(57)【要約】【課題】動作電力を増加させることなく、楕円率を改善した窒化物半導体レーザ素子を提供し、より小型化・低消費電力化された光学式情報再生装置を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性層１７をｎ型とｐ型の窒化物半導体からなるｎ型クラッド層１５とｐ型クラッド層２６で挟んだ構造を有している。さらに、ｐ型クラッド層２６は層厚方向に互いに組成が異なる２層以上から構成され、活性層１７に近い第１のｐ型クラッド層２０が、より遠い第２のｐ型クラッド層２１に比べて低い屈折率を有する。また、本発明の光学式情報再生装置は、本発明の半導体レーザ素子を搭載している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、
窒化物半導体からなる活性層と、
窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、
該第２導電型クラッド層は、第１の超格子構造と、第２の超格子構造を、前記活性層側からこの順で少なくとも含み、
前記第１の超格子構造の平均屈折率が、前記第２の超格子構造の平均屈折率に比べて低くなっ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】
前記第１の超格子構造は、層厚２００オングストローム以下のＧａＮと層厚２００オングストローム以下のＡｌＧａＮの交互積層構造（Ａｌの平均混晶比ｑ）であり、且つ前記第２の超格子構造は、層厚２００オングストローム以下のＧａＮと層厚２００オングストローム以下のＡｌＧａＮの交互積層構造（Ａｌの平均混晶比ｒ）であり、０＜ｒ＜ｑであることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層は、レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むと共に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含まないか、又は０．０２μｍ以下の層を含む、連続した層からなることを特徴とする、請求項１乃至２のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
第１導電型窒化物半導体基板上に前記第１導電型クラッド層、前記活性層、前記第２導電型クラッド層がこの順で形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２導電型クラッド層上に、第２導電型コンタクト層を備え、
該第２導電型コンタクト層は、レーザ発振モードの透過屈折率よりも高い屈折率を有し、レーザ発振波長に対して透明な材料からなることを特徴とする、請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第１の超格子構造の２主面の内、前記活性層から遠い側の面と、該活性層との距離が、０．３４μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかの記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１の超格子構造の２主面の内、前記活性層に近い側の面と、該活性層との距離が、０．０５μｍ以上０．２４μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１の超格子構造の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
第１導電型窒化物半導体基板上に、
窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、
窒化物半導体からなる活性層と、
窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、
前記第１導電型クラッド層側に、水平方向光閉じ込め構造を有し、
該第１導電型クラッド層は、前記活性層に近い主面側から、互いに組成が異なる第１の第１導電型クラッド層と第２の第１導電型クラッド層とを少なくともこの順に含み、
該第１の第１導電型クラッド層は、前記第２の第１導電型クラッド層に比べて、低い屈折率を有することを特徴とする、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
第１導電型窒化物半導体基板上に、
窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、
窒化物半導体からなる活性層と、
窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、
前記第１導電型クラッド層は、ストライプ状リッジ構造となっており、
該第１導電型クラッド層は、前記活性層に近い主面側から、互いに組成が異なる第１の第１導電型クラッド層と第２の第１導電型クラッド層とを少なくともこの順に含み、
該第１の第１導電型クラッド層は、前記第２の第１導電型クラッド層に比べて、低い屈折率を有することを特徴とする、窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層は、レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むと共に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含まないか、又は０．０２μｍ以下の層を含む、連続した層からなることを特徴とする、請求項９乃至１０のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記第１の第１導電型クラッド層の２主面の内、前記活性層から遠い側の面と、該活性層との距離が、０．３４μｍ以下であることを特徴とする、請求項９から１１のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第１の第１導電型クラッド層の２主面の内、前記活性層に近い側の面と、該活性層との距離が、０．０５μｍ以上０．２４μｍ以下であることを特徴とする、請求項９から１２のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第１の第１導電型クラッド層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴とする、請求項９から１３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
情報記録面を有する光ディスクに照射されたレーザ光の反射光を変換することにより、該光ディスクに記録された記録情報を再生する光学式情報再生装置であって、
請求項１から１４のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴とする、光学式情報再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子およびそれを用いた光学式情報再生装置に関し、特に、動作電力が低く、出射光の縦横比（楕円率）が１に近い窒化物半導体レーザ素子およびそれを用いた光学式情報再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料により、青色から紫外領域で発光する半導体レーザ素子が試作されており、例えばアプライド＝フィジックス＝レターズ６９号４０５６−４０５８ページ（Ｓｈｕｊｉ    Ｎａｋａｍｕｒａ    ｅｔ    ａｌ．：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．６９（１９９６）ｐｐ．４０５６−４０５８）に報告されている。
【０００３】
図１７は、従来の半導体レーザ素子の一例として、波長４１０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な要部断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ層１７１（膜厚３μｍ）、ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎバッファ層１７２（膜厚３００オングストローム）、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層１７３（膜厚０．５μｍ）、ｎ型ＧａＮ光導波層１７４（膜厚０．１μｍ）、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ３重量子井戸活性層１７５（膜厚各４０オングストローム／８０オングストローム×３ＭＱＷ）、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１７６（膜厚２００オングストローム）、ｐ型ＧａＮ光導波層１７７（膜厚０．１μｍ）、ｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層１７８（膜厚０．５μｍ）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７９（膜厚０．２μｍ）が順次積層形成されている。さらに、活性層１７５の上部構造の一部を、ｐ型クラッド層１７８に到達するまでエッチングすることにより、幅２μｍのストライプ状リッジ（凸）構造が形成されている。ｐ型光導波層１７７の平坦部上とストライプ状凸構造部の側面を覆って絶縁層１８０が設けられ、また、これらの上には電極１８１が形成されている。この半導体レーザ素子は、活性層および光導波層がクラッド層に挟まれた導波構造を有しており、活性層で発生した光は、この導波構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の半導体レーザ素子では、以下に示すような問題が生じる。
【０００５】
本願発明者らが上記構造の半導体レーザ素子を作製したところ、得られたＦＦＰ（ファーフィールドパターン）は垂直方向の半値全角Θ⊥＝１８度、水平方向の半値全角Θ‖＝８度であり、楕円率（半値全角の垂直方向と水平方向の比）が２以上の楕円形状となっていた。このため、スポット内のパワー密度が下がってレーザの必要動作電力が高くなったり、光学式情報再生装置に用いた場合に高密度記録された情報の読み出しができない等の問題が生じる。
【０００６】
そこで、通常、光学式情報再生装置においては、この楕円ビームを円形ビームに成形する手段として、図１８に示すように、２個の三角プリズムを用いる等の方法が採られている。図１８は、従来の光学式情報再生装置の構成を示す模式図である。但し、この図では煩雑になるのを避けるため、説明の都合上で不要な部品は省略して示している。この図において、１００１は基台、１００２は基台１００１上に設置された従来の半導体レーザ素子、１００３はカップリングレンズ、１００４は成形プリズム、１００５はビームスプリッタ、１００６はディスク、１００７は光検出器である。この装置では、成形プリズム１００４が楕円ビームを円形ビームに成形する役割を果たしている。このように、従来の半導体レーザ素子を用いた場合には、光学式情報再生装置の大型化やコスト増大を招く。
【０００７】
従って、半導体レーザ素子の動作電力を増加させることなく、かつ、楕円率を改善することが必要となる。しかし、動作電力とＦＦＰの半値全角を各々独立して制御することは、以下に述べる理由により容易ではない。
【０００８】
楕円率改善の一手法としては、Θ⊥を減少させる方法がある。そのためには、垂直方向の光閉じ込めを弱くする必要があり、最も有効な手段としてはｐ型／ｎ型クラッド層のＡｌ混晶比を増加させることにより、屈折率を減少させるという方法が挙げられる。しかし、いずれの手法を用いても、垂直方向の光閉じ込めが弱くなるため、レーザ発振を生ずる閾値電流が上昇し、半導体レーザ素子の動作電力の増大を招いてしまう。
【０００９】
楕円率改善のもう一つの手法としては、Θ‖を増加させる方法がある。そのためには、水平方向の光閉じ込めを強くする必要があり、リッジ高さを増加させるか、埋め込み層の材料屈折率を小さくするか、といった方法が挙げられる。しかし、水平方向の光閉じ込めを強くすると、高次横モードを生じ易いという別の問題が生じる。すなわち、高次横モードのレーザ発振を十分抑制しつつ、かつ、水平方向の光閉じ込めを十分強くするというトレードオフの関係から、水平方向の光閉じ込めの度合いはほぼ一意に定まる。よって、Θ‖を増加させるには限度があり、６度〜１０度の範囲を超えて大きくさせることはできない。
【００１０】
以上のように、従来の半導体レーザ素子によれば、窒化物半導体の屈折率や膜厚を変化させるのみでは、動作電力を増加させることなく、ＦＦＰ半値全角を改善することはできなかった。そのため、従来の半導体レーザ素子を用いた光学式情報再生装置のさらなる小型化および低消費電力化を妨げていた。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するべくなされたものであり、動作電力を増加させることなく、楕円率を改善した窒化物半導体レーザ素子を提供し、より小型化および低消費電力化された光学式情報再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、該第２導電型クラッド層は、第１の超格子構造と、第２の超格子構造を、前記活性層側からこの順で少なくとも含み、前記第１の超格子構造の平均屈折率が、前記第２の超格子構造の平均屈折率に比べて低くなっていることを特徴とする。
前記第１の超格子構造は、層厚２００オングストローム以下のＧａＮと層厚２００オングストローム以下のＡｌＧａＮの交互積層構造（Ａｌの平均混晶比ｑ）であり、且つ前記第２の超格子構造は、層厚２００オングストローム以下のＧａＮと層厚２００オングストローム以下のＡｌＧａＮの交互積層構造（Ａｌの平均混晶比ｒ）であり、０＜ｒ＜ｑであることを特徴としてもよい。
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層は、レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むと共に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含まないか、又は０．０２μｍ以下の層を含む、連続した層からなることを特徴としてもよい。
第１導電型窒化物半導体基板上に前記第１導電型クラッド層、前記活性層、前記第２導電型クラッド層がこの順で形成されていることを特徴としてもよい。
前記第２導電型クラッド層上に、第２導電型コンタクト層を備え、該第２導電型コンタクト層は、レーザ発振モードの透過屈折率よりも高い屈折率を有し、レーザ発振波長に対して透明な材料からなることを特徴としてもよい。
前記第１の超格子構造の２主面の内、前記活性層から遠い側の面と、該活性層との距離が、０．３４μｍ以下であることを特徴としてもよい。
前記第１の超格子構造の２主面の内、前記活性層に近い側の面と、該活性層との距離が、０．０５μｍ以上０．２４μｍ以下であることを特徴としてもよい。
前記第１の超格子構造の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴としてもよい。
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型窒化物半導体基板上に、窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、前記第１導電型クラッド層側に、水平方向光閉じ込め構造を有し、該第１導電型クラッド層は、前記活性層に近い主面側から、互いに組成が異なる第１の第１導電型クラッド層と第２の第１導電型クラッド層とを少なくともこの順に含み、該第１の第１導電型クラッド層は、前記第２の第１導電型クラッド層に比べて、低い屈折率を有することを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１導電型窒化物半導体基板上に、窒化物半導体からなる第１導電型クラッド層と、窒化物半導体からなる活性層と、窒化物半導体からなる第２導電型クラッド層とを少なくともこの順に備え、前記第１導電型クラッド層は、ストライプ状リッジ構造となっており、該第１導電型クラッド層は、前記活性層に近い主面側から、互いに組成が異なる第１の第１導電型クラッド層と第２の第１導電型クラッド層とを少なくともこの順に含み、該第１の第１導電型クラッド層は、前記第２の第１導電型クラッド層に比べて、低い屈折率を有することを特徴とする。
前記第１導電型クラッド層及び前記第２導電型クラッド層は、レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むと共に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含まないか、又は０．０２μｍ以下の層を含む、連続した層からなることを特徴としてもよい。
前記第１の第１導電型クラッド層の２主面の内、前記活性層から遠い側の面と、該活性層との距離が、０．３４μｍ以下であることを特徴としてもよい。
前記第１の第１導電型クラッド層の２主面の内、前記活性層に近い側の面と、該活性層との距離が、０．０５μｍ以上０．２４μｍ以下であることを特徴としてもよい。
前記第１の第１導電型クラッド層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であることを特徴としてもよい。
本発明の光学式情報再生装置は、情報記録面を有する光ディスクに照射されたレーザ光の反射光を変換することにより、該光ディスクに記録された記録情報を再生する光学式情報再生装置であって、前記窒化物半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、従来の光学式情報再生装置に比べて小型化および低消費電力化を図ることが可能となる。
【００１４】
なお、本明細書において、垂直方向とは窒化物半導体層の層厚方向を表し、水平方向とは窒化物半導体層の主面に平行で、かつ、ストライプの長さ方向に垂直な方向を表すものとする。
【発明の効果】
【００１５】
以上詳述したように、本発明によれば、垂直方向光閉じ込め係数の減少を抑制しつつ、垂直方向ＦＦＰ半値全角を減少させることができる。よって、駆動電力の上昇を抑制しつつ、出射光の楕円率を改善した窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、上記効果に加えて、垂直方向ＦＦＰや駆動電力のばらつきを抑制し、歩留まりの向上した窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、クラッド層にＡｌＧａＮを含む場合に、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖を望ましい値にして、駆動電流を増大させることなく、素子の信頼性および良品歩留まりの低下を防ぐことができる、窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、従来の光学式情報再生装置に比べて小型化かつ低消費電力化を図った光学式情報再生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施に形態について、図１〜図１６を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態である窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この半導体レーザ素子は、活性層１７を、各々ｎ型とｐ型の窒化物半導体からなるｎ型クラッド層１５とｐ型クラッド層２６で挟んだ構造を有している。ｐ型クラッド層２６は、層厚方向に互いに屈折率が異なる２層以上の層（ここでは２層）から構成され、活性層１７に近い第１のｐ型クラッド層２０の屈折率が、活性層からより遠い第２のｐ型クラッド層２１の屈折率に比べて小さくなっている。
【００２１】
この半導体レーザ素子において、半導体レーザ素子発振モードの垂直方向閉じ込め層として主に機能しているのは、第２のｐ型クラッド層２１である。さらに、これよりも屈折率が低い第１のｐ型クラッド層２０が存在することにより、以下に説明するような効果が得られる。なお、以下の説明では、上記第１のｐ型クラッド層２０に相当する層、すなわち、ｐ型クラッド層中で屈折率が低くなっている層を低屈折率層と称する。
【００２２】
楕円率改善のためには、水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖を大きくする方法が考えられる。しかし、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖と水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖は、互いに１対１の関係にあり、一方が決定されると他方も自ずと決定されるため、Θ‖を大きくするとΓ‖も増大する。そして、Γ‖が大きくなりすぎると、高次の横モードがレーザ発振しやすくなるため、実用上Γ‖〜０．９０、Θ‖〜８度となるように、設計することが通常行われている。また、Γ‖およびΘ‖は、Γ⊥およびΘ⊥と独立して設計することが可能である。よって、図１に示したクラッド層の残し膜厚ｄおよびストライプ幅Ｗを調節して、Γ‖＝０．８５〜０．９５、Θ‖＝６度〜１０度となるように、より理想的にはΓ‖〜０．９０、Θ‖〜８度となるように作製される。従って、本発明にあっては、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を減少させることなく、垂直方向ＦＦＰの半値全角Θ⊥を減少させることが目的となる。
【００２３】
そこで、本発明にあっては、窒化物半導体からなるｐ型クラッド層中に低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）を挿入している。以下に、ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入することにより、レーザ発振モードの垂直方向光強度分布に与える作用について説明する。（１）ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入したことにより、ｐ型クラッド層と活性層との屈折率差が大きくなる。これにより、活性層におけるレーザ発振モードの相対光強度が大きくなる方向に働くことになる。一方、（２）ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入したことにより、レーザ発振光が垂直方向に広がる領域全体の平均屈折率が減少する。このため、レーザ発振光が影響を受ける屈折率ｎeqが小さくなり、低屈折率層を除くｐ型クラッド層部分の屈折率ｎcladとの差が小さくなる。クラッド層内における光強度分布の膜厚方向（ｘ方向とする）の変化の度合いＫは、波長λを用いて、
Ｋ＝ｅｘｐ（−２αｘ）
α＝２π／λ×（ｎeq2−ｎclad2）1/2
で表されることが、スラブ導波路における通常の電界分布計算から導かれる。ここでは、屈折率ｎeqとｎcladとの差が小さくなることから、αが減少する方向に作用するため、レーザ発振モードの垂直方向光強度分布の裾となる低屈折率層を除くｐ型クラッド層の存在する領域付近における相対光強度が増大する。この結果、活性層におけるレーザ発振モードの相対光強度が減少する方向に働くことになる。
【００２４】
このように、ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入することにより、上記（１）および（２）の互いに相反する作用が働く。このため、ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入しても、活性層におけるレーザ発振モードの垂直方向における相対光強度はほとんど変化しない。一方、ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入することにより、レーザ発振モードの垂直方向光強度分布が、活性層側から低折率層に近づくにつれて急激に立ち下がるような形状になり、半値全幅は増大する。ここで、ＦＦＰは光強度分布のフーリエ変換パターンであるので、垂直方向ＦＦＰの半値全角は減少する。
【００２５】
従って、ｐ型クラッド層中に低屈折率層を挿入することにより、レーザ発振モードの垂直方向の相対光強度の変化、すなわち、閾値電流密度の変化を抑制しつつ、垂直方向ＦＦＰの半値全角を減少させることができ、出射光の楕円率改善を図ることが可能となる。
【００２６】
さらに、本発明の実施の形態においては、第２のｐ型クラッド層の屈折率が第１のｐ型クラッド層の屈折率に比べて高くなっている。通常、ｐ型クラッド層はｐ型ＡｌＧａＮで構成されるので、第２のｐ型クラッド層の方が第１のｐ型クラッド層に比べてＡｌ混晶比が小さくなる。一方、窒化物半導体特有の問題として、ｐ型ＡｌＧａＮはＡｌ混晶比が大きいほど、抵抗率が増大するという問題がある。特に、窒化物半導体レーザ素子においては、光導波路を構成するためのストライプ状リッジ構造の幅が、他の材料系を用いた半導体レーザ素子に比べて狭く設計されるため、駆動電圧の上昇という問題が他の材料系を用いた半導体レーザ素子に比べて重要である。従って、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子においては、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が小さいため、抵抗率を小さくして半導体レーザ素子の駆動電圧を低減させるという効果を有する。
【００２７】
本明細書において、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層とは、レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むと共に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含まないか、または１層もしくは２層以上からなる層を各々層厚０μｍより大で０．０２μｍ以下含む、連続した層状領域を指している。
【００２８】
レーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有する層を総膜厚０．４μｍ以上含むのは、レーザ発振モードの垂直方向光閉じ込めを実現するために必要な最小の膜厚が０．４μｍだからである。また、０．０２μｍ以下の層厚を有するレーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層を含んでいても良い理由は、これらがｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層中に含まれていても、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層の総膜厚に対して十分薄く、レーザ発振モードの垂直方向電界分布に与える影響が小さいためである。
【００２９】
レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する層（例えばＩｎqＧａ1-qＮ、０≦ｑからなる層）は、ｐ型クラッド層またはｎ型クラッド層中に含まれないことが望ましい。その理由は、レーザ発振モードがそのような層に引き込まれて、垂直方向ＦＦＰにおけるリップルの原因となり易いからである。
【００３０】
本発明の実施の形態において、第１のｐ型クラッド層２０および第２のｐ型クラッド層２１は、共にｐ型クラッド層２６の一部であり、共にレーザ発振モードの等価屈折率よりも小さい屈折率を有している。
【００３１】
半導体レーザ素子を構成するためには、垂直方向におけるレーザ発振モードの光閉じ込めは必須であり、このため、第２のｐ型クラッド層２１はレーザ発振モードの等価屈折率よりも小さい屈折率を有している必要がある。
【００３２】
また、第１のｐ型クラッド層２０がレーザ発振モードの等価屈折率よりも大きな屈折率を有する材料からなる場合、この層は上記ｐ型クラッド層の定義から、ｐ型クラッド層２６に含まれないことになり、本発明の範囲を逸脱するものとなる。実際に、このような半導体レーザ素子を作製すると、第１のｐ型クラッド層２０がｐ型クラッド層２６の活性層１７側主面に接して形成されている場合、従来の半導体レーザ素子に比べて活性層閉じ込め係数Γ⊥は小さくなり、垂直方向ＦＦＰ半値全角Θ⊥は増大してしまい、本発明の目的を達成することができなくなる。さらに、第１のｐ型クラッド層２０がｐ型クラッド層２６中に挿入され、かつ、ｐ型クラッド層２６の活性層１７側主面から０．０５μｍ以下を隔てて形成されている場合、第１のｐ型クラッド層２０に光が閉じ込められるようになり、レーザ発振モードの垂直方向ＦＦＰが複峰的形状となる。このため、半導体レーザ素子を光学式情報再生装置に用いた場合、半導体レーザ素子の出射光をレンズで集光したスポットが２点以上となって、大きな問題が生じる。従って、第１のｐ型クラッド層２０も、レーザ発振モードの等価屈折率よりも小さい屈折率を有する必要がある。
【００３３】
レーザ発振モードの等価屈折率は、スラブ導波路における通常の電界分布計算により求めることができ、例えばジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス８４号１１９６−１２０３ページ（Ｍ．Ｊ．Ｂｅｒｇｍｎｎ    ａｎｄ    Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．８４（１９９８）ｐｐ．１１９６−１２０３）を参照することができる。また、電界分布計算におけるパラメータである、発振波長λ［ｎｍ］における各材料の屈折率ｎは、以下のようにして求められる。ここで、発振波長λは３００［ｎｍ］〜８００［ｎｍ］の範囲とすることができる。
【００３４】
まず、各材料のパラメータＥｇ［ｅｖ］が下記式で与えられる。ＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ≦１）に対しては、
Ｅｇ＝Ｅｇ1［ｓ］＝３．４２（１−ｓ）＋２．６５ｓ−３．９４ｓ（１−ｓ）
ＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ≦１）に対しては、
Ｅｇ＝Ｅｇ2［ｔ］＝３．４２（１−ｔ）＋６．２ｔ−１．０５７ｔ（１−ｔ）
ＩｎsＡｌtＧａ1-s-tＮ（０＜ｓ＜１、０＜ｔ＜１）に対しては、
Ｅｇ＝｛ｓＥｇ1［ｓ＋ｔ］＋ｔＥｇ2［ｓ＋ｔ］｝／（ｓ＋ｔ）
これにより、屈折率は
ｐ［λ］＝１／［１／λ−（Ｅｇ−３．４２）／１２３９．８５２］
として、
ｐ［λ］＞３６０．７のとき、
ｎ（ｐ［λ］）＝［４．３６６３８０１＋ｐ2／（ｐ2−２９５．２2）］0.5
ｐ［λ］≦３６０．７のとき、
ｎ（ｐ［λ］）＝ｃ0＋ｃ1ｑ＋ｃ2ｑ2＋ｃ3ｑ3＋ｃ4ｑ4
ｑ＝ｐ［λ］−３６０
ｃ0＝２．７１８
ｃ1＝９．９７６ｅ−３
ｃ2＝３．００５ｅ−４
ｃ3＝４．５８４ｅ−６
ｃ4＝２．５９６ｅ−８
である。
【００３５】
本明細書において、レーザ発振モードの等価屈折率及び垂直方向光強度分布Ｉ（ｘ）は、ストライプ内の垂直構造において、ここに規定されたパラメータを用いて、通常の電界分布計算により計算されるものである。
【００３６】
また、本明細書において、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は、垂直方向の電界分布計算により求めた、レーザ発振モードの垂直方向光強度分布をＩ（ｘ）とし、垂直方向位置座標ｘ軸上において半導体レーザ素子の井戸層が占める領域をｃとして
【００３７】
【数１】
2008124485.tif 000003
【００３８】
によって定義される量とする。
【００３９】
さらに、本明細書において、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖は、レーザ発振モードの水平方向光強度分布をＩ（ｙ）とし、水平方向位置座標ｙ軸上において半導体レーザ素子のストライプ（リッジ上面の幅とリッジ底面の幅との平均値Ｗ）が占める領域を｜ｙ｜≦Ｗ／２として
【００４０】
【数２】
2008124485.tif 000004
【００４１】
によって定義される量とする。
【００４２】
ここで、レーザ発振モードの水平方向光強度分布Ｉ（ｙ）は、ここに規定されたパラメータを用いて、（ストライプ内の垂直構造から計算される等価屈折率＋０．００２）に相当する屈折率を有し、ストライプ幅に相当する層厚を有する層が、（ストライプ外の垂直構造から計算される等価屈折率）に等しい屈折率を有する層で挟まれた３層構造内で、再度スラブ導波路における水平方向電界分布計算を実施することにより計算されるものである。０．００２という数値は、水平方向光強度分布の計算結果が実際の半導体レーザ素子における水平方向強度分布と一致するように加えられる、補正係数である。
【００４３】
本発明の実施の形態において、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有し、レーザ発振波長に対して透明な材料からなるｐ型コンタクト層を、少なくともｐ型クラッド層における活性層から遠い側に形成してもよい。
【００４４】
窒化物半導体を含む半導体レーザ素子においては、正電極と窒化物半導体層との間における接触抵抗を抑制するために、従来からｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層が正電極と接触して形成される。ここで、ｐ型ＧａＮ層が薄い場合には、ｐ型ＧａＮ層がレーザ発振波長に対して透明であるため、ｐ型レーザ発振モードが正電極により吸収損失を受け、閾値電流密度が上昇し、動作電力の増大を招く。また、ｐ型ＧａＮ層が厚い場合には、ｐ型ＧａＮの屈折率がレーザ発振モードの等価屈折率に比べて高いため、レーザ発振モードのｐ型ＧａＮ層への染み出しが生じ、閾値電流密度の上昇または遠視野像におけるリップルの原因となる。これに対して、本発明においては、第２のｐ型クラッド層がレーザ発振モードを活性層に閉じ込める役割を果たすので、上記問題を解決することができる。
【００４５】
本発明の実施の形態において、低屈折率層は、ｐ型クラッド層２６中のどこにあってもよい。例えばｐ型クラッド層２６の活性層１７側主面に接して形成してもよく、またはｐ型クラッド層２６中に挿入された形で形成してもよい。但し、第２のｐ型クラッド層２１と活性層１７との距離は、層厚方向に０．３４μｍ以下とする。これは、レーザ発振モードの垂直方向閉じ込め層としての役割を果たしているのが第２のｐ型クラッド層２１であり、この層と活性層１７との距離が大きすぎると、低屈折率層である第１のｐ型クラッド層２０が垂直方向閉じ込め層として働いて、本発明の効果が得られなくなるためである。
【００４６】
さらに、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層２０）と活性層１７との距離が、層厚方向に０．２４μｍ以下であるのが望ましい。これは、低屈折率層がｐ型クラッド層２６内に挿入されている場合に、低屈折率層と活性層１７との間に存在する光導波層の厚さが０．２４μｍより大きいと、レーザ発振モードに対する低屈折率層からの影響が弱くなり、本発明の効果が小さくなるためである。また、低屈折率層がｐ型クラッド層２６の活性層１７側主面に接して形成されている場合には、光導波層の膜厚が０．２４μｍより大きくなり、レーザ発振モードの活性層閉じ込め係数が小さくなるためである。
【００４７】
さらに、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層２０）と活性層１７との距離が、層厚方向に０．０５μｍ以上であるのが望ましい。低屈折率層が活性層１７に近づきすぎると、ｐ側へのレーザ発振モードが低屈折率層の影響を強く受けることになり、低屈折率層の存在によりｎ側への染み出しが大きくなる。この場合、活性層閉じ込め係数を減少させることなく、Θ⊥を減少させるという本発明の効果が弱くなる。このため、低屈折率層は活性層１７から０．０５μｍ以上隔てて形成するのが望ましい。
【００４８】
さらに、低屈折率層は、層厚が０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。低屈折率層の層厚が０．０２μｍより薄い場合には、レーザ発振モードに対する低屈折率層からの影響が弱くなるためである。また、低屈折率層の層厚が０．１５μｍを超える場合には、低屈折率層によりレーザ発振モードの垂直方向閉じ込めがなされることになり、レーザ発振モードに対する第２のｐ型クラッド層２１から受ける影響が弱くなって、ｐ型クラッド層２６を少なくとも２層以上の構造にすることによる本発明の効果が弱くなるためである。
【００４９】
さらに、低屈折率層は、ｐ型クラッド層２６における活性層１７側主面に接して設けられているのが最も望ましい。これは、低屈折率層がレーザ発振モードに与える影響が最も大きくなるからである。
【００５０】
本発明の実施の形態において、ｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５中や、ｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５における活性層１７に近い側に、レーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する、層厚０．０２μｍ以下の層が配置されていても良いが、これは必須の構成ではない。例えば、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層中に、ＧａＮやＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ等の低温成長により形成されたバッファ層が挿入されることがあるが、これらは層厚が０．０２μｍ以下であり、レーザ発振モードに与える影響は極めて小さい。
【００５１】
本発明の実施の形態において、ｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５のＡｌ混晶比が層厚方向に概略連続的に変化していてもよい。このような半導体レーザ素子は、活性層に近づくにつれて屈折率が減少していく領域が存在すれば、本発明の範囲に含まれ、本発明の効果を得ることができる。この領域の膜厚は、０．０２μｍ以上０．２μｍ以下であるのが望ましく、特に、０．０５μｍ以上０．１μｍ以下であるのが望ましい。
【００５２】
本発明の実施の形態において、ｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５および低屈折率層（第１のｐ型クラッド層２０）は、互いに組成の異なる２種類以上の薄層（層厚０．０２μｍ未満）を繰り返し成長させた超格子層により構成されていてもよい。この超格子層が以下の条件を満たしていれば、本発明の範囲に含まれ、本発明の効果を得ることができる。すなわち、超格子の繰り返し周期１回分の平均屈折率を有する均一組成の層に置き換えて考え、超格子構造を有する低屈折率層の平均屈折率が、活性層１７からより遠い位置にあるｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５の平均屈折率よりも高い領域が存在すれば、本発明の範囲に含まれるものとする。
【００５３】
本発明の実施の形態において、ｐ型クラッド層２６は、活性層１７に対して水平方向光閉じ込めストライプ状リッジ構造が形成されている側に配置されている。しかし、反対側に配置されていても、本発明の効果は得られる。但し、ｐ型クラッド層２６を活性層１７に対して水平方向光閉じ込めストライプ構造が形成されている側に配置した方が、結晶性の良い半導体レーザ素子を形成し易いことから、より望ましい。
【００５４】
本発明の実施の形態において、水平方向光閉じ込めストライプ構造はｎ側に配置されていても本発明の範囲に含まれ、また、低屈折率層がｎ型クラッド層１５内に配置されていてもよい。さらに、低屈折率層がｐ型クラッド層２６およびｎ型クラッド層１５の両方に設けられている構造も本発明の範囲に含まれる。この場合には、本発明の効果がさらに増し、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を抑制しつつ、さらにΘ⊥を減少させる効果を奏する。
【００５５】
本発明の実施の形態において、水平方向光閉じ込めストライプ構造は、リッジ形状ストライプ導波路であり、第１のｐ型クラッド層２０までエッチングすることにより形成されたものであるのが望ましい。この場合、第１のｐ型クラッド層２０は平坦部とストライプ状凸構造部とを有しており、そのストライプ状凸構造部の上側概略全面に、少なくとも第２のｐ型クラッド層２１が形成された構造となる。図１は、水平方向光閉じ込めの最適な状態である、Θ‖＝６度〜１０度を形成するための大まかな位置を表している。
【００５６】
本発明の実施の形態において、ｐ型半導体層２６を低屈折率層（第１のｐ型クラッド層２０）までエッチングすることにより光導波路を構成するストライプ状リッジ構造を形成し、低屈折率層と概略等しい屈折率を有する材料を埋め込む構造も、本発明の範囲に含まれる。この場合、第１のｐ型クラッド層２０における平坦部の上面と、ストライプ状凸構造の側面と、第２のｐ型クラッド層２１の側面とを覆って、ｎ型または高抵抗の埋め込み層が設けられた構造となる。この場合には、エッチング深さのばらつきにより半導体レーザ素子の特性に与える影響がほぼ皆無となり、半導体レーザ素子の製造歩留まり向上という効果を奏する。具体的な埋め込み層材料としては、低屈折率層と同じ組成のＩｎＧａＡｌＮ系半導体が望ましい。なお、Ｉｎを含むと、埋め込み層内にＩｎが均一に広がらず、偏析し易くなるため、さらに望ましくは、埋め込み層及び低屈折率層が共にＡｌＧａＮからなり、両者のＡｌ混晶比差が、０．０４以下であることが好ましい。
【００５７】
本発明の実施の形態において、ｐ型クラッド層２６／ｎ型クラッド層１５の外側に、各々ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層よりも屈折率の高い層が配置されている構造は、本発明の必須条件ではない。例えば、ｐ型コンタクト層／ｎ型コンタクト層やバッファ層等の層が、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層の外側に設けられることがあるが、これらはレーザ発振モードの等価屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなり、層厚が０．０２μｍ以上である。これらの層は、本明細書においてはｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層の一部に含まれず、また、これらの層はｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層の活性層側主面から０．４μｍ以上隔てて形成されているため、レーザ発振モードにほとんど影響を与えず、本発明の効果には影響を与えない。
【００５８】
本発明の光学式情報再生装置は、このように構成された本発明の半導体レーザ素子を搭載したものである。これにより、従来の光学式情報再生装置に比べて、搭載している半導体レーザ素子の楕円率が１に近づいているため、光学式情報再生装置の必要部品である、ビーム形状成形を目的とした三角プリズム等の光学部品を省略できる。よって、光学式情報再生装置の小型化および省電力化を図ることができる。
【００５９】
以下に、具体的な実施形態により本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００６０】
（実施形態１）
本実施形態では、ｐ型クラッド層が２層構造であって、活性層側の層の方が屈折率が低い構成について説明する。図２は、実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【００６１】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（  ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【００６２】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層２０までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【００６３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。初めに、（０００１）Ｃ面を結晶成長用面とするｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）を洗浄し、この基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入してＨ2雰囲気の中で約１１００℃の高温でクリーニングを行う。
【００６４】
次に、降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ2）を１０ｌ／ｍｉｎ流しながらＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、６００℃でＮＨ3とトリメチルガリウムを各々５ｌ／ｍｉｎと２０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、厚み０〜１０μｍ以下（例えば１００ｎｍ）のｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２を成長する。ここでは、ｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層の成膜方法を説明したが、ｎ型ＧａＮに限らず、ＳｉＨ4の導入量を０ｍｏｌ／ｍｉｎとしたＧａＮでもよく、さらに、ＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮを少なくとも含む膜を用いても何ら問題は生じない。Ａｌを含む場合には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成膜時に適量導入し、Ｉｎを含む場合にはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を成膜時に適量導入すればよい。
【００６５】
続いて、Ｎ2とＮＨ3を各々５ｌ／ｍｉｎ流しながら約１０５０℃まで昇温する。温度が上がってからキャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型ＧａＮ層１３を厚み０．１μｍ〜１０μｍ（例えば約４μｍ）成長する。
【００６６】
その後、ＴＭＧおよびＳｉＨ4の供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に代えて、約８００℃まで降温後、ＴＭＧの流量を１５μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ＴＭＩを一定量流しながら、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（例えばｒ＝０．０７）からなるｎ型バッファ層１４を厚み０〜２００ｎｍ（例えば約５０ｎｍ）成長する）。
【００６７】
次に、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＳｉＨ4の供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入して、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流しながら、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（例えばｘ＝０．１）からなるｎ型クラッド層１５を厚み０．４μｍ以上（例えば１μｍ）成長する。
【００６８】
続いて、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６を厚み０〜０．１５μｍ（例えば１００ｎｍ）成長する。なお、ｎ側光導波層１６は、ノンドープ光導波層としてもよい。
【００６９】
その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスを再びＨ2からＮ2に代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるＴＩを一定量と、ＴＧＭを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、ｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（例えばｖ＝０．０２３）障壁層を成長する。その後、ＴＭＩの供給をある一定量まで増加し、ＩｎwＧａ1-wＮ（例えばｗ＝０．０７０）井戸層を成長する。この障壁層と井戸層との交互積層多層構造（障壁層／井戸層／・・・／井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸活性層１７を成長する。ここで、障壁層および井戸層を構成するＩｎＧａＮの混晶比および膜厚は、発光波長が３７０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲になるように設計する。また、成長時に導入するＴＭＩの流量は、その設計値に等しいＩｎ組成の膜が得られるように調節する。井戸層の層数は２〜６が望ましく、特に、３が望ましい。なお、井戸層および障壁層はいずれも、ノンドープでもＳｉ等のドーパントを含むｎ型であってもよい。
【００７０】
次に、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＴＭＡを適量導入し、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流して、厚み０〜４０ｎｍ（例えば１８ｎｍ）のｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（例えばｚ＝０．２）キャリアブロック層１８を成長する。なお、キャリアブロック層は、ノンドープキャリアブロック層であってもよい。このキャリアブロック層は、半導体レーザ素子を駆動するために電流を印加した際に、活性層に注入された電子がｐ型半導体層側にオーバーシュートするのを防ぐ役割を有する。また、キャリアブロック層は、活性層からＩＩＩ族元素が蒸発するのを防止する蒸発防止層としても機能する。
【００７１】
続いて、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９を厚み０．０５μｍ〜０．１５μｍ（例えば０．１μｍ）成長する。なお、ｐ側光導波層１９は、ノンドープ光導波層であってもよい。
【００７２】
その後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを一定量導入して、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（例えばｙ１＝０．２０）からなる第１のｐ型クラッド層２０を厚み０．０２μｍ〜０．１５μｍ（例えば０．１μｍ）成長する。
【００７３】
次に、ＴＭＡの供給量を変化させて一定量導入し、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（例えばｙ２＝０．０５からなる第２のｐ型クラッド層２１を、ｐ型クラッド層の総膜厚が０．４μｍ以上となるように（例えば第２のｐ型クラッド層２１の層厚を１．０μｍ）成長する。
【００７４】
続いて、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡの供給を停止して、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２を厚み０．０１μｍ〜１０μｍ（例えば０．２μｍ）成長して発光素子構造の成長を終了する。成長終了後、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【００７５】
その後、フォトリソグラフィー技術および反応性イオンエッチング技術を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２を１μｍ〜４μｍ（例えば２μｍ）幅のストライプ状に残して、第１のｐ型クラッド層２０までエッチングを行い、光導波路を構成するためのストライプ状リッジ構造を形成する。このとき、エッチングされた領域における第１のｐ型クラッド層２０の残し膜厚は、水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖＝６度〜１０度の範囲内（例えば８度）となるように調節する。
【００７６】
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２が電極２４と接触する部分を除いて絶縁膜２３を形成する。
【００７７】
その後、ｐ型コンタクト層２２上および絶縁膜２３の概略全面に正電極２４を形成する。正電極材料としては、例えばＡｕ／ＮｉまたはＡｕ／Ｐｄを用いることができる。また、ｎ型基板１１裏面の概略全面に負電極２５を形成する。負電極材料としては、例えばＡｌ／ＴｉまたはＡｕ／Ｗを用いることができる。
【００７８】
次に、ウェハーをへき開して共振器ミラーとなる端面を作製し、図２に示す窒化物半導体レーザ素子が完成する。本実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層を２層とし、互いにＡｌ混晶比が異なるものを設ける以外は、定法の半導体レーザ素子の製造方法と同様に作製することができる。
【００７９】
図３〜図５は、測定結果を縦軸にとって、様々な構造パラメータを従来の半導体レーザ素子構造から変化させた場合の変化を示すものである。
【００８０】
図３において、点３０は、図１７に示す従来構造の半導体レーザ素子における垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥と、垂直方向ＦＦＰの半値全角Θ⊥を示している。また、曲線３１は、従来構造の半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を０．０２から０．３まで変化させた場合について、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す曲線であり、図中、左下から右上方向に変化している。図１７に示す従来構造の半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は０．０５である。曲線３１から、ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を減少させてΘ⊥を減少させると、Γ⊥も同時に減少してしまうことが分かる。これは、閾値電流密度の上昇、すなわち動作電力Ｗｏｐの上昇を招くことになる。
【００８１】
これに対して、曲線３２は、本実施形態の半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層（第１のｐ型クラッド層（低屈折率層））のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させた場合について、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す曲線であり、図中、上から下方向に変化している。曲線３２から、ｐ型クラッド層中にＡｌ混晶比の高い層、すなわち低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）を挿入したことにより、Γ⊥を減少させることなく、Θ⊥を減少させることができることを、読み取ることができる。従って、本実施形態では、閾値電流密度および動作電力を上昇させることなく、楕円率を改善させることができる。
【００８２】
図４は、本実施形態の半導体レーザ素子において、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させた場合について、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す図であり、図中、上から下方向に変化している。この図４において、点３０は図３と同様に従来構造の半導体レーザ素子におけるΓ⊥とΘ⊥を示している。また、曲線４１、４２、４３、４４は低屈折率層の層厚を各々０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．１５μｍとしたときの曲線を示している。
【００８３】
低屈折率層の層厚が０．１５μｍより大きくなると、すなわち、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離が０．３４μｍ以上となると、レーザ発振モードが第２のｐ型クラッド層に対してインセンシティブとなるため、本発明の効果が無くなる。よって、第２のｐ型クラッド層と活性層の距離は、０．３４μｍ以下とするのが望ましい。なお、この第２のｐ型クラッド層と活性層との距離０．３４μｍは、低屈折率層の厚さ（≦０．１５μｍ）＋ｐ型光導波層の厚さ（≦０．１５μｍ）＋ｐ型キャリアブロック層の厚さ（≦０．０４μｍ）により求めたものである。
【００８４】
また、低屈折率層の層厚が０．０２μｍ未満の場合には、レーザ発振モードに与える影響が小さいため、低屈折率層のＡｌ混晶比を増加させても、Γ⊥とΘ⊥に与える影響が小さくなるため、本発明の効果が小さくなる。従って、低屈折率層の層厚は０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下が望ましく、特に、０．０５μｍ以上０．１μｍ以下が望ましい。
【００８５】
図５は、本実施形態の半導体レーザ素子において、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させた場合について、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す図であり、図中、上から下方向に変化している。この図５において、点３０は図３および図４と同様に従来構造の半導体レーザ素子におけるΓ⊥とΘ⊥を示している。また、曲線５１〜５５は、本実施形態において、活性層と低屈折率層を、各々０．０５μｍ、０．０８μｍ、０．１０μｍ、０．１５μｍ、０．２０μｍの距離を隔てて形成したときの曲線を示している。ここで、活性層と低屈折率層の距離の変更は、図１に示す半導体レーザ素子の構造において、ｐ型光導波層の膜厚を変化させることにより行っている。
【００８６】
なお、図５においては、活性層と低屈折率層との距離に、ｐ型キャリアブロック層の層厚を含めていないが、このｐ型キャリアブロック層の層厚は０．０４μｍ以下であれば、図５の結果が大きく変化することはなかった。
【００８７】
活性層と低屈折率層の距離が０．０５μｍ未満になると、低屈折率層のＡｌ混晶比が増加するのに対してΓ⊥の減少が顕著になっている。これは、低屈折率層が活性層に近づきすぎると、レーザ発振モードが低屈折率層の影響を強く受けるようになり、低屈折率層の存在によりレーザ発振モードのｎ側への染み出しが大きくなるからである。このため、Γ⊥を減少させることなくΘ⊥を減少させるという本発明の効果が弱くなる。従って、低屈折率層は活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成するのが望ましい。
【００８８】
一方、活性層と低屈折率層の距離が０．２０μｍより大きくなると、低屈折率層のＡｌ混晶比が増加するのに対してΘ⊥がほとんど変化しない。これは、活性層と低屈折率層の距離が大きくなると、レーザ発振モードが受ける低屈折率層の影響が小さくなるからである。このため、Γ⊥を減少させることなくΘ⊥を減少させるという本発明の効果が弱くなる。従って、低屈折率層は、ｐ型キャリアブロック層の層暑も考慮すると、活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成するのが望ましい。
【００８９】
図１９は、ｐ型クラッド層の必要最少膜厚を示す図であり、横軸に第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を、縦軸に必要なｐ型クラッド層の必要最少膜厚を表している。曲線１９０よりも下の領域は、正電極によりレーザ発振光が受ける吸収が１０ｃｍ-1以上となる条件を表しており、半導体レーザ素子として機能するためには曲線１９０よりも上の領域に含まれるように設計する必要がある。第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は通常０．０５以上で設計されるため、少なくとも厚さ０．４μｍ以上であればよいことが分かる。また、曲線１９１よりも下の領域では、正電極によりレーザ発振光の広がりが抑制され、ｐ型クラッド層の厚さが無限大のときに比べてΘ⊥が増大してしまう領域である。従って、本発明による効果を十分に発揮するためには、曲線１９１よりも上の領域に含まれるように設計することが望ましい。本実施の形態においては、第２のｐ型クラッド層がＡｌ混晶比０．０５において厚さ１μｍに設けられているので、望ましい状態になっている。
【００９０】
図１９より、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が０．０３未満と小さな値になると、第２のｐ型クラッド層の必要膜厚が急激に増大する。このため、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は、少なくとも０．０３以上は必要である。
【００９１】
また、図２４は、本実施形態の半導体レーザ素子において、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）のＡｌ混晶比を、第２のｐ型クラッド層と等しい値から０．３０まで変化させた場合に、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示しており、図中、概略縦軸に沿った変位が示されている。曲線２４１〜２４５は、本実施形態において、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を、それぞれ、０．０３、０．０５、０．１０、０．１５としたときの変位を示している。
【００９２】
図より、第２のｐ型クラッド層が０．１０より大きくなると、Γ⊥とΘ⊥とで表される座標上において、Γ⊥の減少に伴ってΘ⊥も減少する変化が見られるようになり、従来の半導体レーザにおける曲線３１（図３参照）と類似の挙動を示すことになり、本発明の効果が得られないことが判る。このため、本発明の効果を得るためには、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は、多い場合でも、０．１０以下とする必要がある。
【００９３】
以上説明した図３〜図５および図１９、図２４は、レーザ発振波長や本発明の必須構成要素ではない構造パラメータが変化しても、特性は大きく変らなかった。
【００９４】
なお、本発明の半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層のＡｌ混晶比は、光導波路構造の対称性を鑑みて、第１のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比と、第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比の間の値を取るのが望ましい。本実施の形態においては、第１のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比が０．２０、第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比が０．０５に対して、ｎ型クラッド層のＡｌ混晶比は０．１０となっており、望ましい値になっている。
【００９５】
本実施形態の半導体レーザ素子では、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層は共にｐ型クラッド層の一部であり、共にレーザ発振モードの等価屈折率よりも低い屈折率を有している。
【００９６】
以上のように構成された本実施形態のレーザは、閾値電流密度が１．２ｋＡ／ｃｍ2でレーザ発振を生じ、ＦＦＰの半値全角は垂直方向でΘ⊥＝１３．５度、水平方向でΘ‖＝８．２度であり、楕円率Θ⊥／Θ‖＝１．６であった。これは、従来構造の半導体レーザ素子に比べて大きく改善しているものであり、本発明による効果が得られていることが分かる。
【００９７】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【００９８】
（実施形態２）
本実施形態では、サファイア基板を用いた構成について説明する。図７は、実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【００９９】
この半導体レーザ素子は、サファイア（０００１）面からなる基板７０（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７１（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１００】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層２０までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、ストライプを含む幅数十μｍ〜数百μｍのストライプ状メサを形成するべく、ｎ型コンタクト層７１が露出するまでエッチングされている。メサ上において、導波路部分のストライプを除く概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、メサ上の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型コンタクト層７１が露出した領域上の概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１０１】
本実施形態の半導体レーザ素子は、サファイア基板を用いていること、メサが形成されていることおよび負電極が正電極と同じ側の面に形成されていることを除けば、実施形態１と同様の構造である。
【０１０２】
本実施形態の半導体レーザ素子は、基板をサファイアにすること、および光導波路を構成するためのストライプ状リッジ構造を形成後、定法のフォトリソグラフィー技術および反応性イオンエッチング技術によりメサを形成する工程を行う以外は、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様に作製することができる。
【０１０３】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子と同様であった。
【０１０４】
（実施形態３）
本実施形態では、低屈折率層をｐ型クラッド層内に挿入して、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てて形成した構成について説明する。図８は、実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１０５】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy3Ｇａ1-y3Ｎ（０＜ｙ３＜ｙ１）からなる第３のｐ型クラッド層８１（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ３＜ｙ１）からなる第１のｐ型クラッド層８２（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（ｙ２〜ｙ３＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層８３（膜厚（０．４μｍ−第３のｐ型クラッド層の層厚−第１のｐ型クラッド層の層厚））およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１０６】
窒化物半導体層のｐ側から、第３のｐ型クラッド層８１までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１０７】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、ｐ型クラッド層が互いに異なる３層からなっているため、その工程を追加する以外は実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様に行うことができる。
【０１０８】
本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層が３層からなっており、第３のｐ型クラッド層８１と第２のｐ型クラッド層８３のＡｌ混晶比が概略同じで、これらの層に比べて第１のｐ型クラッド層８２のＡｌ混晶比が大きくなっている。これにより、低屈折率層がｐ型クラッド層中に含まれ、かつ、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成された構成となっている。
【０１０９】
図６は、本実施形態の半導体レーザ素子において、低屈折率層（第１のｐ型クラッド層）のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させた場合について、Γ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す図であり、図中、上から下方向に変化している。この図６において、点３０は図３〜図５と同様に従来構造の半導体レーザ素子におけるΓ⊥とΘ⊥を示している。また、曲線６１、６２、６３は、ｐ型クラッド層の活性層側主面と低屈折率層を、各々０、０．０２μｍ、０．０５μｍの距離を隔ててｐ型クラッド層内に形成したときの曲線を示している。すなわち、ここではｐ型クラッド層中に低屈折率層が挿入された場合を示しており、ｐ型クラッド層の活性層側主面と活性層の距離は０．１μｍに固定している。なお、図６の関係は、ｐ型クラッド層の活性層側主面と活性層の距離を０．０５μｍ〜０．１９μｍの範囲で変化させても殆ど変わらなかった。
【０１１０】
低屈折率層がｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てられた距離が大きくなるほど、低屈折率層の影響が小さくなり、特に、０．０５μｍより大きくなると、すなわち低屈折率層と活性層との距離が０．２４μｍより大きくなると、低屈折率層がｐ型クラッド層中に挿入されてもΘ⊥はほとんど減少しない。このため、楕円率改善という本発明の効果が弱くなる。従って、低屈折率層はｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて形成されていること、すなわち低屈折率層と活性層との距離が０．２４μｍ以下であることが望ましく、さらには低屈折率層がｐ型クラッド層の活性層側主面に接して形成されていることが望ましい。なお、この低屈折率層と活性層との距離０．２４μｍは、ｐ型クラッド層の厚さ（ｐ型クラッド層の活性層側主面と低屈折率層との距離）（≦０．０５μｍ）＋ｐ型光導波層の厚さ（≦０．１５μｍ）＋ｐ型キャリアブロック層の厚さ（≦０．０４μｍ）により求めたものである。
【０１１１】
本実施形態において、低屈折率層の位置は、ｐ型クラッド層内に設けられていればどの位置にあってもよいが、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、低屈折率層は、ｐ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に配置するのが望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層を、ｐ型クラッド層内に挿入し、かつ、ｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに、望ましくは、低屈折率層は活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１１２】
本実施形態の半導体レーザ素子では、第１のｐ型クラッド層〜第３のｐ型クラッド層は共にｐ型クラッド層の一部であり、共にレーザ発振モードの等価屈折率より低い屈折率を有している。
【０１１３】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子と同様であった。
【０１１４】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１１５】
（実施形態４）
本実施形態では、ｐ型クラッド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む、０．０２μｍ以下の層を挿入した構成について説明する。図９は、実施形態４の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１１６】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型ＧａＮ層９１（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１１７】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１１８】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、ｐ側光導波層の成長中に、第１のｐ型クラッド層を挿入する工程を追加する以外は実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様に行うことができる。
【０１１９】
本実施形態の半導体レーザ素子では、低屈折率層がｐ側光導波層内に挿入された構造になっている。しかし、本明細書におけるｐ型クラッド層の定義から、第１のｐ型クラッド層〜ｐ型ＧａＮ層〜第２のｐ型クラッド層の連続した３層が、ｐ型クラッド層となる。ｐ型ＧａＮ層は膜厚０．０２μｍ以下であるため、レーザ発振モードの垂直方向電界分布に与える影響は小さく、本発明の効果は失われない。
【０１２０】
本実施形態において、低屈折率層の位置は、ｐ側光導波層内に設けられていればどの位置にあってもよいが、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、本実施形態に限っては、低屈折率層を活性層から距離をより大きく隔てて形成するほど望ましい。これは、上述した図５から、低屈折率層と活性層の距離が短くなる本実施形態では、低屈折率層を挿入することによりΓ⊥が減少するからである。さらに望ましくは、活性層から０．０５μｍ以上０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１２１】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子と同様であった。
【０１２２】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１２３】
（実施形態５）
本実施形態では、ｎ型クラッド層にＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む、０．０２μｍ以下の層を挿入した構成について説明する。図１０は、実施形態５の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１２４】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．０５≦ｘ１≦０．２）からなるｎ型クラッド層１０１、ｎ型ＩｎsＧａ1-sＮ（０≦ｓ≦１）からなるｎ型バッファ層１０２（膜厚０〜０．０２μｍ）、ｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０．０５≦ｘ２≦０．２）からなるｎ型クラッド層１０３（第１のｎ型クラッド層、ｎ型バッファ層および第２のクラッド層の総膜厚が０．８μｍ以上、第１のｎ型クラッド層１０１の膜厚が０．４μｍ以上、第２のｎ型クラッド層の膜厚が０．４以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１２５】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１２６】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ側クラッド層の成長中に、一旦ＴＭＧおよびＴＭＡの供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に代えて、約８００℃まで降温後、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＩを一定量流しながらＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流して、ｎ型ＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ≦１）からなるｎ型バッファ層を厚み０〜０．０２μｍに成長する工程を追加する以外は実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様に行うことができる。
【０１２７】
本実施形態の半導体レーザ素子では、実施形態１の半導体レーザ素子の構造に加えて、ｎ型ＡｌsＧａ1-sＮ（０≦ｓ≦１）からなる膜厚０〜０．０２μｍのｎ型バッファ層がｎ型クラッド層内に挿入された構造になっている。一般に、ＡｌＮとＧａＮは格子定数差が大きいため、これらの混晶であるＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を、ｎ型ＧａＮ層上に０．８μｍ以上と厚く形成すると、表面に多数のクラックを生じるという問題がある。しかし、本実施形態では、ｎ型バッファ層を介してｎ型クラッド層を多段成長することにより、ｎ型クラッド層の総膜厚を大きくすることができる。また、挿入されるｎ型バッファ層は、膜厚が０．０２μｍ以下と小さいため、レーザ発振モードの垂直方向電界分布に与える影響は小さく、本発明の効果は失われない。
【０１２８】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子に比べて、わずかに閾値電流密度が減少し、１．１ｋＡ／ｃｍ2でレーザ発振を生じ、垂直方向ＦＦＰでわずかに生じていたリップルが皆無であった。これは、ｎ型クラッド層中にｎ型バッファ層を挿入し、ｎ型ＡｌＧａＮ層を多段成長したことにより、ｎ型クラッド層の総膜厚を０．８μｍ以上と厚く形成することができたため、レーザ発振モードの垂直方向光閉じ込め効果が向上したことによる。
【０１２９】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１３０】
さらに、本実施形態において、低屈折率層は、ｐ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｐ型クラッド層内に挿入され、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てられた位置に形成してもよい。但し、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、低屈折率層は、ｐ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に配置するのが望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層を、ｐ型クラッド層内に挿入し、かつ、ｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに、望ましくは、低屈折率層は活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。さらに、ｐ型クラッド層内に、０．０２μｍ以下の層厚で等価屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなる層が形成されていてもよい。
【０１３１】
（実施形態６）
本実施形態では、ｐ型クラッド層をグレーデッド層とした構成について説明する。図１１（ａ）は、実施形態６の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１３２】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（  ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１）からなり、層厚増加方向に従ってＡｌ混晶比が概略連続的に減少している第１のｐ型クラッド層１１１（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなり、層厚増加方向に従ってＡｌ混晶比が概略連続的に増加している第２のｐ型クラッド層１１２（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１３３】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１３４】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、第１のｐ型クラッド層成長時に概略連続的にＡｌ混晶比を層厚増加方向に対して減少させていく工程と、第２のｐ型クラッド層成長時に概略連続的にＡｌ混晶比を層厚増加方向に対して増加させていく工程を追加する以外は実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同様に行うことができる。
【０１３５】
本実施形態の半導体レーザ素子では、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層において、Ａｌ混晶比が概略的に変化している。図１１（ｂ）は本実施形態のレーザにおける第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層近傍における屈折率分布を表したものである。縦軸は垂直方向位置を表し、上方向が層厚増加方向を表している。また、横軸は屈折率を表し、右方向が屈折率が高くなる方向を表している。この図において、１９はｐ側光導波層内の位置、１１１は第１のｐ型クラッド層内の位置、１１２は第２のｐ型クラッド層内の位置、２２はｐ型コンタクト層内の位置を表している。
【０１３６】
この図１１（ｂ）から分かるように、本実施形態の半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層１１１、１１２中に、活性層に近づくにつれて屈折率が減少していく領域が存在している。ｐ型クラッド層中にこのような構造を有している半導体レーザ素子は、本発明の範囲に含まれ、本発明による効果が発生する。本実施形態においては、ｐ型クラッド層中で活性層に近づくにつれて屈折率が減少している領域を第１のｐ型クラッド層（低屈折率層）と考えることにより、図３〜図６と同様の傾向となる。
【０１３７】
本実施形態において、活性層に近づくにつれて屈折率が減少していく領域（低屈折率層）は、ｐ型クラッド層内に設けられていればどの位置にあってもよい。但し、第２のｐ型クラッド層（本実施形態では、活性層から見て、上記領域よりも遠い側の主面に接している層）と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、活性層に近づくにつれて屈折率が減少していく領域（低屈折率層）を、ｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成し、さらに、望ましくは活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、同領域（低屈折率層）の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１３８】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子と同様であった。
【０１３９】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１４０】
また、本実施形態において、低屈折率層をｐ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｐ型クラッド層内に挿入され、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成してもよい。また、ｐ型クラッド層内に０．０２μｍ以下の層厚で等価屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなる層が形成されていてもよい。さらに、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む層が形成されていてもよい。
【０１４１】
（実施形態７）
本実施形態では、クラッド層を超格子層とした構成について説明する。図１２（ａ）は、実施形態７の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１４２】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、図１２（ｃ）に示すようにｎ型ＧａＮ層１２１（膜厚０〜２００オングストローム）とノンドープＡｌpＧａ1-pＮ（０．０５≦ｐ≦０．２）層１２２（膜厚０〜２００オングストローム）とを交互に積層した超格子構造からなるｎ型超格子クラッド層１２３（膜厚０．８μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、図１２（ｂ）に示すようにｐ型ＧａＮ層１２４（膜厚０〜２００オングストローム）とノンドープＡｌＧａＮ層１２５（膜厚０〜２００オングストローム）とを交互に積層した超格子構造からなる第１のｐ型超格子クラッド層１２６（平均混晶比ｑ：ｒ＜ｑ、膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型ＧａＮ層１２７（膜厚０〜２００オングストローム）とノンドープＡｌＧａＮ層１２８（膜厚０〜２００オングストローム）とを交互に積層した超格子構造からなる第２のｐ型超格子クラッド層１２９（平均混晶比ｒ：０＜ｒ＜ｑ、膜厚（０．８μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１４３】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１４４】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法において、ｎ型クラッド層、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層を製造する工程を、ｎ型超格子クラッド層、第１のｐ型超格子クラッド層および第２のｐ型超格子クラッド層を製造する工程に置き換えればよい。超格子クラッド層を構成する各層の成長方法は定法であるので、ここでは説明を省略する。
【０１４５】
本実施形態の半導体レーザ素子では、ｎ型クラッド層、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層が超格子構造となっている。これにより、実施形態１の半導体レーザ素子により得られる効果に加えて、さらにクラッド層の層抵抗を減少させ、素子の駆動電圧を低減させることができる。さらに、超格子構造としたことにより、クラッド層を厚膜化することにより発生する結晶欠陥を低減することができる。
【０１４６】
本実施形態の半導体レーザ素子においては、ｎ型超格子クラッド層、第１のｐ型超格子クラッド層および第２のｐ型超格子クラッド層の屈折率は、各々各層を構成している、互いに組成の異なる２層以上の屈折率を平均して求めた平均屈折率を用いる。このように各超格子クラッド層の平均屈折率を採用した場合、図３〜図６と同様に適用することができる。
【０１４７】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子を駆動させたところ、１．１ｋＡ／ｃｍ2でレーザ発振を生じ、実施形態１の半導体レーザ素子では垂直方向ＦＦＰでわずかに生じていたリップルが皆無であった。これは、各超格子クラッド層を設けたことにより、各クラッド層の総膜厚を０．８μｍ以上と厚く形成することにより発生する結晶欠陥が減少したことによる。また、本実施形態のレーザの駆動電力は僅かに減少し、実施形態１半導体レーザ素子では１０ｍＷ出力時の駆動電力が０．３Ｗであったのに対して、本実施形態の半導体レーザ素子では０．２Ｗであった。これは、半導体レーザ素子の閾値電流が低下したことと、駆動電圧が低減できたことによる。
【０１４８】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１４９】
本実施形態において、低屈折率層はｐ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｐ型クラッド層内に挿入され、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成してもよい。また、ｐ型クラッド層内に０．０２μｍ以下の層厚で、等価屈折率より高い屈折率を有する材料からなる層が設けられていてもよい。但し、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とするのが望ましい。さらに、低屈折率層はｐ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に形成されているほど望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層をｐ型クラッド層内に挿入し、ｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに望ましくは、低屈折率層を活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１５０】
さらに、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む層が形成されていてもよい。
【０１５１】
また、本実施形態において、各クラッド層を全て超格子構造としたが、このうちの一部は単一組成の層としてもよい。また、各クラッド層の超格子を構成している、互いに組成の異なる２層を、ｎ型（またはｐ型）ＧａＮ層とノンドープＡｌＧａＮ層としたが、他の組み合わせでもよい。その際の各クラッド層の屈折率は、超格子構造を構成している構成材料の屈折率の平均値を考えればよく、その値が所望の値となるように、構成材料のＡｌ組成を調節すればよい。
【０１５２】
また、本実施形態において、各クラッド層を構成する超格子構造は、組成の異なる２種以上の交互積層構造からなる超格子構造としたが、組成が層厚増加方向に概略連続的に変化するように構成された超格子構造を用いてもよい。この場合には、隣り合う互いに組成の異なる半導体層の平均屈折率を、その位置における屈折率とすることにより、本実施形態と同様に考えることができる。
【０１５３】
（実施形態８）
本実施形態では、ｎ型半導体層側にストライプ状リッジ構造を有し、ｎ型クラッド層が２層構造であって、活性層側の層の方が屈折率が低い構成について説明する。図１３は、実施形態８の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１５４】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（ｘ２＜ｘ１）からなる第２のｎ型クラッド層１３１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．０５≦ｘ２＜ｘ１）からなる第１のｎ型クラッド層１３２（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０〜０．１５μｍ）、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（０．０５＜ｙ＜０．２）からなるｐ型クラッド層１３３（膜厚０．４μｍ以上）、およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１５５】
窒化物半導体層のｎ側には、ｎ型ＧａＮ層１３上部にストライプ形状の窪みがエッチングにより形成され、第２のｎ型クラッド層１３１がその窪み内に、ｎ型バッファ層１４を介して成長され、その上に概略全面に残りの半導体層が積層されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２上の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１５６】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。基板１１上に低温成長バッファ層１２およびｎ型ＧａＮ層１３を成長する過程は、実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【０１５７】
低温成長バッファ層１２およびｎ型ＧａＮ層１３の成長後、各材料ガスの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置からウェハーを取り出す。次に、定法のフォトリソグラフィー技術およびウェットエッチング技術を用いて、ストライプ形状を除くｎ型ＧａＮ層１３上の概略全面にマスクを形成する。マスク材料としては、例えばＳｉＯ2等を用いるのが望ましい。さらに、ドライエッチング技術を用いてマスクを除く部分にストライプ形状の窪みを形成する。
【０１５８】
次に、再度ウェハーをＭＯＣＶＤ装置内に導入し、実施形態１と同様の過程を経て、ｎ型バッファ層１４および第２のｎ型クラッド層１３１を積層する。
【０１５９】
次に、再度ウェハーをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ウェットエッチング技術によりマスクを除去する。そして、再度ウェハーをＭＯＣＶＤ装置内に導入し、第１のｎ型クラッド層１３２およびその他の半導体層を実施形態１と同様に積層する。
【０１６０】
その後、ｐ型コンタクト層２２上の概略全面に正電極２４を形成する。正電極材料としては、例えばＡｕ／ＮｉまたはＡｕ／Ｐｄを用いることができる。また、ｎ型基板１１裏面の概略全面に負電極２５を形成する。負電極材料としては、例えばＡｌ／ＴｉまたはＡｕ／Ｗを用いることができる。
【０１６１】
次に、ウェハーをへき開して共振器ミラーとなる端面を作製し、図１３に示す窒化物半導体レーザ素子が完成する。
【０１６２】
本実施形態の半導体レーザ素子では、水平方向光閉じ込めストライプ構造が、ｎ型半導体側に形成され、さらに、低屈折率層（第１のｎ型クラッド層１３２）がｎ型クラッド層内に形成されている。この構造では、正電極と半導体層との接触面積が増大し、正電極の接触抵抗を大幅に減少して、半導体レーザ素子の駆動電圧を減少させることができる。
【０１６３】
以上のように構成された本実施形態のレーザにおいても、本発明の効果は得られ、その特性は図３〜図６に示したものと同様であった。本実施形態の半導体レーザ素子は、閾値電流密度が１．２ｋＡ／ｃｍ2でレーザ発振を生じ、出力１０ｍＷ時の動作電力は０．２Ｗであった。
【０１６４】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１６５】
本実施形態において、低屈折率層はｎ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｎ型クラッド層内に挿入され、ｎ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成してもよい。また、ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下の層厚で、等価屈折率より高い屈折率を有する材料からなる層が設けられていてもよい。但し、第２のｎ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、低屈折率層はｎ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に形成されているほど望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層をｎ型クラッド層内に挿入し、ｎ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに望ましくは、低屈折率層を活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１６６】
さらに、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む層が形成されていてもよい。
【０１６７】
また、本実施形態において、各クラッド層を単結晶材料で構成したが、一部または全部が超格子構造であってもよく、またはＡｌ組成が層厚増加方向に概略連続的に変化する構造であってもよい。
【０１６８】
（実施形態９）
本実施形態では、ｐ型半導体層側およびｎ型半導体層側の両方に、２層構造であって、活性層側の層の方が屈折率が低いクラッド層を設けた構成について説明する。図１４は、実施形態９の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１６９】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．０２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（ｘ２＜ｘ１）からなる第２のｎ型クラッド層１３１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）以上）、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０．０５≦ｘ２＜ｘ１）からなる第１のｎ型クラッド層１３２（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．０３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１７０】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に絶縁膜２３が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、絶縁膜２３の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１７１】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法において、ｎ型クラッド層を作製する際に、互いに組成の異なる第２のｎ型クラッド層と第１のｎ型クラッド層を定法に従って作製する以外は、実施形態１の半導体レーザ素子の製造方法と同じである。
【０１７２】
本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の両方に、低屈折率層が設けられた構造となっている。これにより、本発明の効果がさらに大きくなり、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を抑制しつつ、さらにΘ⊥を減少させる効果を奏する。
【０１７３】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子においては、閾値電流密度１．２ｋＡ／ｃｍ2でレーザ発振を生じ、垂直方向ＦＦＰ半値全角は１１度で楕円率１．４とほぼ円形に近いＦＦＰが得られた。
【０１７４】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０１７５】
本実施形態において、低屈折率層はｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層内に挿入され、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成してもよい。また、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下の層厚で、等価屈折率より高い屈折率を有する材料からなる層が設けられていてもよい。但し、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離、および第２のｎ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、低屈折率層はｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に形成されているほど望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層をｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層内に挿入し、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに望ましくは、低屈折率層を活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０１７６】
さらに、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む層が形成されていてもよい。
【０１７７】
また、本実施形態において、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層を単結晶材料で構成したが、一部または全部が超格子構造であってもよく、またはＡｌ組成が層厚増加方向に概略連続的に変化する構造であってもよい。
【０１７８】
（実施形態１０）
本実施形態では、リッジの側壁を第１のｐ型クラッド層と近い屈折率を有する材料で埋め込んだ構成について説明する。図１５は、実施形態１０の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。この図は、窒化物半導体レーザ素子の導波路部分における共振器に垂直な断面を示している。
【０１７９】
この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮからなる基板１１（膜厚３０μｍ〜３００μｍ）、ＧａＮからなる低温成長バッファ層１２（膜厚０〜１０μｍ）、ｎ型ＧａＮ層１３（膜厚０．１μｍ〜１０μｍ）、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮ（０≦ｒ≦０．２）からなるｎ型バッファ層１４（膜厚０〜２００ｎｍ）、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）からなるｎ型クラッド層１５（膜厚０．４μｍ以上）、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光導波層１６（膜厚０〜０．１５μｍ）、ＩｎwＧａ1-wＮ（ｖ＜ｗ≦０．２）井戸層とｎ型ＩｎvＧａ1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造からなる活性層１７（発振波長３７０ｎｍ〜４３０ｎｍ、総膜厚５ｎｍ〜６０ｎｍ）、ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦０．３）からなるｐ型キャリアブロック層１８（膜厚０〜０．０４μｍ、好ましくは０〜０．０２μｍ）、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光導波層１９（膜厚０．０５μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（ｙ２＜ｙ１＜０．２）からなる第１のｐ型クラッド層２０（膜厚０．０２μｍ〜０．１５μｍ）、ｐ型Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０＜ｙ２＜ｙ１）からなる第２のｐ型クラッド層２１（膜厚（０．４μｍ−第１のｐ型クラッド層の層厚）およびｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２２（膜厚０．０１μｍ〜１０μｍ）の各窒化物半導体層が形成されている。
【０１８０】
窒化物半導体層のｐ側から、第１のｐ型クラッド層までエッチングを施すことによりリッジ構造が形成されており、半導体レーザ素子の導波路部分のストライプを構成している。さらに、エッチングされた領域の概略全面に、ｎ型Ａｌy3Ｇａ1-y3Ｎ（０．０５≦ｙ３≦０．２）からなる埋め込み層１５１が形成されている。正電極２４はｐ型コンタクト層２２の一部露出した面上の全面を含む、埋め込み層１５１の概略全面に形成されている。一方、負電極２５は、ｎ型基板１１の２主面のうち、窒化物半導体層が形成されている側と対向する面側に、概略全面に形成されている。ストライプの両端面はミラーとして作用し、光共振器を構成している。
【０１８１】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。基板１１上にｐ型コンタクト層２２を形成する工程までは、実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【０１８２】
ｐ型コンタクト層２２の成長後、フォトリソグラフィー技術およびウェットエッチング技術を用いて、光導波路を構成するためのストライプ形状のマスクをｐ型コンタクト層２２上に形成する。
【０１８３】
次に、反応性イオンエッチング技術を用いて、ｐ型コンタクト層２２を１μｍ〜４μｍ（例えば２μｍ）幅のストライプ状に残して第１のｐ型クラッド層２０までエッチングを行い、光導波路を構成するためのストライプを形成する。
【０１８４】
次に、マスクを除去せずに、再度ウェハーをＭＯＣＶＤ装置内に導入する。そして、約７５０℃まで昇温し、キャリアガスＨ2を流しながら、ＴＭＧ供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調節してＴＭＡを一定量導入し、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流しながら、ｎ型ＡｌＧａＮ（例えばＡｌ混晶比は第１のｐ型クラッド層と同じ）からなる埋め込み層１５１を、エッチングされた領域の全面に形成する。次に、供給ガスを全て停止後、降温して、室温にてウェハーをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【０１８５】
続いて、ウェットエッチング技術によりマスクを除去し、ｐ型コンタクト層２２上の概略全面と埋め込み層１５１上の概略全面に正電極２４を形成する。正電極材料としては、例えばＡｕ／ＮｉまたはＡｕ／Ｐｄを用いることができる。また、ｎ型基板１１裏面の概略全面に負電極２５を形成する。負電極材料としては、例えばＡｌ／ＴｉまたはＡｕ／Ｗを用いることができる。
【０１８６】
次に、ウェハーをへき開して共振器ミラーとなる端面を作製し、図１４に示す窒化物半導体レーザ素子が完成する。
【０１８７】
本実施形態の半導体レーザ素子では、埋め込み材料として、第１のｐ型クラッド層と概略同じ屈折率を有する材料を用いている。従来の半導体レーザ素子および実施形態１の半導体レーザ素子において、光導波路を構成するストライプを形成する際に、反応性イオンエッチングの深さを十分な精度で制御することは困難であり、±０．０５μｍ程度の作製誤差が生じる。その結果、作製された半導体レーザ素子は、水平方向ＦＦＰの半値全角に±２度程度のばらつきを生じるため、半導体レーザ素子の歩留まり低下という問題がある。
【０１８８】
これに対して、本実施形態の半導体レーザ素子では、第１のｐ型クラッド層まで反応性イオンエッチングによりエッチングを行い、第１のｐ型クラッド層と概略同じ屈折率を有する材料で埋め込み層を構成することにより、エッチング深さの作製誤差が半導体レーザ素子の特性に与える影響を無くすことができる。
【０１８９】
本実施形態の半導体レーザ素子では、エッチング底面を、第１のｐ型クラッド層内に留める必要があるが、第１のｐ型クラッド層の厚さを０．１μｍ以上に設定することによって、エッチング底面の位置に対して、深さ方向に±０．０５μｍの範囲内で作製誤差を許容することができる。さらに、エッチング技術の向上にって、エッチング底面の作製誤差を低減することが可能であれば、必要とされる第１のｐ型クラッド層の厚さをさらに小さく設定することができる。但し、Γ⊥およびΘ⊥に与える影響を十分なものにするためには、第１のｐ型クラッド層の層厚の好ましい厚さは、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下が望ましい。
【０１９０】
以下に、本実施形態の半導体レーザ素子における、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比の設計例について、図２０〜図２３を用いて説明する。
【０１９１】
図２０は、本実施形態の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０２μｍのときに、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比を、それぞれ縦軸と横軸にとって示したものであり、⊥方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットしたものである。
【０１９２】
ここでは、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を除く他の構造パラメータは、実施形態１において最も好ましい値に設定されているものとして、図２０の関係を算出している。
【０１９３】
図２０において、曲線２０２、２０３および２０４は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０２μｍのときに、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖が、それぞれ０．８５、０．９０および０．９５となる点をプロットしたものである。高次横モードのレーザ発振を抑制するために、Γ‖は０．８５〜０．９５の範囲内に設定することが望ましく、０．９０付近に設定することがさらに望ましい。Γ‖を上記範囲内に設定するためには、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が曲線２０２よりも左上の領域内にあることが望ましく、特に、曲線２０３よりも左側の領域内にあることが望ましい。
【０１９４】
また、図１９に示すように、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が０．０４未満になると、必要とされる第２のｐ型クラッド層の層厚が増加するため、第２のｐ型クラッド層の混晶比は０．０４以上であることが望ましい。さらに、ＡｌＧａＮぢ２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が０．１５を超えると、急激に第２のｐ型クラッド層の層抵抗が増加するため、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は０．１５以下であることが望ましい。
【０１９５】
また、本実施形態において、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は、水平方向の等価屈折率差を設けるために、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きくしておく必要があるが、この条件は、図２０に示すように、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖が０．８５以上であれば、常に成立している。さらに、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が０．３０を超えると、急激に第１のｐ型クラッド層の層抵抗が増加するため、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は０．３０以下であることが望ましい。ここで、第１のｐ型クラッド層は、第２のｐ型クラッド層に比べて薄層であるため、第２のｐ型クラッド層よりも上限が高くなっている。
【０１９６】
図２０において、曲線２０５および２０６は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０２μｍであるときに、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥が、それぞれ０．０３３および０．０３７となる点をプロットしたものである。本実施形態のレーザにおいて、ｐ型クラッド層を、ｐ型クラッド層と総膜厚が同じで、ｎ型クラッド層と同じＡｌ混晶比を有するｐ型クラッド層に置き換えた構造、すなわち従来の半導体レーザ素子の構造を想定すると、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は０．０３７となる。この値を基準として、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を相対値で表すと、曲線２０５および２０６は、それぞれΓ⊥（相対値）が９０％および１００％となる点をプロットしたものとなる。
【０１９７】
垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は大きいほど望ましいが、この値を大きくしようとした場合、必要とされる第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が大きくなるため、ＡｌＧａＮとＧａＮの格子定数差に起因するクラックが生じ易くなって、素子の信頼性および良品歩留まりが低下する。これを防ぐため、Γ⊥（相対値）は９０％〜１０５％の範囲内に設定することが望ましい。
【０１９８】
また、上述したように、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は０．０４以上０．１５以下であることが望ましく、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きく、０．３０以下であることが望ましい。図２０に示すように、この範囲内であれば、常にΓ⊥（相対値）≦１０５％が満たされている。
【０１９９】
ここで、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２とすると、曲線２０２は近似的に
ｙ２＝０．００３６＋０．９０１６９×ｙ１
と表され、曲線２０３は近似的に
ｙ２＝−０．００９９９９５＋１．０９５×ｙ１−２．５８３３×ｙ１＾２
＋５．９９９７×ｙ１＾３−６．６６６３×ｙ１＾４
と表され、曲線２０４は近似的に
ｙ２＝−０．００８＋０．７４３３３×ｙ１−２．２×ｙ１＾２
＋２．６６６７×ｙ１＾３−０．００００４４８７９×ｙ１＾４
と表される。また、曲線２０５は近似的に
ｙ２＝０．０４６１８５×ｙ１＾（−０．１１６２２）
と表され、曲線２０６は近似的に
ｙ２＝０．０７８８５５×ｙ１＾（−０．１２９８４）
と表される。
【０２００】
図２１は、本実施形態の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０５μｍのときに、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比を、それぞれ縦軸と横軸にとって示したものであり、⊥方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットしたものである。
【０２０１】
ここでは、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を除く他の構造パラメータは、実施形態１において最も好ましい値に設定されているものとして図２１の関係を算出している。
【０２０２】
図２１において、曲線２１２、２１３および２１４は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０５μｍのときに、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖が、それぞれ０．８５、０．９０および０．９５となる点をプロットしたものである。高次横モードのレーザ発振を抑制するために、Γ‖は０．８５〜０．９５の範囲内に設定することが望ましく、０．９０付近に設定することがさらに望ましい。Γ‖を上記範囲内に設定するためには、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が曲線２１２よりも左上の領域内にあり、かつ、曲線２１４よりも右下の領域内にあることが望ましく、特に、曲線２１３の近傍にあることが望ましい。
【０２０３】
また、図２０の説明において述べたように、第２のｐ型クラッド層の混晶比は０．０４以上０．１５以下であることが望ましく、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きく、０．３０以下であることが望ましい。
【０２０４】
図２１において、曲線２１５、２１６および２１７は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０５μｍであるときに、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥が、それぞれ０．０３３、０．０３７および０．０３９となる点をプロットしたものである。図２０と同様に、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を相対値で表すと、曲線２１５、２１６および２１７は、それぞれΓ⊥（相対値）が９０％、１００％および１０５％となる点をプロットしたものとなる。
【０２０５】
垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は大きいほど望ましいが、この値を大きくしようとした場合、必要とされる第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が大きくなるため、ＡｌＧａＮとＧａＮの格子定数差に起因するクラックが生じ易くなって、素子の信頼性および良品歩留まりが低下する。これを防ぐため、Γ⊥（相対値）は９０％〜１０５％の範囲内に設定することが望ましい。
【０２０６】
ここで、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２とすると、曲線２１２は近似的に
ｙ２＝０．００８６＋０．８９×ｙ１
と表され、曲線２１３は近似的に
ｙ２＝０．００５０００２＋０．７×ｙ１＋０．３６６７×ｙ１＾２
−８．０００１×ｙ１＾３＋１３．３３３×ｙ１＾４
と表され、曲線２１４は近似的に
ｙ２＝−０．５５７＋１１．１２８×ｙ１−７５．５８３×ｙ１＾２
＋２２４．６７×ｙ１＾３−２４６．６７×ｙ１＾４
と表される。また、曲線２１５は近似的に
ｙ２＝０．０３０８５１×ｙ１＾（−０．２７４４２）
と表され、曲線２１６は近似的に
ｙ２＝０．０４８１５７×ｙ１＾（−０．３４９２７）
と表され、曲線２１７は近似的に
ｙ２＝０．０９４２３４×ｙ１＾（−０．３５１１９）
と表される。
【０２０７】
図２２は、本実施形態の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１０μｍのときに、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比を、それぞれ縦軸と横軸にとって示したものであり、⊥方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットしたものである。
【０２０８】
ここでは、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を除く他の構造パラメータは、実施形態１において最も好ましい値に設定されているものとして図２２の関係を算出している。
【０２０９】
図２２において、曲線２２２および２２３は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１０μｍのときに、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖が、それぞれ０．８５および０．９０となる点をプロットしたものである。高次横モードのレーザ発振を抑制するために、Γ‖は０．８５〜０．９５の範囲内に設定することが望ましく、０．９０付近に設定することがさらに望ましい。Γ‖を上記範囲内に設定するためには、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が曲線２２２よりも左上の領域内にあることが望ましく、特に、曲線２２３の近傍にあることが望ましい。
【０２１０】
また、図２０の説明において述べたように、第２のｐ型クラッド層の混晶比は０．０４以上０．１５以下であることが望ましく、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きく、０．３０以下であることが望ましい。図２２に示すように、この範囲内であれば、常にΓ‖≦０．９５が満たされている。
【０２１１】
図２２において、曲線２２４、２２５および２２６は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１０μｍであるときに、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥が、それぞれ０．０３３、０．０３７および０．０３９となる点をプロットしたものである。図２０と同様に、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を相対値で表すと、曲線２２４、２２５および２２６は、それぞれΓ⊥（相対値）が９０％、１００％および１０５％となる点をプロットしたものとなる。
【０２１２】
垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は大きいほど望ましいが、この値を大きくしようとした場合、必要とされる第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が大きくなるため、ＡｌＧａＮとＧａＮの格子定数差に起因するクラックが生じ易くなって、素子の信頼性および良品歩留まりが低下する。これを防ぐため、Γ⊥（相対値）は９０％〜１０５％の範囲内に設定することが望ましい。
【０２１３】
ここで、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２とすると、曲線２２２は近似的に
ｙ２＝０．０１７９７４＋０．９０１６９×ｙ１
と表され、曲線２２３は近似的に
ｙ２＝−０．０１６４１５＋１．３０９８×ｙ１−６．８０７２×ｙ１＾２
＋１４．１４４×ｙ１＾３＋１０．７７３×ｙ１＾４
と表され、曲線２２４は近似的に
ｙ２＝０．０１６１３７×ｙ１＾（−０．７６８１２）
と表され、曲線２２５は近似的に
ｙ２＝０．０１８８５４×ｙ１＾（−０．７６８１２）
と表され、曲線２２６は近似的に
ｙ２＝０．０３１７９２×ｙ１＾（−０．９５０８４）
と表される。
【０２１４】
図２３は、本実施形態の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１５μｍのときに、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層におけるＡｌ混晶比を、それぞれ縦軸と横軸にとって示したものであり、⊥方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットしたものである。
【０２１５】
ここでは、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を除く他の構造パラメータは、実施形態１において最も好ましい値に設定されているものとして図２３の関係を算出している。
【０２１６】
図２３において、曲線２３２および２３３は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１０μｍのときに、水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖が、それぞれ０．８５および０．９０となる点をプロットしたものである。高次横モードのレーザ発振を抑制するために、Γ‖は０．８５〜０．９５の範囲内に設定することが望ましく、０．９０付近に設定することがさらに望ましい。Γ‖を上記範囲内に設定するためには、第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が曲線２３２よりも左上の領域内にあることが望ましく、特に、曲線２３３の近傍にあることが望ましい。
【０２１７】
また、図２０の説明において述べたように、第２のｐ型クラッド層の混晶比は０．０４以上０．１５以下であることが望ましく、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きく、０．３０以下であることが望ましい。図２３に示すように、この範囲内であれば、常にΓ‖≦０．９５が満たされている。
【０２１８】
図２３において、曲線２３５および２３６は、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１５μｍであるときに、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥が、それぞれ０．０３７および０．０３９となる点をプロットしたものである。図２０と同様に、垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥を相対値で表すと、曲線２３５および２３６は、それぞれΓ⊥（相対値）が１００％および１０５％となる点をプロットしたものとなる。
【０２１９】
垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥は大きいほど望ましいが、この値を大きくしようとした場合、必要とされる第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比が大きくなるため、ＡｌＧａＮとＧａＮの格子定数差に起因するクラックが生じ易くなって、素子の信頼性および良品歩留まりが低下する。これを防ぐため、Γ⊥（相対値）は９０％〜１０５％の範囲内に設定することが望ましい。
【０２２０】
また、図２０の説明において述べたように、第２のｐ型クラッド層の混晶比は０．０４以上０．１５以下であることが望ましく、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比は第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比よりも大きく、０．３０以下であることが望ましい。図２３に示すように、この範囲内であれば、常にΓ⊥（相対値）≧９０％が満たされている。
【０２２１】
ここで、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２とすると、曲線２３２は近似的に
ｙ２＝−０．０１０４１７＋１．１９１４×ｙ１−１．５２８６×ｙ１＾２
−３．９５１８×ｙ１＾３＋６．３３３２×ｙ１＾４
と表され、曲線２３３は近似的に
ｙ２＝−０．０５３８０１＋２．８０７９×ｙ１−２９．３４９×ｙ１＾２
＋１３７．５３×ｙ１＾３−２５３．５８×ｙ１＾４
と表され、曲線２３５は近似的に
ｙ２＝０．００９４６６１×ｙ１＾（−０．９９４５５）
と表され、曲線２３６は近似的に
ｙ２＝０．００９６７１６×ｙ１＾（−１．５６３３）
と表される。
【０２２２】
ところで、Γ⊥に比べて、Γ‖の方が半導体レーザ素子の閾値電流に与える影響は大きい。ストライプ内における活性層のバルク利得をｇ、ストライプ外における活性層のバルク吸収をα、共振器損失をα０とすると、レーザの発振条件は
【０２２３】
【数３】
2008124485.tif 000005
【０２２４】
となる。ここで、説明を簡単にするために、ｇの注入電流依存性として線形利得を仮定すると、
【０２２５】
【数４】
2008124485.tif 000006
【０２２６】
と表すことができる。なお、上記式において、β、Ｊ０は定数であり、ｄ１は井戸総の層膜厚であり、ηは自然放出光の結合効率である。これを用いることによって、閾値電流密度Ｊｔｈは、
【０２２７】
【数５】
2008124485.tif 000007
【０２２８】
と表すことができる。
【０２２９】
上記式において、Γ⊥が減少すると、第２項のみが増大してＪｔｈが増加するが、Γ‖が減少すると、第２項に加えて第３項もＪｔｈの増加に寄与する。通常、共振器損失α０は数十ｃｍ-1のオーダーであるのに対して、ストライプ外における活性層のバルク吸収αは数千〜数万ｃｍ-1のオーダーでであることから、第３項の寄与は大きい。このため、Γ⊥に比べて、Γ‖の方が半導体レーザ素子の閾値電流に与える影響が大きくなるのである。従って、本実施形態の半導体レーザ素子を設計する際には、Γ⊥よりも、Γ‖が減少しないことを重視して設計を行うのが望ましい。
【０２３０】
以上のことを考慮して、本実施形態の半導体レーザ素子では、まず、Γ‖が０．８５以上０．９５以下であることが望ましい。これを満たす条件として、
（１）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．０２≦ｄ≦０．０５である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２０に示す曲線２０２と図２１に示す曲線２１４に挟まれた領域にあることが望ましいことから、
−０．５５７＋１１．１２８×ｙ１−７５．５８３×ｙ１＾２
＋２２４．６７×ｙ１＾３−２４６．６７×ｙ１＾４≦ｙ２
≦０．００３６＋０．９０１６９×ｙ１、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２０に示す曲線２０４と図２１に示す曲線２１２に挟まれた領域にあることから、
−０．００８＋０．７４３３３×ｙ１−２．２×ｙ１＾２
＋２．６６６７×ｙ１＾３−０．００００４４８７９×ｙ１＾４≦ｙ２
≦０．００８６＋０．８９×ｙ１、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３１】
また、（２）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．０５≦ｄ≦０．１０である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２１に示す曲線２１２よりも左上の領域にあることが望ましいことから、
ｙ２≦０．００８６＋０．８９×ｙ１、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２２に示す曲線２２２と図２１に示す曲線２１４に挟まれた領域にあることから、
−０．５５７＋１１．１２８×ｙ１−７５．５８３×ｙ１＾２
＋２２４．６７×ｙ１＾３−２４６．６７×ｙ１＾４≦ｙ２
≦０．０１７９７４＋０．９０１６９×ｙ１、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３２】
また、（３）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．１０≦ｄ≦０．１５である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２２に示す曲線２２２よりも左上の領域にあることが望ましいことから、
ｙ２≦０．０１７９７４＋０．９０１６９×ｙ１、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２３に示す曲線２３２よりも左上の領域にあることから、
ｙ２≦−０．０５３８０１＋２．８０７９×ｙ１−２９．３４９×ｙ１＾２
＋１３７．５３×ｙ１＾３−２５３．５８×ｙ１＾４、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３３】
また、本実施形態の半導体レーザ素子では、Γ⊥が従来構造と同等の値、すなわち、Γ⊥（相対値）が９０％以上１０５％以下であることが望ましい。これを満たす条件として、
（１）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．０２≦ｄ≦０．０５である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２１に示す曲線２１５よりも右上の領域にあることが望ましいことから、
０．０３０８５１×ｙ１＾（−０．２７４４２）≦ｙ２、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２０に示す曲線２０５と図２１に示す曲線２１７に挟まれた領域にあることから、
０．０４６１８５×ｙ１＾（−０．１１６２２）≦ｙ２
≦０．０９４２３４×ｙ１＾（−０．３５１１９）、かつ、
ｙ＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３４】
また、（２）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．０５≦ｄ≦０．１０である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２２に示す曲線２２４と図２１に示す曲線２１７とに挟まれた領域内にあることが望ましいことから、
０．０１６１３７×ｙ１＾（−０．５２３２３）≦ｙ２
≦０．０９４２３４×ｙ１＾（−０．３５１１９）、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２１に示す曲線２１５と図２２に示す曲線２２６に挟まれた領域にあることから、
０．０３０８５１×ｙ１＾（−０．２７４４２）≦ｙ２
≦０．０３１７９２×ｙ１＾（−０．９５０８４）、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３５】
また、（３）第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］が０．１０≦ｄ≦０．１５である場合には、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２２に示す曲線２２６よりも左下の領域にあることが望ましいことから、
ｙ２≦０．０３１７９２×ｙ１＾（−０．９５０８４）、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。さらに望ましくは、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１、第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２が、図２２に示す曲線２２４と図２３に示す曲線２３６に挟まれた領域にあることから、
０．０１６１３７×ｙ１＾（−０．５２３２３）≦ｙ２
≦０．００９６７１６×ｙ１＾（−１．５６３３）、かつ、
ｙ２＜ｙ１≦０．３０、かつ、０．０４≦ｙ２≦０．１５
を満たすことが望ましい。
【０２３６】
さらに、Γ⊥およびΓ‖の両方を考慮して、一般的なエッチング技術、すなわちエッチング底面の位置ばらつきが±０．０５μｍ程度であると想定した場合、第１のｐ型クラッド層の層厚ｄ［μｍ］、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ１および第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比ｙ２は、図２２に斜線部で示すように、
０．０５≦ｄ≦０．１５、かつ、
０．０４≦ｙ１≦０．０８、かつ、
０．１０≦ｙ２≦０．２０
の範囲内に設定されていることが望ましい。
【０２３７】
なお、図２０〜図２３の関係は、他の構造パラメータおよびレーザ発振波長が実施形態の範囲内で変化しても、ほとんど変化しなかった。また、図２０〜図２３の関係は、実施形態８のようにｎ型クラッド層を２層構造として活性層側の層を低屈折率とした場合にも同様であり、実施形態９のようにｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の両方を２層構造として活性層側の層を低屈折率層とした場合にも同様であった。
【０２３８】
本実施形態の半導体レーザ素子においては、水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖＝６度〜１０度となるように、ストライプ幅で調節することになる。例えば、図１４に示した本実施形態の半導体レーザ素子において、ｘ＝０．１０、ｙ１＝０．１５、ｙ２＝０．０５、ｐ側光導波層／ｎ側光導波層厚さを各０．１μｍとした場合には、ストライプ幅を２μｍとしたときに、Θ‖＝８度となる。各半導体層の組成を変化させた場合には、水平方向ＦＦＰの半値全角が所望の値となるように、一度ストライプ幅を設定すれば、移行は同様に作製することにより、水平方向ＦＦＰ半値全角のばらつきが非常に少ない、歩留まりの高い半導体レーザ素子を作製することができるようになる。また、ストライプ幅の作製においては、±０．１μｍ程度の作製誤差が生じるが、ストライプ幅の作製誤差はエッチング深さの作製誤差に比べて、Θ‖に与える影響が十分小さいため、特性のばらつきに与える影響を十分小さくして、半導体レーザ素子の作製歩留まりを向上させることができる。
【０２３９】
以上のように構成された本実施形態の半導体レーザ素子による効果および特性は、実施形態１の半導体レーザ素子と同様であった。
【０２４０】
なお、本実施形態では、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いたが、他の基板を用いてもよく、例えばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）、スピネル１１１面（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶からなる基板であってもよい。
【０２４１】
本実施形態において、低屈折率層はｐ型クラッド層の活性層側主面に接するように形成したが、ｐ型クラッド層内に挿入され、ｐ型クラッド層の活性層側主面から隔てた位置に形成してもよい。また、ｐ型クラッド層内に０．０２μｍ以下の層厚で、等価屈折率より高い屈折率を有する材料からなる層が設けられていてもよい。但し、第２のｐ型クラッド層と活性層との距離は０．３４μｍ以下とする。さらに、低屈折率層はｐ型クラッド層内の活性層側主面に近い位置に形成されているほど望ましい。さらに望ましくは、低屈折率層をｐ型クラッド層内に挿入し、ｐ型クラッド層の活性層側主面から０．０５μｍ以下の距離を隔てて、すなわち活性層から０．２４μｍ以下の距離を隔てて形成する。さらに望ましくは、低屈折率層を活性層から０．０５μｍ以上の距離を隔てて形成する。また、低屈折率層の層厚は、０．０２μｍ以上０．１５μｍ以下であるのが望ましい。
【０２４２】
さらに、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層内に０．０２μｍ以下のＩｎＧａＮまたはＧａＮを含む層が形成されていてもよい。
【０２４３】
また、本実施形態において、ｐ型クラッド層／ｎ型クラッド層を単結晶材料で構成したが、一部または全部が超格子構造であってもよく、またはＡｌ組成が層厚増加方向に概略連続的に変化する構造であってもよい。
【０２４４】
さらに、本実施形態において、埋め込み層の材料として、第１のｐ型クラッド層と同じＡｌ組成を有するｎ型Ａｌy3Ｇａ1-y3Ｎを用いたが、ノンドープであってもよく、または、第１のｐ型クラッド層と概略同じＡｌ組成を有するｎ型／ノンドープＡｌy3Ｇａ1-y3Ｎであってもよい。さらに、第１のｐ型クラッド層と概略同じ屈折率を有する絶縁体（例えばＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ化合物半導体等）であってもよい。また、単一組成の物質でなくてもよく、例えば組成の異なる２層以上の交互積層構造（但し、各層厚は０．０２μｍ以下）からなる埋め込み層としてもよい。その場合には、平均屈折率が第１のｐ型クラッド層と概略同じ屈折率を有するように、構成材料の組成を調節すればよい。
【０２４５】
（実施形態１１）
本実施形態では、本発明の光学情報再生装置の例について説明する。図１６は本発明の一実施形態である光学情報再生装置の構成を説明するための模式図である。但し、この図においては煩雑さを避けるため、説明の都合上で不要な部品については省略して示している。
【０２４６】
この光学情報再生装置は、基台１６１、基台１６１上に設置された本発明の半導体レーザ素子１６２、カップリングレンズ１６３、ビームスプリッタ１６５、ディスク１６６、および集光された光を検出する光検出器１６７からなる。この光学式情報再生装置において、半導体レーザ素子１６２から出射したレーザ光は、カップリングレンズ１６３により平行光または平行に近い光に変換され、ビームスプリッタ１６５を透過してディスク１６６の情報記録面に集光される。ディスク１６６の情報記録面には、凹凸、磁気変調または屈折率変調によりビット情報が書き込まれている。集光されたレーザ光は、そこで反射されてビームスプリッタ１６５により分岐され、光検出器１６７に集光される。光検出器１６７では、光学的に検出された信号を電気的信号に変換して記録情報の読み取りが行われる。
【０２４７】
本実施形態の光学式情報再生装置においては、従来技術では円形ビームに成形するために必要であった成形プリズムを省略することができ、装置の小型化を図ることができる。
【０２４８】
また、成形プリズムを用いた従来の光学式情報再生装置では、成形プリズムを光が透過する際に、成形プリズムへの入射面において同時に反射光を生じ、これがレーザ光の強度損失を招いていた。一方、光検出器で検出可能な光の強度は一定であるため、この強度損失を補うために、半導体レーザ素子の駆動電力の上昇を招いていた。これに対して、本実施形態の光学式情報再生装置においては、この成形プリズムを省略することができるので、半導体レーザ素子の必要駆動電力を低減することができる。
【０２４９】
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこれらに限られるものではない。上記実施の形態ではｎ型ＧａＮからなる低温成長バッファ層を設けたが、ｎ型ＧａＮに限らず、ＳｉＨ4の導入量を０ｍｏｌとしたＧａＮでもよく、さらに、ＡｌやＩｎを含むＡｌＧａＩｎＮを少なくとも含む膜を用いても何等問題は生じない。さらに、低温成長バッファ層は本発明の必要構成要素ではないため、設けなくてもよい。
【０２５０】
また、上記実施の形態では、ｎ型ＩｎrＧａ1-rＮからなるｎ型バッファ層を設けたが、他の材料を用いてもよい。さらに、ｎ型バッファ層は本発明の必要構成要素ではないため、設けなくてもよい。
【０２５１】
また、上記実施の形態では、ｎ型ＧａＮ層、ｎ側光導波層、ｐ型キャリアブロック層、ｐ側光導波層を設けたが、他の窒化物半導体からなる層に置き換えてもよい。さらに、これらの層は本発明の必要構成要素ではないため、いずれかを省略した構成でもよい。
【０２５２】
また、上記実施の形態では、水平方向光閉じ込めのためのストライプ状リッジ構造を形成する際に、第１のｐ型クラッド層までエッチングを行ったが、半導体レーザ素子を構成する各窒化物半導体層の組成の組み合わせによっては、第２のｐ型クラッド層またはｐ側光導波層までエッチングしてリッジ形状を形成した構造であってもよく、水平方向ＦＦＰの半値全角Θ‖が６度〜１０度となるように形成すればよい。
【０２５３】
さらに、上記各実施形態において、各半導体層は上記材料に限定されるわけではなく、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）の他、そのIII族元素の一部（２０％程度以下）をＢ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａ等の他の元素によって置換した六方晶構造の結晶、そのＮ元素の一部（２０％程度以下）をＰ、Ａｓ、Ｓｂ等の他の元素によって置換した六方晶構造の結晶等であってもよく、さらに、六方晶構造の結晶からなる多層構造中の一部に、異なる結晶材料からなる層が混入されていてもよい。さらに、各半導体層中に、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｈ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、ランタノイド等が添加されていてもよい。
【０２５４】
また、各実施形態における半導体層は、安定に成長させることが可能な六方晶構造の結晶であることが望ましいが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２５５】
【図１】本発明の一実施形態である窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図３】レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥の計算結果を横軸に、垂直方向のＦＦＰ半値全角Θ⊥の測定結果を縦軸に取り、窒化物半導体レーザ素子の構造パラメータを従来の半導体レーザ素子構造から変化させた場合の変化を示す図である。
【図４】実施形態１の半導体レーザ素子において、低屈折率層のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させたときの、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥と垂直方向のＦＦＰ半値全角Θ⊥の変化を示す図であり、低屈折率層の層厚が各々０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍである場合を表す。
【図５】実施形態１の半導体レーザ素子において、低屈折率層のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させたときの、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥と垂直方向のＦＦＰ半値全角Θ⊥の変化を示す図であり、低屈折率層が活性層から各々０．１μｍ、０．０８μｍ、０．０５μｍの距離を隔てて形成された場合を表す。
【図６】実施形態３の半導体レーザ素子において、低屈折率層のＡｌ混晶比を０．０５から０．３０まで変化させたときの、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥と垂直方向のＦＦＰ半値全角Θ⊥の変化を示す図であり、低屈折率層がｐ型クラッド層の活性層側主面から各々０、０．０２μｍ、０．０５μｍの距離を隔てて形成された場合を表す。
【図７】実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図８】実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図９】実施形態４の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１０】実施形態５の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１１】（ａ）は実施形態６の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は第１のｐ型クラッド層および第２のｐ型クラッド層近傍における屈折率分布を表す図である。
【図１２】（ａ）は実施形態７の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、（ｂ）はｐ型クラッド層の構成を表す図であり、（ｃ）はｎ型クラッド層の構成を表す図である。
【図１３】実施形態８の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１４】実施形態９の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１５】実施形態１０の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図１６】実施形態１１の光学式情報再生装置の構成を示す模式図である。
【図１７】半導体レーザ素子の構造を示す模式的な要部断面図である。
【図１８】従来の光学式情報再生装置の構成を示す模式図である。
【図１９】第２のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比とｐ型クラッド層の必要最少膜厚との関係を示す図である。
【図２０】実施形態１０の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０２μｍのとき、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比および第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比をそれぞれ縦軸および横軸にとって、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットした図である。
【図２１】実施形態１０の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．０５μｍのとき、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比および第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比をそれぞれ縦軸および横軸にとって、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットした図である。
【図２２】実施形態１０の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１０μｍのとき、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比および第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比をそれぞれ縦軸および横軸にとって、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットした図である。
【図２３】実施形態１０の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層の厚さが０．１５μｍのとき、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比および第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比をそれぞれ縦軸および横軸にとって、レーザ発振モードの垂直方向の活性層閉じ込め係数Γ⊥および水平方向のストライプ内閉じ込め係数Γ‖に関する等高線をプロットした図である。
【図２４】実施形態１の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を、第２のｐ型クラッド層と等しい値から０．３０まで変化させた場合に、縦軸にΘ⊥、横軸にΓ⊥をとって、これらの関係をプロットした図である。
【符号の説明】
【０２５６】
１１    基板
１２    低温バッファ層
１３    ｎ型ＧａＮ層
１４    ｎ型クラッド層
１５    ｎ型クラッド層
１６    ｎ側光導波層
１７    活性層
１８    ｐ型キャリアブロック層
１９    ｐ側光導波層
２０    第１のｐ型クラッド層
２１    第２のｐ型クラッド層
２２    ｐ型コンタクト層
２３    絶縁層
２４    正電極
２５    負電極
２６    ｐ型クラッド層
３０    従来構造の半導体レーザ素子におけるΓ⊥とΘ⊥
３１    従来構造の半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層のＡｌ混晶比を０．０２から０．３まで変化させたときにΓ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す曲線
３２、４１、４２、４３、４４、５１、５２、５３、５４、５５、６１、６２、６３    実施形態の半導体レーザ素子において、第１のｐ型クラッド層（低屈折率層）のＡｌ混晶比を０．０２から０．３まで変化させたときにΓ⊥とΘ⊥が変化する様子を示す曲線
７０    基板
７１    ｎ型コンタクト層
８１    第３のｐ型クラッド層
８２    第１のｐ型クラッド層
８３    第２のｐ型クラッド層
９１    ｐ型ＧａＮ層
１０１    第１のｎ型クラッド層
１０２  ｎ型バッファ層
１０３    第２のｎ型クラッド層
１１１    層厚増加方向に従ってＡｌ混晶比が概略連続的に減少している第１のｐ型クラッド層
１１２    層厚増加方向に従ってＡｌ混晶比が概略連続的に増加している第２のｐ型クラッド層
１２１    ｎ型ＧａＮ層
１２２    ノンドープＡｌＧａＮ層
１２３    ｎ型超格子クラッド層
１２４    ｐ型ＧａＮ層
１２５    ノンドープＡｌＧａＮ層
１２６    第１のｐ型超格子クラッド層
１２７    ｐ型ＧａＮ層
１２８    ノンドープＡｌＧａＮ層
１２９    第２のｐ型超格子クラッド層
１３１    第２のｎ型クラッド層
１３２    第１のｎ型クラッド層
１３３    ｐ型クラッド層
１５１    埋め込み層
１６１    基台
１６２    本発明の窒化物半導体レーザ素子
１６３    カップリングレンズ
１６５    ビームスプリッタ
１６６    ディスク
１６７    光検出器
１７１    ｎ型ＧａＮ層
１７２    ｎ型バッファ層
１７３    ｎ型クラッド層
１７４    ｎ側光導波層
１７５    活性層
１７６    ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７７    ｐ側光導波層
１７８    ｐ型クラッド層
１７９    ｐ型コンタクト層
１８０    絶縁膜
１８１    電極
１９０    正電極でレーザ発振光が受ける吸収が１０ｃｍ-1以上となる境界を示す曲線
１９１    正電極でレーザ発振光の広がりが抑制され、ｐ型クラッド層の厚さが無限大のときに比べてΘ⊥が増大してしまう境界を示す曲線
２０２、２１２、２２２、２３２ Γ‖＝０．８５を示す曲線
２０３、２１３、２２３、２３３ Γ‖＝０．９０を示す曲線
２０４、２１４ Γ‖＝０．９５を示す曲線
２０５、２１５、２２４ Γ⊥（相対値）＝９０％を示す曲線
２０６、２１６、２２５、２３５ Γ⊥（相対値）＝１００％を示す曲線
２０７、２１７、２２６、２３６ Γ⊥（相対値）＝１００％を示す曲線
１００１    基台
１００２    従来の半導体レーザ素子
１００３    カップリングレンズ
１００４    成形プリズム
１００５    ビームスプリッタ
１００６    ディスク
１００７    光検出器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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