半導体レーザ素子
【課題】透明電極をクラッドとして機能させ、かつ活性層に発光ピークを整合させることができる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１０１は、ｎ型クラッド層１４、ｎ型クラッド層１４上に形成されたｎ型ガイド層１５、ｎ型ガイド層１５上に形成された発光層１０、および発光層１０上に形成されたｐ型半導体層１２を備えた窒化物半導体積層構造２と、ｐ型半導体層１２上に形成された透明電極５とを含む。ｎ型ガイド層１５は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が発光層１０のＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さい。前記超格子層が発光層１０に接している。
【解決手段】半導体レーザ素子１０１は、ｎ型クラッド層１４、ｎ型クラッド層１４上に形成されたｎ型ガイド層１５、ｎ型ガイド層１５上に形成された発光層１０、および発光層１０上に形成されたｐ型半導体層１２を備えた窒化物半導体積層構造２と、ｐ型半導体層１２上に形成された透明電極５とを含む。ｎ型ガイド層１５は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が発光層１０のＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さい。前記超格子層が発光層１０に接している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの先行技術に係る半導体レーザ素子は、特許文献１に開示されている。この半導体レーザ素子は、基板と、この基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造とを含む。ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、ｎ型半導体層、発光層、およびｐ型半導体層を積層して構成されている。ｎ型半導体層はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド層を含み、ｐ型半導体層はｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層およびｐ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド・ＧａＮコンタクト層を含む。ｐ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド・ＧａＮコンタクト層の表面に、ＺｎＯからなるｐ型透明電極がオーミック接触している。ｐ型電極は、上部クラッド層として兼用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９４３６０号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下であって、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が前記ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、前記超格子層が前記活性層に接している、半導体レーザ素子である。
【０００５】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【０００６】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【０００７】
そこで、この発明では、ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有しており、その超格子層の平均屈折率が２．６以下とされている。より具体的には、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成および膜厚、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）のＡｌ組成Ｘおよび膜厚が、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計されている。そして、このような超格子層が活性層に接するように配置されている。これにより、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。なお、平均屈折率は、ＩｎＧａＮ層の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）の屈折率ｎＡｌＧａＮ（Ｘ＝０のときはＧａＮの屈折率ｎＧａＮに等しい）および膜厚ＴＡｌＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【０００８】
【数１】
【０００９】
ＩｎＧａＮ単膜でｎ型ガイド層を形成することが考えられるが、たとえばＧａＮ基板上に形成されたＩｎＧａＮ単膜にはＧａＮ基板からの貫通転位が生じやすく、その貫通転位が漏れ電流の原因となる。そこで、この発明では、ｎ型ガイド層は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）との超格子層を含む。これにより、貫通転位に起因する漏れ電流を抑制または防止できる。
【００１０】
ｎ型ガイド層内の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が大きいと、活性層よりも屈折率が大きくなるおそれがあるうえ、活性層へのキャリヤの閉じ込めが弱くなる。そこで、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、活性層内のＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さくされる。
請求項２記載の発明は、前記ｎ型ガイド層の光学膜厚が１０００Å以上４０００Å以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子である。光学膜厚は、物理的な膜厚（絶対膜厚）と膜材料の屈折率との積によって与えられる。したがって、前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
【００１１】
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＡｌＧａＮ・ＴＡｌＧａＮ）×Ｎ
ｎ型ガイド層の光学膜厚が小さいほど閾値が小さくなるが、１０００Å未満では、発振しなくなるおそれがある。また、ｎ型ガイド層の光学膜厚が４０００Åを超えると、光学膜厚の増加に対する閾値の増加率が大きくなり、特性が悪くなるおそれがある。
波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する活性層は、ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成が６％以上とされる。そこで、活性層において屈折率が最も高くなるようにして発光ピークを活性層に整合させるとともに活性層にキャリヤを良好に閉じ込めるためには、請求項３に記載されているように、前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が６％以下であることが好ましい。また、請求項４に記載されているように前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を４％以下としても、平均屈折率が２．６以下の超格子層を形成できる。超格子層内のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を４％以下とすることにより、活性層への光閉じ込めおよびキャリヤの閉じ込めが一層良好になる。
【００１２】
請求項５に記載されているように、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零であってもよい。すなわち、前記超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを周期的に積層した超格子層であってもよい。
また、請求項６に記載されているように、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４であってもよい。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘ＞０）の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも小さく、Ａｌ組成が大きいほど小さくなる。したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（Ｘ＞０）を用いることによって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚（絶対膜厚）を大きくしても、ｎ型ガイド層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。したがって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚の範囲を広くとることができるので、設計の自由度が高まる。たとえば、ｎ型ガイド層の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとしながら、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を比較的大きくすることが可能となる。これにより、たとえば、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を大きくとって発光強度の向上を図り、それによって、輝度の高い半導体レーザ素子を実現できる。
【００１３】
一方、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘがあまり大きいと、ｎ型クラッド層よりもｎ型ガイド層の屈折率が低くなってしまい、光閉じ込めが不良になるおそれがある。そこで、Ａｌ組成Ｘは、０．０４以下（４％以下）とすることが好ましい。
請求項７記載の発明は、前記活性層が、アンドープのＩｎＧａＮまたはアンドープのＧａＮからなる障壁層（たとえば厚さ２００Å以下）と、前記ＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が前記障壁層に接している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。
【００１４】
この構成によれば、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が活性層の障壁層に接することにより、超格子層および活性層が、それらの間に他の層を介在させることなく、直に接している。したがって、屈折率の低い超格子層を活性層に接して配置できるので、活性層に発光ピークを整合させることができる。たとえば、窒化物半導体積層構造をＧａＮ基板上に形成する場合に、ＧａＮ基板との格子整合の観点からは、超格子層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）から成長開始される。この場合、超格子層の最後の層（最上層）は、ＩｎＧａＮ層となる。このＩｎＧａＮ層が活性層の障壁層と接することになる。
【００１５】
前記多重量子井戸構造は、Ｉｎ組成２％〜３％のＩｎＧａＮ障壁層と、Ｉｎ組成６％程度のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。また、前記多重量子井戸構造は、ＧａＮ障壁層と、Ｉｎ組成６％程度のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。
請求項８記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｐ型III族窒化物半導体層が、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層を含み、そのＡｌ組成が１５％以上２５％以下である、半導体レーザ素子である。
【００１６】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００１７】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。しかも、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層は屈折率が小さく、発光ピークがｎ側にずれる傾向を助長している。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００１８】
そこで、この発明では、ｐ型電子ブロック層が、Ａｌ組成１５％〜２５％のＡｌＧａＮ層で構成されている。これにより、発光ピークを活性層に近づけることができ、十分なレーザダイオード特性（とくに十分に低い閾値）を実現することができる。光閉じ込めの観点からはＡｌ組成は低いほどよいが、Ａｌ組成１５％未満では活性層からの電子を十分にブロックすることができなくなり、閾値低減効果が飽和するうえ、高電流領域での光出力が低くなるおそれがある。また、Ａｌ組成２５％を超えると、ｐ型電子ブロック層の屈折率が小さくなりすぎ、活性層への光閉じ込めが不良になるおそれがある。
【００１９】
請求項９記載の発明は、前記ｐ型電子ブロック層の光学膜厚が３００Å以下である、請求項８に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、屈折率の低い電子ブロック層の厚さを抑制できるので、発光ピークを活性層に整合させることができる。光学膜厚とは、ｐ型電子ブロック層を構成するＡｌＧａＮ層の屈折率と、そのＡｌＧａＮ層の層厚との積である。ｐ型電子ブロック層を薄くし過ぎると、活性層からの電子をブロックする効果が弱くなるので、ｐ型電子ブロック層は、８０Å以上の膜厚とされることが好ましい。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、前記ｐ型III族窒化物半導体層が、前記ｐ型電子ブロック層と前記活性層との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層をさらに含む、請求項８または９に記載の半導体レーザ素子である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長させるときの成長温度（たとえば１０５０℃程度）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層を成長させるときの成長温度（たとえば８５０℃程度）よりも高い。そのため、半導体レーザ素子の製造工程において、活性層の成長を終えてから、基板温度の上昇を待って、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長させる必要がある。この待機期間中には、活性層の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまうおそれがある。そこで、この発明では、活性層とｐ型電子ブロック層との間に、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層が配置されている。活性層を成長し終えた後の昇温過程においてｐ型ガイド層を形成し、つづけてｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を形成すれば、活性層からｐ型電子ブロック層まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、活性層の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００２１】
活性層への電子注入効率を高めるためには、ｐ型電子ブロック層を活性層にできるだけ近づけて配置することが好ましい。したがって、請求項１１に記載されているように、前記ｐ型ガイド層の層厚を０〜５００Åとすることが好ましい。
請求項１２記載の発明は、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層された活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層と、前記第１ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層とを含む、半導体レーザ素子である。
【００２２】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００２３】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させる場合に、活性層は、Ｉｎ組成の小さな（たとえば６％程度）のＩｎＧａＮ量子井戸層を有する構成とされることがある。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００２４】
そこで、この発明では、ｎ型クラッド層と活性層との間に配置されるｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層を含む。これにより、第１ガイド層の屈折率は、ｐ側のクラッド層を構成する透明電極との間でバランスがとれるように、低くすることができる。より具体的には、発光波長が波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍである場合に、前記超格子層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。より具体的には、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成および膜厚ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）のＡｌ組成Ｘおよび膜厚を、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計することができる。これにより、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。
【００２５】
一方、ｎ型クラッド層と第１ガイド層とは組成が異なるので、それに応じて結晶成長時の温度が異なる。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＡｌＸＧａ１−ＸＮ超格子層（０≦Ｘ＜１）からなる第１ガイド層の成長温度（たとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層では８５０℃）は、たとえばｎ型クラッド層を第１ガイド層の平均屈折率よりも屈折率の低いＡｌＧａＮ層で構成する場合の成長温度（たとえば１０５０℃）よりも低い。そのため、半導体レーザ素子の製造工程において、ｎ型クラッド層の成長を終えてから、基板温度の降下を待って、第１ガイド層を成長させる必要がある。この待機期間中には、ｎ型クラッド層の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまう（たとえば酸化される）おそれがある。そこで、この発明では、ｎ型ガイド層は、第１ガイド層とｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層を含む。ｎ型クラッド層を成長し終えた後の降温過程において第２ガイド層を形成し、つづけて第１ガイド層（超格子層）を形成すれば、ｎ型クラッド層から第１ガイド層まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、ｎ型クラッド層の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００２６】
請求項１３に記載されているように、前記第１ガイド層の平均Ｉｎ組成と前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成とが異なっていてもよい。ｎ型クラッド層の成長の後、第１ガイド層の成長に適した温度までの降温過程で第２ガイド層を形成すると、第１ガイド層および第２ガイド層の平均Ｉｎ組成は互いに異なる値となる。より具体的には、請求項１４に記載されているように、前記第２ガイド層は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっていてもよい。降温過程で結晶成長を継続すると、第２ガイド層のＩｎ組成は層厚方向に関して傾斜することになる。
【００２７】
請求項１５に記載されているように、前記第２ガイド層の光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）は、屈折率が比較的高いので、第２ガイド層を厚く形成すると、発光ピークがｎ側に偏りやすくなる。そこで、第２ガイド層の光学膜厚を可能な限り薄くすることによって、発光ピークを活性層に整合させることができる。具体的には、光学膜厚を５００Å以下としておけば、素子特性（とくに閾値）に大きな影響を与えることなく、窒化物半導体積層構造の結晶品質を向上できる。光学膜厚とは、第２ガイド層の屈折率（平均屈折率）と膜厚との積である。
【００２８】
さらに、請求項１６に記載されているように、前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成が、前記第１ガイド層の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。これにより、第２ガイド層の屈折率を第１ガイド層よりも低くできるから、発光ピークがｎ側に偏ることを抑制できる。
請求項１７に記載されているように、前記第２ガイド層が、アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層であってもよい。これにより、第２ガイド層は、光ガイド層としての機能を有することができる。アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、ｎ型の導電型を示す。
【００２９】
請求項１８記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、半導体レーザ素子である。
【００３０】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００３１】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００３２】
この発明では、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が４％〜９％とされている。Ａｌ組成を４％以下とすると、ｎ型クラッド層の屈折率が高く、発光ピークが活性層に対してｎ側に偏り、閾値が高くなる。一方、Ａｌ組成を９％以上とすると、たとえば１μｍ〜１．５μｍの膜厚のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成したときに、全面にクラックが生じる。
【００３３】
請求項１９記載の発明は、前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、請求項１８に記載の半導体レーザ素子である。
この構成によれば、ｎ型クラッド層がＡｌ組成の異なる一対のＡｌＧａＮ層を交互に積層した超格子層を有している。このような超格子層では、クラックを生じることなく、平均Ａｌ組成を高くすることができる。これにより、歩留まり低下を招くことなく、発光ピークを活性層に整合させることができる。
【００３４】
請求項２０記載に記載されているように、ｎ型クラッド層の全部が前記超格子層であってもよい。これにより、平均Ａｌ組成の大きなｎ型クラッド層を、クラックを生じることなく厚く（たとえば１μｍ〜１．５μｍ）に形成することができる。
また、請求項２１に記載されているように、前記ｎ型クラッド層が、前記超格子層と、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層とを含む構成としてもよい。この場合、請求項２２に記載されているように、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層が、前記超格子層よりも前記活性層に近い側に配置されていることが好ましい。さらに、この場合に、請求項２３に記載されているように、前記超格子層の平均Ａｌ組成が、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層の平均Ａｌ組成よりも大きいことが好ましい。超格子層の平均Ａｌ組成は、ＡｌＧａＮ単膜のＡｌ組成よりも大きくすることができる。平均Ａｌ組成の大きな超格子層は、屈折率が低いので、活性層よりも遠くに配置することで、発光ピークを活性層に整合させやすくなる。
【００３５】
請求項２４記載の発明は、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）を周期的に積層した超格子層を含み、前記ｎ型クラッド層が前記ｎ型ガイド層に対して前記活性層とは反対側から接している、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。
この構成によれば、ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層を有している。これにより、ｎ型ガイド層の屈折率を低く（たとえば２．６以下）６とすることができるので、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。
【００３６】
請求項２５に記載されているように、前記ｎ型ガイド層の超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零であってもよい。すなわち、前記超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを周期的に積層した超格子層であってもよい。
また、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４であってもよい。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘ＞０）の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも小さく、Ａｌ組成が大きいほど小さくなる。したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（Ｘ＞０）を用いることによって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚（絶対膜厚）を大きくしても、ｎ型ガイド層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。したがって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚の範囲を広くとることができるので、設計の自由度が高まる。たとえば、ｎ型ガイド層の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとしながら、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を比較的大きくすることが可能となる。これにより、たとえば、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を大きくとって発光強度の向上を図り、それによって、輝度の高い半導体レーザ素子を実現できる。一方、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘがあまり大きいと、Ａｌ組成が４％〜９％のＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層よりもｎ型ガイド層の屈折率が低くなってしまい、光閉じ込めが不良になるおそれがある。そこで、Ａｌ組成Ｘは、０．０４以下（４％以下）とすることが好ましい。
【００３７】
いずれの発明においても、前記窒化物半導体積層構造は、ｐ型半導体クラッド層を有していなくてもよい。窒化物半導体積層構造がｐ型半導体クラッド層を有する場合には、窒化物半導体積層構造の形成工程において、比較的低温で活性層（発光層）を形成してから、活性層よりも高い温度でｐ型半導体クラッド層を形成することになる。そのため、ｐ型半導体クラッド層を形成する際に、活性層に対して熱によるダメージが加わる虞がある。それに対して、この発明では、窒化物半導体積層構造がｐ型半導体クラッド層を有していなくてもよいので、窒化物半導体積層構造の形成工程において活性層に対して熱によるダメージが加わるといった不具合を防止できる。
【００３８】
また、いずれの発明においても、前記透明電極は、ｐ型III族窒化物半導体層に接して形成され酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜と、第１導電性膜に積層され酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜とを含むことが好ましい。
透明電極は、ｎ型クラッド層との間で発光層の光を閉じ込めるために、ある程度の厚さを有する必要がある。しかし、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜は、成膜速度が遅いので、第１導電性膜だけで透明電極を構成すると、必要な厚さまで成長させるのに時間がかかってしまう。一方、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜は、成膜速度は比較的速いものの、ｐ型窒化物半導体に対する接触抵抗が高い。そこで、ｐ型III族窒化物半導体層に接触する部分を酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜で構成して接触抵抗の低減を図り、その一方で、第１導電性膜の上に酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜を積層することによって、必要膜厚の透明電極の形成速度を早めることができる。より具体的には、第１導電性膜を必要最小限の膜厚に形成することにより、透明電極の形成に要する時間を短くでき、それによって生産性を向上できる。
【００３９】
前記ｐ型半導体層は、前記活性層上に積層された第１ｐ型ガイド層と、前記第１ｐ型ガイド層上に積層されたｐ型電子ブロック層と、前記ｐ型電子ブロック層上に積層され前記第１ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型ガイド層と、前記第２ｐ型ガイド層上に積層され前記第２ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型コンタクト層とを含んでいてもよい。
【００４０】
この構成により、第１および第２ｐ型ガイド層の間に配置されたｐ型電子ブロック層は、電子を活性層へと反射し、活性層への電子注入効率を高める。ｐ型電子ブロック層を挟んで配置された第１および第２ｐ型ガイド層は、活性層へのキャリヤ閉じ込めおよび光閉じ込めに寄与する。ｐ型コンタクト層は、透明電極と接する。ｐ型コンタクト層は、そのｐ型不純物濃度が高くされているので、透明電極との接触抵抗が低くなっている。第２ｐ型ガイド層はｐ型コンタクト層よりもｐ型不純物濃度が低く、さらに第１ｐ型ガイド層は第２ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が低い。すなわち、活性層に近づくほど、ｐ型不純物濃度が低くなっており、不純物による光の吸収を抑制する構造となっている。
【００４１】
少なくとも前記ｐ型コンタクト層の一部が掘り込まれてリッジ部が形成されていてもよい。これにより、リッジ部に電流を集中させる電流狭窄構造を形成することができる。リッジ部は、共振器方向に沿ってストライプ状に形成されることが好ましい。そして、リッジ部の両側には、絶縁膜が配置されることが好ましい。これにより、ｐ型コンタクト層を含むｐ型半導体層の層厚を或る程度確保して縦方向の光閉じ込めを図りつつ、絶縁膜を発光層に近づけて配置することにより横方向の光閉じ込めを強化できる。これにより、発振閾値を低減できる。
【００４２】
前記第２ｐ型ガイド層の層厚は、５０ｎｍ以下であることが好ましい。とくに、前述のようなリッジ部が形成される場合に、第２ｐ型ガイド層の層厚を５０ｎｍ以下とすることにより、リッジ部の両側の絶縁膜を発光層に一層近づけることができる。これにより、横方向の光閉じ込めを一層強化できるので、発振閾値の低減に寄与できる。
さらに、前記ｐ型コンタクト層のｐ型不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上であり、前記第１ｐ型ガイド層および前記第２ｐ型ガイド層のｐ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。この構成により、ｐ型コンタクト層と第２導電性膜との接触抵抗を低減し、かつ第１および第２ｐ型ガイド層による光の吸収を抑制できる。
【００４３】
前記ｐ型半導体層の総膜厚は、１５００Å以下であることが好ましい。これにより、素子の薄型化を図ることができる。
以上の特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な斜視図であり、要部を切り欠いて示している。
【図２】図２は、共振器方向に直交する切断面を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、前記半導体レーザ素子の一部の構成を拡大して示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、第１ｎ型ガイド層のＩｎ組成と発振閾値との関係を示す図である。
【図４】図４は、第１ｎ型ガイド層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚と発振閾値との関係を示す。
【図５】図５は、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成と発振閾値との関係を示す。
【図６】図６は、Ａｌ組成と光出力との関係を示す。
【図７】図７は、ｐ型電子ブロック層の層厚と発振閾値との関係を示す。
【図８】図８は、第１ｐ型ガイド層の層厚（ｐ型電子ブロック層と発光層との距離）と、発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図９】図９は、第２ｎ型ガイド層の層厚と発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図１０】図１０は、ｎ型クラッド層のＡｌ組成と発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図１１】図１１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層および第２ｐ型ＧａＮガイド層の各層厚と閾値電流との関係を計算した結果を示す。
【図１２】図１２は、この発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な部分断面図である。
【図１３】図１３は、この発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、図２Ａに示す構造について、第１ｎ型ガイドの物理的な膜厚絶対膜厚）とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を調べた実験結果である。
【図１５】図１５は、第１ｎ型ガイド層を形成する超格子の構成例を説明するための図である。
【図１６】図１６は、図１５に示した各組合せの超格子層で第１ｎ型ガイド層を構成した場合における半導体レーザ素子の発振閾値を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な斜視図であり、要部を切り欠いて示してある。図２は、共振器方向に直交する切断面を示す模式的な断面図である。
この半導体レーザ素子１０１は、基板１と、基板１上に結晶成長（エピタキシャル成長）によって形成された窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極パッド３と、窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成された絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成されて窒化物半導体積層構造２の表面に部分的に接触するｐ側電極としての透明電極５と、透明電極５上に形成されたｐ側電極パッド６とを備えたファブリペロー型のものである。
【００４６】
基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、たとえばｃ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、窒化物半導体積層構造２は、ｃ面を結晶成長主面とする窒化物半導体からなる。むろん、基板１の主面をｍ面やａ面としてもよく、いずれの場合も、窒化物半導体積層構造２の結晶成長主面は基板１の主面の結晶面に従う。
【００４７】
窒化物半導体積層構造２は、発光層１０（活性層）と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。各図において、ドットを付した部分が発光層１０である。ｎ型半導体層１１は、発光層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は、発光層１０に対して透明電極５側に配置されている。こうして、発光層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが発光層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００４８】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型クラッド層１４（たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ガイド層１５（たとえば１００ｎｍ厚）を積層して構成されている。
一方、ｐ型半導体層１２は、発光層１０上に形成されている。ｐ型半導体層１２は、全体で、Ｍｇを１×１０１９ｃｍ-３以上の濃度で含んでいる。ｐ型半導体層１２は、発光層１０側から順に、第１ｐ型ガイド層１７１、ｐ型電子ブロック層１６（たとえば１００Å厚）、第２ｐ型ガイド層１７２、およびｐ型コンタクト層１７３（たとえば１００ｎｍ厚）を積層して構成されている。ｐ型コンタクト層１７３は、ｐ型半導体層１２における透明電極５側の表層部に位置している。
【００４９】
発光層１０は、たとえばＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層１０は、具体的には、図２Ａに拡大して示すように、アンドープＩｎＧａＮ層５１（１００Å厚以下。たとえば３ｎｍ厚）とアンドープＧａＮ層またはアンドープＩｎＧａＮ層５２（２０ｎｍ厚以下。たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層５１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層５２は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層５１とバリア層５２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層５１）におけるＩｎの組成を調整することによって、たとえば、４００ｎｍ以上４１０ｎｍ以下とされている。発光波長を４０５ｎｍ近傍の青紫色領域とするときには、量子井戸層におけるＩｎ組成は、６％〜８％（たとえば、７％）とするとよい。前記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。
【００５０】
第１ｐ型ガイド層１７１には、ｐ型不純物としてのＭｇが、たとえば５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングされており、その厚さは、０〜５００Å程度である。第１ｐ型ガイド層１７１はｐ型ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０≦Ｘ１＜１。Ｘ１＝０のときはＧａＮ層となる）であってもよい。
ｐ型コンタクト層１７３は、共振器方向に沿うストライプ状のリッジ部を形成している。すなわち、ｐ型コンタクト層１７３は、ストライプ状に成形されていて、共振器直交方向の両側が第２ｐ型ガイド層１７２まで掘り切られている。
【００５１】
ｐ型電子ブロック層１６は、Ａｌ組成が１５％〜２５％のｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなり、その厚さは３００Å以下、たとえば２００Å程度である。ｐ型電子ブロック層１６は、第１ｐ型ガイド層１７１と第２ｐ型ガイド層１７２との間に形成されている。ｐ型電子ブロック層１６は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０１９ｃｍ−３以上）して形成されたｐ型半導体であり、発光層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
【００５２】
第２ｐ型ガイド層１７２は、５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で、かつ第１ｐ型ガイド層１７１よりも高濃度でｐ型不純物を含む。第２ｐ型ガイド層１７２はｐ型ＧａＮ層であってもよい。第２ｐ型ガイド層１７２は、ｐ型電子ブロック層１６の全域を覆うように形成されており、たとえば５０ｎｍ以下の厚さに形成されている。ｐ型コンタクト層１７３は、たとえばｐ型ＧａＮ層からなり、ｐ型不純物としてのＭｇが、第２ｐ型ガイド層１７２よりも高濃度にドーピングされている。たとえば、ｐ型コンタクト層１７３のｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）は、１×１０２０ｃｍ−３以上であることが好ましい。ｐ型コンタクト層１７３の層厚は３０ｎｍ程度であってもよい。素子の薄型化のためには、ｐ型半導体層１２は、リッジ部を構成するｐ型コンタクト層１７３の部分において、全体で１５００Å以下の厚さに形成されることが好ましい。
【００５３】
絶縁膜４は、たとえば、ＺｒＯ２またはＳｉＯ２からなり、その厚さは、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。絶縁膜４は、リッジ部をなすｐ型コンタクト層１７３の両側に配置されていて、開口部２０からｐ型コンタクト層１７３の頂面を露出させている。すなわち、絶縁膜４は、リッジ形状のｐ型コンタクト層１７３の両側において、第２ｐ型ガイド層１７２に接している。
【００５４】
透明電極５は、ｐ型半導体層１２側から順に、第１導電性膜２１および第２導電性膜２２を積層して構成されている。第１導電性膜２１は、酸化インジウム系の材料（たとえばＩＴＯ）からなる。第１導電性膜２１は、開口部２０に入り込んで、ｐ型コンタクト層１７３にオーミック接触しており、さらに、開口部２０外の絶縁膜４の表面にまで延びて形成されている。第２導電性膜２２は、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料（たとえばＺｎＯ）からなり、第１導電性膜２１の表面全域を覆うように形成されている。透明電極５全体は、４００ｎｍ程度の厚みを有している。
【００５５】
第１導電性膜２１は、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは１０ｎｍ）の厚みを有する透明な酸化膜である。「透明」とは、発光層１０の発光波長に対して透明であることであり、具体的には、たとえば、発光波長の透過率が７０％以上の場合をいう。第１導電性膜２１は、絶縁膜４の表面（図２における上面）における開口部２０以外の全領域と、絶縁膜４において開口部２０を縁取る１対の側面の全領域と、ｐ型コンタクト層１７３の表面において開口部２０から露出された全領域とに亘って連続して形成されている。つまり、第１導電性膜２１は、開口部２０を介してｐ型コンタクト層１７３（ｐ型半導体層１２）に接するように絶縁膜４上に形成されている。
【００５６】
第１導電性膜２１は、たとえば、以下の特性（１）〜（３）を有する材料からなる。
特性（１）：電子濃度が１×１０１９ｃｍ-３以上である。
特性（２）：透過率が発光層１０の発光波長に対して７０％以上である。
特性（３）：仕事関数が５．０ｅＶ以上である。
以上の特性を有するものとして、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）系の材料が挙げられる。具体的には、この実施形態では、第１導電性膜２１は、ＩＴＯからなる。この場合、第１導電性膜２１と、これが接するｐ型半導体層１２との接触抵抗は、１×１０-３Ω・ｃｍ２以下になっている。第１導電性膜２１を構成する酸化インジウム系の材料は、Ｓｎを３％以上の組成で含んでいることが好ましい。
【００５７】
第２導電性膜２２は、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の厚みを有する透明な酸化膜である。つまり、第２導電性膜２２の透過率は、発光層１０の発光波長に対して７０％以上である。第２導電性膜２２は、第１導電性膜２１の表面（図２における上面）上の全域に亘って形成されている。第２導電性膜２２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）系または酸化錫（ＳｎＯ）系の材料からなる。具体的には、第２導電性膜２２は、ＧａもしくはＡｌのIII族原子を１×１０１９ｃｍ-３以上の濃度で含むＺｎＯまたはＭｇＺｎＯからなる。第２導電性膜２２がＭｇＺｎＯからなる場合、Ｍｇ組成を変更することによって第２導電性膜２２の屈折率を調整できる。ＭｇＺｎＯにおけるＭｇ組成は、５０％以下であることが好ましい。具体的に、第２導電性膜２２を構成するＭｇＺｎＯは、ＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）と表わすことができる。
【００５８】
透明電極５は、上部クラッド層として機能し、ｎ型クラッド層１４との間で、発光層１０からの光を当該発光層１０側へと閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。そのため、透明電極５に含まれる第１導電性膜２１および第２導電性膜２２の屈折率は、発光層１０の屈折率より小さい。具体的には、発光層１０の平均屈折率が２．７であるのに対し、ＩＴＯからなる場合における第１導電性膜２１の屈折率は２．１であり、ＺｎＯからなる場合における第２導電性膜２２の屈折率は２．２である。また、ＳｉＯ２からなる場合における絶縁膜４の屈折率は１．４と小さいことから、絶縁膜４も光閉じ込め効果を生じる。
【００５９】
発光層１０からの光が透明電極５とｎ型クラッド層１４との間で閉じ込められることから、この半導体レーザ素子１０１には、ｐ型窒化物半導体からなるクラッド層（ｐ型半導体クラッド層）が存在しない。つまり、窒化物半導体積層構造２は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。
ｎ側電極パッド３は、たとえば、基板１側から順にＡｌ層、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層した多層構造を有しており、そのＡｌ層が基板１にオーミック接触している。
【００６０】
ｐ側電極パッド６は、たとえば、基板１側から順に、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層した積層電極膜で構成されている。
ｎ型ガイド層１５は、ｎ型クラッド層１４上に形成されている。ｎ型ガイド層１５は、発光層１０にキャリヤ（電子）を閉じ込めるためのキャリヤ閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ガイド層１５は、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１と、第２ｎ型ガイド層１５２とを含む。第２ｎ型ガイド層１５２は、ｎ型クラッド層１４と第１ｎ型ガイド層１５１との間に配置されている。第１ｎ型ガイド層１５１は、発光層１０と第２ｎ型ガイド層１５２との間に配置されている。
【００６１】
第１ｎ型ガイド層１５１は、図２Ａに拡大して示すように、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを周期的に積層した超格子層からなる。より具体的には、ＧａＮ基板１側からＧａＮ層６２、ＩｎＧａＮ層６１、ＧａＮ層６２、……の順に、ＧａＮ層６２とＩｎＧａＮ層６１とを交互に積層して超格子構造が形成されている。第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０を構成するＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さく、たとえば６％以下（より好ましくは４％以下）である。第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を構成するＩｎＧａＮ層６１が発光層１０の障壁層５２に接している。また、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とされている。
【００６２】
第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＧａＮ層６２の屈折率ｎＧａＮおよび膜厚ＴＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【００６３】
【数２】
【００６４】
また、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＧａＮ・ＴＧａＮ）×Ｎ
第２ｎ型ガイド層１５２は、ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１。Ｘ２＝０のときはＧａＮ層）からなる。第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とは異なっており、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成は、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも高い。さらに具体的には、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成は、前記第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成よりも小さい。また、第２ｎ型ガイド層１５２は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているアンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっている。第２ｎ型ガイド層１５２は、その光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。この場合の光学膜厚とは、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率と膜厚との積である。
【００６５】
ｎ型クラッド層１４は、基板１上に形成されている。ｎ型クラッド層１４は、発光層１０からの光を当該発光層１０側へと閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型クラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０１８ｃｍ−３）することによってｎ型半導体とされている。ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５よりもバンドギャップが広い。これにより、ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５よりも十分に小さな屈折率を有するので、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザ素子１０１を実現できる。
【００６６】
より詳細に説明すると、ｎ型クラッド層１４が、Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さいＡｌＧａＮからなっている。さらに具体的には、図２Ａに拡大して示すように、ｎ型クラッド層１４は、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層からなっている。そして、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さくなっている。ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５に対して、発光層１０とは反対側から接している。
【００６７】
窒化物半導体積層構造２は、共振器方向両端における劈開により形成された一対の端面２４，２５（劈開面）を有している。一対の端面２４，２５は、互いに平行であり、いずれも共振器方向に垂直である。こうして、ｎ型半導体層１１、発光層１０およびｐ型半導体層１２によって、端面２４，２５を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層１０で発生した光は、共振器端面２４，２５の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２４，２５からレーザ光として素子外に取り出される。共振器端面２４，２５には、たとえば、多重反射膜（図示せず）が形成されている。たとえば、一方の共振器端面２４側の多重反射膜は、共振器端面２５側の多重反射膜よりも反射率が低くなるように設計される。これにより、共振器端面２４側からより多くのレーザ光が素子外に取り出される。すなわち、一方の共振器端面２４が、レーザ出射端面とされる。
【００６８】
このような構成によって、ｎ側電極パッド３および透明電極５を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を発光層１０に注入することによって、この発光層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、たとえば、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させることができる。この光は、ｎ型クラッド層１４と透明電極５（上部クラッド層）との間に閉じ込められ、窒化物半導体積層構造２の積層方向と垂直な共振器方向に伝搬する。具体的には、この光は、共振器端面２４，２５の間をガイド層１５，１７１に沿って共振器方向に往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２４から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
【００６９】
図３は、第１ｎ型ガイド層１５１のＩｎ組成と発振閾値（Ｉth）との関係を示す図である。より具体的には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層で構成された第１ｎ型ガイド層１５１におけるＩｎＧａＮ層６１（図２Ａ参照）のＩｎ組成と発振閾値との関係が示されている。ただし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、１０Å厚のＩｎＧａＮ層６１と３０Å厚のＧａＮ層６２とで構成し、周期数（ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層のペア数）は４０とした。したがって、周期厚は４０Åであり、総膜厚は１６００Åである。図３から、Ｉｎ組成が６％を超えると閾値が急増することが分かる。すなわち、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は６％以下が好ましい。そして、Ｉｎ組成が４％以下では、閾値が下限値付近で飽和していることから、Ｉｎ組成を４％以下とすることがさらに好ましいことが分かる。Ｉｎ組成が４％のときの第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）平均屈折率は２．６である。参照符号Ａは、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成を６％とし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層の平均屈折率が２．６となるように、ＩｎＧａＮ層６１およびＧａＮ層６２の層厚を設計したときの計算結果を示す。この場合も、十分に低い閾値を実現できる。したがって、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層の平均屈折率が２．６以下となるようにＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を設計することによって、閾値を十分に低減できる。平均屈折率は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの屈折率とそれらの膜厚比とから計算される。
【００７０】
図４は、第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ただし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、１０Å厚のＩｎＧａＮ層６１と３０Å厚のＧａＮ層６２（図２Ａ参照）とで構成し、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は４％とした。そして、周期数（ＩｎＧａＮ層６１およびＧａＮ層６２のペア数）を変更することによって、様々な光学膜厚に関して閾値を求めた。図４から、光学膜厚を減らすことで閾値を低減できることが分かる。そして、光学膜厚４０００Å以下では閾値が飽和し始める。光学膜厚が１０００Å未満では、発振しなくなる。したがって、第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とすることが好ましい。
【００７１】
図５は、ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成を小さくするほど閾値が低くなることが分かる。図５からは、Ａｌ組成が１５％以下の領域で閾値の低下が鈍化していることが分かる。しかし、Ａｌ組成を小さくすると、電子ブロック機能が弱まるから、Ａｌ組成の決定に当たっては、光出力を評価すべきである。
【００７２】
図６は、Ａｌ組成と光出力との関係を示す。横軸は入力電流(Current)、縦軸は光出力(Output Power)である。Ａｌ組成を１０％、１５％、２０％、２５％としたときの計算結果が示されている。図６から、Ａｌ組成を下げると、高電流域での光出力が小さくなる傾向が読み取れる。閾値と光出力の傾向から、ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成は、１５％以上２５％以下とすることが適当である。
【００７３】
図７は、ｐ型電子ブロック層１６の層厚と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ただし、Ａｌ組成を２０％とした場合の計算結果が示されている。ｐ型電子ブロック層１６の膜厚が小さいほど閾値が低くなるが、１２０Å以下の範囲では閾値の変化率が低い。波長４０５ｎｍの光に対するＡｌ組成２０％のＡｌＧａＮの屈折率は、２．２２であるので、光学膜厚を２６６Å（≒１２０Å×２．２２）以下とすればよい。Ａｌ組成が２５％まで許されるので、ｐ型電子ブロック層１６の光学膜厚は概ね３００Å以下とすればよい。ただし、ｐ型電子ブロック層１６を薄くしすぎると、電子を発光層１０へ反射する機能が弱くなるので、ｐ型電子ブロック層１６は、１６０Å以上の光学膜厚を有することが好ましい。
【００７４】
図８は、第１ｐ型ガイド層１７１の層厚（ｐ型電子ブロック層１６と発光層１０との距離）と、発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ただし、第１ｐ型ガイド層１７１をｐ型ＧａＮ層で構成する場合の計算結果である。図８から、第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１の層厚が５００Åを超えると、閾値が増加に転じることがわかる。したがって、第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１の層厚は、０〜５００Åの範囲で定めることが好ましい。第１ｐ型ガイド層１７１は、ｐ型ＡｌＧａＮで構成することもできる。
【００７５】
図９は、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚と発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ただし、第２ｎ型ガイド層１５２をｎ型ＧａＮ層で構成する場合の計算結果である。図９から、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚を５００Å以下としておけば、十分に低い閾値となり、素子特性に大きな影響を与えないことが分かる。さらに、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚が２００Å以下の範囲では、閾値は下限値付近で飽和している。ＧａＮの屈折率が２．５であるので、第２ｎ型ＧａＮ層１５２の光学膜厚を５００Å（＝２００Å×２．５）以下とすることにより、閾値を下限値付近で飽和させることができる。
【００７６】
図１０は、ｎ型クラッド層１４のＡｌ組成（平均Ａｌ組成）と発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ｎ型クラッド層１４の層厚は１００００Åとした。この図から、Ａｌ組成を大きくするほど閾値が低くなることが分かる。ただし、平均Ａｌ組成が９％以上になると、ＧａＮ基板１との格子不整合が大きくなるため、窒化物半導体積層構造２の全面にクラックが発生するおそれがある。また、Ａｌ組成が４％以下の範囲では閾値の増加率が大きくなる。よって、ｎ型クラッド層１４の平均Ａｌ組成は、４％〜９％とするのが適切である。
【００７７】
図１１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層および第２ｐ型ＧａＮガイド層の各層厚と閾値電流との関係を計算した結果を示す。ｐ型ＧａＮコンタクト層１７３の層厚を３０ｎｍを基準として減らしていき、半導体レーザ素子１０１の閾値電流を計算すると、層厚の減少に伴って閾値電流が増加することが分かる。すなわち、光閉じ込めのためには、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７３は、或る程度の層厚を有している必要がある。一方、第２ｐ型ＧａＮガイド層１７２の層厚を０ｎｍから増やしていき、半導体レーザ素子１０１の閾値電流を計算すると、層厚の増加に伴って閾値電流が増加することが分かる。したがって、第２ｐ型ＧａＮガイド層１７２の層厚をできる限り小さくして、絶縁膜４を発光層１０に近づけ、横方向の光閉じ込めを強化することで、閾値電流を低減できる。具体的には、第２ｐ型ガイド層１７２の層厚は５０ｎｍ以下が好ましく、これにより、閾値電流を十分に低くできる。
【００７８】
以上のように、半導体レーザ素子１０１は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。つまり、窒化物半導体積層構造２は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。窒化物半導体積層構造２がｐ型半導体クラッド層を有する場合には、窒化物半導体積層構造２の形成工程において、比較的低温で発光層１０を形成してから、発光層１０の場合よりも高い温度でｐ型半導体クラッド層を形成することになる。そのため、ｐ型半導体クラッド層を形成する際に、発光層１０に対して熱によるダメージが加わる虞がある。それに対して、この実施形態では、窒化物半導体積層構造２がｐ型半導体クラッド層を有していないので、窒化物半導体積層構造２の形成工程において発光層１０に対して熱によるダメージが加わるといった不具合を防止できる。また、Ａｌを含むｐ型半導体クラッド層を設けると、このｐ型半導体クラッド層自体が高抵抗層となるが、このようなｐ型半導体クラッド層を必要としない本実施形態の構成により、電気抵抗を効果的に低減できる。こうして、簡単な構成でありながら、良好な発振効率を実現でき、低閾値化を実現することができる。
【００７９】
透明電極５は、ｎ型クラッド層１４との間で発光層１０の光を閉じ込めるために、ある程度の厚さを有する必要がある。しかし、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１は、成膜速度が遅いので、第１導電性膜２１だけで透明電極５を構成すると、透明電極５を形成するのに時間がかかってしまう。一方、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２は、成膜速度は比較的速いものの、ｐ型窒化物半導体に対する接触抵抗が高い。そこで、本実施形態では、透明電極５においてｐ型半導体層１２に接触する部分を酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１で構成して接触抵抗の低減が図られている。特に、第１導電性膜２１は、ＩＴＯからなるので、ｐ型半導体層１２との接触抵抗を十分に低減できる。その一方で、第１導電性膜２１と、その上に形成された酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２とを透明電極５に含ませることによって、透明電極５の形成速度の向上を図ることができる。より具体的には、第１導電性膜２１を必要最小限の膜厚に形成することにより、透明電極５の形成に要する時間を短くでき、それによって生産性を向上できる。
【００８０】
また、ｐ型ガイド層１７１，１７２およびｐ型コンタクト層１７３は、ＧａＮからなるので、Ａｌを含む組成の場合に比べて、低温で形成できる。そのため、発光層１０に対する熱ダメージを一層低減できる。
また、絶縁膜４は、開口部２０以外の領域において、ｐ型半導体層１２と透明電極５とを絶縁する。絶縁膜４では、開口部２０において電流狭窄を行うことができ、絶縁膜４は、上部クラッド層としての透明電極５とともに発光層１０への光閉じ込めに寄与する。
【００８１】
透明電極５は、ｐ型半導体層１２に電流を供給する電極となる。透明電極５は、絶縁膜４の開口部２０に入り込んでｐ型半導体層１２に接している。これにより、透明電極５とｐ型半導体層１２との電気的接続は、開口部２０内に制限されるので、電流狭窄構造を形成できる。
透明電極５は、前述のとおり、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１と、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２とを積層して構成されている。このような透明電極５は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極５とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が発光層１０よりもｎ型半導体層１１側にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、発光層１０に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）としなければならない。そのため、発光層１０の屈折率を大きくすることができず、発光層１０に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。
【００８２】
そこで、この実施形態では、ｎ型ガイド層１５が、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを交互に周期的に積層した超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１を有しており、その超格子層の平均屈折率が２．６以下とされている。より具体的には、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成および膜厚が、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計されている。そして、このような超格子層が発光層１０に接するように配置されている。これにより、発光層１０を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子１０１を提供できる。
【００８３】
また、超格子層で構成された第１ｎ型ガイド層１５１には、ＧａＮ基板１から引き継がれた大きな貫通転位が生じ難い。したがって、貫通転位に起因する漏れ電流を抑制または防止できる。
第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成が大きいと、発光層１０よりも屈折率が大きくなるおそれがあるうえ、発光層１０へのキャリヤの閉じ込めが弱くなる。そこで、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０内のＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さくされている。
【００８４】
また、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１が、発光層１０の量子井戸構造を構成する障壁層５２に接している。これにより、屈折率の低い第１ｎ型ガイド層１５１を発光層１０に接して配置できるので、発光層１０に発光ピークを整合させることができる。
また、この実施形態では、ｐ型電子ブロック層１６が、Ａｌ組成１５％〜２５％のＡｌＧａＮ層で構成されている。これにより、発光ピークを発光層１０に近づけることができ、十分なレーザダイオード特性（とくに十分に低い閾値）を実現することができる。また、この実施形態では、ｐ型電子ブロック層１６の光学膜厚が３００Å以下とされている。これにより、屈折率の低いｐ型電子ブロック層１６の厚さを抑制できるので、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。
【００８５】
また、この実施形態では、ｐ型半導体層１２は、ｐ型電子ブロック層１６と発光層１０との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる第１ｐ型ガイド層１７１を含む。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を成長させるときの成長温度（たとえば１０５０℃程度）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層６１を含む発光層１０を成長させるときの成長温度（たとえば８５０℃程度）よりも高い。そのため、半導体レーザ素子１０１の製造工程において、発光層１０の成長を終えてから、基板温度の上昇を待って、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を成長させる必要がある。この待機期間中には、発光層１０の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまうおそれがある。そこで、この実施形態では、発光層１０とｐ型電子ブロック層１６との間に、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる第１ｐ型ガイド層１７１が配置されている。発光層１０を成長し終えた後の昇温過程において第１ｐ型ガイド層１７１を形成し、つづけてｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を形成すれば、発光層１０からｐ型電子ブロック層１６まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、発光層１０の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子１０１の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００８６】
さらに、この実施形態では、ｎ型ガイド層１５が、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを交互に周期的に積層した超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１と、この第１ｎ型ガイド層１５１とｎ型クラッド層１４との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層１５２とを含む。ｎ型クラッド層１４と第１ｎ型ガイド層１５１とは組成が異なるので、それに応じて結晶成長時の温度が異なる。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１の成長温度（たとえば８５０℃）は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４の成長温度（たとえば１０５０℃）よりも低い。そのため、半導体レーザ素子１０１の製造工程において、ｎ型クラッド層１４の成長を終えてから、基板温度の降下を待って、第１ｎ型ガイド層１５１を成長させる必要がある。この待機期間中には、ｎ型クラッド層１４の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまう（とくにＡｌが酸化される）おそれがある。そこで、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１とｎ型クラッド層１４との間にＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ｎ型ガイド層１５２が配置されている。ｎ型クラッド層１４を成長し終えた後の降温過程において第２ｎ型ガイド層１５２を形成し、つづけて第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を形成すれば、ｎ型クラッド層１４から第１ｎ型ガイド層１５１まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、ｎ型クラッド層１４の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子１０１の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００８７】
ｎ型クラッド層１４を形成した後の降温過程で結晶成長を継続して第２ｎ型ガイド層１５２を形成すると、この第２ｎ型ガイド層１５２のＩｎ組成は層厚方向に関して傾斜することになる。したがって、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とが異なることになり、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成が第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも大きくなる。これにより、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率を第１ｎ型ガイド層１５１の屈折率よりも低くできるから、発光ピークがｎ側に偏ることを抑制できる。
【００８８】
さらに、この実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４のＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さくされている。これにより、発光ピークを発光層１０と整合させることができ、窒化物半導体積層構造２にクラックを生じさせることなく、閾値の低い半導体レーザ素子１０１を実現できる。また、この実施形態では、ｎ型クラッド層１４が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを交互に周期的に積層した超格子層からなっている。これにより、クラックを生じることなく、ｎ型クラッド層１４の平均Ａｌ組成を高くし、その層厚を厚く（たとえば１μｍ〜１．５μｍ）することができるので、歩留まり低下を招くことなく、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。
【００８９】
さらに、この実施形態の半導体レーザ素子１０１においては、ｐ型コンタクト層１７３は、そのｐ型不純物濃度が高くされているので、透明電極５との接触抵抗が低くなっている。第２ｐ型ガイド層１７２はｐ型コンタクト層１７３よりもｐ型不純物濃度が低く、さらに第１ｐ型ガイド層１７１は第２ｐ型ガイド層１７２よりもｐ型不純物濃度が低い。すなわち、発光層１０に近づくほど、ｐ型不純物濃度が低くなっており、不純物による光の吸収を抑制する構造となっている。
【００９０】
また、ｐ型コンタクト層１７３がストライプ状のリッジ部を形成しているので、当該リッジ部に電流を集中させる電流狭窄構造が形成されている。そして、リッジ部の両側に絶縁膜４が配置されているので、ｐ型コンタクト層１７３を含むｐ型半導体層１２の層厚を或る程度確保して縦方向の光閉じ込めを図りつつ、絶縁膜４を発光層１０に近づけて配置することにより横方向の光閉じ込めを強化できる。これにより、発振閾値を低減できる。とくに、第２ｐ型ガイド層１７２の層厚を５０ｎｍ以下とすることにより、リッジ部の両側の絶縁膜４を発光層１０に一層近づけることができる。これにより、横方向の光閉じ込めを一層強化できるので、発振閾値の低減に寄与できる。
【００９１】
図１２は、この発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子１０２の構成を説明するための模式的な部分断面図である。図１２において、前述の図２Ａに示された各部の対応部分には同一参照符号を付してある。この実施形態では、ｎ型クラッド層１４が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層１４１と、この超格子層１４１以外のＡｌＧａＮ層１４２とを含む。ＡｌＧａＮ層１４２は、超格子層１４１よりも発光層１０に近い側に配置されている。そして、超格子層１４１の平均Ａｌ組成は、ＡｌＧａＮ層１４２の平均Ａｌ組成よりも大きい。平均Ａｌ組成の大きな超格子層１４１は、屈折率が低いので、発光層１０に対してより遠くに配置することで、発光ピークを発光層１０に整合させやすくなる。
【００９２】
図１３は、この発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子１０３の構成を説明するための模式的な断面図である。図１３において、前述の図２Ａに示された各部の対応部分には、同一参照符号を付してある。この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１は、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層からなる。より具体的には、ＧａＮ基板１側からＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２、ＩｎＧａＮ層６１、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２、……の順に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２とＩｎＧａＮ層６１とを交互に積層して超格子構造が形成されている。第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０を構成するＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さく、たとえば６％以下（より好ましくは４％以下）である。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２のＡｌ組成Ｘは０〜０．０４（４％）である。第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を構成するＩｎＧａＮ層６１が発光層１０の障壁層５２に接している。また、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とされている。
【００９３】
第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２の屈折率ｎＡｌＧａＮおよび膜厚ＴＡｌＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【００９４】
【数３】
【００９５】
また、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＡｌＧａＮ・ＴＡｌＧａＮ）×Ｎ
第２ｎ型ガイド層１５２は、ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１。Ｘ２＝０のときはＧａＮ層）からなる。第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とは異なっており、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成は、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも高い。さらに具体的には、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成は、前記第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成よりも小さい。また、第２ｎ型ガイド層１５２は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているアンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっている。第２ｎ型ガイド層１５２は、その光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。この場合の光学膜厚とは、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率と膜厚との積である。
【００９６】
図１４は、前述の第１の実施形態の構造について、第１ｎ型ガイド層１５１の物理的な膜厚（ＴＩｎＧａＮ＋ＴＧａＮ）×Ｎ（絶対膜厚）とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を調べた実験結果である。具体的には、ペア数Ｎを１０，２０，４０にそれぞれ設定した３つの試料に関して測定されたスペクトルが表れている。この実験結果から、ペア数を２倍にすると、すなわち絶対膜厚を２倍にすると、発光強度が一桁高くなっていることが分かる。すなわち、発光強度を大きくして高輝度の半導体レーザ素子の実現のためには、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚を或る程度大きくする方が有利である。
【００９７】
たとえば、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する超格子の周期厚が４０Åの場合、ペア数Ｎ＝４０のとき、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚は１６００Åとなる。この場合に、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚を４０００Åとするためには、第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、２．５（＝４０００／１６００）としなければならない。ところが、ＧａＮの屈折率が２．５３であるため、第１の実施形態のようなＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層では、平均屈折率２．５の第１ｎ型ガイド層１５１を光学膜厚４０００Å以下という制限の下で作製することができない。
【００９８】
そこで、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１が、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層で構成されている。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．０４）の屈折率は、ＧａＮよりも低く、たとえばＡｌ組成Ｘ＝０．０３（３％）のＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎの屈折率は２．５０である。よって、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）との超格子層で第１ｎ型ガイド層１５１を構成することによって、光学膜厚４０００Å以下という制限の下で、絶対膜厚が大きい第１ｎ型ガイド層１５１を形成できる。それによって、より高輝度な半導体レーザ素子を実現できる。
【００９９】
第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとし、かつその平均屈折率を２．６以下とする場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層で構成される第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚の下限は３８５Å（＝１０００／２．６）、その上限は１５８１（＝４０００／２．５３）である。これに対して、ＩｎＧａＮ／Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ超格子層で構成される第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚の下限は３８５Å（＝１０００／２．６）、その上限は１６００（＝４０００／２．５）である。このように、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）を用いることによって、絶対膜厚の範囲を広げることができ、それによって、設計の自由度を高めることができる。具体的には、前述のように、絶対膜厚を大きくして発光強度の増大を図ることにより、高輝度の半導体レーザ素子を実現できる。
【０１００】
図１５は、第１ｎ型ガイド層１５１を形成する超格子の構成例を説明するための図である。この図には、ＩｎＧａＮ層６１と、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０≦Ｘ≦０．０４）との超格子層によって第１ｎ型ガイド層１５１を構成するときのＩｎＧａＮ層６１の膜厚およびＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２の膜厚の組合せ例が示されている。ただし、周期厚を４０Åとし、第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率が２．５４となるように超格子層を設計した例であり、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は２．４％とした。また、超格子のペア数Ｎ＝３９として絶対膜厚を１５６０Å（＝４０Å×３９）とし、光学膜厚を３９６２．４Å（＝１５６０Å×２．５４）とした。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘを増加するに従って、ＩｎＧａＮ層の膜厚を厚く、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の膜厚を薄くすることにより、平均屈折率２．５４を達成できる。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘ＝０とした場合は、前述の第１の実施形態の構成に該当する。
【０１０１】
図１６は、図１５に示した各組合せの超格子層で第１ｎ型ガイド層１５１を構成した場合における半導体レーザ素子の発振閾値Ｉthを示す。Ａｌ組成と閾値との相関はみられず、したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ）を用いても、半導体レーザ素子の特性に対する悪影響がないことが分かる。すなわち、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ）を用いることによって、他の素子特性を犠牲とすることなく、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚を大きくして発光強度の向上を図ることができる。
【０１０２】
以上、この発明の３つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、窒化物半導体積層構造２および透明電極５を構成する各層や膜についての厚さや不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。また、ｎ型クラッド層１４は、必ずしもＡｌＧａＮの単層である必要はなく、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とで構成された超格子層としてもよい。
【０１０３】
また、前述の実施形態におけるｐ型コンタクト層１７３を省いて、リッジ部のないｐ型半導体層１２を用いてもよい。
また、前述の実施形態における第２ｎ型ガイド層１５２は省かれてもよい。同様に、前述の実施形態における第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１を省いてもよい。
また、前述の実施形態では、窒化物半導体としてＡｌＧａＮやＧａＮ等を例示したが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の窒化物半導体が用いられてもよい。窒化物半導体は、一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
【０１０４】
また、第１導電性膜２１は、開口部２０外の絶縁膜４の全表面を覆う必要はなく、開口部２０で露出したｐ型半導体層１２の表面と、開口部２０の両側から５０μｍ程度の幅の範囲内における絶縁膜４の表面とを少なくとも覆っていればよい。
さらに、窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去することで、基板１のない半導体レーザ素子を構成することもできる。
【０１０５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 基板
２ 窒化物半導体積層構造
３ ｎ側電極パッド
４ 絶縁膜
５ 透明電極
６ ｐ側電極パッド
１０ 発光層
５１ ＩｎＧａＮ量子井戸層
５２ ＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１４ ｎ型クラッド層
７１ ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層
７２ ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層
１４１ 超格子層
１４２ ＡｌＧａＮ層
１５ ｎ型ガイド層
１５１ 第１ｎ型ガイド層
６１ ＩｎＧａＮ層
６２ ＧａＮ層
１６２ ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層
１５２ 第２ｎ型ガイド層
１７ ｐ型ガイド・コンタクト層
１７１ 第１ｐ型ガイド層
１７２ 第２ｐ型ガイド層
１７３ ｐ型コンタクト層
２０ 絶縁膜の開口部
２１ 第１導電性膜
２２ 第２導電性膜
１０１，１０２，１０３ 半導体レーザ素子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの先行技術に係る半導体レーザ素子は、特許文献１に開示されている。この半導体レーザ素子は、基板と、この基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体積層構造とを含む。ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造は、ｎ型半導体層、発光層、およびｐ型半導体層を積層して構成されている。ｎ型半導体層はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｎ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド層を含み、ｐ型半導体層はｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層およびｐ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド・ＧａＮコンタクト層を含む。ｐ型ＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）ガイド・ＧａＮコンタクト層の表面に、ＺｎＯからなるｐ型透明電極がオーミック接触している。ｐ型電極は、上部クラッド層として兼用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９４３６０号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下であって、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が前記ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、前記超格子層が前記活性層に接している、半導体レーザ素子である。
【０００５】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【０００６】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【０００７】
そこで、この発明では、ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有しており、その超格子層の平均屈折率が２．６以下とされている。より具体的には、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成および膜厚、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）のＡｌ組成Ｘおよび膜厚が、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計されている。そして、このような超格子層が活性層に接するように配置されている。これにより、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。なお、平均屈折率は、ＩｎＧａＮ層の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）の屈折率ｎＡｌＧａＮ（Ｘ＝０のときはＧａＮの屈折率ｎＧａＮに等しい）および膜厚ＴＡｌＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【０００８】
【数１】
【０００９】
ＩｎＧａＮ単膜でｎ型ガイド層を形成することが考えられるが、たとえばＧａＮ基板上に形成されたＩｎＧａＮ単膜にはＧａＮ基板からの貫通転位が生じやすく、その貫通転位が漏れ電流の原因となる。そこで、この発明では、ｎ型ガイド層は、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）との超格子層を含む。これにより、貫通転位に起因する漏れ電流を抑制または防止できる。
【００１０】
ｎ型ガイド層内の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が大きいと、活性層よりも屈折率が大きくなるおそれがあるうえ、活性層へのキャリヤの閉じ込めが弱くなる。そこで、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、活性層内のＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さくされる。
請求項２記載の発明は、前記ｎ型ガイド層の光学膜厚が１０００Å以上４０００Å以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子である。光学膜厚は、物理的な膜厚（絶対膜厚）と膜材料の屈折率との積によって与えられる。したがって、前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
【００１１】
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＡｌＧａＮ・ＴＡｌＧａＮ）×Ｎ
ｎ型ガイド層の光学膜厚が小さいほど閾値が小さくなるが、１０００Å未満では、発振しなくなるおそれがある。また、ｎ型ガイド層の光学膜厚が４０００Åを超えると、光学膜厚の増加に対する閾値の増加率が大きくなり、特性が悪くなるおそれがある。
波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する活性層は、ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成が６％以上とされる。そこで、活性層において屈折率が最も高くなるようにして発光ピークを活性層に整合させるとともに活性層にキャリヤを良好に閉じ込めるためには、請求項３に記載されているように、前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が６％以下であることが好ましい。また、請求項４に記載されているように前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を４％以下としても、平均屈折率が２．６以下の超格子層を形成できる。超格子層内のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を４％以下とすることにより、活性層への光閉じ込めおよびキャリヤの閉じ込めが一層良好になる。
【００１２】
請求項５に記載されているように、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零であってもよい。すなわち、前記超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを周期的に積層した超格子層であってもよい。
また、請求項６に記載されているように、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４であってもよい。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘ＞０）の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも小さく、Ａｌ組成が大きいほど小さくなる。したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（Ｘ＞０）を用いることによって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚（絶対膜厚）を大きくしても、ｎ型ガイド層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。したがって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚の範囲を広くとることができるので、設計の自由度が高まる。たとえば、ｎ型ガイド層の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとしながら、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を比較的大きくすることが可能となる。これにより、たとえば、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を大きくとって発光強度の向上を図り、それによって、輝度の高い半導体レーザ素子を実現できる。
【００１３】
一方、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘがあまり大きいと、ｎ型クラッド層よりもｎ型ガイド層の屈折率が低くなってしまい、光閉じ込めが不良になるおそれがある。そこで、Ａｌ組成Ｘは、０．０４以下（４％以下）とすることが好ましい。
請求項７記載の発明は、前記活性層が、アンドープのＩｎＧａＮまたはアンドープのＧａＮからなる障壁層（たとえば厚さ２００Å以下）と、前記ＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が前記障壁層に接している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。
【００１４】
この構成によれば、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が活性層の障壁層に接することにより、超格子層および活性層が、それらの間に他の層を介在させることなく、直に接している。したがって、屈折率の低い超格子層を活性層に接して配置できるので、活性層に発光ピークを整合させることができる。たとえば、窒化物半導体積層構造をＧａＮ基板上に形成する場合に、ＧａＮ基板との格子整合の観点からは、超格子層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）から成長開始される。この場合、超格子層の最後の層（最上層）は、ＩｎＧａＮ層となる。このＩｎＧａＮ層が活性層の障壁層と接することになる。
【００１５】
前記多重量子井戸構造は、Ｉｎ組成２％〜３％のＩｎＧａＮ障壁層と、Ｉｎ組成６％程度のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。また、前記多重量子井戸構造は、ＧａＮ障壁層と、Ｉｎ組成６％程度のＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。
請求項８記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｐ型III族窒化物半導体層が、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層を含み、そのＡｌ組成が１５％以上２５％以下である、半導体レーザ素子である。
【００１６】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００１７】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。しかも、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層は屈折率が小さく、発光ピークがｎ側にずれる傾向を助長している。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００１８】
そこで、この発明では、ｐ型電子ブロック層が、Ａｌ組成１５％〜２５％のＡｌＧａＮ層で構成されている。これにより、発光ピークを活性層に近づけることができ、十分なレーザダイオード特性（とくに十分に低い閾値）を実現することができる。光閉じ込めの観点からはＡｌ組成は低いほどよいが、Ａｌ組成１５％未満では活性層からの電子を十分にブロックすることができなくなり、閾値低減効果が飽和するうえ、高電流領域での光出力が低くなるおそれがある。また、Ａｌ組成２５％を超えると、ｐ型電子ブロック層の屈折率が小さくなりすぎ、活性層への光閉じ込めが不良になるおそれがある。
【００１９】
請求項９記載の発明は、前記ｐ型電子ブロック層の光学膜厚が３００Å以下である、請求項８に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、屈折率の低い電子ブロック層の厚さを抑制できるので、発光ピークを活性層に整合させることができる。光学膜厚とは、ｐ型電子ブロック層を構成するＡｌＧａＮ層の屈折率と、そのＡｌＧａＮ層の層厚との積である。ｐ型電子ブロック層を薄くし過ぎると、活性層からの電子をブロックする効果が弱くなるので、ｐ型電子ブロック層は、８０Å以上の膜厚とされることが好ましい。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、前記ｐ型III族窒化物半導体層が、前記ｐ型電子ブロック層と前記活性層との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層をさらに含む、請求項８または９に記載の半導体レーザ素子である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長させるときの成長温度（たとえば１０５０℃程度）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む活性層を成長させるときの成長温度（たとえば８５０℃程度）よりも高い。そのため、半導体レーザ素子の製造工程において、活性層の成長を終えてから、基板温度の上昇を待って、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長させる必要がある。この待機期間中には、活性層の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまうおそれがある。そこで、この発明では、活性層とｐ型電子ブロック層との間に、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層が配置されている。活性層を成長し終えた後の昇温過程においてｐ型ガイド層を形成し、つづけてｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を形成すれば、活性層からｐ型電子ブロック層まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、活性層の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００２１】
活性層への電子注入効率を高めるためには、ｐ型電子ブロック層を活性層にできるだけ近づけて配置することが好ましい。したがって、請求項１１に記載されているように、前記ｐ型ガイド層の層厚を０〜５００Åとすることが好ましい。
請求項１２記載の発明は、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層された活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層と、前記第１ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層とを含む、半導体レーザ素子である。
【００２２】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００２３】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させる場合に、活性層は、Ｉｎ組成の小さな（たとえば６％程度）のＩｎＧａＮ量子井戸層を有する構成とされることがある。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００２４】
そこで、この発明では、ｎ型クラッド層と活性層との間に配置されるｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層を含む。これにより、第１ガイド層の屈折率は、ｐ側のクラッド層を構成する透明電極との間でバランスがとれるように、低くすることができる。より具体的には、発光波長が波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍである場合に、前記超格子層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。より具体的には、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成および膜厚ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）のＡｌ組成Ｘおよび膜厚を、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計することができる。これにより、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。
【００２５】
一方、ｎ型クラッド層と第１ガイド層とは組成が異なるので、それに応じて結晶成長時の温度が異なる。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＡｌＸＧａ１−ＸＮ超格子層（０≦Ｘ＜１）からなる第１ガイド層の成長温度（たとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層では８５０℃）は、たとえばｎ型クラッド層を第１ガイド層の平均屈折率よりも屈折率の低いＡｌＧａＮ層で構成する場合の成長温度（たとえば１０５０℃）よりも低い。そのため、半導体レーザ素子の製造工程において、ｎ型クラッド層の成長を終えてから、基板温度の降下を待って、第１ガイド層を成長させる必要がある。この待機期間中には、ｎ型クラッド層の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまう（たとえば酸化される）おそれがある。そこで、この発明では、ｎ型ガイド層は、第１ガイド層とｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層を含む。ｎ型クラッド層を成長し終えた後の降温過程において第２ガイド層を形成し、つづけて第１ガイド層（超格子層）を形成すれば、ｎ型クラッド層から第１ガイド層まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、ｎ型クラッド層の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００２６】
請求項１３に記載されているように、前記第１ガイド層の平均Ｉｎ組成と前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成とが異なっていてもよい。ｎ型クラッド層の成長の後、第１ガイド層の成長に適した温度までの降温過程で第２ガイド層を形成すると、第１ガイド層および第２ガイド層の平均Ｉｎ組成は互いに異なる値となる。より具体的には、請求項１４に記載されているように、前記第２ガイド層は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっていてもよい。降温過程で結晶成長を継続すると、第２ガイド層のＩｎ組成は層厚方向に関して傾斜することになる。
【００２７】
請求項１５に記載されているように、前記第２ガイド層の光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）は、屈折率が比較的高いので、第２ガイド層を厚く形成すると、発光ピークがｎ側に偏りやすくなる。そこで、第２ガイド層の光学膜厚を可能な限り薄くすることによって、発光ピークを活性層に整合させることができる。具体的には、光学膜厚を５００Å以下としておけば、素子特性（とくに閾値）に大きな影響を与えることなく、窒化物半導体積層構造の結晶品質を向上できる。光学膜厚とは、第２ガイド層の屈折率（平均屈折率）と膜厚との積である。
【００２８】
さらに、請求項１６に記載されているように、前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成が、前記第１ガイド層の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成よりも小さいことが好ましい。これにより、第２ガイド層の屈折率を第１ガイド層よりも低くできるから、発光ピークがｎ側に偏ることを抑制できる。
請求項１７に記載されているように、前記第２ガイド層が、アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層であってもよい。これにより、第２ガイド層は、光ガイド層としての機能を有することができる。アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層は、ｎ型の導電型を示す。
【００２９】
請求項１８記載の発明は、発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、ｎ型III族窒化物半導体層と、前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、半導体レーザ素子である。
【００３０】
この構成によれば、透明電極からｐ型III族窒化物半導体層を介して活性層に正孔が注入され、ｎ型III族窒化物半導体から活性層に電子が注入される。それらの正孔および電子の再結合により発光が生じ、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光が生じる。この光は、クラッドとして機能する透明電極とｎ型クラッド層との間で閉じ込められ、ｎ型III族窒化物半導体層、活性層およびｐ型III族窒化物半導体層を含む窒化物半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。この伝搬方向の両端に配置された共振器端面間で誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【００３１】
透明電極は、たとえば、酸化インジウム系材料、酸化亜鉛系材料、酸化ガリウム系材料および酸化錫系材料のうちの一種または二種以上を含む。このような材料で構成される透明電極は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が活性層よりもｎ型半導体層にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、活性層に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）しなければならない。そのため、活性層の屈折率を大きくすることができず、活性層に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。この問題は、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層の屈折率を下げることによって解決できると考えられる。より具体的には、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層でｎ型クラッド層を形成すればよい。しかし、透明電極と屈折率をバランスさせるためにはＡｌ組成を２０％まで上げる必要があり、このようなＡｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層は電気抵抗が大きい。しかも、たとえばＧａＮ基板上に窒化物半導体積層構造を形成する場合には、Ａｌ組成の大きな（たとえばＡｌ組成２０％）ＡｌＧａＮ層はＧａＮとの格子不整合が大きいので、窒化物半導体積層構造にクラックが生じ、歩留まりの低下を招く。
【００３２】
この発明では、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が４％〜９％とされている。Ａｌ組成を４％以下とすると、ｎ型クラッド層の屈折率が高く、発光ピークが活性層に対してｎ側に偏り、閾値が高くなる。一方、Ａｌ組成を９％以上とすると、たとえば１μｍ〜１．５μｍの膜厚のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成したときに、全面にクラックが生じる。
【００３３】
請求項１９記載の発明は、前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、請求項１８に記載の半導体レーザ素子である。
この構成によれば、ｎ型クラッド層がＡｌ組成の異なる一対のＡｌＧａＮ層を交互に積層した超格子層を有している。このような超格子層では、クラックを生じることなく、平均Ａｌ組成を高くすることができる。これにより、歩留まり低下を招くことなく、発光ピークを活性層に整合させることができる。
【００３４】
請求項２０記載に記載されているように、ｎ型クラッド層の全部が前記超格子層であってもよい。これにより、平均Ａｌ組成の大きなｎ型クラッド層を、クラックを生じることなく厚く（たとえば１μｍ〜１．５μｍ）に形成することができる。
また、請求項２１に記載されているように、前記ｎ型クラッド層が、前記超格子層と、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層とを含む構成としてもよい。この場合、請求項２２に記載されているように、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層が、前記超格子層よりも前記活性層に近い側に配置されていることが好ましい。さらに、この場合に、請求項２３に記載されているように、前記超格子層の平均Ａｌ組成が、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層の平均Ａｌ組成よりも大きいことが好ましい。超格子層の平均Ａｌ組成は、ＡｌＧａＮ単膜のＡｌ組成よりも大きくすることができる。平均Ａｌ組成の大きな超格子層は、屈折率が低いので、活性層よりも遠くに配置することで、発光ピークを活性層に整合させやすくなる。
【００３５】
請求項２４記載の発明は、前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）を周期的に積層した超格子層を含み、前記ｎ型クラッド層が前記ｎ型ガイド層に対して前記活性層とは反対側から接している、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。
この構成によれば、ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層を有している。これにより、ｎ型ガイド層の屈折率を低く（たとえば２．６以下）６とすることができるので、活性層を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを活性層に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を提供できる。
【００３６】
請求項２５に記載されているように、前記ｎ型ガイド層の超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零であってもよい。すなわち、前記超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを周期的に積層した超格子層であってもよい。
また、前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４であってもよい。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（Ｘ＞０）の屈折率は、ＧａＮの屈折率よりも小さく、Ａｌ組成が大きいほど小さくなる。したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（Ｘ＞０）を用いることによって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚（絶対膜厚）を大きくしても、ｎ型ガイド層の平均屈折率を２．６以下とすることができる。したがって、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚の範囲を広くとることができるので、設計の自由度が高まる。たとえば、ｎ型ガイド層の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとしながら、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を比較的大きくすることが可能となる。これにより、たとえば、ｎ型ガイド層の物理的な膜厚を大きくとって発光強度の向上を図り、それによって、輝度の高い半導体レーザ素子を実現できる。一方、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘがあまり大きいと、Ａｌ組成が４％〜９％のＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層よりもｎ型ガイド層の屈折率が低くなってしまい、光閉じ込めが不良になるおそれがある。そこで、Ａｌ組成Ｘは、０．０４以下（４％以下）とすることが好ましい。
【００３７】
いずれの発明においても、前記窒化物半導体積層構造は、ｐ型半導体クラッド層を有していなくてもよい。窒化物半導体積層構造がｐ型半導体クラッド層を有する場合には、窒化物半導体積層構造の形成工程において、比較的低温で活性層（発光層）を形成してから、活性層よりも高い温度でｐ型半導体クラッド層を形成することになる。そのため、ｐ型半導体クラッド層を形成する際に、活性層に対して熱によるダメージが加わる虞がある。それに対して、この発明では、窒化物半導体積層構造がｐ型半導体クラッド層を有していなくてもよいので、窒化物半導体積層構造の形成工程において活性層に対して熱によるダメージが加わるといった不具合を防止できる。
【００３８】
また、いずれの発明においても、前記透明電極は、ｐ型III族窒化物半導体層に接して形成され酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜と、第１導電性膜に積層され酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜とを含むことが好ましい。
透明電極は、ｎ型クラッド層との間で発光層の光を閉じ込めるために、ある程度の厚さを有する必要がある。しかし、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜は、成膜速度が遅いので、第１導電性膜だけで透明電極を構成すると、必要な厚さまで成長させるのに時間がかかってしまう。一方、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜は、成膜速度は比較的速いものの、ｐ型窒化物半導体に対する接触抵抗が高い。そこで、ｐ型III族窒化物半導体層に接触する部分を酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜で構成して接触抵抗の低減を図り、その一方で、第１導電性膜の上に酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜を積層することによって、必要膜厚の透明電極の形成速度を早めることができる。より具体的には、第１導電性膜を必要最小限の膜厚に形成することにより、透明電極の形成に要する時間を短くでき、それによって生産性を向上できる。
【００３９】
前記ｐ型半導体層は、前記活性層上に積層された第１ｐ型ガイド層と、前記第１ｐ型ガイド層上に積層されたｐ型電子ブロック層と、前記ｐ型電子ブロック層上に積層され前記第１ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型ガイド層と、前記第２ｐ型ガイド層上に積層され前記第２ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が高いｐ型コンタクト層とを含んでいてもよい。
【００４０】
この構成により、第１および第２ｐ型ガイド層の間に配置されたｐ型電子ブロック層は、電子を活性層へと反射し、活性層への電子注入効率を高める。ｐ型電子ブロック層を挟んで配置された第１および第２ｐ型ガイド層は、活性層へのキャリヤ閉じ込めおよび光閉じ込めに寄与する。ｐ型コンタクト層は、透明電極と接する。ｐ型コンタクト層は、そのｐ型不純物濃度が高くされているので、透明電極との接触抵抗が低くなっている。第２ｐ型ガイド層はｐ型コンタクト層よりもｐ型不純物濃度が低く、さらに第１ｐ型ガイド層は第２ｐ型ガイド層よりもｐ型不純物濃度が低い。すなわち、活性層に近づくほど、ｐ型不純物濃度が低くなっており、不純物による光の吸収を抑制する構造となっている。
【００４１】
少なくとも前記ｐ型コンタクト層の一部が掘り込まれてリッジ部が形成されていてもよい。これにより、リッジ部に電流を集中させる電流狭窄構造を形成することができる。リッジ部は、共振器方向に沿ってストライプ状に形成されることが好ましい。そして、リッジ部の両側には、絶縁膜が配置されることが好ましい。これにより、ｐ型コンタクト層を含むｐ型半導体層の層厚を或る程度確保して縦方向の光閉じ込めを図りつつ、絶縁膜を発光層に近づけて配置することにより横方向の光閉じ込めを強化できる。これにより、発振閾値を低減できる。
【００４２】
前記第２ｐ型ガイド層の層厚は、５０ｎｍ以下であることが好ましい。とくに、前述のようなリッジ部が形成される場合に、第２ｐ型ガイド層の層厚を５０ｎｍ以下とすることにより、リッジ部の両側の絶縁膜を発光層に一層近づけることができる。これにより、横方向の光閉じ込めを一層強化できるので、発振閾値の低減に寄与できる。
さらに、前記ｐ型コンタクト層のｐ型不純物濃度が１×１０２０ｃｍ−３以上であり、前記第１ｐ型ガイド層および前記第２ｐ型ガイド層のｐ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。この構成により、ｐ型コンタクト層と第２導電性膜との接触抵抗を低減し、かつ第１および第２ｐ型ガイド層による光の吸収を抑制できる。
【００４３】
前記ｐ型半導体層の総膜厚は、１５００Å以下であることが好ましい。これにより、素子の薄型化を図ることができる。
以上の特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な斜視図であり、要部を切り欠いて示している。
【図２】図２は、共振器方向に直交する切断面を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、前記半導体レーザ素子の一部の構成を拡大して示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、第１ｎ型ガイド層のＩｎ組成と発振閾値との関係を示す図である。
【図４】図４は、第１ｎ型ガイド層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚と発振閾値との関係を示す。
【図５】図５は、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成と発振閾値との関係を示す。
【図６】図６は、Ａｌ組成と光出力との関係を示す。
【図７】図７は、ｐ型電子ブロック層の層厚と発振閾値との関係を示す。
【図８】図８は、第１ｐ型ガイド層の層厚（ｐ型電子ブロック層と発光層との距離）と、発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図９】図９は、第２ｎ型ガイド層の層厚と発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図１０】図１０は、ｎ型クラッド層のＡｌ組成と発振閾値との関係を調べた結果を示す。
【図１１】図１１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層および第２ｐ型ＧａＮガイド層の各層厚と閾値電流との関係を計算した結果を示す。
【図１２】図１２は、この発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な部分断面図である。
【図１３】図１３は、この発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、図２Ａに示す構造について、第１ｎ型ガイドの物理的な膜厚絶対膜厚）とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を調べた実験結果である。
【図１５】図１５は、第１ｎ型ガイド層を形成する超格子の構成例を説明するための図である。
【図１６】図１６は、図１５に示した各組合せの超格子層で第１ｎ型ガイド層を構成した場合における半導体レーザ素子の発振閾値を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明するための模式的な斜視図であり、要部を切り欠いて示してある。図２は、共振器方向に直交する切断面を示す模式的な断面図である。
この半導体レーザ素子１０１は、基板１と、基板１上に結晶成長（エピタキシャル成長）によって形成された窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極パッド３と、窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成された絶縁膜４と、絶縁膜４上に形成されて窒化物半導体積層構造２の表面に部分的に接触するｐ側電極としての透明電極５と、透明電極５上に形成されたｐ側電極パッド６とを備えたファブリペロー型のものである。
【００４６】
基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、たとえばｃ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、窒化物半導体積層構造２は、ｃ面を結晶成長主面とする窒化物半導体からなる。むろん、基板１の主面をｍ面やａ面としてもよく、いずれの場合も、窒化物半導体積層構造２の結晶成長主面は基板１の主面の結晶面に従う。
【００４７】
窒化物半導体積層構造２は、発光層１０（活性層）と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。各図において、ドットを付した部分が発光層１０である。ｎ型半導体層１１は、発光層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は、発光層１０に対して透明電極５側に配置されている。こうして、発光層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが発光層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００４８】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型クラッド層１４（たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ガイド層１５（たとえば１００ｎｍ厚）を積層して構成されている。
一方、ｐ型半導体層１２は、発光層１０上に形成されている。ｐ型半導体層１２は、全体で、Ｍｇを１×１０１９ｃｍ-３以上の濃度で含んでいる。ｐ型半導体層１２は、発光層１０側から順に、第１ｐ型ガイド層１７１、ｐ型電子ブロック層１６（たとえば１００Å厚）、第２ｐ型ガイド層１７２、およびｐ型コンタクト層１７３（たとえば１００ｎｍ厚）を積層して構成されている。ｐ型コンタクト層１７３は、ｐ型半導体層１２における透明電極５側の表層部に位置している。
【００４９】
発光層１０は、たとえばＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層１０は、具体的には、図２Ａに拡大して示すように、アンドープＩｎＧａＮ層５１（１００Å厚以下。たとえば３ｎｍ厚）とアンドープＧａＮ層またはアンドープＩｎＧａＮ層５２（２０ｎｍ厚以下。たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層５１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層５２は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層５１とバリア層５２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層５１）におけるＩｎの組成を調整することによって、たとえば、４００ｎｍ以上４１０ｎｍ以下とされている。発光波長を４０５ｎｍ近傍の青紫色領域とするときには、量子井戸層におけるＩｎ組成は、６％〜８％（たとえば、７％）とするとよい。前記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。
【００５０】
第１ｐ型ガイド層１７１には、ｐ型不純物としてのＭｇが、たとえば５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドーピングされており、その厚さは、０〜５００Å程度である。第１ｐ型ガイド層１７１はｐ型ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層（０≦Ｘ１＜１。Ｘ１＝０のときはＧａＮ層となる）であってもよい。
ｐ型コンタクト層１７３は、共振器方向に沿うストライプ状のリッジ部を形成している。すなわち、ｐ型コンタクト層１７３は、ストライプ状に成形されていて、共振器直交方向の両側が第２ｐ型ガイド層１７２まで掘り切られている。
【００５１】
ｐ型電子ブロック層１６は、Ａｌ組成が１５％〜２５％のｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＡｌＩｎＧａＮからなり、その厚さは３００Å以下、たとえば２００Å程度である。ｐ型電子ブロック層１６は、第１ｐ型ガイド層１７１と第２ｐ型ガイド層１７２との間に形成されている。ｐ型電子ブロック層１６は、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０１９ｃｍ−３以上）して形成されたｐ型半導体であり、発光層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
【００５２】
第２ｐ型ガイド層１７２は、５×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下の濃度で、かつ第１ｐ型ガイド層１７１よりも高濃度でｐ型不純物を含む。第２ｐ型ガイド層１７２はｐ型ＧａＮ層であってもよい。第２ｐ型ガイド層１７２は、ｐ型電子ブロック層１６の全域を覆うように形成されており、たとえば５０ｎｍ以下の厚さに形成されている。ｐ型コンタクト層１７３は、たとえばｐ型ＧａＮ層からなり、ｐ型不純物としてのＭｇが、第２ｐ型ガイド層１７２よりも高濃度にドーピングされている。たとえば、ｐ型コンタクト層１７３のｐ型不純物濃度（Ｍｇ濃度）は、１×１０２０ｃｍ−３以上であることが好ましい。ｐ型コンタクト層１７３の層厚は３０ｎｍ程度であってもよい。素子の薄型化のためには、ｐ型半導体層１２は、リッジ部を構成するｐ型コンタクト層１７３の部分において、全体で１５００Å以下の厚さに形成されることが好ましい。
【００５３】
絶縁膜４は、たとえば、ＺｒＯ２またはＳｉＯ２からなり、その厚さは、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。絶縁膜４は、リッジ部をなすｐ型コンタクト層１７３の両側に配置されていて、開口部２０からｐ型コンタクト層１７３の頂面を露出させている。すなわち、絶縁膜４は、リッジ形状のｐ型コンタクト層１７３の両側において、第２ｐ型ガイド層１７２に接している。
【００５４】
透明電極５は、ｐ型半導体層１２側から順に、第１導電性膜２１および第２導電性膜２２を積層して構成されている。第１導電性膜２１は、酸化インジウム系の材料（たとえばＩＴＯ）からなる。第１導電性膜２１は、開口部２０に入り込んで、ｐ型コンタクト層１７３にオーミック接触しており、さらに、開口部２０外の絶縁膜４の表面にまで延びて形成されている。第２導電性膜２２は、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料（たとえばＺｎＯ）からなり、第１導電性膜２１の表面全域を覆うように形成されている。透明電極５全体は、４００ｎｍ程度の厚みを有している。
【００５５】
第１導電性膜２１は、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下（好ましくは１０ｎｍ）の厚みを有する透明な酸化膜である。「透明」とは、発光層１０の発光波長に対して透明であることであり、具体的には、たとえば、発光波長の透過率が７０％以上の場合をいう。第１導電性膜２１は、絶縁膜４の表面（図２における上面）における開口部２０以外の全領域と、絶縁膜４において開口部２０を縁取る１対の側面の全領域と、ｐ型コンタクト層１７３の表面において開口部２０から露出された全領域とに亘って連続して形成されている。つまり、第１導電性膜２１は、開口部２０を介してｐ型コンタクト層１７３（ｐ型半導体層１２）に接するように絶縁膜４上に形成されている。
【００５６】
第１導電性膜２１は、たとえば、以下の特性（１）〜（３）を有する材料からなる。
特性（１）：電子濃度が１×１０１９ｃｍ-３以上である。
特性（２）：透過率が発光層１０の発光波長に対して７０％以上である。
特性（３）：仕事関数が５．０ｅＶ以上である。
以上の特性を有するものとして、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）系の材料が挙げられる。具体的には、この実施形態では、第１導電性膜２１は、ＩＴＯからなる。この場合、第１導電性膜２１と、これが接するｐ型半導体層１２との接触抵抗は、１×１０-３Ω・ｃｍ２以下になっている。第１導電性膜２１を構成する酸化インジウム系の材料は、Ｓｎを３％以上の組成で含んでいることが好ましい。
【００５７】
第２導電性膜２２は、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の厚みを有する透明な酸化膜である。つまり、第２導電性膜２２の透過率は、発光層１０の発光波長に対して７０％以上である。第２導電性膜２２は、第１導電性膜２１の表面（図２における上面）上の全域に亘って形成されている。第２導電性膜２２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）系または酸化錫（ＳｎＯ）系の材料からなる。具体的には、第２導電性膜２２は、ＧａもしくはＡｌのIII族原子を１×１０１９ｃｍ-３以上の濃度で含むＺｎＯまたはＭｇＺｎＯからなる。第２導電性膜２２がＭｇＺｎＯからなる場合、Ｍｇ組成を変更することによって第２導電性膜２２の屈折率を調整できる。ＭｇＺｎＯにおけるＭｇ組成は、５０％以下であることが好ましい。具体的に、第２導電性膜２２を構成するＭｇＺｎＯは、ＭｇxＺｎ1-xＯ（０≦ｘ＜１）と表わすことができる。
【００５８】
透明電極５は、上部クラッド層として機能し、ｎ型クラッド層１４との間で、発光層１０からの光を当該発光層１０側へと閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。そのため、透明電極５に含まれる第１導電性膜２１および第２導電性膜２２の屈折率は、発光層１０の屈折率より小さい。具体的には、発光層１０の平均屈折率が２．７であるのに対し、ＩＴＯからなる場合における第１導電性膜２１の屈折率は２．１であり、ＺｎＯからなる場合における第２導電性膜２２の屈折率は２．２である。また、ＳｉＯ２からなる場合における絶縁膜４の屈折率は１．４と小さいことから、絶縁膜４も光閉じ込め効果を生じる。
【００５９】
発光層１０からの光が透明電極５とｎ型クラッド層１４との間で閉じ込められることから、この半導体レーザ素子１０１には、ｐ型窒化物半導体からなるクラッド層（ｐ型半導体クラッド層）が存在しない。つまり、窒化物半導体積層構造２は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。
ｎ側電極パッド３は、たとえば、基板１側から順にＡｌ層、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層した多層構造を有しており、そのＡｌ層が基板１にオーミック接触している。
【００６０】
ｐ側電極パッド６は、たとえば、基板１側から順に、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層した積層電極膜で構成されている。
ｎ型ガイド層１５は、ｎ型クラッド層１４上に形成されている。ｎ型ガイド層１５は、発光層１０にキャリヤ（電子）を閉じ込めるためのキャリヤ閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ガイド層１５は、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１と、第２ｎ型ガイド層１５２とを含む。第２ｎ型ガイド層１５２は、ｎ型クラッド層１４と第１ｎ型ガイド層１５１との間に配置されている。第１ｎ型ガイド層１５１は、発光層１０と第２ｎ型ガイド層１５２との間に配置されている。
【００６１】
第１ｎ型ガイド層１５１は、図２Ａに拡大して示すように、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを周期的に積層した超格子層からなる。より具体的には、ＧａＮ基板１側からＧａＮ層６２、ＩｎＧａＮ層６１、ＧａＮ層６２、……の順に、ＧａＮ層６２とＩｎＧａＮ層６１とを交互に積層して超格子構造が形成されている。第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０を構成するＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さく、たとえば６％以下（より好ましくは４％以下）である。第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を構成するＩｎＧａＮ層６１が発光層１０の障壁層５２に接している。また、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とされている。
【００６２】
第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＧａＮ層６２の屈折率ｎＧａＮおよび膜厚ＴＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【００６３】
【数２】
【００６４】
また、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＧａＮ・ＴＧａＮ）×Ｎ
第２ｎ型ガイド層１５２は、ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１。Ｘ２＝０のときはＧａＮ層）からなる。第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とは異なっており、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成は、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも高い。さらに具体的には、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成は、前記第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成よりも小さい。また、第２ｎ型ガイド層１５２は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているアンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっている。第２ｎ型ガイド層１５２は、その光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。この場合の光学膜厚とは、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率と膜厚との積である。
【００６５】
ｎ型クラッド層１４は、基板１上に形成されている。ｎ型クラッド層１４は、発光層１０からの光を当該発光層１０側へと閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型クラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０１８ｃｍ−３）することによってｎ型半導体とされている。ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５よりもバンドギャップが広い。これにより、ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５よりも十分に小さな屈折率を有するので、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザ素子１０１を実現できる。
【００６６】
より詳細に説明すると、ｎ型クラッド層１４が、Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さいＡｌＧａＮからなっている。さらに具体的には、図２Ａに拡大して示すように、ｎ型クラッド層１４は、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層からなっている。そして、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さくなっている。ｎ型クラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５に対して、発光層１０とは反対側から接している。
【００６７】
窒化物半導体積層構造２は、共振器方向両端における劈開により形成された一対の端面２４，２５（劈開面）を有している。一対の端面２４，２５は、互いに平行であり、いずれも共振器方向に垂直である。こうして、ｎ型半導体層１１、発光層１０およびｐ型半導体層１２によって、端面２４，２５を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層１０で発生した光は、共振器端面２４，２５の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２４，２５からレーザ光として素子外に取り出される。共振器端面２４，２５には、たとえば、多重反射膜（図示せず）が形成されている。たとえば、一方の共振器端面２４側の多重反射膜は、共振器端面２５側の多重反射膜よりも反射率が低くなるように設計される。これにより、共振器端面２４側からより多くのレーザ光が素子外に取り出される。すなわち、一方の共振器端面２４が、レーザ出射端面とされる。
【００６８】
このような構成によって、ｎ側電極パッド３および透明電極５を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を発光層１０に注入することによって、この発光層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、たとえば、波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させることができる。この光は、ｎ型クラッド層１４と透明電極５（上部クラッド層）との間に閉じ込められ、窒化物半導体積層構造２の積層方向と垂直な共振器方向に伝搬する。具体的には、この光は、共振器端面２４，２５の間をガイド層１５，１７１に沿って共振器方向に往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２４から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
【００６９】
図３は、第１ｎ型ガイド層１５１のＩｎ組成と発振閾値（Ｉth）との関係を示す図である。より具体的には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層で構成された第１ｎ型ガイド層１５１におけるＩｎＧａＮ層６１（図２Ａ参照）のＩｎ組成と発振閾値との関係が示されている。ただし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、１０Å厚のＩｎＧａＮ層６１と３０Å厚のＧａＮ層６２とで構成し、周期数（ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層のペア数）は４０とした。したがって、周期厚は４０Åであり、総膜厚は１６００Åである。図３から、Ｉｎ組成が６％を超えると閾値が急増することが分かる。すなわち、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は６％以下が好ましい。そして、Ｉｎ組成が４％以下では、閾値が下限値付近で飽和していることから、Ｉｎ組成を４％以下とすることがさらに好ましいことが分かる。Ｉｎ組成が４％のときの第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）平均屈折率は２．６である。参照符号Ａは、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成を６％とし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層の平均屈折率が２．６となるように、ＩｎＧａＮ層６１およびＧａＮ層６２の層厚を設計したときの計算結果を示す。この場合も、十分に低い閾値を実現できる。したがって、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層の平均屈折率が２．６以下となるようにＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を設計することによって、閾値を十分に低減できる。平均屈折率は、ＩｎＧａＮおよびＧａＮの屈折率とそれらの膜厚比とから計算される。
【００７０】
図４は、第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ただし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層は、１０Å厚のＩｎＧａＮ層６１と３０Å厚のＧａＮ層６２（図２Ａ参照）とで構成し、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は４％とした。そして、周期数（ＩｎＧａＮ層６１およびＧａＮ層６２のペア数）を変更することによって、様々な光学膜厚に関して閾値を求めた。図４から、光学膜厚を減らすことで閾値を低減できることが分かる。そして、光学膜厚４０００Å以下では閾値が飽和し始める。光学膜厚が１０００Å未満では、発振しなくなる。したがって、第１ｎ型ガイド層１５１（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層）の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とすることが好ましい。
【００７１】
図５は、ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成を小さくするほど閾値が低くなることが分かる。図５からは、Ａｌ組成が１５％以下の領域で閾値の低下が鈍化していることが分かる。しかし、Ａｌ組成を小さくすると、電子ブロック機能が弱まるから、Ａｌ組成の決定に当たっては、光出力を評価すべきである。
【００７２】
図６は、Ａｌ組成と光出力との関係を示す。横軸は入力電流(Current)、縦軸は光出力(Output Power)である。Ａｌ組成を１０％、１５％、２０％、２５％としたときの計算結果が示されている。図６から、Ａｌ組成を下げると、高電流域での光出力が小さくなる傾向が読み取れる。閾値と光出力の傾向から、ｐ型電子ブロック層１６のＡｌ組成は、１５％以上２５％以下とすることが適当である。
【００７３】
図７は、ｐ型電子ブロック層１６の層厚と発振閾値（Ｉth）との関係を示す。ただし、Ａｌ組成を２０％とした場合の計算結果が示されている。ｐ型電子ブロック層１６の膜厚が小さいほど閾値が低くなるが、１２０Å以下の範囲では閾値の変化率が低い。波長４０５ｎｍの光に対するＡｌ組成２０％のＡｌＧａＮの屈折率は、２．２２であるので、光学膜厚を２６６Å（≒１２０Å×２．２２）以下とすればよい。Ａｌ組成が２５％まで許されるので、ｐ型電子ブロック層１６の光学膜厚は概ね３００Å以下とすればよい。ただし、ｐ型電子ブロック層１６を薄くしすぎると、電子を発光層１０へ反射する機能が弱くなるので、ｐ型電子ブロック層１６は、１６０Å以上の光学膜厚を有することが好ましい。
【００７４】
図８は、第１ｐ型ガイド層１７１の層厚（ｐ型電子ブロック層１６と発光層１０との距離）と、発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ただし、第１ｐ型ガイド層１７１をｐ型ＧａＮ層で構成する場合の計算結果である。図８から、第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１の層厚が５００Åを超えると、閾値が増加に転じることがわかる。したがって、第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１の層厚は、０〜５００Åの範囲で定めることが好ましい。第１ｐ型ガイド層１７１は、ｐ型ＡｌＧａＮで構成することもできる。
【００７５】
図９は、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚と発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ただし、第２ｎ型ガイド層１５２をｎ型ＧａＮ層で構成する場合の計算結果である。図９から、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚を５００Å以下としておけば、十分に低い閾値となり、素子特性に大きな影響を与えないことが分かる。さらに、第２ｎ型ガイド層１５２の層厚が２００Å以下の範囲では、閾値は下限値付近で飽和している。ＧａＮの屈折率が２．５であるので、第２ｎ型ＧａＮ層１５２の光学膜厚を５００Å（＝２００Å×２．５）以下とすることにより、閾値を下限値付近で飽和させることができる。
【００７６】
図１０は、ｎ型クラッド層１４のＡｌ組成（平均Ａｌ組成）と発振閾値（Ｉth）との関係を調べた結果を示す。ｎ型クラッド層１４の層厚は１００００Åとした。この図から、Ａｌ組成を大きくするほど閾値が低くなることが分かる。ただし、平均Ａｌ組成が９％以上になると、ＧａＮ基板１との格子不整合が大きくなるため、窒化物半導体積層構造２の全面にクラックが発生するおそれがある。また、Ａｌ組成が４％以下の範囲では閾値の増加率が大きくなる。よって、ｎ型クラッド層１４の平均Ａｌ組成は、４％〜９％とするのが適切である。
【００７７】
図１１は、ｐ型ＧａＮコンタクト層および第２ｐ型ＧａＮガイド層の各層厚と閾値電流との関係を計算した結果を示す。ｐ型ＧａＮコンタクト層１７３の層厚を３０ｎｍを基準として減らしていき、半導体レーザ素子１０１の閾値電流を計算すると、層厚の減少に伴って閾値電流が増加することが分かる。すなわち、光閉じ込めのためには、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７３は、或る程度の層厚を有している必要がある。一方、第２ｐ型ＧａＮガイド層１７２の層厚を０ｎｍから増やしていき、半導体レーザ素子１０１の閾値電流を計算すると、層厚の増加に伴って閾値電流が増加することが分かる。したがって、第２ｐ型ＧａＮガイド層１７２の層厚をできる限り小さくして、絶縁膜４を発光層１０に近づけ、横方向の光閉じ込めを強化することで、閾値電流を低減できる。具体的には、第２ｐ型ガイド層１７２の層厚は５０ｎｍ以下が好ましく、これにより、閾値電流を十分に低くできる。
【００７８】
以上のように、半導体レーザ素子１０１は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。つまり、窒化物半導体積層構造２は、ｐ型半導体クラッド層を有していない。窒化物半導体積層構造２がｐ型半導体クラッド層を有する場合には、窒化物半導体積層構造２の形成工程において、比較的低温で発光層１０を形成してから、発光層１０の場合よりも高い温度でｐ型半導体クラッド層を形成することになる。そのため、ｐ型半導体クラッド層を形成する際に、発光層１０に対して熱によるダメージが加わる虞がある。それに対して、この実施形態では、窒化物半導体積層構造２がｐ型半導体クラッド層を有していないので、窒化物半導体積層構造２の形成工程において発光層１０に対して熱によるダメージが加わるといった不具合を防止できる。また、Ａｌを含むｐ型半導体クラッド層を設けると、このｐ型半導体クラッド層自体が高抵抗層となるが、このようなｐ型半導体クラッド層を必要としない本実施形態の構成により、電気抵抗を効果的に低減できる。こうして、簡単な構成でありながら、良好な発振効率を実現でき、低閾値化を実現することができる。
【００７９】
透明電極５は、ｎ型クラッド層１４との間で発光層１０の光を閉じ込めるために、ある程度の厚さを有する必要がある。しかし、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１は、成膜速度が遅いので、第１導電性膜２１だけで透明電極５を構成すると、透明電極５を形成するのに時間がかかってしまう。一方、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２は、成膜速度は比較的速いものの、ｐ型窒化物半導体に対する接触抵抗が高い。そこで、本実施形態では、透明電極５においてｐ型半導体層１２に接触する部分を酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１で構成して接触抵抗の低減が図られている。特に、第１導電性膜２１は、ＩＴＯからなるので、ｐ型半導体層１２との接触抵抗を十分に低減できる。その一方で、第１導電性膜２１と、その上に形成された酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２とを透明電極５に含ませることによって、透明電極５の形成速度の向上を図ることができる。より具体的には、第１導電性膜２１を必要最小限の膜厚に形成することにより、透明電極５の形成に要する時間を短くでき、それによって生産性を向上できる。
【００８０】
また、ｐ型ガイド層１７１，１７２およびｐ型コンタクト層１７３は、ＧａＮからなるので、Ａｌを含む組成の場合に比べて、低温で形成できる。そのため、発光層１０に対する熱ダメージを一層低減できる。
また、絶縁膜４は、開口部２０以外の領域において、ｐ型半導体層１２と透明電極５とを絶縁する。絶縁膜４では、開口部２０において電流狭窄を行うことができ、絶縁膜４は、上部クラッド層としての透明電極５とともに発光層１０への光閉じ込めに寄与する。
【００８１】
透明電極５は、ｐ型半導体層１２に電流を供給する電極となる。透明電極５は、絶縁膜４の開口部２０に入り込んでｐ型半導体層１２に接している。これにより、透明電極５とｐ型半導体層１２との電気的接続は、開口部２０内に制限されるので、電流狭窄構造を形成できる。
透明電極５は、前述のとおり、酸化インジウム系の材料からなる第１導電性膜２１と、酸化亜鉛系、酸化ガリウム系または酸化錫系の材料からなる第２導電性膜２２とを積層して構成されている。このような透明電極５は、III族窒化物半導体に比較して屈折率が小さい。そのため、ｎ型III族窒化物半導体クラッド層と透明電極５とで光閉じ込め構造を形成すると、発光ピーク（電界強度ピーク）が発光層１０よりもｎ型半導体層１１側にずれやすくなる。とくに波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生させるためには、発光層１０に含まれるＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成を小さく（たとえば６％程度）としなければならない。そのため、発光層１０の屈折率を大きくすることができず、発光層１０に発光ピークを整合させることが困難になる。これにより、十分な特性（たとえば十分に低い閾値）の半導体レーザ素子を得難くなる。
【００８２】
そこで、この実施形態では、ｎ型ガイド層１５が、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを交互に周期的に積層した超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１を有しており、その超格子層の平均屈折率が２．６以下とされている。より具体的には、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成および膜厚が、超格子層の平均屈折率が２．６以下となるように設計されている。そして、このような超格子層が発光層１０に接するように配置されている。これにより、発光層１０を挟んでｐ側とｎ側とで波長４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光に対する屈折率のバランスをとることができ、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。それによって、十分な特性（とくに十分に低い閾値）の半導体レーザ素子１０１を提供できる。
【００８３】
また、超格子層で構成された第１ｎ型ガイド層１５１には、ＧａＮ基板１から引き継がれた大きな貫通転位が生じ難い。したがって、貫通転位に起因する漏れ電流を抑制または防止できる。
第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成が大きいと、発光層１０よりも屈折率が大きくなるおそれがあるうえ、発光層１０へのキャリヤの閉じ込めが弱くなる。そこで、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０内のＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さくされている。
【００８４】
また、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１が、発光層１０の量子井戸構造を構成する障壁層５２に接している。これにより、屈折率の低い第１ｎ型ガイド層１５１を発光層１０に接して配置できるので、発光層１０に発光ピークを整合させることができる。
また、この実施形態では、ｐ型電子ブロック層１６が、Ａｌ組成１５％〜２５％のＡｌＧａＮ層で構成されている。これにより、発光ピークを発光層１０に近づけることができ、十分なレーザダイオード特性（とくに十分に低い閾値）を実現することができる。また、この実施形態では、ｐ型電子ブロック層１６の光学膜厚が３００Å以下とされている。これにより、屈折率の低いｐ型電子ブロック層１６の厚さを抑制できるので、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。
【００８５】
また、この実施形態では、ｐ型半導体層１２は、ｐ型電子ブロック層１６と発光層１０との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる第１ｐ型ガイド層１７１を含む。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を成長させるときの成長温度（たとえば１０５０℃程度）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層６１を含む発光層１０を成長させるときの成長温度（たとえば８５０℃程度）よりも高い。そのため、半導体レーザ素子１０１の製造工程において、発光層１０の成長を終えてから、基板温度の上昇を待って、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を成長させる必要がある。この待機期間中には、発光層１０の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまうおそれがある。そこで、この実施形態では、発光層１０とｐ型電子ブロック層１６との間に、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる第１ｐ型ガイド層１７１が配置されている。発光層１０を成長し終えた後の昇温過程において第１ｐ型ガイド層１７１を形成し、つづけてｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６を形成すれば、発光層１０からｐ型電子ブロック層１６まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、発光層１０の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子１０１の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００８６】
さらに、この実施形態では、ｎ型ガイド層１５が、ＩｎＧａＮ層６１とＧａＮ層６２とを交互に周期的に積層した超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１と、この第１ｎ型ガイド層１５１とｎ型クラッド層１４との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層１５２とを含む。ｎ型クラッド層１４と第１ｎ型ガイド層１５１とは組成が異なるので、それに応じて結晶成長時の温度が異なる。すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層からなる第１ｎ型ガイド層１５１の成長温度（たとえば８５０℃）は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４の成長温度（たとえば１０５０℃）よりも低い。そのため、半導体レーザ素子１０１の製造工程において、ｎ型クラッド層１４の成長を終えてから、基板温度の降下を待って、第１ｎ型ガイド層１５１を成長させる必要がある。この待機期間中には、ｎ型クラッド層１４の最表面（結晶表面）が雰囲気中の不純物にさらされるから、結晶表面が荒れてしまう（とくにＡｌが酸化される）おそれがある。そこで、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１とｎ型クラッド層１４との間にＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ｎ型ガイド層１５２が配置されている。ｎ型クラッド層１４を成長し終えた後の降温過程において第２ｎ型ガイド層１５２を形成し、つづけて第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を形成すれば、ｎ型クラッド層１４から第１ｎ型ガイド層１５１まで、結晶成長を連続させることができる。これにより、ｎ型クラッド層１４の表面が荒れることを回避できるので、半導体レーザ素子１０１の特性（とくに閾値）を向上できる。
【００８７】
ｎ型クラッド層１４を形成した後の降温過程で結晶成長を継続して第２ｎ型ガイド層１５２を形成すると、この第２ｎ型ガイド層１５２のＩｎ組成は層厚方向に関して傾斜することになる。したがって、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とが異なることになり、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成が第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも大きくなる。これにより、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率を第１ｎ型ガイド層１５１の屈折率よりも低くできるから、発光ピークがｎ側に偏ることを抑制できる。
【００８８】
さらに、この実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４のＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さくされている。これにより、発光ピークを発光層１０と整合させることができ、窒化物半導体積層構造２にクラックを生じさせることなく、閾値の低い半導体レーザ素子１０１を実現できる。また、この実施形態では、ｎ型クラッド層１４が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを交互に周期的に積層した超格子層からなっている。これにより、クラックを生じることなく、ｎ型クラッド層１４の平均Ａｌ組成を高くし、その層厚を厚く（たとえば１μｍ〜１．５μｍ）することができるので、歩留まり低下を招くことなく、発光ピークを発光層１０に整合させることができる。
【００８９】
さらに、この実施形態の半導体レーザ素子１０１においては、ｐ型コンタクト層１７３は、そのｐ型不純物濃度が高くされているので、透明電極５との接触抵抗が低くなっている。第２ｐ型ガイド層１７２はｐ型コンタクト層１７３よりもｐ型不純物濃度が低く、さらに第１ｐ型ガイド層１７１は第２ｐ型ガイド層１７２よりもｐ型不純物濃度が低い。すなわち、発光層１０に近づくほど、ｐ型不純物濃度が低くなっており、不純物による光の吸収を抑制する構造となっている。
【００９０】
また、ｐ型コンタクト層１７３がストライプ状のリッジ部を形成しているので、当該リッジ部に電流を集中させる電流狭窄構造が形成されている。そして、リッジ部の両側に絶縁膜４が配置されているので、ｐ型コンタクト層１７３を含むｐ型半導体層１２の層厚を或る程度確保して縦方向の光閉じ込めを図りつつ、絶縁膜４を発光層１０に近づけて配置することにより横方向の光閉じ込めを強化できる。これにより、発振閾値を低減できる。とくに、第２ｐ型ガイド層１７２の層厚を５０ｎｍ以下とすることにより、リッジ部の両側の絶縁膜４を発光層１０に一層近づけることができる。これにより、横方向の光閉じ込めを一層強化できるので、発振閾値の低減に寄与できる。
【００９１】
図１２は、この発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子１０２の構成を説明するための模式的な部分断面図である。図１２において、前述の図２Ａに示された各部の対応部分には同一参照符号を付してある。この実施形態では、ｎ型クラッド層１４が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層７１（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層７２（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層１４１と、この超格子層１４１以外のＡｌＧａＮ層１４２とを含む。ＡｌＧａＮ層１４２は、超格子層１４１よりも発光層１０に近い側に配置されている。そして、超格子層１４１の平均Ａｌ組成は、ＡｌＧａＮ層１４２の平均Ａｌ組成よりも大きい。平均Ａｌ組成の大きな超格子層１４１は、屈折率が低いので、発光層１０に対してより遠くに配置することで、発光ピークを発光層１０に整合させやすくなる。
【００９２】
図１３は、この発明のさらに他の実施形態に係る半導体レーザ素子１０３の構成を説明するための模式的な断面図である。図１３において、前述の図２Ａに示された各部の対応部分には、同一参照符号を付してある。この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１は、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層からなる。より具体的には、ＧａＮ基板１側からＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２、ＩｎＧａＮ層６１、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２、……の順に、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２とＩｎＧａＮ層６１とを交互に積層して超格子構造が形成されている。第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は２．６以下である。前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は、発光層１０を構成するＩｎＧａＮ量子井戸層５１のＩｎ組成よりも小さく、たとえば６％以下（より好ましくは４％以下）である。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２のＡｌ組成Ｘは０〜０．０４（４％）である。第１ｎ型ガイド層１５１（超格子層）を構成するＩｎＧａＮ層６１が発光層１０の障壁層５２に接している。また、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚は、１０００Å以上４０００Å以下とされている。
【００９３】
第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、超格子層を構成するＩｎＧａＮ層６１の屈折率ｎＩｎＧａＮおよび膜厚ＴＩｎＧａＮ、ならびにＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２の屈折率ｎＡｌＧａＮおよび膜厚ＴＡｌＧａＮを用いて、次式で表すことができる。分母は一周期の層厚（周期厚）であり、分子は一周期の光学膜厚である。
【００９４】
【数３】
【００９５】
また、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する前記超格子層の光学膜厚は、超格子層の繰り返し周期数（ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２とのペア数）Ｎを用いて、次式で与えられる。
光学膜厚＝（ｎＩｎＧａＮ・ＴＩｎＧａＮ＋ｎＡｌＧａＮ・ＴＡｌＧａＮ）×Ｎ
第２ｎ型ガイド層１５２は、ＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１。Ｘ２＝０のときはＧａＮ層）からなる。第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成と第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成とは異なっており、第１ｎ型ガイド層１５１の平均Ｉｎ組成は、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成よりも高い。さらに具体的には、第２ｎ型ガイド層１５２の平均Ｉｎ組成は、前記第１ｎ型ガイド層１５１の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成よりも小さい。また、第２ｎ型ガイド層１５２は、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているアンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなっている。第２ｎ型ガイド層１５２は、その光学膜厚が５００Å以下であることが好ましい。この場合の光学膜厚とは、第２ｎ型ガイド層１５２の屈折率と膜厚との積である。
【００９６】
図１４は、前述の第１の実施形態の構造について、第１ｎ型ガイド層１５１の物理的な膜厚（ＴＩｎＧａＮ＋ＴＧａＮ）×Ｎ（絶対膜厚）とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を調べた実験結果である。具体的には、ペア数Ｎを１０，２０，４０にそれぞれ設定した３つの試料に関して測定されたスペクトルが表れている。この実験結果から、ペア数を２倍にすると、すなわち絶対膜厚を２倍にすると、発光強度が一桁高くなっていることが分かる。すなわち、発光強度を大きくして高輝度の半導体レーザ素子の実現のためには、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚を或る程度大きくする方が有利である。
【００９７】
たとえば、第１ｎ型ガイド層１５１を構成する超格子の周期厚が４０Åの場合、ペア数Ｎ＝４０のとき、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚は１６００Åとなる。この場合に、第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚を４０００Åとするためには、第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率は、２．５（＝４０００／１６００）としなければならない。ところが、ＧａＮの屈折率が２．５３であるため、第１の実施形態のようなＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層では、平均屈折率２．５の第１ｎ型ガイド層１５１を光学膜厚４０００Å以下という制限の下で作製することができない。
【００９８】
そこで、この実施形態では、第１ｎ型ガイド層１５１が、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層で構成されている。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦０．０４）の屈折率は、ＧａＮよりも低く、たとえばＡｌ組成Ｘ＝０．０３（３％）のＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎの屈折率は２．５０である。よって、ＩｎＧａＮ層６１とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）との超格子層で第１ｎ型ガイド層１５１を構成することによって、光学膜厚４０００Å以下という制限の下で、絶対膜厚が大きい第１ｎ型ガイド層１５１を形成できる。それによって、より高輝度な半導体レーザ素子を実現できる。
【００９９】
第１ｎ型ガイド層１５１の光学膜厚を１０００Å〜４０００Åとし、かつその平均屈折率を２．６以下とする場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層で構成される第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚の下限は３８５Å（＝１０００／２．６）、その上限は１５８１（＝４０００／２．５３）である。これに対して、ＩｎＧａＮ／Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ超格子層で構成される第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚の下限は３８５Å（＝１０００／２．６）、その上限は１６００（＝４０００／２．５）である。このように、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０＜Ｘ≦０．０４）を用いることによって、絶対膜厚の範囲を広げることができ、それによって、設計の自由度を高めることができる。具体的には、前述のように、絶対膜厚を大きくして発光強度の増大を図ることにより、高輝度の半導体レーザ素子を実現できる。
【０１００】
図１５は、第１ｎ型ガイド層１５１を形成する超格子の構成例を説明するための図である。この図には、ＩｎＧａＮ層６１と、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２（０≦Ｘ≦０．０４）との超格子層によって第１ｎ型ガイド層１５１を構成するときのＩｎＧａＮ層６１の膜厚およびＡｌＸＧａ１−ＸＮ層１６２の膜厚の組合せ例が示されている。ただし、周期厚を４０Åとし、第１ｎ型ガイド層１５１の平均屈折率が２．５４となるように超格子層を設計した例であり、ＩｎＧａＮ層６１のＩｎ組成は２．４％とした。また、超格子のペア数Ｎ＝３９として絶対膜厚を１５６０Å（＝４０Å×３９）とし、光学膜厚を３９６２．４Å（＝１５６０Å×２．５４）とした。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘを増加するに従って、ＩｎＧａＮ層の膜厚を厚く、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層の膜厚を薄くすることにより、平均屈折率２．５４を達成できる。ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘ＝０とした場合は、前述の第１の実施形態の構成に該当する。
【０１０１】
図１６は、図１５に示した各組合せの超格子層で第１ｎ型ガイド層１５１を構成した場合における半導体レーザ素子の発振閾値Ｉthを示す。Ａｌ組成と閾値との相関はみられず、したがって、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ）を用いても、半導体レーザ素子の特性に対する悪影響がないことが分かる。すなわち、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０＜Ｘ）を用いることによって、他の素子特性を犠牲とすることなく、第１ｎ型ガイド層１５１の絶対膜厚を大きくして発光強度の向上を図ることができる。
【０１０２】
以上、この発明の３つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、窒化物半導体積層構造２および透明電極５を構成する各層や膜についての厚さや不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。また、ｎ型クラッド層１４は、必ずしもＡｌＧａＮの単層である必要はなく、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とで構成された超格子層としてもよい。
【０１０３】
また、前述の実施形態におけるｐ型コンタクト層１７３を省いて、リッジ部のないｐ型半導体層１２を用いてもよい。
また、前述の実施形態における第２ｎ型ガイド層１５２は省かれてもよい。同様に、前述の実施形態における第１ｐ型ＧａＮガイド層１７１を省いてもよい。
また、前述の実施形態では、窒化物半導体としてＡｌＧａＮやＧａＮ等を例示したが、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの他の窒化物半導体が用いられてもよい。窒化物半導体は、一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
【０１０４】
また、第１導電性膜２１は、開口部２０外の絶縁膜４の全表面を覆う必要はなく、開口部２０で露出したｐ型半導体層１２の表面と、開口部２０の両側から５０μｍ程度の幅の範囲内における絶縁膜４の表面とを少なくとも覆っていればよい。
さらに、窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去することで、基板１のない半導体レーザ素子を構成することもできる。
【０１０５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 基板
２ 窒化物半導体積層構造
３ ｎ側電極パッド
４ 絶縁膜
５ 透明電極
６ ｐ側電極パッド
１０ 発光層
５１ ＩｎＧａＮ量子井戸層
５２ ＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１４ ｎ型クラッド層
７１ ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層
７２ ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層
１４１ 超格子層
１４２ ＡｌＧａＮ層
１５ ｎ型ガイド層
１５１ 第１ｎ型ガイド層
６１ ＩｎＧａＮ層
６２ ＧａＮ層
１６２ ＡｌＸＧａ１−ＸＮ層
１５２ 第２ｎ型ガイド層
１７ ｐ型ガイド・コンタクト層
１７１ 第１ｐ型ガイド層
１７２ 第２ｐ型ガイド層
１７３ ｐ型コンタクト層
２０ 絶縁膜の開口部
２１ 第１導電性膜
２２ 第２導電性膜
１０１，１０２，１０３ 半導体レーザ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下であって、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が前記ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、前記超格子層が前記活性層に接している、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｎ型ガイド層の光学膜厚が１０００Å以上４０００Å以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が６％以下である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が４％以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層が、アンドープのＩｎＧａＮまたはアンドープのＧａＮからなる障壁層と、前記ＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が前記障壁層に接している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｐ型III族窒化物半導体層が、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層を含み、そのＡｌ組成が１５％以上２５％以下である、半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記ｐ型電子ブロック層の光学膜厚が３００Å以下である、請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｐ型III族窒化物半導体層が、前記ｐ型電子ブロック層と前記活性層との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層をさらに含む、請求項８または９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記ｐ型ガイド層の層厚が、０〜５００Åである、請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層された活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層と、前記第１ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層とを含む、半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第１ガイド層の平均Ｉｎ組成と前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成とが異なる、請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第２ガイド層が、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなる、請求項１２または１３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第２ガイド層の光学膜厚が５００Å以下である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成が、前記第１ガイド層の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記第２ガイド層が、アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層である、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、請求項１８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記ｎ型クラッド層の全部が前記超格子層である、請求項１９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記ｎ型クラッド層が、前記超格子層と、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層とを含む、請求項１９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２２】
前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層が、前記超格子層よりも前記活性層に近い側に配置されている、請求項２１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２３】
前記超格子層の平均Ａｌ組成が、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層の平均Ａｌ組成よりも大きい、請求項２２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２４】
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記ｎ型クラッド層が前記ｎ型ガイド層に対して前記活性層とは反対側から接している、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２５】
前記ｎ型ガイド層の超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零である、請求項２４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層を有し、この超格子層の平均屈折率が２．６以下であって、前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が前記ＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ組成よりも小さく、前記超格子層が前記活性層に接している、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｎ型ガイド層の光学膜厚が１０００Å以上４０００Å以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が６％以下である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が４％以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが０＜Ｘ≦０．０４である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層が、アンドープのＩｎＧａＮまたはアンドープのＧａＮからなる障壁層と、前記ＩｎＧａＮ量子井戸層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有しており、前記超格子層を構成するＩｎＧａＮ層が前記障壁層に接している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｐ型III族窒化物半導体層が、ＡｌＧａＮからなるｐ型電子ブロック層を含み、そのＡｌ組成が１５％以上２５％以下である、半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記ｐ型電子ブロック層の光学膜厚が３００Å以下である、請求項８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記ｐ型III族窒化物半導体層が、前記ｐ型電子ブロック層と前記活性層との間に配置された、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなるｐ型ガイド層をさらに含む、請求項８または９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記ｐ型ガイド層の層厚が、０〜５００Åである、請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１２】
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層された活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ＜１）とを周期的に積層した超格子層からなる第１ガイド層と、前記第１ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間に配置されＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層（０≦Ｘ２＜１）からなる第２ガイド層とを含む、半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第１ガイド層の平均Ｉｎ組成と前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成とが異なる、請求項１２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第２ガイド層が、層厚方向に関してＩｎ組成Ｘ２が傾斜しているＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ単膜からなる、請求項１２または１３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第２ガイド層の光学膜厚が５００Å以下である、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記第２ガイド層の平均Ｉｎ組成が、前記第１ガイド層の超格子層を形成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成よりも小さい、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記第２ガイド層が、アンドープのＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ層である、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１８】
発振波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍの青紫色の光を発生する半導体レーザ素子であって、
ｎ型III族窒化物半導体層と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層に積層され、ＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層に積層されたｐ型III族窒化物半導体層と、
前記ｐ型III族窒化物半導体層に接触し、クラッドとしての機能を有する透明電極とを含み、
前記ｎ型III族窒化物半導体層が、ｎ型クラッド層と、このｎ型クラッド層と前記活性層との間に配置されたｎ型ガイド層とを含み、
前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＧａＮからなり、そのＡｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記ｎ型クラッド層が、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ層（０＜Ｘ３＜１）とＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０＜Ｘ４＜Ｘ３）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記超格子層の平均Ａｌ組成が４％よりも大きく９％よりも小さい、請求項１８に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記ｎ型クラッド層の全部が前記超格子層である、請求項１９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記ｎ型クラッド層が、前記超格子層と、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層とを含む、請求項１９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２２】
前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層が、前記超格子層よりも前記活性層に近い側に配置されている、請求項２１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２３】
前記超格子層の平均Ａｌ組成が、前記超格子層以外のＡｌＧａＮ層の平均Ａｌ組成よりも大きい、請求項２２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２４】
前記ｎ型ガイド層が、ＩｎＧａＮ層とＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（０≦Ｘ≦０．０４）とを周期的に積層した超格子層を含み、前記ｎ型クラッド層が前記ｎ型ガイド層に対して前記活性層とは反対側から接している、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項２５】
前記ｎ型ガイド層の超格子層を形成するＡｌＸＧａ１−ＸＮ層のＡｌ組成Ｘが零である、請求項２４に記載の半導体レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図２Ａ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図２Ａ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−３８３９４（Ｐ２０１３−３８３９４Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３９８７６（Ｐ２０１２−１３９８７６）
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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