WO2025258310A1 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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WO2025258310A1
WO2025258310A1 PCT/JP2025/017561 JP2025017561W WO2025258310A1 WO 2025258310 A1 WO2025258310 A1 WO 2025258310A1 JP 2025017561 W JP2025017561 W JP 2025017561W WO 2025258310 A1 WO2025258310 A1 WO 2025258310A1
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WO
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layer
side guide
type cladding
thickness
composition ratio
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PCT/JP2025/017561
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English (en)
French (fr)
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徹 高山
雅幸 畑
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Nuvoton Technology Corp Japan
Original Assignee
Nuvoton Technology Corp Japan
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Publication date
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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
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • 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

  • This disclosure relates to a semiconductor laser element.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor laser element that includes a waveguide layer (in other words, an optical guide layer).
  • the present disclosure aims to solve these problems and provide a semiconductor laser element that can reduce waveguide loss.
  • one aspect of the semiconductor laser device disclosed herein comprises a substrate, a semiconductor laminate disposed above the substrate, and a p-side electrode disposed above the semiconductor laminate and in contact with the semiconductor laminate, wherein the semiconductor laminate has an n-type cladding layer which is a nitride semiconductor layer containing Al, an n-side guide layer disposed above the n-type cladding layer, an active layer disposed above the n-side guide layer, and a p-type cladding layer which is a nitride semiconductor layer containing Al and disposed above the active layer, wherein the Al composition ratio of the n-type cladding layer is greater than the Al composition ratio of the p-type cladding layer, and the p-side electrode is made of at least one of Ag, an Ag alloy, Al, and a translucent conductive film.
  • the semiconductor laminate has an n-type cladding layer which is a nitride semiconductor layer containing Al, an n-side guide layer disposed above the n-type
  • This disclosure provides a semiconductor laser element that can reduce waveguide loss.
  • 1 is a schematic plan view showing an overall configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an active layer included in a semiconductor laser element according to a first embodiment.
  • 10 is a schematic graph showing the refractive index distribution and the light intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor laser element according to Comparative Example 1.
  • 4 is a schematic graph showing a refractive index distribution and a light intensity distribution in a stacking direction of the semiconductor laser element according to the first embodiment.
  • 1 is a first graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the operating voltage in Configuration Example 1.
  • 10 is a second graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the operating voltage in Configuration Example 1.
  • 10 is a third graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the operating voltage in Configuration Example 1.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the waveguide loss in Configuration Example 2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the optical confinement factor in Configuration Example 2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the peak position of the light intensity distribution in Configuration Example 2.
  • 10 is a graph showing coordinates of positions in a stacking direction of the semiconductor laser element according to the first embodiment.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the waveguide loss in Configuration Example 3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the optical confinement factor in Configuration Example 3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the peak position of the light intensity distribution in Configuration Example 3.
  • 18 is a graph in which a part of the range of the vertical axis in FIG. 17 is enlarged.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the waveguide loss in Configuration Example 4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the optical confinement factor in Configuration Example 4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the peak position of the light intensity distribution in Configuration Example 4.
  • 23 is a graph in which a part of the range of the vertical axis in FIG. 22 is enlarged.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of a p-type cladding layer and waveguide loss in Configuration Example 5.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor in Configuration Example 5.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of a p-type cladding layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 5.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer of Configuration Example 5 and the peak position of the light intensity distribution.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the waveguide loss in Configuration Example 6.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor in Configuration Example 6.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 6.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer of Configuration Example 6 and the peak position of the light intensity distribution.
  • 10 is a graph showing the distribution of the conduction band potential in the stacking direction between the p-type cladding layer and the p-side guide layer of Comparative Example 2.
  • 11 is a graph showing the distribution of the conduction band potential in the stacking direction between the p-type cladding layer and the p-side guide layer of Configuration Example 7.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the operating voltage of the semiconductor laser device in Configuration Example 7.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side intermediate layer and the operating voltage of the semiconductor laser device in Configuration Example 8.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the waveguide loss in Configuration Example 9.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the optical confinement factor in Configuration Example 9.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 9.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the peak position of the light intensity distribution in Configuration Example 9.
  • 40 is a graph in which a part of the range of the vertical axis of FIG. 39 is enlarged.
  • 12 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the waveguide loss in Configuration Example 10.
  • 12 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the optical confinement factor in Configuration Example 10.
  • 12 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the effective refractive index difference in Configuration Example 10.
  • 13 is a graph showing the relationship between the film thickness of the n-side guide layer and the peak position of the light intensity distribution in Configuration Example 10.
  • 45 is a graph in which a part of the range of the vertical axis in FIG. 44 is enlarged.
  • 13 is a schematic graph showing an example of a band gap energy distribution of an active layer of Configuration Example 13.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a semiconductor laser device according to a second embodiment.
  • 10 is a graph showing the distribution of the potential of the conduction band in Configuration Example 1 of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 10 is a graph showing the distribution of the potential of the valence band in the first configuration example of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 10 is a graph showing the distribution of the potential of the conduction band in the second configuration example of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 10 is a graph showing the distribution of the potential of the valence band in the second configuration example of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 10 is a graph showing the distribution of the potential of the conduction band in Configuration Example 3 of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the distribution of the potential of the valence band in Configuration Example 3 of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of a semiconductor laser device according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an n-side guide layer included in a semiconductor laser element according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an active layer included in a semiconductor laser element according to a third embodiment.
  • 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the integrated stress of the semiconductor laminate in Configuration Example C1.
  • 10 is a graph showing the relationship between the position in the stacking direction and the refractive index in a comparative example.
  • 10 is a graph showing the relationship between the position in the stacking direction and the light intensity in a comparative example. 10 is a graph showing the relationship between the position in the stacking direction and the refractive index in configuration example C1. 10 is a graph showing the relationship between the stacking direction position and the light intensity in configuration example C1. 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the operating voltage in Configuration Example C1. 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the integrated stress of the semiconductor laminate in Configuration Example C2. 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the operating voltage in Configuration Example C2. 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the integrated stress of the semiconductor laminate in Structural Example C3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the operating voltage in Configuration Example 4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the integrated stress of the semiconductor laminate in Structural Example C4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate and the operating voltage in Configuration Example 4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the waveguide loss in Configuration Example C1.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor of Configuration Example C1.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the effective refractive index difference in configuration example C1.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the waveguide loss in Configuration Example C2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor of Configuration Example C2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the effective refractive index difference in configuration example C2.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the waveguide loss in Configuration Example C3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor of Configuration Example C3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the effective refractive index difference in Configuration Example C3.
  • 10 is a graph showing the relationship between the thickness of the p-type cladding layer and the waveguide loss in Configuration Example C4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the optical confinement factor of Configuration Example C4.
  • 10 is a graph showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer and the effective refractive index difference in configuration example C4.
  • 11 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the n-type cladding layer and the Al composition ratio of the substrate according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the ridge width and the number of wave-guiding modes according to the third embodiment. 87 is a graph showing an enlarged portion of FIG. 86.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in a configuration example C51 of a semiconductor laser element according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C52 of the semiconductor laser element according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C53 of a semiconductor laser element according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in a configuration example C61 of a semiconductor laser device according to a third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C62 of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C63 of a semiconductor laser element according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C71 of a semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C72 of the semiconductor laser element according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing the shape of a ridge in configuration example C73 of a semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily an exact illustration. Therefore, the scale and other details do not necessarily match between the figures. Furthermore, in each figure, the same reference numerals are used to designate substantially identical components, and redundant explanations will be omitted or simplified.
  • the terms “above” and “below” do not refer to vertically above and below in an absolute spatial sense, but are used as terms defined by a relative positional relationship based on the stacking order in the stacked configuration. Furthermore, the terms “above” and “below” apply not only to cases where two components are arranged with a gap between them and another component exists between them, but also to cases where two components are arranged in contact with each other.
  • FIGS. 1 and 2 are a schematic plan view and a cross-sectional view, respectively, showing the overall configuration of the semiconductor laser device 100 according to this embodiment.
  • FIG. 2 shows a cross section taken along line II-II in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the active layer 105 included in the semiconductor laser device 100 according to this embodiment.
  • Each figure shows an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis, which are orthogonal to each other.
  • the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are in a right-handed Cartesian coordinate system.
  • the stacking direction of the semiconductor laser device 100 is parallel to the Z-axis direction, and the main emission direction of light (laser light) is parallel to the Y-axis direction.
  • the semiconductor laser element 100 includes a semiconductor laminate 100S and emits light from an end facet 100F (see FIG. 1) perpendicular to the stacking direction (i.e., the Z-axis direction) of the semiconductor laminate 100S.
  • the semiconductor laser element 100 has two end faces 100F and 100R that form a cavity.
  • End facet 100F is a front end facet that emits laser light
  • end facet 100R is a rear end facet that has a higher reflectivity than end facet 100F.
  • the semiconductor laser element 100 also has a waveguide formed between end facet 100F and end facet 100R. In this embodiment, the reflectivity of end facet 100F is lower than the reflectivity of end facet 100R.
  • the cavity length (i.e., the distance between end facet 100F and end facet 100R) of the semiconductor laser element 100 according to this embodiment is 1200 ⁇ m.
  • the semiconductor laser element 100 emits laser light having a peak wavelength of, for example, 450 nm or more and 570 nm or less. However, the semiconductor laser element 100 may also emit laser light having a peak wavelength less than 450 nm or longer than 570 nm.
  • the semiconductor laser element 100 includes a substrate 101, a semiconductor stack 100S, a current blocking layer 112, a p-side electrode 113, and an n-side electrode 114.
  • the semiconductor laminate 100S is disposed above the substrate 101 and is a laminate in which semiconductor layers are stacked. As shown in FIG. 2, the semiconductor laminate 100S has a ridge 110R that protrudes upward.
  • the semiconductor laminate 100S also has two grooves 110T that are disposed along the ridge 110R and extend in the Y-axis direction, and two protrusions 110P that protrude upward.
  • One groove 110T is disposed between the ridge 110R and one of the protrusions 110P, and the other groove 110T is disposed between the ridge 110R and the other protrusion 110P.
  • the semiconductor laminate 100S has an n-type cladding layer 102, an n-side intermediate layer 103, an n-side guide layer 104, an active layer 105, a p-side guide layer 106, a p-side intermediate layer 107, an electron barrier layer 108, a p-type cladding layer 110, and a contact layer 111.
  • the semiconductor laminate 100S is made of a nitride semiconductor.
  • the substrate 101 is a plate-shaped member that serves as the base for the semiconductor laser element 100.
  • the substrate 101 is disposed below the n-type cladding layer 102 and is made of AlGaN.
  • the n-type cladding layer 102 is disposed above the substrate 101 and is a nitride semiconductor layer containing Al.
  • the cladding layer is a layer in which the change in the light intensity distribution in the layer with respect to the stacking direction can be approximated by an exponential function.
  • the conductivity type of the n-type cladding layer 102 is n-type.
  • the n-type cladding layer 102 has a smaller average refractive index and a larger average band gap energy than the active layer 105.
  • the n-type cladding layer 102 is a Si-doped n-type Al Xn1 Ga 1-Xn1 N (0 ⁇ Xn1 ⁇ 1) layer.
  • the average band gap energy of a layer refers to the band gap energy value obtained by integrating the magnitude of the band gap energy at a certain position in the stacking direction of that layer from the interface position on the substrate side in the stacking direction of that layer to the interface position on the side farther from the substrate, and dividing the result by the film thickness of that layer (the distance between the interface on the substrate side and the interface farther from the substrate). Note that in this disclosure, the average band gap energy of a layer is also simply referred to as band gap energy.
  • the average refractive index of a layer is the refractive index at a certain position in the stacking direction of that layer, integrated in the stacking direction from the interface on the substrate side to the interface on the side farther from the substrate, and then divided by the film thickness of that layer (the distance between the interface on the substrate side and the interface on the side farther from the substrate).
  • the average refractive index of a layer is also simply referred to as the refractive index.
  • the average Al composition ratio of a certain layer is the value of the Al composition ratio obtained by integrating the magnitude of the Al composition ratio at a certain position in the stacking direction of that layer from the position of the interface on the substrate side in the stacking direction of that layer to the position of the interface on the side farther from the substrate in the stacking direction of that layer, and dividing the result by the film thickness of that layer (the distance between the interface on the substrate side and the interface on the side farther from the substrate).
  • the average Al composition ratio of a certain layer is also simply referred to as the Al composition ratio.
  • the average In composition ratio is defined in the same way as the average Al composition ratio.
  • the average impurity concentration of a layer is the value of the impurity concentration at a certain position in the stacking direction of that layer, integrated in the stacking direction from the interface position on the substrate side in the stacking direction of that layer to the interface position on the side farther from the substrate, and divided by the film thickness of that layer (the distance between the interface on the substrate side and the interface farther from the substrate).
  • impurity refers to impurities doped to obtain n-type conductivity
  • impurities doped to obtain p-type conductivity in a p-type semiconductor layer.
  • the average impurity concentration of a layer is also simply referred to as the impurity concentration.
  • the n-side intermediate layer 103 is a nitride semiconductor layer disposed between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104.
  • the n-side intermediate layer 103 is a GaN layer or a compositionally graded layer.
  • the n-side intermediate layer 103 may be a GaN layer having a thickness of 5 nm or more and 30 nm or less.
  • the compositionally graded layer includes at least one of an Al Xni Ga 1-Xni-Yni In Yni N (0 ⁇ Xni ⁇ 1, 0 ⁇ Yni ⁇ 1) layer in which the Al composition ratio monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102, and an Al Xnj Ga 1-Xnj-Ynj In Ynj N ( 0 ⁇ Xnj ⁇ 1, 0 ⁇ Ynj ⁇ 1) layer in which the In composition ratio monotonically increases with increasing distance from the n-type cladding layer 302.
  • the compositionally graded layer also includes an Al Xni Ga 1-Xni-Yni In Yni N (0 ⁇ Xni ⁇ 1, 0 ⁇ Yni ⁇ 1) layer in which the bandgap energy monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the n-side intermediate layer 103 may be doped with Si.
  • the configuration in which the Al composition ratio of the n-side intermediate layer 103 monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102 also includes a configuration in which the n-side intermediate layer 103 has a region in which the Al composition ratio does not change with the distance from the n-type cladding layer 102.
  • the configuration in which the In composition ratio of the n-side intermediate layer 103 monotonically increases with increasing distance from the n-type cladding layer 302 also includes a configuration in which the n-side intermediate layer 103 has a region in which the In composition ratio does not change depending on the distance from the n-type cladding layer 102.
  • the n-side guide layer 104 is an optical guide layer disposed above the n-type cladding layer 102.
  • the n-side guide layer 104 is disposed between the n-type cladding layer 102 and the active layer 105.
  • the n-side guide layer 104 has a higher refractive index and a smaller band gap energy than the n-type cladding layer 102.
  • the n-side guide layer 104 is a nitride semiconductor layer containing In. More specifically, the n-side guide layer 104 is made of InGaN.
  • the n-side guide layer 104 is, for example, an undoped InXinGa1 -XinN (0 ⁇ Xin ⁇ 1) layer.
  • the active layer 105 is a light-emitting layer disposed above the substrate 101.
  • the active layer 105 is disposed above the n-side guide layer 104.
  • the active layer 105 has a quantum well structure. Specifically, as shown in FIG. 3, the active layer 105 has well layers 105b and 105d and barrier layers 105a, 105c, and 105e.
  • the barrier layer 105a is disposed above the n-side guide layer 104.
  • the well layer 105b is disposed above the barrier layer 105a.
  • the barrier layer 105c is disposed above the well layer 105b.
  • the well layer 105d is disposed above the barrier layer 105c.
  • the barrier layer 105e is disposed above the well layer 105d.
  • well layer 105b is disposed between two barrier layers 105a and 105c
  • well layer 105d is disposed between two barrier layers 105c and 105e.
  • the configuration of active layer 105 is not limited to this.
  • active layer 105 may have a single well layer, or may have three or more well layers.
  • Each of the barrier layers 105a, 105c, and 105e is a semiconductor layer disposed above the n-side guide layer 104 and functions as a barrier in the quantum well structure.
  • the bandgap energy of each of the barrier layers 105a, 105c, and 105e is greater than the bandgap energy of the well layers 105b and 105d, the bandgap energy of the n-type cladding layer 102, and the bandgap energy of the p-type cladding layer 110, and is less than the bandgap energy of the electron barrier layer 108.
  • the bandgap energies of the barrier layers 105a, 105c, and 105e may be equal to one another.
  • each of the barrier layers 105a, 105c, and 105e is a nitride semiconductor layer containing In. More specifically, each of the barrier layers 105a, 105c, and 105e is made of InGaN. Each of the barrier layers 105a, 105c, and 105e is, for example, an undoped InYb1Ga1 -Yb1N (0 ⁇ Yb1 ⁇ 1) layer.
  • the In composition ratio of the barrier layer 105a which is closest to the n-side guide layer 104, is equal to or greater than the maximum In composition ratio of the n-side guide layer 104
  • the In composition ratio of the barrier layer 105e which is closest to the p-side guide layer 106, is equal to or greater than the maximum In composition ratio of the p-side guide layer 106.
  • the barrier layer 105a that is closest to the n-side guide layer 104 has a bandgap energy equal to or greater than the minimum bandgap energy of the n-side guide layer 104
  • the barrier layer 105e that is closest to the p-side guide layer 106 has a bandgap energy equal to or greater than the minimum bandgap energy of the p-side guide layer 106.
  • the well layer 105b is a nitride semiconductor layer disposed between the barrier layer 105a and the barrier layer 105c and functions as a well of the quantum well structure.
  • the well layer 105d is a nitride semiconductor layer disposed between the barrier layer 105c and the barrier layer 105e and functions as a well of the quantum well structure.
  • the well layers 105b and 105d are nitride semiconductor layers containing In. More specifically, the well layers 105b and 105d are made of InGaN.
  • the well layer 105b is an undoped In Yw Ga 1-Yw N (0 ⁇ Yw ⁇ 1) layer.
  • the p-side guide layer 106 is an optical guide layer disposed above the active layer 105.
  • the p-side guide layer 106 is disposed between the active layer 105 and the p-type cladding layer 110.
  • the p-side guide layer 106 is disposed between the active layer 105 and the p-side intermediate layer 107.
  • the p-side guide layer 106 has a higher refractive index and a smaller band gap energy than the p-type cladding layer 110.
  • the p-side guide layer 106 is made of InGaN. That is, the p-side guide layer 106 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N (0 ⁇ Xip ⁇ 1) layer.
  • the p-side intermediate layer 107 is a semiconductor layer disposed between the p-side guide layer 106 and the electron barrier layer 108.
  • the bandgap energy of the p-side intermediate layer 107 is equal to or greater than the bandgap energy of the p-side guide layer 106 and equal to or less than the bandgap energy of the electron barrier layer 108.
  • the bandgap energy of the p-side intermediate layer 107 is equal to or less than the bandgap energy of the p-type cladding layer 110.
  • the p-side intermediate layer 107 is made of GaN.
  • the electron barrier layer 108 is a semiconductor layer disposed between the active layer 105 and the p-type cladding layer 110. In this embodiment, the electron barrier layer 108 is disposed between the p-side intermediate layer 107 and the p-type cladding layer 110.
  • the band gap energy of the electron barrier layer 108 is larger than the band gap energy of the barrier layer 105c. This makes it possible to suppress leakage of electrons from the active layer 105 to the p-type cladding layer 110.
  • the band gap energy of the electron barrier layer 108 is larger than the band gap energies of the p-side guide layer 106 and the p-type cladding layer 110.
  • the electron barrier layer 108 is a p-type AlXebGa1 -XebN (0 ⁇ Xeb ⁇ 1) layer.
  • the p-type cladding layer 110 is disposed above the active layer 105 and is a nitride semiconductor layer containing Al.
  • the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110 is lower than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102.
  • the p-type cladding layer 110 is disposed above the electron barrier layer 108.
  • the p-type cladding layer 110 has a lower refractive index and a larger band gap energy than the active layer 105.
  • the band gap energy of the p-type cladding layer 110 is lower than the band gap energy of the electron barrier layer 108.
  • the p-type cladding layer 110 is a p-type Al Xpc Ga 1-Xpc N (0 ⁇ Xpc ⁇ 1) layer.
  • the contact layer 111 is a nitride semiconductor layer disposed above the p-type cladding layer 110 and in ohmic contact with the p-side electrode 113.
  • the contact layer 111 is a p-type GaN layer with a thickness of 60 nm.
  • the contact layer 111 is doped with Mg as an impurity at a concentration of 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 .
  • a ridge 110R, a groove 110T, and a protrusion 110P are formed in the p-type cladding layer 110 and the contact layer 111.
  • the width of the ridge 110R (ridge width) is represented by W.
  • the distance between the lower end of the ridge 110R (i.e., the bottom of the groove 110T) and the active layer 105 is represented by dp
  • the distance between the lower end of the ridge 110R and the electron barrier layer 108 is represented by dc.
  • the current blocking layer 112 is disposed above the p-type cladding layer 110 and is an insulating layer that is transparent to light from the active layer 105.
  • the current blocking layer 112 is disposed on the upper surfaces of the p-type cladding layer 110 and the contact layer 111, except for the upper surface 110Ru of the ridge 110R. That is, the current blocking layer 112 is disposed on the upper surfaces of the two protrusions 110P, the side surfaces of each of the two protrusions 110P facing the ridge 110R, the bottom of the groove 110T, and the side surfaces of the ridge 110R (i.e., the end surfaces of the ridge 110R in the X-axis direction).
  • the current blocking layer 112 may also be disposed on a portion of the upper surface 110Ru of the ridge 110R.
  • the current blocking layer 112 may be disposed in the edge regions of the upper surface 110Ru of the ridge 110R.
  • the current blocking layer 112 is a SiO2 layer.
  • the p-side electrode 113 is an electrode disposed above the semiconductor stack 100S and in contact with the semiconductor stack 100S. In this embodiment, the p-side electrode 113 is disposed above the contact layer 111. The p-side electrode 113 is disposed on the upper surface 110Ru of the ridge 110R and is in contact with the contact layer 111 at the upper surface 110Ru. In this embodiment, the p-side electrode 113 is disposed above the contact layer 111 and the current blocking layer 112.
  • the p-side electrode 113 is made of at least one of Ag, an Ag alloy, Al, and a translucent conductive film. Here, the translucent conductive film may be a conductive oxide film.
  • the p-side electrode 113 may be made of Ag, Al, or an alloy containing at least one of Ag and Al.
  • the n-side electrode 114 is a conductive layer disposed below the substrate 101 (i.e., on the principal surface of the substrate 101 opposite the principal surface on which the semiconductor laminate 100S is disposed).
  • the n-side electrode 114 is, for example, a single-layer film or a multilayer film formed of at least one of Cr, Ti, Ni, Pd, Pt, and Au.
  • the semiconductor laser device 100 generates an effective refractive index difference ⁇ N between the portion below the ridge 110R and the portion below the groove 110T (see Figure 2). This allows light generated in the portion of the active layer 105 below the ridge 110R to be confined in the horizontal direction (i.e., the X-axis direction).
  • the effective refractive index difference ⁇ N is controlled by adjusting the distance dp between the current blocking layer 112 and the active layer 105. As the distance dp increases, the effective refractive index difference ⁇ N decreases.
  • the electron barrier layer 108 becomes a potential barrier to the electrical conduction of holes from the ridge 110R to the active layer 105.
  • a leakage current occurs due to holes leaking from the portion of the electron barrier layer 108 corresponding to the side surface of the ridge 110R to the outside of the ridge 110R. This causes deterioration of the semiconductor laser device 100. Therefore, to suppress such deterioration, the lower end of the ridge 110R may be located above the electron barrier layer 108.
  • the distance dc between the electron barrier layer 108 and the current blocking layer 112 also increases.
  • the electron barrier layer 108 is an AlGaN layer with a high Al composition ratio, it acts as a potential barrier to the injection of holes from the p-type cladding layer 110 to the active layer 105. Therefore, when the distance dc is large, an increasing proportion of the holes injected from the ridge 110R flow outside the ridge 110R at the bottom end of the ridge 110R. These holes that flow outside the ridge 110R do not contribute to the generation and amplification of laser light from the semiconductor laser device 100. This increases the oscillation threshold current of the semiconductor laser device 100.
  • the oscillation threshold current increases when the distance dc is 70 nm or greater.
  • the distance dc may be, for example, 10 nm or greater and 70 nm or less.
  • the semiconductor laser device of Comparative Example 1 differs from the semiconductor laser device 100 of Embodiment 1 in the configuration of the substrate 901, n-type cladding layer 902, p-type cladding layer 910, and p-side electrode 913, but is otherwise identical.
  • the Al composition ratios of the n-type cladding layer 902 and the p-type cladding layer 910 are equal. Therefore, as shown in FIG. 4, the refractive indices of the n-type cladding layer 902 and the p-type cladding layer 910 are equal.
  • the thickness of the p-type cladding layer 910 of Comparative Example 1 is greater than the thickness of the p-type cladding layer 110 of this embodiment.
  • the substrate 901 of Comparative Example 1 is a GaN substrate, and the p-side electrode 913 is made of Pd. Therefore, as shown in FIG. 4, the refractive index of the p-side electrode 913 of Comparative Example 1 is higher than the refractive index of the p-side electrode 113 of this embodiment.
  • the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 is higher than that of the p-type cladding layer 110, and therefore the refractive index of the p-type cladding layer 110 is higher than that of the n-type cladding layer 102.
  • the n-side guide layer 104 which has a higher refractive index than the n-type cladding layer 102, improves the controllability of positioning the peak position of the light intensity distribution in the stacking direction near the active layer 105, while increasing the refractive index of the p-type cladding layer 110 prevents the light intensity distribution from tilting too much in the direction from the active layer 105 toward the n-side guide layer 104. Therefore, the optical confinement coefficient in the active layer 105 can be increased, thereby reducing waveguide loss.
  • the hole concentration can be increased. Therefore, the operating voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced. Furthermore, by reducing the impurity concentration of the p-type cladding layer 110, free carrier loss due to impurities can be reduced. Therefore, waveguide loss can be reduced.
  • the p-side electrode 113 is made of a metal with a low refractive index, such as Ag, or a transparent conductive oxide film, which reduces optical loss in the p-side electrode 113. This allows for further reduction in waveguide loss. Furthermore, because optical loss in the p-side electrode 113 can be reduced, the thickness of the p-type cladding layer 110 can be made thinner while also reducing waveguide loss. This allows for a reduction in the operating voltage of the semiconductor laser device 100.
  • conductive oxide films have a higher refractive index than Ag and Al
  • the decrease in the effective refractive index difference ⁇ N can be suppressed even when the thickness of the p-type cladding layer 110 is small, compared to when the p-side electrode 113 is made of a metal with a lower refractive index, such as Ag. Therefore, the occurrence of non-linear portions (so-called kinks) in the graph showing the current-light output characteristics of the semiconductor laser device 100 can be suppressed.
  • the p-side electrode 113 contains a metal such as Ag
  • the spontaneously emitted light from the active layer 105 may be reflected by the p-side electrode 113 and returned to the active layer 105.
  • the spontaneously emitted light that returns to the active layer 105 is absorbed by the active layer 105 in this way, thereby increasing the quantum efficiency contributing to radiative recombination. Therefore, the oscillation threshold current value of the semiconductor laser device 100 can be reduced, and the slope efficiency can be increased.
  • the n-side intermediate layer 103 is a GaN layer or a compositionally graded layer with a thickness of 30 nm or less.
  • FIG. 5 shows an example in which the n-side intermediate layer 103 is a GaN layer. That is, the n-side intermediate layer 103, which is a GaN layer, is disposed between the n-type cladding layer 102, which is a nitride semiconductor layer containing Al, and the n-side guide layer 104, which is a nitride semiconductor layer containing In.
  • n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 come into contact with each other, a spike-shaped potential barrier is formed at the interface due to the difference in bandgap energy between the two layers.
  • the n-side intermediate layer 103 which is a GaN layer
  • the potential barrier formed between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 can be reduced. Therefore, the operating voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced.
  • the n-side guide layer 104 is made of InGaN. This allows the refractive index of the n-side guide layer 104 to be made sufficiently higher than the refractive index of the n-type cladding layer 102, which is a nitride semiconductor layer containing Al. This therefore increases the optical confinement coefficient in the active layer 105. This allows the oscillation threshold current value of the semiconductor laser element 100 to be reduced. Furthermore, since the leakage current can be reduced, the temperature characteristics of the semiconductor laser element 100 can be improved.
  • the p-side guide layer 106 is made of InGaN. This allows the refractive index of the p-side guide layer 106 to be made sufficiently higher than the refractive index of the p-type cladding layer 110, which is a nitride semiconductor layer containing Al. Therefore, the optical confinement coefficient in the active layer 105 can be increased. As a result, the oscillation threshold current value of the semiconductor laser device 100 can be reduced. Furthermore, increasing the optical confinement coefficient can reduce leakage current, thereby improving the temperature characteristics of the semiconductor laser device 100.
  • Configuration Example 1 of the semiconductor laser device 100 is a configuration example that emits laser light in the 445 nm wavelength band.
  • the n-type cladding layer 102 is an n-type Al Xn1 Ga 1-Xn1 N (0 ⁇ Xn1 ⁇ 1) layer with a thickness of 1500 nm
  • the n-side intermediate layer 103 is an n-type GaN layer with a thickness of T1 [nm].
  • the n-type cladding layer 102 and the n-side intermediate layer 103 are doped with Si at a concentration Cn.
  • the n-side guide layer 104 is an undoped In 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 160 nm.
  • Each of the barrier layers 105a and 105c is an undoped In0.05Ga0.95N layer with a thickness of 7 nm
  • the barrier layer 105e is an undoped In0.05Ga0.95N layer with a thickness of 5 nm.
  • Each of the well layers 105b and 105d is an undoped In0.18Ga0.82N layer with a thickness of 3 nm.
  • the p-side guide layer 106 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N layer with a film thickness of 280 nm.
  • the In composition ratio of the p-side guide layer 106 monotonically increases toward the active layer 105.
  • the In composition ratio Xip is 0.04 at the end face of the p-side guide layer 106 closer to the active layer 105, and the In composition ratio Xip is 0 at the end face of the p-side guide layer 106 farther from the active layer 105.
  • the rate of change of the In composition ratio in the stacking direction of the p-side guide layer 106 is constant.
  • the p-side intermediate layer 107 is a 24 nm-thick GaN layer.
  • the p-side intermediate layer 107 has a 21 nm-thick undoped GaN layer and a 3 nm-thick n-type GaN layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 disposed above the GaN layer.
  • the electron barrier layer 108 is a 5 nm thick p-type Al 0.36 Ga 0.64 N layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type cladding layer 110 is a 450 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • the p-type cladding layer 110 has a 150 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm -3 and, above the p-type cladding layer 110, a 300 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the contact layer 111 is a 10 nm thick p-type GaN layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • the p-type cladding layer 110 has a low impurity concentration layer (a 150 nm thick p-type Al0.026Ga0.974N layer doped with Mg at a concentration of 2 x 1018 cm -3 ) on the active layer 105 side, and a high impurity concentration layer (a layer with a higher impurity concentration than the low impurity concentration layer and disposed above the low impurity concentration layer: a 300 nm thick p-type Al0.026Ga0.974N layer doped with Mg at a concentration of 1 x 1019 cm - 3 ) on the contact layer 111 side. Therefore, free carrier loss due to impurities can be reduced, and thus waveguide loss can be reduced.
  • the low impurity concentration layer may be undoped.
  • the impurity concentration of the low-impurity concentration layer is lower than the maximum impurity concentration of the electron barrier layer 108. Therefore, free carrier loss caused by impurities can be reduced, and therefore waveguide loss can be reduced.
  • the ridge width W is 45 ⁇ m and the cavity length is 1200 ⁇ m.
  • the distance dc between the bottom end of the ridge 110R and the electron barrier layer 108 is 40 nm.
  • FIGS. 6 to 8 are graphs showing the relationship between the thickness T1 of the n-side intermediate layer and the operating voltage in Configuration Example 1.
  • FIGS. 6, 7, and 8 show graphs for cases where the impurity concentrations Cn in the n-type cladding layer 102 and the n-side intermediate layer 103 are 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , respectively.
  • Each of FIGS. 6 to 8 also shows graphs for multiple cases where the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is different.
  • FIGS. 6 to 8 also show a case where the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 is equal to the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110 (i.e., where Xn1 is 0.026). 6 to 8 also show the operating voltage when a current of 3 A is supplied to the semiconductor laser device 100.
  • the impurity concentration Cn when the impurity concentration Cn is 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , the operating voltage is higher by 0.2 V or more compared to when the impurity concentration Cn is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 . Therefore, in order to reduce the operating voltage, the impurity concentration Cn may be 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more. On the other hand, if the impurity concentration Cn is made too high, the free carrier loss increases and the slope efficiency decreases, so the impurity concentration Cn may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 30 nm or more in order to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 10 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 15 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 20 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 3 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 5 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 may be 7 nm or more to reduce the operating voltage.
  • the In composition ratio of the p-side guide layer 106 monotonically decreases with increasing distance from the active layer 105. Furthermore, the band gap energy of the p-side guide layer 106 monotonically increases with increasing distance from the active layer 105. As a result, the potential of the valence band of the p-side guide layer 106 decreases with increasing distance from the active layer 105. Accordingly, the difference between the potential of the valence band of the p-side guide layer 106 and the Fermi level of holes becomes approximately constant at each position in the stacking direction of the p-side guide layer 106. Therefore, the semiconductor laser device 100 can operate at a low operating voltage without increasing the hole concentration of the p-side guide layer 106. By reducing the hole concentration in this way, free carrier loss can be reduced. This reduces waveguide loss. Therefore, Configuration Example 1 makes it possible to realize a semiconductor laser device 100 with a low operating voltage and a low operating current.
  • FIG. 1 A description will be given of a second configuration example of the semiconductor laser device 100 according to this embodiment.
  • the second configuration example of the semiconductor laser device 100 differs from the first configuration example in the configuration of the p-type cladding layer 110.
  • the following description will focus on the differences between the second configuration example and the first configuration example.
  • the p-type cladding layer 110 of Configuration Example 2 is a p-type Al0.026Ga0.974N layer with a thickness of 350 nm.
  • the p-type cladding layer 110 includes a p-type Al0.026Ga0.974N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 1018 cm - 3, and a p-type Al0.026Ga0.974N layer with a thickness of 200 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 disposed above the p-type Al0.026Ga0.974N layer.
  • the impurity concentration Cn in the n-type cladding layer 102 and the n-side intermediate layer 103 is 1 ⁇ 1018 cm -3 .
  • Figures 9, 10, 11, and 12 are graphs showing the relationship between the thickness T1 of the n-side intermediate layer in Configuration Example 2, the waveguide loss, the optical confinement factor, the effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution.
  • Figures 9 to 12 show graphs for the case where the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.055 and the p-side electrode 113 is made of a 200 nm-thick Ag film, and graphs for the case where the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.055 and the p-side electrode 113 is made of a 200 nm-thick ITO (and a 200 nm-thick Ag film disposed above the ITO).
  • Figures 9 to 12 also show a graph in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.055 and the p-side electrode 113 is made of Pd, and a graph in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.026 and the p-side electrode 113 is made of Ag.
  • FIG. 13 is a graph showing coordinates of positions in the stacking direction of the semiconductor laser device 100 according to this embodiment.
  • the vertical axis in FIG. 13 represents the magnitude of the bandgap energy.
  • the coordinate of the position in the stacking direction of the n-side end face of the well layer 105b of the active layer 105 i.e., the end face of the well layer 105b closer to the n-side guide layer 104, is set to zero, the downward direction (toward the n-side guide layer 104) is set to negative, and the upward direction (toward the p-side guide layer 106) is set to positive.
  • the peak position of the light intensity distribution mentioned above, P1 [nm] indicates that the position in the stacking direction where the light intensity is maximum in the light intensity distribution in the stacking direction is a distance P1 [nm] from the position in the stacking direction of the end face of the well layer 105b closer to the n-side guide layer 104.
  • P1 is positive, it indicates that the peak position of the light intensity distribution in the stacking direction is a distance P1 from the position of coordinate zero toward the p-side.
  • P1 shows an example where the active layer 105 has two well layers 105b and 105d, but whether the active layer 105 has one well layer or multiple well layers, the coordinate of the position in the stacking direction of the end face of the well layer closest to the n-side guide layer on the n-side is set to zero.
  • the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 becomes thinner, the n-type cladding layer 102 becomes closer to the active layer 105, and the spread of the light intensity distribution in the stacking direction from the active layer 105 toward the n-type semiconductor layer becomes smaller. Therefore, as shown in Figures 9 and 10, as the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 becomes thinner, the optical confinement coefficient increases and the effective refractive index difference ⁇ N increases.
  • the effect of increasing the optical confinement coefficient is greater when the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 is greater than the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110.
  • optical loss at the p-side electrode is large, and therefore, reducing the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 tends to significantly increase waveguide loss.
  • optical loss at the p-side electrode 113 can be reduced, thereby suppressing the increase in waveguide loss that occurs when the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 is reduced.
  • the position P1 of the light intensity distribution moves closer to the p-side guide layer 106, but even if the thickness T1 is set to 50 nm or less, the position P1 can be maintained at 10 nm or less (i.e., within the active layer 105).
  • the p-side electrode 113 from Ag, setting the impurity concentration Cn of the n-side intermediate layer 103 to 1 ⁇ 10 cm ⁇ 3 or more, and setting the thickness T1 of the n-side intermediate layer 103 to 10 nm or more and 50 nm or less, it is possible to achieve a reduction in operating voltage, an increase in the optical confinement factor, suppression of an increase in waveguide loss, and control of the position P1 within the active layer 105.
  • the semiconductor laminate 100S has an n-side guide layer 104 made of InGaN and a p-side guide layer 106 made of InGaN. Furthermore, of the barrier layers 105a, 105c, and 105e of the active layer 105, the barrier layer 105a closest to the n-side guide layer 104 has an In composition ratio equal to or greater than the maximum In composition ratio of the n-side guide layer 104, and the barrier layer 105e closest to the p-side guide layer 106 has an In composition ratio equal to or greater than the maximum In composition ratio of the p-side guide layer 106.
  • each barrier layer This allows the refractive index of each barrier layer to be equal to or greater than the refractive index of each guide layer, further increasing the optical confinement factor in the active layer 105. This reduces the oscillation threshold current and leakage current, and improves temperature characteristics.
  • Configuration Example 3 A description will be given of Configuration Example 3 of the semiconductor laser element 100 of this embodiment.
  • Configuration Example 3 of the semiconductor laser element 100 differs from the configuration of Configuration Example 2 in the configurations of the n-side intermediate layer 103, the n-side guide layer 104, the p-side guide layer 106, and the p-side intermediate layer 107.
  • Configuration Example 3 will be described below, focusing on the differences from Configuration Example 2.
  • the n-side intermediate layer 103 is a 30-nm-thick n-type GaN layer doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 cm .
  • the p-side intermediate layer 107 is an undoped GaN layer with a thickness of 20 nm.
  • the p-side electrode 113 is a 200-nm-thick Ag film.
  • the n-side guide layer 104 is an undoped In Xin Ga 1-Xin N (0 ⁇ Xin ⁇ 1) layer with a thickness of Tn1.
  • the p-side guide layer 106 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N (0 ⁇ Xip ⁇ 1) layer with a thickness of Tp1.
  • Configuration Example 3 as in Configuration Example 2, the In composition ratio Xip of the p-side guide layer 106 monotonically increases toward the active layer 105. Furthermore, the band gap energy of the p-side guide layer 106 monotonically decreases toward the active layer 105.
  • the In composition ratio Xip is 0.04 at the end face of the p-side guide layer 106 closer to the active layer 105, and the In composition ratio Xip is 0 at the end face of the p-side guide layer 106 farther from the active layer 105.
  • Figures 14, 15, 16, and 17 are graphs showing the relationship between the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 in Configuration Example 3 and the waveguide loss, optical confinement factor, effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is changed according to the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 so that the sum of the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 440 nm.
  • the film thickness Tn1 is 220 nm
  • the film thickness Tn1 is equal to the film thickness Tp1
  • the film thickness Tn1 is less than 220 nm
  • the film thickness Tn1 is smaller than the film thickness Tp1
  • the film thickness Tn1 is greater than 220 nm
  • the film thickness Tn1 is greater than the film thickness Tp1.
  • FIG. 18 is a graph showing an enlarged view of a portion of the vertical axis range of FIG. 17.
  • the range of the vertical axis shown in FIG. 17 that includes the position corresponding to the active layer 105 is shown enlarged.
  • each of Figures 14 to 18 shows graphs for three distribution examples (Y1, Y2, and Y3) of the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104.
  • the In composition ratio Xin is uniform at 0.04.
  • the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 monotonically increases as it approaches the active layer 105.
  • the band gap energy of the n-side guide layer 104 monotonically decreases as it approaches the active layer 105.
  • the In composition ratio Xin is 0 at the end face of the n-side guide layer 104 farther from the active layer 105, and the In composition ratio Xin is 0.04 at the end face of the n-side guide layer 104 closer to the active layer 105.
  • the In composition ratio Xin is 0 at the end face of the n-side guide layer 104 farther from the active layer 105, and is 0.05 at the end face of the n-side guide layer 104 closer to the active layer 105.
  • the rate of change of the In composition ratio Xin in the stacking direction of the n-side guide layer 104 is constant.
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is made greater than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106, it is possible to reduce waveguide loss and the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the ridge width W is 45 ⁇ m or greater, the number of modes that can be guided for laser light is very large, and the effects of fluctuations in the light intensity distribution shape due to coupling between modes can be reduced. Therefore, kinks are less likely to occur in the current-light output characteristics of the semiconductor laser device 100. Therefore, by making the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 greater than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106, it is possible to achieve a semiconductor laser device 100 with high light emission efficiency and a narrow horizontal radiation angle.
  • the optical confinement factor can be increased by making the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106. Note that, as in the case of distribution example Y2 and distribution example Y3 of the In composition ratio of the n-side guide layer 104, if the In composition ratios of the n-side guide layer 104 and the p-side guide layer 106 monotonically increase toward the active layer 105, the optical confinement factor is maximized in a configuration in which the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 are equal.
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the distribution of the In composition ratio of the n-side guide layer 104 is uniform, as in distribution example Y1 of the In composition ratio of the n-side guide layer 104, and the average In composition ratio (i.e., the average refractive index) is larger than distribution examples Y2 and Y3
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be smaller than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106. This increases the optical confinement factor.
  • the maximum value of the In composition ratio of the n-side guide layer 104 may be greater than the maximum value of the In composition ratio of the p-side guide layer 106. This makes the maximum value of the refractive index of the n-side guide layer 104 greater than the maximum value of the refractive index of the p-side guide layer 106. If the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 is greater than the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110, the light intensity distribution in the stacking direction tends to be biased in the direction from the active layer 105 toward the p-type cladding layer 110. However, in distribution example Y3, it is easier to control the peak position of the light intensity distribution to the active layer 105. This makes it possible to increase the optical confinement factor while suppressing an increase in waveguide loss.
  • the optical confinement factor can be increased.
  • in distribution example Y1 when the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 121 nm or more and 205 nm or less (in other words, when the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is 27.5% or more and 46.6% or less of the sum of the thickness Tn1 and the thickness Tn1 of the p-side guide layer 106), position P1 can be controlled within the active layer 105. Therefore, the optical confinement factor can be increased.
  • the difference in In composition ratio at the interface between the n-side guide layer 104 and the n-side intermediate layer 103 can be reduced. Therefore, the spike-shaped potential barrier formed near the interface between the n-side guide layer 104 and the n-side intermediate layer 103 can be reduced. This allows the operating voltage of the semiconductor laser device 100 to be reduced. Furthermore, according to distribution example Y2 and distribution example Y3, the band gap energy of the n-side guide layer 104 increases with increasing distance from the active layer 105, thereby preventing holes from leaking from the active layer 105 below the n-side guide layer 104. From the above, according to distribution example Y2 and distribution example Y3, a semiconductor laser device 100 with a low operating voltage and a low operating current can be realized.
  • Configuration example 4 A fourth configuration example of the semiconductor laser device 100 according to the present embodiment will be described.
  • the fourth configuration example of the semiconductor laser device 100 differs from the third configuration example in the configuration of the p-side electrode 113.
  • the following description of the fourth configuration example will focus on the differences from the third configuration example.
  • the p-side electrode 113 has a 200 nm thick ITO film and a 200 nm thick Ag film disposed above the ITO film.
  • Figures 19, 20, 21, and 22 are graphs showing the relationship between the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 in Configuration Example 4 and the waveguide loss, optical confinement factor, effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is changed according to the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 so that the sum of the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 440 nm.
  • FIG. 23 is a graph showing an enlarged view of a portion of the vertical axis range of FIG. 22.
  • the range of the vertical axis shown in FIG. 22 that includes the position corresponding to the active layer 105 is shown enlarged.
  • Configuration Example 4 the p-side electrode 113 has an ITO film, which is a light-transmitting conductive oxide film. As a result, as shown in Figure 19, Configuration Example 4 can further reduce waveguide loss compared to Configuration Example 3.
  • the optical confinement factor can be increased by setting the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the optical confinement factor is maximized in a configuration in which the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 are equal.
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the distribution of the In composition ratio of the n-side guide layer 104 is uniform, as in distribution example Y1 of the In composition ratio of the n-side guide layer 104, and the average In composition ratio (i.e., the average refractive index) is larger than in distribution examples Y2 and Y3
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be smaller than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106. This increases the optical confinement factor.
  • the optical confinement factor can be increased.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 121 nm or more and 205 nm or less (in other words, when the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is 27.5% or more and 46.6% or less of the sum of the thickness Tn1 and the thickness Tn1 of the p-side guide layer 106), position P1 can be controlled within the active layer 105. Therefore, the optical confinement factor can be increased.
  • Configuration example 5 of the semiconductor laser device 100 of this embodiment will be described.
  • Configuration example 5 of the semiconductor laser device 100 differs from configuration example 3 in the configuration of the p-type cladding layer 110.
  • Configuration example 5 will be described below, focusing on the differences from configuration example 3.
  • the p-type cladding layer 110 of Configuration Example 5 is a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer having a thickness of 100 nm, 150 nm, 250 nm, or 350 nm.
  • the p-type cladding layer 110 is a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 100 nm and doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the p-type cladding layer 110 When the thickness of the p-type cladding layer 110 is 150 nm, the p-type cladding layer 110 has a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 100 nm and doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 50 nm and doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 arranged above the p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • the p-type cladding layer 110 When the thickness of the p-type cladding layer 110 is 250 nm, the p-type cladding layer 110 has a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 100 nm and doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 arranged above the p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • the p-type cladding layer 110 When the thickness of the p-type cladding layer 110 is 350 nm, the p-type cladding layer 110 has a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and a p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer with a thickness of 200 nm and doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 arranged above the p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • Figures 24, 25, 26, and 27 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 110 in Configuration Example 5, the waveguide loss, the optical confinement factor, the effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution, respectively.
  • the In composition ratio Xin is uniform at 0.04.
  • the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 monotonically increases as it approaches the active layer 105. Furthermore, the band gap energy of the n-side guide layer 104 monotonically decreases as it approaches the active layer 105.
  • the In composition ratio Xin is 0 at the end face of the n-side guide layer 104 farther from the active layer 105, and the In composition ratio Xin is 0.04 at the end face of the n-side guide layer 104 closer to the active layer 105.
  • the In composition ratio Xin is 0 at the end face of the n-side guide layer 104 farther from the active layer 105, and is 0.05 at the end face of the n-side guide layer 104 closer to the active layer 105.
  • the film thicknesses of the n-side guide layer 104 and p-side guide layer 106 are 160 nm and 280 nm, respectively.
  • the film thicknesses of the n-side guide layer 104 and p-side guide layer 106 are 200 nm and 240 nm, respectively.
  • the peak position P1 of the light intensity distribution in the stacking direction is located within the active layer 105.
  • the p-side electrode 113 is made of Ag, which has a low refractive index. This increases the optical confinement factor, but also increases waveguide loss and reduces the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the average refractive index of the n-side guide layer 104 may be greater than the average refractive index of the p-side guide layer 106. This reduces waveguide loss compared to distribution examples Z2 and Z3, in which the average refractive index of the n-side guide layer 104 is equal to or less than the average refractive index of the p-side guide layer 106, as shown in Figure 24.
  • the p-side electrode is made of Pd, which has a refractive index significantly higher than that of Ag
  • the waveguide loss increases significantly compared to Configuration Example 5 due to optical absorption by the p-side electrode.
  • the refractive index of Ag is 0.16
  • the refractive index of Pd is 1.39.
  • Configuration example 6 A sixth configuration example of the semiconductor laser element 100 according to the present embodiment will be described.
  • the sixth configuration example of the semiconductor laser element 100 differs from the fifth configuration example in the configuration of the p-side electrode 113.
  • the following description of the sixth configuration example will focus on the differences from the fifth configuration example.
  • the p-side electrode 113 has a 200 nm thick ITO film and a 200 nm thick Ag film disposed above the ITO film.
  • Figures 28, 29, 30, and 31 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 110 in Configuration Example 6, the waveguide loss, the optical confinement factor, the effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution, respectively.
  • each of Figures 28 to 31 shows graphs for three example distributions (Z1, Z2, and Z3) of the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104.
  • Configuration Example 6 can reduce waveguide loss and increase the effective refractive index difference ⁇ N compared to Configuration Example 5. Furthermore, as shown in FIG. 30 , even when the film thickness of the p-type cladding layer 110 is 100 nm, an effective refractive index difference ⁇ N of 1.5 ⁇ 10 ⁇ 3 or more can be obtained.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is 1.0 ⁇ 10 ⁇ 3 or less, the waveguide characteristics of the semiconductor laser device 100 approach those of a gain-guided type, which leads to destabilization of the horizontal-transverse mode of laser light and an increase in the oscillation threshold current value.
  • the p-side electrode 113 has a light-transmitting conductive oxide film as in Configuration Example 6, the effective refractive index difference ⁇ N becomes 1.5 ⁇ 10 ⁇ 3 or more when the film thickness of the p-type cladding layer 110 is in the range of 100 nm or more. This allows the waveguide characteristics of the semiconductor laser device 100 to be maintained as a refractive index-guided type. Therefore, Configuration Example 6 can suppress destabilization of the horizontal-transverse mode of laser light and an increase in the oscillation threshold current value.
  • Structural Example 7 of the semiconductor laser element 100 of this embodiment differs from Structural Example 1 mainly in the configuration of the n-side intermediate layer 103. Structural Example 7 will be described below, focusing on the differences from Structural Example 1.
  • the n-side intermediate layer 103 is a compositionally graded layer.
  • the compositionally graded layer in Configuration Example 7 is an Al Xni Ga 1-Xni-Yni In Yni N (0 ⁇ Xni ⁇ 1, 0 ⁇ Yni ⁇ 1) layer in which the Al composition ratio monotonically decreases and the In composition ratio monotonically increases with increasing distance from the n-type cladding layer 102. That is, the band gap energy of the n-side intermediate layer 103 monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio Xni of the compositionally graded layer is Xn1 at the end facet closer to the n-type cladding layer 102 and is 0 at the end facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the In composition ratio Yni of the composition gradient layer is 0 at the end facet closer to the n-type cladding layer 102, and is 0.04 at the end facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio Xn1 is equal to the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102.
  • the change rates of the Al composition ratio and the In composition ratio in the stacking direction of the composition gradient layer are each constant.
  • the composition gradient layer and the n-type cladding layer 102 are doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the p-type cladding layer 110 of Configuration Example 7 is a p-type Al0.026Ga0.974N layer having a thickness of 350 nm.
  • the p-type cladding layer 110 includes a p-type Al0.026Ga0.974N layer having a thickness of 150 nm and doped with Mg at a concentration of 2 ⁇ 1018 cm -3 , and a p-type Al0.026Ga0.974N layer having a thickness of 200 nm and doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 disposed above the p-type Al0.026Ga0.974N layer.
  • Figures 32 and 33 are graphs showing the distribution of conduction band potential in the stacking direction between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 of Comparative Example 2 and Configuration Example 7, respectively.
  • Figures 32 and 33 also show the distribution of the Fermi level in the stacking direction with a dashed line.
  • the semiconductor laser element of Comparative Example 2 differs from Configuration Example 7 in that it does not have the n-side intermediate layer 103, but is identical in other respects.
  • a spike-shaped potential barrier is formed due to the large potential difference in the conduction band between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104.
  • the height of this potential barrier from the Fermi level i.e., the potential difference between the Fermi level and the potential barrier
  • the n-side intermediate layer 103 has a compositionally graded layer, which can mitigate fluctuations in the conduction band potential between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104.
  • the height from the Fermi level of the spike-shaped potential barrier formed between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 can be reduced to 0.074 eV. Therefore, the operating voltage of the semiconductor laser device 100 can be reduced.
  • the compositionally graded layer may be, for example, an undoped Al.sub.XniGa.sub.1 -Xni- YniIn.sub.YniN layer, but the potential barrier formed near the interface between the compositionally graded layer and the n-type cladding layer 102 will be higher than when the compositionally graded layer is an n-type Al.sub.XniGa.sub.1 -Xni-YniIn.sub.YniN layer . Therefore, in order to reduce the potential barrier, the compositionally graded layer may be doped with an impurity at least near the interface with the n-type cladding layer 102.
  • the concentration of the impurity doped into the compositionally graded layer and the n-type cladding layer 102 may be 1.times.10.sup.17 cm.sup. -3 or more and 2.times.10.sup.18 cm.sup. -3 or less. This reduces the potential barrier.
  • Figure 34 is a graph showing the relationship between the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 of Configuration Example 7 and the operating voltage of the semiconductor laser element 100.
  • Figure 34 shows the graphs for cases where the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 (i.e., the maximum Al composition ratio in the n-side intermediate layer 103) is 0.1, 0.075, 0.055, 0.045, and 0.026.
  • the configuration example in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.026 is not included in the configuration examples of the semiconductor laser element 100 according to this embodiment, because the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 and the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110 are equal.
  • the configuration example in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.026 is one of the comparative examples of this embodiment.
  • the operating voltage can be almost minimized by setting the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 to 5 nm or more. Furthermore, when the Al composition ratio Xn1 is 0.045, the operating voltage can be almost minimized by setting the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 to 10 nm or more. Furthermore, when the Al composition ratio Xn1 is 0.055, the operating voltage can be almost minimized by setting the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 to 15 nm or more.
  • the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 may be equal to or greater than the thickness Tnx [nm] expressed by the following formula (1):
  • Tnx 360 ⁇ Xn1-4.67 (1)
  • the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 may be equal to or greater than half the thickness Tnx. If the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 is equal to or greater than half the thickness Tnx, the operating voltage can be reduced more than when the thickness Tn is less than half the thickness Tnx.
  • the n-side guide layer 104 is undoped, but it may be doped with an impurity at a concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less. This allows the operating voltage of the semiconductor laser device 100 to be reduced.
  • Configuration example 8 Configuration example 8 of the semiconductor laser element 100 of this embodiment will be described. Configuration example 8 of the semiconductor laser element 100 differs from configuration example 7 in the configuration of the n-side intermediate layer 103. Configuration example 8 will be described below, focusing on the differences from configuration example 7.
  • the n-side intermediate layer 103 is a compositionally graded layer, similar to Configuration Example 7.
  • the compositionally graded layer in Configuration Example 8 includes an Al Xni Ga 1-Xni N layer (0 ⁇ Xni ⁇ 1) in which the Al composition ratio monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102, and an In Yni Ga 1 -Yni N layer (0 ⁇ Yni ⁇ 1) in which the In composition ratio monotonically increases with increasing distance from the n-type cladding layer 102, which is disposed above the Al Xni Ga 1-Xni-Yni N layer.
  • the Al composition ratio Xni of the Al Xni Ga 1-Xni N layer of the compositionally graded layer is Xn1 at the Al Xni Ga 1-Xni N facet closer to the n-type cladding layer 102, and is 0 at the Al Xni Ga 1-Xni N facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the In composition ratio Yni of the In Yni Ga 1-Yni N layer of the compositionally graded layer is 0 at the In Yni Ga 1-Yni N facet closer to the n-type cladding layer 102, and is 0.04 at the In Yni Ga 1-Yni N facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio Xn1 is equal to the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102.
  • the rate of change of the Al composition ratio in the stacking direction of the Al Xni Ga 1-Xni N layer and the rate of change of the In composition ratio in the stacking direction of the In Yni Ga 1-Yni N layer are both constant.
  • the compositionally graded layer and the n-type cladding layer 102 are doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the film thickness of each of the Al Xni Ga 1-Xni N layer and the In Yni Ga 1-Yni N layer of the compositionally graded layer is Tn/2, where Tn is the film thickness of the n-side intermediate layer 103.
  • the spike-shaped potential barrier formed between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 can also be reduced.
  • the In Yni Ga 1-Yni N layer of the n-side intermediate layer 103 can reduce the potential barrier even when it is undoped, but the potential barrier becomes higher than when the In Yni Ga 1-Yni N layer is doped with impurities. Therefore, in order to reduce the potential barrier, the In Yni Ga 1-Yni N layer may be doped with impurities.
  • the concentration of impurities doped into the composition gradient layer and the n-type cladding layer 102 may be 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less. This reduces the potential barrier.
  • Figure 35 is a graph showing the relationship between the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 of Configuration Example 8 and the operating voltage of the semiconductor laser element 100.
  • Figure 35 shows the graphs for cases where the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 (i.e., the maximum Al composition ratio in the n-side intermediate layer 103) is 0.1, 0.075, 0.055, 0.045, and 0.026.
  • the configuration example in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.026 is not included in the configuration examples of the semiconductor laser element 100 according to this embodiment, because the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 and the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110 are equal.
  • the configuration example in which the Al composition ratio Xn1 of the n-type cladding layer 102 is 0.026 is one of the comparative examples of this embodiment.
  • the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 may be equal to or greater than the thickness Tnx [nm] expressed by the above formula (1). This allows the operating voltage to be almost minimized. Furthermore, the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 may be equal to or greater than 1/2 of the thickness Tnx. If the thickness Tn of the n-side intermediate layer 103 is equal to or greater than 1/2 of the thickness Tnx, the operating voltage can be reduced more than when the thickness Tn is less than 1/2 of the thickness Tnx.
  • FIG. 9 A description will be given of a ninth structural example of the semiconductor laser device 100 according to the present embodiment.
  • the ninth structural example of the semiconductor laser device 100 differs from the seventh structural example in the configurations of the n-side guide layer 104 and the p-side guide layer 106, but is the same in other configurations.
  • the following description of the ninth structural example will focus on the differences from the seventh structural example.
  • the n-side guide layer 104 is an undoped In Xin Ga 1-Xin N (0 ⁇ Xin ⁇ 1) layer with a thickness of Tn1
  • the p-side guide layer 106 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N (0 ⁇ Xip ⁇ 1) layer with a thickness of Tp1.
  • the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102 is 0.055.
  • the impurity concentration in the n-type cladding layer 102 and the n-side intermediate layer 103 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • Figures 36, 37, 38, and 39 are graphs showing the relationship between the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 of Configuration Example 9 and the waveguide loss, optical confinement factor, effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is changed according to the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 so that the sum of the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 440 nm.
  • Figure 40 is a graph that enlarges a portion of the range of the vertical axis in Figure 39.
  • Figure 40 shows an enlarged view of the range of the vertical axis shown in Figure 39 that includes the position corresponding to the active layer 105.
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is made greater than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106, it is possible to reduce waveguide loss and the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the ridge width W is 45 ⁇ m or greater, the number of modes that can be guided for laser light is very large, and the effects of fluctuations in the light intensity distribution shape due to coupling between modes can be reduced. Therefore, kinks are less likely to occur in the current-light output characteristics of the semiconductor laser device 100. Therefore, by making the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 greater than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106, it is possible to achieve a semiconductor laser device 100 with high light emission efficiency and a narrow horizontal radiation angle.
  • the optical confinement factor can be increased by setting the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 to be equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the optical confinement factor is maximized in a configuration in which the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 are equal.
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the distribution of the In composition ratio of the n-side guide layer 104 is uniform, as in distribution example Y1 of the In composition ratio of the n-side guide layer 104, and the average In composition ratio (i.e., the average refractive index) is larger than in distribution examples Y2 and Y3
  • the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 may be smaller than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106. This increases the optical confinement factor.
  • the optical confinement factor can be increased.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 119 nm or more and 200 nm or less (in other words, when the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is 27.0% or more and 45.5% or less of the sum of the thickness Tn1 and the thickness Tn1 of the p-side guide layer 106), position P1 can be controlled within the active layer 105. Therefore, the optical confinement factor can be increased.
  • Configuration example 10 A description will be given of a configuration example 10 of the semiconductor laser element 100 of this embodiment.
  • the configuration example 10 of the semiconductor laser element 100 differs from the configuration example 9 in the configuration of the p-side electrode 113.
  • the following description of the configuration example 10 will focus on the differences from the configuration example 9.
  • Figures 41, 42, 43, and 44 are graphs showing the relationship between the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 in Configuration Example 10 and the waveguide loss, optical confinement factor, effective refractive index difference ⁇ N, and the peak position (P1) of the light intensity distribution.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is changed according to the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 so that the sum of the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 440 nm.
  • Figure 45 is a graph that enlarges a portion of the range of the vertical axis in Figure 44.
  • the range of the vertical axis shown in Figure 44 that includes the position corresponding to the active layer 105 is shown enlarged.
  • Configuration Example 10 the p-side electrode 113 has an ITO film, which is a light-transmitting conductive oxide film. As a result, as shown in Figure 41, Configuration Example 10 can further reduce waveguide loss compared to Configuration Example 9.
  • the optical confinement factor can be increased by setting the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 to be equal to or less than the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106.
  • the optical confinement factor is maximized in a configuration in which the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 and the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 are equal.
  • the optical confinement factor can be increased.
  • the thickness Tp1 of the p-side guide layer 106 is 119 nm or more and 200 nm or less (in other words, when the thickness Tn1 of the n-side guide layer 104 is 27.0% or more and 45.5% or less of the sum of the thickness Tn1 and the thickness Tn1 of the p-side guide layer 106), position P1 can be controlled within the active layer 105. Therefore, the optical confinement factor can be increased.
  • Configuration example 11 of the semiconductor laser device 100 of this embodiment will be described.
  • Configuration example 11 of the semiconductor laser device 100 differs from configuration example 1 mainly in the configuration of the active layer 105.
  • Configuration example 11 will be described below, focusing on the differences from configuration example 1.
  • the active layer 105 of Configuration Example 11 has a single quantum well structure. That is, the active layer 105 includes a barrier layer 105a, a well layer 105b disposed above the barrier layer 105a, and a barrier layer 105c disposed above the well layer 105b.
  • the barrier layer 105a is an undoped In0.05Ga0.95N layer with a thickness of 7 nm.
  • the well layer 105b is an undoped In0.18Ga0.82N layer with a thickness of 4.5 nm.
  • the barrier layer 105c is an undoped In0.05Ga0.95N layer with a thickness of 5 nm.
  • the barrier layer 105a closest to the n-type cladding layer 102 has a larger thickness than the barrier layer 105c closest to the p-type cladding layer 110.
  • the n-type cladding layer 102 of Configuration Example 11 is an n-type Al 0.045 Ga 0.955 N layer with a thickness of 1500 nm and doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-side intermediate layer 103 of Configuration Example 11 is a 30-nm-thick n-type compositionally graded layer doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the compositionally graded layer of Configuration Example 11 is an Al Xni Ga 1-Xni-Yni In Yni N (0 ⁇ Xni ⁇ 1, 0 ⁇ Yni ⁇ 1) layer in which the Al composition ratio monotonically decreases and the In composition ratio monotonically increases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the band gap energy of the n-side intermediate layer 103 also monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio Xni of the compositionally graded layer is 0.045 at the end facet closer to the n-type cladding layer 102 and is 0 at the end facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the In composition ratio Yni of the compositionally graded layer is 0 at the end face closer to the n-type cladding layer 102 and is 0.04 at the end face farther from the n-type cladding layer 102 .
  • the n-side guide layer 104 in Configuration Example 11 is an undoped InXinGa1 -XinN layer with a thickness of 160 nm or 200 nm.
  • the p-side guide layer 106 in Configuration Example 11 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N layer with a thickness of 280 nm or 240 nm.
  • the In composition ratio Xip of the p-side guide layer 106 monotonically decreases with increasing distance from the active layer 105, as in Configuration Example 2.
  • the In composition ratio Xip is 0.04 at the end face of the p-side guide layer 106 closer to the active layer 105, and is 0 at the end face of the p-side guide layer 106 farther from the active layer 105.
  • the p-type cladding layer 110 of Configuration Example 11 is a 250 nm-thick p-type Al0.026Ga0.974N layer.
  • the p-type cladding layer 110 has a 150 nm-thick p-type Al0.026Ga0.974N layer doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 1018 cm -3 , and a 100 nm-thick p-type Al0.026Ga0.974N layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 arranged above the p-type Al0.026Ga0.974N layer.
  • the following describes the characteristics of the semiconductor laser device 100 in Configuration Example 11, where the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 is uniform at 0.04, similar to Distribution Example Y1 of Configuration Example 3, the thickness of the n-side guide layer 104 is 160 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 280 nm.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.4 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 2.2 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 1.5 nm.
  • the characteristics of the semiconductor laser device 100 will be described when the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 increases from 0 to 0.04 with increasing distance from the n-type cladding layer 102, the thickness of the n-side guide layer 104 is 200 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 240 nm, similar to Distribution Example Y2 of Configuration Example 3.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.5 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 3.3 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 3.8 nm.
  • the characteristics of the semiconductor laser device 100 will be described in the case where the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 increases from 0 to 0.05 with increasing distance from the n-type cladding layer 102, the thickness of the n-side guide layer 104 is 200 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 240 nm, as in Distribution Example Y3 of Configuration Example 3.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.5 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 3.0 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 1.5 nm.
  • Configuration Example 11 Low waveguide loss and a large optical confinement factor can also be achieved in Configuration Example 11.
  • the optical confinement factor in the active layer 105 tends to be low, and therefore the effect of a configuration that can increase the optical confinement factor as in Configuration Example 11 is particularly remarkable.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is approximately 2 ⁇ 10 ⁇ 3 or more and 3 ⁇ 10 ⁇ 3 or less, the horizontal divergence angle of the laser light can be reduced.
  • the n-side intermediate layer 103 was a compositionally graded layer, but it may also be an n-type GaN layer with a thickness of 30 nm.
  • the band gap energy of the barrier layer 105c closest to the p-type cladding layer 110 may be greater than the band gap energy of the barrier layer 105a closest to the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio of the barrier layer 105c closest to the p-type cladding layer 110 may be greater than the Al composition ratio of the barrier layer 105a closest to the n-type cladding layer 102.
  • the p-side electrode 113 has a 200 nm thick ITO film and a 200 nm thick Ag film disposed above the ITO film.
  • the following describes the characteristics of the semiconductor laser device 100 in Configuration Example 12, where the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 is uniform at 0.04, similar to Distribution Example Y1 of Configuration Example 3, the thickness of the n-side guide layer 104 is 160 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 280 nm.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.1 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 2.4 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 1.6 nm.
  • the characteristics of the semiconductor laser device 100 will be described when the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 increases from 0 to 0.04 with increasing distance from the n-type cladding layer 102, the thickness of the n-side guide layer 104 is 200 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 240 nm, as in Distribution Example Y2 of Configuration Example 3.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.1 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 3.5 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 4.0 nm.
  • the characteristics of the semiconductor laser device 100 will be described when the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 increases from 0 to 0.05 with increasing distance from the n-type cladding layer 102, the thickness of the n-side guide layer 104 is 200 nm, and the thickness of the p-side guide layer 106 is 240 nm, as in Distribution Example Y3 of Configuration Example 3.
  • the waveguide loss of the semiconductor laser device 100 was 3.5 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.2%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 3.0 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 1.5 nm.
  • Configuration Example 12 also achieves low waveguide loss and a large optical confinement factor.
  • the optical confinement factor of the active layer 105 tends to be low, so the effect of a configuration such as that of Configuration Example 12 that can increase the optical confinement factor is particularly remarkable.
  • the effective refractive index difference ⁇ N is approximately 2 ⁇ 10 ⁇ 3 or more and 3 ⁇ 10 ⁇ 3 or less, the horizontal divergence angle of the laser light can be reduced.
  • the p-side electrode 113 since the p-side electrode 113 includes an ITO film, which is a light-transmitting conductive oxide film, the waveguide loss can be further reduced compared to Configuration Example 11.
  • the n-side intermediate layer 103 was a compositionally graded layer, but it may also be an n-type GaN layer with a thickness of 30 nm.
  • Configuration Example 13 of the semiconductor laser device 100 is a configuration example that emits laser light in the 530 nm wavelength band.
  • the n-type cladding layer 102 is an n-type Al 0.08 Ga 0.92 N layer with a thickness of 1000 nm
  • the n-side intermediate layer 103 is an n-type GaN layer with a thickness of 200 nm.
  • the n-type cladding layer 102 and the n-side intermediate layer 103 are doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-side guide layer 104 is an undoped In 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 180 nm.
  • the p-side guide layer 106 is an undoped In Xip Ga 1-Xip N layer with a thickness of 260 nm.
  • the In composition ratio of the p-side guide layer 106 monotonically decreases with increasing distance from the active layer 105.
  • the band gap energy of the p-side guide layer 106 monotonically increases with increasing distance from the active layer 105.
  • the In composition ratio Xip is 0.03 at the end face of the p-side guide layer 106 closer to the active layer 105, and is 0 at the end face of the p-side guide layer 106 farther from the active layer 105.
  • the rate of change of the In composition ratio in the stacking direction of the p-side guide layer 106 is constant.
  • the p-side intermediate layer 107 is a 20-nm-thick GaN layer.
  • the p-side intermediate layer 107 includes a 17-nm-thick undoped GaN layer and a 3-nm-thick n-type GaN layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 and disposed above the GaN layer.
  • the electron barrier layer 108 is a 5 nm thick p-type Al 0.36 Ga 0.64 N layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type cladding layer 110 is a p-type Al0.04Ga0.96N layer with a thickness of 250 nm.
  • the p-type cladding layer 110 has a p-type Al0.04Ga0.96N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 1018 cm -3 , and a p-type Al0.04Ga0.96N layer with a thickness of 100 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 disposed above the p-type cladding layer 110.
  • the contact layer 111 is a p-type GaN layer with a thickness of 10 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1020 cm -3 .
  • the waveguide loss of the semiconductor laser element 100 was 4.9 cm ⁇ 1
  • the optical confinement coefficient was 1.15%
  • the effective refractive index difference ⁇ N was 5.5 ⁇ 10 ⁇ 3
  • the position P1 was 2.7 nm.
  • the semiconductor laser device 100 when the p-side electrode 113 includes a 200-nm-thick ITO film and a 200-nm-thick Ag film disposed above the ITO film, the semiconductor laser device 100 exhibits a waveguide loss of 4.72 cm ⁇ 1 , an optical confinement factor of 1.15%, an effective refractive index difference ⁇ N of 5.5 ⁇ 10 ⁇ 3 , and a position P1 of 2.8 nm.
  • the p-side electrode 113 including an ITO film and an Ag film can further reduce the waveguide loss.
  • the p-side electrode 113 including an Ag film can enhance the effect of feeding back spontaneously emitted light to the active layer 105.
  • the configuration of the active layer 105 in configuration example 13 is not limited to the configuration described above.
  • the composition of each barrier layer may be GaN. This reduces the tensile stress in the semiconductor laminate 100S, thereby improving the crystallinity of the semiconductor laminate 100S.
  • GaN As the composition of each barrier layer, it is possible to increase the difference between the energy of each quantum level of electrons in each well layer and the energy (potential) of the conduction band of each barrier layer, and the difference between the energy of each quantum level of holes in each well layer and the energy of the valence band of each barrier layer. This makes it possible to suppress leakage of electrons or holes from each well layer to each guide layer.
  • Figure 46 is a schematic graph showing an example of the band gap energy distribution of the active layer 105 of Configuration Example 13.
  • the horizontal axis of Figure 46 represents the position in the stacking direction of the active layer 105, and the vertical axis represents the band gap energy.
  • the active layer 105 may have intermediate barrier layers 105i and 105j.
  • the intermediate barrier layer 105i is a layer disposed between the barrier layer 105a and the well layer 105b.
  • the bandgap energy of the intermediate barrier layer 105i is lower than that of the barrier layer 105a and higher than that of the well layer 105b.
  • the intermediate barrier layer 105j is a layer disposed between the barrier layer 105c and the well layer 105d.
  • the bandgap energy of the intermediate barrier layer 105j is lower than that of the barrier layer 105c and higher than that of the well layer 105d.
  • the bandgap energy of the intermediate barrier layer is too close to that of the barrier layer, the refractive index of the intermediate barrier layer will be small, and the optical confinement factor of the well layer will be small. Furthermore, if the bandgap energy of the intermediate barrier layer is too close to that of the well layer, the well layer, which has a large In composition ratio, will be thick, which may result in a decrease in crystallinity.
  • the average bandgap energy of the intermediate barrier layer is represented by Egm and the average bandgap energies of the barrier layer and well layer in contact with the intermediate barrier layer are represented by Egb and Egw, respectively
  • the average bandgap energy Egm of the intermediate barrier layer may be equal to or greater than Egw + (Egb - Egw) ⁇ 0.3 and equal to or less than Egw + (Egb - Egw) ⁇ 0.7.
  • the average In composition ratio of each layer may be Inb + (Inw - Inb) ⁇ 0.3 or more and Inb + (Inw - Inb) ⁇ 0.7 or less, where Inb, Inb, and Inw are the average In composition ratios of the respective layers.
  • the thickness of the intermediate barrier layer may be 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the intermediate barrier layers 105i and 105j may be undoped In 0.10 Ga 0.90 N layers with a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less.
  • This configuration allows the position in the stacking direction where the amplitude of the wave function of the ground quantum level of electrons formed in the conduction band of the well layers 105b and 105d is maximized to be closer to the position in the stacking direction where the amplitude of the wave function of the ground quantum level of holes formed in the valence band is maximized. This increases the correlation coefficient between the ground quantum levels of electrons and holes, improving the amplification gain. This reduces the oscillation threshold current.
  • the average bandgap energy of the intermediate barrier layer is represented by Egm and the average bandgap energies of the barrier layer and well layer in contact with the intermediate barrier layer are represented by Egb and Egw, respectively
  • the average bandgap energy Egm of the intermediate barrier layer may be Egw + (Egb - Egw) x 0.3 or more and Egw + (Egb - Egw) x 0.7 or less.
  • the semiconductor laser element 100 emits laser light in a wavelength band longer than the 455 nm band, the In composition ratio of each well layer becomes high, which tends to deteriorate the crystallinity of the semiconductor laminate 100S.
  • the difference in lattice constant between the intermediate barrier layers 105i and 105j and the well layers 105b and 105d becomes smaller than the difference in lattice constant between the barrier layers 105a and 105c and the well layers 105b and 105d, facilitating crystal growth and improving the crystallinity of the semiconductor laminate 100S.
  • the active layer 105 may have a single quantum well structure.
  • the optical confinement coefficient in the active layer 105 tends to be low, so the effect of the configuration that can increase the optical confinement coefficient described above is particularly pronounced.
  • the substrate 101 may be made of AlGaN.
  • Figures 47 to 50 are graphs showing the relationship between the stacking direction position and the light intensity distribution and integrated stress when a substrate 101 made of GaN is used in configuration example 13.
  • Figures 49 and 50 are graphs showing the relationship between the stacking direction position and the light intensity distribution and integrated stress when a substrate 101 made of AlGaN is used in configuration example 13.
  • Figure 47 shows graphs for cases where the thickness of the n-type cladding layer 102 is 1 ⁇ m, 2 ⁇ m, and 3 ⁇ m.
  • Figure 48 shows graphs for cases where the thickness of the n-type cladding layer 102 is 2.3 ⁇ m.
  • Figures 49 and 50 show graphs for cases where the thickness of the n-type cladding layer 102 is 1 ⁇ m.
  • the integrated stress shown in Figures 48 and 50 is the integral value obtained by integrating the stress applied to the semiconductor laminate in the stacking direction, where the value of tensile stress occurring in layers in the semiconductor laminate 100S with a smaller lattice constant than the substrate 101 is represented by a negative value, and the value of compressive stress occurring in layers with a larger lattice constant than the substrate 101 is represented by a positive value.
  • the greater the absolute value of the integrated stress the greater the stress applied to the semiconductor laminate 100S; a negative integrated stress value indicates that tensile stress is being applied to the semiconductor laminate 100S, and a positive integrated stress value indicates that compressive stress is being applied to the semiconductor laminate 100S.
  • the refractive index of the substrate 101 is higher than the effective refractive index for the waveguide mode in which laser light having a wavelength in the 530 nm band propagates through the waveguide of the semiconductor laser element. Therefore, when the light reaches the substrate 101, the light propagates within the substrate 101. This results in light leakage into the substrate 101. This reduces the light emission efficiency and causes a kink in the current-light output characteristics. To suppress such light leakage into the substrate 101, it is necessary to suppress the light intensity at the interface between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102 to 10 ⁇ 6 times or less of the peak light intensity.
  • the film thickness of the n-type cladding layer 102 in Configuration Example 13 must be 2.3 ⁇ m or more.
  • the integrated stress accumulated throughout the semiconductor stack 100S is ⁇ 1033 Pa ⁇ m.
  • cracks in the wafer and lattice defects in the semiconductor laminate 100S may occur.
  • the difference in lattice constant between the substrate 101 and each cladding layer, etc. can be reduced, so the integrated stress accumulated throughout the semiconductor laminate 100S is 258.3 Pa ⁇ m. This makes it possible to suppress the occurrence of wafer cracking and lattice defects.
  • the Al composition ratio of the substrate 101 made of AlGaN may be 50% or more of the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102, but less than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 102. This reduces the spike-shaped potential barrier caused by piezoelectric polarization charges that occur in the conduction band structure at the interface between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102. Therefore, the refractive index of the substrate 101 can be made smaller than the effective refractive index for the waveguide mode, while suppressing an increase in the operating voltage of the semiconductor laser device 100.
  • the semiconductor laser device according to the second embodiment differs from the semiconductor laser device 100 according to the first embodiment mainly in that the thickness of the p-type cladding layer 110 is thin and that the lower end of the ridge is located below the electron barrier layer.
  • the semiconductor laser device according to the second embodiment will be described below with reference to FIG. 51 , focusing on the differences from the semiconductor laser device 100 according to the first embodiment.
  • Figure 51 is a schematic cross-sectional view showing the overall configuration of the semiconductor laser element 200 according to this embodiment. Similar to Figure 2, Figure 51 shows a cross section perpendicular to the direction of laser light emission from the semiconductor laser element 200.
  • the semiconductor laser element 200 includes a substrate 101, a semiconductor stack 200S, a current blocking layer 112, a p-side electrode 113, and an n-side electrode 114.
  • a ridge 110R that protrudes upward is formed on the semiconductor laminate 200S. Furthermore, two grooves 110T that are arranged along the ridge 110R and extend in the Y-axis direction, and two protrusions 110P that protrude upward are formed on the semiconductor laminate 100S. One groove 110T is arranged between the ridge 110R and one of the protrusions 110P, and the other groove 110T is arranged between the ridge 110R and the other protrusion 110P.
  • the semiconductor laminate 200S has an n-type cladding layer 102, an n-side intermediate layer 103, an n-side guide layer 104, an active layer 105, a p-side guide layer 106, a p-side intermediate layer 207, an electron barrier layer 108, a p-type cladding layer 110, and a contact layer 111.
  • the semiconductor laminate 100S is made of a nitride semiconductor.
  • the n-type cladding layer 102 is an Al 0.055 Ga 0.945 N layer with a thickness of 1500 nm and doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-side intermediate layer 103 is a 30 nm thick GaN layer doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-side intermediate layer 103 may be a compositionally graded layer.
  • the n-side guide layer 104 is a 160 nm thick In 0.04 Ga 0.96 N layer.
  • the In composition ratio of the n-side guide layer 104 may be distributed as in the above-described distribution example Y2 and distribution example Y3.
  • the active layer 105 and p-side guide layer 106 have the same configurations as the active layer 105 and p-side guide layer 106 of configuration example 1 of the semiconductor laser device 100 according to embodiment 1.
  • the electron barrier layer 108 is a 10-nm-thick p-type AlXebGa1 -XebN layer doped with Mg at a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 .
  • the electron barrier layer 108 has a 7-nm-thick lower layer and a 3-nm-thick upper layer disposed above the lower layer.
  • the lower layer is a p-type AlXebGa1 -XebN layer in which the Al composition ratio monotonically increases with increasing distance from the active layer 105.
  • the Al composition ratio Xeb is 0.026 at the lower end facet closer to the active layer 105, and is 0.2 at the end facet farther from the active layer 105.
  • the upper layer is a p-type AlXebGa1 -XebN layer in which the Al composition ratio monotonically decreases with increasing distance from the active layer 105.
  • the Al composition ratio Xeb is 0.2, and at the end face farther from the active layer 105, the Al composition ratio Xeb is 0.026.
  • the p-type cladding layer 110 is a 150 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • the p-type cladding layer 110 has a 50 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , and a 100 nm thick p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 arranged above the first p-type Al 0.026 Ga 0.974 N layer.
  • the p-side electrode 113 is made of at least one of Ag, an Ag alloy, and Al.
  • the lower end of the ridge 110R is located below the electron barrier layer 108.
  • the lower end of the ridge 110R is located in the p-side intermediate layer 207. In this way, the electron barrier layer 108 is located inside the ridge 110R.
  • the effective refractive index difference ⁇ N becomes 1.5 ⁇ 10 ⁇ 3 or less, which poses a risk of kink occurrence.
  • the ridge 110R is formed below the electron barrier layer 108 to improve the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the lower end of the ridge 110R By positioning the lower end of the ridge 110R in the GaN layer of the p-side intermediate layer 207, which has a uniform composition, it is possible to improve the uniformity of the effective refractive index difference ⁇ N in the horizontal plane (in the plane parallel to the XY plane in Figure 51).
  • Increasing the thickness of the GaN layer of the p-side intermediate layer 207 makes it easier to form the lower end of the ridge 110R in that GaN layer, but making the GaN layer too thick weakens the optical confinement effect in the stacking direction, resulting in increased waveguide loss.
  • the p-side electrode 113 is made of at least one of Ag, Ag alloy, and Al, which have a low refractive index. This makes it possible to suppress an increase in waveguide loss even if the thickness of the p-type cladding layer 110 is thin.
  • the maximum Al composition ratio of the electron barrier layer 108 can be set to 0.245 or less, which is 0.219 greater than the average Al composition ratio of the p-type cladding layer 110, and the electron barrier layer 108 can have an Al composition gradient portion with a thickness of 7 nm or more, in which the Al composition ratio monotonically increases with increasing distance from the active layer 105.
  • the Al composition ratio at the interface between the lower electron barrier layer 108 and the p-side intermediate layer 207 is made equal to the Al composition ratio of the AlGaN layer of the p-side intermediate layer 207, and the Al composition ratio of the lower layer monotonically increases with increasing distance from the active layer 105. Furthermore, the Al composition ratios at the interface between the upper and lower layers of the electron barrier layer 108 are made equal, and the Al composition ratio at the interface between the upper electron barrier layer 108 and the p-type cladding layer 110 is made equal to the Al composition ratio of the p-type cladding layer 110. Furthermore, the Al composition ratio of the upper layer monotonically decreases with increasing distance from the active layer 105.
  • the piezoelectric polarization charge formed near the interface between the electron barrier layer 108 and the p-side intermediate layer 207 is dispersed throughout the entire lower layer, reducing the potential barrier against holes formed in the valence band and thereby reducing the operating voltage. Furthermore, because the electron barrier layer 108 does not have a high Al composition region where the Al composition ratio is 0.26 or greater, the potential barrier against holes formed in the valence band of the electron barrier layer 108 is reduced. Therefore, current leakage from the side surfaces of the ridge 110R of the electron barrier layer 108 can be suppressed.
  • the p-side electrode 113 may have a conductive oxide film such as ITO that is transparent. This can reduce waveguide loss.
  • the n-side guide layer 104 is undoped and doped with an impurity.
  • the n-side guide layer 104 may be doped with an impurity at a concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less. This reduces the operating voltage of the semiconductor laser device 100.
  • the n-side guide layer 104 is made of n-type InGaN and is an In compositionally graded layer in which the In composition ratio increases toward the active layer 105, the operating voltage can be further reduced. The effects of such an In compositionally graded layer and the effects of the n-side intermediate layer 103 will be described with reference to FIGS. 52 to 57.
  • FIGS. 52 and 53 are graphs showing the distributions of the conduction band and valence band potentials in Configuration Example 1 of the semiconductor laser device 200 according to this embodiment.
  • FIGS. 54 and 55 are graphs showing the distributions of the conduction band and valence band potentials in Configuration Example 2 of the semiconductor laser device 200 according to this embodiment.
  • 56 and 57 are graphs showing the distribution of the conduction band and valence band potentials in Configuration Example 3 of the semiconductor laser device 200 according to this embodiment.
  • the Fermi levels of electrons are also shown by long dashed lines.
  • Figures 53, 55, and 57 the Fermi levels of holes are also shown by long dashed lines.
  • short dashed lines are shown at positions in the stacking direction corresponding to the boundaries of each semiconductor layer.
  • Configuration example 1 of the semiconductor laser element 200 according to this embodiment differs from the configuration of the semiconductor laser element 200 according to the embodiment described above in terms of the configuration of the n-side intermediate layer 103 and the n-side guide layer 104.
  • the n-side intermediate layer 103 of Configuration Example 1 is a compositionally graded layer.
  • the n-side intermediate layer 103 of Configuration Example 1 is a 10 nm-thick n-type Al Xni Ga 1-Xni N (0 ⁇ Xni ⁇ 1) layer in which the Al composition ratio monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the band gap energy of the n-side intermediate layer 103 monotonically decreases with increasing distance from the n-type cladding layer 102.
  • the Al composition ratio Xni of the n-side intermediate layer 103 is 0.055 at the end facet closer to the n-type cladding layer 102 and is 0 at the end facet farther from the n-type cladding layer 102.
  • the n-side intermediate layer 103 is doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the n-side guide layer 104 of Configuration Example 1 is an n-type In 0.04 Ga 0.96 N layer doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and having a thickness of 160 nm.
  • Configuration example 2 of the semiconductor laser element 200 according to this embodiment differs from configuration example 1 in the configuration of the n-side guide layer 104.
  • the n-side guide layer 104 in Configuration Example 2 is a 160-nm-thick n-type In Xin Ga 1-Xin N (0 ⁇ Xin ⁇ 1) layer doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the In composition ratio Xin of the n-side guide layer 104 monotonically increases toward the active layer 105.
  • the band gap energy of the n-side guide layer 104 monotonically decreases toward the active layer 105.
  • the In composition ratio Xin is 0 at the end face of the n-side guide layer 104 farther from the active layer 105, and is 0.04 at the end face of the n-side guide layer 104 closer to the active layer 105.
  • Configuration example 3 of the semiconductor laser element 200 according to this embodiment differs from configuration example 2 in that it does not include the n-side intermediate layer 103.
  • the potential of the valence band in the n-side guide layer 104 is constant, and holes tend to leak from the active layer 105 to the n-type cladding layer 102, as shown in Fig. 53.
  • the n-side guide layer 104 is an In composition gradient layer and is doped with an impurity exhibiting n-type conductivity at a concentration of 4 x 10 17 cm -3 or more as in Configuration Example 2 (and Configuration Example 3)
  • the potential of the valence band of the n-side guide layer 104 increases toward the active layer 105, as shown in Fig. 55 (and Fig. 57).
  • the potential of the valence band of the n-side guide layer 104 decreases with increasing distance from the active layer, and therefore the n-side guide layer 104 functions as a potential barrier that makes it difficult for holes injected into the active layer 105 to leak toward the n-type cladding layer 102.
  • This not only reduces the operating voltage as described above, but also reduces hole leakage current and improves luminous efficiency.
  • the magnitude of this effect becomes almost constant (i.e., saturates) at a doping concentration of 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or higher.
  • the n-side guide layer 104 may be doped with an impurity exhibiting n-type conductivity at a concentration in the range of 4 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or higher and 2 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or lower.
  • the effect of improving luminous efficiency by reducing hole leakage current is enhanced in the case of a single quantum well structure, which is prone to leakage current.
  • n-side intermediate layer 103 which is a compositionally graded layer, between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 as in Configuration Example 2
  • the potential barrier of the conduction band formed between the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 can be reduced compared to Configuration Example 3, which does not provide the n-side intermediate layer 103 (see Figures 54 and 56). Therefore, the operating voltage can be reduced.
  • the n-side intermediate layer 103 may further include an n-type GaN layer with a thickness of 100 nm or less, disposed between the compositionally graded layer and the n-side guide layer 104.
  • the n-type GaN layer is thin; for example, the thickness of the n-type GaN layer may be 30 nm or less.
  • the n-type cladding layer 102 and the n-side guide layer 104 have the same impurity concentration. However, because the n-type cladding layer 102 is farther from the active layer 105 than the n-side guide layer 104, the impurity concentration of the n-type cladding layer 102 may be higher than the impurity concentration of the n-side guide layer 104. In this case, in the light intensity distribution in the stacking direction, the light intensity in the n-type cladding layer 102 is lower than the light intensity in the n-side guide layer 104.
  • each barrier layer is higher than the maximum In composition ratio of the n-side guide layer 104 and the p-side guide layer 106, but the configuration of each barrier layer is not limited to this.
  • the In composition ratio of the barrier layer closest to the substrate 101 may be equal to or greater than the maximum In composition ratio of the n-side guide layer 104
  • the In composition ratio of the barrier layer closest to the p-type cladding layer 110 may be equal to or greater than the maximum In composition ratio of the p-side guide layer 106.
  • the barrier layer closest to the substrate 101 may be doped with an impurity.
  • doping the barrier layer closest to the substrate 101 with an impurity exhibiting n-type conductivity can shield piezoelectric polarization charges at the interface between the barrier layer and the well layer, thereby reducing the potential barrier of the conduction band generated at the interface between the barrier layer closest to the substrate 101 and the well layer.
  • electrons can be more easily injected into the active layer 105 at a low voltage, thereby reducing the operating voltage.
  • the concentration of the impurity doped into the barrier layer closest to the substrate 101 must be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the concentration of the impurity doped into the barrier layer closest to the substrate 101 may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less.
  • the barrier layer closest to the substrate 101 is doped with an impurity at a concentration of 5 ⁇ 10 cm ⁇ 3 or more, so the effect of shielding piezoelectric polarization charges at the interface between the barrier layer closest to the substrate 101 and the well layer is increased, so the thickness of the barrier layer closest to the substrate 101 can be set to 3 nm or less. If the thickness of the impurity-doped barrier layer closest to the substrate 101 is set to 1 nm or less, the effect of shielding piezoelectric polarization charges decreases, so a thickness of 1 nm or more is necessary.
  • Embodiment 3 A semiconductor laser device according to embodiment 3 will be described.
  • the semiconductor laser device according to this embodiment differs from the semiconductor laser device 100 according to embodiment 1 mainly in that it emits laser light in the ultraviolet range.
  • the semiconductor laser device according to this embodiment will be described below, focusing on the differences from the semiconductor laser device 100 according to embodiment 1.
  • the semiconductor laminate 300S is disposed above the substrate 301 and is a laminate in which semiconductor layers are stacked. As shown in Figure 58, the semiconductor laminate 300S has a ridge 310R that protrudes upward.
  • the semiconductor laminate 300S also has two grooves 310T that are disposed along the ridge 310R and extend in the Y-axis direction, and two protrusions 310P that protrude upward.
  • One groove 310T is disposed between the ridge 310R and one of the protrusions 310P, and the other groove 310T is disposed between the ridge 310R and the other protrusion 310P.
  • the substrate 301 is made of AlGaN and is an n-type Al xs Ga 1-Xs N (0 ⁇ Xs ⁇ 1) substrate doped with Si at a concentration C n .
  • the n-type cladding layer 302 is an n-type Al Xnc Ga 1-Xnc N (0 ⁇ Xnc ⁇ 1) layer doped with Si at a concentration Cn.
  • the Al composition ratio Xnc of the n-type cladding layer 302 is greater than the Al composition ratio of the p-type cladding layer 310.
  • the n-side guide layer 304 is made of AlGaN.
  • the n-side guide layer 304 has a first n-side guide layer 304a and a second n-side guide layer 304b.
  • the first n-side guide layer 304a is disposed above the second n-side guide layer 304b.
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped layer included in the n-side guide layer 304.
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped Al Xng1 Ga 1-Xng1 N (0 ⁇ Xng1 ⁇ 1) layer.
  • the active layer 305 is disposed above the n-side guide layer 304.
  • the active layer 305 has a quantum well structure and emits ultraviolet light.
  • the active layer 305 has a single quantum well structure and includes a well layer 305b and barrier layers 305a and 305c.
  • the well layer 305b is disposed between the two barrier layers 305a and 305c.
  • the configuration of the active layer 305 is not limited to this.
  • the active layer 305 may have a multiple quantum well structure.
  • the active layer 305 may include three or more barrier layers and two or more well layers.
  • the well layer 305b is a nitride semiconductor layer disposed above the barrier layer 305a and functions as a well of the quantum well structure.
  • the well layer 305b is an undoped InXw1Ga1 -Xw1N (0 ⁇ Xw1 ⁇ 1) layer or an undoped AlXw2Ga1 -Xw2N (0 ⁇ Xw2 ⁇ 1) layer.
  • the p-side guide layer 306 is made of AlGaN, that is, an undoped Al Xpg1 Ga 1-Xpg1 N (0 ⁇ Xpg1 ⁇ 1) layer.
  • the p-side intermediate layer 307 is made of AlGaN. More specifically, the p-side intermediate layer 307 is an Al.sub.XpiGa.sub.1 - XpiN (0 ⁇ Xpi ⁇ 1) layer.
  • the electron barrier layer 308 is a p-type Al Xeb Ga 1-Xeb N (0 ⁇ Xeb ⁇ 1) layer.
  • a ridge 310R, a groove 310T, and a protrusion 310P are formed in the p-type cladding layer 310 and the contact layer 311.
  • the structure of a semiconductor laser device using a GaN substrate is adjusted so that the effective refractive index difference ⁇ N is 10 ⁇ 10 ⁇ 3 or more.
  • the refractive index of substrate 301 can be made smaller than the effective refractive index for the guided mode of laser light, thereby suppressing the above-mentioned leakage of light into substrate 301. Therefore, even if the effective refractive index difference ⁇ N is set to about 5 ⁇ 10 ⁇ 3 , which is equal to or smaller than 10 ⁇ 10 ⁇ 3 , the occurrence of leakage of light into substrate 301 can be suppressed.
  • the laser light has a peak wavelength in the 375 nm band.
  • the n-type cladding layer 302 is an n-type Al0.10Ga0.90N layer with a thickness of 800 nm
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped Al0.03Ga0.97N layer with a thickness of 180 nm
  • the second n-side guide layer 304b is an n-type Al0.03Ga0.97N layer with a thickness of 127 nm.
  • the substrate 301, the n-type cladding layer 302, and the second n-side guide layer 304b are doped with Si at a concentration Cn.
  • Each of the barrier layers 305a and 305c is an undoped Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 11 nm
  • the well layer 105b is an undoped In 0.01 Ga 0.99 N layer with a thickness of 17.5 nm.
  • the p-type cladding layer 310 is a p-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 450 nm.
  • the p-type cladding layer 310 has a p-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm -3 , and a p-type Al 0.065 Ga 0.935 N layer with a thickness of 300 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm -3 disposed above the p-type cladding layer 310.
  • the contact layer 311 is a p-type GaN layer with a thickness of 100 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • the p-side electrode 313 is made of Ag.
  • the ridge width W is 15 ⁇ m and the cavity length is 800 ⁇ m.
  • FIG. 61 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 of Configuration Example C1 and the integrated stress of the semiconductor stack 300S.
  • FIGS. 62 and 63 are graphs showing the relationship between the stacking direction position, the refractive index, and the light intensity of the comparative example.
  • FIGS. 64 and 65 are graphs showing the relationship between the stacking direction position, the refractive index, and the light intensity of Configuration Example C1.
  • the substrate 301 is made of Al 0.05 Ga 0.95 N.
  • the band gap energy of the substrate 301 is less than or equal to the band gap energy of the n-side guide layer 304.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 is greater than or equal to the Al composition ratio of the n-side guide layer 304, and the refractive index of the substrate 301 is less than or equal to the refractive index of the n-side guide layer 304. Therefore, as shown in FIG. 65, light leakage into the substrate 301 can be suppressed.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 may be set to 0.045 or greater. This allows the refractive index of the substrate 301 to be less than the effective refractive index of the guided mode of the laser light in configuration example C1. This further suppresses light leakage into the substrate 301. Therefore, configuration example C1 can improve light emission efficiency compared to the comparative example, and suppresses the occurrence of kinks in the current-light output characteristics.
  • the bandgap energy of each layer of the semiconductor laminate 300S of configuration example C1 can be increased and the refractive index can be reduced compared to the comparative example. This allows the optical confinement factor of configuration example C1 to be increased compared to the comparative example. Furthermore, because the bandgap energy of the barrier layer 105c can be increased, leakage electrons that pass from the well layer 105b over the barrier layer 105c can be reduced. This improves the temperature characteristics of the semiconductor laser element 300.
  • the semiconductor laminate 300S Furthermore, by reducing the tensile stress applied to the semiconductor laminate 300S, it is possible to suppress cracking of the wafer and the occurrence of lattice defects in the semiconductor laminate 300S when and after stacking the semiconductor laminate 300S on the wafer, which is the base material of the substrate 301.
  • the bandgap energy of the substrate 301 in configuration example C1 is equal to or lower than the bandgap energy of the n-type cladding layer 302.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 made of AlGaN is equal to or lower than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 made of AlGaN. This prevents the compressive stress in the semiconductor stack 100S from increasing too much.
  • the Al composition ratio of the barrier layers 305a and 305c is higher than the Al composition ratio of the n-side guide layer 304 and lower than the Al composition ratio of the substrate 301.
  • the stress applied to the barrier layers 305a and 305c is compressive. This increases the bandgap energy of the barrier layer 305c, thereby reducing the leakage of electrons from the well layer 305b toward the p-type cladding layer 310.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 may be higher than that of the p-side guide layer 306, and lower than that of the barrier layers 305a and 305c. This makes it possible to increase the bandgap energy of the p-side guide layer 306 by making the stress applied to the p-side guide layer 306 compressive, thereby reducing the leakage of electrons from the well layer 305b toward the p-type cladding layer 310. Furthermore, the refractive index of the p-side guide layer 306 can be reduced, thereby increasing the optical confinement coefficient in the active layer 305.
  • Fig. 66 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 of Configuration Example C1 and the operating voltage.
  • Fig. 66 shows the operating voltage when a current of 800 mA is supplied to the semiconductor laser device 300 (hereinafter also referred to as the operating voltage during 800 mA operation).
  • Fig. 66 also shows the operating voltages when the impurity concentration (i.e., Si concentration) Cn in the substrate 301, etc. is 1 ⁇ 10 18 cm -3 , 5 ⁇ 10 18 cm -3 , and 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the impurity concentration Cn when the impurity concentration Cn is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, the operating voltage is minimized when the Al composition ratio of the substrate 301 is 0.04.
  • the impurity concentration Cn may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the effect of reducing the operating voltage can be achieved by doping the first n-side guide layer 304a with Si as an impurity, but this increases the free carrier loss in the first n-side guide layer 304a. Therefore, in order to achieve both a reduction in the operating voltage and a reduction in the FC loss, the first n-side guide layer 304a may be doped with an impurity at a concentration of 3 ⁇ 10 cm or more and 1 ⁇ 10 cm or less .
  • spike-shaped potential barriers are formed due to piezoelectric polarization charges in the conduction bands at the interface between the substrate 301 and the n-type cladding layer 302 and at the interface between the n-type cladding layer 302 and the second n-side guide layer 304b.
  • the substrate 301, the n-type cladding layer 302, and the second n-side guide layer 304b may be doped with Si at a concentration of 1 ⁇ 10 cm -3 or more and 1 ⁇ 10 cm -3 or less.
  • compositionally graded layer according to embodiment 1 may be disposed between the n-type cladding layer 302 and the n-side guide layer 304 in configuration example C1. This provides the same effect as the compositionally graded layer according to embodiment 1.
  • the compositionally graded layer may be disposed at a position other than between the n-type cladding layer 302 and the n-side guide layer 304.
  • the compositionally graded layer may be disposed between the substrate 301 and the n-type cladding layer 302.
  • the compositionally graded layer is, for example, an n-type AlGaN layer in which the Al composition ratio approaches that of the substrate 301 as it approaches the substrate 301, and approaches that of the n-type cladding layer 302 as it approaches the n-type cladding layer 302.
  • Such a compositionally graded layer can reduce the potential barrier formed between the substrate 301 and the n-type cladding layer 302, thereby reducing the operating voltage of the semiconductor laser device 300.
  • the thickness of the compositionally graded layer may be, for example, 10 nm or more. This ensures the effect of reducing the potential barrier.
  • the n-side guide layer 104 may include a compositionally graded layer. In this case, it is better that the compositionally graded layer is not too thick in order to prevent a decrease in the refractive index of the n-side guide layer 104.
  • the thickness of the compositionally graded layer included in the n-side guide layer 104 may be thinner than the thickness of the compositionally graded layer disposed between the substrate 301 and the n-type cladding layer 302.
  • the bandgap energy of the barrier layer 305a, of the barrier layers 305a and 305c of the active layer 305, which is closest to the n-side guide layer 304, may be equal to or greater than the maximum bandgap energy of the n-side guide layer 304, and the bandgap energy of the barrier layer 305c, of the barrier layers 305a and 305c, which is closest to the p-side guide layer 306, may be equal to or greater than the maximum bandgap energy of the p-side guide layer 306.
  • This increases the difference between the quantum level formed in the well layer 305b and the conduction band potential of the barrier layers 105a and 105c, making it easier for electrons to be confined within the well layer 105b. This reduces the oscillation threshold current value.
  • the Al composition ratio of at least one of the n-side guide layer 304 and the p-side guide layer 306 may monotonically decrease as it approaches the active layer 305. Furthermore, the band gap energy of at least one of the n-side guide layer 304 and the p-side guide layer 306 may monotonically decrease as it approaches the active layer 305.
  • the refractive indexes of the n-side guide layer 304 and the p-side guide layer 306 monotonically increase as they approach the active layer 305, improving the controllability of positioning the peak position of the light intensity distribution in the stacking direction in the active layer. Therefore, it is possible to reduce waveguide loss while increasing the light confinement coefficient in the active layer 305.
  • the film thickness of the n-side guide layer 304 may be thicker than the film thickness of the p-side guide layer 306.
  • a semiconductor laser device 300 that emits laser light in the ultraviolet range
  • using a p-type GaN layer for the contact layer 311 increases light absorption in the contact layer 311.
  • GaN has a higher refractive index for the guided mode of the laser light, resulting in light leakage into the contact layer 311.
  • the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 is higher than that of the p-type cladding layer 310, the light intensity distribution in the stacking direction tends to be biased from the active layer 305 toward the p-type cladding layer 310.
  • the film thickness of the n-side guide layer 304 greater than the film thickness of the p-side guide layer 306 in each guide layer whose refractive index is higher than that of each cladding layer, it is possible to improve control over positioning the peak position of the light intensity distribution in the stacking direction in the active layer 305.
  • Configuration example C2 A description will be given of a configuration example C2 of the semiconductor laser device 300 according to this embodiment.
  • the configuration example C2 differs from the configuration example C1 in that the laser light has a peak wavelength in the 365 nm band.
  • the following description of the configuration example C2 will focus on the differences from the configuration example C1.
  • the n-type cladding layer 302 is an n-type Al0.17Ga0.83N layer with a thickness of 800 nm
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped Al0.07Ga0.93N layer with a thickness of 180 nm
  • the second n-side guide layer 304b is an n-type Al0.07Ga0.93N layer with a thickness of 127 nm.
  • the substrate 301, the n-type cladding layer 302, and the second n-side guide layer 304b are doped with Si at a concentration Cn.
  • Each of the barrier layers 305a and 305c is an undoped Al 0.09 Ga 0.91 N layer with a thickness of 11 nm
  • the well layer 305b is an undoped Al 0.04 Ga 0.96 N layer with a thickness of 17.5 nm.
  • the p-side guide layer 306 is an undoped Al 0.07 Ga 0.93 N layer with a thickness of 66 nm
  • the p-side intermediate layer 307 is a p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer with a thickness of 3 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the electron barrier layer 308 is a p-type Al 0.36 Ga 0.64 N layer with a thickness of 5 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type cladding layer 310 is a p-type Al0.13Ga0.87N layer with a thickness of 450 nm.
  • the p-type cladding layer 110 has a p-type Al0.13Ga0.87N layer with a thickness of 150 nm and doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 1018 cm -3 , and a p-type Al0.13Ga0.87N layer with a thickness of 300 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 disposed above the p-type Al0.13Ga0.87N layer.
  • the contact layer 311 is a p-type GaN layer with a thickness of 60 nm and doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1020 cm -3 .
  • Configuration example C2 also achieves the same effects as configuration example C1.
  • Figure 67 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 in configuration example C2 and the integrated stress of the semiconductor laminate 300S.
  • the integrated stress is approximately -1352.7 Pa ⁇ m, increasing the risk of wafer cracking.
  • the tensile stress applied to the semiconductor laminate 100S can be significantly reduced without reducing the Al composition ratio of each cladding layer, etc.
  • the integrated stress is reduced to -133.1 Pa ⁇ m, reducing the risk of wafer cracking.
  • the effective refractive index for the guided mode of the laser light is greater than the refractive index of the substrate 301, light leakage into the substrate 301 can be suppressed. Therefore, a decrease in light emission efficiency and the occurrence of kinks can be suppressed.
  • the bandgap energy of the substrate 301 in configuration example C2 is equal to or lower than the bandgap energy of the n-type cladding layer 302.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 made of AlGaN is equal to or lower than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 made of AlGaN. This prevents the compressive stress in the semiconductor stack 300S from increasing too much.
  • Fig. 68 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 of Configuration Example C2 and the operating voltage.
  • Fig. 68 shows the operating voltage when a current of 800 mA is supplied to the semiconductor laser device 300.
  • Fig. 68 also shows the operating voltages when the impurity concentration (i.e., Si concentration) Cn in the substrate 301 etc. is 1 ⁇ 10 18 cm -3 , 5 ⁇ 10 18 cm -3 , and 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the impurity concentration Cn when the impurity concentration Cn is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, the operating voltage is minimized when the Al composition ratio of the substrate 301 is 0.11.
  • the impurity concentration Cn may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the n-type cladding layer 302 is an n-type Al0.22Ga0.78N layer with a thickness of 800 nm
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped Al0.14Ga0.86N layer with a thickness of 180 nm
  • the second n-side guide layer 304b is an n-type Al0.14Ga0.86N layer with a thickness of 127 nm.
  • the substrate 301, the n-type cladding layer 302, and the second n-side guide layer 304b are doped with Si at a concentration Cn.
  • the p-side guide layer 306 is an undoped Al 0.14 Ga 0.86 N layer with a thickness of 66 nm
  • the p-side intermediate layer 307 is a p-type Al 0.14 Ga 0.86 N layer with a thickness of 3 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the electron barrier layer 308 is a p-type Al 0.36 Ga 0.64 N layer with a thickness of 5 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3.
  • the p-type cladding layer 310 is a 450 nm thick p-type Al0.18Ga0.82N layer.
  • the p -type cladding layer 310 has a 150 nm thick p-type Al0.18Ga0.82N layer doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 1018 cm -3 , and a 300 nm thick p-type Al0.18Ga0.82N layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1019 cm -3 disposed above the p-type cladding layer 310.
  • the contact layer 311 is a 100 nm thick p-type GaN layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 1020 cm -3 .
  • Configuration example C3 also achieves the same effects as configuration example C1.
  • Figure 69 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 of configuration example C3 and the integrated stress of the semiconductor laminate 300S.
  • the effective refractive index of the waveguide mode of the laser light is greater than the refractive index of the substrate 301, light leakage into the substrate 301 can be suppressed. Therefore, a decrease in light emission efficiency and the occurrence of kinks can be suppressed.
  • the bandgap energy of the substrate 301 in configuration example C3 is equal to or lower than the bandgap energy of the n-type cladding layer 302.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 made of AlGaN is equal to or lower than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 made of AlGaN. This prevents the compressive stress in the semiconductor stack 300S from increasing too much.
  • Fig. 70 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 in Configuration Example 4 and the operating voltage.
  • Fig. 70 shows the operating voltage when a current of 800 mA is supplied to the semiconductor laser device 300.
  • Fig. 70 also shows the operating voltages when the impurity concentration (i.e., Si concentration) Cn in the substrate 301 etc. is 1 ⁇ 10 18 cm -3 , 5 ⁇ 10 18 cm -3 , and 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the impurity concentration Cn when the impurity concentration Cn is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, the operating voltage is minimized when the Al composition ratio of the substrate 301 is 0.16.
  • the impurity concentration Cn may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • the n-type cladding layer 302 is an n-type Al0.50Ga0.50N layer with a thickness of 800 nm
  • the first n-side guide layer 304a is an undoped Al0.30Ga0.70N layer with a thickness of 180 nm
  • the second n-side guide layer 304b is an n-type Al0.30Ga0.70N layer with a thickness of 127 nm.
  • the substrate 301, the n-type cladding layer 302, and the second n-side guide layer 304b are doped with Si at a concentration Cn.
  • Each of the barrier layers 305a and 305c is an undoped Al 0.30 Ga 0.70 N layer with a thickness of 11 nm
  • the well layer 305b is an undoped Al 0.20 Ga 0.80 N layer with a thickness of 17.5 nm.
  • the p-side guide layer 306 is an undoped Al 0.30 Ga 0.70 N layer with a thickness of 66 nm
  • the p-side intermediate layer 307 is a p-type Al 0.30 Ga 0.70 N layer with a thickness of 3 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3
  • the electron barrier layer 308 is a p-type Al 0.50 Ga 0.50 N layer with a thickness of 5 nm and doped with Mg at a concentration of 1.5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type cladding layer 310 is a 450 nm thick p-type Al 0.40 Ga 0.60 N layer.
  • the p-type cladding layer 310 has a 150 nm thick p-type Al 0.40 Ga 0.60 N layer doped with Mg to a concentration of 2 ⁇ 10 18 cm -3 , and a 300 nm thick p-type Al 0.40 Ga 0.60 N layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 19 cm -3 disposed above the p-type Al 0.40 Ga 0.60 N layer.
  • the contact layer 311 is a 100 nm thick p-type GaN layer doped with Mg to a concentration of 1 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • Configuration example C4 also achieves the same effects as configuration example C1.
  • Figure 71 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 of configuration example C4 and the integrated stress of the semiconductor laminate 300S.
  • the integrated stress is approximately ⁇ 5515.5 Pa ⁇ m, increasing the risk of wafer cracking.
  • the tensile stress applied to the semiconductor stack 300S can be significantly reduced without reducing the Al composition ratio of each cladding layer, etc.
  • the integrated stress is reduced to ⁇ 238.8 Pa ⁇ m, reducing the risk of wafer cracking.
  • the effective refractive index of the waveguide mode of the laser light is greater than the refractive index of the substrate 301, light leakage into the substrate 301 can be suppressed. Therefore, a decrease in light emission efficiency and the occurrence of kinks can be suppressed.
  • the bandgap energy of the substrate 301 in configuration example C4 is equal to or lower than the bandgap energy of the n-type cladding layer 302.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 made of AlGaN is equal to or lower than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 made of AlGaN. This prevents the compressive stress in the semiconductor stack 300S from increasing too much.
  • Fig. 72 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the substrate 301 in Configuration Example 4 and the operating voltage.
  • Fig. 72 shows the operating voltage when a current of 800 mA is supplied to the semiconductor laser device 300.
  • Fig. 72 also shows the operating voltages when the impurity concentration (i.e., Si concentration) Cn in the substrate 301 etc. is 1 ⁇ 10 18 cm -3 , 5 ⁇ 10 18 cm -3 , and 1 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • the impurity concentration Cn when the impurity concentration Cn is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or less, the operating voltage is minimized when the Al composition ratio of the substrate 301 is 0.50.
  • the impurity concentration Cn may be 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more.
  • Figs. 73, 74, and 75 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 310 of Configuration Example C1 and the waveguide loss, the optical confinement factor, and the effective refractive index difference ⁇ N, respectively.
  • Figs. 73 to 75 also show the relationships between Comparative Examples C11 and C12.
  • Figures 76, 77, and 78 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 310 of configuration example C2 and the waveguide loss, optical confinement factor, and effective refractive index difference ⁇ N, respectively.
  • Figures 76 to 78 also show the relationships between comparison examples C21 and C22.
  • Figures 79, 80, and 81 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 310 of configuration example C3 and the waveguide loss, optical confinement factor, and effective refractive index difference ⁇ N, respectively.
  • Figures 79 to 81 also show the relationships between comparison examples C31 and C32.
  • Figures 82, 83, and 84 are graphs showing the relationship between the film thickness of the p-type cladding layer 310 of configuration example C4 and the waveguide loss, optical confinement factor, and effective refractive index difference ⁇ N, respectively.
  • Figures 82 to 84 also show the relationships between comparative examples C41 and C42.
  • Comparative Examples C11, C21, C31, and C41 differ from Configuration Examples C1, C2, C3, and C4, respectively, in that the Al composition ratio of the n-type cladding layer is equal to the Al composition ratio of the p-type cladding layer 310, but are identical in other respects.
  • Comparative Examples C12, C22, C32, and C42 differ from Configuration Examples C1, C2, C3, and C4, respectively, in that the p-side electrode is made of Pd, but are identical in other respects.
  • the waveguide loss increases rapidly as the thickness of the p-type cladding layer 310 becomes thinner.
  • the p-side electrode 113 is made of Ag, which has a low refractive index, so the increase in waveguide loss can be suppressed even when the thickness of the p-type cladding layer 310 is thinned to 0.15 ⁇ m.
  • the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 is greater than the Al composition ratio of the p-type cladding layer 310, and therefore the optical confinement factor can be increased compared to comparative examples C11, C21, C31, and C41.
  • the effective refractive index difference ⁇ N decreases as the thickness of the p-type cladding layer 310 decreases.
  • the decrease in the effective refractive index difference ⁇ N is significant when the thickness of the p-type cladding layer 310 is 0.15 ⁇ m or less.
  • the effective refractive index difference ⁇ N decreases, the number of horizontal-lateral modes operating in laser oscillation decreases, the influence of coupling between each mode increases, and kinks are more likely to occur in the current-light output characteristics.
  • the lower end of the ridge 310R may be positioned below the electron barrier layer 308. This increases the effective refractive index difference ⁇ N.
  • the lower end of the ridge 310R may be positioned in the p-side intermediate layer 307 or the p-side guide layer 306. Because the p-side intermediate layer 307 and the p-side guide layer 306 have a uniform composition, the amount of variation in the effective refractive index difference ⁇ N due to variations in the formation position of the lower end of the ridge 310R can be reduced.
  • Fig. 85 is a graph showing the relationship between the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302 according to this embodiment and the Al composition ratio of the substrate 301.
  • the open circles shown in Fig. 85 indicate the relationship between the Al composition ratios of the substrate 301 and the n-type cladding layer 302 that minimizes the operating voltage during 800 mA operation when the impurity concentration Cn of the substrate 301 etc. is 5 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the curve Alc is a curve approximating the relationship between the Al composition ratios of the substrate 301 and the n-type cladding layer 302 that minimizes the operating voltage during 800 mA operation when the impurity concentration Cn of the substrate 301, etc. is 5 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the curve Alc is expressed by the following equation.
  • the Al composition ratio of the substrate 301 when the operating voltage during 800 mA operation is 0.07 V higher than the minimum value has two Al composition ratios: one higher than the Al composition ratio of the n-type cladding layer 302, and one lower.
  • the black circle indicates the smaller Al composition ratio, and the square indicates the larger Al composition ratio.
  • the curve Almin shown in Figure 85 is an approximation of the curve connecting the black circles.
  • the curve Almin is expressed by the following formula.
  • the curve Almax shown in Figure 85 is an approximation of the curve connecting the square marks.
  • the curve Almax is expressed by the following formula.
  • the Al composition ratio x of each n-type cladding layer 302 and the Al composition ratio y of the substrate 301 may be set so that the following two equations simultaneously hold between the Al composition ratio x of each n-type cladding layer 302 and the Al composition ratio y of the substrate 301:
  • FIG. 86 is a graph showing the relationship between the ridge width and the number of wave-guiding modes according to this embodiment.
  • FIG. 87 is a graph showing an enlargement of a part of FIG. 86.
  • FIG. 87 shows an enlarged view of only the range of the graph in FIG. 86 where the ridge width is 3 ⁇ m or less.
  • FIGS. 86 and 87 are graph showing the relationship between the ridge width and the number of wave-guiding modes according to this embodiment.
  • FIG. 87 is a graph showing an enlargement of a part of FIG. 86.
  • FIG. 87 shows an enlarged view of only the range of the graph in FIG. 86 where the ridge width is 3 ⁇ m or less.
  • the 86 and 87 show the number of wave-guiding modes when the effective refractive index difference ⁇ N is 1 ⁇ 10 ⁇ 3 , 2 ⁇ 10 ⁇ 3 , 3 ⁇ 10 ⁇ 3 , 5 ⁇ 10 ⁇ 3 , 10 ⁇ 10 ⁇ 3 , and 15 ⁇ 10 ⁇ 3 in a configuration in which the laser light of the semiconductor laser device 300 according to this embodiment has a peak wavelength in the 355 nm band.
  • the effective refractive index difference ⁇ N needs to be 10 ⁇ 10 ⁇ 3 or more to suppress light leakage to the GaN substrate.
  • the effective refractive index difference ⁇ N can be set to approximately 3 ⁇ 10 ⁇ 3 . Therefore, the ridge width required to achieve single transverse mode operation in the semiconductor laser device 300 according to this embodiment (i.e., the ridge width required to set the number of waveguide modes to 1) can be increased.
  • single transverse mode operation refers to operation in which the transverse mode of laser light oscillated in the semiconductor laser device 300 is a single transverse mode.
  • the horizontal far-field pattern (FFP) of the semiconductor laser device 300 is unimodal.
  • a state in which the horizontal FFP is unimodal includes not only a state in which the horizontal FFP includes only a peak corresponding to the fundamental transverse mode, but also a state in which the horizontal FFP includes a peak corresponding to the fundamental transverse mode and a small peak.
  • a small peak means, for example, a peak whose size is 10% or less of the peak corresponding to the fundamental transverse mode.
  • the absolute value of the difference (h(x)) between the horizontal FFP value and the Gaussian function value in each radiation direction should be within 10% of the maximum magnitude of the function g(x) indicating the actual FFP in the horizontal direction.
  • the function g(x) is normalized so that its maximum value is 1.
  • the Gaussian function f(x) is expressed by the following equation.
  • f(x) exp ⁇ -(x-a) 2 /(2 ⁇ 2 ) ⁇
  • x radiation angle (deg.)
  • a Radiation angle (deg.) at which g(x) is maximum
  • ⁇ Standard deviation of Gaussian function
  • the maximum ridge width that allows single transverse mode operation is approximately 0.7 ⁇ m
  • the maximum ridge width that allows single transverse mode operation is approximately 1.4 ⁇ m.
  • the ridge width can be approximately doubled.
  • the maximum ridge width that can be used for single transverse mode operation is approximately 2.4 ⁇ m
  • the maximum ridge width that can be used for single transverse mode operation is approximately 1.7 ⁇ m
  • the maximum ridge width that can be used for single transverse mode operation is approximately 1.1 ⁇ m
  • the maximum ridge width that can be used for single transverse mode operation is approximately 0.6 ⁇ m.
  • the maximum value of the ridge width that can achieve single transverse mode operation is approximately 2.6 ⁇ m; when the effective refractive index difference ⁇ N is 2 ⁇ 10 ⁇ 3 , the maximum value of the ridge width that can achieve single transverse mode operation is approximately 1.8 ⁇ m; when the effective refractive index difference ⁇ N is 3 ⁇ 10 ⁇ 3 , the maximum value of the ridge width that can achieve single transverse mode operation is approximately 1.5 ⁇ m; when the effective refractive index difference ⁇ N is 5 ⁇ 10 ⁇ 3 , the maximum value of the ridge width that can achieve single transverse mode operation is approximately 1.1 ⁇ m; when the effective refractive index difference ⁇ N is 10 ⁇ 10 ⁇ 3 , the maximum value of the ridge width that can achieve single transverse mode operation is approximately 0.8 ⁇ m;
  • Figures 88, 89, and 90 are schematic plan views showing the shapes of the ridge 310R in configuration examples C51, C52, and C53 of the semiconductor laser element 300 according to this embodiment, respectively.
  • Figures 91, 92, and 93 are schematic plan views showing the shapes of the ridge 310R in configuration examples C61, C62, and C63 of the semiconductor laser element 300 according to this embodiment, respectively.
  • Figures 94, 95, and 96 are schematic plan views showing the shapes of the ridge 310R in configuration examples C71, C72, and C73 of the semiconductor laser element 300 according to this embodiment, respectively.
  • the ridge 310R of configuration example C51 shown in Figure 88 has a region Rm where the ridge width is constant at a minimum value Wm, and a region Rf that is closer to the end face 100F than region Rm.
  • the minimum ridge width Wm is equal to the ridge width Wr at end face 100R.
  • the length of region Rm in the Y-axis direction is Lm
  • the length of region Rf in the Y-axis direction is Lf.
  • Region Rf has a region R1 where the ridge width is constant at Wf (>Wm), and a tapered region Rfc whose ridge width increases as it approaches end face 100F.
  • the inclination angle of tapered region Rfc of the end face in the X-axis direction with respect to the Y-axis direction is constant at ⁇ f.
  • the length of region R1 in the Y-axis direction is L1
  • the length of tapered region Rfc in the Y-axis direction is Lfc.
  • Higher-order transverse modes may be cut off in region Rm where the ridge width of configuration example C51 is smallest. This shape suppresses laser oscillation in higher-order transverse modes, making the horizontal FFP unimodal while widening the current injection area. This reduces the series resistance of the semiconductor laser element 300, thereby reducing the operating voltage.
  • the minimum value Wm of the ridge width does not necessarily need to be narrowed to a ridge width that can cut off all modes other than the fundamental transverse mode (i.e., the horizontal zeroth-order mode). Since the propagation loss of each transverse mode order in the tapered region Rfc is greater for higher-order modes, higher-order transverse modes can be attenuated in the region where the stripe width changes. As a result, laser oscillation can be performed with the fundamental transverse mode as the main mode.
  • the semiconductor laser device 300 can be operated with the fundamental transverse mode as the main mode component.
  • the minimum ridge width Wm may be, for example, W0 + 1 ⁇ m or less, where W0 is the maximum ridge width that can cut off modes other than the fundamental transverse mode (i.e., the horizontal zeroth-order mode).
  • the ridge width Wf at the end facet 100F may be Wm + 1 ⁇ m or more.
  • the minimum width of the ridge 310R may be 0.6 ⁇ m or more, or 1.6 ⁇ m or less.
  • the energy corresponding to the peak wavelength of the laser light is greater than the bandgap energy of GaN, making the ridge width narrower than 3 ⁇ m will result in the light intensity distribution in the stacking direction of the fundamental transverse mode propagating through the waveguide spreading more toward the substrate 301. This will increase the impact of light absorption loss in the substrate 301.
  • the reflectivity of facet 100F is lower than that of facet 100R, the light intensity distribution in the Y-axis direction will have a higher light intensity on the facet 100F side.
  • This causes carrier hole burning, such that the carrier distribution in active layer 105 is lower on the facet 100F side and higher on the facet 100R side.
  • This makes it easier for carriers on the facet 100R side, where the carrier concentration is higher, to leak out of active layer 105, lowering the thermal saturation level in the current-light output characteristics.
  • the ridge width on the facet 100R side can be narrowed to increase the light density and increase the amount of carriers consumed by stimulated emission.
  • the length Lm of region Rm may be 0 ⁇ m or greater, but the longer it is, the more reliably the highest-order transverse mode capable of propagation in region Rm can be selected.
  • the average value of the inclination angle ⁇ f of tapered region Rfc may be set to 0.01 degrees (deg.) or greater and 0.1 degrees or less.
  • the inclination angle ⁇ f may be constant in tapered region Rfc, or may vary discontinuously or continuously. In this case, the average value of inclination angle ⁇ f is defined by the following equation:
  • the ridge 310R of configuration example C52 shown in Figure 89 has a region Rm where the ridge width is constant at a minimum value Wm, a region Rf that is closer to the end face 100F than region Rm, and a region Rr that is closer to the end face 100R than region Rm.
  • the length of region Rm in the Y-axis direction is Lm
  • the length of region Rf in the Y-axis direction is Lf
  • the length of region Rr in the Y-axis direction is Lr.
  • Region Rf has a region R1 where the ridge width is constant at Wf (>Wm) and a tapered region Rfc where the ridge width increases as it approaches end face 100F.
  • Region Rr has a region R2 where the ridge width is constant at Wr (>Wm) and a tapered region Rrc where the ridge width increases as it approaches end face 100R.
  • the inclination angle of the end face in the X-axis direction of tapered region Rrc with respect to the Y-axis direction is constant at ⁇ r.
  • the length of region R2 in the Y-axis direction is L2, and the length of tapered region Rrc in the Y-axis direction is Lrc.
  • the ridge width Wf at end face 100F is equal to the ridge width Wr at end face 100R and is greater than the minimum ridge width Wm. Furthermore, the reflectance of end face 100F is smaller than the reflectance of end face 100R. Furthermore, the length Lf of region Rf is equal to the length Lr of region Rr.
  • tilt angle ⁇ f and tilt angle ⁇ r may be 0.01 degrees or more and 0.1 degrees or less.
  • the ridge width Wf at facet 100F is equal to the ridge width Wr at facet 100R, which simplifies the ridge formation process. This facilitates the manufacture of the semiconductor laser element 300.
  • the ridge 310R of configuration example C53 shown in Figure 90 differs from configuration example C52 in that the length Lf of region Rf is longer than the length Lr of region Rr.
  • length Lf is longer than length Lr, so similar to configuration example C51, the ridge width can be narrowed in the region close to facet 100R, where the carrier concentration is high, increasing the optical density and the amount of carriers consumed by stimulated emission. Therefore, the decrease in the thermal saturation level in the current-light output characteristics can be suppressed.
  • Configuration example C61 shown in Figure 91 differs from configuration example C51 in that it has two tapered regions Rfc1, Rfc2 with different inclination angles.
  • the inclination angle ⁇ f1 of tapered region Rfc1 closer to facet 100F is smaller than the inclination angle ⁇ f2 of tapered region Rfc2 closer to facet 100R.
  • the light intensity is high near facets 100F and 100R and is minimal at a position in the Y-axis direction determined by the reflectivity of each facet.
  • the light intensity in the Y-axis direction will initially decrease and reach a minimum as you move from end face 100R to end face 100F.
  • the light intensity increases as you move from the Y-axis position where the light intensity is minimum to end face 100F.
  • the position where the light intensity is minimum is located between the center in the Y-axis direction and end face 100R. Therefore, by making the inclination angle ⁇ f1 of tapered region Rfc1 close to end face 100F smaller than the inclination angle ⁇ f2 of tapered region Rfc2 close to end face 100R, the propagation loss of laser light in the Y-axis direction can be reduced.
  • the inclination angle is changed in two stages, but the inclination angle may also be changed in three or more stages.
  • Configuration example C62 shown in Figure 92 differs from configuration example C52 in that region Rf has two tapered regions Rfc1 and Rfc2 with different inclination angles, and region Rr has two tapered regions Rrc1 and Rrc2 with different inclination angles.
  • the inclination angle ⁇ f1 of tapered region Rfc1 closer to facet 100F is smaller than the inclination angle ⁇ f2 of tapered region Rfc2 closer to facet 100R
  • the inclination angle ⁇ r1 of tapered region Rrc1 closer to facet 100F is larger than the inclination angle ⁇ r2 of tapered region Rrc2 closer to facet 100R.
  • the inclination angle is changed in two stages between region Rm and end face 100F.
  • the inclination angle is also changed in two stages between region Rm and end face 100R.
  • the optical intensity is maximized near each end face, so by reducing the inclination angle closer to each end face, it is possible to reduce the waveguide loss in each tapered region.
  • the inclination angle is changed in two stages, but it may also be changed in three or more stages.
  • Configuration example C63 shown in FIG. 93 differs from configuration example C53 in that region Rf has two tapered regions Rfc1 and Rfc2 with different inclination angles, and region Rr has two tapered regions Rrc1 and Rrc2 with different inclination angles.
  • the inclination angle ⁇ f1 of tapered region Rfc1 closer to facet 100F is smaller than the inclination angle ⁇ f2 of tapered region Rfc2 closer to facet 100R
  • the inclination angle ⁇ r1 of tapered region Rrc1 closer to facet 100F is larger than the inclination angle ⁇ r2 of tapered region Rrc2 closer to facet 100R.
  • the inclination angle is changed in two stages between region Rm and end face 100F.
  • the inclination angle is also changed in two stages between region Rm and end face 100R.
  • the optical intensity is maximized near each end face, so by reducing the inclination angle closer to each end face, it is possible to reduce the waveguide loss in each tapered region.
  • the inclination angle is changed in two stages, but it may also be changed in three or more stages.
  • Configuration example C71 shown in Figure 94 differs from configuration example C61 in that the inclination angle ⁇ fc of the tapered region Rfc continuously decreases as it approaches the end face 100F. Configuration example C71 like this also achieves the same effects as configuration example C61.
  • Configuration example C72 shown in Figure 95 differs from configuration example C62 in that the inclination angle ⁇ fc of tapered region Rfc continuously decreases as it approaches end face 100F, and the inclination angle ⁇ rc of tapered region Rrc continuously decreases as it approaches end face 100R. Configuration example C72 thus achieves the same effects as configuration example C62.
  • Configuration example C73 shown in Figure 96 differs from configuration example C63 in that the inclination angle ⁇ fc of tapered region Rfc continuously decreases as it approaches end face 100F, and the inclination angle ⁇ rc of tapered region Rrc continuously decreases as it approaches end face 100R. Configuration example C73 also achieves the same effects as configuration example C63.
  • the semiconductor laser element was a semiconductor laser element that uses a resonator, but the semiconductor laser element may also be a superluminescent diode.
  • the p-type cladding layer is a layer with a uniform Al composition ratio, but the configuration of the p-type cladding layer is not limited to this.
  • the p-type cladding layer may have a superlattice structure in which multiple AlGaN layers and multiple GaN layers are alternately stacked.
  • the average Al composition ratio of the first p-side guide layer and the average Al composition ratio of the n-side guide layer were equal, but the average Al composition ratio of the first p-side guide layer may be greater than the average Al composition ratio of the n-side guide layer.
  • the average band gap energy of the first p-side guide layer may be greater than the average band gap energy of the n-side guide layer. This shifts the peak position of the light intensity distribution in the stacking direction from the active layer toward the n-side guide layer, thereby reducing free carrier loss in the p-type cladding layer, etc., and reducing waveguide loss.
  • the semiconductor laser element disclosed herein can be used, for example, as a high-output, highly efficient light source for exposure equipment and processing machines.

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Abstract

半導体レーザ素子（１００）は、基板（１０１）と、基板（１０１）の上方に配置される半導体積層体（１００Ｓ）と、半導体積層体（１００Ｓ）の上方に配置され、半導体積層体（１００Ｓ）に接するｐ側電極（１１３）とを備え、半導体積層体（１００Ｓ）は、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｎ型クラッド層（１０２）と、ｎ型クラッド層（１０２）の上方に配置されるｎ側ガイド層（１０４）と、ｎ側ガイド層（１０４）の上方に配置される活性層（１０５）と、活性層（１０５）の上方に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｐ型クラッド層（１１０）とを有し、ｎ型クラッド層（１０２）のＡｌ組成比は、ｐ型クラッド層（１１０）のＡｌ組成比より大きく、ｐ側電極（１１３）は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、及び透光性導電膜の少なくとも一つからなる。

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。
　従来、レーザ光を出射する半導体レーザ素子が知られている（例えば、特許文献１など参照）。特許文献１には、導波路層（言い換えると、光ガイド層）を備える半導体レーザ素子が開示されている。
特表２０２０－５３６３７２号公報
　特許文献１に開示された半導体レーザ素子においては、導波路層を備えることで、導波路損失を低減できる。しかしながら、半導体レーザ素子においては、さらなる導波路損失の低減が求められている。
　本開示は、このような課題を解決するものであり、導波路損失を低減できる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示に係る半導体レーザ素子の一態様は、基板と、前記基板の上方に配置される半導体積層体と、前記半導体積層体の上方に配置され、前記半導体積層体に接するｐ側電極とを備え、前記半導体積層体は、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層の上方に配置されるｎ側ガイド層と、前記ｎ側ガイド層の上方に配置される活性層と、前記活性層の上方に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｐ型クラッド層とを有し、前記ｎ型クラッド層のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比より大きく、前記ｐ側電極は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、及び透光性導電膜の少なくとも一つからなる。
　本開示によれば、導波路損失を低減できる半導体レーザ素子を提供できる。
実施の形態１に係る半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な平面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 比較例１に係る半導体レーザ素子の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。 構成例１のｎ側中間層の膜厚と動作電圧との関係を示す第一のグラフである。 構成例１のｎ側中間層の膜厚と動作電圧との関係を示す第二のグラフである。 構成例１のｎ側中間層の膜厚と動作電圧との関係を示す第三のグラフである。 構成例２のｎ側中間層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例２のｎ側中間層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例２のｎ側中間層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例２のｎ側中間層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る半導体レーザ素子の積層方向における位置の座標を示すグラフである。 構成例３のｎ側ガイド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例３のｎ側ガイド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例３のｎ側ガイド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例３のｎ側ガイド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 図１７の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。 構成例４のｎ側ガイド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例４のｎ側ガイド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例４のｎ側ガイド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例４のｎ側ガイド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 図２２の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。 構成例５のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例５のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例５のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例５のｐ型クラッド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 構成例６のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例６のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例６のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例６のｐ型クラッド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 比較例２のｐ型クラッド層と、ｐ側ガイド層との間の、積層方向における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。 構成例７のｐ型クラッド層と、ｐ側ガイド層との間の、積層方向における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。 構成例７のｎ側中間層の膜厚と半導体レーザ素子の動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例８のｎ側中間層の膜厚と半導体レーザ素子の動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例９のｎ側ガイド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例９のｎ側ガイド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例９のｎ側ガイド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例９のｎ側ガイド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 図３９の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。 構成例１０のｎ側ガイド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例１０のｎ側ガイド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例１０のｎ側ガイド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例１０のｎ側ガイド層の膜厚と、光強度分布のピーク位置との関係を示すグラフである。 図４４の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。 構成例１３の活性層のバンドギャップエネルギー分布の一例を示す模式的なグラフである。 構成例１３においてＧａＮからなる基板を用いる場合の積層方向位置と、光強度分布との関係を示すグラフである。 構成例１３においてＧａＮからなる基板を用いる場合の積層方向位置と、積分応力との関係を示すグラフである。 構成例１３においてＡｌＧａＮからなる基板を用いる場合の積層方向位置と、光強度分布との関係を示すグラフである。 構成例１３においてＡｌＧａＮからなる基板を用いる場合の積層方向位置と、積分応力との関係を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例１における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例１における価電子帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例２における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例２における価電子帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例３における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態２に係る半導体レーザ素子の構成例３における価電子帯の電位の分布を示すグラフである。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の全体構成を示す模式的な断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子が備えるｎ側ガイド層の構成を示す模式的な断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子が備える活性層の構成を示す模式的な断面図である。 構成例Ｃ１の基板のＡｌ組成比と、半導体積層体の積分応力との関係を示すグラフである。 比較例の積層方向位置と、屈折率との関係を示すグラフである。 比較例の積層方向位置と、光強度との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１の積層方向位置と、屈折率との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１の積層方向位置と、光強度との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１の基板のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ２の基板のＡｌ組成比と、半導体積層体の積分応力との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ２の基板のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ３の基板のＡｌ組成比と、半導体積層体の積分応力との関係を示すグラフである。 構成例４の基板のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ４の基板のＡｌ組成比と、半導体積層体の積分応力との関係を示すグラフである。 構成例４の基板のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ１のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ２のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ２のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ２のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ３のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ３のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ３のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ４のｐ型クラッド層の膜厚と、導波路損失との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ４のｐ型クラッド層の膜厚と、光閉じ込め係数との関係を示すグラフである。 構成例Ｃ４のｐ型クラッド層の膜厚と、実効屈折率差との関係を示すグラフである。 実施の形態３に係るｎ型クラッド層のＡｌ組成比と、基板のＡｌ組成比との関係を示すグラフである。 実施の形態３に係るリッジ幅と導波可能モード数との関係を示すグラフである。 図８６の一部を拡大したグラフである。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ５１のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ５２のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ５３のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ６１のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ６２のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ６３のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ７１のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ７２のリッジの形状を示す模式的な平面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ素子の構成例Ｃ７３のリッジの形状を示す模式的な平面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における鉛直上方及び鉛直下方を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに接する状態で配置される場合にも適用される。
　（実施の形態１）
　実施の形態１に係る半導体レーザ素子について説明する。
　［１－１．全体構成］
　まず、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の全体構成について図１～図３を用いて説明する。図１及び図２は、それぞれ本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の全体構成を示す模式的な平面図及び断面図である。図２には、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面が示されている。図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００が備える活性層１０５の構成を示す模式的な断面図である。なお、各図には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、右手系の直交座標系である。半導体レーザ素子１００の積層方向は、Ｚ軸方向に平行であり、光（レーザ光）の主な出射方向は、Ｙ軸方向に平行である。
　半導体レーザ素子１００は、図２に示されるように、半導体積層体１００Ｓを備え、半導体積層体１００Ｓの積層方向（つまり、Ｚ軸方向）に垂直な方向の端面１００Ｆ（図１参照）から光を出射する。本実施の形態では、半導体レーザ素子１００は、共振器を形成する二つの端面１００Ｆ及び１００Ｒを有する。端面１００Ｆは、レーザ光を出射するフロント端面であり、端面１００Ｒは、端面１００Ｆより反射率が高いリア端面である。また、半導体レーザ素子１００は、端面１００Ｆと端面１００Ｒとの間に形成された導波路を有する。本実施の形態では、端面１００Ｆの反射率は、端面１００Ｒの反射率より低い。本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の共振器長（つまり、端面１００Ｆと端面１００Ｒと間の距離）は１２００μｍである。半導体レーザ素子１００は、例えば、４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下のピーク波長を有するレーザ光を出射する。なお、半導体レーザ素子１００は、４５０ｎｍ未満、又は、５７０ｎｍより長いピーク波長を有するレーザ光を出射してもよい。
　図２に示されるように、半導体レーザ素子１００は、基板１０１と、半導体積層体１００Ｓと、電流ブロック層１１２と、ｐ側電極１１３と、ｎ側電極１１４とを備える。
　半導体積層体１００Ｓは、基板１０１の上方に配置され、半導体層が積層される積層体である。図２に示されるように、半導体積層体１００Ｓには、上方に向かって突出するリッジ１１０Ｒが形成されている。また、半導体積層体１００Ｓには、リッジ１１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延在する二つの溝１１０Ｔ、及び、上方に向かって突出する二つの突出部１１０Ｐが形成されている。リッジ１１０Ｒと一方の突出部１１０Ｐとの間に一方の溝１１０Ｔが配置され、リッジ１１０Ｒと他方の突出部１１０Ｐとの間に他方の溝１１０Ｔが配置される。
　本実施の形態に係る半導体積層体１００Ｓは、ｎ型クラッド層１０２と、ｎ側中間層１０３と、ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、ｐ側ガイド層１０６と、ｐ側中間層１０７と、電子障壁層１０８と、ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。本実施の形態では、半導体積層体１００Ｓは、窒化物半導体からなる。
　基板１０１は、半導体レーザ素子１００の基台となる板状部材である。本実施の形態では、基板１０１は、ｎ型クラッド層１０２の下方に配置され、ＡｌＧａＮからなる。
　ｎ型クラッド層１０２は、基板１０１の上方に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層である。ここで、クラッド層とは、積層方向に対する層内の光強度分布の変化の態様を、指数関数で近似できる層である。ｎ型クラッド層１０２の導電型は、ｎ型である。ｎ型クラッド層１０２は、活性層１０５より平均屈折率が小さく、かつ、平均バンドギャップエネルギーが大きい。本実施の形態では、ｎ型クラッド層１０２は、Ｓｉがドーピングされたｎ型ＡｌＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎ（０＜Ｘｎ１＜１）層である。
　ここで、本開示において、ある層の平均バンドギャップエネルギーとは、その層の積層方向のある位置でのバンドギャップエネルギーの大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割ったバンドギャップエネルギーの値のことである。なお、本開示においては、ある層の平均バンドギャップエネルギーのことを単にバンドギャップエネルギーとも称する。
　ある層の平均屈折率とは、その層の積層方向のある位置での屈折率の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割った屈折率の値のことである。なお、本開示においては、ある層の平均屈折率のことを単に屈折率とも称する。
　ある層の平均Ａｌ組成比とは、その層の積層方向のある位置でのＡｌ組成比の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割ったＡｌ組成比の値のことである。なお、本開示においては、ある層の平均Ａｌ組成比のことを単にＡｌ組成比とも称する。平均Ｉｎ組成比について平均Ａｌ組成比と同様に定義される。
　ある層の平均不純物濃度とは、その層の積層方向のある位置での不純物濃度の大きさを、その層の積層方向の基板側の界面の位置から基板から遠い側の界面の位置まで積層方向に積分し、その層の膜厚（基板側界面と、基板から遠い側の界面間の距離）で割った不純物濃度の値のことである。不純物とは、ｎ型半導体層では、ｎ型の導電型を得るためにドーピングした不純物を指し、ｐ型半導体層では、ｐ型の導電型を得るためにドーピングした不純物を指す。なお、本開示においては、ある層の平均不純物濃度のことを単に不純物濃度とも称する。
　ｎ側中間層１０３は、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に配置される窒化物半導体層である。本実施の形態では、ｎ側中間層１０３は、ＧａＮ層、又は、組成傾斜層である。ｎ側中間層１０３は、膜厚５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＧａＮ層であってもよい。ここで、組成傾斜層は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に減少するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層、及び、ｎ型クラッド層３０２から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比が単調に増加するＡｌＸｎｊＧａ１－Ｘｎｊ－ＹｎｊＩｎＹｎｊＮ（０≦Ｘｎｊ＜１、０≦Ｙｎｊ＜１）層の少なくとも一方を含む。また、組成傾斜層は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがってバンドギャップエネルギーが単調に減少するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層を含む。ｎ側中間層１０３には、Ｓｉがドーピングされていてもよい。ここで、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがってｎ側中間層１０３のＡｌ組成比が単調に減少する構成には、ｎ側中間層１０３が、ｎ型クラッド層１０２からの距離に応じてＡｌ組成比が変化しない領域を有する構成も含まれる。例えば、ｎ型クラッド層１０２からの距離に応じて、ｎ側中間層１０３のＡｌ組成比がステップ状に増加する構成なども含まれる。同様に、ｎ型クラッド層３０２から遠ざかるにしたがってｎ側中間層１０３のＩｎ組成比が単調に増加する構成には、ｎ側中間層１０３が、ｎ型クラッド層１０２からの距離に応じてＩｎ組成比が変化しない領域を有する構成も含まれる。以下に述べる、単調に減少するとの記載、及び単調に増加するとの記載についても同様である。
　ｎ側ガイド層１０４は、ｎ型クラッド層１０２の上方に配置される光ガイド層である。ｎ側ガイド層１０４は、ｎ型クラッド層１０２と、活性層１０５との間に配置される。ｎ側ガイド層１０４は、ｎ型クラッド層１０２より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、ｎ側ガイド層１０４は、Ｉｎを含む窒化物半導体層である。より具体的には、ｎ側ガイド層１０４は、ＩｎＧａＮからなる。ｎ側ガイド層１０４は、例えば、アンドープＩｎＸｉｎＧａ１－ＸｉｎＮ（０≦Ｘｉｎ＜１）層である。
　活性層１０５は、基板１０１の上方に配置される発光層である。本実施の形態では、活性層１０５は、ｎ側ガイド層１０４の上方に配置される。活性層１０５は、量子井戸構造を有する。具体的には、図３に示されるように、活性層１０５は、ウェル層１０５ｂ、１０５ｄと、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅとを有する。バリア層１０５ａは、ｎ側ガイド層１０４の上方に配置される。ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａの上方に配置される。バリア層１０５ｃは、ウェル層１０５ｂの上方に配置される。ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃの上方に配置される。バリア層１０５ｅは、ウェル層１０５ｄの上方に配置される。このように、ウェル層１０５ｂは、二つのバリア層１０５ａ及び１０５ｃの間に配置され、ウェル層１０５ｄは、二つのバリア層１０５ｃ及び１０５ｅの間に配置される。なお、活性層１０５の構成は、これに限定されない。例えば、活性層１０５は、単一のウェル層を有してもよいし、三層以上のウェル層を有してもよい。
　バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅの各々は、ｎ側ガイド層１０４の上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する半導体層である。本実施の形態では、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅの各々のバンドギャップエネルギーは、ウェル層１０５ｂ、１０５ｄのバンドギャップエネルギー、ｎ型クラッド層１０２のバンドギャップエネルギー、及び、ｐ型クラッド層１１０のバンドギャップエネルギーより大きく、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギーより小さい。バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのバンドギャップエネルギーは、互いに等しくてもよい。
　本実施の形態では、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅの各々は、Ｉｎを含む窒化物半導体層である。より具体的には、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅの各々は、ＩｎＧａＮからなる。バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅの各々は、例えば、アンドープＩｎＹｂ１Ｇａ１－Ｙｂ１Ｎ（０＜Ｙｂ１＜１）層である。また、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｎ側ガイド層１０４に最も近いバリア層１０５ａのＩｎ組成比は、ｎ側ガイド層１０４の最大Ｉｎ組成比以上であり、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｐ側ガイド層１０６に最も近いバリア層１０５ｅのＩｎ組成比は、ｐ側ガイド層１０６の最大Ｉｎ組成比以上である。また、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｎ側ガイド層１０４に最も近いバリア層１０５ａのバンドギャップエネルギーは、ｎ側ガイド層１０４の最小バンドギャップエネルギー以上であり、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｐ側ガイド層１０６に最も近いバリア層１０５ｅのバンドギャップエネルギーは、ｐ側ガイド層１０６の最小バンドギャップエネルギー以上である。
　ウェル層１０５ｂは、バリア層１０５ａとバリア層１０５ｃとの間に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する窒化物半導体層である。ウェル層１０５ｄは、バリア層１０５ｃとバリア層１０５ｅとの間に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する窒化物半導体層である。本実施の形態では、ウェル層１０５ｂ、１０５ｄは、Ｉｎを含む窒化物半導体層である。より具体的には、ウェル層１０５ｂ、１０５ｄは、ＩｎＧａＮからなる。ウェル層１０５ｂは、アンドープＩｎＹｗＧａ１－ＹｗＮ（０＜Ｙｗ＜１）層である。
　ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５の上方に配置される光ガイド層である。ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５とｐ型クラッド層１１０との間に配置される。本実施の形態では、ｐ側ガイド層１０６は、活性層１０５とｐ側中間層１０７との間に配置される。ｐ側ガイド層１０６は、ｐ型クラッド層１１０より屈折率が大きく、バンドギャップエネルギーが小さい。本実施の形態では、ｐ側ガイド層１０６は、ＩｎＧａＮからなる。つまり、ｐ側ガイド層１０６は、アンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ（０＜Ｘｉｐ＜１）層である。
　ｐ側中間層１０７は、ｐ側ガイド層１０６と電子障壁層１０８との間に配置される半導体層である。ｐ側中間層１０７のバンドギャップエネルギーは、ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギー以上であり、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギー以下である。本実施の形態では、ｐ側中間層１０７のバンドギャップエネルギーは、ｐ型クラッド層１１０のバンドギャップエネルギー以下である。本実施の形態では、ｐ側中間層１０７は、ＧａＮからなる。
　電子障壁層１０８は、活性層１０５とｐ型クラッド層１１０との間に配置される半導体層である。本実施の形態では、電子障壁層１０８は、ｐ側中間層１０７とｐ型クラッド層１１０との間に配置される。電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギーは、バリア層１０５ｃのバンドギャップエネルギーより大きい。これにより、電子が活性層１０５からｐ型クラッド層１１０へ漏れることを抑制できる。本実施の形態では、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギーは、ｐ側ガイド層１０６及びｐ型クラッド層１１０の各々のバンドギャップエネルギーより大きい。電子障壁層１０８は、ｐ型ＡｌＸｅｂＧａ１－ＸｅｂＮ（０＜Ｘｅｂ＜１）層である。
　ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５の上方に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層である。ｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比より小さい。本実施の形態では、ｐ型クラッド層１１０は、電子障壁層１０８の上方に配置される。ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５より屈折率が小さく、かつ、バンドギャップエネルギーが大きい。ｐ型クラッド層１１０のバンドギャップエネルギーは、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギーより小さい。ｐ型クラッド層１１０は、ｐ型ＡｌＸｐｃＧａ１－ＸｐｃＮ（０＜Ｘｐｃ＜１）層である。
　コンタクト層１１１は、ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、ｐ側電極１１３とオーミック接触する窒化物半導体層である。本実施の形態では、コンタクト層１１１は、膜厚６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。コンタクト層１１１には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされている。
　本実施の形態では、ｐ型クラッド層１１０及びコンタクト層１１１にリッジ１１０Ｒ、溝１１０Ｔ、及び突出部１１０Ｐが形成されている。図２に示されるように、リッジ１１０Ｒの幅（リッジ幅）がＷで表される。また、リッジ１１０Ｒの下端（つまり、溝１１０Ｔの底部）と活性層１０５との間の距離がｄｐで表され、リッジ１１０Ｒの下端と、電子障壁層１０８との間の距離がｄｃで表される。
　電流ブロック層１１２は、ｐ型クラッド層１１０の上方に配置され、活性層１０５からの光に対して透過性を有する絶縁層である。電流ブロック層１１２は、ｐ型クラッド層１１０及びコンタクト層１１１の上面のうち、リッジ１１０Ｒの上面１１０Ｒｕ以外の領域に配置される。つまり、電流ブロック層１１２は、二つの突出部１１０Ｐの上面、二つの突出部１１０Ｐの各々のリッジ１１０Ｒ側の側面、溝１１０Ｔの底部、及び、リッジ１１０Ｒの側面（つまり、リッジ１１０ＲのＸ軸方向の端面）に配置される。なお、電流ブロック層１１２は、リッジ１１０Ｒの上面１１０Ｒｕの一部の領域にも配置されていてもよい。例えば、電流ブロック層１１２は、リッジ１１０Ｒの上面１１０Ｒｕの端縁領域に配置されていてもよい。本実施の形態では、電流ブロック層１１２は、ＳｉＯ２層である。
　ｐ側電極１１３は、半導体積層体１００Ｓの上方に配置され、半導体積層体１００Ｓと接する電極である。本実施の形態では、ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１の上方に配置される。ｐ側電極１１３は、リッジ１１０Ｒの上面１１０Ｒｕに配置され、上面１１０Ｒｕにおいてコンタクト層１１１と接する。本実施の形態では、ｐ側電極１１３は、コンタクト層１１１及び電流ブロック層１１２の上方に配置される。ｐ側電極１１３は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、及び透光性導電膜の少なくとも一つからなる。ここで、透光性導電膜は、導電性酸化膜であってもよい。ｐ側電極１１３は、Ａｇ、Ａｌ、又は、Ａｇ及びＡｌの少なくとも一方を含む合金からなってもよい。
　ｎ側電極１１４は、基板１０１の下方に（つまり、基板１０１の半導体積層体１００Ｓが配置された主面の反対側の主面に）配置される導電層である。ｎ側電極１１４は、例えば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕの少なくとも一つで形成された単層膜又は多層膜である。
　半導体レーザ素子１００は、以上のような構成を有することにより、リッジ１１０Ｒの下方の部分と、溝１１０Ｔの下方の部分との間に実効屈折率差ΔＮが生じる（図２参照）。これにより、活性層１０５のリッジ１１０Ｒの下方の部分で発生した光を水平方向（つまり、Ｘ軸方向）に閉じ込めることができる。
　実効屈折率差ΔＮは、電流ブロック層１１２と活性層１０５との間の距離ｄｐを調整することで制御される。距離ｄｐが大きくなるにしたがって、実効屈折率差ΔＮは小さくなる。
　ここで、リッジ１１０Ｒの下端が、電子障壁層１０８よりも下方にある場合、電子障壁層１０８はリッジ１１０Ｒから活性層１０５への正孔の電気伝導の電位障壁となる。このため、電子障壁層１０８のリッジ１１０Ｒの側面に対応する部分からリッジ１１０Ｒの外部へ正孔が漏れることに起因する漏れ電流が発生する。これに伴い、半導体レーザ素子１００が劣化する。そこで、このような劣化を抑制するために、リッジ１１０Ｒの下端は、電子障壁層１０８の上方に位置してもよい。
　この場合、距離ｄｐが大きくなるにしたがって、電子障壁層１０８と電流ブロック層１１２との間の距離ｄｃが大きくなる。電子障壁層１０８はＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮ層であるためｐ型クラッド層１１０から活性層１０５への正孔の注入の電位障壁として作用する。このため、距離ｄｃが大きい場合、リッジ１１０Ｒから注入される正孔のうち、リッジ１１０Ｒの下端でリッジ１１０Ｒの外側に流れる割合が増加する。このようにリッジ１１０Ｒの外側に流れる正孔は、半導体レーザ素子１００のレーザ光の発生及び増幅に寄与しない。このため、半導体レーザ素子１００の発振しきい電流値が増加する。具体的には、距離ｄｃが７０ｎｍ以上となると発振しきい電流値が増大する。発振しきい値の増大を抑制するためには、距離ｄｃは可能な限り小さい方がよい。半導体レーザ素子１００の発振しきい電流値を抑制するために、距離ｄｃは、例えば、１０ｎｍ以上７０ｎｍ以下であってよい。
　［１－２．効果］
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の効果について、比較例１と比較しながら、図４及び図５を用いて説明する。図４及び図５は、それぞれ、比較例１及び本実施の形態に係る各半導体レーザ素子の積層方向における屈折率分布と光強度分布とを示す模式的なグラフである。図５には、本実施の形態に係る光強度分布と併せて比較例１の光強度分布が破線で示されている。
　比較例１の半導体レーザ素子は、基板９０１、ｎ型クラッド層９０２、ｐ型クラッド層９１０、及びｐ側電極９１３の構成において実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００と相違し、その他の構成において一致する。比較例１の半導体レーザ素子においては、ｎ型クラッド層９０２及びｐ型クラッド層９１０のＡｌ組成比が等しい。したがって、図４に示されるように、ｎ型クラッド層９０２及びｐ型クラッド層９１０の屈折率が等しい。また、比較例１のｐ型クラッド層９１０の膜厚は、本実施の形態に係るｐ型クラッド層１１０の膜厚より大きい。さらに、比較例１の基板９０１は、ＧａＮ基板であり、ｐ側電極９１３は、Ｐｄからなる。このため、図４に示されるように、比較例１のｐ側電極９１３の屈折率は、本実施の形態に係るｐ側電極１１３の屈折率より高い。
　本実施の形態では、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比がｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比より大きいため、ｐ型クラッド層１１０の屈折率は、ｎ型クラッド層１０２の屈折率より高い。これにより、本実施の形態では、ｎ型クラッド層１０２より屈折率が高いｎ側ガイド層１０４により、積層方向における光強度分布のピーク位置を活性層１０５近傍に位置させる制御性を向上させつつ、ｐ型クラッド層１１０の屈折率を高くすることで、光強度分布が活性層１０５からｎ側ガイド層１０４へ向かう向きに傾きすぎることを抑制できる。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高めることができるため、導波路損失を低減できる。
　また、ｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比を低減することで、ホール濃度を高めることができる。したがって、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。また、ｐ型クラッド層１１０の不純物濃度を低減することができるため、不純物に起因するフリーキャリア損失を低減できる。したがって、導波路損失を低減できる。
　また、本実施の形態では、ｐ側電極１１３は、Ａｇなどの屈折率が低い金属、又は、透光性の導電性酸化膜からなるため、ｐ側電極１１３での光損失を低減できる。したがって、導波路損失をさらに低減できる。また、ｐ側電極１１３での光損失を低減できるため、導波路損失を低減しつつ、ｐ型クラッド層１１０の膜厚を薄くできる。これにより、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。
　また、導電性酸化膜はＡｇ及びＡｌより屈折率が高いため、ｐ側電極１１３が導電性酸化膜からなる場合には、ｐ側電極１１３がＡｇなどの屈折率が低い金属からなる場合より、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が小さい場合でも、実効屈折率差ΔＮの低下を抑制できる。したがって、半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性を示すグラフにおいて直線状でない部分（いわゆる、キンク）が生じることを抑制できる。
　また、ｐ側電極１１３がＡｇなどの金属を含む場合には、活性層１０５からの自然放出光がｐ側電極１１３で反射され、活性層１０５に戻り得る。このように活性層１０５に戻った自然放出光が活性層１０５によって吸収されることで、発光再結合に寄与する量子効率を増大させることができる。したがって、半導体レーザ素子１００の発振しきい電流値を低減でき、かつ、スロープ効率を増大できる。
　また、本実施の形態に係るｎ側中間層１０３は、膜厚３０ｎｍ以下のＧａＮ層、又は、組成傾斜層である。なお、図５には、ｎ側中間層１０３がＧａＮ層である例が示されている。つまり、ＧａＮ層であるｎ側中間層１０３が、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｎ型クラッド層１０２と、Ｉｎを含む窒化物半導体層であるｎ側ガイド層１０４との間に配置される。ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４とが接する場合、界面において、両層のバンドギャップエネルギーの差に起因するスパイク状の電位障壁が形成されるが、両層の間にＧａＮ層であるｎ側中間層１０３が配置されることで、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に形成される電位障壁を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。
　また、本実施の形態では、ｎ側ガイド層１０４は、ＩｎＧａＮからなる。これにより、ｎ側ガイド層１０４の屈折率を、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｎ型クラッド層１０２の屈折率より十分に高くすることができる。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高めることができる。このため、半導体レーザ素子１００の発振しきい電流値を低減できる。また、漏れ電流を低減できるため、半導体レーザ素子１００の温度特性を改善できる。
　また、本実施の形態では、ｐ側ガイド層１０６は、ＩｎＧａＮからなる。これにより、ｐ側ガイド層１０６の屈折率を、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｐ型クラッド層１１０の屈折率より十分に高くすることができる。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を高めることができる。このため、半導体レーザ素子１００の発振しきい電流値を低減できる。また、光閉じ込め係数を高めることで漏れ電流を低減できるため、半導体レーザ素子１００の温度特性を改善できる。
　［１－３．構成例１］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例１について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例１は、波長４４５ｎｍ帯のレーザ光を出射する構成例である。構成例１において、ｎ型クラッド層１０２は、膜厚１５００ｎｍのｎ型ＡｌＸｎ１Ｇａ１－Ｘｎ１Ｎ（０＜Ｘｎ１＜１）層であり、ｎ側中間層１０３は、膜厚Ｔ１［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ層である。ｎ型クラッド層１０２、及びｎ側中間層１０３には、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされている。ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　バリア層１０５ａ、１０５ｃの各々は、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層であり、バリア層１０５ｅは、膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。ウェル層１０５ｂ、１０５ｄの各々は、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層１０６は、膜厚２８０ｎｍのアンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ層である。構成例１では、ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に増加する。ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０．０４であり、ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０である。構成例１では、ｐ側ガイド層１０６の積層方向におけるＩｎ組成比の変化率は一定である。
　ｐ側中間層１０７は、膜厚２４ｎｍのＧａＮ層である。ｐ側中間層１０７は、膜厚２１ｎｍのアンドープＧａＮ層と、当該ＧａＮ層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｎ型ＧａＮ層とを有する。
　電子障壁層１０８は、濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層１１０は、膜厚４５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。コンタクト層１１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　ここで、ｐ型クラッド層１１０は、活性層１０５側に低不純物濃度層（濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層）と、コンタクト層１１１側に高不純物濃度層（低不純物濃度層より不純物濃度が高く、低不純物濃度層より上方に配置される層：濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層）とを有する。したがって、不純物に起因するフリーキャリア損失を低減できるため、導波路損失を低減できる。なお、低不純物濃度層はアンドープであってもよい。
　また、電子障壁層１０８の最大不純物濃度より、低不純物濃度層の不純物濃度の方が低い。したがって、不純物に起因するフリーキャリア損失を低減できるため、導波路損失を低減できる。
　また、構成例１では、リッジ幅Ｗは、４５μｍであり、共振器長は、１２００μｍである。リッジ１１０Ｒの下端と、電子障壁層１０８との間の距離ｄｃは、４０ｎｍである。
　構成例１のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１と、動作電圧との関係について、図６～図８を用いて説明する。図６～図８は、構成例１のｎ側中間層の膜厚Ｔ１と動作電圧との関係を示すグラフである。図６、図７、及び図８には、それぞれ、ｎ型クラッド層１０２とｎ側中間層１０３とにおける不純物濃度Ｃｎが５×１０１７ｃｍ－３、１×１０１８ｃｍ－３、及び２×１０１８ｃｍ－３である各場合のグラフが示されている。また、図６～図８の各々には、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が異なる複数の場合のグラフが示されている。なお、図６～図８には、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比がｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比と等しい場合（つまり、Ｘｎ１が０．０２６である場合）についても併せて示されている。また、図６～図８には、半導体レーザ素子１００に３Ａの電流を供給する場合の動作電圧が示されている。
　図６～図８に示されるように、不純物濃度Ｃｎが５×１０１７ｃｍ－３の場合には、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３、又は２×１０１８ｃｍ－３の場合と比較して、０．２Ｖ以上動作電圧が高い。このため、動作電圧を低減するために、不純物濃度Ｃｎは、１×１０１８ｃｍ－３以上であってもよい。一方、不純物濃度Ｃｎを高くし過ぎると、フリーキャリア損失が増大し、スロープ効率が低下するため、不純物濃度Ｃｎは、５×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。
　図６に示されるように、不純物濃度Ｃｎが５×１０１７ｃｍ－３であって、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５以下の場合（つまり、ｎ型クラッド層１０２とｎ側中間層１０３とのＡｌ組成比の差が０．０５５以下の場合）、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、３０ｎｍ以上であってもよい。
　図７に示されるように、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３であって、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５以下の場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、１０ｎｍ以上であってもよい。Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５より大きく０．０７５以下の場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、１５ｎｍ以上であってもよい。Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０７５より大きい場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、２０ｎｍ以上であってもよい。
　図８に示されるように、不純物濃度Ｃｎが２×１０１７ｃｍ－３であって、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５以下の場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、３ｎｍ以上であってもよい。Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５より大きく０．０７５以下の場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、５ｎｍ以上であってもよい。Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０７５より大きい場合、動作電圧を低減するために、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１は、７ｎｍ以上であってもよい。
　また、構成例１では、ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比が、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。また、ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に増加する。これにより、ｐ側ガイド層１０６の価電子帯の電位が、活性層１０５から遠ざかるにしたがって減少する。これに伴い、ｐ側ガイド層１０６の価電子帯の電位と、正孔のフェルミ準位との差が、ｐ側ガイド層１０６の積層方向における各位置においてほぼ一定となる。このため、ｐ側ガイド層１０６の正孔濃度を高めることなく、低動作電圧での半導体レーザ素子１００の動作が可能となる。このように正孔濃度を低減することで、フリーキャリア損失を低減できる。これにより、導波路損失を低減できる。したがって、構成例１によれば、低動作電圧、かつ、低動作電流の半導体レーザ素子１００を実現できる。
　［１－４．構成例２］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例２について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例２は、ｐ型クラッド層１１０の構成において、構成例１と相違する。以下、構成例２について、構成例１との相違点を中心に説明する。
　構成例２のｐ型クラッド層１１０は、膜厚３５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。また、構成例２では、ｎ型クラッド層１０２及びｎ側中間層１０３における不純物濃度Ｃｎは、１×１０１８ｃｍ－３である。
　構成例２のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図９～図１３を用いて説明する。図９、図１０、図１１、及び図１２は、それぞれ、構成例２のｎ側中間層の膜厚Ｔ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。図９～図１２には、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５であって、ｐ側電極１１３が膜厚２００ｎｍのＡｇ膜からなる場合のグラフ、及び、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５であって、ｐ側電極１１３が膜厚２００ｎｍのＩＴＯ（及びＩＴＯの上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜）からなる場合のグラフが示されている。また、図９～１２には、比較のため、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５であって、ｐ側電極１１３がＰｄからなる場合のグラフ、及び、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６であって、ｐ側電極１１３がＡｇからなる場合のグラフも併せて示されている。
　図１３は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の積層方向における位置の座標を示すグラフである。図１３の縦軸は、バンドギャップエネルギーの大きさを示す。図１３に示されるように、活性層１０５のウェル層１０５ｂのｎ側の端面、つまり、ウェル層１０５ｂのｎ側ガイド層１０４に近い方の端面の積層方向における位置の座標をゼロとし、下方に向かう向き（ｎ側ガイド層１０４に向かう向き）を座標の負の向きとし、上方に向かう向き（ｐ側ガイド層１０６に向かう向き）を座標の正の向きとする。ここで、前述の光強度分布のピーク位置がＰ１［ｎｍ］とは、積層方向における光強度分布において光強度が最大となる積層方向の位置が、ウェル層１０５ｂのｎ側ガイド層１０４に近い方の端面の積層方向における位置から距離Ｐ１［ｎｍ］離れて位置にあることを示している。Ｐ１がプラスの場合、積層方向における光強度分布のピーク位置は、座標ゼロの位置からｐ側へ距離Ｐ１離れた位置にあることを示している。Ｐ１は、図１３に示す例では活性層１０５が二層のウェル層１０５ｂ、１０５ｄを有する場合の例を示しているが、活性層１０５は、一層のウェル層を有している場合であっても、複数のウェル層を有している場合でも、最もｎ側にあるウェル層のｎ側ガイド層に近い方の端面の積層方向における位置の座標をゼロとしている。
　ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１が薄くなるにしたがって、ｎ型クラッド層１０２が活性層１０５に近づくため、積層方向における光強度分布の活性層１０５からｎ型半導体層側への拡がりが小さくなる。このため、図９及び図１０に示されるように、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１が薄くなるにしたがって、光閉じ込め係数が増大し、実効屈折率差ΔＮが増大する。ここで、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比がｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比よりも大きい方が光閉じ込め係数の増大効果が大きい。
　ｐ側電極としてＰｄを用いる場合には、ｐ側電極での光損失が大きいため、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１を薄くすることで導波路損失が増大する傾向が顕著である。しかしながら、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００では、ｐ側電極１１３での光損失を低減できるため、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１を薄くすることに伴う導波路損失の増大を抑制できる。
　また、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１を薄くした場合、光強度分布のピーク位置Ｐ１はｐ側ガイド層１０６へ近づく向きに移動するが、膜厚Ｔ１を５０ｎｍ以下とした場合であっても位置Ｐ１を１０ｎｍ以下（つまり、活性層１０５内）に維持できる。
　以上のことから、ｐ側電極１１３がＡｇからなりｎ側中間層１０３の不純物濃度Ｃｎを１×１０１８ｃｍ－３以上として、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔ１を１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下とすることで、動作電圧の低減、光閉じ込め係数の増大、導波路損失増大抑制、位置Ｐ１の活性層１０５内への制御をすべて実現できる。
　ｐ側電極１１３としてＡｇ合金、又は、Ａｌを使用したり、ＩＴＯなどの導電性酸化膜を使用したりする場合にも同様の効果が奏される。
　また、構成例２では、半導体積層体１００Ｓは、ＩｎＧａＮからなるｎ側ガイド層１０４、及び、ＩｎＧａＮからなるｐ側ガイド層１０６を有する。また、活性層１０５のバリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｎ側ガイド層１０４に最も近いバリア層１０５ａのＩｎ組成比は、ｎ側ガイド層１０４の最大Ｉｎ組成比以上であり、バリア層１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅのうちｐ側ガイド層１０６に最も近いバリア層１０５ｅのＩｎ組成比は、ｐ側ガイド層１０６の最大Ｉｎ組成比以上である。
　これにより、各バリア層の屈折率を各ガイド層の屈折率以上とすることができるため、活性層１０５への光閉じ込め係数をさらに増大させることができる。したがって発振しきい電流値と、漏れ電流とを低減でき、かつ、温度特性を向上させることができる。
　また、積層方向における光強度分布のピーク位置（Ｐ１）を活性層１０５に位置させる制御性を向上させることができるため、活性層１０５への光閉じ込め係数をさらに増大させることができる。
　［１－５．構成例３］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例３について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例３は、ｎ側中間層１０３、ｎ側ガイド層１０４、ｐ側ガイド層１０６、及びｐ側中間層１０７の構成において、構成例２の構成と相違する。以下、構成例３について、構成例２との相違点を中心に説明する。
　構成例３において、ｎ側中間層１０３は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた膜厚３０ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。ｐ側中間層１０７は、膜厚２０ｎｍのアンドープＧａＮ層である。また、構成例３では、ｐ側電極１１３は、膜厚２００ｎｍのＡｇ膜である。
　ｎ側ガイド層１０４は、膜厚Ｔｎ１のアンドープＩｎＸｉｎＧａ１－ＸｉｎＮ（０≦Ｘｉｎ＜１）層である。ｐ側ガイド層１０６は、膜厚Ｔｐ１のアンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ（０≦Ｘｉｐ＜１）層である。構成例３でも、構成例２と同様に、ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｉｐは、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に増加する。また、ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する。ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０．０４であり、ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０である。
　構成例３のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１及びｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図１４～図１８を用いて説明する。図１４、図１５、図１６、及び図１７は、それぞれ、構成例３のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。ここでは、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１との和が４４０ｎｍとなるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１に応じて、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１を変化させている。つまり、膜厚Ｔｎ１が２２０ｎｍの場合に、膜厚Ｔｎ１と膜厚Ｔｐ１とが等しく、膜厚Ｔｎ１が２２０ｎｍ未満の場合に、膜厚Ｔｎ１は、膜厚Ｔｐ１より小さく、膜厚Ｔｎ１が２２０ｎｍより大きい場合に、膜厚Ｔｎ１は、膜厚Ｔｐ１より大きい。
　図１８は、図１７の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。図１８においては、図１７に示される縦軸の範囲のうち、活性層１０５に対応する位置を含む範囲が拡大されて示されている。
　また、図１４～図１８の各々において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｙ１、Ｙ２、及びＹ３）の場合のグラフが示されている。分布例Ｙ１において、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０４で一様である。分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３においては、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎは、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に増加する。また、ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する。分布例Ｙ２において、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０であり、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０４である。分布例Ｙ３において、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０であり、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０５である。分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３では、ｎ側ガイド層１０４の積層方向におけるＩｎ組成比Ｘｉｎの変化率は一定である。
　図１４及び図１６に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、導波路損失を低減でき、かつ、実効屈折率差ΔＮを低減できる。ここで、リッジ幅Ｗが４５μｍ以上である場合、レーザ光の導波可能なモード数は、非常に多く、モード間の結合に起因する光強度分布形状の変動の影響を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性において、キンクが発生しにくい。したがって、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、発光効率が高く、水平放射角が狭い半導体レーザ素子１００を実現できる。
　図１５に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下にすることで、光閉じ込め係数を増大できる。なお、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３の場合のように、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１とが等しい構成において、光閉じ込め係数が最大となる。したがって、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１はｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下であってもよい。一方、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ１のように、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布が一様であり、分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３より、平均Ｉｎ組成比（つまり、平均屈折率）が大きい場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１は、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より小さくてもよい。これにより、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、分布例Ｙ３のように、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の最大値が、ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比の最大値より大きくてもよい。これにより、ｎ側ガイド層１０４の屈折率の最大値がｐ側ガイド層１０６の屈折率の最大値よりも大きくなる。ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比の方が、ｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比より大きい場合、積層方向における光強度分布が活性層１０５からｐ型クラッド層１１０に向かう向きに偏りやすくなるが、分布例Ｙ３においては、光強度分布のピーク位置を活性層１０５に制御しやすくなる。このため、導波路損失の増大を抑制しつつ、光閉じ込め係数を増大させることができる。
　また、図１７及び図１８に示される位置Ｐ１が活性層１０５内にある場合に、光閉じ込め係数を増大できる。図１８に示されるように、分布例Ｙ１においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１２１ｎｍ以上、２０５ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の２７．５％以上、４６．６％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図１８に示されるように、分布例Ｙ２においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１７２ｎｍ以上、２８２ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３９．１％以上、６４．１％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図１８に示されるように、分布例Ｙ３においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１５３ｎｍ以上、２５２ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３４．８％以上、５７．３％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、構成例３のｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３によれば、ｎ側ガイド層１０４とｎ側中間層１０３との界面におけるＩｎ組成比の差を低減できる。したがって、ｎ側ガイド層１０４とｎ側中間層１０３との界面付近に形成されるスパイク状の電位障壁を低減できる。これにより、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。また、分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３によれば、ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって増大するため、活性層１０５からｎ側ガイド層１０４より下方に正孔が漏れることを抑制できる。以上のことから、分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３によれば、低動作電圧、かつ、低動作電流の半導体レーザ素子１００を実現できる。
　［１－６．構成例４］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例４について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例４は、ｐ側電極１１３の構成において、構成例３と相違する。以下、構成例４について、構成例３との相違点を中心に説明する。
　構成例４では、ｐ側電極１１３は、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜とを有する。
　構成例４のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１及びｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図１９～図２３を用いて説明する。図１９、図２０、図２１、及び図２２は、それぞれ、構成例４のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。構成例３と同様に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１との和が４４０ｎｍとなるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１に応じて、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１を変化させている。
　図２３は、図２２の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。図２３においては、図２２に示される縦軸の範囲のうち、活性層１０５に対応する位置を含む範囲が拡大されて示されている。
　また、図１９～図２３の各々において、図１４～図１８と同様に、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｙ１、Ｙ２、及びＹ３）の場合のグラフが示されている。
　図１９及び図２１に示されるように、構成例３と同様に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、導波路損失を低減でき、かつ、実効屈折率差ΔＮを低減できる。また、リッジ幅Ｗが４５μｍ以上である場合、レーザ光の導波可能なモード数は、非常に多く、モード間の結合に起因する光強度分布形状の変動の影響を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性において、キンクが発生しにくい。したがって、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、発光効率が高く、水平放射角が狭い半導体レーザ素子１００を実現できる。
　さらに、構成例４では、ｐ側電極１１３が、透光性を有する導電性酸化膜であるＩＴＯ膜を有する。これにより、図１９に示されるように、構成例４では、構成例３より導波路損失をさらに低減できる。
　図２０に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下にすることで、光閉じ込め係数を増大できる。なお、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３の場合のように、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合に、すなわちｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各バンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する場合に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１とが等しい構成において、光閉じ込め係数が最大となる。したがって、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１はｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下であってもよい。一方、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ１のように、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布が一様であり、分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３より、平均Ｉｎ組成比（つまり、平均屈折率）が大きい場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１は、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より小さくてもよい。これにより、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、構成例３で述べたように、図２２及び図２３に示される位置Ｐ１が活性層１０５内にある場合に、光閉じ込め係数を増大できる。図２３に示されるように、分布例Ｙ１においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１２１ｎｍ以上、２０５ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の２７．５％以上、４６．６％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図２３に示されるように、分布例Ｙ２においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１７２ｎｍ以上、２８２ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３９．１％以上、６４．１％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図２３に示されるように、分布例Ｙ３においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１５３ｎｍ以上、２５２ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３４．８％以上、５７．３％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　［１－７．構成例５］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例５について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例５は、ｐ型クラッド層１１０の構成において、構成例３と相違する。以下、構成例５について、構成例３との相違点を中心に説明する。
　構成例５のｐ型クラッド層１１０は、膜厚１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２５０ｎｍ、又は３５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍの場合、ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１５０ｎｍの場合、ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　ｐ型クラッド層１１０の膜厚が２５０ｎｍの場合、ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　ｐ型クラッド層１１０の膜厚が３５０ｎｍの場合、ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　構成例５のｐ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図２４～図２７を用いて説明する。図２４、図２５、図２６、及び図２７は、それぞれ、構成例５のｐ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。
　図２４～図２７の各々において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｚ１、Ｚ２、及びＺ３）の場合のグラフが示されている。分布例Ｚ１において、構成例３の分布例Ｙ１と同様に、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０４で一様である。分布例Ｚ２、及び分布例Ｚ３においては、構成例３の分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３と同様に、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎは、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する。また、ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する。分布例Ｚ２において、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０であり、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０４である。分布例Ｚ３において、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０であり、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０５である。また、分布例Ｚ１及び分布例Ｚ３の場合には、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の膜厚は、それぞれ、１６０ｎｍ及び２８０ｎｍである。分布例Ｚ２の場合には、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の膜厚は、それぞれ、２００ｎｍ及び２４０ｎｍである。
　図２７に示されるように、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の場合、積層方向における光強度分布のピーク位置Ｐ１は、活性層１０５内に位置する。一方、図２４～図２６に示されるように、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が２５０ｎｍ以下の場合には、ｐ側電極１１３が、屈折率が低いＡｇからなるため、光閉じ込め係数は、増大するが、導波路損失が増大し、実効屈折率差ΔＮが低下する。この場合、分布例Ｚ１のように、ｎ側ガイド層１０４の平均屈折率をｐ側ガイド層１０６の平均屈折率より大きくしてもよい。これにより、図２４に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の平均屈折率がｐ側ガイド層１０６の平均屈折率以下である分布例Ｚ２及び分布例Ｚ３の場合より、導波路損失を低減できる。
　なお、上記比較例１のように、ｐ側電極が、Ａｇより大幅に屈折率が高いＰｄからなる半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層の膜厚が２５０ｎｍ以下である場合には、構成例５と比べて、ｐ側電極による光吸収に起因して導波路損失が大幅に増大する。ここで、Ａｇの屈折率は０．１６であり、Ｐｄの屈折率は１．３９である。
　［１－８．構成例６］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例６について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例６は、ｐ側電極１１３の構成において、構成例５と相違する。以下、構成例６について、構成例５との相違点を中心に説明する。
　構成例６では、ｐ側電極１１３は、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜とを有する。
　構成例６のｐ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図２８～図３１を用いて説明する。図２８、図２９、図３０、及び図３１は、それぞれ、構成例６のｐ型クラッド層１１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。
　図２８～図３１の各々において、図２４～図２７と同様に、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｚ１、Ｚ２、及びＺ３）の場合のグラフが示されている。
　図２８～図３１に示されるように、構成例６においても、構成例５と同様の特性が得られる。しかしながら、構成例６においては、図２８及び図３０に示されるように、構成例５と比べて、導波路損失を低減でき、かつ、実効屈折率差ΔＮを増大できる。また、図３０に示されるように、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍである場合にも、１．５×１０－３以上の実効屈折率差ΔＮを得られる。
　実効屈折率差ΔＮが１．０×１０－３以下である場合、半導体レーザ素子１００の導波特性が利得導波型の導波特性に近づくため、レーザ光の水平横モードの不安定化、及び発振しきい電流値の増大を招く。しかしながら、構成例６のように、ｐ側電極１１３が透光性を有する導電性酸化膜を有する場合には、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍ以上の範囲において、実効屈折率差ΔＮが１．５×１０－３以上となる。これにより、半導体レーザ素子１００の導波特性を屈折率導波型に維持できる。したがって、構成例６では、レーザ光の水平横モードの不安定化、及び発振しきい電流値の増大を抑制できる。
　［１－９．構成例７］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例７について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例７は、主にｎ側中間層１０３の構成において、構成例１と相違する。以下、構成例７について、構成例１との相違点を中心に説明する。
　構成例７では、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層である。構成例７の組成傾斜層は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に減少し、かつ、Ｉｎ組成比が単調に増加するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層である。すなわち、ｎ側中間層１０３のバンドギャップエネルギーが、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。組成傾斜層のＡｌ組成比Ｘｎｉは、ｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、Ｘｎ１であり、ｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０である。組成傾斜層のＩｎ組成比Ｙｎｉは、ｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、０であり、ｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０．０４である。ここで、Ａｌ組成比Ｘｎ１は、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比に等しい。構成例７では、組成傾斜層の積層方向におけるＡｌ組成比の変化率及びＩｎ組成比の変化率の各々は、一定である。また、構成例７では、組成傾斜層及びｎ型クラッド層１０２には、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされている。
　また、構成例７のｐ型クラッド層１１０は、膜厚３５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚２００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　構成例７の組成傾斜層の効果について、比較例２の半導体レーザ素子と比較しながら、図３２及び図３３を用いて説明する。図３２及び図３３は、それぞれ、比較例２及び構成例７のｎ型クラッド層１０２と、ｎ側ガイド層１０４との間の、積層方向における伝導帯の電位の分布を示すグラフである。図３２及び図３３には、フェルミ準位の積層方向における分布も破線で示されている。
　比較例２の半導体レーザ素子は、ｎ側中間層１０３を備えない点において、構成例７と相違し、その他の点において一致する。
　図３２に示されるように、比較例２においては、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間における伝導帯の電位差が大きいことに起因して、スパイク状の電位障壁が形成されている。この電位障壁のフェルミ準位からの高さ（つまり、フェルミ準位と電位障壁との電位差）は、０．２１ｅＶである。これに対して、構成例７では、ｎ側中間層１０３が組成傾斜層を有するため、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間における伝導帯の電位の変動を緩和できる。これにより、図３３に示されるように、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に形成されるスパイク状の電位障壁のフェルミ準位からの高さを０．０７４ｅＶに低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。
　なお、組成傾斜層は、例えば、アンドープＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ層であってもよいが、組成傾斜層がｎ型ＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ層である場合より、組成傾斜層とｎ型クラッド層１０２との界面近傍に形成される電位障壁が高くなる。そこで、電位障壁を低減するために、組成傾斜層の少なくともｎ型クラッド層１０２との界面近傍に不純物がドーピングされていてもよい。組成傾斜層及びｎ型クラッド層１０２にドーピングされる不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。これにより、電位障壁を低減できる。
　構成例７のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎ（つまり、組成傾斜層の膜厚）と半導体レーザ素子１００の動作電圧との関係について、図３４を用いて説明する。図３４は、構成例７のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎと半導体レーザ素子１００の動作電圧との関係を示すグラフである。図３４には、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比（つまり、ｎ側中間層１０３における最大Ａｌ組成比）Ｘｎ１が、０．１、０．０７５、０．０５５、０．０４５、及び０．０２６である各場合のグラフが示されている。なお、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６である構成例は、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比とｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比とが等しいため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の構成例には含まれない。ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６である構成例は、本実施の形態の比較例の一つである。
　図３４に示されるように、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６である場合には、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎを５ｎｍ以上とすることで、動作電圧をほぼ最小化できる。また、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０４５である場合には、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎを１０ｎｍ以上とすることで、動作電圧をほぼ最小化できる。また、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０５５である場合には、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎを１５ｎｍ以上とすることで、動作電圧をほぼ最小化できる。また、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．０７５である場合には、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎを２５ｎｍ以上とすることで、動作電圧をほぼ最小化できる。また、Ａｌ組成比Ｘｎ１が０．１である場合には、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎを３０ｎｍ以上とすることで、動作電圧をほぼ最小化できる。これらの結果から、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎは、以下の式（１）で表される膜厚Ｔｎｘ［ｎｍ］以上であってもよい。
　Ｔｎｘ＝３６０・Ｘｎ１－４．６７　　　（１）
　また、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２以上であってもよい。ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２以上であれば、膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２未満の場合より、動作電圧を低減できる。
　なお、構成例７では、ｎ側ガイド層１０４はアンドープであったが、濃度１×１０１７ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下の不純物がドーピングされていてもよい。これにより、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。
　［１－１０．構成例８］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例８について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例８は、ｎ側中間層１０３の構成において、構成例７と相違する。以下、構成例８について、構成例７との相違点を中心に説明する。
　構成例８では、構成例７と同様に、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層である。構成例８の組成傾斜層は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に減少するＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層（０≦Ｘｎｉ＜１）層と、当該ＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＮ層の上方に配置され、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、Ｉｎ組成比が単調に増加するＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層（０≦Ｙｎｉ＜１）層とを有する。組成傾斜層が有するＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層のＡｌ組成比Ｘｎｉは、ＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層のｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、Ｘｎ１であり、ＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層のｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０である。組成傾斜層が有するＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層のＩｎ組成比Ｙｎｉは、ＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層のｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、０であり、ＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層のｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０．０４である。ここで、Ａｌ組成比Ｘｎ１は、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比に等しい。構成例８では、ＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層の積層方向におけるＡｌ組成比の変化率、及び、ＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層の積層方向におけるＩｎ組成比の変化率の各々は、一定である。また、構成例８では、組成傾斜層及びｎ型クラッド層１０２には、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされている。また、組成傾斜層のＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ層及びＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層の各々の膜厚は、Ｔｎ／２である。ここで、Ｔｎは、ｎ側中間層１０３の膜厚である。
　構成例８においても、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に形成されるスパイク状の電位障壁を低減できる。なお、例えば、ｎ側中間層１０３のＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層は、アンドープであっても電位障壁を低減できるが、ＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層に不純物がドーピングされている場合より電位障壁が高くなる。そこで、電位障壁を低減するために、ＩｎＹｎｉＧａ１－ＹｎｉＮ層に不純物がドーピングされていてもよい。組成傾斜層及びｎ型クラッド層１０２にドーピングされる不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下であってもよい。これにより、電位障壁を低減できる。
　構成例８のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎ（つまり、組成傾斜層の膜厚）と半導体レーザ素子１００の動作電圧との関係について、図３５を用いて説明する。図３５は、構成例８のｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎと半導体レーザ素子１００の動作電圧との関係を示すグラフである。図３５には、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比（つまり、ｎ側中間層１０３における最大Ａｌ組成比）Ｘｎ１が、０．１、０．０７５、０．０５５、０．０４５、及び０．０２６である各場合のグラフが示されている。なお、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６である構成例は、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比とｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比とが等しいため、本実施の形態に係る半導体レーザ素子１００の構成例には含まれない。ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比Ｘｎ１が０．０２６である構成例は、本実施の形態の比較例の一つである。
　図３５に示されるように、構成例８においても、構成例７と同様に、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎは、上記式（１）で表される膜厚Ｔｎｘ［ｎｍ］以上であってもよい。これにより、動作電圧をほぼ最小化できる。また、ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２以上であってもよい。ｎ側中間層１０３の膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２以上であれば、膜厚Ｔｎが膜厚Ｔｎｘの１／２未満の場合より、動作電圧を低減できる。
　［１－１１．構成例９］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例９について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例９は、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の構成において、構成例７と相違し、その他の構成において一致する。以下、構成例９について、構成例７との相違点を中心に説明する。
　構成例９では、ｎ側ガイド層１０４は、膜厚Ｔｎ１のアンドープＩｎＸｉｎＧａ１－ＸｉｎＮ（０≦Ｘｉｎ＜１）層である。ｐ側ガイド層１０６は、膜厚Ｔｐ１のアンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ（０≦Ｘｉｐ＜１）層である。
　構成例９では、ｎ型クラッド層１０２のＡＬ組成比は、０．０５５である。また、ｎ型クラッド層１０２及びｎ側中間層１０３における不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ－３である。
　構成例９のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１及びｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図３６～図４０を用いて説明する。図３６、図３７、図３８、及び図３９は、それぞれ、構成例９のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。ここでは、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１との和が４４０ｎｍとなるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１に応じて、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１を変化させている。
　図４０は、図３９の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。図４０においては、図３９に示される縦軸の範囲のうち、活性層１０５に対応する位置を含む範囲が拡大されて示されている。
　また、図３６～図４０の各々において、構成例３などと同様に、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｙ１、Ｙ２、及びＹ３）の場合のグラフが示されている。
　図３６及び図３８に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、導波路損失を低減でき、かつ、実効屈折率差ΔＮを低減できる。ここで、リッジ幅Ｗが４５μｍ以上である場合、レーザ光の導波可能なモード数は、非常に多く、モード間の結合に起因する光強度分布形状の変動の影響を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性において、キンクが発生しにくい。したがって、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、発光効率が高く、水平放射角が狭い半導体レーザ素子１００を実現できる。
　図３７に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下にすることで、光閉じ込め係数を増大できる。なお、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３の場合のように、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合に、すなわち、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各バンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する場合に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１とが等しい構成において、光閉じ込め係数が最大となる。したがって、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１はｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下であってもよい。一方、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ１のように、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布が一様であり、分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３より、平均Ｉｎ組成比（つまり、平均屈折率）が大きい場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１は、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より小さくてもよい。これにより、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図３９及び図４０に示される位置Ｐ１が活性層１０５内にある場合に、光閉じ込め係数を増大できる。図４０に示されるように、分布例Ｙ１においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１１９ｎｍ以上、２００ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の２７．０％以上、４５．５％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図４０に示されるように、分布例Ｙ２においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１７０ｎｍ以上、２８０ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３８．６％以上、６３．６％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図４０に示されるように、分布例Ｙ３においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１５０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３４．１％以上、５６．８％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　［１－１２．構成例１０］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例１０について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例１０は、ｐ側電極１１３の構成において、構成例９と相違する。以下、構成例１０について、構成例９との相違点を中心に説明する。
　構成例１０では、ｐ側電極１１３は、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜とを有する。
　構成例１０のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１及びｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び積層方向における光強度分布のピーク位置との関係について図４１～図４５を用いて説明する。図４１、図４２、図４３、及び図４４は、それぞれ、構成例１０のｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、導波路損失、光閉じ込め係数、実効屈折率差ΔＮ、及び、光強度分布のピーク位置（Ｐ１）との関係を示すグラフである。構成例９と同様に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１との和が４４０ｎｍとなるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１に応じて、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１を変化させている。
　図４５は、図４４の縦軸の一部の範囲を拡大したグラフである。図４５においては、図４４に示される縦軸の範囲のうち、活性層１０５に対応する位置を含む範囲が拡大されて示されている。
　また、図４１～図４５の各々において、図３６～図４０と同様に、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎの３通りの分布例（Ｙ１、Ｙ２、及びＹ３）の場合のグラフが示されている。
　図４１及び図４３に示されるように、構成例９と同様に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、導波路損失を低減でき、かつ、実効屈折率差ΔＮを低減できる。また、リッジ幅Ｗが４５μｍ以上である場合、レーザ光の導波可能なモード数は、非常に多く、モード間の結合に起因する光強度分布形状の変動の影響を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の電流－光出力特性において、キンクが発生しにくい。したがって、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より大きくすることで、発光効率が高く、水平放射角が狭い半導体レーザ素子１００を実現できる。
　さらに、構成例１０では、ｐ側電極１１３が、透光性を有する導電性酸化膜であるＩＴＯ膜を有する。これにより、図４１に示されるように、構成例１０では、構成例９より導波路損失をさらに低減できる。
　図４２に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１をｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下にすることで、光閉じ込め係数を増大できる。なお、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３の場合のように、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合に、すなわち、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各バンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する場合に、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１と、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１とが等しい構成において、光閉じ込め係数が最大となる。したがって、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の各Ｉｎ組成比が、活性層１０５に近づくにしたがって単調に増加する場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１はｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１以下であってもよい。一方、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布例Ｙ１のように、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比の分布が一様であり、分布例Ｙ２、及び分布例Ｙ３より、平均Ｉｎ組成比（つまり、平均屈折率）が大きい場合には、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１は、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１より小さくてもよい。これにより、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図４４及び図４５に示される位置Ｐ１が活性層１０５内にある場合に、光閉じ込め係数を増大できる。図４５に示されるように、分布例Ｙ１においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１１９ｎｍ以上、２００ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の２７．０％以上、４５．５％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図４５に示されるように、分布例Ｙ２においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１７０ｎｍ以上、２８０ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３８．６％以上、６３．６％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　また、図４５に示されるように、分布例Ｙ３においては、ｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｐ１が１５０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以下である場合（つまり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚Ｔｎ１が、膜厚Ｔｎ１とｐ側ガイド層１０６の膜厚Ｔｎ１との和の３４．１％以上、５６．８％以下である場合）に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御できる。したがって、光閉じ込め係数を増大できる。
　［１－１３．構成例１１］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例１１について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例１１は、主に、活性層１０５の構成において、構成例１と相違する。以下、構成例１１について、構成例１との相違点を中心に説明する。
　構成例１１の活性層１０５は、単一量子井戸構造を有する。つまり、活性層１０５は、バリア層１０５ａと、バリア層１０５ａの上方に配置されるウェル層１０５ｂと、ウェル層１０５ｂの上方に配置されるバリア層１０５ｃとを有する。バリア層１０５ａは、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。ウェル層１０５ｂは、膜厚４．５ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層である。バリア層１０５ｃは、膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。このように、複数のバリア層１０５ａ、１０５ｃのうち、ｎ型クラッド層１０２に最も近いバリア層１０５ａは、ｐ型クラッド層１１０に最も近いバリア層１０５ｃより、膜厚が大きい。
　構成例１１のｎ型クラッド層１０２は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた膜厚１５００ｎｍのｎ型Ａｌ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層である。
　構成例１１のｎ側中間層１０３は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた膜厚３０ｎｍのｎ型の組成傾斜層である。構成例１１の組成傾斜層は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に減少し、かつ、Ｉｎ組成比が単調に増加するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層である。また、ｎ側中間層１０３のバンドギャップエネルギーが、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。組成傾斜層のＡｌ組成比Ｘｎｉは、ｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、０．０４５であり、ｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０である。組成傾斜層のＩｎ組成比Ｙｎｉは、ｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、０であり、ｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０．０４である。
　構成例１１のｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍ、又は、膜厚２００ｎｍのアンドープＩｎＸｉｎＧａ１－ＸｉｎＮ層である。
　構成例１１のｐ側ガイド層１０６は、膜厚２８０ｎｍ、又は、膜厚２４０ｎｍのアンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ層である。ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比Ｘｉｐは、構成例２などと同様に、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０．０４であり、ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０である。
　構成例１１のｐ型クラッド層１１０は、膜厚２５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　構成例１１において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ１と同様に０．０４で一様であり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が１６０ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２８０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．４ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、２．２×１０－３であり、位置Ｐ１は、１．５ｎｍであった。
　構成例１１において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ２と同様に、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、０から０．０４まで増加し、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が２００ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２４０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．５ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、３．３×１０－３であり、位置Ｐ１は、３．８ｎｍであった。
　構成例１１において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ３と同様に、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、０から０．０５まで増加し、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が２００ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２４０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．５ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、３．０×１０－３であり、位置Ｐ１は、１．５ｎｍであった。
　構成例１１においても、低い導波路損失と、大きい光閉じ込め係数とを実現できる。特に、構成例１１のような単一量子井戸構造を有する活性層１０５を備える半導体レーザ素子１００においては、活性層１０５への光閉じ込め係数が低くなる傾向にあるため、構成例１１のような光閉じ込め係数を増大できる構成の効果が特に顕著である。また、実効屈折率差ΔＮが２×１０－３以上、３×１０－３以下程度となるため、レーザ光の水平拡がり角を低減できる。
　なお、構成例１１では、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層であったが、膜厚３０ｎｍのｎ型ＧａＮ層であってもよい。
　また、構成例１１の活性層１０５が有する複数のバリア層１０５ａ、１０５ｃのうち、ｐ型クラッド層１１０に最も近いバリア層１０５ｃのバンドギャップエネルギーは、ｎ型クラッド層１０２に最も近いバリア層１０５ａのバンドギャップエネルギーより大きくてもよい。また、複数のバリア層１０５ａ、１０５ｃのうち、ｐ型クラッド層１１０に最も近いバリア層１０５ｃのＡｌ組成比は、ｎ型クラッド層１０２に最も近いバリア層１０５ａのＡｌ組成比より大きくてもよい。
　［１－１４．構成例１２］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例１２について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例１２は、ｐ側電極１１３の構成において、構成例１１と相違する。以下、構成例１２について、構成例１１との相違点を中心に説明する。
　構成例１２では、ｐ側電極１１３は、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜とを有する。
　構成例１２において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ１と同様に０．０４で一様であり、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が１６０ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２８０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．１ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、２．４×１０－３であり、位置Ｐ１は、１．６ｎｍであった。
　構成例１２において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ２と同様に、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、０から０．０４まで増加し、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が２００ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２４０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．１ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、３．５×１０－３であり、位置Ｐ１は、４．０ｎｍであった。
　構成例１２において、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎが、構成例３の分布例Ｙ３と同様に、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、０から０．０５まで増加し、ｎ側ガイド層１０４の膜厚が２００ｎｍであり、ｐ側ガイド層１０６の膜厚が２４０ｎｍである場合の半導体レーザ素子１００の特性について説明する。この場合、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、３．５ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．２％であり、実効屈折率差ΔＮは、３．０×１０－３であり、位置Ｐ１は、１．５ｎｍであった。
　構成例１２においても、低い導波路損失と、大きい光閉じ込め係数とを実現できる。特に、構成例１２のような単一量子井戸構造を有する活性層１０５を備える半導体レーザ素子１００においては、活性層１０５への光閉じ込め係数が低くなる傾向にあるため、構成例１２のような光閉じ込め係数を増大できる構成の効果が特に顕著である。また、実効屈折率差ΔＮが２×１０－３以上、３×１０－３以下程度となるため、レーザ光の水平拡がり角を低減できる。さらに、構成例１２では、ｐ側電極１１３が透光性を有する導電性酸化膜であるＩＴＯ膜を有するため、構成例１１より、さらに導波路損失を低減できる。
　なお、構成例１１では、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層であったが、膜厚３０ｎｍのｎ型ＧａＮ層であってもよい。
　［１－１５．構成例１３］
　本実施の形態の半導体レーザ素子１００の構成例１３について説明する。半導体レーザ素子１００の構成例１３は、波長５３０ｎｍ帯のレーザ光を出射する構成例である。構成例１３において、ｎ型クラッド層１０２は、膜厚１０００ｎｍのｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層であり、ｎ側中間層１０３は、膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。ｎ型クラッド層１０２、及びｎ側中間層１０３には、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされている。ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１８０ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　バリア層１０５ａ、１０５ｃの各々は、膜厚７ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層であり、バリア層１０５ｅは、膜厚５ｎｍのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層である。ウェル層１０５ｂ、１０５ｄの各々は、膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層１０６は、膜厚２６０ｎｍのアンドープＩｎＸｉｐＧａ１－ＸｉｐＮ層である。ｐ側ガイド層１０６のＩｎ組成比は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。また、ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、単調に増加する。ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０．０３であり、ｐ側ガイド層１０６の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｐは、０である。構成例１３では、ｐ側ガイド層１０６の積層方向におけるＩｎ組成比の変化率は一定である。
　ｐ側中間層１０７は、膜厚２０ｎｍのＧａＮ層である。ｐ側中間層１０７は、膜厚１７ｎｍのアンドープＧａＮ層と、当該ＧａＮ層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｎ型ＧａＮ層とを有する。
　電子障壁層１０８は、濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層１１０は、膜厚２５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層とを有する。コンタクト層１１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　また、構成例１３では、リッジ幅Ｗは、４５μｍであり、共振器長は、１２００μｍである。リッジ１１０Ｒの下端と、電子障壁層１０８との間の距離ｄｃは、４０ｎｍである。
　構成例１３において、ｐ側電極１１３が膜厚２００ｎｍのＡｇ膜である場合には、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、５．３ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．１８％であり、実効屈折率差ΔＮは、４．２×１０－３であり、位置Ｐ１は、１．１ｎｍであった。
　構成例１３において、ｐ側電極１１３が膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＰｄとを有する場合には、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、４．９ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．１５％であり、実効屈折率差ΔＮは、５．５×１０－３であり、位置Ｐ１は、２．７ｎｍであった。
　このようにｐ側電極１１３が透光性を有する導電性酸化膜であるＩＴＯを有することで、導波路損失を低減できる。構成例１３においては、ｐ型クラッド層１１０の膜厚は、２５０ｎｍであったが、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍである場合でも、導波路損失を低減できる。また、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が１００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下である場合に、位置Ｐ１を活性層１０５内に制御することができる。
　構成例１３において、ｐ側電極１１３が膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜と、当該ＩＴＯ膜の上方に配置される膜厚２００ｎｍのＡｇ膜とを有する場合には、半導体レーザ素子１００の導波路損失は、４．７２ｃｍ－１であり、光閉じ込め係数は、１．１５％であり、実効屈折率差ΔＮは、５．５×１０－３であり、位置Ｐ１は、２．８ｎｍであった。このように、ｐ側電極１１３が、ＩＴＯ膜と、Ａｇ膜とを有することで、さらに導波路損失を低減できる。また、上述したように、ｐ側電極１１３がＡｇ膜を有することで、活性層１０５へ自然放出光をフィードバックする効果を高めることができる。したがって、発振しきい電流値を低減する効果、及び、量子効率増大によるスロープ効率を高める効果を得ることができる。特に、５３０ｎｍ帯のレーザ光を出射する半導体レーザ素子１００においては、活性層１０５への光閉じ込め係数の低下に伴い、温度特性が低下する傾向にあるため、このような効果が特に有効である。
　構成例１３のように、各バリア層がＩｎを含むことで、光強度分布がｐ型クラッド層１１０へ拡がることを抑制できる。このため、光閉じ込め係数を増大でき、かつ、導波路損失を低減できる。また、構成例１３のように、ｐ側ガイド層１０６の膜厚をｎ側ガイド層１０４の膜厚より厚くすることで、光強度分布がｐ型クラッド層１１０へ拡がることをさらに抑制できる。このため、光閉じ込め係数をさらに増大でき、かつ、導波路損失をさらに低減できる。
　また、構成例１３の活性層１０５の構成は、上述した構成に限定されない。例えば、各バリア層の組成をＧａＮとしてもよい。これにより、半導体積層体１００Ｓにおける引っ張り応力を低減できるため、半導体積層体１００Ｓの結晶性を改善できる。また、各バリア層の組成をＧａＮとすることで、各ウェル層における電子の各量子準位のエネルギーと、各バリア層の伝導帯のエネルギー（電位）との差、及び、各ウェル層における正孔の各量子準位のエネルギーと、各バリア層の価電子帯のエネルギーとの差を増大できる。これにより、各ウェル層から、各ガイド層へ電子又は正孔が漏れることを抑制できる。
　さらに、各バリア層の組成をＧａＮとする場合、活性層１０５は、各ウェル層と各バリア層との間に配置される中間バリア層を有してもよい。このような、活性層１０５の構成について、図４６を用いて説明する。図４６は、構成例１３の活性層１０５のバンドギャップエネルギー分布の一例を示す模式的なグラフである。図４６の横軸は、活性層１０５の積層方向位置を示し、縦軸はバンドギャップエネルギーを示す。
　図４６に示されるように、活性層１０５は、中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊを有してもよい。中間バリア層１０５ｉは、バリア層１０５ａとウェル層１０５ｂとの間に配置される層である。中間バリア層１０５ｉのバンドギャップエネルギーは、バリア層１０５ａのバンドギャップエネルギーより低く、ウェル層１０５ｂのバンドギャップエネルギーより高い。中間バリア層１０５ｊは、バリア層１０５ｃとウェル層１０５ｄとの間に配置される層である。中間バリア層１０５ｊのバンドギャップエネルギーは、バリア層１０５ｃのバンドギャップエネルギーより低く、ウェル層１０５ｄのバンドギャップエネルギーより高い。
　ここで、中間バリア層のバンドギャップエネルギーをバリア層のバンドギャップエネルギーの大きさに近づけすぎると、中間バリア層の屈折率が小さくなり、ウェル層への光閉じ込め係数が小さくなる。また、中間バリア層のバンドギャップエネルギーをウェル層のバンドギャップエネルギーの大きさに近づけすぎると、実質的にＩｎ組成比の大きいウェル層が厚くなるため結晶性の低下を招く恐れがある。そこで、中間バリア層のバンドギャップエネルギーの平均値をＥｇｍで表し、当該中間バリア層に接するバリア層及びウェル層の平均バンドギャップエネルギーを、それぞれＥｇｂ、及び、Ｅｇｗで表すと、中間バリア層のバンドギャップエネルギーの平均値Ｅｇｍは、Ｅｇｗ＋（Ｅｇｂ－Ｅｇｗ）×０．３以上、Ｅｇｗ＋（Ｅｇｂ－Ｅｇｗ）×０．７以下であってもよい。バリア層、中間バリア層、及びウェル層の各々がＩｎＧａＮからなる場合、それぞれの層の平均Ｉｎ組成比をそれぞれＩｎｂ、Ｉｎｍ、及びＩｎｗで表すと、Ｉｎｍは、Ｉｎｂ＋（Ｉｎｗ－Ｉｎｂ）×０．３以上、Ｉｎｂ＋（Ｉｎｗ－Ｉｎｂ）×０．７以下であってもよい。中間バリア層の厚さが薄くなりすぎるとウェル層への光閉じ込め係数の増大効果が小さく、厚くなりすぎると、Ｉｎ組成比の大きい領域が厚くなるため結晶性の低下を招く恐れがある。そこで、中間バリア層の膜厚は、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であればよい。中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊとして、膜厚１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下のアンドープＩｎ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層などを用いることができる。
　活性層１０５がこれらの中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊを有することで、活性層１０５の屈折率を高めることができる。したがって、活性層１０５への光閉じ込め係数を増大でき、積層方向における光強度分布のピーク位置（Ｐ１）を活性層１０５内に制御することができる。また、中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊは、ｎ側からｐ側に向かってバンドギャップエネルギーが単調減少するように変化させてもよい。このような構成により、ウェル層１０５ｂ、１０５ｄの伝導帯で形成される電子の基底量子準位の波動関数における振幅が最大となる積層方向における位置と、価電子帯で形成される正孔の基底量子準位の波動関数における振幅が最大となる積層方向における位置とを近づけることができる。このため、電子と正孔との基底量子準位同士の相関係数が増大し、増幅利得を向上させることができる。これにより、発振しきい電流値を低減することができる。この場合、前述と同様に、中間バリア層のバンドギャップエネルギーの平均値をＥｇｍで表し、当該中間バリア層に接するバリア層及びウェル層の平均バンドギャップエネルギーを、それぞれＥｇｂ、及び、Ｅｇｗで表すと、中間バリア層のバンドギャップエネルギーの平均値Ｅｇｍは、Ｅｇｗ＋（Ｅｇｂ－Ｅｇｗ）×０．３以上、Ｅｇｗ＋（Ｅｇｂ－Ｅｇｗ）×０．７以下であってもよい。バリア層、中間バリア層、及びウェル層の各々がＩｎＧａＮからなる場合、それぞれの層の平均Ｉｎ組成比をそれぞれＩｎｂ、Ｉｎｍ、及びＩｎｗで表すと、Ｉｎｍは、Ｉｎｂ＋（Ｉｎｗ－Ｉｎｂ）×０．３以上、Ｉｎｂ＋（Ｉｎｗ－Ｉｎｂ）×０．７以下であってもよい。
　また、半導体レーザ素子１００が４５５ｎｍ帯より長い波長帯のレーザ光を出射する場合、各ウェル層のＩｎ組成比が高くなるため、半導体積層体１００Ｓの結晶性が悪化する傾向にある。このような場合においても、活性層１０５が中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊを有することで、中間バリア層１０５ｉ、１０５ｊとウェル層１０５ｂ、１０５ｄの格子定数の差の方が、バリア層１０５ａ、バリア層１０５ｃとウェル層１０５ｂ、１０５ｄの格子定数の差の方より小さくなるため、結晶成長が容易となり半導体積層体１００Ｓの結晶性を改善することが可能となる。
　また、活性層１０５は、単一量子井戸構造を有してもよい。単一量子井戸構造を有する活性層１０５を備える半導体レーザ素子１００においては、活性層１０５への光閉じ込め係数が低くなる傾向にあるため、上述した光閉じ込め係数を増大できる構成の効果が特に顕著である。
　構成例１３において、基板１０１は、ＡｌＧａＮからなってもよい。ＡｌＧａＮからなる基板１０１を用いる場合の効果について、ＧａＮからなる基板１０１を用いる場合と比較しながら、図４７～図５０を用いて説明する。図４７及び図４８は、それぞれ、構成例１３においてＧａＮからなる基板１０１を用いる場合の積層方向位置と、光強度分布及び積分応力との関係を示すグラフである。図４９及び図５０は、それぞれ、構成例１３においてＡｌＧａＮからなる基板１０１を用いる場合の積層方向位置と、光強度分布及び積分応力との関係を示すグラフである。図４７には、ｎ型クラッド層１０２の膜厚が１μｍ、２μｍ、及び３μｍである各場合のグラフが示されている。図４８には、ｎ型クラッド層１０２の膜厚が２．３μｍである各場合のグラフが示されている。図４９及び図５０には、ｎ型クラッド層１０２の膜厚が１μｍである各場合のグラフが示されている。
　図４８及び図５０に示される積分応力は、半導体積層体１００Ｓにおける、基板１０１より格子定数が小さい層に生じる引っ張り応力の値を負の値で表し、基板１０１より格子定数が大きい層に生じる圧縮応力の値を正の値で表す場合、半導体積層体に加わる応力を積層方向に積分した積分値である。つまり、積分応力の絶対値が大きいほど半導体積層体１００Ｓに加わる応力が大きく、積分応力が負の値である場合、半導体積層体１００Ｓに引っ張り応力が加わっていることを示し、積分応力が正の値である場合、半導体積層体１００Ｓに圧縮応力が加わっていることを示す。
　ＧａＮからなる基板１０１を用いる場合には、５３０ｎｍ帯の波長を有するレーザ光が半導体レーザ素子の導波路を伝搬する導波モードに対する実効屈折率より、基板１０１の屈折率の方が高いため、光が基板１０１に到達すると、光が基板１０１内を伝搬する。このため、基板１０１への漏れ光が発生する。これに伴い、発光効率が低下し、電流－光出力特性にキンクが生じる。このような基板１０１への漏れ光を抑制するためには、基板１０１とｎ型クラッド層１０２との界面における光強度を、ピークの光強度の１０－６倍以下に抑制する必要がある。このような光強度分布を実現するためには、構成例１３においてｎ型クラッド層１０２の膜厚を２．３μｍ以上とする必要がある。この場合、図４８に示されるように、この場合、半導体積層体１００Ｓ全体に蓄積される積分応力は－１０３３Ｐａ・ｍとなる。この場合、基板１０１の母材であるウェハに半導体積層体１００Ｓを積層する際、及び、積層した後に、ウェハの割れ、及び、半導体積層体１００Ｓにおける格子欠陥が発生し得る。
　これに対して、レーザ光の導波モードに対する実効屈折率よりも小さい屈折率を有するＡｌＧａＮからなる基板１０１を用いる場合には、基板１０１への漏れ光の発生を抑制できる。構成例１３においては、Ａｌ組成比０．０３５以上であるＡｌＧａＮからなる基板１０１を用いることで、基板１０１への漏れ光の発生を抑制できる。
　さらに、ＡｌＧａＮからなる基板１０１を用いることで、基板１０１と、各クラッド層などとの格子定数の差を低減できるため、半導体積層体１００Ｓ全体に蓄積される積分応力は２５８．３Ｐａ・ｍとなる。したがって、ウェハの割れ、格子欠陥の発生を抑制することができる。
　ｎ型クラッド層１０２を薄くしすぎると、基板１０１が積層方向の光強度分布に与える影響が大きくなるため、ｎ型クラッド層１０２厚は０．５μｍ以上であってもよい。
　また、ＡｌＧａＮからなる基板１０１のＡｌ組成比をｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比の５０％以上、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成比以下としてもよい。これにより、基板１０１とｎ型クラッド層１０２との界面の伝導帯バンド構造で生じるピエゾ分極電荷に起因するスパイク状の電位障壁を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１００の動作電圧の増大を抑制しつつ、基板１０１の屈折率を導波モードに対する実効屈折率よりも小さくすることができる。
　（実施の形態２）
　実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、主に、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が薄い点、及び、リッジの下端が、電子障壁層より下方に位置する点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００との相違点を中心に図５１を用いて説明する。
　図５１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の全体構成を示す模式的な断面図である。図５１においては、図２と同様に半導体レーザ素子２００のレーザ光の出射方向に垂直な断面が示されている。
　図５１に示されるように、半導体レーザ素子２００は、基板１０１と、半導体積層体２００Ｓと、電流ブロック層１１２と、ｐ側電極１１３と、ｎ側電極１１４とを備える。
　半導体積層体２００Ｓには、上方に向かって突出するリッジ１１０Ｒが形成されている。また、半導体積層体１００Ｓには、リッジ１１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延在する二つの溝１１０Ｔ、及び、上方に向かって突出する二つの突出部１１０Ｐが形成されている。リッジ１１０Ｒと一方の突出部１１０Ｐとの間に一方の溝１１０Ｔが配置され、リッジ１１０Ｒと他方の突出部１１０Ｐとの間に他方の溝１１０Ｔが配置される。
　半導体積層体２００Ｓは、ｎ型クラッド層１０２と、ｎ側中間層１０３と、ｎ側ガイド層１０４と、活性層１０５と、ｐ側ガイド層１０６と、ｐ側中間層２０７と、電子障壁層１０８と、ｐ型クラッド層１１０と、コンタクト層１１１とを有する。本実施の形態では、半導体積層体１００Ｓは、窒化物半導体からなる。
　ｎ型クラッド層１０２は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた膜厚１５００ｎｍのＡｌ０．０５５Ｇａ０．９４５Ｎ層である。
　ｎ側中間層１０３は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた膜厚３０ｎｍのＧａＮ層である。なお、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層であってもよい。
　ｎ側ガイド層１０４は、膜厚１６０ｎｍのＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。なお、ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比は、上述した分布例Ｙ２及び分布例Ｙ３のように分布していてもよい。
　活性層１０５及びｐ側ガイド層１０６は、それぞれ、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００の構成例１の活性層１０５及びｐ側ガイド層１０６と同様の構成を有する。
　ｐ側中間層２０７は、ｐ側ガイド層１０６と電子障壁層１０８との間に配置される半導体層である。ｐ側中間層２０７のバンドギャップエネルギーは、ｐ側ガイド層１０６のバンドギャップエネルギー以上であり、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギー以下である。本実施の形態では、ｐ側中間層２０７のバンドギャップエネルギーは、ｐ型クラッド層１１０のバンドギャップエネルギー以下である。本実施の形態では、ｐ側中間層２０７は、膜厚２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、当該ＧａＮ層の上方に配置される膜厚５０ｎｍのアンドープＡｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　電子障壁層１０８は、濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１０ｎｍのｐ型ＡｌＸｅｂＧａ１－ＸｅｂＮ層である。本実施の形態では、電子障壁層１０８は、膜厚７ｎｍの下層と、下層の上方に配置される膜厚３ｎｍの上層とを有する。下層は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に増加するｐ型ＡｌＸｅｂＧａ１－ＸｅｂＮ層である。下層の活性層１０５に近い方の端面においては、Ａｌ組成比Ｘｅｂは０．０２６であり、活性層１０５から遠い方の端面においては、Ａｌ組成比Ｘｅｂは０．２である。上層は、活性層１０５から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に減少するｐ型ＡｌＸｅｂＧａ１－ＸｅｂＮ層である。上層の活性層１０５に近い方の端面においては、Ａｌ組成比Ｘｅｂは０．２であり、活性層１０５から遠い方の端面においては、Ａｌ組成比Ｘｅｂは０．０２６である。
　ｐ型クラッド層１１０は、膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０２６Ｇａ０．９７４Ｎ層とを有する。
　コンタクト層１１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　ｐ側電極１１３は、Ａｇ、Ａｇ合金、及びＡｌの少なくとも一つからなる。
　図５１に示されるように、本実施の形態に係るリッジ１１０Ｒの下端は、電子障壁層１０８より下方に位置する。本実施の形態では、リッジ１１０Ｒの下端は、ｐ側中間層２０７に位置する。このように、電子障壁層１０８は、リッジ１１０Ｒの内部に位置する。
　本実施の形態のようにｐ型クラッド層１１０の膜厚が１５０ｎｍ以下の場合には、実効屈折率差ΔＮが１．５×１０－３以下となり、キンク発生リスクがある。このため、本実施の形態では、リッジ１１０Ｒを電子障壁層１０８の下方にまで形成することで、実効屈折率差ΔＮを向上させている。
　ｐ側中間層２０７のうち、組成が均一であるＧａＮ層にリッジ１１０Ｒの下端を位置させることで、実効屈折率差ΔＮの水平面内（図５１のＸＹ平面に平行な面内）での均一性を向上させることができる。ｐ側中間層２０７のＧａＮ層の膜厚を厚くすれば、リッジ１１０Ｒの下端を当該ＧａＮ層に形成しやすくなるが、ＧａＮ層の膜厚を厚くしすぎると、積層方向における光閉じ込め作用が弱まり、導波路損失の増大を招く。
　そこで、ｐ側中間層２０７のＧａＮ層と電子障壁層１０８との間にＡｌ組成比が一定の値を有するＡｌＧａＮ層を形成し、当該ＡｌＧａＮ層内にリッジ１１０Ｒの下端を位置させるようにすれば積層方向における光閉じ込め作用を弱めることなくリッジ１１０Ｒの下端の位置を容易に制御できる。このとき、ｐ側中間層２０７のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比はｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比以下としてもよい。これにより、動作電圧の増大を抑制できる。
　なお、本実施の形態では、ｐ側中間層２０７は、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を有するが、ＧａＮ層、及び、ＡｌＧａＮ層の一方だけを有してもよい。
　本実施の形態では、ｐ側電極１１３が、屈折率の低いＡｇ、Ａｇ合金、及びＡｌの少なくとも一つからなる。これにより、ｐ型クラッド層１１０の膜厚が薄くしても導波路損失の増大を抑制することができる。
　リッジ１１０Ｒの内部に最大Ａｌ組成比がｐ型クラッド層１１０の平均Ａｌ組成比より０．２３４以上大きい値であるＡｌ組成比０．２６以上の電子障壁層１０８を配置すると、電子障壁層１０８のバンドギャップエネルギーが大きいため、リッジ１１０Ｒの側壁からの電流の漏れが発生しやすくなる。これを抑制するためには、電子障壁層１０８の最大Ａｌ組成比をｐ型クラッド層１１０の平均Ａｌ組成比より０．２１９大きい値（０．２４５）以下とし、かつ、電子障壁層１０８が、活性層１０５から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に増加する、膜厚７ｎｍ以上のＡｌ組成傾斜部を有してもよい。電子障壁層１０８の最大Ａｌ組成比が低くなると活性層１０５からｐ型クラッド層１１０へ漏れる電子の発生を抑制できないため、半導体レーザ素子２００の温度特性が劣化する。このため、電子障壁層１０８の最大Ａｌ組成比は、ｐ型クラッド層１１０の平均Ａｌ組成比より０．１以上大きくてもよい。
　本実施の形態では、上述したとおり、電子障壁層１０８の下層のｐ側中間層２０７との界面のＡｌ組成比を、ｐ側中間層２０７のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比と等しくし、下層のＡｌ組成比を活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に増加させている。また、電子障壁層１０８の上層と下層との界面のＡｌ組成比を、等しくし、かつ、電子障壁層１０８の上層のｐ型クラッド層１１０との界面のＡｌ組成比を、ｐ型クラッド層１１０のＡｌ組成比と等しくしている。さらに、上層のＡｌ組成比を活性層１０５から遠ざかるにしたがって単調に減少させている。
　これにより、電子障壁層１０８のｐ側中間層２０７との界面近傍に形成されるピエゾ分極電荷が下層全体に分散され、価電子帯に形成される正孔に対する電位障壁が小さくなるため動作電圧が低減される。さらに電子障壁層１０８にはＡｌ組成比が０．２６以上である高Ａｌ組成領域がないため、電子障壁層１０８の価電子帯に形成される正孔に対する電位障壁が小さくなる。したがって、電子障壁層１０８のリッジ１１０Ｒの側面からの電流の漏れを抑制できる。
　なお、本実施の形態において、ｐ側電極１１３が、透光性を有するＩＴＯなどの導電性酸化膜を有してもよい。これにより、導波路損失を低減できる。
　なお、実施の形態１と実施の形態２とにおいて、ｎ側ガイド層１０４がアンドープの場合、及び、ｎ側ガイド層１０４に不純物がドーピングされている場合を示したが、ｎ側ガイド層１０４に、濃度１×１０１７ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下の不純物がドーピングされていてもよい。これにより、半導体レーザ素子１００の動作電圧を低減できる。特にｎ側ガイド層１０４がｎ型ＩｎＧａＮからなり、活性層１０５に近づくにしたがってＩｎ組成比が高くなるＩｎ組成傾斜層である場合にさらに動作電圧を低減できる。このようなＩｎ組成傾斜層の効果、及び、ｎ側中間層１０３の効果について、図５２～図５７を用いて説明する。図５２及び図５３は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例１における伝導帯及び価電子帯の電位の分布を示すグラフである。図５４及び図５５は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例２における伝導帯及び価電子帯の電位の分布を示すグラフである。図５６及び図５７は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例３における伝導帯及び価電子帯の電位の分布を示すグラフである。図５２、図５４、及び図５６には、電子のフェルミ準位も併せて長い破線で示されている。図５３、図５５、及び図５７には、正孔のフェルミ準位も併せて長い破線で示されている。また、図５２～図５７には、各半導体層の境界に相当する積層方向位置に短い破線が示されている。
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例１は、ｎ側中間層１０３及びｎ側ガイド層１０４の構成において、上述した本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成と相違する。
　構成例１のｎ側中間層１０３は、組成傾斜層である。構成例１のｎ側中間層１０３は、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、Ａｌ組成比が単調に減少する膜厚１０ｎｍのｎ型ＡｌＸｎｉＧａ１－ＸｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１）層である。ｎ側中間層１０３のバンドギャップエネルギーが、ｎ型クラッド層１０２から遠ざかるにしたがって、単調に減少する。ｎ側中間層１０３のＡｌ組成比Ｘｎｉは、ｎ型クラッド層１０２に近い方の端面において、０．０５５であり、ｎ型クラッド層１０２から遠い方の端面においては、０である。ｎ側中間層１０３には、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされている。
　構成例１のｎ側ガイド層１０４は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた、膜厚１６０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例２は、ｎ側ガイド層１０４の構成において、構成例１と相違する。
　構成例２のｎ側ガイド層１０４は、濃度１×１０１８ｃｍ－３のＳｉがドーピングされた、膜厚１６０ｎｍのｎ型ＩｎＸｉｎＧａ１－ＸｉｎＮ（０≦Ｘｉｎ＜１）層である。ｎ側ガイド層１０４のＩｎ組成比Ｘｉｎは、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に増加する。ｎ側ガイド層１０４のバンドギャップエネルギーが、活性層１０５に近づくにしたがって、単調に減少する。ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５から遠い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０であり、ｎ側ガイド層１０４の活性層１０５に近い方の端面においては、Ｉｎ組成比Ｘｉｎは、０．０４である。
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子２００の構成例３は、ｎ側中間層１０３を備えない点において構成例２と相違する。
　構成例１のように、ｎ側ガイド層１０４の組成が一様である場合には、図５３に示されるように、ｎ側ガイド層１０４における価電子帯の電位が一定であるため、正孔が活性層１０５からｎ型クラッド層１０２へ漏れやすい。これに対して、構成例２（及び構成例３）のように、ｎ側ガイド層１０４をＩｎ組成傾斜層とし、ｎ側ガイド層１０４にｎ型の導電性を示す不純物を濃度４×１０１７ｃｍ－３以上の範囲でドーピングすると、図５５（及び図５７）に示されるように、ｎ側ガイド層１０４の価電子帯の電位が、活性層１０５に近づくにしたがって高くなる。言い換えると、ｎ側ガイド層１０４の価電子帯の電位が活性層から遠ざかるにしたがって低下するため、ｎ側ガイド層１０４は、活性層１０５に注入された正孔がｎ型クラッド層１０２側へ漏れにくくする電位障壁として機能する。これにより、上述した動作電圧を低減できる効果に加えて、正孔の漏れ電流を低減し発光効率を改善する効果が奏される。この効果の大きさは、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ－３以上でほぼ一定となる（つまり飽和する）。このため、ｎ側ガイド層１０４には、ｎ型の導電性を示す不純物を濃度４×１０１７ｃｍ－３以上、２×１０１８ｃｍ－３以下の範囲でドーピングしてもよい。このような正孔の漏れ電流低減による発光効率を改善する効果は、漏れ電流が生じやすい単一量子井戸構造の場合により高まる。
　また、構成例２のように、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に、組成傾斜層であるｎ側中間層１０３を備えることで、ｎ側中間層１０３を備えない構成例３と比べて、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に形成される伝導帯の電位障壁を低減できる（図５４及び図５６参照）。したがって、動作電圧を低減できる。
　この伝導帯の電位障壁を低減できる効果は、構成例１のようにｎ側ガイド層１０４の組成が一様である場合より、構成例２のようにｎ側ガイド層１０４がＩｎ組成傾斜層である場合の方が大きい。このため、図５２及び図５４に示されるように、構成例１より構成例２の方が、ｎ型クラッド層１０２とｎ側ガイド層１０４との間に形成される伝導帯の電位障壁が小さくなり、より一層動作電圧を低減できる。このような伝導帯の電位障壁を低減できる効果は、ｎ側ガイド層１０４をＩｎ組成傾斜層とすることでピエゾ分極電荷がｎ側ガイド層１０４全体に分散されて形成されることで得られる。ピエゾ分極電荷がｎ側ガイド層１０４全体に分散されることで、ｎ側中間層１０３とｎ側ガイド層１０４との界面付近にピエゾ分極電荷が集中することに起因する、伝導帯の電位変化の界面への集中を抑制できる。
　なお、構成例１及び構成例２において、ｎ側中間層１０３は、組成傾斜層と、ｎ側ガイド層１０４との間に配置される膜厚１００ｎｍ以下のｎ型ＧａＮ層をさらに備えてもよい。ただし、この場合、ｎ型ＧａＮ層の膜厚が厚くなると、活性層１０５とｎ型クラッド層１０２との間の距離が大きくなるため、光閉じ込め係数が低下する。このため、ｎ型ＧａＮ層は薄い方がよく、例えば、ｎ型ＧａＮ層の膜厚は３０ｎｍ以下であってもよい。
　構成例１～構成例３において、ｎ型クラッド層１０２及びｎ側ガイド層１０４の不純物濃度は同一であったが、ｎ型クラッド層１０２は、ｎ側ガイド層１０４と比較して活性層１０５から離れているため、ｎ型クラッド層１０２の不純物濃度は、ｎ側ガイド層１０４の不純物濃度より高くてもよい。この場合、積層方向における光強度分布において、ｎ型クラッド層１０２における光強度は、ｎ側ガイド層１０４における光強度よりも小さくなる。このため、ｎ型クラッド層１０２に不純物をドーピングすることによるフリーキャリア損失の影響を抑制でき、かつ、ｎ型クラッド層１０２の抵抗値を低減できる。したがって、発光効率の低下を抑制しつつ、動作電圧を低減することができる。
　また、実施の形態１及び実施の形態２において、各バリア層のＩｎ組成比が、ｎ側ガイド層１０４及びｐ側ガイド層１０６の最大Ｉｎ組成比よりも高い例を示したが、各バリア層の構成はこれに限定されない。例えば、基板１０１に最も近いバリア層のＩｎ組成比は、ｎ側ガイド層１０４の最大Ｉｎ組成比以上であればよく、ｐ型クラッド層１１０に最も近いバリア層のＩｎ組成比はｐ側ガイド層１０６の最大Ｉｎ組成比以上であればよい。このような構成により、基板１０１に最も近いバリア層の屈折率がｎ側ガイド層１０４の最大屈折率以上となり、ｐ型クラッド層１１０に最も近いバリア層の屈折率がｐ側ガイド層１０６の最大屈折率以上となる。このため、積層方向における光強度分布のピーク位置Ｐ１を活性層１０５近傍に位置させる制御性が向上し、光閉じ込め係数が増大する。
　また、基板１０１に最も近いバリア層には不純物がドーピングされていてもよい。この場合、基板１０１に最も近いバリア層にｎ型の導電性を示す不純物をドーピングすることで、当該バリア層とウェル層との界面のピエゾ分極電荷を遮蔽することができるため、基板１０１に最も近いバリア層とウェル層との界面に生じる伝導帯の電位障壁を小さくすることができる。この結果、電子を活性層１０５に低電圧で注入しやすくなるため、動作電圧が低減する。基板１０１に最も近いバリア層にドーピングする不純物の濃度は、５×１０１８ｃｍ－３以上は必要である。また、５×１０１９ｃｍ－３以上の濃度で不純物をドーピングすると電位障壁を低減する効果はほぼ一定となるため、基板１０１に最も近いバリア層にドーピングする不純物の濃度は、５×１０１８ｃｍ－３以上、５×１０１９ｃｍ－３以下であってもよい。ここで、基板１０１に最も近いバリア層に５×１０１８ｃｍ－３以上の濃度の不純物をドーピングする場合、基板１０１に最も近いバリア層とウェル層との界面のピエゾ分極電荷を遮蔽する効果が大きくなるため、基板１０１に最も近いバリア層の膜厚を３ｎｍ以下とすることができる。基板１０１に最も近い、不純物がドーピングされたバリア層の膜厚を１ｎｍ以下とするとピエゾ分極電荷の遮蔽効果が小さくなるため、１ｎｍ以上は必要である。
　（実施の形態３）
　実施の形態３に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、主に、紫外域のレーザ光を出射する点において、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ素子について、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００との相違点を中心に説明する。
　［３－１．基本構成］
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子の基本構成について、図５８～図６０を用いて説明する。図５８は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の全体構成を示す模式的な断面図である。図５９及び図６０は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００が備えるｎ側ガイド層３０４及び活性層３０５の構成を示す模式的な断面図である。図５８～図６０においては、図２と同様に半導体レーザ素子２００のレーザ光の出射方向に垂直な断面が示されている。
　図５８に示されるように、半導体レーザ素子３００は、基板３０１と、半導体積層体３００Ｓと、電流ブロック層３１２と、ｐ側電極３１３と、ｎ側電極３１４とを備える。
　半導体積層体３００Ｓは、基板３０１の上方に配置され、半導体層が積層される積層体である。図５８に示されるように、半導体積層体３００Ｓには、上方に向かって突出するリッジ３１０Ｒが形成されている。また、半導体積層体３００Ｓには、リッジ３１０Ｒに沿って配置され、Ｙ軸方向に延在する二つの溝３１０Ｔ、及び、上方に向かって突出する二つの突出部３１０Ｐが形成されている。リッジ３１０Ｒと一方の突出部３１０Ｐとの間に一方の溝３１０Ｔが配置され、リッジ３１０Ｒと他方の突出部３１０Ｐとの間に他方の溝３１０Ｔが配置される。
　本実施の形態に係る半導体積層体３００Ｓは、ｎ型クラッド層３０２と、ｎ側ガイド層３０４と、活性層３０５と、ｐ側ガイド層３０６と、ｐ側中間層３０７と、電子障壁層３０８と、ｐ型クラッド層３１０と、コンタクト層３１１とを有する。
　基板３０１は、ＡｌＧａＮからなる。基板３０１は、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされたｎ型ＡｌＸｓＧａ１－ＸｓＮ（０＜Ｘｓ＜１）基板である。
　ｎ型クラッド層３０２は、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされたｎ型ＡｌＸｎｃＧａ１－ＸｎｃＮ（０＜Ｘｎｃ＜１）層である。ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比Ｘｎｃは、ｐ型クラッド層３１０のＡｌ組成比より大きい。
　ｎ側ガイド層３０４は、ＡｌＧａＮからなる。また、本実施の形態では、図５９に示されるように、ｎ側ガイド層３０４は、第一ｎ側ガイド層３０４ａと、第二ｎ側ガイド層３０４ｂとを有する。第一ｎ側ガイド層３０４ａは、第二ｎ側ガイド層３０４ｂの上方に配置される。
　第一ｎ側ガイド層３０４ａは、ｎ側ガイド層３０４が有するアンドープ層である。本実施の形態では、第一ｎ側ガイド層３０４ａは、アンドープＡｌＸｎｇ１Ｇａ１－Ｘｎｇ１Ｎ（０＜Ｘｎｇ１＜１）層である。
　第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、ｎ側ガイド層３０４が有するｎ型層である。第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、ｎ型クラッド層３０２と、第一ｎ側ガイド層３０４ａとの間に配置される。本実施の形態では、第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、Ｓｉがドーピングされたｎ型ＡｌＸｎｇ２Ｇａ１－Ｘｎｇ２Ｎ（０＜Ｘｎｇ２＜１）層である。第二ｎ側ガイド層３０４ｂのＡｌ組成比は、第一ｎ側ガイド層３０４ａのＡｌ組成比と等しくてもよい。
　活性層３０５は、ｎ側ガイド層３０４の上方に配置される。活性層３０５は、量子井戸構造を有し、紫外光を出射する。具体的には、図６０に示されるように、活性層３０５は、単一量子井戸構造を有し、ウェル層３０５ｂと、バリア層３０５ａ、３０５ｃとを有する。ウェル層３０５ｂは、二つのバリア層３０５ａ及び３０５ｃの間に配置される。なお、活性層３０５の構成は、これに限定されない。例えば、活性層３０５は、多重量子井戸構造を有してもよい。具体的には、活性層３０５は、三つ以上のバリア層と、二つ以上のウェル層とを有してもよい。
　バリア層３０５ａ及び３０５ｃの各々は、第一ｎ側ガイド層３０４ａの上方に配置され、量子井戸構造の障壁として機能する半導体層である。バリア層３０５ｃは、バリア層３０５ａの上方に配置される。本実施の形態では、バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、Ａｌを含む窒化物半導体層である。より具体的には、バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、ＡｌＧａＮからなる。つまり、バリア層３０５ａは、アンドープＡｌＸｂ１Ｇａ１－Ｘｂ１Ｎ（０＜Ｘｂ１＜１）層であり、バリア層３０５ｃは、アンドープＡｌＸｂ２Ｇａ１－Ｘｂ２Ｎ（０＜Ｘｂ２＜１）層である。
　ウェル層３０５ｂは、バリア層３０５ａの上方に配置され、量子井戸構造の井戸として機能する窒化物半導体層である。本実施の形態では、ウェル層３０５ｂは、アンドープＩｎＸｗ１Ｇａ１－Ｘｗ１Ｎ（０＜Ｘｗ１＜１）層、又は、アンドープＡｌＸｗ２Ｇａ１－Ｘｗ２Ｎ（０＜Ｘｗ２＜１）層である。
　ｐ側ガイド層３０６は、ＡｌＧａＮからなる。つまり、ｐ側ガイド層３０６は、アンドープＡｌＸｐｇ１Ｇａ１－Ｘｐｇ１Ｎ（０＜Ｘｐｇ１＜１）層である。
　ｐ側中間層３０７は、ＡｌＧａＮからなる。より具体的には、ｐ側中間層３０７は、ＡｌＸｐｉＧａ１－ＸｐｉＮ（０＜Ｘｐｉ＜１）層である。
　電子障壁層３０８は、ｐ型ＡｌＸｅｂＧａ１－ＸｅｂＮ（０＜Ｘｅｂ＜１）層である。
　ｐ型クラッド層３１０は、ｐ型ＡｌＸｐｃＧａ１－ＸｐｃＮ（０＜Ｘｐｃ＜１）層である。ｐ型クラッド層３１０のＡｌ組成比Ｘｐｃは、ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比Ｘｎｃより小さい。
　コンタクト層３１１は、膜厚６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。コンタクト層３１１には、不純物として濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされている。
　本実施の形態では、ｐ型クラッド層３１０及びコンタクト層３１１にリッジ３１０Ｒ、溝３１０Ｔ、及び突出部３１０Ｐが形成されている。
　本実施の形態に係る電流ブロック層３１２、ｐ側電極３１３、及びｎ側電極３１４は、それぞれ、実施の形態１に係る電流ブロック層１１２、ｐ側電極１１３、及びｎ側電極１１４と同様の構成を有する。
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００のように、３８０ｎｍ帯より短波長の紫外域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子では、ウェル層３０５ｂのバンドギャップエネルギーが大きいため、活性層３０５に注入した電子がｐ側ガイド層３０６に漏れやすい。これに伴いレーザ発振時におけるウェル層３０５ｂの動作キャリア密度が高くなりやすい。このため、ウェル層３０５ｂのうちリッジ３１０Ｒの下方に位置する部分は、ウェル層３０５ｂのそれ以外の部分に比べて、プラズマ効果による屈折率の低下量が大きくなる。この結果、リッジ３１０Ｒの下方の実効屈折率が低下し、実効屈折率差ΔＮが負になる屈折率反導波状態になりやすい。
　また、この場合、ＧａＮ基板を用いる半導体レーザ素子では、ＧａＮ基板の屈折率が、レーザ光の導波モードに対する実効屈折率よりも高くなり得る。このため、ＧａＮ基板に到達した光は、屈折率の高いＧａＮ基板へ漏れてしまい、発光効率の低下を招く。
　さらに、電流ブロック層３１２の下方における光強度分布は、リッジ３１０Ｒの下方における光強度分布と比較して、屈折率の低い電流ブロック層３１２があることで、基板側に拡がり易くなる。このため、例えば、ＧａＮ基板を用いる半導体レーザ素子では、ＧａＮ基板への漏れ光が発生し、レーザ光の水平横モードの閉じ込めが実現できなくなる。これに伴い、半導体レーザ素子の導波路損失が増大する。この場合、半導体レーザ素子の電流－光出力特性におけるスロープ効率が低下し、発振しきい電流値が増大する。
　このような現象の発生を抑制するために、ＧａＮ基板を用いる半導体レーザ素子では、実効屈折率差ΔＮが１０×１０－３以上になるように半導体レーザ素子の構成が調整される。
　本実施の形態では、ＡｌＧａＮからなる基板３０１を用いることで、基板３０１の屈折率をレーザ光の導波モードに対する実効屈折率よりも小さくできるため、上述したような基板３０１への漏れ光を抑制できる。このため、実効屈折率差ΔＮを１０×１０－３以下の５×１０－３程度としても、基板３０１への漏れ光の発生を抑制できる。
　また、ＡｌＧａＮからなる基板３０１を用いることにより、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０２との格子定数の差が小さくなる。このため、基板３０１に積層される半導体積層体３００Ｓに加わる応力は小さくなる。したがって、ｎ型クラッド層３０２の膜厚が１μｍ以上である場合にも、基板３０１の母材であるウェハに半導体積層体３００Ｓを積層する際、及び積層した後に、ウェハの割れ、及び半導体積層体１００Ｓにおける格子欠陥の発生を抑制できる。
　［３－２．構成例Ｃ１］
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ１について説明する。構成例Ｃ１では、レーザ光は、３７５ｎｍ帯にピーク波長を有する。構成例Ｃ１において、ｎ型クラッド層３０２は、膜厚８００ｎｍのｎ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層であり、第一ｎ側ガイド層３０４ａは、膜厚１８０ｎｍのアンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、膜厚１２７ｎｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層である。基板３０１、ｎ型クラッド層３０２、及び第二ｎ側ガイド層３０４ｂには、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされている。
　バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層であり、ウェル層１０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層３０６は、膜厚６６ｎｍのアンドープＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、ｐ側中間層３０７は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｐ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層であり、電子障壁層３０８は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層３１０は、膜厚４５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層である。ｐ型クラッド層３１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３５Ｎ層とを有する。コンタクト層３１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。ｐ側電極３１３は、Ａｇからなる。
　また、構成例１では、リッジ幅Ｗは、１５μｍであり、共振器長は、８００μｍである。
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ１の効果について、構成例Ｃ１と比較例とを比較しながら、図６１～図６５を用いて説明する。図６１は、構成例Ｃ１の基板３０１のＡｌ組成比と、半導体積層体３００Ｓの積分応力との関係を示すグラフである。図６２及び図６３は、それぞれ、比較例の積層方向位置と、屈折率及び光強度との関係を示すグラフである。図６４及び図６５は、それぞれ、構成例Ｃ１の積層方向位置と、屈折率及び光強度との関係を示すグラフである。なお、図６４、及び図６５に示される構成例Ｃ１では、基板３０１は、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる。
　比較例は、基板がＧａＮからなる点において、構成例Ｃ１と相違し、その他の点において一致する。図６２に示されるように、比較例においては、基板１００１がｎ側ガイド層３０４より屈折率が高いＧａＮからなる。このため、図６３に示されるように、基板１００１への漏れ光が発生する。これに伴い、比較例においては、発光効率が低下し、電流－光出力特性においてキンクが生じる。
　これに対して、構成例Ｃ１では、図６４に示されるように、基板３０１のバンドギャップエネルギーは、ｎ側ガイド層３０４のバンドギャップエネルギー以下である。つまり、基板３０１のＡｌ組成比は、ｎ側ガイド層３０４のＡｌ組成比以上であり、基板３０１の屈折率は、ｎ側ガイド層３０４の屈折率以下である。このため、図６５に示されるように、基板３０１への漏れ光を抑制できる。さらに、基板３０１のＡｌ組成比を０．０４５以上としてもよい。これにより、基板３０１の屈折率を構成例Ｃ１におけるレーザ光の導波モードの実効屈折率以下とすることができる。したがって、基板３０１への漏れ光をより一層抑制できる。したがって、構成例Ｃ１においては、比較例より発光効率を改善でき、電流－光出力特性におけるキンクの発生を抑制できる。
　また、基板３０１がＡｌＧａＮからなるため、基板３０１と、半導体積層体３００Ｓが有する各クラッド層などとの格子定数の差を低減できる。この効果について図６１を用いて説明する。図６１に示されるように、ＧａＮからなる基板を用いる場合には、積分応力が、約－９４８．３Ｐａ・ｍとなり、ウェハ割れのリスクが高くなる。これに対して、例えば、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ１においては、各クラッド層などのＡｌ組成比を低減することなく、半導体積層体３００Ｓに加わる引っ張り応力を大幅に低減できる。具体的には、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ１では、積分応力は－２７８．９Ｐａ・ｍまで低減され、ウェハ割れリスクを低減できる。
　このように半導体積層体３００Ｓに加わる引っ張り応力を低減することで、比較例と比較して、構成例Ｃ１の半導体積層体３００Ｓの各層のバンドギャップエネルギーを増大でき、屈折率を低減できる。これにより、比較例と比較して、構成例Ｃ１の光閉じ込め係数を増大できる。また、バリア層１０５ｃのバンドギャップエネルギーを増大できるため、ウェル層１０５ｂからバリア層１０５ｃを超える漏れ電子を低減できる。これに伴い、半導体レーザ素子３００の温度特性が向上する。また、半導体積層体３００Ｓに加わる引っ張り応力を低減することで、基板３０１の母材であるウェハに半導体積層体３００Ｓを積層する際、及び、積層した後に、ウェハの割れ、及び、半導体積層体３００Ｓにおける格子欠陥が発生することを抑制できる。
　また、構成例Ｃ１の基板３０１のバンドギャップエネルギーは、ｎ型クラッド層３０２のバンドギャップエネルギー以下である。つまり、ＡｌＧａＮからなる基板３０１のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比以下である。これにより、半導体積層体１００Ｓにおける圧縮応力が増大し過ぎることを抑制できる。
　また、構成例Ｃ１においては、バリア層３０５ａ、３０５ｃのＡｌ組成比は、ｎ側ガイド層３０４のＡｌ組成比より高く、基板３０１のＡｌ組成比より低い。この場合、バリア層３０５ａ、３０５ｃに加わる応力が圧縮になる。これにより、バリア層３０５ｃのバンドギャップエネルギーを増大できるため、ウェル層３０５ｂからｐ型クラッド層３１０へ向かう電子の漏れを低減できる。
　なお、本実施の形態において、基板３０１のＡｌ組成比は、ｐ側ガイド層３０６のＡｌ組成比より高く、バリア層３０５ａ、３０５ｃのＡｌ組成比より低くてもよい。これにより、ｐ側ガイド層３０６に加わる応力を圧縮にすることでｐ側ガイド層３０６のバンドギャップエネルギーを増大できるため、ウェル層３０５ｂからｐ型クラッド層３１０へ向かう電子の漏れを低減できる。また、ｐ側ガイド層３０６の屈折率を低減できるため、活性層３０５への光閉じ込め係数を増大できる。
　次に、構成例Ｃ１の基板３０１のＡｌ組成比及び不純物濃度と、動作電圧との関係について図６６を用いて説明する。図６６は、構成例Ｃ１の基板３０１のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。図６６には、半導体レーザ素子３００に８００ｍＡの電流を供給する場合の動作電圧（以下、８００ｍＡ動作時の動作電圧とも称する。）が示されている。また、図６６には、基板３０１などにおける不純物濃度（つまり、Ｓｉの濃度）Ｃｎが、１×１０１８ｃｍ－３、５×１０１８ｃｍ－３、及び、１×１０１９ｃｍ－３の場合の各動作電圧が示されている。
　図６６に示されるように、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３以下の場合、基板３０１のＡｌ組成比が０．０４のとき動作電圧が最小になる。また、動作電圧をより低減するために、不純物濃度Ｃｎは、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよい。
　例えば、第一ｎ側ガイド層３０４ａにも不純物としてＳｉをドーピングすることで、動作電圧が低減する効果が奏される。ただし、これにより、第一ｎ側ガイド層３０４ａでのフリーキャリア損失が増大するため、動作電圧低減とＦＣ損失低減とを両立させるために、第一ｎ側ガイド層３０４ａに、３×１０１７以上、１×１０１８ｃｍ－３以下の不純物をドーピングしてもよい。
　また、基板３０１とｎ型クラッド層３０２との界面、及び、ｎ型クラッド層３０２と第二ｎ側ガイド層３０４ｂとの界面における伝導帯バンドには、ピエゾ分極電荷に起因して、スパイク状の電位障壁が形成される。この電位障壁に起因する動作電圧増大を抑制するために、基板３０１、ｎ型クラッド層３０２、及び、第二ｎ側ガイド層３０４ｂには、１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３以下のＳｉをドーピングしてもよい。
　なお、構成例Ｃ１のｎ型クラッド層３０２とｎ側ガイド層３０４との間に、実施の形態１に係る組成傾斜層を配置してもよい。これにより、実施の形態１に係る組成傾斜層と同様の効果が奏される。
　組成傾斜層は、ｎ型クラッド層３０２とｎ側ガイド層３０４との間以外の位置に配置されてもよい。例えば、組成傾斜層は、基板３０１とｎ型クラッド層３０２との間に配置されてもよい。この場合、組成傾斜層は、例えば、基板３０１に近づくにしたがって、Ａｌ組成比が、基板３０１のＡｌ組成比に近づき、かつ、ｎ型クラッド層３０２に近づくにしたがって、Ａｌ組成比がｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比に近づくｎ型ＡｌＧａＮ層である。このような組成傾斜層により、基板３０１とｎ型クラッド層３０２との間に形成される電位障壁を低減できるため、半導体レーザ素子３００の動作電圧を低減できる。
　組成傾斜層の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上であってもよい。これにより、電位障壁を低減する効果が確実に奏される。また、例えば、ｎ側ガイド層１０４が組成傾斜層を含んでもよい。この場合、ｎ側ガイド層１０４の屈折率が低下することを抑制するために、組成傾斜層は厚すぎない方がよい。例えば、ｎ側ガイド層１０４が含む組成傾斜層の膜厚は、基板３０１とｎ型クラッド層３０２との間に配置される組成傾斜層の膜厚より薄くてもよい。
　また、構成例Ｃ１のように、活性層３０５のバリア層３０５ａ、３０５ｃのうちｎ側ガイド層３０４に最も近いバリア層３０５ａのＡｌ組成比は、ｎ側ガイド層３０４の最大Ａｌ組成比以上であり、バリア層３０５ａ、３０５ｃのうちｐ側ガイド層３０６に最も近いバリア層３０５ｃのＡｌ組成比は、ｐ側ガイド層３０６の最大Ａｌ組成比以上であってもよい。活性層３０５のバリア層３０５ａ、３０５ｃのうちｎ側ガイド層３０４に最も近いバリア層３０５ａのバンドギャップエネルギーは、ｎ側ガイド層３０４の最大バンドギャップエネルギー以上であり、バリア層３０５ａ、３０５ｃのうちｐ側ガイド層３０６に最も近いバリア層３０５ｃのバンドギャップエネルギーは、ｐ側ガイド層３０６の最大バンドギャップエネルギー以上であってもよい。
　これにより、ウェル層３０５ｂに形成される量子準位と、バリア層１０５ａ、１０５ｃの伝導帯電位との差を大きくし、電子がウェル層１０５ｂ内に閉じ込められやすくすることができる。したがって、発振しきい電流値を低減できる。
　また、構成例Ｃ１において、ｎ側ガイド層３０４及びｐ側ガイド層３０６の少なくとも一方のＡｌ組成比は、活性層３０５に近づくにしたがって単調に減少してもよい。また、ｎ側ガイド層３０４及びｐ側ガイド層３０６の少なくとも一方のバンドギャップエネルギーが、活性層３０５に近づくにしたがって単調に減少してもよい。
　これにより、ｎ側ガイド層３０４及びｐ側ガイド層３０６の屈折率が活性層３０５に近づくにしたがって単調に増大するため、積層方向における光強度分布のピーク位置を活性層に位置させる制御性を向上させることができる。したがって、活性層３０５への光閉じ込め係数を増大させつつ導波路損失を低減できる。
　また、基板３０１より各ガイド層の格子定数が小さい場合には、各ガイド層において、活性層３０５に近い側の領域の引っ張り応力を低減することが可能となり、基板３０１の母材であるウェハに半導体積層体３００Ｓを積層する際、及び積層した後にウェハの割れが発生することを抑制することができる。
　また、構成例Ｃ１のように、ｎ側ガイド層３０４の膜厚は、ｐ側ガイド層３０６の膜厚より厚くてもよい。紫外域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子３００においては、コンタクト層３１１にｐ型ＧａＮ層を用いるとコンタクト層３１１における光吸収が大きくなること、また、ＧａＮの方が、レーザ光の導波モードに対する屈折率よりも大きいためコンタクト層３１１への漏れ光が発生する。また、ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比がｐ型クラッド層３１０のＡｌ組成比より大きい場合、積層方向における光強度分布が活性層３０５からｐ型クラッド層３１０へ向かう向きに偏りやすくなる。このため屈折率が各クラッド層よりも大きい、各ガイド層において、ｎ側ガイド層３０４の膜厚をｐ側ガイド層３０６の膜厚より大きくすることで、積層方向における光強度分布のピーク位置を活性層３０５に位置させる制御性を高めることができる。
　［３－３．構成例Ｃ２］
　本実施の形態の半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ２について説明する。構成例Ｃ２は、レーザ光が３６５ｎｍ帯にピーク波長を有する点において構成例Ｃ１と相違する。以下、構成例Ｃ２について、構成例Ｃ１との相違点を中心に説明する。
　構成例Ｃ２において、ｎ型クラッド層３０２は、膜厚８００ｎｍのｎ型Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎ層であり、第一ｎ側ガイド層３０４ａは、膜厚１８０ｎｍのアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層であり、第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、膜厚１２７ｎｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層である。基板３０１、ｎ型クラッド層３０２、及び第二ｎ側ガイド層３０４ｂには、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされている。
　バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎ層であり、ウェル層３０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層３０６は、膜厚６６ｎｍのアンドープＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層であり、ｐ側中間層３０７は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層であり、電子障壁層３０８は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層３１０は、膜厚４５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層である。ｐ型クラッド層１１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層とを有する。コンタクト層３１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　構成例Ｃ２の効果について説明する。構成例Ｃ２においても、構成例Ｃ１と同様の効果が奏される。
　また、基板３０１がＡｌＧａＮからなるため、基板３０１と、半導体積層体３００Ｓが有する各クラッド層などとの格子定数の差を低減できる。この効果について図６７を用いて説明する。図６７は、構成例Ｃ２の基板３０１のＡｌ組成比と、半導体積層体３００Ｓの積分応力との関係を示すグラフである。
　図６７に示されるように、ＧａＮからなる基板を用いる場合には、積分応力が、－１３５２．７Ｐａ・ｍ程度となり、ウェハ割れのリスクが高くなる。これに対して、例えば、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ２においては、各クラッド層などのＡｌ組成比を低減することなく、半導体積層体１００Ｓに加わる引っ張り応力を大幅に低減できる。具体的には、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ２では、積分応力は、－１３３．１Ｐａ・ｍにまで低減され、ウェハ割れリスクを低減できる。さらに、レーザ光の導波モードに対する実効屈折率が基板３０１の屈折率より大きくなるため基板３０１への漏れ光を抑制できる。したがって、発光効率の低下、及び、キンクの発生を抑制できる。
　また、構成例Ｃ２の基板３０１のバンドギャップエネルギーは、ｎ型クラッド層３０２のバンドギャップエネルギー以下である。つまり、ＡｌＧａＮからなる基板３０１のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比以下である。これにより、半導体積層体３００Ｓにおける圧縮応力が増大し過ぎることを抑制できる。
　次に、構成例Ｃ２の基板３０１のＡｌ組成比及び不純物濃度と、動作電圧との関係について図６８を用いて説明する。図６８は、構成例Ｃ２の基板３０１のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。図６８には、半導体レーザ素子３００に８００ｍＡの電流を供給する場合の動作電圧が示されている。また、図６８には、基板３０１などにおける不純物濃度（つまり、Ｓｉの濃度）Ｃｎが、１×１０１８ｃｍ－３、５×１０１８ｃｍ－３、及び、１×１０１９ｃｍ－３の場合の各動作電圧が示されている。
　図６８に示されるように、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３以下の場合、基板３０１のＡｌ組成比が０．１１のとき動作電圧が最小になる。また、動作電圧をより低減するために、不純物濃度Ｃｎは、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよい。
　［３－４．構成例Ｃ３］
　本実施の形態の半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ３について説明する。構成例Ｃ３は、レーザ光が３５５ｎｍ帯にピーク波長を有する点において構成例Ｃ１と相違する。以下、構成例Ｃ３について、構成例Ｃ１との相違点を中心に説明する。
　構成例Ｃ３において、ｎ型クラッド層３０２は、膜厚８００ｎｍのｎ型Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ層であり、第一ｎ側ガイド層３０４ａは、膜厚１８０ｎｍのアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層であり、第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、膜厚１２７ｎｍのｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層である。基板３０１、ｎ型クラッド層３０２、及び第二ｎ側ガイド層３０４ｂには、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされている。
　バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層であり、ウェル層３０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＡｌ０．０９３Ｇａ０．９０７Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層３０６は、膜厚６６ｎｍのアンドープＡｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層であり、ｐ側中間層３０７は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｐ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層であり、電子障壁層３０８は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．３６Ｇａ０．６４Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層３１０は、膜厚４５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層である。ｐ型クラッド層３１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層とを有する。コンタクト層３１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　構成例Ｃ３の効果について説明する。構成例Ｃ３においても、構成例Ｃ１と同様の効果が奏される。
　また、基板３０１がＡｌＧａＮからなるため、基板３０１と、半導体積層体３００Ｓが有する各クラッド層などとの格子定数の差を低減できる。この効果について図６９を用いて説明する。図６９は、構成例Ｃ３の基板３０１のＡｌ組成比と、半導体積層体３００Ｓの積分応力との関係を示すグラフである。
　図６９に示されるように、ＧａＮからなる基板を用いる場合には、積分応力が、約－２４５６．０Ｐａ・ｍとなり、ウェハ割れのリスクが高くなる。これに対して、例えば、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ３においては、各クラッド層などのＡｌ組成比を低減することなく、半導体積層体３００Ｓに加わる引っ張り応力を大幅に低減できる。具体的には、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ３では、積分応力は－３０６．４Ｐａ・ｍまで低減され、ウェハ割れリスクを低減できる。さらに、レーザ光の導波モードの実効屈折率が基板３０１の屈折率より大きくなるため基板３０１への漏れ光を抑制できる。したがって、発光効率の低下、及び、キンクの発生を抑制できる。
　また、構成例Ｃ３の基板３０１のバンドギャップエネルギーは、ｎ型クラッド層３０２のバンドギャップエネルギー以下である。つまり、ＡｌＧａＮからなる基板３０１のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比以下である。これにより、半導体積層体３００Ｓにおける圧縮応力が増大し過ぎることを抑制できる。
　次に、構成例Ｃ３の基板３０１のＡｌ組成比及び不純物濃度と、動作電圧との関係について図７０を用いて説明する。図７０は、構成例４の基板３０１のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。図７０には、半導体レーザ素子３００に８００ｍＡの電流を供給する場合の動作電圧が示されている。また、図７０には、基板３０１などにおける不純物濃度（つまり、Ｓｉの濃度）Ｃｎが、１×１０１８ｃｍ－３、５×１０１８ｃｍ－３、及び、１×１０１９ｃｍ－３の場合の各動作電圧が示されている。
　図７０に示されるように、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３以下の場合、基板３０１のＡｌ組成比が０．１６のとき動作電圧が最小になる。また、動作電圧をより低減するために、不純物濃度Ｃｎは、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよい。
　［３－５．構成例Ｃ４］
　本実施の形態の半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ４について説明する。構成例Ｃ４は、レーザ光が３４０ｎｍ帯にピーク波長を有する点において構成例Ｃ１と相違する。以下、構成例Ｃ４について、構成例Ｃ１との相違点を中心に説明する。
　構成例Ｃ４において、ｎ型クラッド層３０２は、膜厚８００ｎｍのｎ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層であり、第一ｎ側ガイド層３０４ａは、膜厚１８０ｎｍのアンドープＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層であり、第二ｎ側ガイド層３０４ｂは、膜厚１２７ｎｍのｎ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層である。基板３０１、ｎ型クラッド層３０２、及び第二ｎ側ガイド層３０４ｂには、濃度ＣｎのＳｉがドーピングされている。
　バリア層３０５ａ、３０５ｃの各々は、膜厚１１ｎｍのアンドープＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層であり、ウェル層３０５ｂは、膜厚１７．５ｎｍのアンドープＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層である。
　ｐ側ガイド層３０６は、膜厚６６ｎｍのアンドープＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層であり、ｐ側中間層３０７は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３ｎｍのｐ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層であり、電子障壁層３０８は、濃度１．５×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚５ｎｍのｐ型Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層である。
　ｐ型クラッド層３１０は、膜厚４５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ層である。ｐ型クラッド層３１０は、濃度２×１０１８ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ層と、当該層の上方に配置される濃度１×１０１９ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚３００ｎｍのｐ型Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎ層とを有する。コンタクト層３１１は、濃度１×１０２０ｃｍ－３のＭｇがドーピングされた膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮ層である。
　構成例Ｃ４の効果について説明する。構成例Ｃ４においても、構成例Ｃ１と同様の効果が奏される。
　また、基板３０１がＡｌＧａＮからなるため、基板３０１と、半導体積層体３００Ｓが有する各クラッド層などとの格子定数の差を低減できる。この効果について図７１を用いて説明する。図７１は、構成例Ｃ４の基板３０１のＡｌ組成比と、半導体積層体３００Ｓの積分応力との関係を示すグラフである。
　図７１に示されるように、ＧａＮからなる基板を用いる場合には、積分応力が、約－５５１５．５Ｐａ・ｍとなり、ウェハ割れのリスクが高くなる。これに対して、例えば、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ４においては、各クラッド層などのＡｌ組成比を低減することなく、半導体積層体３００Ｓに加わる引っ張り応力を大幅に低減できる。具体的には、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる基板３０１を用いる構成例Ｃ４では、積分応力は－２３８．８Ｐａ・ｍまで低減され、ウェハ割れリスクを低減できる。さらに、レーザ光の導波モードの実効屈折率が基板３０１の屈折率より大きくなるため基板３０１への漏れ光を抑制できる。したがって、発光効率の低下、及び、キンクの発生を抑制できる。
　また、構成例Ｃ４の基板３０１のバンドギャップエネルギーは、ｎ型クラッド層３０２のバンドギャップエネルギー以下である。つまり、ＡｌＧａＮからなる基板３０１のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比以下である。これにより、半導体積層体３００Ｓにおける圧縮応力が増大し過ぎることを抑制できる。
　次に、構成例Ｃ３の基板３０１のＡｌ組成比及び不純物濃度と、動作電圧との関係について図７２を用いて説明する。図７２は、構成例４の基板３０１のＡｌ組成比と、動作電圧との関係を示すグラフである。図７２には、半導体レーザ素子３００に８００ｍＡの電流を供給する場合の動作電圧が示されている。また、図７２には、基板３０１などにおける不純物濃度（つまり、Ｓｉの濃度）Ｃｎが、１×１０１８ｃｍ－３、５×１０１８ｃｍ－３、及び、１×１０１９ｃｍ－３の場合の各動作電圧が示されている。
　図７２に示されるように、不純物濃度Ｃｎが１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３以下の場合、基板３０１のＡｌ組成比が０．５０のとき動作電圧が最小になる。また、動作電圧をより低減するために、不純物濃度Ｃｎは、５×１０１８ｃｍ－３以上であってもよい。
　［３－６．半導体レーザ素子の特性とｐ型クラッド層の膜厚との関係］
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の特性と、ｐ型クラッド層３１０の膜厚との関係について図７３～図８４を用いて説明する。図７３、図７４、及び、図７５は、それぞれ、構成例Ｃ１のｐ型クラッド層３１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、及び、実効屈折率差ΔＮとの関係を示すグラフである。図７３～図７５には、比較例Ｃ１１及び比較例Ｃ１２の関係についても併せて示されている。
　図７６、図７７、及び、図７８は、それぞれ、構成例Ｃ２のｐ型クラッド層３１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、及び、実効屈折率差ΔＮとの関係を示すグラフである。図７６～図７８には、比較例Ｃ２１及び比較例Ｃ２２の関係についても併せて示されている。
　図７９、図８０、及び、図８１は、それぞれ、構成例Ｃ３のｐ型クラッド層３１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、及び、実効屈折率差ΔＮとの関係を示すグラフである。図７９～図８１には、比較例Ｃ３１及び比較例Ｃ３２の関係についても併せて示されている。
　図８２、図８３、及び、図８４は、それぞれ、構成例Ｃ４のｐ型クラッド層３１０の膜厚と、導波路損失、光閉じ込め係数、及び、実効屈折率差ΔＮとの関係を示すグラフである。図８２～図８４には、比較例Ｃ４１及び比較例Ｃ４２の関係についても併せて示されている。
　比較例Ｃ１１、比較例Ｃ２１、比較例Ｃ３１、及び比較例Ｃ４１は、それぞれ、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比が、ｐ型クラッド層３１０のＡｌ組成比と等しい点において、構成例Ｃ１、構成例Ｃ２、構成例Ｃ３、及び構成例Ｃ４と相違し、その他の点において一致する。比較例Ｃ１２、比較例Ｃ２２、比較例Ｃ３２、及び比較例Ｃ４２は、それぞれ、ｐ側電極がＰｄからなる点において、構成例Ｃ１、構成例Ｃ２、構成例Ｃ３、及び構成例Ｃ４と相違し、その他の点において一致する。
　図７３、図７６、図７９、及び図８２に示されるように、ｐ側電極がＰｄからなる比較例Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２では、ｐ型クラッド層３１０の膜厚が薄くなるにしたがって、導波路損失が急激に増大する。これに対して、本実施の形態では、ｐ側電極１１３が屈折率の低いＡｇからなるため、ｐ型クラッド層３１０の膜厚を０．１５μｍまで薄くしても、導波路損失の増大を抑制できる。
　また、図７４、図７７、図８０、及び図８３に示されるように、本実施の形態においては、ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比がｐ型クラッド層３１０のＡｌ組成比よりも大きいため、比較例Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１と比べて、光閉じ込め係数を増大させることができる。
　また、図７５、図７８、図８１、及び図８４に示されるように、ｐ型クラッド層３１０の膜厚が薄くなると実効屈折率差ΔＮが減少する。特に、ｐ型クラッド層３１０の膜厚が０．１５μｍ以下である場合に、実効屈折率差ΔＮの減少量が大きくなる。実効屈折率差ΔＮが小さくなると、レーザ発振動作している水平横モードの数が小さくなり、各モード間の結合の影響が大きくなり、電流－光出力特性にキンクが生じやすくなる。この現象を抑制するために、リッジ３１０Ｒの下端を電子障壁層３０８より下方に位置させてもよい。これにより、実効屈折率差ΔＮを増大できる。例えば、リッジ３１０Ｒの下端をｐ側中間層３０７又はｐ側ガイド層３０６に位置させてもよい。ｐ側中間層３０７及びｐ側ガイド層３０６は、組成が一様であるため、リッジ３１０Ｒの下端の形成位置のばらつきによる実効屈折率差ΔＮのばらつき量を小さくすることができる。
　［３－７．基板のＡｌ組成比］
　本実施の形態に係る基板３０１のＡｌ組成比について、図８５を用いて説明する。図８５は、本実施の形態に係るｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比と、基板３０１のＡｌ組成比との関係を示すグラフである。図８５に示される白丸印は、基板３０１などの不純物濃度Ｃｎが５×１０１８ｃｍ－３である場合に、８００ｍＡ動作時の動作電圧が最小となる基板３０１及びｎ型クラッド層３０２の各Ａｌ組成比の関係を示す。
　図８５に示される曲線Ａｌｃは、白丸印を結ぶ曲線の近似曲線である。つまり、曲線Ａｌｃは、基板３０１などの不純物濃度Ｃｎが５×１０１８ｃｍ－３である場合に、８００ｍＡ動作時の動作電圧が最小となる基板３０１及びｎ型クラッド層３０２の各Ａｌ組成比の関係を近似する曲線である。ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比をｘ、基板３０１のＡｌ組成比をｙで表すと、曲線Ａｌｃは、以下の式で表される。
　ｙ＝０．５１０ｘ２＋０．８４３ｘ－０．０４９１
　図８５に示される黒丸印と四角印とは、基板３０１などの不純物濃度Ｃｎが５×１０１８ｃｍ－３である場合に、８００ｍＡ動作時の動作電圧が最小値より、０．０７Ｖ高くなる場合の基板３０１及びｎ型クラッド層３０２の各Ａｌ組成比の関係を示す。ここで、８００ｍＡ動作時の動作電圧が最小値より、０．０７Ｖ高くなる場合の基板３０１のＡｌ組成比には、ｎ型クラッド層３０２のＡｌ組成比よりも大きい側のＡｌ組成比、及び、小さい側のＡｌ組成比の２つあるが、黒丸印は小さい方のＡｌ組成比を示し、四角印は大きい方のＡｌ組成比を示す。
　図８５に示される曲線Ａｌｍｉｎは、黒丸印を結ぶ曲線の近似曲線である。曲線Ａｌｍｉｎは、以下の式で表される。
　ｙ＝１．５１５ｘ２＋０．２０６ｘ－０．０３２６
　図８５に示される曲線Ａｌｍａｘは、四角印を結ぶ曲線の近似曲線である。曲線Ａｌｍａｘは、以下の式で表される。
　ｙ＝２．１４４ｘ２-０．４９４ｘ＋０．２７０
　したがって、ｎ型クラッド層３０２の各Ａｌ組成比ｘと、基板３０１のＡｌ組成比ｙとの間に以下の二つの式が同時に成り立つように、ｎ型クラッド層３０２の各Ａｌ組成比ｘと、基板３０１のＡｌ組成比ｙとを設定してもよい。
　ｙ≧１．５１５ｘ２＋０．２０６ｘ－０．０３２６
　ｙ≦２．１４４ｘ２-０．４９４ｘ＋０．２７０
　これにより、８００ｍＡ動作時の動作電圧を最小値に近い値に抑制することができる。
　［３－８．リッジの形状］
　本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００のリッジ３１０Ｒの形状について説明する。まず、リッジ幅（Ｗ）と導波可能モード数との関係について、図８６及び図８７を用いて説明する。図８６は、本実施の形態に係るリッジ幅と導波可能モード数との関係を示すグラフである。図８７は、図８６の一部を拡大したグラフである。図８７には、図８６のグラフのうち、リッジ幅が３μｍ以下の範囲だけが拡大して示されている。また、図８６及び図８７には、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００のレーザ光が３５５ｎｍ帯にピーク波長を有する構成において、実効屈折率差ΔＮが１×１０－３、２×１０－３、３×１０－３、５×１０－３、１０×１０－３、及び、１５×１０－３である各場合の導波可能モード数が示されている。
　ＧａＮ基板を用いる構成では、ＧａＮ基板への漏れ光を抑制するために、実効屈折率差ΔＮを１０×１０－３以上にする必要がある。これに対して、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００では、上述したように、基板３０１への漏れ光を抑制できるため、実効屈折率差ΔＮを３×１０－３程度とすることができる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００において単一横モード動作を実現するために必要なリッジ幅（つまり、導波可能モード数を１とするために必要なリッジ幅）を増大させることができる。ここで、単一横モード動作とは、半導体レーザ素子３００において発振するレーザ光の横モードが単一横モードであるような動作を意味する。単一横モード動作においては、半導体レーザ素子３００の水平方向ファーフィールドパターン（ＦＦＰ）は、単峰性である。なお、本開示で定義する、水平方向ＦＦＰが単峰性である状態には、水平方向ＦＦＰにおいて基本横モードに対応するピークだけが含まれる状態だけでなく、基本横モードに対応するピークと微小なピークとが含まれている状態も含まれる。微小なピークとは、例えば、基本横モードに対応するピークの１０％以下の大きさのピークを意味する。
　具体的には、水平方向におけるＦＦＰの放射方向を示す放射角をｘで表し、水平方向ＦＦＰの半値幅と等しい半値幅を有するガウス関数（ｆ（ｘ））で水平方向ＦＦＰを近似した場合、各放射方向（つまり、各放射角ｘ）での水平方向ＦＦＰの値とガウス関数の値の差（ｈ（ｘ））の絶対値が、水平方向の実際のＦＦＰを示す関数ｇ（ｘ）の最大の大きさの１０％以内であればよい。ここで、関数ｇ（ｘ）は、最大値が１となるように規格化されている。また、ガウス関数ｆ（ｘ）は、以下の式で表される。
　ｆ（ｘ）＝ｅｘｐ｛－（ｘ-ａ）２／（２σ２）｝
　ｘ：放射角（ｄｅｇ．）
　ａ：ｇ（ｘ）が最大となる放射角（ｄｅｇ．）
　σ：ガウス関数ｆ（ｘ）の標準偏差
　この場合、ガウス関数ｆ（ｘ）の半値幅は、２σ（２ｌｏｇｅ２）２で与えられる。この値の大きさと、実際のＦＦＰ放射パターンの半値幅を同一としてσを算出し、ガウス関数ｆ（ｘ）を求めることで、次式で表される関数ｈ（ｘ）を得ることができる。
　ｈ（ｘ）＝｜ｆ（ｘ）－ｇ（ｘ）｜
　図８６及び図８７に示されるように、例えば、実効屈折率差ΔＮが１０×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約０．７μｍであるが、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．４μｍである。このように、実効屈折率差ΔＮが１０×１０－３である場合と比較して、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３である場合には、リッジ幅を倍程度まで拡大できる。これに伴い、電流が注入される領域である、リッジ３１０Ｒの上面３１０Ｒｕの面積を増大できるため、半導体レーザ素子３００の直列抵抗を低減できる。したがって、半導体レーザ素子３００の動作電圧を低減できる。
　なお、図８６及び図８７に示されるように、実効屈折率差ΔＮが１×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約２．４μｍであり、実効屈折率差ΔＮが２×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．７μｍであり、実効屈折率差ΔＮが５×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．１μｍであり、実効屈折率差ΔＮが１５×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約０．６μｍである。
　また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００のレーザ光が３７５ｎｍ帯にピーク波長を有する構成において、実効屈折率差ΔＮが１×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約２．６μｍであり、実効屈折率差ΔＮが２×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．８μｍであり、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．５μｍであり、実効屈折率差ΔＮが５×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約１．１μｍであり、実効屈折率差ΔＮが１０×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約０．８μｍであり、実効屈折率差ΔＮが１５×１０－３である場合に、単一横モード動作させることができるリッジ幅の最大値は、約０．６μｍである。
　以上では、リッジ幅が一定である構成例について説明したが、リッジ幅は一定でなくてもよい。リッジ幅が一定でない構成例について、図８８～図９６を用いて説明する。図８８、図８９、及び図９０は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ５１、構成例Ｃ５２、及び構成例Ｃ５３のリッジ３１０Ｒの形状を示す模式的な平面図である。図９１、図９２、及び図９３は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ６１、構成例Ｃ６２、及び構成例Ｃ６３のリッジ３１０Ｒの形状を示す模式的な平面図である。図９４、図９５、及び図９６は、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ素子３００の構成例Ｃ７１、構成例Ｃ７２、及び構成例Ｃ７３のリッジ３１０Ｒの形状を示す模式的な平面図である。
　図８８に示される構成例Ｃ５１のリッジ３１０Ｒは、リッジ幅が最小値Ｗｍで一定である領域Ｒｍと、領域Ｒｍより端面１００Ｆに近い領域である領域Ｒｆとを有する。なお、構成例Ｃ５１では、リッジ幅の最小値Ｗｍは、端面１００Ｒにおけるリッジ幅Ｗｒと等しい。領域ＲｍのＹ軸方向における長さはＬｍであり、領域ＲｆのＹ軸方向における長さはＬｆである。領域Ｒｆは、リッジ幅がＷｆ（＞Ｗｍ）で一定である領域Ｒ１と、リッジ幅が端面１００Ｆに近づくにしたがって増大するテーパ領域Ｒｆｃとを有する。テーパ領域ＲｆｃのＸ軸方向の端面のＹ軸方向に対する傾斜角はθｆで一定である。領域Ｒ１のＹ軸方向における長さはＬ１であり、テーパ領域ＲｆｃのＹ軸方向における長さはＬｆｃである。
　構成例Ｃ５１のリッジ幅が最小である領域Ｒｍにおいて高次横モードをカットオフしてもよい。この形状により、高次横モードのレーザ発振を抑制することで水平方向ＦＦＰを単峰性としつつ、電流注入面積を広くすることができる。これにより、半導体レーザ素子３００の直列抵抗を低減できるため、動作電圧を低減できる。
　図８８に示されるように、端面１００Ｆ及び端面１００Ｒの各々からＹ軸方向に１００μｍ以上のリッジ幅一定領域（領域Ｒｍ及び領域Ｒ１）を形成してもよい。これにより、端面１００Ｆ及び端面１００Ｒを劈開によって形成する際に、劈開位置にずれが生じても、端面１００Ｆ及び端面１００Ｒにおけるリッジ幅の誤差が生じることを抑制できる。
　また、リッジ幅の最小値Ｗｍは、必ずしも、基本横モード（つまり、水平０次モード）以外をカットオフすることができるリッジ幅まで狭めなくてよい。テーパ領域Ｒｆｃにおける各次数の横モードが受ける伝搬損失は次数が高いモードほど大きいため、高次横モードをストライプ幅が変化する領域で減衰させることができる。この結果、基本横モードが主成分となるようにレーザ発振動作させることができる。例えば、実効屈折率差ΔＮが３×１０－３であり、レーザ光が３７５ｎｍ帯にピーク波長を有する場合、最小値Ｗｍを２μｍとして、最大リッジ幅（Ｗｆ）を３μｍとすると、１次横モードも伝搬可能であるが、テーパ領域Ｒｆｃで１次横モードが受ける伝搬損失が基本横モードよりも大きくなるため、１次横モードを減衰させることができる。したがって、基本横モードを主モード成分とした状態で半導体レーザ素子３００を動作させることができる。リッジ幅の最小値Ｗｍは、例えば、基本横モード（つまり、水平０次モード）以外をカットオフすることができる最大のリッジ幅をＷ０で表すと、Ｗ０＋１μｍ以下であってもよい。また、端面１００Ｆにおけるリッジ幅Ｗｆは、Ｗｍ＋１μｍ以上であってもよい。例えば、リッジ３１０Ｒの最小幅は、０．６μｍ以上であってもよいし、１．６μｍ以下であってもよい。
　また、レーザ光のピーク波長に相当するエネルギーが、ＧａＮのバンドギャップエネルギーよりも大きい場合、リッジ幅を３μｍよりも狭くすると、導波路を伝搬する基本横モードの積層方向における光強度分布は、基板３０１側への拡がりが大きくなる。このため、基板３０１での光吸収損失の影響が大きくなる。
　基板３０１が、レーザ光のピーク波長に相当するエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する基板３０１を用いることで、基板３０１での光吸収損失が小さくなるため、導波路損失を低減できる。この結果、半導体レーザ素子３００のスロープ効率が向上する。
　また、端面１００Ｆの反射率が端面１００Ｒの反射率より小さい場合、Ｙ軸方向における光強度分布において、光強度は、端面１００Ｆ側の方が大きくなる。このため、活性層１０５内のキャリア分布が、端面１００Ｆ側において低く、端面１００Ｒ側において大きくなるようなキャリアのホールバーニングが生じる。このため、キャリア濃度の高い端面１００Ｒ側でのキャリアが活性層１０５から漏れやすくなり、電流－光出力特性において熱飽和レベルが低下する。これを抑制するためには、端面１００Ｒ側のリッジ幅を狭めて、光密度を増大させ、誘導放出で消費されるキャリアの量を増大すればよい。
　領域Ｒｍの長さＬｍは０μｍ以上であればよいが、長くするほど領域Ｒｍで伝搬可能な最高次横モードを確実に選択できる。ただし、長さＬｍが長すぎるとテーパ領域Ｒｆｃの長さＬｆｃが小さくなり、基本横モードの伝搬損失も増大する。そこで、基本横モードの伝搬損失の増大を抑制しつつ、高次横モードを減衰させるためには、テーパ領域Ｒｆｃの傾斜角θｆの平均値を０．０１度（ｄｅｇ．）以上、０．１度以下としてもよい。傾斜角θｆはテーパ領域Ｒｆｃにおいて一定でもよいが、不連続又は連続的に角度が変化してもよい。この場合、傾斜角θｆの平均値は、以下の式で定義される。
　ａｔａｎ（（Ｗｆ－Ｗｍ）／２Ｌｆｃ）×１８０／π
　図８９に示される構成例Ｃ５２のリッジ３１０Ｒは、リッジ幅が最小値Ｗｍで一定ある領域Ｒｍと、領域Ｒｍより端面１００Ｆに近い領域である領域Ｒｆと、領域Ｒｍより端面１００Ｒに近い領域である領域Ｒｒとを有する。領域ＲｍのＹ軸方向における長さはＬｍであり、領域ＲｆのＹ軸方向における長さはＬｆであり、領域ＲｒのＹ軸方向における長さはＬｒである。領域Ｒｆは、リッジ幅がＷｆ（＞Ｗｍ）で一定である領域Ｒ１と、リッジ幅が端面１００Ｆに近づくにしたがって増大するテーパ領域Ｒｆｃとを有する。領域Ｒｒは、リッジ幅がＷｒ（＞Ｗｍ）で一定である領域Ｒ２と、リッジ幅が端面１００Ｒに近づくにしたがって増大するテーパ領域Ｒｒｃとを有する。テーパ領域ＲｒｃのＸ軸方向の端面のＹ軸方向に対する傾斜角はθｒで一定である。領域Ｒ２のＹ軸方向における長さはＬ２であり、テーパ領域ＲｒｃのＹ軸方向における長さはＬｒｃである。
　構成例Ｃ５２において、端面１００Ｆにおけるリッジ幅Ｗｆが、端面１００Ｒにおけるリッジ幅Ｗｒに等しく、リッジ幅の最小値Ｗｍより大きい。また、端面１００Ｆの反射率が端面１００Ｒの反射率より小さい。また、領域Ｒｆの長さＬｆは、領域Ｒｒの長さＬｒに等しい。
　このような構成例Ｃ５２において、構成例Ｃ５１と同様に傾斜角θｆ及び傾斜角θｒは、０．０１度以上、０．１度以下であってもよい。構成例Ｃ５２においては、端面１００Ｆにおけるリッジ幅Ｗｆが、端面１００Ｒにおけるリッジ幅Ｗｒに等しいため、リッジ形成工程を簡略化できる。したがって、半導体レーザ素子３００の製造を容易化できる。
　図９０に示される構成例Ｃ５３のリッジ３１０Ｒは、領域Ｒｆの長さＬｆが、領域Ｒｒの長さＬｒより長い点において、構成例Ｃ５２と相違する。
　このような構成例Ｃ５３では、長さＬｆが、長さＬｒより長いため、構成例Ｃ５１と同様に、キャリア濃度の高い端面１００Ｒに近い領域でリッジ幅を狭めて、光密度を増大させ、誘導放出で消費されるキャリアの量を増大することができる。したがって、電流－光出力特性において熱飽和レベルの低下を抑制できる。
　図９１に示される構成例Ｃ６１は、傾斜角が異なる二つのテーパ領域Ｒｆｃ１、Ｒｆｃ２を有する点において、構成例Ｃ５１と相違する。構成例Ｃ６１においては、端面１００Ｆに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ１の傾斜角θｆ１の方が、端面１００Ｒに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ２の傾斜角θｆ２より小さい。Ｙ軸方向における光強度分布において、光強度は、端面１００Ｆ及び端面１００Ｒの近傍において高くなり、各端面の反射率で決定されるＹ軸方向位置で極小となる。
　端面１００Ｆの反射率が端面１００Ｒの反射率より小さい場合、Ｙ軸方向における光強度は、端面１００Ｒから端面１００Ｆに近づくにしたがって、一旦減少して最小となる。光強度が最小となるＹ軸方向位置から端面１００Ｆに近づくにしたがって光強度は増大する。
　端面１００Ｆの反射率が端面１００Ｒの反射率より小さい場合、光強度が最小となる位置は、Ｙ軸方向中央と端面１００Ｒとの間に位置する。このため、端面１００Ｆに近いテーパ領域Ｒｆｃ１の傾斜角θｆ１を、端面１００Ｒに近いテーパ領域Ｒｆｃ２の傾斜角θｆ２より小さくすることで、Ｙ軸方向におけるレーザ光の伝搬損失を低減できる。構成例Ｃ６１では、２段階に傾斜角を変化させているが、３段階以上に傾斜角を変化させてもよい。
　図９２に示される構成例Ｃ６２は、領域Ｒｆが、傾斜角が異なる二つのテーパ領域Ｒｆｃ１、Ｒｆｃ２を有し、領域Ｒｒが、傾斜角が異なる二つのテーパ領域Ｒｒｃ１、Ｒｒｃ２を有する点において、構成例Ｃ５２と相違する。構成例Ｃ６２においては、端面１００Ｆに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ１の傾斜角θｆ１の方が、端面１００Ｒに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ２の傾斜角θｆ２より小さく、端面１００Ｆに近い側のテーパ領域Ｒｒｃ１の傾斜角θｒ１の方が、端面１００Ｒに近い側のテーパ領域Ｒｒｃ２の傾斜角θｒ２より大きい。
　構成例Ｃ６２においては、領域Ｒｍと端面１００Ｆとの間で傾斜角を２段階に変化させている。また、領域Ｒｍと端面１００Ｒとの間でも傾斜角を２段階に変化させている。上述したように、各端面近傍において光強度が、極大となるため、各端面に近い方の傾斜角を小さくすることで、各テーパ領域での導波路損失を低減することができる。構成例Ｃ６２では、２段階に傾斜角を変化させているが、３段階以上に傾斜角を変化させてもよい。
　図９３に示される構成例Ｃ６３は、領域Ｒｆが、傾斜角が異なる二つのテーパ領域Ｒｆｃ１、Ｒｆｃ２を有し、領域Ｒｒが、傾斜角が異なる二つのテーパ領域Ｒｒｃ１、Ｒｒｃ２を有する点において、構成例Ｃ５３と相違する。構成例Ｃ６３においては、端面１００Ｆに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ１の傾斜角θｆ１の方が、端面１００Ｒに近い側のテーパ領域Ｒｆｃ２の傾斜角θｆ２より小さく、端面１００Ｆに近い側のテーパ領域Ｒｒｃ１の傾斜角θｒ１の方が、端面１００Ｒに近い側のテーパ領域Ｒｒｃ２の傾斜角θｒ２より大きい。
　構成例Ｃ６３においては、領域Ｒｍと端面１００Ｆとの間で傾斜角を２段階に変化させている。また、領域Ｒｍと端面１００Ｒとの間でも傾斜角を２段階に変化させている。上述したように、各端面近傍において光強度が、極大となるため、各端面に近い方の傾斜角を小さくすることで、各テーパ領域での導波路損失を低減することができる。構成例Ｃ６３では、２段階に傾斜角を変化させているが、３段階以上に傾斜角を変化させてもよい。
　図９４に示される構成例Ｃ７１は、テーパ領域Ｒｆｃの傾斜角θｆｃが、端面１００Ｆに近づくにしたがって連続的に減少する点において、構成例Ｃ６１と相違する。このような、構成例Ｃ７１においても、構成例Ｃ６１と同様の効果が奏される。
　図９５に示される構成例Ｃ７２は、テーパ領域Ｒｆｃの傾斜角θｆｃが、端面１００Ｆに近づくにしたがって連続的に減少する点、及び、テーパ領域Ｒｒｃの傾斜角θｒｃが、端面１００Ｒに近づくにしたがって連続的に減少する点において、構成例Ｃ６２と相違する。このような、構成例Ｃ７２においても、構成例Ｃ６２と同様の効果が奏される。
　図９６に示される構成例Ｃ７３は、テーパ領域Ｒｆｃの傾斜角θｆｃが、端面１００Ｆに近づくにしたがって連続的に減少する点、及び、テーパ領域Ｒｒｃの傾斜角θｒｃが、端面１００Ｒに近づくにしたがって連続的に減少する点において、構成例Ｃ６３と相違する。このような、構成例Ｃ７３においても、構成例Ｃ６３と同様の効果が奏される。
　（変形例など）
　以上、本開示に係る半導体レーザ素子について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記各実施の形態においては、半導体レーザ素子が共振器を用いる半導体レーザ素子である例を示したが、半導体レーザ素子は、スーパールミネッセントダイオードであってもよい。
　また、各実施の形態において、ｐ型クラッド層は、Ａｌ組成比が均一な層であったが、ｐ型クラッド層の構成はこれに限定されない。例えば、ｐ型クラッド層は、複数のＡｌＧａＮ層の各々と、複数のＧａＮ層の各々とが交互に積層された超格子構造を有してもよい。
　また、上記実施の形態３において、第一ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比と、ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比は等しかったが、第一ｐ側ガイド層の平均Ａｌ組成比が、ｎ側ガイド層の平均Ａｌ組成比より大きくてもよい。また、第一ｐ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーが、ｎ側ガイド層の平均バンドギャップエネルギーより大きくてもよい。これにより、積層方向における光強度分布のピーク位置が活性層からｎ側ガイド層へ向かう向きにシフトするので、ｐ型クラッド層などでのフリーキャリア損失が低減し、導波路損失を低減できる。
　また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の半導体レーザ素子は、例えば、高出力かつ高効率な光源として露光装置及び加工機用の光源などに適用できる。
　１００、２００、３００　半導体レーザ素子
　１００Ｆ、１００Ｒ　端面
　１００Ｓ、２００Ｓ、３００Ｓ　半導体積層体
　１０１、３０１、９０１、１００１　基板
　１０２、３０２、９０２　ｎ型クラッド層
　１０３　ｎ側中間層
　１０４、３０４　ｎ側ガイド層
　１０５、３０５　活性層
　１０５ａ、１０５ｃ、１０５ｅ、３０５ａ、３０５ｃ　バリア層
　１０５ｂ、１０５ｄ、３０５ｂ　ウェル層
　１０５ｉ、１０５ｊ　中間バリア層
　１０６、３０６　ｐ側ガイド層
　１０７、２０７、３０７　ｐ側中間層
　１０８、３０８　電子障壁層
　１１０、３１０、９１０　ｐ型クラッド層
　１１０Ｐ、３１０Ｐ　突出部
　１１０Ｒ、３１０Ｒ　リッジ
　１１０Ｒｕ、３１０Ｒｕ　上面
　１１０Ｔ、３１０Ｔ　溝
　１１１、３１１　コンタクト層
　１１２、３１２　電流ブロック層
　１１３、３１３、９１３　ｐ側電極
　１１４、３１４　ｎ側電極
　３０４ａ　第一ｎ側ガイド層
　３０４ｂ　第二ｎ側ガイド層

Claims (21)

  1. 　半導体レーザ素子であって、
    　基板と、
    　前記基板の上方に配置される半導体積層体と、
    　前記半導体積層体の上方に配置され、前記半導体積層体に接するｐ側電極とを備え、
    　前記半導体積層体は、
    　Ａｌを含む窒化物半導体層であるｎ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層の上方に配置されるｎ側ガイド層と、
    　前記ｎ側ガイド層の上方に配置される活性層と、
    　前記活性層の上方に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層であるｐ型クラッド層とを有し、
    　前記ｎ型クラッド層のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比より大きく、
    　前記ｐ側電極は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、及び透光性導電膜の少なくとも一つからなる
    　半導体レーザ素子。
  2. 　前記透光性導電膜は、導電性酸化膜である
    　請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 　前記ｎ側ガイド層は、Ｉｎを含む窒化物半導体層であり、
    　前記半導体積層体は、前記ｎ型クラッド層と前記ｎ側ガイド層との間に配置されるｎ側中間層を有し、
    　前記ｎ側中間層は、膜厚３０ｎｍ以下のＧａＮ層、又は、組成傾斜層であり、
    　前記組成傾斜層は、前記ｎ型クラッド層から遠ざかるにしたがってＡｌ組成比が単調に減少するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層、及び、前記ｎ型クラッド層から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比が単調に増加するＡｌＸｎｊＧａ１－Ｘｎｊ－ＹｎｊＩｎＹｎｊＮ（０≦Ｘｎｊ＜１、０≦Ｙｎｊ＜１）層の少なくとも一方を含む
    　請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 　前記ｎ側ガイド層は、ＩｎＧａＮからなる
    　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. 　前記半導体積層体は、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に配置され、ＩｎＧａＮからなるｐ側ガイド層を有する
    　請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 　前記活性層は、１以上のウェル層と、複数のバリア層とを有し、
    　前記複数のバリア層の各々は、ＩｎＧａＮからなり、
    　前記複数のバリア層のうち前記ｎ側ガイド層に最も近いバリア層のＩｎ組成比は、前記ｎ側ガイド層の最大Ｉｎ組成比以上であり、
    　前記複数のバリア層のうち前記ｐ側ガイド層に最も近いバリア層のＩｎ組成比は、前記ｐ側ガイド層の最大Ｉｎ組成比以上である
    　請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 　前記ｎ側ガイド層及び前記ｐ側ガイド層の少なくとも一方のＩｎ組成比は、前記活性層に近づくにしたがって単調に増加する
    　請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  8. 　前記ｎ側ガイド層の膜厚は、前記ｐ側ガイド層の膜厚より小さい
    　請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 　前記ｎ側ガイド層及び前記ｐ側ガイド層のＩｎ組成比は、前記活性層に近づくにしたがって単調に増加し、
    　前記ｎ側ガイド層の膜厚は、前記ｐ側ガイド層の膜厚以上である
    　請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  10. 　前記ｎ側ガイド層のＩｎ組成比の最大値は、前記ｐ側ガイド層のＩｎ組成比の最大値より大きい
    　請求項６～９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  11. 　前記ｎ側中間層は、膜厚５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＧａＮ層である
    　請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  12. 　前記ｐ型クラッド層の膜厚は、３５０ｎｍ以下である
    　請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  13. 　前記ｎ側ガイド層は、ＡｌＧａＮからなる
    　請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  14. 　前記半導体積層体は、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に配置されるｐ側ガイド層を有し、
    　前記ｐ側ガイド層は、ＡｌＧａＮからなる
    　請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
  15. 　前記活性層は、１以上のウェル層と、複数のバリア層とを有し、
    　前記複数のバリア層の各々は、ＡｌＧａＮからなり、
    　前記複数のバリア層のうち前記ｎ側ガイド層に最も近いバリア層のＡｌ組成比は、前記ｎ側ガイド層の最大Ａｌ組成比以上であり、
    　前記複数のバリア層のうち前記ｐ側ガイド層に最も近いバリア層のＡｌ組成比は、前記ｐ側ガイド層の最大Ａｌ組成比以上である
    　請求項１４に記載の半導体レーザ素子。
  16. 　前記ｎ側ガイド層及び前記ｐ側ガイド層の少なくとも一方のＡｌ組成比は、前記活性層に近づくにしたがって単調に減少する
    　請求項１４に記載の半導体レーザ素子。
  17. 　前記ｎ側ガイド層の膜厚は、前記ｐ側ガイド層の膜厚より厚い
    　請求項１４に記載の半導体レーザ素子。
  18. 　前記半導体積層体は、前記ｎ型クラッド層と前記ｎ側ガイド層との間に配置される組成傾斜層を有し、
    　前記組成傾斜層は、前記ｎ型クラッド層から遠ざかるにしたがって単調にＡｌ組成比が減少するＡｌＸｎｉＧａ１－Ｘｎｉ－ＹｎｉＩｎＹｎｉＮ（０≦Ｘｎｉ＜１、０≦Ｙｎｉ＜１）層、及び、前記ｎ型クラッド層から遠ざかるにしたがってＩｎ組成比が単調に増加するＡｌＸｎｊＧａ１－Ｘｎｊ－ＹｎｊＩｎＹｎｊＮ（０≦Ｘｎｊ＜１、０≦Ｙｎｊ＜１）層の少なくとも一方を含む
    　請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  19. 　前記基板は、ＡｌＧａＮからなる
    　請求項１～１８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  20. 　前記半導体レーザ素子は、導波路を有し、
    　前記基板の屈折率は、前記導波路を伝搬する導波モードに対する実効屈折率より小さい
    　請求項１９に記載の半導体レーザ素子。
  21. 　前記半導体積層体は、前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に配置される電子障壁層を有し、
    　前記半導体積層体には、リッジが形成されており、
    　前記電子障壁層は、前記リッジの内部に位置する
    　請求項１～２０のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
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