CN101847826A - 二分型半导体激光元件及其制造方法、以及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及二分型半导体激光元件及其制造方法、以及其驱动方法。该半导体激光元件可以准确、可靠并容易地形成通过分离槽被分离的第二电极和脊结构。二分型半导体激光元件的制造方法包括以下各工序：(A)在形成第一化合物半导体层(30)、构成发光区域(41)和可饱和吸收区域(42)的化合物半导体层(40)、以及第二化合物半导体层(50)之后，(B)在第二化合物半导体层(50)上形成带状的第二电极(62)，(C)接下来，将第二电极(62)作为蚀刻用掩膜，至少对第二化合物半导体层(50)的一部分进行蚀刻，形成脊结构，(D)然后，以湿蚀刻法在第二电极(62)上形成分离槽(62C)，并且通过分离槽将第二电极分离成第一部分(62A)和第二部分(62B)。

Description

二分型半导体激光元件及其制造方法、以及其驱动方法
技术领域
本发明涉及二分型(Bisection)半导体激光元件及其制造方法、以及二分型半导体激光元件的驱动方法。
背景技术
由GaN系化合物半导体构成，并且发光波长为405nm带的高输出超短脉冲半导体激光元件作为体积型光盘系统的光源、或者医疗领域或生物成像领域等中所需要的光源而备受期待，其中所述体积型光盘系统被期待作为蓝光(Blu-ray)光盘系统的下一代光盘系统。作为在半导体激光元件中产生短脉冲光的方法，主要有增益开关和锁模两种方法，锁模还被分为主动锁模和被动锁模。当基于主动锁模产生光脉冲时，需要利用镜子(mirror)或透镜构成外部共振器并且对半导体激光元件施加高频(RF)调制。另一方面，在被动锁模中，通过利用半导体激光元件的自脉动动作(Self Pulsation，自发振荡动作)，能够由简单的直流驱动生成光脉冲。
为了使半导体激光元件进行自脉动，需要对半导体激光元件设置发光区域和可饱和吸收区域。在这里，能够根据发光区域和可饱和吸收区域的配置状态将半导体激光元件分类为：将发光区域和可饱和吸收区域配置在垂直方向上的SAL(Saturable Absorber Layer，可饱和吸收层)型或者WI(Weakly Index guide，弱折射率波导)型、以及将发光区域和可饱和吸收区域并列配置在共振器方向上的二分(Bi Section)型。二分型的半导体激光元件可以从例如日本专利文件特开2004-007002号、日本专利文件特开2004-188678号、以及日本专利文件特开2008-047692号公报获知。二分型的半导体激光元件与SAL型的半导体激光元件相比，能够生成可饱和吸收效果大并且宽度窄的光脉冲。
通常，二分型的GaN系半导体激光元件包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极。
并且，第二电极通过分离槽被分离成第一部分和第二部分，其中第一部分用于通过使直流电流经由发光区域流向第一电极来形成正偏状态，第二部分用于从第一电极经由可饱和吸收区域施加电场。
专利文件1：日本专利文件特开2004-007002号公报；
专利文件2：日本专利文件特开2004-188678号公报；
专利文件3：日本专利文件特开2008-047692号公报。
发明内容
在日本专利文件特开2004-007002号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，在形成层积结构体之后，在第二化合物半导体层上形成第一金属膜。接下来，通过对第一金属膜进行干法蚀刻，将第二电极通过分离槽分离成第一部分和第二部分。之后，形成蚀刻用的掩膜，形成脊结构。在日本专利文件特开2004-007002号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，并不是将被图案化了的第二电极作为蚀刻用掩膜使用并通过自对准(Self-aligned)方式来形成脊结构。因此，第二电极和脊结构之间容易产生对准偏差。另外，第二化合物半导体层和第一金属膜之间容易残留氧化膜层或杂质，由此容易产生化合物半导体层和金属膜的接触电阻上升以及激光元件的动作电压上升的问题。
在日本专利文件特开2004-188678号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，在形成层积结构体之后，形成蚀刻用的掩膜，形成脊结构。然后，在脊结构的侧部形成绝缘层，在从绝缘层的上表面直到第二化合物半导体层上，通过分层剥离(lift off)法形成通过分离槽被分离成第一部分和第二部分的第二电极。因此，在日本专利文件特开2004-188678号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，第二化合物半导体层和第一金属膜之间也容易残留氧化膜层或杂质，由此容易产生化合物半导体层和金属膜的接触电阻上升以及激光元件的动作电压上升的问题。
在日本专利文件特开2008-047692号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，在形成层积结构体之后，形成蚀刻用的掩膜，形成脊结构。然后，对整个面形成n型缓冲器层、p侧接触层、蚀刻停止层、以及间隙层，并且对整个表面进行研磨直到p侧接触层露出。接下来，在露出的p侧接触层上，通过分层剥离法形成通过分离槽被分离成第一部分和第二部分的第二电极。如上所述，在日本专利文件特开2008-047692号公报所公开的二分型半导体激光元件的制造方法中，形成第二电极之前的工序繁杂，由于研磨导致p型接触层表面的电气特性以及光学特性降低，容易产生与接触电阻的上升相伴随的激光元件的动作电压的上升、由于光损失的增大而导致的阈值电流增大以及斜度效率(slope efficiency)降低等问题。
另外，各种论文中公开了：在二分型半导体激光元件中，如果使发光区域成为正偏、可饱和吸收区域成为零偏而独立地驱动发光区域和可饱和吸收区域，则会进行自脉动。然而，在二分型的GaN系半导体激光元件中，在发明人所知范围内并不存在当使发光区域成为正偏、使可饱和吸收区域成为零偏而独立地驱动发光区域和可饱和吸收区域时实际确认到进行了自脉动的事例。
因此，本发明的第一目的是提供可以准确、可靠并容易地形成通过分离槽被分离成第一部分和第二部分的第二电极以及脊结构的二分型半导体激光元件的制造方法。另外，本发明的第二目的是提供当使发光区域成为正偏、使可饱和吸收区域成为零偏而独立地驱动发光区域和可饱和吸收区域时能够可靠地进行自脉动的二分型半导体激光元件及其驱动方法。
为了达成上述的第一目的，本发明的二分型半导体激光元件的制造方法，包括以下各工序：
(A)在基体上形成层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层，
(B)然后，在第二化合物半导体层上形成带状的第二电极，
(C)接下来，将第二电极作为蚀刻用掩膜，至少对第二化合物半导体层的一部分进行蚀刻，形成脊结构，
(D)然后，形成用于在第二电极上形成分离槽的耐蚀层，接下来，将耐蚀层作为湿蚀刻用掩膜，并以湿蚀刻法在第二电极上形成分离槽，并且通过分离槽将第二电极分离成第一部分和第二部分。
并且，在工序(C)中，可以对第二化合物半导体层在厚度方向的一部分进行蚀刻，也可以对第二化合物半导体层在厚度方向的全部进行蚀刻，也可以对第二化合物半导体层以及构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层在厚度方向上进行蚀刻，也可以对第二化合物半导体层以及构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层乃至第一化合物半导体层在厚度方向的一部分上进行蚀刻。
为了达成上述的第一目的，本发明的第一方式或者第二方式中的二分型半导体激光元件，其中，
包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极通过分离槽被分离成第一部分和第二部分，其中第一部分用于通过使直流电流经由发光区域流向第一电极来使层积结构体形成正偏状态，第二部分用于对可饱和吸收区域施加电场。
并且，在本发明的第一方式中的二分型半导体激光元件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍，优选的是大于等于1×102倍，更加优选的是大于等于1×103倍。或者，在本发明的第二方式中的二分型半导体激光元件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω，优选的是大于等于1×103Ω，更加优选的是大于等于1×104Ω。
为了达成上述的第一目的，本发明的第一方式或者第二方式中的二分型半导体激光元件的驱动方法中二分型半导体激光元件包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极被分离槽分离成第一部分和第二部分。
并且，在本发明的第一方式中的二分型半导体激光元件的驱动方法中，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍，优选的是大于等于1×102倍，更加优选的是大于等于1×103倍，
使直流电流从第二电极的第一部分经由发光区域流向第一电极来作为正偏状态，并且通过在第一电极和第二电极的第二部份之间施加电压来对可饱和吸收区域施加电场，由此使二分型半导体激光元件进行自脉动。
另外，在本发明的第二方式中的二分型半导体激光元件的驱动方法中，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω，优选的是大于等于1×103Ω，更加优选的是大于等于1×104Ω。
使直流电流从第二电极的第一部分经由发光区域流向第一电极来使层积结构体形成正偏状态，并且通过在第一电极和第二电极的第二部份之间施加电压来对可饱和吸收区域施加电场，由此使二分型半导体激光元件进行自脉动。
在本发明的二分型半导体激光元件的制造方法中，将第二电极作为蚀刻用掩膜，至少对第二化合物半导体层的一部分进行蚀刻，形成脊结构。如上所述，由于将被图案化成带状的第二电极作为蚀刻用掩膜来使用并以自对准(Self-aligned)方式形成脊结构，因此第二电极和脊结构之间不会产生对准偏差。另外，通过湿蚀刻法对第二电极形成分离槽。如上所述，通过采用与干蚀刻法不同的湿蚀刻法，不会产生第二化合物半导体层的光、电特性的劣化。因此，能够可靠地防止二分型半导体激光元件的法光特性的劣化。
另外，在本发明的二分型半导体激光元件或者本发明的二分型半导体激光元件的驱动方法中的二分型半导体激光元件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍，或者大于等于1×102Ω。因此，能够可靠地抑制从第二电极的第一部分泄漏到第二电极的第二部分的电流。即，能够使注入发光区域(增益区域)的电流大，并且能够使施加到可饱和吸收区域的反偏压高，因此能够实现具有峰值功率的强光脉冲的单模自脉动。并且，仅通过将第二电极分离成第一部分和第二部分就能够达到第二电极的第一部分和第二部分之间的这样的高电阻值。即，能够容易地实现通过锁模的光脉冲生成，能够提供短脉冲的GaN系半导体激光元件、使用了该半导体激光元件的体积型光盘系统的光源、医疗领域或生物成像领域等中所需要的光源。
附图说明
图1是示出实施例1的二分型半导体激光元件的沿共振器延伸方向的示意性的端面图；
图2是示出沿与实施例1的二分型半导体激光元件的共振器延伸方向成直角的方向的示意性的截面图；
图3是示出构成层积绝缘膜的材料、脊结构的宽度、从二分型半导体激光元件的端面出射的激光与活性层平行的放射角(水平方向的光书放射半值角θ//)与扭结水平(kink level)之间的关系的曲线图；
图4是制作改变了从GaN系半导体激光元件的活性层至p型AlGaN电子屏蔽层的距离d的半导体激光元件，并示出所求出的其内部损失和内部量子效率的结果的曲线图；
图5是示出通过四端子法测量在实施例1所获得的二分型半导体激光元件的第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值所得的结果的曲线图；
图6是示出当对在实施例1所获得的二分型半导体激光元件的可饱和吸收区域施加了反偏压Vsa时的发光区域的V-I特性、L-I特性的曲线图；
图7是示意性地示出用于评价实施例1的二分型半导体激光元件的自脉动的测量系统的图；
图8的(A)是示出在实施例1的二分型半导体激光元件中利用条纹相机测量光波形的结果的曲线图，图8的(B)是示出测量电谱的基本波和其高频波的结果的曲线图。
图9的(A)、(B)是表示实施例1的二分型半导体激光元件的光谱具有二分型半导体激光元件特有的光谱的频谱展宽的曲线图；
图10的(A)、(B)是用于说明实施例1的二分型半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性的一部分截面图；
图11的(A)、(B)是用于继于图10的(B)说明实施例1的二分型半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性的一部分截面图；
图12是用于继于图11的(B)说明实施例1的二分型半导体激光元件的制造方法的基板等的示意性的一部分端面图；
图13的(A)、(B)是示意性地示出利用实施例2的二分型半导体激光元件来构成聚光型外部共振器并进行了锁模动作的系统的图；
图14的(A)、(B)是示意性地示出利用实施例2的二分型半导体激光元件来构成聚光型外部共振器并进行了锁模动作的系统的图；
图15的(A)和(B)是分别表示实施例2和参考例2的注入电流和光输出之间的关系(L-I特性)的反偏压相关性测量结果的曲线图；
图16的(A)和(B)是分别示出通过条纹相机测量在实施例2和参考例2中产生的光脉冲的结果的图；
图17是示出实施例1的二分型半导体激光元件的变形例的沿共振器延伸方向的示意性的端面图；
图18是示出实施例1的二分型半导体激光元件的其他变形例的沿共振器延伸方向的示意性的端面图。
具体实施方式
以下，参照附图基于实施例说明本发明，但是本发明不限于实施例，实施例中的各种数值和材料只是例示。此外，说明按照以下的顺序来进行。
1.关于本发明的二分型半导体激光元件的制造方法、本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件及其驱动方法整体的说明
2.实施例1(本发明的二分型半导体激光元件的制造方法、本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件及其驱动方法)
3.实施例2(实施利1的变形)、其他
[关于本发明的二分型半导体激光元件的制造方法、本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件及其驱动方法整体的说明]
在本发明的二分型半导体激光元件的制造方法中，在所述工序(D)中，当设在第二电极上形成分离槽时第二电极的蚀刻速度为ER0、层积结构体的蚀刻速度为ER1时，希望满足ER0/ER1≥1×10，优选的是满足ER0/ER1≥1×102。通过ER0/ERX满足这样的关系，能够在不蚀刻到层积结构体(或者，即使被蚀刻也只有一点)的情况下可靠地对第二电极进行蚀刻。
并且，在该情况下，优选的是第二电极由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、或者下层金属层和上层金属层的层积结构来构成，该层积结构中下层金属层与第二化合物半导体层接触(这里，下层金属层由从由钯、镍、铂所构成的组中所选择的1种金属来构成，上层金属层由在所述工序(D)中在第二电极上形成分离槽时的蚀刻速度与下层金属层的蚀刻速度相同或者大致相同、或者比下层金属层的蚀刻速度高的金属来构成)。在由钯构成下层金属层并由镍构成上层金属层的情况下，希望上层金属层的厚度大于等于0.1μm，优选的是大于等于0.2μm。或者，优选的是由钯(Pd)单层来构成第二电极，在该情况下，希望厚度大于等于20nm，优选的是大于等于50nm。另外，希望在所述工序(D)中在第二电极上形成分离槽时的蚀刻液为王水、硝酸、硫酸、盐酸或这些酸中的至少两种的混合液(具体来说是，硝酸和硫酸的混合液、硫酸和盐酸的混合液)。
并且，在包含以上说明的优选的结构、方式的本发明的二分型半导体激光元件的制造方法中，
具有与第一化合物半导体层电连接的第一电极，
并且第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的1×10倍，优选的是大于等于1×102倍，更加优选的是大于等于1×103倍。或者，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω，优选的是大于等于1×103Ω，更加优选的是大于等于1×104Ω。
并且，在包含以上说明的优选的结构、方式的本发明的二分型半导体激光元件的制造方法中，或者本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件或者其驱动方法中，
第二电极的宽度大于等于0.5μm并且小于等于50μm，优选的是大于等于1μm并且小于等于5μm，
脊结构的高度大于等于0.5μm并且小于等于50μm，优选的是大于等于1μm并且小于等于5μm，
将第二电极分离成第一部分和第二部分的分离槽的宽度大于等于1μm并且小于等于共振器长度的50％，优选的是大于等于10μm并且小于等于共振器长度的10％。作为共振器长度，能够例示0.3mm，但是并不限于此。
并且，在包含上述的优选方式的本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件或者其驱动方法中，第二电极能够采用由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/铂层的层积结构、或者钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/镍层的层积结构来构成的方式。另外，在由钯构成下层金属层并由镍构成上层金属层的情况下，希望上层金属层的厚度大于等于0.1μm，优选的是大于等于0.2μm。或者，优选的是由钯(Pd)单层来构成第二电极，在该情况下，希望厚度大于等于20nm，优选的是大于等于50nm。
并且，在包含以上说明的优选的结构、方式的本发明的二分型半导体激光元件的制造方法中，或者本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件或者其驱动方法(以下，也有将这些简单地总称为“本发明”的情况)中，作为第二电极的第一部分和第二部分的配置状态有：
(1)设置一个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分并且第二电极的第一部分和第二电极的第二部分处于夹着分离槽配置的状态；
(2)设置一个第二电极的第一部分和两个第二电极的第二部分并且第一部分的一端隔着一个分离槽面对一个第二部分并且第一部分的另一端隔着另一个分离槽面对另一个第二部分的状态；
(3)设置两个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分并且第二部分的端部隔着一个分离槽面对一个第一部分并且第二部分的另一端隔着另一个分离槽面对另一个第一部分的状态。
在本发明中，半导体激光元件可以是具有脊条纹(ridge stripe)型的分离限制异质结构(SCH结构、Separate Confinement Heterostructure)的半导体激光元件。
另外，在包含以上说明的优选的结构、方式的本发明中，层积结构体具体来说可以由AlGaInN系化合物半导体构成。在这里，作为AlGaInN系化合物半导体，更加具体地可以列举：GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInN。并且，在这些化合物半导体中，根据需要可以包括：硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子、锑(Sb)原子。另外，构成发光区域(增益区域)和可饱和吸收区域的化合物半导体层(有时将该化合物半导体层称作“活性层”)希望具有量子阱结构。具体来说，可以具有单一量子阱结构[QW结构]，也可以具有多重量子阱结构[MQW]。具有量子阱结构的活性层具有层积了阱层和屏蔽层中的至少一层的结构，但是作为(构成阱层的化合物半导体，构成屏蔽层的化合物半导体)的组合可以例示：(InyGa(1-y)N，GaN)、(InyGa(1-y)N，InzGa(1-z)N)[这里，y>z]、(InyGa(1-y)N，AlGaN)。
并且，在包含以上说明的优选的结构、方式的本发明中，第二化合物半导体层具有p型GaN层和AlGaN层交替层积的超晶格结构，超晶格结构的厚度可以小于等于0.7μm。通过采用这样的超晶格结构，保持作为复合层(clad layer)而需要的高折射率，并且能够降低半导体激光元件的串联电阻分量，导致半导体激光元件的低动作电压化。作为超晶格结构的厚度的下限值，虽然并不是限定的但是可以列举例如0.3μm，并且作为构成超晶格结构的p型GaN层的厚度可以例示1nm到5nm，作为构成超晶格结构的p型AlGaN层的厚度可以例示1nm到5nm，作为p型GaN层和p型AlGaN层的总层数可以例示60层至300层。另外，从活性层至第二电极为止的距离小于等于1μm，优选的是，小于等于0.6μm。通过规定这样的活性层至第二电极的距离，能够使得电阻高的p型第二化合物半导体层的厚度变薄，并且能够实现半导体激光元件的工作电压的降低。作为从活性层至第二电极的距离的下限值，虽然并不是限定的但是可以列举例如0.3μm。另外，可以构成为：在第二化合物半导体层掺杂有大于等于1×1019cm-3的Mg，对于来自活性层的波长为405nm的光，第二化合物半导体层的吸收系数至少为50cm-1。该Mg的原子浓度是由1×1019cm-3的值表示最大的空穴浓度的材料的物理性质而被设计成最大的空穴浓度、即该第二化合物半导体层的比电阻最小时的结果。第二化合物半导体层的吸收系数是从尽量降低半导体激光元件的电阻的观点出发来规定的，其结果是，活性层的光吸收系数成为50cm-1是通常的。但是，为了提高该吸收系数，也可以将Mg掺杂量故意设定为大于等于2×1019cm-3的浓度。在该情况下，可获得实用的空穴浓度的Mg掺杂量的上限例如为8×1019cm-3。另外，第二化合物半导体层从活性层侧具有无掺杂化合物半导体层以及p型化合物半导体层，但是从活性层至p型化合物半导体层的距离小于等于1.2×10-7m。通过如上所述的那样规定从活性层至p型化合物半导体层的距离，在不降低内部量子效率的范围内，能够抑制内部损失，由此能够降低开始产生激光的阈值电流密度。另外，作为从活性层至化合物半导体层为止的距离的下限值，虽然并不是限定的但是可以列举：例如5×10-8m。另外，脊部的两侧面上形成由SiO2/Si层积结构构成的层积绝缘膜，脊部的有效折射率和层积绝缘膜的有效折射率的差为5×10-3至1×10-2。通过使用这样的层积绝缘膜，即使在超过100mW的高输出动作中，也能够维持单一基本横模式。另外，第二化合物半导体层可以被构成为从活性层侧层积无掺杂GaInN层(p侧光引导层)、无掺杂AlGaN层(p侧复合层)、Mg掺杂AlGaN层(电子屏蔽层)、GaN层(Mg掺杂)/AlGaN层的超晶格结构(超晶格复合层)、以及Mg掺杂GaN层(p侧接触层)来构成。活性层中构成阱层的化合物半导体的带隙希望大于等于2.4eV。另外，从活性层出射的激光的波长为360nm至500nm，优选的是400nm至410nm。在这里，不用说可以对以上说明的各种结构进行适宜的组合。
在本发明中，虽然在基板上依次形成了构成半导体激光元件的各种GaN系化合物半导体层，但是，在这里，作为基板，除了蓝宝石(sapphire)基板之外，还可以列举：GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化铝基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgON基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板、以及对这些基板的表面(主面)形成底子层或缓冲器层的基板。另外，作为构成半导体激光元件的各种GaN系化合物半导体层的形成方法，可以列举：有机金属化学的气象成长法(MOCVD法、MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)、输送卤素或者有助于反应的氢化物气象成长法等。
在这里，作为MOCVD法中的有机镓源可以列举三甲基镓(TMG)气体或三乙基镓(TEG)气体，作为氮源气体，可以列举氨气或联氨气体。另外，在具有n型的导电型的GaN系化合物半导体层的形成中，例如作为n型杂质(n型掺杂剂)添加硅即可，在具有p型的导电型的GaN系化合物半导体层的形成中，例如作为p型杂质(p型掺杂剂)添加镁(Mg)即可。另外，在作为GaN系化合物半导体层的构成原子而包含铝(Al)或者铟(In)的情况下，作为Al源使用三甲基铝(TMA)即可，作为In源使用三甲基铟(TMI)即可。并且，作为Si源使用硅烷气体(SiH4气体)即可，并且作为Mg源使用环戊二烯镁或甲基环戊二烯镁、双环戊二烯镁(Cp2Mg)即可。另外，作为n型杂质(n型掺杂剂)，除了Si之外，还可以列举：Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd、Po，作为p型杂质(p型掺杂剂)除了Mg之外还可以列举：Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg、Sr。
当第一导电型为n型时，与具有n型导电型的第一化合物半导体层电连接的第一电极具有至少包含从由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、Al(铝)、Ti(钛)、钨(W)、Cu(铜)、Zn(铅)、锡(Sn)、以及铟(In)构成的组中所选择的至少一种金属的单层结构或多层结构，例如可以例示Ti/Au、Ti/Al、Ti/Pt/Au。第一电极虽然与第一化合物半导体层电连接，但是也包含第一电极形成在第一化合物半导体层上的方式、第一电极经由导电材料层或导电性的基板而与第一化合物半导体层连接的方式。第一电极和第二电极可以通过例如真空气象沉积法或溅射法等PVD法成膜。
为了与外部的电极或电路电连接，也可以在第一电极或第二电极上设置垫片电极。垫片电极具有包含从Ti(钛)、铝(Al)、Pt(铂)、Au(金)、Ni(镍)构成的组中所选择的至少一种金属的单层结构或多层结构。或着，也可以使垫片电极具有以Ti/Pt/Au的多层结构、Ti/Au的多成结构为例示的多层结构。
本发明可以适用于例如光盘系统、通信领域、光信息领域、光电集成电路、应用了非线性光学现象的领域、光开关、激光计量领域和各种分析领域、超高速光谱领域、多光子激发光谱领域、质量分析领域、利用了多光子吸收的各种加工领域、医疗领域、生物成像领域等领域。
[实施例1]
实施例1关于本发明的二分型半导体激光元件的制造方法、本发明的第一方式～第二方式中的二分型半导体激光元件或者其驱动方法。图1示出了实施例1的二分型半导体激光元件的沿共振器延伸方向的示意性的端面图(当以XZ平面剖开时的示意性的端面图)，图2示出了沿与共振器延伸方向成直角的方向的示意性的截面图(当以YZ平面剖开时的示意性的截面图)。另外，图1是沿着图2的箭头I-I的示意性的端面图，图2是沿着图1的箭头II-II的示意性的截面图。
发光波长为405nm带的实施例1的二分型半导体激光元件10包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积具有第一导电型(在实施例1中具体地为n型导电型)并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层30、由GaN系半导体构成的构成发光区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的化合物半导体层(活性层40)、以及具有与第一导电型不同的第二导电型(在实施例1中具体为p型导电型)并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层50来构成；
(b)形成在第二化合物半导体层50上的带状的第二电极62；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层30上的第一电极61。
实施例1的二分型半导体激光元件10具体来说是具有脊条纹(ridgestripe)型的分离限制异质结构(SCH结构)的半导体激光元件。更加具体地来说，该二分型半导体激光元件10为了用于蓝光光盘系统而开发的由索引指南(index guide)型的AlGaInN构成的半导体激光元件，并且具有脊结构(脊条纹结构)。并且，二分型半导体激光元件10设置在n型GaN基板21的(0001)面上，并且活性层40具有量子阱结构。另外，n型GaN基板21的(0001)面也被称作“C面”，是具有极性的结晶面。第一化合物半导体层30、活性层40、以及第二化合物半导体层50具体来说由AlGaInN系化合物半导体构成，更加具体地来说，具有以下的表1所示的层结构。在这里，在表1中，越是记载在下方的化合物半导体层越是靠近n型GaN基板21的层。另外，在活性层40中构成阱层的化合物半导体的带隙为3.06eV。
[表1]
第二化合物半导体层50
p型GaN接触层(Mg掺杂)55
p型GaN层(Mg掺杂)/AlGaN超晶格复合层54
p型AlGaN电子屏蔽层(Mg掺杂)53
无掺杂AlGaN复合层52
无掺杂GaInN光引导层51
活性层40
GaInN量子阱活性层
(阱层：Ga0.92In0.08N/屏蔽层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层30
n型GaN复合层32
n型AlGaN复合层31
这里，
阱层(2层)    10.5nm    无掺杂
屏蔽层(2层)  14nm      无掺杂
另外，p型GaN接触层55和p型GaN层/AlGaN层的超晶格复合层54的一部分被RiE法除去，形成脊结构(脊部56)。脊部56的两侧形成有由SiO2/Si构成的层积绝缘膜57。SiO2层为下层，Si层为上层。其中，脊部56的有效折射率和57的有效折射率的差为5×10-3至1×10-2，具体来说为7×10-3。并且，相当于脊部56的顶面的p型GaN接触层55上形成有第二电极(p侧欧姆电极)62。一方面，在n型GaN基板21的背面形成有由Ti/Pt/Au构成的第一电极(n侧欧姆电极)61。
图3示出构成层积绝缘膜57的材料、脊结构的宽度、从二分型半导体激光元件10的端面出射的激光与活性层平行的放射角(水平方向的光书放射半值角θ//)与扭结水平(kink level)(L-I特性中产生扭结时的光输出)的关系。其中，曲线“A”是层积绝缘膜57由SiO2/Si构成并且脊结构的宽度为1.5μm的情况。另外，曲线“B”是层积绝缘膜57由SiO2/Si构成并且脊结构的宽度为1.7μm的情况。并且，曲线“C”是层积绝缘膜57由SiO2单层构成并且脊结构的宽度为1.7μm的情况。从图3可知，使层积绝缘膜57为SiO2/Si层积结构并且脊结构的宽度为1.5μm以获得高的扭结水平。
另外，实施例1的二分型半导体激光元件10是在活性层40及其附近产生的光密度分布掺杂了Mg的化合物半导体层。通过使p型AlGaN电子屏蔽层53、p型GaN层/AlGaN层的超晶格复合层54以及p型GaN接触层55尽量不重叠，在不使内部量子效率降低的范围内，抑制内部损失。并且，由此降低开始产生激光的阈值电流密度。实际上，制作改变了从活性层40至p型AlGaN电子屏蔽层53的距离d的半导体激光元件，并求出其内部损失αi和内部量子效率ηi的结果表示在图4。从图4可知，通过使d的值变大，虽然降低内部损失αi，但是一旦d的值大于等于某值，则对阱层的空穴的诸如效率降低，其结果是，活性层中电子和空穴的再结合概率降低，内部量子效率ηi降低。从以上的结果，使从活性层40至p型AlGaN电子屏蔽层53的距离d为0.10μm、脊部(脊结构)的高度为0.50μm、位于第二电极62和活性层40之间的第二化合物半导体层50的厚度为0.50μm、位于第二电极62下方的p型GaN层/AlGaN层的超晶格复合层54的部分的厚度为0.40μm。
并且，在实施例1的二分型半导体激光元件10种，第二电极62通过分离槽62C被分离成第一部分62A和第二部分62B，其中第一部分62A用于通过使直流电流经由发光区域(增益区域)41流向第一电极来形成正偏状态，第二部分62B用于对可饱和吸收区域42施加电场(第二部分62B用于对可饱和吸收区域42施加反偏压Vsa)。其中，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值(也称作“分离电阻值”)大于等于第二电极62和第一电极61之间的电阻值的1×10倍，具体来说是1.5×103倍。另外，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值大于等于1×102Ω，具体来说是1.5×104Ω。
然而，需要在第二化合物半导体层50上形成具有大于等于1×102Ω的分离电阻值的第二电极62。在GaN系半导体激光元件的情况下，与以往的GaAs系半导体激光元件不同，并且由于在具有p型导电型的化合物半导体中的移动度小，因此不需要对具有p型导电型的第二化合物半导体层50通过离子注入等进行高电阻化，而是通过由分离槽62C分离形成在其上的第二电极62，使第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值大于等于第二电极62和第一电极61之间的电阻值的10倍，或者，使第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值大于等于1×102Ω。
其中，第二电极62所需要的特性如下。即，
(1)作为当蚀刻第二化合物半导体层50时的蚀刻用掩膜来发挥功能。
(2)不使第二化合物半导体层50的光、电特性恶化，并且第二电极62可以进行湿蚀刻。
(3)当成膜在第二化合物半导体层50上时，表示小于等于10-2Ω·cm2的接触比电阻值。
(4)在作为层积结构的情况下，构成下层金属层的材料功函数大并且对第二化合物半导体层50表示低接触比电阻值，并且可以进行湿蚀刻。
(5)在作为层积结构的情况下，对于形成脊结构时的蚀刻(例如，在RIE法中使用的C12气体)具有耐性，并且可进行湿蚀刻。
在实施例1中，由厚度为0.1μm的Pd单层来构成第二电极62。
另外，在实施例1中，使共振器长度为0.60mm、可饱和吸收区域42的长度为0.05mm、第二电极62的第一部分62A的长度为0.53mm、第二部分62B的长度为0.05mm、分离槽62C的宽度(共振器长边方向的长度)为0.02mm。
另外，具有p型GaN层和AlGaN层交替层积的超晶格结构的p型GaN层/AlGaN层的超晶格复合层54的厚度小于等于0.7μm，具体来说为0.4μm，构成超晶格结构的p型GaN层的厚度为2.5nm，构成超晶格结构的p型AlGaN层的厚度为2.5nm，p型GaN层和AlGaN层的总层数为160层。另外，从活性层40至第二电极62的距离为小于等于1μm，具体来说为0.5μm。并且，构成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子屏蔽层53、p型GaN层/AlGaN层的超晶格复合层54、p型GaN接触层55掺杂有大于等于1×1019cm-3(具体来说为2×1019cm-3)的Mg，对于波长为405nm的光的第二化合物半导体层50的吸收系数至少为50cm-1，具体来说是65cm-1。另外，第二化合物半导体层50从活性层侧具有无掺杂化合物半导体层(无掺杂GaInN光引导层)51以及p型化合物半导体层，但是从活性层至p型化合物半导体层(具体来说是p型AlGaN电子屏蔽层53)的距离小于等于1.2×10-7m，具体来说是100nm。
以下，参照图10的(A)、(B)、图11的(A)、(B)、图12说明实施例1的二分型半导体激光元件的制造方法。图10的(A)、(B)、图11的(A)、(B)为将基板等以YZ平面剖开时的示意性的一部分的截面图，图12为将基板等以XZ平面剖开时的示意性的一部分的端面图。
[工序-100]
首先，在基体上，具体来说是在n型GaN基板21的(0001)面上，基于公知的MOCVD法形成层积结构体，所述层积结构体通过依次层积具有第一导电型(n型导电型)并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层30、由GaN系半导体构成的构成发光区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42的化合物半导体层(活性层40)、以及具有与第一导电型不同的第二导电型(p型导电型)并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层50来构成(参照图10的(A))。
[工序-110]
之后，在第二化合物半导体层50上形成带状的第二电极62。具体来说，在通过真空气体沉积法在整个面上形成Pd层63(参照图10的(B))之后，在Pd层63上基于光刻技术形成带状的蚀刻用耐蚀层。并且，在利用王水除去没有被蚀刻用耐蚀层覆盖的Pd层63之后，除去蚀刻用耐蚀层。这样，能够获得图11的(A)所示的结构。也可以基于分层剥离法在第二化合物半导体层50上形成带状的第二电极62。
接下来，将第二电极62作为蚀刻用掩膜，至少对第二化合物半导体层50的一部分进行蚀刻(在实施例1中，对第二化合物半导体层50的一部分进行蚀刻)，形成脊结构。具体来说，基于使用Cl2气体的RIF法，将第二电极62作为蚀刻用掩膜来使用，对第二化合物半导体层50的一部分进行蚀刻。这样，能够获得图11的(B)所示的结构。如上所述，由于将被图案化成带状的第二电极62作为蚀刻用掩膜来使用并以自对准(Self-aligned)方式形成脊结构，因此第二电极62和脊结构之间不会产生对准偏差。
[工序-130]
然后，形成用于将分离槽形成在第二电极62上的耐蚀层64(参照图12)。参照符号65为为了形成分离槽而设置在耐蚀层64上的开口部。接下来，将耐蚀层64作为湿蚀刻用掩膜，并以湿蚀刻法在第二电极62上形成分离槽62C，并且通过分离槽62C将第二电极62分离成第一部分62A和第二部分62B。具体来说，将王水用作蚀刻液，将整体浸泡在王水中约二分型半导体激光元件10秒，由此对第二电极62形成分离槽62C。并且，之后，除去耐蚀层64。这样，能够获得图1和图2所式的结构。如上所述，通过采用与干蚀刻法不同的湿蚀刻法，不会产生第二化合物半导体层50的光、电特性的劣化。因此，二分型半导体激光元件的法光特性不会劣化。在采用了干蚀刻的情况下，第二化合物半导体层50的内部损失αi增加，导致阈值电压上升或者光输出降低。其中，当第二电极62的蚀刻速度为ER0、层积结构体的蚀刻速度为ER1时，
Figure GSA00000051122500191
如上所述，由于第二电极62和第二化合物半导体层50之间存在高蚀刻选择比，因此能够在不蚀刻到层积结构体的情况下(或者，即使被蚀刻也只有一点)而可靠地对第二电极62进行蚀刻。
[工序-140]
然后，进行n侧电极的形成、基板的劈开等，并且进行图案化，由此能够制作二分型半导体激光元件10。
通常，半导体层的电阻R(Ω)利用构成半导体层的材料的比电阻值ρ(Ω·m)、半导体层的长度X0(m)、半导体层的截面积S(m2)、载流子密度n(cm-3)、电荷量e(C)、移动度μ(m2/V秒)，如下表示。
R＝(ρ·X0)/S＝X0/(n·e·μ·S)
P型GaN系半导体的移动度与P型GaAs系半导体相比小2位数以上，因此电阻值容易变大。因此，从上式可知，具有宽度为1.5μm并且高度为0.35μm的截面积小的脊结构的半导体激光元件的电阻值成为大值。
将由四端子法测量制作的实施例1的二分型半导体激光元件10的第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值表示在图5。当分离槽62C的宽度为20μm时，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值为15kΩ。
在制作的实施例1的二分型半导体激光元件10中，从第二电极62的第一部分62A通过使直流电流经由发光区域(增益区域)41流向第一电极来形成正偏状态，通过对第一电极61和第二电极62的第二部分62B之间施加反偏压Vsa对可饱和吸收区域42施加电场，由此进行自脉动。
具体来说，将对可饱和吸收区域42施加了反偏压Vsa时的发光区域(增益区域)41的V-I特性、L-I特性表示在图6。在图6中以曲线“B”、“C”、“D”表示当对第二电极62的第二部分62B的施加电压Vsa为0伏、-6伏、-12伏时的注入电流和光输出的关系(L-I)特性。另外，在图6中以曲线“A”表示当对第二电极62的第二部分62B施加的施加电压Vsa为0伏、-6伏、-12伏时的注入电流和对第二电极62的第一部分62A的施加电压Vgain之间的关系(V-I)特性。在曲线“A”中，对第二电极62的第二部分62B的施加电压Vsa为0伏时的曲线、对第二电极62的第二部分62B的施加电压Vsa为-6伏时的曲线、对第二电极62的第二部分62B的施加电压Vsa为-12伏时的曲线这三条曲线重叠，看起来像一条曲线。
通过使对于第二电极62的第二部分62B的施加电压Vsa为-6伏、-12伏这样的大值，在可饱和吸收区域42中的吸收变强，并且可以看到阈值电压的上升和斜度效率的降低，但是发光区域41的V-I特性几乎不发生变化。由此，在通过实施例1的二分型半导体激光元件的制造方法获得的二分型半导体激光元件10中，能够获得足够的分离电阻值(第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值)，能够对第二电极62的第一部分62A和第二部分62B进行不同的电控制。另外，在实施例1的二分型半导体激光元件10种，即使对可饱和吸收区域42施加直到-12伏的施加电压也没有产生任何问题。
图7示出了用于实施例1的二分型半导体激光元件10的自脉动的评价的测量系统。在测量中，对可饱和吸收区域42施加直流恒定电压Vsa，并使发光区域(增益区域)41中流过直流低电流(电压Vgain)。即，对第二电极62的第二部分62B施加负的直流恒定电压Vsa，并使直流低电流从第二电极62的第一部分62A流向第一电极61。并且，从二分型半导体激光元件10出射的激光通过透镜进行准直并通过了光隔离器(opticalisolator)之后，由透镜与单模光纤(monomode[single-mode]fiber)结合，并且使用光检测器和电谱分析器、以及、光谱分析器、以及条纹相机(streak camera)来评价来自单模光纤的光。
图8的(A)、(B)、图9的(A)、(B)表示对实施例1的二分型半导体激光元件10的第二电极62的第二部分62B施加-12伏并且150微安的直流电流从第二电极62的第一部分62A流向第一电极61时的测量结果。如图9的(A)、(B)所示的那样，可以看到二分型半导体激光元件特有的光谱的频谱展宽，如图8的(B)所示的那样测量到了电谱的基本波和其高频波(图8的(B)示出了2倍波、3倍波、4倍波)。另外，为了评价脉冲的时间波形，通过条纹相机测量了光波形。如图8的(A)所示的那样，光脉冲的脉冲宽度为第一化合物半导体层30皮秒，由时间平均功率(65微瓦/秒，约65皮焦耳/脉冲)计算的脉冲峰值功率为约2.4瓦。在本发明的发明人调查的范围内，此次的试验是第一个在GaN系半导体激光元件中在对二分型半导体激光元件的可饱和吸收区域施加了反偏压的状态下确认到了单模(单一基本横模式)的自脉动的例子。
第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值大于等于第二电极62和第一电极61之间的电阻值的10倍，或者，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值大于等于1×102Ω。因此，能够可靠地抑制从第二电极62的第一部分62A泄漏到第二电极62的第二部分62B的电流，其结果是，使发光区域41成为正偏状态，并且能够可靠地使可饱和吸收区域42为反偏置状态，能够可靠地产生单模的自脉动。
[实施例2]
实施例2是实施例1的变形。在实施例1中，将二分型半导体激光元件10设置在了具有极性的结晶面、即n型GaN基板21的(0001)面、C面上。然而，在使用这样的基板的情况下，对于活性层40存在通过由压电分极和自发分极所引起的内部电场的QCSE效果(量子限制异质效果)难以控制电气可饱和吸收的情况。即，根据情况的不同，为了获得自脉动和锁模动作而需要使流经第一电极的直流电流的值和施加到可饱和吸收区域的反偏压的值变大，或者产生跟随主脉冲的副脉冲成分，或者难以取得外部信号和光脉冲之间的同步。
并且，为了防止这样的现象的发生，优选的是实现构成活性层40的阱层的厚度的最优化、构成活性层40的屏蔽层中杂质掺杂浓度的最优化。
具体来说，使构成GaInN量子阱活性层的阱层的厚度大于等于1nm并且小于等于10.0nm，优选大于等于1nm并且小于等于8nm。如上所述，通过使阱层的厚度变薄能够降低压电分极和自发分极的影响。另外，使屏蔽层的杂质掺杂浓度大于等于1×1018cm-3且小于等于1×1020cm-3，优选的是大于等于1×1019cm-3并且小于等于1×1020cm-3。在这里，作为杂质可以列举：硅(Si)或氧(O)。并且，通过使屏蔽层的杂质掺杂浓度为这样的浓度，能够实现活性层的载流子的增加，其结果是，能够降低压电分极和自发分极的影响。
在实施例2中，表1所示的层结构中的由GaInN量子阱活性层构成的活性层40的结构如下，其中，GaInN量子阱活性层由3层屏蔽层(由Ga0.98In0.02N构成)和2层阱层(Ga0.92In0.08N)构成。另外，在参考例2的二分型半导体激光元件中，表1所示的层结构中的活性层40的结构如下。具体来说，与实施例1的结构相同。
[表2]
                      实施例2               参考例2
阱层                  8nm                   10.5nm
屏蔽层                12nm                  14nm
阱层的杂质掺杂浓度    无掺杂                无掺杂
屏蔽层的杂质掺杂浓度  Si：2×1018cm-3       无掺杂
在实施例2中，阱层的厚度为8nm，并且屏蔽层掺杂有2×1018cm-3的Si，缓和了活性层内的QCSE效果。另一方面，在参考例2中，阱层的厚度为10.5nm，并且屏蔽层无掺杂。
并且，利用实施例2和参考例2的二分型半导体激光元件来构成聚光型外部共振器并进行了锁模动作(参照图13的(A))。在这里，在实施例2和参考例2中，使共振器长度为0.60mm、可饱和吸收区域42的长度为0.06mm、第二电极62的第一部分62A的长度为0.52mm、第二部分62B的长度为0.06mm、分离槽62C的宽度(共振器长边方向的长度)为0.02mm。在图13的(A)所示的聚光型的外部共振器中，外部共振器由在可饱和吸收区域侧形成了高反射涂层(coat layer)(HR)的二分型半导体激光元件的端面和外部镜来构成，并且从外部镜获取光脉冲。在发光区域(增益区域)侧的二分型半导体激光元件的端面(光出射端面)形成有无反射涂层(AR)。光学滤波器主要使用带通滤波器，并且为了控制激光产生时的波长而被插入。通过外部共振器长度X’来决定光脉冲列的重复频率f，并以下式表示。其中，c为光速，n为波导的折射率。
f＝c/(2n·X’)
锁模通过对发光区域施加的直流电流和对可饱和吸收区域施加的反偏压Vsa来被决定。图15的(A)和(B)表示实施例2和参考例2的注入电流和光输出之间的关系(L-I特性)的反偏压相关性测量结果。在图15的(A)和(B)中，标注了符号“A”的测量结果为反偏压Vsa＝0伏的结果，标注了符号“B”的测量结果为反偏压Vsa＝-3伏的结果，标注了符号“C”的测量结果为反偏压Vsa＝-6伏的结果，标注了符号“D”的测量结果为反偏压Vsa＝-9伏的结果。在图15的(A)中，反偏压Vsa＝0伏的测量结果与反偏压Vsa＝-3伏的测量结果大致重叠。
比较图15的(A)和(B)可知，在参考例2中当逐渐增加反偏压Vsa时开始产生激光的阈值电流也随之上升，并且与实施例2相比在低的反偏压Vsa发生变化。这表示：实施例2的活性层相对更好地通过反偏压Vsa电控制了可饱和吸收的效果。
另外，将通过条纹相机测量在实施例2和参考例2中产生的光脉冲的结果表示在图16的(A)和(B)中。在由参考例2所获得的图16的(B)中，在主脉冲的前后产生了副脉冲分量，但是由实施例2所获得的图16的(A)中，抑制了副脉冲分量的产生。可以认为这样的结果都是由于：由于活性层的结构而QCSE效果被缓和，因此可饱和吸收的效果被增强。
但是，在参考例2中，在对可饱和吸收区域施加了反偏压的状态下确认到了单模(单一基本横模式)的自脉动和模式锁定动作，因此不用说参考例2也包含在本发明中。
另外，将使用二分型半导体激光元件构成外部共振器的例子的变形例表示在图13的(B)、图14的(A)、(B)中。即使在图13的(B)所示的准直型的外部共振器中，外部共振器由在可饱和吸收区域侧形成了高反射涂层(HR)的二分型半导体激光元件的端面和外部镜来构成，并且从外部镜获取光脉冲。在发光区域(增益区域)侧的二分型半导体激光元件的端面(光出射端面)形成有无反射涂层(AR)。另一方面，在图14的(A)、(B)所示的外部共振器中，外部共振器由在可饱和吸收区域侧(光出射端面)形成了反射涂层(R)的二分型半导体激光元件的端面和外部镜来构成，并且从可饱和吸收区域获取光脉冲。在发光区域(增益区域)侧的二分型半导体激光元件的端面形成有无反射涂层(AR)。另外，图14的(A)所式的例子为聚光型，图14的(B)所示的例子为准直型。
以上，虽然基于优选的实施例说明了本发明，但是本发明不限于这些实施例。实施例中所说明的半导体激光元件的构成、结构的构成只是例示，可以进行适宜的变更。另外，在实施例，虽然示出了各种值，但是这些也是例示，例如，如果所使用的半导体激光元件的样式改变，这些值也当然改变。例如，也可以使第二电极具有由厚度为20nm钯(Pd)构成的下层金属层和由厚度为200nm镍(Ni)构成的上层金属层的层积结构。另外，在基于王水的湿蚀刻中，镍的蚀刻速度为钯的蚀刻速度的约1.25倍。
发光区域41或可饱和吸收区域42的数量不限于1个。图17示出设置一个第二电极的第一部分62A和两个第二电极的第二部分62B1、62B2的二分型半导体激光元件的示意性的端面图。在该二分型半导体激光元件中，第一部分62A的一端隔着一个分离槽62C1面对一个第二部分62B1，并且第一部分62A的另一端隔着另一个分离槽62C2面对另一个第二部分62B2。并且，一个发光区域41被两个可饱和吸收区域421、422夹住。或者，图18示出设置两个第二电极的第一部分62A1、62A2和一个第二电极的第二部分62B的二分型半导体激光元件的示意性的端面图。在该二分型半导体激光元件中，第二部分62B的端部隔着一个分离槽62C1面对一个第一部分62A1，并且第二部分62B的另一端隔着另一个分离槽62C2面对另一个第一部分62A2。并且，一个可饱和吸收区域42被两个发光区域411、412夹住。
在实施例中，将自激发型半导体激光元件10设置在了作为n型GaN基板21的极性面的C面、{0001}面上，但是也可以代替这种情况将自激发型半导体激光元件10设置在作为{11-20}面的A面上、作为{1-100}面的M面上、作为{1-102}面的无极性面上、或者包含{11-24}面和{11-22}面的{11-2n}面、{10-11}面、{10-12}面这样的半极性面上，由此，能够抑制在实施例2中所说明的问题的发生。

Claims (18)

1.一种二分型半导体激光元件的制造方法，包括以下各工序：
(A)在基体上形成层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层，
(B)然后，在第二化合物半导体层上形成带状的第二电极，
(C)接下来，将第二电极作为蚀刻用掩膜，至少对第二化合物半导体层的一部分进行蚀刻，形成脊结构，
(D)然后，形成用于在第二电极上形成分离槽的耐蚀层，接下来，将耐蚀层作为湿蚀刻用掩膜，并以湿蚀刻法在第二电极上形成分离槽，并且通过分离槽将第二电极分离成第一部分和第二部分。
2.如权利要求1所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
在所述工序(D)中，当设在第二电极上形成分离槽时第二电极的蚀刻速度为ER0、层积结构体的蚀刻速度为ER1时，满足ER0/ER1≥1×10。
3.如权利要求2所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
第二电极由钯单层、镍单层、铂单层、或者下层金属层和上层金属层的层积结构来构成，该层积结构中下层金属层与第二化合物半导体层接触，这里，下层金属层由从由钯、镍、铂所构成的组中所选择的1种金属来构成，上层金属层由在所述工序(D)中在第二电极形成分离槽时的蚀刻速度与下层金属层的蚀刻速度相同、或者比下层金属层的蚀刻速度高的金属来构成。
4.如权利要求2所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
第二电极由钯单层构成。
5.如权利要求2所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
在所述工序(D)中在第二电极上形成分离槽时的蚀刻液为王水、硝酸、硫酸、盐酸或这些酸中的至少两种的混合液。
6.如权利要求1所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
第二电极的宽度大于等于0.5μm并且小于等于50μm，
脊结构的高度大于等于0.1μm并且小于等于10μm，
将第二电极分离成第一部分和第二部分的分离槽的宽度大于等于1μm并且小于等于共振器长度的50％。
7.如权利要求6所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
所述二分型半导体激光元件具有与第一化合物半导体层电连接的第一电极，
并且第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍。
8.如权利要求6所述的二分型半导体激光元件的制造方法，其中，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω。
9.一种二分型半导体激光元件，其中，
包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极通过分离槽被分离成第一部分和第二部分，其中第一部分用于通过使直流电流经由发光区域流向第一电极来使层积结构体形成正偏状态，第二部分用于对可饱和吸收区域施加电场，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍。
10.一种二分型半导体激光元件，其中，
包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极通过分离槽被分离成第一部分和第二部分，其中第一部分用于通过使直流电流经由发光区域流向第一电极来使层积结构体形成正偏状态，第二部分用于对可饱和吸收区域施加电场，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω。
11.如权利要求9或10所述的二分型半导体激光元件，其中，
第二电极的宽度大于等于0.5μm并且小于等于50μm，
脊结构的高度大于等于0.1μm并且小于等于10μm，
将第二电极分离成第一部分和第二部分的分离槽的宽度大于等于1μm并且小于等于共振器长度的50％。
12.如权利要求9或10所述的二分型半导体激光元件，其中，
第二电极由钯单层、镍单层、铂单层、或者钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/铂层的层积结构、或者钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/镍层的层积结构来构成。
13.如权利要求9或10所述的二分型半导体激光元件，其中，
第二电极由钯单层构成。
14.一种二分型半导体激光元件的驱动方法，其中，
二分型半导体激光元件包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积如下层来构成，即：具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极被分离槽分离成第一部分和第二部分，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻大于等于第二电极和第一电极之间的电阻的10倍，
并且，在所述二分型半导体激光元件的驱动方法中，
使直流电流从第二电极的第一部分经由发光区域流向第一电极来作为正偏状态，并且通过在第一电极和第二电极的第二部份之间施加电压来对可饱和吸收区域施加电场，由此使二分型半导体激光元件进行自脉动。
15.一种二分型半导体激光元件的驱动方法，其中，
二分型半导体激光元件包括：
(a)层积结构体，所述层积结构体通过依次层积具有第一导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第一化合物半导体层、由GaN系半导体构成的构成发光区域和可饱和吸收区域的化合物半导体层、以及具有与第一导电型不同的第二导电型并且由GaN系化合物半导体构成的第二化合物半导体层来构成；
(b)形成在第二化合物半导体层上的带状的第二电极；以及
(c)电连接在第一化合物半导体层上的第一电极，
并且，第二电极被分离槽分离成第一部分和第二部分，
第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值大于等于1×102Ω，
并且，在所述二分型半导体激光元件的驱动方法中，
使直流电流从第二电极的第一部分经由发光区域流向第一电极来使层积结构体形成正偏状态，并且通过在第一电极和第二电极的第二部份之间施加电压来对可饱和吸收区域施加电场，由此使二分型半导体激光元件进行自脉动。
16.如权利要求14或15所述的二分型半导体激光元件的驱动方法，其中，
第二电极的宽度大于等于0.5μm并且小于等于50μm，
脊结构的高度大于等于0.1μm并且小于等于10μm，
将第二电极分离成第一部分和第二部分的分离槽的宽度大于等于1μm并且小于等于共振器长度的50％。
17.如权利要求14或15所述的二分型半导体激光元件的驱动方法，其中，
第二电极由钯单层、镍单层、铂单层、或者钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/铂层的层积结构、或者钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/镍层的层积结构来构成。
18.如权利要求14或15所述的二分型半导体激光元件的驱动方法，其中，
第二电极由钯单层构成。
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