(57)【要約】【課題】  長波長のレーザ光を発振することができ、且つ、電圧の上昇を抑制することができ、さらに、吸収損失を低減することができる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、前記ｎ側半導体層は、ｎ型不純物を含有するｎ側組成傾斜層を有し、前記ｐ側半導体層は、アンドープであるｐ側組成傾斜層と、電子障壁層と、を有し、以下の（１）〜（３）から選ばれた１以上の構造を有する。（１）前記ｐ側半導体層の平均バンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の平均バンドギャップエネルギーよりも大きい、（２）前記ｐ側組成傾斜層の下端のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい、（３）前記ｐ側半導体層は、さらに、ｐ側中間層を有する。【選択図】図２Ａ
2018200928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
前記ｎ側半導体層は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており、ｎ型不純物を５×１０１７／ｃｍ３より大きく２×１０１８／ｃｍ３以下のｎ型不純物濃度で含有するｎ側組成傾斜層を有し、
前記活性層は、
前記ｎ側組成傾斜層に接して配置されると共に、前記ｎ側組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、前記ｎ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ側障壁層と、
前記ｎ側障壁層の上方に配置される複数の井戸層と、前記複数の井戸層に挟まれる中間障壁層と、を有し、
前記ｐ側半導体層は、
上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっており、アンドープであるｐ側組成傾斜層と、
前記ｐ側組成傾斜層の上方に配置され、前記中間障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、前記ｐ側組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が大きい電子障壁層と、
を有し、
以下の（１）〜（３）から選ばれた１以上の構造を有する、半導体レーザ素子。
（１）前記ｎ側組成傾斜層の膜厚をｔとするときに、前記活性層と前記ｐ側半導体層の界面から上方に向かってｔの距離範囲における前記ｐ側半導体層の平均バンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の平均バンドギャップエネルギーよりも大きい、
（２）前記ｐ側組成傾斜層の下端のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい、
（３）前記ｐ側半導体層は、さらに、前記ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層とを繋ぐｐ側中間層であって、前記ｐ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギー以上であり且つ前記電子障壁層のバンドギャップエネルギー未満であるバンドギャップエネルギーを有し、アンドープである、ｐ側中間層を有する。
【請求項２】
前記（１）の構造、及び／又は、前記（２）の構造を有し、
前記ｎ側組成傾斜層は、前記活性層の側から順に第１部分と第２部分とを有し、前記第１部分の組成変化率は前記第２部分の組成変化率よりも低い、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記（１）の構造、及び／又は、前記（２）の構造を有し、
前記ｐ側組成傾斜層は、前記活性層の側から順に第３部分と第４部分とを有し、前記第３部分の組成変化率は前記第４部分の組成変化率よりも高い、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記（３）の構造を有し、
前記ｐ側組成傾斜層と前記ｐ側中間層の合計膜厚は、前記ｎ側組成傾斜層の膜厚より大である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ側組成傾斜層のｎ型不純物濃度は上下方向において実質的に一定である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｎ側組成傾斜層の膜厚は２００ｎｍ以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記ｎ側組成傾斜層は、互いに組成の異なるＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる複数のサブ層からなり、
前記ｎ側組成傾斜層の最も上側のサブ層は、ＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）からなり、
前記ｎ側組成傾斜層の最も下側のサブ層は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜ａ）からなる請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記サブ層の膜厚は、２５ｎｍ以下である請求項７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
隣り合う前記サブ層のＩｎ組成比の差は、０．００５以下である請求項７または８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｎ側組成傾斜層の前記複数の井戸層からの距離は２０ｎｍ以下である請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記ｐ側組成傾斜層は、互いに組成の異なるＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる複数のサブ層からなり、
前記ｐ側組成傾斜層の最も下側のサブ層は、ＩｎｃＧａ１−ｃＮ（０＜ｃ＜１）からなり、
前記ｐ側組成傾斜層の最も上側のサブ層は、ＩｎｄＧａ１−ｄＮ（０≦ｄ＜ｃ）からなる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記サブ層の膜厚は、２５ｎｍ以下である請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記半導体レーザ素子は波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、窒化物半導体を有する半導体レーザ素子（以下、「窒化物半導体レーザ素子」ともいう。）は、紫外域から緑色に至るまでの光を発振することが可能となり、光ディスクの光源のみならず多岐にわたり利用されている。このような半導体レーザ素子としては、基板の上に、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層をこの順に有する構造が知られている（例えば特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７３４７３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３１０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化物半導体レーザ素子には、さらなる長波長化や長波長域の特性向上が求められている。例えば、長波長且つ良好な特性の緑色レーザであれば、プロジェクタ用光源として用いることができるなど、適用の幅が広がることが期待される。
【０００５】
窒化物半導体レーザ素子においてＩｎを含有する窒化物半導体を井戸層とする量子井戸構造を用いると、青色波長帯から緑色波長帯へ発振波長が長くなるに従って屈折率の波長分散の影響により活性層内への光閉じ込めが低下する。この結果、閾値電流が上昇し、レーザ発振時の電流密度が大きくなる。そして、電流密度が大きいほど、局在準位の遮蔽やバンドフィリングによって実効的な遷移間隔が拡大し、発振波長は短波長にシフトする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願は、以下の発明を含む。
それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
前記ｎ側半導体層は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており、ｎ型不純物を５×１０１７／ｃｍ３より大きく２×１０１８／ｃｍ３以下のｎ型不純物濃度で含有するｎ側組成傾斜層を有し、
前記活性層は、
前記ｎ側組成傾斜層に接して配置されると共に、前記ｎ側組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、前記ｎ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ側障壁層と、
前記ｎ側障壁層の上方に配置される複数の井戸層と、前記複数の井戸層に挟まれる中間障壁層と、を有し、
前記ｐ側半導体層は、
上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっており、アンドープであるｐ側組成傾斜層と、
前記ｐ側組成傾斜層の上方に配置され、前記中間障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、前記ｐ側組成傾斜層よりもｐ型不純物濃度が大きい電子障壁層と、
を有し、
以下の（１）〜（３）から選ばれた１以上の構造を有する、半導体レーザ素子。
（１）前記ｎ側組成傾斜層の膜厚をｔとするときに、前記活性層と前記ｐ側半導体層の界面から上方に向かってｔの距離範囲における前記ｐ側半導体層の平均バンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の平均バンドギャップエネルギーよりも大きい、
（２）前記ｐ側組成傾斜層の下端のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい、
（３）前記ｐ側半導体層は、さらに、前記ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層とを繋ぐｐ側中間層であって、前記ｐ側組成傾斜層の上端のバンドギャップエネルギー以上であり且つ前記電子障壁層のバンドギャップエネルギー未満であるバンドギャップエネルギーを有し、アンドープである、ｐ側中間層を有する。
【発明の効果】
【０００７】
このような半導体レーザ素子によれば、閾値電流を低減することにより長波長のレーザ光を発振することができ、且つ、電圧の上昇を抑制することができ、さらに、吸収損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施形態に係る半導体レーザ素子の活性層及びその近傍のバンドギャップエネルギーを模式的に示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施形態に係る半導体レーザ素子の別の例を模式的に示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施形態に係る半導体レーザ素子の別の例を模式的に示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２Ａの半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の屈折率分布を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２Ｂの半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の屈折率分布を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図２Ａの半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の光強度分布を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図２Ｂの半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の光強度分布を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ｎ側組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ｐ側組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。
【図６】図６は、組成傾斜層におけるＳｉドープ量と自由キャリア吸収損失の関係のイメージを示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図８】図８は、実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例２及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図１０】図１０は、実施例２及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための方法を例示するものであって、本発明を以下の実施形態に特定するものではない。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００の模式的な断面図であり、半導体レーザ素子１００の共振器方向と垂直な方向における断面を示す。図２Ａは、半導体レーザ素子１００の活性層３及びその近傍のバンドギャップエネルギーの大小関係を模式的に示す図である。半導体レーザ素子１００は、それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を上方に向かってこの順に有する。ｎ側半導体層２は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており、ｎ型不純物を５×１０１７／ｃｍ３より大きく２×１０１８／ｃｍ３以下のｎ型不純物濃度で含有するｎ側組成傾斜層２６を有する。活性層３は、ｎ側組成傾斜層２６に接して配置されると共に、ｎ側組成傾斜層２６よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、ｎ側組成傾斜層２６の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｎ側障壁層３１を有する。活性層３はさらに、ｎ側障壁層３１の上方に配置される複数の井戸層３２Ａ及び３２Ｂと、複数の井戸層３２Ａ及び３２Ｂに挟まれる中間障壁層３３と、を有する。ｐ側半導体層４は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっており、アンドープであるｐ側組成傾斜層４１を有する。ｐ側半導体層４はさらに、ｐ側組成傾斜層４１の上方に配置され、中間障壁層３３よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ側組成傾斜層４１よりもｐ型不純物濃度が大きい電子障壁層４２を有する。
【００１１】
半導体レーザ素子１００は、さらに、以下の（１）〜（３）から選ばれた１以上の構造を有する。構造（１）及び（２）の例を図２Ａに示し、構造（３）の例を図２Ｂに示す。
（１）ｎ側組成傾斜層２６の膜厚をｔとするときに、活性層３とｐ側半導体層４の界面から上方に向かってｔの距離範囲におけるｐ側半導体層４の平均バンドギャップエネルギーは、ｎ側組成傾斜層２６の平均バンドギャップエネルギーよりも大きい。
（２）ｐ側組成傾斜層４１の下端のバンドギャップエネルギーは、ｎ側組成傾斜層２６の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
（３）ｐ側半導体層４は、さらに、ｐ側組成傾斜層４１と電子障壁層４２とを繋ぐｐ側中間層４５であって、ｐ側組成傾斜層４１の上端のバンドギャップエネルギー以上であり且つ電子障壁層４２のバンドギャップエネルギー未満であるバンドギャップエネルギーを有し、アンドープである、ｐ側中間層４５を有する。
【００１２】
まず、ｎ側組成傾斜層２６について説明する。ｎ側組成傾斜層２６は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており、且つ、上側のバンドギャップエネルギーがｎ側障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。換言すれば、ｎ側組成傾斜層２６は、ｎ側障壁層３１側の第１面２６ａと、第１面２６ａと反対側の第２面２６ｂとを有し、そのバンドギャップエネルギーは第２面２６ｂから第１面２６ａに向かって小さくなっている。このような構成を有することにより、活性層３への光閉じ込めを強化することができ、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。これにより局在準位の遮蔽を抑制することができ、電流注入増加に伴う短波長シフトを抑制することができる。さらに、ｎ側組成傾斜層２６の上端とｎ側障壁層３１との間にバンドギャップ差があることにより、ｎ側組成傾斜層２６内の第１面２６ａ近傍において電子濃度が局所的に高くなる。これによりホールのオーバーフローの抑制が促進されるため、このような促進がない場合と比較して、ホールのオーバーフロー抑制のために設けるｎ側障壁層３１の膜厚を小さくすることができる。ｎ型不純物高濃度層であるｎ側障壁層３１を薄膜化することにより、ｎ側障壁層３１起因の電子による局在準位の遮蔽を低減することができる。また、ｎ側障壁層３１の薄膜化によってｎ側組成傾斜層２６を活性層３のより近くに配置することができるため、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。
【００１３】
このように短波長シフトの原因である局在準位の遮蔽を抑制することにより、長波長域（例えば５３０ｎｍ以上の発振波長）でレーザ発振する半導体レーザ素子１００を実現することができる。さらには、ｎ側組成傾斜層２６を比較的低濃度でｎ型不純物ドープすることにより、ｎ側組成傾斜層２６を設けたことによる電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００１４】
一般的に、閉じ込め係数Γと閾値利得ｇｔｈの積であるΓｇｔｈを閾値モード利得と呼び、素子全体としてのモードに要求される本質的な利得を表す。閾値モード利得に関しては一般的に以下のモデル式で表される。ここでのαｉとαｍはそれぞれ平均内部損失と反射鏡損失とする。なお、便宜上、モード分布は考慮せず平均で表記している。
Γｇｔｈ＝αｉ＋αｍ
【００１５】
電流密度の増加とともにモード利得Γｇは増加する。上述の式から、利得ｇが増加し閾値利得ｇｔｈに達することにより、内部損失及び反射鏡損失に打ち勝ってレーザ発振に至ることが理解できる。レーザ発振時には、レーザ共振器内部において ｇ＝ｇｔｈの定常状態となる。このような定常状態においてモード利得はキャリア密度に単調に依存するので、レーザ発振閾値電流以上におけるキャリア密度は閾値キャリア密度Ｎｔｈでクランプされる。注入キャリア密度が高いほど、局在準位が遮蔽されて実質的なバンドギャップが大きくなりやすく、レーザ発振波長が短波長側にシフトしやすい。閉じ込め係数Γを向上させ、より低い電流で閾値利得ｇｔｈに達することにより、閾値電流密度ｊｔｈも閾値キャリア密度Ｎｔｈも共に低くすることができる。これにより、注入キャリア密度が低減され、局在準位の遮蔽が抑制されてより長波長側でレーザ発振させることができる。
【００１６】
なお、ここでは局在準位の遮蔽の抑制について説明したが、バンドフィリング効果の抑制についても同様である。すなわち、電流注入により擬フェルミ準位がバンド端より離れて実効的な遷移間隔が拡がるというバンドフィリング効果によっても短波長シフトが生じるが、閉じ込め係数Γを向上させて閾値キャリア密度を低減することによってこれも抑制することができる。
【００１７】
一方で、ｎ側組成傾斜層２６を設ける場合には固定電荷の発生による電圧上昇が懸念される。ｎ側組成傾斜層２６では、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように、バンドギャップエネルギーの大きい層の上にバンドギャップエネルギーの小さい層を成長させる。このため、その界面近傍に固定電荷が生じ、電子に対する障壁が高くなる。そうすると、この障壁を越えて電子を活性層３に注入するために高い電圧が必要となることから、顕著な電圧上昇が懸念される。ｎ側組成傾斜層２６において組成の切り替わりを微細に行ったとしても、格子定数差が生じる以上、固定電荷の発生を完全に防止することは難しい。そこで、ｎ側組成傾斜層２６にｎ型不純物を含有させる。これにより、固定電荷を遮蔽することができるため、電圧上昇を抑制することができ、低い駆動電圧においてレーザ発振させることができる。なお、ｎ側組成傾斜層２６に不純物を添加することにより、この不純物により光が吸収され、吸収損失の増加によるレーザ特性の低下が懸念されるが、ｎ型不純物濃度を低く抑えることにより、電圧異常を抑制しつつレーザ特性の低下を防ぐことを可能としている。
【００１８】
以上のとおり、ｎ側組成傾斜層２６を設けることで、短波長シフトを抑制して長波長域でレーザ発振させることが可能であり、且つ、低電圧で駆動させることができる。駆動電圧を低く抑えることで、半導体レーザ素子１００の信頼性を向上させることができる。
【００１９】
しかし、このようにｎ側半導体層２に光閉じ込め強化の構造を採用すると、相対的に、ｐ側半導体層４に存在する光の強度が上昇する。ｐ側半導体層４は電子障壁層４２のようにｐ型不純物を含有する層を有しており、ｐ型不純物含有層における光強度が高いほど自由キャリア吸収による損失αが増大する。Ｓｉなどのｎ型不純物も自由キャリアを吸収するが、窒化物半導体に対するｐ型不純物として用いられるＭｇはＳｉなどよりも活性率が低いため、高濃度にｐ型不純物をドープする必要がある。自由キャリア吸収による吸収係数はキャリア濃度Ｎと吸収断面積σの積によってあらわされるため、ｐ側半導体層４の方がｎ側半導体層２よりも吸収損失が大きい。特に波長５３０ｎｍ以上のように長波長のレーザ光を発振する半導体レーザ素子１００になると、活性層３の発光効率がまだ十分ではないため、損失αの増大がレーザ発振閾値電流の上昇に繋がりやすい。そこで、上述の構造（１）〜（３）の少なくとも１つを採用することにより、ｎ側組成傾斜層２６による光閉じ込め強化の効果を維持しつつ、電子障壁層４２などのｐ型不純物含有層における光強度の増大の抑制を図る。
【００２０】
構造（１）〜（３）について、具体例を用いて以下に説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、半導体レーザ素子１００の活性層３及びその近傍の屈折率分布を示す図であり、図４Ａ及び図４Ｂは、光強度分布を示す図である。いずれも計算により得られた値をプロットしたグラフである。図３Ａ及び図４Ａにおける実線はそれぞれ図２Ａに示す例（つまり、構造（１）及び（２）を有する例）の屈折率分布及び光強度分布を示し、図３Ｂ及び図４Ｂにおける実線はそれぞれ図２Ｂに示す例（つまり、構造（３）を有する例）の屈折率分布及び光強度分布を示す。図３Ａ及び図３Ｂの両方において、破線は、ｐ側組成傾斜層４１の屈折率が活性層３を挟んでｎ側組成傾斜層２６と対称であり、且つｐ側中間層４５を設けない比較用の半導体レーザ素子を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、光強度は最大強度で規格化しており、図中の左側がｎ側半導体層２、図中の右側がｐ側半導体層４である。
【００２１】
図３Ａ及び図４Ａに示すとおり、ｐ側組成傾斜層４１の屈折率をｎ側組成傾斜層２６の屈折率よりも低くすることで、ｐ側半導体層４への光の漏れを低減することができる。ｐ側組成傾斜層４１はアンドープであるので自由キャリア吸収は実質的に無いと考えてよく、自由キャリア吸収が生じる層は電子障壁層４２及び第１ｐ型半導体層４３である。ｐ側半導体層４への光の漏れを低減することでこれらの層における光強度を低下させることができるので、これによって自由キャリア吸収による損失αを低減することができる。
【００２２】
また、図２Ａに示すようにバンドギャップエネルギーがｐ側組成傾斜層４１の方がｎ側組成傾斜層２６よりも大きいことにより、比較用の半導体レーザ素子と比べてｐ側半導体層４の側への電子のオーバーフローが低減可能である。これにより、特に高電流領域（例えば１．５Ａ以上）での活性層３へのキャリアの注入効率を改善することができる。
【００２３】
ｐ側組成傾斜層４１の屈折率をｎ側組成傾斜層２６の屈折率よりも低くするためには、ｐ側組成傾斜層４１の平均屈折率をｎ側組成傾斜層２６の平均屈折率より低くすることと、ｐ側組成傾斜層４１の下端の屈折率をｎ側組成傾斜層２６の上端の屈折率よりも低くすることが挙げられる。それぞれ構造（１）と構造（２）に対応する。図２Ａに示すように両方を備えることがより好ましい。なお、本明細書において、平均バンドギャップエネルギーとは、各層のバンドギャップエネルギーと膜厚との乗算の合計値を総膜厚で除算したものを指す。上述のとおり、組成傾斜層はバンドギャップエネルギーの異なる複数層の集合と見做すことができるため、組成傾斜層においては、それらの各層のバンドギャップエネルギーと膜厚とを乗算し、その合計値を総膜厚で除算したものを組成傾斜層の平均バンドギャップエネルギーとする。平均屈折率や平均組成比についても同様である。
【００２４】
図４Ａに示すように、構造（１）及び／又は（２）を用いると、ｎ側半導体層２の側への光漏れがやや増大し、活性層３への光閉じ込めがやや低下する。これらの程度が大きくなると閾値電流が上昇するため、低閾値電流を維持するためには、活性層３近傍におけるｎ側半導体層２とｐ側半導体層４との屈折率差（バンドギャップエネルギー差）が小さいことが好ましい。具体的には、構造（１）においては、ｐ側半導体層４のうちｎ側組成傾斜層２６と同じ膜厚範囲における平均組成比と、ｎ側組成傾斜層２６の平均組成比との差を、３％以下とすることが好ましい。一方で、ｐ側半導体層４の側への光漏れを低減するためには、これらの差を０．０５％以上とすることが好ましい。
【００２５】
構造（２）においては、ｎ側組成傾斜層２６の上端のＩｎ組成比とｐ側組成傾斜層の下端のＩｎ組成比との差が３％以下であることが好ましい。例えば、ｎ側組成傾斜層２６の上端の組成がＩｎ０．０６Ｇａ０．９５Ｎである場合、ｐ側組成傾斜層４１の下端の組成はＩｎ組成比が３％以上のＩｎＧａＮであることが好ましい。さらに好ましくは、ｎ側組成傾斜層２６の上端のＩｎ組成比とｐ側組成傾斜層４１の下端のＩｎ組成比との差を２％以下とする。一方で、ｐ側半導体層４の側への光漏れを低減するためには、ｎ側組成傾斜層２６の上端のＩｎ組成比とｐ側組成傾斜層４１の下端のＩｎ組成比との差は０．１％以上であることが好ましい。
【００２６】
図２Ｃに示すように、ｎ側組成傾斜層２６は、活性層３の側から順に第１部分２６ｃと第２部分２６ｄとを有してもよい。第１部分２６ｃの組成変化率は第２部分２６ｄの組成変化率よりも高い。すなわち、ｎ側組成傾斜層２６において、活性層３に近い側を比較的高屈折率とする。これにより、活性層３及びその付近の光強度が上昇しやすいため、光強度のピークの活性層３からのずれを低減することができる。また、ｐ側組成傾斜層４１は、活性層３の側から順に第３部分４１ｃと第４部分４１ｄとを有してもよい。第３部分４１ｃの組成変化率は第４部分４１ｄの組成変化率よりも高い。すなわち、ｐ側組成傾斜層４１において、活性層３に近い側を比較的高屈折率とし、活性層３から遠い側を低屈折率とする。これにより、ｐ側半導体層４の側への光漏れを低減することができる。図２Ｃに示すように、これらを組み合わせてもよい。また、このようにｎ側組成傾斜層２６及び／又はｐ側組成傾斜層４１の組成変化率を途中で変えることにより、ｎ側組成傾斜層２６の上端のＩｎ組成比とｐ側組成傾斜層の下端のＩｎ組成比を実質的に同じとした上で構造（１）とすることができる。
【００２７】
図３Ｂ及び図４Ｂに示すとおり、構造（３）とすることで、すなわちｐ側中間層４５を設けることで、光強度のピークを電子障壁層４２などのｐ型不純物含有層から遠ざけることができる。これによって、ｐ型不純物を含有する層における自由キャリア吸収による損失αを低減することができる。また、バンドギャップエネルギー大のｐ側中間層４５を設けることにより、比較用の半導体レーザ素子と比べてｐ側半導体層４の側への電子のオーバーフローが低減可能である。これにより、特に高電流領域での活性層３へのキャリアの注入効率を改善することができる。構造（３）は図３Ｂ及び図４Ｂに示すようにｐ型不純物含有層を光強度のピークから遠ざける構造であるため、構造（１）及び（２）よりもｐ側半導体層４での自由キャリア吸収損失を低減しやすい。このため、構造（１）及び（２）よりも光出力を向上させやすく、また、閾値電流を低減させやすい。
【００２８】
より効率的に光強度のピークを電子障壁層４２などのｐ型不純物含有層から遠ざけるためには、ｐ側組成傾斜層４１とｐ側中間層４５の合計膜厚がｎ側組成傾斜層２６の膜厚より大であることが好ましい。これにより、自由キャリア吸収による損失αを低減することができ、光出力を向上させることができる。ｐ側中間層４５の膜厚を増大させることによりｐ側半導体層４の側への光漏を減少させることができるため、ｐ側中間層４５の膜厚はｐ側組成傾斜層４１の膜厚の１０分の１以上、あるいは２０ｎｍ以上であることが好ましい。一方でｐ側中間層４５を厚くすると電子のオーバーフローが増加し、キャリアの活性層３への注入効率が低下しスロープ効率が低下することが考えられる。したがってスロープ効率向上のためには、ｐ側中間層４５の膜厚は４００ｎｍ以下が好ましく、３００ｎｍ以下がさらに好ましい。また、ｐ側半導体層４の側への光漏れを低減するためには、ｐ側中間層４５の膜厚は１０ｎｍ以上が好ましく、１００ｎｍ以上がさらに好ましい。ｐ側中間層４５は、例えばＧａＮからなることで電圧上昇を抑制しつつｐ側半導体層４の側への光漏れを低減できるというメリットがある。
【００２９】
１つの半導体レーザ素子１００において、構造（１）及び／又は構造（２）と構造（３）とを組み合わせることも可能であるが、内部の光強度分布が拡がり活性層３への光閉じ込めが低下するという理由から、構造（３）は構造（１）及び（２）と組み合わせないことが好ましい。すなわち、ｐ側中間層４５を設ける場合は、ｐ側組成傾斜層４１はｎ側組成傾斜層２６と実質的に同じ膜厚であって活性層３を挟んでｎ側組成傾斜層２６と対称な組成比であることが好ましい。
【００３０】
以下、各部材について詳述する。
【００３１】
（半導体レーザ素子１００）
図２に示すように、半導体レーザ素子１００は、基板１と、その上方に設けられた、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を有する。ｐ側半導体層４の上側には例えばリッジ４ａが設けられている。活性層３のうちリッジ４ａの直下の部分及びその近傍が光導波路領域である。リッジ４ａの側面とリッジ４ａの側面から連続するｐ側半導体層４の表面には絶縁膜５を設けることができる。基板１は例えばｎ型半導体からなり、その下面にはｎ電極８が設けられている。また、リッジ４ａの上面に接してｐ電極６が設けられ、さらにその上にｐ側パッド電極７が設けられている。半導体レーザ素子１００は長波長域のレーザ光を発振可能であり、例えば波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である。
【００３２】
（基板１）
基板１には、例えばＧａＮ等からなる窒化物半導体基板を用いることができる。基板１の上に成長させるｎ側半導体層２、活性層３、ｐ側半導体層４としては、実質的にｃ軸方向に成長させた半導体が挙げられる。例えばｃ面（（０００１）面）を主面とするＧａＮ基板を用いて、そのｃ面上に各半導体層を成長させることができる。ここでｃ面を主面とするとは、±１度以内程度のオフ角を有するものを含んでよい。ｃ面を主面とする基板を用いることにより、量産性に優れるという利点を得ることができる。
【００３３】
（ｎ側半導体層２）
ｎ側半導体層２は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。ｎ側半導体層２に含まれるｎ型半導体層としては、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。ｎ側半導体層２は、例えば、基板１側から順に、第１ｎ型半導体層２１、第２ｎ型半導体層２２、第３ｎ型半導体層２３、第４ｎ型半導体層２４、第５ｎ型半導体層２５、ｎ側組成傾斜層２６を有する。
【００３４】
（第１〜第５ｎ型半導体層２１〜２５）
第１〜第５ｎ型半導体層２１〜２５は、ｎ型不純物を含有する。第１ｎ型半導体層２１は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｎ型半導体層２２は、例えば第１ｎ型半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーの大きい層である。第２ｎ型半導体層２２は、例えばＡｌＧａＮからなる。第３ｎ型半導体層２３は、例えばＩｎＧａＮからなり、そのＩｎ組成比は井戸層３２Ａ、３２Ｂよりも小さい。第４ｎ型半導体層２４は、例えば第１ｎ型半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーの大きい層であり、第２ｎ型半導体層２２と同じであってもよい。第４ｎ型半導体層２４は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｎ型半導体層２２及び第４ｎ型半導体層２４のいずれか一方あるいは両方は、ｎ側半導体層２において最大のバンドギャップエネルギーを有してよく、典型的にはｎ型クラッド層として機能する。第３ｎ型半導体層２３はクラック防止層として機能させることができる。この場合、膜厚は第２ｎ型半導体層２２及び第４ｎ型半導体層２４のいずれよりも小さいことが好ましい。第５ｎ型半導体層２５は、そのバンドギャップエネルギーが、第４ｎ型半導体層２４よりも小さくｎ側組成傾斜層２６の下端と同じかそれよりも大きいことが好ましい。例えばＧａＮからなる。第５ｎ型半導体層２５のｎ型不純物濃度はｎ側組成傾斜層２６よりも大であることが好ましい。
【００３５】
（ｎ側組成傾斜層２６）
ｎ側組成傾斜層２６は、第２面２６ｂから第１面２６ａに向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成を段階的に変化させた層である。すなわち、ｎ側組成傾斜層２６において、バンドギャップエネルギーは第２面２６ｂから第１面２６ａに向かって階段状に減少している。一般的に、半導体界面における屈折率の不連続により光子の閉じ込め構造を形成することができる。ｎ側組成傾斜層２６を、活性層３に近づくほど屈折率ｎが高くなるように組成を段階的に変化させた層とすることで、ｎ側組成傾斜層２６に光導波路の障壁が連続して形成される。これにより活性層３への光閉じ込めを強化することができる。
【００３６】
ｎ側組成傾斜層２６は、上側（すなわち第１面２６ａ側）がＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ＜１）であり、下側（すなわち第２面２６ｂ側）がＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０≦ｂ＜ａ）であることが好ましい。井戸層３２Ａ、３２Ｂは典型的にはＩｎＧａＮであるから、第１面２６ａ側の終端は井戸層３２Ａ、３２ＢよりもＩｎ組成比が小さいＩｎＧａＮであることが好ましい。第２面２６ｂ側の終端は例えばＧａＮである。ｎ側組成傾斜層２６は、ｎ側光ガイド層として機能させることが好ましい。ｎ側組成傾斜層２６の最も第１面２６ａ側のＩｎ組成比ａは、０．０１以上であることが好ましく、さらには０．０３以上であることが好ましい。このように、井戸層３２Ａ、３２Ｂの近くにＩｎＧａＮを配置することで、井戸層３２Ａ、３２Ｂへの光閉じ込めを向上させることができる。Ｉｎ組成比ａの上限値は、例えば０．２５である。結晶性悪化の抑制を考慮すれば、Ｉｎ組成比ａは０．１以下であることが好ましい。
【００３７】
ｎ側組成傾斜層２６は、組成を段階的に変化させた層であるから、図５Ａに示すように、互いに組成の異なるＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる複数のサブ層２６１〜２６５からなるともいえる。図５Ａは、ｎ側組成傾斜層２６及びその付近の一部拡大図であり、サブ層２６３とサブ層２６４の間には明示した以外の多数のサブ層が存在することを示す。このような積層構造において、隣接するサブ層同士の格子定数差は小さいことが好ましい。これにより歪みを小さくでき、発生する固定電荷の量を低減させることができる。このために、ｎ側組成傾斜層２６は薄い厚みで少しずつ組成を変化させていくことが好ましい。具体的には、ｎ側組成傾斜層２６は第１面２６ａから第２面２６ｂにかけて２５ｎｍ以下の膜厚ごとにＩｎ組成比が減少していることが好ましい。すなわち、各サブ層２６１〜２６５の膜厚が２５ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、各サブ層２６１〜２６５の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。各サブ層２６１〜２６５の膜厚の下限値は例えば１原子層（約０．２５ｎｍ）程度である。また、隣り合うサブ層（例えばサブ層２６１とサブ層２６２）のＩｎ組成比の差は０．００５以下であることが好ましい。さらに好ましくは０．００１以下とする。下限値は例えば０．００００７程度である。
【００３８】
このような範囲はｎ側組成傾斜層２６の全体に亘って満たされていることが好ましい。すなわち、全てのサブ層がこのような範囲内であることが好ましい。例えば、膜厚２３０ｎｍのｎ側組成傾斜層２６において、最も下側をＧａＮとし最も上側をＩｎ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎとするときに、組成を１２０段階で徐々に変化させる製造条件で成長させる。ｎ側組成傾斜層２６において組成が変化する回数は、９０回以上程度であることが好ましい。さらに好ましくは１２０回以上程度とする。
【００３９】
ｎ側組成傾斜層２６の組成変化率（すなわち、隣り合うサブ層の組成比の差）を上下方向において実質的に一定とすることにより、固定電荷の分布を実質的に均一とすることができる。後述するようにｎ側組成傾斜層２６の第２面２６ｂから第１面２６ａにかけて実質的に一定のｎ型不純物濃度とすることで電圧上昇抑制の効果が得られる程度であれば、ｎ側組成傾斜層２６の組成変化率は多少変動してよい。例えば、後述する実施例１では、Ｉｎ組成比の変化率は０．０００２〜０．０００９の間で変動しており、０．００１以下の範囲内に収まっている。なお、ここで述べた原料ガスの流量等は製造装置の設定値を指す。製造装置の仕様に合わせて各数値は調整してよい。
【００４０】
ｎ側組成傾斜層２６にはｎ型不純物を添加する。組成を変化させた構造であるｎ側組成傾斜層２６では、組成変化率を小さくしたとしても固定電荷の発生を避けることは困難である。そこで、ｎ型不純物を添加することで固定電荷を遮蔽する。ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度の下限は、電圧上昇を十分に抑制できる程度が好ましく、具体的には５×１０１７／ｃｍ３より大きいことが好ましい。ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度が５×１０１７／ｃｍ３以下である場合は、ｎ側組成傾斜層２６に生じる固定電荷を十分に遮蔽できず電圧が上昇する懸念がある。また、バンド計算によれば、ｎ型不純物濃度を高くするほど障壁高さが低くなり、５×１０１７／ｃｍ３とすることで上述の比較用の半導体レーザ素子（組成傾斜層の替わりに単一組成層を設ける）とほぼ同等の高さとなる。したがって、ｎ型不純物濃度は５×１０１７／ｃｍ３を越えることが好ましい。これにより、単一組成層を用いる場合よりも駆動電圧を低減させることができる。ｎ型不純物濃度は、７×１０１７／ｃｍ３以上がより好ましく、製造時のズレを考慮して８×１０１７／ｃｍ３以上としてもよく、さらには１×１０１８／ｃｍ３以上としてもよい。
【００４１】
一方、ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は２×１０１８／ｃｍ３以下であることが好ましい。ｎ型不純物濃度が大きくなると、自由キャリアによる吸収損失が増加し光出力が低下する懸念があるが、この上限値以下とすることでこれを抑制することができる。光出力は、ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度が約２×１０１８／ｃｍ３である場合に、組成傾斜層がアンドープである場合と同程度まで低下すると考えられる。ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は２×１０１８／ｃｍ３より小さくしてもよい。また、ｎ型不純物濃度が過剰となると（例えば１×１０１９／ｃｍ３以上）半導体層の表面の平坦性が悪化する傾向にあるため、この観点からもｎ型不純物濃度は高すぎないことが好ましい。
【００４２】
ｎ側組成傾斜層２６におけるＳｉ濃度（ｎ型不純物濃度）と自由キャリア吸収損失の関係のイメージを図６に示す。図６に示す数値は計算により求めたものである。不純物含有層における自由キャリア吸収による損失αはキャリア密度に依存する。すなわち、キャリア密度が増加すると自由キャリア吸収による損失が増大する。Ｓｉ濃度が増加することによりキャリア密度も増加するから、Ｓｉ濃度の増加によってキャリア密度が増加するほど損失が増大し、光出力が低下しやすいと考えられる。図６に示すとおり、ｎ側組成傾斜層２６におけるＳｉ濃度が２×１０１８／ｃｍ３を越えると、吸収損失がさらに増大し、光出力がより顕著に低下すると考えられる。なお、電圧低下のためのＳｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３程度で足りると考えられる。
【００４３】
ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は、第１面２６ａから第２面２６ｂにかけて実質的に一定であることが好ましい。電圧上昇を抑制するためであれば固定電荷が発生する箇所にｎ型不純物を添加すれば足りるのであるが、上述のように微細に組成変化させたｎ側組成傾斜層２６においては、固定電荷発生箇所、すなわち組成変化箇所を正確に狙ってｎ型不純物を添加することは困難である。したがって、確実に固定電荷発生箇所にｎ型不純物を添加できるよう、ｎ側組成傾斜層２６の厚み方向において一端から多端にかけて実質的に一定であることが好ましい。加えて、ｎ側組成傾斜層２６の組成変化率も実質的に一定であることが好ましい。すなわち、第２面２６ｂから第１面２６ａにかけてバンドギャップエネルギーが実質的に単調減少するように組成を変化させることが好ましい。組成変化率が実質的に一定のｎ側組成傾斜層２６であれば、発生する固定電荷の分布が実質的に均一になる。このため、ｎ型不純物を実質的に一定の濃度で含有させることにより、電圧上昇抑制の効果を厚み方向の全体に亘ってほぼ一様に得ることができる。なお、実質的に一定のｎ型不純物濃度とするためには、例えば、ｎ側組成傾斜層２６を成長させる際にｎ型不純物の供給源（例えばシランガス）の流量の設定値を成長の始めから終わりまで一定とする。製造時のズレは許容される。また、ｎ型不純物の原料ガスの流量を一定としても、Ｉｎの原料ガスの流量の変化により実際に取り込まれるｎ型不純物の濃度が多少変動する場合がある。この場合も、ｎ側組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は実質的に一定であるといえる。
【００４４】
ｎ側組成傾斜層２６の膜厚は、光を閉じ込める効果を得るために、ｎ側障壁層３１よりも厚くする。具体的には、ｎ側組成傾斜層２６の膜厚は２００ｎｍ以上であることが好ましい。また、ｎ側組成傾斜層２６の膜厚は、５００ｎｍ以下であることが好ましく、さらには３００ｎｍ以下であることが好ましい。また、光閉じ込め効果を得るために、ｎ側組成傾斜層２６は活性層３の近くに配置することが好ましい。具体的には、ｎ側組成傾斜層２６の井戸層３２Ａからの距離は２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
（活性層３）
活性層３は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。活性層３は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。十分な利得を得るためには多重量子井戸構造が好ましい。多重量子井戸構造の活性層３は、複数の井戸層３２Ａ、３２Ｂと、井戸層３２Ａ、３２Ｂに挟まれる中間障壁層３３と、を有する。例えば活性層３は、ｎ側半導体層２側から順に、ｎ側障壁層３１、井戸層３２Ａ、中間障壁層３３、井戸層３２Ｂ、ｐ側障壁層３４を含む。
【００４６】
ｎ側障壁層３１、中間障壁層３３、ｐ側障壁層３４には、井戸層３２Ａ、３２Ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体を用いる。ｎ側障壁層３１、中間障壁層３３、ｐ側障壁層３４は、ＩｎＧａＮ又はＧａＮからなることが好ましい。これは、発振波長が長波長になるほど井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比が大きくなるので、これらとの格子定数差を大きくしすぎないためである。発振波長５３０ｎｍ以上の半導体レーザ素子とする場合の井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比は、活性層３以外の層構造によって多少増減するが、例えば０．２５以上（２５％以上）である。井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比の上限としては、例えば０．５０以下（５０％以下）が挙げられる。このとき、半導体レーザ素子の発振波長は６００ｎｍ以下程度であると考えられる。井戸層３２Ａ、３２Ｂは、結晶性向上や光吸収低減の観点から、アンドープが好ましい。なお本明細書において、アンドープとは意図的にドープしないことをいう。ＳＩＭＳ分析等の分析結果においては、検出限界以下の濃度であればアンドープといってよい。
【００４７】
井戸層３２Ａ、３２Ｂの膜厚は、例えば４ｎｍ以下であり、３ｎｍ以下が好ましい。なお、各障壁層３１、３３、３４と井戸層３２Ａ、３２Ｂとの間に、各障壁層３１、３３、３４の膜厚よりも薄い膜厚（例えば１ｎｍ以下）の層を配置してもよい。言い換えれば、最短距離が各障壁層３１、３３、３４の膜厚未満（例えば１ｎｍ以下、０を含む）となるように各障壁層３１、３３、３４と井戸層３２Ａ、３２Ｂがそれぞれ接近して配置されていることが好ましい。
【００４８】
（ｎ側障壁層３１）
ｎ側障壁層３１は、ｎ側組成傾斜層２６よりもｎ型不純物濃度が高く、且つｎ側組成傾斜層２６の第１面２６ａ側よりもバンドギャップエネルギーが大きい層である。バンドギャップエネルギーがこのような関係であることにより、ｎ側組成傾斜層２６の第１面２６ａ近傍に電子を溜めることができる。これにより、ｎ側障壁層３１を薄くしてもホールのオーバーフローを抑制することができる。ｎ側障壁層３１はｎ型不純物濃度が高いため、少なくともｎ側障壁層３１に最も近い井戸層の局在準位の遮蔽が懸念されるが、薄膜化によりこれを抑制することができ、長波長化が可能となる。ｎ型不純物によって自由キャリア吸収が生じて吸収損失が増大するが、薄膜化によってこれも抑制できるので、光出力を向上させることができる。ｎ側組成傾斜層２６の第１面２６ａ近傍に電子を溜めるためには、ｎ側組成傾斜層２６の最も第１面２６ａ側のバンドギャップエネルギー（すなわちｎ側組成傾斜層２６における最小のバンドギャップエネルギー）が、中間障壁層３３よりも小さいことが好ましい。
【００４９】
具体的には、ｎ側障壁層３１の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、ｎ側障壁層３１の膜厚は１５ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは６ｎｍ以下とする。また、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度は１×１０１９／ｃｍ３以上であることが好ましい。より好ましくは、３×１０１９／ｃｍ３以上とする。ｎ側障壁層３１は活性層３における電子に対する最初の障壁層であるから、このような高濃度でｎ型不純物を含有させ、電子に対する障壁を低減させることが好ましい。加えて、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度を高くすることでホールのオーバーフローをより抑制することができる。ｎ側障壁層３１は井戸層３２Ａの近くに設けるため、そのｎ型不純物濃度の上限は結晶性が悪化しない程度であることが好ましい。特性の低下を抑制するためには、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度は５×１０１９／ｃｍ３以下であることが好ましい。また、結晶性の悪化を抑制できるようにｎ側障壁層３１はＧａＮであることが好ましい。
【００５０】
ｎ側障壁層３１とそれに最も近い井戸層３２Ａとの間には介在層を設けてもよい。介在層を設ける場合、ｎ側組成傾斜層２６とそれに最も近い井戸層３２Ａとの最短距離は２００ｎｍ以下が挙げられる。また、ｎ側障壁層３１を厚くすると電子の注入に対して障壁となりやすいため、ｎ側障壁層３１の膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。なお、各層の膜厚は１原子層以上とする。
【００５１】
（ｐ側障壁層３４）
ｐ側組成傾斜層４１を配置する場合は、ｐ側組成傾斜層４１と井戸層３２Ａ、３２Ｂとの間に、ｐ側組成傾斜層４１の最小のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｐ側障壁層３４を配置することが好ましい。ｐ側障壁層３４にｎ型不純物を含有させると光吸収やホールのトラップの虞があるため、また、ｐ型不純物であるＭｇは深い準位をつくり光吸収を生じさせるため、ｐ側障壁層３４はアンドープとすることが好ましい。例えばｐ側障壁層３４はアンドープのＧａＮからなる。
【００５２】
（ｐ側半導体層４）
ｐ側半導体層４は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。ｐ側半導体層４に含まれるｐ型窒化物半導体層としては、Ｍｇ等のｐ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。
【００５３】
（ｐ側組成傾斜層４１）
ｐ側組成傾斜層４１は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっている。換言すれば、ｐ側組成傾斜層４１は、活性層３側の第３面４１ａと、電子障壁層４２側の第４面４１ｂとを有し、そのバンドギャップエネルギーは第３面４１ａから第４面４１ｂに向かって大きくなっている。第３面４１ａ側のバンドギャップエネルギーは第４面４１ｂ側よりも小さい。すなわち、ｐ側組成傾斜層４１において、バンドギャップエネルギーは第３面４１ａから第４面４１ｂに向かって階段状に増大している。ｎ側組成傾斜層２６だけでなくｐ側組成傾斜層４１も設けることで、活性層３に対して両側からバランス良く光を閉じ込めることができる。これにより、活性層３における電界強度を増大させることができ、閾値電流を低減させることができる。
【００５４】
ｐ側組成傾斜層４１はアンドープである、又は、ｐ側組成傾斜層４１のｐ型不純物濃度は５×１０１７／ｃｍ３以下である。ｐ側障壁層３４と同様の理由から、ｐ側組成傾斜層４１はアンドープであることが好ましい。ｐ側障壁層３４は、例えばｐ側光ガイド層として機能する。ｐ側組成傾斜層４１の組成、組成変化率、膜厚の好ましい範囲は、上述の構造（１）〜（３）のいずれか１以上を満たすことを前提として、ｎ側組成傾斜層２６と同様のものを採用することができる。ｐ側組成傾斜層４１の膜厚は、３５０ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。ｐ側組成傾斜層４１の第３面４１ａ側は、ｐ側障壁層３４よりも小さいバンドギャップエネルギーを有することが好ましく、例えばＩｎＧａＮからなる。ｐ側組成傾斜層４１の第４面４１ｂ側は、ｐ側障壁層３４と同等以上のバンドギャップエネルギーを有してよく、例えばＧａＮからなる。ｐ側組成傾斜層４１は、光を活性層３に寄せつつ電子のオーバーフローを抑制するため、活性層３側から実質的に単調にＩｎの組成を減少させることが効果的である。
【００５５】
ｐ側組成傾斜層４１は、ｎ側組成傾斜層２６と同様に、図５Ｂに示すように互いに組成の異なるＩｎｙＧａ１−ｙＮからなる複数のサブ層４１１〜４１５からなるともいえる。図５Ｂは、ｐ側組成傾斜層４１及びその付近の一部拡大図であり、サブ層４１３とサブ層４１４の間には明示した以外の多数のサブ層が存在することを示す。ｎ側組成傾斜層２６と同様の理由から、ｐ側組成傾斜層４１は第３面４１ａから第４面４１ｂにかけて２５ｎｍ以下の膜厚ごとにＩｎ組成比が減少していることが好ましい。すなわち、各サブ層４１１〜４１５の膜厚が２５ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、各サブ層４１１〜４１５の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。各サブ層４１１〜４１５の膜厚の下限値は例えば１原子層（約０．２５ｎｍ）程度である。また、隣り合うサブ層（例えばサブ層４１１とサブ層４１２）のＩｎ組成比の差は０．００５以下であることが好ましい。さらに好ましくは０．００１以下とする。下限値は例えば０．００００７程度である。
【００５６】
（電子障壁層４２）
電子障壁層４２は、Ｍｇ等のｐ型不純物を含有する。電子障壁層４２は、例えばＡｌＧａＮからなる。電子障壁層４２は、ｐ側半導体層４中で最も高いバンドギャップエネルギーを有し、且つｐ側組成傾斜層４１よりも膜厚が小さい層として設けてよい。
【００５７】
（第１ｐ型半導体層４３、第２ｐ型半導体層４４）
第１ｐ型半導体層４３、第２ｐ型半導体層４４は、Ｍｇ等のｐ型不純物を含有する。第１ｐ型半導体層４３は、例えばＡｌＧａＮからなる。第１ｐ型半導体層４３は、例えばｐ型クラッド層として機能し、ｐ側半導体層４中で電子障壁層４２に次いで高いバンドギャップエネルギーを有してよい。第１ｐ型半導体層４３の膜厚は電子障壁層４２よりも大きい。第２ｐ型半導体層４４は、例えばＧａＮからなり、ｐ型コンタクト層として機能する。
【００５８】
（絶縁膜５、ｎ電極８、ｐ電極６、ｐ側パッド電極７）
絶縁膜５は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等の酸化物又は窒化物等の単層又は積層膜によって形成することができる。ｎ電極８は、例えばｎ型の基板１の下面のほぼ全域に設けられる。ｐ電極６は、例えばリッジ４ａの少なくとも上面に設けられる。ｐ電極６の幅が狭い場合は、ｐ電極６の上にｐ電極６より幅が広いｐ側パッド電極７を設け、ｐ側パッド電極７にワイヤ等を接続すればよい。各電極の材料は、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ-ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等が挙げられる。電極の厚みは、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚みであればよい。例えば、０．１μｍ〜２μｍ程度が挙げられる。
【００５９】
（実施例１）
実施例１として、以下に示す半導体レーザ素子を作製した。半導体レーザ素子となるエピタキシャルウエハーの作製にはＭＯＣＶＤ装置を用いた。また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、シランガス、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を適宜用いた。
【００６０】
ｃ面ＧａＮ基板（基板１）上に、Ｓｉを含有するＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層（第１ｎ型半導体層２１）を１．０μｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第２ｎ型半導体層２２）を２５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＩｎ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層（第３ｎ型半導体層２３）を１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第４ｎ型半導体層２４）を６５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＧａＮ層（第５ｎ型半導体層２５）を３００ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、１×１０１８／ｃｍ３程度の濃度でＳｉドープした組成傾斜層（ｎ側組成傾斜層２６）を２６０ｎｍの膜厚で成長させた。組成傾斜層は、成長の始端をＧａＮとし、成長の終端をＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとして、組成傾斜がほぼ直線状となるように１２０段階でＩｎ組成を実質的に単調増加させて成長させた。すなわち、２．１ｎｍの厚みで成長する毎にＩｎ組成比が０．０２〜０．０９％（平均０．０４％）増加するという、Ｉｎ組成比が実質的に単調増加する設定で組成傾斜層を成長させた。
次に、３×１０１９／ｃｍ３程度の濃度でＳｉドープしたＧａＮ層（ｎ側障壁層３１）を３ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２Ａ）を２．７ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＧａＮ層（中間障壁層３３）を３．４ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２Ｂ）を２．７ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＧａＮ層（ｐ側障壁層３４）を２．２ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープの組成傾斜層（ｐ側組成傾斜層４１）を２６０ｎｍの膜厚で成長させた。組成傾斜層は、成長の始端をＩｎ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎとし、成長の終端をＧａＮとして、組成傾斜がほぼ直線状となるように１２０段階でＩｎ組成を実質的に単調減少させて成長させた。すなわち、２．１ｎｍの厚みで成長する毎にＩｎ組成比が０．０２〜０．０９％（平均０．０４％）減少するという、Ｉｎ組成比が実質的に単調減少する設定で組成傾斜層を成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（電子障壁層４２）を１１ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層（第１ｐ型半導体層４３）を３００ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＧａＮ層（第２ｐ型半導体層４４）を１５ｎｍの膜厚で成長させた。
【００６１】
そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをＭＯＣＶＤ装置より取り出し、フォトリソグラフィとＲＩＥ、スパッタを用いて、リッジ４ａ、ｐ電極６、ｐ側パッド電極７、ｎ電極８等を形成し、個片化して半導体レーザ素子１００を得た。半導体レーザ素子１００は、リッジ幅を１５μｍ、共振器長を１２００μｍ、素子幅を１５０μｍとした。実施例１に係る半導体レーザ素子１００は約５３１ｎｍで発振した。
【００６２】
（実施例２）
実施例２として、ｐ側組成傾斜層４１の成長の始端をＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとし、成長の終端をＧａＮとして成長させたのちに、アンドープのＧａＮ層（ｐ側中間層４５）を膜厚２００ｎｍで成長した以外は実施例１と同様の方法で半導体レーザ素子１００を作製した。実施例２に係る半導体レーザ素子１００は約５３２ｎｍで発振した。
【００６３】
（比較例１）
比較例１として、ｐ側中間層４５を設けないこと以外は実施例２と同様の半導体レーザ素子を作製した。
【００６４】
（実験結果１）
実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を図７に示し、Ｉ−Ｖ特性を図８に示す。図７及び図８において、実線が実施例２の半導体レーザ素子１００を示し、破線が比較例１の半導体レーザ素子を示す。図７及び図８に示すように、実施例１の半導体レーザ素子１００は、比較例１の半導体レーザ素子と比べて、光出力が向上し、且つ、電圧は同等程度に低いことが確認された。光出力が向上した理由は、比較例１よりｐ側組成傾斜層の屈折率を低下させたことで、ｐ型不純物をドープした領域への光の漏れが低減され、これによってｐ側半導体層４での自由キャリア吸収損失が低減できたためと考えられる。閾値電流はわずかに上昇したが、これは、内部の光強度のピークがややｎ側半導体層の側にシフトするため、活性層への光閉じ込めが減少したためと考えられる。
【００６５】
（実験結果２）
実施例２及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を図９に示し、Ｉ−Ｖ特性を図１０に示す。図９及び図１０において、実線が実施例２の半導体レーザ素子１００を示し、破線が比較例１の半導体レーザ素子を示す。図９及び図１０に示すように、実施例２の半導体レーザ素子１００は、比較例１の半導体レーザ素子と比べて、光出力が向上し、且つ、電圧は同等程度に低いことが確認された。光出力が向上した理由は、比較例１よりも活性層３から電子障壁層４２までの距離を増大させたことで、ｐ型不純物をドープした領域への光の漏れが低減され、これによってｐ側半導体層４での自由キャリア吸収損失が低減できたためと考えられる。また自由キャリア吸収損失が大きく低減出来たため閾値電流も低下したと考えられる。
【符号の説明】
【００６６】
１００  半導体レーザ素子
１  基板
２  ｎ側半導体層
２１  第１ｎ型半導体層
２２  第２ｎ型半導体層
２３  第３ｎ型半導体層
２４  第４ｎ型半導体層
２５  第５ｎ型半導体層
２６  ｎ側組成傾斜層
３  活性層
３１  ｎ側障壁層
３２Ａ、３２Ｂ  井戸層
３３  中間障壁層
３４  ｐ側障壁層
４  ｐ側半導体層
４１  ｐ側組成傾斜層
４２  電子障壁層
４３  第１ｐ型半導体層
４４  第２ｐ型半導体層
４５  ｐ側中間層
４ａ  リッジ
５  絶縁膜
６  ｐ電極
７  ｐ側パッド電極
８  ｎ電極
２６ａ  第１面、２６ｂ  第２面
４１ａ  第３面、４１ｂ  第４面
２６ｃ  第１部分、２６ｄ  第２部分
４１ｃ  第３部分、４１ｄ  第４部分
２６１〜２６５、４１１〜４１５  サブ層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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