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WO2019187583A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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WO2019187583A1
WO2019187583A1 PCT/JP2019/002749 JP2019002749W WO2019187583A1 WO 2019187583 A1 WO2019187583 A1 WO 2019187583A1 JP 2019002749 W JP2019002749 W JP 2019002749W WO 2019187583 A1 WO2019187583 A1 WO 2019187583A1
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WO
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layer
region
composition ratio
barrier layer
semiconductor
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Application number
PCT/JP2019/002749
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English (en)
French (fr)
Inventor
高山　徹
真治 吉田
高橋　邦方
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2020509730A priority patent/JP6754918B2/ja
Priority to EP19776416.0A priority patent/EP3780302B1/en
Publication of WO2019187583A1 publication Critical patent/WO2019187583A1/ja
Priority to US17/017,459 priority patent/US11070028B2/en

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    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
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Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor light emitting device.
  • an in-vehicle laser headlight light source with increased brightness by using a semiconductor laser element having a higher emission intensity than an LED as a light source has attracted attention.
  • an ultra-high-power blue semiconductor laser element capable of operating for a long period of several thousand hours or more even when a watt-class high-power operation is performed at a high temperature of 85 ° C. Is desired.
  • the phosphor can be excited with such an ultra-high output blue laser light to obtain yellow light, a white ultra-high output light source as a whole can be obtained.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing the layer structure of the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1.
  • a structural diagram (a) and a graph (b) in FIG. 33 respectively show a stacked structure and a band structure of a semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1.
  • an active layer 212 is sandwiched between an n-type layer 211 and a p-type layer 213.
  • a p-side electron confinement layer 228 corresponding to an electron barrier layer having a band gap energy higher than that of the upper cladding layer 230 is disposed between the active layer 212 and the upper cladding layer 230. According to this structure, even during high-temperature operation, electrons injected into the active layer 212 are unlikely to leak into the upper cladding layer 230 due to the energy barrier of the p-side electron confinement layer 228 made of AlGaN.
  • FIG. 34 is a schematic diagram showing a bandgap energy distribution of the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 2.
  • the Al composition ratio is gradually changed at the interface of the electron barrier layer 418 made of AlGaN on the active layer 415 side.
  • the polarization electric field formed at the interface is dispersed in the region where the Al composition ratio is changed, and the change in the band structure due to the polarization electric field of the electron barrier layer 418 is reduced, thereby reducing the operating voltage. Yes.
  • the Al composition ratio on the n-type cladding layer side of the electron barrier layer is gradually increased from the active layer side to the p-type cladding layer side, the polarization electric field and the band gap can be gradually changed. It becomes possible.
  • the change in the band structure of the valence band due to the polarization electric field and the change in the band gap energy can be offset, the increase in the energy barrier for the holes in the electron barrier layer is suppressed, and the energy barrier for the electrons is reduced. It can be increased.
  • the present disclosure has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a semiconductor light-emitting element with low power consumption even in high-temperature operation.
  • a semiconductor light emitting device includes a GaN substrate, a first semiconductor layer that is disposed above the GaN substrate and includes a first conductivity type nitride-based semiconductor, and above the first semiconductor layer.
  • a second semiconductor layer containing a nitride semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type, and the electron barrier layer has an Al composition ratio in a stacking direction perpendicular to the main surface of the GaN substrate.
  • a first region that changes at a first rate of change a second region that is disposed between the first region and the second semiconductor layer, and in which the Al composition ratio changes at a second rate of change in the stacking direction; In the first region and the second region. Te, Al composition ratio increases monotonically with respect to a direction toward the second semiconductor layer from the active layer, the second rate of change is greater than said first rate of change.
  • the polarization charge surface density formed in the electron barrier layer increases from a linear change with a small inclination to a lamination direction from the active layer side with a linear change with a large inclination.
  • the magnitude of the polarization charge is proportional to the rate of change of the polarization charge surface density, a positive polarization charge whose magnitude increases in two steps from the active layer side to the stacking direction is formed in the electron barrier layer. Is done.
  • the positive polarization charge surface density generated at the active layer side interface of the electron barrier layer decreases. At this time, electrons are attracted to the interface on the active layer side in order to satisfy the electrical neutral condition. However, since the positive polarization charge density in the vicinity of the active layer in the electron barrier layer is small, this interface is As a result, the electron concentration induced electrically is also reduced.
  • the decrease in the band potential due to the influence of electrons generated at the active layer side interface of the electron barrier layer is suppressed, the potential barrier for holes formed in the valence band is reduced, and the electrons formed in the conduction band are reduced.
  • the potential barrier increases.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor light emitting element according to Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a graph showing a conduction band energy distribution with respect to the stacking direction of the active layers according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • 4A is a schematic diagram showing a first example of a band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor light emitting element according to Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a graph showing a conduction band energy distribution with respect to the stacking direction of the active layers according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is
  • FIG. 4B is a schematic diagram illustrating a second example of a band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 5A is a schematic diagram illustrating a third example of a band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting element according to Embodiment 1.
  • FIG. 5B is a schematic diagram illustrating a fourth example of a band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting element according to Embodiment 1.
  • FIG. 5C is a schematic diagram illustrating a fifth example of the band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 5D is a schematic diagram illustrating a sixth example of the band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layers of the semiconductor light emitting element according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an Al composition ratio distribution in the stacking direction of the electron barrier layer according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another example of the Al composition ratio distribution in the stacking direction of the electron barrier layer according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a simulation result of the first configuration example of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating simulation results of the semiconductor light emitting element according to Comparative Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the second configuration example of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of the third configuration example of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result of the semiconductor light emitting element according to Comparative Example 3.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the Al composition ratio distribution shape of the electron barrier layer used in the simulation.
  • FIG. 14 is a graph showing a simulation result when the thickness of the electron barrier layer is 5 nm.
  • FIG. 15 is a graph showing a simulation result when the thickness of the electron barrier layer is 15 nm.
  • FIG. 14 is a graph showing a simulation result when the thickness of the electron barrier layer is 5 nm.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing an impurity doping profile of the second semiconductor layer in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 17A is a graph showing the dependency of the operating voltage on the impurity concentration in the low impurity concentration region in the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 17B is a graph showing the dependency of waveguide loss on the impurity concentration in the low impurity concentration region in the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1.
  • FIG. 18 shows the valence band structure and hole Fermi level when the impurity doping concentration in the low impurity concentration region according to the first embodiment is changed from 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3. It is a graph which shows the calculation result of.
  • FIG. 18 shows the valence band structure and hole Fermi level when the impurity doping concentration in the low impurity concentration region according to the first embodiment is changed from 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm
  • FIG. 19 is a graph showing the characteristics of the semiconductor light emitting device when the Al composition ratio distribution shape of the electron barrier layer is set to the shape a, the shape b, and the shape c.
  • FIG. 20 is a schematic diagram illustrating the formation of polarization charges in the composition ratio gradient region of the third light guide layer of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic diagram illustrating the formation of polarization charges in the third light guide layer of the semiconductor light emitting element according to Comparative Example 4.
  • FIG. 22A shows the Mg doping of the operating voltage of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment when the Mg doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3.
  • FIG. 22B shows the Mg doping of the operating voltage of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment when the Mg doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3. It is a graph which shows area
  • FIG. 22C shows the Mg doping of the operating voltage of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment when the Mg doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3. It is a graph which shows area
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing an aspect of impurity doping according to the second embodiment.
  • FIG. 24 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when the barrier layer is Si-doped in the semiconductor light emitting device according to the second embodiment.
  • FIG. 25 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure in the case where Si is doped at the interface between the barrier layer and the second light guide layer in the semiconductor light emitting device according to the second embodiment.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing an aspect of impurity doping according to the third embodiment.
  • FIG. 27 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when the barrier layer is Si-doped in the semiconductor light emitting device according to the third embodiment.
  • FIG. 28 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when Si doping is performed on the interface between the barrier layer and the second light guide layer in the semiconductor light emitting device according to the third embodiment.
  • FIG. 29 is a schematic diagram showing the relationship between the impurity doping profile of the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment and the forbidden band energy distribution.
  • FIG. 30 is a graph showing the calculation result of the Al composition ratio dependency of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer of the operating voltage during 300 mA operation in the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor light emitting element according to the fifth embodiment.
  • FIG. 32 is a graph showing calculation results of the optical confinement coefficient and the effective refractive index difference of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing the layer structure of the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 34 is a schematic diagram showing a bandgap energy distribution of the semiconductor light emitting device disclosed in Patent Document 2.
  • the terms “upper” and “lower” do not refer to the upward direction (vertically upward) and the downward direction (vertically downward) in absolute space recognition, but are based on the stacking order in the stacking configuration. Is used as a term defined by the relative positional relationship. The terms “upper” and “lower” are used not only when two components are spaced apart from each other and there is another component between the two components. This is also applied to the case where they are arranged in contact with each other.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 100 is a nitride-based semiconductor laser device.
  • FIG. 1A shows a cross section perpendicular to the resonance direction of the semiconductor light emitting device 100.
  • the semiconductor light emitting device 100 includes a GaN substrate 11, a first semiconductor layer 12, an active layer 15, an electron barrier layer 18, and a second semiconductor layer 19.
  • the semiconductor light emitting device 100 further includes a first light guide layer 13, a second light guide layer 14, a third light guide layer 16, an intermediate layer 17, a contact layer 20, and a current block.
  • a layer 30, an n-side electrode 31, and a p-side electrode 32 are provided.
  • the first semiconductor layer 12 is a layer that is disposed above the GaN substrate 11 and includes a nitride semiconductor of the first conductivity type.
  • the first conductivity type is n-type.
  • the first semiconductor layer 12 is an n-type AlGaN layer having a thickness of 1.5 ⁇ m.
  • the first light guide layer 13 is a first conductivity type semiconductor layer which is disposed above the first semiconductor layer 12 and made of n-type GaN having a thickness of 100 nm.
  • the second light guide layer 14 is disposed above the first light guide layer 13 and is a layer made of InGaN having a thickness of 185 nm.
  • the active layer 15 is a layer that is disposed above the first semiconductor layer 12 and includes a nitride-based semiconductor containing Ga or In. In the present embodiment, the active layer 15 is disposed above the second light guide layer 14 and includes an undoped multiple quantum well.
  • the third light guide layer 16 is disposed above the active layer 15 and is a layer made of InGaN having a thickness of 90 nm.
  • the intermediate layer 17 is a layer that is disposed between the electron barrier layer 18 and the active layer 15 and includes a nitride-based semiconductor.
  • the intermediate layer 17 is disposed between the electron barrier layer 18 and the third light guide layer 16 and includes the second conductivity type GaN having a thickness of 3 nm.
  • the second conductivity type is a conductivity type different from the first conductivity type, and is p-type in the present embodiment.
  • the electron barrier layer 18 is a second conductivity type layer that is disposed above the active layer 15 and includes a nitride-based semiconductor containing at least Al.
  • the electron barrier layer 18 is disposed between the intermediate layer 17 and the second semiconductor layer 19 and is made of p-type AlGaN.
  • the second semiconductor layer 19 is a semiconductor layer of the second conductivity type that is disposed above the electron barrier layer 18 and includes a nitride semiconductor of the second conductivity type.
  • the second semiconductor layer 19 is a p-type AlGaN cladding layer having a thickness of 660 nm.
  • the contact layer 20 is a layer that is disposed above the second semiconductor layer 19 and includes a nitride semiconductor of the second conductivity type.
  • the contact layer 20 is made of p-type GaN having a thickness of 0.05 ⁇ m.
  • the current blocking layer 30 is an insulating layer that is disposed above the second semiconductor layer 19 and is transmissive to the light from the active layer 15.
  • the current blocking layer 30 is made of SiO 2.
  • the n-side electrode 31 is a conductive layer disposed below the GaN substrate 11.
  • the n-side electrode 31 is, for example, a single layer film or a multilayer film formed of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt, and Au.
  • the p-side electrode 32 is a conductive layer disposed above the contact layer 20. In the present embodiment, the p-side electrode 32 is disposed above the contact layer 20 and the current blocking layer 30.
  • the p-side electrode 32 is, for example, a single layer film or a multilayer film formed of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt, and Au.
  • a ridge is formed in the second semiconductor layer 19 of the semiconductor light emitting device 100.
  • the ridge width W is about 30 ⁇ m.
  • the distance between the lower end of the ridge and the active layer is dp.
  • the first semiconductor layer 12 in order to confine light in the vertical direction (substrate normal direction) to the active layer 15, the first semiconductor layer 12 made of an n-type AlGaN layer and the first semiconductor layer 12 made of a p-type AlGaN layer. 2
  • the Al composition ratio of the semiconductor layer 19 is 0.035 (3.5%).
  • the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 made of n-type AlGaN and the second semiconductor layer 19 made of p-type AlGaN layer is increased, the active layer 15, the first semiconductor layer 12 functioning as a cladding layer, and the second semiconductor layer 12
  • the difference in refractive index with the semiconductor layer 19 can be increased.
  • light can be strongly confined in the stacking direction of the active layer 15 (that is, the direction perpendicular to the main surface of the GaN substrate 11), and the oscillation threshold current value can be reduced.
  • the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 19 made of AlGaN is set to 0.05 (that is, 5%) or less.
  • FIG. 1B is a graph showing the conduction band energy distribution in the stacking direction of the active layer 15 according to the present embodiment.
  • the active layer 15 has two well layers 15b and 15d made of InGaN having a film thickness of 3 nm and an In composition ratio of 0.16 (ie, 16%) in order to obtain laser oscillation with a wavelength of 450 nm. It has a DQW (Double Quantum Well) structure provided with.
  • DQW Double Quantum Well
  • the barrier layers 15a, 15c, and 15e are made of InGaN with a film thickness of 7 nm, a film thickness of 7 nm, and a film thickness of 5 nm, respectively, and an In composition ratio of 0.04 (that is, 4%).
  • a high In composition ratio of 15% or more is required to obtain laser oscillation light in the 450 nm band.
  • the lattice irregularity between the well layer and the GaN substrate 11 is 1.7% or more, and if the film thickness is excessively increased, lattice defects are generated.
  • the thickness of the well layer is, for example, not less than 2.7 nm and not more than 3.3 nm.
  • the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 include In and have a refractive index of the first semiconductor layer 12 made of n-type AlGaN and the second semiconductor layer 19 made of p-type AlGaN layer. It is also an enhanced layer. Thereby, the effective refractive index of the light distribution propagating through the waveguide corresponding to the ridge can be increased, and the confinement effect of the light distribution by the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 19 in the stacking direction can be increased.
  • the In composition ratio of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 is set to increase the optical confinement factor in the vertical direction to the well layer without causing lattice defects.
  • the In composition ratio of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 is set to 0.03 (that is, 3%), thereby suppressing the generation of lattice defects and the direction perpendicular to the well layer.
  • the optical confinement factor of the laser is increased.
  • the first light guide layer 13 has a lattice constant having a size between the lattice constants of the first semiconductor layer 12 and the second light guide layer 14, and the first semiconductor layer 12 and the second light.
  • the GaN layer has a forbidden band energy having a magnitude between the forbidden band energy levels of the guide layer 14.
  • the intermediate layer 17 has a lattice constant having a size between the lattice constants of the electron barrier layer 18 and the third light guide layer 16, and has the electron barrier layer 18 and the third light guide layer 16.
  • a GaN layer having a forbidden band energy of a magnitude between the magnitudes of each forbidden band energy.
  • the interface is formed.
  • the generated stress becomes large and crystal defects may occur. If the intermediate layer 17 is made of GaN having a thickness of 3 nm, the stress at the interface can be relaxed.
  • the intermediate layer 17 is too thick, the second semiconductor layer 19 having a low refractive index is separated from the active layer 15, so that the light confinement effect in the stacking direction on the active layer 15 is weakened. Therefore, the intermediate layer 17 is made as thin as possible with a thickness of 10 nm or less. In the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, the film thickness of the intermediate layer 17 is 3 nm.
  • a dielectric current blocking layer 30 made of SiO 2 having a thickness of 0.1 ⁇ m is formed on the side surface of the ridge.
  • the current injected from the contact layer 20 is confined only to the ridge portion by the current blocking layer 30, the current is concentrated and injected into a region of the active layer 15 located below the bottom of the ridge.
  • the carrier inversion distribution state necessary for laser oscillation is realized by an injection current of about 100 mA.
  • Light generated by recombination of carriers composed of electrons and holes injected into the active layer 15 is directed to the second light guide layer 14, the third light guide layer 16, and the first semiconductor layer in the stacking direction of the active layer 15. 12 and the second semiconductor layer 19.
  • the current blocking layer 30 has a refractive index higher than that of the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 19 in a direction parallel to the active layer 15 (a direction perpendicular to the stacking direction; hereinafter also referred to as a horizontal direction). Since it is low, optical confinement is possible. In addition, since the current blocking layer 30 has low light absorption with respect to the laser oscillation light, a low-loss waveguide can be realized. In addition, since the light distribution propagating through the waveguide can ooze out to the current blocking layer 30, ⁇ N on the order of 10 ⁇ 3 (difference in effective refractive index in the stacking direction inside and outside the ridge) suitable for high-power operation is precise. Can be realized.
  • the magnitude of ⁇ N can be precisely controlled in the same order of 10 ⁇ 3 according to the magnitude of the distance (dp) between the current blocking layer 30 and the active layer 15. Therefore, it is possible to obtain the semiconductor light emitting device 100 with a low operating current while precisely controlling the light distribution.
  • the optical confinement in the horizontal direction is performed by controlling ⁇ N to be 4.8 ⁇ 10 ⁇ 3 .
  • the electron barrier layer 18 is formed on the intermediate layer 17 made of p-type GaN, and the magnitude of the forbidden bandwidth energy of the electron barrier layer 18 is larger than that of the second semiconductor layer 19 made of p-type AlGaN.
  • the potential of the conduction band of the electron barrier layer 18 can be increased and an energy barrier can be formed.
  • the forbidden band width energy of the layer made of AlGaN increases in proportion to the Al composition ratio. Therefore, in the present embodiment, the Al composition ratio of the electron barrier layer 18 is higher than the Al composition ratio of the second semiconductor layer 19 made of p-type AlGaN, for example, 0.15 (that is, 15%) or more. .
  • the region not containing Al is the intermediate layer 17 in the layer immediately above the third light guide layer 16 made of InGaN.
  • the region below the second semiconductor layer 19 is the electron barrier layer 18.
  • the Al composition ratio gradually increases from below to above, and has a maximum value of 15% or more.
  • the Al composition ratio decreases further upward from the position having the maximum value, and coincides with the Al composition ratio of the second semiconductor layer 19 at the interface on the second semiconductor layer 19 side.
  • the distribution shape of the Al composition ratio of the electron barrier layer 18 will be described in detail later.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the electron barrier layer 18A of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1.
  • Schematic diagrams (a), (b), (c), (d), and (e) show the band gap energy distribution of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1, the polarization charge surface density distribution of the electron barrier layer 18A, and the polarization, respectively. The charge distribution, electric field distribution and band structure are shown.
  • the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1 differs from the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment in the distribution of the Al composition ratio of the electron barrier layer 18A.
  • the Al composition ratio of the electron barrier layer 18 ⁇ / b> A according to Comparative Example 1 increases linearly from the active layer 15 side toward the second semiconductor layer 19 side.
  • the third light guide layer 16 includes a composition ratio gradient region 16a. However, in this respect, it is not different from the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment. .
  • the polarization charge surface density formed in the nitride semiconductor depends on the sum of the piezopolarization component due to strain associated with the constituent layers and the natural polarization component as determined by the atomic composition. Therefore, the surface density of the polarization charge generated in each layer is constituted by the sum of the piezoelectric polarization component due to strain and the natural polarization component. Both the magnitude of strain generated in each layer and the magnitude of natural polarization are proportional to the atomic composition. For this reason, the surface density of the polarization charge formed in the AlGaN layer is proportional to the Al composition of the AlGaN layer. Therefore, the polarization charge surface density formed in the electron barrier layer 18A of Comparative Example 1 in which the Al composition ratio increases linearly increases linearly as shown in the schematic diagram (b) of FIG.
  • the amount of polarization charge formed is constant in the electron barrier layer 18A as shown in the schematic diagram (c) of FIG. It is.
  • a positive polarization charge is formed in the region on the active layer 15 side of the electron barrier layer 18A, and a negative polarization charge is formed at the interface far from the active layer 15.
  • a negative polarization charge is formed at the interface far from the active layer 15.
  • a negative electric field is generated due to electrons generated at the interface of the electron barrier layer 18A on the active layer 15 side.
  • a decrease in potential at the interface of the electron barrier layer 18A in contact with the active layer 15 can be suppressed.
  • the Al composition ratio on the active layer 15 side of the electron barrier layer 18A is small, and the forbidden band width energy (that is, band gap energy) is small. For this reason, the potential barrier formed in the valence band with respect to the holes on the active layer 15 side can be suppressed, and the operating voltage can be reduced.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of the electron barrier layer 18 of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment.
  • Schematic diagrams (a), (b), (c), (d), and (e) show the band gap energy distribution of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment and the polarization charge surface density distribution of the electron barrier layer 18, respectively. Shows polarization charge distribution, electric field distribution and band structure.
  • the electron barrier layer 18 includes a first region having a small Al composition ratio change rate and a second region having a large Al composition ratio change rate in order from the active layer 15 side. .
  • the polarization charge surface density distribution formed in the electron barrier layer 18 includes a region that changes with a relatively small inclination, and a region that changes with a relatively large inclination.
  • the magnitude of the polarization charge is proportional to the rate of change in the polarization charge surface density, as shown in the schematic diagram (c) of FIG.
  • the size of the distribution shown in (c) is small on the active layer 15 side.
  • the magnitude of the polarization charge changes in two steps depending on the position in the stacking direction.
  • a positive polarization charge is formed at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side, and a negative polarization charge is formed at the interface far from the active layer 15.
  • carriers of opposite polarity are attracted to both interfaces in order to satisfy the electrical neutral condition.
  • the electron concentration is smaller than that shown in the schematic diagram (c) of FIG.
  • the semiconductor light emitting device 100 having a lower operating voltage and a smaller leakage current can be realized as compared with the conventional electron barrier layer.
  • an ultra-high-power blue semiconductor laser element capable of long-term operation of several thousand hours or more can be realized even when high-wattage operation at the watt level is performed at a high temperature of 85 ° C.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic views showing a first example and a second example of band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer 18 of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, respectively.
  • FIG. 4A shows a band gap energy distribution when a first region having a small Al composition ratio change rate is in contact with a second region having an Al composition ratio change rate larger than the first region.
  • FIG. 4B a region having a smaller composition ratio change rate than the first region is disposed between the first region having a smaller Al composition ratio change rate and the second region having the Al composition ratio change rate larger than the first region.
  • the band gap energy distribution is shown.
  • the Al composition ratio change rate of the first region where the electron barrier layer 18 starts to be formed is higher than the Al composition ratio change rate of the region to be formed thereafter. This increases the controllability of the position of the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side, that is, the position where the electron barrier layer 18 begins to be formed, and has the effect of improving the stability of the reproducibility of the operating characteristics of the semiconductor light emitting device 100 is there.
  • the electron barrier layer 18 includes the first region in which the Al composition ratio changes at the first change rate in the stacking direction perpendicular to the main surface of the GaN substrate 11,
  • the second region is disposed between the second semiconductor layer 19 and the Al composition ratio changes at the second rate of change in the stacking direction.
  • the Al composition ratio monotonously increases in the direction from the active layer 15 toward the second semiconductor layer, and the second rate of change is larger than the first rate of change.
  • the influence of the magnitude of the polarization charge on the active layer 15 side interface of the electron barrier layer 18 can be made smaller than that of the electron barrier layer having the Al composition ratio distribution indicated by the dotted line in FIGS. 4A and 4B. it can.
  • the decrease in the potential of the band structure at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side becomes smaller than that indicated by the dotted line, and the potential barrier ⁇ Ec increases.
  • the band barrier against holes in the valence band can be reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved. Therefore, the semiconductor light emitting device 100 with low power consumption can be realized even in high temperature operation.
  • 5A to 5D are schematic views showing third to sixth examples of band gap energy distribution in the stacking direction of the electron barrier layer 18 of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, respectively.
  • FIG. 5A shows a band gap energy distribution when a first region having a small Al composition ratio change rate is in contact with a second region having an Al composition ratio change rate larger than the first region. Furthermore, the Al composition ratio decreases from the Al composition ratio maximum point as it approaches the second semiconductor layer 19, and the first decreasing region having a large Al composition ratio decrease rate and the Al composition ratio decrease rate increase in order from the active layer 15 side. A second reduction region smaller than the first reduction region is disposed.
  • FIG. 5B shows that a region having a smaller composition ratio change rate than the first region is formed between a first region having a small Al composition ratio change rate and a second region having a relatively large Al composition ratio change rate.
  • the band gap energy distribution is shown.
  • the Al composition ratio decreases from the Al composition ratio maximum point as it approaches the second semiconductor layer 19, and the first decreasing region having a large Al composition ratio decrease rate and the Al composition ratio decrease rate increase in order from the active layer 15 side.
  • a second reduction region smaller than the first reduction region is disposed.
  • FIG. 5C shows the bandgap energy distribution when the first region having a small Al composition ratio change rate and the second region having an Al composition ratio change rate larger than the first region are in contact with each other. Furthermore, in order from the active layer 15 side, a constant region where the Al composition ratio is constant from the Al composition ratio maximum point, a first decreasing region where the Al composition ratio decrease rate is large, and an Al composition ratio decreasing rate are greater than the first decreasing region. And a smaller second reduction region.
  • a region having a composition ratio change rate smaller than the first region is formed between the first region having a small Al composition ratio change rate and the second region having the Al composition ratio change rate larger than the first region.
  • the band gap energy distribution in the case is shown. Furthermore, in order from the active layer 15 side, a constant region where the Al composition ratio is constant from the Al composition ratio maximum point, a first decreasing region where the Al composition ratio decrease rate is large, and an Al composition ratio decreasing rate are higher than those of the first decreasing region. And a smaller second reduction region.
  • the influence of the magnitude of the polarization charge on the active layer 15 side interface of the electron barrier layer 18 is made smaller than that of the electron barrier layer having the Al composition ratio distribution indicated by the dotted line. Can do.
  • the decrease in the potential of the band structure at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side becomes smaller than that indicated by the dotted line, and the potential barrier ⁇ Ec increases.
  • the band barrier against holes in the valence band can be reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • the second semiconductor layer 19 is formed of a superlattice composed of two types of AlGaN layers containing GaN and having different Al composition ratios
  • the position where the Al composition ratio of the electron barrier layer 18 is the same.
  • AlGaN having a high Al composition ratio the activation rate of Mg, which is usually used as a dopant, is low. For this reason, AlGaN with a high Al composition ratio has a higher resistance than AlGaN with a low Al composition ratio. Therefore, when the region having a high Al composition ratio in the electron barrier layer 18 is thickened, the film thickness of the region that forms a potential barrier that inhibits electrical conduction to the active layer 15 side of the holes in the band structure of the valence band. Since it is thick, hole conduction is hindered. Along with this, the operating voltage increases.
  • the total film thickness of the second reduced region and the first reduced region which is a region that decreases with respect to the growth film thickness direction of the Al composition ratio, is preferably as thin as possible.
  • the total film thickness is, for example, 4 nm or less.
  • the total film thickness may be 2 nm or less.
  • the average Al composition ratio in the region where the Al composition ratio decreases is smaller than the structure showing the constant Al composition ratio reduction rate indicated by the one-dot chain line in the figure, and the semiconductor An increase in operating voltage of the light emitting element 100 can be suppressed.
  • a region where the Al composition ratio is constant is formed. This is a region formed in consideration of variations in the Al composition ratio within the same wafer surface when the semiconductor light emitting device 100 is manufactured. As a result, a constant maximum Al composition ratio can be obtained in the electron barrier layer 18 in the same wafer surface, so that the uniformity of the potential barrier ⁇ Ec in the wafer surface can be improved.
  • the film thickness in the constant composition ratio region is preferably as thin as possible.
  • the film thickness in the constant composition ratio region is, for example, 2 nm or less. Further, the film thickness in the constant composition ratio region may be 1 nm or less.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an Al composition ratio distribution in the stacking direction of the electron barrier layer 18 according to the present embodiment.
  • a graph (a) in FIG. 6 is a graph showing a function f (x) indicating an Al composition ratio distribution.
  • Graphs (b) and (c) in FIG. 6 are graphs showing the first derivative f ′ (x) and the second derivative f ′′ (x) of the function f (x), respectively.
  • the electron barrier layer 18 has a first concave region where f ′′ (x)> 0 and f ′ (x)> 0 in a region satisfying Xs ⁇ x ⁇ Xm. .
  • f (x) has a concave shape (that is, a downward convex shape) as shown in the graph (a) of FIG. .
  • the rate of change of the Al composition ratio is smaller on the active layer 15 side, and the magnitude of the polarization charge in the region near the interface on the active layer 15 side can be reduced.
  • the magnitude of f ′ (x) is continuous, and there is no discontinuous position. For this reason, there is no position where the polarization charge surface density formed in the electron barrier layer 18 changes sharply. Therefore, it is possible to prevent a position where the positive polarization charge formed in the electron barrier layer 18 increases rapidly.
  • the electron concentration in the region in the vicinity of the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side can be reduced, and the operating voltage can be reduced.
  • the electron barrier layer 18 has a first convex region that satisfies f ′′ (x) ⁇ 0 in a region that satisfies X1 ⁇ x ⁇ Xe with respect to the position x. .
  • the function f (x) has a convex shape upward. Accordingly, the shape of the function f (x) is such that the first convex region that is convex upward is formed on the second semiconductor layer 19 side of the first concave region that is convex downward.
  • the position x Xm at which the Al composition ratio is maximum is arranged in the first convex region.
  • the Al composition ratio is higher than the average Al composition ratio of the second conductivity type second semiconductor layer, so This leads to an increase in the film thickness of the hindering region, resulting in an increase in operating voltage.
  • the total film thickness of the second reduced region and the first reduced region should be as thin as possible.
  • the total film thickness is, for example, 4 nm or less.
  • the total film thickness may be 2 nm or less.
  • the magnitude of the polarization charge in the vicinity of the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side can be made smaller than that of the electron barrier layer having an Al composition ratio distribution indicated by g (x).
  • the potential barrier ⁇ Ec increases.
  • the band barrier against holes in the valence band can be reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another example of the Al composition ratio distribution in the stacking direction of the electron barrier layer 18 according to the present embodiment.
  • a graph (a) in FIG. 7 is a graph showing a function f (x) indicating an Al composition ratio distribution.
  • Graphs (b) and (c) in FIG. 7 are graphs showing the first derivative f ′ (x) and the second derivative f ′′ (x) of the function f (x), respectively.
  • f ′ (x) continuously changes in the region satisfying Xs ⁇ x ⁇ X1 with respect to the position x, f ′ (x)> 0, and the second derivative f ′′ (x).
  • f ′ (x) continuously changes in the region satisfying Xs ⁇ x ⁇ X1 with respect to the position x, f ′ (x)> 0, and the second derivative f ′′ (x).
  • the electron barrier layer 18 is a second region where f ′′ (x) ⁇ 0 in a region where Xs ⁇ x ⁇ X1 is satisfied at the position x. Has a convex region. Thereby, the Al composition ratio distribution shape of the second convex region becomes an upward convex shape.
  • the increase rate of the Al composition ratio can be increased at the initial stage of formation of the electron barrier layer 18.
  • a concave first concave region is formed on the second semiconductor layer 19 side of the second convex region. That is, the second convex region is disposed between the second concave region and the first concave region. In this case, a region with a large change rate in which the Al composition ratio increases is formed, and a region where a large polarization charge is generated can be kept away from the active layer 15 side.
  • a convex first convex region is formed on the second semiconductor layer 19 side of the first concave region.
  • the function f (x) is in contact with the point (Xu, f (Xu)) of the second convex area, and the function f (x) and the first convex area are A linear function contacting at the point (Xv, f (Xv)) is defined as a function h (x).
  • the function f (x), the function h (x), and the first derivative f ′ (x) are h (x)> f (x) and f ′ (x )> 0 is satisfied.
  • the polarization charge formed in the electron barrier layer is proportional to f ′ (x) as described above.
  • the region where the positive polarization charge surface is formed relatively large is a region near the maximum value of f ′ (x) as shown in the graph (b) of FIG.
  • the positive polarization charge near the position x Xv increases.
  • the potential barrier ⁇ Ec can be increased.
  • the band barrier potential for holes in the valence band can be reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • a region in which the Al composition ratio is higher than the average Al composition ratio of the second semiconductor layer 19 increases, so that the film in the region that inhibits hole conduction This leads to an increase in thickness and an increase in operating voltage.
  • the total film thickness of the first reduction region and the second reduction region is preferably as thin as possible.
  • the total film thickness is, for example, 4 nm or less.
  • the total film thickness may be 2 nm or less.
  • f (x) is an increasing function of a concave shape (that is, a downward convex shape).
  • the electron concentration can be reduced.
  • the decrease in the potential of the band structure at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side becomes smaller than the configuration indicated by g (x) or h (x), and the potential barrier ⁇ Ec increases. Furthermore, since the band barrier potential for holes in the valence band can be reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • the width of the first concave region is (Xm ⁇ Xs) / 2 or more.
  • a region where the magnitude of the polarization charge becomes large can be arranged near the Al composition ratio maximum point Xm, so that the polarization charge generation position is the activity of the electron barrier layer 18. It can be kept away from the layer 15 side interface.
  • the decrease in the potential of the band structure at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side becomes smaller than the configuration indicated by g (x) or h (x), and the potential barrier ⁇ Ec increases. . Furthermore, since the band barrier potential for holes in the valence band can be further reduced, the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 can be reduced. Accordingly, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • the electron barrier layer 18 of the semiconductor light emitting device 100 is doped with Mg.
  • AlGaN having a high Al composition ratio is used in the first convex region of the electron barrier layer 18.
  • the maximum Al composition ratio may be, for example, 0.2 or more, or 0.3 or more.
  • the Mg doping concentration in the electron barrier layer 18 may be increased to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more to increase the concentration of the acceptor to be activated.
  • the Mg doping concentration may be less than 3 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the electron barrier layer 18 is doped with Mg of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the Mg activation rate is high, so the concentration of Mg to be doped is 1 ⁇ . and 10 19 cm -3, may be increased relatively the concentration of Mg doping of 2 ⁇ 10 19 cm -3 in the first convex area near the Al composition ratio increases. Thereby, the crystallinity fall in the electron barrier layer 18 by the increase in Mg density
  • the thickness of the first region is greater than 50% of the thickness of the electron barrier layer 18 and not more than 80%, and the position x
  • the change rate of the Al composition ratio is small, and the second region on the second semiconductor layer 19 side is small. In the region, the change rate of the Al composition ratio is large.
  • the Al composition ratio continuously changes in the region where the Al composition ratio of the electron barrier layer 18 changes.
  • Such an Al composition ratio distribution of the electron barrier layer 18 can be formed by using, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • the composition ratio distribution can be freely adjusted by temporally changing the supply amount of the gas containing the crystal raw material.
  • Each shape of the Al composition ratio distribution described above can be realized by changing the Al supply amount in minute steps with respect to time.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of the first configuration example of the semiconductor light emitting element 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating simulation results of the semiconductor light emitting element according to Comparative Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the second configuration example of the semiconductor light emitting element 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result of the third configuration example of the semiconductor light emitting element 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result of the semiconductor light emitting element according to Comparative Example 3. In each simulation, the operating current of the semiconductor light emitting element is 300 mA.
  • Each graph (a) in FIGS. 8 to 12 shows the distribution of the forbidden band width energy (band gap) near the electron barrier layer, and each graph (b) shows the polarization charge per unit volume near the electron barrier layer. Show the distribution.
  • Each graph (c) in FIGS. 8 to 12 shows the distribution of electron and hole concentrations in the vicinity of the electron barrier layer, and each graph (d) shows the electric field distribution in the vicinity of the electron barrier layer 18.
  • Each graph (e) in FIGS. 8 to 12 shows a conduction band structure near the electron barrier layer 18 and a distribution of electron Fermi energy, and each graph (f) shows a valence band near the electron barrier layer 18. The band structure and the Fermi energy distribution of holes (ie holes) are shown.
  • FIG. 8 shows a simulation result when the thickness of the electron barrier layer 18 is 7 nm.
  • the electron barrier layer 18 has a first region having a thickness of 5 nm and a second region having a thickness of 2 nm.
  • the Al composition ratio is linearly increased from 0 to 0.15 as it proceeds from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side.
  • the Al composition ratio is increased from 0.15 to 0.35 as it proceeds from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side.
  • a positive polarization charge of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 is generated on the active barrier 15 side of the electron barrier layer 18 and 5 ⁇ 10 19 on the second semiconductor layer side.
  • a positive polarization charge of cm ⁇ 3 is generated.
  • This polarization charge corresponds to, for example, about 1% compared to the case where the electron barrier layer has a uniform Al composition ratio of 0.35.
  • negative polarization charges having a surface density of ⁇ 5.3 ⁇ 10 ⁇ 2 C / m 2 are formed at the interface between the electron barrier layer 18 and the second semiconductor layer 19. .
  • the film thickness of the interface is 0.01 nm, which is about several tenths of the c-axis direction lattice constant of AlGaN. Then, it is considered that a negative polarization charge corresponding to about 1 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 in terms of electron concentration is generated at the interface.
  • the electron barrier layer 18 according to the present embodiment polarization charges on the active layer 15 side can be suppressed.
  • the volume density of the polarization charge is a value converted to an electron concentration.
  • the decrease in the barrier ⁇ Ec and the increase in the potential barrier ⁇ Ev against holes are suppressed.
  • the potential barrier ⁇ Ec is 0.77 eV
  • the potential barrier ⁇ Ev is 0.22 eV.
  • the Al composition ratio distribution of the electron barrier layer 18 is concave (convex downward) like the electron barrier layer 18 shown in FIG. It was found that the potential barrier ⁇ Ec for electrons was larger and the potential barrier ⁇ Ev for holes was smaller.
  • FIG. 9 shows a simulation result of a semiconductor light emitting device that is different from the present embodiment only in the configuration of the electron barrier layer 18B as Comparative Example 2 of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment.
  • the thickness of the electron barrier layer 18B according to Comparative Example 2 is set to 7 nm, and the Al composition ratio is increased from 0 to 0.35 as the electron barrier layer 18B progresses from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side. Yes.
  • the Al composition ratio is increased so that the increase rate of the Al composition ratio gradually decreases. That is, the graph of the Al composition ratio distribution is not a straight line but a convex shape upward.
  • a positive polarization charge of 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 is generated on the active layer 15 side of the electron barrier layer 18B.
  • only positive polarization charges are displayed. This value is five times the value generated in the simulation of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment shown in FIG.
  • negative polarization charges having a surface density of ⁇ 5.3 ⁇ 10 ⁇ 2 C / m 2 are formed at the interface between the electron barrier layer 18 and the second semiconductor layer 19. .
  • the film thickness of the interface is 0.01 nm, which is about several tenths of the c-axis direction lattice constant of AlGaN. Then, it is considered that a negative polarization charge corresponding to about 1 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 in terms of electron concentration is generated at the interface.
  • the decrease in the potential of the conduction band and the valence band in the interface of the electron barrier layer 18B on the active layer 15 side is also compared with the result shown in FIG. And get bigger.
  • the potential barrier ⁇ Ec for electrons decreases and the potential barrier ⁇ Ev for holes increases.
  • the potential barrier ⁇ Ec for electrons is 0.68 eV
  • the potential barrier ⁇ Ev for holes is 0.28 eV.
  • FIG. 10 shows a simulation result when the thickness of the electron barrier layer 18 is 7 nm.
  • the Al composition ratio is gradually increased from 0 to 0.15 (straight line) as it proceeds from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side in the 5 nm thick region of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side. Increase).
  • the Al composition is increased so that the increasing rate of the Al composition ratio increases as it proceeds from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side.
  • the ratio is increased to 0.35.
  • the Al composition ratio distribution has a concave shape (convex shape downward) in the region of the film thickness of 2 nm on the second semiconductor layer 19 side of the electron barrier layer 18.
  • the area near the active layer 15 of the electron barrier layer 18 decreases from 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 as the distance from the active layer 15 increases. As a result, positively distributed charges are generated.
  • the graph (b) of FIG. 10 only positive polarization charges are displayed.
  • negative polarization charges having a surface density of ⁇ 5.3 ⁇ 10 ⁇ 2 C / m 2 are formed at the interface between the electron barrier layer 18 and the second semiconductor layer 19. .
  • the film thickness of the interface is 0.01 nm, which is about several tenths of the c-axis direction lattice constant of AlGaN. Then, it is considered that a negative polarization charge corresponding to about 1 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 in terms of electron concentration is generated at the interface.
  • the graph (c) of FIG. 10 shows 1 ⁇ 10 17 at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side in order to satisfy the electrical neutral condition with the positive polarization charge generated at the interface of the electron barrier layer 18.
  • An electron with a concentration of cm ⁇ 3 is attracted. This concentration is suppressed to about one-tenth of the case shown in the graph (c) of FIG. For this reason, the electric field generated at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side is ⁇ 0.3 MV / cm and its absolute value is suppressed.
  • the potential drop of the conduction band and the valence band at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side is also suppressed.
  • ⁇ Ec increases and the potential barrier ⁇ Ev against holes decreases.
  • the potential barrier ⁇ Ec for electrons is 0.77 eV
  • the potential barrier ⁇ Ev for holes is 0.23 eV.
  • Al composition ratio decreasing region a region in which the Al composition ratio decreases from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side toward the second semiconductor layer 19 side of the electron barrier layer shown in FIG.
  • the electron barrier layer 18 having a configuration with 2 nm added) also referred to as “Al composition ratio decreasing region” is used.
  • the Al composition ratio decreasing region is an Al composition in which a region having a concave shape (that is, a convex shape downward) is formed on the second semiconductor layer 19 side of a region where the Al composition ratio distribution shape is convex upward. Has a ratio distribution.
  • the distance from the active layer 15 toward the active layer 15 side of the electron barrier layer 18 decreases from 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • a positive polarization charge distributed in the region is generated.
  • only the positive polarization charge is displayed.
  • negative polarization charges of about 2 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 are generated, although not shown.
  • the graph (c) of FIG. 11 shows 1 ⁇ 10 17 at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side in order to satisfy the electrical neutral condition with the positive polarization charge generated at the interface of the electron barrier layer 18.
  • An electron with a concentration of cm ⁇ 3 is attracted.
  • This electron concentration is the same value as the configuration shown in FIG. 10, but since an Al composition ratio decreasing region is added to the second semiconductor layer 19 side of the electron barrier layer 18, it is shown in the graph (f) of FIG. As described above, the minimum value of the potential of the valence band structure decreases and the potential barrier ⁇ Ev against holes increases, so that the operating voltage of the semiconductor light emitting device 100 increases.
  • the decrease in the potential of the conduction band and the valence band at the interface of the electron barrier layer 18 on the active layer 15 side is also reduced compared to the structure shown in FIG. Has been. For this reason, the potential barrier ⁇ Ec for electrons is lowered, and the potential barrier ⁇ Ev for holes is increased. In the structure shown in FIG. 11, the potential barrier ⁇ Ec for electrons is 0.68 eV, and the potential barrier ⁇ Ev for holes is 0.28 eV.
  • the potential barrier ⁇ Ev against holes is increased by about 0.05 eV as compared with the configuration shown in FIG. 10, and the rising voltage of the semiconductor light emitting device 100 is increased by about 0.04 V in the current-voltage characteristics.
  • the Al composition ratio decreasing region of the electron barrier layer 18 is preferably as thin as possible.
  • FIG. 12 shows a simulation result of a semiconductor light emitting device that is different from the present embodiment only in the configuration of the electron barrier layer 18C as Comparative Example 3 of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment.
  • the electron barrier layer 18C according to Comparative Example 3 has a thickness of 9 nm, and the electron barrier layer 18C has a thickness of 7 nm on the active layer 15 side, from the active layer 15 side of the electron barrier layer 18C to the second semiconductor layer 19 side.
  • the Al composition ratio is increased from 0 to 0.35.
  • the Al composition ratio decreasing region having a film thickness of 2 nm on the second semiconductor layer 19 side of the electron barrier layer 18C the Al composition ratio is made the same as that of the second semiconductor layer 19 from the active layer 15 side to the second semiconductor layer 19 side. It decreases until it becomes.
  • the Al composition ratio decreasing region is an Al composition in which a region having a concave shape (that is, a convex shape downward) is formed on the second semiconductor layer 19 side of a region where the Al composition ratio distribution shape is convex upward. Has a ratio distribution.
  • the graph (c) of FIG. 12 shows 2 ⁇ 10 17 at the interface of the electron barrier layer 18 C on the active layer 15 side in order to satisfy the electrical neutral condition with the positive polarization charge generated at the interface of the electron barrier layer 18.
  • An electron with a concentration of cm ⁇ 3 is attracted.
  • the electron concentration is increased to about twice that of the configuration shown in FIG. This is because the Al composition ratio in the 7 nm-thickness region of the electron barrier layer 18C on the active layer 15 side is larger than the configuration shown in FIG. That is, the attracted electron concentration can be reduced when the Al composition ratio distribution has a concave shape as in the configuration shown in FIG.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the Al composition ratio distribution shape of the electron barrier layer used in the simulation.
  • 14 and 15 are graphs showing simulation results when the thickness of the electron barrier layer is 5 nm and 15 nm, respectively.
  • the maximum Al composition ratio of the electron barrier layer, the maximum Al composition ratio of the first region, and the thickness of the first region are changed in each case where the thickness of the electron barrier layer is 5 nm and 15 nm.
  • the operating voltage at an operating current value of 300 mA and the potential barrier ⁇ Ec against electrons were estimated, and a shape effective for suppressing electron leakage and reducing the voltage was examined.
  • Graphs (a) to (e) of FIG. 14 show the calculation results of the film thickness dependence of the first region of the operating voltage during 300 mA operation, and graphs (f) to (j) show the potential barrier ⁇ Ec of the electrons.
  • region is shown.
  • Graphs (a) and (f) show the calculation results when the maximum Al composition ratio is 0.15 and the maximum Al composition ratio of the first region is 0.05, 0.1, and 0.15.
  • the maximum Al composition ratio is 0.2
  • the maximum Al composition ratio in the first region is 0.05, 0.1, 0.15, and 0.2. The calculation result is shown.
  • the maximum Al composition ratio is 0.25, and the maximum Al composition ratio of the first region is 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25. The calculation results in each case are shown.
  • the maximum Al composition ratio is 0.3, and the maximum Al composition ratio of the first region is 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25. The calculation result in each case of 0.3 is shown.
  • the maximum Al composition ratio is 0.35, and the maximum Al composition ratio of the first region is 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25. , 0.3, and 0.35 are shown in FIG.
  • the points indicated by white circles are a region where the Al composition ratio distribution shape shown in FIG. 13 is a concave shape (that is, a convex shape downward), and a convex shape (that is, a convex shape that is upward).
  • Graphs (a) to (j) in FIG. 15 are graphs showing calculation results similar to the graphs (a) to (j) in FIG. 14 except that the thickness of the electron barrier layer is 15 nm. .
  • the point indicated by a white circle represents the film thickness of the first region having a “linear shape” as in each graph of FIG.
  • the maximum Al composition ratio in the electron barrier layer is 0.15 or more and 0.35 or less, and the maximum Al composition ratio in the first region is 0.05 or more.
  • the maximum Al composition ratio of the first region is not more than a composition ratio that is 50% of the maximum Al composition ratio in the electron barrier layer, and the film thickness of the first region is the electron barrier. If it is 50% or more of the film thickness of the layer, the value is equal to or lower than the operating voltage in the case of a linear shape.
  • the maximum Al composition ratio of the electron barrier layer is the maximum Al composition ratio of the first region. Therefore, as the film thickness of the first region approaches the film thickness of the electron barrier layer, the film thickness of the region where the forbidden band energy of the electron barrier layer is large becomes thin. For this reason, due to the influence of the quantum mechanical tunnel effect, the potential barrier ⁇ Ec against electrons approaches the value of ⁇ Ec when the maximum Al composition ratio of the electron barrier layer is the maximum Al composition ratio of the first region.
  • the maximum Al composition ratio in the electron barrier layer is 0.15 or more and 0.35 or less, and the maximum Al composition ratio in the first region is 0.05 or more. In the range of 0.35 or less, if the film thickness of the first region is 80% or less of the film thickness of the electron barrier layer, a decrease in the potential barrier ⁇ Ec for electrons can be suppressed.
  • the maximum Al composition ratio of the first region is equal to or less than the composition ratio that is 50% of the maximum Al composition ratio of the electron barrier layer, and the film thickness of the first region is If the thickness of the electron barrier layer is not less than 50% and not more than 80%, the operating voltage can be suppressed as compared with the case of a linear shape, and the decrease in ⁇ Ec accompanying the thinning of the high Al composition ratio region of the electron barrier layer can be reduced. Can be suppressed.
  • the thickness of the electron barrier layer is 2 nm or less, generation of tunnel current and electrons existing at the interface of the electron barrier layer on the active layer side are thermally excited due to the thinning of the thickness of the electron barrier layer. Overflow of electrons exceeding the electron barrier layer is likely to occur.
  • the maximum value of the Al composition ratio of the electron barrier layer is increased to 15% or more, it is necessary to dope Mg at a high concentration. If the thickness of the electron barrier layer is increased, the waveguide loss is increased. .
  • the thickness of the electron barrier layer must be 3 nm or more and 20 nm or less.
  • the thickness of the electron barrier layer is in the range of 5 nm or more and 15 nm or less, and the maximum Al composition ratio of the first region is not more than a composition ratio that is 50% of the maximum Al composition ratio in the electron barrier layer.
  • the film thickness of the first region may be 50% or more and 80% or less of the film thickness of the electron barrier layer.
  • the thickness of the electron barrier layer is 7 nm
  • the thickness of the first region is 4 nm
  • the thickness of the second region is 3 nm, so that both improvement in temperature characteristics and reduction in operating voltage are achieved.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing an impurity doping profile of the second semiconductor layer 19 in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment.
  • the second semiconductor layer 19 includes, in order from the electron barrier layer 18 side, a low impurity concentration region 19a having an impurity concentration P2 and a film thickness X2, and a high impurity concentration region 19b having an impurity concentration P3.
  • the waveguide loss is reduced by reducing the free carrier loss that the light distribution suffers in the second semiconductor layer 19.
  • the film thickness X2 and the impurity concentration P2 of the low impurity concentration region 19a for realizing the low waveguide loss while suppressing the increase of the operating voltage are examined.
  • N1 shown in FIG. 16 is the concentration of the n-type impurity made of Si in the first semiconductor layer 12 made of n-type AlGaN and the first light guide layer 13 made of n-type GaN.
  • N1 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ .
  • P4 shown in FIG. 16 is the concentration of the p-type impurity made of Mg in the contact layer 20 made of p-type GaN, and here, it is 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • FIG. 17A and 17B are graphs showing the dependence of the operating voltage and waveguide loss on the impurity concentration of the low impurity concentration region 19a in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, respectively.
  • FIG. 17A and FIG. 17B show the operating voltage at 300 mA operation when the impurity concentration P2 is in the range of 0.5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and the impurity of the waveguide loss, respectively. Concentration is indicated.
  • 17A and 17B show the calculation results of the dependency when the film thickness X2 of the low impurity concentration region 19a is 50 nm, 170 nm, 270 nm, and 370 nm.
  • the waveguide loss reduction effect is large when the film thickness of the low impurity concentration region 19a is 170 nm or more.
  • a low operating voltage and a low waveguide loss are realized by setting the film thickness of the low impurity concentration region 19a to 170 nm and the Mg doping concentration to 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the increase in operating voltage at 300 mA operation is suppressed to 0.1 V compared to the case where the impurity doping of the second semiconductor layer 19 is constant at 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , and Waveguide loss can be halved from 7 cm ⁇ 1 to 4 cm ⁇ 1 .
  • FIG. 18 shows the valence band structure and hole Fermi when the impurity doping concentration of the low impurity concentration region 19a according to the present embodiment is changed from 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3. It is a graph which shows the calculation result of a level.
  • the Mg doping concentration of the high impurity concentration region 19b of the second semiconductor layer 19 is set to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the Mg doping concentration in the concentration region 19a may be controlled in the range of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the film thickness of the low impurity concentration region 19a is changed from 150 nm to 200 nm, and the Mg doping concentration is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more, 2 Control within a range of ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less does not cause an increase in waveguide loss and operating voltage, and can suppress the generation of high energy holes due to the inclination of the band structure of the valence band. As a result, it is possible to improve the high-temperature operating characteristics and reduce the operating current value, so that the operation reliability of the semiconductor light emitting device 100 can be improved.
  • FIG. 19 is a graph showing the characteristics of the semiconductor light emitting device when the Al composition ratio distribution shape of the electron barrier layer is set to the shape a, the shape b, and the shape c.
  • the shape a corresponds to the Al composition ratio distribution shape of the electron barrier layer according to the present embodiment
  • the Al composition ratio is linear from 0 to 0.15 in the first region having a film thickness of 4 nm on the active layer side.
  • the Al composition ratio is linearly increased from 0.15 to 0.35.
  • the Al composition ratio increases linearly from 0 to 0.35 to the maximum value as it proceeds from the active layer side to the second semiconductor layer side. In the region of film thickness of 3 nm on the layer side, the Al composition ratio is constant at a maximum value of 0.35.
  • the shape c is a shape in which the Al composition ratio distribution in the 7 nm-thick electron barrier layer is constant at 0.35.
  • a graph (a) in FIG. 19 shows current-light output characteristics at 25 ° C.
  • a graph (b) shows current-voltage characteristics at 25 ° C.
  • a graph (c) shows current-light output characteristics at 85 ° C.
  • Graph (d) shows the measurement results of current-voltage characteristics at 85 ° C.
  • the Al composition ratio in the first region of the electron barrier layer, a shape in which the Al composition ratio is increased from 0 to 0.15 in the 4 nm-thickness region in the Al composition ratio distribution shape is adopted, and in the second region, A shape in which the Al composition ratio is increased from 0.15 to 0.35 in a region with a film thickness of 3 nm is employed.
  • the film thicknesses of the first region and the second region of the shape a are the above-described film thicknesses. It is not limited to.
  • the measurement results shown in FIG. 19 were obtained using a semiconductor light emitting device mounted on a submount made of diamond with a junction down so that the active layer side was close to the submount side.
  • this mounting form reduces the thermal resistance of the semiconductor light emitting device, the temperature characteristics are improved.
  • the thermal conductivity of diamond is 1000 W / m ⁇ K or more, and materials used for other submounts, for example, thermal conductivity of 200 W.
  • SiC about / m ⁇ K
  • AlN with a thermal conductivity of about 150 W / m ⁇ K, etc., it is suitable for realizing heat resistance. Therefore, the temperature rise of the semiconductor light emitting element during high temperature and high output operation is also reduced.
  • thermal resistance in addition to mounting on a diamond submount with junction down, mounting on a single crystal SiC submount with junction down, or with a resonator length of 1200 ⁇ m or more and a stripe width of 40 ⁇ m
  • the case where heat dissipation is improved and thermal resistance is reduced can be considered.
  • the stripe width may be 40 ⁇ m or more and the resonator length may be 1500 ⁇ m or more from the viewpoint of heat dissipation.
  • the reduction of the operating voltage by the electron barrier layer according to the present embodiment becomes even more effective.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment includes the semiconductor according to the first embodiment in the impurity doping configuration in the third light guide layer and the impurity doping configuration in the barrier layer on the second light guide layer side of the active layer or the interface thereof. Different from the light emitting element 100.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described focusing on differences from the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting element according to the present embodiment has a layer structure as shown in FIG. 1A as in the semiconductor light emitting element 100 according to the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment is different from the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment in the configuration of the third light guide layer 16 and the barrier layer 15a of the active layer 15.
  • the configurations and effects of the third light guide layer 16 and the barrier layer 15a will be described.
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the formation of polarization charges in the composition ratio gradient region 16a of the third light guide layer 16 of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • FIG. 20 schematically shows a band structure (that is, a forbidden band width energy) in a region near the composition ratio gradient region 16 a of the third light guide layer 16.
  • the schematic diagram (b) of FIG. 20 schematically shows the polarization charge distribution in the region near the composition ratio gradient region 16 a of the third light guide layer 16.
  • a schematic diagram (c) and a schematic diagram (d) of FIG. 20 schematically show an Mg doping profile in a region near the composition ratio gradient region 16 a of the third light guide layer 16.
  • the profile shown in the schematic diagram (c) has a uniform Mg doping concentration in the composition ratio gradient region 16a.
  • the Mg doping concentration is inclined in the composition ratio inclined region 16a.
  • the schematic diagram (e) schematically shows the conduction band structure in the vicinity of the composition ratio gradient region 16 a of the third light guide layer 16.
  • FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the formation of polarization charges in the third light guide layer 16 of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 4.
  • the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 4 shown in FIG. 21 is different from the semiconductor light emitting device according to the present embodiment in that the third light guide layer 16 does not have a composition ratio gradient region, and is identical in other points. To do.
  • the schematic diagram (a) of FIG. 21 schematically shows the band structure (that is, the forbidden bandwidth energy) in the vicinity of the third light guide layer 16.
  • the schematic diagram (b) of FIG. 21 schematically shows the polarization charge distribution in the region near the third light guide layer 16.
  • Mg doping profile in a region in the vicinity of the composition ratio gradient region 16 a arranged at the end of the third light guide layer 16 on the electron barrier layer 18 side.
  • Mg is doped in a uniform distribution in the region on the electron barrier layer 18 side in the third light guide layer 16.
  • the schematic diagram (d) schematically shows the conduction band structure in the vicinity of the third light guide layer 16.
  • the composition ratio gradient region 16a in which the In composition ratio distribution is inclined at the boundary between the intermediate layer 17 and the third light guide layer 16 is formed. Note that the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 4 does not have the composition ratio gradient region 16a.
  • the third light guide layer 16 does not have the composition ratio gradient region 16a, a positive polarization charge is formed at the interface between the intermediate layer 17 and the third light guide layer 16 as shown in FIG. For this reason, the band structure is deformed so as to satisfy the electrical neutral condition, and electrons are attracted to the interface between the intermediate layer 17 and the third light guide layer 16. As a result, a dent as shown in the schematic diagram (d) of FIG. 21 is generated in the band structure of the interface, and this dent serves as a potential barrier against holes. For this reason, in the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 4, the operating voltage increases.
  • the third light guide layer 16 has the composition ratio gradient region 16a, as shown in the schematic diagram (b) of FIG. 20, the positive light formed at the interface between the intermediate layer 17 and the third light guide layer 16 is used.
  • the polarization charges are dispersed at a small density throughout the composition ratio gradient region 16a. For this reason, the deformation of the band structure is small as shown in the schematic diagram (e) of FIG. 20, and the dent as shown in FIG. 21 does not occur. For this reason, an increase in the operating voltage of the semiconductor light emitting element can be suppressed.
  • the hole concentration in the active layer 15 can be increased, and the operating voltage can be further reduced.
  • the concentration on the active layer 15 side is low in the composition ratio gradient region 16a, the free carrier loss of the light distribution received by the third light guide layer 16 is reduced.
  • production can be suppressed and the increase in waveguide loss can be suppressed, aiming at low voltage.
  • FIGS. 22A to 22C show the semiconductor according to the present embodiment when the Mg doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , respectively.
  • the Mg doping region has the same film thickness as the composition ratio gradient region 16a, and the composition ratio gradient region thickness is changed.
  • the solid line in each figure represents the case where Mg doping is performed at a uniform concentration in the composition ratio gradient region 16a, and the dotted line represents the case where gradient doping with a low Mg doping concentration on the active layer 15 side is performed.
  • the operating voltage is reduced by about 0.01 V when the Mg doping concentration is increased.
  • the longer the Mg doping region length the lower the operating voltage.
  • the waveguide loss increases.
  • the Mg doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the effect of reducing the operating voltage can be obtained if the Mg doping region length is about 10 nm.
  • the Mg doping concentration is 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the effect of reducing the operating voltage can be obtained if the Mg doping region length is about 5 nm.
  • the effect of reducing the operating voltage can be obtained if the Mg doping region length is about 3 nm.
  • the effect of reducing the operating voltage is almost the same in both the case where uniform doping is performed in the composition ratio gradient region 16a and the case where gradient doping is performed. Therefore, from the viewpoint of suppressing an increase in waveguide loss, the composition ratio gradient region 16a may be doped with Mg.
  • Mg doping to the composition ratio gradient region 16a not only the effect of lowering the operating voltage but also the effect of increasing the electrical conductivity of holes at a lower operating voltage can be achieved. For this reason, Mg doping to the composition ratio gradient region 16a is very important from the viewpoint of improving temperature characteristics during high-temperature, high-power operation at the watt level and ensuring long-term operation reliability.
  • the composition ratio gradient region 16a In the composition ratio gradient region 16a, the case where the In composition ratio on the electron barrier layer 18 side is changed to the same In composition ratio as that of the intermediate layer 17 made of p-type GaN (that is, up to the In composition ratio of 0) will be considered. In this case, if Mg doping is performed on the interface of the composition ratio gradient region 16a as described above, the interface on the electron barrier layer 18 side of the composition ratio gradient region 16a is p-type GaN. There may be no intermediate layer of the second conductivity type.
  • the semiconductor light emitting device has a region doped with an n-type impurity in the barrier layer 15a or at least one of the interfaces between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a.
  • the influence of the negative polarization charge generated at the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a is canceled, and the potential of the valence band of the barrier layer 15a is lowered, so that the well layer 15b and the well layer 15d
  • the shape of the band structure of the valence band can be made uniform. Thereby, the uniformity of the shape of the quantum wave function formed by the two layers of the well layer 15b and the well layer 15d can be improved. For this reason, the wavelength at which the highest amplification gain can be obtained in each well layer can be made closer, so that the amplification gain can be increased. Thereby, the oscillation threshold current value required for laser oscillation can be reduced.
  • the impurity doping according to the present embodiment it is possible to suppress the occurrence of hole overflow in which holes leak to the first light guide layer. For this reason, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device can be improved.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing an aspect of impurity doping according to the present embodiment.
  • the schematic diagram (a) of FIG. 23 shows the polarization charge per unit volume formed at the interface of each layer of the active layer 15.
  • the schematic diagram (b) shows the band structure in the vicinity of the active layer 15.
  • Schematic (c) shows an impurity doping profile when doping the barrier layer 15a
  • (d) shows an impurity doping profile when doping the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14. Show.
  • the semiconductor light emitting device has at least one of the barrier layer 15a or the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a.
  • the structure has a region doped with an n-type impurity.
  • Si is doped as an impurity.
  • FIG. 24 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when the barrier layer 15a is doped with Si in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • the graph (a) in FIG. 24 shows the calculation result of the doping concentration dependency of the conduction band structure
  • the graph (b) shows the calculation result of the doping concentration dependency of the valence band band structure.
  • the band structure changes so as to satisfy the electrical neutral condition at this interface. Furthermore, holes are generated due to the negative polarization charge. Therefore, the potential at the interface increases. For this reason, in order to suppress an increase in the band potential of the valence band by compensating for the negative polarization charge generated at the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a, an n-type is formed in the vicinity of this interface. It is effective to dope impurities.
  • the Si doping concentration in the barrier layer 15a when the Si doping concentration in the barrier layer 15a is increased, the potential of the band structure of the valence band of the barrier layer 15a is lowered, and the valences of the well layer 15b and the well layer 15d are reduced.
  • the shape of the band structure of the electronic band is made uniform.
  • by increasing the potential barrier of the valence band on the second light guide layer 14 side of the barrier layer 15a it is possible to suppress the wave function of holes from spreading to the second light guide layer 14 side. This increases the cross-correlation of the electron and hole wave functions.
  • the amplification gain for the injected carriers in the well layer 15b can be increased, so that the oscillation threshold current value can be reduced.
  • the Si doping concentration in the barrier layer 15a increases, the effect of increasing the potential barrier in the valence band on the second light guide layer 14 side increases. From the result shown in the graph (b) of FIG. Is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more, the potential barrier of the valence band is increased and the uniformity of the band structure of the valence band of the well layer 15b and the well layer 15d can be sufficiently enhanced.
  • FIG. 25 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when Si is doped at the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14 in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • the graph (a) in FIG. 25 shows the calculation result of the doping concentration dependency of the conduction band structure
  • the graph (b) shows the calculation result of the doping concentration dependency of the valence band band structure.
  • Si is doped in a region within ⁇ 5 nm from the interface between the barrier layer 15 a and the second light guide layer 14.
  • the Si doping concentration at the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14 is increased, the potential of the band structure of the valence band of the barrier layer 15a is decreased.
  • the shape of the band structure of the valence band of the well layer 15b and the well layer 15d is made uniform.
  • the potential barrier of the valence band on the second light guide layer 14 side of the barrier layer 15a it is possible to suppress the wave function of holes from spreading to the second light guide layer 14 side.
  • the cross-correlation between the wave functions of electrons and holes is increased, and the amplification gain for the injected carriers in the well layer 15b can be increased, so that the oscillation threshold current value can be reduced.
  • the effect of suppressing the overflow of holes is the second when Si doping is performed on the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14.
  • the potential of the valence band of the light guide layer 14 also decreases. For this reason, it is possible to enhance the effect of suppressing the spreading of the wave function of holes to the second light guide layer 14 and suppressing the overflow of holes.
  • the effect of increasing the potential barrier of the valence band on the second light guide layer 14 side increases.
  • the potential barrier of the valence band increases and the band structure of the valence band of the well layer 15b and the well layer 15d. Can be sufficiently improved in uniformity.
  • FIG. 3 A semiconductor light emitting device according to the third embodiment will be described.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment is different from the semiconductor light emitting device according to the second embodiment in the configuration of the barrier layer of the active layer 15.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described focusing on differences from the semiconductor light emitting device according to the second embodiment.
  • the barrier layer 15a, the barrier layer 15c, and the barrier layer 15e are made of GaN instead of InGaN having an In composition ratio of 0.04.
  • each barrier layer GaN By making each barrier layer GaN, the band barrier of the valence band in each well layer can be increased.
  • the band structure changes so as to satisfy the electrical neutral condition at the interface due to the negative polarization charge generated at the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a. .
  • holes are generated due to the negative polarization charge. Accordingly, the potential at the interface increases. For this reason, in order to suppress the increase in the band potential of the valence band by compensating for the negative polarization charge generated at the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a, there is n in the region near this interface. It is effective to dope type impurities.
  • the semiconductor light emitting device has a structure in which the barrier layer 15a or at least one of the interfaces between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a is provided with a region doped with an n-type impurity.
  • the amplification gain of the semiconductor light emitting element can be increased, and the oscillation threshold current value necessary for laser oscillation can be reduced. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of hole overflow in which holes leak to the second light guide layer 14. For this reason, the temperature characteristics of the semiconductor light emitting device can be improved.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing an aspect of impurity doping according to the present embodiment.
  • the schematic diagram (a) of FIG. 26 shows the polarization charge per unit volume formed at the interface of each layer of the active layer 15.
  • the schematic diagram (b) shows the band structure in the vicinity of the active layer 15.
  • Schematic (c) shows an impurity doping profile when doping the barrier layer 15a
  • (d) shows an impurity doping profile when doping the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14. Show.
  • the semiconductor light emitting device has at least one of the barrier layer 15a or the interface between the second light guide layer 14 and the barrier layer 15a.
  • the structure has a region doped with an n-type impurity.
  • Si is doped as an impurity.
  • FIG. 27 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when the barrier layer 15a is doped with Si in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • the graph (a) in FIG. 27 shows the calculation result of the doping concentration dependency of the conduction band structure
  • the graph (b) shows the calculation result of the doping concentration dependency of the valence band band structure.
  • the Si doping concentration in the barrier layer 15a when the Si doping concentration in the barrier layer 15a is increased, the potential of the band structure of the valence band of the barrier layer 15a is lowered, and the valences of the well layer 15b and the well layer 15d are reduced.
  • the shape of the band structure of the electronic band is made uniform.
  • by increasing the potential barrier of the valence band on the second light guide layer 14 side of the barrier layer 15a it is possible to suppress the wave function of holes from spreading to the second light guide layer 14 side. This increases the cross-correlation of the electron and hole wave functions.
  • the amplification gain for the injected carriers in the well layer 15b can be increased, so that the oscillation threshold current value can be reduced.
  • the Si doping concentration in the barrier layer 15a increases, the effect of increasing the potential barrier in the valence band on the second light guide layer 14 side increases. From the result shown in the graph (b) of FIG. Is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more, the potential barrier of the valence band is increased, and the uniformity of the band structure of the valence band of the well layer 15b and the well layer 15d can be sufficiently enhanced.
  • FIG. 28 is a graph showing a conduction band structure and a valence band structure when Si is doped at the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14 in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • the graph (a) in FIG. 28 shows the calculation result of the doping concentration dependency of the conduction band structure
  • the graph (b) shows the calculation result of the doping concentration dependency of the valence band band structure.
  • Si is doped in a region within ⁇ 5 nm from the interface between the barrier layer 15 a and the second light guide layer 14.
  • the Si doping concentration at the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14 is increased, the potential of the band structure of the valence band of the barrier layer 15a is decreased, The shape of the band structure of the valence band of the well layer 15b and the well layer 15d is made uniform.
  • the potential barrier of the valence band on the second light guide layer 14 side of the barrier layer 15a it is possible to suppress the wave function of holes from spreading to the second light guide layer 14 side.
  • the cross-correlation between the wave functions of electrons and holes is increased, and the amplification gain for the injected carriers in the well layer 15b can be increased, so that the oscillation threshold current value can be reduced.
  • the effect of suppressing the overflow of holes is that the forbidden band energy of the barrier layer 15a is larger when the barrier layer 15a is doped with Si.
  • the effect of lowering the potential of the valence band is great. For this reason, it is possible to enhance the effect of suppressing the spreading of the wave function of holes to the second light guide layer 14 and suppressing the overflow of holes.
  • the result of doping impurities into the interface between the barrier layer 15a and the second light guide layer 14 or one of the barrier layers 15a is shown.
  • the effect of suppressing the spreading of the wave function of holes to the second light guide layer 14 and the effect of suppressing overflow of holes can be enhanced.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment performs impurity doping on the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13 and the interface between the first light guide layer 13 and the second light guide layer 14. This is different from the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 29 with a focus on differences from the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 29 is a schematic diagram showing the relationship between the impurity doping profile of the semiconductor light emitting device according to this embodiment and the forbidden band energy distribution.
  • a schematic diagram (a) of FIG. 29 shows an impurity doping profile of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment, and a schematic diagram (b) shows a forbidden bandwidth energy distribution of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment. .
  • the semiconductor light emitting device is the same as the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, and further includes the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13, and In a structure in which n-type impurities made of Si are doped at relatively high concentrations with concentrations of N2 and N3 in a region within ⁇ 5 nm from the interface between the first light guide layer 13 and the second light guide layer 14, respectively. is there.
  • FIG. 30 is a graph showing the calculation result of the Al composition ratio dependence of the first semiconductor layer 12 and the second semiconductor layer 19 of the operating voltage at the time of 300 mA operation in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • the line in each graph shows the coordinate of the same operating voltage, and the numerical value attached
  • Graphs (a), (b), and (c) of FIG. 30 respectively show the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13 and the first light guide layer 13 and the second light guide layer 14.
  • the calculation results in the case where Si doping of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 , 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 1 is performed at the interface with the substrate are shown.
  • the Si doping concentration at the interface is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1
  • the operating voltage increases when the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 made of n-type AlGaN is increased to 0.04 or more.
  • the doping concentration is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more
  • the operating voltage is constant even if the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 is increased. Therefore, by doping Si at the interface with 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more, if the Al composition ratio is within 0.08, the occurrence of deformation of the band structure due to the polarization charge generated at the interface is suppressed. Therefore, it is possible to further reduce the operating voltage.
  • the operating voltage at the time of 300 mA operation can be reduced by about 0.03 V by doping 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 Si at the interface.
  • Auger non-radiative recombination between electrons and holes tends to occur at the interface because there are many electrons in the n-type region.
  • Auger non-emissive recombination occurs at the heterointerface, the temperature in the region near the non-radiative recombination center locally increases, and lattice defects increase due to the difference in lattice constants. Leads to.
  • the concentrations N2 and N3 may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more, and need not be the same size.
  • the hetero interface may be doped so as to have an impurity concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more, and the impurity doping concentration may be lowered in a region other than the hetero interface.
  • the width of the high-concentration impurity region is equivalently reduced, the generation of free carrier loss is reduced and the waveguide loss is reduced. As a result, the operating current value is reduced and the temperature characteristics are improved.
  • the semiconductor light emitting element according to the present embodiment is different from the semiconductor light emitting element 100 according to the first embodiment in that it has a configuration for further reducing the waveguide loss.
  • the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 31 with a focus on differences from the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 31 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor light emitting device 500 according to the present embodiment.
  • the semiconductor light emitting device 500 according to the present embodiment further includes a conductive oxide film 33 in addition to the configuration of the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • the conductive oxide film 33 is a film disposed between the contact layer 20 on the ridge and the p-side electrode 32.
  • the conductive oxide film 33 has transparency to visible light such as tin-doped indium oxide (ITO), Ga-doped zinc oxide, Al-doped zinc oxide, and In and Ga-doped zinc oxide.
  • ITO tin-doped indium oxide
  • Ga-doped zinc oxide Ga-doped zinc oxide
  • Al-doped zinc oxide Al-doped zinc oxide
  • In and Ga-doped zinc oxide In and Ga-doped zinc oxide.
  • An oxide film exhibiting low resistance electrical conductivity.
  • the conductive oxide film 33 has a low refractive index and is formed between the contact layer 20 and the p-side electrode 32, absorption loss in the p-side electrode of light propagating through the waveguide can be suppressed. Further, due to the low refractive index, the light confinement action is strong, and even if the ridge height H shown in FIG. 31 is lowered to 0.45 ⁇ m or less, the light distribution oozes out to the p-side electrode 32, thereby absorbing loss. Can be prevented from occurring.
  • the p-type AlGaN layer forming the ridge has a higher resistivity than the n-type AlGaN, reducing the ridge height H (the thickness of the second semiconductor layer 19 in the ridge portion) reduces the semiconductor light emitting device 500. This is effective in reducing the series resistance.
  • ITO having a film thickness of 0.2 ⁇ m is used as the conductive oxide film 33.
  • FIG. 32 is a graph showing calculation results of the optical confinement coefficient and the effective refractive index difference of the semiconductor light emitting device 500 according to the present embodiment.
  • Graphs (a), (b), (c), (d), and (e) in FIG. 32 show ridge heights H of 0.25 ⁇ m, 0.35 ⁇ m, 0.45 ⁇ m, 0.55 ⁇ m, and 0.35 ⁇ m, respectively.
  • the calculation result in the case of 65 ⁇ m is shown.
  • the effective refractive index difference ⁇ N inside and outside the ridge is the difference between the effective refractive index of the light distribution in the stacking direction inside the ridge and the effective refractive index of the light distribution in the stacking direction outside the ridge.
  • ⁇ N When ⁇ N is large, confinement of the light distribution in the horizontal direction inside and outside the ridge (direction parallel to the stack interface) becomes large, and the horizontal light distribution is strongly confined inside the ridge.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is reduced, the maximum order of the horizontal transverse mode capable of propagating through the waveguide is reduced.
  • the fundamental transverse mode with the lowest order is the 0th order mode
  • nonlinear bending kink
  • the stability of the light output power of the light emitting element is impaired. Therefore, it is necessary to set the effective refractive index difference ⁇ N to a certain fixed value or more so that at least the high-order horizontal transverse mode of the secondary mode is not cut off.
  • the ridge width W When the ridge width W is large, the maximum order of the horizontal transverse mode that is cut off increases, and the required effective refractive index difference ⁇ N decreases.
  • the ridge width W is 10 ⁇ m to 30 ⁇ m, unless the effective refractive index difference ⁇ N is 3 ⁇ 10 ⁇ 3 or more, the horizontal transverse modes having three or more different orders are not easily laser-oscillated at the same time.
  • the ridge width W is 40 ⁇ m or more, if the effective refractive index difference ⁇ N is 1 ⁇ 10 ⁇ 4 or more, at least the fundamental transverse mode to the secondary higher-order horizontal transverse mode stably oscillate simultaneously, and the kink Generation can be suppressed.
  • the order of the horizontal transverse mode capable of guiding the ridge stripe increases abruptly. If the effective refractive index difference ⁇ N is larger than 0, at least the second order higher order horizontal transverse from the fundamental transverse mode. The mode stabilizes and laser oscillation occurs simultaneously.
  • an ITO film is formed as the conductive oxide film 33 between the contact layer 20 on the ridge and the p-side electrode 32.
  • the second light guide layer in order that the effective refractive index difference ⁇ N is 1 ⁇ 10 ⁇ 4 or more in the range where the ridge height H is 0.25 ⁇ m or more and 0.65 ⁇ m or less, the second light guide layer
  • the total film thickness of 14 and the third light guide layer 16 may be 0.45 ⁇ m or less.
  • the second light guide layer and the third light guide layer are It can be seen that the total film thickness may be 0.3 ⁇ m or less. If the ridge width W is 50 ⁇ m or more, the waveguide loss decreases as the total film thickness of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 increases. However, if the total film thickness of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 becomes too thick, the undoped region of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 also becomes thick and the resistance increases. To do. For this reason, the total film thickness of the second light guide layer and the third light guide layer may be 0.6 ⁇ m or less.
  • the conductive oxide film 33 is formed between the contact layer 20 on the ridge and the p-side electrode 32, a rapid increase in waveguide loss can be suppressed even if the ridge height H is lowered to 0.35 ⁇ m.
  • Setting the thickness in the range of 0.25 ⁇ m or more and 0.45 ⁇ m or less is particularly effective because the series resistance of the semiconductor light emitting device can be reduced.
  • the conductive oxide film 33 made of ITO having a thickness of 0.2 ⁇ m is formed on the ridge in the semiconductor light emitting device 100 according to the first embodiment.
  • the waveguide loss is 1.6 cm. It can be suppressed to -1 .
  • the effective refractive index difference ⁇ N is as small as about 1 ⁇ 10 ⁇ 3 , the occurrence of kinks in the current-light output characteristics can be suppressed by setting the ridge width W to 40 ⁇ m or more.
  • the waveguide It is possible to realize a waveguide with a very low loss with a loss of 1.8 cm ⁇ 1 and 2 cm ⁇ 1 or less. Even in this configuration, since the effective refractive index difference ⁇ N is as small as about 1 ⁇ 10 ⁇ 3 , the occurrence of kinks in the current-light output characteristics can be suppressed by setting the ridge width W to 40 ⁇ m or more.
  • the second light guide layer is formed in the range of the ridge height H from 0.25 ⁇ m to 0.65 ⁇ m.
  • the waveguide loss is 3 cm ⁇ 1 or less.
  • the waveguide loss is 2 cm ⁇ 1 or less.
  • the ridge width W is 50 ⁇ m or more, the effective refractive index difference ⁇ N is small, but kink is less likely to occur, and the total film thickness of the second light guide layer and the third light guide layer is 0.5 ⁇ m or more.
  • An ultra-low loss waveguide of 1.5 cm ⁇ 1 or less can be realized.
  • the ridge height H is changed from 0.45 ⁇ m to 0.
  • the waveguide loss is 4 cm ⁇ 1 or less. If the total film thickness of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 is 0.36 ⁇ m or more, the waveguide loss becomes 3 cm ⁇ 1 or less, and the second light guide layer 14 and the third light guide layer When the total film thickness with 16 is 0.4 ⁇ m or more, the waveguide loss is 2 cm ⁇ 1 or less.
  • the ridge width W is 50 ⁇ m or more, the effective refractive index difference ⁇ N is small, but kink hardly occurs, and the total film thickness of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 is 0.5 ⁇ m or more. Then, an ultra-low loss waveguide of 1.5 cm ⁇ 1 or less can be realized.
  • the waveguide loss becomes 5 cm ⁇ 1 or less.
  • the waveguide loss becomes 4 cm ⁇ 1 or less, and the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16
  • the waveguide loss is 2 cm ⁇ 1 or less.
  • the conductive oxide film 33 made of ITO is formed on the ridge, since the conductive oxide film 33 has a low refractive index, the spread of the light distribution formed in the waveguide to the p-side electrode 32 is reduced. As a result, light absorption at the p-side electrode is reduced and waveguide loss is reduced. As described above, in order to reduce the waveguide loss, the total film thickness of the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16 may be increased. This is because not only the light distribution in the stacking direction is concentrated in the active layer having a high refractive index, but the spread of the light distribution to the p-side electrode 32 is suppressed, and the n-type layer or p-type having a high electron or hole concentration. This is because the free carrier loss is reduced because the proportion of light distribution in the layer is reduced.
  • a polarization charge is generated in a region near the interface between the second light guide layer 14 and the third light guide layer 16.
  • the impurity doping reduces the effective refractive index difference ⁇ N inside and outside the ridge of the light distribution, thereby reducing the horizontal lateral light confinement.
  • the ridge width W is 30 ⁇ m or less
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 3 ⁇ 10 ⁇ 3 or less
  • the horizontal transverse modes of three or more orders are stabilized and the laser oscillation is difficult at the same time, and the current-light output characteristics are improved. Kink occurs.
  • the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 is set to the second semiconductor. It is effective to raise it higher than the layer 19. This is because, in AlGaN, when the Al composition ratio is increased, the refractive index is lowered. Therefore, the light distribution is biased toward the second semiconductor layer 19 having a high refractive index. This is because the effect of the difference in the rate increases, so that the effective refractive index difference ⁇ N can be increased.
  • the conductive oxide film 33 made of ITO is formed on the ridge and the ridge height H is set low to 0.45 ⁇ m or less, the series resistance of the semiconductor light emitting device 500 is reduced, and the light distribution p in the stacking direction is reduced. The existence ratio inside the ridge that is the mold layer is reduced. For this reason, free carrier loss is reduced, and generation of absorption loss at the p-side electrode 32 can be suppressed.
  • Si is doped into the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13 and the interface between the first light guide layer 13 and the second light guide layer 14.
  • concentration 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1
  • the operating voltage increases when the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 is increased to 0.04 or more.
  • the doping concentration of Si at the interface is 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more
  • the operating voltage is constant even when the Al composition ratio of the first semiconductor layer 12 is increased. Therefore, when doping Si at the interface with 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more, if the Al composition ratio is within 0.08, the occurrence of deformation of the band structure due to the polarization charge generated at the interface is suppressed. be able to. Thereby, it is possible to further reduce the operating voltage.
  • the interface where Si is doped by 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 1 or more is the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13. Even if only the interface between the first semiconductor layer 12 and the first light guide layer 13 among the interfaces between the first light guide layer 13 and the second light guide layer 14, the effect of lowering the operating voltage is obtained. be able to.
  • the blue laser element having an oscillation wavelength of 450 nm band has been described.
  • the present disclosure can also be applied to a blue-violet laser element having an oscillation wavelength of 405 nm.
  • the semiconductor light emitting element is a semiconductor laser element.
  • the semiconductor light emitting element is not limited to the semiconductor laser element.
  • the semiconductor light emitting device may be a super luminescent diode.
  • current confinement is realized using a ridge structure, but means for realizing current confinement is not limited to this, and an electrode stripe structure Alternatively, an embedded structure or the like may be used.
  • the semiconductor light emitting device of the present disclosure can be applied to an in-vehicle headlight light source as a light source with low power consumption, for example, even in high temperature operation.
  • GaN substrate 12 1st semiconductor layer 13 1st light guide layer 14 2nd light guide layer 15, 415 Active layer 15a, 15c, 15e Barrier layer 15b, 15d Well layer 16 3rd light guide layer 16a Composition ratio inclination area

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Abstract

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

Description

半導体発光素子
　本開示は、半導体発光素子に関する。
　昨今、ＬＥＤよりも発光強度の高い半導体レーザ素子を光源として用いることで、明るさを高めた車載レーザヘッドライト光源が注目されている。
　車載ヘッドライト光源に使用される半導体レーザ素子として、波長４５０ｎｍ帯において、８５℃の高温でワット級の高出力動作を行っても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力青色半導体レーザ素子が要望されている。
　このような超高出力の青色レーザ光で蛍光体を励起し、黄色光を得ることができれば、全体として白色の超高出力光源を得ることが可能となる。
　このような高信頼性の超高出力半導体レーザ素子を実現するためには、レーザ発振動作中の自己発熱を可能な限り抑制する必要がある。このため、超高出力半導体レーザ素子において、低動作電流かつ低電圧動作による超低消費電力動作を実現する必要がある。
　低動作電流を実現するためには、８５℃の高温動作時においても、活性層に注入された電子が熱的に励起されて、活性層からｐ型クラッド層へ漏れ出す無効電流（つまり、漏れ電流）の発生を抑制することが重要である。
　漏れ電流の発生抑制には、ｐ型クラッド層と活性層との間に、特許文献１及び２に示すように、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を用いることが効果的である。このような構成とすれば、活性層に注入された電子が、熱的に励起されても、バンドギャップエネルギーの高い電子障壁層を超えることが難しくなり、漏れ電流の発生を抑制することが可能となる。
特開２００２－２７０９７１号公報 国際公開第２０１７／１９５５０２号
　例えば、特許文献１に開示された半導体発光素子の構造について図３３を用いて説明する。図３３は、特許文献１に開示された半導体発光素子の層構造を示す模式図である。図３３の構造図（ａ）及びグラフ（ｂ）は、それぞれ、特許文献１に開示された半導体発光素子の積層構造、及び、バンド構造を示す。図３３に示すように、特許文献１に開示された半導体発光素子においては、活性層２１２がｎ型層２１１とｐ型層２１３とで挟まれている。活性層２１２と上部クラッド層２３０との間には、バンドギャップエネルギーが上部クラッド層２３０よりも高い電子障壁層に相当するｐ側電子閉じ込め層２２８が配置されている。この構造によれば、高温動作時においても、活性層２１２に注入された電子は、ＡｌＧａＮからなるｐ側電子閉じ込め層２２８のエネルギー障壁により上部クラッド層２３０へ漏れにくくなる。
　次に、特許文献２に開示された半導体発光素子について図３４を用いて説明する。図３４は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。特許文献２には、図３４に示すように、ＡｌＧａＮからなる電子障壁層４１８の活性層４１５側の界面においてＡｌ組成比を徐々に変化させている。これにより、当該界面において形成される分極電界を、Ａｌ組成比が変化している領域に分散させて、電子障壁層４１８の分極電界によるバンド構造の変化を低減し、低動作電圧化を図っている。
　ここで、電子障壁層のｎ型クラッド層側のＡｌ組成比を、活性層側からｐ型クラッド層側に向けて、徐々に増大させると、分極電界とバンドギャップとを徐々に変化させることが可能となる。この時、分極電界による価電子帯のバンド構造の変化と、バンドギャップエネルギーの変化とを相殺させることができれば、電子障壁層の正孔に対するエネルギー障壁の増大を抑制しつつ、電子に対するエネルギー障壁を増大させることが可能となる。
　しかしながら、Ａｌ組成比を変化させることで、電子障壁層の正孔に対するエネルギー障壁の増大抑制と電子に対するエネルギー障壁増大効果とは得られるものの、低電圧化の効果が不十分である。
　上述のとおり、車載ヘッドライト光源用には、８５℃の高温でワット級の高出力動作を行っても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力青色半導体レーザ素子が要望されており、その消費電力を可能な限り低減する必要がある。このためには、導波路損失の低減、漏れ電流の抑制、動作電圧の低減を同時に行う必要がある。
　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温動作においても、低消費電力の半導体発光素子を提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る半導体発光素子は、ＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む第１半導体層と、前記第１半導体層の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む活性層と、前記活性層の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む電子障壁層と、前記電子障壁層の上方に配置され、前記第１導電型と異なる第２導電型の窒化物系半導体を含む第２半導体層とを備え、前記電子障壁層は、前記ＧａＮ基板の主面と垂直な積層方向においてＡｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、前記第１領域と前記第２半導体層との間に配置され、前記積層方向においてＡｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有し、前記第１領域及び前記第２領域において、Ａｌ組成比は前記活性層から前記第２半導体層に向かう方向に対して単調増加し、前記第２の変化率は前記第１の変化率よりも大きい。
　本開示により、電子障壁層に形成される分極電荷面密度は、活性層側から積層方向に、傾きが小さい直線的な変化から、傾きの大きい直線的な変化を伴い増大する。この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、電子障壁層内で、活性層側から積層方向に、その大きさが２段階に増大する正の分極電荷が形成される。
　この結果、電子障壁層の活性層側界面に生じる正の分極電荷面密度が低下する。このとき、活性層側の界面には、電気的中性条件を満足させるために、電子が誘引されるが、電子障壁層内の活性層近傍領域の正の分極電荷密度が小さいため、この界面に電気的に誘因される電子濃度も小さくなる。
　このため、電子障壁層の活性層側界面に生じた電子の影響によるバンド電位の低下が抑制され、価電子帯に形成される正孔に対する電位障壁が小さくなり、伝導帯に形成される電子に対する電位障壁が増大する。
　この結果、高温高出力動作時において、電子が熱的に励起されて電子障壁層を超えて、第２半導体層に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制する効果が増大する。
　この結果、従来の電子障壁層と比較して、より低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい半導体発光素子を実現することができる。また、半導体発光素子の自己発熱が低減される結果、高温動作時においても、低消費電力である半導体発光素子を得ることが可能となる。
　本開示によれば、高温動作においても、低消費電力の半導体発光素子を提供できる。
図１Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る活性層の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。 図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。 図３は、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の構成を示す模式図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第１例を示す模式図である。 図４Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第２例を示す模式図である。 図５Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第３例を示す模式図である。 図５Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第４例を示す模式図である。 図５Ｃは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第５例を示す模式図である。 図５Ｄは、実施の形態１に係る半導体発光素子の電子障壁層の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第６例を示す模式図である。 図６は、実施の形態１に係る電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成比分布の一例を示す図である。 図７は、実施の形態１に係る電子障壁層の積層方向におけるＡｌ組成比分布の他の一例を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第１の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、比較例２に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第２の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体発光素子の第３の構成例のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、比較例３に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、シミュレーションにおいて用いた電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を示す模式図である。 図１４は、電子障壁層の膜厚が５ｎｍである場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１５は、電子障壁層の膜厚が１５ｎｍである場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図１６は、実施の形態１に係る半導体発光素子における第２半導体層の不純物ドーピングプロファイルを示す模式図である。 図１７Ａは、実施の形態１に係る半導体発光素子における動作電圧の低不純物濃度領域の不純物濃度依存性を示すグラフである。 図１７Ｂは、実施の形態１に係る半導体発光素子における導波路損失の低不純物濃度領域の不純物濃度依存性を示すグラフである。 図１８は、実施の形態１に係る低不純物濃度領域の不純物ドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ－３から１×１０１９ｃｍ－３まで変化させた場合の価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルの計算結果を示すグラフである。 図１９は、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を、形状ａ、形状ｂ及び形状ｃとした場合における半導体発光素子の特性を示すグラフである。 図２０は、実施の形態２に係る半導体発光素子の第３光ガイド層の組成比傾斜領域における分極電荷の形成を説明する模式図である。 図２１は、比較例４に係る半導体発光素子の第３光ガイド層における分極電荷の形成を説明する模式図である。 図２２Ａは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３、１×１０１９ｃｍ－３及び２×１０１９ｃｍ－３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２２Ｂは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３、１×１０１９ｃｍ－３及び２×１０１９ｃｍ－３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２２Ｃは、Ｍｇドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３、１×１０１９ｃｍ－３及び２×１０１９ｃｍ－３である場合における実施の形態２に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。 図２３は、実施の形態２に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。 図２４は、実施の形態２に係る半導体発光素子において、バリア層にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２５は、実施の形態２に係る半導体発光素子において、バリア層と第２光ガイド層との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２６は、実施の形態３に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。 図２７は、実施の形態３に係る半導体発光素子において、バリア層にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２８は、実施の形態３に係る半導体発光素子において、バリア層と第２光ガイド層との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。 図２９は、実施の形態４に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルと、禁制帯幅エネルギー分布との関係を示す模式図である。 図３０は、実施の形態４に係る半導体発光素子において、３００ｍＡ動作時の動作電圧の第１半導体層及び第２半導体層のＡｌ組成比依存性の計算結果を示すグラフである。 図３１は、実施の形態５に係る半導体発光素子の概略構成を示す模式的な断面図である。 図３２は、実施の形態５に係る半導体発光素子の光閉じ込め係数及び実効屈折率差の計算結果を示すグラフである。 図３３は、特許文献１に開示された半導体発光素子の層構造を示す模式図である。 図３４は、特許文献２に開示された半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布を示す模式図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。従って、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。従って、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
　（実施の形態１）
　［１－１．全体構成］
　実施の形態１に係る半導体発光素子の全体構成について図１Ａを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の概略構成を示す模式的な断面図である。
　本実施の形態に係る半導体発光素子１００は、窒化物系の半導体レーザ素子である。図１Ａには、半導体発光素子１００の共振方向に垂直な断面が示されている。
　図１Ａに示すように、半導体発光素子１００は、ＧａＮ基板１１と、第１半導体層１２と、活性層１５と、電子障壁層１８と、第２半導体層１９とを備える。本実施の形態では、半導体発光素子１００は、さらに、第１光ガイド層１３と、第２光ガイド層１４と、第３光ガイド層１６と、中間層１７と、コンタクト層２０と、電流ブロック層３０と、ｎ側電極３１と、ｐ側電極３２とを備える。
　第１半導体層１２は、ＧａＮ基板１１の上方に配置され、第１導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、第１導電型はｎ型である。第１半導体層１２は、膜厚１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層からなる。
　第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２の上方に配置され、膜厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮからなる第１導電型の半導体層である。
　第２光ガイド層１４は、第１光ガイド層１３の上方に配置され、膜厚１８５ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。
　活性層１５は、第１半導体層１２の上方に配置され、Ｇａ又はＩｎを含む窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、活性層１５は、第２光ガイド層１４の上方に配置され、アンドープの多重量子井戸を含む。
　第３光ガイド層１６は、活性層１５の上方に配置され、膜厚９０ｎｍのＩｎＧａＮからなる層である。
　中間層１７は、電子障壁層１８と活性層１５との間に配置され、窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、中間層１７は、電子障壁層１８と第３光ガイド層１６との間に配置され、膜厚３ｎｍの第２導電型のＧａＮを含む。第２導電型は第１導電型と異なる導電型であり、本実施の形態ではｐ型である。
　電子障壁層１８は、活性層１５の上方に配置され、少なくともＡｌを含む窒化物系半導体を含む第２導電型の層である。本実施の形態では、電子障壁層１８は、中間層１７と、第２半導体層１９との間に配置され、ｐ型のＡｌＧａＮからなる。
　第２半導体層１９は、電子障壁層１８の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む第２導電型の半導体層である。本実施の形態では、第２半導体層１９は、膜厚６６０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層である。
　コンタクト層２０は、第２半導体層１９の上方に配置され、第２導電型の窒化物系半導体を含む層である。本実施の形態では、コンタクト層２０は、膜厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮよりなる。
　電流ブロック層３０は、第２半導体層１９の上方に配置され、活性層１５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。本実施の形態では、電流ブロック層３０は、ＳｉＯ２からなる。
　ｎ側電極３１は、ＧａＮ基板１１の下方に配置される導電層である。ｎ側電極３１は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
　ｐ側電極３２は、コンタクト層２０の上方に配置される導電層である。本実施の形態では、ｐ側電極３２は、コンタクト層２０及び電流ブロック層３０の上方に配置される。ｐ側電極３２は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
　半導体発光素子１００の第２半導体層１９には、リッジが形成されている。本実施の形態では、リッジ幅Ｗは、３０μｍ程度である。また、図１Ａに示すように、リッジ下端部と活性層との距離をｄｐとしている。
　ここで、本実施の形態においては、活性層１５に垂直方向（基板法線方向）に光を閉じこめるために、ｎ型ＡｌＧａＮ層からなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０３５（３．５％）としている。この結果、第１半導体層１２及び第２半導体層１９の屈折率は、半導体発光素子１００で発生する光分布の実効屈折率よりも小さくなるため、第１半導体層１２及び第２半導体層１９はクラッド層として機能する。
　ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９のＡｌ組成比を大きくすると、活性層１５と、クラッド層として機能する第１半導体層１２及び第２半導体層１９との屈折率差を大きくすることができる。これにより、活性層１５の積層方向（つまり、ＧａＮ基板１１の主面に垂直な方向）に光を強く閉じ込めることが可能となり、発振しきい電流値を小さくすることが可能となる。しかしながらＡｌＧａＮ層とＧａＮ基板との熱膨張係数の差のために、ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比を大きくしすぎると格子欠陥が生じ信頼性の低下につながる。従って、本実施の形態では、第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比を０．０５（つまり、５％）以下とする。
　続いて、本実施の形態に係る活性層１５について図１Ｂを用いて説明する。図１Ｂは、本実施の形態に係る活性層１５の積層方向に対する伝導帯エネルギー分布を示すグラフである。活性層１５は、波長４５０ｎｍのレーザ発振を得るために、図１Ｂに示すように、膜厚３ｎｍ、Ｉｎ組成比０．１６（つまり、１６％）のＩｎＧａＮからなる２層のウェル層１５ｂ及び１５ｄを備えたＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）構造を有する。バリア層１５ａ、１５ｃ及び１５ｅは、それぞれ、膜厚７ｎｍ、膜厚７ｎｍ及び膜厚５ｎｍでＩｎ組成比０．０４（つまり、４％）のＩｎＧａＮからなる。ウェル層においては、４５０ｎｍ帯のレーザ発振光を得るために、１５％以上の高Ｉｎ組成比が必要である。この場合、ウェル層とＧａＮ基板１１との格子不整が１．７％以上となり、その膜厚を厚くしすぎると、格子欠陥が生じてしまう。逆に、薄くしすぎると、ウェル層への積層方向の光閉じ込め係数が小さくなり、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなるため、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。従って、本実施の形態では、ウェル層の膜厚は、例えば、２．７ｎｍ以上、３．３ｎｍ以下である。
　また、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６は、Ｉｎを含むことで屈折率をｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層からなる第２半導体層１９よりも高めた層である。これにより、リッジに対応する導波路を伝搬する光分布の実効屈折率を高め、第１半導体層１２及び第２半導体層１９による光分布の積層方向への閉じ込め作用を高めることができる。
　ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が小さいと、ウェル層への垂直方向の光閉じ込めが小さくなるため、発振しきい値及び動作キャリア密度が高くなる。この結果、高温動作時の漏れ電流の増大につながる。逆に、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比が大きいと、ＧａＮ基板１１との格子不整の増大により、格子欠陥が生じやすくなる。このため、格子欠陥が生じずに、ウェル層への垂直方向の光閉じ込め係数を増大させるために、本実施の形態では、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比は、例えば、０．０３（つまり、３％）以上、０．０６（つまり、６％）以下である。本実施の形態においては、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６のＩｎ組成比を０．０３（つまり、３％）として、格子欠陥の発生の抑制と、ウェル層への垂直方向の光閉じ込め係数の増大とを両立させている。
　また、第１光ガイド層１３は、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４の有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、第１半導体層１２及び第２光ガイド層１４の有する各禁制帯幅エネルギーの大きさの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。この結果、第２光ガイド層１４をＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２の直上に形成する場合と比較して、界面で生じる分極電荷によるバンド構造のスパイク状の変形を抑制でき、電子の活性層１５への伝導を容易にすることができる。
　また、中間層１７は、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各格子定数の間の大きさの格子定数を有し、かつ、電子障壁層１８及び第３光ガイド層１６の有する各禁制帯幅エネルギーの大きさの間の大きさの禁制帯幅エネルギーを有するＧａＮ層である。
　また、Ｉｎを含む圧縮性の格子歪を有する第２光ガイド層１４、活性層１５、第３光ガイド層１６を形成し、その直上に引っ張り性の格子歪を有するＡｌＧａＮ層を形成すると界面に生じる応力が大きくなり、結晶欠陥が生じる可能性がある。中間層１７を、膜厚３ｎｍのＧａＮとすれば、界面の応力を緩和させることができる。
　また、中間層１７が厚くなりすぎると、屈折率の低い第２半導体層１９が活性層１５から離れるため、活性層１５への積層方向の光の閉じ込め効果が弱まる。そこで、中間層１７の膜厚を１０ｎｍ以下のできるだけ薄い膜厚とする。本実施の形態に係る半導体発光素子では、中間層１７の膜厚を３ｎｍとしている。
　また、リッジ側面上に、膜厚０．１μｍのＳｉＯ２からなる誘電体の電流ブロック層３０が形成されている。この構造において、コンタクト層２０から注入された電流は電流ブロック層３０によりリッジ部のみに狭窄されるため、活性層１５のうちリッジ底部下方に位置する領域に集中して電流注入される。これにより、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態は百ｍＡ程度の注入電流により実現される。活性層１５へ注入された電子及び正孔からなるキャリアの再結合により発生した光は、活性層１５の積層方向へは、第２光ガイド層１４、第３光ガイド層１６、第１半導体層１２及び第２半導体層１９により閉じ込められる。一方、活性層１５と平行な方向（積層方向と垂直な方向。以下、水平方向ともいう）に対しては、電流ブロック層３０が第１半導体層１２及び第２半導体層１９よりも屈折率が低いため、光閉じ込めが可能となる。また、電流ブロック層３０はレーザ発振光に対する光吸収が小さいため、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光分布は電流ブロック層３０に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０－３のオーダのΔＮ（リッジ内外の積層方向実効屈折率の差）を精密に実現できる。さらにΔＮの大きさを電流ブロック層３０と活性層１５との間の距離（ｄｐ）の大きさに応じて、同じく１０－３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の半導体発光素子１００を得ることができる。本実施の形態においては、ΔＮが４．８×１０－３となるように制御することで、水平方向の光閉じ込めを行っている。
　電子障壁層１８は、ｐ型のＧａＮからなる中間層１７上に形成され、電子障壁層１８の禁制帯幅エネルギーの大きさは、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のそれよりも大きい。このように設定することで、電子障壁層１８の伝導帯バンドの電位を高くし、エネルギー障壁を形成することができる。この結果、活性層１５に注入された電子が熱的に励起されて第２半導体層１９に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制できるため、半導体発光素子１００の高温動作特性を向上させることができる。
　ここで、ＡｌＧａＮからなる層の禁制帯幅エネルギーはＡｌ組成比に比例して大きくなる。従って、本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第２半導体層１９のＡｌ組成比よりも高く、例えば、０．１５（つまり、１５％）以上である。
　本実施の形態では、ＩｎＧａＮからなる第３光ガイド層１６の直上の層のうち、Ａｌを含有しない領域が中間層１７である。中間層１７の直上のＡｌを含む領域のうち、第２半導体層１９より下方の領域が電子障壁層１８である。電子障壁層１８においては、Ａｌ組成比が下方から上方に向かって徐々に増大して、１５％以上の最大値を有する。電子障壁層１８においては、当該最大値を有する位置から、さらに上方に向かってＡｌ組成比は減少し、第２半導体層１９側の界面において、第２半導体層１９のＡｌ組成比と一致する。
　電子障壁層１８のＡｌ組成比の分布形状については、後で詳細に説明する。
　［１－２．比較例の電子障壁層の構成］
　続いて、本実施の形態に係る電子障壁層１８の作用及び効果の説明に先立ち、比較例に係る電子障壁層構成について図２を用いて説明する。図２は、比較例１に係る半導体発光素子の電子障壁層１８Ａの構成を示す模式図である。模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ比較例１に係る半導体発光素子のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８Ａの分極電荷面密度分布、分極電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。
　比較例１に係る半導体発光素子は、電子障壁層１８ＡのＡｌ組成比の分布において本実施の形態に係る半導体発光素子１００と相違する。図２の模式図（ａ）に示すように、比較例１に係る電子障壁層１８ＡのＡｌ組成比は、活性層１５側から第２半導体層１９側に向かって直線的に増大する。なお、図２の模式図（ａ）に示すように、第３光ガイド層１６は、組成比傾斜領域１６ａを含むが、この点においては、本実施の形態に係る半導体発光素子１００と相違しない。
　窒化物半導体に形成される分極電荷面密度は、その構成層に係る歪によるピエゾ分極成分と、原子組成で決まるに自然分極成分の和に依存する。従って、各層に生じる分極電荷の面密度は、歪によるピエゾ分極成分と自然分極成分との和で構成される。各層に生じる歪の大きさと自然分極の大きさとは共に、原子組成に比例する。このため、ＡｌＧａＮ層に形成される分極電荷の面密度は、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成に比例する。したがって、Ａｌ組成比が直線的に増大する比較例１の電子障壁層１８Ａに形成される分極電荷面密度は、図２の模式図（ｂ）に示すように、直線的に増大する。
　この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図２の模式図（ｃ）に示すように、形成される分極電荷の量は、電子障壁層１８Ａ内で一定である。
　電子障壁層１８Ａの活性層１５側の領域では正の分極電荷が、活性層１５から遠い方の界面では負の分極電荷が、それぞれ形成される。この結果、図２の模式図（ｃ）に示すように、両界面には、電気的中性条件を満足させるために、逆極性のキャリアが誘引されるが、電子障壁層１８Ａ内の正の分極電荷密度が比較的小さいため、誘引される電子の濃度は比較的小さくなる。例えば、電子障壁層が層内で均一のＡｌ組成比を有する場合より、比較例１では、界面に誘引される電子の濃度は比較的小さくなる。
　このため、図２の模式図（ｄ）に示すように、電子障壁層１８Ａの活性層１５側界面に生じた電子のために負の電界が生じるが、その電子濃度が小さいため、図２の模式図（ｅ）に示すように電子障壁層１８Ａの活性層１５に接する界面の電位の低下を抑制できる。また、電子障壁層１８Ａの活性層１５側のＡｌ組成比が小さく、禁制帯幅エネルギー（つまり、バンドギャップエネルギー）が小さい。このため、活性層１５側正孔に対して価電子帯に形成される電位障壁を抑制でき、動作電圧を低減できる。
　［１－３．実施の形態１に係る電子障壁層の構成］
　続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の構成を示す模式図である。模式図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００のバンドギャップエネルギー分布、電子障壁層１８の分極電荷面密度分布、分極電荷分布、電界分布及びバンド構造を示す。
　本実施の形態に係る半導体発光素子１００では、電子障壁層１８は、活性層１５側から順にＡｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比の変化率の大きい第２領域とを有する。
　このため、電子障壁層１８に形成される分極電荷面密度分布は、図３の模式図（ｂ）に示すように、比較的小さい傾きで変化する領域と、比較的大きい傾きで変化する領域とを有する。
　この場合、分極電荷の大きさは分極電荷面密度の変化率に比例するため、図３の模式図（ｃ）に示すように、分極電荷は、電子障壁層１８内で、図２の模式図（ｃ）に示した分布に対して活性層１５側で、その大きさが小さい。また、本実施の形態では、分極電荷の大きさが積層方向の位置に応じて２段階に変化する。
　電子障壁層１８の活性層１５側の界面では正の分極電荷が、活性層１５から遠い側の界面では負の分極電荷が、それぞれ形成される。この結果、図３の模式図（ｃ）に示すように、両界面には、電気的中性条件を満足させるために、逆極性のキャリアが誘引される。本実施の形態では、電子障壁層１８内の活性層１５側の領域における正の分極電荷密度が小さいため、図２の模式図（ｃ）に示した場合よりも電子濃度は小さくなる。
　このため、図３の模式図（ｄ）に示すように、電子障壁層１８の活性層１５側界面に誘引された電子のために負の電界が生じるが、その電子濃度が比較例１より小さくなる。従って、図３の模式図（ｅ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５に接する界面の電位の低下量が低減する。また、電子障壁層１８の活性層１５側のＡｌ組成比が小さく、禁制帯幅エネルギーが小さい。このため、活性層１５側正孔に対して価電子帯に形成される電位障壁は図２に示される比較例１の場合よりもさらに小さくなる。従って、本実施の形態に係る半導体発光素子では、動作電圧がさらに小さくなる。
　また、図３の模式図（ｄ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の電界が小さいため、電子障壁層１８の活性層１５側での電位の低下が小さく、電子に対する電子障壁層１８の電位障壁（図３のΔＥｃ）が大きくなり、高温高出力動作時において、電子が熱的に励起されて電子障壁層１８を超えて、第２半導体層に漏れる現象（つまり、電子のオーバーフロー）を抑制する効果が増大する。この結果、従来の電子障壁層と比較して、より低動作電圧かつ、漏れ電流の小さい半導体発光素子１００を実現することができる。また、半導体発光素子の自己発熱が低減される結果、高温動作時においても、低消費電力である半導体発光素子を得ることが可能となる。具体的には、８５℃の高温でワット級の高出力動作を行っても、数千時間以上の長期動作可能な超高出力の青色半導体レーザ素子を実現できる。
　続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の例について図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第１例及び第２例を示す模式図である。
　図４Ａは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。図４Ｂは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域との間に組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が配置されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。
　図４Ａ及び図４Ｂに示すいずれの場合でも、電子障壁層１８の活性層側の界面の位置ｘ＝Ｘｓと、電子障壁層１８においてＡｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍとの中点ｘ＝Ｘｐにおいて、そのＡｌ組成比が、位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比との平均値よりも小さい値としている。さらに、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍにおいて、電子障壁層１８のＡｌ組成比の大きさは、図４Ａ及び図４Ｂにおいて位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と、位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比とを結ぶ点線の大きさ以下である。このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｐとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比の変化率は、点線で示す変化率以下の値となる。
　また、図４Ｂに示す構造では、電子障壁層１８を形成し始める第１領域のＡｌ組成比変化率を、その後に形成する領域のＡｌ組成比変化率よりも高めている。これは、電子障壁層１８の活性層１５側界面の位置、つまり、電子障壁層１８を形成し始める位置の制御性を高め、半導体発光素子１００の動作特性の再現性の安定性を高める効果がある。
　以上のように、本実施の形態では、電子障壁層１８は、ＧａＮ基板１１の主面と垂直な積層方向においてＡｌ組成比が第１の変化率で変化する第１領域と、第１領域と第２半導体層１９との間に配置され、積層方向においてＡｌ組成比が第２の変化率で変化する第２領域とを有する。第１領域及び第２領域において、Ａｌ組成比は活性層１５から第２半導体層に向かう方向に対して単調増加し、第２の変化率は第１の変化率よりも大きい。
　これにより、電子障壁層１８の活性層１５側界面への分極電荷の大きさの影響を、図４Ａ及び図４Ｂで点線で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、点線で示す構造に対して小さくなるため、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。従って、高温動作においても低消費電力の半導体発光素子１００を実現できる。
　続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の他の例について図５Ａ～図５Ｄを用いて説明する。
　図５Ａ～図５Ｄは、それぞれ本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８の積層方向におけるバンドギャップエネルギー分布の第３例～第６例を示す模式図である。
　図５Ａは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、Ａｌ組成比最大点から第２半導体層１９に近づくに従ってＡｌ組成比は減少し、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。
　図５Ｂは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域と、Ａｌ組成比変化率が相対的に大きい第２領域との間に、組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が形成されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、Ａｌ組成比最大点から第２半導体層１９に近づくに従ってＡｌ組成比は減少し、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。
　図５Ｃは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域とが接している場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比最大点からＡｌ組成比が一定である一定領域と、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。
　図５Ｄは、Ａｌ組成比変化率の小さい第１領域とＡｌ組成比変化率が第１領域より大きい第２領域との間に組成比変化率が第１領域よりも小さい領域が形成されている場合のバンドギャップエネルギー分布を示す。さらに、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比最大点からＡｌ組成比が一定である一定領域と、Ａｌ組成比減少率の大きい第１減少領域と、Ａｌ組成比減少率が第１減少領域よりも小さい第２減少領域とが配置されている。
　図５Ａ～図５Ｄに示すいずれの場合でも、電子障壁層１８が形成され始める位置ｘ＝Ｘｓと、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍとの中点ｘ＝Ｘｐにおいて、そのＡｌ組成比が、位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比との平均値よりも小さい値としている。さらに、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍにおいて、電子障壁層１８のＡｌ組成比の大きさは、各図において位置ｘ＝ＸｓにおけるＡｌ組成比と、位置ｘ＝ＸｍにおけるＡｌ組成比とを結ぶ点線の大きさ以下の範囲で形成されている。このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｐとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比の変化率は、点線で示す変化率以下の値となる。
　以上のように本実施の形態では、電子障壁層１８の活性層１５側界面への分極電荷の大きさの影響を、点線で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、点線で示す構造に対して小さくなるため、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。
　また、電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層１９に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が単調に減少する第２減少領域とを有する。このため、図中の一点鎖線で示された一定のＡｌ組成比減少率を示す構成よりもＡｌ組成比が減少する領域での平均Ａｌ組成比が小さくなる。
　また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の界面の位置ｘ＝Ｘｅは、第２半導体層１９の平均Ａｌ組成比と電子障壁層１８のＡｌ組成比とが同一の値となる位置である。第２半導体層１９がＧａＮを含む、Ａｌ組成比の異なる２種のＡｌＧａＮ層からなる超格子で形成される場合は、位置ｘ＝Ｘｅは、第２半導体層１９の積層方向に対する平均Ａｌ組成比と、電子障壁層１８のＡｌ組成比とが同一となる位置を意味する。
　ここで、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮにおいては、通常ドーパントとして使用されるＭｇの活性化率が低い。このため高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮは、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＮよりも抵抗が高くなる。そのため、電子障壁層１８において、高Ａｌ組成比となる領域が厚くなると、価電子帯のバンド構造において正孔の活性層１５側への電気伝導を阻害する電位障壁を形成する領域の膜厚が厚くなるため、正孔の伝導が阻害される。これに伴い動作電圧が増大する。このため、Ａｌ組成比の成長膜厚方向に対し減少する領域である、第２減少領域と第１減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。当該合計膜厚は、例えば、４ｎｍ以下である。また、当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。
　図５Ａ～図５Ｄのいずれの場合でも、図中の一点鎖線で示された一定のＡｌ組成比減少率を示す構成よりもＡｌ組成比が減少する領域での平均Ａｌ組成比が小さくなり、半導体発光素子１００の動作電圧の増大を抑制することができる。
　また、図５Ｃ及び図５Ｄに示す例では、Ａｌ組成比が一定となる領域が形成されている。これは、半導体発光素子１００の製造時の同一ウェハ面内でのＡｌ組成比のばらつきを考慮して形成されている領域である。これにより、同一ウェハ面内の電子障壁層１８において一定の最大Ａｌ組成比を得ることができるため、電位障壁ΔＥｃの大きさのウェハ面内での均一性を高めることができる。ただし、このＡｌ組成比一定領域の膜厚が厚くなりすぎると、高Ａｌ組成比となる領域の膜厚が厚くなるため、前述のように動作電圧増大を招いてしまう。このため、組成比一定領域の膜厚は、可能な限り薄い方が良い。当該組成比一定領域の膜厚は、例えば２ｎｍ以下である。また、当該組成比一定領域の膜厚は、１ｎｍ以下であってもよい。
　以上では、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が複数の一次直線で表される場合について説明したが、以下では一次直線に限定されない関数ｆ（ｘ）で表される場合について図６を用いて説明する。なお、ここで、ＧａＮ基板１１の主面と垂直な積層方向をｘ軸方向としている。図６は、本実施の形態に係る電子障壁層１８の積層方向におけるＡｌ組成比分布の一例を示す図である。図６のグラフ（ａ）は、Ａｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を示すグラフである。図６のグラフ（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ関数ｆ（ｘ）の一次導関数ｆ’（ｘ）及び二次導関数ｆ’’（ｘ）を示すグラフである。
　図６に示すように、電子障壁層１８は、Ｘｓ＜ｘ≦Ｘｍを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となる第１凹領域を有する。この関係を満足することにより、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの間では、ｆ（ｘ）は図６のグラフ（ａ）に示すように凹形状（つまり、下に凸形状）となる。
　また、図６のグラフ（ｃ）に示すように、第１凹領域における位置ｘ＝Ｘ１において、二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大となっている。このことにより、第１凹領域に組成比の変化率が最大となる位置ｘ＝Ｘ１が存在し、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘ１までの間でＡｌ組成比の変化率が徐々に増大していくことになる。
　この場合、Ａｌ組成比の変化率は活性層１５側の方が小さくなり、活性層１５側界面近傍領域での分極電荷の大きさを低減することができる。このため、前述のように位置ｘ＝Ｘｓ近傍の活性層１５側界面に存在する電子濃度を低減することができ、電子障壁層１８の価電子帯に形成されるホール障壁電位の増大を抑制できる。この結果、素子の動作電圧の低減及び電位障壁ΔＥｃの増大を実現できる。
　図６のグラフ（ｂ）に示すように、ｆ’（ｘ）の大きさは連続しており、不連続となる位置が存在しない。このため、電子障壁層１８内で形成される分極電荷面密度が急峻に変化する位置が存在しない。従って、電子障壁層１８内で形成される正の分極電荷が急激に増大する位置が発生することを防止することができる。
　この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍領域での電子濃度を低減することができ、動作電圧を低減することができる。
　また、図６のグラフ（ａ）に示すように、電子障壁層１８は、位置ｘについてＸ１＜ｘ≦Ｘｅを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第１凸領域を有する。
　このとき、第１凸領域において、関数ｆ（ｘ）は上に凸形状となる。従って、関数ｆ（ｘ）の形状は、下に凸の第１凹領域の第２半導体層１９側に、上に凸の第１凸領域が形成された構成となる。Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍは、第１凸領域に配置される。
　このＡｌ組成比分布形状の場合、電子障壁層１８内で形成される分極電荷はｆ’（Ｘ）にほぼ比例するため、分極電荷の大きさは、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍では小さく、第２半導体層１９側よりも小さくなる。
　この場合、活性層１５側界面近傍領域での分極電荷の大きさが低減されることから、前述のように位置ｘ＝Ｘｓ近傍の活性層１５側界面に存在する電子濃度を低減することができ、電子障壁層１８の価電子帯に形成されるホール障壁電位の増大を抑制できる。この結果、素子の動作電圧の低減及び電位障壁ΔＥｃの増大を実現できる。
　また、第１凸領域のＡｌ組成比分布形状は上に凸形状であるため、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍ近傍でのＡｌ組成比の変化率が小さくなる。このため、Ａｌ組成比の最大値の制御性が良い。このことから、半導体発光素子１００製造時のウェハ面内の最大Ａｌ組成比のばらつきを抑制することができる。このため、再現性よく、電位障壁ΔＥｃの大きい、温度特性に優れた素子を得ることができる。
　電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層１９に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が単調に減少する第２減少領域とを有する。言い換えると、第２減少領域におけるＡｌ組成比の変化率の絶対値は、第１減少領域におけるＡｌ組成比の変化率の絶対値より小さい。
　ここで、第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚が厚いと、Ａｌ組成比が第２導電型の第２半導体層の平均Ａｌ組成比よりも高いために、ホールの電気伝導を阻害する領域の膜厚増大につながり、動作電圧の増大をもたらす。
　したがって、第２減少領域と第１減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。本実施の形態では、当該合計膜厚は、例えば、４ｎｍ以下である。当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。
　また、図６のグラフ（ａ）に示すように、点（Ｘｓ，ｆ（Ｘｓ））を通り、関数ｆ（ｘ）と第１凸領域の位置ｘ＝Ｘｔで接する一次関数をｇ（ｘ）とすると、Ｘｓ＜ｘ＜Ｘｔを満足する位置ｘにおいて、関数ｆ（ｘ）、関数ｇ（ｘ）及び一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｇ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足している。
　この場合、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間でｇ（ｘ）で決まる三角形状のＡｌ組成比分布よりも、ｆ（ｘ）で決まるＡｌ組成比の方が値が小さくなる。
　このため、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｇ（ｘ）で決まるＡｌ組成比以下の値となる。
　この場合、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍での分極電荷の大きさを、ｇ（ｘ）で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。この結果、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｔとの間のＡｌ組成比がｇ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。
　続いて、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が一次直線に限定されない関数ｆ（ｘ）で表される場合の他の例について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る電子障壁層１８の積層方向におけるＡｌ組成比分布の他の一例を示す図である。図７のグラフ（ａ）は、Ａｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を示すグラフである。図７のグラフ（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ関数ｆ（ｘ）の一次導関数ｆ’（ｘ）及び二次導関数ｆ’’（ｘ）を示すグラフである。
　図７のグラフ（ａ）～（ｃ）に示すＡｌ組成比分布を示す関数ｆ（ｘ）を有する電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ＜ｘ≦Ｘｍを満足する領域において、ｆ’’（ｘ）＞０かつｆ’（ｘ）＞０となる第１凹領域を有する。位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの間でこの関係を満足する第１凹領域では、ｆ（ｘ）は図７のグラフ（ａ）に示すように凹形状（つまり、下に凸形状）となる。
　また、図７のグラフ（ａ）～（ｃ）に示すように、第１凹領域でｆ’’（ｘ）が極大となる位置を位置ｘ＝Ｘ１とする。電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’（ｘ）が連続的に変化し、ｆ’（ｘ）＞０かつ二次導関数ｆ’’（ｘ）が極大になる位置を含む第２凹領域を有する。
　この場合、電子障壁層１８の活性層１５側界面近傍に、第１凹領域の活性層１５側よりもＡｌ組成比が増大する割合の大きい領域があるが、急峻なステップ状の変化ではない第２凹領域が形成されている。
　急峻なステップ状にＡｌ組成比が増大すると、そのステップ状に変化する位置で発生する分極電荷が大きくなり、電子障壁層１８と活性層１５との界面で発生する電子濃度の増大から前述のように動作電圧の増大につながる。
　本実施の形態では、電子障壁層１８と活性層１５との界面近傍でのＡｌ組成比の変化はステップ状でないため、動作電圧の増大を抑制することが可能となる。
　また、図７のグラフ（ａ）～（ｃ）に示すように、電子障壁層１８は、位置ｘについてＸｓ≦ｘ＜Ｘ１を満足する領域において、ｆ’’（ｘ）≦０となる第２凸領域を有する。これにより、第２凸領域のＡｌ組成比分布形状は上に凸形状となる。
　活性層１５近傍の界面に、凹形状（つまり、下に凸形状）から上に凸形状に変わる形状の、第２凹領域及び第２凸領域を順次形成すれば、第２凹領域、第２凸領域を順次形成しない場合と比較して、電子障壁層１８の形成初期において、Ａｌ組成比の増加率を大きくすることができる。この結果、電子障壁層１８を形成し始める位置の制御性を高め、素子の動作特性の再現性を高める効果がある。
　ここで、第２凸領域の第２半導体層１９側に、凹形状の第１凹領域を形成する。つまり、第２凸領域は、第２凹領域と、第１凹領域との間に配置される。この場合、Ａｌ組成比が増大する変化率の大きい領域が形成され、大きい分極電荷の発生する領域を活性層１５側から遠ざけることができる。
　また、第１凹領域の第２半導体層１９側に、上に凸形状の第１凸領域が形成されている。第１凸領域は、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍを含む。
　この場合、Ａｌ組成比最大となる位置ｘ＝Ｘｍ近傍でのＡｌ組成比の変化率が小さくなり、Ａｌ組成比の最大値を制御性良く作製することができる。このことから、半導体発光素子作製時のウェハ面内の最大Ａｌ組成比のばらつきを抑制することができる。このため、再現性よく、電位障壁ΔＥｃの大きい、温度特性に優れた半導体発光素子を得ることができる。
　また、図７のグラフ（ａ）に示すように、関数ｆ（ｘ）と第２凸領域の点（Ｘｕ，ｆ（Ｘｕ））で接し、かつ、関数ｆ（ｘ）と第１凸領域の点（Ｘｖ，ｆ（Ｘｖ））で接する一次関数を関数ｈ（ｘ）とする。Ｘｕ＜ｘ＜Ｘｖを満足する位置ｘにおいて、関数ｆ（ｘ）、関数ｈ（ｘ）及び一次導関数ｆ’（ｘ）は、ｈ（ｘ）＞ｆ（ｘ）、かつ、ｆ’（ｘ）＞０の関係を満足する。
　この場合、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間でｈ（ｘ）で決まる台形状のＡｌ組成比分布よりも、ｆ（ｘ）で決まるＡｌ組成比の方が値が小さくなる。
　このため、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間の電子障壁層１８のＡｌ組成比は、ｈ（ｘ）で決まるＡｌ組成比以下の値となる。
　電子障壁層内に形成される分極電荷は前述のようにｆ’（ｘ）に比例する。
　この場合、正の分極電荷面が相対的に大きく形成される領域は図７のグラフ（ｂ）に示すようにｆ’（ｘ）の極大値近傍の領域であるため、位置ｘ＝Ｘｕよりも位置ｘ＝Ｘｖ近傍の正の分極電荷が大きくなる。
　その結果、位置ｘ＝Ｘｕ近傍での正の分極電荷の大きさを、ｈ（ｘ）で示されたＡｌ組成比分布を有する電子障壁層よりも小さくすることができる。このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、位置ｘ＝Ｘｕと位置ｘ＝Ｘｖとの間のＡｌ組成比がｈ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり、電位障壁ΔＥｃを増大できる。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。
　また、電子障壁層１８は、活性層１５側から順に、Ａｌ組成比が最大となる位置ｘ＝Ｘｍから第２半導体層に向かう方向にＡｌ組成比が単調に減少する第１減少領域と、第１減少領域よりも小さい変化率でＡｌ組成比が減少する第２減少領域とを有する。第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚が厚いと、Ａｌ組成比が第２半導体層１９の平均Ａｌ組成比よりも高い領域が増大するため、ホールの伝導を阻害する領域の膜厚増大につながり、動作電圧の増大につながる。
　従って第１減少領域と第２減少領域との合計膜厚は、できるだけ薄い方がよい。本実施の形態では、当該合計膜厚は、例えば４ｎｍ以下である。当該合計膜厚は、２ｎｍ以下であってもよい。
　また、図６及び図７に示した電子障壁層１８のＡｌ組成比分布形状において、位置ｘ＝（Ｘｓ＋Ｘｍ）／２において、ｆ’’（ｘ）＞０、かつ、ｆ’（ｘ）＞０となっている。
　これにより、位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝Ｘｍとの中点では、ｆ（ｘ）は凹形状（つまり、下に凸形状）の増加関数となる。ｇ（ｘ）で決まる三角形状のＡｌ組成比分布、又は、ｈ（ｘ）で決まる台形状のＡｌ組成比分布よりもｆ（ｘ）は小さく、位置ｘ＝Ｘｓにおける電子障壁層１８の分極電荷の影響を低減でき、電子濃度が低減される。
　このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、ｇ（ｘ）又はｈ（ｘ）で示される構成に対して小さくなり、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位を低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。
　図６及び図７に示した電子障壁層１８のＡｌ組成比分布形状において、第１凹領域の幅が、（Ｘｍ－Ｘｓ）／２以上となっている。
　この場合、位置ｘ＝Ｘｓから位置ｘ＝Ｘｍまでの範囲において、分極電荷の大きさが大きくなる領域をＡｌ組成比最大点Ｘｍ寄りに配置できるため、分極電荷発生位置を電子障壁層１８の活性層１５側界面から遠ざけることができる。
　このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面でのバンド構造の電位の低下が、ｇ（ｘ）又はｈ（ｘ）で示される構成に対して、より小さくなり、電位障壁ΔＥｃが増大する。さらに、価電子帯の正孔に対するバンド障壁電位をより低減できるため、半導体発光素子１００の動作電圧を低減できる。これに伴い、半導体発光素子１００の温度特性を向上させることが可能となる。
　また、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の電子障壁層１８には、Ｍｇがドーピングされている。電子障壁層１８の第１凸領域では、Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮが使用される。これにより、電位障壁ΔＥｃが大きくなることで電子の第２半導体層への漏れを抑制できる。最大Ａｌ組成比は、例えば０．２以上、又は、０．３以上としてもよい。このようにＡｌ組成比が高くなるとＭｇのアクセプタ準位のエネルギーとＡｌＧａＮの価電子帯とのエネルギー差が大きくなるため、Ｍｇはアクセプタとして活性化しにくくなる。そこで電子障壁層１８へのＭｇのドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ－３以上に高め、活性化するアクセプタの濃度を高めてもよい。ただし、Ｍｇのドーピング濃度を３×１０１９ｃｍ－３以上と、あまりに高めると電子障壁層１８の結晶性の低下が生じ、高温高出力動作時の半導体発光素子１００の信頼性の低下につながりかねない。そこでＭｇのドーピング濃度を、３×１０１９ｃｍ－３未満としてもよい。
　本実施の形態に係る半導体発光素子１００では、電子障壁層１８には１×１０１９ｃｍ－３以上２×１０１９ｃｍ－３以下のＭｇドーピングを行っている。
　また、Ａｌ組成比が相対的に低い位置ｘ＝Ｘｓと位置ｘ＝（Ｘｓ＋Ｘｍ）／２までの間の領域では、Ｍｇのアクセプタとしての活性化率が高いため、ドーピングするＭｇの濃度を１×１０１９ｃｍ－３とし、Ａｌ組成比が高くなる第１凸領域近傍ではドーピングするＭｇの濃度を２×１０１９ｃｍ－３と相対的に高めてもよい。これにより、Ｍｇ濃度の増大による電子障壁層１８での結晶性の低下を抑制することができる。
　また、図４Ａ及び図４Ｂ及び図５Ａ～図５Ｄに示す電子障壁層１８の構成において、第１領域の膜厚が電子障壁層１８の膜厚の５０％より大きく８０％以下、かつ、位置ｘ＝（Ｘｍ＋Ｘｓ）／２でのＡｌ組成比が電子障壁層１８におけるＡｌ組成比最大値の５０％以下であってもよい。これにより、後述するように、動作電圧の低減、電位障壁ΔＥｃの増大、及び、漏れ電流の低減を同時に実現することができる。
　図４Ａ及び図４Ｂに示した複数の一次直線で表されるＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８の第１領域ではＡｌ組成比の変化率が小さく、その第２半導体層１９側の第２領域ではＡｌ組成比の変化率が大きい。
　これに対し、図６及び図７に示す曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、位置ｘ＝Ｘ１よりも第２半導体層１９寄りの領域でＡｌ組成比の変化率の増大する割合（ｆ’’（ｘ））が大きくなるため、曲率が増大し、Ａｌ組成比の大きさを示す関数ｆ（ｘ）の曲率が大きくなるという特徴がある。
　このことから、図６及び図７に示した曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、図４Ａ及び図４Ｂに示した第１領域は、第１凹領域内で、Ａｌ組成比の変化率の変化（ｆ’’（ｘ））が最大になる位置ｘ＝Ｘ１よりも活性層１５寄りの領域に相当する。
　従って、図６及び図７に示した曲線状のＡｌ組成比分布を有する電子障壁層１８では、第１領域の膜厚が電子障壁層１８の膜厚の５０％より大きく８０％以下、かつ、位置ｘ＝（Ｘｍ＋Ｘｓ）／２でのＡｌ組成比が電子障壁層１８におけるＡｌ組成比最大値の５０％以下であれば、動作電圧の低減、ΔＥｃの増大、漏れ電流の低減を同時に実現することができる。
　以上のように、本実施の形態では、電子障壁層１８のＡｌ組成比が変化する領域において、Ａｌ組成比が連続的に変化する。このような電子障壁層１８のＡｌ組成比分布は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて形成できる。ＭＯＣＶＤにおいて、結晶成長させる際、例えば、当該結晶の原料を含むガスの供給量を時間的に変化させることで、組成比分布を自在に調整できる。上述したＡｌ組成比分布の各形状は、時間に対して微小なステップ状にＡｌ供給量を変化させることで実現できる。なお、この場合、Ａｌ供給量を時間に対して直線的に変化させても、原料ガスの粘性などの影響により結晶成長面に到達する原料に時間遅延が生じるため、曲線状のＡｌ組成比分布となり得る。
　［１－４．電子障壁層の作用及び効果］
　次に、本実施の形態に係る電子障壁層１８の作用及び効果について、図８～図１２を用いて説明する。
　図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第１の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図９は、比較例２に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第２の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第３の構成例のシミュレーション結果を示す図である。図１２は、比較例３に係る半導体発光素子のシミュレーション結果を示す図である。なお、各シミュレーションにおいては、いずれも半導体発光素子の動作電流を３００ｍＡとしている。
　図８～図１２の各グラフ（ａ）は、電子障壁層近傍の禁制帯幅エネルギー（バンドギャップ）の分布を示し、各グラフ（ｂ）は、電子障壁層近傍の単位体積あたりの分極電荷の分布を示す。図８～図１２の各グラフ（ｃ）は、電子障壁層近傍の電子、正孔濃度の分布を示し、各グラフ（ｄ）は、電子障壁層１８近傍の電界分布を示す。図８～図１２の各グラフ（ｅ）は、電子障壁層１８近傍の伝導帯バンド構造と電子のフェルミエネルギーの分布とを示し、各グラフ（ｆ）は、電子障壁層１８近傍の価電子帯バンド構造と正孔（つまり、ホール）のフェルミエネルギーの分布とを示す。
　図８は、電子障壁層１８の膜厚を７ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、電子障壁層１８は、膜厚５ｎｍの第１領域と、膜厚２ｎｍの第２領域とを有する。第１領域においては、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．１５に直線的に増加させている。第２領域においては、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０．１５から０．３５に増加させている。
　図８のグラフ（ｂ）に示すように、電子障壁層１８の活性層１５側には、１×１０１９ｃｍ－３の正の分極電荷が生じ、第２半導体層側には５×１０１９ｃｍ－３の正の分極電荷が生じている。図８のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。この分極電荷は、例えば、電子障壁層の均一なＡｌ組成比０．３５を有する場合と比較して１％程度に相当する。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、－５．３×１０－２Ｃ／ｍ２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０－１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０２２ｃｍ－３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。このように本実施の形態に係る電子障壁層１８によれば、活性層１５側における分極電荷を抑制できる。本開示において、分極電荷の体積密度は、電子濃度に換算した値である。
　図８のグラフ（ｃ）に示すように、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層側界面に１×１０１７ｃｍ－３の濃度の電子が誘引されている。これに伴い、電子障壁層の活性層側界面に電界が生じるが、その強度も－０．２ＭＶ／ｃｍに低減されている。この結果、図８のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も抑制されるため、電子に対する電位障壁ΔＥｃの低下と正孔に対する電位障壁ΔＥｖの増大とが抑制されている。図８に示す構成では、電位障壁ΔＥｃは０．７７ｅＶ、電位障壁ΔＥｖは０．２２ｅＶである。また、図２に示す比較例１のシミュレーション結果なども参照すると、電子障壁層１８のＡｌ組成比分布が、図８に示した電子障壁層１８のように凹形状（下に凸形状）である方が、電子に対する電位障壁ΔＥｃは大きく、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが小さくなることがわかった。
　図９には、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の比較例２として、電子障壁層１８Ｂの構成だけが本実施の形態と異なる半導体発光素子をシミュレーションした結果を示す。比較例２に係る電子障壁層１８Ｂの膜厚を７ｎｍとし、電子障壁層１８Ｂの活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．３５に、増加させている。ただし、そのＡｌ組成比の増加率は徐々に減少するようにＡｌ組成比を増加させている。つまり、Ａｌ組成比分布のグラフは直線でなく上に凸形状となる。
　図９のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８Ｂの活性層１５側には、５×１０１９ｃｍ－３の正の分極電荷が生じている。図９のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。この値は、図８に示した本実施の形態に係る半導体発光素子１００のシミュレーションで生じた値の５倍である。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、－５．３×１０－２Ｃ／ｍ２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０－１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０２２ｃｍ－３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。
　図９のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８Ｂ界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面に１×１０１８ｃｍ－３の濃度の電子が誘引されている。この濃度は、図８のグラフ（ｃ）に示した値の１０倍程度に相当する。このため、電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面に生じる電界は－０．９ＭＶ／ｃｍとなり、その絶対値は、図８のグラフ（ｃ）に示した場合の約４．５倍となっている。この結果、図８のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８Ｂの活性層１５側界面の伝導帯、価電子帯のバンドの電位の低下も図８に示した結果と比較して大きくなる。これに伴い、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図９に示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６８ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２８ｅＶとなっている。
　図１０は、電子障壁層１８の膜厚を７ｎｍとした場合のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、電子障壁層１８の活性層１５側の膜厚５ｎｍの領域で、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．１５に徐々に（直線的に）増加させている。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍの領域で、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の増加率が増大するように、Ａｌ組成比を０．３５まで増加させている。この場合、電子障壁層１８の第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍの領域で、Ａｌ組成比分布が凹形状（下に凸形状）となる。
　図１０のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５寄りの領域には、活性層１５から遠ざかるに従って、２×１０１９ｃｍ－３から１×１０１９ｃｍ－３へと減少するように分布した正の分極電荷が生じている。図１０のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８と第２半導体層１９との界面には、図示はしていないが、－５．３×１０－２Ｃ／ｍ２の面密度を有する負の分極電荷が形成される。ここで、電子一個当たりの電荷素量が１．６×１０－１９Ｃであることから、界面の膜厚をＡｌＧａＮのｃ軸方向格子定数の数十分の一程度となる０．０１ｎｍと仮定すれば、電子濃度に換算して１×１０２２ｃｍ－３程度に相当する負の分極電荷が界面に生じていると考えられる。
　図１０のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層１５側界面に１×１０１７ｃｍ－３の濃度の電子が誘引されている。この濃度は、図９のグラフ（ｃ）に示した場合の１０分の１程度に抑制されている。このため、電子障壁層１８の活性層１５側界面に生じる電界は－０．３ＭＶ／ｃｍとその絶対値も抑制されている。この結果、図１０のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯、価電子帯のバンドの電位低下も抑制されるため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが増大し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが低下している。図１０示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．７７ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２３ｅＶとなっている。
　図１１に示すシミュレーションにおいては、図１０に示す電子障壁層の第２半導体層１９側に、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比が減少する領域（以下、「Ａｌ組成比減少領域」ともいう）２ｎｍを付加した構成を有する電子障壁層１８を用いている。
　電子障壁層１８のＡｌ組成比減少領域では、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の減少率の絶対値が徐々に大きくなり、その後、徐々に小さくなるようにＡｌ組成比が第２半導体層１９と同じになるまで減少していく。つまり、Ａｌ組成比減少領域は、Ａｌ組成比分布形状が上に凸形状となる領域の第２半導体層１９側に、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域が形成されたＡｌ組成比分布を有する。
　図１１のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側には、活性層１５から遠ざかるに従って、２×１０１９ｃｍ－３から１×１０１９ｃｍ－３へと減少するように分布した正の分極電荷が生じている。図１１のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側におけるＡｌ組成が減少する領域では、図示はしていないが、２×１０２０ｃｍ－３程度の負の分極電荷が生じている。
　図１１のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８の活性層１５側界面に１×１０１７ｃｍ－３の濃度の電子が誘引されている。
　この電子濃度は、図１０に示した構成と同等の値であるが、電子障壁層１８の第２半導体層１９側にＡｌ組成比減少領域を付加したために、図１１のグラフ（ｆ）に示すように価電子帯バンド構造の電位の最小値が低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大するため、半導体発光素子１００の動作電圧が増大する。
　図１１のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８の活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も図１０に示した構造と比較して低減されている。このため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図１１に示す構造では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６８ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．２８ｅＶとなっている。
　正孔に対する電位障壁ΔＥｖは図１０に示した構成と比較して０．０５ｅＶ程度増大し、半導体発光素子１００の電流－電圧特性において、立ち上がり電圧の０．０４Ｖ程度の増大を招くことになる。このため、電子障壁層１８のＡｌ組成比減少領域は可能な限り薄い方が良い。
　図１２には、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の比較例３として、電子障壁層１８Ｃの構成だけが本実施の形態と異なる半導体発光素子をシミュレーションした結果を示す。比較例３に係る電子障壁層１８Ｃの膜厚を９ｎｍとし、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側の膜厚７ｎｍの領域において、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を０から０．３５に、増加させている。電子障壁層１８Ｃの第２半導体層１９側の膜厚２ｎｍのＡｌ組成比減少領域において、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比を第２半導体層１９と同じになるまで減少させている。
　電子障壁層１８ＣのＡｌ組成比減少領域では、活性層１５側から第２半導体層１９側に進むに従って、Ａｌ組成比の減少率の絶対値が徐々に大きくなり、その後、徐々に小さくなるようにＡｌ組成比が減少していく。つまり、Ａｌ組成比減少領域は、Ａｌ組成比分布形状が上に凸形状となる領域の第２半導体層１９側に、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域が形成されたＡｌ組成比分布を有する。
　図１２のグラフ（ｂ）に示すように電子障壁層１８Ｃの活性層側には、２×１０１９ｃｍ－３の正の分極電荷が生じている。図１２のグラフ（ｂ）では、正の分極電荷のみ表示している。また、電子障壁層１８の第２半導体層１９側におけるＡｌ組成が減少する領域では、図示はしていないが、２×１０２０ｃｍ－３程度の負の分極電荷が生じている。
　図１２のグラフ（ｃ）には、電子障壁層１８界面に生じた正の分極電荷との電気的な中性条件を満足するために電子障壁層１８Ｃの活性層１５側界面に２×１０１７ｃｍ－３の濃度の電子が誘引されている。
　このように電子濃度が、図１１に示す構成の２倍程度に増加している。これは、電子障壁層１８Ｃの活性層１５側の膜厚７ｎｍの領域のＡｌ組成比が、図１１に示す構成より大きいためである。つまり、図１１に示す構成のようにＡｌ組成比分布が凹形状を有する方が、誘引される電子濃度を低減できる。
　図１２のグラフ（ｅ）及び（ｆ）に示すように電子障壁層１８Ｃの活性層１５側界面の伝導帯及び価電子帯のバンドの電位の低下も、図１１に示す構成と比較して低減されている。このため、電子に対する電位障壁ΔＥｃが低下し、正孔に対する電位障壁ΔＥｖが増大している。図１２に示す構成では、電子に対する電位障壁ΔＥｃは０．６６ｅＶ、正孔に対する電位障壁ΔＥｖは０．３０ｅＶとなっている。
　次に、本実施の形態に係る電子障壁層１８のＡｌ組成比分布の形状と、半導体発光素子１００の動作電圧及び電子に対する電位障壁ΔＥｃとの関係について、図１３～図１５を用いて説明する。図１３は、シミュレーションにおいて用いた電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を示す模式図である。図１４及び図１５は、それぞれ電子障壁層の膜厚が５ｎｍ及び１５ｎｍである場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
　本シミュレーションでは、電子障壁層の膜厚が５ｎｍ及び１５ｎｍの各場合について、電子障壁層のＡｌ組成比最大値、第１領域のＡｌ組成比最大値、及び、第１領域の膜厚を変化させて、動作電流値３００ｍＡでの動作電圧と、電子に対する電位障壁ΔＥｃとを見積もり、電子漏れ抑制及び低電圧化に効果のある形状の検討を行った。
　まず、図１４を用いて電子障壁層の膜厚が５ｎｍの場合のシミュレーション結果について説明する。
　図１４のグラフ（ａ）～（ｅ）は、３００ｍＡ動作時の動作電圧の、第１領域の膜厚依存性の計算結果を示し、グラフ（ｆ）～（ｊ）は、電子の電位障壁ΔＥｃの、第１領域の膜厚依存性の計算結果を示す。グラフ（ａ）及び（ｆ）は、最大Ａｌ組成比が０．１５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｂ）及び（ｇ）は、最大Ａｌ組成比が０．２であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｃ）及び（ｈ）は、最大Ａｌ組成比が０．２５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｄ）及び（ｉ）は、最大Ａｌ組成比が０．３であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３の各場合における計算結果を示す。グラフ（ｅ）及び（ｊ）は、最大Ａｌ組成比が０．３５であって、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５の各場合における計算結果を示す。
　各グラフにおいて、白丸で表示している点は、図１３に示すＡｌ組成比分布形状が、凹形状（つまり、下に凸形状）となる領域と、凸形状（つまり、上に凸形状）となる領域の境界となる“直線状形状”となる第１領域の膜厚を表している。
　図１５のグラフ（ａ）～（ｊ）は、それぞれ、電子障壁層の膜厚が１５ｎｍである点以外は、図１４のグラフ（ａ）～（ｊ）と同様の計算結果を示すグラフである。
　各グラフにおいて、白丸で表示している点は、図１４の各グラフと同様に“直線状形状”となる第１領域の膜厚を表している。
　図１４及び図１５のグラフ（ａ）～（ｅ）に示すように、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が０．１５以上０．３５以下、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５以上０．３５以下の範囲において、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上あれば、直線状形状の場合の動作電圧以下の値となる。
　第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚と同一になった場合は、電子障壁層の最大Ａｌ組成比は第１領域の最大Ａｌ組成比となる。従って、第１領域の膜厚が電子障壁層の膜厚に近づくにつれて、電子障壁層の禁制帯幅エネルギーが大きい領域の膜厚が薄くなる。このため量子力学的なトンネル効果の影響により、電子に対する電位障壁ΔＥｃは電子障壁層の最大Ａｌ組成比を、第１領域の最大Ａｌ組成比とした場合のΔＥｃの値に近づいていく。
　図１４及び図１５のグラフ（ｆ）～（ｇ）に示すように、電子障壁層における最大Ａｌ組成比が０．１５以上０．３５以下、第１領域の最大Ａｌ組成比が０．０５以上０．３５以下の範囲において、第１領域の膜厚が電子障壁層の膜厚の８０％以下であれば、電子に対する電位障壁ΔＥｃの低下を抑制することができる。
　図１４から図１５に示した結果より、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上、８０％以下あれば、動作電圧を直線状形状の場合より抑制でき、かつ、電子障壁層の高Ａｌ組成比領域の薄膜化に伴うΔＥｃの低下を抑制することができる。
　ここで、電子障壁層の膜厚が２ｎｍ以下となると、電子障壁層膜厚の薄膜化により、トンネル電流の発生や、電子障壁層の活性層側界面に存在する電子が、熱的に励起され電子障壁層を超える電子のオーバーフローを招きやすくなる。
　また、電子障壁層のＡｌ組成比の最大値を１５％以上に高くすると、Ｍｇを高濃度でドーピングする必要があり、電子障壁層の膜厚を厚くすると、導波路損失の増大を招いてしまう。
　従って、電子障壁層の膜厚は、３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下で作製する必要がある。
　また、電子障壁層の膜厚を、５ｎｍ以上、１５ｎｍ以下の範囲とし、第１領域の最大Ａｌ組成比が電子障壁層における最大Ａｌ組成比の大きさの５０％となる組成比以下であって、第１領域の膜厚が、電子障壁層の膜厚の５０％以上、８０％以下としてもよい。これにより、導波路損失の増大を招かずに安定してトンネル電流、及び、電子のオーバーフローの発生を抑制しつつ、動作電圧を低減することができる。
　本実施の形態では、電子障壁層の膜厚を７ｎｍ、第１領域の膜厚を４ｎｍ、第２領域の膜厚を３ｎｍとして、温度特性の向上と動作電圧の低減を両立させている。
　［１－５．不純物ドーピングプロファイル］
　次に、本実施の形態に係る半導体発光素子１００の第２半導体層１９における不純物ドーピングプロファイルについて図１６を用いて説明する。図１６は、本実施の形態に係る半導体発光素子１００における第２半導体層１９の不純物ドーピングプロファイルを示す模式図である。
　図１６に示すように、不純物濃度Ｐ１（＝１×１０１８ｃｍ－３）である電子障壁層１８の上方に第２半導体層１９が形成される。第２半導体層１９は、電子障壁層１８側から順に、不純物濃度Ｐ２で膜厚Ｘ２の低不純物濃度領域１９ａと、不純物濃度Ｐ３の高不純物濃度領域１９ｂとを含む。これにより、光分布が第２半導体層１９で被るフリーキャリア損失を低減することで、導波路損失を低減する。
　ただし、不純物濃度Ｐ２が小さくなりすぎるか、膜厚Ｘ２が厚くなりすぎると抵抗が増大し動作電圧が増大する。そこで、動作電圧の増大を抑制しつつ、低導波路損失を実現するための低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２及び不純物濃度Ｐ２を検討する。
　図１６に示すＮ１は、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２とｎ型ＧａＮからなる第１光ガイド層１３におけるＳｉからなるｎ型不純物の濃度であり、ここでは、１×１０１８ｃｍ－３としている。また、図１６に示すＰ４はｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２０のＭｇからなるｐ型不純物の濃度であり、ここでは１×１０２０ｃｍ－３としている。このような条件において、低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２及び不純物濃度Ｐ２と、動作電圧及び導波路損失との関係について、図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて説明する。
　図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体発光素子１００における動作電圧及び導波路損失の低不純物濃度領域１９ａの不純物濃度依存性を示すグラフである。図１７Ａ及び図１７Ｂは、それぞれ不純物濃度Ｐ２が、０．５×１０１８ｃｍ－３から１×１０１９ｃｍ－３の範囲である場合における３００ｍＡ動作時の動作電圧、及び、導波路損失の不純物濃度が示されている。また、図１７Ａ及び図１７Ｂでは、低不純物濃度領域１９ａの膜厚Ｘ２が５０ｎｍ、１７０ｎｍ、２７０ｎｍ及び３７０ｎｍである場合の依存性の計算結果が示されている。
　図１７Ａに示すように、ｐ型不純物であるＭｇの濃度が１．５×１０１８ｃｍ－３以下となると動作電圧が急激に増大する。
　図１７Ｂに示すように、低不純物濃度領域１９ａの膜厚が１７０ｎｍ以上の場合に導波路損失低減効果が大きい。
　そこで、本実施の形態では、低不純物濃度領域１９ａの膜厚を１７０ｎｍ、Ｍｇのドーピング濃度を２×１０１８ｃｍ－３として低動作電圧化及び低導波路損失化を実現する。このＭｇドーピングプロファイルにより、第２半導体層１９の不純物ドーピングを１×１０１９ｃｍ－３で一定とした場合と比較して、３００ｍＡ動作時の動作電圧の増大を０．１Ｖに抑制し、かつ、導波路損失を７ｃｍ－１から４ｃｍ－１へと約半減することができる。
　続いて、本実施の形態に係る第２半導体層１９の低不純物濃度領域１９ａの不純物ドーピング濃度と、価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルとの関係について図１８を用いて説明する。図１８は、本実施の形態に係る低不純物濃度領域１９ａの不純物ドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ－３から１×１０１９ｃｍ－３まで変化させた場合の価電子帯バンド構造及び正孔フェルミレベルの計算結果を示すグラフである。ここで、第２半導体層１９の高不純物濃度領域１９ｂのＭｇドーピング濃度を１×１０１９ｃｍ－３としている。
　図１８に示すように、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度を小さくすると価電子帯のバンド構造の傾きが大きくなり、正孔が電界により加速され高エネルギー化しやすくなることがわかる。高エネルギー化した正孔は、電子障壁層の活性層側の領域の価電子帯のバンドの傾きでさらに加速されることで高エネルギー化するため、漏れ正孔電流の発生を招く。
　また、高エネルギー化した正孔に、Ｍｇのドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ－３と高い電子障壁層を通過させると、結晶欠陥の増殖を招き、半導体発光素子１００の信頼性の低下要因をとなる。
　図１８より、上述した価電子帯のバンド構造の傾きは、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ－３以下になると増大することがわかる。
　従って、導波路損失及び動作電圧の増大を招かず、かつ、正孔の低不純物濃度領域１９ａでの価電子帯のバンド構造の傾きによる高エネルギーの正孔の発生を抑えるためには、低不純物濃度領域１９ａのＭｇドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲に制御すればよいことがわかる。
　図１８の結果と併せて、図１７Ａ及び図１７Ｂに示した結果を考慮すれば、低不純物濃度領域１９ａの膜厚を１５０ｎｍから２００ｎｍとし、Ｍｇドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲に制御すれば導波路損失及び動作電圧の増大を招かず、かつ、価電子帯のバンド構造の傾きによる高エネルギーの正孔の発生を抑えることができる。これにより、高温動作特性の向上、及び、動作電流値の低減を実現できるため、半導体発光素子１００の動作信頼性を向上させることができる。
　次に、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状と、半導体発光素子特性との関係について、図１９を用いて説明する。図１９は、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状を、形状ａ、形状ｂ及び形状ｃとした場合における半導体発光素子の特性を示すグラフである。ここで、形状ａは、本実施の形態に係る電子障壁層のＡｌ組成比分布形状に相当し、活性層側の膜厚４ｎｍの第１領域においてＡｌ組成比は０から０．１５まで直線的に増大し、第２半導体層側の膜厚３ｎｍの第２領域においてＡｌ組成比は０．１５から０．３５まで直線的に増大する形状である。形状ｂは、活性層側の膜厚４ｎｍの領域において、活性層側から第２半導体層側に進むに従って、Ａｌ組成比が０から０．３５まで直線的に最大値まで増加し、第２半導体層側の膜厚３ｎｍの領域において、Ａｌ組成比が最大値０．３５で一定である形状である。形状ｃは、膜厚７ｎｍの電子障壁層におけるＡｌ組成比分布が０．３５で一定である形状である。
　図１９のグラフ（ａ）は、２５℃における電流―光出力特性を示し、グラフ（ｂ）は、２５℃における電流―電圧特性を示し、グラフ（ｃ）は、８５℃における電流―光出力特性を示し、グラフ（ｄ）は、８５℃における電流―電圧特性の測定結果を示す。
　図１９に示すように、形状ａによれば、電子障壁層のＡｌ組成比分布形状においてＡｌ組成比変化率の小さい第１領域、Ａｌ組成比変化率の大きい第２領域を形成することで、動作電圧が低減されると共に、電流―光出力特性の温度特性の向上効果があることがわかる。
　本実施の形態では、電子障壁層の第１領域において、Ａｌ組成比分布形状における膜厚４ｎｍの領域でＡｌ組成比を０から０．１５へ増大させた形状を採用し、第２領域において、膜厚３ｎｍの領域でＡｌ組成比を０．１５から０．３５へ増大させた形状を採用しているが、形状ａの第１領域及び第２領域の各膜厚は、上記の各膜厚に限定されない。
　図１９に示す測定結果は、活性層側がサブマウント側に近くなるようにダイヤモンドからなるサブマウント上にジャンクションダウンで実装された半導体発光素子を用いて取得した。この実装形態により半導体発光素子の熱抵抗が低減するため温度特性が向上するが、ダイヤモンドの熱伝導率は１０００Ｗ／ｍ・Ｋ以上と、他のサブマウントに使用されている材料例えば熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＳｉＣ、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のＡｌＮなどと比較して非常に大きく、抗熱性を実現するために適している。そのため、高温高出力動作時における半導体発光素子の温度上昇も小さくなる。このため、通常、温度が上昇すると、ドーピングしたｐ型不純物であるＭｇの活性化率が高まり、ｐ型層の抵抗が低下するため、動作電圧が低減する。しかしながら、ダイヤモンドサブマウントを使用すると半導体発光素子の温度上昇が抑制されるため、室温から高温に温度を上げた場合の動作電圧の低減幅が小さくなる。従って、本実施の形態に係る電子障壁層のＡｌ組成比分布を採用することで、ホールの電気伝導性を高めて低動作電圧化を図ることは、放熱性を向上させて熱抵抗を小さくした実装形態で半導体発光素子を動作させる場合、消費電力の低減に、より効果的となる。
　例えば、熱抵抗を低減する方法として、ダイヤモンドサブマウントにジャンクションダウンで実装する場合に加えて、単結晶ＳｉＣサブマウントにジャンクションダウンで実装する場合、あるいは、共振器長を１２００μｍ以上、ストライプ幅を４０μｍ以上として、放熱性を高めて熱抵抗を低減する場合が考えられる。
　特に１０ワット以上の超高出力半導体レーザ素子では、放熱性の観点からストライプ幅を４０μｍ以上、共振器長を１５００μｍ以上としてもよい。これにより、本実施の形態に係る電子障壁層による動作電圧の低減はより一層効果的となる。
　（実施の形態２）
　実施の形態２に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層における不純物ドーピング構成、及び、活性層の第２光ガイド層側のバリア層又はその界面における不純物ドーピング構成において実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に説明する。
　［２－１．全体構成］
　上述のとおり、本実施の形態に係る半導体発光素子は、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と同様に図１Ａで示されるような層構造を有する。
　本実施の形態に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層１６及び活性層１５のバリア層１５ａの構成において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。第３光ガイド層１６及びバリア層１５ａの構成及びその効果について説明する。
　［２－２．第３光ガイド層における不純物ドーピング構成］
　本実施の形態に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６の中間層１７側の領域には、組成比傾斜領域１６ａが配置されている。本実施の形態においては、組成比傾斜領域１６ａにＭｇがドーピングされる。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子における不純物ドーピング分布について図２０及び図２１を用いて説明する。図２０は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａにおける分極電荷の形成を説明する模式図である。図２０の模式図（ａ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域のバンド構造（つまり、禁制帯幅エネルギー）を模式的に示す。図２０の模式図（ｂ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域の分極電荷分布を模式的に示す。図２０の模式図（ｃ）及び模式図（ｄ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａの近傍領域におけるＭｇドーピングプロファイルを模式的に示す。模式図（ｃ）が示すプロファイルは、組成比傾斜領域１６ａにおいてＭｇドーピング濃度が均一である。模式図（ｄ）が示すプロファイルは、組成比傾斜領域１６ａにおいてＭｇドーピング濃度が傾斜している。具体的には、組成比傾斜領域１６ａの活性層１５側から電子障壁層１８側に向かって、Ｍｇドーピング濃度が増大する。模式図（ｅ）は、第３光ガイド層１６の組成比傾斜領域１６ａ近傍領域の伝導帯バンド構造を模式的に示す。
　図２１は、比較例４に係る半導体発光素子の第３光ガイド層１６における分極電荷の形成を説明する模式図である。図２１に示す比較例４に係る半導体発光素子は、第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域を有さない点において、本実施の形態に係る半導体発光素子と相違し、その他の点において一致する。図２１の模式図（ａ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域のバンド構造（つまり、禁制帯幅エネルギー）を模式的に示す。図２１の模式図（ｂ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域の分極電荷分布を模式的に示す。図２１の模式図（ｃ）は、第３光ガイド層１６の電子障壁層１８側の端部に配置された組成比傾斜領域１６ａの近傍領域におけるＭｇドーピングプロファイルを模式的に示す。模式図（ｃ）が示すプロファイルでは、第３光ガイド層１６における電子障壁層１８側の領域において均一な分布でＭｇがドーピングされる。模式図（ｄ）は、第３光ガイド層１６の近傍領域の伝導帯バンド構造を模式的に示す。
　本実施の形態に係る半導体発光素子では、中間層１７と第３光ガイド層１６との境界にあるＩｎの組成比分布が傾斜している組成比傾斜領域１６ａを形成している。なお、比較例４に係る半導体発光素子では、組成比傾斜領域１６ａを有さない。
　第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域１６ａを有さない場合、図２１に示すように中間層１７と第３光ガイド層１６の界面に正の分極電荷が形成される。このため、電気的中性条件を満足するようにバンド構造が変形し、電子が中間層１７と第３光ガイド層１６との界面に誘引される。この結果、当該界面のバンド構造には、図２１の模式図（ｄ）に示すような凹みが生じ、この凹みが正孔に対して電位障壁として働く。このため比較例４に係る半導体発光素子では、動作電圧が増大する。
　これに対し、第３光ガイド層１６が組成比傾斜領域１６ａを有する場合、図２０の模式図（ｂ）に示すように中間層１７と第３光ガイド層１６との界面に形成された正の分極電荷は、組成比傾斜領域１６ａ全体に小さい密度で分散する。このため、図２０の模式図（ｅ）に示すようにバンド構造の変形が小さく、図２１に示したような凹みが生じない。このため、半導体発光素子の動作電圧の増大を抑制することができる。
　さらに、組成比傾斜領域１６ａにＭｇをドーピングすれば、活性層１５における正孔濃度を高めることができ、さらに動作電圧を低減することができる。
　図２０の模式図（ｃ）に示すように組成比傾斜領域１６ａ内で均一濃度でＭｇをドーピングすれば、第３光ガイド層１６での正孔の電気伝導性が高まり、動作電圧が低減する。
　また、図２０の模式図（ｄ）に示すように組成比傾斜領域１６ａ内で活性層１５側の濃度が低い傾斜濃度とすれば、第３光ガイド層１６で光分布が受けるフリーキャリア損失の発生を抑制することができ、低電圧化を図りつつ、導波路損失の増大を抑制することができる。
　ここで、組成比傾斜領域１６ａの効果について図２２Ａ～図２２Ｃを用いて説明する。図２２Ａ、図２２Ｂ及び図２２Ｃは、それぞれ、Ｍｇドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３、１×１０１９ｃｍ－３及び２×１０１９ｃｍ－３である場合における本実施の形態に係る半導体発光素子の動作電圧のＭｇドーピング領域長依存性を示すグラフである。各図においては、組成比傾斜領域１６ａの有る場合と、無い場合における３００ｍＡ動作時の動作電圧の計算結果が示されている。組成比傾斜領域１６ａがある場合は、Ｍｇドーピング領域は組成比傾斜領域１６ａと同じ膜厚として組成比傾斜領域厚を変化させている。また、各図中の実線は、組成比傾斜領域１６ａ内で均一濃度でＭｇドーピングした場合を表し、点線は活性層１５側のＭｇドーピング濃度が低い傾斜ドーピングを行った場合を表している。
　図２２Ａ～図２２Ｃより、Ｍｇのドーピング濃度を高めた方が、動作電圧が０．０１Ｖ程度低減されることがわかる。また、Ｍｇドーピング領域長が長いほど動作電圧が低減されるが、Ｍｇドーピング領域長を長くしすぎると導波路損失の増大を招く。Ｍｇドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が１０ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。Ｍｇドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ－３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が５ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。
　Ｍｇドーピング濃度が２×１０１９ｃｍ－３の場合は、Ｍｇドーピング領域長が３ｎｍ程度あれば動作電圧の低減効果を得ることができる。
　また、組成比傾斜領域１６ａ内で均一ドーピングした場合も、傾斜ドーピングした場合も、動作電圧の低減効果はほぼ同等である。したがって、導波路損失の増大抑制の観点から、組成比傾斜領域１６ａにはＭｇを傾斜ドーピングしてもよい。
　組成比傾斜領域１６ａへのＭｇドーピングによれば低動作電圧化の効果だけでなく、より低い動作電圧で正孔の電気伝導性を高める効果をも奏することができる。このため、ワット級の高温高出力動作時における温度特性の向上、及び、長期動作信頼性保証の観点から、組成比傾斜領域１６ａへのＭｇドーピングは非常に重要である。
　また、組成比傾斜領域１６ａにおいて、電子障壁層１８側のＩｎ組成比を、ｐ型ＧａＮからなる中間層１７と同じＩｎ組成比まで（つまり、Ｉｎ組成比０まで）変化させる場合について検討する。この場合、組成比傾斜領域１６ａの界面に前述のようにＭｇドーピングを行えば、組成比傾斜領域１６ａの電子障壁層１８側界面はｐ型のＧａＮとなっているため、ｐ型のＧａＮ層からなる第２導電型の中間層はなくてもかまわない。
　［２－３．バリア層における不純物ドーピング構成］
　次に、本実施の形態に係る活性層１５のバリア層１５ａにおける不純物ドーピング構成について説明する。
　本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａか、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を有する。これにより、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａの界面に生じる負の分極電荷の影響を打ち消し、バリア層１５ａの価電子帯のバンドの電位を低下させることで、ウェル層１５ｂ、ウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状を均一化させることができる。これにより、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの２層で形成される量子波動関数の形状の均一性を向上させることができる。このため、各ウェル層で最も高い増幅利得が得られる波長を近づけることができるため、増幅利得を高めることができる。これにより、レーザ発振に必要な発振しきい電流値を低減することができる。
　さらに、本実施の形態に係る不純物ドーピングによれば、正孔が第１光ガイド層に漏れる正孔のオーバーフローの発生を抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。
　ここで、本実施の形態に係る不純物ドーピングについて図２３を用いて説明する。図２３は、本実施の形態に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。図２３の模式図（ａ）は、活性層１５の各層の界面で形成される単位体積あたりの分極電荷を示す。模式図（ｂ）は、活性層１５近傍領域のバンド構造を示す。模式図（ｃ）は、バリア層１５ａにドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｄ）は、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示す。
　図２３の模式図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａ、又は、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。本実施の形態では、不純物としてＳｉをドーピングしている。
　続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図２４及び図２５を用いて説明する。図２４は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａにＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２４のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。
　第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷に起因して、この界面での電気的な中性条件を満足するようバンド構造が変化する。さらに、負の分極電荷に起因して正孔が発生する。したがって、当該界面の電位が上昇する。このため、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷を補償することで価電子帯のバンド電位が増大することを抑制するため、この界面の近傍領域にｎ型不純物をドーピングすることは有効である。
　図２４のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大する。これに伴い、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。
　バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁を増大する効果が大きくなるが、図２４のグラフ（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ、ウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。
　図２５は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２５のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。本計算では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域にＳｉドーピングしている。
　図２５のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大し、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。
　正孔のオーバーフロー抑制効果は、図２４のグラフ（ｂ）と図２５のグラフ（ｂ）を比較すれば、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へＳｉドーピングした方が、第２光ガイド層１４の価電子帯バンドの電位も下がる。このため、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。
　バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉのドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなる。しかしながら、図２５のグラフ（ｂ）に示す結果より、５×１０１８ｃｍ－３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。
　（実施の形態３）
　実施の形態３に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、活性層１５のバリア層の構成において、実施の形態２に係る半導体発光素子と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態２に係る半導体発光素子との相違点を中心に説明する。
　本実施の形態に係る半導体発光素子では、バリア層１５ａ、バリア層１５ｃ及びバリア層１５ｅが、Ｉｎ組成比０．０４のＩｎＧａＮでなく、ＧａＮからなる。
　各バリア層をＧａＮとすることで、各ウェル層での価電子帯のバンド障壁を大きくすることができる。しかしながら、この構造においても、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷に起因して、この界面での電気的な中性条件を満足するようバンド構造が変化する。さらに、負の分極電荷に起因して正孔が発生する。したがって当該界面の電位が上昇する。このため、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面に生じる負の分極電荷を補償することで、価電子帯のバンド電位が増大することを抑制するため、この界面の近傍領域にｎ型不純物をドーピングすることは有効である。
　そこで、本実施の形態に係る半導体発光素子では、バリア層１５ａか、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。
　これにより、上記実施の形態２と同様に、半導体発光素子の増幅利得を高めることができ、レーザ発振に必要な発振しきい電流値を低減することができる。さらに、正孔が第２光ガイド層１４に漏れる正孔のオーバーフローの発生を抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。
　ここで、本実施の形態に係る不純物ドーピングについて図２６を用いて説明する。図２６は、本実施の形態に係る不純物ドーピングの態様を示す模式図である。図２６の模式図（ａ）は、活性層１５の各層の界面で形成される単位体積あたりの分極電荷を示す。模式図（ｂ）は、活性層１５近傍領域のバンド構造を示す。模式図（ｃ）は、バリア層１５ａにドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｄ）は、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にドーピングする場合の不純物ドーピングプロファイルを示す。
　図２６の模式図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子は、バリア層１５ａ、又は、第２光ガイド層１４とバリア層１５ａとの界面の少なくとも一方にｎ型不純物をドーピングした領域を備えた構造としている。本実施の形態では、不純物としてＳｉをドーピングしている。
　続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図２７及び図２８を用いて説明する。図２７は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａにＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２７のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。
　図２７のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大する。これに伴い、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。このため、半導体発光素子の温度特性を向上させることができる。
　バリア層１５ａへのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなるが、図２７のグラフ（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。
　図２８は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面にＳｉドーピングした場合の伝導帯バンド構造及び価電子帯バンド構造を示すグラフである。図２８のグラフ（ａ）は、伝導帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示し、グラフ（ｂ）は、価電子帯バンド構造のドーピング濃度依存性の計算結果を示す。本計算では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域にＳｉドーピングしている。
　図２８のグラフ（ｂ）に示すように、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４の界面へのＳｉドーピング濃度を増加させると、バリア層１５ａの価電子帯のバンド構造の電位が低下し、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の形状が均一化する。また、バリア層１５ａの第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大することにより、正孔の波動関数が第２光ガイド層１４側に拡がることを抑制できる。これにより、電子及び正孔の波動関数の相互相関が増大し、ウェル層１５ｂの注入キャリアに対する増幅利得を増大させることができるため、発振しきい電流値を低減することができる。また、正孔が第２光ガイド層１４側に漏れる正孔のオーバーフローを抑制することができる。
　正孔のオーバーフロー抑制効果は、図２７のグラフ（ｂ）と図２８のグラフ（ｂ）を比較すれば、バリア層１５ａにＳｉをドーピングした方が、バリア層１５ａの禁制帯幅エネルギーが大きいため価電子帯バンドの電位が下がる効果が大きい。このため、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。
　バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面へのＳｉドーピング濃度が大きくなるほど、第２光ガイド層１４側の価電子帯の電位障壁が増大する効果が大きくなるが、図２８（ｂ）に示す結果より、Ｓｉドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－３以上あれば、価電子帯の電位障壁が増大すると共に、ウェル層１５ｂ及びウェル層１５ｄの価電子帯のバンド構造の均一性を十分高めることができる。
　また、実施の形態２及び３では、バリア層１５ａと第２光ガイド層１４との界面か、バリア層１５ａの一方に不純物をドーピングした結果を示したが、両方にドーピングすれば、より一層、正孔の波動関数の第２光ガイド層１４への拡がりの抑制、及び、正孔に対するオーバーフロー抑制の効果を高めることができる。
　（実施の形態４）
　実施の形態４に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面に不純物ドーピングを行う点において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に図２９を用いて説明する。
　図２９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルと、禁制帯幅エネルギー分布との関係を示す模式図である。図２９の模式図（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の不純物ドーピングプロファイルを示し、模式図（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子の禁制帯幅エネルギー分布を示す。
　本実施の形態に係る半導体発光素子は、図２９に示すように、実施の形態１に係る半導体発光素子において、さらに、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面から±５ｎｍ以内の領域に、Ｓｉからなるｎ型不純物をそれぞれ、濃度Ｎ２及びＮ３の大きさで相対的に高濃度にドーピングした構造である。第１半導体層１２及び第１光ガイド層１３において、相対的に高濃度にドーピングされていない領域のＳｉからなるｎ型不純物のドーピング濃度をＮ１（＝１×１０１８ｃｍ－３）とする。
　このようにドーピングすることで、それぞれの界面に生じる負の分極電荷に電気的に誘因される正孔によりバンドが変形することで界面の生じるスパイク状の電位障壁の形成を、抑制することができる。また、高濃度ドーピングされている領域が狭いので導波路損失を抑制できる。この結果、導波路損失を低い値の保ったまま、動作電圧をさらに低電圧化することができる。
　続いて、本実施の形態に係る不純物ドーピングの効果について図３０を用いて説明する。図３０は、本実施の形態に係る半導体発光素子において、３００ｍＡ動作時の動作電圧の第１半導体層１２及び第２半導体層１９のＡｌ組成比依存性の計算結果を示すグラフである。各グラフ内の線が同一動作電圧の座標を示し、当該線に付された数値が動作電圧を示す。図３０のグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面に、１×１０１８ｃｍ－１、５×１０１８ｃｍ－１及び１×１０１９ｃｍ－１のＳｉドーピングを行った場合の計算結果を示す。
　界面へのＳｉドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ－１の場合、ｎ型ＡｌＧａＮからなる第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めると動作電圧が増大するが、界面へのＳｉのドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－１以上の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を高めても動作電圧は一定となる。このことから、界面へのＳｉを５×１０１８ｃｍ－１以上ドーピングすることで、Ａｌ組成比が０．０８以内の範囲であれば、界面で生じる分極電荷によるバンド構造の変形の発生を抑制することができるため、さらに低動作電圧化を実現することが可能となる。
　本実施の形態に係る半導体発光素子においては、界面に５×１０１８ｃｍ－１のＳｉをドーピングすることで、３００ｍＡ動作時の動作電圧を０．０３Ｖ程度小さくできる。
　また、このようにドーピングすることで、それぞれの界面に生じる負の分極電荷に電気的に誘因される正孔によりバンドが変形することで界面の生じるスパイク状の電位障壁の形成を抑制することができる。
　ｎ型層の界面に正孔が誘因されてバンドが変形する場合、ｎ型領域には電子が多数存在するため電子と正孔とのオージェ非発光再結合が界面で生じやすくなる。ヘテロ界面でオージェ非発光再結合が発生すると非発光再結合中心近傍の領域の温度が局所的に増大し、格子定数の違いから格子欠陥の増殖が生じやすくなるため、半導体発光素子の信頼性劣化につながる。
　導波路損失の増大を招かず、ｎ型半導体のヘテロ界面でのオージェ非発光再結合の発生を抑制するためには、ヘテロ界面近傍領域に高濃度不純物をドーピングすることが有効である。また、濃度Ｎ２及びＮ３は５×１０１８ｃｍ－１以上の大きさであればよく、同じ大きさである必要はない。
　また、不純物を高濃度にドーピングする領域は、ヘテロ界面における分極電荷を、逆の極性の電荷を形成することで打ち消すために形成するものである。したがって、ヘテロ界面に５×１０１８ｃｍ－３以上の不純物濃度となるようにドーピングし、ヘテロ界面以外の領域では不純物ドーピング濃度が低下していてもよい。この場合、高濃度の不純物領域幅が等価的に狭まるのでフリーキャリア損失の発生が小さくなり、導波路損失が小さくなる。この結果、動作電流値を低減し、温度特性が向上する。
　（実施の形態５）
　実施の形態５に係る半導体発光素子について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子は、導波路損失をより一層低減するための構成を備える点において、実施の形態１に係る半導体発光素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体発光素子について、実施の形態１に係る半導体発光素子１００との相違点を中心に図３１を用いて説明する。
　図３１は、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の概略構成を示す模式的な断面図である。図３１に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子５００は、実施の形態１に係る半導体発光素子１００の構成に加えて、さらに、導電性酸化膜３３を備える。
　導電性酸化膜３３は、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間に配置された膜である。導電性酸化膜３３としては、例えば、錫ドープの酸化インジウム（ＩＴＯ）、Ｇａドープの酸化亜鉛、Ａｌドープの酸化亜鉛、ＩｎとＧａドープの酸化亜鉛等の可視光に対して透過性を有し、低抵抗の電気伝導性を示す酸化膜である。
　この場合、導電性酸化膜３３は屈折率が低く、コンタクト層２０とｐ側電極３２との間に形成することで、導波路を伝搬する光のｐ側電極における吸収損失を抑制できる。さらに、その屈折率の低さから、光の閉じ込め作用が強く、図３１に示すリッジ高さＨを０．４５μｍ以下に低くしても、光分布がｐ側電極３２にしみ出すことで吸収損失が発生することを抑制することができる。リッジを形成するｐ型ＡｌＧａＮ層は抵抗率がｎ型のＡｌＧａＮと比較して高いため、リッジ高さＨ（リッジ部における第２半導体層１９の膜厚）を薄くすることは、半導体発光素子５００の直列抵抗低減に有効である。
　本実施の形態に係る半導体発光素子５００では、導電性酸化膜３３として膜厚０．２μｍのＩＴＯを用いている。
　続いて、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の効果について図３２を用いて説明する。図３２は、本実施の形態に係る半導体発光素子５００の光閉じ込め係数及び実効屈折率差の計算結果を示すグラフである。図３２のグラフ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれリッジ高さＨを、０．２５μｍ、０．３５μｍ、０．４５μｍ、０．５５μｍ及び０．６５μｍとした場合の計算結果を示す。図３２において、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の膜厚をパラメータとして、導波路損失（各グラフ内の実線）、ウェル層１５ｂとウェル層１５ｄへの積層方向の光分布の光閉じ込め係数（各グラフ内の二点鎖線）、及び、リッジ内外の実効屈折率差ΔＮ（点線）の計算結果を示している。
　リッジ内外の実効屈折率差ΔＮとは、リッジ内部の積層方向の光分布の実効屈折率とリッジ外の積層方向光分布の実効屈折率との差である。ΔＮが大きいと光分布のリッジ内外の水平方向（積層界面に平行な方向）の閉じ込めが大きくなり、水平方向の光分布はリッジ内部に強く閉じ込められる。実効屈折率差ΔＮが小さくなると、導波路を伝搬可能な水平横モードの最高次数が小さくなる。
　最も次数の低い基本横モードを０次モードとすると、最低でも３種以上の次数の光分布が同時に動作していないと、電流－光出力特性において非線形の折れ曲がり（キンク）が生じやすくなり、半導体発光素子の光出力パワーの安定性が損なわれる。従って、少なくとも２次モードの高次水平横モードがカットオフされないように、ある一定値以上に実効屈折率差ΔＮを設定する必要がある。
　リッジ幅Ｗが大きいとカットオフされる水平横モードの最高次数が大きくなるため、必要な実効屈折率差ΔＮは小さくなる。リッジ幅Ｗが１０μｍから３０μｍの場合、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３以上ないと安定して３種以上の次数の異なる水平横モードが同時にレーザ発振しにくくなる。リッジ幅Ｗが４０μｍ以上ある場合には、実効屈折率差ΔＮが１×１０－４以上あれば、少なくとも基本横モードから２次の高次水平横モードが安定して同時にレーザ発振し、キンクの発生を抑制できる。Ｗが５０μｍ以上ある場合には、リッジストライプを導波可能な水平横モードの次数は急激に多くなり、実効屈折率差ΔＮが０より大きければ、少なくとも基本横モードから２次の高次水平横モードが安定して同時にレーザ発振する。
　ここでは、導電性酸化膜３３としてＩＴＯ膜を、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間に形成する。この場合、図３２に示すように、リッジ高さＨが０．２５μｍ以上０．６５μｍ以下の範囲において、実効屈折率差ΔＮを１×１０－４以上とするためには、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．４５μｍ以下とすればよい。また、リッジ高さＨが０．２５μｍ以上０．６５μｍ以下の範囲において、実効屈折率差ΔＮを３×１０－３以上とするためには、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．３μｍ以下とすればよいことがわかる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上あれば、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚が厚いほど、導波路損失が小さくなる。ただし、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚が厚くなりすぎると、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６とのアンドープ領域も厚くなり、抵抗が増大する。このため、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．６μｍ以下としてもよい。
　また、図３２より、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さを０．２５μｍまで低くしても導波路損失の増大を招かないことがわかる。
　リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２の間に導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さＨを０．３５μｍまで低くしても導波路損失の急激な増大を抑制できるため、リッジ高さを０．２５μｍ以上０．４５μｍ以下の範囲に設定した場合は、半導体発光素子の直列抵抗を低減できるため、特に有効である。
　本実施の形態に係る半導体発光素子５００においては、実施の形態１に係る半導体発光素子１００において、膜厚０．２μｍのＩＴＯからなる導電性酸化膜３３をリッジ上に形成している。この半導体発光素子５００において、リッジ高さＨを０．２５μｍ、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．２５μｍとすることで、導波路損失が１．６ｃｍ－１に抑制できる。この半導体発光素子５００においては、実効屈折率差ΔＮが１×１０－３程度に小さいため、リッジ幅Ｗを４０μｍ以上とすれば、電流―光出力特性におけるキンクの発生を抑制することができる。
　また、実施の形態１に係る半導体発光素子においても、リッジの高さＨを０．４５μｍ、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．２５μｍとすれば、導波路損失が１．８ｃｍ－１と２ｃｍ－１以下の非常に損失の少ない導波路の実現を行うことができる。この構成においても、実効屈折率差ΔＮが１×１０－３程度に小さいため、リッジ幅Ｗを４０μｍ以上とすれば、電流―光出力特性におけるキンクの発生を抑制することができる。
　また、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、リッジ高さＨが０．２５μｍから０．６５μｍの範囲において、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．３μｍ以上とすると、導波路損失は３ｃｍ－１以下となる。第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３９μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ－１以下となる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上の場合は、実効屈折率差ΔＮは小さくなるが、キンクが発生しにくくなり、第２光ガイド層と第３光ガイド層との合計膜厚を０．５μｍ以上とすると、１．５ｃｍ－１以下の超低損失導波路を実現することができる。
　また、リッジ上のコンタクト層２０とｐ側電極３２との間にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成しない場合は、上記計算と同様の計算から、リッジ高さＨが０．４５μｍから０．６５μｍの範囲において、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３１μｍ以上とすると、導波路損失は４ｃｍ－１以下となる。また、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３６μｍ以上とすると、導波路損失は３ｃｍ－１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．４μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ－１以下となる。リッジ幅Ｗが５０μｍ以上の場合は、実効屈折率差ΔＮは小さくなるが、キンクが発生しにくくなり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．５μｍ以上とすると、１．５ｃｍ－１以下の超低損失導波路を実現することができる。
　リッジ高さＨが０．５５μｍ以上０．６５μｍ以下において、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．２５μｍ以上とすると、導波路損失は５ｃｍ－１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を０．３３μｍ以上とすると、導波路損失は４ｃｍ－１以下となり、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との膜厚を０．４２μｍ以上とすると、導波路損失は２ｃｍ－１以下となる。
　また、リッジ上にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成すると、導電性酸化膜３３は屈折率が低いため、導波路に形成される光分布のｐ側電極３２への拡がりが低減される。この結果、ｐ側電極での光吸収が低減し、導波路損失が低減される。前述のように、導波路損失の低減のためには、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を厚くするとよい。これは、積層方向の光分布が屈折率の高い活性層に集中し、ｐ側電極３２への光分布の拡がりが抑制されるだけでなく、電子又は正孔濃度の高いｎ型層又はｐ型層において光分布の存在する割合が小さくなるためフリーキャリア損失が低減するためである。
　ここで、第２光ガイド層１４及び第３光ガイド層１６の界面近傍の領域には、分極電荷が発生する。分極電荷の影響を低減するためには、分極電荷の発生する界面近傍領域のみにドーピングすればよい。当該界面近傍を除く領域には意図的に不純物をドーピングしない方が、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６での電子、正孔の濃度が小さくなるため光分布が受けるフリーキャリア損失が小さくなる。
　しかしながら、不純物ドーピングにより、光分布のリッジ内外の実効屈折率差ΔＮが低下し、水平横方向の光の閉じ込めが低下する。リッジ幅Ｗが３０μｍ以下の場合、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３以下となると、３種以上の次数の水平横モードが安定して同時にレーザ発振しにくくなり、電流―光出力特性にキンクが発生する。
　そこで、第２光ガイド層１４と第３光ガイド層１６との合計膜厚を厚くした状態で、実効屈折率差ΔＮを高めるためには第１半導体層１２のＡｌ組成比を、第２半導体層１９よりも高めることが有効である。これは、ＡｌＧａＮにおいて、Ａｌ組成比を高めると屈折率が低くなるため、光分布が、屈折率の高い第２半導体層１９側に偏る結果、リッジの水平方向内外の構造上に違いによる実効屈折率の違いの影響が増すため、実効屈折率差ΔＮを高めることができるからである。
　この場合、リッジ上にＩＴＯからなる導電性酸化膜３３を形成し、リッジ高さＨを０．４５μｍ以下に低く設定すれば、半導体発光素子５００の直列抵抗が低減され、積層方向光分布のｐ型層であるリッジ内部での存在割合が小さくなる。このため、フリーキャリア損失が低減され、さらにｐ側電極３２での吸収損失の発生も抑制することができる。
　この時、図３０に示したように、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面、及び、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面へのＳｉのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ－１の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めると動作電圧が増大する。一方、界面へのＳｉのドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ－１以上の場合、第１半導体層１２のＡｌ組成比を高めても動作電圧は一定となる。このことから、界面へのＳｉを５×１０１８ｃｍ－１以上ドーピングする場合、Ａｌ組成比が０．０８以内の範囲であれば、界面で生じる分極電荷によるバンド構造の変形の発生を抑制することができる。これにより、さらに低動作電圧化を実現することが可能となる。
　第１半導体層１２のＡｌ組成比を０．０４以上に高めた場合、Ｓｉを５×１０１８ｃｍ－１以上ドーピングする界面は、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面と、第１光ガイド層１３と第２光ガイド層１４との界面とのうち、第１半導体層１２と第１光ガイド層１３との界面のみであっても、低動作電圧化の効果を得ることができる。
　この結果、直列抵抗の低減、実効屈折率差ΔＮの増大、導波路損失の低減を同時に行うことができる。したがって、低動作電圧特性及び発光効率が高く、キンクの生じない電流－光出力特性を有する半導体発光素子を実現することが可能となる。
　（変形例など）
　以上、本開示に係る半導体発光素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記各実施の形態では、発振波長４５０ｎｍ帯の青色レーザ素子についての説明を行ってきたが、本開示は発振波長４０５ｎｍの青紫レーザ素子にも適用することができる。
　また、上記各実施の形態においては、半導体発光素子が半導体レーザ素子である例を示したが、半導体発光素子は、半導体レーザ素子に限定されない。例えば、半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。
　また、上記各実施の形態及びその変形例に係る半導体発光素子においては、リッジ構造を用いて電流狭窄を実現したが、電流狭窄を実現するための手段は、これに限定されず、電極ストライプ構造、埋め込み型構造などを使用してもよい。
　また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の半導体発光素子は、例えば、高温動作においても、低消費電力の光源として車載ヘッドライト光源などに適用できる。
１１　ＧａＮ基板
１２　第１半導体層
１３　第１光ガイド層
１４　第２光ガイド層
１５、４１５　活性層
１５ａ、１５ｃ、１５ｅ　バリア層
１５ｂ、１５ｄ　ウェル層
１６　第３光ガイド層
１６ａ　組成比傾斜領域
１７　中間層
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、４１８　電子障壁層
１９　第２半導体層
１９ａ　低不純物濃度領域
１９ｂ　高不純物濃度領域
２０　コンタクト層
３０　電流ブロック層
３１　ｎ側電極
３２　ｐ側電極
３３　導電性酸化膜
１００、５００　半導体発光素子
２１１　ｎ型層
２１２　活性層
２１３　ｐ型層
２２８　ｐ側電子閉じ込め層
２３０　上部クラッド層

Claims (19)

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