、Ａｌ組成比一定領域に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が単調増加し、Ａｌ組成比一定領域との界面付近において、Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎで表される組成を有する。Ａｌ組成比一定領域は、膜厚２ｎｍであり、領域全体において、Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎで表される組成を有する。電子障壁層には、不純物として濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドープされている。
　このように電子障壁層がＡｌ組成比が単調に増大するＡｌ組成比変化領域を有することで、Ａｌ組成比が一様である場合より、電子障壁層の価電子帯の電位障壁を低減できる。したがって、Ｐ型クラッド層から活性層へ正孔が流れやすくなる。したがって、窒化物系半導体発光素子の電気抵抗の増大を抑制できる。これにより、窒化物系半導体発光素子の動作電圧を低減できる。また、窒化物系半導体発光素子の動作中における自己発熱を低減できるため、窒化物系半導体発光素子の温度特性を高めることができる。したがって、窒化物系半導体発光素子の高出力動作が可能となる。
　また、上記各実施の形態では、Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層のＡｌ組成比は、同一であったが、必ずしも同一でなくてもよい。例えば、Ｎ型クラッド層のＡｌ組成比は、Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比よりも小さくてもよい。これにより、Ｎ型クラッド層の屈折率は、Ｐ型クラッド層の屈折率より大きくなるため、積層方向における光強度分布をＮ型クラッド層に近づく方向にシフトさせることができる。なお、Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層は、例えばＧａＮ及びＡｌＧａＮの薄膜の多層膜からなる超格子層であってもよい。この場合、各クラッド層のＡｌ組成比は、超格子層全体の平均Ａｌ組成比で表される。
　また、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子が半導体レーザ素子である例を示したが、窒化物系半導体発光素子は、半導体レーザ素子に限定されない。例えば、窒化物系半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。この場合、窒化物系半導体発光素子が備える半導体積層体の端面の半導体積層体からの出射光に対する反射率は、０．１％以下であってもよい。このような反射率は、例えば、端面に、誘電体多層膜などからなる反射防止膜を形成することによって実現できる。又は、導波路となるリッジがフロント端面の法線方向から５°以上傾いてフロント端面と交わる傾斜ストライプ構造とすれば、フロント端面で反射した導波光が再び導波路と結合し導波光となる成分の割合を０．１％以下の小さい値とすることができる。
　また、上記各実施の形態においては、窒化物系半導体発光素子は、活性層１０５の構造としてウェル層を１層含む構造を有していたが、複数のウェル層を含む構造であってもよい。
　また、上記各実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、電子障壁層１０７、及び電流ブロック層１１０を備えるが、これらの層を必ずしも備えなくてもよい。
　また、上記各実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子において、バリア層、Ｎ側ガイド層（Ｎ側第１ガイド層やＮ側第２ガイド層など）、Ｐ側第１ガイド層及びＰ側第２ガイド層、Ｎ型クラッド層の少なくとも一つをＡｌＧａＩｎＮによって形成してもよい。ＡｌＧａＩｎＮを用いることで、半導体積層体中の引っ張り性の歪の少なくとも一部を相殺することができるため、クラックが生じることを低減できる。特に、ＡｌＧａＩｎＮとして、圧縮性の歪を発生させるＡｌＧａＩｎＮを用いることで、半導体積層体中の引っ張り性の歪を相殺する効果が大きくなる。例えば、Ｎ側ガイド層（Ｎ側第１ガイド層やＮ側第２ガイド層など）のみに、圧縮性の歪を発生させるＡｌＧａＩｎＮを用い、他の層（バリア層、Ｐ側ガイド層、Ｎ型クラッド層）にＡｌＧａＮを用いることが考えられる。
　また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の窒化物系半導体発光素子は、例えば、高出力かつ高効率な光源として加工機用の光源などに適用できる。
　１００、２００、３００、４００、５００、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、６００、７００、８００、９００　窒化物系半導体発光素子
　１００Ｆ、１００Ｒ　端面
　１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ、４００Ｓ、５００Ｓ、５００ＡＳ、５００ＢＳ、５００ＣＳ、６００Ｓ、７００Ｓ、８００Ｓ　半導体積層体
　１０１、８０１　基板
　１０１Ｍ　母材
　１０２、６０２　Ｎ型クラッド層
　１０３、６０３　Ｎ側第１ガイド層
　１０４、６０４　Ｎ側第２ガイド層
　１０５、２０５　活性層
　１０５ａ、１０５ｃ　バリア層
　１０５ｂ、２０５ｂ　ウェル層
　１０６、２０６、４０６、６０６　Ｐ側第１ガイド層
　１０７　電子障壁層
　１０８、６０８　Ｐ型クラッド層
　１０８Ｒ、６０８Ｒ　リッジ
　１０８Ｔ、６０８Ｔ　溝
　１０９　コンタクト層
　１１０　電流ブロック層
　１１１　Ｐ側電極
　１１２　Ｎ側電極
　３１３　正孔障壁層
　４１４　Ｐ側第２ガイド層
　５２１　第１バッファ層
　５２２ａ、５２２ｂ　第２バッファ層
　５２３　第３バッファ層
　７４０　Ｎ側ガイド層
　８０１Ｔ　分離溝

Claims (21)

  1. 　Ｎ型クラッド層と、
    　前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側第１ガイド層と、
    　前記Ｎ側第１ガイド層の上方に配置されるＮ側第２ガイド層と、
    　前記Ｎ側第２ガイド層の上方に配置され、ウェル層及びバリア層を有する活性層と、
    　前記活性層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、
    　前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｎ側第２ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより小さく、
    　前記Ｎ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギーより小さく、
    　前記Ｎ型クラッド層、前記Ｎ側第１ガイド層、前記Ｎ側第２ガイド層、前記バリア層、及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる
    　窒化物系半導体発光素子。
  2. 　前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側第１ガイド層と前記Ｎ側第２ガイド層との平均バンドギャップエネルギーより大きい
    　請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 　前記バリア層は、ＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる
    　請求項１又は２に記載の窒化物系半導体発光素子。
  4. 　前記Ｎ側第１ガイド層は、ＡｌＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎ（０＜Ｘｎ１≦１）からなる
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 　前記Ｎ側第２ガイド層は、ＡｌＸｎ２Ｇａ１－Ｘｎ２Ｎ（０≦Ｘｎ２≦１）からなる
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 　前記Ｎ側第２ガイド層の膜厚は、前記Ｎ側第１ガイド層の膜厚より厚い
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 　前記Ｎ側第１ガイド層の不純物濃度は、前記Ｎ側第２ガイド層の不純物濃度より高い
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 　Ｎ型クラッド層と、
    　前記Ｎ型クラッド層の上方に配置されるＮ側ガイド層と、
    　前記Ｎ側ガイド層の上方に配置され、ウェル層及びバリア層を含む活性層と、
    　前記活性層の上方に配置されるＰ型クラッド層とを備え、
    　前記バリア層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｎ型クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｎ側ガイド層の下方の端部におけるバンドギャップエネルギーは、上方の端部におけるバンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｎ型クラッド層、前記Ｎ側ガイド層、前記バリア層、及び前記Ｐ型クラッド層は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる
    　窒化物系半導体発光素子。
  9. 　前記活性層及び前記Ｐ型クラッド層の間に配置されるＰ側第１ガイド層と、
    　前記Ｐ側第１ガイド層及び前記Ｐ型クラッド層の間に配置される電子障壁層とを備え、
    　前記Ｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｐ側第１ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記Ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きく、
    　前記Ｐ側第１ガイド層、及び前記電子障壁層は、Ａｌを含む窒化物系半導体からなる
    　請求項８に記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 　前記Ｎ型クラッド層は、ＡｌＸｎｃＧａ１－ＸｎｃＮからなり、
    　前記Ｎ側ガイド層は、ＡｌＧａＮからなり、
    　前記バリア層は、ＡｌｂＧａ１－ｂＮからなり、
    　前記Ｐ側第１ガイド層は、ＡｌＧａＮからなり、
    　前記電子障壁層は、ＡｌＸｄＧａ１－ＸｄＮからなり、
    　前記Ｐ型クラッド層は、ＡｌＸｐｃＧａ１－ＸｐｃＮからなり、
    　前記Ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比をＸｎと表し、前記Ｐ側第１ガイド層の平均Ａｌ組成比をＸｐ１と表すと、
    　ｂ＞Ｘｇ３、Ｘｐ１≧Ｘｎ、Ｘｎｃ＞Ｘｎ、Ｘｐｃ＞Ｘｐ１
    の関係が成り立つ
    　請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 　前記Ｎ側ガイド層は、ＡｌＧａＮからなるＮ側第１ガイド層と、前記Ｎ側第１ガイド層及び前記活性層の間に配置され、ＡｌＧａＮからなるＮ側第２ガイド層とを有し、
    　前記Ｎ側第１ガイド層のＡｌ組成比をＸｎ１と表し、前記Ｎ側第２ガイド層のＡｌ組成比をＸｎ２と表すと、
    　Ｘｎ１＞Ｘｎ２
    の関係が成り立つ
    　請求項１０に記載の窒化物系半導体発光素子。
  12. 　前記Ｎ側第２ガイド層の膜厚は、前記Ｎ側第１ガイド層の膜厚より厚い
    　請求項１１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  13. 　前記電子障壁層は、上方に進むにしたがってＡｌ組成比が徐々に大きくなる領域を有する
    　請求項９～１２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  14. 　前記Ｐ型クラッド層は、前記Ｐ型クラッド層内の上下方向中央より下方に位置し、不純物濃度が前記Ｐ型クラッド層内の他の領域より低い低濃度領域を含む
    　請求項８～１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  15. 　前記Ｎ型クラッド層のＡｌ組成比Ｘｎｃは、前記Ｐ型クラッド層のＡｌ組成比Ｘｐｃより小さい
    　請求項８～１４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  16. 　前記ウェル層の膜厚は、１０ｎｍ以上である
    　請求項８～１５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  17. 　前記Ｎ型クラッド層は、ＧａＮからなる基板の上方に積層されている
    　請求項１～１６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
  18. 　前記基板と前記Ｎ型クラッド層との間に配置され、Ｉｎを含む第１バッファ層を備える
    　請求項１７に記載の窒化物系半導体発光素子。
  19. 　前記第１バッファ層の少なくとも一方の主面に配置され、ＧａＮからなる第２バッファ層を備える
    　請求項１８に記載の窒化物系半導体発光素子。
  20. 　前記基板と前記第１バッファ層との間に配置され、Ａｌを含む第３バッファ層を備える
    　請求項１８又は１９に記載の窒化物系半導体発光素子。
  21. 　前記基板には、複数の分離溝が形成され、
    　前記複数の分離溝には、前記Ｎ型クラッド層、前記活性層、及び前記Ｐ型クラッド層が積層されている
    　請求項１７～２０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
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