CN102315590B - 半导体光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体光放大器，其包括：层叠结构，该层叠结构依次包括由GaN化合物半导体构成并且具有第一导电类型的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区的第三化合物半导体层以及由GaN化合物半导体构成并且具有第二导电类型的第二化合物半导体层；第二电极，其形成于第二化合物半导体层上；以及第一电极，其电连接于第一化合物半导体层。所述层叠结构具有脊状条纹结构。当在光出射端面中的脊状条纹结构以及在光入射端面中的脊状条纹结构的各宽度分别为Wout和Win时，则满足Wout＞Win。从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置载流子非注入区。本发明可获得更大的光输出，并且使输出的激光变得稳定。

Description

半导体光放大器
相关申请的交叉引用
本申请包含与2010年6月30日向日本专利局提交的日本专利申请JP2010-149345中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种半导体光放大器。
背景技术
近来，在利用具有阿秒(attosecond)时标或飞秒(femtosecond)时标的脉冲时间的激光的先进科学领域的研究中，超短脉冲和超高功率激光器被积极使用。此外，由GaN化合物半导体构成并且具有405nm频带的发光波长的高功率超短脉冲激光二极管器件已经有望用作容积光盘系统的光源，所述容积光盘系统有望成为取代蓝光光盘系统的下一代光盘系统，所述二极管器件或者有望用作医疗领域、生物成像领域等所要求的光源。
作为超短脉冲和超高功率激光器，例如已知有钛/蓝宝石激光器。这种钛/蓝宝石激光器为昂贵且大型的固体激光源，这是抑制该技术的传播的主要因素。如果通过使用激光二极管或激光二极管器件来实现超短脉冲和超高功率激光器，那么，可实现显著小型化、价格降低和高稳定性，期望这成为促使超短脉冲和超高功率激光器在这些领域中的广泛应用的突破。
同时，在通信系统领域，自从1960年代开始，一直在积极研究激光二极管器件的短脉冲。作为在激光二极管器件中产生短脉冲的方法，已知的有增益开关方法、损耗开关方法(Q开关方法)和锁模法。在这些方法中，通过将激光二极管器件与半导体放大器、非线性光学器件、光纤等结合而追求高输出。锁模还分为主动锁模和被动锁模。为基于主动锁模而产生光脉冲，外部振荡器通过使用反射镜或透镜而构成，并且对激光二极管器件施加更高频率(RF)调制。同时，在被动锁模中，通过利用具有多电极结构的激光二极管器件，通过简单的直流驱动即可产生光脉冲。
在激光源中，一个大的挑战是获得高功率。作为对来自激光源的光进行放大的装置，半导体光放大器(SOA)已受到积极的研究。光放大器是一种直接放大处于光状态下的光信号而不将光信号转换为电信号的放大器。光放大器具有不含谐振器的激光结构，并且通过放大器的光增益而放大入射光。
过去，开发光放大器主要用于光通信。于是，关于半导体光放大器在405nm频带的实际应用，几乎没有在先的例子。例如，基于日本未经审查的专利申请公开5-067845号，已知有一种在1.5μm频带的半导体光放大器，该半导体光放大器使用GaInAsP化合物半导体并且具有锥形脊状条纹结构。在在先的日本未经审查的专利申请公开5-067845号公开的技术中，在半导体光放大器中，光导宽度从满足单模条件的窄的输入侧光导向输出侧光导以锥形缓慢地扩展。从而，模场随着光导宽度而扩展，以便提高半导体光放大器的最大输出。
发明内容
然而，通过本发明的发明人的研究，了解到如下内容。即，在由GaN化合物半导体构成的半导体光放大器中，即使在输出侧的光导宽度变宽，输出的近场图像的宽度仍未得到扩大，并且比光导宽度窄。前述的事实可导致半导体光放大器的最大输出的增加被抑制，并导致从半导体光放大器输出的激光的不稳定性。
因此，在本发明中，首先，期望提供一种由GaN化合物半导体构成的可实现更大的光输出的半导体光放大器。其次，还期望提供一种半导体光放大器，其中不会发生从半导体光放大器输出的激光不稳定的情况。
根据用于实现前述第一和第二目的的本发明的第一实施方式～第三实施方式，提供了一种半导体光放大器，该半导体光放大器包括：层叠结构，其中依次层叠具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区(载流子非注入区、增益区)的第三化合物半导体层、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；第二电极，其形成于第二化合物半导体层上；以及第一电极，其电连接于第一化合物半导体层，其中，所述层叠结构具有脊状条纹结构。当在光出射端面中的脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面中的脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout＞Win。
在根据用于实现前述第一目的的本发明的第一实施方式的半导体光放大器中，从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置有载流子非注入区。
在根据用于实现第二目的的本发明的第二实施方式的半导体光放大器中，第二电极的宽度窄于脊状条纹结构的宽度。
在根据用于实现前述第二目的的本发明的第三实施方式的半导体光放大器中，当脊状条纹结构的最大宽度为Wmax时，满足Wmax＞Wout。
在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，当在光出射端面中的脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面中的脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout＞Win。即，从具有满足单模条件的窄的宽度的光输入侧的光导到具有宽的宽度的光输出侧的光导，光导宽度变宽。于是，可根据光导宽度而扩大模场，从而可实现半导体光放大器的大的光输出，并且可在保持单横模的情况下对激光进行光放大。
此外，在根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器中，从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置有载流子非注入区。于是，可使从光出射端面输出的激光的宽度变宽。因此，可实现更大的光输出，并且可提高可靠性。同时，在根据本发明的第二实施方式的半导体光放大器中，第二电极的宽度窄于脊状条纹结构的宽度。在根据本发明的第三实施方式的半导体光放大器中，当脊状条纹结构的最大宽度为Wmax时，满足Wmax＞Wout。从而，获得了稳定的横模放大光，并且不会出现从半导体光放大器输出的激光变得不稳定的情况。
下列说明更充分地体现了本发明的其它及更多的目的、特征和优点。
附图说明
图1表示包括半导体光放大器的第一实施例的光输出器件的概念图。
图2表示沿着包含第一实施例的半导体光放大器的轴线(Z方向)的虚垂直面(YZ平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。
图3表示沿着与第一实施例的半导体光放大器的轴线正交的虚垂直面(XY平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。
图4表示第一实施例的半导体光放大器的示意立体图。
图5表示在第一实施例的半导体光放大器中的脊状条纹结构的示意平面图。
图6A和图6B分别表示从第一实施例的半导体光放大器和比较例1的半导体光放大器输出的激光的近场图像。
图7表示包括半导体光放大器的第二实施例的光输出器件的概念图。
图8表示沿着包含第二实施例的半导体光放大器的轴线(Z方向)的虚垂直面(YZ平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。
图9表示沿着与第二实施例的半导体光放大器的轴线正交的虚垂直面(XY平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。
图10表示沿着第二实施例中的锁模激光二极管器件的谐振器延伸的方向所截取的示意端面图。
图11表示第二实施例的半导体光放大器的示意立体图。
图12表示在第二实施例的半导体光放大器中的脊状条纹结构的示意平面图。
图13示意性地表示在使激光从激光源入射至第二实施例的半导体光放大器的同时，将给定的电压值施加于半导体光放大器并且以X方向移动XYZ台的情况下，在半导体光放大器中流动的电流的变化的图。
图14A表示第二实施例的光输出器件的变化例的概念图，并且图14B表示单片型半导体光放大器的概念图。
图15A和图15B表示根据第三实施例和第四实施例的半导体光放大器的示意立体图。
图16表示在图15A中所示的第三实施例的半导体光放大器的脊状条纹结构的示意平面图。
图17A和图17B表示第三实施例和第四实施例的变化例的半导体光放大器的示意立体图。
图18表示在图17A中所示的第三实施例的变化例的半导体光放大器的脊状条纹结构的示意平面图。
图19A和图19B分别示意性地表示通过由第二实施例中的锁模激光二极管器件和第六实施例中的锁模激光二极管器件构成外部谐振器而进行锁模驱动的系统的图。
图20A和图20B分别示意性地表示通过由第五实施例中的锁模激光二极管器件构成外部谐振器而进行锁模驱动的系统的图，并且图20C示意性地表示使用第六实施例中的锁模激光二极管器件来进行锁模驱动的系统的图。
图21表示从第七实施例的锁模激光二极管器件中的脊部上方所见的示意图。
图22A和图22B分别示意性地表示通过使用第八实施例中的锁模激光二极管器件和第九实施例中的锁模激光二极管器件来进行锁模驱动的系统的图。
图23表示沿着第二实施例中的锁模激光二极管器件的变化例的谐振器延伸的方向所截取的示意端面图。
图24表示沿着第二实施例中的锁模激光二极管器件的另一变化例的谐振器延伸的方向所截取的示意端面图。
图25A和图25B表示在第二实施例和第二参考例中的注入电流和光输出之间的关系(L-I特性)的反向偏置电压依赖性测量结果的图。
图26A和图26B表示通过超高速扫描照相机(streak camera)来测量在第二实施例和第二参考例中产生的光脉冲而得到的结果的图。
图27表示通过四端子法来测量在第二实施例中得到的锁模激光二极管器件的第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值而得到的结果的图。
图28A和图28B分别表示测量第八实施例和第八参考例的RF光谱的结果的图。
图29A和图29B为用于说明第二实施例中的锁模激光二极管器件的制造方法的基板等的示意性局部横截面图。
图30A和图30B为接着图29B的用于说明第二实施例中的锁模激光二极管器件的制造方法的基板等的示意性局部横截面图。
图31为接着图30B的用于说明第二实施例中的锁模激光二极管器件的制造方法的基板等的示意性局部端面图。
具体实施方式
下面，尽管参照附图基于实施例而描述了本发明，然而本发明不局限于所述实施例，并且实施例中的各种数值和材料为示例性的。以下列顺序进行说明：
1.根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器以及总体说明
2.第一实施例(根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器)
3.第二实施例(第一实施例的变型)
4.第三实施例(根据本发明的第二实施方式和第三实施方式的半导体光放大器)
5.第四实施例(第三实施例的变型)
6.第五实施例(第二实施例中的锁模激光二极管器件的变型)
7.第六实施例(第二实施例中的锁模激光二极管器件的另一变型)
8.第七实施例(第二实施例中的锁模激光二极管器件的另一变型)
9.第八实施例(第二实施例中的锁模激光二极管器件的另一变型)
10.第九实施例(第二实施例中的锁模激光二极管器件的另一变型)及其他。
根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器以及总体说明
在根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器中，Wout可以为5μm以上。虽然未限定Wout的上限，然而例如，可使用4×102μm作为Wout的上限的例子。此外，在根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器中，Win可以为1.4μm～2.0μm(包括端值)。前面的优选的实施方式可适用于根据本发明的第二实施方式和第三实施方式的半导体光放大器。
在根据本发明的第二实施方式的半导体光放大器中，(第二电极的宽度)/(脊状条纹结构的宽度)的值期望地为0.2～0.9(包括端值)，并且优选地为0.6～0.9(包括端值)。第二电极的宽度和脊状条纹结构的宽度表示在与半导体光放大器的轴线正交的某个虚平面中截断半导体光放大器而得到的第二电极的宽度和脊状条纹结构的宽度。
此外，在根据本发明的第三实施方式的半导体光放大器中，期望地满足0.2≤Wout/Wmax≤0.9，并且优选地满足0.5≤Wout/Wmax≤0.9。
在根据本发明的第二实施方式和第三实施方式的半导体光放大器中，如同根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器，可从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置载流子非注入区。而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，还可从光入射端面起沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置载流子非注入区。
此外，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，第二电极可以不设置在载流子非注入区中，或者第二电极可由被隔离沟槽隔离的第一部分和第二部分构成，并且将第二电极的第二部分设置在载流子非注入区中。在后一情况下，期望对第二电极的第二部分施加小于/等于内建电压的电压。具体来说，期望对第二电极的第二部分施加小于/等于(1.2398/λ)的电压。λ表示入射至半导体光放大器的激光的波长(单位：μm)，并且“1.2398”表示常数。例如，在使0.4μm波长的激光入射至半导体光放大器的情况下，期望施加小于/等于3.0995伏的电压。虽然未限定，然而，例如可以以-20伏作为施加于第二电极的第二部分的电压的下限值的例子。通过将电压施加于第二电极的第一部分，可进行作为半导体光放大器的固有功能的光放大，而通过将电压施加于第二电极的第二部分，可进行光强度的监测和用于位置调整等的测量。关于这一点，后面会作出详细说明。此外，可控制近场图像。
而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，半导体光放大器的轴线可与脊状条纹结构的轴线以给定的角度相交。作为给定的角度θ的例子，例如可为0.1度≤θ≤10度。脊状条纹结构的轴线是将光出射端面中的脊状条纹结构的两端间的线的二等分点与光入射端面中的脊状条纹结构的两端间的线的二等分点连接而成的直线。
而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，在光入射端面和光出射端面中可形成由层叠结构构成的低反射涂层，该层叠结构由氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层中的至少两种层构成。
而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，虽然未限定，然而从半导体光放大器输出的激光的光强度密度可以是每1cm2构成光出射端面的第三化合物半导体60千瓦以上，并且优选地可以为600千瓦以上。
而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，(光出射端面中的脊状条纹结构的宽度)/(从半导体光放大器输出的激光的宽度)的值可以为1.1～10(包括端值)，并且优选地可以为1.1～5(包括端值)。
而且，在根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器(下文中，在某些情况下，会将这种半导体光放大器总体简称为“本发明的实施方式的半导体光放大器”)中，半导体光放大器可由透射型半导体光放大器构成。然而，半导体光放大器不限于透射型半导体光放大器。例如，半导体光放大器可由单片型半导体光放大器构成。
在本发明的实施方式的半导体光放大器中，满足Wout＞Win，其中，在光出射端面中的脊状条纹结构的宽度为Wout，而在光入射端面中的脊状条纹结构的宽度为Win。在此情况中，脊状条纹结构的每个端部可由一个线段构成(根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的半导体光放大器)，或者可由两个以上线段构成(根据本发明的第一实施方式～第三实施方式的半导体光放大器)。在前者的情况下，例如，脊状条纹结构的宽度从光入射端面向光出射端面以锥形单调而缓慢地变宽。同时，在后者的情况下，在根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的半导体光放大器中，例如，脊状条纹结构的宽度最初相同，随后从光入射端面向光出射端面以锥形单调而缓慢地变宽。而且，在后者的情况下，并且在根据本发明的第二实施方式的半导体光放大器中，从光入射端面向光出射端面，例如，脊状条纹结构的宽度最初变宽，随后在所述宽度超过最大宽度后变窄。
在根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器或者根据本发明的第二实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设有载流子非注入区。作为载流子非注入区的沿半导体光放大器的轴线的长度(载流子非注入区的宽度)LNC，例如可为0.1μm～100μm(包括端值)的值。
此外，在根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器或者在根据本发明的第二实施方式～第三实施方式的半导体光放大器中，第二电极由被隔离沟槽隔离的第一部分和第二部分构成，并且第二电极的第二部分设置在载流子非注入区中。当第一部分的长度为LAmp-1并且第二部分的长度为LAmp-2时，期望满足0.001≤LAmp-2/LAmp-1≤0.01，并且优选地满足0.0025≤LAmp-2/LAmp-1≤0.01。在半导体光放大器中的第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为1×102Ω以上，优选地为1×103Ω以上，并且更优选地为1×104Ω以上。而且，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×10倍以上，优选地为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×102倍以上，并且更优选地为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×103倍以上。而且，用于将第二电极隔离为第一部分和第二部分的隔离沟槽的宽度期望地为1μm以上且为半导体光放大器的长度的50％以下，并优选地为10μm以上且为半导体光放大器的长度的10％以下。此外，作为隔离沟槽的宽度，例如可为3μm～20μm的值。作为第二电极的第二部分的长度LAmp-2，例如可为3μm～100μm的值。
在本发明的实施方式的半导体光放大器中，激光源可由锁模激光二极管器件构成，并且从锁模激光二极管器件输出的脉冲激光可入射至半导体光放大器。在此情况中，激光源可基于锁模运行而输出脉冲激光。然而，激光源不限于此。可使用已知的连续振荡式激光源、例如增益开关式激光源和损耗开关式激光源(Q开关式激光源)等已知的各种脉冲振荡式激光源以及例如钛蓝宝石激光器等激光源。本发明的实施方式的半导体光放大器是直接将处于光状态的光信号放大而未将光信号转换为电信号的放大器。本发明的实施方式的半导体光放大器具有极力排除谐振器效应的激光器结构，并且通过半导体光放大器的光增益而放大入射光。即，本发明的实施方式的半导体光放大器可基本上具有与构成本发明的实施方式的激光源的激光二极管器件相同的构成和配置，且可具有与构成本发明的实施方式的激光源的激光二极管器件不同的构成和配置。
在本发明的实施方式的半导体光放大器中，在激光源由上述锁模激光二极管器件构成的情况下，所述锁模激光二极管器件(下文中称作“本发明的实施方式的锁模激光二极管器件”)可包括：层叠结构，其中依次层叠有具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的发光区的第三化合物半导体层、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；第二电极，其形成于第二化合物半导体层上；和第一电极，其电连接于第一化合物半导体层。层叠结构可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可具有包括阱层和阻挡层的量子阱结构。此外，虽然未限定，然而阱层的厚度可为1nm～10nm(包括端值)，并且优选地为1nm～8nm(包括端值)。阻挡层的杂质掺杂浓度为2×1018cm-3～1×1020cm-3(包括端值)，并且优选地为1×1019cm-3～1×1020cm-3(包括端值)。
当驱动本发明的实施方式的锁模激光二极管器件时，通过使电流从第二电极经由层叠结构流入第一电极，可在发光区中产生光脉冲。而且，在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，通过使电流从第二电极经由层叠结构流入第一电极，可在发光区中产生光脉冲。
为使激光二极管器件能够进行锁模运行，激光二极管器件应当设有发光区和可饱和吸收区。基于发光区和可饱和吸收区的排列状态，通常可将激光二极管器件归类为：SAL(可饱和吸收层)型或WI(weakly indexguide，弱折射率导引)型，其中，发光区和可饱和吸收区以垂直方向布置；以及包括两段型在内的多电极型，其中，发光区和可饱和吸收区以谐振器方向布置。在锁模法中，在立方晶系(主要为GaAs)激光二极管器件中，已经确认可产生具有0.6皮秒时宽的光脉冲(见“Appl.Phys.Lett.39(1981)525”，H.Yokoyama等)。此外，在六方晶系(主要为GaAs)激光二极管器件中，S.Gee等在2001年首先报告了通过使用锁模法而产生光脉冲(见“Appl.Phys.Lett.79(2001)1951”，S.Gee和J.E.Bowers)。然而，根据“Appl.Phys.Lett.79(2001)1951”，光脉冲的时宽为30皮秒，这仍然属于长的。而且，在使用具有极性的基板制造多电极型激光二极管器件的情况下，具体来说，例如，在GaN基板的{0001}面(C面)上设置多电极型GaN激光二极管器件的情况下，因为由压电极化或自发极化引起的内部电场所导致的QCSE效应(quantum confinement Stark effect，量子限域斯塔克效应)，因此，在某些情况下难以对可饱和吸收进行电控制。即，已经发现某些情况中，必需提高为得到锁模运行而流入第一电极的直流电流的值以及施加于可饱和吸收区的反向偏置电压的值，伴随主脉冲而产生次脉冲分量，否则难以获得外部信号和光脉冲之间的同步。
在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，优选地将构成第三化合物半导体层的阱层的厚度限定为1nm～10nm(包括端值)的值，并且将构成第三化合物半导体层的阻挡层的杂质掺杂浓度限定为2×1018cm-3～1×1020cm-3(包括端值)的值。即，减小了阱层的厚度，而增加了第三化合物半导体层的载流子。结果，可降低压电极化的影响，并且可获得能够产生具有短时宽和小的次脉冲分量的单峰光脉冲的激光源。而且，可通过低的反向偏置电压而实现锁模驱动，并且可产生与外部信号(电信号和光信号)同步的光脉冲序列。于是，本发明的实施方式的锁模激光二极管器件可用作例如在容积光盘系统中用于产生光脉冲的振荡器。
在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，第三化合物半导体层还可包括可饱和吸收区，可通过隔离沟槽而将第二电极分为第一部分和第二部分，该第一部分用于通过使电流经由发光区流入第一电极而获得正向偏置状态，该第二部分用于将电场加入可饱和吸收区。通过使电流从第二电极的第一部分经由发光区而流入第一电极，可获得正向偏置状态，而通过在第一电极和第二电极的第二部分之间施加电压，可将电场加入可饱和吸收区。
期望将反向偏置电压施加于第一电极和第二部分之间(即，第一电极为负极，而第二部分为正极)。可将与施加于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、或者直流偏置施加于第二电极的第二部分。
此外，在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为1×102Ω以上，优选地为1×103Ω以上，并且更优选地为1×104Ω以上。而且，期望使第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×10倍以上，优选地为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×102倍以上，并且更优选地为第二电极和第一电极之间的电阻值的1×103倍以上。
在第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为1×102Ω以上，或者第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻值为第二电极和第一电极之间的电阻值的10倍以上的情况下，能够可靠地抑制漏电流从第二电极的第一部分流入第二部分。即，能够增大注入发光区(载流子注入区、增益区)的电流。同时，能够增大施加于可饱和吸收区(载流子非注入区)的反向偏置电压Vsa。此外，仅通过以隔离沟槽将第二电极隔离成第一部分和第二部分，便能够在第二电极的第一部分和第二部分之间获得如此高的电阻值。即，能够更容易地通过锁模实现光脉冲的产生。
此外，在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，期望使用于将第二电极隔离成第一部分和第二部分的隔离沟槽的宽度为1μm以上且为谐振器长度的50％以下，并且，优选地为10μm以上且为谐振器长度的10％以下。虽然例如可以以0.3mm作为谐振器长度，然而，所述值不限于此。在下列说明中，将谐振器方向作为Z方向，而将层叠结构的厚度方向作为Y方向。而且，可饱和吸收区的长度可短于发光区的长度。此外，第二电极的长度(第一部分和第二部分的总长度)可短于第三化合物半导体层的长度。第二电极的第一部分和第二部分的排列状态的例子包括如下：
(1)设有两个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分，第二部分的一端隔着一个隔离沟槽而与一个第一部分相对，而第二部分的另一端隔着另一隔离沟槽而与另一第一部分相对的状态(即，第二电极具有在第一部分之间夹有第二部分的结构)；
(2)设有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隔着隔离沟槽布置的状态；以及
(3)设有一个第二电极的第一部分和两个第二电极的第二部分，第一部分的一端隔着一个隔离沟槽而与一个第二部分相对，并且第一部分的另一端隔着另一隔离沟槽而与另一第二部分相对的状态。具体来说，期望采用结构(1)和结构(2)。而且，更一般地，第二电极的第一部分和第二部分的排列状态的例子包括如下：
(4)设有N个第二电极的第一部分和(N-1)个第二电极的第二部分，并且在第二电极的各第一部分之间夹有第二电极的第二部分的状态；以及
(5)设有N个第二电极的第二部分和(N-1)个第二电极的第一部分，并且在第二电极的各第二部分之间夹有第二电极的第一部分的状态。换言之，对状态(4)和状态(5)描述如下：
(4′)设有N个发光区(载流子注入区、增益区)和(N-1)个可饱和吸收区(载流子非注入区)，并且在各发光区之间夹有可饱和吸收区的状态；以及
(5′)设有N个可饱和吸收区(载流子非注入区)和(N-1)个发光区(载流子注入区、增益区)，并且在各可饱和吸收区之间夹有发光区的状态。
此外，在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件的驱动方法中，电流可从第二电极经由发光区流入第一电极，并且将外部电信号从第二电极经由发光区叠加于第一电极。从而，光脉冲可与外部电信号同步。或者，光信号可从层叠结构的一个端面入射。再次，从而光脉冲可与光信号同步。
此外，在本发明的实施方式的半导体光放大器或者本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，阻挡层的掺杂杂质可以是硅(Si)。然而，掺杂杂质不限于此。作为其它掺杂杂质，可采用氧(O)。
此外，本发明的实施方式的锁模激光二极管器件可以是具有脊状条纹型分离封闭异质结构(SCH结构)的激光二极管器件。或者，本发明的实施方式的锁模激光二极管器件可以是具有拐弯脊状条纹型分离封闭异质结构的激光二极管器件。脊状条纹结构的高度期望地为0.1μm～10μm(包括端值)，并且优选地为0.2μm～1μm(包括端值)。然而，所述值不限于此。而且，作为脊状条纹结构的宽度，例如可为2μm以下，并且，作为脊状条纹结构的宽度的下限，例如可为0.8μm。然而，所述值不限于此。脊状条纹结构的高度的限定还可适用于本发明的实施方式的半导体光放大器。
例如，可通过下列方法制造本发明的实施方式的锁模激光二极管器件。即，例如，可通过包括下列各步骤的下述制造方法来制造本发明的实施方式的锁模激光二极管器件：
(A)形成层叠结构的步骤，其中，依次层叠具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的发光区和可饱和吸收区的第三化合物半导体层、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
(B)在第二化合物半导体层上形成条纹状第二电极的随后步骤；
(C)使用第二电极作为蚀刻掩模以对至少部分第二化合物半导体层进行蚀刻并且从而形成脊状条纹结构的随后步骤；并且
(D)形成用于在第二电极中形成隔离沟槽的抗蚀剂层、随后通过使用抗蚀剂层作为湿式蚀刻掩模的湿式蚀刻法而在第二电极中形成隔离沟槽并且从而通过隔离沟槽而将第二电极隔离成第一部分和第二部分的随后步骤。
通过采用前述制造方法，即，通过使用条纹状第二电极作为蚀刻掩模而对至少部分第二化合物半导体层进行蚀刻，而形成脊状条纹结构。即，通过以图形化的第二电极作为蚀刻掩模的自对准方法而形成脊状条纹结构。于是，在第二电极和脊状条纹结构之间不存在接合不对准。而且，通过湿式蚀刻法在第二电极中形成隔离沟槽。不同于干式蚀刻法，通过采用上述湿式蚀刻法，可抑制第二化合物半导体层的光学和电气特性的劣化。因此，能够可靠地防止发光特性的劣化。
在步骤(C)中，可沿厚度方向对部分第二化合物半导体层进行蚀刻，可沿厚度方向对全部第二化合物半导体层进行蚀刻，可沿厚度方向对第二化合物半导体层和第三化合物半导体层进行蚀刻，或者可沿厚度方向对部分第二化合物半导体层、第三化合物半导体层和第一化合物半导体层进行蚀刻。
此外，在前述的步骤(D)中，当在第二电极中形成隔离沟槽时，若第二电极的蚀刻率为ER0，且层叠结构的蚀刻率为ER1，则期望满足ER0/ER1≥1×10，并且优选地满足ER0/ER1≥1×102。在ER0/ER1满足前述关系的情况下，可对第二电极可靠地进行蚀刻，而不会蚀刻层叠结构(或者如果蚀刻了层叠结构，则蚀刻部分也微不足道)。
尽管依赖于其形式，然而通过与前述的本发明的实施方式的锁模激光二极管器件的制造方法类似的制造方法，实际上可制造本发明的实施方式的半导体光放大器。然而，所述制造方法不限于此。
在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，第二电极可由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、或钯层与铂层的层叠结构(其中钯层与第二化合物半导体层接触)、或钯层与镍层的层叠结构(其中钯层与第二化合物半导体层接触)构成。在下层金属层由钯制成而上层金属层由镍制成的情况下，上层金属层的厚度期望地为0.1μm以上，并且优选地为0.2μm以上。而且，第二电极优选地由钯(Pd)单层构成。在此情况中，所述第二电极的厚度期望地为20nm以上，并且优选地为50nm以上。而且，第二电极优选地由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、或下层金属层与上层金属层的层叠结构构成，所述层叠结构中，下层金属层与第二化合物半导体层接触(然而，下层金属层由钯、镍和铂中的一种金属制成；并且上层金属层由在前述步骤(D)中在第二电极中形成隔离沟槽时其蚀刻率等于、类似于、或大于下层金属层的蚀刻率的金属制成)。此外，在前述步骤(D)中，期望在第二电极中形成隔离沟槽时使用的蚀刻液为王水、硝酸、硫酸、盐酸或者由这些酸中的至少两种组成的混合液(具体地，由硝酸和硫酸组成的混合液，或者由硝酸和盐酸组成的混合液)。第二电极的宽度期望地为0.5μm～50μm(包括端值)，并且优选地为1μm～5μm(包括端值)。尽管依赖于其形式，然而在前述的本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中的第二电极的结构还可应用于本发明的实施方式的半导体光放大器。
在本发明的实施方式的半导体光放大器或本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，层叠结构可由AlGaInN化合物半导体构成。AlGaInN化合物半导体的具体例子包括GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN。而且，根据需要，所述化合物半导体可包含硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。此外，构成光放大区或发光区(增益区)和可饱和吸收区的第三化合物半导体层(某些情况下，将第三化合物半导体层称作“活性层”)具有量子阱结构。具体来说，第三化合物半导体层可具有单个量子阱结构(QW结构)，或多量子阱结构(MQW结构)。具有量子阱结构的第三化合物半导体层具有其中层叠有至少一个阱层和至少一个阻挡层的结构。作为构成阱层的化合物半导体和构成阻挡层的化合物半导体的组合，例如可为(InyGa(1-y)N，GaN)、(InyGa(1-y)N，InzGa(1-z)N)(y＞z)以及(InyGa(1-y)N，AlGaN)。
此外，在本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中，第二化合物半导体层可具有其中交替层叠有p型GaN层和p型AlGaN层的超晶格结构。超晶格结构的厚度可以为0.7μm以下。通过采用这种超晶格结构，尽管保持了作为覆层所必需的折射率，然而仍可降低激光二极管器件的串联电阻分量，从而实现激光二极管器件的低工作电压。虽然未限定超晶格结构的厚度的下限值，然而下限值例如为0.3μm。作为构成超晶格结构的p型GaN层的厚度，例如可为1nm～5nm(包括端值)的厚度。作为构成超晶格结构的p型AlGaN层的厚度，例如可为1nm～5nm(包括端值)的厚度。作为p型GaN层和p型AlGaN层的总层数，例如可为60层～300层(包括端值)的数量。而且，从第三化合物半导体层至第二电极的距离可以为1μm以下，并且优选地为0.6μm以下。通过限定从第三化合物半导体层至第二电极的距离，可减小具有高电阻的p型第二化合物半导体层的厚度，并且可降低激光二极管器件的工作电压。虽然未限定从第三化合物半导体层至第二电极的距离的下限值，然而，从第三化合物半导体层至第二电极的距离的下限值例如为0.3μm。此外，可以Mg对第二化合物半导体层进行掺杂，使所述Mg的浓度为1×1019cm-3以上。第二化合物半导体层对来自于第三化合物半导体层的405nm波长的光的吸收系数可以为至少50cm-1。Mg的原子浓度来自于最大空穴浓度的值为2×1019cm-3的材料属性，并且是使最大空穴浓度、即第二化合物半导体层的电阻率变为最小的设计结果。从尽可能减小激光二极管器件的电阻的角度而限定第二化合物半导体层的吸收系数。结果，一般来说，第三化合物半导体层的光的吸收系数变为50cm-1。然而，为提高吸收系数，可故意将Mg掺杂量设定在浓度为2×1019cm-3以上。在此情况中，获得实用空穴浓度的Mg掺杂量的上限例如为8×1019cm-3。而且，第二化合物半导体层从第三化合物半导体层侧可具有无掺杂化合物半导体层和p型化合物半导体层。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为1.2×10-7m以下。通过将从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离限定为如上所述，可在不会降低内部量子效率的范围内抑制内部损耗。从而，可降低激光振荡开始时的阈值电流Ith。虽然未限定从第三化合物半导体层至p型化合物半导体层的距离的下限值，然而，下限值例如为5×10-8m。而且，可在脊部的两个侧面上形成由SiO2/Si层叠结构构成的层叠绝缘膜。脊部的有效折射率和层叠绝缘膜的有效折射率之间的差可以为5×10-3～1×10-2(包括端值)。通过使用这种层叠绝缘膜，即使在超过100mW的高输出运行的情况下，仍可保持单基横模(single fundamental lateral mode)。而且，第二化合物半导体层可具有这样的结构，其中，从第三化合物半导体层侧起，层叠有无掺杂GaInN层(p侧光导层)、无掺杂AlGaN层(p侧覆层)、Mg掺杂AlGaN层(电子阻挡层)、由GaN层(Mg掺杂)/AlGaN层构成的超晶格结构(超晶格覆层)以及Mg掺杂GaN层(p侧接触层)。期望使构成第三化合物半导体层中的阱层的化合物半导体的带隙为2.4eV以上。此外，从第三化合物半导体层输出的激光的波长期望地为360nm～500nm(包括端值)，并且优选地为400nm～410nm(包括端值)。毋庸多言，可以对前述的各种结构进行适当地组合。尽管依赖于其形式，然而在前述的本发明的实施方式的锁模激光二极管器件中的上述结构实质上还可适用于本发明的实施方式的半导体光放大器。
如上所述，在第二化合物半导体层中，在第三化合物半导体层和电子阻挡层之间可形成无掺杂化合物半导体层(例如，无掺杂GaInN层或无掺杂AlGaN层)。而且，在第三化合物半导体层和无掺杂化合物半导体层之间可形成作为光导层的无掺杂GaInN层。第二化合物半导体层的最上层可具有被Mg掺杂GaN层(p侧接触层)占据的结构。
在基板上方依次形成构成本发明的实施方式的半导体光放大器或本发明的实施方式的锁模激光二极管器件的各种GaN化合物半导体层。基板的例子不仅包括蓝宝石基板，还包括：GaAs基板、GaN基板、SiC基板、矾土基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板和其中在前述的基板的表面(主面)上形成有基层和缓冲层的层叠体。多数情况下，在基板上形成GaN化合物半导体层的情况下，因GaN基板具有小的缺陷密度，故优选地使用GaN基板。然而，已知在GaN基板中，其特性根据生长面而变化自/成为极性、无极性和半极性。此外，构成本发明的实施方式的半导体光放大器或本发明的实施方式的锁模激光二极管器件的各种GaN化合物半导体层的形成方法的例子包括金属有机化学气相沉积方法(MOCVD方法和MOVPE方法)、分子束外延方法(MBE方法)以及卤素促成输送或反应的氢化物气相生长方法等。
MOCVD方法中的有机镓源气体的例子包括三甲基镓(TMG)气体和三乙基镓(TEG)气体。氮源气体的例子包括氨气和肼气。在形成具有n型导电类型的GaN化合物半导体层时，例如，可将硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂剂)而添加。在形成具有p型导电类型的GaN化合物半导体层时，例如，可将镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂剂)而添加。而且，在将铝(Al)或铟(In)包含为GaN化合物半导体层的成分原子的情况下，可用三甲基铝(TMA)气体作为Al源，并且可使用三甲基铟(TMI)气体作为In源。此外，可用甲硅烷气体(SiH4气体)作为Si源，并且可用环戊二烯镁气体、甲基环戊二烯镁或双环戊二烯镁(Cp2Mg)作为Mg源。n型杂质(n型掺杂剂)的例子不仅包括Si，还包括Ge、Se、Sn、C、Te、SO、Pd和Po。p型杂质(p型掺杂剂)的例子不仅包括Mg，还包括Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg和Sr。
当第一导电类型为n型时，期望使与具有n型导电类型的第一化合物半导体层电连接的第一电极具有单层结构或多层结构，所述单层结构或多层结构含有金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、Al(铝)、Ti(钛)、钨(W)、Cu(铜)、Zn(锌)、锡(Sn)和铟(In)中的至少一种金属，并且例如可以为Ti/Au、Ti/Al和Ti/Pt/Au。第一电极电连接于第一化合物半导体层。第一电极可形成在第一化合物半导体层上，并且第一电极可隔着导电材料层或导电性基板而连接于第一化合物半导体层。第一电极和第二电极可通过诸如真空蒸发法和溅射法等PVD方法而形成。
为获得与外部电极或电路的电连接，可在第一电极和第二电极上设置焊盘电极。焊盘电极期望地具有单层结构或多层结构，所述单层结构或多层结构包含Ti(钛)、铝(Al)、Pt(铂)、Au(金)和Ni(镍)中的至少一种金属。另外，焊盘电极可具有例如Ti/Pt/Au多层结构和Ti/Au多层结构等多层结构。
本发明的实施方式的锁模激光二极管器件还可包括外部反射镜。即，本发明的实施方式的锁模激光二极管器件可以为外部谐振器型锁模激光二极管器件。或者，本发明的实施方式的锁模激光二极管器件可以为单片型锁模激光二极管器件。外部谐振器型锁模激光二极管器件可以为聚光型或准直型。在外部谐振器型锁模激光二极管器件中，在从其输出光脉冲的层叠结构的一个端面处的反光率优选地为0.5％以下。该反光率值显著低于在现有的激光二极管器件中的从中输出光脉冲的层叠结构的一个端面的反光率(通常为5％～10％)。在外部谐振器型锁模激光二极管器件中，外部谐振器(Z′，单位：mm)的值期望地满足0＜Z′＜1500，并且优选地满足30≤Z′≤150。
本发明的实施方式适用于各种领域，例如光盘系统、通信领域、光信息领域、光电子集成电路、应用非线性光学现象的领域、光开关、激光测量领域和各种分析领域、超快光谱领域、多光子激发光谱领域、质量分析领域、利用多光子吸收的显微光谱领域、化学反应的量子控制、纳米三维处理领域、应用多光子吸收的各种工艺领域、医疗领域以及生物成像领域等。
第一实施例
第一实施例涉及根据本发明的第一实施方式的半导体光放大器。图1表示包括半导体光放大器的第一实施例的光输出器件的概念图。图2表示沿着包括半导体光放大器的轴线(光导延伸的方向，并且为方便起见称作“Z方向”)的虚垂直面(YZ平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。图3表示沿着与半导体光放大器的轴线正交的虚垂直面(XY平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。图2是沿图3的线I-I截取的示意横截面图。图3是沿图2的线II-II截取的示意横截面图。图4表示半导体光放大器的示意立体图。图5表示脊状条纹结构的示意平面图。
第一实施例的光输出器件包括激光源100和半导体光放大器200，半导体光放大器200对来自激光源100的激光进行光放大，并输出放大后的光。
如图1所示，半导体光放大器200由透射型半导体光放大器构成。在半导体光放大器200的光入射端面201以及与光入射端面201相反的光出射端面203上形成有低反射涂层(AR)202、204。低反射涂层202、204具有层叠有氧化钛层和氧化铝层的结构。从光入射端面201侧入射的激光在半导体光放大器200内部进行光放大，并且从光入射端面201的相反侧的光出射端面203输出。基本上仅以一个方向对激光进行导波。此外，在第一实施例中，激光源100由已知的连续振荡型激光设备构成。从所述激光设备输出的激光入射至半导体光放大器200。
在图1所示的第一实施例的光输出器件中，从激光源100输出的激光经由光隔离器15和反射镜16而入射至反射镜20。由反射镜20反射的激光通过半波片(λ/2波片)21和透镜22，并且入射至半导体光放大器200。光隔离器15用于防止从半导体光放大器200返回的光入射至激光源100。激光在半导体光放大器200中进行光放大，并且经由透镜30而输出至系统外。
半导体光放大器200包括：层叠结构，其中，依次层叠有具有第一导电类型(在第一实施例中，具体为n型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层230、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区(载流子注入区、增益区)241的第三化合物半导体层(活性层)240、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(在第一实施例中，具体为p型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层250；第二电极262，其形成于第二化合物半导体层250上；以及第一电极261，其电连接于第一化合物半导体层230。
在第一实施例的半导体光放大器200中，层叠结构具有脊状条纹结构。当在光出射端面203中的脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面201中的脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout＞Win。具体地，Wout为15μm，并且Win为1.4μm。从光出射端面203起，沿半导体光放大器200的轴线AX1而在层叠结构的内部区域中设有载流子非注入区205。当沿半导体光放大器200的轴线AX1的载流子非注入区205的长度(载流子非注入区205的宽度)为LNC时，满足LNC＝5μm。在载流子非注入区205中未设置第二电极262。整个半导体光放大器的长度为2.0mm。从光入射端面201起，也沿半导体光放大器200的轴线而在层叠结构的内部区域中设置载流子非注入区。
更具体地，第一实施例的半导体光放大器200具有脊状条纹型分离封闭异质结构(SCH结构)。此外，第一实施例的半导体光放大器200的结构类似于由折射率导引型AlGaInN构成的GaN激光二极管结构。脊状条纹结构的宽度从光入射端面201向着光出射端面203以锥形单调而缓慢地变宽。而且，半导体光放大器200的轴线AX1以给定的角度、具体为θ＝5.0度而与脊状条纹结构的轴线AX2相交。轴线AX1和轴线AX2在图5中由点划线表示。
层叠结构形成在化合物半导体基板221上。具体来说，半导体光放大器200设置在n型GaN基板221的(0001)面上。n型GaN基板221的(0001)面也称作“C面”，并且为具有极性的晶面。具体来说，第一化合物半导体层230、第三化合物半导体层240和第二化合物半导体层250由AlGaInN化合物半导体构成。更具体地，第一化合物半导体层230、第三化合物半导体层240和第二化合物半导体层250具有如下表1所示的层结构。在表1中，以从距n型GaN基板221最远的层至距n型GaN基板221最近的层的次序表示所列项目。构成第三化合物半导体层240中的阱层的化合物半导体的带隙为3.06eV。第三化合物半导体层240具有包括阱层和阻挡层的量子阱结构。阻挡层的杂质(具体为硅(Si))的掺杂浓度为2×1017cm-3～1×1020m-3(包括端值)。
表1
第二化合物半导体层250
p型GaN接触层(Mg掺杂)257
p型AlGaN(Mg掺杂)覆层255
p型GaN(Mg掺杂)层254
p型AlGaN电子阻挡层(Mg掺杂)253
第三化合物半导体层240
GaInN量子阱活性层
(阱层：Ga0.92In0.08N/阻挡层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层230
n型GaN层232
n型AlGaN覆层231
阱层(两层)：10nm[无掺杂]
阻挡层(三层)：12nm[掺杂浓度(Si)：2×1018cm-3]
此外，通过RIE方法去除p型GaN接触层257的一部分和p型AlGaN覆层255的一部分，并且形成脊状条纹结构(脊部258)。在脊部258的两侧，形成有由SiO2/Si制成的层叠绝缘膜259。SiO2层为下层，而Si层为上层。脊部258的有效折射率和层叠绝缘膜259的有效折射率之间的差为5×10-3～1×10-2(包括端值)，并且具体地为7×10-3。从对应于脊部258的顶面的p型GaN接触层257至p型AlGaN覆层255的顶面的一部分中，形成有第二电极(p型欧姆电极)262。同时，在n型GaN基板221的背面上，形成有由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n型欧姆电极)261。在第一实施例中，第二电极262由厚度为0.1μm的Pd单层构成。
p型AlGaN覆层255的厚度为400nm。p型GaN层254的厚度为100nm。p型GaN电子阻挡层253的厚度为20nm。p型GaN接触层257的厚度为100nm。此外，以Mg对构成第二化合物半导体层250的p型AlGaN电子阻挡层253、p型GaN层254、p型AlGaN覆层255和p型GaN接触层257进行掺杂，使Mg的浓度为1×1019cm-3以上(具体地为2×1019cm-3)。同时，n型AlGaN覆层231的厚度为2.5μm，并且n型GaN层232的厚度为200nm。当夹在n型AlGaN覆层231和第三化合物半导体层240之间的n型化合物半导体层的厚度(n型GaN层232的厚度)为t1，并且夹在p型AlGaN覆层255和第三化合物半导体层240之间的p型化合物半导体层的厚度(p型GaN层254和p型AlGaN电子阻挡层253的总厚度)为t2时，满足t1＝200nm，t2＝120nm，并且0.1≤t2/t1＜1。
在第一实施例中，波长为405nm的单模连续振荡激光(光输出：15毫瓦)入射至半导体光放大器200。600毫安的直流电流从第二电极262流入第一电极261。在将直流电流的值换算为每1cm2构成光入射端面201的第三化合物半导体层240的值时，该值为3.7×103安/cm2。图6A表示此时从半导体光放大器200输出的激光的近场图像。作为比较例1，制造了除了未设有载流子非注入区205之外具有与第一实施例相同的构成和相同的结构的半导体光放大器。图6B表示在使600毫安的直流电流从第二电极流入第一电极的情况下，从比较例1的半导体光放大器输出的激光的近场图像。图6B表明，在比较例1的半导体光放大器中，近场图像的宽度窄于Wout(15μm)，并且其1/e2宽度为5μm(半宽度：3.1μm)。本发明的发明人首先发现这种现象是氮化物半导体系统半导体光放大器所特有的现象。所述窄的近场图像对放大后的光输出的饱和度与可靠性造成不利影响。从比较例1的半导体光放大器输出的激光的光强度密度为47毫瓦。同时，图6A表明，在第一实施例的半导体光放大器200中，模场(mode field)变宽，近场图像的宽度宽，并且其1/e2宽度为11.5μm(半宽度：5.8μm)。而且，从第一实施例的半导体光放大器200输出的激光的光强度密度为122毫瓦。所述放大后的光输出高于比较例1的半导体光放大器的放大后的光输出。如上所述，可确认通过设置载流子非注入区205而显著增大了放大后的光输出。此外，(光出射端面中的脊状条纹结构的宽度)/(从半导体光放大器输出的激光的宽度)的值为1.3。从半导体光放大器输出的激光的宽度是指近场图像中的1/e2宽度、即为具有峰值强度的1/e2强度的近场图像的宽度。
可推测，设置载流子非注入区205而使输出激光的近场图像的宽度变宽的原因如下。即，如果入射激光的光强度低，则在XY平面中，层叠结构中的载流子分布为具有一个峰的山形。然而，如果入射激光的光强度增大，则在半导体光放大器的层叠结构中未充分地进行载流子注入/扩散，于是在XY平面中，层叠结构中的载流子分布变成具有两个峰的山形(山/谷/山状的光强度图形)。已知在化合物半导体层中载流子数减小的情况下，化合物半导体层的相对折射率提高。于是，从半导体光放大器的光出射端面输出的激光难以在宽度方向上变宽，并且近场图像的宽度窄于Wout。此外，因为占用从半导体光放大器中输出激光的区域的光出射端面的面积小，故难以实现半导体光放大器的高输出。
同时，在第一实施例的半导体光放大器中，设有对光放大无贡献的载流子非注入区205。于是，即使入射激光的光强度增大，仍可抑制由载流子分布引起的相对折射率提高的现象发生。于是，从半导体光放大器的光出射端面输出的激光易于在宽度方向上变宽。此外，因为占用从半导体光放大器中输出激光的区域的光出射端面的面积大，故可实现半导体光放大器的高输出。
第二实施例
第二实施例是第一实施例的变型。图7表示包括半导体光放大器的第二实施例的光输出器件的概念图。图8表示沿着包括半导体光放大器的轴线(Z方向)的虚垂直面(YZ平面)而将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。图9表示沿着与半导体光放大器的轴线正交的虚垂直面(XY平面)将半导体光放大器截断的半导体光放大器的示意横截面图。图8表示沿图9的线I-I截取的示意横截面图。图9表示沿图8的线II-II截取的示意横截面图。此外，图11表示半导体光放大器的示意立体图，并且图12表示脊状条纹结构的示意平面图。
此外，图10表示沿着构成激光源的锁模激光二极管器件的谐振器延伸的方向的示意端面图(沿YZ平面将锁模激光二极管器件截断的示意端面图)。除了附图标记之外，沿着与谐振器延伸的方向垂直的方向截取的示意横截面图(沿XY平面截断的锁模激光二极管器件的示意横截面图)与图9相同。即，图9中的200系列附图标记对应于沿着与谐振器延伸的方向垂直的方向截取的示意横截面图的100系列附图标记。图10为类似于沿图9的线I-I截取的图的示意端面图。此外，图19A示意性地表示通过由第二实施例的锁模激光二极管器件构成外部谐振器而进行锁模驱动的系统。
在第二实施例中，第二电极262由被隔离沟槽262C隔离的第一部分262A和第二部分262B构成，并且第二电极的第二部分262B设置在载流子非注入区205中。对第二电极的第二部分262B施加有小于/等于内建电压的电压。具体来说，对第二电极的第二部分262B施加0伏。通过对第二电极的第一部分262A施加电压，可进行作为半导体光放大器200的固有功能的光放大，而通过对第二电极的第二部分262B施加电压，可进行用于位置调整等的测量。
在第二实施例中，当第一部分262A的长度为LAmp-1，并且第二部分262B的长度为LAmp-2时，满足LAmp-1＝1.97mm，LAmp-2＝0.01mm，并且0.001≤LAmp-2/LAmp-1≤0.01。而且，隔离沟槽的宽度为0.02mm。
在第二实施例中，施加于第二电极的第二部分的电压低于施加于第二电极的第一部分的电压。从而，由于存在包括第二部分的载流子非注入区，故即使入射激光的光强度增大，仍可抑制化合物半导体层的相对折射率提高的现象的发生。此外，从半导体光放大器的光出射端面输出的激光易于在宽度方向上变宽。而且，因为占用从半导体光放大器中输出激光的区域的光出射端面的面积大，故可实现半导体光放大器的高输出。
第二实施例的光输出器件包括：激光源100；半导体光放大器200，其对来自激光源100的激光进行光放大并且输出放大后的光；对准装置300，其调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置；和半导体光放大器控制装置400，其控制半导体光放大器200的运行。
半导体光放大器控制装置400具体由已知的直流电源、电压测量装置和电流测量装置的组合构成。而且，半导体光放大器控制装置400中的电压监视器的分辨率为1毫伏以下，并且更具体地为0.1毫伏以下。此外，半导体光放大器控制装置400中的电流监视器的分辨率为100微安以下，并且更具体地为10微安以下。
在第二实施例中，激光源100由锁模激光二极管器件构成，并且从锁模激光二极管器件输出的脉冲激光入射至半导体光放大器200。在此情况中，激光源100基于锁模运行而输出脉冲激光。关于锁模激光二极管器件的细节，在后面给出说明。除了第二电极的构成和配置之外，第二实施例中的半导体光放大器200基本上具有与构成第二实施例中的激光源100的锁模激光二极管器件110相同的构成和相同的配置。
在图7中所示的第二实施例的光输出器件中，激光源100包括：锁模激光二极管器件110、透镜11、滤光器12、外部镜13和透镜14。从激光源100输出的激光经由光隔离器15和反射镜16而入射至反射镜20。由反射镜20反射的激光通过半波片(λ/2波片)21和透镜22而入射至半导体光放大器200。在半导体光放大器200中对光进行放大，并且将光经由透镜30而输出至系统外。反射镜20、半波片21和透镜22放置在对准装置300上。对准装置300具体地由XYZ台构成。当以后述的半导体光放大器200中的层叠结构的厚度方向作为Y方向，并且以半导体光放大器200的轴线方向作为Z方向时，对准装置300可沿X方向、Y方向和Z方向移动反射镜20和透镜22。
构成激光源100并且发光波长为405nm的第二实施例的锁模激光二极管器件110包括：层叠结构，其中，依次层叠有具有第一导电类型(在第二实施例中，具体为n型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层130、具有由GaN化合物半导体构成的发光区(增益区)141的第三化合物半导体层(活性层)140、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(在第二实施例中，具体为p型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层150；条纹状第二电极162，其形成于第二化合物半导体层150上；以及第一电极161，其电连接于第一化合物半导体层130。
层叠结构形成于具有极性的化合物半导体基板121、221上。第三化合物半导体层140、240具有包括阱层和阻挡层的量子阱结构。阱层的厚度为1nm～10nm(包括端值)。阻挡层的杂质(具体为硅(Si))的掺杂浓度为2×1018cm-3～1×1020cm-3(包括端值)。
具体来说，第二实施例的锁模激光二极管器件110和半导体光放大器200具有脊状条纹型分离封闭异质结构(SCH结构)。更具体地，第二实施例的锁模激光二极管器件110和半导体光放大器200具有由折射率导引型AlGaInN制成的GaN激光二极管结构和直线形脊部(脊状条纹结构)。此外，锁模激光二极管器件110和半导体光放大器200设置在n型GaN基板121和n型GaN基板221的(0001)面上。第三化合物半导体层140、240具有量子阱结构。n型GaN基板121、221的(0001)面也称作“C面”，并且为具有极性的晶面。第一化合物半导体层130、230和第三化合物半导体层140、240以及第二化合物半导体层150、250具体地由AlGaInN化合物半导体构成。更具体地，第一化合物半导体层130、230和第三化合物半导体层140、240以及第二化合物半导体层150、250具有下表2所示的层结构。在表2中，以从距n型GaN基板121、221最远的层至距n型GaN基板121、221最近的层的次序表示所列项目。
表2
第二化合物半导体层150、250
p型GaN接触层(Mg掺杂)157、257
p型GaN(Mg掺杂)/AlGaN超晶格覆层156、256
p型AlGaN电子阻挡层(Mg掺杂)153、253
无掺杂AlGaN覆层152、252
无掺杂GaInN光导层151、251
第三化合物半导体层140、240
GaInN量子阱活性层
(阱层：Ga0.92In0.08N/阻挡层：Ga0.98In0.02N)
第一化合物半导体层130、230
n型GaN层132、232
n型AlGaN覆层131、231
阱层(两层)：8nm[无掺杂]
阻挡层(三层)：10nm[掺杂浓度(Si)：2×1018cm-3]
此外，通过RIE方法去除p型GaN接触层157、257的一部分和p型GaN/AlGaN超晶格覆层156、256的一部分，并且形成脊状条纹结构(脊部158和脊部258)。在脊部158、258的两侧形成由SiO2/Si制成的层叠绝缘膜159和层叠绝缘膜259。SiO2层为下层，而Si层为上层。脊部158、258的有效折射率和层叠绝缘膜159、259的有效折射率之间的差为5×10-3～1×10-2(包括端值)，并且具体地为7×10-3。在对应于脊部158、258的顶面的p型GaN接触层157、257上，形成有第二电极(p侧欧姆电极)162、262。同时，在n型GaN基板121、221的背面上，形成有由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)161和第一电极(n侧欧姆电极)261。具体来说，层叠绝缘膜159、259具有SiO2/Si层叠结构。
在第二实施例的锁模激光二极管器件110中，在从第三化合物半导体层140及其邻近区域产生的光密度分布中，作为Mg掺杂化合物半导体层的p型AlGaN电子阻挡层153、p型GaN/AlGaN超晶格覆层156和p型GaN接触层157尽可能地布置为彼此不重叠。因此，可在不降低内部量子效率的范围内抑制内部损耗。因此，减小了激光振荡开始时的阈值电流Ith。此外，发现通过提高从第三化合物半导体层140至p型AlGaN电子阻挡层153的距离d的值，可减小内部损耗αi。还发现，如果值d变为一定值以上，则空穴注入阱层的效率降低，且因此降低了第三化合物半导体层140中的电子空穴复合率，并且降低了内部量子效率ηi。于是，从第三化合物半导体层140至p型AlGaN电子阻挡层153的距离d设定为0.10μm，脊部(脊状条纹结构)的高度设定为0.30μm，位于第二电极162和第三化合物半导体层140之间的第二化合物半导体层150的厚度设定为0.50μm，并且位于第二电极162下方的p型GaN/AlGaN超晶格覆层156的部分的厚度设定为0.40μm。“电子阻挡层153和第三化合物半导体层140之间的距离d”指的是电子阻挡层153面对第三化合物半导体层140的部分(界面)和第三化合物半导体层140面对电子阻挡层153的部分(界面)之间的距离。半导体光放大器200的构成和配置类似于锁模激光二极管器件110的前述构成和前述配置。
在第二实施例中，第二电极162、262由厚度为0.1μm的Pd单层构成。而且，在第二实施例中，将构成锁模激光二极管器件110的第二电极162隔离成第一部分162A和第二部分162B的隔离沟槽162C的宽度为1μm以上，并且为谐振器长度的50％以下。而且，可饱和吸收区142的长度短于发光区141的长度。此外，第二电极162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140的长度。具体来说，谐振器长度Z″设定为0.60mm，第二电极162的第一部分162A的长度设定为0.52mm，第二部分162B的长度设定为0.06mm，并且隔离沟槽162C的宽度(沿谐振器长度方向的长度)设定为0.02mm。
具有交替层叠有p型GaN层和p型AlGaN层的超晶格结构的p型GaN/AlGaN超晶格覆层156、256的厚度为0.7μm以下，并且具体地为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p型AlGaN层的总层数为160。而且，从第三化合物半导体层140、240至第二电极162、262的距离为1μm以下，并且具体地为0.5μm。此外，以Mg而对构成第二化合物半导体层150、250的p型AlGaN电子阻挡层153、253和p型GaN/AlGaN超晶格覆层156、256以及p型GaN接触层157、257进行掺杂，使Mg的浓度为1×1019cm-3以上(具体地为2×1019cm-3)。此外，第二化合物半导体层150、250从第三化合物半导体层侧起设有无掺杂化合物半导体层(无掺杂GaInN光导层151、251以及无掺杂AlGaN覆层152、252)和p型化合物半导体层。从第三化合物半导体层140至p型化合物半导体层(具体地为p型AlGaN电子阻挡层153、253)的距离d为1.2×10-7m以下，并且具体为100nm。
此外，在第二实施例中，当激光从激光源100入射至半导体光放大器200时，对半导体光放大器200的第二部分262B施加给定值的电压(小于/等于内建电压的电压)。调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置，使得在半导体光放大器200中流动的电流变为最大。
具体来说，在第二实施例中，在当激光没有从激光源100入射至半导体光放大器200的同时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器200的情况下，半导体光放大器200的第二部分262B中流动的电流为I1，在而当激光从激光源100入射至半导体光放大器200的同时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器200的情况下，半导体光放大器200的第二部分262B中流动的电流为I2，调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置，使得ΔI＝(I2-I1)的值变为最大。
图13示意性地表示当激光从激光源100入射至半导体光放大器200时，将给定值的电压施加于半导体光放大器200并且以X方向移动XYZ台的情况下，在半导体光放大器200中流动的电流ΔI的变化。随着XYZ台沿X方向移动，在半导体光放大器200中流动的电流ΔI单调地增加，直到ΔI超过最大值为止，然后单调地减小。此时，从半导体光放大器200输出的激光的光输出的变化呈现出与电流的变化样式完全相同的样式。于是，通过调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置，可使从半导体光放大器200输出的激光的光输出为最大，于是在半导体光放大器200中流动的电流变为最大。
在第二实施例的半导体光放大器200中，在当激光从激光源100入射至半导体光放大器200时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器200并且以X方向移动XYZ台的情况下，如图13所示，施加于(加在)半导体光放大器200的电压增加。在移动XYZ台的情况下，来自半导体光放大器200的光输出增加，而当这种现象发生时，光放大区(载流子注入区、增益区)241中的载流子数减小。于是，增加在半导体光放大器200中流动的电流以弥补载流子数的这种减小。第二实施例中的半导体光放大器和光输出器件的定位方法基于前述现象。可由操作员移动定位装置(XYZ台)300。否则，可基于电压测量结果，通过半导体光放大器控制装置400的指示而自动地移动定位装置(XYZ台)300。
在第二实施例中，测量施加于半导体光放大器200的电流以调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置。于是，可不依赖于外部监测装置而进行用于位置调整的测量。于是，可精确地调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置。
此外，通过监测在半导体光放大器200的第二部分262B中流动的电流I1、I2，可监视半导体光放大器200和锁模激光二极管器件110的运行状态。
在第二实施例的锁模激光二极管器件110中，第三化合物半导体层140包括可饱和吸收区142。而且，通过隔离沟槽162C将第二电极162隔离成第一部分162A和第二部分162B，第一部分162A用于通过使电流经由发光区141流入第一电极161而获得正向偏置状态，第二部分162B用于将电场施加于可饱和吸收区142。通过使电流从第二电极162的第一部分162A经由发光区141而流入第一电极161，从而得到正向偏置状态，并且通过在第一电极161和第二电极162的第二部分162B之间施加电压，而将电场加到可饱和吸收区142上。此外，在第二实施例的锁模激光二极管器件中，通过使电流从第二电极162经由层叠结构而流入第一电极161，在发光区141中产生光脉冲。
具体来说，在第二实施例的锁模激光二极管器件110中，如上所述，通过隔离沟槽162C将第二电极162隔离成第一部分162A和第二部分162B，第一部分162A用于通过使直流电流(正向偏置电流Igain)经由发光区(增益区)141流入第一电极161而获得正向偏置状态，第二部分162B用于将电场施加于可饱和吸收区142(第二部分162B用于将反向偏置电压Vsa加在可饱和吸收区142上)。第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值(也称作“隔离电阻值”)为第二电极162和第一电极161之间的电阻值的1×10倍以上，具体地为第二电极162和第一电极161之间的电阻值的1.5×103倍。此外，第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值(隔离电阻值)为1×102Ω以上，并且具体为1.5×104Ω。
此外，在第二实施例的锁模激光二极管器件110中，隔离电阻值为1×102Ω以上的第二电极162应当形成在第二化合物半导体层150上。在GaN激光二极管器件的情况下，不同于现有的GaAs激光二极管器件，p型导电类型的化合物半导体中的迁移率小。于是，在不通过离子注入等将具有p型导电类型的第二化合物半导体层150设置为高电阻，而通过隔离沟槽162C将形成在第二化合物半导体层150上的第二电极162隔离的情况下，第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值可变成第二电极162和第一电极161之间的电阻值的10倍以上，或者第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值可变成1×102Ω以上。
参照图29A、29B、30A、30B、31说明第二实施例的锁模激光二极管器件的制造方法。图29A、29B、30A、30B表示以XY平面将基板等截断的示意性局部横截面图。图31表示以YZ平面将基板等截断的示意性局部端面图。
第二电极162所要求的特性如下：
(1)包括在蚀刻第二化合物半导体层150时作为蚀刻掩模的功能；
(2)可对第二电极162进行湿式蚀刻而不使第二化合物半导体层150的光学和电气特性劣化；
(3)在第二电极162形成于第二化合物半导体层150上的情况下，表现出10-2Ω·cm2以下的接触电阻率(contact specific resistance)值；
(4)在层叠结构的情况下，构成下层金属层的材料有大的功函数，对第二化合物半导体层150表现出低的接触电阻率值，并可进行湿式蚀刻；以及
(5)在层叠结构的情况下，构成上层金属层的材料在形成脊状条纹结构时(例如在RIE方法中使用Cl2气体)具有耐蚀刻性，并且可进行湿式蚀刻。
步骤200
首先，基于已知的MOCVD方法，在基板上，具体地在n型GaN基板121的(0001)面上形成层叠结构，所述层叠结构中，依次层叠具有第一导电类型(n型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层130、包括由GaN化合物半导体构成的发光区(增益区)141和可饱和吸收区142的第三化合物半导体层(活性层)140、以及具有不同于第一导电类型的第二导电类型(p型导电类型)并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层150(参照图29A)。
步骤210
随后，在第二化合物半导体层150上形成条纹状第二电极162。具体来说，在基于真空蒸发法而在第二化合物半导体层150的整个面上方形成Pd层163后(参照图29B)，基于光刻技术而在Pd层163上形成条纹状蚀刻用抗蚀剂层。在用王水将未被蚀刻用抗蚀剂层覆盖的Pd层163去除后，去除蚀刻用抗蚀剂层。从而，可获得图30A所示的结构。可基于举离法而在第二化合物半导体层150上形成条纹状第二电极162。
步骤220
接下来，以第二电极162作为蚀刻用掩模而对第二化合物半导体层150的至少一部分进行蚀刻(在第二实施例中，对第二化合物半导体层150的一部分进行蚀刻)，以形成脊状条纹结构。具体来说，基于使用Cl2气体的RIE方法，以第二电极162作为蚀刻用掩模，对第二化合物半导体层150的一部分进行蚀刻。从而，可获得图30B所示的结构。如上所述，通过以图形化为条纹状的第二电极162作为蚀刻用掩模，以自对准方法形成脊状条纹结构。于是，在第二电极162和脊状条纹结构之间不会发生不对准。
步骤230
随后，形成用于在第二电极162中形成隔离沟槽(参照图31)的抗蚀剂层164。附图标记165表示在用于形成隔离沟槽的抗蚀剂层164中设置的开口部。接下来，将抗蚀剂层164作为湿式蚀刻用掩模，通过湿式蚀刻法，在第二电极162中形成隔离沟槽162C，从而，通过隔离沟槽162C将第二电极162隔离成第一部分162A和第二部分162B。具体来说，使用王水作为蚀刻液，并且将整个主体在王水中浸渍约10秒，从而在第二电极162中形成隔离沟槽162C。随后，去除抗蚀剂层164。因此，可获得图10所示的结构。如上所述，不同于干式蚀刻法，通过采用湿式蚀刻法，第二化合物半导体层150的光学特性和电气特性不会劣化。于是，锁模激光二极管器件的发光特性不会劣化。如果采用干式蚀刻法，有可能第二化合物半导体层150的内部损耗αi增加，阈值电压上升，并且光输出降低。在此情况中，当第二电极162的蚀刻率为ER0并且层叠主体的蚀刻率为ER1时，下列公式成立：
ER0/ER1≈1×102
如上所述，由于在第二电极162和第二化合物半导体层150之间存在高的蚀刻选择比，因此，可对第二电极162可靠地进行蚀刻而不会蚀刻层叠结构(或者，即使层叠结构被蚀刻，蚀刻量也是轻微的)。
步骤240
随后，形成n侧电极161，切割基板，并且进行进一步封装。因此，可制造锁模激光二极管器件110。
一般来说，通过使用构成半导体层的材料的电阻率值ρ(Ω·m)、半导体层的长度X0(m)、半导体层的横截面积S(m2)、载流子密度n(cm-3)、电荷量e(C)以及迁移率μ(m2/Vsec)，可将半导体层的电阻R(Ω)表示如下。
R＝(ρ·X0)/S＝X0/(n·e·μ·S)
因为p型GaN半导体的迁移率比p型GaAs半导体的迁移率小两位数以上，因此电阻值易于变高。于是，基于前述公式，发现具有1.5μm宽和0.35μm高的小横截面积的脊状条纹结构的激光二极管器件的电阻值变得较大。
图27表示通过以四端子法测量所制造的第二实施例的锁模激光二极管器件110的第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值而得到的结果。当隔离沟槽162C的宽度为20μm时，第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值为15kΩ。
在制造的第二实施例的锁模激光二极管器件110中，通过使直流电流从第二电极162的第一部分162A经由发光区141而流入第一电极161，可获得正向偏置状态，并且通过在第一电极161和第二电极162的第二部分162B之间施加反向偏置电压Vsa，对可饱和吸收区142施加电场，从而进行锁模驱动。
此外，在第二电极162的第一部分162A和第二部分162B之间的电阻值是第二电极162和第一电极161之间的电阻值的十倍以上，或者为1×102Ω以上。于是，可以可靠地抑制漏电流从第二电极162的第一部分162A流入第二电极162的第二部分162B。因此，发光区141可处于正向偏置状态，而可饱和吸收区142可以可靠地处于反向偏置状态，并且可以可靠地进行锁模运行。
此外，除了第二电极的结构不同之外，可通过与锁模激光二极管器件110的制造方法相同的制造方法来制造半导体光放大器200。于是，省略了对半导体光放大器200的制造方法的详细说明。
为促使更好地理解第二实施例的锁模激光二极管器件，制造了第二参考例的锁模激光二极管器件。在第二参考例的锁模激光二极管器件中，在表2所示的层结构中的第三化合物半导体层140的结构如下表3所示。
表3
在第二实施例中，阱层的厚度为8nm，以Si对阻挡层进行掺杂，Si的浓度为2×1018cm-3，并且缓和了在第三化合物半导体层中的QCSE效应。同时，在第二参考例中，阱层的厚度为10.5nm，并且阻挡层未掺杂杂质。
由第二实施例和第二参考例的锁模激光二极管器件构成聚光型外部谐振器，并且进行锁模驱动(参照图19A)。在图19A所示的聚光型外部谐振器中，外部谐振器由锁模激光二极管器件的在可饱和吸收区侧形成有高反射涂层(HR)的端面和外部镜13构成，并且从外部镜13提取出光脉冲。在发光区(增益区)侧的锁模激光二极管器件的端面(光出射端面)上形成有低反射涂层(AR)。作为滤光器12，主要用带通滤光器，插入所述带通滤光器以控制激光振荡波长。如下列公式所示，光脉冲序列的重复频率f由外部谐振器长度Z′决定，其中c表示光速，而n表示波导的折射率。
f＝c/(2n·Z′)
由施加于发光区141的直流电流和施加于可饱和吸收区142的反向偏置电压Vsa来决定锁模。图25A和图25B表示第二实施例和第二参考例的注入电流和光输出之间的关系(L-I特性)的反向偏置电压依赖性测量结果。在图25A和图25B中，附有附图标记“A”的测量结果为反向偏置电压Vsa＝0伏的情况下的结果，附有附图标记“B”的测量结果为反向偏置电压Vsa＝-3伏的情况下的结果，附有附图标记“C”的测量结果为反向偏置电压Vsa＝-6伏的情况下的结果，并且附有附图标记“D”的测量结果为反向偏置电压Vsa＝-9伏的情况下的结果。在图25A中，在反向偏置电压Vsa＝0伏的情况下的测量结果与在反向偏置电压Vsa＝-3伏的情况下的测量结果几乎重叠。
基于对图25A和图25B之间的比较，发现在第二参考例中，随着反向偏置电压Vsa的增加，激光振荡开始时的阈值电流Ith逐渐上升，并且与第二实施例相比，在较低的反向偏置电压Vsa时出现变化。这表明，在第二实施例的第三化合物半导体层140中，可饱和吸收效应更多地由反向偏置电压Vsa电控制。
图26A和图26B表示通过由超高速扫描照相机来测量在第二实施例和第二参考例中产生的光脉冲而获得的结果。在第二参考例中得到的图26B中，在主脉冲前后产生次脉冲分量。同时，在第二实施例中得到的图26A中，抑制了次脉冲分量的产生。所述结果可能全部由因第三化合物半导体层140的结构缓和了QCSE效应而引起的增强的可饱和吸收效应所导致。
在下表4中例示了图19A所示的第二实施例的锁模激光二极管器件的驱动条件等。Ith表示阈值电流。
表4
锁模驱动条件：
0＜Igain/Ith≤5
-20≤Vsa(伏)≤0
高反射涂层(HR)：
85≤反射率RHR(％)＜100
低反射涂层(AR)：
0＜反射率RAR(％)≤0.5
滤光器：
85≤透射率TBPF(％)＜100
0＜半宽度τBPF(nm)≤2.0
400＜峰值波长λBPF(nm)＜450
外部镜：
0＜反射率ROC(％)＜100
外部谐振器长度Z′
0＜Z′(mm)＜1500
更具体地，在第二实施例中，采用下列条件作为例子：
Igain：120mA
Ith：45mA
反向偏置电压Vsa：-11(伏)
反射率RHR：95％
反射率RAR：0.3％
透射率TBPF：90％
半宽度τBPF：1nm
峰值波长λBPF：410nm
反射率ROC：20％
外部谐振器长度Z′：150mm
同时，在第二参考例中，除了下列条件以外，采用与第二实施例的条件相同的条件：
Igain：95mA
Ith：50mA
反向偏置电压Vsa：-12.5(伏)
反射率ROC：50％
如图14A的概念图所示，使用分束器32提取出一部分从半导体光放大器200输出的激光的光输出，并且使提取出的光经由透镜33入射至光电二极管34。从而，可测量从半导体光放大器200输出的激光的光输出。在光输出从期望值变化的情况下，再次实施第二实施例的半导体光放大器的对准方法。即，在使激光从激光源100入射至半导体光放大器200的同时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器200，从而再次调整半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置，使得在半导体光放大器200中流动的电流变为最大。在半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置的再次调整结果与再次调整前的半导体光放大器关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置相同的情况下，对从半导体光放大器200输出的激光所通过的光路进行调整。例如，这种调整可通过在XYZ台35上放置反射镜31来进行。可由操作员移动XYZ台35。另外，可基于电压和光电二极管34的测量结果，通过半导体光放大器控制装置400的指示而自动地移动XYZ台35。在图14A中，位于半导体光放大器200的上游的光输出器件的元件与第二实施例的光输出器件的元件相同，于是图中未图示位于半导体光放大器200的上游的光输出器件的元件。通过采用这种方法，在光输出监视器中发生变化的情况下，可易于判断这种变化是否由半导体光放大器200关于入射至半导体光放大器200的激光的相对位置变化(即，入射激光和半导体光放大器的光导的耦合效率的变化)所引起。
第三实施例
第三实施例涉及根据本发明的第二实施方式和第三实施方式的半导体光放大器。图15A和图16表示根据第三实施例的本发明的第二实施方式的半导体光放大器的示意立体图以及脊状条纹结构的示意平面图。第二电极262的宽度窄于脊状条纹结构的宽度。在此情况中，(第二电极的宽度)/(脊状条纹结构的宽度)的值满足0.2～0.9(包括端值)。而且，图17A和图18表示根据第三实施例的本发明的第三实施方式的半导体光放大器的示意立体图以及脊状条纹结构的示意平面图。当脊状条纹结构的最大宽度为Wmax时，满足Wmax＞Wout，并且满足0.2≤Wout/Wmax≤0.9。在图18中，虽然未图示第二电极262，然而如同第一实施例，第二电极262形成于从对应于脊部的顶面的p型GaN接触层至p型AlGaN覆层的顶面的部分。
除了前述各点或除了未设有载流子非注入区之外，第三实施例的半导体光放大器的构成和配置与在第一实施例中所述的半导体光放大器的构成和配置相同，于是省略了详细说明。
如图6B所示，在近场图像的宽度窄于Wout的情况下，光场可根据诸如光密度、载流子扩散长度和器件温度等驱动条件和光输出条件而变得不稳定。于是，在第三实施例中，通过采用前述的构成和前述的结构，缓和了模式不稳定性。
第四实施例
第四实施例为第三实施例的变型。图15B表示图15A和图16所示的半导体光放大器的变化例的示意立体图，并且图17B表示图17A和图18所示的半导体光放大器的变化例的示意立体图。如图15B和图17B所示，在第四实施例中，不同于第三实施例，从光出射端面起，沿半导体光放大器的轴线而在层叠结构的内部区域中设置有载流子非注入区。除了前述各点之外，第四实施例的半导体光放大器的构成和配置与在第三实施例中所述的半导体光放大器的构成和配置相同，于是省略了详细说明。在第四实施例中，如同第二实施例，可用隔离沟槽将第二电极隔离成第一部分和第二部分。
第五实施例
第五实施例为第二实施例中的锁模激光二极管器件的变型。图19B、图20A和图20B表示外部谐振器由第五实施例的锁模激光二极管器件构成的例子。
在图19B所示的准直型外部谐振器中，外部谐振器由锁模激光二极管器件的在可饱和吸收区侧形成有高反射涂层(HR)的端面和外部镜构成，并且从外部镜提取出光脉冲。在发光区(增益区)侧的锁模激光二极管器件的端面(光出射端面)上形成有低反射涂层(AR)。图19B所示的第五实施例的锁模激光二极管器件的驱动条件等类似于前述的表4。
同时，在图20A和图20B所示的外部谐振器中，外部谐振器由锁模激光二极管器件的在可饱和吸收区侧(光出射端面)形成有反射涂层(R)的端面和外部镜构成，并且从可饱和吸收区142提取出光脉冲。在发光区(增益区)侧的锁模激光二极管器件的端面上形成有低反射涂层(AR)。图20A所示的例子为聚光型，而图20B所示的例子为准直型。图20A和图20B所示的第五实施例的锁模激光二极管器件的驱动条件等类似于前述的表4。然而，反射涂层(R)可如下表5所示。
表5
反射涂层(R)
0＜反射率RR(％)＜100
具体来说，反射率RR设定为20％。第五实施例中的锁模激光二极管器件的构成和配置与在第二实施例中所述的锁模激光二极管器件的构成和配置相同，于是省略了详细说明。
第六实施例
第六实施例也是第二实施例的锁模激光二极管器件的变型。在第六实施例中，如图20C所示，锁模激光二极管器件为单片型。第六实施例的锁模激光二极管器件的驱动条件等类似于前述的表4。第六实施例的锁模激光二极管器件的其它构成和其它配置类似于在第二实施例中所述的锁模激光二极管器件的构成和配置，于是省略了详细说明。
第七实施例
第七实施例也是第二实施例中的锁模激光二极管器件的变型。第七实施例的锁模激光二极管器件为具有设有拐弯光导的脊状条纹型分离封闭异质结构的激光二极管器件。图21表示从第七实施例的锁模激光二极管器件中的脊部158A的上方所见的示意图。第七实施例的锁模激光二极管器件的结构具有两个直线形脊部。两个脊部交叉的角度θ′的值期望地满足例如0＜θ′≤10(度)，并且优选地满足0＜θ′≤6(度)。通过采用拐弯脊状条纹型，设有低反射涂层的端面的反射率可接近于作为理想值的0％。结果，可防止会在激光二极管器件中循环的光脉冲的产生，并且可抑制与主光脉冲关联的次光脉冲的产生。第七实施例的拐弯脊状条纹型锁模激光二极管器件适用于第二实施例、第五实施例和第六实施例。第七实施例中的锁模激光二极管器件的其它构成和其它配置类似于第二实施例中所述的锁模激光二极管器件的构成和配置，于是省略了详细说明。
第八实施例
第八实施例也是第二实施例中的锁模激光二极管器件的变型。在第八实施例中，电流从第二电极162经由发光区141流入第一电极161，并且将外部电信号(RMS抖动Δsignal)从第二电极162经由发光区141而叠加于第一电极161上。图22A示意性地表示用第八实施例的锁模激光二极管器件进行锁模驱动的系统。将外部电信号从已知的外部电信号发生器发送给第二电极162。从而，光脉冲可与外部电信号同步。即，可将RMS定时抖动ΔtMILD限制为下列公式：Δsignal≤ΔtMILD。
图22A所示的第八实施例的锁模激光二极管器件的驱动条件等类似于前述的表4的驱动条件等。外部电信号的电压最大值Vp-p(单位：伏)期望地满足0＜Vp-p≤10，并且优选地满足0＜Vp-p≤3。此外，外部电信号的频率fsignal和光脉冲序列的重复频率fMILD期望地满足0.99≤fsignal/fMILD≤1.01。
更具体地，在第八实施例中，采用下列条件作为例子：
Igain：120mA
Ith：45mA
反向偏置电压Vsa：-11(伏)
反射率RHR：95％
反射率RAR：0.3％
透射率TBPF：90％
半宽度τBPF：1nm
峰值波长λBPF：410nm
反射率ROC：20％
外部谐振器长度Z′：150mm
Vp-p：2.8伏
fsignal：1GHz
fMILD：1GHz
Δsignal：1皮秒
ΔtMILD：1.5皮秒
同时，在第八参考例中，电流从第二电极162经由发光区141流入第一电极161，而未将外部电信号从第二电极162经由发光区141而叠加在第一电极161上。测量RF光谱。图28A和图28B表示第八实施例和第八参考例中的测量结果。在第八参考例中，除了下列条件以外，采用与第八实施例的条件相同的条件：
反射率ROC：50％
图28A和图28B表明相比于第八参考例，在第八实施例中的RF光谱的底部成分的面积减小。这种事实表明，第八实施例是一种其中相位噪声和定时抖动小于第八参考例的相位噪声和定时抖动的驱动方法。
第八实施例中的锁模激光二极管器件的其它构成和其它配置类似于第二实施例、第五实施例、第六实施例和第七实施例中所述的锁模激光二极管器件的构成和配置，于是省略了详细说明。
第九实施例
第九实施例也是第二实施例中的锁模激光二极管器件的变型。在第九实施例中，光信号从层叠结构的一个端面入射。图22B示意性地表示使用第九实施例的锁模激光二极管器件进行锁模驱动的系统。光信号(RMS抖动：Δopto)从由激光二极管器件构成的光信号发生器输出，并且经由透镜、外部镜、滤光器和透镜而入射至层叠结构的一个端面。从而，光脉冲可与光信号同步。即，RMS定时抖动ΔtMILD可限制为下列公式。
Δopto≤ΔtMILD。
第九实施例中的锁模激光二极管器件的其它构成和其它配置类似于在第二实施例、第五实施例、第六实施例和第七实施例中所述的锁模激光二极管器件的构成和配置，于是省略了详细说明。
以上，参照优选的实施方式描述了本发明。然而，本发明不限于前述的实施方式。在实施方式中所述的半导体光放大器、光输出器件、激光源和激光二极管器件的构成和配置仅为示例，并且可适当地进行变化。而且，在实施方式中，虽然表示了各种值，但是所述各种值同样仅为示例，于是，毋庸多言，例如如果使用的半导体光放大器、光输出器件和激光二极管器件的规格变化，则所述值也变化。例如，第二电极162可具有包括由厚度为20nm的钯(Pd)制成的下层金属层和由厚度为200nm的镍(Ni)制成的上层金属层的层叠结构。在用王水进行湿式蚀刻时，镍的蚀刻率约为钯的蚀刻率的1.25倍。
在所述实施方式中，半导体光放大器由透射型半导体光放大器构成。然而，半导体光放大器不限于此。如图14B的概念图所示，半导体光放大器可由单片型半导体光放大器构成。单片型半导体光放大器是由激光二极管器件和半导体光放大器构成的集成化主体。
在所述实施方式中，锁模激光二极管器件110设置在n型GaN基板121的{0001}面、即作为极性面的C面上。作为替代，锁模激光二极管器件110可设置在作为{11-20}面的A面、作为{1-100}面的M面、诸如{1-102}面、包括{11-24}面和{11-22}面的{11-2n}面等非极性面、或者诸如{10-11}面和{10-12}面等半极性面上。即使在锁模激光二极管器件110的第三化合物半导体层中由此产生压电极化或自发极化，也不会在沿第三化合物半导体层的厚度方向上产生压电极化，而是沿与第三化合物半导体层的厚度方向近似垂直的方向产生压电极化。于是，可排除由压电极化和自发极化引起的不利影响。{11-2n}面表示关于C面约40度的非极性面。在锁模激光二极管器件110设置于非极性面或半极性面上的情况下，可消除对阱层的厚度的限制(1nm～10nm且包括端值)和阻挡层的杂质掺杂浓度的限制(2×1018cm-3～1×1020cm-3且包括端值)。
发光区141和可饱和吸收区142的数量不限于1个。图23表示其中设置有一个第二电极的第一部分162A和两个第二电极的第二部分162B1、162B2的锁模激光二极管器件的示意端面图。在该锁模激光二极管器件中，第一部分162A的一端隔着一个隔离沟槽162C1而与一个第二部分162B1相对，并且第一部分162A的另一端隔着另一隔离沟槽162C2而与另一第二部分162B2相对。而且，在可饱和吸收区1421、1422之间夹有一个发光区141。此外，图24表示其中设置有两个第二电极的第一部分162A1、162A2和一个第二电极的第二部分162B的锁模激光二极管器件的示意端面图。在该锁模激光二极管器件中，第二部分162B的一端隔着一个隔离沟槽162C1而与一个第一部分162A1相对，并且第二部分162B的另一端隔着另一隔离沟槽162C2而与另一第一部分162A2相对。此外，在发光区1411、1412之间夹有一个可饱和吸收区142。
此外，作为第二实施方式的变化例，在激光从激光源入射至半导体光放大器的同时，可将给定值的电流施加于半导体光放大器，从而调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得施加于(加在)半导体光放大器上的电压变为最大。在此情况中，在测量从半导体光放大器输出的激光的光输出并且光输出从期望值变化的情况下，可在使激光从激光源入射至半导体光放大器的同时，将给定值的电流施加于半导体光放大器，从而再次调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得施加于(加在)半导体光放大器上的电压变为最大。此外，在半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置的再次调整的结果与再次调整前的半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置相同的情况下，可调整从半导体光放大器输出的激光所通过的光路。具体来说，在激光未从激光源入射至半导体光放大器的同时使给定值的电流I0流入半导体光放大器的情况下，施加于(加在)半导体光放大器上的电压为V1，而在激光从激光源入射至半导体光放大器的同时使给定值的电流I0流入半导体光放大器的情况下，施加于(加入)半导体光放大器的电压为V2，可调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得ΔV＝(V2-V1)的值变为最大。作为电流的给定值，例如可以为0毫安＜ΔI≤20毫安。
此外，作为第二实施方式的变化例，在有激光从激光源入射至半导体光放大器的同时，可将给定值的电压施加于半导体光放大器，从而调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得半导体光放大器中流动的电流变为最大。在此情况中，当测量从半导体光放大器输出的激光的光输出并且光输出从期望值变化时，可在使激光从激光源入射至半导体光放大器的同时，将给定值的电压施加于半导体光放大器，从而再次调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得在半导体光放大器中流动的电流变为最大。此外，在半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置的再次调整的结果与再次调整前的半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置相同的情况下，可调整从半导体光放大器输出的激光所通过的光路。具体来说，在激光未从激光源入射至半导体光放大器的同时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器的情况下，流入半导体光放大器的电流为I1，而在激光从激光源入射至半导体光放大器的同时将给定值的电压V0施加于半导体光放大器的情况下，流入半导体光放大器的电流为I2，可调整半导体光放大器关于入射至半导体光放大器的激光的相对位置，使得ΔI＝(I2-I1)的值变为最大。作为给定值的电压，例如可以为0伏≤ΔV≤5伏。
本领域的技术人员应当明白，在不脱离所附权利要求及其等同物的范围内，取决于设计需要和其它因素可出现各种变化、组合、子组合和替代。

Claims (14)

1.一种半导体光放大器，其包括：
层叠结构，其中依次层叠有具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区的第三化合物半导体层、以及具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
第二电极，其形成于所述第二化合物半导体层上；和
第一电极，其电连接于所述第一化合物半导体层，
其中，所述层叠结构具有脊状条纹结构，
当在光出射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout>Win，并且
从所述光出射端面起，沿所述半导体光放大器的轴线而在所述层叠结构的内部区域中设有载流子非注入区。
2.如权利要求1所述的半导体光放大器，其中，Wout为5μm以上。
3.如权利要求1所述的半导体光放大器，其中，Win为1.4μm～2.0μm且包括端值。
4.如权利要求1至3之任一项所述的半导体光放大器，其中，在所述载流子非注入区中未设有所述第二电极。
5.如权利要求1至3之任一项所述的半导体光放大器，其中，所述第二电极由被隔离沟槽隔离的第一部分和第二部分构成，并且所述第二电极的第二部分设置在所述载流子非注入区中。
6.如权利要求5所述的半导体光放大器，其中，对所述第二电极的第二部分施加有小于/等于内建电压的电压。
7.一种半导体光放大器，其包括：
层叠结构，其中依次层叠有具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区的第三化合物半导体层、以及具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
第二电极，其形成于所述第二化合物半导体层上；和
第一电极，其电连接于所述第一化合物半导体层，
其中，所述层叠结构具有脊状条纹结构，
当在光出射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout>Win，并且
所述第二电极的宽度窄于所述脊状条纹结构的宽度，
其中，从所述光出射端面起，沿所述半导体光放大器的轴线而在所述层叠结构的内部区域中设有载流子非注入区。
8.如权利要求7所述的半导体光放大器，其中，所述第二电极的宽度与所述脊状条纹结构的宽度的比值为0.2～0.9且包括端值。
9.一种半导体光放大器，其包括：
层叠结构，其中依次层叠有具有第一导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第一化合物半导体层、具有由GaN化合物半导体构成的光放大区的第三化合物半导体层、以及具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型并且由GaN化合物半导体构成的第二化合物半导体层；
第二电极，其形成于所述第二化合物半导体层上；和
第一电极，其电连接于所述第一化合物半导体层，
其中，所述层叠结构具有脊状条纹结构，
当在光出射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Wout，并且在光入射端面中的所述脊状条纹结构的宽度为Win时，满足Wout>Win，并且
当所述脊状条纹结构的最大宽度为Wmax时，满足Wmax>Wout，
其中，从所述光出射端面起，沿所述半导体光放大器的轴线而在所述层叠结构的内部区域中设有载流子非注入区。
10.如权利要求9所述的半导体光放大器，其中，满足0.2≤Wout/Wmax≤0.9。
11.如权利要求9所述的半导体光放大器，其中，在所述载流子非注入区中未设有所述第二电极。
12.如权利要求9所述的半导体光放大器，其中，所述第二电极由被隔离沟槽隔离的第一部分和第二部分构成，并且所述第二电极的第二部分设置在所述载流子非注入区中。
13.如权利要求9至12之任一项所述的半导体光放大器，其中，所述半导体光放大器的所述轴线与所述脊状条纹结构的轴线以给定的角度相交。
14.如权利要求9至12之任一项所述的半导体光放大器，其中，所述光出射端面中的所述脊状条纹结构的宽度与从所述半导体光放大器输出的激光的宽度的比值为1.1～10且包括端值。
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