CN102195232A - 锁模半导体激光器件及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锁模半导体激光器件及其驱动方法，所述锁模半导体激光器件包括：层压结构，其中，逐次地层压第一化合物半导体层、具有发光区域的第三化合物半导体层和第二化合物半导体层，以及第二电极和第一电极；其中，层压结构形成在具有极性的化合物半导体基板上，第三化合物半导体层包括具有势阱层和势垒层的量子阱结构，势阱层具有1nm以上且10nm以下的深度，势垒层具有2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下的掺杂浓度，以及使电流从第二电极经由层压结构流至第一电极，而在发光区域中生成光脉冲。

Description

锁模半导体激光器件及其驱动方法

技术领域

本发明涉及锁模半导体激光器件及其驱动方法。

背景技术

超短脉冲/超高输出激光器通过使用脉冲时间为阿秒(attosecond)和飞秒的激光，而被积极地用于先进科学领域中的研究。此外，由GaN类化合物半导体组成并且其发光波长在405nm波带中的高输出超短脉冲半导体激光器件期望为体积型光盘系统(期望为蓝线光盘系统之后的下一代光盘系统)的光源，并且其还期望为根据医学领域、生物成像领域等而需要的光源。

例如，作为超短激光/超高输出激光器，钛/蓝宝石激光器是已知的，但钛/蓝宝石激光器是非常昂贵的大固态激光源，其构成了抑制技术的广泛使用的主要因素。通过半导体激光器或半导体激光器件实现超短脉冲/超高输出激光器将引起明显的小型化、成本降低和高级稳定，并且被认为是促进超短脉冲/超高输出激光器在这些领域中广泛使用的突破。

另一方面，自20世纪60年代起就已经在通讯系统的领域中进行对半导体激光器件的较短脉冲的研究。增益切换、损耗切换(Q切换)和锁模均被认为是促使半导体激光器件生成较短脉冲的方法，并且这些方法通过将半导体激光器件和半导体放大器组合来实现较高的输出。锁模进一步被划分为主动锁模和被动锁模。为了基于主动锁模而生成光脉冲，通过使用反光镜和透镜来构成外部共振器，并且另外将无线电频率(RF)调制施加至半导体激光器件。另一方面，对于被动锁模，可以使用具有多电极结构的半导体激光器件而通过简单的DC驱动来生成光脉冲。

需要在半导体激光器件中设置发光区域和可饱和吸收区域，以引起半导体激光器件的自脉动操作。基于发光区域和可饱和吸收区域的配置状态，可以将半导体激光器件分为SAL(可饱和吸收体层)型或WI(弱折射率导引，weakly index guide)型以及包括对分型(bi-section type)的多电极型，在SAL型或WI型中，发光区域和可饱和吸收区域在垂直方向上配置，在多电极型中，发光区域和可饱和吸收区域在共振器方向上配置。已经从日本专利申请公开第2004-007002号、第2004-188678号和第2008-047692号中知道了对分型半导体激光器件。与SAL型半导体激光器件相比较，多电极型GaN基半导体激光器件具有更大的可饱和吸收的效果，并且被认为能够生成宽度更窄的光脉冲。

发明内容

顺便提及，当应用锁模时，已经确认了立方晶格(主要为GaAs类)半导体激光器件能够生成时间宽度为0.6皮秒的光脉冲(参见H.Yokoyama，et al：Appl.Phys.Lett.39(1981)525)。在2001年，通过使用六方晶格(主要为GaN类)半导体激光器件，S.Gee和他的同事报道了通过使用锁模来生成光脉冲(参见S.Gee和E.Bowers：Appl.Phys.Lett.79(2001)1951)。然而，根据S.Gee和E.Bowers：Appl.Phys.Lett.79(2001)1951，光脉冲的时间宽度为30皮秒，而该时间宽度太长。

如果通过使用具有极性的基板来制作多电极型半导体激光器件，更具体地，例如，如果在GaN基板的{0001}平面(C平面)上设置多电极型GaN基半导体激光器件，由于来源于压电极化或自发极化的内场所引起的QCS效应(量子限制斯塔克效应，quantum locked-in stark effect)，而导致电控制可饱和吸收变得困难。即，很清楚的是，在一些情况下，需要增加流至第一电极的DC电流的值和施加至可饱和吸收区域的反向偏置电压的值，来获得自脉动操作和锁模操作，伴随主脉冲的次脉冲成分出现，或者使外部信号和光脉冲同步变得困难。

因此，期望提供一种被构造为能够降低压电极化效应的锁模半导体激光器件以及该锁模半导体激光器件的驱动方法。

根据本发明的实施方式，提供了锁模半导体激光器件的驱动方法，该锁模半导体激光器件包括：

(a)层压结构，其中，逐次地层压第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层，第一化合物半导体层具有第一导电型并且由GaN类化合物半导体组成，第三化合物半导体层具有由GaN类化合物半导体组成的发光区域，以及第二化合物半导体层具有不同于第一半导体型的第二导电型并且由GaN类化合物半导体组成。

(b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上；以及

(c)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，

其中，该层压结构形成在具有极性的化合物半导体基板上，

第三化合物半导体层包括具有势阱层和势垒层的量子阱结构，

势阱层具有1nm以上且10nm以下的深度，

势垒层具有2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下的掺杂浓度，以及

使电流从第二电极经由该层压结构流至第一电极，而在发光区域中生成光脉冲。

在本发明的锁模半导体激光器件的驱动方法中，通过使电流从第二电极经由层压结构流至第一电极，而在发光区域中生成光脉冲。在本发明的锁模半导体激光器件中，通过从第二电极经由层压结构流至第一电极的电流，而在发光区域中产生(develop)光脉冲。

本发明中的锁模半导体激光器件或其驱动方法规定了组成第三化合物半导体层的势阱层具有1nm以上且10nm以下的厚度，此外，组成第三化合物半导体层的势垒层具有2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下的掺杂浓度。也就是，使势阱层的厚度较薄，并且还试图增加第三化合物半导体层中的载流子。结果，可以降低压电极化的影响，使得激光源能够生成时间宽度短并具有较少次脉冲成分的光脉冲，以建立或大或小的单峰值。此外，可以在低反向偏置电压下实现锁模驱动，并且可以生成与外部信号(电信号或光信号)同步的光脉冲序列。因此，例如，可以将锁模半导体激光器件应用于能够在体积型光盘系统中生成光脉冲的振荡器。

附图说明

图1是沿着实施例1的锁模半导体激光器件的共振器的延伸方向的示意性端面图；

图2是沿着与图1的锁模半导体激光器件的共振器的延伸方向垂直的方向的示意性截面图；

图3A是示意性地示出了通过由实施例1的锁模半导体激光器件构成外部共振器来执行锁模驱动的系统的示图；

图3B是示意性地示出了由实施例2的锁模半导体激光器件构成外部共振器来执行锁模驱动的系统的示图；

图4A是示意性地示出了由实施例2的锁模半导体激光器件构成外部共振器来执行锁模驱动的系统的示图；

图4B是示意性地示出了由实施例2的锁模半导体激光器件构成外部共振器来执行锁模驱动的系统的示图；

图4C是示意性地示出了通过使用实施例3的锁模半导体激光器件来执行锁模驱动的系统的示图；

图5是当从上方观看实施例4的锁模半导体激光器件中的脊部(ridgeportion)时的示意图；

图6A是示意性地示出了使用实施例5的锁模半导体激光器件来执行锁模驱动的系统的示图；

图6B是示意性地示出了使用实施例6的锁模半导体激光器件来执行锁模驱动的系统的示图；

图7是沿着实施例1的锁模半导体激光器件的修改例的共振器的延伸方向的示意性截面图；

图8是沿着实施例1的锁模半导体激光器件的另一修改例的共振器的延伸方向的示意性截面图；

图9是示意性地示出了用于评价实施例1的锁模半导体激光器件的自脉动操作的测量系统的示图；

图10A是示出了比较例1的注入电流和光学输出之间的关系(L-I特性)的反向偏置电压依赖性测量结果的曲线图；

图10B是示出了比较例1的注入电流和光学输出之间的关系(L-I特性)的反向偏置电压依赖性测量结果的曲线图；

图11A是示出了使用超高速扫描照相机来测量实施例1所生成的光脉冲的结果的曲线图；

图11B是示出了使用超高速扫描照相机来测量比较例1所生成的光脉冲的结果的曲线图；

图12是示出了测量实施例1的锁模半导体激光器件的第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻的值的结果的曲线图；

图13A是示出了测量实施例5的RF光谱的结果的曲线图；

图13B是示出了测量参考例5的RF光谱的结果的曲线图；

图14A为基板等的示意性部分截面图，以示出实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法；

图14B为基板等的示意性部分截面图，以示出实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法；

图15A是图14B的续，并且为基板等的示意性部分截面图，以示出实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法；

图15B是图14B的续，并且为基板等的示意性部分截面图，以示出实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法；以及

图16是图15B的续，并且是基板等的示意性部分截面图，以示出实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细地描述本发明的优选实施方式。注意，在该说明书和附图中，具有大体相同的功能和结构的结构性元件由相同的参考标号来表示，并且省略了对这些结构性元件的重复解释。

将按以下顺序来描述本发明：

1.包括锁模半导体激光器件及其驱动方法的本发明的概括描述

2.第一实施方式(本发明的锁模半导体激光器件及其驱动方法)

3.第二实施方式(第一实施方式的修改例)

4.第三实施方式(第一实施方式的另一修改例)

5.第四实施方式(第一实施方式的又一修改例)

6.第五实施方式(第一实施方式的又一修改例)

7.第六实施方式(第一实施方式的又一修改例)和其他实施方式

[第一实施方式(本发明中的锁模半导体激光器件及其驱动方法)]

本发明中的锁模半导体激光器件可以采用一种模式，其中

第三化合物半导体层还包括可饱和吸收区域，

第二电极通过分离槽被分为：第一部分，以使电流经由发光区域流至第一电极来建立正向偏压状态；以及第二部分，以将电场施加至可饱和吸收区域。

使电流从第二电极的第一部分经由发光区域流至第一电极来建立正向偏压状态，并且通过将电压施加至第一电极与第二电极的第二部分之间，而将电场施加至可饱和吸收区域。

期望采用一种将反向偏置电压施加至第一电极和第二部分之间的构造(即，其中将第一电极设置为正电极并将第二电极设置为负电极的构造)，可以将与施加至第二电极的第一部分的脉冲电流或脉冲电压同步的脉冲电流或脉冲电压施加至第二电极的第二部分，或者可以将DC偏压施加至第二电极的第二部分。

在包括上述优选模式或构造的本发明中的锁模半导体激光器件等中，期望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻的值为1×10²Ω以上，优选地，为1×10³Ω以上，更优选地，为1×10⁴Ω以上。可选地，期望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻的值为第二电极和第一电极之间的电阻的值的1×10倍以上，优选地，为1×10²倍以上，更优选地，为1×10³倍以上。

这里，通过采用第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻的值为1×10²Ω或者为第二电极和第一电极之间的电阻的值的10倍以上的模式，可以确保能抑制漏电流从第二电极的第一部分流至第二部分。即，可以增大注入发光区域(载流子注入区域、增益区域)中的电流，同时可以提高施加至可饱和吸收区域(载流子非注入区域)的反向偏置电压V_sa。结果，可以实现具有光脉冲(具有强峰值功率)的单模式自脉动操作。此外，可以仅通过分离槽将第二电极分为第一部分和第二部分，来实现第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻的这种较大值。即，仍可以更容易地实现利用锁模的光脉冲生成。

此外，在本发明中包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件等中，期望将第二电极分为第一部分和第二部分的分离槽的宽度为1μm以上，且为共振器长度的50％以下，优选地，为10μm以上且为共振器长度的10％以下。0.3mm可以示例为共振器长度，但其长度不限于此，在下面的描述中，共振器的长度被定义为X方向，并且层压结构的厚度的方向被定义为Z方向。可选地，可以采用可饱和吸收区域的长度小于发光区域的长度的构造。可选地，可以采用第二电极的长度(第一部分和第二部分的总长度)小于第三化合物半导体层的长度的构造。第二电极的第一部分和第二部分的配置状态包括(1)设置第二电极的两个第一部分和第二电极的一个第二部分的状态，第二部分的一个边缘与其间夹置一个分离槽的一个第一部分相对，并且第二部分的另一边缘与其间夹置另一分离槽的另一个第一部分相对(即，第二电极具有在第一部分之间夹置第二部分的结构)，(2)设置第二电极的一个第一部分和第二电极的一个第二部分并且将第二电极的第一部分和第二电极的第二部分配置为在其间夹置分离槽的状态，以及(3)设置第二电极的一个第一部分和第二电极的两个第二部分的状态，第一部分的一个边缘与其间夹置一个分离槽的一个第二部分相对，并且第一部分的另一边缘与其间夹置另一分离槽的另一第二部分相对，在其他的构造中，期望采用(1)的结构，更广泛地，第二电极的第一部分和第二部分的配置状态包括(4)设置第二电极的N个第一部分和第二电极的(N-1)个第二部分并将第二电极的第一部分配置为在其间夹置第二电极的第二部分的状态，以及(5)设置第二电极的N个第二部分和第二电极的(N-1)个第一部分并将第二电极的第二部分配置为在其间夹置第二电极的第一部分的状态。状态(4)和(5)也就是：(4′)设置N个发光区域[载流子注入区域，增益区域]和(N-1)个可饱和吸收区域[载流子非注入区域]并将发光区域配置为在其间夹置可饱和吸收区域的状态；以及(5′)设置N个可饱和吸收区域[载流子非注入区域]和(N-1)个发光区域[载流子注入区域，增益区域]并将可饱和吸收区域配置为在其间夹置发光区域的状态。通过采用(1)、(5)或(5′)的结构，可以使锁模半导体激光器件的光发光端面抵抗破损。

此外，在本发明的包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件的驱动方法中，可以采用以下模式，其中，电流从第二电极经由发光区域流至第一电极，并且外部电信号从第二电极经由发光区域而叠加在第一电极上。因此，可以使光脉冲和外部电信号同步。可选地，可以采用其中使光信号从一个端面进入层压结构的模式。因此，可以使光脉冲和光信号同步。

此外，在本发明的包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件等中，可以采用势垒层所掺杂的杂质为硅(Si)的构造，但该杂质不限于此，并且其可以为氧(O)。

此外，本发明中包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件等可以为具有脊条纹(ridge stripe)型分别限制异质结构(SCH结构)的半导体激光器件。可选地，本发明中包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件等可以为具有斜脊条型分别限制异质结构的半导体激光器件。期望脊结构的高度为0.1μm以上且10μm以下，优选地，为0.2μm以上且1μm以下，但该高度不限于这些实施例。2μm以下可以示例为脊结构的宽度，例如，0.8μm可以引用为脊结构的宽度，但该宽度不限于此。从第二化合物半导体层的顶面部(关于脊部的两侧面而位于外部)到第三化合物半导体层的距离(D)优选地为1.0×10^-7m(0.1μm)以上。通过以这种方式定义距离(D)，可饱和吸收区域可以可靠地形成在第三化合物半导体层的两侧(Y方向)上。可以基于阈值电流的上升、温度特性以及当驱动很长时间锁模半导体激光器件时的电流上升速率的衰减来确定距离(D)的上限。

例如，可以通过下面的方法来制造本发明中包括上述优选模式或构造的锁模半导体激光器件等。也就是，可以通过包括以下处理的制造方法来制造这种锁模半导体激光器件：

(A)在形成层压结构之后，该层压结构是通过在基板上逐次地堆叠第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层而形成的，其中，第一化合物半导体层具有第一导电型并由GaN类化合物组成，第三化合物半导体层构成由GaN类化合物组成的发光区域和可饱和吸收区域，以及第二化合物半导体层具有不同于第一导电型的第二导电型并由GaN类化合物组成，

(B)在第二化合物半导体层上形成带状的第二电极，然后

(C)在使用第二电极作为蚀刻掩模而通过蚀刻第二化合物半导体层的至少一部分来形成脊结构之后，

(D)接下来，形成用于在第二电极中形成分离槽的抗蚀剂层，使用该抗蚀剂层作为湿蚀刻掩模而通过湿蚀刻来形成分离槽，以通过该分离槽将第二电极分为第一部分和第二部分。

通过采用这种制造方法，即，使用带状的第二电极作为蚀刻掩模，而通过蚀刻第二化合物半导体层的至少一部分来形成脊结构，即，使用图案化的第二电极作为蚀刻掩模而通过自对准来形成脊结构，因此，将不会误对准第二电极和脊结构。通过湿蚀刻而在第二电极中形成分离槽。与干蚀刻相比较，通过采用这种方式的湿蚀刻，可以抑制光学特性和电学特性的恶化。因此，可以可靠地防止发光特性恶化。

在处理(C)中，可以在厚度方向上部分地蚀刻第二化合物半导体层，可以在厚度方向上整体地蚀刻第二化合物半导体层，可以在厚度方向上蚀刻第二化合物半导体层和第三化合物半导体层，或者可以在厚度方向上部分地蚀刻第二化合物半导体层和第三化合物半导体层并且进一步蚀刻第一化合物半导体层。

此外，在处理(D)中，如果在第二电极中形成分离槽时第二电极的蚀刻速率为ER₀，并且层压结构的蚀刻速率为ER₁，则期望满足ER₀/ER₁≥1×10，优选地，为ER₀/ER₁≥1×10²。通过由ER₀/ER₁所满足的这种关系式，可以在不蚀刻层压结构的情况下(或者仅稍微地蚀刻)来可靠地蚀刻第二电极。

在本发明的锁模半导体激光器件等中，可以采用以下模式，其中，第二电极由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、钯层/铂层的层压结构(其中，钯层与第二化合物半导体层相接触)或者钯层/镍层的层压结构(其中，钯层与第二化合物半导体层相接触)组成。如果下部金属层由钯组成，并且上部金属层由镍组成，则期望上部金属层的厚度为0.1μm以上，优选地，为0.2μm以上。可选地，通过钯(Pd)单层来构成第二电极是优选的，并且在这种情况下，期望其厚度为20nm以上，优选地为50nm以上。可选地，通过钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、下部金属层和上部金属层的层压结构(其中，下部金属层与第二化合物半导体层相接触)(下部金属层由选自钯、镍和铂的群组的一种金属组成，上部金属层由当在处理(D)中在第二电极中形成分离槽时的其蚀刻速率等于、等同于或高于下部金属层的蚀刻速率的金属组成)来构成第二电极是优选的。还期望用于在处理(D)中在第二电极中形成分离槽的蚀刻剂为王水、硝酸、硫磺酸、盐酸或者这些酸的至少两种的混合溶液(更具体地，硝酸和硫磺酸的混合溶液，或者硫磺酸和盐酸的混合溶液)。期望第二电极的宽度为0.5μm以上且50μm以下，优选地，为1μm以上且5μm以下。

在本发明的包括上述优选构造或模式的锁模半导体激光器件等中，更具体地，层压结构可以更具体地由AlGaInN类化合物半导体组成。更具体地，GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN可以引用为AlGaInN类化合物半导体。此外，根据需要，这些化合物半导体可以包含硼(B)原子、钛(Ti)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。构成发光区域(增益区域)和可饱和吸收区域的第三化合物半导体层(第三化合物半导体层可以被称作“活性层”)具有量子阱结构。更具体地，第三化合物半导体层可以具有单量子阱结构[QW结构]或多量子阱结构[MQW结构]。具有量子阱结构的第三化作为合物半导体层具有在其中层压至少一个势阱层和一个势垒层被的结构，并且作为(构成势阱层的化合物半导体、构成势垒层的化合物半导体)的组合物，可以示例出(In_yGa_(1-y)N，GaN)、(In_yGa_(1-y)N，In_zGa_(1-z)N)[其中，y＞z]以及(In_yGa_(1-y)N，AlGaN)。

此外，在本发明中包括上述优选构造或模式的锁模半导体激光器件等中，第二化合物半导体层可以具有超晶格结构(其中，交替地层压p型GaN层和p型AlGaN层并且其厚度为0.7μm以下)的结构。通过采用这种超晶格结构，可以在保持镀层所需要的高折射率的同时，来降低半导体激光器件的串联电阻成分，从而引起半导体激光器件的低电压操作。例如，0.3μm可以引用为超晶格结构的厚度的下限，尽管该厚度不限于此，但1nm至5nm可以示例为构成超晶格结构的p型GaN层的厚度，1nm至5nm可以示例为构成超晶格结构的p型AlGaN层的厚度，并且60层至300层可以示例为p型GaN层和p型AlGaN层的总层数。第三化合物半导体层至第二电极的距离可以被构造为1μm以下，优选地，为0.6μm以下。通过以这种方式定义第三化合物半导体层至第二电极的距离，可以使具有高电阻的p型第二化合物半导体层更薄，以实现半导体激光器件的低操作电压。例如，尽管该距离不限于此，但0.3μm可以引用为第三化合物半导体层至第二电极的距离的下限。第二化合物半导体层可以被构造为掺杂有1×10¹⁹cm^-3以上的Mg，使得来自第三化合物半导体层的光(其波长为405nm)的吸收系数关于第二化合物半导体层为至少50cm^-1。Mg的这种原子浓度源于当浓度值为2×10¹⁹cm^-3时来表示最大空穴浓度的材料特性，并且其为实现最大空穴浓度的设计结果，即，将第二化合物半导体层的特定电阻最小化。第二化合物半导体层的吸收系数尽可能地根据减小半导体激光器件的电阻的立场来定义，结果，第三化合物半导体层的吸收系数通常变为50cm^-1。然而，可以有意识地将掺杂的Mg的数量设定为2×10¹⁹cm^-3以上，以增大该吸收系数。在这种情况下，用于获得实际空穴浓度的所掺杂的Mg的数量的上限例如为8×10¹⁹cm^-3。第二化合物半导体层从第三化合物半导体侧具有非掺杂化合物半导体层和p型化合物半导体层，并且第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离可以被构造为1.2×10^-7m以下。通过以这种方式定义从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离，可以将内部损耗抑制在一范围内，在该范围内，内部量子效率不会下降。因此，可以减小起动激光器振荡的阈值电流I_th。例如，尽管第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离不限于此，但5×10^-8m可以引用为该距离的下限。由SiO₂/Si层压结构组成的层压介电膜形成在脊部的两侧面上，并且脊部和层压介电膜的有效折射率之间的差可以被构造为5×10^-3至1×10^-2，通过使用这种层压介电膜，即使对于超过100mW的高输出操作，也可以保持单基横向模式。第二化合物半导体层可以具有以下结构，其中，例如，从第三化合物半导体层侧来层压非掺杂GaInN层(p侧光导层)、非掺杂AlGaN层(p侧镀层)、掺Mg的AlGaN层(电子势垒层)、GaN层(掺Mg)/AlGaN层(超晶格镀层)的超晶格结构以及掺Mg的GaN层(p侧接触层)。期望构成第三化合物半导体层中的势阱层的化合物半导体的带隙为2.4eV以上。还期望从第三化合物半导体层发出的激光的波长为360nm至500nm，优选地为400nm至410nm。不用多说，可以适当地组合上述各种构造。

如上所述，在第二化合物半导体层中，非掺杂化合物半导体层(例如，非掺杂GaInN层或非掺杂AlGaN层)可以形成在第三化合物半导体层和电子势垒层之间。此外，作为光导层的非掺杂GaInN层可以形成在第三化合物半导体层和非掺杂化合物半导体层之间。第二化合物半导体层还可以为其顶层由掺Mg的GaN层(p侧接触层)所占据的结构。

构成本发明中的锁模半导体激光器件等的各种GaN类化合物半导体层逐次形成在基板上，并且除超晶格基板以外，GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化铝基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO₂基板、MgAl₂O₄基板、InP基板、Si基板以及通过在这些基板中的一个的表面(主平面)上形成基础层或缓冲层而获得基板均可以被引用为基板。当在基板上主要形成GaN类化合物半导体层时，由于低缺陷浓度，因此GaN基板是优选的，但GaN基板被认为根据生长表面而改变极性/非极性/中极性的特性。构成本发明中的锁模半导体激光器件等的各种GaN类化合物半导体层的形成方法包括金属组织化学汽相沉积(MOCVD，MOVPE)、分子束外延(MBE)以及卤素有助于传输或反应的氢化物汽相沉积。

三甲基镓(TMG)气体和三乙基镓(TEG)气体可以被引用为MOCVD的有机镓源气体，并且氨气和联氨气体可以被引用为氮源气体。例如，可以添加硅(Si)作为用于形成具有n型导电型的GaN类化合物半导体层的n型杂质(n型掺杂剂)，并且例如，可以添加镁(Mg)作为用于形成具有p型导电型的GaN类化合物半导体层的p型杂质(p型掺杂剂)。如果包含铝(Al)或铟(In)作为GaN类化合物半导体层的组成原子，则可以使用三甲基铝(TMA)气体作为Al源，而使用三甲基铟(TMI)气体作为In源。此外，可以使用单硅烷气体(SiH₄气体)作为Si源，并且可以使用溴化环戊二烯基镁气体、甲基环戊二烯基镁或者双环戊二烯镁(Cp₂Mg)作为Mg源。除作为n型杂质的Si以外，可以引用Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd和Po，并且除去作为p型杂质的Mg以外，可以引用Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg以及Sr。

如果第一导电型为n型，则期望电连接至具有n型导电型的第一化合物半导体层的第一电极具有单层构造或多层构造，该单层构造或多层构造包含从由金(Au)、银(Ag)、(钯)Pd、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)组成的群组中选择的至少一种金属，例如，可以示例Ti/Au、Ti/Al和Ti/Pt/Au。第一电极电连接至第一化合物半导体层，并且这包括了在第一化合物半导体层上形成第一电极的模式和第一电极经由导电材料层或导电基板而连接至第一化合物半导体层的模式。例如，第一电极和第二电极可以通过真空蒸发方法或诸如溅射方法的PVD来形成。

电连接至外部电极或外部电路的垫片电极(pad electrode)可以设置在第一电极或第二电极上。期望该垫片电极具有单层构造或多层构造，其中，该单层构造或多层构造包含从由钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和镍(Ni)组成的群组中选择的至少一种金属。可选地，垫片电极可以具有由Ti/Pt/Au多层构造或Ti/Au多层构造所示例的多层构造。

本发明中的锁模半导体激光器件等可以另外采用一种在其中设置外部反射器的模式，即，锁模半导体激光器件可以被做成外部共振器型的锁模半导体激光器件。可选地，锁模半导体激光器件可以被做成单片集成型锁模半导体激光器件。外部共振器型的锁模半导体激光器件可以为会聚型或准直仪型。在外部共振器型的锁模半导体激光器件中，在层压结构的一个端面(从中发光光脉冲)上的光学反射率优选地为0.5％以下。光学反射率的这个值为明显小于在现有技术中的半导体激光器件中的层压结构的一个端面(从中发光光脉冲)上的光学反射率(通常，为5％至10％)的值。在外部共振器型的锁模半导体激光器件中，期望外部共振器的长度值(X′，单位：mm)为0＜X′＜1500，优选地，为30≤X′≤150。

本发明中的锁模半导体激光器件或其驱动方法可以应用于诸如光盘系统、通信领域、光学信息领域、光电集成电路领域、其中应用非线性光学现象的领域、光学开关、激光器测量领域以及各种分析领域、超高分光镜领域、多光子激发分光镜领域、质谱学领域、使用多光子吸收的显微光谱学领域、化学反应的量子控制、纳米三维处理领域、使用多光子吸收的各种处理领域、医学领域以及生物成像领域。

[实施例1]

实施例1涉及本发明中的锁模半导体激光器件及其驱动方法。图1示出了沿着实施例1的锁模半导体激光器件的共振器的延伸方向的示意性端面图(关于XZ平面切开时的示意性端面图)，而图2示出了沿着与实施例1的锁模半导体激光器件的共振器的延伸方向相垂直的方向的示意性截面图(关于YZ平面切开时的示意性截面图)。图1是沿着图2中的箭头I-I的示意性端面图，图2是沿着图1中的箭头П-П的示意性截面图。图3示意性地示出了通过构成来自实施例1的锁模半导体激光器件的外部共振器来执行锁模驱动的系统。

实施例1的锁模半导体激光器件10(其发光波长在405nm波带中)包括：

(a)层压结构，其中，逐次层压第一化合物半导体层30、第三化合物半导体层(活性层)40和第二化合物半导体层50，第一化合物半导体层具有第一导电型(更具体地，为实施例1的n型导电型)并由GaN类化合物半导体组成，第三化合物半导体层具有由GaN类化合物半导体组成的发光区域(增益区域)41，第二化合物半导体层具有不同于第一导电型的第二导电型(更具体地，实施例1的p型导电型)并由GaN类化合物半导体组成。

(b)带状第二电极62，形成在第二化合物半导体层50上，以及

(c)第一电极61，电连接至第一化合物半导体层30。

第三化合物半导体层40还包括可饱和吸收区域42。第二电极62通过分离槽62C而被分为第一部分62A和第二部分62B，第一部分通过使电流经由发光区域41流至第一电极61而建立正向偏压状态，第二部分将电场施加至可饱和吸收区域42。接下来，通过使电流从第二电极62的第一部分62A经由发光区域41流至第一电极61来建立正向偏压状态，并且通过将电压施加在第一电极61和第二电极62的第二部分62B之间，而将电场施加至可饱和吸收区域42。

层压结构形成在具有极性的化合物半导体基板21上。第三化合物半导体层40具有包括势阱层和势垒层的量子阱结构，势阱层的厚度为1nm以上且10nm以下，势垒层中的杂质的掺杂浓度(更具体地，为硅Si)为2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰m^-3以下。根据实施例1的锁模半导体激光器件的驱动方法，使电流从第二电极62经由层压结构流至第一电极61，而在发光区域41中生成光脉冲。在实施例1的锁模半导体激光器件中，通过从第二电极62经由层压结构流至第一电极61的电流，而在发光区域41中产生光脉冲。

实施例1的锁模半导体激光器件10具体地为具有脊型分别限制异质结构(SCH结构)的半导体激光器件。更具体地，锁模半导体激光器件10为由折射率导引(index guide)型AlGaInN(针对蓝线光盘系统而开发)组成的GaN基半导体激光器件，并且其具有线性脊结构(脊条纹结构)。锁模半导体激光器件10设置在n型GaN基板21的(0001)平面上，并且第三化合物半导体层40具有量子阱结构。n型GaN基板21的(0001)平面也被称作“C平面”，并且其为具有极性的晶面。第一化合物半导体层30、第三化合物半导体层40和第二化合物半导体层50具体地由AlGaInN类化合物半导体组成，并且更具体地，具有以下表1中所示的层结构。

在表1中，描述的化合物半导体层越低，则该层越接近于n型GaN基板21。构成第三化合物半导体层40中的势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(掺Mg)55

p型GaN(掺Mg)/AlGaN超晶格镀层54

p型AlGaN电子势垒层(掺Mg)53

非掺杂AlGaN镀层52

非掺杂GaInN光导层51

第三化合物半导体层40

GaInN量子阱活性层

(势阱层：Ga_0.92In_0.08N/势垒层：Ga_0.98In_0.02N)

第一化合物半导体层30

n型FaN镀层32

n型AlGaN镀层31

其中，

势阱层(两层)：8nm[非掺杂]

势垒层(三层)：10nm[掺杂浓度(Si)：2×10¹⁸cm^-3]

通过RIE方法去除p型GaN接触层55和p型GaN/AlGaN超晶格镀层54的一部分来形成脊结构(脊部56)。由SiO₂/Si组成的层压介电膜57形成在脊部56的两侧上。SiO₂层为下层，Si层为上层。脊部56和层压介电膜57的有效折射率之间的差为5×10^-3至1×10^-2，具体地，为7×10^-3。第二电极(p侧欧姆电极)62形成在对应于脊部56的顶面的p型GaN接触层55上。另一方面，由Ti/Pt/Au组成的第一电极(n侧欧姆电极)61形成在n型GaN基板21的背侧上。更具体地，层压介电膜57形成为SiO₂/Si层压结构，并且该脊结构的宽度被设定为1.5μm。

在实施例1的锁模半导体激光器件10中，可以将内部损耗抑制在一个范围中，在该范围中，通过尽可能防止p型AlGaN电子势垒层53、p型GaN/AlGaN超晶格镀层54和p型GaN接触层55(它们均为掺Mg的化合物半导体层)与在第三化合物半导体层40及其附近中产生的光浓度分布相重叠，而不会降低内部量子效率。因此，减小了起动激光器振荡的阈值电流I_th。此外，当通过使从第三化合物半导体层40至p型AlGaN电子势垒层53的距离d的值变得更大来降低内部损耗α_i时，已经揭示出如果距离d的值达到一特定值或超过该特定值，则空穴至势阱层的注入效率下降，结果，电子/空穴在第三化合物半导体层40中的再结合的概率下降，这降低了内部量子效率η_i。因此，第三化合物半导体层40至p型AlGaN电子势垒层53的距离d被设定为0.10μm，脊部(脊结构)的高度被设定为0.30μm。定位在第二电极62和第三化合物半导体层40之间的第二化合物半导体层50的厚度被设定为0.50μm，并且定位在第二电极62下方的p型GaN/AlGaN超晶格镀层54的一部分的厚度被设定为0.40μm。“电子势垒层53和第三化合物半导体层40”之间的距离(d)指的是电子势垒层53面向第三化合物半导体层40的部分(边界表面)和第三化合物半导体层40面向电子势垒层53的部分(边界表面)之间的距离。

如上所述，在实施例1的锁模半导体激光器件10中，第二电极62通过分离槽62C而被分为：第一部分62A，以通过使DC电流(正向偏压电流I_gain)经由发光区域(增益区域)41流至第一电极61来建立正向偏压状态；第二部分62B，将电场施加至可饱和吸收区域42(将反向偏置电压V_sa施加至可饱和吸收区域42的第二部分62B)。第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的值(也可以被称作分离电阻值)为第二电极62和第一电极61之间的电阻的值的1×10倍以上，具体地，为1.5×10³倍。第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的值(分离电阻值)为1×10²Ω以上，具体地，为1.5×10³Ω。

顺便提及，需要在第二化合物半导体层50上形成分离电阻值为1×10²Ω以上的第二电极62。在GaN类化合物激光器件中，与现有技术中的GaAs基半导体激光器件相比，具有p型导电型的化合物半导体中的迁移率较小，因此，可以使得第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的值为第二电极62和第一电极61之间的电阻的值的1×10倍以上，或者可以通过分离槽62C分离形成在第二化合物半导体层50上的第二电极62(而无需增大具有离子注入的p型导电型的第二化合物半导体层50的电阻)，使第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的值为1×10²Ω以上。

在实施例1中，第二电极62由厚度为0.1μm的Pd单层构成。而且在实施例1中，将第二电极62分为第一部分62A和第二部分62B的分离槽62C的宽度为1μm以上并为共振器长度的50％以下。可选地，可饱和吸收区域42的长度短于发光区域41的长度。可选地，第二电极62的长度(第一部分和第二部分的总长度)短于第三化合物半导体层40的长度。更具体地，共振器长度“X”被设定为0.60mm，第二电极62的第一部分62A的长度被设定为0.52mm，第二部分的长度被设定为0.06mm，并且分离槽62C的宽度被设定为0.02mm。

具有超晶格结构(其中，交替地层压p型GaN层和p型AlGaN层)的p型GaN/AlGaN超晶格镀层54的厚度被设定为0.7μm以下，具体地为0.4μm，构成超晶格结构的p型GaN层的厚度被设定为2.5nm，构成超晶格结构的p型AlGaN层被设定为2.5nm，并且p型GaN和p型AlGaN层的总层数被设定为160层。第三化合物半导体层40至第二电极62的距离为1μm以下，具体地为0.5μm。此外，构成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子势垒层53、p型GaN/AlGaN超晶格镀层54和p型GaN接触层55均掺杂有1×10¹⁹cm^-3以上的Mg(具体地为2×10¹⁹cm^-3)，并且光(波长为405nm)关于第二化合物半导体层50的吸收系数为至少50cm^-1，具体地为65cm^-1。第二化合物半导体层50从第三化合物半导体层40侧包括非掺杂化合物半导体层(非掺杂GaInN光导层51和非掺杂AlGaN镀层52)和p型化合物半导体层，并且第三化合物半导体层40至p型化合物半导体层(具体地，为p型AlGaN电子势垒层53)的距离(d)为1.2×10^-7m以下，具体地，为100nm。

而且，还制作了比较例1的锁模半导体激光器件，并且在比较例1的锁模半导体激光器件中，第三化合物半导体层40在表1中所示的层系统中的构造如以下的表2所示：

[表2]

实施例1              比较例1

势阱层                8nm                10.5nm

势垒层                12nm               14nm

势阱层中的掺杂浓度    非掺杂             非掺杂

势垒层中的掺杂浓度    Si：2×10¹⁸cm^-3    非掺杂

在实施例1中，势阱层的厚度为8nm，势垒层掺杂有2×10¹⁸cm^-3的Si，以减轻第三化合物半导体层内的QCS效应。另一方面，在比较例1中，势阱层的厚度为10.5nm，势垒层未掺杂有任何杂质。

图9示出了用于评价实施例1的锁模半导体激光器件10的自脉动操作的测量系统。在测量中，将常量DC电压V_sa施加至可饱和吸收区域42，以使DC弱电流(电压V_gain)流至发光区域(增益区域)41。也就是，将负常量DC电压V_sa施加至第二电极62的第二部分62B，以使DC弱电流从第二电极62的第一部分62A流至第一电极61。然后，通过透镜来校准从锁模半导体激光器件10发光的激光，并使这些激光通过光隔离器(optical insulator)，接下来，通过透镜使这些激光与单模光纤(single modefiber)相结合，以通过使用光电探测器、电光谱分析仪、光谱分析仪和超高速扫描照相机评价来自单模光纤的光。

然后，会聚型的外部共振器由实施例1和比较例1的锁模半导体激光器件构成，以执行锁模驱动(参见图3A)。在图3A中所示的会聚型外部共振器中，外部共振器由锁模半导体激光器件(其中，在可饱和吸收区域的一侧上形成有高反射涂层(HR))的端面和外反射镜构成，并且从外反射镜提取光脉冲。抗反射涂层(AR)形成在锁模半导体激光器件在发光区域(增益区域)一侧的端面(发光端面)上。主要地，带通滤光片被用作滤光器，该滤光器被插入为控制激光器的振荡波长。脉冲序列的重复频率f由外部共振器长度X′来确定并由下面的公式来表达，其中，c为光速，n为波导的折射率。F＝c/(2n·X′)。

锁模由施加至发光区域41的DC电流和施加至可饱和吸收区域42的反向偏置电压V_sa来确定。图10A和图10B示出了实施例1和比较例1的注入电流和光学输出之间的关系(L-I特性)的反向偏置电压依赖性测量结果。在图10A和图10B中，附于“A”的测量结果为反向偏置电压V_sa＝0V的结果，附于“B”的测量结果为反向偏置电压V_sa＝-3V的结果，附于“C”的测量结果为反向偏置电压V_sa＝-6V的结果，并且附于“D”的测量结果为反向偏置电压V_sa＝-9V的结果。在图10A中，反向偏置电压V_sa＝0V的测量结果和反向偏置电压V_sa＝-3V的测量结果几乎重叠。

图10A和图10B的比较显示出了开始激光器振动的阈值电流I_th随着比较例1中的反向偏置电压V_sa的增大而逐渐上升，此外，与实施例1相比较，变化发生在低反向偏置电压V_sa。这表示由反向偏置电压V_sa电控制的可饱和吸收的效果好于实施例1的第三化合物半导体层40。

图11A和图11B示出了通过超高速扫描照相机而在实施例1和比较例1中生成的光脉冲的测量的结果。当从比较例1获得图11B中的主脉冲之前或之后而生成次脉冲成分时，在从实施例1获得的图11A中抑制了次脉冲成分的生成。这些结果均被认为是由可饱和吸收的效果通过缓和QCS效应(由第三化合物半导体层40的构造引起)来提高的事实产生。

在以下表3中示例出图3A中所示的实施例1的锁模半导体激光器件的驱动条件等。I_th为阈值电流。

[表3]

[锁模驱动条件]

0＜I_gain/I_th≤5

-20≤V_sa(伏特)≤0

[高反射涂层(HR)]

85≤反射率R_HR(％)＜100

[抗反射涂层(AR)]

0＜反射率R_AR(％)≤0.5

[滤光器]

85≤透射率T_BPF(％)＜100

0＜半宽τ_BPF(nm)≤2.0

400＜峰值波长λ_BPF(nm)≤450

[外反射镜]

0＜反射率R_OC(％)＜100

[外部共振器长度X′]

0＜X′(mm)＜15

更具体地，作为实例，针对实施例1进行了以下设置：

I_gain＝120mA

I_th＝45mA

反向偏置电压V_sa＝-11(V)

反射率R_HR＝95(％)

反射率R_AR＝0.3(％)

透射率T_BPF＝90(％)

半宽τ_BPF＝1nm

峰值波长λ_BPF＝410nm

反射率R_OC＝20％

外部共振器长度X′＝150mm

对于比较例1，例如，进行了以下设置：

I_gain＝95mA

I_th＝50mA

反向偏置电压V_sa＝-12.5(V)。其他的数据设置与实施例1中的数据设置相同。

将参考图14A、图14B、图15A、图15B和图16来描述实施例1的锁模半导体激光器件的制造方法。图14A、图14B、图15A和图15B是沿YZ平面来切取基板等时的示意性部分截面图。图16是沿XZ平面来切取基板等时的示意性部分截面图。

第二电极62所需要的特性如下：(1)当蚀刻第二化合物半导体层50时具有作为蚀刻掩模的作用。(2)在不引起第二化合物半导体层50的光学或电学特性恶化的情况下，第二电极62是可湿蚀刻的。(3)当在第二化合物半导体层50上形成膜时，该膜的接触电阻率的值为10^-2Ωcm²以下。(4)如果采用层压结构，构成下部金属层的材料具有较大的功函数、关于第二化合物半导体层50具有的接触电阻率的较小值，并且该材料是可湿蚀刻的。(5)如果采用层压结构，构成上部金属层的材料在形成脊结构时对蚀刻有抗性，并且该材料也是可湿蚀刻的。

[处理-100]

首先，基于已知的MOCVD方法而在基板(具体地，n型GaN基板21的(0001)平面)上形成层压结构(参见图14A)，其中，逐次地层压第一化合物半导体层30、第三化合物半导体层(活性层)40和第二化合物半导体层50，第一化合物半导体层具有第一导电型(n型导电型)并由GaN类化合物半导体组成，第三化合物半导体层构成由GaN类化合物半导体组成的发光区域(增益区域)41和可饱和吸收区域42，并且第二化合物半导体层具有不同于第一导电型的第二导电型(p型导电型)并且由GaN类化合物半导体组成。

[处理-110]

随后，在第二化合物半导体层50上形成带状的第二电极62。更具体地，在基于真空蒸发方法在整个第二化合物半导体层50上形成Pd层63之后(参见图14B)，基于光刻技术而在Pd层63上形成用于蚀刻为带状的抗蚀剂层。然后，在使用王水去除未覆盖有用于蚀刻的抗蚀剂层的Pd层63之后，去除用于蚀刻的抗蚀剂层。以这种方式，可以获得图15A中所示的结构。顺便提及，可以基于起离方法(lift-off method)而在第二化合物半导体层50上形成带状的第二电极。

[处理-120]

接下来，使用第二电极62作为蚀刻掩模而通过蚀刻第二化合物半导体层50的至少一部分(在实施例1中，通过蚀刻第二化合物半导体层50的一部分)来形成脊结构。更具体地，利用Cl₂气基于RIE方法而使用第二电极62作为蚀刻掩模，来蚀刻第二化合物半导体层50的一部分。以这种方式，可以获得图15B中所示的结构。因此，使用被图案化为带状的第二电极62作为蚀刻掩模而通过自对准来形成脊结构，因此，将不会误校准第二电极62和脊结构。

[处理-130]

随后，形成用于在第二电极62中形成分离槽的抗蚀剂层64(参见图16)。参考标号65为设置在抗蚀剂层64中以形成分离槽的开口。接下来，使用抗蚀剂层64作为湿蚀刻掩模通过湿蚀刻而在第二电极62中形成分离槽62C，以通过分离槽62C而将第二电极62分为第一部分62A和第二部分62B。更具体地，将王水用作蚀刻剂，并且通过将整个第二电极62在王水中浸透约10秒，而在第二电极62中形成分离槽62C。接下来，随后去除抗蚀剂层64。以这种方式，可以获得图1和图2中所示的结构，因此，与干蚀刻相比，通过采用湿蚀刻没有使第二化合物半导体层50的光学或电学特性恶化。因此，不会使锁模半导体激光器件的发光特性恶化。如果采用干蚀刻，第二化合物半导体层50的内部损耗α_i增大，这可能导致阈值电压的上升或光学输出的降低。如果第二电极62的蚀刻速率为ER₀，并且层压结构的蚀刻速率为ER₁，则获得了“ER₀/ER₁≈1×10²”。因此，具有第二电极62和第二化合物半导体层50之间的高蚀刻选择比，因此，可以在不蚀刻层压结构的情况下(或者仅稍微地蚀刻)来可靠地蚀刻第二电极62。

[处理-140]

随后，形成n侧电极61，并且劈开基板，并进一步进行封装以生产锁模半导体激光器件10。

通常，可以通过使用构成半导体层的材料的电阻率ρ的值、半导体层的长度X₀(m)、半导体层的截面S(m²)、载流子浓度n(cm^-3)、电荷e的数量(C)以及迁移率μ(m²/Vs)，来表示如下所示的半导体层的电阻R(Ω)：

R＝(ρ·X₀)/S

＝X₀/(n·e·μ·S)

当与p型GaAs类化合物相比较时，p型GaN类化合物的迁移率小了两个数量级以上，这可以增大电阻值。因此，从以上公式而清楚的是，具有截面较小(诸如，宽度为1.5μm并且高度为0.35μm)的脊结构的半导体激光器件的电阻值将会很大。

图12示出了根据四端子方法来测量所生产的实施例1的锁模半导体激光器件10的第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻值的结果。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。

在所生产的实施例1的锁模半导体激光器件10中，通过使DC电流从第二电极62的第一部分62A经由发光区域41流至第一电极61，来建立正向偏压状态，并且通过将反向偏置电压V_sa施加在第二电极62的第一电极61和第二部分62B之间，而将电场施加至可饱和吸收区域42。

此外，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的值是第二电极62和第一电极61之间的电阻的值的10倍以上，或者为1×10²Ω以上。因此，可以可靠地抑制漏电流从第二电极62的第一部分62A到第二部分62B的流动，结果，可以将发光区域41置入正向偏压状态，此外，可以使可饱和吸收区域42可靠地进入反向偏压状态，以便可以可靠地引起单模自脉动操作和锁模操作。

[实施例2]

实施例2是实施例1的修改例。图3B、图4A和图4B示出了外部共振器由实施例2的锁模半导体激光器件构成的实例。

而且，在图3B中所示的振荡型外部共振器中，外部共振器由锁模半导体激光器件(其中，在可饱和吸收区域一侧形成高反射涂层(HR))的端面和外反射镜构成，并从外反射镜提取光脉冲。抗反射涂层(AR)形成在锁模半导体激光器件在发光区域(增益区域)一侧的端面(发光端面)上。可以针对图3B中所示的实施例2的锁模半导体激光器件来设定与上文表3中所示的驱动条件相同的驱动条件等。

另一方面，在图4A和图4B中所示的外部共振器中，外部共振器由锁模半导体激光器件(其中，在可饱和吸收区域的一侧上形成发光涂层(R))的端面(发光端面)和外反射镜构成，并且从可饱和吸收区域42提取光脉冲。抗反射涂层(AR)形成在锁模半导体激光器件在发光区域(增益区域)一侧的端面上。图4A中所示的实例为会聚型，图4B中所示的实例为准直仪型。可以针对图4A和图4B中所示的实施例2的锁模半导体激光器件来设置与上文表3中所示的驱动条件相同的驱动条件等。然而，可以如下面的表4中来设置反射涂层(R)。

[表4]

[反射涂层(R)]

0＜反射率R_R(％)＜100

更具体地，将反射率设定为R_R＝20％。可以采用与实施例2中的锁模半导体激光器件的构造和结构相同的实施例1中的锁模半导体激光器件等的构造和结构，因此，不再重复其详细的描述。

[实施例3]

实施例3也为实施例1的修改例，并且在实施例3中，如图4C所示，锁模半导体激光器为单片集成型。可以针对实施例3的锁模半导体激光器件来设定与上文表3所示的驱动条件相同的驱动条件等。可以采用与实施例3中的锁模半导体激光器件的构造和结构相同的实施例1的锁模半导体激光器件等的构造和结构，因此，不再重复其详细的描述。

[实施例4]

实施例4也是实施例1的修改例，并且实施例4的锁模半导体激光器件为斜脊条型的分别限制异质结构(具有斜波导)的锁模半导体激光器件。图5示出了从上方观看实施例4的锁模半导体激光器件中的脊部156时的示意图。实施例4的锁模半导体激光器件具有以下结构，其中，两个线性脊部相结合，并且两个脊部交错处的角度值θ为0＜θ≤10(度)，优选地为0＜θ≤6(度)。通过采用该斜脊条型的锁模半导体激光器件，可以使具有抗反射涂覆的端面的反射率更接近于理想值0％，结果，可以防止生成在半导体激光器内部旋转的光脉冲，使得可以有利地抑制伴随主光脉冲的次光脉冲的生成。可以将实施例4的斜脊条型的锁模半导体激光器件应用于实施例1至实施例3。可以采用与实施例4中的锁模半导体激光器件的构造和结构相同的实施例1的锁模半导体激光器件等的构造和结构，因此，不再重复其详细的描述。

[实施例5]

实施例5也是实施例1的修改例，并且在实施例5中，电流从第二电极62经由发光区域41而流至第一电极61，而且，外部电信号(RMS抖动Δ_signal)从第二电极62经由发光区域41而叠加在第一电极61上。图6A示意性地示出了使用实施例5的锁模半导体激光器件来执行锁模驱动的系统。外部电信号从已知的外部电信号发生器被发送至第二电极62。因此，可以使光脉冲和外部电信号同步。也就是，可以将RMS定时抖动Δt_MLLD抑制在下面的水平。Δ_signal≤Δt_MLLD

可以针对图6A中所示的实施例5的锁模半导体激光器件来设定与以上表3中所示的驱动条件相同的驱动条件等。期望外部电信号的最大电压值V_p-p(单位：伏特)满足0＜V_p-p≤10，优选地为0＜V_p-p≤3，还期望外部电信号的频率f_signal和光脉冲序列的重复频率f_MLLD满足0.99≤f_signal/f_MLLD≤1.01。

更具体地，作为实例，针对实施例5进行了下面的设置：

I_gain＝120mA

I_th＝45mA

反向偏置电压V＝-11(V)

反射率R_HR＝95(％)

反射率R_AR＝0.3(％)

透射率T_BPF＝90(％)

半宽τ_BPF＝1nm

峰值波长λ_BPF＝410nm

反射率R_OC＝20％

外部共振器长度X′＝150mm

V_p-p＝2.8V

f_signal＝1GHz

f_MLLD＝1GHz

Δ_signal＝1皮秒

Δt_MLLD＝1.5皮秒

另一方面，在参考例5中，在外部电信号没有经由反射区域41而从第二电极62叠加在第一电极61上的情况下，电流从第二电极62经由发光区域41流至第一电极61。然后，测量RF光谱。图13A和图13B示出了实施例5和参考例5的测量结果。在参考例5中，反射率被设定为R_OC＝50％。其他数据设定与实施例5中的数据设定相同。

图13A和图13B示出了当与参考例5相比较时在实例中减小RF光谱的基成分(base component)的面积，这表示当与参考例5相比较时，实施例5为引起较少相位噪声和定时抖动的驱动方法。

可以采用与实施例5中的锁模半导体激光器件相同的实施例1至实施例4的锁模半导体激光器件等的构造和结构，因此，不再重复其详细的描述。

[实施例6]

实施例6也是实施例1的修改例，并且在实施例6中，光脉冲被使得从层压结构的端面进入该层压结构。图6B示意性地示出了使用实施例6的锁模半导体激光器件来执行锁模驱动的系统。光信号(RMS抖动：Δt_opto)从由半导体激光器件构成的光脉冲发生器中发出，并且经由透镜、外反射镜、滤光器和透镜进入层压结构的一个端面。因此，可以使光脉冲和光信号同步。也就是，可以将RMS定时抖动Δt_MLLD抑制在下面的水平。Δ_optol≤Δt_MLLD

可以采用与实施例6中的锁模半导体激光器件等的构造和结构相同的实施例1至实施例4的锁模半导体激光器件等的构造和结构，因此，不再重复其详细的描述。

在前文中，已经基于优选的实例来描述本发明，但本发明不限于这些实例。半导体激光器件的构造和在实例中所描述的结构的构造仅为例证，并且根据需要可以进行改变。在实例中示出了各种值，但这些值也仅为例证，例如，如果要使用的半导体激光器件的规格发生改变，则这些值自然也会改变。例如，层压结构具有由钯(Pd)(厚度为20nm)组成的下部金属层和由镍(Ni)(厚度为200nm)组成的上部金属层。顺便提及，在利用王水的湿蚀刻中，镍的蚀刻速率约为钯的蚀刻速率的1.25倍。

在以上实例中，锁模半导体激光器件10设置在C平面上，该C平面为n型GaN基板21的极面，或者为{0001}平面，但可选地，锁模半导体激光器件10可以设置在为{11-20}平面的A平面上、为{1-100}平面的M平面上、诸如{1-102}平面的非极面、或者包含{11-24}平面和{11-22}平面的{11-2n}平面、或者诸如{10-11}平面和{10-12}平面的半极面，因此，即使在锁模半导体激光器件10的第三化合物半导体层中引起压电极化或自发极化，也将会在第三化合物半导体层的厚度方向上引起压电极化，而代替的是，在基本垂直于第三化合物半导体层的厚度方向的方向上也引起了压电极化，使得可以消除起于压电极化或自发极化的不利效果。{11-2n}平面指的是相对于近似的C平面而形成40度的非极面。当锁模半导体激光器件10设置在非极面或半极面上时，可以消除势阱层的厚度的限制(1nm以上且10nm以下)和势垒层的掺杂浓度的限制(2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下)。

发光区域41的数目和可饱和吸收区域42的数目不限于一个。图7示出了在其中设置第二电极的第一部分62A和第二电极的两个第二部分62B₁和62B₂的锁模半导体激光器件的示意性端面图。在该锁模半导体激光器件中，第一部分62A的一边缘与在其间夹置一个分离槽62C₁的一个第二部分62B₁相对，并且第一部分62A的另一边缘与其间夹置另一分离槽62C₂的另一第二部分62B₂相对。此外，一个发光区域41夹置在两个可饱和吸收区域42₁和42₂之间。图8示出了在其中设置第二电极的两个第一部分62A₁和62A₂以及第二电极的一个第二部分62B的锁模半导体激光器件的示意性端面图。在该锁模半导体激光器件中，第二部分62B的一个边缘与其间夹置一分离槽62C₁的一个第一部分62A₁相对，而第二部分62B的另一边缘与其间夹置另一分离槽62C₂的另一第一部分62A₂相对。此外，一个可饱和吸收区域42夹置在两个发光区域41₁和41₂之间。

本领域中的技术人员应当理解的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。

本发明包含于2010年3月5日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP 2010-049749中所涉及的主题，其全部内容结合于此作为参考。

Claims (11)

1.一种锁模半导体激光器件的驱动方法，所述锁模半导体激光器件包括：

(a)层压结构，其中，逐次地层压第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层，所述第一化合物半导体层具有第一导电型并由GaN类化合物半导体组成，所述第三化合物半导体层具有由所述GaN类化合物半导体组成的发光区域，并且所述第二化合物半导体层具有不同于所述第一导电型的第二导电型并且由所述GaN类化合物半导体组成；

(b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上；以及

(c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层，

其中，所述层压结构形成在具有极性的化合物半导体基板上，

所述第三化合物半导体层包括具有势阱层和势垒层的量子阱结构，

所述势阱层具有1nm以上且10nm以下的深度，

所述势垒层具有2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下的掺杂浓度，以及

使电流从所述第二电极经由所述层压结构流至所述第一电极，而在所述发光区域中生成光脉冲。

2.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，所述第三化合物半导体层还包括可饱和吸收区域，

所述第二电极通过分离槽被分为：第一部分，以使所述电流经由所述发光区域流至所述第一电极而建立正向偏压状态；以及第二部分，将电场施加至所述可饱和吸收区域，以及

通过使所述电流从所述第二电极的所述第一部分经由所述发光区域流至所述第一电极而建立所述正向偏压状态，并且通过将电压施加在所述第一电极和所述第二电极的所述第二部分之间，而将所述电场施加至所述可饱和吸收区域。

3.根据权利要求2所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，所述第二电极的所述第一部分和所述第二部分之间的电阻的值为1×10²Ω以上。

4.根据权利要求2所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，将所述第二电极分为所述第一部分和所述第二部分的所述分离槽具有1μm以上的宽度。

5.根据权利要求2所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，所述可饱和吸收区域具有小于所述发光区域的长度的长度。

6.根据权利要求2所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，所述电流从所述第二电极经由所述发光区域流至所述第一电极，此外，外部电信号从所述第二电极经由所述发光区域而叠加在所述第一电极上。

7.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，使光信号从端面进入所述层压结构。

8.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，所述势垒层所掺有的杂质为硅。

9.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，包括脊条型的分别限制异质结构。

10.根据权利要求1所述的锁模半导体激光器件的驱动方法，

其中，包括斜脊条型的分别限制异质结构。

11.一种锁模半导体激光器件，包括：

(a)层压结构，其中，逐次地层压第一化合物半导体层、第三化合物半导体层和第二化合物半导体层，所述第一化合物半导体层具有第一导电型并由GaN类化合物半导体组成，所述第三化合物半导体层具有由所述GaN类化合物半导体组成的发光区域，并且所述第二化合物半导体层具有不同于所述第一导电型的第二导电型并且由所述GaN类化合物半导体组成；

(b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上；以及

(c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层，

其中，所述层压结构形成在具有极性的化合物半导体基板上，

所述第三化合物半导体层包括具有势阱层和势垒层的量子阱结构，

所述势阱层具有1nm以上且10nm以下的深度，

所述势垒层具有2×10¹⁸cm^-3以上且1×10²⁰cm^-3以下的掺杂浓度，以及

通过从所述第二电极经由所述层压结构流至所述第一电极的电流，而在所述发光区域中产生光脉冲。

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