(57)【要約】【課題】より短い波長の光をレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、３重量子井戸活性層１３と、３重量子井戸活性層１３に積層して形成されたｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４と、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４に積層して形成され、Ａｌを含有するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を備えた窒化物半導体レーザ素子であって、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５が、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。【選択図】図２
2018098401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層に積層して形成されたガイド層と、
前記ガイド層に積層して形成され、Ａｌを含有するｐ型クラッド層と、
を備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記ｐ型クラッド層が、前記ガイド層側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜していることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型クラッド層の前記ガイド層側の界面のＡｌ組成は、前記活性層のＡｌ組成より０．２５以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｐ型クラッド層の層厚は、３００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層は、前記活性層のＡｌ組成以下まで組成傾斜していることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ型クラッド層は、前記活性層のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、前記活性層のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きいことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紫外線レーザは、ガスレーザやＹＡＧレーザをはじめとした固体レーザが実用化されており、既に大きな市場が形成されている。その一方で、小型・堅牢・長寿命な特長を有する半導体レーザへのパラダイムシフトは、応用分野の拡大や、市場の拡大など大きな可能性を秘めている。ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びこれらの混晶）、特にＡｌＧａＮはＡｌ組成を制御することによって、発振波長が２１０ｎｍから３６５ｎｍの光を得ることができる材料である。近年、世界中の研究者が紫外線レーザに関する研究開発を進めてきた結果、高品質なＡｌＧａＮを用いることによって電流注入による紫外線レーザが実現している。
【０００３】
非特許文献１に開示された窒化物半導体レーザ素子の構造図を図１に示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板Ｓの表面に高温でＡｌＮ層３０（もしくはＧａＮ層）を積層して形成し、さらに、ＡｌＧａＮ層３１を積層して形成する。そして、ＡｌＧａＮ層３１に溝を形成することによって高品質なｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層３２を形成し、その後、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３３、ｎ−ＡｌＧａＮガイド層３４（ガイド層）、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸活性層３５、ｐ−ＡｌＧａＮガイド層３６（ガイド層）、ｐ−ＡｌＧａＮブロック層３７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３８（ｐ型クラッド層）、ｐ−ＧａＮ層３９の順で積層する。その後、リッジ構造を形成し、ｐ側電極４０及びｎ側電極４１を設けて窒化物半導体レーザを形成している。非特許文献１に開示された技術に基づいて、現時点において波長が３２６ｎｍの光をレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子が実現されている。
【０００４】
また、一般的に、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含有する窒化物半導体はＡｌ組成が大きくなるほど屈折率が小さくなることが知られている。この原理を用いて、Ａｌを含有するｎ型クラッド層及びＡｌを含有するｐ型クラッド層（以降、一対のクラッド層という）のＡｌ組成がＡｌを含有するｎ側ガイド層及びＡｌを含有するｐ側ガイド層（以降一対のガイド層という）から離れるに従い大きくなるように形成すると、活性層及び一対のガイド層から離れるに従い一対のクラッド層の屈折率が徐々に小さくなる。こうすることで、活性層で発した光を一対のクラッド層で挟まれた活性層及び一対のガイド層内に効率良く閉じ込めることができる。
【０００５】
また、一対のクラッド層のＡｌ組成を活性層及び一対のガイド層のＡｌ組成より大きくすることによって、活性層及び一対のガイド層よりバンドギャップが大きくなるため、活性層及び一対のガイド層内に電子及び正孔を閉じ込める作用も有することになる。つまり、一対のクラッド層のＡｌ組成を活性層及びガイド層のＡｌ組成より大きくすることによって、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発した光や、電子及び正孔を活性層及び一対のガイド層内に良好に閉じ込めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kazuyoshi Iida，et al，、"350.9 nm UV Laser Diode Grown on Low-Dislocation-Density AlGaN"、Japanese Journal of Applied Physics、２００４年３月、Vol．４３，Part 2, Number 4A、L499
【非特許文献２】Simon J，et al，、"Polarization-induced hole doping in wide-band-gap uniaxial semiconductor heterostructures"、Science、２０１０年１月、Vol．３２７，Issue 5961, pp. 60-64
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた紫外レーザにおいて、より短い波長の光でレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を得るには、上記の技術では限界がある。具体的には、ｐ型クラッド層の正孔の濃度を大きくすることが難しいからである。これまでの研究によって、窒化物半導体を用いて発光波長がより短い波長の光の窒化物半導体レーザ素子として良好にレーザ発振させるためには、ｎ型クラッド層の電子の濃度、及びｐ型クラッド層の正孔の濃度がおよそ１×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3であることが好ましいことがわかっている。また、窒化物半導体内を正孔が移動する移動度は１０ｃｍ2／Ｖｓ程度であることから、ｐ型クラッド層内の正孔の濃度が１×１０17ｃｍ-3以上でなければレーザ発振することができる量の正孔を活性層に注入することができないこともわかっている。
【０００８】
一般的に、窒化物半導体に正孔を添加するために、結晶成長の際にｐ型不純物としてＭｇが結晶内に添加される。そして、Ｍｇを添加して結晶成長する際に、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発生した光や、電子及び正孔を良好に閉じ込める目的のためにｐ型クラッド層のＡｌ組成を大きくすると、室温におけるｐ型クラッド層内の正孔の濃度が低下してしまう。これは、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が大きくなるに従いｐ型クラッド層内に添加されたｐ型不純物であるＭｇが活性化する際に要するエネルギーが大きくなるためである。詳しくは、ｐ型クラッド層内に添加されたＭｇが活性化し難くなり、ｐ型クラッド層内の正孔の濃度を大きくできないからである。これまでの研究によって、ｐ型クラッド層のＡｌ組成がおよそ０．３以上になると、ｐ型クラッド層の正孔の濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になり、レーザ発振することができる量の正孔を活性層に注入することができないことがわかっている。つまり、３２６ｎｍより小さな波長の光の窒化物半導体レーザ素子を実現（すなわち、発振波長の更なる短波長化）するには、ｐ型クラッド層において、Ａｌ組成が大きく、且つｐ型クラッド層内の正孔の濃度を高める必要がある。また、半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層の目的は、活性層に正孔を注入する点、及び光を伝搬させる点であるが、これら２点の目的を同時に達成できるｐ型クラッド層はこれまで実現できなかった。
【０００９】
紫外レーザに対して紫外ＬＥＤでは、既に発光波長が２００ｎｍ帯において、外部量子効率が１０％程度のデバイスが実現しつつある（非特許文献２参照。）。紫外ＬＥＤは活性層に光を閉じ込める必要がないため、ｐ−ＧａＮ層を用いる方法や、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を組成傾斜する方法等を用いて３２６ｎｍより小さな波長の光を得ている。しかし、これら２つの方法を用いても活性層に光を閉じ込めることはできないため、３２６ｎｍより小さな波長の光でレーザ発振することはできない。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より短い波長の光でレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子を提供することを解決すべき課題としている。
【００１１】
上記従来の実情を踏まえて、発明者らが鋭意検討した結果、ｐ型クラッド層のＡｌ組成をガイド層から離れるに従い小さくなるように組成傾斜させる。具体的には、ガイド層側のｐ型クラッド層の界面のＡｌ組成を活性層及びガイド層のＡｌ組成より大きくし、ガイド層から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜させる。これにより、ｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。こうして、Ａｌ組成が大きくてもｐ型クラッド層内のガイド層との界面の近傍の正孔の濃度を高めることができ、活性層への正孔の注入を良好にすることができることを見出した。
【００１２】
しかし、ｐ型クラッド層のＡｌ組成をガイド層から離れるに従い小さくなるように組成傾斜させると、活性層及びガイド層に光を閉じ込める作用が十分に機能しないという問題が生じる。この問題を解決するため、発明者らがさらに鋭意検討した結果、ｐ型クラッド層のＡｌ組成が、活性層の中のＡｌ組成が小さい層のＡｌ組成よりも小さいＡｌ組成の区間の層厚を薄く形成することによって、ｐ型クラッド層の光を閉じ込める作用を良好に機能させることができることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の窒化物半導体レーザは、
活性層と、
前記活性層に積層して形成されたガイド層と、
前記ガイド層に積層して形成され、Ａｌを含有するｐ型クラッド層と、
を備えた窒化物半導体レーザであって、
前記ｐ型クラッド層が、前記ガイド層側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜していることを特徴とする。
【００１４】
この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層が、ガイド層側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内のガイド層との界面を含む界面近傍の正孔の濃度を高めることができ、活性層及びガイド層へ容易に正孔を注入することができる。
【００１５】
したがって、本発明の窒化物半導体レーザはより短い波長の光をレーザ発振することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】非特許文献１の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式図である。
【図２】実施例１の構造を示す模式図である。
【図３】実施例２のサンプルの構造を示す模式図である。
【図４】実施例３のサンプルの構造を示す模式図である。
【図５】実施例４のサンプルの構造を示す模式図である。
【図６】実施例５のサンプルの構造を示す模式図である。
【図７】比較例１のサンプルの構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層のガイド層側の界面のＡｌ組成は、活性層のＡｌ組成より０．２５以上大きくし得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はガイド層側の界面及び界面近傍のバンドギャップをガイド層のバンドギャップより大きくすることができる。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層内からガイド層に良好に正孔を注入することができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層の層厚は３００ｎｍ以上であり得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層の層厚をより厚くすることによって、活性層及び一対のガイド層内に活性層で発生した光や、電子及び正孔をより良好に閉じ込めることができる。
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は活性層のＡｌ組成以下まで組成傾斜し得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はガイド層から離れた界面側のｐ型クラッド層のバンドギャップを小さくすることができる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層のガイド層から離れた界面に電極を設ける場合、電極とｐ型クラッド層との電気的特性を近づけることができるため、電極からｐ型クラッド層に正孔を良好に注入することができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は、活性層のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、活性層のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きくなり得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層が活性層で発した光を反射する際の光の損失をより良好に抑えることができる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成され得る。この場合、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型クラッド層の層厚方向において、屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。これにより、所望の特性の窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
【００２３】
次に、本発明の窒化物半導体レーザ素子を具体化した実施例１〜５、及び比較例１について、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
＜実施例１＞
実施例１は、後述する実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルに共通する窒化物半導体レーザ素子の構造、及び製造方法を示すものである。実施例１はおよそ３００ｎｍの波長の光をレーザ発振することができる窒化物半導体レーザ素子を形成することを目的としている。実施例１の窒化物半導体レーザ素子は、図２に示すように、サファイア基板Ｓ、ＡｌＮ層１０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１、ガイド層であるｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２、活性層である３重量子井戸活性層１３、ガイド層であるｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５等を備えている。
【００２５】
有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の方法を用いて、サファイア基板Ｓ（以下、基板Ｓという）の表面側（図２における上側である、以下同じ。）に積層して結晶成長させる。先ず、反応炉内に基板Ｓをセットする。そして、反応炉内の温度を調節して基板の温度をおよそ１２００℃にする。そして、反応炉内に、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）等のＡｌの原料、及びＮＨ3等のＮの原料等を供給して、２μｍの厚みのＡｌＮ層１０を積層して結晶成長させる。
【００２６】
次に、ＡｌＮ層１０の表面にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内の温度を調節して基板Ｓの温度を１１５０℃にする。そして、反応炉内にＳｉＨ4（シラン）等のｎ型不純物であるＳｉの原料、及びＴＭＧａ（トリメチルガリウム）等のＧａの原料を供給して、３μｍの厚みのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＳｉＨ4等の注入量はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１のＳｉの濃度が３×１０18ｃｍ-3になるように調節する。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１のＡｌ組成は０．５である。
【００２７】
次に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１の表面にｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内へのＳｉＨ4等の供給を停止して、１００ｎｍの厚みのアンドープのｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２を積層して結晶成長させる。ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２のＡｌ組成は０．４である。
【００２８】
次に、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２の表面に３重量子井戸活性層１３を積層して結晶成長する。３重量子井戸活性層１３は、Ａｌ組成が０．３のＡｌＧａＮ量子井戸層、及びＡｌ組成が０．４のＡｌＧａＮバリア層を１ペアとし、このペアを３つ積層して結晶成長して形成されている（図示せず。）。ＡｌＧａＮ量子井戸層の層厚は３ｎｍである。ＡｌＧａＮバリア層の層厚は６ｎｍである。
【００２９】
次に、３重量子井戸活性層１３の表面に１００ｎｍの厚みのアンドープのｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４を積層して結晶成長する。ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のＡｌ組成は０．４である。
【００３０】
次に、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の表面にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を積層して結晶成長する。詳しくは、反応炉内にＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等のｐ型不純物であるＭｇの原料を注入して、４５０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５を積層して結晶成長させる。反応炉内へのＣｐ2Ｍｇ等の注入量はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５のＭｇの濃度が３×１０19ｃｍ-3になるように調節する。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５はＡｌを含有している。こうして積層して結晶成長する層構造は、結晶成長している際に、反応炉内に供給しているＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）等のＡｌの原料の供給量を変更することによって、積層された層のそれぞれのＡｌ組成を変更したり、層自体のＡｌ組成を組成傾斜させたりすることができる。また、ＮＨ3等のＮの原料やＴＭＧａ（トリメチルガリウム）等のＧａの原料の反応炉内への供給量を変更することによって、Ｎ組成やＧａ組成も自在に変更することができる。
【００３１】
次に、こうして積層して結晶成長し、層構造を形成した基板Ｓを用いて電流注入可能な素子形成を行う。素子形成は公知の方法で実行され、例えば、フォトリソグラフィ及びドライエッチング等を用いて所望の形に素子を成形した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１５から３重量子井戸活性層１３に正孔を注入するｐ側電極、及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１１から３重量子井戸活性層１３に電子を注入するｎ側電極を設けて、レーザ構造に必要な共振器を形成する（図示せず。）。こうして、電流注入可能な素子を形成することができる。
【００３２】
＜実施例２〜５、比較例１＞
実施例１の窒化物半導体レーザ素子の製造方法を用いて、実施例２〜５のサンプル及び比較例１のサンプルを作製した。
【００３３】
具体的には、実施例２のサンプルは、図３に示すように、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０まで一様に組成傾斜させている。つまり、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４は、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面のＡｌ組成は、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成より０．２５以上である０．５大きい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５の層厚は、３００ｎｍ以上である。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以下まで組成傾斜している。
【００３４】
実施例３のサンプルは、図４に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａにおいて、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成である０．３まで変化させる。そして。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂにおいて、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従いＡｌ組成を０．３から０まで変化させている。実施例３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａと、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂとで、Ａｌ組成の組成傾斜の度合いが異なっている。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成されている。詳しくは、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面から４００ｎｍの区間２１５Ａより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５ＢのほうがＡｌ組成の組成傾斜の度合いが大きい。ここで、組成傾斜の度合いとは、層厚方向に対するＡｌ組成が一様に組成傾斜している場合におけるＡｌ組成の変化の割合であり、層厚方向の最大のＡｌ組成と最小のＡｌ組成との差を層厚で除したものと定義する。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きい。
【００３５】
実施例４のサンプルは、図５に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０．３まで一様に組成傾斜させている。
【００３６】
実施例５のサンプルは、図６に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４の界面からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い０．８から０．３まで一様に組成傾斜させ、さらにＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層１６を５０ｎｍ積層して結晶成長している。実施例５のサンプルはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５のＡｌ組成の組成傾斜の度合いが実施例４のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５と同じである。
【００３７】
比較例１のサンプルは、図７に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成を組成傾斜させていない。また、比較例１のサンプルはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５の層厚が６００ｎｍである。なお、比較例１のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成の大きさは、Ａｌ組成の大きさを０．３から０.８の間で適宜変化させて検討した結果に基づいて、最適な大きさにされている。
【００３８】
こうして作製した実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルの閾値電流密度、及び閾値電圧を測定した結果を表１に示す。詳しくは、実施例２〜５のサンプル、及び比較例１のサンプルのそれぞれの閾値電流密度、及び閾値電圧はデバイスシミュレータであるＳｉＬＥＮＳｅを用いて測定した。
【００３９】
【表１】
2018098401.tif 000003
【００４０】
比較例１のサンプルはＡｌ組成の大きさを変化させてもレーザ発振しないことがわかった。これは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成が０．３以上であると、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５内の正孔の濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になりレーザ発振に必要な量の正孔を３重量子井戸活性層１３に注入することができないためであると考えられる。
【００４１】
これに対して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させた実施例２〜５のサンプルはレーザ発振することがわかった。また、実施例２〜５のサンプルなかで、実施例３のサンプルがレーザ発振する閾値電流密度及び閾値電圧が最も低いことがわかった。つまり、実施例３のサンプルの構造がレーザ発振するのに最適であることがわかった。これにより、比較例１のサンプルのように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１５のＡｌ組成が組成傾斜していない場合、Ａｌ組成の大きさが０．３〜０．８の間のどのような大きさであってもレーザ発振することがなく、実施例２〜５のサンプルのようにｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のＡｌ組成をｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れるに従い小さくなるように一様に組成傾斜させると、従来実現できなかったより短い波長の光でレーザ発振できることがわかった。
【００４２】
ここで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させる効果について説明する。窒化物半導体の有する分極はＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなる。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のようにＡｌ組成を組成傾斜させることによって、Ａｌ側（ＩＩＩ族側）の分極による負の分極固定電荷がｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍に均一に分布する。さらに、これによって得られた負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が価電子帯に生成される。このうち分極固定電荷はヘテロ接合が形成されることによって発生するものであるため、外から電界を与えても結晶内を移動することはできないが、正孔は外から電界を与えることによって結晶内を移動することができる。つまり、荷電子帯に生成された正孔によって、ｐ側から３重量子井戸活性層１３へ注入される正孔の量をより増やすことができる。また、窒化物半導体の有する分極はＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなるため、価電子帯に生成される正孔の量もＡｌ組成が大きくなるに伴い大きくなる。
【００４３】
これに対して、実施例２、３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５のようにＡｌ組成を３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成より小さい区間を設けたり、実施例５のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４１５の表面にｐ型ＧａＮ層１６を設けたりすることは、３重量子井戸活性層１３に光を閉じ込めることに対して不利な構造である。
【００４４】
一般的に、半導体レーザでは高い屈折率を持つ活性層を活性層より低い屈折率を有するクラッド層で挟み込むことによって活性層に光を閉じ込めている。また、半導体材料ではバンドギャップが大きくなると屈折率が小さくなる傾向がある。つまり、ＡｌＧａＮ系材料ではＡｌ組成が大きくなるに従いバンドギャップが大きくなり、且つ屈折率が小さくなる。そして、クラッド層のＡｌ組成を活性層の量子井戸層より小さくすると、クラッド層の屈折率が活性層の屈折率より大きくなるため、活性層から発した光がクラッド層で吸収されてしまい、良好にレーザ発振することができなくなるため半導体レーザとしては不利となる。
【００４５】
上記の点を鑑み、実施例２〜５のサンプルはｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のＡｌ組成よりｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のＡｌ組成を０．４大きくしている。
【００４６】
また、シミュレータの計算の結果から、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５とのＡｌ組成の差は０．３以上が好ましいことがわかった。また、活性層から発した光を吸収する層（すなわち、実施例２のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５のＡｌ組成が３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層よりも小さい区間や、実施例３のサンプルの区間２１５Ｂ、及び実施例５のサンプルのｐ型ＧａＮ層１６）の層の厚みが５０ｎｍを超えると発振特性が良好でなくなることも実施例２のサンプルの閾値電流密度、及び閾値電圧等の測定の結果からわかっている。これにより、好ましくは実施例３のサンプルのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１５の上側の５０ｎｍの区間２１５Ｂ、及び実施例５のサンプルのＡｌを含まないｐ型ＧａＮ層１６のようにＡｌ組成が３重量子井戸活性層１３のＡｌＧａＮ量子井戸層よりも小さい層の層厚を５０ｎｍ以下にすることによって、より高性能な窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４７】
また、実施例４のサンプルは実施例２、３、５のサンプルに比べて閾値電圧が大きい。これは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１５におけるｐ側電極とのコンタクト抵抗によって電圧が上昇したためであり、低い抵抗のオーミック電極を形成することができる技術が新たに見出されれば実施例３、５のサンプルと同等の閾値電圧に抑えることができると考えられる。
【００４８】
このように、この窒化物半導体レーザはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５が、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面から離れるに従いＡｌ組成が小さくなるように組成傾斜している。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍に負の分極固定電荷が分布する。すると、負の分極固定電荷を打ち消す方向にプラスの電荷である正孔が形成される。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４との界面を含む界面近傍の正孔の濃度を高めることができ、３重量子井戸活性層１３及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４へ容易に正孔を注入することができる。
【００４９】
したがって、本発明の窒化物半導体レーザ素子はより短い波長の光をレーザ発振することができる。
【００５０】
また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４側の界面のＡｌ組成は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成より０．５（すなわち、０．２５以上である）大きい。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５側の界面及び界面近傍のバンドギャップをｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４のバンドギャップより大きくすることができる。これにより、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５内からｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４に良好に正孔を注入することができる。
【００５１】
また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚は４５０ｎｍ（すなわち、３００ｎｍ以上である）である。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚をより厚くすることによって、３重量子井戸活性層１３、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層１２、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層内に３重量子井戸活性層１３で発生した光や、電子及び正孔をより良好に閉じ込めることができる。
【００５２】
また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以下まで組成傾斜している。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れた界面側のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のバンドギャップを小さくすることができる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５のｐ側ＡｌＧａＮガイド層１４から離れた界面に電極を設けた場合、電極とｐ側ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５との電気的特性を近づけることができるため、電極からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５に正孔を良好に注入することができる。
【００５３】
また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成以上の区間の組成傾斜の度合いに比べて、３重量子井戸活性層１３のＡｌ組成未満の区間の組成傾斜の度合いが大きくなる。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５が３重量子井戸活性層１３で発した光を反射する際の光の損失をより良好に抑えることができる。
【００５４】
また、この窒化物半導体レーザ素子において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５は、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成されている。このため、この窒化物半導体レーザ素子はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１１５，２１５，３１５，４１５の層厚方向において、屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。これにより、所望の特性の窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
【００５５】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜５に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１〜５では、ｐ型半導体不純物としてＭｇを用いているが、これに限らず、ｐ型半導体不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であっても良い。
（２）実施例１〜５では、ｎ型半導体不純物としてＳｉを用いているが、これに限らず、ｎ型半導体不純物である、Ｇｅ等であっても良い。
（３）実施例１〜５では、サファイア基板を用いているが、これに限らず、ＧａＮ基板やＡｌＮ基板等の他の基板を用いても良い。
（４）実施例１〜５では、ＭＯＣＶＤ法を用いて積層して結晶成長させているが、これに限らず、ＨＶＰＥ、ＭＢＥ、スパッタ、及びＬＰＥＥ等の他の方法を用いて積層して結晶成長させても良い。
（５）実施例１〜５では、Ａｌ組成が０．３のＡｌＧａＮ量子井戸層、及びＡｌ組成が０．４のＡｌＧａＮバリア層を１ペアとし、このペアを３つ積層して結晶成長して形成されている３重量子井戸活性層を形成しているが、これに限らず、このペアを２つ以下でもよく、４つ以上でもよい。
（６）実施例１〜５では、ＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成が０．３で、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成が０．４であるが、これに限らず、ＡｌＧａＮ量子井戸層のＡｌ組成が０．３未満であってもよく０．３より大きくてもよい。また、ＡｌＧａＮバリア層のＡｌ組成が０．４未満であってもよく０．４より大きくてもよい。
（７）実施例１〜５では、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層の層厚が１００ｎｍであるが、これに限らず、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層、及びｐ側ＡｌＧａＮガイド層の層厚が１００ｎｍ未満であってもよく１００ｎｍより大きくてもよい。また、ｎ側ＡｌＧａＮガイド層とｐ側ＡｌＧａＮガイド層とのそれぞれの層厚を互いに異なる層厚にしてもよい。
（８）実施例３では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ積層して形成しているが、これに限らず、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成されていてもよい。例えば、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、ｐ側ＡｌＧａＮガイド層の界面からＡｌ組成が互いに異なる第１区間、第１区間の上側の第２区間、及び第２区間の上側の第３区間を形成する。これにより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の屈折率の大きさや、分極電荷による固定電荷の量を自在に調節することができる。つまり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層において、層厚方向のＡｌ組成の組成傾斜の度合いの異なる区間が２つ以上積層して形成することによって、所望の特性を有したｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を容易に得ることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１３…３重量子井戸活性層（活性層）
１４…ｐ側ＡｌＧａＮガイド層（ガイド層）
１５，１１５，２１５，３１５，４１５…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型クラッド層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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