JP6327323B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

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）。

特開２００３−２７３４７３号公報 特開２０１４−１３１０１９号公報

窒化物半導体レーザ素子には、さらなる長波長化や長波長域の特性向上が求められている。例えば、長波長且つ良好な特性の緑色レーザであれば、プロジェクタ用光源として用いることができるなど、適用の幅が広がることが期待される。

窒化物半導体レーザ素子においてＩｎを含有する窒化物半導体を井戸層とする量子井戸構造を用いると、青色波長帯から緑色波長帯へ発振波長が長くなるに従って屈折率の波長分散の影響により活性層内への光閉じ込めが低下する。この結果、閾値電流が上昇し、レーザ発振時の電流密度が大きくなる。そして、電流密度が大きいほど、局在準位の遮蔽やバンドフィリングによって実効的な遷移間隔が拡大し、発振波長は短波長にシフトする。

本願は、以下の発明を含む。
それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
前記活性層は、単数又は複数の井戸層と、前記単数又は複数の井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下であり、
前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さい半導体レーザ素子。

成長開始側となる下方から成長終了側となる上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成比を調整し、且つ、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下のｎ型不純物濃度でｎ型不純物が添加されるようにｎ型不純物の原料を供給して、組成傾斜層を形成する工程と、
前記組成傾斜層の上面と接して、前記組成傾斜層の上面よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さいｎ側障壁層を形成する工程と、
前記ｎ側障壁層の上方に、単数又は複数の井戸層を形成する工程と、
前記井戸層の上方に、ｐ側半導体層を形成する工程と、
を有する半導体レーザ素子の製造方法。

このような半導体レーザ素子によれば、閾値電流を低減することにより長波長のレーザ光を発振することができ、且つ、電圧の上昇を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な断面図である。 図２は、実施形態に係る半導体レーザ素子の活性層及びその近傍のバンドギャップエネルギーを模式的に示す図である。 図３は、本実施形態に係る半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の屈折率分布を示す図である。 図４は、本実施形態に係る半導体レーザ素子と比較用の半導体レーザ素子の活性層及びその近傍の光強度分布を示す図である。 図５は、組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。 図６Ａは、ｎ側組成傾斜層及びその近傍の一例を示す図である。 図６Ｂは、ｎ側組成傾斜層及びその近傍の一例を示す図である。 図７は、実施例１に係る半導体レーザ素子の波長スペクトルを示すグラフである。 図８は、実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。 図９は、実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 図１０は、組成傾斜層におけるＳｉドープ量と自由キャリア吸収損失の関係のイメージを示すグラフである。 図１１は、実施例３、４及び比較例２の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を示すグラフである。 図１２は、実施例３、４及び比較例２の半導体レーザ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。

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。

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２は、半導体レーザ素子１００の活性層３及びその近傍のバンドギャップエネルギーの大小関係を模式的に示す図である。半導体レーザ素子１００は、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を上方に向かってこの順に有する。ｎ側半導体層２と活性層３とｐ側半導体層４は、それぞれが窒化物半導体からなる。活性層３は、井戸層３２Ａ、３２Ｂと、井戸層３２Ａ、３２Ｂよりもｎ側半導体層２側に配置されるｎ側障壁層３１と、を有する。ｎ側半導体層２は、ｎ側障壁層３１の下面に接して配置される組成傾斜層２６を有する。組成傾斜層２６は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており、且つ、上側のバンドギャップエネルギーがｎ側障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。換言すれば、組成傾斜層２６は、ｎ側障壁層３１側の第１面２６ａと、第１面２６ａと反対側の第２面２６ｂとを有し、そのバンドギャップエネルギーは第２面２６ｂから第１面２６ａに向かって小さくなっている。組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下である。ｎ側障壁層３１は、組成傾斜層２６よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さい。

このような構成を有することにより、活性層３への光閉じ込めを強化することができ、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。これにより局在準位の遮蔽を抑制することができ、電流注入増加に伴う短波長シフトを抑制することができる。さらに、上述の構成であれば、ｎ側障壁層３１とのバンドギャップ差により、組成傾斜層２６内の第１面２６ａ近傍において電子濃度が局所的に高くなる。これによりホールのオーバーフローの抑制が促進されるため、このような促進がない場合と比較して、ホールのオーバーフロー抑制のために設けるｎ側障壁層３１の膜厚を小さくすることができる。このように、ｎ型不純物高濃度層であるｎ側障壁層３１を薄膜化することにより、ｎ側障壁層３１起因の電子による局在準位の遮蔽を低減することができる。また、ｎ側障壁層３１の薄膜化によって組成傾斜層２６を活性層３のより近くに配置することができるため、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。

このように短波長シフトの原因である局在準位の遮蔽を抑制することにより、長波長域（例えば５３０ｎｍ以上の発振波長）でレーザ発振する半導体レーザ素子１００を実現することができる。さらには、組成傾斜層２６を比較的低濃度でｎ型不純物ドープすることにより、組成傾斜層２６を設けたことによる電圧の上昇を抑制することが可能となる。主要なメカニズムについて以下に説明する。

一般的に、閉じ込め係数Γと閾値利得ｇ_ｔｈの積であるΓｇ_ｔｈを閾値モード利得と呼び、素子全体としてのモードに要求される本質的な利得を表す。閾値モード利得に関しては一般的に以下のモデル式で表される。ここでのα_ｉとα_ｍはそれぞれ平均内部損失と反射鏡損失とする。なお、便宜上、モード分布は考慮せず平均で表記している。
Γｇ_ｔｈ＝α_ｉ＋α_ｍ

電流密度の増加とともにモード利得Γｇは増加する。上述の式から、利得ｇが増加し閾値利得ｇ_ｔｈに達することにより、内部損失及び反射鏡損失に打ち勝ってレーザ発振に至ることが理解できる。レーザ発振時には、レーザ共振器内部において ｇ＝ｇ_ｔｈ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Ｎ_ｔｈでクランプされる。注入キャリア密度が高いほど、局在準位が遮蔽されて実質的なバンドギャップが大きくなりやすく、レーザ発振波長が短波長側にシフトしやすい。閉じ込め係数Γを向上させ、より低い電流で閾値利得ｇ_ｔｈに達することができれば、閾値電流密度ｊ_ｔｈも閾値キャリア密度Ｎ_ｔｈも共に低くなる。したがって、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。

なお、ここでは局在準位の遮蔽の抑制について説明したが、バンドフィリング効果の抑制についても同様である。すなわち、電流注入により擬フェルミ準位がバンド端より離れて実効的な遷移間隔が拡がるというバンドフィリング効果によっても短波長シフトが生じるが、閉じ込め係数Γを向上させて閾値キャリア密度を低減することによってこれも抑制することができる。

具体例を用いて以下に説明する。図３は、半導体レーザ素子１００の活性層３及びその近傍の屈折率分布を示す図であり、図４は、光強度分布を示す図である。いずれも計算により得られた値をプロットしたグラフである。図３及び図４において、実線は本実施形態に係る半導体レーザ素子１００を示し、破線は比較用の半導体レーザ素子を示す。図４において、光強度は最大強度で規格化している。

比較用の半導体レーザ素子は、本実施形態の組成傾斜層２６に相当する層がアンドープの非組成傾斜層である点が本実施形態の半導体レーザ素子１００と異なる。図３に示すとおり、非組成傾斜層は、組成傾斜層２６の平均組成の半導体からなる単一組成の層である。非組成傾斜層はアンドープであるが、組成傾斜していないため、比較用の半導体レーザ素子にはアンドープの組成傾斜層を設けたときに生じるような顕著な電圧上昇は発生しない。

図４に示すとおり、比較用の半導体レーザ素子では光がｎ型半導体層側に広がるが、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００であれば、このような光の広がりを抑制することができる。光がｎ型半導体層側に広がるということは、すなわち活性層への光閉じ込めが低下しているということであり、この結果として閾値電流の上昇が引き起こされる。また、基板側への光漏れが増加することは特性低下の原因ともなる。本実施形態に係る半導体レーザ素子１００であれば、組成傾斜層２６を有するため、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。つまり、本実施形態のレーザ素子構造を採用することにより、光閉じ込め係数Γを向上させることができる。これにより、閾値キャリア密度Ｎ_ｔｈを低下させることができ、結果として長波長でのレーザ発振が可能となる。加えて、組成傾斜層２６への光閉じ込め自体も強化することができる。したがって、組成傾斜層２６より外側へ漏れる光を抑制することができる。また、組成傾斜層２６から外側（基板１側）へ漏れる光は吸収損失やレーザ発振に使用されない光となるため、このような光が抑制されることによりレーザ特性も向上すると考えられる。このように本実施形態に係る半導体レーザ素子１００とすることで、単一組成のｎ側ガイド層を用いる場合では実現できなかった長波長のレーザ光を発振することが可能となる。

一方で、組成傾斜層を設けた場合には固定電荷の発生による電圧上昇が懸念される。組成傾斜層では、バンドギャップエネルギーの大きい層の上にバンドギャップエネルギーの小さい層を成長させるため、その界面近傍に固定電荷が生じ、電子に対する障壁が高くなる。この障壁を越えて電子を活性層に注入するために高い電圧が必要となることから、顕著な電圧上昇が懸念される。組成傾斜層において組成の切り替わりを微細に行ったとしても、格子定数差が生じる以上、固定電荷の発生を完全に防止することは難しい。そこで、本実施形態では組成傾斜層２６にｎ型不純物を添加している。ｎ型不純物の添加により、固定電荷を遮蔽することができる。これにより、電圧上昇を抑制することができ、低い駆動電圧においてレーザ発振させることができる。組成傾斜層２６に不純物を添加することにより、この不純物により光が吸収され、吸収損失の増加によるレーザ特性の低下が懸念されるが、本実施形態ではｎ型不純物濃度を低く抑えている。これにより、電圧異常を抑制しつつレーザ特性の低下を防ぐことを可能としている。

したがって、本実施形態に係る半導体レーザ素子１００であれば、短波長シフトを抑制して長波長域でレーザ発振させることが可能であり、且つ、低電圧で駆動させることができる。駆動電圧を低く抑えることで、半導体レーザ素子１００の信頼性を向上させることができる。

以下、各部材について詳述する。

（半導体レーザ素子１００）
図２に示すように、半導体レーザ素子１００は、基板１と、その上方に設けられた、ｎ側半導体層２と、活性層３と、ｐ側半導体層４と、を有する。ｐ側半導体層４の上側には例えばリッジ４ａが設けられている。活性層３のうちリッジ４ａの直下の部分及びその近傍が光導波路領域である。リッジ４ａの側面とリッジ４ａの側面から連続するｐ側半導体層４の表面には絶縁膜５を設けることができる。基板１は例えばｎ型半導体からなり、その下面にはｎ電極８が設けられている。また、リッジ４ａの上面に接してｐ電極６が設けられ、さらにその上にｐ側パッド電極７が設けられている。半導体レーザ素子１００は長波長域のレーザ光を発振可能であり、例えば波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である。

（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。窒化物半導体基板以外にも、その他の半導体基板または絶縁性基板などを用いることができる。半導体基板の例はＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓであり、絶縁性基板の例はサファイアである。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。

（ｎ側半導体層２）
ｎ側半導体層２は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体からなる多層構造とすることができる。ｎ側半導体層２に含まれるｎ型半導体層としては、Ｓｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。ｎ側半導体層２は、例えば、基板１側から順に、第１ｎ型半導体層２１、第２ｎ型半導体層２２、第３ｎ型半導体層２３、第４ｎ型半導体層２４、第５ｎ型半導体層２５、組成傾斜層２６を有する。

（第１〜第５ｎ型半導体層２１〜２５）
第１〜第５ｎ型半導体層２１〜２５は、ｎ型不純物を含有する。第１ｎ型半導体層２１は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｎ型半導体層２２は、例えば第１ｎ型半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーの大きい層である。第２ｎ型半導体層２２は、例えばＡｌＧａＮからなる。第３ｎ型半導体層２３は、例えばＩｎＧａＮからなる。第３ｎ型半導体層２３のＩｎ組成比は井戸層３２Ａ、３２Ｂよりも小さい。第４ｎ型半導体層２４は、例えば第１ｎ型半導体層２１よりもバンドギャップエネルギーの大きい層であり、第２ｎ型半導体層２２と同じであってもよい。第４ｎ型半導体層２４は、例えばＡｌＧａＮからなる。第２ｎ型半導体層２２及び第４ｎ型半導体層２４のいずれか一方あるいは両方は、ｎ側半導体層２において最大のバンドギャップエネルギーを有してよく、典型的にはｎ型クラッド層として機能する。第３ｎ型半導体層２３はクラック防止層として機能させることができる。この場合、膜厚は第２ｎ型半導体層２２及び第４ｎ型半導体層２４のいずれよりも小さいことが好ましい。第５ｎ型半導体層２５は、そのバンドギャップエネルギーが、第４ｎ型半導体層２４よりも小さく組成傾斜層２６の下端と同じかそれよりも大きいことが好ましい。例えばＧａＮからなる。第５ｎ型半導体層２５のｎ型不純物濃度は組成傾斜層２６よりも大であることが好ましい。

（組成傾斜層２６）
組成傾斜層２６は、第２面２６ｂから第１面２６ａに向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成を段階的に変化させた層である。すなわち、組成傾斜層２６において、バンドギャップエネルギーは第２面２６ｂから第１面２６ａに向かって階段状に減少している。一般的に、半導体界面における屈折率の不連続により光子の閉じ込め構造を形成することができる。組成傾斜層２６を、活性層３に近づくほど屈折率ｎが高くなるように組成を段階的に変化させた層とすることで、組成傾斜層２６に光導波路の障壁が連続して形成される。これにより活性層３への光閉じ込めが強化される。上述のとおり、活性層３への光閉じ込めが強化されればレーザ発振に必要な実利得が向上するから、低閾値電流でのレーザ発振が可能となる。低閾値電流になることにより活性層３への注入キャリア量が減少する。これにより、井戸層３２Ａ、３２Ｂのバンドを埋めるキャリアが減少するため、井戸層３２Ａ、３２Ｂのバンドギャップの拡大を抑制することができる。したがって、長波長でのレーザ発振が可能となる。

井戸層３２Ａ、３２Ｂは典型的にはＩｎＧａＮであるから、組成傾斜層２６は、上側（すなわち第１面２６ａ側）がＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）であり、下側（すなわち第２面２６ｂ側）がＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜ａ）であることが好ましい。第１面２６ａ側の終端は井戸層３２Ａ、３２ＢよりもＩｎ組成比が小さいＩｎＧａＮであることが好ましい。第２面２６ｂ側の終端は例えばＧａＮである。組成傾斜層２６は、ｎ側光ガイド層として機能させることが好ましい。組成傾斜層２６の最も第１面２６ａ側のＩｎ組成比ａは、０．０１以上であることが好ましく、さらには０．０３以上であることが好ましい。このように、井戸層３２Ａ、３２Ｂの近くにＩｎＧａＮを配置することで、井戸層３２Ａ、３２Ｂへの光閉じ込めを向上させることができる。Ｉｎ組成比ａの上限値は、例えば０．２５である。結晶性悪化の抑制を考慮すれば、Ｉｎ組成比ａは０．１以下であることが好ましい。

組成傾斜層２６は、組成を段階的に変化させた層であるから、図５に示すように、互いに組成の異なるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる複数のサブ層２６１〜２６５からなるともいえる。図５は、組成傾斜層２６及びその付近の一部拡大図であり、サブ層２６３とサブ層２６４の間には明示した以外の多数のサブ層が存在することを示す。このような積層構造において、隣接するサブ層同士の格子定数差は小さいことが好ましい。これにより歪みを小さくでき、発生する固定電荷の量を低減させることができる。このために、組成傾斜層２６は薄い厚みで少しずつ組成を変化させていくことが好ましい。具体的には、組成傾斜層２６は第１面２６ａから第２面２６ｂにかけて２５ｎｍ以下の膜厚ごとにＩｎ組成比が減少していることが好ましい。すなわち、各サブ層２６１〜２６５の膜厚が２５ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、各サブ層２６１〜２６５の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。各サブ層２６１〜２６５の膜厚の下限値は例えば１原子層（約０．２５ｎｍ）程度である。また、隣り合うサブ層（例えばサブ層２６１とサブ層２６２）のＩｎ組成比ｘ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。

このような範囲は組成傾斜層２６の全体に亘って満たされていることが好ましい。すなわち、全てのサブ層がこのような範囲内であることが好ましい。例えば、厚み２３０ｎｍの組成傾斜層２６において、最も下側をＧａＮとし最も上側をＩｎ_{０．０６５}Ｇａ_{０．９３５}Ｎ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。組成傾斜層２６において組成が変化する回数は、９０回以上程度であることが好ましい。さらに好ましくは１２０回以上程度とする。

なお、組成傾斜層２６の成長時には、形成されるＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成比が実質的に単調増加するように、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比の増加量を調整することが好ましい。当該流量比を成長開始から成長終了まで単調増加させると、組成傾斜層２６のＩｎ組成比が実質的に単調増加とはなり難い。そこで、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比の増加量を、組成傾斜層２６の成長中に複数回変化させることが好ましい。具体的には、成長終了が近づくと増加量を増やすことが好ましい。また、Ｇａ原料ガスは例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧ）であり、Ｉｎ原料ガスは例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩ）である。また、組成傾斜層２６の膜厚に対するＴＭＩ流量から算出されるＩｎ組成比をプロットしたグラフにおいて、増加量を変えた位置に相当する点が実質的に１つの直線上に位置するように、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比を設定することが好ましい。

このように組成傾斜層２６の組成変化率（すなわち、隣り合うサブ層の組成比の差）を上下方向において実質的に一定とすることにより、固定電荷の分布を実質的に均一とすることができる。後述するように組成傾斜層２６の第２面２６ｂから第１面２６ａにかけて実質的に一定のｎ型不純物濃度とすることで電圧上昇抑制の効果が得られる程度であれば、組成傾斜層２６の組成変化率は多少変動してよい。例えば、後述する実施例１では、Ｉｎ組成比の変化率は０．０００２〜０．０００９の間で変動しており、０．００１以下の範囲内に収まっている。なお、ここで述べた原料ガスの流量等は製造装置の設定値を指す。製造装置の仕様に合わせて各数値は調整してよい。

組成傾斜層２６にはｎ型不純物を添加する。組成を変化させた構造である組成傾斜層２６では、組成変化率を小さくしたとしても固定電荷の発生を避けることは困難である。そこで、ｎ型不純物を添加することで固定電荷を遮蔽する。組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度の下限は、電圧上昇を十分に抑制できる程度が好ましく、具体的には５×１０^１７／ｃｍ^３より大きいことが好ましい。組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以下である場合は、組成傾斜層２６に生じる固定電荷を十分に遮蔽できず電圧が上昇する懸念がある。また、バンド計算によれば、ｎ型不純物濃度を高くするほど障壁高さが低くなり、５×１０^１７／ｃｍ^３とすることで上述の比較用の半導体レーザ素子（組成傾斜層の替わりに単一組成層を設ける）とほぼ同等の高さとなる。したがって、ｎ型不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３を越えることが好ましい。これにより、単一組成層を用いる場合よりも駆動電圧を低減させることができる。ｎ型不純物濃度は、７×１０^１７／ｃｍ^３以上がより好ましく、製造時のズレを考慮して８×１０^１７／ｃｍ^３以上としてもよく、さらには１×１０^１８／ｃｍ^３以上としてもよい。

一方、組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は２×１０^１８／ｃｍ^３以下であることが好ましい。ｎ型不純物濃度が大きくなると、自由キャリアによる吸収損失が増加し光出力が低下する懸念があるが、この上限値以下とすることでこれを抑制することができる。光出力は、組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度が約２×１０^１８／ｃｍ^３である場合に、組成傾斜層がアンドープである場合と同程度まで低下すると考えられる。組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は２×１０^１８／ｃｍ^３より小さくしてもよい。また、ｎ型不純物濃度が過剰となると（例えば１×１０^１９／ｃｍ^３以上）半導体層の表面の平坦性が悪化する傾向にあるため、この観点からもｎ型不純物濃度は高すぎないことが好ましい。

組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は、第１面２６ａから第２面２６ｂにかけて実質的に一定であることが好ましい。電圧上昇を抑制するためであれば固定電荷が発生する箇所にｎ型不純物を添加すれば足りるのであるが、上述のように微細に組成変化させた組成傾斜層２６においては、固定電荷発生箇所、すなわち組成変化箇所を正確に狙ってｎ型不純物を添加することは困難である。したがって、確実に固定電荷発生箇所にｎ型不純物を添加できるよう、組成傾斜層２６の厚み方向において一端から多端にかけて実質的に一定であることが好ましい。加えて、組成傾斜層２６の組成変化率も実質的に一定であることが好ましい。すなわち、第２面２６ｂから第１面２６ａにかけてバンドギャップエネルギーが実質的に単調減少するように組成を変化させることが好ましい。組成変化率が実質的に一定の組成傾斜層２６であれば、発生する固定電荷の分布が実質的に均一になる。このため、ｎ型不純物を実質的に一定の濃度で含有させることにより、電圧上昇抑制の効果を厚み方向の全体に亘ってほぼ一様に得ることができる。なお、実質的に一定のｎ型不純物濃度とするためには、例えば、組成傾斜層２６を成長させる際にｎ型不純物の供給源（例えばシランガス）の流量の設定値を成長の始めから終わりまで一定とする。製造時のズレは許容される。また、ｎ型不純物の原料ガスの流量を一定としても、Ｉｎの原料ガスの流量の変化により実際に取り込まれるｎ型不純物の濃度が多少変動する場合がある。この場合も、組成傾斜層２６のｎ型不純物濃度は実質的に一定であるといえる。

組成傾斜層２６の膜厚は、光を閉じ込める効果を得るために、ｎ側障壁層３１よりも厚くする。具体的には、組成傾斜層２６の膜厚は２００ｎｍ以上であることが好ましい。また、組成傾斜層２６の膜厚は、５００ｎｍ以下であることが好ましく、さらには３００ｎｍ以下であることが好ましい。また、光閉じ込め効果を得るために、組成傾斜層２６は活性層３の近くに配置することが好ましい。具体的には、組成傾斜層２６の井戸層３２Ａからの距離は２０ｎｍ以下であることが好ましい。

（活性層３）
活性層３は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。活性層３は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する。十分な利得を得るためには多重量子井戸構造が好ましい。多重量子井戸構造の活性層３は、複数の井戸層３２Ａ、３２Ｂと、井戸層３２Ａ、３２Ｂに挟まれる中間障壁層３３と、を有する。例えば活性層３は、ｎ側半導体層２側から順に、ｎ側障壁層３１、井戸層３２Ａ、中間障壁層３３、井戸層３２Ｂ、ｐ側障壁層３４を含む。

ｎ側障壁層３１、中間障壁層３３、ｐ側障壁層３４には、井戸層３２Ａ、３２Ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体を用いる。ｎ側障壁層３１、中間障壁層３３、ｐ側障壁層３４は、ＩｎＧａＮ又はＧａＮからなることが好ましい。これは、発振波長が長波長になるほど井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比が大きくなるので、これらとの格子定数差を大きくしすぎないためである。発振波長５３０ｎｍ以上の半導体レーザ素子とする場合の井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比は、活性層３以外の層構造によって多少増減するが、例えば０．２５以上（２５％以上）である。井戸層３２Ａ、３２ＢのＩｎ組成比の上限としては、例えば０．５０以下（５０％以下）が挙げられる。このとき、半導体レーザ素子の発振波長は６００ｎｍ以下程度であると考えられる。井戸層３２Ａ、３２Ｂは、結晶性向上や光吸収低減の観点から、アンドープが好ましい。なお本明細書において、アンドープとは意図的にドープしないことをいう。ＳＩＭＳ分析等の分析結果においては、検出限界以下の濃度であればアンドープといってよい。

井戸層３２Ａ、３２Ｂの膜厚は、例えば４ｎｍ以下であり、３ｎｍ以下が好ましい。なお、各障壁層３１、３３、３４と井戸層３２Ａ、３２Ｂとの間に、各障壁層３１、３３、３４の膜厚よりも薄い膜厚（例えば１ｎｍ以下）の層を配置してもよい。言い換えれば、最短距離が各障壁層３１、３３、３４の膜厚未満（例えば１ｎｍ以下、０を含む）となるように各障壁層３１、３３、３４と井戸層３２Ａ、３２Ｂがそれぞれ接近して配置されていることが好ましい。

（ｎ側障壁層３１）
ｎ側障壁層３１は、組成傾斜層２６よりもｎ型不純物濃度が高く、且つ組成傾斜層２６の第１面２６ａ側よりもバンドギャップエネルギーが大きい層である。バンドギャップエネルギーがこのような関係であることにより、組成傾斜層２６の第１面２６ａ近傍に電子を溜めることができる。これにより、ｎ側障壁層３１を薄くしてもホールのオーバーフローを抑制することができる。ｎ側障壁層３１はｎ型不純物濃度が高いため、少なくともｎ側障壁層３１に最も近い井戸層の局在準位の遮蔽が懸念されるが、薄膜化によりこれを抑制することができ、長波長化が可能となる。ｎ型不純物によって自由キャリア吸収が生じて吸収損失が増大するが、薄膜化によってこれも抑制できるので、光出力を向上させることができる。組成傾斜層２６の第１面２６ａ近傍に電子を溜めるためには、組成傾斜層２６の第１面２６ａ側のバンドギャップエネルギー（すなわち組成傾斜層２６における最小のバンドギャップエネルギー）が、中間障壁層３３よりも小さいことが好ましい。

具体的には、ｎ側障壁層３１の膜厚は２０ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、ｎ側障壁層３１の膜厚は１５ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは６ｎｍ以下とする。また、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度は１×１０^１９／ｃｍ^３以上であることが好ましい。より好ましくは、３×１０^１９／ｃｍ^３以上とする。ｎ側障壁層３１は活性層３における電子に対する最初の障壁層であるから、このような高濃度でｎ型不純物を含有させ、電子に対する障壁を低減させることが好ましい。加えて、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度を高くすることでホールのオーバーフローをより抑制することができる。ｎ側障壁層３１は井戸層３２Ａの近くに設けるため、そのｎ型不純物濃度の上限は結晶性が悪化しない程度であることが好ましい。特性の低下を抑制するためには、ｎ側障壁層３１のｎ型不純物濃度は５×１０^１９／ｃｍ^３以下であることが好ましい。また、結晶性の悪化を抑制できるようにｎ側障壁層３１はＧａＮであることが好ましい。

図６Ａに示すように、ｎ側障壁層３１とそれに最も近い井戸層３２Ａとの間には介在層３５を設けてもよい。例えば、ｎ側障壁層３１から順に、ｎ側障壁層３１よりもバンドギャップエネルギーが小さい第１介在層３５Ａと、第１介在層３５Ａよりもバンドギャップエネルギーが大きい第２介在層３５Ｂとを設ける。このようにバンドギャップエネルギーの大きな層をｎ側障壁層３１と第２介在層３５Ｂの２層に分けることで各層の膜厚を小さくすることができる。これによって、ｎ側半導体層２から活性層３に向かう電子に対する障壁の高さを下げることができるため、半導体レーザ素子１００の駆動電圧をさらに低減することができる。好ましくは、ｎ側障壁層３１及び第２介在層３５Ｂの両方の膜厚を第１介在層３５Ａの膜厚よりも薄くする。介在層３５を設ける場合、組成傾斜層２５とそれに最も近い井戸層３２Ａとの最短距離は２００ｎｍ以下が挙げられる。光閉じ込め効果を得やすいように、第１介在層３５Ａの膜厚は１００ｎｍ以下程度が好ましい。第２介在層３５Ｂを厚くするとピエゾ電界の影響が増加するため、第２介在層３５Ｂの膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。また、ｎ側障壁層３１を厚くすると電子の注入に対して障壁となりやすいため、ｎ側障壁層３１の膜厚は１０ｎｍ以下が好ましい。なお、各層の膜厚は１原子層以上とする。

ｎ側障壁層３１と第２介在層３５Ｂは、それぞれ第１介在層３５Ａよりも薄い程度に薄膜とすることが好ましい。第２介在層３５Ｂには、ｎ側障壁層３１と同様の理由から、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、ｎ側障壁層３１及び第２介在層３５Ｂをそれぞれ薄膜としてもホールのオーバーフローの低減が可能である。第２介在層３５Ｂのｎ型不純物の濃度はｎ側障壁層３１と同様の範囲から選択することができる。第１介在層３５Ａがアンドープの層であると半導体レーザ素子の駆動電圧が上昇する可能性があるため、第１介在層３５Ａにもｎ型不純物を含有させることが好ましい。第１介在層３５Ａと第２介在層３５Ｂの合計膜厚、すなわち介在層３５全体の厚みが１０ｎｍ以下である場合は、第１介在層３５Ａにｎ側障壁層３１及び第２介在層３５Ｂと同程度かそれらよりも低濃度にｎ型不純物が含有されていることが好ましい。例えば、ｎ側障壁層３１と第１介在層３５Ａと第２介在層３５Ｂとのｎ型不純物濃度を実質的に同じとする。一方、介在層３５全体の厚みが１０ｎｍを越える場合は、介在層３５全体にｎ型不純物を添加すると光の吸収の増大や電子のオーバーフロー増大によるスロープ効率の低下が懸念される。このため、介在層３５全体の厚みが１０ｎｍを越える場合は、第１介在層３５Ａのうち第２介在層３５Ｂに近い部分にのみｎ型不純物を添加し、残りの部分はアンドープとすることが好ましい。または、第１介在層３５Ａのうち第２介在層３５Ｂに近い部分のｎ型不純物濃度をｎ側障壁層３１及び第２介在層３５Ｂと同程度とし、残りの部分をそれよりも低濃度としてもよい。このとき、第１介在層３５Ａのうち第２介在層３５Ｂに近い部分とは、第２介在層３５Ｂとの界面からの距離が１０ｎｍ以下の部分であることが好ましい。

介在層３５の他の例としては、図６Ｂに示すように、第１介在層３５Ａを組成傾斜する例が挙げられる。組成傾斜させる場合は、井戸層３２Ａに遠い側から近い側に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなる構造が好ましい。これにより、第１介在層３５Ａの、ｎ側半導体層２からの電子に対する障壁の高さを下げることができる。したがって、半導体レーザ素子１００の駆動電圧をより低減することができる。第１介在層３５Ａの最もｎ側障壁層３１側のバンドギャップエネルギーはｎ側障壁層３１よりも小さくすることができる。また、第１介在層３５Ａと第２介在層３５Ｂを複数組設けてもよいが、複数組とするとｎ側半導体層２からの電子に対する障壁の高さが上がる傾向にあるため、図６Ａ及び６Ｂに示すように１組のみであることが好ましい。

（ｐ側障壁層３４）
後述するｐ側組成傾斜層４１を配置する場合は、ｐ側組成傾斜層４１と井戸層３２Ａ、３２Ｂとの間に、ｐ側組成傾斜層４１の最小のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するｐ側障壁層３４を配置することが好ましい。ｐ側障壁層３４にｎ型不純物を含有させると光吸収やホールのトラップの虞があるため、また、ｐ型不純物であるＭｇは深い準位をつくり光吸収を生じさせるため、ｐ側障壁層３４はアンドープとすることが好ましい。例えばｐ側障壁層３４はアンドープのＧａＮからなる。

（ｐ側半導体層４）
ｐ側半導体層４は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層からなる多層構造とすることができる。ｐ側半導体層４に含まれるｐ型窒化物半導体層としては、Ｍｇ等のｐ型不純物が含有された窒化物半導体からなる層を挙げることができる。ｐ側半導体層４は、中間障壁層３３よりもバンドギャップエネルギーの大きい電子障壁層４２と、活性層３と電子障壁層４２との間に配置されたｐ側組成傾斜層４１と、を有することが好ましい。図１に示す半導体レーザ素子１００は、ｐ側半導体層４として、活性層３側から順に、ｐ側組成傾斜層４１、電子障壁層４２、第１ｐ型半導体層４３、第２ｐ型半導体層４４を有する。

（ｐ側組成傾斜層４１）
ｐ側組成傾斜層４１は、上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっている。換言すれば、ｐ側組成傾斜層４１は、活性層３側の第３面４１ａと、電子障壁層４２側の第４面４１ｂとを有し、そのバンドギャップエネルギーは第３面４１ａから第４面４１ｂに向かって大きくなっている。第３面４１ａ側のバンドギャップエネルギーは第４面４１ｂ側よりも小さい。すなわち、ｐ側組成傾斜層４１において、バンドギャップエネルギーは第３面４１ａから第４面４１ｂに向かって階段状に増大している。組成傾斜層２６だけでなくｐ側組成傾斜層４１も設けることで、活性層３に対して両側からバランス良く光を閉じ込めることができる。これにより、活性層３における電界強度を増大させることができ、閾値電流を低減させることができる。好ましくは、組成傾斜層２６に対して活性層３を挟んで対称性を有するように、ｐ側組成傾斜層４１の組成、組成変化率、膜厚等を設定する。

ｐ側組成傾斜層４１はアンドープである、又は、ｐ側組成傾斜層４１のｐ型不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３以下である。ｐ側障壁層３４と同様の理由から、ｐ側組成傾斜層４１はアンドープであることが好ましい。ｐ側障壁層３４は、例えばｐ側光ガイド層として機能する。ｐ側組成傾斜層４１の組成、組成変化率、膜厚の好ましい範囲は、組成傾斜層２６と同様のものを採用することができる。ｐ側組成傾斜層４１の膜厚は、３５０ｎｍ以下であることが好ましく、３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。ｐ側組成傾斜層４１の第３面４１ａ側は、ｐ側障壁層３４よりも小さいバンドギャップエネルギーを有することが好ましく、例えばＩｎＧａＮからなる。ｐ側組成傾斜層４１の第４面４１ｂ側は、ｐ側障壁層３４と同等以上のバンドギャップエネルギーを有してよく、例えばＧａＮからなる。ｐ側組成傾斜層４１は、光を活性層３に寄せつつ電子のオーバーフローを抑制するため、活性層３側から実質的に単調にＩｎの組成を減少させることが効果的である。

（電子障壁層４２）
電子障壁層４２は、Ｍｇ等のｐ型不純物を含有する。電子障壁層４２は、例えばＡｌＧａＮからなる。電子障壁層４２は、ｐ側半導体層４中で最も高いバンドギャップエネルギーを有し、且つｐ側組成傾斜層４１よりも膜厚が小さい層として設けてよい。

（第１ｐ型半導体層４３、第２ｐ型半導体層４４）
第１ｐ型半導体層４３、第２ｐ型半導体層４４は、Ｍｇ等のｐ型不純物を含有する。第１ｐ型半導体層４３は、例えばＡｌＧａＮからなる。第１ｐ型半導体層４３は、例えばｐ型クラッド層として機能し、ｐ側半導体層４中で電子障壁層４２に次いで高いバンドギャップエネルギーを有してよい。第１ｐ型半導体層４３の膜厚は電子障壁層４２よりも大きい。第２ｐ型半導体層４４は、例えばＧａＮからなり、ｐ型コンタクト層として機能する。

（絶縁膜５、ｎ電極８、ｐ電極６、ｐ側パッド電極７）
絶縁膜５は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等の酸化物又は窒化物等の単層又は積層膜によって形成することができる。ｎ電極８は、例えばｎ型の基板１の下面のほぼ全域に設けられる。ｐ電極６は、例えばリッジ４ａの少なくとも上面に設けられる。ｐ電極６の幅が狭い場合は、ｐ電極６の上にｐ電極６より幅が広いｐ側パッド電極７を設け、ｐ側パッド電極７にワイヤ等を接続すればよい。各電極の材料は、例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属又は合金、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎから選択される少なくとも１種を含む導電性酸化物等の単層膜又は多層膜が挙げられる。導電性酸化物の例としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ-ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）等が挙げられる。電極の厚みは、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚みであればよい。例えば、０．１μｍ〜２μｍ程度が挙げられる。

（半導体レーザ素子１００の製造方法）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法は、以下の工程を有する。まず、成長開始側となる下方から成長終了側となる上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成比を調整し、且つ、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下のｎ型不純物濃度でｎ型不純物が添加されるようにｎ型不純物の原料を供給して、組成傾斜層２６を形成する。次に、組成傾斜層２６の上面と接して、組成傾斜層２６の上面よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、組成傾斜層２６よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さいｎ側障壁層３１を形成する。次に、ｎ側障壁層３１の上方に、単数又は複数の井戸層３２Ａ、３２Ｂを形成する工程と、井戸層３２Ａ、３２Ｂの上方に、ｐ側半導体層４を形成する。

これらの層に限らず、上述した各層を適宜成長させることができる。各層は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて基板１上にエピタキシャル成長させる。なお、上述した不純物濃度、組成、膜厚等は、半導体レーザ素子１００の製造方法において設定値として用いてよい。例えば、組成傾斜層２６を形成する工程において、成長するに従ってバンドギャップエネルギーが実質的に単調減少するように原料ガスの流量比を調整して組成傾斜層２６を形成することが好ましい。具体的には、組成傾斜層２６を形成する工程において、成長開始をＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ）とし、成長終了をＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（ｂ＜ａ＜１）として、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比の変化率を複数回変化させることにより、組成傾斜層２６を形成することが好ましい。また、組成傾斜層２６を形成する工程において、成長開始から成長終了までｎ型不純物の添加量が実質的に一定となるようにｎ型不純物の原料を供給して組成傾斜層２６を形成することが好ましい。なお、ｎ型不純物の原料としては、ｎ型不純物となる材料を含むガスを用いることができる。例えばシランガスを用いる。

ｐ側組成傾斜層４１を形成する工程では、組成傾斜層２６形成工程と逆の手順により組成傾斜させることが好ましい。すなわち、成長するに従ってバンドギャップエネルギーが実質的に単調増加するように原料ガスの流量比を調整してｐ側組成傾斜層４１を形成することが好ましい。具体的には、成長開始をＩｎ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０＜ｃ＜１）とし、成長終了をＩｎ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０≦ｄ＜ｃ）として、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比の変化率を複数回変化させることにより、ｐ側組成傾斜層４１を形成することが好ましい。

実施例１として、以下に示す半導体レーザ素子を作製した。半導体レーザ素子となるエピタキシャルウエハーの作製にはＭＯＣＶＤ装置を用いた。また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）、シランガス、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を適宜用いた。

ｃ面ＧａＮ基板上に、Ｓｉを含有するＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層を１．０μｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層を２５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＩｎ_０．０４Ｇａ_０.９６Ｎ層を１５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層を６５０ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｓｉを含有するＧａＮ層を３００ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、１×１０^１８／ｃｍ^３程度の濃度でＳｉドープした組成傾斜層（ｎ側組成傾斜層）を２３０ｎｍの膜厚で成長させた。組成傾斜層は、成長の始端をＧａＮとし、成長の終端をＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎとして、組成傾斜がほぼ直線状となるように１２０段階でＩｎ組成を実質的に単調増加させて成長させた。すなわち、ＴＭＩの流量の増加率は成長終了に近い方が大となるように設定して成長させた。なお、ＴＥＧの流量は一定に設定した。これにより、１．９ｎｍの厚みで成長する毎にＩｎ組成比が０．０２〜０．０９％（平均０．０５％）増加するという、Ｉｎ組成比が実質的に単調増加する設定で組成傾斜層を成長させた。
次に、３×１０^１９／ｃｍ^３程度の濃度でＳｉドープしたＧａＮ層（ｎ側障壁層）を３ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層（井戸層）を２．７ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＧａＮ層を３．４ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ層（井戸層）を２．７ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープのＧａＮ層を２．２ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、アンドープの組成傾斜層（ｐ側組成傾斜層）を２３０ｎｍの膜厚で成長させた。組成傾斜層は、成長の始端をＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎとし、成長の終端をＧａＮとして、組成傾斜がほぼ直線状となるように１２０段階でＩｎ組成を実質的に単調減少させて成長させた。すなわち、ＴＭＩの流量の減少率は成長終了に近い方が小となるように設定して成長させた。なお、ＴＥＧの流量は一定に設定した。これにより、１．９ｎｍの厚みで成長する毎にＩｎ組成比が０．０２〜０．０９％（平均０．０５％）減少するという、Ｉｎ組成比が実質的に単調減少する設定で組成傾斜層を成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層を１１ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＡｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ層を３００ｎｍの膜厚で成長させた。
次に、Ｍｇを含有するＧａＮ層を１５ｎｍの膜厚で成長させた。

そして、以上の層が形成されたエピタキシャルウエハーをＭＯＣＶＤ装置より取り出し、フォトリソグラフィとＲＩＥ、スパッタを用いて、リッジ、ｐ電極、ｎ電極等を形成し、個片化して半導体レーザ素子を得た。半導体レーザ素子は、リッジ幅を１５μｍ、共振器長を１２００μｍ、素子幅を１５０μｍとした。図７に、実施例１に係る半導体レーザ素子の波長スペクトルを示す。図７に示すとおり、実施例１に係る半導体レーザ素子は５３２ｎｍで発振した。

（比較例１）
比較例１として、ｎ側組成傾斜層をアンドープで成長させ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。

（実験結果１）
実施例１及び比較例１の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を図８に示し、Ｉ−Ｖ特性を図９に示す。図８及び図９において、実線が実施例１の半導体レーザ素子を示し、破線が比較例１の半導体レーザ素子を示す。図８及び図９に示すように、実施例１の半導体レーザ素子は、比較例１の半導体レーザ素子と比べて、光出力が向上し、電圧が低下していることが確認された。比較例１の半導体レーザ素子が高電圧となったのは、上述のとおり、ｎ側組成傾斜層において断続的に固定電荷が発生し、このような固定電荷を遮蔽するために十分な電流注入と電圧印加が必要となったためであると考えられる。ｎ側組成傾斜層にｎ型不純物をドープすることにより、ｎ型不純物によって供給された電子で固定電荷を遮蔽することができる。このため、実施例１の半導体レーザ素子では駆動電圧が低減されたと考えられる。光出力については、ｎ側組成傾斜層で発生した固定電荷の遮蔽により活性層へのキャリアの注入が改善されたためであると考えられる。なお、比較例１のｎ側組成傾斜層、すなわちアンドープのｎ側組成傾斜層において、Ｓｉ濃度は１×１０^１７／ｃｍ^３より小さいと考えられる。

実施例２として、ｎ側組成傾斜層を２×１０^１８／ｃｍ^３程度の濃度でＳｉドープして成長させたこと以外は実施例１と同様の方法で半導体レーザ素子を作製した。すなわち、実施例２のｎ側組成傾斜層のＳｉ濃度は、実施例１のｎ側組成傾斜層の約２倍である。

実施例２の半導体レーザ素子では、実施例１の半導体レーザ素子と同程度に低い電圧値が得られた。これは、比較例１と異なりｎ側組成傾斜層にＳｉをドープすることで、固定電荷の遮蔽やキャリアの注入が改善され、立ち上がり電圧及び駆動電圧が低下したと思われる。一方で、光出力については、実施例２は実施例１よりも低く、比較例１と同程度であった。これは、実施例１よりもｎ側組成傾斜層のＳｉ濃度を増加させたことで、自由キャリアによる吸収損失が増加したためと考えられる。

ｎ側組成傾斜層におけるＳｉ濃度（ｎ型不純物濃度）と自由キャリア吸収損失の関係のイメージを図１０に示す。図１０に示す数値は計算により求めたものである。不純物含有層における自由キャリア吸収による損失αはキャリア密度に依存する。すなわち、キャリア密度が増加すると自由キャリア吸収による損失が増大する。Ｓｉ濃度が増加することによりキャリア密度も増加するから、Ｓｉ濃度の増加によってキャリア密度が増加した実施例２の半導体レーザ素子では、損失が増大し、光出力が低下したと考えられる。図１０に示すとおり、ｎ側組成傾斜層におけるＳｉ濃度が２×１０^１８／ｃｍ^３を越えると、吸収損失がさらに増大し、光出力がより顕著に低下すると考えられる。なお、Ｉ−Ｖ特性については実施例１と実施例２とでほぼ同じであったことから、電圧低下のためのＳｉ濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３程度で足りていると考えられる。

実施例３として、ｎ側組成傾斜層をその成長の終端をＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎとして成長させたこと以外は実施例１と同様の方法で半導体レーザ素子を作製した。すなわち、ｎ側組成傾斜層のＳｉドープ濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３であった。実施例３に係る半導体レーザ素子は約５３２ｎｍで発振した。

実施例４として、ｎ側組成傾斜層を７×１０^１７／ｃｍ^３程度の濃度でＳｉドープして成長させたこと以外は実施例３と同様の方法で半導体レーザ素子を作製した。実施例４に係る半導体レーザ素子は約５３２ｎｍで発振した。

（比較例２）
比較例２として、ｎ側組成傾斜層を３×１０^１７／ｃｍ^３程度の濃度でＳｉドープして成長させたこと以外は実施例３と同様の方法で半導体レーザ素子を作製した。比較例２に係る半導体レーザ素子は約５３２ｎｍで発振した。

（実験結果２）
実施例３、４及び比較例２の半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性を図１１に示し、Ｉ−Ｖ特性を図１２に示す。図１１及び図１２において、細い実線が実施例３の半導体レーザ素子を示し、太い実線が実施例４の半導体レーザ素子を示し、破線が比較例２の半導体レーザ素子を示す。図１１及び図１２に示すように、実施例３及び４の半導体レーザ素子は、比較例２の半導体レーザ素子と比べて、光出力が向上し、電圧が低下していることが確認された。

１００ 半導体レーザ素子
１ 基板
２ ｎ側半導体層
２１ 第１ｎ型半導体層
２２ 第２ｎ型半導体層
２３ 第３ｎ型半導体層
２４ 第４ｎ型半導体層
２５ 第５ｎ型半導体層
２６ 組成傾斜層
３ 活性層
３１ ｎ側障壁層
３２Ａ、３２Ｂ 井戸層
３３ 中間障壁層
３４ ｐ側障壁層
３５ 介在層
３５Ａ 第１介在層、３５Ｂ 第２介在層
４ ｐ側半導体層
４１ ｐ側組成傾斜層
４２ 電子障壁層
４３ 第１ｐ型半導体層
４４ 第２ｐ型半導体層
４ａ リッジ
５ 絶縁膜
６ ｐ電極
７ ｐ側パッド電極
８ ｎ電極
２６ａ 第１面、２６ｂ 第２面
４１ａ 第３面、４１ｂ 第４面

Claims (19)

1. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、複数の井戸層と、前記井戸層に挟まれる中間障壁層と、前記井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
   前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下であり、
   前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、
   前記ｐ側半導体層は、前記中間障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい電子障壁層と、前記活性層と前記電子障壁層との間に配置され、上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっているｐ側組成傾斜層と、を有し、
   前記ｐ側組成傾斜層はアンドープである、又は、前記ｐ側組成傾斜層のｐ型不純物濃度は５×１０ ^１７ ／ｃｍ ^３ 以下である半導体レーザ素子。
2. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、単数又は複数の井戸層と、前記単数又は複数の井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
   前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は、５×１０ ^１７ ／ｃｍ ^３ より大きく２×１０ ^１８ ／ｃｍ ^３ 以下であり、
   前記組成傾斜層の膜厚は２００ｎｍ以上であり、
   前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さい半導体レーザ素子。
3. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、単数又は複数の井戸層と、前記単数又は複数の井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
   前記活性層は、さらに、前記ｎ側障壁層と前記井戸層との間に、前記ｎ側障壁層から順に、
   前記ｎ側障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さく、ｎ型不純物を含む第１介在層と、
   前記第１介在層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、ｎ型不純物を含む第２介在層と、を有し、
   前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は、５×１０ ^１７ ／ｃｍ ^３ より大きく２×１０ ^１８ ／ｃｍ ^３ 以下であり、
   前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さい半導体レーザ素子。
4. 前記第１介在層の膜厚は１００ｎｍ以下であり、
   前記第２介在層の膜厚は１０ｎｍ以下であり、
   前記ｎ側障壁層の膜厚は１０ｎｍ以下である、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、単数又は複数の井戸層と、前記単数又は複数の井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
   前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は、５×１０ ^１７ ／ｃｍ ^３ より大きく２×１０ ^１８ ／ｃｍ ^３ 以下であり、
   前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、
   波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である、半導体レーザ素子。
6. 前記組成傾斜層のｎ型不純物濃度は上下方向において実質的に一定である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
7. それぞれが窒化物半導体からなるｎ側半導体層と、活性層と、ｐ側半導体層と、を上方に向かって順に有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、単数又は複数の井戸層と、前記単数又は複数の井戸層よりも下方に配置されるｎ側障壁層と、を有し、
   前記ｎ側半導体層は、前記ｎ側障壁層に接して配置された組成傾斜層であって、上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなっており且つ上側のバンドギャップエネルギーが前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい組成傾斜層を有し、
   前記組成傾斜層はｎ型不純物を含有し、
   前記ｎ側障壁層は、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さく、
   前記活性層は、前記複数の井戸層と、前記井戸層に挟まれる中間障壁層と、を有し、
   前記ｐ側半導体層は、前記中間障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい電子障壁層と、前記活性層と前記電子障壁層との間に配置され、上方に向かってバンドギャップエネルギーが大きくなっているｐ側組成傾斜層と、を有し、
   前記ｐ側組成傾斜層はアンドープである、又は、前記ｐ側組成傾斜層のｐ型不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３以下である、半導体レーザ素子。
8. 前記組成傾斜層の膜厚は２００ｎｍ以上である請求項７に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記組成傾斜層の前記単数又は複数の井戸層からの距離は２０ｎｍ以下である請求項７または８に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記ｎ側障壁層は、膜厚が２０ｎｍ以下であり、ｎ型不純物濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上である請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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７〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
12. 前記組成傾斜層は、互いに組成の異なるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる複数のサブ層からなり、
    前記組成傾斜層の最も上側のサブ層は、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）からなり、
    前記組成傾斜層の最も下側のサブ層は、Ｉｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ＜ａ）からなる請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
13. 前記サブ層の膜厚は、２５ｎｍ以下である請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
14. 隣り合う前記サブ層のＩｎ組成比ｘの差は、０．００５以下である請求項１２または１３に記載の半導体レーザ素子。
15. 前記ｎ側障壁層はＧａＮである請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
16. 波長５３０ｎｍ以上のレーザ光を発振可能である半導体レーザ素子を製造する方法であって、
    成長開始側となる下方から成長終了側となる上方に向かってバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成比を調整し、且つ、５×１０^１７／ｃｍ^３より大きく２×１０^１８／ｃｍ^３以下のｎ型不純物濃度でｎ型不純物が添加されるようにｎ型不純物の原料を供給して、組成傾斜層を形成する工程と、
    前記組成傾斜層の上面と接して、前記組成傾斜層の上面よりも大きなバンドギャップエネルギーを有し、前記組成傾斜層よりもｎ型不純物濃度が大きく且つ膜厚が小さいｎ側障壁層を形成する工程と、
    前記ｎ側障壁層の上方に、単数又は複数の井戸層を形成する工程と、
    前記井戸層の上方に、ｐ側半導体層を形成する工程と、
    を有する半導体レーザ素子の製造方法。
17. 前記組成傾斜層を形成する工程において、成長するに従ってバンドギャップエネルギーが実質的に単調減少するように組成比を調整して前記組成傾斜層を形成する請求項１６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
18. 前記組成傾斜層を形成する工程において、成長開始をＩｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０≦ｂ）とし、成長終了をＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（ｂ＜ａ＜１）として、Ｉｎ原料ガスのＧａ原料ガスに対する流量比の増加量を複数回変化させることにより、前記組成傾斜層を形成する請求項１７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
19. 前記組成傾斜層を形成する工程において、成長開始から成長終了までｎ型不純物の添加量が実質的に一定となるように前記ｎ型不純物の原料を供給して前記組成傾斜層を形成する請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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