JP7410508B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体素子に関する。

Ａｌ組成が厚み方向に減少するＡｌＧａＮで形成されたｐ型クラッド層を有する窒化物半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１及び２）。特許文献１には、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を組成傾斜することによって、レーザ発振する閾値電流密度及び閾値電圧が低くなることが開示されている。特許文献２には、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が、電子ブロック層側からｐ型コンタクト層側に向かってｐ型クラッド層の厚み全体に亘って漸減するようにし、かつｐ型クラッド層のＡｌ組成の厚み方向の減少率を０．０１／ｎｍ以上０．０２５／ｎｍ以下とすることによって、高い寿命を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得ることができることが開示されている。

また、窒化物半導体発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では、高出力化のために大電流を流すことがある。あるいは、低コスト化のために素子を小型化することがある。また、例えばレーザダイオードにおいては電流密度を増加させるために電極面積を小さくすることがある。いずれの場合にも、より高い電流密度での駆動に耐えうる素子が必要となる。特に波長３８０ｎｍ未満の紫外光でのレーザ発振を実現するためには、それよりも長波長の窒化物半導体レーザダイオードよりも高電流密度での駆動が必須である。これは高品質のＡｌＧａＮ薄膜の成長が困難であること、光を閉じ込めるのに必要な導電型の高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ成長が極めて困難であることにより、レーザ発振に必要な閾値電流密度が高いためである。また、特に３２６ｎｍ以下のレーザ素子の光励起法による閾値（数ｋＷ／ｃｍ^２から数１０ｋＷ／ｃｍ^２）からの推測では、少なくとも１ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流密度がレーザ発振において必要な最低条件である。発光ダイオードの場合でも、低コスト化による小型化、高電流注入による高出力化を両立するために、１ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流密度に耐えうる素子開発が望まれている。

特開２０１８－９８４０１号公報 特開２０１６－１７１１２７号公報

本発明の目的は、高電流密度下での駆動においても素子破壊の無い窒化物半導体素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による窒化物半導体素子は、井戸層と、前記井戸層に隣接して設けられた障壁層とを有する活性層と、前記活性層よりも上部に形成された電子ブロック層と、前記電子ブロック層よりも上部に形成され、前記活性層から離れる方向に向かってＡｌ組成比が減少するＡｌＧａＮで形成された組成変化層とを備え、前記電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記組成変化層のＡｌ組成比の最大値と同じであり、前記組成変化層は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域と、前記第一組成変化領域よりも前記活性層から離れた領域であって前記組成変化層の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化率が前記第一組成変化領域よりも大きい第二組成変化領域とを有し、前記第一組成変化領域は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化し、前記第二組成変化領域は、全領域におけるＡｌ組成比が前記井戸層のＡｌ組成比以上であることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、高電流密度下の駆動においても素子破壊の無い素子を開発することができる。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の概略構成の一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子のエネルギーバンドの一例を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた第一窒化物半導体層のＡｌ組成比に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた組成変化層を構成する第一組成変化領域の膜厚に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた組成変化層を構成する第一組成変化領域の所定端部のＡｌ組成比に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた組成変化層を構成する第二組成変化領域の膜厚に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた組成変化層を構成する第二組成変化領域の所定端部のＡｌ組成比に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子に備えられた第二窒化物半導体層の膜厚に対する導波損失の一例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体素子の概略構成の一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体素子のエネルギーバンドの一例を模式的に示す図である。

〔第１実施形態〕
本発明の一例である第１実施形態による窒化物半導体素子は、紫外光の電流注入によるレーザ発振が可能である。このため、本実施形態による窒化物半導体素子は、紫外発光が可能なレーザダイオードに適用することができる。本実施形態による窒化物半導体素子は例えば、波長が３８０ｎｍから３２０ｎｍのＵＶＡや波長が３２０ｎｍから２８０ｎｍのＵＶＢ、波長が２８０ｎｍから２００ｎｍのＵＶＣの各領域の発光を得ることができる。

本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子について図１から図８を用いて説明する。まず、本実施形態による窒化物半導体素子１の概略構成について図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態による窒化物半導体素子１は、基板１１と、基板１１の上方に設けられてＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎで形成された窒化物半導体活性層（活性層の一例）３５２を備えている。また、窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２よりも上部に形成され、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成された組成変化層３２を備えている。組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が連続的に減少する組成傾斜層でもある。組成変化層３２は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３２１を有している。第一組成変化領域３２１は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化している。第一組成変化領域３２１には、Ｍｇが含まれていても良い。Ｍｇを含む場合は、例えば１×１０^１８ｃｍ^－３の不純物濃度で第一組成変化領域３２１に注入されている。また、組成変化層３２は、第一
組成変化領域３２１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３２の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３２１よりも大きい第二組成変化領域３２２を有している。第二組成変化領域３２２は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化している。

窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の両側のうちの組成変化層３２が配置されていない側にＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された第一窒化物半導体層３１を備えている。ここで、窒化物半導体活性層３５２の両側のうちの組成変化層３２が配置されていない側は、例えば基板１１が配置されている側である。

窒化物半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と窒化物半導体活性層３５２との間に設けられてＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎで形成された下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２と組成変化層３２との間に設けられてＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎで形成された上部ガイド層３５３とを備えている。下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２と、上部ガイド層３５３とを合わせて発光部３５が構成されている。なお、上部ガイド層３５３、下部ガイド層３５１を有する構造は一般的には光をガイド層に閉じ込める目的で用いられ、窒化物半導体素子１はレーザダイオードである。窒化物半導体素子１と類似の構造で、下部ガイド層３５１、上部ガイド層３５３の無い素子構造は、一般的には発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１と上部ガイド層３５３との間に設けられた電子ブロック層３４を備えている。電子ブロック層３４は、例えばＡｌ_ｘ６Ｇａ_{（１－ｘ６）}Ｎで形成されている。電子ブロック層３４は、窒化物半導体活性層３５２と上部ガイド層３５３との間に設けられていても良い。あるいは、電子ブロック層３４は、下部ガイド層３５１を２分するように挿入されていても良い。

窒化物半導体素子１は、０ｎｍよりも厚く１００ｎｍ未満の膜厚で第二組成変化領域３２２に隣接して組成変化層３２に積層された第二窒化物半導体層３３を備えている。第二窒化物半導体層３３は、例えばＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎで形成されている。

窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３に接触して設けられた第一電極１４と、第一窒化物半導体層３１の一部に接触して設けられた第二電極１５とを備えている。

窒化物半導体素子１は、組成変化層３２に設けられた第一組成変化領域３２１の一部に形成された突出部３２１ａと、組成変化層３２に設けられた第二組成変化領域３２２と、第二窒化物半導体層３３とで構成されたリッジ部半導体層１７を備えている。第一電極１４は、リッジ部半導体層１７上に設けられている。

第一窒化物半導体層３１は、基板１１上に配置されてＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された第一積層部３１１と、第一積層部３１１上に積層されてＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された第二積層部３１２とを有している。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの一部に配置されている。このため、第一積層部３１１の上面３１１ａには、第二積層部３１２が形成されていない領域と、第二積層部３１２が形成されている領域とが存在する。なお、第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に積層されていてもよい。第二積層部３１２は、第二積層部３１２表面の一部に形成された突出部３１２ａを有している。

窒化物半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と基板１１との間、すなわち基板１１上に形成されたＡｌＮ層３０を備えている。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎが一般的な薄膜成長装置である気相成長装置
を用いた成膜中にクラックが入ることを抑制する目的で下地として配置される。ＡｌＮ層３０を有することにより、上層のＡｌＧａＮ層には圧縮応力が働き、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎにクラックが発生することが抑制される。

窒化物半導体素子１は、第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３の一側面を少なくとも含み光を外部へ出射する方向の側面に設けられた共振器面１６ａを備えている。より具体的には、共振器面１６ａは、第二積層部３１２の一側面と、発光部３５の一側面と、電子ブロック層３４の一側面と、組成変化層３２の一側面と、第二窒化物半導体層３３の一側面とによって形成される同一平面で構成されている。また、窒化物半導体素子１は、第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３の一側面に対向する側面を少なくとも含み共振器面１６ａで反射した光を反射する側面に設けられた裏側共振器面１６ｂを備えている。なお、図１では、裏側共振器面１６ｂの輪郭の一部が太線によって図示されている。より具体的には、裏側共振器面１６ｂは、第二積層部３１２の他側面と、発光部３５の他側面と、電子ブロック層３４の他側面と、組成変化層３２の他側面と、第二窒化物半導体層３３の他側面とによって形成される同一平面で構成されている。

上述のとおり、窒化物半導体素子１は、基板１１と、基板１１上に積層されたＡｌＮ層３０と、ＡｌＮ層３０上に積層された第一窒化物半導体層３１と、第一窒化物半導体層３１上に積層された発光部３５と、発光部３５上に積層された電子ブロック層３４と、電子ブロック層３４に積層された組成変化層３２と、組成変化層３２上に積層された第二窒化物半導体層３３と、第二窒化物半導体層３３上に形成された第一電極１４と、第一窒化物半導体層３１上に形成された第二電極１５とを備えている。

ＡｌＮ層３０上には、第一窒化物半導体層３１の第一積層部３１１が配置されている。第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２の突出部３１２ａ上には、発光部３５の下部ガイド層３５１が配置され、第二積層部３１２の突出部３１２ａが形成されていない所定領域に第二電極１５が配置されている。発光部３５を構成する上部ガイド層３５３上には、電子ブロック層３４が配置されている。組成変化層３２の第二組成変化領域３２２上には、第二窒化物半導体層３３が配置されている。

このような積層構造を有する窒化物半導体素子１のバンドギャップ構造について図１を参照しつつ図２を用いて説明する。図２中の上段には、窒化物半導体素子１の伝導帯および価電子帯のエネルギー図が模式的に図示されている。図２中の下段には、窒化物半導体素子１の積層構造が当該バンドギャップ構造に対応付けて模式的に図示されている。図２には、窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａ及び障壁層３５２ｂが模式的に図示されている。なお、図２では、下部ガイド層３５１と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層、及び上部ガイド層３５３と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層の図示は省略されている。

図２に示すように、井戸層３５２ａの価電子帯エネルギー準位と、井戸層３５２ａの伝導帯エネルギー準位との準位差に相当するエネルギー差が、発光するために必要な光エネルギーＥｌである。レーザダイオードにおいて、光が共振中に導波するのは発光部３５である。窒化物半導体素子１では、発光部３５に光を閉じ込めるために、発光部３５は、発光部３５の上下層である第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりも屈折率が高く形成される。窒化物半導体においては、例えばＡｌＧａＮであればＡｌ組成比率が高いほど屈折率が低くなるため、窒化物半導体素子１におけるＡｌＧａＮ積層構造においては、発光部３５、特に光の導波を担う下部ガイド層３５１は、第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりもＡｌ組成比率が高く形成される。この際、エネルギー図は、図２に示す通りになり、注入された電子・正孔のキャ
リアも発光部３５の上下層の第二積層部３１２並びに電子ブロック層３４および組成変化層３２よりエネルギーの低い発光部３５に閉じ込められることになる。ここで、組成変化層３２の一部、図２では第二組成変化層に相当する第二組成変化領域３２２は下部ガイド層３５１よりもＡｌ組成比率が低く配置されている。これは、第一組成変化領域３２１が十分な膜厚と低い屈折率を有することで、第二組成変化領域３２２に光が漏れない場合に、電流を注入する目的であえてＡｌ組成比率を低くすることができる。この場合、後述する内部ロスは増加しない。また、特にレーザダイオードにおいて発振の閾値を増加させる要因の一つである内部ロスには、薄膜中での光の吸収、あるいは光が導波路を進行中に導波路外へ漏れてしまう減少が関わる。この構造の場合、発光は発光層である窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａから得られ、その光のエネルギーは光エネルギーＥｌである。窒化物半導体素子１への光の吸収は、光エネルギーＥｌよりもバンドギャップエネルギーが小さい半導体層または光エネルギーＥｌとバンドギャップエネルギーとが同じ半導体層で起こる。光エネルギーＥｌとバンドギャップエネルギーとの関係が図２に示す場合には、第二窒化物半導体層３３が光を吸収する層に該当する。つまり、窒化物半導体素子１では、第二窒化物半導体層３３が光の吸収層となりうる。

一般的に窒化物半導体においては電子の移動度が正孔の移動度よりも高い。このため、窒化物半導体活性層３５２側の組成変化層３２のＡｌ組成比ｘ３が第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも高く設計されることにより、電子がｐ型半導体で構成された組成変化層３２側へオーバーフローすることが防止される。同時に電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６も第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１より高く設計される。これにより、電子が組成変化層３２側へオーバーフローすることが防止される。

窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第一組成変化領域３２１の端部でのＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高くなるように構成されている。すなわち、窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１の全体のＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高くなるように構成されている。このため、組成変化層３２の屈折率は上部ガイド層３５３よりも層全体で低くなり、組成変化層３２は、発光部３５で発光した光を下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３で閉じ込め、吸収層を含む第二窒化物半導体層３３および第一電極１４まで伝搬させない効果を有する。

窒化物半導体素子１は、膜厚が最適値に調整された第一組成変化領域３２１を有する組成変化層３２を備えることにより、光を発光部３５に閉じ込めることと、高電流密度下の駆動でも素子破壊をおこさないことを両立している。

窒化物半導体素子１は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の組成変化層３２の端部（すなわち窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部）でのＡｌ組成比ｘ３が窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５（上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低い）よりも高くなるように構成されている。すなわち、第二組成変化領域３２２の全領域においてＡｌ組成比ｘ３は、井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５（上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低い）よりも高くなるように構成されている。このため、図２に示すように、第二組成変化領域３２２全体のバンドギャップエネルギーは、井戸層３５２ａのバンドギャップエネルギーよりも高くなる。つまり、素子発光の光エネルギーＥｌよりも第二組成変化領域３２２のバンドギャップエネルギーは大きくなる。これにより、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２での光吸収の抑制が図られている。

窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２が窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部でのＡｌ組成比ｘ３よりも低
くなるように構成されている。このため、図２に示すように、第二窒化物半導体層３３の価電子帯エネルギー準位は、窒化物半導体活性層３５２の配置側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部の伝導帯エネルギー準位よりも低くなる。これにより、窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３と第一電極１４（図１参照）とのコンタクト抵抗が低減され、低電圧化が図られている。

次に、窒化物半導体素子１を構成する各構成要件の詳細について図１及び図２を参照しつつ図３から図８を用いて説明する。

（基板）
基板１１を形成する材料の具体例としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。基板１１は、薄板の四角形状を有していることが組立上好ましいが、これに限らない。また、基板のオフ角は高品質の結晶を成長させる観点から０度より大きく２度より小さいことが好ましい。基板１１の膜厚は、上層にＡｌＧａＮ層を積層させる目的であるならば特に制限されないが、５０マイクロメートル以上１ミリメートル以下であることが好ましい。基板１１は、上層薄膜の支持、および結晶性の向上、外部への放熱を目的として使用される。そのため、ＡｌＧａＮを高品質で成長させることが出来、熱伝導率の高い材料であるＡｌＮ基板を用いることが好ましい。基板１１の結晶品質には特に制限はないが、高い発光効率を有する素子薄膜を上層に形成することを目的として貫通転位密度１×１０^９ｃｍ^－２以下が好ましく、１×１０^８ｃｍ^－２以下がより好ましい。基板の成長面は一般的に用いられる＋ｃ面ＡｌＮが低コストなため良いが、－ｃ面ＡｌＮであっても、半極性面基板であっても、非極性面基板であっても良い。分極ドーピングの効果を大きくする観点からは、＋ｃ面ＡｌＮが好ましい。

（ＡｌＮ層）
ＡｌＮ層３０は、基板１１の全面に形成されている。ＡｌＮ層３０は本例においては、数マイクロメートル（例えば１．６μｍ）の厚さを有しているが、この値には限らない。具体的には、ＡｌＮ層３０の膜厚は、１０ｎｍより厚く１０μｍより薄いことが好ましい。ＡｌＮ層３０の膜厚が１０ｎｍより厚いことで、結晶性の高いＡｌＮを作製することができ、ＡｌＮ層３０の膜厚が１０μｍより薄いことでウェハ全面においてクラックの無い結晶成長が可能である。ＡｌＮ層３０は、より好ましくは５０ｎｍより厚く、５μｍより薄い膜厚を有しているとよい。ＡｌＮ層３０の膜厚が５０ｎｍより厚いことで結晶性の高いＡｌＮを再現良く作製することができ、ＡｌＮ層３０の膜厚が５μｍより薄いことでクラック発生確率の低い結晶成長が可能となる。基板１１の形成材料としてＡｌＮを用いた場合、ＡｌＮ層３０と基板１１との間の差異が同一材料のため、ＡｌＮ層３０と基板１１との境界が不明確となる。本実施形態では、基板１１がＡｌＮで形成されている場合には、基板１１上にＡｌＮ層が積層されていなくても、窒化物半導体素子１はＡｌＮ層を有していると見做すことにする。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１よりも薄く形成されているが、これに限らない。第一窒化物半導体層３１がＡｌＮ層３０よりも厚い場合、クラックを抑制する範囲内で第一窒化物半導体層３１を出来る限り厚膜化することができるため、第一窒化物半導体層３１の薄膜積層の水平方向の抵抗が低減され、低電圧駆動の窒化物半導体素子１を実現することができる。窒化物半導体素子１の低電圧駆動が実願すると、発熱による高電流密度駆動下での破壊をより抑制することが可能となる。ＡｌＮ層３０は、第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差および熱膨張係数差が小さく、欠陥の少ない窒化物半導体層をＡｌＮ層３０上に成長できる。さらに、ＡｌＮ層３０は、圧縮応力下で第一窒化物半導体層３１を成長させることができ、第一窒化物半導体層３１にクラックの発生を抑制することができる。基板１１がＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成されている場合、上記理由のため欠陥の少ない窒化物半導体層を基板１１上に成長できる。このため、基板１１がＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等
の窒化物半導体で形成されている場合、ＡｌＮ層３０が設けられていなくてもよい。また、その他の基板上においても、高品質のＡｌＧａＮを直接基板上に形成し、ＡｌＮを有さなくても良い。ＡｌＮ層３０には、炭素やケイ素、鉄、マグネシウム等の不純物が混入されていてもよい。

（第一窒化物半導体層）
第一窒化物半導体層３１を構成する第一積層部３１１を形成する材料は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎ（０＜ｘ１＜１）が挙げられる。第一窒化物半導体層のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。断面は集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いてＡｌＧａＮのａ面に沿う断面を露出させる。断面の観察方法としては、透過型電子顕微鏡を用いる。観察する倍率は、測定する層の膜厚に対してｘ１０００倍／ｎｍとする。例えば、１００ｎｍの膜厚の層を観察するには１０００００倍、１μｍの膜厚の層を観察するには１００００００倍の倍率で観察する。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。また、第一積層部３１１を形成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎには、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。第一積層部３１１がＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成されることにより、第一積層部３１１の上面３１１ａは、第二積層部３１２が形成されていない領域がＡｌＧａＮで形成される。第一積層部３１１は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ以外の例えばＢやＩｎを含んでいてもよいが、ＢやＩｎを含む箇所において欠陥の形成や耐久性の変化が生まれることから、Ａｌ、Ｇａ以外のＩＩＩ族元素を含まないことが好ましい。本実施形態では、第一積層部３１１は例えばｎ型半導体である。第一積層部３１１をｎ型半導体にする場合、例えばＳｉをドープ（例えば１×１０^１９ｃｍ^－３）することで第一積層部３１１をｎ型化させる。第一積層部３１１をｐ型半導体にする場合、例えばＭｇをドープする（例えば３×１０^１９ｃｍ^－３）ことで第一積層部３１１をｐ型化させる。第一積層部３１１と第二電極１５の間は直接接触していても、トンネル接合のように異なる層を介して接続していても良い。ｎ型半導体で構成された第一窒化物半導体層３１が第二電極１５とトンネル接合されている場合、第一窒化物半導体層３１と第二電極１５との間にｐ型半導体が存在している。このため、第二電極１５は、このｐ型半導体とオーミック接合ができるために、例えばＮｉとＡｕの積層電極あるいは合金化した金属であることが好ましい。ここで、後述する組成変化層３２はＡｌが減少するＡｌＧａＮを用いるため、例えば基板として＋ｃ面サファイアの場合には組成変化層３２は分極によりｐ型半導体となる。－ｃ面サファイアを用いれば組成変化層３２は分極によりｎ型半導体となる。ＰＮダイオードを作製する観点から、第二積層部３１２は、＋ｃ面サファイアを用いる場合はｎ型半導体であり、－ｃ面サファイアを用いる場合はｐ型半導体である。

第一窒化物半導体層３１を構成する第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上であって第一積層部３１１の一部に形成されている。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に形成されていてもよい。第二積層部３１２は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第二積層部３１２の厚さは、特に制限されない。例えば、第二積層部３１２の抵抗を低減させるために１００ｎｍ以上であってもよいし、第二積層部３１２の形成時のクラックの発生を抑制する観点から１０μｍ以下であってもよい。

第二積層部３１２を形成する材料は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎ（０≦ｘ１≦１）が挙げられる。第二積層部３１２を形成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１は、第一積層部３１１の上面３１１ａのＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１と同じであってもよいし、上面３１１ａのＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。これにより、第一積層部３１１と第二積層部３１２との積層界面で
の欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、第二積層部３１２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。

本実施形態では、第二積層部３１２は例えばｎ型半導体である。第二積層部３１２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二積層部３１２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。不純物濃度は、層全体で一様であっても、不均一であっても良く、また膜厚方向にのみ不均一でも、基板水平方向にのみ不均一であっても良い。

ここで、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１及び膜厚について図３を用いて説明する。図３は、窒化物半導体素子１に設けられた第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１に対する導波損失の一例を示すグラフである。図３中の横軸は第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１（％）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ^－１）を示している。

表１は、図３及び後述する図４から図８に示すグラフを得るための窒化物半導体素子１の電流および発光シミュレーションの基本モデルを示している。このシミュレーションでは、窒化物半導体素子１はレーザダイオードを想定している。表１の１段目に示す「層の名称」は窒化物半導体素子１を構成する各層を示し、「Ａｌ組成比（％）」は「層の名称」欄に記載された各層を形成するＡｌＧａＮのＡｌ組成比を百分率で示している。表１の１段目に示す「膜厚（ｎｍ）」は「層の名称」欄に記載された各層の膜厚（単位はナノメートル（ｎｍ））を示している。表１の１段目に示す「ドーピング（ｃｍ^－３）」は「層の名称」欄に記載された各層に注入された不純物の種類及び濃度を示している。なお、不純物が注入されていない層に対応する「ドーピング（ｃｍ^－３）」欄には「－」が記載されている。表１の１段目に示す「電子移動度（ｃｍ^２／Ｖｓ）」は「層の名称」欄に記載された各層における電子移動度を示し、「正孔移動度（ｃｍ^２／Ｖｓ）」は「層の名称」欄に記載された各層における正孔移動度を示している。表１の「Ａｌ組成比（％）」欄の第二組成変化領域に対応する箇所に記載された「５０→０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から０％に変化すること示している。表１の「Ａｌ組成比（％）」欄の第一組成変化領域に対応する箇所に記載された「８０→５０」は、第一組成変化領域のＡｌ組成比が電子ブロック層側の端部から第二組成変化領域側の端部に向かって８０％から５０％に変化すること示している。シミュレーションには、ＳＴＲ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 社のＳｉＬＥＮＳｅ ＬＤ Ｅｄｉｔｉｏｎを用いた。

図３及び後述する図４から図８に示すグラフを得るために、表１に示す電流シミュレーションの基本モデルに加え、レーザシミュレーションモデルとして次の各パラメータが設定されている。窒化物半導体素子１の共振器幅、すなわちリッジ部半導体層１７の幅は３μｍに設定されている。また、窒化物半導体素子１の共振器長、すなわち共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂとの間の長さは５００μｍに設定されている。さらに、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂのそれぞれの反射率は１８％に設定されている。

共振器（すなわち発光部３５）における導波損失をαｉとし、共振器の長さ（すなわち共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂの間の距離）をＬとし、光取り出し側の共振器面１６ａの反射率をＲｆとし、光取り出し側ではない裏側共振器面１６ｂの反射率をＲｒとし、ミラー損失をαｍとし、発振閾値利得をｇｔｈとすると、ミラー損失は、以下の式（１）で表すことができ、発振閾値利得は、以下の式（２）で表すことができる。

式（２）に示すように、窒化物半導体素子１は、導波損失αｉ及びミラー損失αｍが小さくなることにより、発振閾値利得ｇｔｈの低減を図ることができる。窒化物半導体素子１は、利得ｇが導波損失αｉおよびミラー損失αｍを合わせた光学損失を上回ることにより発振に至る。発振に至る利得ｇが発振閾値利得ｇｔｈである。発振電流密度の閾値（以下、「閾値電流密度」と称する場合がある）Ｊｔｈは、発振閾値利得ｇｔｈに加えて、窒
化物半導体素子１に外部電源から注入されたキャリアのうち、光子へとエネルギー変換される効率を表す内部効率、及び窒化物半導体素子１中での基板垂直方向の光強度分布中の井戸層３５２ａとの重なり割合で表される光閉じ込め係数、窒化物半導体活性層３５２の膜厚にも影響される。しかしながら、窒化物半導体素子１の内部効率、及び光閉じ込め係数は、後述する実施例では一定であることが確認されている。同様に、ミラー損失αｍは後述する実施例中では３４．３ｃｍ^－１で一定であることが確認されている。また、活性層の膜厚は当該実施例中では全設計で同一の膜厚を用いている。つまり、発振するための閾値電流密度Ｊｔｈは、導波損失αｉが支配因子となっており、後述する実施例ではαｉが低い素子ほど閾値電流密度Ｊｔｈが低く、好ましい素子であるということが出来る。

図３に示すように、導波損失αｉは、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１が高くなるほど大きくなる。シミュレーションにおいて、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比が５０％未満の領域ではレーザ発振が確認されず、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比が８０％以上の領域では電流が流れずレーザ発振は確認できなかった。

窒化物半導体素子１のシミュレーションにおいて、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１が、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部でのＡｌ組成比ｘ３よりも０．０５以上０．３未満だけ高いと、窒化物半導体素子１は発振することが確認された。したがって、第一窒化物半導体層３１は、例えば窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部よりもＡｌ組成比が高くなるように形成されているとよい。つまり、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１は、第一組成変化領域３２１の両端部のうちの第二組成変化領域３２２側の端部におけるＡｌ組成比ｘ３よりも高くなっているとよい。第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１は、より好ましくは０．０５以上０．１以下である。第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１がこの範囲にあることにより、特に発振閾値を低くすることができ、さらに必要以上に第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比率を高くする必要がなくなる。これにより、第一窒化物半導体層３１と第一電極１４との間のコンタクト抵抗、および第一窒化物半導体層３１の半導体の抵抗を低減することができるため、窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減させることが出来る。窒化物半導体素子１の駆動電圧を低減させることで発熱量を抑えることが出来、より高電流密度を実現することが出来、高出力な発光素子や低閾値のレーザダイオードを実現できる。

第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１が０．２より大きいことにより、第一窒化物半導体層３１と下部ガイド層３５１との間に組成差をつけることが可能となる。加えて、下部ガイド層３５１と第二窒化物半導体層３３との間に組成差をつけることが容易となる。前述したとおり、下部ガイド層３５１はＡｌ組成を第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２より小さくする必要があるため、組成差を製造工程において制御性良く形成することは光を閉じ込める観点から必要不可欠である。

第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１は、１より小さくてもよい。一般的にＳｉＣ、サファイア、ＺｎＯなどの異種基板を用いたとしても、あるいはＡｌＮ基板を用いたとしても、これらの基板の上層には、基板上に積層させるＩＩＩ族窒化物半導体と擬似格子整合するＡｌＮを積層させることが紫外受発光素子においては特に一般的である。このため、基板上に積層される当該ＡｌＮと、第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差が小さく、高品質の結晶成長が可能となる。

（下部ガイド層）
下部ガイド層３５１は、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２の上に形成されている。下部ガイド層３５１は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉
じ込めるために、第二積層部３１２と屈折率差をつけている。下部ガイド層３５１を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮの混晶が挙げられる。下部ガイド層３５１を形成する材料の具体例は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎ（０＜ｘ４＜１）である。下部ガイド層のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。下部ガイド層３５１を形成するＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４は、第二積層部３１２を形成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。これにより、下部ガイド層３５１は、第二積層部３１２よりも屈折率が大きくなり、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めることが可能となる。また、下部ガイド層３５１を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。

下部ガイド層３５１がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１は膜厚方向の一部分にのみドーパントを有していても良い。つまり、下部ガイド層３５１の膜厚方向の一部分では、ｎ型半導体とアンドープ層や、ｐ型半導体とアンドープ層が組み合わされていても良い。下部ガイド層３５１は、アンドープ層であってもよい。下部ガイド層３５１は、組成を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、下部ガイド層３５１は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４を０．６から０．５に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。下部ガイド層３５１の厚さは、特に制限されない。下部ガイド層３５１の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい、また、下部ガイド層３５１の厚さは、下部ガイド層３５１の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。下部ガイド層３５１は、光を発光部３５に閉じ込める目的を保持する範囲内でブロック層となるＡｌＧａＮ層を有していても良い。これは、後述する電子ブロック層３４と同様にキャリアをブロックすることを目的とする。

（窒化物半導体活性層）
窒化物半導体活性層３５２は、窒化物半導体素子１の発光が得られる層である。つまり、窒化物半導体活性層３５２は、発光層である。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料の具体例は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎ（０≦ｘ≦１）である。窒化物半導体活性層３５２のＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}ＮのＡｌ組成比ｘは、第一電極１４および第二電極１５から注入したキャリアを効率よく発光部３５に閉じ込めるために、下部ガイド層３５１のＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４よりも小さくてもよい。例えば、窒化物半導体活性層３５２は、Ａｌ組成比ｘが０．２≦ｘ＜１の関係を満たすＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎで形成されていてもよい。また、窒化物半導体活性層３５２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。

窒化物半導体活性層３５２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２は、アンドープ層でもよい。

窒化物半導体活性層３５２は、例えばＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎで形成された井戸層３５２ａ（図２参照）と、井戸層３５２ａに隣接して設けられて例えばＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１
－ｘ４）}Ｎで形成された障壁層３５２ｂ（図２参照）を有し、井戸層３５２ａ（図２参照）及び障壁層３５２ｂが１つずつ交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有していてもよい。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４よりも小さい。また、井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５は、障壁層３５２ｂのＡｌ組成比ｘ４よりも小さい。本実施形態では、障壁層３５２ｂのＡｌ組成比ｘ４は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４と同一であるが、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のそれぞれのＡｌ組成比ｘ４より高くても低くてもよい。井戸層３５２ａおよび障壁層３５２ｂの平均のＡｌ組成比が窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘとなる。窒化物半導体素子１は、多重量子井戸構造の窒化物半導体活性層３５２を有することにより、窒化物半導体活性層３５２の発光効率や発光強度の向上を図ることができる。井戸層３５２ａおよび障壁層３５２ｂのＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。窒化物半導体活性層３５２は、例えば「障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層」という二重量子井戸構造を有していてもよい。これら井戸層のそれぞれの膜厚は例えば４ｎｍであってよく、これらの障壁層のそれぞれの膜厚は例えば８ｎｍであってよく、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は３２ｎｍであってもよい。多重量子井戸層の量子井戸数は１層であっても（つまり、多重量子井戸ではなく単量子井戸）、２層、３層、４層、５層であっても良い。１つの井戸層内のキャリア密度を増加させる目的から、単一井戸層であることが好ましい。

窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａの形成材料のＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}ＮのＡｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすようにすると、上記の本発明の効果が高い。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５が０．２より小さい場合、窒化物半導体素子１の発光効率を高くする観点および駆動電圧を低くする観点から、第一窒化物半導体層３１、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２の最大値は０．２以上でなるべく小さい値を取ることが好ましくなる。これは、窒化物半導体素子１の各層Ａｌ組成比が大きくなるとダイオードの駆動に必要な駆動電圧が原理的に大きくなること、並びに第一窒化物半導体層３１と第二電極１５との間のコンタクト抵抗および第二窒化物半導体層３３と第一電極１４との間のコンタクト抵抗が大きくなることにより、駆動電圧が大きくなるためである。窒化物半導体素子１の駆動電圧が大きくなると、発熱量が大きくなることにより高電流密度下での素子破壊が起こりやすくなるため好ましくない。しかしながら、Ａｌ組成が小さい場合、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間のＡｌ組成差が小さくなり、Ａｌ組成差が大きいほどつきやすいホールガスを生成する観点から不利になる。窒化物半導体活性層３５２の形成材料のＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}ＮのＡｌ組成比ｘが１の場合、窒化物半導体活性層３５２をＡｌＧａＮで井戸構造が作れないため、キャリアおよび光を閉じ込めることが困難で、発光ダイオード（ＬＥＤ）では発光効率が低く、半導体レーザ（ＬＤ）ではレーザ発振を実現できない。また、窒化物半導体素子１は、ＡｌＮ層３０を備えているので、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３が０．２より小さい場合、窒化物半導体活性層３５２での格子緩和を避けるために、窒化物半導体活性層３５２下の成長中に内部応力に起因する３次元成長させる成長条件で成長させることが好ましい。その３次元成長させる成長条件を用いない場合、窒化物半導体活性層３５２の成長中に緩和が起こり、ミスフィット転位等の発光を阻害する欠陥が増加するため発光効率が低下しやすくなる。井戸層３５２ａのＡｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすＡｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎで窒化物半導体活性層３５２が形成されることにより、窒化物半導体活性層３５２よりも下層で緩和が起こり、窒化物半導体活性層３５２中での格子緩和を抑制することで発光効率が低下することを抑制することができ、かつ井戸層３５２ａの形成材料のＡｌ組成比ｘ５を１より小さくすることで窒化物半導体
活性層３５２にキャリアを輸送しやすくなるので、発光効率の低下が抑制される。

（上部ガイド層）
上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２の上に形成されている。上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めるために、第二窒化物半導体層３３と屈折率差をつけている。上部ガイド層３５３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。上部ガイド層３５３を形成する材料の具体例は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎ（０≦ｘ４≦１）である。上部ガイド層３５３のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。上部ガイド層３５３のＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４は、井戸層３５２ａのＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}ＮのＡｌ組成比ｘ５よりも大きくてもよい。これにより、窒化物半導体活性層３５２へキャリアを閉じ込めることが可能となる。また、上部ガイド層３５３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。

上部ガイド層３５３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３は、アンドープ層でもよい。上部ガイド層３５３は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、上部ガイド層３５３は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４を０．５から０．６に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。上部ガイド層３５３の厚さは、特に制限されない。上部ガイド層３５３の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい。また、上部ガイド層３５３の厚さは、上部ガイド層３５３の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。上部ガイド層３５３及び下部ガイド層３５１のそれぞれのＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎ（０≦ｘ４≦１）のＡｌ組成比ｘ４は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

（電子ブロック層）
電子ブロック層３４は、例えばＡｌ_ｘ６Ｇａ_{（１－ｘ６）}Ｎで形成されている。電子ブロック層３４は、第二積層部３１２がｎ型半導体、組成変化層３２がｐ型半導体の場合にはｐ型半導体であることが好ましく、Ｍｇが注入されていることが好ましい。Ｍｇは、例えば１×１０^１８ｃｍ^－３の不純物濃度で電子ブロック層３４に注入されている。これにより、電子ブロック層３４は、ｐ型化されてｐ型半導体に構成される。電子ブロック層３４はＭｇが添加されていなくても良い。電子ブロック層３４にＭｇが添加されていないことにより、電子ブロック層３４の導電性は低下するが、特にレーザダイオードにおいては吸収による内部ロスの増加を抑制することができるため、閾値電流密度Ｊｔｈを下げることが可能である。窒化物半導体素子１が組成変化層３２におけるホール濃度が低い場合、第一窒化物半導体層３１側から流入する電子の全てが窒化物半導体活性層３５２に注入されず、一部の電子が組成変化層３２側に流れてしまう可能性がある。そうすると、窒化物半導体素子１は、電子の注入効率が低下するので、発光効率を十分に向上させることが困難になる可能性がある。そこで、本実施形態では、発光部３５と組成変化層３２との間に電子ブロック層３４が設けられている。電子ブロック層３４は、第一窒化物半導体層３１側から流入されて窒化物半導体活性層３５２に注入されなかった電子を反射して窒化物半導体活性層３５２に注入することができる。これにより、窒化物半導体素子１は、電子の注入効率が上昇するので、発光効率の向上を図ることができる。

電子ブロック層３４は、電子をブロックする観点からはできるだけバリア高さが高いことが要求される。しかしながら、バリア高さを高くしすぎると、素子抵抗が高くなり、窒化物半導体素子１の駆動電圧の増加、窒化物半導体素子１を破壊しない範囲で到達し得る最大電流密度の低下を引き起こす。そのため、電子ブロック層３４のバリア高さは最適点を有する。電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６の好ましい範囲は、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘ４よりもＡｌ組成比率が０．３以上高く０．５５未満である。該当箇所の組成差が０．５５の場合、素子抵抗の増加がみられ、０．３未満では素子が絶縁化する現象がみられている。０．３未満で絶縁化する理由としては、下部ガイド層３５１と電子ブロック層３４との間のＡｌ組成差により生じる２次元電子ガスと、第一組成変化領域３２１層中に生じる３次元正孔ガスが、電子ブロック層３４を介して相互拡散し、結果としてキャリア消滅を引き起こして電子ブロック層３４の周囲に空乏層を形成することによるものと推測される。これは、窒化物半導体活性層３５２と電子ブロック層３４の組成差が０．３より小さいと特に下部ガイド層３５１側に生じる電子ガスが組成変化層３２側へ拡散しやすくなることが原因と考えられる。また、クラックの発生を抑制する観点から、電子ブロック層３４のＡｌ組成比ｘ６は、１より小さいことが好ましい。

本実施形態では、電子ブロック層３４を形成するＡｌ_ｘ６Ｇａ_{（１－ｘ６）}ＮのＡｌ組成比ｘ６は、組成変化層３２を形成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最大値と同じ値に設定されている。電子ブロック層３４のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。また、電子ブロック層３４は、窒化物半導体活性層３５２と上部ガイド層３５３との間に配置されることもある。また、電子ブロック層３４は下部ガイド層３５１中に下部ガイド層３５１を分割するように配置される場合もある。また、電子ブロック層３４は、下部ガイド層３５１と窒化物半導体活性層３５２との間に配置されることもある。また、これらの配置場所に複数の電子ブロック層３４が配置されることもある。電子ブロック層３４は、単一Ａｌ組成で形成されていても、Ａｌ組成が高組成と低組成を繰り返す超格子構造であっても良い。電子ブロック層３４の厚さは０ｎｍ、つまり電子ブロック層３４が無くても良い。電子ブロック層３４の膜厚範囲としては、０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。電子ブロック層３４の膜厚が５０ｎｍ以下で素子抵抗が低く低駆動電圧となる。電子ブロック層３４の膜厚は、より好ましくは０ｎｍ以上３０ｎｍ以下で、さらに好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。電子ブロック層３４の膜厚が小さいほど素子抵抗を下げることができるため、窒化物半導体素子１の駆動電圧の増加を抑制できるが、電子ブロック層３４の膜厚が２ｎｍより厚いと電子ブロックの効果を発揮し内部効率を向上できるため発光出力向上の観点からは好ましい。

（組成変化層）
組成変化層３２の一部は、リッジ部半導体層１７の一部を構成している。すなわち、組成変化層３２の第一組成変化領域３２１に形成された突出部３２１ａ及び第二組成変化領域３２２は、リッジ部半導体層１７の一部を構成している。本実施形態では、突出部３２１ａは、第一組成変化領域３２１のうち、第二電極１５にできる限り近い距離に配置されている。つまり、リッジ部半導体層１７は、第二電極１５側に偏らせて配置されていている。リッジ部半導体層１７が第二電極１５に近付くことによって、窒化物半導体素子１中を流れる電流経路が短くなるので、窒化物半導体素子１中に形成される電流経路の抵抗値を下げることができる。これにより、窒化物半導体素子１の駆動電圧を低くすることができる。しかしながら、突出部３２１ａおよびリッジ部半導体層１７は、リソグラフィの再現性の観点から１μｍ以上メサ端より離れていることが好ましい。中央に配置されている側に片寄らせて形成されていてもよい。

ここで、組成変化層３２を構成する第一組成変化領域３２１について説明する。第一組成変化領域３２１を構成するＡｌＧａＮは、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、第一組成変化領域３２１を構成するＡｌＧａＮは、ｎ型半導体のドーパントとしてＳｉ、ｐ型半導体のドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。第一組成変化領域３２１は連続的にＡｌ組成比率が減少する領域であり、＋ｃ面成長の際には分極により正孔が発生する。この場合、第一組成変化領域３２１は、ドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。－ｃ面成長の際には分極により電子が発生する。この場合、第一組成変化領域３２１はドーパントとしてＳｉを含んでいても良い。第一組成変化領域３２１はドーパントとしてのＳｉ、Ｍｇを含まないアンドープ層であっても良い。第一組成変化領域３２１をアンドープ層とすることにより、不純物起因の光の吸収を抑制することができ、レーザダイオードにおいて内部損失を低減することが可能である。また、発光ダイオードにおいても光吸収を抑制することにより光取り出し効率が向上し、発光効率を向上させることが可能である。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率は、電子ブロック層３４のＡｌ組成比率と同じであっても、高くても、低くても良い。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率と、電子ブロック層３４のＡｌ組成比率とが同じである場合、相間の障壁を抑制する観点から最もダイオードの立ち上がり電圧の低い素子を作製することが出来るため、例えば低電圧で駆動する低消費電力の素子に適している。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率が電子ブロック層３４のＡｌ組成比率よりも高い場合には、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比率の層内変化率を高くすることが出来るので、分極ドーピングによるキャリア密度を高くすることが出来る。この場合、素子抵抗を低くすることが出来るため、例えば大電流において大電圧で駆動する高出力発光素子や閾値電流密度Ｊｔｈの高いレーザダイオードに適している。第一組成変化領域３２１のＡｌＧａＮの電子ブロック層３４側のＡｌ組成比率が電子ブロック層３４のＡｌ組成比率よりも低い場合には、電子ブロック層３４と第一組成変化領域３２１との間のＡｌ組成比率差により生じる２次元ホールガスを利用することで、電流値の低い低キャリア密度時においても高い内部効率を実現できるため、低電流でも高い発光特性を必要とする発光ダイオードに適している。組成変化層３２の組成変化は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。具体的に組成変化層３２と考える層の膜厚に対して大きくとも１／１０以下の距離の分解能を有する条件において対称とする層内において１０点以上の測定点を有する測定を実施する。Ａｌ組成比率が膜厚に対して線形である場合、本構造は連続的であると見做す。この際、線形性の定義としては、測定結果として得られるＡｌ組成比率を膜厚に対してプロットしたグラフにおいて、線形回帰を実施した際に、少なくとも３点以上の測定点のＡｌ組成比率に差があり、かつ決定定数が０．９５以上である。なお、決定定数をＲ^２とすると、決定定数は以下の式（３）で定義できる。

式（３）において、ｙ_ｉは測定点ｉにおけるＡｌ組成比率を表し、ｅ_ｙは全測定点に対するＡｌ組成比率の平均値を表し、ｆ（ｘ_ｉ）は回帰直線の位置ｘ_ｉにおける予測値を表す。測定点のうち、最も活性層に近い測定点を第一測定点と考え、活性層から離れるに従って順次第二測定点、第三測定点、（以下続く）と定義する。

選択した膜厚内において決定定数が０．７以上かつ０．９５未満である場合には第一組成変化領域の定義とは適合しない。その場合は、測定を行うために選択した膜厚内において第一組成変化領域が傾斜率（すなわち変化率）を変えて多段階に積層している可能性があるため、選択膜厚を短くして測定を実施し直す。決定定数が０．９５以上となる最大膜厚を第一組成変化領域の膜厚と定義する。同様に、選択した膜厚内において決定定数が０．７以上かつ０．９５未満である場合には第一組成変化領域の定義とは適合しない。その場合は、膜厚範囲が小さすぎて第一組成変化領域のＡｌ組成の傾斜率（すなわち変化率）よりも測定誤差や通常の薄膜成長時のＡｌ組成ばらつきを測定している可能性があるため、選択膜厚を長くして測定を実施し直す。測定をし直した場合に、より厚い膜厚において決定定数が０．９５以上となる膜厚が存在する場合には、これを第一組成変化領域の膜厚と定義する。この膜厚が０ｎｍより大きく４００ｎｍより小さい場合、第一組成変化領域であると見做す。

この定義の場合には、実際にはＡｌ組成の組成差が変化する微小領域とＡｌ組成の組成差が一定である微小領域とを組み合わせた階段状に小さくする階段構造や、Ａｌ組成が連続的に変化しかつ傾斜率（すなわち変化率）も連続的に変化する構造も一部、本発明に含まれる。本発明の効果を考慮した場合、これらの構造は、本発明に含まれるべきであるため、本発明における第一組成変化領域と定義する。以下に述べる組成変化層も同様に定義する。

次に、以下に述べる第二組成変化領域との区別について述べる。例えばＡｌ組成比率が０．９から０．５まで連続的に減少する厚さ２２０ｎｍの第１の層と、Ａｌ組成比率が０．５から０．３まで連続的に減少する厚さ３０ｎｍの第２の層を組み合わせた構造は当然本発明の第一組成変化領域および第二組成変化領域として定義される。ＥＤＸで測定する測定点を例えば第１の層から９点、第２の層から１点抽出した場合、測定点の選択によっては回帰曲線の決定定数が０．９５以上となる場合がある。このような場合は、選択した第一組成変化領域の膜厚領域が誤っている。より薄い膜厚において上記定義に従い第一組成変化領域と第二組成変化領域の傾斜率（すなわち変化率）を区別できる場合には、本発明に含まれる第一組成変化領域と第二組成変化領域とを組み合わせた構造であると定義する。第一組成変化領域のＡｌ組成比率の膜厚に対する変化率は、上記により決定した回帰直線の傾きと定義する。

第一組成変化領域３２１の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図４を用いて説明する。図４は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第一組成変化領域３２１の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図４中の横軸は第一組成変化領域３２１の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ^－１）を示している。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化が無く、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが閾値電流密度Ｊｔｈの支配因子となっている。

式（２）に示すように、窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、窒化物半導体素子１の発振の観点では、第一組成変化領域３２１の膜厚は、０ｎｍから４００ｎｍであってもよい。図４に示すように、このシミュレーション結果から、第一組成変化領域３２１は１５０ｎｍ以上で導波損失の低減が見られ、４００ｎｍ以上ではほぼ同等の値となっている。つまり、レーザダイオード特性としては１５０ｎｍ以上が好ましい。また、シミュレーション上は計算が可能であるが、実際には、第一組成変化領域３２１の膜厚が４００ｎｍ以上の厚さであると第一組成変化領域３２１の抵抗が高くなり、駆動電圧の増加による発熱量の増加が生じ、窒化物半導体素子１の破壊が起こりやすくなる。つまり、第一組成変化領域３２１は４００ｎｍより薄い必要がある。また、後述するが、第一組成変化領域３２１の厚さが０ｎｍより厚く１５０ｎ
ｍより薄い領域であっても、１ｋＡ／ｃｍ^２以上の高電流密度を実現可能である。光閉じ込めの必要のない例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では、第一組成変化領域３２１が０ｎｍより厚く１５０ｎｍより薄い膜厚であっても高電流密度を実現する良好な素子を作製できるため効果がある。レーザダイオードとしては、第一組成変化領域３２１の膜厚は、さらに１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満が好ましい。第一組成変化領域３２１の膜厚は、より導波損失αｉを低くする観点から、２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満がより好ましい。さらに、第一組成変化領域３２１の膜厚は、導波損失αｉを低くする観点から、３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満がより好ましい。

次に、窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点に基づく第一組成変化領域３２１の膜厚について説明する。窒化物半導体素子１の当該観点に基づく第一組成変化領域３２１の膜厚を検討するために、第一組成変化領域３２１に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率を実際に素子を作製し測定した。なお、この測定の説明の便宜上、測定に用いた窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の構成要素には、本実施形態による窒化物半導体素子１及び窒化物半導体素子１の構成要素の符号を用いることにする。

窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定にあたり、窒化物半導体素子１と同じ構成を有し、かつ第一組成変化領域３２１の膜厚を変更した５種類のサンプルをそれぞれ５４個作製した。具体的には、第一組成変化領域３２１の膜厚が４０ｎｍのサンプルＡ１、当該膜厚が７５ｎｍのサンプルＡ２、当該膜厚が２４５ｎｍのサンプルＡ３、当該膜厚が３７４ｎｍのサンプルＡ４及び当該膜厚が４０４ｎｍのサンプルＡ５の５種類である。サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の各層の組成などのパラメータは、上述の表１に示す電流シミュレーションの基本モデルとほぼ同じであるが、第一組成変化領域の膜厚の他に、以下のパラメータが異なっている。

（１）第二組成傾斜層の膜厚：７５ｎｍ
（２）窒化物半導体活性層の発光層のＡｌ組成比：３５％
（３）第一窒化物半導体層の膜厚：３０００μｍ
（４）ＡｌＮ層の膜厚：１６００ｎｍ

窒化物半導体素子１における電流密度Ｊは、第一電極１４から第二電極１５に向かって窒化物半導体素子１に流れる電流Ｉと、第一電極１４が第二窒化物半導体層３３に接触する面積Ｓとを用いて以下の式（４）のように定義される。なお、式（４）は、電流密度Ｊ、電流Ｉ及び面積Ｓの各符号を用いて表されている。
Ｊ＝Ｉ÷Ｓ ・・・（４）

窒化物半導体素子１の最大電流密度Ｊｍａｘは、第一電極１４及び第二電極１５の間に印加する印加電圧Ｖａの電圧値を所定間隔で段階的に増加することによって窒化物半導体素子１に流す電流Ｉの電流量を増加していき、窒化物半導体素子１が破壊される直前の電流値に基づいて算出される。最大電流密度Ｊｍａｘの算出に当たって、窒化物半導体素子１の電圧電流特性が一般的なダイオード曲線から外れた場合に窒化物半導体素子１が破壊されたと判定する。具体的には、最大電流密度Ｊｍａｘを得た測定点の次の測定点の測定を実施した際に、電圧が低下し、電流値が極端に高くなる。また、当該ダイオード曲線から外れる直前（１つ前）の測定点の電流Ｉに基づく電流密度が最大電流密度Ｊｍａｘと定義される。さらに、窒化物半導体素子１の電流電圧特性が一般的なダイオード曲線から外れる直前（１つ前）の印加電圧Ｖａが最大電流時電圧Ｖｍａｘと定義される。窒化物半導体素子１の電流電圧特性は、パルス幅が５０ｎｓｅｃでありパルス周期が５００μｓであるパルス信号の印加電圧Ｖａによるパルス測定によって評価された。

電気良品収率は、サンプルＡ１～Ａ６のそれぞれについて、５４個の窒化物半導体素子１のうち、以下の良品条件を満たす窒化物半導体素子１の割合と定義される。
＜良品条件＞
電流Ｉの上限を２０ｍＡに設定した状態で第一電極１４及び第二電極１５の間に０Ｖから２０Ｖまで電圧掃引するＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）測定を行い、３Ｖでの電流値が１ｍＡ以上であり、かつ２０ｍＡの電圧値が７Ｖ以下であること：

表２は、第一組成変化領域３２１の膜厚に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定結果を示している。表２の１段目に示す「サンプル」は測定に用いられた窒化物半導体素子１のサンプルの種類を示している。表２の１段目に示す「第一組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子１に設けられた第一組成変化領域３２１の膜厚（大かっこ内は膜厚の単位）を示している。表２の１段目に示す「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ^２］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子１のそれぞれの最大電流密度の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表２の１段目に示す「最大電流時電圧［Ｖ］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子１のそれぞれに印加された最大電流時電圧の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表２の１段目に示す「電気良品収率［％］」は、測定に用いられたサンプルの種類ごとの電気良品収率（大かっこ内は単位）を示している。

表２に示すように、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ２～Ａ５の窒化物半導体素子１と比較して、第一組成変化領域３２１の膜厚が最も薄い。このため、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果が少ないので、リーク不良が発生し易い。これは、電子のブロックが電子ブロック層３４だけではなく、第一組成変化領域３２１層も寄与していることを示している。これにより、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、高電流注入下でもリーク起因で破壊され高電流が流せず、最大電流密度Ｊｍａｘが１．１５ｋＡ／ｃｍ^２とサンプルＡ２～Ａ４の窒化物半導体素子１と比較して低くなる。しかし、最大電流密度Ｊｍａｘは１ｋＡ／ｃｍ^２より高いため、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１もまた本発明の効果がある。また、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、電気良品収率が６（％）となり、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１のうち電気良品収率が最も低い。つまり、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の中で最もリーク不良が発生しやすい。

サンプルＡ５の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ４の窒化物半導体素子１と比較して、第一組成変化領域３２１の膜厚が最も厚い。このため、サンプルＡ５の窒化物半
導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ４の窒化物半導体素子１よりも高抵抗となるため、通電中の印加電圧Ｖａが高くなり熱破壊し易くなる。このため、サンプルＡ５の窒化物半導体素子１は、最大電流密度Ｊｍａｘが０．３９ｋＡ／ｃｍ^２となって１ｋＡ／ｃｍ^２以上の高電流密度を実現し難い。

サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１～Ａ５の窒化物半導体素子１の第一組成変化領域３２１の膜厚の範囲の中でほぼ中間の膜厚の第一組成変化領域３２１を有している。このため、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ１の窒化物半導体素子１と比較すると、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果が高くなり、リーク不良が発生し難い。また、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、サンプルＡ５の窒化物半導体素子１と比較すると、窒化物半導体素子１の抵抗が低いので、通電中の印加電圧Ｖａが低くなり熱破壊がし難くなる。このように、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１における電子をブロックする効果と、窒化物半導体素子１の抵抗値とのバランスが良好となる。その結果、サンプルＡ３の窒化物半導体素子１は、最大電流密度Ｊｍａｘが４７ｋＡ／ｃｍ^２となって高電流が流し易く、かつ電気良品収率が９３％となってサンプルＡ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５の窒化物半導体素子１と比較して高くなる。

最大電流密度Ｊｍａｘが１ｋＡ／ｃｍ^２の電流密度に耐える窒化物半導体素子１、すなわち最大電流密度Ｊｍａｘが１ｋＡ／ｃｍ^２の窒化物半導体素子１は、素子面積を小さくすることができる。また、レーザ発振の閾値から換算すると、レーザ発振には１ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流密度が必要である。このため、窒化物半導体素子１は、１ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流密度、例えば電流密度が５ｋＡ／ｃｍ^２又は１０ｋＡ／ｃｍ^２に耐えうることがより好ましい。

このように、窒化物半導体素子１に設けられる第一組成変化領域３２１には、発振、最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点から最適な膜厚が存在する。第一組成変化領域３２１の膜厚が０ｎｍより、より厚くなることにより、リーク不良が発生する窒化物半導体素子１が減少する。このため、第一組成変化領域３２１の膜厚は、０ｎｍよりも厚いことが必要となる。また、第一組成変化領域３２１の膜厚が４００ｎｍ以上であると、通電破壊不良が発生する窒化物半導体素子１が増加する。このため、第一組成変化領域３２１の膜厚は、４００ｎｍよりも薄いことが必要となる。したがって、本実施形態による窒化物半導体素子１では、第一組成変化領域３２１は、例えば０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有しているとよい。

また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、レーザ発振が確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が１５０ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、導波損失αｉが低くなるため発振閾値利得ｇｔｈが低くなることが確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が２００ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。さらに、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションによると、第一組成変化領域３２１の膜厚が３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満であると、導波損失αｉが低くなるため発振閾値利得Jｔｈ、かつαｉが一定になるため発振閾値利得Jｔｈが一定となることが確認できる。このため、窒化物半導体素子１は、膜厚が３００ｎｍ以上４００ｎｍ未満の第一組成変化領域３２１を有していてもよい。発振閾値利得Jｔｈが一定となると、第一組成変化領域３２１の膜厚に製造時のバラつきが生じても、窒化物半導体素子１に発振不良が生じにくくなる。これにより、窒化物半導体素子１は、製造歩留まりの向上を図ることができる。なお、第一組成変化領域３２１の膜厚が１５０ｎｍ未満であると、シミュレーシ
ョン上では窒化物半導体素子１は発光するものの発振することはできない。

次に、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３について図１及び図２を参照しつつ図５を用いて説明する。図５は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。第一組成変化領域３２１の所定端部は、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部である。換言すると、第一組成変化領域３２１の所定端部は、第二組成変化領域３２２に接触する側の端部である。図５中の横軸は第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比（％）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ^－１）を示している。

図５に示すように、導波損失αｉは、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３が大きいほど小さくなる。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ^－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。

窒化物半導体素子の電流の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、本計算では第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３は、例えば５０％以上であることが必須である。つまり、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の下限値は、例えば５０％（０．５）となる。これは、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４と一致している。つまり、第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の下限値が下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４より大きくないと、光を効果的に下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３に閉じ込めることができず、導波損失αｉが大きくなる。第一組成変化領域３２１の所定端部のＡｌ組成比ｘ３の上限値は、窒化物半導体素子１の導電性を考慮して決定される。本実施形態では、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の上限値は、例えば８０％に設定されている。

また、上述のサンプルＡ３の薄膜構造に対して電子ブロック層のＡｌ組成比率を１とし、第一組成変化領域のＡｌ組成比率を１から０．５に減少する点のみ変更した薄膜構造を＋ｃ面サファイア基板上に成長させたところ、２インチ基板の周囲端から半分に至る領域までクラックが見受けられた。これは、第一組成変化領域のガイド層側のＡｌ組成比率が高いことにより、引っ張り応力によりクラックが生成したものと考えられる。上記を踏まえると、本発明においては第一組成変化領域のガイド層側の端面のＡｌ組成は０．２以上１以下であると良く、好ましくは０．５以上１未満であるとよく、より好ましくは０．５以上０．８以下であとよい。なお、第一組成変化層のガイド層側の端面のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。この場合、第一組成変化領域を定義した膜厚における回帰直線と、その定義した膜厚範囲の領域において最もガイド層側の位置において回帰直線が示すＡｌ組成比率を第一組成変化領域のガイド層側の端面のＡｌ組成比率と定義する。

窒化物半導体活性層３５２（図１参照）の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、Ａｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４以上であってもよい。窒化物半導体活性層３５２（図１参照）の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、第一組成変化領域３２１の膜厚方向における両端部のうちの上部ガイド層３５３が配置されていない側の端部である。また、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、換言すると、第一組成変化領域３２１の膜厚方向
における両端部のうちの第二組成変化領域３２２との境界側の端部である。窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第一組成変化領域３２１の端部は、Ａｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも例えば１０％以上高くなるように形成されていてもよい。このように、第一組成変化領域３２１の当該端部のＡｌ組成比ｘ３が上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも高く設定されることにより、導波損失αｉを低減させることができるため窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈをより低減することができる。第一組成変化層の第二組成変化層側の端面のＡｌ組成比率は断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。Ａｌ組成比率は、ＡｌとＧａのモル数の和に対するＡｌのモル数の比率と定義でき、具体的にはＥＤＸから分析および定量されたＡｌ、Ｇａのモル数の値を用いて定義することができる。この場合、第一組成変化領域を定義した膜厚における回帰直線と、その定義した膜厚範囲の領域において最も第二組成変化領域側の位置において回帰直線が示すＡｌ組成比率を第一組成変化領域の第二組成変化領域側の端面のＡｌ組成比率と定義する。

次に、組成変化層３２を構成する第二組成変化領域３２２について説明する。まず、第二組成変化領域３２２の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図６を用いて説明する。図６は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第二組成変化領域３２２の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図６中の横軸は第二組成変化領域３２２の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ^－１）を示している。

図６に示すように、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の膜厚が薄いほど小さくなる。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ^－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。

窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、窒化物半導体素子１の発振の観点では、第二組成変化領域３２２の膜厚は、１３０ｎｍ以下であるとよい。

窒化物半導体素子１は、第一電極１４から第一組成変化領域３２１へキャリアを注入するために第二組成変化領域３２２を必須構成要素としている。第二組成変化領域３２２を構成するＡｌＧａＮは、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、第二組成変化領域３２２を構成するＡｌＧａＮは、ｎ型半導体のドーパントとしてＳｉ、ｐ型半導体のドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。第二組成変化領域３２１は連続的にＡｌ組成比率が減少する領域であり、＋ｃ面成長の際には分極により正孔が発生する。この場合、第二組成変化領域３２２は、ドーパントとしてＭｇを含んでいても良い。－ｃ面成長の際には分極により電子が発生する。この場合、第二組成変化領域３２２は、ドーパントとしてＳｉを含んでいても良い。第二組成変化領域はドーパントとしてのＳｉ、Ｍｇを含まないアンドープ層であっても良い。第二組成変化領域３２２をアンドープ層とすることにより、不純物起因の光の吸収を抑制することができ、レーザダイオードにおいて内部損失を低減することが可能である。また、発光ダイオードにおいても光吸収を抑制することにより光取り出し効率が向上し、発光効率を向上させることが可能である。第二組成変化領域３２２は、第一組成変化領域３２１と直接接していてもよい。また、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間に例えば組成が一定のＡｌＮとＧａＮの混晶であるＡｌＧａＮ層を含んでいても良い。第二組成変化領域３２２の第一組成変化領域３２１側のＡｌ組成比率は、第一組成変化領域３２１の第二組成変化領域３２２側のＡｌ組成比率と同じであっても、高くても、低くても良い。第二組成
変化領域３２２の第一組成変化領域３２１側のＡｌ組成比率は好ましくは、第一組成変化領域３２１の第二組成変化領域３２２側のＡｌ組成比率と同じまたは低いことである。これは、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２の間の障壁をなくすことで、ダイオードの立ち上がり電圧が低い素子を作製することが出来るため、低消費電力の素子に適している。第二組成変化領域３２２の組成変化は、第一組成変化領域３２１の組成変化と同様に断面構造のエネルギー分散型Ｘ線解析（ＥＤＸ）により特定することが出来る。具体的には第二組成変化領域３２２と考える層の膜厚に対して大きくとも１／１０以下の距離の分解能を有する条件において対称とする層内において１０点以上の測定点を有する測定を実施する。Ａｌ組成比率が膜厚に対して線形である場合、本構造はＡｌ組成比率の変化が連続的であると見做す。この際、線形性の定義としては、第一組成変化領域３２１と同様に定義する。

次に、第二組成変化領域３２２と他の層との区別において述べる。例えばＡｌ組成比率が０．５から０まで連続的に減少する厚さ７５ｎｍの第３の層と、Ａｌ組成比率が０で一定の厚さ５０ｎｍの第４の層とを組み合わせた構造を有する層は、当然本発明の第二組成変化領域３２２として定義される。ＥＤＸで測定する測定点を例えば第３の層から９点、第４の層から１点抽出した場合、測定点の選択によっては回帰曲線の決定定数が０．９５以上となる場合がある。このような場合は、選択した第二組成変化領域３２２の膜厚領域が誤っている。より薄い膜厚において上記定義に従い第二組成変化領域３２２に該当する層が存在する場合には、当該層は本発明に含まれる第二組成変化領域３２２と定義する。第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比率の膜厚に対する変化率は、上記により決定した回帰直線の傾きと定義する。

第二組成変化領域３２２の膜厚に対するＡｌ組成比率の変化率（傾斜率）は第一組成変化領域３２１の変化率よりも大きいことが必要である。これは、第二組成変化領域３２２の役割が第一組成変化領域３２１へ効率的に電流を流すことであり、かつ後述する光の漏れに起因する内部ロスの増加を抑制することだからである。第二組成変化領域３２２に該当する層が複数存在する場合には、この複数の層うちの１つでも第二組成変化領域３２２の定義を満たす場合は、本発明の構造であると見做す。
第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比率と第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比率とが連続的に変化する場合、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２が接触する界面のＡｌ組成比率の定義としては、上記で定義した第一組成変化領域３２１の回帰直線と、第二組成変化領域３２２の回帰直線との交点におけるＡｌ組成比率と定義する。

第二組成変化領域３２２は下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低いＡｌ組成比の層を含む可能性がある。この層は、発光部３５で発光した光が第二組成変化領域３２２、第二窒化物半導体層３３および第一電極１４へ漏れるリスクを有する。また、第二組成変化領域３２２は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比の層を含む可能性がある。この層は、発光部３５で発光した光を吸収する可能性がある。第二組成変化領域３２２は、下部ガイド層３５１および上部ガイド層３５３のＡｌ組成比ｘ４よりも低いＡｌ組成比の層に起因する光漏れを低減するために、なるべく薄いことが求められる。このため、本発明を実現するためには、第二組成変化領域３２２は、第一組成変化領域３２１よりも組成変化率を大きくすることでの薄膜化が必須となる。また、図６に示す特性を得るためのシミュレーションの結果、第二組成変化領域３２２の膜厚が２００ｎｍよりも薄い場合に窒化物半導体素子１における発振が確認された。したがって、窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２は、０ｎｍより厚く２００ｎｍより薄い厚さを有していてもよい。窒化物半導体素子１の抵抗を低減させて駆動電圧を低くし、発熱量を小さくして窒化物半導体素子１の破壊を抑制するためには、第二組成変化領域３２２の膜厚はより薄いことが好ましい。

また、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈを低くするために、０ｎｍより厚く１５０ｎｍより薄い膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。また、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈを極めて低くするために、０ｎｍより厚く１００ｎｍより薄い膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。さらに、窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域３２２における組成変化（すなわち組成傾斜）の再現性を向上させるために、１０ｎｍより厚く１００ｎｍ以下の膜厚に形成された第二組成変化領域３２２を有していてもよい。

次に、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３について図１及び図２を参照しつつ図７を用いて説明する。図７は、窒化物半導体素子１に設けられた組成変化層３２の第二組成変化領域３２２の所定端部におけるＡｌ組成比ｘ３に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。第二組成変化領域３２２の所定端部は、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部である。換言すると、第二組成変化領域３２２の所定端部は、第一組成変化領域３２１との境界側とは反対側の端部である。さらに換言すると、第二組成変化領域３２２の所定端部は、第二窒化物半導体層３３に接触する側の端部である。図７中の横軸は第二組成変化領域３２２のまた、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ^－１で一定であり、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。

図７に示すように、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が０％から３０％の範囲では、Ａｌ組成比ｘ３が大きいほど小さくなる。また、導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が３０％以上の範囲ではほぼ一定値となる。一方、ミラー損失αｍは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３に依存せずに３４．３ｃｍ^－１でほぼ一定となる。導波損失αｉは、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３に依存せずに、ミラー損失αｍよりも小さくなる。

窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。このため、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、発振の観点では０よりも大きければよい。しかしながら、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が０．５以上（すなわち５０％以上）になると、組成変化層３２と第二窒化物半導体層３３との間の抵抗値が高くなり発光部３５への電流注入が不可能となる。このため、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部（すなわち所定端部）は、Ａｌ組成比ｘ３が０以上０．５未満であるとよい。また、組成変化層３２にキャリアをより注入し電流を流し易くするために、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、０より大きく０．３以下（すなわち３０％以下）であってもよい。さらに、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は、０．１以上０．３以下（１０％以上３０％以下）であってもよい。第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が当該範囲であると、図７に示すように、窒化物半導体素子１の導波損失αｉが低くなるので、発振閾値利得ｇｔｈを低減できる（式（２）参照）。ここで、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比率の定義としては、上記方法にて定義した膜厚範囲で最も第一組成変化領域から遠い点のＡｌ組成比率と定義する。

次に、窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の観点に基づく第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比について説明する。窒化物半導体素子１の当該観点に基づく第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３を検討するために、第一組成変化領域３２１と同様に、第二組成変化領域３２２に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率を測定した。なお、この測定の説明の便宜上、測定に用いた窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の構成要素には、比較例としての
窒化物半導体素子を除き、本実施形態による窒化物半導体素子１及び窒化物半導体素子１の構成要素の符号を用いることにする。

窒化物半導体素子１の最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定にあたり、窒化物半導体素子１と同じ構成を有し、かつ第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３を変更した２種類のサンプルがそれぞれ５４個作製された。具体的には、第二組成変化領域３２２の膜厚が７５ｎｍかつＡｌ組成比ｘ３が５０％から０％に変化するサンプルＢ１、当該膜厚が３５ｎｍかつＡｌ組成比ｘ３が５０％から３０％に変化するサンプルＢ２の２種類である。さらに、比較例として、第二組成変化領域３２２を有していないことを除いて窒化物半導体素子１と同じ構成を有するサンプルＢ３の窒化物半導体素子が５４個作製された。サンプルＢ１及びＢ２の窒化物半導体素子１並びにサンプルＢ３の窒化物半導体素子の各層の組成などのパラメータは、上述の表１に示す電流シミュレーションの基本モデルとほぼ同じであるが、第二組成変化領域の膜厚の他に、以下のパラメータが異なっている。

（１）第一組成変化領域の膜厚：７５ｎｍ
（２）窒化物半導体活性層の発光層のＡｌ組成比：３５％
（３）第一窒化物半導体層の膜厚：３０００μｍ
（４）ＡｌＮ層の膜厚：１６００ｎｍ

最大電流密度Ｊｍａｘ、最大電流時電圧Ｖｍａｘ及び電気良品収率の算出方法は、上述の第一組成変化領域の膜厚依存の測定と同様であるため、説明は省略する。

表３は、第二組成変化領域３２２の膜厚に対する最大電流密度、最大電流時電圧及び電気良品収率の測定結果を示している。表３の１段目に示す「サンプル」は測定に用いられた窒化物半導体素子のサンプルの種類を示している。表３の１段目に示す「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域のＡｌ組成比を示している。「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄に記載された「５０→０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から０％に変化すること示している。したがって、サンプルＢ１の窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は０％となる。「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄に記載された「５０→３０」は、第二組成変化領域のＡｌ組成比が第一組成変化領域側の端部から第二窒化物半導体層側の端部に向かって５０％から３０％に変化すること示している。したがって、サンプルＢ２の窒化物半導体素子１では、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３は３０％となる。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「第二組成変化領域のＡｌ組成比［％］」の欄には「なし」と記載されている。

表３の１段目に示す「第二組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域の膜厚（大かっこ内は膜厚の単位）を示している。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「第二組成変化領域の厚さ［ｎｍ］」の欄には、第二組成変化領域の厚さの概念がないことを示す「－」が記載されている。

表３の１段目に示す「Ａｌ組成比の変化率［％／ｎｍ］」は、測定に用いられた窒化物半導体素子に設けられた第二組成変化領域におけるＡｌ組成比の変化率（大かっこ内は当該変化率の単位）を示している。Ａｌ組成比の変化率は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量を第二組成変化領域の膜厚で除算して求められる。より具体的には、Ａｌ組成比の変化率は、ＡｌＧａＮ中でのＡｌ及びＧａのモル数の合計に対するＡｌのモル数である
Ａｌの組成比率が組成変化層３２の厚さ方向に変化する割合である。サンプルＢ１の窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量が５０％（＝５０－０）であり、第二組成変化領域の膜厚が７５ｎｍであるため、Ａｌ組成比の変化率が０．６７％／ｎｍ（＝５０／７５）となる。サンプルＢ２の窒化物半導体素子１は、第二組成変化領域のＡｌ組成比の変化量が２０％（＝５０－３０）であり、第二組成変化領域の膜厚が３５ｎｍであるため、Ａｌ組成比の変化率が０．５７％／ｎｍ（＝２０／３５）となる。サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、第二組成変化領域を有していないため、サンプルＢ３に対応する「Ａｌ組成比の変化率［％／ｎｍ］」の欄には、第二組成変化領域の組成変化率の概念がないことを示す「－」が記載されている。また、サンプルＢ３の窒化物半導体素子は、電気良品収率が０％であり、最大電流密度および最大電流時電圧を測定できるサンプルがなかった。このため、サンプルＢ３に対応する「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ^２］」および「最大電流時電圧［Ｖ］」のそれぞれの欄には、最大電流密度および最大電流時電圧を測定できるサンプルがないことを示す「－」が記載されている。

表３の１段目に示す「最大電流密度［ｋＡ／ｃｍ^２］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子のそれぞれの最大電流密度の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表３の１段目に示す「最大電流時電圧［Ｖ］」は、測定に用いられた５４個の窒化物半導体素子のそれぞれに印加された最大電流時電圧の平均値（大かっこ内は単位）を示している。表３の１段目に示す「電気良品収率［％］」は、測定に用いられたサンプルの種類ごとの電気良品収率（大かっこ内は単位）を示している。

第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３を小さくすると、当該端部における半導体のエネルギーバンドギャップが小さくなる（図２参照）。井戸層３５２ａよりもバンドギャップエネルギーが小さくなると、窒化物半導体素子１に入射する光が第二組成変化領域３２２において吸収されてしまう。このため、第二組成変化領域３２２は、光の吸収を抑制するために、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が可能な限り大きく形成される。しかしながら、第二組成変化領域３２２の所定端部でのＡｌ組成比ｘ３が大きくなると、表３に示すように、最大電流密度及び電気良品収率が低下する傾向にある（サンプルＢ１及びサンプルＢ２の測定結果参照）。

そこで、最大電流密度及び電気良品収率及び上述の発振の観点を考慮し、本実施形態による窒化物半導体素子１では、窒化物半導体活性層３５２の配置側とは反対側の第二組成変化領域３２２の端部（すなわち所定端部）は、例えばＡｌ組成比ｘ３が０以上０．５未満となるように形成される。

このように、組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成される。本実施形態では、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２のいずれにおいてもＡｌ組成比ｘ３が連続的に減少するようになっている（図２参照）。組成変化層３２の組成を決定するＡｌ組成比ｘ３は、組成変化層３２の厚さ方向において窒化物半導体活
性層３５２側の領域の方が第二窒化物半導体層３３側の領域よりもＡｌ組成比ｘ３の変化率が小さいことを前提に、０以上１以下（０≦ｘ３≦１）の範囲で変化してよい。したがって、組成変化層３２は、Ａｌ組成比ｘ３が０より大きく１より小さい範囲内で変化してＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのみで形成される構造、Ａｌ組成比ｘ３が０より大きく１以下の範囲で変化してＡｌＮ及びＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成される構造、Ａｌ組成比ｘ３が０以上１より小さい範囲で変化してＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎ及びＧａＮで形成される構造、及びＡｌ組成比ｘ３が０以上１以下の範囲で変化してＡｌＮ、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎ及びＧａＮで形成される構造のいずれかの構造を有する。

組成変化層３２におけるＡｌ組成比の変化率は、０．１％／ｎｍより大きくなっている。Ａｌ組成比の変化率をこの範囲に規定することで、エネルギーの傾斜を緩やかにすると同時に分極ドーピングにより発生するホールを組成変化層３２内に分散させることができる。これにより、効率よく窒化物半導体活性層３５２へホールを輸送することができ、発光効率の高い窒化物半導体素子１を作製できる。組成変化層３２の第一組成変化領域３２１を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値をｙ１、最大値をｙ２とする。また、組成変化層３２の第二組成変化領域３２２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値をｚ１、最大値をｚ２とする。そうすると、組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２側の端部がＡｌ_ｙ２Ｇａ_{（１－ｙ２）}Ｎで形成され、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２とが隣り合って形成されている場合には、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第一組成変化領域３２１における端部がＡｌ_ｙ１Ｇａ_{（１－ｙ１）}Ｎで形成される。なお、当該境界部での第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比は、上述の方法により特定できる。また、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第二組成変化領域３２２における端部がＡｌ_ｚ２Ｇａ_{（１－ｚ２）}Ｎで形成され、窒化物半導体活性層３５２側と反対側（すなわち第二窒化物半導体層３３側）の端部がＡｌ_ｚ１Ｇａ_{（１－ｚ１）}Ｎで形成される。第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｙ１と、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最大値ｚ２とは、一致していても良いし、異なっていても良い。エネルギー障壁をなるべく作らない観点から、第一組成変化領域３２１のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｙ１と、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最大値ｚ２とは、一致している、あるいは当該最小値ｙ１より当該最大値ｚ２の方が小さい方が良い。

組成変化層３２は、窒化物半導体活性層３５２側の端部と、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第一組成変化領域３２１における端部との間、すなわち第一組成変化領域３２１において、窒化物半導体活性層３５２側から当該境界部の側に向かってＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３が連続的に小さくなるように形成される。また、組成変化層３２は、第一組成変化領域３２１及び第二組成変化領域３２２の境界部での第二組成変化領域３２２における端部と、窒化物半導体活性層３５２側と反対側の端部との間、すなわち第二組成変化領域３２２において、当該境界部の側から窒化物半導体活性層３５２側と反対側に向かってＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３が連続的に小さくなるように形成される。第一組成変化領域３２１におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率は、第二組成変化領域３２２におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率よりも小さい。ここで、変化率とは膜厚に対してのＡｌ組成比率の傾斜割合をいう。つまり、変化率の単位の一例は、例えば「Ａｌ％／ｎｍ」となる。

本実施形態では、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２とが隣り合って互いに接触して形成されているが、窒化物半導体素子１は、第一組成変化領域３２１と第二組成変化領域３２２との間に中間層を有していても良い。当該中間層は、例えば組成が変化していないＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮ（０＜ｗ＜１）、組成が変化していないＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮと組成が変化していないＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０＜ｖ＜ｗ＜１）が積層された構造（
多段の場合超格子構造に該当）などを有していてもよい。当該中間層が積層構造を有する場合、エネルギー障壁を作らない観点からｚ２≦ｖ＜ｗ≦ｙ１の関係を満たすことが好ましいがこの限りではない。当該中間層が積層構造を有する場合、Ａｌ組成比ｗ及びＡｌ組成比ｖの一例として、ｗが０．６であり、ｖが０．４であってもよい。また、当該中間層は、ｐ型半導体であっても、ｎ型半導体であっても、アンドープであっても良い。

このように、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に中間層が設けられている場合は、図５を用いて説明した第一組成変化領域３２１の所定端部は、当該中間層に接触する側の端部となる。組成変化層３２がこのような中間層を有することにより、第二組成変化領域３２２を上部ガイド層３５３からより一層遠ざけることができる。これにより、発光部３５で発光した光が第二組成変化領域３２２に漏れにくくなるので、導波損失を低減することができる。第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に設けられる中間層は、井戸層３５２ａよりもＡｌ組成比が高いとよい。さらに、第一組成変化領域３２１および第二組成変化領域３２２の間に設けられる中間層は、上部ガイド層３５３よりもＡｌ組成比が高いとよい。第一組成変化領域３２１と当該中間層との接触面および当該中間層と第二組成変化領域３２２との接触面は、Ａｌ組成比が同一でも異なっていてもよいが、キャリア注入を行うためには、第一組成変化領域３２１、当該中間層および第二組成変化領域３２２の順に徐々にＡｌ組成比が高くなっているとよい。

本実施形態では、組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、上述のとおり０以上０．５未満であってもよい。また、組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａ（図２参照）のＡｌ組成比以上であってもよい。これにより、井戸層３５２ａからの発光を組成変化層３２が吸収することを抑制し、レーザダイオードにおいては内部ロスを低減し、発光ダイオードにおいては光取り出し効率を向上することができる。組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１である。このため、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は、窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比以上であってもよい。つまり、第二組成変化領域３２２は、全領域におけるＡｌ組成比が窒化物半導体活性層３５２の井戸層３５２ａのＡｌ組成比以上であってもよい。

組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、最小値ｚ１よりも大きいという前提で、０．５以上であってもよい。組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、上部ガイド層３５３を構成するＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４以上であってもよい。最小値ｙ１がＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成比ｘ４以上の値を取ることにより、レーザダイオードにおいては第一組成変化領域を光閉じ込め層として働かせることが可能となり、光が第二組成変化領域側へ漏れることを抑制することができる。さらに、組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の第一組成変化領域３２１における最小値ｙ１は、第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さくてもよい。

発光素子においては、発光層へ効率よくキャリアを輸送し、キャリアを発光層に閉じ込めることが高発光効率を得る設計となる。組成変化層３２はＡｌ組成比ｘ３が変化するため、最小値ｙ１を第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さくすることにより、発光層の上下の層で形成されるエネルギー井戸の高さを上下均一又は第一窒化物半導体層３１側より組成変化層３２側を高くすることが出来る。第一窒化物半導体層３１がＮ型半導体で形成され、組成変化層がｐ型半導体で形成されている場合には、特に電子のｐ型半導体側へのオーバーフローを抑制するために、組成変化層３２側のバンドギャップエネ
ルギーは第一窒化物半導体層３１のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。また、レーザダイオードにおいては、窒化物半導体活性層３５２に光を閉じ込め、かつ利得を生む井戸層３５２ａとの光強度分布の重なりを増やすためには、屈折率差による光の閉じ込めを第一窒化物半導体層３１と組成変化層３２とで作る必要がある。この際、上下層で屈折率のバランスを取るために最小値ｙ１が第一窒化物半導体層３１のＡｌ組成比ｘ１よりも小さい方が好ましい。これにより、組成変化層３２は組成変化しているにも関わらず、第一窒化物半導体層３１と相対的にバランスを保つバンドギャップエネルギー及び屈折率を実現することが出来る。

組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３における最大値ｙ２は、最小値ｚ１の値よりも大きいことを前提に、０．５よりも大きく１以下の範囲の値となるように制御して組成変化層３２を形成することにより、分極ドーピングによる組成変化層３２内の正孔密度が向上する。さらに、組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３における最大値ｙ２が０．５よりも大きく１以下の範囲の値となるように制御して組成変化層３２を形成することにより、組成変化層３２の屈折率を利用して窒化物半導体活性層３５２で発光した光を下部ガイド層３５１及び上部ガイド層３５３の間に閉じ込める効果が向上する。このように、組成変化層３２を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１及び最大値ｙ２を最適化することにより、分極ドーピングによる組成変化層３２内の正孔密度の向上と下部ガイド層３５１及び上部ガイド層３５３の光閉じ込め効果の向上の両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子１は、高出力化およびレーザダイオードの発振閾値の低減を図ることができる。

窒化物半導体素子１は、組成変化層３２を有することにより、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３における急峻な組成変化を抑制し、格子緩和を伴う結晶性の悪化、あるいは３次元成長を伴うことによる薄膜の平坦性の悪化を抑制する効果がある。

（リッジ部半導体層）
リッジ部半導体層１７は、組成変化層３２の一部を含んで形成されている。リッジ部半導体層１７は、第一組成変化領域３２１に形成された突出部３２１ａと、第二組成変化領域３２２と、第二窒化物半導体層３３とを有している。リッジ部半導体層１７が第一組成変化領域３２１の一部に形成されることにより、第一電極１４から注入されるキャリアがリッジ部半導体層１７中で基板１１の水平方向に拡散することが抑制される。これにより、窒化物半導体活性層３５２での発光が、リッジ部半導体層１７の下方に位置する領域（すなわち第一組成変化領域３２１の突出部３２１ａの下方に位置する領域）に制御される。その結果、窒化物半導体素子１は、高電流密度を実現し、レーザ発振の閾値を低減させることが可能になる。リッジ部半導体層１７は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第一組成変化領域３２１の突出部３２１ａ及び第二組成変化領域３２２を除いたリッジ部半導体層１７の部分、すなわち第二窒化物半導体層３３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。第二窒化物半導体層３３を形成する材料の具体例は、ＡｌＧａＮである。第二窒化物半導体層３３のＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、窒化物半導体活性層３５２側と反対側の第二組成変化領域３２２の端部におけるＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３（すなわち最小値ｚ１）と同じであってもよいし、大きくてもよい。これにより、第二窒化物半導体層３３は、第一電極１４から注入されたキャリアを効率よく発光部３５へ運搬することができる。また、第二窒化物半導体層３３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったＩＩＩ族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。また、リッジを形成することでリッジの側面に例えばＳｉＯ_２や空気等の材料を配置することが出来、水平方向の光の閉じ込めを実現することができる。

リッジ部半導体層１７の役割は、上記の通り電流の集中と基板水平方向の光の閉じ込めであるため、必ずしも第一組成変化領域３２１の一部のみに形成される必要は無い。リッジ部半導体層１７は、発光層を含んでいても、第一組成変化領域３２１を含んでいてもよい。さらに、リッジ部半導体層１７が存在しなくても良い。なお、リッジ部半導体層１７が存在しない場合には、メサ部と同じ面積で組成変化層３２が積層されており、電流注入量を抑制するために第一電極１４（詳細は後述）の幅と長さを適切な大きさに設計すれば良い。

第二窒化物半導体層３３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二窒化物半導体層３３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３ドープすることでｐ型化させることが可能である。ドーパントの濃度は基板１１の垂直方向に一定であっても、不均一であっても良い。基板１１の面内方向に一定であっても、不均一であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、第二窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を組成変化層３２におけるＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１から０．３に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。第二窒化物半導体層３３が層構造を有する場合、第二窒化物半導体層３３はドーパントを有していなくてもアンドープ層であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、最上層にドーピング濃度が高い層を更に有している積層構造であっても良い。第二窒化物半導体層３３は、二層以上の積層構造であっても良い。その場合、キャリアを窒化物半導体活性層３５２へ効率よく運搬する目的で、Ａｌ組成比率は上層に向かうほど小さくなることが好ましい。

（第二窒化物半導体層）
第二窒化物半導体層３３の膜厚について図１及び図２を参照しつつ図８を用いて説明する。図８は、窒化物半導体素子１に設けられた第二窒化物半導体層３３の膜厚に対する導波損失のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図８中の横軸は第二窒化物半導体層３３の膜厚（ｎｍ）を示し、縦軸は導波損失（ｃｍ^－１）を示している。また、このシミュレーションの結果では、内部効率、光閉じ込め係数はほぼ変化無く、ミラー損失αｍも３４．３ｃｍ^－１で一定で計算しており、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は同一の設計で実施したため、導波損失αｉが発振閾値利得ｇｔｈの支配因子となっている。

図８に示すように、導波損失αｉは、第二窒化物半導体層３３の膜厚が厚いほど大きくなる。窒化物半導体素子の発振閾値利得ｇｔｈは、導波損失αｉが小さいほど低くなる。また、窒化物半導体素子１の動作シミュレーションにおいて、窒化物半導体素子１は、第二窒化物半導体層３３の膜厚が１００ｎｍ未満であると発振することが確認された。さらに、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２と第一電極１４（図１参照）とを低抵抗で接続するために、第二窒化物半導体層３３を備えているとよい。このため、窒化物半導体素子１は、０ｎｍよりも厚く１００ｎｍ未満の膜厚で第二組成変化領域３２２に隣接して組成変化層３２に積層された第二窒化物半導体層３３を備えているとよい。また、第二窒化物半導体層３３の膜厚は、０ｎｍより大きく２０ｎｍより小さくてもよい。これにより、窒化物半導体素子１は、発振閾値利得ｇｔｈの低減を図ることができる。また、第二窒化物半導体層３３の膜厚をこの範囲にとどめることで、第二窒化物半導体層３３の成長中の格子緩和による３次元成長を抑制することが出来、第二窒化物半導体層３３の表面を平坦化することが可能となる。つまり、第二窒化物半導体層３３と第一電極１４との接触を設計通りに行うことができ、再現性の高い駆動電圧の低い窒化物半導体素子１を実現できる。

第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２は、第二窒化物半導体層３３に接する側の第二組成変化領域３２２の端部でのＡｌ_ｘ３Ｇａ
_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３（すなわちｘ３＝ｚ１）との関係において、ｚ１＞ｘ２＋０．２の関係を満たしていてもよい。すなわち、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２は、第二組成変化領域３２２の当該端部でのＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３（ｚ３＝ｚ１）に０．２を加算した値より大きくてもよい。これにより、第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２と、第二組成変化領域３２２の形成材料のＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３との組成差によるホールガスを効率的に生成させることができる。また、窒化物半導体素子１が紫外受発光素子の場合、第二窒化物半導体層３３は、低Ａｌ組成比で構成されることが多く、目的光を吸収しやすいという阻害効果が生じる。この阻害効果を抑制するために、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘより第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３を高くする方法や、第一電極１４とのコンタクト抵抗を下げるために窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘより第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２を低くする方法が挙げられる。この場合、各層の組成を制御する際の製造バラつきも考慮すると、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成比ｘに対して、第二組成変化領域３２２のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｚ１は０．１大きく、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２は０．１小さくする必要がある。この構成を実現するために、第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との間のＡｌ組成差は、０．２より大きいとよい。

第二窒化物半導体層３３は、複数の層を積層した構成を有していてもよい。この場合、第二窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ２は、最表層、すなわち第一電極１４に接する表面での組成比を示す。

第二窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２は、ｘ２＝０の関係を満たしていてもよい。すなわち当該Ａｌ組成比ｘ２は０であってもよい。第二窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２が０であるｐ型の（ｐ－）ＧａＮを用いることで、第二窒化物半導体層３３の上に配置される第一電極１４とのコンタクト抵抗を下げることができる。また、第二窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成比ｘ２が０であるｐ型の（ｐ－）ＧａＮを用いると、第二組成変化領域３２２の形成材料のＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比ｘ３の範囲を広く設計できるので、窒化物半導体素子１が対応可能な紫外光の波長範囲が広くなる。本実施形態による窒化物半導体素子１では、第二窒化物半導体層３３は、ｐ－ＧａＮで構成されている。

このように、窒化物半導体素子１は、組成変化層３２の第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との積層界面にホールガスを発生させることができる。これにより、第二組成変化領域３２２と第二窒化物半導体層３３との間の価電子帯エネルギー準位差に相当するエネルギー差よりも、第一電極１４への電圧印加による実効的に小さいエネルギーによって、第二窒化物半導体層３３から第二組成変化領域３２２に電流（正孔）を流すことができる。

（第一電極）
第一電極１４は、リッジ部半導体層１７上に形成されている。第一電極１４がｎ型電極の場合、第一電極１４を形成する材料としては、第一電極１４がリッジ部半導体層１７に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｎ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１４がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。

第一電極１４がｐ型電極の場合、第一電極１４を形成する材料としては、第一電極１４が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般
的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１４がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。第一電極１４がｐ型電極の場合は、第一電極１４とリッジ部半導体層１７とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。本実施形態では、第一電極１４は、ｐ型電極となるように形成されている。

第一電極１４は、第一電極１４の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第一電極１４の構造として、例えばＮｉ及びＡｕの合金で形成された第二コンタクト電極をリッジ部半導体層１７上に形成し、Ａｕで形成された第二パッド電極を第二コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。第一電極１４は、例えば２４０ｎｍの厚さに形成されている。

第一電極１４は、レーザダイオードの場合には短辺の長さが１０μｍ未満であり長辺の長さが１０００μｍ以下の長方形状を有し、第二窒化物半導体層３３に積層されているとよい。発光ダイオードの場合には、様々な形状が想定されるが、例えば５０μｍ×２００μｍの長方形の形状等が想定される。第一電極１４とリッジ部半導体層１７とが接触する互いの接触面は、ほぼ同じ形状を有している。このため、リッジ部半導体層１７は、短辺の長さが１０μｍ未満であり長辺の長さが１００μｍ以下の長方形状を有している。第一電極１４とリッジ部半導体層１７とが接触する互いの接触面が同じ形状を有することにより、第一電極１４から注入されるキャリアがリッジ部半導体層１７中で基板１１の水平方向に拡散することが抑制され、窒化物半導体活性層３５２での発光を制御することができる。

（第二電極）
第二電極１５は、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２上に形成されている。第二電極１５がｎ型電極の場合、第二電極１５を形成する材料としては、第二電極１５が第一窒化物半導体層３１に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｎ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１５がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。

第二電極１５がｐ型電極の場合、第二電極１５を形成する材料としては、第二電極１５が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１５がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。第二電極１５がｐ型電極の場合は、第二電極１５と第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。本実施形態では、第二電極１５は、ｎ型電極となるように形成されている。

第二電極１５は、第二電極１５の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第二電極１５の構造として、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕの中から選択された素材の合金で形成された第一コンタクト電極を第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２上に形成し、Ａｕで形成された第一パッド電極を第一コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。第二電極１５は、
例えば６０ｎｍの厚さに形成されている。本実施形態では、第二電極１５は、第一電極１４と異なる厚さに形成されているが、第一電極１４と同じ厚さに形成されていてももちろんよい。

（共振器面）
窒化物半導体素子１がレーザダイオードに適用される場合、共振器面の形成が必要である。共振器面１６ａは、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。また、裏側共振器面１６ｂは、共振器面１６ａに対向する側面であって第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２、発光部３５、電子ブロック層３４、組成変化層３２及び第二窒化物半導体層３３のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、発光部３５の発光を反射させることを目的として設けられている。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂで反射した光を発光部３５に閉じ込めるために、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、対を成して備えられている。共振器面１６ａは、例えば窒化物半導体素子１の光の出射側となる。共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂにおいて、発光部３５からの発光を反射させるために、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、発光部３５と上部ガイド層３５３との接触面に対して垂直かつ平坦であってもよい。しかしながら、共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂは、全体にあるいは部分的に傾斜部あるいは凹凸部を有していてもよい。

共振器面１６ａ及び裏側共振器面１６ｂの表面には、誘電体多層膜等の絶縁保護膜、及び反射膜が形成されていてもよい。具体的には、当該絶縁保護膜は、ＳｉＯ_２で形成されていてよく、その他にＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｎＯ_２、ＺｒＯ又はＨｆＯ_２等で形成されていてもよい。また、当該絶縁保護膜は、これらの材料が積層された構造を有していてもよい。当該絶縁保護膜は、窒化物半導体素子１の光の出射側となる共振器面１６ａと、光の出射側にならない反射側の裏側共振器面１６ｂの両方の表面に形成されていてもよい。光の出射側の共振器面１６ａに形成された絶縁保護膜と、光の反射側の裏側共振器面１６ｂに形成された絶縁保護膜は、同じ構造を有していてもよいし、異なる構造を有していてもよい。

（製法）
組成変化層３２は、次のようにして作製することができる。例えば、有機気相成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）を用いて、原料ガスである、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）の流量を連続的に増加させて、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の流量を連続的に減少させながらアンモニアガスを同時に流してＡｌＧａＮを成長させる。これにより、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比が変化した組成変化層を作製することができる。この際、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をアンモニアガスと同時に流すことで、不純物としてＡｌＧａＮ中にＭｇを添加することができる。

（測定方法）
本実施形成における材料特定及び組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で実施する。各層の積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ
Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）加工し、その断面を透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いて観察することで各層の配置を明確化し、点分析が可能なエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で同定する。
また、半導体薄膜の膜厚は、薄膜積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム加工し、その断面を透過電子顕微鏡観察することによって測長する。

以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体素子１は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎで形成された窒化物半導体活性層３５２と、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成された組成変化層３２とを備えている。組成変化層３２は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３２１と、第一組成変化領域３２１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３２の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３２１よりも大きい第二組成変化領域３２２とを有している。

当該構成を備えた窒化物半導体素子１は、最大電流密度の向上と最大電流時電圧の低減を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子１は、高電流密度下でも素子破壊を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態による窒化物半導体素子について図９及び図１０を用いて説明する。本実施形態による窒化物半導体素子２は、上記第１実施形態による窒化物半導体素子１に対して、組成変化層の構成が異なる点に特徴を有している。このため、窒化物半導体素子２の構成要素に関し、窒化物半導体素子１の構成要素と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。

図９は、本実施形態による窒化物半導体素子２の概略構成の一例を模式的に示す斜視図である。図１０は、窒化物半導体を積層した積層構造を有する窒化物半導体素子２のバンドギャップ構造を説明するための図である。図１０中の上段には、窒化物半導体素子２の伝導帯および価電子帯のエネルギー図が模式的に図示されている。図１０中の下段には、窒化物半導体素子２の積層構造が当該バンドギャップ構造に対応付けて模式的に図示されている。図１０には、窒化物半導体活性層３５２を構成する井戸層３５２ａ及び障壁層３５２ｂが模式的に図示されている。なお、図１０では、下部ガイド層３５１と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層、及び上部ガイド層３５３と井戸層３５２ａとの間に設けられた障壁層の図示は省略されている。

図９及び図１０に示すように、窒化物半導体素子２は、Ａｌ組成比の変化率が異なる３つの領域を有する組成変化層３６を備えている。組成変化層３６は、第一組成変化領域３６１と第二組成変化領域３６２との間の領域に、Ａｌ組成比ｘ３の変化率が第二組成変化領域３６２とは異なる第三組成変化領域３６３を有している。第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が低く、第二組成変化領域３６２よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が高くなるように構成されている。

図９に示すように、第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１に形成された突出部３６１ａ上に形成されている。第二組成変化領域３２２は、第三組成変化領域３６３上に形成されている。第二組成変化領域３６２上に第二窒化物半導体層３３が形成されている。リッジ部半導体層１７は、第一組成変化領域３６１に形成された突出部３６１ａ、第三組成変化領域３６３、第二組成変化領域３６２及び第二窒化物半導体層３３によって構成されている。ただし、上記第１実施形態において説明した通り、突出部３６１ａ（リッジ部）は電流を集中させることが目的となるので、発光層である窒化物半導体活性層３５２を含んでいても、第一窒化物半導体層３１を含んでいてもよい。あるいは、窒化物半導体素子２は、そもそも突出部３６１ａを有さず、メサ部と同じ面積で組成変化層３６が形成され、第一電極１４の大きさを適切な値に設計することにより電流を集中させる構造を有していても良い。

組成変化層３６が第三組成変化領域３６３を有することにより、第一組成変化領域３６１、第三組成変化領域３６３、第二組成変化領域３６２がこの順で各々隣合う配置のとき、図１０に示すように、窒化物半導体活性層３５２の配置側の第一組成変化領域３６１の端部と、窒化物半導体活性層３５２の配置側の第二組成変化領域３６２の端部との間にＡｌ組成比ｘ３の変化率が変化する境界が生じる。これにより、窒化物半導体素子２は、光閉じ込めの向上を図ることができる。組成変化率は、第二組成変化領域３６２よりも第三組成変化領域３６３が大きく、第三組成変化領域３６３よりも第一組成変化領域３６１が大きい方が好ましい。これにより、第二組成変化領域３６２および第三組成変化領域３６３の平均のＡｌ組成比率を第二組成変化領域３６２の変化率（傾斜率）で第二組成変化領域３６２および第三組成変化領域３６３の層を形成した際よりも高くなり、光の閉じ込め効率が向上する。また、第二組成変化領域３６２と第三組成変化領域３６３の変曲面でのＡｌ組成比率は、第三組成変化領域３６３と第一組成変化領域３６１の変曲面でのＡｌ組成比率よりも０．１以上大きいことが好ましい。窒化物半導体素子２は、この構造を有することにより、第二組成変化領域３６２の膜厚を必要以上に厚くすることに起因する駆動電圧の増加や素子破壊率の増加を抑制し、かつ第三組成変化領域３６３を有することで光閉じ込めと高電流密度の実現を両立することが可能となる。

本実施形態では、第一組成変化領域３６１および第三組成変化領域３６３が互いに接触して形成され、第三組成変化領域３６３および第二組成変化領域３６２が互いに接触して形成されているが、窒化物半導体素子２は、第一組成変化領域３６１と第三組成変化領域３６３との間、および第三組成変化領域６３６と第二組成変化領域３６２との間にそれぞれ中間層を有していても良い。当該中間層は、例えば組成が変化していないＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮ（０＜ｗ＜１）、あるいは組成が変化していないＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮと組成が変化していないＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０＜ｖ＜ｗ＜１）とが積層した構造（多段の場合超格子構造に該当）などを有していてもよい。Ａｌ組成比ｗ及びＡｌ組成比ｖの一例として、ｗが０．６であり、ｖが０．４であってもよい。当該中間層が積層構造を有する場合、エネルギー障壁を作らない観点からＡｌ組成比ｖ及びＡｌ組成比ｗは、それぞれの組成変化領域の端点のＡｌ組成比の値と同じか差があっても良い。Ａｌ組成比の値に差がある場合には、上層ほどＡｌ組成比率が小さくなる構造がキャリアを効率よく発光層へ運ぶ観点から好ましい。当該中間層は、第一組成変化領域３６１、第三組成変化領域３６３および第二組成変化領域３６２と同一の導電型であってもよい。また、当該中間層は、ｐ型半導体であっても、ｎ型半導体であっても、アンドープであっても良い。本実施形態においても、組成変化層３６が中間層を有することにより、上記第１実施形態における組成変化層３２が当該中間層を有する場合と、同様の作用・効果が得られる。

以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体素子２は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１－ｘ）}Ｎで形成された窒化物半導体活性層３５２と、窒化物半導体活性層３５２から離れる方向に向かってＡｌ組成比ｘ３が減少するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成された組成変化層３６とを備えている。組成変化層３６は、０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域３６１と、第一組成変化領域３６１よりも窒化物半導体活性層３５２から離れた領域であって組成変化層３６の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比ｘ３の変化率が第一組成変化領域３６１よりも大きい第二組成変化領域３６２とを有している。

当該構成を備えた窒化物半導体素子２は、最大電流密度の向上と最大電流時電圧の低減を図ることができる。これにより、窒化物半導体素子２は、高電流密度を実現することができる。

さらに、窒化物半導体素子２に備えられた組成変化層３６は、第一組成変化領域３６１と第二組成変化領域３６２との間の領域に、Ａｌ組成比ｘ３の変化率が第二組成変化領域
３６２とは異なる第三組成変化領域３６３を有している。第三組成変化領域３６３は、第一組成変化領域３６１よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が低く、第二組成変化領域３６２よりも平均のＡｌ組成比ｘ３が高くなるように構成されている。これにより、第一組成変化領域３６１を必要以上に厚くすることなく、低駆動電圧で素子破壊が無く高電流密度を実現し、かつレーザ発振における閾値を低減することができる。

本発明は、上記第１実施形態および第２実施形態に限らず、種々の変更が可能である。
上記第１実施形態および第２実施形態では、窒化物半導体活性層は、ＡｌＧａＮで形成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、窒化物半導体活性層は、ＡｌＩｎＧａＮやＢＡｌＧａＮで形成されていても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の技術的範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の技術的範囲は、請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

１，２ 窒化物半導体素子
１１ 基板
１４ 第一電極
１５ 第二電極
１６ａ 共振器面
１６ｂ 裏側共振器面
１７ リッジ部半導体層
３１ 第一窒化物半導体層
３２，３６ 組成変化層
３３ 第二窒化物半導体層
３４ 電子ブロック層
３５ 発光部
３１１ 第一積層部
３１１ａ 上面
３１２ 第二積層部
３２１，３６１ 第一組成変化領域
３１２ａ，３２１ａ，３６１ａ 突出部
３２２，３６２ 第二組成変化領域
３５１ 下部ガイド層
３５２ 窒化物半導体活性層
３５３ 上部ガイド層
３５２ａ 井戸層
３５２ｂ 障壁層

Claims (9)

1. 井戸層と、前記井戸層に隣接して設けられた障壁層とを有する活性層と、
   前記活性層よりも上部に形成された電子ブロック層と、
   前記電子ブロック層よりも上部に形成され、前記活性層から離れる方向に向かってＡｌ組成比が減少するＡｌＧａＮで形成された組成変化層と
   を備え、
   前記電子ブロック層のＡｌ組成比は、前記組成変化層のＡｌ組成比の最大値と同じであり、
   前記組成変化層は、
   ０ｎｍより大きく４００ｎｍよりも小さい厚さを有する第一組成変化領域と、
   前記第一組成変化領域よりも前記活性層から離れた領域であって前記組成変化層の膜厚の厚さ方向におけるＡｌ組成比の変化率が前記第一組成変化領域よりも大きい第二組成変化領域と
   を有し、
   前記第一組成変化領域は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化し、
   前記第二組成変化領域は、全領域におけるＡｌ組成比が前記井戸層のＡｌ組成比以上である
   窒化物半導体素子。
2. 前記第二組成変化領域は、膜厚の厚さ方向において連続的にＡｌ組成比が変化する
   請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記組成変化層は、前記第一組成変化領域と前記第二組成変化領域との間の領域に、前記Ａｌ組成比の変化率が前記第二組成変化領域とは異なる第三組成変化領域を有し、
   前記第三組成変化領域は、前記第一組成変化領域よりも平均のＡｌ組成比が低く、前記第二組成変化領域よりも前記平均のＡｌ組成比が高い
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記活性層の配置側とは反対側の前記第二組成変化領域の端部は、Ａｌ組成比が０以上０．５未満である
   請求項１から３までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記活性層の両側のうちの前記組成変化層が配置されていない側にＡｌＧａＮで形成された第一窒化物半導体層を備え、
   前記第一窒化物半導体層は、前記活性層の配置側とは反対側の前記第一組成変化領域の端部よりもＡｌ組成比が高い
   請求項１から４までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記第一組成変化領域には、Ｍｇが注入されている
   請求項１から５までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記活性層と前記組成変化層との間に設けられてＡｌＧａＮで形成されたガイド層を備え、
   前記活性層の配置側とは反対側の前記第一組成変化領域の端部は、Ａｌ組成比が前記ガイド層のＡｌ組成比以上である
   請求項１から６までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
8. ０ｎｍよりも厚く１００ｎｍ未満の膜厚で前記第二組成変化領域に隣接して前記組成変化層に積層された第二窒化物半導体層を備える
   請求項１から７までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記第二組成変化領域は、０ｎｍより厚く２００ｎｍより薄い厚さを有する
   請求項１から８までのいずれか一項に記載の窒化物半導体素子

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