JP7207644B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子に関する。

特許文献１には、窒化物系半導体レーザ素子が開示されている。特許文献１には、ｐ型クラッド層内の活性層側の領域の屈折率をｐ型クラッド層内の活性層側とは反対側の領域の屈折率よりも低くすることによって、閾値電流が低減するとともにスロープ効率が向上し、窒化物系半導体レーザ素子の高出力化が可能になることが記載されている。窒化物系半導体レーザ素子の高出力化は、際限なく求められる課題である。

特開２０１１－２１０９５１号公報

本発明の目的は、高出力化を図ることができる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による窒化物半導体レーザ素子は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層されてＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された上部ガイド層、及び前記上部ガイド層の上にＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎを積層して形成されて前記上部ガイド層から離れるほど前記Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成が連続的又は階段状に減少する組成変化層を含む窒化物半導体積層膜と、前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するｐ型電極及びｎ型電極を備え、前記Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値をｙ、最大値をｚとし、前記下部ガイド層の膜厚をＴ１とし、前記発光層の膜厚をＴ２とし、前記上部ガイド層の膜厚をＴ３とすると、前記窒化物半導体積層膜は、０≦ｘ１≦１、０≦ｘ２≦１、０≦ｘ３≦１、ｘ２＜ｘ１＜ｚ及び－１＜ｘ１－ｙ＜０．２の関係を満たす組成を有し、４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍの関係を満たす膜厚を有し、前記組成変化層におけるＡｌ組成が前記下部ガイド層のＡｌ組成と同じＡｌ組成になる領域から前記窒化物半導体積層膜の最上端までの距離をＴ４とすると、前記窒化物半導体積層膜は、０．６＜（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４＜３．５の関係を満たす積層構造を有し、前記井戸層が前記Ａｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１－ｘ２）} Ｎで形成されている場合において、前記井戸層及び前記組成変化層は、ｘ２＜ｙの関係を満たす組成を有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の態様による窒化物半導体レーザ素子は、下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてＡｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１－ｘ２）} Ｎで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層された上部ガイド層及び前記上部ガイド層の上に積層されてＡｌ _ｘ３ Ｇａ _{（１－ｘ３）} ＮのＡｌ組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層を有する窒化物半導体積層膜と、前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するｐ型電極及びｎ型電極とを備え、前記下部ガイド層の屈折率をｎ１、バンドギャップをＥ１、膜厚をＴ１とし、前記井戸層の屈折率をｎ２、バンドギャップをＥ２とし、前記発光層の膜厚をＴ２とし、前記上部ガイド層の屈折率をｎ３、バンドギャップをＥ３、膜厚をＴ３とし、前記組成変化層の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をｎ４からｎ５及びＥ４からＥ５とし、前記組成変化層の膜厚をＴｃとすると、前記窒化物半導体積層膜は、ｎ４＜ｎ１、－０．５＜Ｅ５－Ｅ１＜１．３の関係を満たす組成と、４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍの関係を満たす膜厚とを有し、前記組成変化層におけるＡｌ組成が前記下部ガイド層のＡｌ組成と同じＡｌ組成になる領域から前記窒化物半導体積層膜の最上端までの距離をＴ４とすると、前記窒化物半導体積層膜は、０．６＜（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４＜３．５の関係を満たす積層構造を有し、前記組成変化層は、前記上部ガイド層から離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなり、前記Ａｌ _ｘ３ Ｇａ _{（１－ｘ３）} Ｎのｘ３の最小値がｙであり、前記井戸層及び前記組成変化層は、ｘ２＜ｙの関係を満たす組成を有することを特徴とする。

本発明の各態様によれば、高出力化を図ることができる。

本発明の第１実施形態及び第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子１の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態及び第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子１の概略構成を示す要部側面図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子１に備えられた発光層１２１及びガイド層１２２のそれぞれの膜厚の合計膜厚（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、上部ガイド層１２２ｂのＡｌ組成比ｘ１と組成変化層１２３のＡｌ組成比の最大値ｚとの差と、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子１に備えられたガイド層１２２及び発光層１２１の合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３と窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子１に備えられた組成変化層１２３の領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４に対するガイド層１２２及び発光層１２１の合計膜厚の比率と、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、下部クラッド層１３のＡｌ組成比ｘ４と組成変化層１２３のＡｌ組成比ｘ３の最小値ｙとの差ｙ－ｘ４と、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子１に備えられた組成変化層１２３の領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４に対するガイド層１２２及び発光層１２１の合計膜厚の比率と、窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１を説明する図であって、窒化物半導体レーザ素子１に備えられた窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５と窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子について図１から図９を用いて説明する。まず、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１の概略構成について図１を用いて説明する。図１では、窒化物半導体レーザ素子１が模式的に図示されている。図１では、理解を容易にするため、窒化物半導体レーザ素子１を構成する各層の厚さや大きさの相対関係が実際の寸法とは異ならせて図示されている。

図１に示すように、窒化物半導体レーザ素子１は、基板１１と、基板１１の上方に配置された窒化物半導体積層膜１２と、窒化物半導体積層膜１２に電流を注入するｐ型電極１５及びｎ型電極１６とを備えている。窒化物半導体積層膜１２は、下部ガイド層１２２ａと、下部ガイド層１２２ａの上に積層されて井戸層１２１ａを有する発光層１２１と、発光層１２１の上に積層された上部ガイド層１２２ｂと、上部ガイド層１２２ｂの上に積層された組成変化層１２３とを含んでいる。

窒化物半導体レーザ素子１は、下部ガイド層１２２ａの下層に形成された下部クラッド層１３と、組成変化層１２３の上層に形成された窒化物半導体層１４とを備えている。組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４によって上部クラッド層が構成される。ｐ型電極１５は、窒化物半導体層１４上に形成され、ｎ型電極１６は、下部クラッド層１３上に形成されている。図示は省略するが、窒化物半導体レーザ素子１と、窒化物半導体レーザ素子１を覆うパッケージとによってパッケージ化されたレーザダイオードが構成される。このパッケージは、金や鉛が母体となる支持体が主構造となり、発光層１２１から出射される光が入射する領域にガラスで形成された窓を有している。発光層１２１は、波長３６０ｎｍ以下の紫外光を発光可能である。

下部ガイド層１２２ａ、発光層１２１、上部ガイド層１２２ｂ及び組成変化層１２３は、この順に基板１１の上方で積層されている。下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂによってガイド層１２２が構成されている。下部クラッド層１３、窒化物半導体積層膜１２及び窒化物半導体層１４によって窒化物積層体１０が構成されている。

基板１１は、薄板の四角形状を有している。基板１１は、下部クラッド層１３、窒化物半導体積層膜１２及び窒化物半導体層１４が積層される積層面１１Ｓを有している。積層面１１Ｓは、窒化物積層体１０と接触する平面である。窒化物積層体１０は、側壁が積層面１１Ｓに対してほぼ直交するように基板１１上に形成されている。なお、基板１１の側壁と窒化物積層体１０の側壁とが面一に形成されていてもよい。窒化物積層体１０のうち下部クラッド層１３が積層面１１Ｓに接触して形成されている。基板１１は、基板単体の構造を有していてもよく、基板上に半導体が積層された積層構造を有していてもよい。基板１１における積層構造として例えば、サファイア基板上にＡｌＮ薄膜が積層された構造、サファイア基板上にＡｌＮ薄膜及びｎ型ＡｌＧａＮ薄膜が積層された構造などが挙げられる。

下部ガイド層１２２ａは、例えばＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成されている。下部ガイド層１２２ａの組成を決定するｘ１は、０以上１以下（０≦ｘ１≦１）の範囲の値のいずれかであってもよい。

上部ガイド層１２２ｂは、例えばＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成されている。上部ガイド層１２２ｂの組成を決定するｘ１は、０以上１以下（０≦ｘ１以下１）の範囲の値のいずれかであってもよい。上部ガイド層１２２ｂ及び下部ガイド層１２２ａは、Ａｌ組成（すなわちｘ１の値）が同じであっても異なっていてもよいが、効率良く光を閉じ込めるためには同じであることが好ましい。

発光層１２１に設けられた井戸層１２１ａは、例えばＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎで形成されている。本実施形態では、発光層１２１は、例えばＡｌＧａＮで形成された障壁層を有し、井戸層１２１ａ及び障壁層が１つずつ交互に積層された多重量子井戸（（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有している。窒化物半導体レーザ素子１は、発光層１２１を多重量子井戸構造とすることにより、発光層１２１の発光効率や発光強度の向上が図られている。

発光層１２１は、例えば「障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層」という二重量子井戸構造を有していてもよい。これら井戸層のそれぞれの膜厚は例えば３ｎｍであってよく、これらの障壁層のそれぞれの膜厚は例えば１０ｎｍであってよく、発光層１２１の膜厚は３６ｎｍであってもよい。以下、発光層１２１に含まれる２つの井戸層を総称して「井戸層１２１ａ」と称する。したがって、発光層１２１の膜厚Ｔ２は、複数の井戸層１２１ａ及び複数の障壁層のそれぞれの膜厚を合わせた膜厚を指す。井戸層１２１ａの組成を決定するｘ２は、０以上１以下（０≦ｘ２≦１）の範囲の値のいずれかであってもよい。

ガイド層１２２は、発光層１２１で発光した光が出射される側に出射側端面１２２Ｓａを有している。ガイド層１２２の出射側端面１２２Ｓａはハーフミラーを構成し、出射側端面１２２Ｓａに対向するガイド層１２２の対向端面１２２Ｓｂはミラーを構成している。ガイド層１２２は、発光層１２１で発光した光を、下部クラッド層１３および上部クラッド層１２３との屈折率差により閉じ込める。

ガイド層１２２は、窒化物半導体レーザ素子１の外部空間を満たす空気とガイド層１２２との屈折率差を利用して、出射側端面１２２Ｓａでハーフミラーを構成し、対向端面１２２Ｓｂでミラーを構成してもよい。また、ガイド層１２２は、出射側端面１２２Ｓａ及び対向端面１２２Ｓｂでの反射率を向上させるため、出射側端面１２２Ｓａ及び対向端面１２２Ｓｂのそれぞれの表面に誘電体多層膜が形成され、出射側端面１２２Ｓａでハーフミラーを構成し、対向端面１２２Ｓｂでミラーを構成してもよい。

組成変化層１２３は、リッジ構造を有している。すなわち、組成変化層１２３は、上部ガイド層１２２ｂに接触していない側の表面（上部側表面）の一部が土手状に上方に突出する形状を有している。組成変化層１２３は、この突出部分をほぼ中央に有しているが、中央ではなくｎ型電極１６が配置されている側に片寄らせて突出部分を有していてもよい。突起部分がｎ型電極１６に近付くことによって、窒化物積層体１０中を流れる電流経路が短くなるので、窒化物積層体１０中に形成される電流経路の抵抗値を下げることができる。発光層１２２と組成傾斜層１２３の間に窒化物半導体層を有していても良い。例えば、発光効率を向上させるために「電子ブロック層」と呼ばれる障壁層を有していても良い。また、リッジ構造の底は必ずしも組成傾斜層で形成されている必要はなく、例えば上記電子ブロック層や、あるいは組成傾斜層上の窒化物半導体層でも良い。また、リッジ構造はなくてもよい。

組成変化層１２３は、上部ガイド層１２２ｂから離れるほどＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成が連続的又は階段状に減少するようになっている。組成変化層１２３の組成を決定するｘ３は、０以上１以下（０≦ｘ３≦１）の範囲で変化してよい。したがって、組成変化層１２３は、ｘ３が０より大きく１より小さい範囲内で変化してＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのみで形成される構造、ｘ３が０より大きく１以下の範囲で変化してＡｌＮ及びＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成される構造、ｘ３が０以上１より小さい範囲で変化してＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎ及びＧａＮで形成される構造、及びｘ３が０以上１以下の範囲で変化してＡｌＮ、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎ及びＧａＮで形成される構造のいずれかの構造を有する。

組成変化層１２３におけるＡｌの組成変化率は、０．１％／ｎｍより大きくなっている。ここで、Ａｌの組成変化率とは、ＡｌＧａＮ中でのＡｌ及びＧａのモル数の合計に対するＡｌのモル数であるＡｌの組成比率が変化する割合をいう。組成変化率をこの範囲に規定することで、後述する分極ドーピングによるホール発生量を多くすることができる。これにより、効率良く発光層１２１へホールを輸送することができ、発光効率の高い窒化物半導体レーザ素子１及び窒化物半導体レーザ素子１を備えるレーザダイオードを作製できる。組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値をｙ、最大値をｚとすると、ガイド層１２２側の組成変化層１２３の下部領域１２３ａがＡｌ_ｚＧａ_{（１－ｚ）}Ｎで形成され、窒化物半導体層１４側の組成変化層１２３の上部領域１２３ｂがＡｌ_ｙＧａ_{（１－ｙ）}Ｎで形成されている。組成変化層１２３の下部領域１２３ａ及び上部領域１２３ｂの間の中間領域１２３ｃは、下部領域１２３ａから上部領域１２３ｂに向かってＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比、すなわちｘ３の値が連続的又は階段状に小さくなるＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成されていてもよい。また、中間領域１２３ｃは、下部領域１２３ａにおけるＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比と上部領域１２３ｂにおけるＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成比との間の一の組成比、すなわちＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３がｙ及びｚの間の一の値のＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎで形成されていてもよい。また、本実施形態における組成変化層１２３は、下部領域１２３ａ、上部領域１２３ｂ及び中間領域１２３ｃの３層構造を有しているが、中間領域１２３ｃを有さずに下部領域１２３ａ及び上部領域１２３ｂの２層構造を有していてもよい。この場合、組成変化層１２３は、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を２段階に変化させた構造を有する。

本実施形態では、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値ｙは、０．２以上０．８以下（０．２≦ｙ≦０．８）であってもよい。また、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最大値ｚは、最小値ｙの値よりも大きいことを前提に、０．３以上１以下（０．３≦ｚ≦１）であってもよい。Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値ｙ及び最大値ｚの少なくとも一方がこの範囲の値となるように制御して組成変化層１２３を形成することにより、分極ドーピングによる組成変化層１２３内の正孔密度が向上する。さらに、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値ｙ及び最大値ｚの少なくとも一方がこの範囲の値となるように制御して組成変化層１２３を形成することにより、組成変化層１２３の屈折率を利用して発光層１２１で発光した光をガイド層１２２に閉じ込める効果が向上する。このように、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値ｙ及び最大値ｚを最適化することにより、分極ドーピングによる組成変化層１２３内の正孔密度の向上とガイド層１２２の光閉じ込め効果の向上の両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子１は、高出力化を図ることができる。

窒化物半導体レーザ素子１は、組成変化層１２３を有することにより、窒化物半導体積層膜１２における急峻な組成変化を抑制し、三次元成長による薄膜の平坦性の悪化を抑制できる。

窒化物半導体積層膜１２は、以下の式（１）から式（５）の関係を満たす組成を有している。
０≦ｘ１≦１ ・・・（１）
０≦ｘ２≦１・・・（２）
０≦ｘ３≦１ ・・・（３）
ｘ２＜ｘ１＜ｚ ・・・（４）
－１＜ｘ１－ｙ＜０．２ ・・・（５）

式（４）の関係を満たすことで、下部クラッド層１３から注入されたキャリアを窒化物半導体層１４側まで抜けることなく閉じ込めることができる。また式（５）の関係を満たすことで、発光層１２１で発光した光が窒化物半導体層１４側へ抜けることなくガイド層１２２に閉じ込めることができる（詳細は後述する）。

井戸層１２１ａがＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎで形成されている場合において、井戸層１２１ａ及び組成変化層１２３は、以下の式（６）の関係を満たす組成を有している。
ｘ２＜ｙ・・・（６）
式（６）の関係を満たすことで、組成変化層１２３において発光層１２１よりもバンドギャップが小さい領域が無くなり、発光層１２１での発光が組成変化層１２３で吸収されることを抑制できる（詳細は後述する）。

紫外光の波長領域におけるＡｌＧａＮ内のＡｌ組成と屈折率との関係は、Ａｌ組成が低いと屈折率が高くなり、Ａｌ組成が高いと屈折率が低くなることが知られている。このため、発光層１２１が発光する光の波長領域（すなわち紫外光の波長領域）における組成変化層１２３内の屈折率は、下部領域１２３ａの方が上部領域１２３ｂよりも低くなる。これにより、組成変化層１２３は、ガイド層１２２で閉じ込めている光が窒化物半導体層１４に染み出す量を低減できる。その結果、窒化物半導体レーザ素子１は、光閉じ込め効率を向上させることができ、高出力のレーザ素子を実現できる。

下部ガイド層１２２ａ、上部ガイド層１２２ｂ及び井戸層１２１ａは、以下の式（７）の関係を満たす組成を有していてもよい。
０．０５≦ｘ１－ｘ２≦０．２ ・・・（７）

下部ガイド層１２２ａ、上部ガイド層１２２ｂ及び井戸層１２１ａが式（７）の関係を満たす組成を有することにより、クラッド層からガイド層へ注入されたキャリアを効率よく発光層の井戸層へ閉じ込めることが可能となる。これにより、発光効率の高いレーザ素子が作製可能となる。

下部ガイド層１２２ａ、上部ガイド層１２２ｂ及び組成変化層１２３は、以下の式（８）の関係を満たす組成を有していてもよい。
０．０５≦ｚ－ｘ１≦０．３ ・・・（８）

下部ガイド層１２２ａ、上部ガイド層１２２ｂ及び組成変化層１２３が式（８）の関係を満たす組成を有することにより、発光層１２１で発光した光をガイド層１２２で閉じ込める効率の向上と、発光層１２１へのキャリア（電子及び正孔）の注入効率の向上との両立を図ることができる。

下部クラッド層１３は、ｎ型のＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎを有している。本実施形態における下部クラッド層１３は、全体がｎ型のＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎ、すなわちｎ型の半導体で形成されている。下部クラッド層１３及び組成変化層１２３は、以下の式（９）の関係を満たす組成を有している。
０≦ｘ４－ｙ＜０．４ ・・・（９）

式（９）の関係を満たすことにより、組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４で構成される上部クラッド層と、下部クラッド層１３との屈折率差が小さくなり、発光層１２１からの発光が当該上部クラッド層及び下部クラッド層１３のどちらかに偏ることを抑制することができる。これにより、当該上部クラッド層及び下部クラッド層１３への光の染み出しを抑制し、当該上部クラッド層中及び下部クラッド層１３中での光の吸収を抑制することができるので、窒化物半導体レーザ素子１の発光出力の向上を実現できる。

また、下部クラッド層１３を構成するＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎの組成を決定するｘ４と、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３の最大値のｚとの差は、０以上かつ０．４より小さくてもよい。この場合、ｘ４の値がｚの値より大きくてもよく、ｚの値がｘ４の値よりも大きくてもよい。これにより、下部クラッド層１３の屈折率と組成変化層１２３の屈折率との差が０．４よりも小さくなるので、発光層１２１からの発光の偏りを抑制して、窒化物半導体レーザ素子１の発光出力の向上を実現できる。

下部クラッド層１３は、基板１１よりも一回り小さい大きさ又は同じ大きさに形成されている。これにより、下部クラッド層１３の周囲には、積層面１１Ｓが露出される。下部クラッド層１３は、ガイド層１２２が積層される第一領域１３１と、積層面１１Ｓからの高さが第一領域１３１よりも低い第二領域１３２とを有している。下部クラッド層１３は、第一領域１３１及び第二領域１３２の境界に段差を有している。第二領域１３２上には、ｎ型電極１６が形成されている。ｎ型電極１６は、発光層１２１に注入される電流の負極側の電極となる。下部クラッド層１３には、ｎ型電極１６を介して電子が供給される。

下部クラッド層１３、下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂは、以下の式（１０）の関係を満たす組成を有していてもよい。
０．０５≦ｘ４－ｘ１≦０．３ ・・・（１０）

下部クラッド層１３、下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂが式（１０）の関係を満たす組成を有することにより、発光層１２１で発光した光をガイド層１２２で閉じ込める効率の向上と、発光層１２１へのキャリア（電子及び正孔）の注入効率の向上との両立を図ることができる。

窒化物半導体層１４は、ｐ型のＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎで形成されている。窒化物半導体層１４を構成するＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎは、以下の式（１１）の関係を満たす組成を有している。
０≦ｘ５≦ｙ・・・（１１）

窒化物半導体層１４は、組成変化層１２３の突出部分の上に形成されている。このため、組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４で構成される上部クラッド層は、リッジ構造を有する。窒化物半導体層１４上には、ｐ型電極１５が形成されている。窒化物半導体層１４は、組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４によって構成される上部クラッド層においてｐ型電極１５とのコンタクト層として機能する。ｐ型電極１５は、発光層１２１に注入される電流の正極側の電極となる。窒化物半導体層１４には、ｐ型電極１５を介して正孔が供給される。

上部クラッド層がリッジ構造を有すると、レーザ発振に必要な反転分布を形成するための閾値電流を下げることができる。また、共振方向と垂直な水平方向の光の閉じ込めも実現できるために、レーザ発振を単一モードへ制御することができる。窒化物半導体レーザ素子１におけるリッジ構造は、図１に示すように組成変化層１２３の一部を突出させた突出部分とこの突出部分の上に配置された窒化物半導体層１４とｐ型電極１５とで構成されてもよい。また、窒化物半導体レーザ素子１におけるリッジ構造は、上部ガイド層１２２ｂ上の一部に形成された土手状の組成変化層１２３と、組成変化層１２３の上に形成された窒化物半導体層１４と、窒化物半導体層１４の上に配置されたｐ型電極１５とで構成されてもよい。窒化物半導体レーザ素子１は、このようなリッジ構造を有することにより、上部クラッド層における電流の経路を電極直下の領域に制限できる。これにより、上部クラッド層中での水平方向の電流拡散が抑制されるので、発光層１２１内に流れる電流を上部クラッド層の突出部分（本実施形態では組成変化層１２３の突出部分）直下に集中させることができる。その結果、この突出部分の領域において効率よく反転分布状態を形成することができ、レーザ発振の閾値を低く保つことが可能になる。

発光層１２１に反転分布状態の領域が形成された後に、窒化物半導体層１４に注入されたホールと下部クラッド層１３に注入された電子が発光層１２１で再結合することにより、発光層１２１で光が生じる。ガイド層１２２より組成変化層１２３及び下部クラッド層１３の屈折率が大きい。このため、発光層１２１で発光した光は、ガイド層１２２と接する組成変化層１２３及び下部クラッド層１３の表面で反射されるので、ガイド層１２２に閉じ込められる。ガイド層１２２の出射側端面１２２Ｓａと対向端面１２２Ｓｂがミラー（反射鏡）としての機能を発揮するので、発光層１２１で発光した光は、ガイド層１２２内で増幅されながら往復して誘導放出を生じてレーザ発振が生じる。ガイド層１２２内で増幅された光がガイド層１２２内での光学ロスより大きくなると、窒化物半導体積層膜１２から外部に光が出射される。

窒化物半導体層１４は、式（１１）の関係を満たすことを前提に、Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎのｘ５の値は、０以上０．２以下（０≦ｘ５≦０．２）であってもよい。窒化物半導体層１４がＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎ（但し０≦ｘ５≦０．２）で形成されていると、窒化物半導体層１４とｐ型電極１５とのコンタクト抵抗が低減される。これにより、窒化物半導体レーザ素子１は、低消費電力化を図ることができる。本実施形態では、窒化物半導体層１４は、例えばＧａＮ（ｘ５＝０）で形成されている。

次に、窒化物半導体レーザ素子１を構成する各層の厚さについて図２から図９を用いて説明する。

図２に示すように、下部ガイド層１２２ａの膜厚をＴ１とし、発光層１２１の膜厚をＴ２とし、上部ガイド層１２２ｂの膜厚をＴ３とすると、窒化物半導体積層膜１２は、以下の式（１２）の関係を満たす膜厚を有している。
４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍ ・・・（１２）

窒化物半導体積層膜１２が式（１２）に示す範囲の膜厚を有することにより、窒化物半導体レーザ素子１は高出力化を図ることができる。

ここで、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γ及び窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈについて、図２を参照しつつ図３から図９を用いて説明する。図３から図８には、シミュレーションソフトＳｉＬＥＮＳｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｄｉｔｉｏｎを用いて計算を行ったグラフが図示されている。

このシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図１及び図２に示す窒化物半導体レーザ素子１と同様である。より具体的には、基板１１は、厚さ２μｍのＡＩＮ基板とし、下部クラッド層１３は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成が６０％（すなわちｘ４＝０．６）で、不純物としてＳｉを３×１０^１８ｃｍ^－３含む、１μｍのｎ型半導体層とした。また、下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂは、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成が５０％（すなわちｘ１＝０．５）の層で厚さは適宜変更した。また、発光層１２１は、「障壁層／井戸層１２１ａ／障壁層／井戸層１２１ａ／障壁層」という二重量子井戸構造とし、井戸層１２１ａは、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成が３０％（すなわちｘ２＝０．３）の厚さ３ｎｍの層とし、障壁層は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成が５０％の厚さ１０ｎｍの層とした。組成変化層１２３の組成は適宜変更し、厚さは１５０ｎｍあるいは３００ｎｍとし、不純物としてＭｇを３×１０^１９ｃｍ^－３含む構造とした。また、窒化物半導体層１４は、Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}ＮのＡｌ組成が０％（すなわちｘ５＝０）の層、つまりＧａＮで形成された層で不純物を３×１０^２０ｃｍ^－３含む層とし、厚さは適宜変更した。また、各層における、電子移動度は１００ｍｃ^２・Ｖｓとし、正孔移動度は１０ｃｍ^２・Ｖｓとした。転位密度は１×１０^９ｃｍ^－２とした。さらに、成長面は０００１面とした。

また、このシミュレーションにおいて、下部クラッド層１３の膜厚を１０００ｎｍとした。下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂの膜厚を適宜変化させた。２つの井戸層１２１ａは、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を３ｎｍとした。３つの障壁層は、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を１０．０ｎｍとした。組成変化層１２３の膜厚を３００ｎｍとした。窒化物半導体層１４の膜厚を１０ｎｍとした。

図３に示すグラフの横軸は発光層１２１及びガイド層１２２のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３［ｎｍ］を示し、当該グラフの縦軸はガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを示している。以下、「発光層１２１及びガイド層１２２のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚」を「発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚」と略記する場合があり、「Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３」を「ΣＴ」と称する場合がある。光閉じ込め係数は、光分布のうち、井戸層１２１ａの領域を積分した値を、当該光分布の全積分値で除した値で算出される。

図３中に示す網掛け付四角印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図３中に示す網掛け付菱形印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から２０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．２かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。

図３中に示す白抜き菱形印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から３０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．３かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図３中に示す白抜き丸印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から４０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．４かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図３中に示す白抜き三角印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から５０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．５かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図３中に示す×印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から７０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．７かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。図３中に示す＋印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％で一定にしたアルミニウム単体層の場合の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３とガイド層１２２の光閉じ込め係数Γとの関係を示している。

図３には、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の８０％から０％への変化が「Ａｌ８０％→０％」と表され、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％一定にしたことが「Ａｌ８０％単膜」表されている。また、図３には、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の８０％から２０％、３０％、４０％、５０％及び７０％へのそれぞれ変化が、０％に変化させた場合と同様の表記で表されている。

図４に示すグラフの横軸は、上部ガイド層１２２ｂを構成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎの組成を決定するｘ１から組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３の最小値ｙを減算した差分ｘ１－ｙ示している。当該グラフの縦軸は、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを示している。図４は、窒化物半導体レーザ素子１に備えられた発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが３３６ｎｍにおけるガイド層１２２の光閉じ込め係数Γの差分ｘ１－ｙ依存性を示すグラフである。

発光層１２１及びガイド層１２２が７０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下（７０ｎｍ≦Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３≦８５０ｎｍ）の合計膜厚ΣＴを有していると、図３に示すように、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが高くなる。特に、窒化物半導体積層膜１２がＡｌ組成を８０％から４０％、５０％又は７０％のいずれかに変化させた組成変化層１２３を有する場合には、Ａｌ組成を８０％から０％又は２０％のいずれかに変化させた組成変化層１２３を有する場合よりも、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが高くなる。光閉じ込め係数Γは、発光層１２１で発光した光がガイド層１２２に閉じ込められる割合である。このため、ガイド層１２２から組成変化層１２３、窒化物半導体層１４及び下部クラッド層１３への光漏れが抑制される。これにより、窒化物半導体レーザ素子１は、高出力化を図ることができる。

また、窒化物半導体積層膜１２が組成変化層１２３のＡｌ組成を８０％から３０％に変化させた構造を有し、かつ発光層１２１及びガイド層１２２が５３６ｎｍの合計膜厚ΣＴを有する場合には、窒化物半導体レーザ素子１のレーザ発振が確認できなかった。このように窒化物半導体レーザ素子１のレーザ発振が確認できなかったのは、下部クラッド層１３の構造と、組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４によって構成される上部クラッド層の構造とが非対称であるために、下部クラッド層１３側に光が漏れているためである。また、窒化物半導体レーザ素子１は、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが上述の式（１２）の関係を満たしていても、組成変化層１２３のＡｌ組成が上述の式（５）の関係を満たさない場合にはレーザ発振しない。

また、窒化物半導体積層膜１２がＡｌ組成を８０％から４０％、５０％又は７０％のいずれかに変化させた組成変化層１２３を有する場合には、上部ガイド層１２２ｂの膜厚に対するガイド層１２２の光閉じ込め係数Γの特性がほぼ同じになる。このため、組成変化層１２３におけるＡｌ組成の８０％からの変化にばらつきがあっても、４０％から７０％の範囲内へのばらつきであれば、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γはほぼ同じ値となる。このため、窒化物半導体レーザ素子１の出力の個体差のばらつきが低減される。発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴは、式（１２）を満たしていてもよく、７０ｎｍ以上かつ６００ｎｍより小さくてもよい。

光閉じ込め係数が０．０２０以下であると、下部クラッド層１３への光の漏れが多くなる。このため、光閉じ込め係数Γは、０．０２０より高いとよい。組成変化層１２３のＡｌ組成の変化が８０％から３０％であり、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが５３６ｎｍであり、かつ光閉じ込め係数Γが０．０１９である場合に、窒化物半導体レーザ素子１がレーザ発振しなかったことからも、光閉じ込め係数Γが０．０２０より高いとよいことが示されている。

また、窒化物半導体積層膜１２が組成変化層１２３のＡｌ組成を８０％から５０％に変化させる構造を有し、かつ発光層１２１及びガイド層１２２が８３６ｎｍの合計膜厚ΣＴの構造を有する場合には、窒化物半導体レーザ素子１のレーザ発振が確認できなかった。このように窒化物半導体レーザ素子１のレーザ発振が確認できなかったのは、下部クラッド層１３の構造と、組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４によって構成される上部クラッド層の構造とが非対称であるために、下部クラッド層１３側に光が漏れているためである。

ところで、上述のとおり、図３に示す各特性が得られたシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造において、ガイド層１２２を構成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎのｘ１は０．５であり、井戸層１２１ａを構成するＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎのｘ２は０．３である。また、図３中にプロットされたそれぞれの組成変化層１２３のＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最大値ｚは０．８（Ａｌ組成比８０％）である。このため、図３に示す全ての特性は、上述の式（４）（ｘ２＜ｘ１＜ｚ）を満たしている。したがって、式（４）の関係を満たすことによって、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが向上し、ガイド層１２２から組成変化層１２３、窒化物半導体層１４及び下部クラッド層１３への光漏れが抑制される。

また、図３中の白抜き丸印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値ｙが０．４（Ａｌ組成比４０％）の場合の特性を示し、図３中の白抜き三角印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値ｙが０．５（Ａｌ組成比５０％）の場合の特性を示している。このため、図３中の白抜き丸印の特性及び白抜き三角印の特性は、上述の式（５）（－１＜ｘ１－ｙ＜０．２）を満たしている。したがって、式（４）の関係を満たすことによって、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが向上し、ガイド層１２２から組成変化層１２３、窒化物半導体層１４及び下部クラッド層１３への光漏れが抑制される。

図３中の網掛け付四角印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値ｙが０（Ａｌ組成比０％）の場合の特性を示し、図３中に示す網掛け付菱形印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値が０．２（Ａｌ組成比２０％）の場合の特性を示し、図３中に示す白抜き菱形印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値が０．３（Ａｌ組成比３０％）の場合の特性を示している。このため、図３中の網掛け付四角印、網掛け付菱形印及び白抜き菱形印は、上述の式（６）（ｘ２＜ｙ）を満たさない場合の特性を示している。一方、図３中の残余の特性は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成の最小値が０．４（Ａｌ組成比４０％）以上であって０．３（Ａｌ組成比３０％）よりも大きい場合の特性であり、上述の式（６）（ｘ２＜ｙ）の関係を満たす場合の特性である。このように、式（６）の関係を満たすことによって、光閉じ込め係数Γがより一層向上し、ガイド層１２２から組成変化層１２３、窒化物半導体層１４及び下部クラッド層１３への光漏れがより一層抑制される。なお、組成変化層１２３をＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から０％、１０％及び２０％にそれぞれ変化させた場合には、レーザ発振が生じなかった。

図４に示すように、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γは、差分ｘ１－ｙが０．５から０．２の範囲で急激に増加し、差分ｘ１－ｙが０．２よりも小さい範囲において０．０２６で一定となる。このように、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが式（１２）の関係を満たす範囲（図４では、３３６ｎｍ）の膜厚であり、差分ｘ１－ｙが０．２よりも小さい（すなわち式（５）の関係を満たす）と、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γの向上及び安定化を図ることができる。なお、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成のｘ３の最小値ｙの最大値が１であるので、上部ガイド層１２２ｂを構成するＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成のｘ１が最小値の０の場合に、式（５）における「－１＜ｘ１－ｙ」の関係を満たす。

図５に示すグラフの横軸は発光層１２１及びガイド層１２２のそれぞれの膜厚を合わせた合計膜厚ΣＴ［ｎｍ］を示し、当該グラフの縦軸は窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］を示している。図５中に示す白抜き菱形印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から３０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．３かつｚ＝０．８）の発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴと窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］との関係を示している。図５中に示す白抜き丸印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から４０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．４かつｚ＝０．８）の発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴと窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］との関係を示している。図５中に示す白抜き三角印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から５０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．５かつｚ＝０．８）の発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴと窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］との関係を示している。図５中に示す×印は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成を８０％から７０％に変化させた場合（すなわちｙ＝０．７かつｚ＝０．８）の上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３と窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］との関係を示している。図５では、組成変化層１２３におけるＡｌ組成の変化が図３と同様の表記で表されている。

窒化物半導体積層膜１２が式（１２）に示す範囲の膜厚を有していることを前提とし、発光層１２１及びガイド層１２２が７０ｎｍ以上３３０ｎｍ以下（７０ｎｍ≦Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３≦３３０ｎｍ）の合計膜厚ΣＴを有していると、図５に示すように、閾値電流密度Ｊｔｈが低くなる。このため、窒化物半導体レーザ素子１は、組成変化層１２３を有することにより、駆動電流を低減できるので、高出力化を図ることができる。

窒化物半導体レーザ素子１は、閾値電流密度Ｊｔｈが高いとレーザ発振するより先に発熱による素子破壊が起きてしまう。そこで、窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈは、１０００ｋＡ／ｃｍ^２以下であってよく、また３００ｋＡ／ｃｍ^２以下であってもよく、さらに２００ｋＡ／ｃｍ^２以下であってもよい。上述のとおり、図５に示す特性を得るためのシミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子１の積層構造では、発光層１２１の膜厚Ｔ２を３６ｎｍと仮定している。このため、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが４０ｎｍより小さい構造の窒化物半導体レーザ素子１を作製することができない。図５に示すように、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが７０ｎｍより小さくなると、窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈは増加傾向にある。発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが７０ｎｍから４０ｎｍまでの範囲での窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈの増加率は、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴが４０ｎｍにおいて閾値電流密度Ｊｔｈが１０００ｋＡ／ｃｍ^２を超える程には大きくない。このため、窒化物半導体レーザ素子１は、式（１２）の関係を満たすことによって、レーザ発振するより先に発熱による素子破壊が起きることを防止できる。

また例えば、発光層１２１が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下（２０ｎｍ≦Ｔ２≦５０ｎｍ）の膜厚Ｔ２を有し、かつ窒化物半導体積層膜１２が式（１２）に示す範囲の膜厚を有しているとする。この場合、発光効率が向上し、窒化物半導体層１４へのキャリア漏れが抑制されるので、窒化物半導体レーザ素子１の高出力化を図ることができる。

組成変化層１２３は、例えば０よりも大きく５００ｎｍよりも小さい膜厚Ｔｃ（０＜Ｔｃ＜５００ｎｍ）を有している。また、組成変化層１２３の膜厚Ｔｃが５００ｎｍ以上になると、上部領域１２３ｂを含むＡｌ組成の低組成領域（例えば、０≦ｘ３＜ｘ１）の絶対膜厚が大きくなるため、発光層１２１で発光した光が上記低組成領域で吸収される量が多く、内部ロスの増大によりレーザ発振が抑制される。また、組成変化層１２３の分極ドーピング効果を得るためには、組成変化層１２３の膜厚Ｔｃは０ｎｍよりも大きい必要がある。さらに、組成変化層１２３の膜厚Ｔｃが５００ｎｍ以上になると、組成変化層１２３の抵抗が高くなり、窒化物半導体レーザ素子１の駆動電圧が高くなるので好ましくない。このため、組成変化層１２３の膜厚Ｔｃは、少なくとも０よりも大きく５００ｎｍより小さい範囲であるとよい。

また、組成変化層１２３は、例えば０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚Ｔｃ（０ｎｍ≦Ｔｃ≦５００ｎｍ）を有していてもよい。組成変化層１２３の膜厚Ｔｃは、１００ｎｍよりも大きく３００ｎｍ以下（０ｎｍ＜Ｔｃ≦３００ｎｍ）であってもよい。組成変化層１２３の膜厚Ｔｃをこの範囲の厚さにすることにより、窒化物半導体レーザ素子１の光閉じ込め効率及び内部効率ηｉの向上による閾値電流密度Ｊｔｈの低減と、分極ドーピングによる組成変化層１２３内の正孔密度の向上との両立を図ることができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子１は、高出力化を図ることができる。

組成変化層１２３におけるＡｌ組成が下部ガイド層１２２ａのＡｌ組成と同じＡｌ組成になる領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離をＴ４とすると、窒化物半導体積層膜１２は、以下の式（１３）の関係を満たす積層構造を有している。
０．６＜（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４＜３．５ ・・・（１３）
ここで、窒化物半導体積層膜１２の最上端は、窒化物半導体層１４に接する組成変化層１２３の表面である。

窒化物半導体積層膜１２が式（１３）の関係を満たす積層構造を有することにより、発光層１２１で発光した光がガイド層１２２から窒化物半導体層１４に抜けてしまう、すなわち染み出してしまうことが抑制される。領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４は、式（１３）の関係を満たした上で、例えば０より大きく２００ｎｍよりも小さく（０＜Ｔ４＜２００ｎｍ）てもよい。これにより、発光層１２１で発光した光がガイド層１２２から窒化物半導体層１４に染み出してしまうことがさらに抑制される。また、領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４は、式（１３）の関係を満たした上で、例えば０より大きく１００ｎｍよりも小さく（０＜Ｔ４＜１００ｎｍ）てもよい。これにより、発光層１２１で発光した光がガイド層１２２から窒化物半導体層１４に染み出してしまうことが、より一層抑制される。その結果、窒化物半導体レーザ素子１は、閾値電流密度Ｊｔｈが低減され、高出力化を図ることができる。

ここで、組成変化層１２３の領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４と、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴとの関係について図２を参照しつつ図６から図８を用いて説明する。図６に示すグラフの横軸は、距離Ｔ４に対する発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴの比率ΣＴ／Ｔ４（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３／Ｔ４）を示し、当該グラフの縦軸はガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを示している。図７に示すグラフの横軸は、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３の最小値ｙから下部クラッド層１３を構成するＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎの組成を決定するｘ４を減算した差分ｙ－ｘ４を示している。当該グラフの縦軸は、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを示している。図８に示すグラフの横軸は、距離Ｔ４に対する合計膜厚ΣＴの比率ΣＴ／Ｔ４を示し、当該グラフの縦軸は窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ［ｋＡ／ｃｍ^２］を示している。

図６から図８に示す特性を得るためのシミュレーションには、シミュレーションソフトＳｉＬＥＮＳｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｄｉｔｉｏｎを用いた。また、シミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図３から図５に示す特性を得るための積層構造と同様である。但し、図６及び図８では、下部ガイド層１２２ａの膜厚Ｔ１及び上部ガイド層１２２ｂの膜厚Ｔ３の値を適宜変更し、発光層１２１Ｔ２及び組成変化層１２３の領域１２３ｄから窒化物半導体積層膜１２の最上端までの距離Ｔ４の値を固定した。また、図７では、発光層１２１及びガイド層１２２の合計膜厚ΣＴの値を３３６ｎｍと固定し、かつ組成変化層１２３のＡｌ組成を８０％から３０％に変化させた。図６中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層１２３の組成は、図３中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層１２３の組成とそれぞれ同一であるため、説明は省略する。また、図８中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層１２３の組成は、図５中に示す白抜き菱形印及び白抜き丸印が示す特性における組成変化層１２３の組成とそれぞれ同一であるため、説明は省略する。

組成変化層１２３と発光層１２１及びガイド層１２２とが０．６以上３．４以下の、距離Ｔ４に対する合計膜厚ΣＴの比率ΣＴ／Ｔ４（０．６≦（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４≦３．９）を有していると、図６に示すように、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが０．０２０よりも大きくなる。このため、窒化物半導体レーザ素子１は、式（１３）の関係を満たすことにより、ガイド層１２２から組成変化層１２３、窒化物半導体層１４及び下部クラッド層１３への光漏れが抑制される。これにより、窒化物半導体レーザ素子１は、高出力化を図ることができる。

また、窒化物半導体積層膜１２がＡｌ組成を８０％から４０％、５０％又は７０％のいずれかに変化させた組成変化層１２３を有する場合には、比率ΣＴ／Ｔ４に対するガイド層１２２の光閉じ込め係数Γの特性がほぼ同じになる。このため、組成変化層１２３におけるＡｌ組成の８０％からの変化にばらつきがあっても、４０％から７０％の範囲内へのばらつきであれば、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γはほぼ同じ値となる。このため、窒化物半導体レーザ素子１の出力の個体差のばらつきが低減される。

図７に示すように、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γは、差分ｚ－ｘ４が０から０．１の範囲で急激に増加し、差分ｚ－ｘ４が０．２よりも大きい範囲において０．０２６で一定となる。このように、下部クラッド層１３を構成するＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎの組成を決定するｘ４と、組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３の最大値ｚとの差分ｚ－ｘ４が０以上かつ０．４より小さい場合に、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γが向上する。特に、差分ｚ－ｘ４が０．２以上の場合、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γの安定化を図ることができる。

また、組成変化層１２３と発光層１２１及びガイド層１２２との比が０．６以上３．３以下の、距離Ｔ４に対する合計膜厚ΣＴの比率ΣＴ／Ｔ４（０．６≦（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４≦３．３）を有していると、図８に示すように、閾値電流密度Ｊｔｈが３００ｋＡ／ｃｍ^２よりも低くなる。このため、窒化物半導体レーザ素子１は、組成変化層１２３と発光層１２１及びガイド層１２２とが式（１３）の関係を満たす比率ΣＴ／Ｔ４を有することにより、駆動電流を低減できるので、高出力化を図ることができる。また、組成変化層１２３がＡｌ組成を８０％から３０％に変化させる構造を有し、かつ窒化物積層体１０が４．１の比率ΣＴ／Ｔ４の構造を有する場合、窒化物半導体レーザ素子１はレーザ発振しなかった。

次に、窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈと窒化物半導体層１４の膜厚との関係について図２を参照しつつ図９を用いて説明する。図９に示すグラフの横軸は、窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５（ｎｍ）を示し、当該グラフの縦軸は、窒化物半導体レーザ素子１の閾値電流密度Ｊｔｈ（ｋＡ／ｃｍ^２）を示している。

図９に示す特性を得るためのシミュレーションには、シミュレーションソフトＳｉＬＥＮＳｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｄｉｔｉｏｎを用いた。また、シミュレーションの仮説となる窒化物半導体レーザ素子の積層構造は、図１及び図２に示す窒化物半導体レーザ素子１と同様である。より具体的には、基板１１は厚さ２μｍのＡｌＮとし、下部クラッド層は、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}ＮのＡｌ組成が６０％（すなわちｘ４＝０．６）の層とした。また、下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂは、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}ＮのＡｌ組成が５０％（すなわちｘ１＝０．５）の層とした。また、発光層１２１は、「障壁層／井戸層１２１ａ／障壁層／井戸層１２１ａ／障壁層」という二重量子井戸構造とし、井戸層１２１ａは、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}ＮのＡｌ組成が３０％（すなわちｘ３＝０．３）の層とし、障壁層は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成が５０％の層とした。また、窒化物半導体層１４は、Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}ＮのＡｌ組成が０％（すなわちｘ３＝０）の層、つまりＧａＮで形成された層とした。

また、このシミュレーションにおいて、下部クラッド層１３の第一領域１３１及び第二領域１３２は、それぞれ不純物としてシリコン（Ｓｉ）を３．０×１０^１８ｃｍ^－３の濃度のｎ型の窒化物層とし、それぞれの膜厚を１０００ｎｍとした。下部ガイド層１２２ａ及び上部ガイド層１２２ｂは、それぞれノンドープの窒化物層とし、それぞれの膜厚を１５０ｎｍとした。２つの井戸層１２１ａは、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を２．５ｎｍとした。３つの障壁層は、ノンドープの窒化物層とし、膜厚を１０．０ｎｍとした。組成変化層１２３は、不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を３．０×１０^１９ｃｍ^－３の濃度のｐ型の窒化物層とし、膜厚を１５０ｎｍとした。窒化物半導体層１４は、不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を３．０×１０^２０ｃｍ^－３の濃度のｐ型の窒化物層とし、膜厚を０ｎｍから３０ｎｍの範囲で変化させた。また、各層における、電子移動度は１００ｍｃ^２・Ｖｓとし、正孔移動度は１０ｃｍ^２・Ｖｓとした。転位密度は１×１０^９ｃｍ^－２とした。さらに、成長面は０００１面とした。

また、このシミュレーションにおいて、レーザ特性は、ガイド層１２２の長さを１０００μｍとし、リッジ幅（すなわち窒化物半導体層１４の幅）を４μｍとし、出射側端面１２２Ｓａでの反射率を０．２とし、対向端面１２２Ｓｂでの反射率を０．９とした。

窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５は、０より大きく３０ｎｍより小さくなっている。本実施形態では、窒化物半導体層１４は、例えばｐ型のＧａＮ（Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎにおいてｘ５＝０）で形成されている。窒化物半導体レーザ素子１は、発光層１２１で発光した光をガイド層１２２内で導波するために組成変化層１２３及び窒化物半導体層１４で構成される上部クラッド層を必要とする。また、窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５が３０ｎｍよりも大きくなると、窒化物半導体層１４が発光層１２１で発光した光を吸収してしまう。窒化物半導体層１４による光の吸収は、窒化物半導体層１４がＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}ＮよりもＧａＮで形成されている場合に顕著になる。このため、窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５は、少なくとも０以上３０ｎｍより小さい範囲であるとよい。窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５をこの範囲の厚さとすることにより、閾値電流密度Ｊｔｈを低減することができる。また、窒化物半導体層１４の膜厚Ｔ５が３０ｎｍの構造においては、窒化物半導体レーザ素子１はレーザ発振しなかった。

次に、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。窒化物半導体レーザ素子１を形成するために、厚さが例えば５０μｍより長く１００００μｍより短い範囲内の所定厚さのウェハを準備する。窒化物半導体レーザ素子１は、このウェハ上に、最終的に下部クラッド層１３となる窒化物半導体層、最終的に下部ガイド層１２２ａとなる窒化物半導体層、最終的に発光層１２１となる窒化物半導体層、最終的に上部ガイド層１２２ｂとなる窒化物半導体層、最終的に組成変化層１２３となる窒化物半導体層及び最終的に窒化物半導体層１４となる窒化物半導体層を積層した窒化物半導体積層物を形成する。次に、ｐ型電極１５及びｎ型電極１６を形成する。その後、半導体積層物の一部を所定形状にドライエッチング及びウェットエッチングすることにより、ウェハ上に複数の窒化物積層体１０を形成する。その後、ウェハを所定位置で切断して窒化物積層体１０を個片化することにより、窒化物半導体レーザ素子１が完成する。さらにその後、窒化物半導体レーザ素子１をパッケージで覆って固定することによりパッケージ化されたレーザダイオードが完成する。

最終的に組成変化層１２３となる窒化物半導体層を形成する際に、膜厚方向に組成を制御して、例えばＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成が連続的又は段階的に変化する窒化物半導体層を形成する。

窒化物積層体１０は、ドライエッチング及びウェットエッチングではなく、窒化物半導体積層物を劈開することによって形成されてもよい。

以上説明したように、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１は、閾値電流密度Ｊｔｈを低減させることによって、高出力化を図ることができる。また、窒化物半導体レーザ素子１は、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを向上させて、内部ロス（すなわちガイド層１２２中の光学ロス）を抑制することができる。また、窒化物半導体レーザ素子１は、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを向上させて、外部微分量子効率の向上を図ることができる。ここで、外部微分量子効率は、レーザの発光効率（％）のことであり、レーザ光子数を投入電子数で除す（レーザ光子数／投入電子数）ことにより求められる。さらに、窒化物半導体レーザ素子１は、ガイド層１２２の光閉じ込め係数Γを向上させて、スロープ効率の向上を図ることができる。ここで、スロープ効率は、発光出力（Ｗ）を投入電流（Ａ）で除す（発光出力／投入電流）ことにより求められる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子について図１及び図２を用いて説明する。本実施形態による窒化物半導体レーザ素子は、上記第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１と外観構成は同様であるため、同一の符号を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１は、上記第１実施形態による窒化物半導体レーザ素子１と同様に、基板１１と、基板１１の上方に設けられた窒化物半導体積層膜１２と、窒化物半導体積層膜１２に電流を注入するｐ型電極１５及びｎ型電極１６とを備えている。窒化物半導体積層膜１２は、下部ガイド層１２２ａと、下部ガイド層１２２ａの上に積層されて井戸層１２１ａを有する発光層１２１と、発光層１２１の上に積層された上部ガイド層１２２ｂと、上部ガイド層１２２ｂの上に積層されて組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層１２３とを有している。組成変化層１２３は、上部ガイド層１２２ｂから離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなる。

本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１は、下部ガイド層１２２ａの下層に形成された下部クラッド層１３と、組成変化層１２３の上層に形成された窒化物半導体層１４とを備えている。ｐ型電極１５は、窒化物半導体層１４上に形成され、ｎ型電極１６は、下部クラッド層１３上に形成されている。図示は省略するが、窒化物半導体レーザ素子１と、窒化物半導体レーザ素子１を覆うパッケージとによってパッケージ化されたレーザダイオードが構成される。

下部ガイド層１２２ａの屈折率をｎ１、バンドギャップをＥ１とし、井戸層１２１ａの屈折率をｎ２、バンドギャップをＥ２とし、上部ガイド層１２２ｂの屈折率をｎ３、バンドギャップをＥ３とし、組成変化層１２３の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をｎ４からｎ５及びＥ４からＥ５とすると、窒化物半導体積層膜１２は、以下の式（１４）及び式（１５）の関係を満たす組成を有している。
ｎ４＜ｎ１ ・・・（１４）
－０．５＜Ｅ５－Ｅ１＜１．３ ・・・（１５）

式（１４）の関係を満たすことにより、発光層１２１での発光を上部ガイド層１２２ｂと組成変化層１２３との界面の屈折率差を利用して光を反射させて、ガイド層１２２内に光を閉じ込めることができる。また、式（１５）の関係を満たすことにより、発光層１２１での発光が組成変化層１２３のバンドギャップが最も小さい領域で吸収される影響を低く抑制することができ、内部ロスを低減させてレーザ発振の閾値を下げることができる。なお、組成変化層１２３は、屈折率がｎ４の部分でのバンドギャップがＥ４であり、屈折率がｎ５の部分でのバンドギャップがＥ５である。

図２に示すように、下部ガイド層１２２ａの膜厚をＴ１とし、発光層の膜厚をＴ２とし、上部ガイド層１２２ｂの膜厚をＴ３とし、組成変化層１２３の膜厚をＴｃとすると、窒化物半導体積層膜１２は、以下の式（１６）の関係を満たす膜厚を有している。
４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍ ・・・（１６）

本実施形態では、発光層１２１は、単一量子井戸の構成を有しているため、井戸層１２１ａの膜厚が発光層１２１の膜厚でもある。このため、窒化物半導体積層膜１２は、式（１６）の関係を満たす膜厚を有する。窒化物半導体積層膜１２が式（１６）に示す範囲の膜厚を有することにより、窒化物半導体レーザ素子１は高出力化を図ることができる。
る。

以上説明したように、上記第１実施形態及び第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子１は、上部ガイド層１２２ｂから離れるほど組成変化層１２３を構成するＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３が最大値ｚから最小値ｙに変化させるようになっている。窒化物半導体レーザ素子１は、組成変化層１２３の当該組成構造を前提とし、ガイド層１２２の膜厚が適切に設定されている。また、窒化物半導体レーザ素子１は、組成変化層１２３全体でガイド層よりもＡｌ組成が大きくなっている。上記第１実施形態及び第２実施形態による窒化物半導体レーザ素子１は、分極ドーピングを行うために組成変化層１２３を有し、この分極ドーピングの効果を保持しつつ、ガイド層１２２に光を閉じ込めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されない。各実施形態を組み合わせることを妨げず、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 窒化物半導体レーザ素子
１０ 窒化物積層体
１１ 基板
１１Ｓ 積層面
１２ 窒化物半導体積層膜
１３ 下部クラッド層
１４ 窒化物半導体層
１５ ｐ型電極
１６ ｎ型電極
１２１ 発光層
１２１ａ 井戸層
１２２ ガイド層
１２２ａ 下部ガイド層
１２２ｂ 上部ガイド層
１２２Ｓａ 出射側端面
１２２Ｓｂ 対向端面
１２３ 組成変化層
１２３ａ 下部領域
１２３ｂ 上部領域
１２３ｃ 中間領域
１２３ｄ 領域
１３１ 第一領域
１３２ 第二領域
Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３，Ｔｃ 膜厚
Ｔ４ 距離

Claims (6)

1. Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１－ｘ２）}Ｎで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層されてＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１－ｘ１）}Ｎで形成された上部ガイド層、及び前記上部ガイド層の上にＡｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎを積層して形成されて前記上部ガイド層から離れるほど前記Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}ＮのＡｌ組成が連続的又は階段状に減少する組成変化層を含む窒化物半導体積層膜と、
   前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するｐ型電極及びｎ型電極と
   を備え、
   前記Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎのｘ３の最小値をｙ、最大値をｚとし、
   前記下部ガイド層の膜厚をＴ１とし、前記発光層の膜厚をＴ２とし、前記上部ガイド層の膜厚をＴ３とすると、
   前記窒化物半導体積層膜は、
   ０≦ｘ１≦１、０≦ｘ２≦１、０≦ｘ３≦１、ｘ２＜ｘ１＜ｚ及び－１＜ｘ１－ｙ＜０．２の関係を満たす組成を有し、
   ４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍの関係を満たす膜厚を有し、
   前記組成変化層におけるＡｌ組成が前記下部ガイド層のＡｌ組成と同じＡｌ組成になる領域から前記窒化物半導体積層膜の最上端までの距離をＴ４とすると、前記窒化物半導体積層膜は、０．６＜（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４＜３．５の関係を満たす積層構造を有し、
   前記井戸層が前記Ａｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１－ｘ２）} Ｎで形成されている場合において、
   前記井戸層及び前記組成変化層は、ｘ２＜ｙの関係を満たす組成を有する
   窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記組成変化層におけるＡｌの組成変化率は、０．１％／ｎｍより大きい
   請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記下部ガイド層の下層に形成されてｎ型のＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎを有する下部クラッド層を備え、
   前記Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１－ｘ４）}Ｎの組成を決定するｘ４と、前記Ａｌ_ｘ３Ｇａ_{（１－ｘ３）}Ｎの組成を決定するｘ３の最大値のｚとの差は、０以上かつ０．４より小さい
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記組成変化層の上層に積層されてＡｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎで形成された窒化物半導体層を備え、
   前記Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１－ｘ５）}Ｎは、０≦ｘ５≦ｙの関係を満たす組成を有し、
   前記窒化物半導体層の膜厚は、０ｎｍ以上かつ３０ｎｍより小さい
   請求項１から３までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記発光層は、波長３６０ｎｍ以下の紫外光を発光可能である
   請求項１から４までのいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 下部ガイド層、前記下部ガイド層の上に積層されてＡｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１－ｘ２）} Ｎで形成された井戸層を有する発光層、前記発光層の上に積層された上部ガイド層及び前記上部ガイド層の上に積層されてＡｌ _ｘ３ Ｇａ _{（１－ｘ３）} ＮのＡｌ組成が連続的又は階段状に膜厚方向に変化させた組成変化層を有する窒化物半導体積層膜と、
   前記窒化物半導体積層膜に電流を注入するｐ型電極及びｎ型電極と
   を備え、
   前記下部ガイド層の屈折率をｎ１、バンドギャップをＥ１、膜厚をＴ１とし、
   前記井戸層の屈折率をｎ２、バンドギャップをＥ２とし、
   前記発光層の膜厚をＴ２とし、
   前記上部ガイド層の屈折率をｎ３、バンドギャップをＥ３、膜厚をＴ３とし、
   前記組成変化層の屈折率及びバンドギャップが変化する範囲をｎ４からｎ５及びＥ４からＥ５とし、
   前記組成変化層の膜厚をＴｃとすると、
   前記窒化物半導体積層膜は、
   ｎ４＜ｎ１、－０．５＜Ｅ５－Ｅ１＜１．３の関係を満たす組成と、
   ４０ｎｍ＜Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＜６００ｎｍの関係を満たす膜厚と
   を有し、
   前記組成変化層におけるＡｌ組成が前記下部ガイド層のＡｌ組成と同じＡｌ組成になる領域から前記窒化物半導体積層膜の最上端までの距離をＴ４とすると、前記窒化物半導体積層膜は、０．６＜（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）／Ｔ４＜３．５の関係を満たす積層構造を有し、
   前記組成変化層は、前記上部ガイド層から離れるほど屈折率が連続的又は階段状に大きくなり、
   前記Ａｌ _ｘ３ Ｇａ _{（１－ｘ３）} Ｎのｘ３の最小値がｙであり、
   前記井戸層及び前記組成変化層は、ｘ２＜ｙの関係を満たす組成を有する
   窒化物半導体レーザ素子。

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