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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-09
(45)【発行日】2025-01-20
(54)【発明の名称】半導体レーザ素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/22 20060101AFI20250110BHJP
H01S 5/323 20060101ALI20250110BHJP
【ＦＩ】
H01S5/22
H01S5/323 610
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2023120613
(22)【出願日】2023-07-25
(62)【分割の表示】P 2019141147の分割
【原出願日】2019-07-31
(65)【公開番号】P2023129576
(43)【公開日】2023-09-14
【審査請求日】2023-08-22
(31)【優先権主張番号】P 2019005760
(32)【優先日】2019-01-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000226057
【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100138863
【弁理士】
【氏名又は名称】言上 惠一
(72)【発明者】
【氏名】中津 嘉隆
【審査官】百瀬 正之
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１３１０１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２３９０８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０１７９２８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２０１２６２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００８－１２４１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００５／０３４３０１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００３－２７３４７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１４１３４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２００９２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０５００２１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０
Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４
(57)【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し、前記ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子であって、前記ｐ側半導体層は、
前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、
前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、
前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、
前記第２部分の厚みは、前記第１部分の厚みよりも薄く、
前記リッジの下端は、前記第１部分に位置している、半導体レーザ素子。
【請求項2】
前記第１部分の厚みは、４００ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項3】
前記第１部分の厚みは、６６０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項4】
前記第２部分の厚みは、２６０ｎｍ以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項5】
前記第２部分の厚みは、１０ｎｍ以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項6】
前記第２部分は、上側ｐ型半導体層と、下型ｐ型半導体層を有し、前記上型ｐ型半導体層は、前記リッジの上面を構成し、
前記下型ｐ型半導体層は、前記上型ｐ型半導体層と前記電子障壁層との間に配置されており、前記上型ｐ型半導体層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項7】
前記上側ｐ型半導体層はＧａＮからなり、前記下側ｐ型半導体層はＡｌＧａＮからなる、請求項６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項8】
前記下側ｐ型半導体層のＡｌ組成比が前記電子障壁層のＡｌ組成比よりも小さい、請求項６または７に記載の半導体レーザ素子。
【請求項9】
前記リッジの底面から前記電子障壁層までの最短距離は、前記リッジの上面から前記電子障壁層までの最短距離よりも大きい、請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項10】
前記リッジの上面に設けられたｐ電極を有し、前記ｐ電極は、前記第２部分の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜である、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１～１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項12】
前記第１部分は、前記電子障壁層の下面に接する最上層を有し、前記第２部分は、前記電子障壁層の上面に接する最下層を有し、
前記最下層のバンドギャップエネルギーは、前記最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さい、請求項１～１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項13】
基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、
前記第１部分の上面に、前記第１部分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電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、
前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、
前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、
前記第２部分を形成する工程において、前記第１部分の厚みよりも薄い厚みを有する前記第２部分を形成し、
前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記第１部分に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法。
【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、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００３－２７３４７３号公報
【文献】特開２０１４－１３１０１９号公報
【文献】国際公開第２０１７／０１７９２８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のｐ側の半導体層にはＭｇ等のｐ型不純物が添加されるが、ｐ型不純物は深い準位をつくり光吸収を生じさせる。このため、ｐ型不純物含有層における光強度が大きいほど吸収損失が増大し、スロープ効率などの効率が低下する。そこで、本開示では、吸収損失を低減することができ、効率の向上が可能な半導体レーザ素子を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示における半導体レーザ素子の第一の態様は、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し、前記ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子であって、
前記ｐ側半導体層は、
前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、
前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、
前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、
前記第１部分は、
上方に向かうにつれ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、アンドープである、ｐ側中間層と、を有し、 前記リッジの下端は、前記ｐ側中間層に位置している、半導体レーザ素子である。
前記ｐ側半導体層は、
前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、
前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、
前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、
前記第１部分は、
上方に向かうにつれ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、アンドープである、ｐ側中間層と、を有し、 前記リッジの下端は、前記ｐ側中間層に位置している、半導体レーザ素子である。
【0006】
本開示における半導体レーザ素子の第二の態様は、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し、前記ｐ側半導体層に上方に突出したリッジが設けられた半導体レーザ素子であって、
前記ｐ側半導体層は、
前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、
前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、
前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、
前記第２部分の厚みは、前記第１部分の厚みよりも薄く、
前記リッジの下端は、前記第１部分に位置している、半導体レーザ素子である。
前記ｐ側半導体層は、
前記活性層の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分と、
前記第１部分の上面に接して配置され、前記第１部分よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、
前記電子障壁層の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分と、を有し、
前記第２部分の厚みは、前記第１部分の厚みよりも薄く、
前記リッジの下端は、前記第１部分に位置している、半導体レーザ素子である。
【0007】
本開示における半導体レーザ素子の製造方法の第一の態様は、
基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、
前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、
前記第１部分の上面に、前記第１部分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電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、
前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、
前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、
前記第１部分をアンドープで形成する工程は、
上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるｐ側組成傾斜層をアンドープで形成する工程と、
前記ｐ側組成傾斜層の上方に、ｐ側中間層をアンドープで形成する工程と、を含み、 前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記ｐ側中間層に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法である。
本開示における半導体レーザ素子の製造方法の第二の態様は、
基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、
前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、
前記第１部分の上面に、前記第１部分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電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、
前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、
前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、
前記第２部分を形成する工程において、前記第１部分の厚みよりも薄い厚みを有する前記第２部分を形成し、
前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記第１部分に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法である。
基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、
前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、
前記第１部分の上面に、前記第１部分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電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、
前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、
前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、
前記第１部分をアンドープで形成する工程は、
上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるｐ側組成傾斜層をアンドープで形成する工程と、
前記ｐ側組成傾斜層の上方に、ｐ側中間層をアンドープで形成する工程と、を含み、 前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記ｐ側中間層に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法である。
本開示における半導体レーザ素子の製造方法の第二の態様は、
基板の上に、ｎ側半導体層を形成する工程と、
前記ｎ側半導体層の上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分をアンドープで形成する工程と、
前記第１部分の上面に、前記第１部分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電子障壁層を、ｐ型不純物をドープして形成する工程と、
前記電子障壁層の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分を形成する工程と、
前記第１部分と前記電子障壁層と前記第２部分とを含むｐ側半導体層の一部を除去することにより、上方に突出したリッジを形成する工程と、を有し、
前記第２部分を形成する工程において、前記第１部分の厚みよりも薄い厚みを有する前記第２部分を形成し、
前記リッジを形成する工程において、前記リッジの下端が前記第１部分に位置するように前記ｐ側半導体層の一部を除去する、半導体レーザ素子の製造方法である。
【発明の効果】
【0008】
このような半導体レーザ素子によれば、吸収損失を低減することができ、効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
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。
【0011】
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と図２Ｂと図２Ｃと図２Ｄは、いずれもｐ側半導体層４の層構造の例を模式的に示す図であり、それぞれ別の例を示す。また図２Ａ乃至図２Ｄは、半導体レーザ素子１００の活性層３の一部及びｐ側半導体層４の各層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。図２Ａ乃至図２Ｄにおいて、リッジ４ａの底面の位置を一点鎖線で示す。リッジ４ａの底面とは、リッジ４ａの両側面の最下辺同士を繋ぐ面を指す。図４は、ｎ側半導体層２の層構造の例を模式的に示す図である。
【0012】
図１に示すように、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。ｐ側半導体層４には、上方に突出したリッジ４ａが設けられている。なお、本明細書において、ｎ側半導体層２からｐ側半導体層４に向かう方向を上または上方といい、その逆方向を下または下方という。
【0013】
ｐ側半導体層４は、第１部分４１と、電子障壁層４２と、第２部分４３を有する。第１部分４１は、活性層３の上面に接して配置されており、１以上の半導体層を有する。第１部分４１はアンドープである。電子障壁層４２は、第１部分４１の上面に接して配置される。電子障壁層４２は、第１部分４１よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する。第２部分４３は、電子障壁層の上面に接して配置される。第２部分４３は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する。リッジ４ａの下端は、第１部分４１に位置している。すなわち、リッジ４ａは、第１部分４１の一部と、電子障壁層４２と、第２部分４３で構成されている。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。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等の分析結果において検出限界を越えない濃度をアンドープといってよい。あるいは、不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満である状態をアンドープとしてもよい。例えば、ｐ型不純物及びｎ型不純物の濃度が検出限界以下であることをもって第１部分４１がアンドープであるといってよい。
ただし、第１部分４１は、ｐ型不純物濃度の高い電子障壁層４２と接しているため、ｐ型不純物を意図的にドープせずに形成しても、分析結果においてｐ型不純物が検出される場合がある。この場合に検出されるｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３未満であることが好ましい。また、第１部分４１等をアンドープで形成した場合に、ＨやＣなどの意図しない不純物が含有される場合があるが、この場合もアンドープと呼ぶことができる。また、本明細書において、ある層または部分の膜厚または厚みとは、その層または部分の最下面から最上面までの最短の距離を指す。最下面及び／又は最上面がＶピット等の部分的な凹部及び／又は凸部を有する場合は、最下面及び／又は最上面のうちそのような凹部及び／又は凸部がない平坦な部分同士の最短の距離を、その層または部分の膜厚または厚みとしてよい。
ただし、第１部分４１は、ｐ型不純物濃度の高い電子障壁層４２と接しているため、ｐ型不純物を意図的にドープせずに形成しても、分析結果においてｐ型不純物が検出される場合がある。この場合に検出されるｐ型不純物の濃度は１×１０１８／ｃｍ３未満であることが好ましい。また、第１部分４１等をアンドープで形成した場合に、ＨやＣなどの意図しない不純物が含有される場合があるが、この場合もアンドープと呼ぶことができる。また、本明細書において、ある層または部分の膜厚または厚みとは、その層または部分の最下面から最上面までの最短の距離を指す。最下面及び／又は最上面がＶピット等の部分的な凹部及び／又は凸部を有する場合は、最下面及び／又は最上面のうちそのような凹部及び／又は凸部がない平坦な部分同士の最短の距離を、その層または部分の膜厚または厚みとしてよい。
【0014】
半導体レーザ素子１００は、以下の（１）～（３）の構造を有する。（１）第１部分４１は、上方に向かうにつれ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４１１と、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に配置されアンドープであるｐ側中間層４１２と、を有する。リッジの下端はｐ側中間層４１２に位置している。（２）第２部分４３の厚みは第１部分４１の厚みよりも薄く、リッジ４ａの下端は第１部分４１に位置している。（３）第１部分４１の厚みは４００ｎｍ以上であり、リッジ４ａの下端は第１部分４１に位置している。半導体レーザ素子１００は、これら（１）～（３）の構造のいずれか１つのみを有していてもよく、２以上を同時に満たしていてもよい。
【0015】
まず、（１）について述べる。図２Ａに示すように、ｐ側組成傾斜層４１１は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっている層である。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る。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１とは異なる層である。ｐ側組成傾斜層４１１のみでなくｐ側中間層４１２も設けることで、第１部分４１を比較的厚膜とすることができる。これにより、光強度のピークを電子障壁層４２及び第２部分４３というｐ型不純物を含有する部分から遠ざけることができる。これらの構成を有することで、第２部分４３における光の強度を低下することができ、光の吸収損失を低減することができる。したがって、半導体レーザ素子１００の効率を向上させることができる。半導体レーザ素子１００の効率としては、閾値電流以上の電流値における電流及び光出力の特性グラフにおける傾きであるスロープ効率が挙げられる。
【0016】
そして、リッジ４ａの下端は、電子障壁層４２よりも深く、ｐ側中間層４１２に位置している。これにより、比較的厚膜の第１部分４１を設けても、リッジ４ａの下端と活性層３との距離を短くすることができる。したがって、第１部分４１よりも上にリッジ４ａの下端を配置する場合よりも横方向の光閉じ込めを強めることができる。横方向の光閉じ込めが弱い場合、半導体レーザ素子１００の水平横モードが不安定になり、電流と光出力との関係を示すＩ－Ｌ特性においてキンクが発生することがある。リッジ４ａをその下端がｐ側中間層４１２に位置するように形成することで、横方向の光閉じ込めを強めることでき、水平横モードを安定化することができるため、Ｉ－Ｌ特性におけるキンクの発生確率を低減することができる。また一方で、リッジ４ａの下端にはリッジ４ａ形成時のエッチングダメージ等による電気的なリークが発生する可能性があるため、リッジ４ａの下端は活性層３と接近しすぎないことが好ましい。このことから、リッジ４ａの下端はｐ側組成傾斜層４１１ではなくｐ側中間層４１２に配置することが好ましい。
【0017】
次に、（２）について述べる。第１部分４１が比較的厚膜であることにより、（１）と同様に、光強度のピークをｐ型不純物含有層から遠ざけることができ、ｐ型不純物含有層における自由キャリア吸収による損失を低減することができる。したがって、半導体レーザ素子１００のスロープ効率などの効率を向上させることができる。加えて、第２部分４３が薄いことにより、半導体レーザ素子１００の駆動電圧を低減することができ、効率を向上することができる。ｐ型不純物を含有する部分の膜厚を薄くすることで電圧が低下する理由は、窒化物半導体において、Ｍｇのようなｐ型不純物はＳｉのようなｎ型不純物よりも活性化率が低く、ｐ型不純物含有層は比較的高抵抗であるためである。第１部分４１はアンドープであるが電子障壁層４２と活性層３の間に位置するため、電子がオーバーフローする等の要因により完全な絶縁性というよりはｎ型導電性を示す傾向がある。これらのことから、比較的高抵抗であるｐ型不純物を含有する第２部分４３の厚みを薄くすることにより、駆動電圧が下がり、アンドープである第１部分４１の厚みを厚くすることによる駆動電圧の上昇を抑えるという効果を得ることができると考えられる。この効果は後述する実施例１乃至３に関する実験結果２において確認された。また、（１）と同様に、第１部分４１が比較的厚膜であるためリッジ４ａの下端は第１部分４１に設けることが好ましく、これにより、横方向の光閉じ込めを強めることができる。
【0018】
次に、（３）について述べる。第１部分４１の厚みが４００ｎｍ以上と比較的厚いことにより、（１）及び（２）と同様に、ｐ型不純物含有層における損失を低減して効率向上が可能である。そして、その第１部分４１にリッジ４ａの下端を配置することで、（１）及び（２）と同様に、横方向の光閉じ込めの強化が可能である。
【0019】
第１部分４１の構成について複数パターンを想定し、等価屈折率シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、M.J.Bergmann, et. Al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS vol.84 (1998) pp.1196-1203に記載の数式を用いて、各層の屈折率をその層を構成する窒化物半導体の組成比に基づいて算出した。計算例１には第１部分４１として膜厚２６０ｎｍのｐ側組成傾斜層４１１のみを設けた構造を用い、計算例２乃至５には第１部分４１としてｐ側組成傾斜層４１１とｐ側中間層４１２を設けた構造を用いた。計算例２乃至５におけるｐ側中間層４１２の膜厚はそれぞれ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、４００ｎｍとした。すなわち、計算例１乃至５の第１部分４１の厚みはそれぞれ、２６０ｎｍ、３１０ｎｍ、３６０ｎｍ、４６０ｎｍ、６６０ｎｍとした。第１部分４１以外の層構造については、後述する実施例１の半導体レーザ素子１００と概ね同じであるが、第２ｎ側光ガイド層２７がＧａＮからＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎに変化する組成傾斜層であるなど細部が多少異なる。第１部分４１以外の層構造は、計算例１乃至３は同じ構造とし、計算例４及び５は第１ｎ側光ガイド層２６の膜厚を３分の２としたこと以外は計算例１乃至３と同じとした。計算例４及び５の第１ｎ側光ガイド層２６の膜厚を薄くした理由は、第１部分４１を厚くすることによる電界強度のピークの活性層３からのずれを補正するためである。
【0020】
計算例１乃至５について、第１部分４１の厚みと第２部分４３への漏れ光の割合との関係を図７に示す。図７に示すように、第１部分４１の厚みが厚いほど第２部分４３への漏れ光が減少しており、その減少の程度は厚み４００ｎｍ付近から緩やかになっている。このことから、第１部分４１の厚みは４００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、第２部分４３への漏れ光を、例えば３％未満のように少なくすることができる。
【0021】
（半導体レーザ素子１００）
図２Ａ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。半導体レーザ素子１００は活性層３等の半導体層の主面と交差する光出射端面及び光反射端面を有する端面発光レーザ素子である。ｐ側半導体層４の上側にはリッジ４ａが設けられている。リッジ４ａはメサ構造である。リッジ４ａの上面視形状は、光出射端面と光反射端面とを結ぶ方向に長い形状であり、例えば光反射端面に平行な方向を短辺とし光反射端面に垂直な方向を長辺とする長方形状である。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。
図２Ａ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。半導体レーザ素子１００は活性層３等の半導体層の主面と交差する光出射端面及び光反射端面を有する端面発光レーザ素子である。ｐ側半導体層４の上側にはリッジ４ａが設けられている。リッジ４ａはメサ構造である。リッジ４ａの上面視形状は、光出射端面と光反射端面とを結ぶ方向に長い形状であり、例えば光反射端面に平行な方向を短辺とし光反射端面に垂直な方向を長辺とする長方形状である。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。
【0022】
半導体レーザ素子１００は長波長域のレーザ光を発振する構造を有することができる。
半導体レーザ素子１００は、緑色波長帯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。すなわち、ピーク波長が５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である。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光ガイド層より外側への漏れ光が増加する。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。ｐ側組成傾斜層４１１を設けることにより、後述するようにレーザ発振閾値電流密度を低減することができ、短波長シフトを抑制することができる。また、緑色波長帯の半導体レーザ素子は、屈折率の波長分散の影響によりクラッド層と活性層の屈折率差がつきにくいため、未だ青色波長帯の半導体レーザ素子よりも閾値電流密度が高く、スロープ効率も低い。このため、緑色波長帯の半導体レーザ素子において本実施形態の構成を採用すれば、ｐ型半導体層における光吸収損失低減による効率向上効果がより期待できる。なお、ｐ型半導体層における光吸収損失は半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光の波長に関わらず発生し得るものである。したがって、半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光の波長は緑色波長帯に限るものではなく、例えば、青色波長帯であってもよい。
半導体レーザ素子１００は、緑色波長帯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。すなわち、ピーク波長が５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である。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光ガイド層より外側への漏れ光が増加する。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。ｐ側組成傾斜層４１１を設けることにより、後述するようにレーザ発振閾値電流密度を低減することができ、短波長シフトを抑制することができる。また、緑色波長帯の半導体レーザ素子は、屈折率の波長分散の影響によりクラッド層と活性層の屈折率差がつきにくいため、未だ青色波長帯の半導体レーザ素子よりも閾値電流密度が高く、スロープ効率も低い。このため、緑色波長帯の半導体レーザ素子において本実施形態の構成を採用すれば、ｐ型半導体層における光吸収損失低減による効率向上効果がより期待できる。なお、ｐ型半導体層における光吸収損失は半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光の波長に関わらず発生し得るものである。したがって、半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光の波長は緑色波長帯に限るものではなく、例えば、青色波長帯であってもよい。
【0023】
（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。
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。
【0024】
（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は１以上のｎ型半導体層を含む。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、ｎ側クラッド層とｎ側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。ｎ側クラッド層はｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。ｐ型不純物ほどではないもののｎ型不純物も光吸収の要因となるため、ｎ側光ガイド層は、アンドープか、ｎ側クラッド層よりもｎ型不純物濃度が小さいことが好ましい。
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は１以上のｎ型半導体層を含む。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、ｎ側クラッド層とｎ側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。ｎ側クラッド層はｎ側光ガイド層よりもバンドギャップエネルギーが大きい。ｐ型不純物ほどではないもののｎ型不純物も光吸収の要因となるため、ｎ側光ガイド層は、アンドープか、ｎ側クラッド層よりもｎ型不純物濃度が小さいことが好ましい。
【0025】
ｎ側半導体層２の層構造の例を図４に示す。図４に示すｎ側半導体層２は、基板１側から順に、下地層２１、第１ｎ側クラッド層２２、クラック防止層２３、中間層２４、第２ｎ側クラッド層２５、第１ｎ側光ガイド層２６、第２ｎ側光ガイド層２７、ホールブロック層２８を有する。ホールブロック層２８は、第１ホールブロック層２８１と第２ホールブロック層２８２を有する。
【0026】
下地層２１から第１ｎ側光ガイド層２６まではｎ型不純物が添加されている。下地層２１は、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層である。第１ｎ側クラッド層２２は、例えば、下地層２１よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｎ型不純物が添加された層である。クラック防止層２３は、例えばＩｎＧａＮからなり、そのバンドギャップエネルギーは活性層３中の井戸層よりも小さい。クラック防止層２３を設けることによりクラックが発生する確率を低減することができる。中間層２４は、クラック防止層２３と第２ｎ側クラッド層２５との間の格子定数を有し、例えばＧａＮからなる。クラック防止層２３がＩｎＧａＮ層である場合、第２ｎ側クラッド層２５を成長する前にＧａＮ層の中間層２４を形成することが好ましい。クラック防止層２３の上面に接して第２ｎ側クラッド層２５を成長させると、クラック防止層２３の一部が分解され、活性層３の成長にまで影響を及ぼす場合があるが、中間層２４を設けることでそのような分解が発生する確率を低減することができる。
中間層２４は例えばクラック防止層２３よりも薄い膜厚で設ける。第２ｎ側クラッド層２５は、例えば下地層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１ｎ側クラッド層２２と同じであってもよい。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５は、例えばＡｌＧａＮからなる。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５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い。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５の組成及び／又はｎ型不純物濃度は同じであってよい。ｎ側クラッド層は単一の層であってもよく、この場合にクラック防止層は、設けないか、またはｎ側クラッド層の上または下に設けてもよい。
中間層２４は例えばクラック防止層２３よりも薄い膜厚で設ける。第２ｎ側クラッド層２５は、例えば下地層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１ｎ側クラッド層２２と同じであってもよい。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５は、例えばＡｌＧａＮからなる。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５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い。第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５の組成及び／又はｎ型不純物濃度は同じであってよい。ｎ側クラッド層は単一の層であってもよく、この場合にクラック防止層は、設けないか、またはｎ側クラッド層の上または下に設けてもよい。
【0027】
第１ｎ側光ガイド層２６は、第１ｎ側クラッド層２２及び第２ｎ側クラッド層２５よりもバンドギャップエネルギーが小さく、ｎ型不純物濃度も小さい層である。第１ｎ側光ガイド層２６は、例えばＧａＮからなる。第２ｎ側光ガイド層２７のバンドギャップエネルギーは、活性層３中の井戸層のそれよりも大きく、第１ｎ側光ガイド層２６のそれよりも小さい。第２ｎ側光ガイド層２７は、第１ｎ側光ガイド層２６よりも活性層３に近い位置にあるため、第１ｎ側光ガイド層２６よりもｎ型不純物濃度が小さいことが光吸収損失の低減のためには好ましい。第２ｎ側光ガイド層２７は、例えば、アンドープのＩｎＧａＮからなる。
【0028】
第２ｎ側光ガイド層２７は、活性層３に近づくほどバンドギャップエネルギーが小さくなる組成傾斜層であってもよい。ｎ側光ガイド層として組成傾斜層を設ける場合は、活性層３に近づくほど屈折率が高くなるように組成を段階的に変化させた層とする。これにより、ｎ側の組成傾斜層に光導波路の障壁が連続して形成されるため、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。組成傾斜層のバンドギャップエネルギーや不純物濃度の他の層との大小関係を決定する際の基準については、組成傾斜層の平均値を用いることができる。組成傾斜層の平均値とは、組成傾斜層を構成する各サブ層のバンドギャップエネルギー等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。ｎ側半導体層２中に活性層３に近づくほど格子定数が大きくなる組成傾斜層を設ける場合は、その組成傾斜層にｎ型不純物を添加することが好ましい。組成傾斜層は、言い換えれば、少しずつ組成が異なる複数のサブ層からなるともいえる。このため、組成傾斜層においては、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。ｎ型不純物を添加すれば固定電荷を遮蔽することができるため、固定電荷の発生に起因する電圧上昇の度合いを低減することができる。
【0029】
ホールブロック層２８は、少なくともその一部にｎ型不純物が含有されていることが好ましい。これにより、ホールをより効率的にブロックすることができる。例えば、第１ホールブロック層２８１はＧａＮからなり、第２ホールブロック層２８２はＩｎＧａＮからなる。
【0030】
（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。多重量子井戸構造の方が単一量子井戸構造に比べて十分な利得を得やすいと考えらえる。活性層３が多重量子井戸構造である場合は、複数の井戸層と、井戸層に挟まれる中間障壁層と、を有する。
例えば活性層３は、ｎ側半導体層２側から順に、井戸層、中間障壁層、井戸層を含む。ｎ側半導体層２に最も近い井戸層とｎ側半導体層２の間にｎ側障壁層３１を設けてもよい。
ｎ側障壁層３１は、ホールブロック層２８の一部としての機能を有していてもよい。ｎ側障壁層３１を省略し、ホールブロック層２８やｎ側光ガイド層（第２ｎ側光ガイド層２７）をｎ側の障壁層として機能させてもよい。同様に、ｐ側半導体層４に最も近い井戸層とｐ側半導体層４の間にｐ側障壁層を設けてもよく、このｐ側障壁層を設けないかこのｐ側障壁層が薄い場合は、ｐ側半導体層４の一部をｐ側の障壁層として機能させてもよい。活性層３中にｐ側障壁層を設ける場合、そのｐ側障壁層の膜厚としては例えば５ｎｍ以下が挙げられる。言い換えれば、ｐ側半導体層４と活性層３中の井戸層との最短距離は例えば５ｎｍ以下とする。また、上述のとおり、ｐ型不純物を添加すると光吸収損失が増大するため、活性層３はｐ型不純物を添加せずに形成することが好ましい。活性層３の各層は、例えばアンドープの層とする。
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。多重量子井戸構造の方が単一量子井戸構造に比べて十分な利得を得やすいと考えらえる。活性層３が多重量子井戸構造である場合は、複数の井戸層と、井戸層に挟まれる中間障壁層と、を有する。
例えば活性層３は、ｎ側半導体層２側から順に、井戸層、中間障壁層、井戸層を含む。ｎ側半導体層２に最も近い井戸層とｎ側半導体層２の間にｎ側障壁層３１を設けてもよい。
ｎ側障壁層３１は、ホールブロック層２８の一部としての機能を有していてもよい。ｎ側障壁層３１を省略し、ホールブロック層２８やｎ側光ガイド層（第２ｎ側光ガイド層２７）をｎ側の障壁層として機能させてもよい。同様に、ｐ側半導体層４に最も近い井戸層とｐ側半導体層４の間にｐ側障壁層を設けてもよく、このｐ側障壁層を設けないかこのｐ側障壁層が薄い場合は、ｐ側半導体層４の一部をｐ側の障壁層として機能させてもよい。活性層３中にｐ側障壁層を設ける場合、そのｐ側障壁層の膜厚としては例えば５ｎｍ以下が挙げられる。言い換えれば、ｐ側半導体層４と活性層３中の井戸層との最短距離は例えば５ｎｍ以下とする。また、上述のとおり、ｐ型不純物を添加すると光吸収損失が増大するため、活性層３はｐ型不純物を添加せずに形成することが好ましい。活性層３の各層は、例えばアンドープの層とする。
【0031】
発振波長５３０ｎｍ以上の半導体レーザ素子とする場合のＩｎｘＧａ１－ｘＮ井戸層のＩｎ組成比ｘ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以上である。井戸層のＩｎ組成比ｘの上限としては、例えば０．５０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。
【0032】
（ｐ側半導体層４）
ｐ側半導体層４は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。ｐ側半導体層４は、ｐ側クラッド層とｐ側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。ｐ電極６として透明導電膜を設ける場合は、これをクラッド層として機能させることができるため、ｐ側半導体層４中にクラッド層を設けなくてもよい。
ｐ側半導体層４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。ｐ側半導体層４は、ｐ側クラッド層とｐ側光ガイド層とを有することができ、これ以外の層を含んでもよい。ｐ電極６として透明導電膜を設ける場合は、これをクラッド層として機能させることができるため、ｐ側半導体層４中にクラッド層を設けなくてもよい。
【0033】
ｐ側半導体層４は１以上のｐ型半導体層を含む。ｐ型半導体層としては、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。ｐ型不純物の活性化率はＳｉ等のｎ型不純物の活性化率よりも低いために、ｐ型半導体層では、ｐ型不純物による自由キャリア吸収損失が増加する。吸収損失が大きいほど、半導体レーザ素子１００のスロープ効率は低下する。一般的に、内部損失αｉには自由キャリア吸収損失αｆｃが含まれるが、自由キャリア吸収損失αｆｃ以外の内部損失をαｉｎｔとすると、レーザ発振に必要な閾値モード利得は自由キャリア吸収損失に依存する以下のモデル式で表される。ここでのαｆｃ、αｉとαｍはそれぞれ自由キャリア吸収損失、平均内部損失、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。Γは活性領域における光閉じ込め係数で、ｇｔｈはレーザ発振する閾値利得を表記している。
Γｇｔｈ＝αｆｃ+αｉｎｔ＋αｍ
Γｇｔｈ＝αｆｃ+αｉｎｔ＋αｍ
【0034】
ここでの自由キャリア吸収損失は活性層３以外での損失も含まれている。例えばｐ型半導体層において、ｐ型の不純物濃度ｎと自由キャリア吸収断面積を反映した係数σｆｃとｐ型半導体層への平均的な漏れ光Γｐの積で近似的な説明ができる。つまりｐ型半導体層の不純物濃度が同じであってもｐ型半導体層への漏れ光が増加すると自由キャリア吸収損失αｆｃは増加する。同様にｐ型半導体層への漏れ光が同じであってもｐ型半導体層の不純物濃度が増加すると自由キャリア吸収損失αｆｃは増加する。ｐ型不純物濃度が低下すると駆動電圧が著しく上昇するという懸念があるため、自由キャリア吸収損失αｆｃの低減のためには、特に、ｐ型不純物濃度が高い層への漏れ光を低減することが有効である。
αｆｃ＝ｎ×σｆｃ×Γp
αｆｃ＝ｎ×σｆｃ×Γp
【0035】
また、上述の式から、ｐ型クラッド層への漏れ光が増加すると自由キャリア吸収損失が増加するため、閾値利得ｇｔｈが増加す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。自由キャリア吸収損失αｆｃを低減させ、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。したがって、この点からも、例えば５３０ｎｍ以上などの長波長のレーザ光を発振可能な半導体レーザ素子１００において、自由キャリア吸収損失を低減することが特に好ましい。またこれよりも短波長側の半導体レーザ素子であっても低閾値電流のレーザ光源が得られるという点で利点があるといえる。
【0036】
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、自由キャリア吸収損失αｆｃを低下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。
【0037】
（第１部分４１）
第１部分４１は、ｐ側半導体層４における活性層３からｐ型不純物含有層までの間を繋ぐ部分である。第１部分４１はｐ型半導体層を含有しない部分である。自由キャリア吸収損失に影響を与えない程度のｐ型不純物濃度及び膜厚であれば、第１部分４１の一部にｐ型不純物含有層を含んでもよいかもしれない。しかし、ｐ型化するために必要なＭｇをドープする場合、１×１０１８／ｃｍ３以上程度のｐ型不純物が必要であり、この場合、自由キャリア吸収損失が増大する可能性が高い。したがって、第１部分４１はｐ型半導体層を含有しない部分であることが好ましい。第１部分４１は、その全体に亘って、ＳＩＭＳ等の分析によってｐ型不純物が検出されない程度にｐ型不純物濃度が低いことが好ましい。例えば、第１部分４１はその全体に亘って製造時に意図的にｐ型不純物を添加せずに形成する。上述のとおり、第１部分４１の厚みが厚いほど第２部分４３への光の漏れを低減することができるため、第１部分４１の厚みは４００ｎｍ以上であることが好ましい。第１部分４１の厚みの上限値は、第２部分４３からのホールの供給が妨げられない程度とすることができる。また、後述する実験結果３に示すとおり、第１部分４１の厚みが厚いほどオーバーフローする電子が増加するため、この観点からは第１部分４１の厚みは薄いことが好ましい。第１部分４１の厚みは、例えば６６０ｎｍ以下とすることができる。また、第１部分４１は、電子障壁層４２との間にバンドギャップ差があることにより、電子のオーバーフローが発生する確率を低減することができる。このため、第１部分４１は、電子障壁層４２と接する層として、電子障壁層４２よりもバンドギャップエネルギーが小さい層を有することが好ましい。
第１部分４１は、ｐ側半導体層４における活性層３からｐ型不純物含有層までの間を繋ぐ部分である。第１部分４１はｐ型半導体層を含有しない部分である。自由キャリア吸収損失に影響を与えない程度のｐ型不純物濃度及び膜厚であれば、第１部分４１の一部にｐ型不純物含有層を含んでもよいかもしれない。しかし、ｐ型化するために必要なＭｇをドープする場合、１×１０１８／ｃｍ３以上程度のｐ型不純物が必要であり、この場合、自由キャリア吸収損失が増大する可能性が高い。したがって、第１部分４１はｐ型半導体層を含有しない部分であることが好ましい。第１部分４１は、その全体に亘って、ＳＩＭＳ等の分析によってｐ型不純物が検出されない程度にｐ型不純物濃度が低いことが好ましい。例えば、第１部分４１はその全体に亘って製造時に意図的にｐ型不純物を添加せずに形成する。上述のとおり、第１部分４１の厚みが厚いほど第２部分４３への光の漏れを低減することができるため、第１部分４１の厚みは４００ｎｍ以上であることが好ましい。第１部分４１の厚みの上限値は、第２部分４３からのホールの供給が妨げられない程度とすることができる。また、後述する実験結果３に示すとおり、第１部分４１の厚みが厚いほどオーバーフローする電子が増加するため、この観点からは第１部分４１の厚みは薄いことが好ましい。第１部分４１の厚みは、例えば６６０ｎｍ以下とすることができる。また、第１部分４１は、電子障壁層４２との間にバンドギャップ差があることにより、電子のオーバーフローが発生する確率を低減することができる。このため、第１部分４１は、電子障壁層４２と接する層として、電子障壁層４２よりもバンドギャップエネルギーが小さい層を有することが好ましい。
【0038】
なお、第１部分４１を、アンドープでなく低濃度ドープの部分とする場合は、その全体に亘って電子障壁層４２のｐ型不純物濃度よりも低いｐ型不純物濃度とすることが好ましく、さらには、電子障壁層４２及び第２部分４３のいずれのｐ型不純物濃度よりも低いｐ型不純物濃度とすることが好ましい。また、第１部分４１のｎ型不純物濃度については、２×１０１８／ｃｍ３未満が挙げられる。好ましくは、第１部分４１は、ＳＩＭＳ分析によってｎ型不純物が検出されない程度に低い（つまり、バックグラウンドレベルの）ｎ型不純物濃度とする。言い換えると、第１部分４１はｎ型不純物を実質的に含まないことが好ましい。
【0039】
（ｐ側組成傾斜層４１１、ｐ側中間層４１２）
第１部分４１は、図２Ａに示すように、ｐ側組成傾斜層４１１とｐ側中間層４１２を有することができる。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に設けられる。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１の上面に接して配置してよく、また、電子障壁層４２の下面に接して配置してよい。第１部分４１の構造は、ｐ側組成傾斜層４１１及びｐ側中間層４１２の両方を有するものに限られないが、上述のとおり、ｐ側組成傾斜層４１１を有することで活性層３への光閉じ込めを強化することができ、ｐ側中間層４１２を有することで第１部分４１の厚みをさらに厚くすることができる。ｐ側組成傾斜層４１１によって活性層３への光閉じ込めを強化することで、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発振波長の短波長シフトを抑制することができるため、発振波長の長波長化に有利である。
第１部分４１は、図２Ａに示すように、ｐ側組成傾斜層４１１とｐ側中間層４１２を有することができる。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に設けられる。ｐ側中間層４１２は、ｐ側組成傾斜層４１１の上面に接して配置してよく、また、電子障壁層４２の下面に接して配置してよい。第１部分４１の構造は、ｐ側組成傾斜層４１１及びｐ側中間層４１２の両方を有するものに限られないが、上述のとおり、ｐ側組成傾斜層４１１を有することで活性層３への光閉じ込めを強化することができ、ｐ側中間層４１２を有することで第１部分４１の厚みをさらに厚くすることができる。ｐ側組成傾斜層４１１によって活性層３への光閉じ込めを強化することで、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発振波長の短波長シフトを抑制することができるため、発振波長の長波長化に有利である。
【0040】
ｐ側組成傾斜層４１１は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなっている層である。ｐ側組成傾斜層４１１は、上面と下面とを有し、そのバンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって大きくなっている。下面側のバンドギャップエネルギーは上面側よりも小さい。図２Ａでは、ｐ側組成傾斜層４１１はスロープ状で示しているが、後述するように組成傾斜層とは互いに組成の異なる複数のサブ層の集合体であるといえるため、ｐ側組成傾斜層４１１において、バンドギャップエネルギーは下面から上面に向かって階段状に増大しているといえる。ｎ側半導体層２中に、ｐ側組成傾斜層４１１と対になるｎ側組成傾斜層を設けてもよい。このようなｎ側組成傾斜層としては、活性層３に近づくにつれてバンドギャップエネルギーが小さくなっている層が挙げられる。例えば、ｐ側組成傾斜層４１１とｎ側組成傾斜層が活性層３を挟んで対称となるように形成する。このように活性層３の両側に組成傾斜層を設けることで、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。ｐ側組成傾斜層４１１による光閉じ込め効果の向上のため、ｐ側組成傾斜層４１１は活性層３の近くに配置されることが好ましい。このため、ｐ側組成傾斜層４１１は活性層３に接して配置されることが好ましい。また、ｐ側組成傾斜層４１１と活性層３中の井戸層３２との最短距離は、５ｎｍ以下であることが好ましい。
【0041】
ｐ側組成傾斜層４１１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４１１の膜厚は、井戸層３２の膜厚よりも厚く、また、ｐ側障壁層３４がある場合はｐ側障壁層３４の膜厚よりも厚い。光閉じ込め効果の向上のために、ｐ側組成傾斜層４１１の膜厚は２００ｎｍ以上であることが好ましい。ｐ側組成傾斜層４１１の膜厚は、５００ｎｍ以下とすることができ、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４１１の下端のバンドギャップエネルギーは、ｐ側障壁層３４を設ける場合、ｐ側障壁層３４のバンドギャップエネルギーよりも小さいことが好ましい。ｐ側組成傾斜層４１１の上端のバンドギャップエネルギーは、ｐ側障壁層３４と同等かそれ以上のバンドギャップエネルギーを有してよい。ｐ側組成傾斜層４１１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に、屈折率が活性層３側から電子障壁層４２側に向かって単調減少し、且つバンドギャップエネルギーが活性層３側から電子障壁層４２側に向かって単調増加する構造であることが好ましい。
【0042】
ｐ側組成傾斜層４１１は、図５に示すように、互いに組成の異なる複数のサブ層４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚからなるともいえる。図５は、ｐ側組成傾斜層４１１及びその付近の一部拡大図であり、サブ層４１１ｃとサブ層４１１ｙの間には明示した以外の多数のサブ層が存在している。ｐ側組成傾斜層４１１をＩｎＧａＮまたはＧａＮで構成する場合、ｐ側組成傾斜層４１１の最も下側のサブ層４１１ａは、ＩｎａＧａ１－ａＮ（０＜ａ＜１）からなり、ｐ側組成傾斜層４１１の最も上側のサブ層４１１ｚは、ＩｎｚＧａ１－ｚＮ（０≦ｚ＜ａ）からなる。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。また、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することができる。このために、ｐ側組成傾斜層４１１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、ｐ側組成傾斜層４１１は下面から上面にかけて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４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚ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４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚの膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。各サブ層４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚ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４１１ａとサブ層４１１ｂ）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。
【0043】
このような範囲はｐ側組成傾斜層４１１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２６０ｎｍのｐ側組成傾斜層４１１において、最も下側のサブ層４１１ａをＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとし最も上側のサブ層４１１ｚをＧａＮ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。ｐ側組成傾斜層４１１において組成が変化する回数は、９０回以上であることが好ましい。ｐ側組成傾斜層４１１の組成変化率（すなわち、隣り合うサブ層の組成比の差）はｐ側組成傾斜層４１１の全体に亘って一定であってもよく、変動していてもよい。ｐ側組成傾斜層４１１の組成変化率はｐ側組成傾斜層４１１の全体に亘って０．００１以下であることが好ましい。ｎ側に組成傾斜層を設ける場合、その組成、組成変化率、膜厚の好ましい範囲は、ｐ側組成傾斜層４１１と同様のものを採用することができる。
【0044】
リッジ４ａの下端はｐ側組成傾斜層４１１に位置しないことが好ましい。もしｐ側組成傾斜層４１１にリッジ４ａの下端を配置すると、リッジ４ａの深さのばらつきによってリッジ４ａの内外での実効屈折率差が大きくばらつくが、リッジ４ａの下端が単一組成の層に位置していれば、リッジ４ａ内外の実効屈折率差のばらつきをそれよりも小さくすることができるためである。このため、ｐ側組成傾斜層４１１を設ける場合は、リッジ４ａの下端を配置するための単一組成の層を設けることが好ましい。この単一組成の層は、リッジ４ａを形成する際の深さのばらつきよりも厚い膜厚であることが好ましい。これにより、リッジ４ａの深さがばらついたとしても、リッジ４ａの下端を単一組成の層の中に位置させることができるため、リッジ４ａの内外の実効屈折率差のばらつきを小さくすることができる。このようなリッジ４ａの下端を配置するための単一組成の層の膜厚は、組成傾斜層を構成するサブ層よりも厚いことが好ましく、例えば２５ｎｍよりも厚くすることができる。単一組成の層の膜厚は例えば６００ｎｍ以下とすることができる。なお、単一組成の層とは、意図的に組成を変動させずに形成した層を指す。
【0045】
ｐ側中間層４１２は、このような単一組成の層として設けることができる。また、ｐ側中間層４１２は多層構造でもよい。ｐ側中間層４１２が多層構造である場合は、ｐ側中間層４１２のうち少なくともリッジ４ａの下端を配置する層を単一組成の層とするとよい。
ｐ側中間層４１２が多層構造である場合、図２Ｂに示すように、ｐ側中間層４１２として、第１層４１２Ａと第２層４１２Ｂを有することができる。第１層４１２Ａは、ｐ側組成傾斜層４１１の平均バンドギャップエネルギーより大きく、且つ、電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２層４１２Ｂは、第１層４１２Ａのバンドギャップエネルギーより大きく、且つ、電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。第１層４１２Ａ及び第２層４１２Ｂはアンドープである。また、屈折率の関係としては、ｐ側組成傾斜層４１１の平均屈折率、第１層４１２Ａの屈折率、第２層４１２Ｂの屈折率の順に小さくすることができる。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。組成傾斜層においては、それを構成する各サブ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。
ｐ側中間層４１２が多層構造である場合、図２Ｂに示すように、ｐ側中間層４１２として、第１層４１２Ａと第２層４１２Ｂを有することができる。第１層４１２Ａは、ｐ側組成傾斜層４１１の平均バンドギャップエネルギーより大きく、且つ、電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２層４１２Ｂは、第１層４１２Ａのバンドギャップエネルギーより大きく、且つ、電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。第１層４１２Ａ及び第２層４１２Ｂはアンドープである。また、屈折率の関係としては、ｐ側組成傾斜層４１１の平均屈折率、第１層４１２Ａの屈折率、第２層４１２Ｂの屈折率の順に小さくすることができる。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。組成傾斜層においては、それを構成する各サブ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。
【0046】
第２層４１２Ｂを設けることにより、第２部分４３への漏れ光を減少させることができ、第２部分４３で生じる自由キャリア吸収損失を低減させることができる。ｐ側中間層４１２として第１層４１２Ａより屈折率の低い第２層４１２Ｂを設けることで、ｐ側中間層４１２を第１層４１２Ａのみで構成する場合よりも、同程度の光閉じ込め効果を得るために必要なｐ側中間層４１２の膜厚を薄くすることができる。上述のとおり、第２部分４３への光の漏れを低減するためには第１部分４１の厚みが厚いことが好ましいが、一方で、電圧をさらに低減させるためには第１部分４１の厚みを薄くすることが有効である。ｐ側組成傾斜層４１１や第２層４１２Ｂを設けることにより、第２部分４３への光の漏れを低減しつつ、電圧上昇の抑制を図ることができる。
【0047】
第１層４１２Ａ及び第２層４１２Ｂはそれぞれ単一組成の層である場合、リッジ４ａの下端は第１層４１２Ａまたは第２層４１２Ｂに位置していることが好ましい。これにより、上述のとおり、リッジ４ａの下端の位置が製造時にばらついたとしてもリッジ４ａの内外の実効屈折率差のばらつきを小さくすることができる。リッジ４ａの下端は、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように第１層４１２Ａに位置していてもよく、図２Ｄに示すように第２層４１２Ｂに位置していてもよい。第１層４１２Ａは例えばＧａＮ層である。第２層４１２Ｂは例えばＡｌＧａＮ層である。この場合、第２層４１２ＢのＡｌ組成比は例えば０．０１％以上とすることができ、１０％以下とすることができる。第２層４１２Ｂの膜厚は１ｎｍ以上とすることができ、６００ｎｍ以下とすることができる。第２層４１２Ｂの屈折率が第１層４１２Ａの屈折率よりも小さい場合、第２層４１２Ｂの膜厚は第１層４１２Ａの膜厚より厚いことが好ましい。これにより、活性層３への光閉じ込めをより強化することができる。例えば、第２層４１２Ｂの膜厚を第１層４１２Ａの膜厚より５０ｎｍ以上厚くする。また、この場合、第１層４１２Ａはｐ側組成傾斜層４１１や第２層４１２Ｂよりも光閉じ込めへの影響が薄いため、第１層４１２Ａの膜厚を薄くすることで、第２部分４３への漏れ光を少なくしつつ、活性層３からオーバーフローする電子を減少させることができる。これによって、半導体レーザ素子のスロープ効率を向上させることが可能である。この観点からは、第１層４１２Ａの膜厚は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。また、第１層４１２Ａの膜厚は、第２層４１２Ｂの膜厚の半分以下とすることが好ましく、４分の１以下とすることがより好ましい。第１層４１２Ａの膜厚は１ｎｍ以上とすることができる。
【0048】
第２層４１２Ｂは、図２Ｂに示すように、第２部分４３の中の電子障壁層４２に接している層（図２Ｂでは下側ｐ型半導体層４３１）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していてもよい。このように、第１部分４１にバンドギャップエネルギーの比較的大きな層を設けることにより、第１部分４１よりも吸収損失の大きい部分である第２部分４３への光漏れを低減可能という利点があると考えられる。また、この場合、ｐ電極６にクラッド層として機能する材料を用いることが好ましい。これにより、第２部分４３にｐ型クラッド層を設けなくてもよいので、バイアス印加時の電圧を低減することができる。これらについて以下に詳述する。
【0049】
まず、ｐ電極６をクラッド層として機能させる場合、ｐ電極６として透光性の材料を用いるが、透光性の材料といっても吸収損失が生じ得る。このため、もしｐ電極６への光漏れが多く、それを低減したいのであれば、第２部分４３中にｐ型クラッド層として機能する層、例えばｐ型でＡｌを含む層を設けることになる。ｐ型クラッド層として機能させるためにはそのＡｌ組成比が比較的大きいことが好ましいが、一方でＡｌ組成比を増加させるほど当該層のｐ型不純物を活性化するために必要な活性化エネルギーが上昇する。第２部分４３のｐ型化が不十分であると、直列抵抗が増大し、バイアス印加時の電圧が上昇するため、第２部分４３にｐ型クラッド層を設ける場合は例えばｐ型不純物の添加量の増加等によってアクセプタ濃度を上昇させる。ただし、ｐ型不純物の添加量が増えれば光吸収損失が増大し、光出力が低下することは上述のとおりである。図２Ｂのように活性層３と電子障壁層４２の間にアンドープのＡｌＧａＮ層を設ける構造であれば、このＡｌＧａＮ層はｐ型化させる必要がないため、Ａｌ組成比を大きくしても電圧は上昇しにくい。また、アンドープのＡｌＧａＮ層であるので光吸収損失も増大しにくい。なお、一般的にアンドープの層は高抵抗の層でありこれを設けると電圧は上昇する傾向があるが、第１部分４１にアンドープのＡｌＧａＮ層を設けることはその一般的な傾向とは異なる。これは、活性層３と電子障壁層４２の間に配置されたアンドープＡｌＧａＮ層は、バイアス印加時に、ドナーが主体となり、活性化エネルギーがドナーよりも大きなアクセプタは少数キャリアとして機能するためと考えられる。したがって、第１部分４１に第２層４１２ＢのようにＡｌ組成比の比較的大きなＡｌＧａＮ層を設けることができる。言い換えると、第１部分４１にバンドギャップエネルギーの大きな層を設けることができる。このような層を設けることにより、第２部分４３への光漏れを低減することができるため、第２部分４３にｐ型クラッド層を設けなくてよい。すなわち、第２部分４３のＡｌ組成比を小さくすることができる。これにより、第２部分４３の直列抵抗を下げることができ、半導体レーザ素子１００の電圧を低減することが可能である。
【0050】
図３Ａ～図３Ｃに、第１部分４１の最上層と、電子障壁層４２と、第２部分４３の最下層とのバンドギャップエネルギーの関係の例を模式的に示す。第１部分４１の最上層は電子障壁層４２の下面に接しており、第２部分４３の最下層は電子障壁層４２の上面に接している。図３Ａでは、最下層のバンドギャップエネルギーが最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。図３Ｂでは、最下層のバンドギャップエネルギーは最上層のバンドギャップエネルギーと等しい。図３Ｃでは、最下層のバンドギャップエネルギーが最上層のバンドギャップエネルギーよりも大きい。上述の理由から、図３Ａに示すように、第２部分４３の最下層（例えば下側ｐ型半導体層４３１）のバンドギャップエネルギーは、第１部分４１の最上層（例えば第２層４１２Ｂ）のバンドギャップエネルギーよりも小さいことが好ましい。これにより、第２部分４３への光漏れを低減可能であり、また、ｐ電極６にクラッド層として機能する材料を用いる構成に適している。この構成の場合、半導体レーザ素子１００のバイアス印加時の電圧を低減可能である。バンドギャップエネルギーの大小関係について、最上層及び／又は最下層が超格子層や組成傾斜層などのバンドギャップエネルギーが一定でない層である場合は、その平均のバンドギャップエネルギーを用いて大小関係を比べてよい。超格子層においては、超格子層を構成する各サブ層のバンドギャップエネルギーと膜厚とを乗算し、その合計値を超格子層の総膜厚で除算したものを超格子層の平均バンドギャップエネルギーとする。これらのバンドギャップエネルギーの大小関係は、最上層および最下層がＡｌＧａＮ層である場合は、Ａｌ組成比の大小関係と言い換えることができる。
【0051】
最下層は、Ａｌ組成比が４%以下であるＡｌＧａＮ層とすることができる。最下層は、Ａｌ組成比が実質的にゼロの層、すなわちＧａＮ層であってもよい。最下層は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ型半導体層とすることができる。最下層はＡｌＩｎＧａＮ等の四元層であってもよい。最下層を含む第２部分４３は、低電圧化のためには、その平均のＡｌ組成比が４%以下であることが好ましい。第１部分４１に設けられる最上層は、好ましくは、一部あるいは全てにＡｌを０．０１％以上含む。より好ましくは、最上層の平均のＡｌ組成比を４％より多くする。また、最上層は第２部分４３を構成する各層（単層であってもよい）のバンドギャップエネルギーのいずれよりも大きなバンドギャップエネルギーを有していてもよい。最上層は、ＡｌＧａＮあるいはＡｌＩｎＧａＮを含んだ超格子層や組成傾斜層としてもよい。なお、最上層から活性層３までを繋ぐ１以上の層は、いずれも、最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する層とすることができる。このような１以上の層は、例えば図２Ｂに示す第１層４１２Ａ及びｐ側組成傾斜層４１１であるが、これらの層でなくてもよい。
【0052】
半導体レーザ素子１００は、以下の構成を備えていてもよい。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、を上方に向かって順に有し、ｐ側半導体層４に上方に突出したリッジ４ａが設けられている。ｐ側半導体層４は、活性層３の上面に接して配置され、１以上の半導体層を有し、アンドープである第１部分４１と、第１部分４１の上面に接して配置され、第１部分４１よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｐ型不純物を含有する電子障壁層４２と、電子障壁層４２の上面に接して配置され、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する第２部分４３と、を有する。第１部分４１は、電子障壁層４２の下面に接する最上層を有し、第２部分４３は、電子障壁層４２の上面に接する最下層を有し、最下層のバンドギャップエネルギーは、最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。リッジ４ａの下端は、第１部分４１に位置している。
【0053】
（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のバンドギャップエネルギーは、第１部分４１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第１部分４１が上述のように多層構造である場合は、電子障壁層４２を、第１部分４１を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層とする。電子障壁層４２がこのような大きなバンドギャップエネルギーを有する層であることにより、電子障壁層４２を、活性層３からオーバーフローした電子に対する障壁として機能させることができる。電子障壁層４２は、第１部分４１の最上層とのバンドギャップエネルギー差が０．１ｅＶ以上であることが好ましい。これらのバンドギャップエネルギー差は例えば１ｅＶ以下とすることができる。電子障壁層４２は、例えば、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する層とする。電子障壁層４２はｐ側組成傾斜層４１１よりも膜厚が小さい層であってもよい。電子障壁層４２を多層構造としてもよい。この場合、電子障壁層４２は、第１部分４１を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層を有する。例えば、図２Ａ等に示すように、第１電子障壁層４２Ａと第２電子障壁層４２Ｂとを有していてもよい。なお、第１部分４１や電子障壁層４２が超格子層を有する場合は、超格子層を構成する各層のバンドギャップエネルギーではなく、超格子層の平均のバンドギャップエネルギーを用いて大小関係を比較する。電子障壁層４２は、例えばＡｌＧａＮからなる。電子障壁層４２がＡｌＧａＮである場合、そのＡｌ組成比は８～３０％としてよい。電子障壁層４２の膜厚は、例えば５ｎｍ以上とすることができ、１００ｎｍ以下とすることができる。
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のバンドギャップエネルギーは、第１部分４１のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第１部分４１が上述のように多層構造である場合は、電子障壁層４２を、第１部分４１を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層とする。電子障壁層４２がこのような大きなバンドギャップエネルギーを有する層であることにより、電子障壁層４２を、活性層３からオーバーフローした電子に対する障壁として機能させることができる。電子障壁層４２は、第１部分４１の最上層とのバンドギャップエネルギー差が０．１ｅＶ以上であることが好ましい。これらのバンドギャップエネルギー差は例えば１ｅＶ以下とすることができる。電子障壁層４２は、例えば、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する層とする。電子障壁層４２はｐ側組成傾斜層４１１よりも膜厚が小さい層であってもよい。電子障壁層４２を多層構造としてもよい。この場合、電子障壁層４２は、第１部分４１を構成するいずれの層よりもバンドギャップエネルギーが大きな層を有する。例えば、図２Ａ等に示すように、第１電子障壁層４２Ａと第２電子障壁層４２Ｂとを有していてもよい。なお、第１部分４１や電子障壁層４２が超格子層を有する場合は、超格子層を構成する各層のバンドギャップエネルギーではなく、超格子層の平均のバンドギャップエネルギーを用いて大小関係を比較する。電子障壁層４２は、例えばＡｌＧａＮからなる。電子障壁層４２がＡｌＧａＮである場合、そのＡｌ組成比は８～３０％としてよい。電子障壁層４２の膜厚は、例えば５ｎｍ以上とすることができ、１００ｎｍ以下とすることができる。
【0054】
図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、リッジ４ａの底面から電子障壁層４２までの最短距離は、リッジ４ａの上面から電子障壁層４２までの最短距離よりも大きいことが好ましい。
このような配置により、光強度のピークを電子障壁層４２等のｐ型不純物を含有する部分から遠ざけることができ、また、リッジ４ａの下端と活性層３との距離を短くすることができる。リッジ４ａの底面から電子障壁層４２までの最短距離とは、図１に示すような断面視において、リッジ４ａの下端と下端を結ぶ仮想的な直線から電子障壁層４２の下面までの最短距離を指す。言い換えれば、電子障壁層４２がリッジ４ａの中でも上寄りに位置しているといえる。また、リッジ４ａの底面から活性層３までの最短距離を例えば４３６ｎｍ程度とすると、Ｉ－Ｌ特性カーブにキンクが発生することがある。このため、リッジ４ａの底面から活性層３までの最短距離は４３０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、水平横方向の光閉じ込めを強化することができる。
このような配置により、光強度のピークを電子障壁層４２等のｐ型不純物を含有する部分から遠ざけることができ、また、リッジ４ａの下端と活性層３との距離を短くすることができる。リッジ４ａの底面から電子障壁層４２までの最短距離とは、図１に示すような断面視において、リッジ４ａの下端と下端を結ぶ仮想的な直線から電子障壁層４２の下面までの最短距離を指す。言い換えれば、電子障壁層４２がリッジ４ａの中でも上寄りに位置しているといえる。また、リッジ４ａの底面から活性層３までの最短距離を例えば４３６ｎｍ程度とすると、Ｉ－Ｌ特性カーブにキンクが発生することがある。このため、リッジ４ａの底面から活性層３までの最短距離は４３０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、水平横方向の光閉じ込めを強化することができる。
【0055】
（第２部分４３）
第２部分４３は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する。第２部分４３が有するｐ型半導体層のｐ型不純物の濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上とすることができ、１×１０２２／ｃｍ３以下とすることができる。上述のとおり、第２部分４３の厚みを薄くすることで駆動電圧を低減することができるため、第２部分４３の厚みは、２６０ｎｍ以下であることが好ましい。第２部分４３の厚みは、１０ｎｍ以上とすることができる。第２部分４３はアンドープ層を含んでいてもよいが、第２部分４３の中にアンドープ層があると第２部分４３の抵抗より高くなるため、好ましくは第２部分４３の全体にｐ型不純物を含有させることが好ましい。超格子層の場合はその平均的なｐ型不純物濃度をその超格子層のｐ型不純物濃度と見做すことができるため、第２部分４３が超格子層を有する場合、その超格子層はアンドープの層とｐ型不純物含有層との積層構造を有していてもよい。
第２部分４３は、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する。第２部分４３が有するｐ型半導体層のｐ型不純物の濃度は、例えば、１×１０１８／ｃｍ３以上とすることができ、１×１０２２／ｃｍ３以下とすることができる。上述のとおり、第２部分４３の厚みを薄くすることで駆動電圧を低減することができるため、第２部分４３の厚みは、２６０ｎｍ以下であることが好ましい。第２部分４３の厚みは、１０ｎｍ以上とすることができる。第２部分４３はアンドープ層を含んでいてもよいが、第２部分４３の中にアンドープ層があると第２部分４３の抵抗より高くなるため、好ましくは第２部分４３の全体にｐ型不純物を含有させることが好ましい。超格子層の場合はその平均的なｐ型不純物濃度をその超格子層のｐ型不純物濃度と見做すことができるため、第２部分４３が超格子層を有する場合、その超格子層はアンドープの層とｐ型不純物含有層との積層構造を有していてもよい。
【0056】
第２部分４３は、図２Ａに示すように、上側ｐ型半導体層４３２と、下側ｐ型半導体層４３１を有することができる。上側ｐ型半導体層４３２は、リッジ４ａの上面を構成する。すなわち、上側ｐ型半導体層４３２は第２部分４３の最上層であり、リッジ４ａの最上層である。上側ｐ型半導体層４３２はｐ側コンタクト層として機能する。下側ｐ型半導体層４３１は、上側ｐ型半導体層４３２と電子障壁層４２の間に配置されており、上側ｐ型半導体層４３２より大きいバンドギャップエネルギーを有する。
【0057】
下側ｐ型半導体層４３１は、例えばＡｌＧａＮからなる。上側ｐ型半導体層４３２は、例えばＧａＮからなる。下側ｐ型半導体層４３１は、電子障壁層４２と上側ｐ型半導体層４３２との間のバンドギャップエネルギーを有することが好ましい。ｐ型不純物を含有するＡｌＧａＮはｐ型不純物を含有するＧａＮよりも抵抗が高くなりやすいため、上側ｐ型半導体層４３２はｐ型不純物が添加されたＧａＮ層であることが好ましい。そして、上側ｐ型半導体層４３２の下にＡｌＧａＮからなる下側ｐ型半導体層を設けることで、第２部分４３がＧａＮ層のみで形成された場合と比較して、活性層３への光閉じ込めを強めることができる。また、下側ｐ型半導体層４３１のＡｌ組成比が電子障壁層４２のＡｌ組成比よりも小さいことにより、下側ｐ型半導体層４３１を電子障壁層４２よりも低抵抗化することが可能である。下側ｐ型半導体層４３１は、ｐ側クラッド層として機能させてもよい。下側ｐ型半導体層４３１は、ｐ型ＧａＮ層としてもよく、これにより、第２部分４３の抵抗をより低くすることができる。この場合、ｐ電極をＩＴＯ等のクラッド層として機能する材料で形成することが好ましい。
【0058】
上側ｐ型半導体層４３２の膜厚は、例えば、５～３０ｎｍとすることができる。下側ｐ型半導体層４３１の膜厚は、例えば、１～２６０ｎｍとすることができる。下側ｐ型半導体層４３１の膜厚は、ｐ側中間層４１２の膜厚よりも薄くすることができ、さらには、第２層４１２Ｂの膜厚よりも薄くすることができる。下側ｐ型半導体層４３１と第２層４１２Ｂは、いずれもＡｌＧａＮ層としてよく、そのＡｌ組成比を同一としてもよい。下側ｐ型半導体層４３１は、例えば電子障壁層４２よりも膜厚が厚い。したがって、自由キャリア吸収損失を低減するために、下側ｐ型半導体層４３１のｐ型不純物濃度は、電子障壁層４２のｐ型不純物濃度よりも低いことが好ましい。
【0059】
（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膜又は多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、リッジ４ａの上面に設けられる。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。
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膜又は多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、リッジ４ａの上面に設けられる。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。
【0060】
ｐ電極６は、活性層３の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜であることが好ましい。これにより、クラッド層として機能させることができる。さらには、ｐ電極６は、第２部分４３の屈折率よりも小さい屈折率を有する透明導電膜であることが好ましい。
これにより、光閉じ込め効果をより得ることができる。また、第２部分４３にｐ側クラッド層を設ける場合は、例えばＡｌ組成比が比較的高くｐ型不純物が添加されたＡｌＧａＮ層をｐ側クラッド層として設けるが、Ａｌ組成比が高いほど抵抗が高くなりやすい。ｐ電極６をクラッド層として機能させれば、第２部分４３にｐ側クラッド層を設けなくてもよいか、あるいはｐ側クラッド層を設ける場合でもそのＡｌ組成比を低くすることができる。このため、抵抗を低減することができ、半導体レーザ素子１００の駆動電圧を低減することができる。クラッド層として機能するｐ電極６としては、例えばＩＴＯからなるｐ電極６が挙げられる。
これにより、光閉じ込め効果をより得ることができる。また、第２部分４３にｐ側クラッド層を設ける場合は、例えばＡｌ組成比が比較的高くｐ型不純物が添加されたＡｌＧａＮ層をｐ側クラッド層として設けるが、Ａｌ組成比が高いほど抵抗が高くなりやすい。ｐ電極６をクラッド層として機能させれば、第２部分４３にｐ側クラッド層を設けなくてもよいか、あるいはｐ側クラッド層を設ける場合でもそのＡｌ組成比を低くすることができる。このため、抵抗を低減することができ、半導体レーザ素子１００の駆動電圧を低減することができる。クラッド層として機能するｐ電極６としては、例えばＩＴＯからなるｐ電極６が挙げられる。
【0061】
（製造方法）
実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法は、図６Ａのフローチャートに示す工程Ｓ１０１～Ｓ１０６を有することができる。工程Ｓ１０１では、基板１の上に、ｎ側半導体層２を形成する。工程Ｓ１０２では、ｎ側半導体層２の上に、活性層３を形成する。工程Ｓ１０３では、活性層３の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分４１をアンドープで形成する。工程Ｓ１０４では、第１部分４１の上面に、第１部分４１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電子障壁層４２を、ｐ型不純物をドープして形成する。工程Ｓ１０５では、電子障壁層４２の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分４３を形成する。工程Ｓ１０６では、第１部分４１と電子障壁層４２と第２部分４３とを含むｐ側半導体層４の一部を除去することにより、上方に突出したリッジ４ａを形成する。これらの工程により、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を上方に向かって順に有し、ｐ側半導体層４に上方に突出したリッジ４ａが設けられた半導体レーザ素子１００を得ることができる。各工程によって得られる層等の作用効果や好ましい構成等は、上に述べた通りである。例えば、図６Ｂに示すように、第１部分４１を形成する工程Ｓ１０３は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるｐ側組成傾斜層４１１をアンドープで形成する工程Ｓ１０３Ａと、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に、ｐ側中間層４１２をアンドープで形成する工程Ｓ１０３Ｂと、を含むことができる。この場合、リッジ４ａを形成する工程Ｓ１０６において、リッジ４ａの下端がｐ側中間層４１２に位置するようにｐ側半導体層４の一部を除去することができる。また、第２部分４３を形成する工程Ｓ１０５において、第１部分４１の厚みよりも薄い厚みを有する第２部分４３を形成することができる。この場合、リッジ４ａを形成する工程Ｓ１０６において、リッジ４ａの下端が第１部分４１に位置するようにｐ側半導体層４の一部を除去することができる。また、第２部分４３を形成する工程Ｓ１０５において、第２部分４３の最下層として、第１部分４１の最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する層を形成してもよい。
実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法は、図６Ａのフローチャートに示す工程Ｓ１０１～Ｓ１０６を有することができる。工程Ｓ１０１では、基板１の上に、ｎ側半導体層２を形成する。工程Ｓ１０２では、ｎ側半導体層２の上に、活性層３を形成する。工程Ｓ１０３では、活性層３の上面に、１以上の半導体層を有する第１部分４１をアンドープで形成する。工程Ｓ１０４では、第１部分４１の上面に、第１部分４１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電子障壁層４２を、ｐ型不純物をドープして形成する。工程Ｓ１０５では、電子障壁層４２の上面に、ｐ型不純物をドープして形成するｐ型半導体層を１以上有する第２部分４３を形成する。工程Ｓ１０６では、第１部分４１と電子障壁層４２と第２部分４３とを含むｐ側半導体層４の一部を除去することにより、上方に突出したリッジ４ａを形成する。これらの工程により、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を上方に向かって順に有し、ｐ側半導体層４に上方に突出したリッジ４ａが設けられた半導体レーザ素子１００を得ることができる。各工程によって得られる層等の作用効果や好ましい構成等は、上に述べた通りである。例えば、図６Ｂに示すように、第１部分４１を形成する工程Ｓ１０３は、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるｐ側組成傾斜層４１１をアンドープで形成する工程Ｓ１０３Ａと、ｐ側組成傾斜層４１１の上方に、ｐ側中間層４１２をアンドープで形成する工程Ｓ１０３Ｂと、を含むことができる。この場合、リッジ４ａを形成する工程Ｓ１０６において、リッジ４ａの下端がｐ側中間層４１２に位置するようにｐ側半導体層４の一部を除去することができる。また、第２部分４３を形成する工程Ｓ１０５において、第１部分４１の厚みよりも薄い厚みを有する第２部分４３を形成することができる。この場合、リッジ４ａを形成する工程Ｓ１０６において、リッジ４ａの下端が第１部分４１に位置するようにｐ側半導体層４の一部を除去することができる。また、第２部分４３を形成する工程Ｓ１０５において、第２部分４３の最下層として、第１部分４１の最上層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する層を形成してもよい。
【0062】
（実施例１）
実施例１として、図２Ａ及び図４に示すｐ側半導体層４を有する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。
実施例１として、図２Ａ及び図４に示すｐ側半導体層４を有する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。
【0063】
＋ｃ面を上面とするｎ型ＧａＮ基板（基板１）上に、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４とを成長させた。
まず、ｎ側半導体層２として、Ｓｉを添加した膜厚１．０μｍのＡｌ０．０１８Ｇａ０．９８２Ｎ層（下地層２１）と、Ｓｉを添加した膜厚２５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第１ｎ側クラッド層２２）と、Ｓｉを添加した膜厚１５０ｎｍのＩｎ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層（クラック防止層２３）と、Ｓｉを添加した膜厚１０ｎｍのＧａＮ層（中間層２４）と、Ｓｉを添加した膜厚６５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第２ｎ側クラッド層２５）と、Ｓｉを添加した膜厚２００ｎｍのＧａＮ層（第１ｎ側光ガイド層２６）と、アンドープの膜厚２６０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層（第２ｎ側光ガイド層２７）と、Ｓｉを添加した膜厚１．２ｎｍのＧａＮ層（第１ホールブロック層２８１）と、Ｓｉを添加した膜厚４ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第２ホールブロック層２８２）と、をこの順に成長させた。
次に、Ｓｉを添加したＧａＮ層（ｎ側障壁層３１）と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２）と、アンドープのＧａＮ層（中間障壁層）と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２）と、アンドープのＧａＮ層（ｐ側障壁層３４）をこの順に含む活性層３を成長させた。
次に、ｐ側半導体層４として、アンドープの膜厚２６０ｎｍの組成傾斜層（ｐ側組成傾斜層４１１）と、アンドープの膜厚２００ｎｍのＧａＮ層（ｐ側中間層４１２）と、Ｍｇを添加した膜厚３．９ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０.９０Ｎ層（第１電子障壁層４２Ａ）と、Ｍｇを添加した膜厚７ｎｍのＡｌ０．１６Ｇａ０.８４Ｎ層（第２電子障壁層４２Ｂ）と、Ｍｇを添加した膜厚３００ｎｍのＡｌ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層（下側ｐ型半導体層４３１）と、Ｍｇを添加した膜厚１５ｎｍのＧａＮ層（上側ｐ型半導体層４３２）と、をこの順に成長させた。
ｐ側組成傾斜層４１１は、成長の始端をＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ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。
まず、ｎ側半導体層２として、Ｓｉを添加した膜厚１．０μｍのＡｌ０．０１８Ｇａ０．９８２Ｎ層（下地層２１）と、Ｓｉを添加した膜厚２５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第１ｎ側クラッド層２２）と、Ｓｉを添加した膜厚１５０ｎｍのＩｎ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層（クラック防止層２３）と、Ｓｉを添加した膜厚１０ｎｍのＧａＮ層（中間層２４）と、Ｓｉを添加した膜厚６５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（第２ｎ側クラッド層２５）と、Ｓｉを添加した膜厚２００ｎｍのＧａＮ層（第１ｎ側光ガイド層２６）と、アンドープの膜厚２６０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層（第２ｎ側光ガイド層２７）と、Ｓｉを添加した膜厚１．２ｎｍのＧａＮ層（第１ホールブロック層２８１）と、Ｓｉを添加した膜厚４ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第２ホールブロック層２８２）と、をこの順に成長させた。
次に、Ｓｉを添加したＧａＮ層（ｎ側障壁層３１）と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２）と、アンドープのＧａＮ層（中間障壁層）と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（井戸層３２）と、アンドープのＧａＮ層（ｐ側障壁層３４）をこの順に含む活性層３を成長させた。
次に、ｐ側半導体層４として、アンドープの膜厚２６０ｎｍの組成傾斜層（ｐ側組成傾斜層４１１）と、アンドープの膜厚２００ｎｍのＧａＮ層（ｐ側中間層４１２）と、Ｍｇを添加した膜厚３．９ｎｍのＡｌ０．１０Ｇａ０.９０Ｎ層（第１電子障壁層４２Ａ）と、Ｍｇを添加した膜厚７ｎｍのＡｌ０．１６Ｇａ０.８４Ｎ層（第２電子障壁層４２Ｂ）と、Ｍｇを添加した膜厚３００ｎｍのＡｌ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層（下側ｐ型半導体層４３１）と、Ｍｇを添加した膜厚１５ｎｍのＧａＮ層（上側ｐ型半導体層４３２）と、をこの順に成長させた。
ｐ側組成傾斜層４１１は、成長の始端をＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ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。
【0064】
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、リッジ４ａ、絶縁膜５、ｐ電極６、ｐ側パッド電極７、ｎ電極８を形成し、光出射端面及び光反射端面にそれぞれ反射膜を形成し、個片化して半導体レーザ素子１００を得た。
リッジ４ａの深さは約３４０ｎｍとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端が第１層４１２Ａに位置するように形成した。また、ｐ電極６として、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。実施例１に係る半導体レーザ素子１００が出射するレーザ光のピーク波長は約５３０ｎｍであった。
リッジ４ａの深さは約３４０ｎｍとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端が第１層４１２Ａに位置するように形成した。また、ｐ電極６として、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。実施例１に係る半導体レーザ素子１００が出射するレーザ光のピーク波長は約５３０ｎｍであった。
【0065】
（実施例２）
実施例２として、図２Ｂに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
すなわち、ｐ側中間層４１２として第１層４１２Ａだけでなくアンドープの膜厚１００ｎｍのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第２層４１２Ｂ）も形成し、且つ、下側ｐ型半導体層４３１の膜厚を２００ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。
実施例２として、図２Ｂに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
すなわち、ｐ側中間層４１２として第１層４１２Ａだけでなくアンドープの膜厚１００ｎｍのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（第２層４１２Ｂ）も形成し、且つ、下側ｐ型半導体層４３１の膜厚を２００ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。
【0066】
（実施例３）
実施例３として、図２Ｃに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
すなわち、第２層４１２Ｂの膜厚を２００ｎｍとし、下側ｐ型半導体層４３１の膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は実施例２と同様の半導体レーザ素子を作製した。
実施例３として、図２Ｃに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
すなわち、第２層４１２Ｂの膜厚を２００ｎｍとし、下側ｐ型半導体層４３１の膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は実施例２と同様の半導体レーザ素子を作製した。
【0067】
（実施例４）
実施例４として、第１層４１２Ａの膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。
実施例４として、第１層４１２Ａの膜厚を１００ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。
【0068】
（実施例５）
実施例５として、第１層４１２Ａの膜厚を５０ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。
実施例５として、第１層４１２Ａの膜厚を５０ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。
【0069】
（実施例６）
実施例６として、図２Ｄに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
実施例６では、リッジ４ａの深さを２７０ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、実施例１乃至５の半導体レーザ素子はリッジ４ａの下端が第１層４１２Ａに位置するように形成したが、実施例６の半導体レーザ素子はリッジ４ａの下端が第２層４１２Ｂに位置するように形成した。
実施例６として、図２Ｄに示すｐ側半導体層４を有する半導体レーザ素子を作製した。
実施例６では、リッジ４ａの深さを２７０ｎｍとしたこと以外は実施例３と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、実施例１乃至５の半導体レーザ素子はリッジ４ａの下端が第１層４１２Ａに位置するように形成したが、実施例６の半導体レーザ素子はリッジ４ａの下端が第２層４１２Ｂに位置するように形成した。
【0070】
（比較例１～４）
比較例１として、リッジ４ａの深さを２７０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例１の半導体レーザ素子は、リッジ４ａの下端が下側ｐ型半導体層４３１に位置するように形成した。また、比較例２及び比較例３として、ｐ側中間層４１２の膜厚が異なる以外は比較例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。比較例２のｐ側中間層４１２の膜厚は３００ｎｍとし、比較例３のｐ側中間層４１２の膜厚は４００ｎｍとした。比較例４として、ｐ側中間層４１２を設けないこと以外は比較例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例１乃至４の半導体レーザ素子はいずれもリッジ４ａの下端が下側ｐ型半導体層４３１に位置しており、活性層３から電子障壁層４２までの最短距離が、比較例４、比較例１、比較例２、比較例３の順に長くなるように形成した。比較例１乃至４の半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は約５２５ｎｍであった。
比較例１として、リッジ４ａの深さを２７０ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例１の半導体レーザ素子は、リッジ４ａの下端が下側ｐ型半導体層４３１に位置するように形成した。また、比較例２及び比較例３として、ｐ側中間層４１２の膜厚が異なる以外は比較例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。比較例２のｐ側中間層４１２の膜厚は３００ｎｍとし、比較例３のｐ側中間層４１２の膜厚は４００ｎｍとした。比較例４として、ｐ側中間層４１２を設けないこと以外は比較例１と同様の半導体レーザ素子を作製した。すなわち、比較例１乃至４の半導体レーザ素子はいずれもリッジ４ａの下端が下側ｐ型半導体層４３１に位置しており、活性層３から電子障壁層４２までの最短距離が、比較例４、比較例１、比較例２、比較例３の順に長くなるように形成した。比較例１乃至４の半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は約５２５ｎｍであった。
【0071】
（実験結果１）
まず、比較例１乃至４の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図８に示す。図８のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図８において、細い実線は比較例１を示し、細い破線は比較例２を示し、太い破線は比較例３を示し、太い実線は比較例４を示す。図８に示すように、リッジ４ａの下端が電子障壁層４２より上に位置している比較例１乃至４では、活性層３から電子障壁層４２までの最短距離が増加するほどＩ－Ｌ特性が不安定になった。比較例１及び２は、比較例４よりも光出力が向上し、スロープ効率も向上したが、Ｉ－Ｌ特性グラフにおいて一部が折れ曲がるキンクが発生した。比較例１及び２の半導体レーザ素子では、ｐ側中間層４１２を設けたことにより活性層３からリッジ４ａの下端までの距離も長くなったため、比較例４よりもリッジ４ａの内外での実効的な屈折率差が減少した。これにより、比較例１及び２の半導体レーザ素子では水平横モードが不安定になり、キンクが発生したと考えられる。また、ｐ側中間層４１２をさらに厚くした比較例３の半導体レーザ素子は、キンクが発生したのみならず、比較例４の半導体レーザ素子よりも光出力が低下した。このように、リッジ４ａの下端が電子障壁層４２より上に位置している場合は、ｐ側中間層４１２を設けて効率を向上させようとしてもキンクが発生するなどＩ－Ｌ特性が不安定になった。
まず、比較例１乃至４の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図８に示す。図８のグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図８において、細い実線は比較例１を示し、細い破線は比較例２を示し、太い破線は比較例３を示し、太い実線は比較例４を示す。図８に示すように、リッジ４ａの下端が電子障壁層４２より上に位置している比較例１乃至４では、活性層３から電子障壁層４２までの最短距離が増加するほどＩ－Ｌ特性が不安定になった。比較例１及び２は、比較例４よりも光出力が向上し、スロープ効率も向上したが、Ｉ－Ｌ特性グラフにおいて一部が折れ曲がるキンクが発生した。比較例１及び２の半導体レーザ素子では、ｐ側中間層４１２を設けたことにより活性層３からリッジ４ａの下端までの距離も長くなったため、比較例４よりもリッジ４ａの内外での実効的な屈折率差が減少した。これにより、比較例１及び２の半導体レーザ素子では水平横モードが不安定になり、キンクが発生したと考えられる。また、ｐ側中間層４１２をさらに厚くした比較例３の半導体レーザ素子は、キンクが発生したのみならず、比較例４の半導体レーザ素子よりも光出力が低下した。このように、リッジ４ａの下端が電子障壁層４２より上に位置している場合は、ｐ側中間層４１２を設けて効率を向上させようとしてもキンクが発生するなどＩ－Ｌ特性が不安定になった。
【0072】
（実験結果２）
実施例１乃至３の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図９Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図９Ｂに示す。図９Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図９Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、細い実線が実施例１を示し、太い実線が実施例２を示し、破線が実施例３を示す。まず、図８及び図９Ａを用いて、実施例１乃至３と比較例１乃至３を比較する。活性層３から電子障壁層４２までの最短距離は、実施例１と比較例１が同じであり、実施例２と比較例２が同じであり、実施例３と比較例３が同じである。図８及び図９Ａからわかるとおり、比較例１乃至３では活性層３から電子障壁層４２までの距離を長くするほどＩ－Ｌ特性が不安定になったが、実施例１乃至３では活性層３から電子障壁層４２までの距離に関わらずＩ－Ｌ特性はほぼ同じであった。これは、実施例１乃至３の半導体レーザ素子１００においてリッジ４ａを深く形成したことにより、横方向の光閉じ込めが強くなり、水平横モードが安定したためであると考えられる。なお、実施例１乃至３よりも比較例１乃至３の方が光出力が高いのは、比較例１乃至３の方が発振波長が短いためであり、リッジ４ａの深さの相違により光出力に差が生じたとはいえない。
実施例１乃至３の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図９Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図９Ｂに示す。図９Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図９Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、細い実線が実施例１を示し、太い実線が実施例２を示し、破線が実施例３を示す。まず、図８及び図９Ａを用いて、実施例１乃至３と比較例１乃至３を比較する。活性層３から電子障壁層４２までの最短距離は、実施例１と比較例１が同じであり、実施例２と比較例２が同じであり、実施例３と比較例３が同じである。図８及び図９Ａからわかるとおり、比較例１乃至３では活性層３から電子障壁層４２までの距離を長くするほどＩ－Ｌ特性が不安定になったが、実施例１乃至３では活性層３から電子障壁層４２までの距離に関わらずＩ－Ｌ特性はほぼ同じであった。これは、実施例１乃至３の半導体レーザ素子１００においてリッジ４ａを深く形成したことにより、横方向の光閉じ込めが強くなり、水平横モードが安定したためであると考えられる。なお、実施例１乃至３よりも比較例１乃至３の方が光出力が高いのは、比較例１乃至３の方が発振波長が短いためであり、リッジ４ａの深さの相違により光出力に差が生じたとはいえない。
【0073】
また、下側ｐ型半導体層４３１の膜厚は実施例１、実施例２、実施例３の順に薄いが、図９Ｂに示すように、下側ｐ型半導体層４３１を薄くすることにより、半導体レーザ素子１００を駆動する際の電圧を低減することが確認された。これは、下側ｐ型半導体層４３１がＡｌＧａＮ層という直列抵抗が比較的高い層であるためと考えられる。第２層４１２ＢもＡｌＧａＮ層であり、ｐ側半導体層４中にこのようなアンドープのＡｌＧａＮ層を設けると電気抵抗が上昇し活性層３へのホールの注入確率が減少する場合があり得るが、図９Ａ及び図９Ｂに示す結果ではその影響は見られなかった。これは、電圧印加時に第２層４１２Ｂのバンドが曲がり、これによってホールの注入が促進されたためであると考えられる。加えて、電圧印加時には、活性層３からオーバーフローした電子が第１部分４１を満たしていると考えられる。
【0074】
（実験結果３）
実施例３乃至５の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図１０Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図１０Ｂに示す。図１０Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図１０Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、破線が実施例３を示し、実線が実施例４を示し、一点鎖線が実施例５を示す。第１層４１２Ａの膜厚は実施例３、実施例４、実施例５の順に薄くなっており、図１０Ａに示すとおり、第１層４１２Ａの膜厚を薄くすることでスロープ効率が向上することが確認された。上述のとおり、ｐ型不純物を含有する電子障壁層４２及び第２部分４３を活性層３から遠ざけることにより、自由キャリア吸収損失の多い第２部分４３への光漏れΓｐを減少させることができる。しかし一方で、電子障壁層４２を活性層３から離すほど活性層３からオーバーフローする電子が増加する。そこで、ｐ側組成傾斜層４１１や第２層４１２Ｂよりも光閉じ込めへの影響が薄い第１層４１２Ａの膜厚を薄くすることで、オーバーフローする電子の増加を抑制しつつ、第２部分４３への漏れ光も少なくすることができ、これによって、スロープ効率が向上したと考えられる。また、図１０Ｂに示すとおり、第１層４１２Ａの膜厚の変化は駆動電圧にほとんど影響を与えないことが確認された。
実施例３乃至５の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図１０Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図１０Ｂに示す。図１０Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図１０Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、破線が実施例３を示し、実線が実施例４を示し、一点鎖線が実施例５を示す。第１層４１２Ａの膜厚は実施例３、実施例４、実施例５の順に薄くなっており、図１０Ａに示すとおり、第１層４１２Ａの膜厚を薄くすることでスロープ効率が向上することが確認された。上述のとおり、ｐ型不純物を含有する電子障壁層４２及び第２部分４３を活性層３から遠ざけることにより、自由キャリア吸収損失の多い第２部分４３への光漏れΓｐを減少させることができる。しかし一方で、電子障壁層４２を活性層３から離すほど活性層３からオーバーフローする電子が増加する。そこで、ｐ側組成傾斜層４１１や第２層４１２Ｂよりも光閉じ込めへの影響が薄い第１層４１２Ａの膜厚を薄くすることで、オーバーフローする電子の増加を抑制しつつ、第２部分４３への漏れ光も少なくすることができ、これによって、スロープ効率が向上したと考えられる。また、図１０Ｂに示すとおり、第１層４１２Ａの膜厚の変化は駆動電圧にほとんど影響を与えないことが確認された。
【0075】
（実験結果４）
実施例３及び６の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図１１Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図１１Ｂに示す。図１１Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図１１Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、破線が実施例３を示し、実線が実施例６を示す。リッジ４ａの深さは実施例３よりも実施例６の方が浅いが、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すとおり、いずれも同程度の特性を示した。
実施例３及び６の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図１１Ａに示し、Ｉ－Ｖ特性を図１１Ｂに示す。図１１Ａのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は光出力を示す。図１１Ｂのグラフにおいて、横軸は電流を示し、縦軸は電圧を示す。図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、破線が実施例３を示し、実線が実施例６を示す。リッジ４ａの深さは実施例３よりも実施例６の方が浅いが、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すとおり、いずれも同程度の特性を示した。
【符号の説明】
【0076】
１００ 半導体レーザ素子
１ 基板
２ ｎ側半導体層
２１ 下地層
２２ 第１ｎ側クラッド層
２３ クラック防止層
２４ 中間層
２５ 第２ｎ側クラッド層
２６ 第１ｎ側光ガイド層
２７ 第２ｎ側光ガイド層
２８ ホールブロック層
２８１ 第１ホールブロック層
２８２ 第２ホールブロック層
３ 活性層
３１ ｎ側障壁層
３２ 井戸層
３４ ｐ側障壁層
４ ｐ側半導体層
４１ 第１部分
４１１ ｐ側組成傾斜層
４１２ ｐ側中間層
４１２Ａ 第１層
４１２Ｂ 第２層
４２ 電子障壁層
４２Ａ 第１電子障壁層
４２Ｂ 第２電子障壁層
４３ 第２部分
４３１ 下側ｐ型半導体層
４３２ 上側ｐ型半導体層
４ａ リッジ
５ 絶縁膜
６ ｐ電極
７ ｐ側パッド電極
８ ｎ電極
４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚ サブ層
１ 基板
２ ｎ側半導体層
２１ 下地層
２２ 第１ｎ側クラッド層
２３ クラック防止層
２４ 中間層
２５ 第２ｎ側クラッド層
２６ 第１ｎ側光ガイド層
２７ 第２ｎ側光ガイド層
２８ ホールブロック層
２８１ 第１ホールブロック層
２８２ 第２ホールブロック層
３ 活性層
３１ ｎ側障壁層
３２ 井戸層
３４ ｐ側障壁層
４ ｐ側半導体層
４１ 第１部分
４１１ ｐ側組成傾斜層
４１２ ｐ側中間層
４１２Ａ 第１層
４１２Ｂ 第２層
４２ 電子障壁層
４２Ａ 第１電子障壁層
４２Ｂ 第２電子障壁層
４３ 第２部分
４３１ 下側ｐ型半導体層
４３２ 上側ｐ型半導体層
４ａ リッジ
５ 絶縁膜
６ ｐ電極
７ ｐ側パッド電極
８ ｎ電極
４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚ サブ層
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】