CN102629732A - 次载具、次载具组件和次载具装配方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种具有阻止制造成本的增加与成品率和可靠性的减小的结构和构造并包括倾斜波导的次载具、次载具组件和次载具装配方法。具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上的次载具，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成，次载具包括：第一表面上的熔接材料层；以及形成于熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。

Description

次载具、次载具组件和次载具装配方法
技术领域
本技术涉及一种用来装配半导体发光元件的次载具(sbumount，基座)、使用该次载具的次载具组件、和次载具装配方法。
背景技术
近来，对于使用阿秒范围或飞秒范围中的脉冲宽度的激光的前沿科学领域中的研究人员来说，已经频繁地使用超短脉冲/超高功率激光。此外，除了对皮秒或飞秒的时标上的超快现象的科学兴趣以外，已经积极地进行了使用用于实际应用的高峰值功率的超短脉冲激光的应用研究，例如微细加工或双光子成像。此外，希望具有405nm的发光波长的由基于GaN的化合物半导体制成的高功率/超短脉冲激光二极管元件用作期望成为遵循蓝光光盘系统的下一代光盘系统的体积型光盘系统的光源，机械场、生物成像场等中必须的光源，或覆盖整个可见光范围的相干光源。
作为超短脉冲/超高功率激光，例如，钛/蓝宝石激光是已知的；然而，钛/蓝宝石激光是昂贵且大的固体激光光源，这是技术传播的主要障碍。如果通过使用激光二极管或激光二极管元件来实现超短脉冲/超高功率激光，则考虑的是要实现超短脉冲/超高功率激光的尺寸、价格和能耗的大幅度减小以及超短脉冲/超高功率激光的高稳定性，从而获得促进超短脉冲/超高功率激光在这些领域中的普遍使用的突破。
具有作为这种405nm波长高峰值功率的皮秒脉冲光源的全半导体结构的激光二极管装置组件典型地具有MOPA(主振荡功率放大器)构造。更具体来说，该激光二极管装置组件由产生皮秒脉冲的激光二极管和放大所产生的皮秒脉冲的半导体光学放大器(SOA，半导体激光放大器)构成。这里，光学放大器不将光学信号转换成电信号地直接放大光学信号本身，具有没有共振器的激光结构，并用放大器的光学增益放大入射光。更具体地，一种具有产生皮秒脉冲的MOPA构造的脉冲光源是包括外部共振器的模式锁定的激光二极管装置组件。
可通过减小激光二极管元件的两个端面的反射率来实现半导体光学放大器。为了减小反射率，典型地执行对端面施加由介电多层膜构成的无反射涂层的技术；然而，即使对包括垂直于端面的波导的激光二极管元件的端面施加无反射涂层，残留反射率仍较高，并难以实现具有足够光学增益的半导体光学放大器。因此，在包括被布置为相对于端面倾斜的波导(即，倾斜波导)的半导体光学放大器中使用减小有效反射率的技术。此外，在希望和用外反射镜构造模式锁定的激光二极管元件组件的情况一样减小激光二极管元件的端面的反射率的情况中，采用将波导相对于端面倾斜地布置的技术，即采用包括倾斜波导的激光二极管元件，也是有效的。
在实际使用激光二极管元件或半导体光学放大器(在下文中统称为“半导体发光元件”)的情况中，必须将半导体发光元件与透镜、光学装置、光学元件或其他装置有效地光学耦接。然而，如上所述，当安装具有相对于半导体发光元件的端面倾斜的波导的半导体发光元件以允许其轴线与系统的光轴平行时，按照斯涅耳定律，从半导体发光元件发出的光以一定角度相对于系统的光轴倾斜。因此，存在这样的问题：不允许没有变化地使用相关领域中的系统。此外，在半导体光学放大器中，存在这样的问题：入射光的光耦合效率下降。
因此，作为解决这种问题的一种方法，日本未审查专利申请公开No.2007-088320公开了一种使热沉的载具部分倾斜的技术，日本未审查专利申请公开No.H11-087840公开了一种在激光二极管元件的p侧接触层上形成标记17和18的技术。
发明内容
在日本未审查专利申请公开No.2007-088320中公开的技术中，当改变激光二极管元件的设计时，必须改变热沉的形状。典型地，用模具来形成热沉。因此，每当改变设计时必须形成模具，并增加半导体发光元件的制造成本。此外，在日本未审查专利申请公开No.H11-087840中公开的技术中，由于形成标记17和18而增加了处理时间，并且，诸如由标记17和18的形成导致的成品率和可靠性的减小的问题可能出现。
因此，希望提供一种具有防止出现包括半导体发光元件(包括倾斜波导)的制造成本的增加和成品率或可靠性的减小的问题的结构和构造并用来装配半导体发光元件的次载具、使用该次载具的次载具组件、和次载具装配方法。
根据该技术的一个实施方式，提供了一种具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上的次载具，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成，次载具包括：
第一表面上的熔接材料层；以及
形成于熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。
根据本发明的第一实施方式，提供了一种次载具组件，其包括：
包括波导的半导体发光元件，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
次载具，允许将半导体发光元件固定在其第一表面上，
其中，次载具包括：
第一表面上的熔接材料层；以及
形成于熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。
根据该技术的第二实施方式，提供了一种次载具组件，其包括：
具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上的次载具，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
热沉，允许在其上安装次载具，
其中，次载具包括：
次载具的第一表面上的熔接材料层；
形成于面向次载具的第一表面的第二表面上的粘合层；以及
形成于熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，并且
将次载具安装在热沉上，在其之间具有粘合层。
根据该技术的第一实施方式，提供了一种次载具装配方法，是一种装配次载具组件的方法，该次载具组件包括：
包括波导的半导体发光元件，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
次载具，允许将半导体发光元件固定在其第一表面上，
次载具包括：
第一表面上的熔接材料层；以及
形成于熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，
该方法包括：
将次载具和半导体发光元件相对于对准标记对准，熔融并冷却熔接材料层以将半导体发光元件安装在次载具上。
根据该技术的第二实施方式，提供了一种次载具装配方法，是一种装配次载具组件的方法，次载具组件包括：
具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上的次载具，波导具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
热沉，允许在其上安装次载具，
次载具包括：
第一表面上的熔接材料层；
形成于熔接材料层中的对准标记，  允许以角度θSM=sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别对准标记，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，
将次载具安装在热沉上，在其之间具有粘合层，
该方法包括：
将次载具和热沉相对于对准标记对准，熔融并冷却粘合层以将次载具安装在热沉上。
可组合根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法，在此情况中，可以按照根据该技术的第一实施方式的次载具装配方法和根据该技术的第二实施方式的次载具装配方法这样的顺序执行，或可以按照根据该技术的第二实施方式的次载具装配方法和根据该技术的第一实施方式的次载具装配方法这样的顺序执行。或者，可同时执行根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法。
在根据该技术的实施方式的次载具中，在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中，并在根据该技术的第一和第二实施方式的装配次载具组件的方法中，在熔接材料层中形成允许以角度θSM=sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别的对准标记。因此，在包括倾斜波导的半导体发光元件中，不大可能出现诸如增加装配成本和减小成品率与可靠性的问题。此外，允许将包括倾斜波导的半导体发光元件简单地装配在现有技术的系统中，并允许提高半导体发光元件的光耦合效率，从而变型例整个系统的性能。此外，并非必须彻底改变形成半导体发光元件或次载具的现有过程，允许通过使用图像识别设备来执行安装；因此，允许明显地降低制造成本和运行成本。
应该理解的是，上述一般描述和以下详细描述是代表性的，旨在提供所要求的技术的进一步的说明。
附图说明
包括附图以提供公开内容的进一步理解，并包含在本说明书中或组成本说明书的一部分。附图示出了实施方式，并与说明书一起用来说明该技术的原理。
图1A和图1B分别是实施例1的次载具组件的示意性平面图和示意性端视图。
图2是实施例1的次载具组件的变型例的示意性平面图。
图3是实施例1的次载具组件的另一变型例的示意性平面图。
图4是实施例1的次载具组件的又一变型例的示意性平面图。
图5是实施例1的次载具组件的进一步变型例的示意性平面图。
图6是实施例1的次载具组件的更进一步变型例的示意性平面图。
图7是实施例1的次载具组件的更进一步变型例的示意性平面图。
图8是实施例1的次载具组件的更进一步变型例的示意性平面图。
图9是实施例1的次载具组件的更进一步变型例的示意性平面图。
图10是实施例1中的激光二极管元件沿着包括激光二极管元件的波导的轴线的假想垂直平面剖开的示意性端视图。
图11是实施例1中的激光二极管元件沿着垂直于激光二极管元件的波导的轴线的假想垂直平面剖开的示意性端视。
图12A和图12B是示出了通过使用实施例1中的模式锁定激光二极管元件形成外部共振器来执行模式锁定驱动的系统的示意图。
图13A、图13B和图13C是示出了通过使用实施例1中的激光二极管元件形成外部共振器来执行模式锁定驱动的系统的示意图。
图14是实施例2的次载具组件的示意性平面图。
图15是包括半导体光学放大器的实施例2的光输出装置的概念图。
图16是实施例2的半导体光学放大器沿着包括半导体光学放大器的轴线的假想垂直平面剖开的示意性截面图。
图17是实施例2的半导体光学放大器沿着垂直于半导体光学放大器的轴线的假想垂直平面剖开的示意性截面图。
图18A和图18B分别是表示当电流从实施例2的半导体光学放大器中的第二电极通向第一电极并在第二电极和第一电极中施加电压时的光输出的曲线图，和表示当电流从实施例2的光学放大器中的第二电极通向第一电极时的光输出的曲线图。
图19A、图19B和图19C分别是反射半导体光学放大器、共振半导体光学放大器和单片式半导体光学放大器的概念图。
图20是实施例3的半导体光学放大器沿着包括半导体光学放大器的轴线的假想垂直平面剖开的示意性截面图。
图21是实施例3的半导体光学放大器的变型例沿着包括半导体光学放大器的轴线的假想垂直平面剖开的示意性截面图。
图22是实施例4的次载具组件的示意性平面图。
图23是实施例1中的激光二极管元件的变型例沿着包括激光二极管元件的变型例的波导的轴线的假想垂直平面剖开的示意性端视图。
图24是实施例1中的激光二极管元件的另一变型例沿着包括激光二极管元件的变型例的波导的轴线的假想垂直平面剖开的示意性端视图。
图25A和图25B是用于描述制造实施例1的激光二极管元件的方法的基板等的示意性部分截面图。
图26A和图26B是图25B之后的用于描述制造实施例1的激光二极管元件的方法的基板等的示意性部分截面图。
图27是图26B之后的用于描述制造实施例1的激光二极管元件的方法的基板等的示意性部分端视图。
具体实施方式
将参考实施例和附图描述本技术；然而，该技术并不限于此，通过图示可给出实施例中的各种值和材料。应注意，将以以下顺序给出描述。
1.根据本技术的一个实施方式的次载具，根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件，根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法，以及一般描述。
2.实施例1(根据该技术的实施方式的次载具，根据该技术的第一实施方式的次载具组件，以及根据该技术的第一实施方式的次载具装配方法)。
3.实施例2(实施例1的变型例)。
4.实施例3(实施例2的变型例)。
5.实施例4(该技术的次载具，根据该技术的第二实施方式的次载具组件，根据该技术的第二实施方式的次载具装配方法)，等等。
根据该技术的第一实施方式的次载具组件可进一步包括允许在其上安装次载具的热沉。
在根据该技术的实施方式的次载具中，在包括上述优选形式的根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中，和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，半导体发光元件可由激光二极管元件或半导体光学放大器(SOA，半导体激光放大器)构成。
包括上述各种优选形式和构造在内，在根据该技术的实施方式的次载具中、在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中、和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，当将半导体发光元件安装在次载具上时，次载具的轴线和半导体发光元件的轴线可彼此以θSM(度)相交。然后，在这种构造中，熔接材料层可设置有两个或多个点状对准标记，连接两个对准标记的直线可与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交，或者熔接材料层可设置有一个或多个条状对准标记，对准标记的轴线可与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
或者，包括上述各种优选形式和构造在内，在根据该技术的实施方式的次载具中、在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中、和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，可在面向第一表面的第二表面上形成粘合层，并可将次载具安装在热沉上，在其之间具有粘合层，并且，当将次载具安装在热沉上时，次载具的轴线和热沉的轴线可彼此以θSM(度)相交。在这种构造中，熔接材料层可设置有两个或多个点状对准标记，连接两个对准标记的直线可与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交，或者熔接材料层可设置有一个或多个条状对准标记，对准标记的轴线可与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
在熔接材料层设置有两个点状对准标记的情况中，可将这两个对准标记布置为允许连接两个对准标记的直线与次载具的轴线以θSM(度)相交，或与次载具的轴线以(90-θSM)(度)相交。此外，在熔接材料层设置有三个点状对准标记的情况中，可将这三个对准标记布置为允许连接第一对准标记和第二对准标记的直线与连接第二对准标记和第三对准标记的直线分别和次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。此外，在熔接材料层设置有四个点状对准标记的情况中，可将这四个点状对准标记布置为允许连接第一对准标记和第二对准标记的直线与连接第三对准标记和第四对准标记的直线和次载具的轴线以θSM(度)相交，并允许连接第一对准标记和第四对准标记的直线与连接第二对准标记和第三对准标记的直线和次载具的轴线以(90-θSM)(度)相交。
在熔接材料层设置有一个条状对准标记的情况中，可将这一个条状对准标记布置为允许其轴线与次载具的轴线以θSM(度)相交，或与次载具的轴线以(90-θSM)(度)相交。在熔接材料层设置有两个条状对准标记的情况中，可将这两个条状对准标记布置为允许其轴线与次载具的轴线以θSM(度)相交，或允许其轴线与次载具的轴线以(90-θSM)(度)相交，或允许一个条状对准标记的轴线和另一个条状对准标记的轴线分别与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。在熔接材料层设置有三个条状对准标记的情况中，可将这三个条状对准标记布置为允许这三个条状对准标记中的两个的轴线和剩余的条状对准标记的轴线分别与次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交，或分别与次载具的轴线以(90-θSM)(度)或θSM(度)相交。在熔接材料层设置有四个条状对准标记的情况中，可将这四个条状对准标记布置为允许第一条状对准标记和第三条状对准标记的轴线与第二条状对准标记和第四条状对准标记的轴线分别和次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
包括上述各种优选形式和构造在内，在根据该技术的实施方式的次载具中、在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中、和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，熔接材料层可具有按顺序从第一表面侧包括Au层和Au-Sn合金层(例如，Au80Sn20合金层)的层压结构，对准标记可由形成于Au-Sn合金层中的开口构成，并可在开口的底部暴露Au层。在这种构造中，对准标记可由图像识别设备轻松地检测到。然而，熔接材料层的结构不限于此，熔接材料层可具有按顺序从第一表面侧包括Au层和Au-Sn合金层的层压结构。在具有这种两层结构的熔接材料层中，Au-Sn合金层的投影图像优选地包括在Au层的投影图像中，从而允许，例如，用连接工艺将电线等与Au层连接。然而，熔接材料层不限于这种材料构造和层结构。可用所谓的低熔点金属(合金)材料、焊接材料或铜焊材料作为形成熔接材料层的材料或形成粘合层的材料，材料的实例包括In(具有157℃的熔点的铟)；基于铟-金的低熔点合金；基于锡(Sn)的高温焊料，例如Sn80Ag20(具有220℃至370℃的熔点)和Sn95Cu5(具有227℃至370℃的熔点)；基于铅(Pb)的高温焊料，例如Pb97.5Ag2.5(具有304℃的熔点)，Pb94.5Ag5.5(具有304℃至365℃的熔点)和Pb97.5Ag1.5Sn1.0(具有309℃的熔点)；基于锌(Zn)的高温焊料，例如Zn95Al5(具有380℃的熔点)；基于锡-铅的标准焊料，例如Sn5Pb95(具有300℃至314℃的熔点)和Sn2Pb98(具有316℃至322℃的熔点)；铜焊材料，例如Au88Ga12(具有381℃的熔点)(所有下标表示的是原子百分比at％)。应注意，在加热半导体发光元件和次载具以结合在一起、以及加热热沉和次载具以结合在一起的情况中，形成将在后面的过程中加热的粘合层或熔接材料层的材料的熔点必须低于形成将在之前的过程中加热的熔接材料层或粘合层的材料的熔点。在同时加热半导体发光元件和次载具、以及热沉和次载具以结合在一起的情况中，允许使用与形成熔接材料层和粘合层的材料相同的材料。允许用PVD方法形成熔接材料层和粘合层，例如真空沉积方法或溅射方法，并允许用例如蚀刻方法或剥离方法形成对准标记。
形成次载具的材料的实例包括AlN、钻石、Si和SiC，形成热沉的材料的实例包括铜、铜-钨、铜合金、铁、不锈钢、铝、铝合金、钨、钼、铜-钼和铝-碳化硅。可用已知的方法形成次载具和热沉。
此外，包括上述各种优选形式和构造在内，在根据该技术的实施方式的次载具中，在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中，和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，对准标记可与半导体发光元件重叠，或者对准标记可不与半导体发光元件重叠。在前一种情况中，半导体发光元件可由允许从半导体发光元件的上方识别对准标记的材料(例如基于GaN的化合物半导体)制成，或者，设置于半导体发光元件的对准标记上方的化合物可由透明材料制成。
为了将半导体发光元件安装在次载具上，可将将在后面描述的第二电极安装在次载具上，或可将将在后面描述的第一电极安装在次载具上。在前一种情况中，将化合物半导体层和基板以此顺序层压在次载具上；因此，以所谓的向下连接方式安装半导体发光元件。另一方面，在后一种情况中，将基板和化合物半导体层以此顺序层压在次载具上；因此，以所谓的向上连接方式安装半导体发光元件。
此外，包括上述各种优选形式和构造在内，在根据该技术的实施方式的次载具中、在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中、和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，半导体发光元件的光入射/出射端面可从次载具突出，从而允许以所谓的向下连接方式安装半导体发光元件，并允许进一步改进用热沉冷却半导体发光元件的效果。
角度θWG可在0.1°≤θWG≤10°的范围内，优选地在2°≤θWG≤6°的范围内。在半导体发光元件具有脊条结构的情况中，波导的轴线对应于将在脊条结构的宽度方向上连接两个侧面的线段的中点连接的直线或线段的组合。此外，该轴线相对于光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)；然而，根据半导体发光元件的结构和构造，轴线可相对于光入射端面的法线、光出射端面的法线、或两个光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)。
包括上述各种优选形式和构造(在下文中简单地统称为“该技术”)在内，在根据该技术的实施方式的次载具中、在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具组件中、和在根据该技术的第一和第二实施方式的次载具装配方法中，在半导体发光元件由激光二极管元件构成的情况中，激光二极管元件可以是已知的连续波激光二极管元件，或脉冲激光二极管元件。在后一种情况中，构成模式锁定激光二极管元件的激光二极管元件的实例包括设置有发光区域和饱和吸收区域的激光二极管元件，更具体来说，允许用发光区域和饱和吸收区域的布置状态将激光二极管元件分类成发光区域和饱和吸收区域在垂直方向上布置的SAL(饱和吸收层)型和WI(低折射率波导)型，以及发光区域和饱和吸收区域在共振器(波导)方向上并列放置的多电极(multi-section)型。
这里，作为多电极型激光二极管元件的一种形式，两部分(bisection)型激光二极管元件可包括：
(a)层压结构体，通过按顺序层压第一导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层、由基于GaN的化合物半导体制成并具有发光区域和饱和吸收区域的第三化合物半导体层(活性层)，和第二导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层来构造，第二导电类型与第一导电类型不同；
(b)形成于第二化合物半导体层上的第二电极；以及
(c)与第一化合物半导体层电连接的第一电极，
其中，用分隔槽将第二电极分离成第一部分和第二部分，第一部分被构造为通过使电流通过发光区域到达第一电极来产生正向偏压状态，第二部分被构造为对饱和吸收区域施加电场。应注意，为了方便，可将具有这种构造的激光二极管元件叫作“该技术中的激光二极管元件”。
然后，希望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻高达第二电极和第一电极之间的电阻的1×10倍或更多，优选地1×102倍或更多，更优选地1×103倍或更多。应注意，为了方便，该技术中的这种激光二极管元件叫作“具有第一构造的激光二极管元件”。或者，希望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻是1×102Ω或更多，优选地1×103Ω或更多，更优选地1×104Ω或更多。应注意，为了方便，该技术中的这种激光二极管元件叫作“具有第二构造的激光二极管元件”。
在具有第一构造或第二构造的激光二极管元件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻高达第二电极和第一电极之间的电阻的10倍或更多，或是1×102Ω或更多。因此，允许可靠地抑制从第二电极的第一部分流至其第二部分的泄漏电流。换句话说，在允许增加注入发光区域(载流体注入区域、增益区域)的电流的同时，允许增加施加至饱和吸收区域(载流体非注入区域)的反向偏压Vsa；因此，可实现具有短脉冲持续时间的激光的单一模式的模式锁定操作。然后，可仅通过用分隔槽将第二电极分离成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这种高电阻。
在具有第一构造或第二构造的激光二极管元件中，通过使电流从第二电极的第一部分通过发光区域到达第一电极来产生正向偏压状态，并在第一电极和第二电极的第二部分之间施加电压以对饱和吸收区域施加电场，从而允许执行模式锁定操作。此外，希望有一种在第一电极和第二部分之间施加反向偏压的构造，即第一电极和第二部分分别是正极和负极的构造。应注意，可对第二电极的第二部分施加被施加至第二电极的第一部分的脉冲电流、与脉冲电压同步的脉冲电流或脉冲电压，或可对第二电极的第二部分施加直流偏压。此外，在使电流从第二电极通过发光区域到达第一电极的同时，可从第二电极通过发光区域对第一电极施加外部电信号，以在电流上重叠。因此，允许使光脉冲和外部电信号同步。或者，允许光信号从层压结构体的光入射端面进入。因此，允许使光脉冲和光信号同步。
此外，在该技术中的激光二极管元件中，第三化合物半导体可具有，但不限于，包括阱层和阻挡层的量子阱结构，阱层的厚度在1nm至10nm的范围内(包括1nm和10nm)，优选地在1nm至8nm的范围内(包括1nm和8nm)，阻挡层中的杂质的掺杂浓度在2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内(包括2×1018cm-3和1×1020cm-3)，优选地在1×1019cm-3至1×1020cm-3的范围内(包括1×1019cm-3和1×1020cm-3)。应注意，为了方便，该技术中的这种激光二极管元件可叫作“具有第三构造的激光二极管元件”。
当将组成第三化合物半导体层的阱层的厚度确定在1nm至10nm的范围内(包括1nm和10nm)并将组成第三化合物半导体层的阻挡层中的杂质的掺杂浓度确定在2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内(包括2×1018cm-3和1×1020cm-3)时，即，当减小阱层的厚度并增加第三化合物半导体层的载流体时，允许减小压电极化的效果，并允许获得能够产生短持续时间的具有更少数量的子脉冲分量的单模光脉冲的激光光源。此外，允许用最低可能的反向偏压实现模式锁定驱动，并允许产生与外部信号(电信号和光信号)同步的光脉冲串。包括在阻挡层中的杂质可以是，但不限于，硅(Si)，杂质可以是氧(O)。
具有第一至第三构造的激光二极管元件可以是具有脊条型的分限异质结构(SCH结构)的激光二极管元件。
此外，在该技术中的激光二极管元件中，希望第二电极的宽度在0.5μm至50μm的范围内(包括0.5μm和50μm)，优选地在1μm至5μm的范围内(包括1μm和5μm)，脊条结构的高度在0.1μm至10μm的范围内(包括0.1μm和10μm)，优选地在0.2μm至1μm的范围内(包括0.2μm和1μm)，并且，将第二电极分离成第一部分和第二部分的分隔槽的宽度在1μm以上以及共振器的长度的50％以下的范围内，优选地在10μm以上以及共振器的长度的10％以下的范围内。共振器长度可以是例如0.6mm，但不限于此。此外，脊条结构的宽度可以是例如2μm以下，脊条结构的宽度的下限可以是例如0.8μm，但其不限于此。从位于第二化合物半导体层中的脊条结构的两个侧面外部的部分的顶面到第三化合物半导体层(活性层)的距离(D)优选地是1.0×10-7m(0.1μm)以上。当以这种方式确定距离(D)时，允许在第三化合物半导体层的两侧上(称作“Y方向”)可靠地形成饱和吸收区域。可在阈值电流的上升、温度特性、长期驱动中的电流上升速度的减小等的基础上确定距离(D)的上限。应注意，在以下描述中，将共振器长度方向或波导延伸的方向定义为X方向，并将层压结构体的厚度方向定义为Z方向。
此外，在包括上述优选形式的该技术中的激光二极管元件中，或在组成该技术中的半导体发光元件的半导体光学放大器中，(为了方便，在下文中可称作“该技术中的半导体光学放大器”)，第二电极可由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、钯层/铂层层压结构(在该结构中，铂层与第二化合物半导体层接触)或钯层/镍层层压结构(在该结构中，钯层与第二化合物半导体层接触)构成。应注意，在下金属层由钯制成且上金属层由镍制成的情况中，希望上金属层的厚度是0.1μm以上，优选地0.2μm以上。或者，第二电极优选地由钯(Pd)单层构成，在此情况中，希望其厚度是20nm以上，优选地50nm以上。或者，第二电极优选地由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、铂(Pt)单层、或包括与第二化合物半导体层接触的下金属层和上金属层的层压结构构成(其中，下金属层由选自由钯、镍和铂组成的组中的一种类型的金属制成，上金属层由具有一定的蚀刻速率的金属制成，在将在后面描述的步骤(D)中形成第二电极中的分隔槽的情况中，该蚀刻速率等于、基本上等于或高于下金属层的蚀刻速率)。此外，希望用来在将在后面描述的步骤(D)中形成第二电极中的分隔槽的蚀刻剂是王水、硝酸、硫酸、盐酸，或从其中选择的两种或多种类型的混合溶液(具体来说，硝酸和硫酸的混合溶液，或硫酸和盐酸的混合溶液)。希望第二电极的宽度在0.5μm至50μm的范围内(包括0.5μm和50μm)，优选地在1μm至5μm的范围内(包括1μm和5μm)。
在包括上述优选构造和形式的该技术中的激光二极管元件中，饱和吸收区域的长度可比发光区域的长度短。或者，第二电极的长度(第一部分和第二部分的总长)可比第三化合物半导体层(活性层)的长度短。第二电极的第一部分和第二部分的具体布置状态包括：
(1)这样的状态：提供第二电极的一个第一部分和第二电极的一个第二部分，并在第二电极的第一部分和第二电极的第二部分之间设置分隔槽；
(2)这样的状态：提供一个第二电极的第一部分和两个第二电极的第二部分，第一部分的一端面向一个第二部分，在其之间具有一个分隔槽，第一部分的另一端面向另一第二部分，在其之间具有另一分隔槽；以及
(3)这样的状态：提供两个第二电极的第一部分和一个第二电极的第二部分，第二部分的一端面向一个第一部分，在其之间具有一个分隔槽，第二部分的另一端面向另一第一部分，在其之间具有另一分隔槽(也就是说，第二电极具有第二部分夹在第一部分之间的构造)。更宽泛地，布置状态包括：
(4)这样的状态：提供N个第二电极的第一部分和(N-1)个第二电极的第二部分，在第二电极的第一部分之间夹有第二电极的第二部分；
(5)这样的状态：提供N个第二电极的第二部分和(N-1)个第二电极的第一部分，在第二电极的第二部分之间夹有第二电极的第一部分；以及
(6)这样的状态：提供N个第二电极的第二部分和N个第二电极的第一部分，将第二电极的第二部分与第二电极的第一部分对准。
应注意：换句话说，状态(4)和(5)分别是(4’)和(5’)状态，在(4’)状态中，提供N个发光区域(载流体注入区域、增益区域)和(N-1)个饱和吸收区域(载流体非注入区域)，在发光区域之间夹有饱和吸收区域，在(5’)状态中，提供N个饱和吸收区域(载流体非注入区域)和(N-1)个发光区域(载流体注入区域、增益区域)，在饱和吸收区域之间夹有发光区域。应注意，当采用构造(3)、(5)和(5’)时，在具有第一至第三构造的激光二极管元件的发光端面中不太可能出现损坏。
允许用以下方法制造该技术中的激光二极管元件。更具体来说，允许用包括以下步骤的方法制造激光二极管：
(A)形成层压结构体，通过按顺序层压第一导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层、由基于GaN的化合物半导体制成并具有发光区域和饱和吸收区域的第三化合物半导体层，和第二导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层来构造所述层压结构体，第二导电类型与第一导电类型不同；
(B)在第二化合物半导体层上形成第二电极；
(C)通过用第二电极作为蚀刻掩模蚀刻第二化合物半导体层的一部分或整体来形成脊条结构；并且
(D)形成用于在第二电极中形成分隔槽的阻挡层，然后通过湿法蚀刻方法用阻挡层作为湿法蚀刻掩模在第二电极中形成分隔槽，从而用分隔槽将第二电极分离成第一部分和第二部分。
然后，当采用这种制造方法时，具体来说，当通过用第二电极作为蚀刻掩模蚀刻第二化合物半导体层的一部分或整体来形成脊条结构时，即通过用经图案化的第二电极作为蚀刻掩模的自对准方式，在第二电极和脊条结构之间不会出现不对准。此外，优选地用湿法蚀刻方法在第二电极中形成分隔槽。因此，当采用湿法蚀刻方法时，与干法蚀刻方法不同，允许抑制第二化合物半导体层的光学和电学特性的劣化。因此，允许可靠地防止发光特性的劣化。
应注意，根据将制造的激光二极管元件的构造和结构，在步骤(C)中，可在厚度方向上部分地蚀刻第二化合物半导体层，或可在厚度方向上完全蚀刻第二化合物半导体层，或可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，或可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，并进一步部分地蚀刻第一化合物半导体层。
此外，在步骤(D)中，希望满足ER0/ER1≥1×10，优选地ER0/ER1≥1×102，其中，在分隔槽形成于第二电极中的情况中，第二电极的蚀刻速率和层压结构体的扩散率分别是ER0和ER1。当ER0/ER1满足这种关系时，允许不蚀刻层压结构体地可靠地蚀刻第二电极(或仅稍微蚀刻层压结构体)。
该技术中的半导体光学放大器可由透射型半导体光学放大器构成，但不限于此，并可由反射型半导体光学放大器、共振半导体光学放大器或单片式半导体光学放大器构成。
在此情况中，透射型半导体光学放大器可包括：
(a)层压结构体，通过按顺序层压第一导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层、由基于GaN的化合物半导体制成并具有光学放大区域(载流体注入区域、增益区域)的第三化合物半导体层，和第二导电类型的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层来构造，第二导电类型与第一导电类型不同；
(b)形成于第二化合物半导体层上的第二电极；以及
(c)与第一化合物半导体层电连接的第一电极。
在这种半导体光学放大器中，层压结构体可具有脊条结构。此外，可在从光出射端面到层压结构体的内部的区域中沿着半导体光学放大器的轴线设置载流体非注入区域，例如，载流体非注入区域沿着半导体光学放大器的轴线的长度LNC(载流体非注入区域的宽度)可在1μm至100μm的范围内。此外，可在从光入射端面到层压结构体的内部的区域中沿着半导体光学放大器的轴线设置载流体非注入区域。
可在该技术中的半导体光学放大器的光入射端面和光出射端面上或该技术中的激光二极管元件的光出射端面上形成低反射涂层，该涂层由包括选自由氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层组成的组中的层的层压结构构成。
虽然其取决于形式，但是该技术中的半导体光学放大器可基本上采用上述的该技术中的激光二极管元件的各种构造。此外，虽然其取决于形式，但是该技术中的半导体光学放大器可基本上用与上述制造该技术中的激光二极管元件的方法相似的制造方法制造，但是制造方法不限于此。
在该技术中的半导体光学放大器中，激光光源可由该技术中的上述激光二极管元件构成，并且，从激光二极管元件发出的脉冲激光可进入半导体光学放大器，在此情况中，激光光源可按照模式锁定操作发出脉冲激光。然而，激光光源不限于此，并可由已知的连续波激光二极管光源、各种方式和形式(包括增益转换方式和损耗转换方式(Q转换方式))的任何已知的脉冲激光光源或诸如钛/蓝宝石激光的激光光源构成。应注意，该技术中的半导体光学放大器不将光信号转换成电信号地直接放大光信号本身，具有获得最小共振器效果的激光结构，并用半导体光学放大器的光学增益放大入射光。换句话说，例如，如上所述，该技术中的半导体光学放大器可具有与该技术中的激光二极管元件的构造和结构基本上相同或不同的构造和结构。
在包括上述优选构造和形式的该技术中的半导体发光元件中，具体来说，层压结构体可由基于AlGaInN的化合物半导体制成。具体的基于AlGaInN的化合物半导体包括GaN、AlGaN、GaInN和AlGaInN。此外，这些化合物半导体可根据需求而包括硼(B)原子、铊(Tl)原子、砷(As)原子、磷(P)原子，或锑(Sb)原子。此外，希望具有光学放大区域或发光区域(增益区域)和饱和吸收区域的第三化合物半导体层(活性层)具有量子阱结构。更具体来说，第三化合物半导体层可具有单量子阱结构(QW结构)或多量子阱结构(MQW结构)。带有量子阱结构的第三化合物半导体层(活性层)具有通过层压一个或多个阱层和一个或多个阻挡层而构成的结构；然而，(形成阱层的化合物半导体、形成阻挡层的化合物半导体)的组合的实例包括(InyGa(1-y)N，GaN)、(InyGa(1-y)N，InzGa(1-z)N)(其中y＞z)，以及(InyGa(1-y)N，AlGaN)。
此外，在包括上述优选构造和形式的该技术中的半导体发光元件中，第二化合物半导体层可具有超点阵结构，在该结构中，交替地层压p型GaN层和p型AlGaN层，超点阵结构的厚度可以是0.7μm或更小。当采用这种超点阵结构时，在保持作为包覆层所必需的高折射率的同时，允许减小半导体发光元件的串联电阻分量，从而导致减小半导体发光元件的工作电压。应注意，超点阵结构的厚度的下限可以是，但不限于，例如0.3μm，组成超点阵结构的p型GaN层的厚度可以在1nm至5nm的范围内，组成超点阵结构的p型AlGaN层的厚度可以在1nm至5nm的范围内，p型GaN层和p型AlGaN层的总层数可以在60层至300层的范围内。此外，从第三化合物半导体层到第二电极的距离可以是1μm以下，优选地0.6μm以下。当以这种方式确定从第三化合物半导体层到第二电极的距离时，允许减小具有高电阻的p型第二化合物半导体层的厚度，以实现半导体发光元件的工作电压的减小。应注意，从第三化合物半导体层到第二电极的距离的下限可以是，但不限于，例如0.3μm。此外，用1×1019cm-3以上的Mg掺杂第二化合物半导体层；第二化合物半导体层相对于来自第三化合物半导体层的405nm的波长的光的吸收系数是50cm-1以上。在材料物理特性的基础上设置Mg的原子浓度，其中，在2×1019cm-3的原子浓度时表现出最大空穴浓度，Mg的原子浓度是实现最大空穴浓度的设计的结果，即，第二化合物半导体层的最小电阻率。确定第二化合物半导体层的吸收系数，以将半导体发光元件的电阻减到最小，结果，来自第三化合物半导体层的光的吸收系数典型地是50cm-1。然而，可有目的地将Mg的掺杂量设置为2×1019cm-3以上的浓度，以增加吸收系数。在此情况中，实现实际空穴浓度的Mg的掺杂量的上限是，例如8×1019cm-3。此外，第二化合物半导体层从第三化合物半导体层侧按顺序包括未掺杂化合物半导体层和p型化合物半导体层，并且，从第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离可以是1.2×10-7m以下。当以这种方式确定从第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离时，允许不减小内部量子效率地抑制内部损耗，从而允许激光振荡开始的阈值电流Ith减小。应注意，从第三化合物半导体层到p型化合物半导体层的距离的下限可以是，但不限于，例如5×10-8m。此外，在脊条结构的两个侧面上形成由SiO2/Si层压结构构成的层压绝缘膜；脊条结构和层压绝缘膜之间的有效折射率的差可以在5×10-3至1×10-2的范围内。当使用这种层压绝缘膜时，即使在超过100毫瓦的高功率操作中，也允许保持单一基本横向模式。此外，第二化合物半导体层可具有，例如，通过从第三化合物半导体层一侧按顺序层压未掺杂GaInN层(p侧光导层)、未掺杂AlGaN层(p侧包覆层)、Mg掺杂的AlGaN层(电子阻挡层)、GaN层(Mg掺杂的)/AlGaN层超点阵结构(超点阵包覆层)和Mg掺杂的GaN层(p侧接触层)来构造的结构。希望在第三化合物半导体层中形成阱层的化合物半导体的带隙是2.4eV以上。此外，希望从第三化合物半导体层(活性层)发出的激光的波长在360nm至500nm的范围内，优选地400nm至410nm。显然，可适当地组合上述各种构成。
如上所述，在第二化合物半导体层中，可在第三化合物半导体层和电子阻挡层之间形成未掺杂化合物半导体层(例如，未掺杂GaInN层或未掺杂AlGaN层)。此外，可在第三化合物半导体层和未掺杂化合物半导体层之间形成作为光导层的未掺杂GaInN层。第二化合物半导体层的最上层可由Mg掺杂的GaN层(p侧接触层)占据。
组成该技术中的半导体发光元件的各种基于GaN的化合物半导体层按顺序形成于基板上，除了蓝宝石基板以外，基板的实例包括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，以及具有基底层或缓冲层所形成于的表面(主表面)的这些基板中的一个。在基于GaN的化合物半导体层形成于基板上的情况中，GaN基板由于低缺陷密度而通常是优选的；然而，已知GaN基板根据生长平面而表现出极性、非极性或半极性。此外，形成各种组成该技术中的半导体发光元件的基于GaN的化合物半导体层的方法包括金属有机化学蒸汽沉积方法(MOCVD方法、MOVPE方法)、分子束外延方法(MBE方法)、卤素促进传送或反应的氢化物蒸汽沉积方法，等等。
MOCVD方法中的有机镓源气体的实例包括三甲基镓(TMG)气体和三乙基镓(TEG)气体，氮源气体的实例包括氨气和肼气。为了形成n型导电类型的基于GaN的化合物半导体层，例如，可将硅(Si)作为n型杂质(n型掺杂剂)添加，并且，为了形成p型导电类型的基于GaN的化合物半导体层，例如，可将镁(Mg)作为p型杂质(p型掺杂剂)添加。当将铝(Al)或铟(In)包括为基于GaN的化合物半导体层的组成原子时，可用三甲基铝(TMA)气体作为Al源，并可用三甲基铟(TMI)气体作为In源。另外，可用甲硅烷(SiH4)作为Si源，并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。应注意，除了Si以外，n型杂质(n型掺杂剂)的实例包括Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd和Po，并且，除了Mg以外，p型杂质(p型掺杂剂)的实例包括Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg和Sr。
当第一导电类型是n型导电类型时，与n型导电类型的第一化合物半导体层电连接的第一电极优选地具有包括一种或多种类型的从以下组中选择的金属的单层结构或多层结构，所述组由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)组成，这种多层结构的实例可包括Ti/Au、Ti/Al和Ti/Pt/Au。第一电极与第一化合物半导体层电连接，并且，第一电极与第一化合物半导体层电连接的状态包括在第一化合物半导体层上形成第一电极的状态和第一电极通过导电材料层或导电基板与第一化合物半导体层连接的状态。允许用例如真空沉积方法或溅射方法的PVD方法形成第一电极和第二电极。
可在第一电极或第二电极上形成焊垫电极，以允许第一电极或第二电极与外部电极或电路电连接。希望焊垫电极具有包括一种或多种类型的从以下组中选择的金属的单层结构或多层结构，所述组由钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和镍(Ni)组成。或者，焊垫电极可具有诸如Ti/Pt/Au或Ti/Au的多层结构。
该技术中的激光二极管元件可进一步包括外反射镜。换句话说，激光二极管元件可以是外共振器型的激光二极管元件。或者，激光二极管元件可以是单片型的激光二极管元件。应注意，外共振器型的激光二极管元件可以是聚光型的或准直型的。在外共振器型的激光二极管元件中，发出光脉冲的层压结构体的光出射端面的光反射率优选地是0.5％以下。应注意，该光反射率比相关领域中的激光二极管元件中的发出光脉冲的层压结构体的光出射端面的光反射率(典型地在5％至10％的范围内)小得多。在外共振器型的激光二极管元件中，希望外共振器长度(X’，单位：mm)是0＜X’＜1500，优选地30≤X’≤150。
本技术可应用于，例如，诸如光盘系统的领域、通信领域、光信息领域、光电集成电路、非线性光学现象的应用领域、光开关、各种分析领域，例如激光测量领域、超快光谱学领域、多相激发光谱学领域、质量分析领域、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、各种使用多光子吸收的处理领域、医疗领域和生物成像领域。
[实施例1]
实施例1涉及根据该技术的实施方式的次载具、根据该技术的第一实施方式的次载具组件，和根据该技术的第一实施方式的次载具装配方法。图1A示出了实施例1的次载具组件的示意性平面图，图1B示出了沿着图1A的箭头B-B剖开的示意性端视图。此外，图10示出了沿着包括激光二极管元件的波导的轴线的假想垂直平面剖开的实施例1中的激光二极管元件的示意性端视图，图11示出了沿着垂直于激光二极管元件的波导的轴线的假想垂直平面剖开的实施例1中的激光二极管元件的示意性端视图。应注意，图10是沿着图11的箭头I-I剖开的示意性端视图，图11是沿着图10的箭头II-II剖开的示意性截面图。
实施例1中的次载具100是允许在其上固定包括波导11的半导体发光元件的次载具，波导11具有相对于半导体发光元件的光入射/出射端面(特别地，实施例1中的光出射端面)的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成，次载具100由AlN制成。次载具100的安装有半导体发光元件的第一表面101设置有用于固定半导体发光元件的熔接材料层103，并且允许以角度θSM＝Sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别的对准标记107形成于熔接材料层103中，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。此外，第二表面102设置有粘合层108。
实施例1的次载具组件包括实施例1的半导体发光元件和允许在其上固定该半导体发光元件的实施例1的次载具100。实施例1的次载具组件进一步包括允许在其上安装次载具100的热沉110，次载具100安装在热沉110上，在其之间具有粘合层108。热沉110由铝制成。
在实施例1中，半导体发光元件由激光二极管元件10构成，更具体来说，由多电极型(更具体来说，两部分型)模式锁定激光二极管元件构成，其中，发光区域和饱和吸收区域沿着波导(共振器)的轴线相对。以所谓的向上连接方式将激光二极管元件10安装在次载具100上。
将在后面描述的实施例1或实施例4中的具有405nm的发射波长的激光二极管元件10由一个具有第一至第三构造的激光二极管元件构成，并包括：
(a)层压结构体，通过按顺序层压第一导电类型(具体来说，在各个实施例中为n型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层30、由基于GaN的化合物半导体制成并具有发光区域(增益区域)41和饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(活性层)40，和第二导电类型(具体来说，在各个实施例中为p型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层50来构造，第二导电类型与第一导电类型不同；
(b)形成于第二化合物半导体层50上的第二电极62；以及
(c)与第一化合物半导体层30电连接的第一电极61。
具体来说，实施例1中的激光二极管元件10是具有脊条类型的分限异质结构(SCH结构)的激光二极管元件。更具体来说，激光二极管元件10是由为了蓝光光盘系统而开发的折射率波导型(index guide)的AlGaInN制成的基于GaN的激光二极管元件，包括倾斜波导并具有脊条结构。具体来说，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由基于AlGaInN的化合物半导体制成，更具体来说，在实施例1中，其具有以下表1所示的层结构。在此情况中，按照离n型GaN基板21的距离减小的顺序，列出了表1中的化合物半导体层。另外，在第三化合物半导体层40中形成阱层的化合物半导体的带隙是3.06eV。实施例1中的激光二极管元件10设置在n型GaN基板21的(0001)平面上，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)平面也称作“C面”，是具有极性的晶面。
[表1]
第二化合物半导体层50
p型GaN接触层(Mg掺杂的)55
p型GaN(Mg掺杂的)/AlGaN超点阵包覆层54
p型AlGaN电子阻挡层(Mg掺杂的)53
未掺杂的AlGaN包覆层52
未掺杂的GaInN光导层51
第三化合物半导体层40
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30
n型GaN包覆层32
n型AlGaN包覆层31
这里，
阱层(两层)10.5nm  未掺杂
阻挡层(三层)14nm  未掺杂
此外，用RIE方法去除p型GaN接触层55的一部分和p型GaN/AlGaN超点阵包覆层54的一部分，以形成脊条结构56。在脊条结构56的两侧上形成由SiO2/Si制成的层压绝缘膜57。SiO2层是下层，Si层是上层。在此情况中，脊条结构56和层压绝缘膜57之间的有效折射率的差在5×10-3至1×10-2的范围内(包括5×10-3和1×10-2)，更具体来说是7×10-3。在与脊条结构56的顶面相应的p型GaN接触层55上形成第二电极(p侧欧姆电极)62。另一方面，在n型GaN基板21的背面上形成由Ti/Pt/Au制成的第一电极(n侧欧姆电极)61。更具体来说，层压绝缘膜57具有SiO2/Si层压结构，脊条结构的宽度是1.5μm。
在实施例1中的激光二极管元件10中，p型AlGaN电子阻挡层53、p型GaN/AlGaN超点阵包覆层54和p型GaN接触层55(其都是Mg掺杂的化合物半导体层)与从第三化合物半导体层40及其周围产生的光密度分布尽可能少地重叠，从而不减小内部量子效率地减小内部损耗。结果，激光振荡开始时的阈值电流密度得以减小。更具体来说，从第三化合物半导体层40到p型AlGaN电子阻挡层53的距离d是0.10μm，脊条结构的高度是0.30μm，设置于第二电极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的厚度是0.50μm，设置于p型GaN/AlGaN超点阵包覆层54的第二电极62下方的一部分的厚度是0.40μm。
在实施例1中的激光二极管元件10中，用分隔槽62C将第二电极62分离成第一部分62A和第二部分62B，第一部分62A被构造为通过使DC电流通过发光区域(增益区域)41到达第一电极61来产生正向偏压状态，第二部分62B被构造为对饱和吸收区域42施加电场(第二部分62B被构造为对饱和吸收区域42施加反向偏压Vsa)。这里，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻(可称作“分离电阻”)高达第二电极62和第一电极61之间的电阻的1×10倍以上，具体来说是其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(分离电阻)是1×102Ω以上多，具体来说是1.5×104Ω。
在实施例1中的激光二极管元件10中，在其面向透镜12的光出射端面上形成具有0.5％以下的反射率(r2)，优选地0.3％以下的反射率的非反射涂层(AR)或低反射涂层。另一方面，在激光二极管元件10中面向光出射端面的一个端面上形成具有85％以上的反射率(r1)，优选为95％以上的反射率的高反射涂层(HR)。在激光二极管元件10中面向光出射端面的端面侧上设置饱和吸收区域42。非反射涂层(低反射涂层)可具有包括两种或多种类型的从以下组中选择的层的层压结构，该组由氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层组成。
实施例1中的激光二极管元件10的脉冲重现频率是1GHz。这里，面向激光二极管元件10的光出射端面的端面和外共振器之间的距离(X’)是150mm。用外共振器长度X’确定光脉冲串的重现频率，并用以下公式代表。这里，c是光速，n是波导的折射率。
f＝c/(2n·X’)
激光二极管元件10的共振器长度是600μm，第二电极62的第一部分62A、第二部分62B和分隔槽62C的长度分别是550μm、30μm和20μm。在这种激光二极管元件10中，当通过第二电极62的第一部分62A的电流是100毫安，施加至第二电极62的第一部分62A的反向偏压是18V(-18V)，在25℃的工作温度下获得9.0毫瓦的平均功率。
在实施例1中，如图1A和图2至图9所示，当在次载具100上安装半导体发光元件时，次载具100的轴线AXSM和半导体发光元件的轴线AXLE彼此以θSM(度)相交。应注意，在图中，仅用交替的长短虚线来表示轴线AXSM和AXLE的方向。实际轴线AXSM和AXLE的位置与图中所示的那些位置不同。此外，熔接材料层103设置有两个或多个点状对准标记107，连接两个对准标记107的直线与次载具100的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。或者，熔接材料层103设置有一个或多个条状对准标记107，对准标记107的轴线与次载具100的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
更具体来说，如图1A所示，熔接材料层103设置有四个点状对准标记107，这四个对准标记107被布置为允许连接第一对准标记107和第二对准标记107的直线与连接第三对准标记107和第四对准标记107的直线和次载具100的轴线以θSM(度)相交，并允许连接第一对准标记107和第四对准标记107的直线与连接第二对准标记107和第三对准标记107的直线和次载具100的轴线以(90-θSM)(度)相交。
或者，如图2所示，熔接材料层103设置有三个点状对准标记107，这三个对准标记107被布置为允许连接第一对准标记107和第二对准标记107的直线与连接第二对准标记107和第三对准标记107的直线分别和次载具100的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
或者，如图3和图4所示，熔接材料层103设置有两个点状对准标记107，这两个对准标记107被布置为允许连接两个对准标记107的直线与次载具100的轴线以(90-θSM)(度)(参考图3)或θSM(度)(参考图4)相交。
或者，如图5所示，熔接材料层103设置有四个条状对准标记107，这四个条状对准标记107被布置为允许第一条状对准标记107和第三条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以θSM(度)相交，并允许第二条状对准标记107和第四条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以(90-θSM)(度)相交。
或者，如图6所示，熔接材料层103设置有三个条状对准标记107，这三个条状对准标记107中的两个被布置为允许这两个条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以(90-θSM)(度)相交，并且这三个条状对准标记107被布置为允许剩余的一个条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以θSM(度)相交。或者，如图7所示，这三个条状对准标记107中的两个被布置为允许这两个条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以θSM(度)相交，并且这三个条状对准标记107被布置为允许剩余的一个条状对准标记107的轴线与次载具100的轴线以(90-θSM)(度)相交。
或者，如图8和图9所示，熔接材料层103设置有两个条状对准标记107，这两个条状对准标记107被布置为允许其轴线与次载具100的轴线以(90-θSM)(度)相交，或允许其轴线与次载具100的轴线以θSM(度)相交。
应注意，虽然未示出，但是可将两个条状对准标记107布置为允许一个条状对准标记107的轴线和另一条状对准标记107的轴线分别与次载具100的轴线以θSM(度)和(90-θSM)(度)相交。此外，熔接材料层103可设置有一个条状对准标记107，这一个条状对准标记107被布置为允许其轴线与次载具100的轴线以θSM(度)和(90-θSM)(度)相交。
在实施例1中，熔接材料层103具有从第一表面侧按顺序包括Au层104和Au-Sn(Au80Sn20)合金层105的层压结构，对准标记107由设置于Au-Sn合金层105中的开口106构成，在开口106的底部暴露Au层104。在具有这种两层结构的熔接材料层103中，Au-Sn合金层105的投影图像包括在Au层104的投影图像中，从而允许用连接工艺将配线等与Au层104连接。应注意，用例如真空沉积方法形成Au层104和Au-Sn合金层105。此外，允许例如用剥离方法形成开口106(对准标记107)。
在实施例1的所示次载具组件中，对准标记107与半导体发光元件不重叠。然而，对准标记107不限于这种状态，对准标记107可与半导体发光元件重叠。在此情况中，半导体发光元件必须由允许通过半导体发光元件从上方识别对准标记107的材料(例如基于GaN的化合物半导体)制成，或者，设置于半导体发光元件的对准标记107上方的部件可由透明材料制成。
角度θWG在0.1°≤θWG≤10°的范围内，优选地例如在2°≤θWG≤6°的范围内。在实施例1中，更具体来说，角度θWG是5.0°。应注意，角度θWG是12.6°，其中nLE是2.5，n0是1.0。
如上所述，希望在第二化合物半导体层50上形成具有1×102Ω的分离电阻的第二电极62。在基于GaN的激光二极管元件的情况中，与相关领域中的基于GaAs的激光二极管元件不同，由于p型导电类型的化合物半导体的迁移率较小，所以不通过在p型导电类型的第二化合物半导体层50上执行离子注入等来增加电阻，而是用分隔槽62C分离形成于p型导电类型的第二化合物半导体层50上的第二电极62，从而允许第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻高达第二电极62和第一电极61之间的电阻的10倍或更多倍，或允许第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻是1×102Ω以上。
第二电极62的必需特性如下所述。
(1)当蚀刻第二化合物半导体层50时，第二电极62用作蚀刻掩模。
(2)允许不使第二化合物半导体层50的光学和电学特性劣化地湿法蚀刻第二电极62。
(3)当在第二化合物半导体层50上形成第二电极62时，第二电极62具有10-2Ω·cm2以下的接触电阻率。
(4)当第二电极62具有层压结构时，形成下金属层的材料具有大的功函数，并相对于第二化合物半导体层50具有低接触电阻率，允许对其进行湿法蚀刻。
(5)当第二电极62具有层压结构时，形成上金属层的材料对当形成脊条结构时执行的蚀刻(例如在RIE方法中使用的氯气)具有抵抗性，允许对其进行湿法蚀刻。
在实施例1中的激光二极管元件10中，第二电极62由具有0.1μm的厚度的Pd单层构成。
应注意，具有超点阵结构(在该结构中，p型GaN层和p型AlGaN层交替地层压)的p型GaN/AlGaN超点阵包覆层54具有0.7μm以下的厚度，更具体来说0.4μm，组成超点阵结构的p型GaN层具有2.5nm的厚度，组成超点阵结构的p型AlGaN层具有2.5nm的厚度，并且，p型GaN层和p型AlGaN层的总层数是160层。此外，从第三化合物半导体层40到第二电极62的距离是1μm以下，更具体来说0.5μm。此外，组成第二化合物半导体层50的p型AlGaN电子阻挡层53、p型GaN/AlGaN超点阵包覆层54和p型GaN接触层55掺杂有1×1019cm-3以上(更具体来说，2×1019cm-3)的Mg，第二化合物半导体层50相对于具有405nm的波长的光的吸收系数是50cm-1或更大，更具体来说为65cm-1。此外，第二化合物半导体层50从第三化合物半导体层40一侧包括未掺杂的化合物半导体层(未掺杂的GaInN光导层51和未掺杂的AlGaN包覆层52)和p型化合物半导体层，从第三化合物半导体层40到p型化合物半导体层(特别地，p型AlGaN电子阻挡层53)的距离(d)是1.2×10-7m以下，具体来说为100nm。
下面将参考图25A、图25B、图26A、图26B和图27描述制造实施例1中的模式锁定激光二极管元件的方法。应注意，图25A、图25B、图26A和图26B是沿着基本上YZ平面剖开的基板等的示意性部分截面图，图27是沿着基本上XZ平面剖开的基板等的示意性部分端视图。
[步骤-100]
首先，用已知的MOCVD方法在基底上，更具体来说在n型GaN基板21的(0001)平面上形成层压结构体，该层压体是通过按顺序层压第一导电类型(n型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层30、由基于GaN的化合物半导体制成并具有发光区域(增益区域)41和饱和吸收区域42的第三化合物半导体层(活性层)40，和第二导电类型(p型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层50而构造的，第二导电类型与第一导电类型不同(参考图25A)。
[步骤-110]
这之后，在第二化合物半导体层50上形成第二电极62。更具体来说，用真空沉积方法整体地形成Pd层63(参考图25B)，然后用光刻技术在Pd层63上形成阻挡层(resist layer)。然后，使用王水去除未被用于Pd层63的蚀刻的阻挡层覆盖的部分，然后去除该用于蚀刻的阻挡层。因此，允许获得图26A所示的结构。应注意，可用剥离方法在第二化合物半导体层50上形成第二电极62。
[步骤-120]
接下来，通过使用第二电极62作为蚀刻掩模蚀刻第二化合物半导体层50的部分或整体(更具体来说，通过蚀刻第二化合物半导体层50的一部分)来形成脊条结构56。更具体来说，使用第二电极62作为蚀刻掩模，通过使用氯气的RIE方法蚀刻第二化合物半导体层50的一部分。因此，允许获得图26B所示的结构。因为使用被图案化成条形的第二电极62作为蚀刻掩模通过自对准方式来形成脊条结构56，所以在第二电极62和脊条结构56之间不会出现不对准。
[步骤-130]
这之后，形成用于在第二电极62中形成分隔槽的阻挡层64(参考图27)。应注意，参考数字65表示设置于阻挡层64中以形成分隔槽的开口。接下来，通过用阻挡层64作为湿法蚀刻掩模的湿法蚀刻方法在第二电极62中形成分隔槽62C，以用分隔槽62C将第二电极62分离成第一部分62A和第二部分62B。更具体来说，通过将整个结构浸在用作蚀刻剂的王水中大约10秒来在第二电极62中形成分隔槽62C。然后，去除阻挡层64。因此，允许获得图10和图11所示的结构。因此，当以这种方式采用湿法蚀刻方法而不是干法蚀刻方法时，第二化合物半导体层50的光学和电学特性不会劣化。因此，激光二极管元件的发光特性不会劣化。应注意，在采用干法蚀刻方法的情况中，会增加第二化合物半导体层50的内部损耗αi，以导致阈值电压的增加或光输出的下降。在此情况中，ER0/ER1≈1×102成立，其中，第二电极62的蚀刻速率是ER0，层压结构体的蚀刻速率是ER1。因为在第二电极62和第二化合物半导体层50之间存在高蚀刻选择比，所以允许不蚀刻层压结构体地(或仅稍微蚀刻层压结构体地)可靠地蚀刻第二电极62。应注意，希望满足ER0/ER1≥1×10，优选地ER0/ER1≥1×102。
第二电极62可具有包括由具有20nm厚度的钯(Pd)制成的下金属层和由具有200nm厚度的镍(Ni)制成的上金属层的层压结构。在使用王水的湿法蚀刻中，镍的蚀刻速率高达钯的蚀刻速率的大约1.25倍。
[步骤-140]
这之后，执行n侧电极的形成、基板的分裂等等。
[步骤-150]
接下来，执行实施例1的装配次载具组件的方法。更具体来说，将次载具100和半导体发光元件(激光二极管元件10)相对于对准标记107对准，然后熔融并冷却熔接材料层103以允许半导体发光元件(激光二极管元件10)安装在次载具100上。更具体来说，用图像识别设备检测对准标记107，并确定连接相应对准标记107的直线SL1和直线SL2。因为在开口106的底部暴露Au层104，所以可用图像识别设备简单地检测对准标记107。然后，移动并旋转抓住激光二极管元件10的机械手，以允许激光二极管元件10的两个面向侧和另两个面向侧分别与直线SL1和直线SL2平行，并进一步允许将激光二极管元件10的中心定位在次载具100的中心，然后向下移动机械手以将激光二极管元件10放在次载具100上。更特别地，使第一电极61和熔接材料层103彼此接触。然后，用加热器加热并熔融熔接材料层103，这之后，停止加热器以冷却熔接材料层103，从而将激光二极管元件10安装在次载具100上。
[步骤-160]
这之后，将次载具100和热沉110对准，以允许次载具100的相应侧和热沉110的相应侧彼此平行，用加热器加热并熔融粘合层108，这之后，停止加热器以冷却粘合层108，从而将次载具100安装在热沉110上。此外，执行封装以获得次载具组件。
应注意，可同时执行[步骤-150]和[步骤-160]，或可在执行[步骤-160]之后执行[步骤-150]。
典型地，通过使用形成半导体层的材料的电阻率ρ(Ω·m)、半导体层的长度X0(m)、半导体层的截面积S(m2)、载流体密度n(cm-3)、电荷e(C)和迁移率μ(m2/Vs)的以下公式来表示半导体层的电阻R(Ω)。
R＝(ρ·X0)/S
＝X0/(n·e·μ·S)
由于p型基于GaN的半导体的迁移率比p型基于GaAs的半导体的迁移率小两个以上的数量级，所以可轻松地增加电阻。因此，从以上公式中显而易见的是，具有脊条结构(具有1.5μm宽0.30μm高的小截面积)的激光二极管元件具有大电阻。
通过四端子方法测量激光二极管元件10的第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻的结果是，在分隔槽62C的宽度是20μm的情况下，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻是15kΩ。此外，在所形成的激光二极管元件10中，当使DC电流从第二电极62的第一部分62A通过发光区域41到达第一电极61以产生正向偏压状态并通过在第一电极61和第二电极62的第二部分62B之间施加反向偏压Vsa而对饱和吸收区域42施加电场时，允许执行模式锁定操作。换句话说，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻高达第二电极62和第一电极61之间的电阻的10倍或更多倍，或是1×102Ω以上。因此，允许可靠地抑制从第二电极62的第一部分62A流至第二部分62B的泄漏电流，结果，允许使发光区域41进入正向偏压状态，并允许使饱和吸收区域42可靠地进入反向偏压状态，从而允许可靠地实现单一模式中的自脉动操作。
在图12A和图12B中示出了由通过使用实施例1中的激光二极管元件执行模式锁定操作的聚光型外共振器构成的光输出装置。在这些光输出装置中，激光光源由模式锁定激光二极管元件10、透镜12、滤光器13、外反射镜14和透镜15构成。从激光光源发出的激光通过光隔离器16离开。在图12A所示的聚光型外共振器中，外共振器由高反射涂层(HR)形成于激光二极管元件的饱和吸收区域侧和外反射镜14上的端面构成，光脉冲从外反射镜14引出。在激光二极管元件的光出射端面上形成非反射涂层(AR)。主要用带通滤波器作为滤光器，并插入滤光器以控制激光的振荡波长。应注意，用施加至发光区域的DC电流和施加至饱和吸收区域的反向偏压Vsa确定模式锁定。或者，同样在图12B所示的对准型外共振器中，外共振器由高反射涂层(HR)形成于激光二极管元件的饱和吸收区域侧和外反射镜14上的端面构成，光脉冲从外反射镜14引出。在发光区域(增益区域)一侧上的激光二极管元件的一个端面(光出射端面)上形成非反射涂层(AR)。
在图13A和图13B所示的外共振器中，每个外共振器由反射涂层(R)形成于激光二极管元件的饱和吸收区域侧(光出射端面)和外反射镜上的端面构成，光脉冲从饱和吸收区域42引出。在模式锁定激光二极管元件的光出射区域(增益区域)的端面上形成低反射涂层(AR)。应注意，图13A和图13B所示的实施例分别是聚光型和对准型的。或者，如图13C所示，激光二极管元件可以是单片型的。
[实施例2]
实施例2是实施例1的变型例。在实施例2中，半导体发光元件由半导体光学放大器(SOA，半导体激光放大器)200构成。图14示出了实施例2的次载具组件的示意性平面图，图15示出了包括半导体光学放大器的概念图的实施例2的光输出装置的概念图，图16示出了沿着包括半导体光学放大器的轴线(波导延伸的方向，X方向)的假想垂直平面剖开的半导体光学放大器的示意性截面图，图17示出了沿着垂直于半导体光学放大器的轴线的假想垂直平面剖开的半导体光学放大器的示意性截面图。应注意，图16是沿着图17的箭头I-I剖开的示意性截面图，图17是沿着图16的箭头II-II剖开的示意性截面图。
更具体来说，半导体光学放大器200由透射型半导体光学放大器构成，并包括：
(a)层压结构体，通过按顺序层压第一导电类型(具体来说，在实施例2中为n型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第一化合物半导体层230、由基于GaN的化合物半导体制成并具有光学放大区域(载流体注入区域、增益区域)241的第三化合物半导体层(活性层)240，和第二导电类型(具体来说，在实施例2中为p型导电类型)的由基于GaN的化合物半导体制成的第二化合物半导体层250来构造，第二导电类型与第一导电类型不同；
(b)形成于第二化合物半导体层250上的第二电极262；以及
(c)与第一化合物半导体层230电连接的第一电极261。
在半导体光学放大器200的光入射端面201和面向光入射端面201的光出射端面203上形成低反射涂层(AR)202和204(未在图16、图20和图21中示出)。在此情况中，每个低反射涂层均具有，例如包括两种或多种类型的从以下组中选择的层的层压结构，该组由氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层组成。然后，从光入射端面201一侧入射的激光在半导体光学放大器200中被光学地放大，以在相对侧上从光出射端面203离开。激光主要在仅一个方向上引导。此外，在实施例2中，激光光源由在实施例1中描述的模式锁定激光二极管元件10构成，并且，从模式锁定激光二极管元件10离开的脉冲激光进入半导体光学放大器200。在此情况中，激光光源按照模式锁定操作发出脉冲激光。除了模式锁定激光二极管元件10、第二电极和光入射/出射端面的结构和构造以外，实施例2中的半导体光学放大器200具有和实施例1中的那些基本上相同的结构和构造。在半导体光学放大器200中，第二电极262未设置有分隔槽。在此情况中，实施例2和3的半导体光学放大器200中与在实施例1中描述的激光二极管元件中的那些相同的元件用相同参考数字加上200来表示。
实施例2中的次载具、次载具组件和装配次载具组件的方法与实施例1中描述的那些相似，将不再进一步详细地描述，除了与实施例1中不同的半导体发光元件的结构以外。
在图15所示的实施例2的光输出装置中，如实施例1中描述的，激光光源由模式锁定激光二极管元件10、透镜12、滤光器13、外反射镜14和透镜15构成。然后，从激光光源发出的激光通过光隔离器16和反射镜17进入反射镜18A。由反射镜18A反射的激光通过半波板(λ/2波板)18B和透镜18C，以进入半导体光学放大器200。应注意，将半波板(λ/2波板)18B设置为防止从半导体光学放大器200返回的光前进至激光光源。然后，在半导体光学放大器200中光学地放大激光，以通过透镜19从装置离开。
图18A和图18B示出了半导体光学放大器200的基本特性。在图18A和图18B中，示出了当电流I0从第二电极262到达第一电极261时的光输出(在图18A中用曲线“B”表示)，在图18A中，进一步示出了当电流I0从第二电极262到达第一电极261时在第二电极262和第一电极261之间施加的电压V0(在图18A中用曲线“A”表示)。应注意，水平轴表示从第二电极262到达第一电极261的电流I0的值(单位：毫安)，垂直轴表示在第二电极262和第一电极261之间施加的电压V的值(单位：伏特)和光输出(单位：毫瓦)。此外，图18A是激光不从激光光源进入半导体光学放大器200的状态的曲线图，图18B是激光(2毫瓦的光输出)从激光光源进入半导体光学放大器200的状态的曲线图。从图18A和图18B中显而易见的是，在使300毫安的电流I0从第二电极262到达第一电极261的同时激光不从激光光源进入半导体光学放大器200的情况中，来自半导体光学放大器200的光输出是2.6毫瓦，但是，在激光从激光光源进入半导体光学放大器200的情况中，来自半导体光学放大器200的光输出是8.5毫瓦，并用半导体光学放大器200将入射至半导体光学放大器200的激光放大大约3倍。应注意，在半导体光学放大器200中，不执行激光振荡。此外，从图18B中显而易见的是，当增加从第二电极262到达第一电极261的电流I0时，用半导体光学放大器200将入射至半导体光学放大器200的激光显著放大。
在实施例2中，半导体光学放大器由透射型半导体光学放大器构成，但不限于此，如图19A、图19B和图19C中的概念图所示，半导体光学放大器可由反射型半导体光学放大器、共振半导体光学放大器或单片半导体光学放大器构成。在反射型半导体光学放大器中，如图19A所示，在半导体光学放大器200的一个端面(光入射/出射端面)206上形成低反射涂层(AR)207，并在面向这一个端面206的另一端面208上形成高反射涂层(HR)209。然后，从这一个端面206入射的激光在半导体光学放大器200中光学地放大，并在相对侧上由端面208反射，以再次通过半导体光学放大器200，从而被光学地放大以从这一个端面206离开。用适当的光学元件(例如分束器或半透明反射镜)将从半导体光学放大器200发射的激光与进入半导体光学放大器200的激光分开。在反射型半导体光学放大器和透射型半导体光学放大器具有相同的装置长度的情况中，反射半导体光学放大器的放大路径长达透射半导体光学放大器的放大路径的两倍，并允许反射半导体光学放大器将激光放大至更高的等级；然而，将输入激光和输出激光分开的光学元件是必需的。在共振半导体光学放大器中，如图19B所示，在两个端面上提供具有适当反射率的涂层，在共振半导体光学放大器中共振并放大激光。当涂层的反射率过高时，导致激光振荡；因此，为了允许涂层用作光学放大器，必须调节涂层的反射率。如图19C所示，单片半导体光学放大器是激光二极管元件和半导体光学放大器的组合。
[实施例3]
实施例3是实施例2的变型例。图20示出了沿着包括半导体光学放大器的轴线(波导延伸的方向)的假想垂直平面剖开的实施例3的半导体光学放大器的示意性截面图。
在实施例3中，沿着半导体光学放大器200的轴线在从光出射端面203到层压结构体的内部的区域中设置载流体非注入区域205。在此情况中，设置LNC＝5μm，其中，沿着半导体光学放大器200的轴线的载流体非注入区域205的长度(载流体非注入区域205的宽度)是LNC。载流体非注入区域205未设置有第二电极262。整个半导体光学放大器的长度是2.0mm。应注意，还沿着半导体光学放大器200的轴线在从光入射端面201到层压结构体的内部的区域中设置载流体非注入区域。
以这种方式沿着半导体光学放大器200的轴线在从光出射端面203到层压结构体的内部的区域中设置载流体非注入区域205。因此，允许扩大从光出射端面203发射的激光的宽度；因此，可实现更高的光输出，并可实现可靠性的改进。
或者，如图21所示(图21是沿着包括半导体光学放大器的轴线(X方向)的假想垂直平面剖开的半导体光学放大器的示意性截面图)，第二电极262由用分隔槽262C分开的第一部分262A和第二部分262B构成，载流体非注入区域205设置有第二电极的第二部分262B。因此，对第二电极的第二部分262B施加比内置电压低的电压，具体来说是0伏。当对第二电极的第二部分施加比施加至第一部分的电压低的电压时，即使增加入射激光的光学强度，也允许通过包括第二部分的载流体非注入区域的存在而抑制化合物半导体层的相对折射率增加的现象，从半导体光学放大器的光出射端面发射的激光可轻易地在宽度方向上扩展。此外，由于从半导体光学放大器发射激光的区域中光出射端面占据的面积较大，所以可实现半导体光学放大器的更高的输出。
[实施例4]
实施例4涉及根据该技术的实施方式的次载具，根据该技术的第二实施方式的次载具组件，和根据该技术的第二实施方式的次载具装配方法。图22示出了实施例4的次载具组件的示意性平面图。应注意，沿着图22的箭头B-B剖开的示意性端面与图1B中的端面基本上相同。实施例4的次载具组件是包括以下部件的次载具组件：允许在其上固定包括波导11的半导体发光元件(例如实施例1中描述的激光二极管元件10或实施例2和3中描述的半导体光学放大器200)的次载具100，具有相对于其光入射/出射端面的法线以θWG(度)倾斜的轴线并由具有折射率nLE的半导体材料制成的波导11；以及用于将次载具100安装于其上的热沉110。此外，安装有次载具100的半导体发光元件的第一表面101设置有用于固定半导体发光元件的熔接材料层103，在面向次载具100的第一表面101的第二表面102上形成粘合层108，次载具100安装在热沉110上，在其之间具有粘合层108，在熔接材料层103上形成允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别的对准标记107，其中，半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。
应注意，和实施例1的情况相同，在实施例4中，在面向第一表面101的第二表面102上形成粘合层108，并在热沉110上安装次载具100，在其之间具有粘合层108，当在热沉110上安装次载具100时，次载具100的轴线和热沉110的轴线以θSM(度)彼此相交。此外，和参考图1至图9在实施例1中描述的情况相同，熔接材料层103可设置有两个或多个点状对准标记107，连接这两个对准标记107的直线可与次载具100的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交，或者熔接材料层103可设置有一个或多个条状对准标记107，对准标记107的轴线可与次载具100的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
在实施例4中的装配次载具组件的方法中，在与实施例1中的[步骤-150]相似的步骤中，相对于对准标记107对准次载具100和热沉110，然后，熔融并冷却粘合层108以将次载具100安装在热沉110上。更具体来说，用图像识别设备检测对准标记107，确定连接相应对准标记107的直线SL1和直线SL2。然后，移动并旋转抓住次载具100的机械手，以允许热沉110的两个面向侧和另两个面向侧分别与直线SL1和直线SL2以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交，并进一步允许将次载具100的中心定位在热沉110的中心。更具体来说，使粘合层108和热沉110彼此接触。然后，用加热器加热并熔融粘合层108，这之后，停止加热器以冷却粘合层108，从而将次载具100安装在热沉110上。
这之后，将次载具100和激光二极管元件10对准，以允许次载具100的相应侧和激光二极管元件10的相应侧彼此平行，用加热器加热并熔融熔接材料层103，这之后，停止加热器以冷却熔接材料层103，从而将激光二极管元件10安装在次载具100上。此外，执行封装以获得次载具组件。
应注意，可同时执行次载具100在热沉110上的安装和激光二极管元件10在次载具100上的安装，或可在将激光二极管元件10安装在次载具100上之后执行次载具100在热沉110上的安装。
虽然参考优选实施例描述了本技术，但是本技术不限于此。在优选实施例中描述的半导体发光元件、激光二极管元件、半导体光学放大器、光输出装置和激光光源的构造和结构是举例，可适当地对其进行改进。此外，在实施例中，表示了各种值，但是这些值也是举例；因此，例如当将使用的半导体发光元件、激光二极管元件、半导体光学放大器、光输出装置、激光光源的规格改变时，这些值也改变。在实施例中，将脉冲激光二极管元件描述为激光二极管元件的一个实施例；然而，激光二极管元件可以是连续波激光二极管元件。
在实施例1中，在第一电极和次载具彼此接触的同时装配次载具组件；然而，或者，可在第二电极和次载具彼此接触的同时装配次载具组件。换句话说，可以所谓的向下连接方式安装半导体发光元件。然而，在此情况中，半导体发光元件的光入射/出射端面优选地从次载具突出，以防止基板和次载具阻止激光的前进。在这种结构中，允许进一步改进热沉冷却半导体发光元件的效果。
此外，第二电极可具有包括由具有20nm厚度的钯(Pd)制成的下金属层和由具有200nm厚度的镍(Ni)制成的上金属层的层压结构。应注意，在使用王水的湿法蚀刻中，镍的蚀刻速率高达钯的蚀刻速率的大约1.25倍。
在实施例中，将半导体发光元件设置在C面上，即{0001}平面，其是n型GaN基板的极性面。在这种情况中，可能难以通过由第三化合物半导体层中的压电极化和自发极化引起的内部电场的QCSE效应(量子限制结构斯塔克效应)来用电控制饱和吸收。换句话说，在一些情况中，为了获得自脉动操作和模式锁定操作，必须增加到达第一电极的DC电流的值或施加至饱和吸收区域的反向偏压的值，或产生和主脉冲相关的子脉冲分量，否则难以合成外部信号和光脉冲。为了抑制这种现象，可将半导体发光元件设置在非极性面上，例如A面，即{11-20}面，M面，即{1-100}面，或{1-102}面，或半极性面，例如包括{11-24}面或{11-22}面的{11-2n}面，{10-11}面或{10-12}面。因此，即使在半导体发光元件的第三化合物半导体层中产生压电极化和自发极化，也不会在第三化合物半导体层的厚度方向上产生压电极化，并在基本上垂直于第三化合物半导体层的厚度方向的方向上产生压电极化；因此，允许消除由压电极化和自发极化导致的不良影响。应注意，{11-2n}面表示相对于C面形成基本上40°的非极性面。此外，在将半导体发光元件设置在非极性面或半极性平面上的情况中，允许消除阱层的厚度的限制(在1nm至10nm的范围内，包括1nm和10nm)和阻挡层中的杂质的掺杂浓度的限制(在2×1018cm-3至1×1020cm-3的范围内，包括2×1018cm-3和1×1020cm-3)。
发光区域41或饱和吸收区域42的数量不限于一个。图23示出了包括第二电极的一个第一部分62A和第二电极的两个第二部分62B1和62B2的示意性端视图。在激光二极管元件中，第一部分62A的一端面向一个第二部分62B1，在其之间具有一个分隔槽62C1，第一部分62A的另一端面向另一第二部分62B2，在其之间具有另一分隔槽62C2。因此，一个发光区域41夹在两个饱和吸收区域421和422之间。或者，图24示出了包括第二电极的两个第一部分62A1和62A2和第二电极的一个第二部分62B的模式锁定激光二极管元件的示意性端视图。在模式锁定激光二极管元件中，第二部分62B的一端面向一个第一部分62A1，在其之间具有一个分隔槽62C1，第二部分62B的另一端面向另一第一部分62A2，在其之间具有另一分隔槽62C2。因此，一个饱和吸收区域42夹在两个发光区域411和412之间。
本申请包含与2011年2月4日在日本专利局提交的日本优先权专利申请2011-022540中公开的主题相关的主体，该专利的全部内容结合于此以供参考。
本领域的技术人员应理解，根据设计需求及其他因素，可能出现各种修改、组合、子组合和改变，只要其在所附权利要求或其等价物的范围内。

Claims (19)

1.一种次载具，具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上，所述波导具有相对于所述半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成，所述次载具包括：
所述第一表面上的熔接材料层；以及
形成于所述熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别所述对准标记，其中，所述半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。
2.根据权利要求1所述的次载具，其中，
当将所述半导体发光元件安装在所述次载具上时，所述次载具的轴线和所述半导体发光元件的轴线彼此以θWG(度)相交。
3.根据权利要求2所述的次载具，其中，
所述熔接材料层设置有两个或多个点状对准标记，并且
连接两个所述对准标记的直线与所述次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
4.根据权利要求2所述的次载具，其中，
所述熔接材料层设置有一个或多个条状对准标记，并且
所述对准标记的轴线与所述次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
5.根据权利要求1所述的次载具，其中，
在面向所述第一表面的第二表面上形成粘合层，
在热沉上安装所述次载具，在其之间具有粘合层，并且
当在所述热沉上安装次载具时，所述次载具的轴线与所述热沉的轴线彼此以θSM(度)相交。
6.根据权利要求5所述的次载具，其中
所述熔接材料层设置有两个或多个点状对准标记，并且
连接两个所述对准标记的直线与所述次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
7.根据权利要求5所述的次载具，其中
所述熔接材料层设置有一个或多个条状对准标记，并且
所述对准标记的轴线与所述次载具的轴线以θSM(度)或(90-θSM)(度)相交。
8.根据权利要求1所述的次载具，其中，
所述熔接材料层具有从所述第一表面一侧按顺序包括Au层和Au-Sn合金层的层压结构，
所述对准标记由形成于Au-Sn合金层中的开口构成，并且在所述开口的底部暴露Au层。
9.根据权利要求8所述的次载具，其中，
Au-Sn合金层的投影图像包括在Au层的投影图像中。
10.根据权利要求1所述的次载具，其中，
允许所述对准标记与所述半导体发光元件重叠。
11.根据权利要求1所述的次载具，其中，
所述对准标记与所述半导体发光元件不重叠。
12.根据权利要求1所述的次载具，其中，
允许所述半导体发光元件的光入射/出射端面从所述次载具突出。
13.一种次载具组件，包括：
包括波导的半导体发光元件，所述波导具有相对于所述半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
允许所述半导体发光元件固定在其第一表面上的次载具，
其中，所述次载具包括：
所述第一表面上的熔接材料层；以及
形成于所述熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·Sin(θWG)/n0]识别所述对准标记，其中，所述半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0。
14.根据权利要求13所述的次载具组件，进一步包括：
热沉，允许所述次载具安装于其上。
15.根据权利要求13所述的次载具组件，其中，
所述半导体发光元件由激光二极管元件构成。
16.根据权利要求13所述的次载具组件，其中，
所述半导体发光元件由半导体光学放大器构成。
17.一种次载具组件，包括：
次载具，具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上，所述波导具有相对于所述半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
热沉，允许所述次载具安装于其上，
其中，所述次载具包括：
所述次载具的第一表面上的熔接材料层；
形成于面向所述次载具的第一表面的第二表面上的粘合层；以及
形成于所述熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别所述对准标记，其中，所述半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，并且将所述次载具安装在所述热沉上，在其之间具有所述粘合层。
18.一种次载具装配方法，是一种装配次载具组件的方法，所述次载具组件包括：
包括波导的半导体发光元件，所述波导具有相对于所述半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
允许所述半导体发光元件固定在其第一表面上的次载具，
所述次载具包括：
所述第一表面上的熔接材料层；以及
形成于所述熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别所述对准标记，其中，所述半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，
所述方法包括：
将所述次载具和所述半导体发光元件相对于所述对准标记对准，熔融并冷却所述熔接材料层，以将所述半导体发光元件安装在所述次载具上。
19.一种次载具装配方法，是一种装配次载具组件的方法，所述次载具组件包括：
次载具，具有第一表面并允许包括波导的半导体发光元件固定在第一表面上，所述波导具有相对于所述半导体发光元件的光入射/出射端面的法线倾斜θWG(度)的轴线，并由具有折射率nLE的半导体材料制成；以及
热沉，允许所述次载具安装于其上，
所述次载具包括：
所述第一表面上的熔接材料层；
形成于面向所述次载具的第一表面的第二表面上的粘合层；以及
形成于所述熔接材料层中的对准标记，允许以角度θSM＝sin-1[nLE·sin(θWG)/n0]识别所述对准标记，其中，所述半导体发光元件的光入射/出射端面的外部附近的透光介质的折射率是n0，
将所述次载具安装在所述热沉上，在其之间具有粘合层，
所述方法包括：
将所述次载具和所述热沉相对于所述对准标记对准，熔融并冷却所述所述粘合层，以将所述次载具安装在所述热沉上。
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