WO2024062979A1 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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WO2024062979A1
WO2024062979A1 PCT/JP2023/033242 JP2023033242W WO2024062979A1 WO 2024062979 A1 WO2024062979 A1 WO 2024062979A1 JP 2023033242 W JP2023033242 W JP 2023033242W WO 2024062979 A1 WO2024062979 A1 WO 2024062979A1
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WO
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layer
compositionally graded
semiconductor
thickness
less
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Application number
PCT/JP2023/033242
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English (en)
French (fr)
Inventor
嘉隆 中津
Original Assignee
日亜化学工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor laser device.
  • Patent Document 1 describes a semiconductor laser device having an undoped p-side compositionally graded layer and an undoped p-side intermediate layer between an active layer and an electron barrier layer.
  • One aspect of the semiconductor laser device in the present disclosure aims to obtain a semiconductor laser device that can reduce carrier loss.
  • One aspect of the semiconductor laser element according to the present disclosure is a semiconductor laser element having, in this order, an n-side semiconductor layer, an active layer, and a p-side semiconductor layer, each of which is made of a nitride semiconductor, in this order from the top, the p-side semiconductor layer having one or more semiconductor layers and being undoped, an electron barrier layer having a band gap energy larger than that of the first portion and containing a p-type impurity, and a second portion having one or more p-type semiconductor layers containing a p-type impurity, in this order from the top, the first portion comprising: a first p-side compositionally graded layer made of In x Ga 1-x N and having an In composition ratio x decreasing in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward; a second p-side compositionally graded layer made of Al y Ga 1-y N and having an Al composition ratio y increasing in the range of more than 0 and less than 1 as it goes upward; and an intermediate
  • a semiconductor laser device that can reduce carrier loss can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a diagram illustrating an example of a layer structure of a p-side semiconductor layer of the semiconductor laser element of FIG. 1.
  • 2 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of an n-side semiconductor layer of the semiconductor laser device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing another example of the layer structure of the active layer.
  • 2 is a partially enlarged view of the first p-side compositionally graded layer and its vicinity of the semiconductor laser device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of a second p-side compositionally graded layer and its vicinity of the semiconductor laser device of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device 100 according to this embodiment, showing a cross section of the semiconductor laser device 100 in a direction perpendicular to the resonator direction.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of the p-side semiconductor layer 4 of the semiconductor laser device 100.
  • FIG. 2 schematically shows the magnitude relationship of the band gap energy of each layer.
  • the one-dot chain line in FIG. 2 is a line indicating the position of the bottom surface of the ridge 4a.
  • the bottom surface of the ridge 4a refers to a surface connecting the lowest sides of both side surfaces of the ridge 4a.
  • the semiconductor laser device 100 has an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4, each made of a nitride semiconductor, in this order upward.
  • the direction from the n-side semiconductor layer 2 to the p-side semiconductor layer 4 is referred to as upper or upper, and the opposite direction is referred to as lower or lower.
  • Such an up-down direction does not have to coincide with the direction of gravity when the semiconductor laser device 100 is used.
  • the p-side semiconductor layer 4 has a first portion 41, an electron barrier layer 42, and a second portion 43 in this order upward.
  • the first portion 41 has one or more semiconductor layers.
  • the first portion 41 is undoped.
  • the electron barrier layer 42 has a band gap energy larger than that of the first portion 41 and contains a p-type impurity.
  • the second portion 43 has one or more p-type semiconductor layers containing a p-type impurity.
  • undoped means that the doping is not intentionally performed.
  • a concentration that does not exceed the detection limit in the analysis result of secondary ion mass spectrometry (SIMS) or the like may be called undoped.
  • a state in which the impurity concentration is less than 1 ⁇ 10 17 /cm 3 may be called undoped.
  • the first portion 41 may be called undoped if the concentrations of p-type impurities and n-type impurities are below the detection limit.
  • the concentration of the p-type impurity detected is preferably less than 1 ⁇ 10 18 /cm 3.
  • the thickness of a certain layer or part refers to the shortest distance from the lower surface to the upper surface of the layer or part.
  • the shortest distance between flat parts of the lower surface and/or the upper surface that do not have such recesses and/or protrusions may be the thickness of the layer or part.
  • the distance from one layer to another layer refers to the shortest distance from one layer to another layer.
  • the shortest distance between flat portions of the lower and/or upper surfaces that do not have such concave and/or convex portions may be taken as the distance between the layers.
  • the magnitude relationship of the band gap energy can be determined from the composition of the semiconductors to be compared. For example, if two layers to be compared are both made of AlGaN, the layer with a relatively higher Al composition ratio is determined to be the layer with a relatively higher band gap energy.
  • the first portion 41 includes a first p-side compositionally graded layer 411 , a second p-side compositionally graded layer 412 disposed between the first p-side compositionally graded layer 411 and the electron barrier layer 42 , and a first p-side compositionally graded layer 411 . and a second p-side compositionally graded layer 412.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 is made of In x Ga 1-x N, and the In composition ratio x decreases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 is made of Al y Ga 1-y N, and the Al composition ratio y increases in a range of more than 0 and less than 1 as it goes upward.
  • the intermediate layer 413 (first intermediate layer) is made of Al z Ga 1-z N, and the Al composition ratio z is greater than 0 and less than y.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 By providing the second p-side compositionally graded layer 412, it is possible to gradually change the band gap energy toward the electron barrier layer 42, and it is possible to reduce the influence of band spikes that occur at heterointerfaces where there is a difference in band gap energy. can.
  • the effect of band spikes is that electrons are generated by band spikes, holes are relatively reduced, and carrier loss is increased.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 is made of In x Ga 1-xN
  • the second p-side compositionally graded layer 412 is made of Al y Ga 1- yN. Therefore, when growing these layers, the source gas must be changed midway through.
  • the switched source gas can be stabilized, and the second p-side compositionally gradient layer 412 can be formed satisfactorily.
  • These layers can be formed, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the semiconductor laser device 100 includes a substrate 1, an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 provided above the substrate 1.
  • the semiconductor laser device 100 is an edge-emitting laser device having a light-emitting end face and a light-reflecting end face that intersect with the main surface of a semiconductor layer such as the active layer 3 .
  • the p-side semiconductor layer 4 is provided with a ridge 4a that projects upward.
  • the ridge 4a has a mesa structure.
  • the top view shape of the ridge 4a is a shape that is elongated in the direction connecting the light emitting end surface and the light reflecting end surface, and is, for example, a rectangle whose short side is parallel to the light reflecting end surface and whose long side is perpendicular to the light reflecting end surface. It is in a state of A portion of the active layer 3 immediately below the ridge 4a and its vicinity is an optical waveguide region.
  • An insulating film 5 can be provided on the side surface of the ridge 4a and the surface of the p-side semiconductor layer 4 continuous from the side surface of the ridge 4a.
  • the substrate 1 is made of, for example, an n-type semiconductor, and an n-electrode 8 is provided on its lower surface. Further, a p-electrode 6 is provided in contact with the upper surface of the ridge 4a, and a p-side pad electrode 7 is further provided on the p-electrode 6.
  • the semiconductor laser element 100 can emit visible laser light, for example.
  • the semiconductor laser element 100 can emit, for example, blue or green laser light.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser element 100 is, for example, 400 nm or more and 600 nm or less, may be 420 nm or more and 580 nm or less, or may be 500 nm or more and 580 nm or less.
  • the threshold current increases and the current density during laser oscillation increases.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 is preferably 500 nm or more, and may be 500 nm or more and 580 nm or less.
  • a nitride semiconductor substrate made of GaN or the like can be used, for example.
  • the n-side semiconductor layer 2, active layer 3, and p-side semiconductor layer 4 grown on the substrate 1 include semiconductors grown substantially in the c-axis direction.
  • each semiconductor layer can be grown on the +c plane.
  • the +c plane as the main surface may include one having an off angle of about ⁇ 1 degree or less.
  • the n-side semiconductor layer 2 can have a multilayer structure made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, and AlGaN.
  • the n-side semiconductor layer 2 includes one or more n-type semiconductor layers. Examples of the n-type semiconductor layer include a layer made of a nitride semiconductor containing n-type impurities such as Si and Ge.
  • the n-side semiconductor layer 2 can have an n-side cladding layer and an n-side optical guide layer, and may also include layers other than these.
  • the n-side cladding layer has a larger band gap energy than the n-side optical guide layer.
  • the n-side optical guide layer is either undoped or, if it contains n-type impurities, has an n-type impurity concentration lower than that of the n-side cladding layer.
  • the type impurity concentration is preferably the same.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of the layer structure of the n-side semiconductor layer 2 of the semiconductor laser device 100.
  • the n-side semiconductor layer 2 includes an n-side compositionally graded layer 21 disposed in contact with the lower surface of the active layer 3, an n-type semiconductor layer 22 disposed below the n-side compositionally graded layer 21, and an n-side compositionally graded layer. 21 and an n-side intermediate portion 23 disposed between the n-type semiconductor layer 22.
  • the composition of the n-side compositionally graded layer 21 changes so that the bandgap energy increases as it goes downward.
  • the n-type semiconductor layer 22 contains an n-type impurity and has a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion 41 of the p-side semiconductor layer 4.
  • the distance from the n-side compositionally graded layer 21 to the n-type semiconductor layer 22 is preferably larger than the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer 42. This allows the electric field strength distribution in the semiconductor laser device 100 to be biased toward the n-side semiconductor layer 2, thereby reducing loss due to light absorption in the electron barrier layer 42 containing p-type impurities and the layer above it. be able to.
  • the n-side semiconductor layer 2 may include layers other than these.
  • the band gap energy of the n-side compositionally graded layer 21 becomes smaller as it approaches the active layer 3.
  • the refractive index of the n-side compositionally gradient layer 21 increases as it approaches the active layer 3. Thereby, light confinement in the active layer 3 can be strengthened.
  • the n-side compositionally gradient layer 21 is, for example, an n-side optical guide layer.
  • the n-side compositionally graded layer 21 may be, for example, a layer made of In a Ga 1-a N, in which the In composition ratio a increases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward.
  • the average value of the compositionally graded layer can be used as a standard for determining the magnitude relationship of the bandgap energy and impurity concentration of the compositionally graded layer with other layers.
  • the average value of the compositionally graded layer refers to the sum of the multiplications of the thickness and the band gap energy of each sublayer constituting the compositionally graded layer, divided by the total thickness.
  • the n-side compositionally graded layer 21 is a compositionally graded layer whose lattice constant increases as it approaches the active layer 3, it is preferable to add an n-type impurity to the compositionally graded layer.
  • the compositionally graded layer can be said to consist of a plurality of sublayers whose compositions differ slightly. Therefore, in a compositionally graded layer, it is difficult to avoid generation of fixed charges even if the rate of composition change is made small. By adding an n-type impurity, fixed charges can be blocked, and therefore the degree of voltage increase due to the generation of fixed charges can be reduced.
  • the n-type semiconductor layer 22 is, for example, an n-type AlGaN layer.
  • the n-type semiconductor layer 22 is, for example, an n-side cladding layer.
  • the n-type semiconductor layer 22 and the n-side intermediate portion 23 may be in contact with each other, or another layer may be arranged between the n-type semiconductor layer 22 and the n-side intermediate portion 23.
  • the distance from the n-side compositionally gradient layer 21 to the n-type semiconductor layer 22 can be less than 600 nm, and may be 400 nm or less.
  • the n-side intermediate portion 23 is a layer having a band gap energy smaller than that of the n-type semiconductor layer 22.
  • the n-type impurity concentration of the n-side intermediate portion 23 may be smaller than that of the n-type semiconductor layer 22.
  • the n-side intermediate portion 23 is, for example, an n-type GaN layer containing n-type impurities.
  • the n-side intermediate portion 23 may include a compositionally graded layer 232 whose bandgap energy decreases as it approaches the active layer 3.
  • the bandgap energy at its lower end is smaller than the bandgap energy of the n-type semiconductor layer 22, and the bandgap energy at its upper end is the same as or higher than the bandgap energy at the lower end of the n-side compositionally graded layer 21. It's also big.
  • the n-side intermediate portion 23 may include a composition gradient layer 232 and an intermediate layer 233 in order from the n-side composition gradient layer 21 side.
  • the n-side intermediate portion 23 may include an intermediate layer 231, a compositionally gradient layer 232, and an intermediate layer 233 in this order from the n-side compositionally gradient layer 21 side.
  • the intermediate layer 231 and the intermediate layer 233 are not compositionally graded layers, or are compositionally graded layers having a smaller composition change rate than the composition change rate of the compositionally graded layer 232. It is preferable that the composition gradient layer 232 is doped with an n-type impurity similarly to the n-side composition gradient layer 21. This makes it possible to reduce the degree of voltage increase caused by the generation of fixed charges.
  • the intermediate layer 231 and the intermediate layer 233 may be undoped, but contain, for example, an n-type impurity.
  • the thickness of the n-side intermediate portion 23 may be 100 nm or more. Thereby, light leakage to the n-type semiconductor layer 22 can be reduced.
  • the thickness of the n-side intermediate portion 23 may be 400 nm or less. Thereby, light confinement in the active layer 3 can be improved.
  • the active layer 3 can have a multilayer structure made of nitride semiconductor layers such as GaN and InGaN.
  • the active layer 3 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • the active layer 3 includes, in order from the n-side semiconductor layer 2 side, an n-side barrier layer 31, a well layer 32, and a p-side barrier layer 33.
  • the active layer 3 has a multiple quantum well structure, it has a plurality of well layers 32 and an intermediate barrier layer sandwiched between the well layers 32.
  • the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 can be, for example, 10 nm or less.
  • the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 may be 0 nm, that is, the lower surface of the well layer 32 may be the lower surface of the active layer 3 .
  • a layer having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the upper end of the n-side compositionally graded layer 21 is used as at least a part of the n-side barrier layer 31.
  • the n-side barrier layer 31 is arranged between the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 and the n-side compositionally graded layer 21 .
  • the distance from the well layer 32 closest to the n-side semiconductor layer 2 to the lower surface of the active layer 3 may be 1 nm or more, and may be 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the distance from the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 to the top surface of the active layer 3 can be, for example, 5 nm or less. It is preferable that a layer having a bandgap energy larger than the bandgap energy of the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is disposed as at least a portion of the p-side barrier layer 33 . Thereby, the probability of radiative recombination in the well layer 32 can be improved.
  • the p-side barrier layer 33 is arranged between the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 and the p-side semiconductor layer 4 .
  • the distance from the well layer 32 closest to the p-side semiconductor layer 4 to the top surface of the active layer 3 may be 1 nm or more, and may be 1 nm or more and 5 nm or less.
  • the active layer 3 is preferably formed without adding p-type impurities. Thereby, light absorption loss due to addition of p-type impurities can be suppressed.
  • Each layer of the active layer 3 is, for example, an undoped layer.
  • the well layer 32 is, for example, an In x Ga 1-x N well layer.
  • the In composition ratio x of the In x Ga 1-x N well layer varies somewhat depending on the layer structure other than the active layer 3, but is, for example, 0.23 or more.
  • the upper limit of the In composition ratio x of the well layer 32 is, for example, 0.50 or less.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser element is considered to be about 600 nm or less.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing another example of the layer structure of the active layer.
  • the active layer 3A shown in FIG. 4 includes an n-side barrier layer 31, a plurality of well layers 32, an intermediate barrier layer 34, and a p-side barrier layer 33.
  • the plurality of well layers 32 are located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33.
  • the plurality of well layers 32 include a first well layer and a second well layer.
  • the first well layer and the second well layer are located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33.
  • the intermediate barrier layer 34 is a layer sandwiched between the two well layers 32.
  • the intermediate barrier layer 34 is located between the first well layer and the second well layer.
  • the number of well layers 32 is plural, for example two.
  • the bandgap energies of the n-side barrier layer 31, the intermediate barrier layer 34, and the p-side barrier layer 33 are larger than the bandgap energy of the well layer 32.
  • the thickness of the plurality of well layers 32 is, for example, 1 nm or more and 4 nm or less. The thicknesses of the plurality of well layers 32 may be the same.
  • the driving voltage of the semiconductor laser device 100 decreases as the thickness of the intermediate barrier layer 34 decreases.
  • the p-side barrier layer 33 as a base layer before laminating the p-side semiconductor layer 4, it is preferable to have a certain thickness for the purpose of recovering crystallinity. Therefore, the thickness of the intermediate barrier layer 34 is preferably smaller than the thickness of the p-side barrier layer 33. This makes it possible to reduce the driving voltage of the semiconductor laser device 100 and improve the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 at the same time. Crystallinity can be evaluated by, for example, dislocation density. Note that the thickness of each layer refers to the thickness in the stacking direction.
  • the intermediate barrier layer 34 is, for example, an undoped GaN layer.
  • the thickness of the intermediate barrier layer 34 is preferably 3 nm or less, more preferably 2.5 nm or less. Thereby, the efficiency of electron injection into the well layer 32 can be improved.
  • the thickness of the intermediate barrier layer 34 can be 1 nm or more, preferably 1.5 nm or more, and more preferably 2 nm or more. When the thickness of the intermediate barrier layer 34 is 1.5 nm or more, it is possible to suppress a decrease in the carrier confinement efficiency, and it is possible to suppress a decrease in the output of the semiconductor laser device 100.
  • the thickness of the intermediate barrier layer 34 can be 1 nm or more and 3 nm or less, preferably 1.5 nm or more and 3 nm or less, and more preferably 1.5 nm or more and 2.5 nm or less.
  • the thickness of the intermediate barrier layer 34 may be 2 nm or more and 2.5 nm or less.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 may be greater than the thickness of one well layer 32.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 2.5 nm or more. Thereby, the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 can be improved more effectively.
  • the driving voltage of the semiconductor laser device 100 increases.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 7 nm or less. Thereby, an increase in the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be suppressed.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 is preferably 2.5 nm or more and 7 nm or less.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 may be greater than 2.5 nm.
  • the thickness of the p-side barrier layer 33 may be more than 2.5 nm and less than or equal to 7 nm.
  • the p-side barrier layer 33 is preferably a GaN layer, more preferably an undoped GaN layer. Thereby, the crystallinity of the p-side semiconductor layer 4 can be improved more effectively.
  • a semiconductor laser device 100 having an active layer 3A includes an n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4, each made of a nitride semiconductor, in this order upward. is an n-side barrier layer 31, a p-side barrier layer 33, and a plurality of well layers 32 including a first well layer and a second well layer located between the n-side barrier layer 31 and the p-side barrier layer 33. , an intermediate barrier layer 34 located between the first well layer and the second well layer, and the thickness of the intermediate barrier layer 34 is smaller than the thickness of the p-side barrier layer 33. There may be.
  • the p-side semiconductor layer 4 in this case includes one or more semiconductor layers, including a first portion 41 that is undoped, and an electron barrier layer 42 that has a larger band gap energy than the first portion 41 and contains p-type impurities. and a second portion 43 having one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities in this order upward.
  • the p-side semiconductor layer 4 in this case may include a first p-side compositionally graded layer 411. In this case, the p-side semiconductor layer 4 does not need to have the second p-side compositionally graded layer 412 and the intermediate layer 413.
  • the p-side semiconductor layer 4 can have a multilayer structure made of a nitride semiconductor such as GaN, InGaN, and AlGaN.
  • the p-side semiconductor layer 4 can have a p-side cladding layer and a p-side optical guide layer, and may also include layers other than these.
  • a transparent conductive film is provided as the p-electrode 6, this can function as a cladding layer, so there is no need to provide a cladding layer in the p-side semiconductor layer 4.
  • P-side semiconductor layer 4 includes one or more p-type semiconductor layers.
  • the p-type semiconductor layer examples include a layer made of a nitride semiconductor containing p-type impurities such as Mg. Since the activation rate of p-type impurities is lower than that of n-type impurities such as Si, p-type semiconductor layers are doped with p-type impurities at a higher concentration in order to obtain sufficient hole injection. This increases free carrier absorption loss due to p-type impurities.
  • the first portion 41 is a portion of the p-side semiconductor layer 4 that connects the active layer 3 to the p-type impurity-containing layer.
  • the first portion 41 may be placed in contact with the upper surface of the active layer 3 .
  • the first portion 41 is a portion that does not contain a p-type semiconductor layer.
  • a portion of the first portion 41 may include a layer containing a p-type impurity, as long as the p-type impurity concentration and thickness are such that it does not affect free carrier absorption loss.
  • the first portion 41 is a portion that does not contain a p-type semiconductor layer.
  • the first portion 41 preferably has a p-type impurity concentration as low as the detection limit or less by analysis such as SIMS throughout the first portion 41 .
  • the entire first portion 41 is formed without intentionally adding p-type impurities during manufacturing.
  • the first portion 41 can be formed to be undoped throughout.
  • the upper limit of the thickness of the first portion 41 can be set to such an extent that the supply of holes from the second portion 43 is not hindered.
  • the thickness of the first portion 41 can be, for example, 660 nm or less. Since there is a band gap difference between the first portion 41 and the electron barrier layer 42, it is possible to reduce the probability that electron overflow will occur. For this reason, it is preferable that the layer of the first portion 41 that is in contact with the electron barrier layer 42 has a band gap energy smaller than that of the electron barrier layer 42 .
  • the first portion 41 is a lightly doped portion instead of an undoped portion, it is preferable that the p-type impurity concentration is lower than the p-type impurity concentration of the electron barrier layer 42 throughout the first portion 41; , the p-type impurity concentration is preferably lower than the p-type impurity concentration of any of the electron barrier layer 42 and the second portion 43. Further, the n-type impurity concentration of the first portion 41 is less than 2 ⁇ 10 18 /cm 3 .
  • the first portion 41 has an n-type impurity concentration so low (that is, at a background level) that n-type impurities are not detected by SIMS analysis. In other words, the first portion 41 preferably does not substantially contain n-type impurities.
  • the lower end of the ridge 4a is preferably located in the first portion 41. Thereby, the lower end of the ridge 4a can be brought closer to the active layer 3.
  • the ridge 4a includes a part of the first portion 41, an electron barrier layer 42, and a second portion 43.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 is a layer in which the band gap energy increases as it goes upward. With such a configuration, light confinement in the active layer 3 can be strengthened.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 can be in contact with the active layer 3 .
  • the first p-side compositionally graded layer 411 can be in contact with the second p-side compositionally graded layer 412 .
  • the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer may be 150 nm or more.
  • the distance from the first p-side compositionally graded layer 411 to the electron barrier layer may be 600 nm or less.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 has an upper surface and a lower surface, and its band gap energy increases from the lower surface to the upper surface.
  • the band gap energy on the lower surface side of the first p-side compositionally graded layer 411 is smaller than the band gap energy on the upper surface side.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 is shown as a slope, but as described later, the compositionally graded layer can be said to be a collection of multiple sublayers with different compositions. Therefore, in the first p-side compositionally graded layer 411, the band gap energy increases in a step-like manner from the lower surface to the upper surface.
  • An n-side compositionally graded layer 21 that pairs with the first p-side compositionally graded layer 411 may be provided in the n-side semiconductor layer 2.
  • the band gap energy structure can be formed so that the first p-side compositionally graded layer 411 and the n-side compositionally graded layer are symmetrical with respect to the active layer 3.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 functions as, for example, a p-side optical guide layer.
  • the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 is thicker than the well layer of the active layer 3, and also thicker than the p-side barrier layer 33 if it is present. In order to improve the optical confinement effect, the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably 100 nm or more.
  • the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 can be 500 nm or less.
  • the thickness of the first p-side compositionally graded layer 411 may be 200 nm or less.
  • the bandgap energy at the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably smaller than the bandgap energy of the p-side barrier layer 33 when the p-side barrier layer 33 is provided.
  • the bandgap energy at the upper end of the first p-side compositionally graded layer 411 may be equal to or higher than that of the p-side barrier layer 33.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 has a structure in which the refractive index decreases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side, and the band gap energy increases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side. be. Thereby, it is possible to suppress electron overflow while focusing light on the active layer 3.
  • the composition of the first p-side compositionally graded layer 411 changes at a first rate of change such that the bandgap energy increases upward.
  • the first rate of change is the rate of change in band gap energy, and may be calculated from the rate of change in the In composition ratio x.
  • the In content of the first p-side compositionally graded layer 411 obtained by analysis such as SIMS can be plotted on a table, and the slope can be taken as the rate of change in the In composition ratio x.
  • the In content obtained in the analysis may be plotted on a linear scale table, a linear approximate curve may be created from the table, and the slope of the approximate curve may be taken as the rate of change of the In composition ratio x.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 can be said to consist of a plurality of sublayers 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z having mutually different compositions.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of the first p-side compositionally graded layer 411 and its vicinity, and a plurality of sublayers other than these exist between the sublayer 411c and the sublayer 411y.
  • the In composition ratio xa of the lowermost sublayer 411a of the first p-side compositionally graded layer 411 and the In of the uppermost sublayer 411z The relationship of the composition ratio x z is 0 ⁇ x z ⁇ x a .
  • the upper limit of the In composition ratio xa of the sublayer 411a constituting the lower end of the first p-side compositionally graded layer 411 is, for example, 0.25. In consideration of suppressing deterioration of crystallinity, the In composition ratio xa is preferably 0.1 or less.
  • the difference in lattice constant between adjacent sublayers is small. This allows distortion to be reduced.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 has a small thickness and gradually changes its composition. Specifically, it is preferable that the In composition ratio x of the first p-side compositionally graded layer 411 decreases with each thickness of 25 nm or less from the bottom surface to the top surface. That is, it is preferable that the thickness of each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is 25 nm or less.
  • each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is more preferably 20 nm or less, may be 10 nm or less, and may be 5 nm or less.
  • the lower limit of the thickness of each sublayer 411a, 411b, 411c, 411y, and 411z is, for example, about one atomic layer (about 0.25 nm).
  • the difference in In composition ratio x between adjacent sublayers (for example, sublayer 411a and sublayer 411b) is preferably 0.005 or less, more preferably 0.001 or less.
  • the lower limit of the difference in In composition ratio x between adjacent sublayers is, for example, about 0.00007.
  • the number of times the composition changes in the first p-side compositionally graded layer 411 is preferably 90 or more.
  • the preferred ranges of its composition, composition change rate, and thickness may be similar to those of the first p-side compositionally graded layer 411.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 is arranged between the first p-side compositionally graded layer 411 and the electron barrier layer 42 .
  • the second p-side compositionally graded layer 412 has an upper surface and a lower surface, and its band gap energy increases from the lower surface to the upper surface.
  • the bandgap energy on the lower surface side of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the bandgap energy on the upper surface side.
  • a compositionally graded layer can be said to be an aggregate of a plurality of sublayers having different compositions. It can be said that it is increasing in a stepwise manner.
  • the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 can be 2 nm or more. Thereby, band spikes can be effectively reduced.
  • the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be 10 nm or more, and may be 50 nm or more. Thereby, light leakage to the electron barrier layer 42 and the second portion 43 can be reduced, and light absorption loss can be reduced.
  • the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be greater than the thickness of the well layer included in the active layer 3. When the p-side barrier layer 33 is present, the second p-side compositionally graded layer 412 may be thicker than the p-side barrier layer 33 .
  • the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 250 nm or less, may be 200 nm or less, and may be 100 nm or less.
  • the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 may be 2 nm or more and 250 nm or less, and may be 10 nm or more and 250 nm or less.
  • the band gap energy of the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 is larger than the band gap energy of the upper end of the first p-side compositionally graded layer 411.
  • the band gap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the band gap energy of the electron barrier layer 42.
  • the band gap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 may be larger than the band gap energy of the layer constituting the lower end of the second portion 43.
  • the Al composition ratio y of the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 0.05 or less, exceeding the Al composition ratio z of the intermediate layer 413.
  • the Al composition ratio y of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 0.1 or less. This makes it easier to reduce the effect of band spikes.
  • the second p-side compositional gradient layer 412 has a structure in which the refractive index decreases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side, and the band gap energy increases from the active layer 3 side toward the electron barrier layer 42 side.
  • the second p-side compositional gradient layer 412 changes in composition so that the band gap energy increases upward at a second rate of change smaller than the first rate of change. This makes it easier to reduce the effect of band spikes.
  • the second rate of change can be obtained in the same manner as the first rate of change. That is, the second rate of change is the rate of change of the band gap energy, and may be obtained by calculation from the rate of change of the Al composition ratio y.
  • the Al content of the second p-side compositional gradient layer 412 obtained by analysis such as SIMS can be plotted in a table, and the slope of the table can be used as the rate of change of the Al composition ratio y.
  • the Al content obtained by the analysis can be plotted in a table on a linear scale, a linear approximation curve can be created from the table, and the slope of the approximation curve can be used as the rate of change of the Al composition ratio y.
  • the magnitude relationship between the first rate of change and the second rate of change can be compared by creating a linear approximation curve for these.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 can be said to consist of a plurality of sublayers 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z having mutually different compositions.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view of the second p-side compositionally graded layer 412 and its vicinity, and a plurality of sublayers other than these exist between the sublayer 412c and the sublayer 412y.
  • the Al composition ratio y a of the lowermost sublayer 412a of the second p-side compositionally graded layer 412 and the Al composition ratio of the uppermost sublayer 412z The relationship with the composition ratio y z is y a ⁇ y z ⁇ 1.
  • the Al composition ratio y a of the sublayer 412a constituting the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 can be set to z ⁇ y a ⁇ 0.05.
  • z is the Al composition ratio of the intermediate layer 413.
  • the Al composition ratio y z of the sub-layer 412z constituting the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 can be set to y a ⁇ y z ⁇ 0.1.
  • the Al composition ratio y increases from the bottom surface to the top surface for each thickness of 25 nm or less. That is, it is preferable that the thickness of each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z is 25 nm or less. Thereby, distortion occurring between adjacent sublayers can be reduced.
  • the thickness of each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, 412z is more preferably 20 nm or less, may be 10 nm or less, and may be 5 nm or less.
  • each sublayer 412a, 412b, 412c, 412y, and 412z is, for example, about one atomic layer (about 0.25 nm).
  • the difference in Al composition ratio y between adjacent sublayers is preferably 0.005 or less, more preferably 0.001 or less.
  • the lower limit of the difference in Al composition ratio y between adjacent sublayers is, for example, about 0.00007. It is preferable that such a range is filled throughout the second p-side compositionally graded layer 412. That is, it is preferable that all sublayers fall within such a range.
  • the number of times the composition changes in the second p-side compositionally graded layer 412 is preferably 10 or more, more preferably 30 or more.
  • compositionally graded layer 232 When the compositionally graded layer 232 is provided in the n-side intermediate portion 23, the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred ranges as those of the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the intermediate layer 413 is arranged between the first p-side compositionally graded layer 411 and the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the intermediate layer 413 is in contact with the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the intermediate layer 413 may be in contact with the first p-side compositionally graded layer 411.
  • the intermediate layer 413 is made of Al z Ga 1-z N.
  • the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 is less than the Al composition ratio y of the second p-side compositionally gradient layer 412 .
  • the Al composition ratio y of the second p-side compositionally graded layer 412 is not constant, the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 is smaller than any of these values. Since the minimum Al composition ratio y in the second p-side compositionally graded layer 412 is the Al composition ratio y at the lower end, the Al composition ratio y at the lower end of the second p-side compositionally graded layer 412 and the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 are compared. You may.
  • the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 can be greater than 0 and less than or equal to 0.01. In order to stably form the second p-side compositionally graded layer 412, such a small Al composition ratio z is suitable.
  • the Al composition ratio z of the intermediate layer 413 may be greater than 0 and less than 0.01, or may be greater than 0 and less than or equal to 0.005.
  • the intermediate layer 413 is not a compositionally graded layer, or is a compositionally graded layer having a smaller composition change rate than the composition change rate of the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the intermediate layer 413 may have a change in Al composition per 1 nm of 0.0001 or less. If the composition of the intermediate layer 413 is not constant, its median value is taken as the Al composition ratio z.
  • the thickness of the intermediate layer 413 can be 2 nm or more, may be 10 nm or more, and may be 50 nm or more. This makes it easy to stably form the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the thickness of the intermediate layer 413 can be 250 nm or less, may be 200 nm or less, and may be 100 nm or less. Thereby, the first portion 41 including the intermediate layer 413 can be formed efficiently.
  • the thickness of the intermediate layer 413 can be 0.5 times or more and 1.5 times or less the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred range as the intermediate layer 413.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 may be in contact with the electron barrier layer 42 , but an intermediate layer 414 may be disposed between the second p-side compositionally graded layer 412 and the electron barrier layer 42 .
  • Intermediate layer 413 and intermediate layer 414 may be referred to as a first intermediate layer and a second intermediate layer, respectively.
  • the intermediate layer 414 may be in contact with the second p-side compositionally graded layer 412 and the electron barrier layer 42 .
  • the bandgap energy of the intermediate layer 414 is the same value as the bandgap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412, or the bandgap energy of the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412 and the bandgap energy of the electron barrier layer 42. This is the value between the gap energy and the gap energy.
  • the efficiency of the semiconductor laser device 100 includes slope efficiency, which is the slope of a characteristic graph of current and optical output at a current value equal to or higher than a threshold current.
  • the intermediate layer 414 is not a compositionally graded layer, or is a compositionally graded layer having a smaller composition change rate than the composition change rate of the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the intermediate layer 414 may have a change in Al composition per 1 nm of 0.001 or less. If the composition of the intermediate layer 414 is not constant, the median value may be used as the composition of the intermediate layer 414 to compare the magnitude of band gap energy with other layers.
  • the lower end of the ridge 4a is located in the intermediate layer 414.
  • the intermediate layer 414 is made of AlGaN.
  • the lattice constant at the lower end of the intermediate layer 414 is preferably the same as the lattice constant at the upper end of the second p-side compositionally graded layer 412. .
  • the difference between the maximum Al composition ratio in the intermediate layer 414 and the Al composition ratio y at the upper end of the second p-side compositionally gradient layer 412 is preferably 0.02 or less, and 0.02 or less. It is more preferable that it is 01 or less. Thereby, the influence of band spikes can be reduced.
  • the thickness of the intermediate layer 414 is thicker than the sub-layers constituting the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the thickness of the intermediate layer 414 may be thicker than 25 nm, and may be 50 nm or more.
  • the thickness of the intermediate layer 414 may be 600 nm or less, or 250 nm or less.
  • the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 100 nm or more. Thereby, light leakage to the electron barrier layer 42 and the second portion 43 can be reduced, and light absorption loss can be reduced.
  • the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 500 nm or less. Thereby, the electron barrier layer 42 can be placed at a position that is not too far from the active layer 3, so that the total amount of electron overflow to the second portion 43 can be suppressed.
  • the ratio of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 to the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 and the thickness of the intermediate layer 414 is preferably 0.5 or less. Since the average value of the band gap energy of the second p-side compositionally graded layer 412 is smaller than the bandgap energy of the intermediate layer 414, the optical confinement in the active layer 3 decreases as the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 increases. do. Therefore, by making the thickness of the second p-side compositionally graded layer 412 relatively thin, light confinement in the active layer 3 can be improved. As a result, a reduction in the oscillation threshold current of the semiconductor laser device 100 can be expected. Moreover, since the light reaching the second portion 43 can be reduced, the absorption loss of light can be reduced, and the optical output can be increased.
  • the composition, composition change rate, and thickness thereof may have the same preferred ranges as those of the intermediate layer 414.
  • the electron barrier layer 42 contains p-type impurities such as Mg.
  • the electron barrier layer 42 may be placed in contact with the upper surface of the first portion 41 .
  • the bandgap energy of the electron barrier layer 42 is larger than the bandgap energy of the first portion 41 .
  • the electron barrier layer 42 is a layer having a larger band gap energy than any of the layers constituting the first portion 41. Since the electron barrier layer 42 is a layer having such a large band gap energy, the electron barrier layer 42 can function as a barrier against electrons overflowing from the active layer 3.
  • the electron barrier layer 42 has a band gap energy difference of 0.1 eV or more with respect to the uppermost layer of the first portion 41.
  • the difference in band gap energy between them can be, for example, 1 eV or less.
  • the electron barrier layer 42 is, for example, a layer having the highest bandgap energy in the p-side semiconductor layer 4.
  • the electron barrier layer 42 may be thinner than the first p-side compositionally graded layer 411.
  • the electron barrier layer 42 may have a multilayer structure. In this case, one or more layers constituting the electron barrier layer 42 have a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion 41.
  • the electron barrier layer 42 may be a compositionally graded layer.
  • the electron barrier layer 42 may be, for example, a compositionally graded layer whose composition changes such that the bandgap energy decreases upward.
  • the first portion 41 or the electron barrier layer 42 has a superlattice layer
  • the magnitude relationship is compared using the average bandgap energy of the superlattice layer instead of the bandgap energy of each layer constituting the superlattice layer.
  • the electron barrier layer 42 is made of AlGaN, for example. When the electron barrier layer 42 is made of AlGaN, its Al composition ratio may be 0.08 or more and 0.5 or less.
  • the thickness of the electron barrier layer 42 can be, for example, 4 nm or more and 100 nm or less.
  • the second portion 43 has one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities.
  • the second portion 43 may be disposed in contact with the upper surface of the electron barrier layer.
  • the concentration of the p-type impurities in the p-type semiconductor layer of the second portion 43 may be, for example, 1 ⁇ 10 18 /cm 3 or more and 1 ⁇ 10 22 /cm 3 or less.
  • the driving voltage can be reduced by reducing the thickness of the second portion 43, so the thickness of the second portion 43 is preferably 260 nm or less.
  • the thickness of the second portion 43 can be 10 nm or more.
  • the second portion 43 may include an undoped layer.
  • the second portion 43 preferably contains p-type impurities throughout its entirety.
  • the resistance of the second portion 43 is reduced more than when the second portion 43 includes an undoped layer.
  • the average p-type impurity concentration can be regarded as the p-type impurity concentration of the superlattice layer. Therefore, when second portion 43 has a superlattice layer, the superlattice layer may have a laminated structure of an undoped layer and a layer containing p-type impurity.
  • the thickness of the second portion 43 may be smaller than the thickness of the first portion 41. Since the first portion 41 is relatively thick, the peak of the light intensity can be moved away from the p-type impurity-containing layer, and loss due to free carrier absorption in the p-type impurity-containing layer can be reduced. Therefore, efficiency such as slope efficiency of the semiconductor laser device 100 can be improved. In addition, since the second portion 43 is relatively thin, the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced, and the efficiency can be improved. The reason why the voltage decreases by reducing the thickness of the part containing p-type impurities is that in nitride semiconductors, p-type impurities such as Mg have a lower activation rate than n-type impurities such as Si.
  • the p-type impurity-containing layer has a relatively high resistance.
  • the first portion 41 is undoped, since it is located between the electron barrier layer 42 and the active layer 3, it tends to exhibit n-type conductivity rather than perfect insulation due to factors such as electron overflow. For these reasons, by reducing the thickness of the second portion 43 containing p-type impurities, which has relatively high resistance, the driving voltage is reduced, and by increasing the thickness of the undoped first portion 41. It is thought that the effect of suppressing the increase in drive voltage can be obtained. Since the first portion 41 is relatively thick, it is preferable that the lower end of the ridge 4a be provided in the first portion 41. This makes it possible to strengthen the lateral light confinement.
  • the second portion 43 may have a lower p-type semiconductor layer and an upper p-type semiconductor layer.
  • the upper p-type semiconductor layer forms the upper surface of the ridge 4a.
  • the upper p-type semiconductor layer is the uppermost layer of the second portion 43.
  • the upper p-type semiconductor layer functions as a p-side contact layer.
  • the lower p-type semiconductor layer is disposed between the upper p-type semiconductor layer and the electron barrier layer 42, and has a band gap energy larger than the band gap energy of the upper p-type semiconductor layer.
  • the lower p-type semiconductor layer is made of, for example, AlGaN.
  • the upper p-type semiconductor layer is made of, for example, GaN.
  • the lower p-type semiconductor layer may function as a p-side cladding layer.
  • the lower p-type semiconductor layer may be a p-type GaN layer, thereby making it possible to lower the resistance of the second portion 43.
  • the p-electrode is preferably formed of a material that functions as a cladding layer, such as ITO.
  • the thickness of the upper p-type semiconductor layer can be, for example, 5 nm or more and 30 nm or less.
  • the thickness of the lower p-type semiconductor layer can be, for example, 1 nm or more and 260 nm or less.
  • the lower p-type semiconductor layer is thicker than the electron barrier layer 42, for example.
  • the p-type impurity concentration of the lower p-type semiconductor layer is preferably lower than the p-type impurity concentration of the electron barrier layer 42.
  • the insulating film 5 can be formed of a single layer or multilayer of oxides or nitrides of, for example, Si, Al, Zr, Ti, Nb, Ta, etc.
  • the n-electrode 8 is provided, for example, on almost the entire lower surface of the n-type substrate 1.
  • the p-electrode 6 is provided on the upper surface of the ridge 4a.
  • a p-side pad electrode 7 wider than the p-electrode 6 is provided on the p-electrode 6, and a wire or the like may be connected to the p-side pad electrode 7.
  • materials for each electrode include a single layer or multilayer of conductive oxides containing at least one selected from metals or alloys such as Ni, Rh, Cr, Au, W, Pt, Ti, and Al, Zn, In, and Sn.
  • conductive oxides include ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), and GZO (Gallium-doped Zinc Oxide).
  • the thickness of the electrode may be any thickness that allows it to function as an electrode for a semiconductor element, and may be, for example, about 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the p-electrode 6 is a transparent conductive film having a refractive index smaller than that of the active layer 3. This allows it to function as a cladding layer. Furthermore, it is preferable that the p-electrode 6 is a transparent conductive film having a refractive index smaller than the refractive index of the second portion 43. This makes it possible to obtain a better optical confinement effect.
  • a p-side cladding layer for example, an AlGaN layer having a relatively high Al composition ratio and doped with p-type impurities is provided as the p-side cladding layer, but the higher the Al composition ratio, the higher the resistance. It tends to get high.
  • the p-electrode 6 functions as a cladding layer, it is not necessary to provide a p-side cladding layer in the second portion 43, or even if a p-side cladding layer is provided, the Al composition ratio can be lowered. Therefore, the resistance can be reduced, and the driving voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced.
  • An example of the p-electrode 6 that functions as a cladding layer is a p-electrode 6 made of ITO, for example.
  • the method for manufacturing the semiconductor laser device 100 includes, for example, the first to fifth steps below.
  • the first step is a step of forming the n-side semiconductor layer 2 on the substrate 1.
  • the second step is a step of forming the active layer 3 on the n-side semiconductor layer 2.
  • the third step is a step of forming a first portion 41 having one or more semiconductor layers on the upper surface of the active layer 3 in an undoped manner.
  • the fourth step is a step of forming an electron barrier layer 42 on the upper surface of the first portion 41 by doping it with p-type impurities.
  • the fifth step is a step of forming a second portion 43 having one or more p-type semiconductor layers doped with p-type impurities on the upper surface of the electron barrier layer 42 .
  • each layer constituting the first portion 41 is formed in order from the bottom to the top.
  • the method for manufacturing the semiconductor laser device 100 further includes forming an upwardly protruding ridge 4a by removing a portion of the p-side semiconductor layer 4 including the first portion 41, the electron barrier layer 42, and the second portion 43.
  • the method may also include a sixth step of doing so.
  • the effects, preferred configurations, etc. of the layers obtained through each step are as described above.
  • Example 1 As Example 1, a semiconductor laser device 100 was manufactured. An MOCVD apparatus was used to fabricate an epitaxial wafer that would become the semiconductor laser device 100. In addition, raw materials include trimethyl gallium (TMG), triethyl gallium (TEG), trimethyl aluminum (TMA), trimethyl indium (TMI), ammonia (NH 3 ), silane gas, bis(cyclopentadienyl) magnesium (Cp 2 Mg). ) was used as appropriate.
  • TMG trimethyl gallium
  • TAG triethyl gallium
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMI trimethyl indium
  • NH 3 ammonia
  • silane gas bis(cyclopentadienyl) magnesium
  • n-side semiconductor layer 2 an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 were grown in this order on an n-type GaN substrate (substrate 1) with the +c plane as the upper surface.
  • the n-side semiconductor layer 2 is formed to have, in order from the n-type GaN substrate side, a 1.5 ⁇ m-thick Al 0.016 Ga 0.984 N layer doped with Si, a 150 nm-thick In 0.05 Ga 0.95 N layer doped with Si, a 900 nm-thick Al 0.072 Ga 0.928 N layer doped with Si (n-type semiconductor layer 22), a 3500 nm-thick GaN layer doped with Si (n-side intermediate portion 23), and an n-side composition gradient layer 21 doped with Si and grown by substantially monotonically increasing the In composition, with GaN as a starting end and In 0.05 Ga 0.95 N as a termination.
  • the active layer 3 includes, in order from the n-type GaN substrate side, a Si-doped GaN layer, an undoped In composition gradient layer, an undoped In 0.2 Ga 0.8 N layer, and an undoped GaN layer. It was formed to have
  • the p-side semiconductor layer 4 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an undoped first p-side compositionally graded layer 411 with a thickness of 200 nm, an undoped intermediate layer 413 with a thickness of 50 nm, and a second undoped p-side composition layer 413 with a thickness of 70 nm.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 had a growth start point of In 0.05 Ga 0.95 N and a growth end of GaN.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 had a growth start point of AlGaN with an Al composition ratio of 1% or less, and a growth end of Al 0.045 Ga 0.955 N.
  • the epitaxial wafer on which the above layers have been formed is taken out from the MOCVD apparatus, and a ridge 4a, an insulating film 5, a p-electrode 6, a p-side pad electrode 7, and an n-electrode 8 are formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, respectively.
  • a reflective film was formed and the semiconductor laser device 100 was obtained by cutting into pieces.
  • the depth of the ridge 4a was approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed such that its lower end was located on the second p-side compositionally gradient layer 412. Further, as the p-electrode 6, an ITO film with a thickness of 200 nm was formed.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 according to Example 1 was approximately 455 nm.
  • FIG. 7 shows the results of SIMS analysis performed on a wafer in which a p-side semiconductor layer 4 similar to that in Example 1 was grown and stopped before the ridge 4a and the like were formed.
  • the broken line is a line showing the detected amount of In
  • the solid line is a line showing the detected amount of Al.
  • the vertical and horizontal axes in FIG. 7 are linear scales. From FIG. 7, it was confirmed that an intermediate layer 414 was formed between the first p-side compositionally graded layer 411 and the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the line indicating the detected amount of In and the line indicating the detected amount of Al intersect at the lower end (right end in the figure) of the intermediate layer 414, and Al is detected in the majority of the intermediate layer 414.
  • Example 2 An n-side semiconductor layer 2, an active layer 3, and a p-side semiconductor layer 4 were grown in this order on an n-type GaN substrate (substrate 1) with the +c plane as the upper surface.
  • the n-side semiconductor layer 2 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an Al 0.018 Ga 0.982 N layer doped with Si and having a thickness of 1.25 ⁇ m, and an Al 0.08 N layer doped with Si and having a thickness of 250 nm.
  • the active layer 3 includes, in order from the n-type GaN substrate side, a Si-doped GaN layer, a Si-doped In 0.05 Ga 0.95 N layer, a Si-doped GaN layer, and an undoped In 0 .25 Ga 0.75 N layer, an undoped GaN layer, an undoped In 0.25 Ga 0.75 N layer, and an undoped GaN layer.
  • the p-side semiconductor layer 4 includes, in order from the n-type GaN substrate side, an undoped first p-side compositionally graded layer 411 with a thickness of 180 nm, an undoped intermediate layer 413 with a thickness of 50 nm, and a second undoped p-side composition layer 413 with a thickness of 100 nm.
  • the first p-side compositionally graded layer 411 had a growth start point of In 0.05 Ga 0.95 N and a growth end of GaN.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 had a growth start point of AlGaN with an Al composition ratio of 1% or less, and a growth end of Al 0.04 Ga 0.96 N.
  • the epitaxial wafer on which the above layers have been formed is taken out from the MOCVD apparatus, and a ridge 4a, an insulating film 5, a p-electrode 6, a p-side pad electrode 7, and an n-electrode 8 are formed on the light emitting end face and the light reflecting end face, respectively.
  • a reflective film was formed and the semiconductor laser device 100 was obtained by cutting into pieces.
  • the depth of the ridge 4a was approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed so that its lower end was located on the intermediate layer 414.
  • the p-electrode 6 an ITO film with a thickness of 200 nm was formed.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device 100 according to Example 2 was approximately 527 nm.
  • Example 3 The semiconductor laser element 100 according to the third embodiment was fabricated in the same manner as in the second embodiment, except for the following points.
  • the last two layers in the n-side semiconductor layer 2 were a 250 nm thick GaN layer (n-side intermediate portion 23) doped with Si, and an undoped In 0.03 Ga 0.97 N layer having a thickness of 180 nm.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 had a thickness of 300 nm, and the intermediate layer 414 was eliminated.
  • the undoped intermediate layer 413 having a thickness of 50 nm was left as it was.
  • the depth of the ridge 4a was left at about 270 nm. That is, the ridge 4a was formed so that its lower end was located in the second p-side compositionally graded layer 412.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser element 100 according to the third embodiment was 527 nm.
  • the semiconductor laser device according to Comparative Example 1 is the same as the semiconductor laser device according to Example 1, except that the intermediate layer 413 and the second p-side compositionally graded layer 412 are not formed, and an undoped GaN layer with a thickness of 120 nm is formed in that position. It was manufactured in the same manner as laser device 100.
  • the depth of the ridge 4a remained approximately 270 nm. That is, the ridge 4a was formed such that its lower end was located in an undoped GaN layer with a thickness of 120 nm.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device according to Comparative Example 1 was 455 nm.
  • Comparative example 2 A semiconductor laser device according to Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as Example 2 except for the points below.
  • the last two layers in the n-side semiconductor layer 2 were a Si-doped GaN layer with a thickness of 250 nm and an undoped In 0.03 Ga 0.97 N layer with a thickness of 180 nm.
  • the second p-side compositionally graded layer 412 was not formed, and an undoped GaN layer with a thickness of 150 nm was formed at that position.
  • the peak wavelength of the laser light emitted by the semiconductor laser device according to Comparative Example 2 was 527 nm.
  • FIG. 8 shows the IL characteristics of the semiconductor laser devices of Example 1 and Comparative Example 1.
  • the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents optical output.
  • the solid line indicates Example 1, and the broken line indicates Comparative Example 1.
  • FIG. 9 shows the IL characteristics of the semiconductor laser devices of Example 2, Example 3, and Comparative Example 2.
  • the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents optical output.
  • the solid line indicates Example 2, the dashed line indicates Example 3, and the broken line indicates Comparative Example 2.
  • a semiconductor laser element having an n-side semiconductor layer, an active layer, and a p-side semiconductor layer each made of a nitride semiconductor in this order upwardly,
  • the p-side semiconductor layer is a first portion having one or more semiconductor layers and being undoped; an electron barrier layer having a larger band gap energy than the first portion and containing a p-type impurity; a second portion having one or more p-type semiconductor layers containing p-type impurities in this order upwardly;
  • the first part is a first p-side compositionally graded layer made of In x Ga 1-x N, in which the In composition ratio x decreases in the range of 0 or more and less than 1 as it goes upward;
  • Arranged between the first p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer the layer is made of Al y Ga 1-y N, and the Al composition ratio y increases in a range of more than 0 and less than 1 as it
  • a semiconductor laser element having.
  • the composition of the first p-side compositionally graded layer changes at a first rate of change such that the bandgap energy increases upwardly;
  • (Item 3) The semiconductor laser device according to Item 1 or 2, wherein the Al composition ratio y at the upper end of the second p-side compositionally graded layer is 0.1 or less.
  • (Item 4) The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 3, wherein the second p-side compositionally graded layer has a thickness of 2 nm or more.
  • (Item 5) The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 4, wherein the Al composition ratio z of the intermediate layer is greater than 0 and not more than 0.01.
  • the Al composition ratio y at the lower end of the second p-side compositionally graded layer is greater than the Al composition ratio z of the intermediate layer and is 0.05 or less, according to any one of Items 1 to 5.
  • the intermediate layer is a first intermediate layer, The first portion is disposed between the second p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer, and is the same as the upper end of the second p-side compositionally graded layer or the upper end of the second p-side compositionally graded layer and the electron barrier layer.
  • the semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 6, comprising a second intermediate layer having a band gap energy between the second intermediate layer and the second intermediate layer.
  • the ratio of the thickness of the second p-side compositionally graded layer to the sum of the thickness of the second p-side compositionally graded layer and the thickness of the second intermediate layer is 0.5 or less. semiconductor laser device.
  • the n-side semiconductor layer is an n-side composition gradient layer disposed in contact with the lower surface of the active layer, the composition of which changes so that the bandgap energy increases as it goes downward; an n-type layer disposed below the n-side compositionally graded layer, having a band gap energy larger than that of any layer constituting the first portion of the p-side semiconductor layer, and containing an n-type impurity; type semiconductor layer; an n-side intermediate portion disposed between the n-side compositionally graded layer and the n-type semiconductor layer; 9.
  • the active layer is an n-side barrier layer; a p-side barrier layer; a plurality of well layers including a first well layer and a second well layer located between the n-side barrier layer and the p-side barrier layer; an intermediate barrier layer located between the first well layer and the second well layer, 10.

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Abstract

キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を提供する。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、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、ｐ側半導体層は、アンドープである第１部分と、ｐ型不純物を含有する電子障壁層と、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、第１部分は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ｘが０以上１未満の範囲で減少している第１ｐ側組成傾斜層と、第１ｐ側組成傾斜層と電子障壁層との間に配置され、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、上方に向かうにつれてＡｌ組成比ｙが０を超えて１未満の範囲で増加している第２ｐ側組成傾斜層と、第１ｐ側組成傾斜層と第２ｐ側組成傾斜層との間に配置され、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなり、Ａｌ組成比ｚは０を超えてｙ未満である中間層と、を有する。

Description

半導体レーザ素子
　本開示は、半導体レーザ素子に関する。
　特許文献１には、活性層と電子障壁層との間に、アンドープのｐ側組成傾斜層とアンドープのｐ側中間層とを有する半導体レーザ素子が記載されている。
特開２０２０－１１５５３９号公報
　本開示における半導体レーザ素子の一態様は、キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
　本開示における半導体レーザ素子の一態様は、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、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、前記ｐ側半導体層は、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、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、を上方に向かってこの順に有し、前記第１部分は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ｘが０以上１未満の範囲で減少している第１ｐ側組成傾斜層と、前記第１ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、上方に向かうにつれてＡｌ組成比ｙが０を超えて１未満の範囲で増加している第２ｐ側組成傾斜層と、前記第１ｐ側組成傾斜層と前記第２ｐ側組成傾斜層との間に配置され、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなり、Ａｌ組成比ｚは０を超えてｙ未満である中間層と、を有する。
　キャリアの損失を低減可能な半導体レーザ素子を得ることができる。
本発明の一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１の半導体レーザ素子のｐ側半導体層の層構造の例を模式的に示す図である。 図１の半導体レーザ素子のｎ側半導体層の層構造の例を模式的に示す図である。 活性層の層構造の別の例を模式的に示す図である。 図１の半導体レーザ素子の第１ｐ側組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。 図１の半導体レーザ素子の第２ｐ側組成傾斜層及びその付近の一部拡大図である。 実施例１と同様のｐ側半導体層を成長させたウエハーのＳＩＭＳ分析結果である。 実施例１および比較例１の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。 実施例２と実施例３と比較例２の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を示すグラフである。
　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ｐ側半導体層４の層構造の例を模式的に示す図である。図２において、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２における一点鎖線は、リッジ４ａの底面の位置を示す線である。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。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。このような上下方向は、半導体レーザ素子１００を使用する際における重力の方向とは一致しなくてよい。
　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とを、上方に向かってこの順に有する。第１部分４１は、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、ｐ型不純物を含有するｐ型半導体層を１以上有する。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と接していると、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厚さとは、その層または部分の下面から上面までの最短の距離を指す。下面及び／又は上面が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、下面及び／又は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厚さとしてよい。また、ある層から別の層までの距離とは、ある層から別の層までの最短の距離を指す。それらの層の下面及び／又は上面が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、下面及び／又は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、それらの層の距離としてよい。バンドギャップエネルギーの大小関係は、比較対象の半導体の組成から判断することができる。例えば、比較対象の２つの層がいずれもＡｌＧａＮから構成されている場合は、Ａｌ組成比が相対的に大きい方の層をバンドギャップエネルギーが相対的に大きい方の層であると判断する。
　第１部分４１は、第１ｐ側組成傾斜層４１１と、第１ｐ側組成傾斜層４１１と電子障壁層４２との間に配置された第２ｐ側組成傾斜層４１２と、第１ｐ側組成傾斜層４１１と第２ｐ側組成傾斜層４１２との間に配置された中間層４１３とを有する。第１ｐ側組成傾斜層４１１は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ｘが０以上１未満の範囲で減少している。第２ｐ側組成傾斜層４１２は、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、上方に向かうにつれてＡｌ組成比ｙが０を超えて１未満の範囲で増加している。中間層４１３（第１中間層）は、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなり、Ａｌ組成比ｚは０を超えてｙ未満である。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２を設けることで、電子障壁層４２に向かって緩やかにバンドギャップエネルギーを変化させることができ、バンドギャップエネルギー差のあるヘテロ界面において生じるバンドスパイクの影響を軽減することができる。バンドスパイクの影響とは、バンドスパイクで電子が発生してホール（正孔）が相対的に減少することであり、キャリアの損失が増大することである。第１ｐ側組成傾斜層４１１はＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、第２ｐ側組成傾斜層４１２はＡｌｙＧａ１－ｙＮからなる。このため、これらの層を成長させる際には途中で原料ガスを切り替えることとなる。これらの層の間に中間層４１３を成長させることで、切り替えた原料ガスを安定させることができ、第２ｐ側組成傾斜層４１２を良好に形成することができる。これらの層は、例えば有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法によって形成することができる。第２ｐ側組成傾斜層４１２を良好に形成することによって、ｐ側半導体層４におけるバンドスパイクの影響を低減することができ、キャリアの損失を低減することができる。
　（半導体レーザ素子１００）
　図１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。
　例えば、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。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。
　半導体レーザ素子１００は、例えば、可視光のレーザ光を発振することがきる。半導体レーザ素子１００は、例えば、青色または緑色のレーザ光を発振することがきる。半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であり、４２０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であってもよく、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であってもよい。半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光の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。第１ｐ側組成傾斜層４１１を設けることにより、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効果が期待できる。このため、半導体レーザ素子１００が発振するレーザ光のピーク波長は、５００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下であってもよい。
　（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、例えば、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いてもよい。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、もしくはｎ型不純物を含む場合はｎ側クラッド層のｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度であることが好ましい。
　ｎ側半導体層２の層構造の例を図３に示す。図３は、半導体レーザ素子１００のｎ側半導体層２の層構造の例を模式的に示す図である。ｎ側半導体層２は、活性層３の下面に接して配置されたｎ側組成傾斜層２１と、ｎ側組成傾斜層２１の下方に配置されたｎ型半導体層２２と、ｎ側組成傾斜層２１とｎ型半導体層２２との間に配置されたｎ側中間部２３と、を有することができる。ｎ側組成傾斜層２１は、下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ように組成が変化している。ｎ型半導体層２２は、ｎ型不純物を含有し、ｐ側半導体層４の第１部分４１を構成するいずれの層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。ｎ側組成傾斜層２１からｎ型半導体層２２までの距離は、第１ｐ側組成傾斜層４１１から電子障壁層４２までの距離よりも大きいことが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１００における電界強度分布をｎ側半導体層２の側に偏らせることができるため、ｐ型不純物を含有する電子障壁層４２およびその上方の層における光吸収による損失を低減することができる。ｎ側半導体層２は、これら以外の層を含んでいてもよい。
　ｎ側組成傾斜層２１のバンドギャップエネルギーは、活性層３に近づくほど小さくなる。ｎ側組成傾斜層２１の屈折率は、活性層３に近づくほど高くなる。これにより、活性層３への光閉じ込めを強化することができる。ｎ側組成傾斜層２１は、例えばｎ側光ガイド層である。ｎ側組成傾斜層２１は、例えば、ＩｎａＧａ１－ａＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ａが０以上１未満の範囲で増加している層であってよい。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厚さとの乗算の合計値を総厚さで除算したものを指す。ｎ側組成傾斜層２１が活性層３に近づくほど格子定数が大きくなる組成傾斜層である場合は、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。
　ｎ型半導体層２２は、例えばｎ型ＡｌＧａＮ層である。ｎ型半導体層２２は、例えばｎ側クラッド層である。ｎ型半導体層２２とｎ側中間部２３とは接していてもよく、ｎ型半導体層２２とｎ側中間部２３との間に別の層が配置されていてもよい。ｎ側組成傾斜層２１からｎ型半導体層２２までの距離は、６００ｎｍ未満とすることができ、４００ｎｍ以下であってもよい。
　ｎ側中間部２３は、ｎ型半導体層２２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である。ｎ側中間部２３のｎ型不純物濃度は、ｎ型半導体層２２のｎ型不純物濃度よりも小さくてよい。ｎ側中間部２３は、例えばｎ型不純物を含有するｎ型ＧａＮ層である。
　ｎ側中間部２３は、バンドギャップエネルギーが活性層３に近づくほど小さくなる組成傾斜層２３２を有していてもよい。この組成傾斜層において、その下端のバンドギャップエネルギーはｎ型半導体層２２のバンドギャップエネルギーよりも小さく、その上端のバンドギャップエネルギーはｎ側組成傾斜層２１の下端のバンドギャップエネルギーと同じかそれよりも大きい。ｎ側中間部２３は、ｎ側組成傾斜層２１側から順に、組成傾斜層２３２と中間層２３３を有していてよい。ｎ側中間部２３は、ｎ側組成傾斜層２１側から順に、中間層２３１と組成傾斜層２３２と中間層２３３を有していてよい。中間層２３１および中間層２３３は、組成傾斜層ではないか、もしくは組成傾斜層２３２の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。組成傾斜層２３２は、ｎ側組成傾斜層２１と同様に、ｎ型不純物を添加することが好ましい。これにより、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。中間層２３１および中間層２３３は、アンドープでもよいが、例えばｎ型不純物を含有している。ｎ側中間部２３の厚さは、１００ｎｍ以上であってよい。これにより、ｎ型半導体層２２への光漏れを低減することができる。ｎ側中間部２３の厚さは、４００ｎｍ以下であってよい。これにより、活性層３への光閉じ込めを向上させることができる。
　（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。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と、井戸層３２と、ｐ側障壁層３３とを有する。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３２と、井戸層３２に挟まれる中間障壁層とを有する。
　ｎ側半導体層２に最も近い井戸層３２から活性層３の下面までの距離は、例えば１０ｎｍ以下とすることができる。ｎ側半導体層２に最も近い井戸層３２から活性層３の下面までの距離は、０ｎｍすなわち井戸層３２の下面が活性層３の下面であってもよい。ｎ側半導体層２がｎ側組成傾斜層２１を有する場合は、ｎ側障壁層３１の少なくとも一部として、ｎ側組成傾斜層２１の上端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層が配置されていることが好ましい。これにより、井戸層３２における発光再結合の確率を向上させることができる。ｎ側障壁層３１は、ｎ側半導体層２に最も近い井戸層３２とｎ側組成傾斜層２１との間に配置される。ｎ側半導体層２に最も近い井戸層３２から活性層３の下面までの距離は、１ｎｍ以上であってよく、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってよい。
　ｐ側半導体層４に最も近い井戸層３２から活性層３の上面までの距離は、例えば５ｎｍ以下とすることができる。ｐ側障壁層３３の少なくとも一部として、第１ｐ側組成傾斜層４１１の下端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層が配置されていることが好ましい。これにより、井戸層３２における発光再結合の確率を向上させることができる。ｐ側障壁層３３は、ｐ側半導体層４に最も近い井戸層３２とｐ側半導体層４との間に配置される。ｐ側半導体層４に最も近い井戸層３２から活性層３の上面までの距離は、１ｎｍ以上であってよく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であってよい。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。これにより、ｐ型不純物の添加に起因する光吸収損失を抑制することができる。活性層３の各層は、例えばアンドープの層とする。
　井戸層３２は、例えばＩｎｘＧａ１－ｘＮ井戸層である。発振波長５００ｎｍ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０．２３以上である。井戸層３２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。
　活性層の別の例を図４に示す。図４は、活性層の層構造の別の例を模式的に示す図である。図４に示す活性層３Ａは、ｎ側障壁層３１と、複数の井戸層３２と、中間障壁層３４と、ｐ側障壁層３３とを有する。複数の井戸層３２は、ｎ側障壁層３１とｐ側障壁層３３との間に位置している。複数の井戸層３２は、第１井戸層および第２井戸層を含む。第１井戸層および第２井戸層は、ｎ側障壁層３１とｐ側障壁層３３との間に位置している。中間障壁層３４は、２つの井戸層３２に挟まれた層である。中間障壁層３４は、第１井戸層と第２井戸層との間に位置している。井戸層３２の数は複数であり、例えば２つである。ｎ側障壁層３１と中間障壁層３４とｐ側障壁層３３のバンドギャップエネルギーは、井戸層３２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。複数の井戸層３２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上４ｎｍ以下が挙げられる。複数の井戸層３２の厚さは同じであってもよい。
　中間障壁層３４の厚さを小さくするほど、半導体レーザ素子１００の駆動電圧が低下する傾向が見られる。一方で、ｐ側障壁層３３については、ｐ側半導体層４を積層する前の下地層として、結晶性の回復の目的のため、ある程度の厚さを有することが好ましい。このため、中間障壁層３４の厚さは、ｐ側障壁層３３の厚さよりも小さいことが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１００の駆動電圧の低減とｐ側半導体層４の結晶性の向上の両立が可能である。結晶性は、例えば転位密度で評価することができる。なお、各層の厚さは積層方向における厚さを指す。中間障壁層３４は、例えばアンドープのＧａＮ層である。中間障壁層３４の厚さは、３ｎｍ以下であることが好ましく、２．５ｎｍ以下であることがより好ましい。これにより、井戸層３２への電子の注入効率を向上させることができる。中間障壁層３４の厚さは、１ｎｍ以上とすることができ、１．５ｎｍ以上が好ましく、２ｎｍ以上がより好ましい。中間障壁層３４の厚さが１．５ｎｍ以上であることで、キャリアの閉じ込め効率の低下を抑制することができ、半導体レーザ素子１００の出力低下を抑制することができる。中間障壁層３４の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができ、１．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とすることがより好ましい。中間障壁層３４の厚さは、２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であってもよい。
　ｐ側障壁層３３の厚さは、１つの井戸層３２の厚さより大きくてもよい。ｐ側障壁層３３の厚さは、２．５ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ｐ側半導体層４の結晶性をより効果的に向上させることができる。ｐ側障壁層３３の厚さがある程度大きくなると、半導体レーザ素子１００の駆動電圧の上昇がみられる。ｐ側障壁層３３の厚さは、７ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１００の駆動電圧の上昇を抑制することができる。ｐ側障壁層３３の厚さは、２．５ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ側障壁層３３の厚さは、２．５ｎｍより大きくてもよい。ｐ側障壁層３３の厚さは、２．５ｎｍ超７ｎｍ以下であってもよい。ｐ側障壁層３３は、ＧａＮ層であることが好ましく、アンドープのＧａＮ層であることがより好ましい。これにより、ｐ側半導体層４の結晶性をより効果的に向上させることができる。
　活性層３Ａを有する半導体レーザ素子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し、活性層３Ａは、ｎ側障壁層３１と、ｐ側障壁層３３と、ｎ側障壁層３１とｐ側障壁層３３との間に位置する第１井戸層及び第２井戸層を含む複数の井戸層３２と、第１井戸層と第２井戸層との間に位置する中間障壁層３４とを有し、中間障壁層３４の厚さは、ｐ側障壁層３３の厚さよりも小さい、半導体レーザ素子１００であってもよい。この場合のｐ側半導体層４は、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、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、を上方に向かってこの順に有していてもよい。この場合のｐ側半導体層４は、第１ｐ側組成傾斜層４１１を有していてもよい。この場合のｐ側半導体層４は、第２ｐ側組成傾斜層４１２および中間層４１３を有していなくてもよい。
　（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、十分なホールの注入を得ようとするとｐ型不純物をより高濃度にドープする必要があり、ｐ型不純物による自由キャリア吸収損失が増大する。
　（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、活性層３の上面に接して配置されていてよい。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型不純物濃度及び厚さであれば、第１部分４１の一部にｐ型不純物を含有する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をドープするのであれば、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等の分析によるｐ型不純物濃度が検出限界以下である程度に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。第１部分４１は、その全体に亘ってアンドープであるように形成することができる。第１部分４１の厚さが厚いほど第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の厚さは４００ｎｍ以上であることが好ましい。第１部分４１の厚さの上限値は、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、第１部分４１の厚さが厚いほどオーバーフローする電子が増加する傾向があるため、この観点からは第１部分４１の厚さは薄いほど電子のオーバーフローが発生する確率を低減できるといえる。この観点から、第１部分４１の厚さは、例えば６６０ｎｍ以下とすることができる。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のうち電子障壁層４２と接する層は、電子障壁層４２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であることが好ましい。
　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。
　リッジ４ａの下端は、第１部分４１に位置していることが好ましい。これにより、リッジ４ａの下端を活性層３に近づけることができる。例えば、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。
　（第１ｐ側組成傾斜層４１１）
　第１ｐ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。第１ｐ側組成傾斜層４１１は、活性層３と接することができる。このように第１ｐ側組成傾斜層４１１を活性層３の近くに配置することで、第１ｐ側組成傾斜層４１１による光閉じ込め効果を向上させることができる。第１ｐ側組成傾斜層４１１は、第２ｐ側組成傾斜層４１２と接することができる。第１ｐ側組成傾斜層４１１から電子障壁層までの距離は、１５０ｎｍ以上であってよい。第１ｐ側組成傾斜層４１１から電子障壁層までの距離は、６００ｎｍ以下であってよい。第１ｐ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１ｐ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。第１ｐ側組成傾斜層４１１の下面側のバンドギャップエネルギーは上面側のバンドギャップエネルギーよりも小さい。図２では、第１ｐ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。したがって、第１ｐ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、第１ｐ側組成傾斜層４１１と対になるｎ側組成傾斜層２１を設けてもよい。例えば、バンドギャップエネルギー構造として、第１ｐ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とができる。
　第１ｐ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。第１ｐ側組成傾斜層４１１の厚さは、活性層３が有する井戸層の厚さよりも厚く、また、ｐ側障壁層３３がある場合はｐ側障壁層３３の厚さよりも厚い。光閉じ込め効果の向上のために、第１ｐ側組成傾斜層４１１の厚さは１００ｎｍ以上であることが好ましい。第１ｐ側組成傾斜層４１１の厚さは、５００ｎｍ以下とすることができる。第１ｐ側組成傾斜層４１１の厚さは、２００ｎｍ以下であってもよい。第１ｐ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３３を設ける場合、ｐ側障壁層３３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。第１ｐ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３３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。
　第１ｐ側組成傾斜層４１１は、屈折率が活性層３側から電子障壁層４２側に向かって減少し、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側に向かって増加する構造である。これにより、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ことができる。第１ｐ側組成傾斜層４１１は、第１変化率で、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ように組成が変化している。第１変化率はバンドギャップエネルギーの変化率であり、Ｉｎ組成比ｘの変化率から計算によって求めてよい。例えば、ＳＩＭＳ等の分析によって得られた第１ｐ側組成傾斜層４１１のＩｎ含有量を表にプロットし、その傾きをＩｎ組成比ｘの変化率とすることができる。分析で得られたＩｎ含有量を線形スケールの表にプロットし、その表から線形の近似曲線を作成し、その近似曲線の傾きをＩｎ組成比ｘの変化率としてもよい。 
　第１ｐ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、第１ｐ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の間にはこれら以外にも複数のサブ層が存在している。第１ｐ側組成傾斜層４１１をＩｎｘＧａ１－ｘＮで構成する場合、第１ｐ側組成傾斜層４１１の最も下側のサブ層４１１ａのＩｎ組成比ｘａと最も上側のサブ層４１１ｚのＩｎ組成比ｘｚの関係は、０≦ｘｚ＜ｘａである。第１ｐ側組成傾斜層４１１の下端を構成するサブ層４１１ａのＩｎ組成比ｘａ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ｘａは０．１以下であることが好ましい。
　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、第１ｐ側組成傾斜層４１１は薄い厚さ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、第１ｐ側組成傾斜層４１１は下面から上面にかけて２５ｎｍ以下の厚さごとにＩｎ組成比ｘ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の厚さが２５ｎｍ以下であることが好ましい。各サブ層４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚの厚さは２０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であってよく、５ｎｍ以下であってもよい。各サブ層４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚの厚さの下限値は例えば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ｘの差は０．００５以下であることが好ましく、０．００１以下であることがより好ましい。隣り合うサブ層のＩｎ組成比ｘの差の下限値は、例えば０．００００７程度である。このような範囲は第１ｐ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。第１ｐ側組成傾斜層４１１において組成が変化する回数、すなわち第１ｐ側組成傾斜層４１１のサブ層の数は、９０以上であることが好ましい。
　ｎ側組成傾斜層２１を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、第１ｐ側組成傾斜層４１１と同様のものを採用することができる。
　（第２ｐ側組成傾斜層４１２）
　第２ｐ側組成傾斜層４１２は、第１ｐ側組成傾斜層４１１と電子障壁層４２との間に配置されている。第２ｐ側組成傾斜層４１２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。第２ｐ側組成傾斜層４１２の下面側のバンドギャップエネルギーは上面側のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第１ｐ側組成傾斜層４１１と同様に、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、第２ｐ側組成傾斜層４１２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。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、２ｎｍ以上とすることができる。これにより、バンドスパイクを効果的に低減できる。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、１０ｎｍ以上であってよく、５０ｎｍ以上であってよい。これにより、電子障壁層４２および第２部分４３への光漏れを低減することができ、光の吸収損失を低減することができる。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、活性層３が有する井戸層の厚さよりも厚くてよい。ｐ側障壁層３３がある場合は、第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、ｐ側障壁層３３の厚さよりも厚くてよい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、２５０ｎｍ以下とすることが好ましく、２００ｎｍ以下であってよく、１００ｎｍ以下であってもよい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さは、２ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であってよく、１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であってよい。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２の下端のバンドギャップエネルギーは、第１ｐ側組成傾斜層４１１の上端のバンドギャップエネルギーよりも大きい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のバンドギャップエネルギーは、電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーよりも小さい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のバンドギャップエネルギーは、第２部分４３の下端を構成する層のバンドギャップエネルギーより大きくてもよい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の下端のＡｌ組成比ｙは、中間層４１３のＡｌ組成比ｚを超えて０．０５以下であることが好ましい。これにより、ＡｌＧａＮからなる第２ｐ側組成傾斜層４１２を安定して形成しやすい。第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のＡｌ組成比ｙは、０．１以下であることが好ましい。これにより、バンドスパイクの影響を低減しやすい。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２は、屈折率が活性層３側から電子障壁層４２側に向かって減少し、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側に向かって増加する構造である。第２ｐ側組成傾斜層４１２は、第１変化率よりも小さい第２変化率で、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ように組成が変化している。これにより、バンドスパイクの影響を低減しやすい。第２変化率は、第１変化率と同様の手法で求めることができる。すなわち、第２変化率はバンドギャップエネルギーの変化率であり、Ａｌ組成比ｙの変化率から計算によって求めてよい。ＳＩＭＳ等の分析によって得られた第２ｐ側組成傾斜層４１２のＡｌ含有量を表にプロットし、その傾きをＡｌ組成比ｙの変化率とすることができる。分析で得られたＡｌ含有量を線形スケールの表にプロットし、その表から線形の近似曲線を作成し、その近似曲線の傾きをＡｌ組成比ｙの変化率としてもよい。第１ｐ側組成傾斜層４１１のＩｎ含有量と第２ｐ側組成傾斜層４１２のＡｌ含有量の少なくともいずれか一方が層内において非線形的に変化している場合であっても、これらの線形の近似曲線を作成することで、第１変化率と第２変化率との大小関係を比較することができる。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２は、図６に示すように、互いに組成の異なる複数のサブ層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｙ、４１２ｚからなるともいえる。図６は、第２ｐ側組成傾斜層４１２及びその付近の一部拡大図であり、サブ層４１２ｃとサブ層４１２ｙの間にはこれら以外にも複数のサブ層が存在している。第２ｐ側組成傾斜層４１２をＡｌｙＧａ１－ｙＮで構成する場合、第２ｐ側組成傾斜層４１２の最も下側のサブ層４１２ａのＡｌ組成比ｙａと最も上側のサブ層４１２ｚのＡｌ組成比ｙｚとの関係は、ｙａ＜ｙｚ＜１である。第２ｐ側組成傾斜層４１２の下端を構成するサブ層４１２ａのＡｌ組成比ｙａは、ｚ＜ｙａ≦０．０５とすることができる。ｚは中間層４１３のＡｌ組成比である。第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端を構成するサブ層４１２ｚのＡｌ組成比ｙｚは、ｙａ＜ｙｚ≦０．１とすることができる。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２は、下面から上面にかけて２５ｎｍ以下の厚さごとにＡｌ組成比ｙが増加していることが好ましい。すなわち、各サブ層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｙ、４１２ｚの厚さが２５ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、隣接するサブ層の間に生じる歪みを小さくすることができる。各サブ層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｙ、４１２ｚの厚さは２０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であってよく、５ｎｍ以下であってもよい。各サブ層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｙ、４１２ｚの厚さの下限値は例えば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４１２ａとサブ層４１２ｂ）のＡｌ組成比ｙの差は０．００５以下であることが好ましく、０．００１以下であることがより好ましい。隣り合うサブ層のＡｌ組成比ｙの差の下限値は、例えば０．００００７程度である。このような範囲は第２ｐ側組成傾斜層４１２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。第２ｐ側組成傾斜層４１２において組成が変化する回数、すなわち第２ｐ側組成傾斜層４１２のサブ層の数は、１０以上であることが好ましく、３０以上がより好ましい。
　ｎ側中間部２３に組成傾斜層２３２を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、第２ｐ側組成傾斜層４１２と同様のものを採用することができる。
　（中間層４１３）
　中間層４１３は、第１ｐ側組成傾斜層４１１と第２ｐ側組成傾斜層４１２との間に配置される。中間層４１３は、第２ｐ側組成傾斜層４１２と接している。中間層４１３は、第１ｐ側組成傾斜層４１１と接していてよい。
　中間層４１３は、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなる。中間層４１３のＡｌ組成比ｚは、第２ｐ側組成傾斜層４１２のＡｌ組成比ｙ未満である。第２ｐ側組成傾斜層４１２のＡｌ組成比ｙは一定ではないが、そのいずれの値よりも中間層４１３のＡｌ組成比ｚは小さい。第２ｐ側組成傾斜層４１２における最小のＡｌ組成比ｙは下端のＡｌ組成比ｙであるため、第２ｐ側組成傾斜層４１２の下端のＡｌ組成比ｙと中間層４１３のＡｌ組成比ｚを比較してもよい。中間層４１３のＡｌ組成比ｚは、０を超えて０．０１以下とすることができる。第２ｐ側組成傾斜層４１２を安定して形成するためには、このような小さなＡｌ組成比ｚが適している。中間層４１３のＡｌ組成比ｚは、０を超えて０．０１未満でもよく、０を超えて０．００５以下でもよい。中間層４１３は、組成傾斜層ではないか、もしくは第２ｐ側組成傾斜層４１２の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。中間層４１３は、例えば、１ｎｍあたりのＡｌ組成の変化が０．０００１以下であってよい。中間層４１３の組成が一定ではない場合は、その中央値をＡｌ組成比ｚとする。
　中間層４１３の厚さは、２ｎｍ以上とすることができ、１０ｎｍ以上であってよく、５０ｎｍ以上であってもよい。これにより、第２ｐ側組成傾斜層４１２を安定して形成しやすい。中間層４１３の厚さは、２５０ｎｍ以下とすることができ、２００ｎｍ以下であってよく、１００ｎｍ以下であってもよい。これにより、中間層４１３を含む第１部分４１を効率良く形成することができる。中間層４１３の厚さは、第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さの０．５倍以上１．５倍以下とすることができる。
　ｎ側中間部２３に中間層２３１を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、中間層４１３と同様のものを採用することができる。
　（中間層４１４）
　第２ｐ側組成傾斜層４１２は電子障壁層４２と接していてもよいが、第２ｐ側組成傾斜層４１２と電子障壁層４２との間に中間層４１４を配置してもよい。中間層４１３および中間層４１４をそれぞれ第１中間層および第２中間層と呼んでもよい。中間層４１４は第２ｐ側組成傾斜層４１２と電子障壁層４２と接していてよい。
　中間層４１４のバンドギャップエネルギーは、第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のバンドギャップエネルギーと同じ値であるか、または第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のバンドギャップエネルギーと電子障壁層４２のバンドギャップエネルギーとの間の値である。このような中間層４１４を設けることで、活性層３への光閉じ込めを向上させることができる。また、中間層４１４を設けることで、ｐ型不純物を含有する電子障壁層４２および第２部分４３を活性層３からより遠ざけることができるため、光の吸収損失を低減することができる。光の吸収損失を低減することにより、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。
　中間層４１４は、組成傾斜層ではないか、もしくは第２ｐ側組成傾斜層４１２の組成変化率よりも小さな組成変化率を有する組成傾斜層である。中間層４１４は、例えば、１ｎｍあたりのＡｌ組成の変化が０．００１以下であってよい。中間層４１４の組成が一定ではない場合は、その中央値を中間層４１４の組成として他の層とのバンドギャップエネルギーの大小を比較してよい。リッジ４ａの下端は中間層４１４に位置していることが好ましい。これにより、リッジ４ａの下端が組成傾斜層に位置している場合と比較して、リッジ４ａの深さのばらつきに伴うリッジ４ａの内外での実効屈折率差のばらつきを低減することができる。
　例えば、中間層４１４はＡｌＧａＮからなる。中間層４１４の下面が第２ｐ側組成傾斜層４１２の上面と接している場合、中間層４１４の下端の格子定数は、第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端の格子定数と同じであることが好ましい。中間層４１４の格子定数と第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端の格子定数との差が小さいほど、バンドスパイクの影響を低減することができる。中間層４１４がＡｌＧａＮからなる場合、中間層４１４における最大のＡｌ組成比と第２ｐ側組成傾斜層４１２の上端のＡｌ組成比ｙとの差は、０．０２以下であることが好ましく、０．０１以下であることがより好ましい。これにより、バンドスパイクの影響を低減することができる。
　中間層４１４の厚さは、第２ｐ側組成傾斜層４１２を構成するサブ層よりも厚い。中間層４１４の厚さは、２５ｎｍよりも厚くてよく、５０ｎｍ以上であってよい。中間層４１４の厚さは、６００ｎｍ以下であってよく、２５０ｎｍ以下であってもよい。
　第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さと中間層４１４の厚さの和は、１００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、電子障壁層４２および第２部分４３への光漏れを低減することができ、光の吸収損失を低減することができる。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さと中間層４１４の厚さの和は、５００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、電子障壁層４２を活性層３から遠すぎない位置に配置することができるため、第２部分４３への電子のオーバーフローの総量を抑制することができる。第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さと中間層４１４の厚さの和に対する第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さの比率は、０．５以下であることが好ましい。第２ｐ側組成傾斜層４１２のバンドギャップエネルギーの平均値は中間層４１４のバンドギャップエネルギーよりも小さいため、第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さを増大させるほど活性層３への光閉じ込めが低下する。したがって、第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さを相対的に薄くすることで、活性層３への光閉じ込めを向上させることできる。これにより、半導体レーザ素子１００の発振閾値電流の低下が期待できる。また、第２部分４３へ到達する光を減少させることができるため、光の吸収損失を低減することができ、光出力を増大させることができる。
　ｎ側中間部２３に中間層２３３を設ける場合、その組成、組成変化率、厚さの好ましい範囲は、中間層４１４と同様のものを採用することができる。
　（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、第１部分４１の上面に接して配置されていてよい。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は第１ｐ側組成傾斜層４１１よりも厚さが小さい層であってもよい。
　電子障壁層４２は多層構造であってもよい。この場合、電子障壁層４２を構成する１以上の層が、第１部分４１を構成するいずれの層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は組成傾斜層であってもよい。電子障壁層４２は、例えば、上方に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが小さくなるように組成が変化している組成傾斜層であってよい。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０．０８以上０．５以下としてよい。電子障壁層４２の厚さは、例えば４ｎｍ以上とすることができ、１００ｎｍ以下とすることができる。
　（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は、電子障壁層の上面に接して配置されていてよい。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の厚さ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の厚さは、２６０ｎｍ以下であることが好ましい。第２部分４３の厚さは、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。第２部分４３は、その全体にｐ型不純物が含有されていることが好ましい。これにより、アンドープ層を含む場合よりも第２部分４３の抵抗を低減することができる。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の厚さは第１部分４１の厚さよりも小さくてよい。第１部分４１が相対的に厚いことにより、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が相対的に薄いことにより、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厚さ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の厚さ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の厚さ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。第１部分４１が相対的に厚いため、リッジ４ａの下端は第１部分４１に設けることが好ましい。これにより、横方向の光閉じ込めを強めることができる。
　第２部分４３は、下側ｐ型半導体層と、上側ｐ型半導体層と、を有していてもよい。上側ｐ型半導体層は、リッジ４ａの上面を構成する。すなわち、上側ｐ型半導体層は第２部分４３の最上層である。上側ｐ型半導体層はｐ側コンタクト層として機能する。下側ｐ型半導体層は、上側ｐ型半導体層と電子障壁層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。
　下側ｐ型半導体層は、例えばＡｌＧａＮからなる。上側ｐ型半導体層は、例えばＧａＮからなる。下側ｐ型半導体層は、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。上側ｐ型半導体層の厚さは、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。下側ｐ型半導体層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上２６０ｎｍ以下とすることができる。下側ｐ型半導体層は、例えば電子障壁層４２よりも厚さが大きい。この場合、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。
　（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。電極の厚さは、通常、半導体素子の電極として機能し得る厚さであればよい。例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度が挙げられる。
　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。
　（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、例えば、下の第１～第５工程を有する。第１工程は、基板１の上に、ｎ側半導体層２を形成する工程である。第２工程は、ｎ側半導体層２の上に、活性層３を形成する工程である。第３工程は、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である。第４工程は、第１部分４１の上面に、電子障壁層４２を、ｐ型不純物をドープして形成する工程である。第５工程は、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を形成する工程である。第３工程において、第１部分４１を構成する各層は下から上へ向かって順に形成する。半導体レーザ素子１００の製造方法は、さらに、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を形成する第６工程を有していてもよい。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。
　（実施例１）
　実施例１として、半導体レーザ素子１００を作製した。半導体レーザ素子１００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。
　＋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とをこの順に成長させた。
　ｎ側半導体層２は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、Ｓｉを添加した厚さ１．５μｍのＡｌ０．０１６Ｇａ０．９８４Ｎ層と、Ｓｉを添加した厚さ１５０ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０.９５Ｎ層と、Ｓｉを添加した厚さ９００ｎｍのＡｌ０．０７２Ｇａ０．９２８Ｎ層（ｎ型半導体層２２）と、Ｓｉを添加した厚さ３５００ｎｍのＧａＮ層（ｎ側中間部２３）と、Ｓｉを添加した厚さ２００ｎｍの始端をＧａＮとしＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを終端としてＩｎ組成を実質的に単調増加させて成長させたｎ側組成傾斜層２１と、を有するように形成した。
　活性層３は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、Ｓｉを添加したＧａＮ層と、アンドープのＩｎ組成傾斜層と、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、アンドープのＧａＮ層と、を有するように形成した。
　ｐ側半導体層４は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、アンドープの厚さ２００ｎｍの第１ｐ側組成傾斜層４１１と、アンドープの厚さ５０ｎｍの中間層４１３と、アンドープの厚さ７０ｎｍの第２ｐ側組成傾斜層４１２と、アンドープの厚さ１３０ｎｍのＡｌ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎからなる中間層４１４と、Ｍｇを添加した厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子障壁層４２と、Ｍｇを添加した厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮからなる下側ｐ型半導体層と、Ｍｇを添加した厚さ１８ｎｍのＧａＮからなる上側ｐ型半導体層と、を有するように形成した。第１ｐ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とした。第２ｐ側組成傾斜層４１２は、成長の始端をＡｌ組成比１％以下のＡｌＧａＮとし、成長の終端をＡｌ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎとした。
　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、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２７０ｎｍとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端が第２ｐ側組成傾斜層４１２に位置するように形成した。また、ｐ電極６として、厚さ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４５５ｎｍであった。
　（ＳＩＭＳ分析）
　実施例１と同様のｐ側半導体層４を成長させ、リッジ４ａ等を形成する前で止めたウエハーについて、ＳＩＭＳ分析を行った結果を図７に示す。図７において、破線はＩｎの検出量を示す線であり、実線はＡｌの検出量を示す線である。図７の縦軸および横軸は線形スケールである。図７から、第１ｐ側組成傾斜層４１１と第２ｐ側組成傾斜層４１２との間に中間層４１４が形成されていることが確認できた。図７において、中間層４１４の下端（図中右端）においてＩｎの検出量を示す線とＡｌの検出量を示す線が交わっており、中間層４１４の過半においてＡｌが検出されている。
　（実施例２）
　＋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とをこの順に成長させた。
　ｎ側半導体層２は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、Ｓｉを添加した厚さ１．２５μｍのＡｌ０．０１８Ｇａ０．９８２Ｎ層と、Ｓｉを添加した厚さ２５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層と、Ｓｉを添加した厚さ１５０ｎｍのＩｎ０．０４Ｇａ０.９６Ｎ層と、Ｓｉを添加した厚さ１０ｎｍのＧａＮ層と、Ｓｉを添加した厚さ６５０ｎｍのＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層（ｎ型半導体層２２）と、Ｓｉを添加した厚さ２００ｎｍのＧａＮ層（ｎ側中間部２３）と、アンドープの厚さ２３０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層と、を有するように形成した。
　活性層３は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、Ｓｉを添加したＧａＮ層と、Ｓｉを添加したＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層と、Ｓｉを添加したＧａＮ層と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層と、アンドープのＧａＮ層と、アンドープのＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層と、アンドープのＧａＮ層と、を有するように形成した。
　ｐ側半導体層４は、ｎ型ＧａＮ基板の側から順に、アンドープの厚さ１８０ｎｍの第１ｐ側組成傾斜層４１１と、アンドープの厚さ５０ｎｍの中間層４１３と、アンドープの厚さ１００ｎｍの第２ｐ側組成傾斜層４１２と、アンドープの厚さ２００ｎｍのＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなる中間層４１４と、Ｍｇを添加した厚さ１０．９ｎｍのＡｌＧａＮからなる電子障壁層４２と、Ｍｇを添加した厚さ１００ｎｍのＡｌＧａＮからなる下側ｐ型半導体層と、Ｍｇを添加した厚さ１８ｎｍのＧａＮからなる上側ｐ型半導体層と、を有するように形成した。第１ｐ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とした。第２ｐ側組成傾斜層４１２は、成長の始端をＡｌ組成比１％以下のＡｌＧａＮとし、成長の終端をＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎとした。
　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、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２７０ｎｍとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端が中間層４１４に位置するように形成した。また、ｐ電極６として、厚さ２００ｎｍのＩＴＯ膜を形成した。実施例２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５２７ｎｍであった。
　（実施例３）
　実施例３に係る半導体レーザ素子１００は、実施例２と下の点を除いて同様にして作製した。ｎ側半導体層２における最後の二層を、Ｓｉを添加した厚さ２５０ｎｍのＧａＮ層（ｎ側中間部２３）と、アンドープの厚さ１８０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層とした。ｐ側半導体層４において、第２ｐ側組成傾斜層４１２の厚さを３００ｎｍとし、中間層４１４を無くした。アンドープの厚さ５０ｎｍの中間層４１３はそのままとした。リッジ４ａの深さは約２７０ｎｍのままとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端が第２ｐ側組成傾斜層４１２に位置するように形成した。実施例３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５２７ｎｍであった。
　（比較例１）
　比較例１に係る半導体レーザ素子は、中間層４１３および第２ｐ側組成傾斜層４１２を形成せず、その位置にアンドープの厚さ１２０ｎｍのＧａＮ層を形成した点以外は、実施例１に係る半導体レーザ素子１００と同様にして作製した。リッジ４ａの深さは約２７０ｎｍのままとした。すなわち、リッジ４ａを、その下端がアンドープの厚さ１２０ｎｍのＧａＮ層に位置するように形成した。比較例１に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は４５５ｎｍであった。
　（比較例２）
　比較例２に係る半導体レーザ素子は、実施例２と下の点を除いて同様にして作製した。ｎ側半導体層２における最後の二層を、Ｓｉを添加した厚さ２５０ｎｍのＧａＮ層と、アンドープの厚さ１８０ｎｍのＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層とした。ｐ側半導体層４において、第２ｐ側組成傾斜層４１２を形成せず、その位置にアンドープの厚さ１５０ｎｍのＧａＮ層を形成した。比較例２に係る半導体レーザ素子が出射するレーザ光のピーク波長は５２７ｎｍであった。
　（Ｉ－Ｌ特性）
　実施例１と比較例１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、実線は実施例１を示し、破線は比較例１を示す。実施例２と実施例３と比較例２の半導体レーザ素子のＩ－Ｌ特性を図９に示す。図９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９において、実線は実施例２を示し、一点鎖線は実施例３を示し、破線は比較例２を示す。図８および図９に示すとおり、第１ｐ側組成傾斜層４１１と、中間層４１３と、第２ｐ側組成傾斜層４１２とを備えることで、スロープ効率が向上し、光出力が向上することが確認された。これは、ｐ側半導体層４におけるキャリアの損失を低減したことによる効果であると考えられる。
　本明細書でこれまで説明してきた内容を通し、以下の技術事項が開示される。
　（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、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、
　前記ｐ側半導体層は、
　　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、
　　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、を上方に向かってこの順に有し、
　前記第１部分は、
　　ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ｘが０以上１未満の範囲で減少している第１ｐ側組成傾斜層と、
　　前記第１ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、上方に向かうにつれてＡｌ組成比ｙが０を超えて１未満の範囲で増加している第２ｐ側組成傾斜層と、
　　前記第１ｐ側組成傾斜層と前記第２ｐ側組成傾斜層との間に配置され、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなり、Ａｌ組成比ｚは０を超えてｙ未満である中間層と、を有する、半導体レーザ素子。
　（項２）前記第１ｐ側組成傾斜層は、第１変化率で、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ように組成が変化しており、
　前記第２ｐ側組成傾斜層は、第１変化率よりも小さい第２変化率で、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ように組成が変化している、項１に記載の半導体レーザ素子。
　（項３）前記第２ｐ側組成傾斜層の上端のＡｌ組成比ｙは、０．１以下である、項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
　（項４）前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さは、２ｎｍ以上である、項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　（項５）前記中間層のＡｌ組成比ｚは、０を超えて０．０１以下である、項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　（項６）前記第２ｐ側組成傾斜層の下端のＡｌ組成比ｙは、前記中間層のＡｌ組成比ｚを超えて０．０５以下である、項１～５のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　（項７）前記中間層は第１中間層であり、
　前記第１部分は、前記第２ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、前記第２ｐ側組成傾斜層の上端と同じ又は前記第２ｐ側組成傾斜層の上端と前記電子障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する第２中間層を有する、項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　（項８）前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さと前記第２中間層の厚さの和に対する前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さの比率は、０．５以下である、項７に記載の半導体レーザ素子。
　（項９）前記ｎ側半導体層は、
　　前記活性層の下面に接して配置され、下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ように組成が変化しているｎ側組成傾斜層と、
　　前記ｎ側組成傾斜層の下方に配置され、前記ｐ側半導体層の前記第１部分を構成するいずれの層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、ｎ型不純物を含有する、ｎ型半導体層と、
　　前記ｎ側組成傾斜層と前記ｎ型半導体層との間に配置されたｎ側中間部と、を有し、
　前記ｎ側組成傾斜層から前記ｎ型半導体層までの距離は、前記第１ｐ側組成傾斜層から前記電子障壁層までの距離よりも大きい、項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　（項１０）前記活性層は、
　　ｎ側障壁層と、
　　ｐ側障壁層と、
　　前記ｎ側障壁層と前記ｐ側障壁層との間に位置する第１井戸層及び第２井戸層を含む複数の井戸層と、
　　前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に位置する中間障壁層と、を有し、
　前記中間障壁層の厚さは、前記ｐ側障壁層の厚さよりも小さい、項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
　１００　半導体レーザ素子
　１　基板
　２　ｎ側半導体層
　　２１　ｎ側組成傾斜層
　　２２　ｎ型半導体層
　　２３　ｎ側中間部
　　２３１　中間層
　　２３２　組成傾斜層
　　２３３　中間層
　３、３Ａ　活性層
　　３１　ｎ側障壁層
　　３２　井戸層
　　３３　ｐ側障壁層
　　３４　中間障壁層
　４　ｐ側半導体層
　　４１　第１部分
　　４１１　第１ｐ側組成傾斜層
　　４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｙ、４１１ｚ　サブ層
　　４１２　第２ｐ側組成傾斜層
　　４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１２ｙ、４１２ｚ　サブ層
　　４１３　中間層
　　４１４　中間層
　　４２　電子障壁層
　　４３　第２部分
　４ａ　リッジ
　５　絶縁膜
　６　ｐ電極
　７　ｐ側パッド電極
　８　ｎ電極

Claims (10)

  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、を上方に向かってこの順に有する半導体レーザ素子であって、
    　前記ｐ側半導体層は、
    　　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、
    　　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、を上方に向かってこの順に有し、
    　前記第１部分は、
    　　ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなり、上方に向かうにつれてＩｎ組成比ｘが０以上１未満の範囲で減少している第１ｐ側組成傾斜層と、
    　　前記第１ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、ＡｌｙＧａ１－ｙＮからなり、上方に向かうにつれてＡｌ組成比ｙが０を超えて１未満の範囲で増加している第２ｐ側組成傾斜層と、
    　　前記第１ｐ側組成傾斜層と前記第２ｐ側組成傾斜層との間に配置され、ＡｌｚＧａ１－ｚＮからなり、Ａｌ組成比ｚは０を超えてｙ未満である中間層と、を有する、半導体レーザ素子。
  2. 　前記第１ｐ側組成傾斜層は、第１変化率で、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ように組成が変化しており、
    　前記第２ｐ側組成傾斜層は、第１変化率よりも小さい第２変化率で、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ように組成が変化している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　前記第２ｐ側組成傾斜層の上端のＡｌ組成比ｙは、０．１以下である、請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さは、２ｎｍ以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  5. 　前記中間層のＡｌ組成比ｚは、０を超えて０．０１以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記第２ｐ側組成傾斜層の下端のＡｌ組成比ｙは、前記中間層のＡｌ組成比ｚを超えて０．０５以下である、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. 　前記中間層は第１中間層であり、
    　前記第１部分は、前記第２ｐ側組成傾斜層と前記電子障壁層との間に配置され、前記第２ｐ側組成傾斜層の上端と同じ又は前記第２ｐ側組成傾斜層の上端と前記電子障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する第２中間層を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さと前記第２中間層の厚さの和に対する前記第２ｐ側組成傾斜層の厚さの比率は、０．５以下である、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 　前記ｎ側半導体層は、
    　　前記活性層の下面に接して配置され、下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ように組成が変化しているｎ側組成傾斜層と、
    　　前記ｎ側組成傾斜層の下方に配置され、前記ｐ側半導体層の前記第１部分を構成するいずれの層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、ｎ型不純物を含有する、ｎ型半導体層と、
    　　前記ｎ側組成傾斜層と前記ｎ型半導体層との間に配置されたｎ側中間部と、を有し、
    　前記ｎ側組成傾斜層から前記ｎ型半導体層までの距離は、前記第１ｐ側組成傾斜層から前記電子障壁層までの距離よりも大きい、請求項１～８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 　前記活性層は、
    　　ｎ側障壁層と、
    　　ｐ側障壁層と、
    　　前記ｎ側障壁層と前記ｐ側障壁層との間に位置する第１井戸層及び第２井戸層を含む複数の井戸層と、
    　　前記第１井戸層と前記第２井戸層との間に位置する中間障壁層と、を有し、
    　前記中間障壁層の厚さは、前記ｐ側障壁層の厚さよりも小さい、請求項１～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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