JP2014078753A - モードロック半導体レーザ素子及び半導体レーザ装置組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ分極及び自発分極の影響を低減させることができる構成を有するモードロック半導体レーザ素子の駆動方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層３０、発光領域４１及び可飽和吸収領域４２を有する第３化合物半導体層４０及び第２化合物半導体層５０が、順次、積層されて成る積層構造体、第２電極６２、並びに、第１電極６１を備え、第２電極６２は、第１部分６２Ａ及び第２部分６２Ｂに分離溝６２Ｃによって分離されており、第２電極の第１部分から発光領域を経由して第１電極に電流が流されることで順バイアス状態とされ、且つ、第１電極と第２電極の第２部分との間に電圧が印加されることで可飽和吸収領域に電界が加えられ、以て、発光領域においてシングルモードのセルフパルセーション動作する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モードロック半導体レーザ素子及び半導体レーザ装置組立体に関する。

今日、パルス時間がアト秒台、フェムト秒台のレーザ光を利用した先端的科学領域の研究に、超短パルス・超高出力レーザが盛んに用いられている。また、ＧａＮ系化合物半導体から成り、発光波長が４０５ｎｍ帯の高出力超短パルス半導体レーザ素子が、ブルーレイ（Ｂｌｕ−ｒａｙ）光ディスクシステムの次の世代の光ディスクシステムとして期待されている体積型光ディスクシステムの光源として、また、医療分野やバイオイメージング分野等で要求される光源として期待されている。

超短パルス・超高出力レーザとして、例えば、チタン／サファイア・レーザが知られているが、係るチタン／サファイア・レーザは、高価で、大型の固体レーザ光源であり、この点が、技術の普及を阻害している主たる要因となっている。もしも超短パルス・超高出力レーザが半導体レーザあるいは半導体レーザ素子によって実現できれば、大幅な小型化、低価格化、高安定性化がもたらされ、これらの分野における広汎な普及を促進させる上でのブレイクスルーになると考えられる。

一方、半導体レーザ素子の短パルス化は、通信系の分野で、１９６０年台から活発に研究されてきた。半導体レーザ素子において短パルスを発生させる方法として、利得スイッチング法、損失スイッチング法（Ｑスイッチング法）、モードロック法（モード同期法）が知られており、これらの方式にあっては、半導体レーザ素子と半導体増幅器や非線形光学素子、光ファイバー等とを組み合わせて高出力化を目指している。ここで、モードロックは、更に、能動モードロックと受動モードロックに分類される。能動モードロックに基づき光パルスを発生させるには、ミラーやレンズを用いて外部共振器を構成し、更に、半導体レーザ素子に高周波（ＲＦ）変調を加える。一方、受動モードロックでは、多電極構造を有する半導体レーザ素子を利用することで、単純な直流駆動にて光パルスを生成することができる。

半導体レーザ素子をセルフパルセーション動作させるためには、半導体レーザ素子に発光領域及び可飽和吸収領域を設ける必要がある。ここで、発光領域及び可飽和吸収領域の配置状態から、半導体レーザ素子は、発光領域と可飽和吸収領域とを垂直方向に配置したＳＡＬ（Saturable Absorber Layer）型やＷＩ（Weakly Index guide）型と、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とを並置したバイ・セクション（Bi Section）型を含む多電極型に分類することができる。バイ・セクション型半導体レーザ素子は、例えば、特開２００４−００７００２、特開２００４−１８８６７８、特開２００８−０４７６９２から周知である。多電極型のＧａＮ系半導体レーザ素子は、ＳＡＬ型半導体レーザ素子に比べて、可飽和吸収の効果が大きく、幅の狭い光パルスを生成することができるとされている。

特開２００４−００７００２ 特開２００４−１８８６７８ 特開２００８−０４７６９２

H.Yokoyama, et al: Appl. Phys. Lett. 39 (1981) 525 S. Gee and J. E. Bowers: Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1951.

ところで、モードロック法にあっては、立方晶系（主に、ＧａＡｓ系）の半導体レーザ素子では、時間幅０．６ピコ秒の光パルスが発生できることが確認されている（非特許文献１を参照）。また、六方晶系（主にＧａＮ系）の半導体レーザ素子では、２００１年に、Ｓ．Ｇｅｅらが初めてモードロック法を用いた光パルスの発生を報告している（非特許文献２を参照）。しかしながら、非特許文献２によれば、光パルスの時間幅は３０ピコ秒とまだ長いものである。

また、極性を有する基板を用いて多電極型の半導体レーザ素子を作製した場合、具体的には、例えば、ＧａＮ基板の｛０００１｝面（Ｃ面）上に多電極型のＧａＮ系半導体レーザ素子を設けた場合、ピエゾ分極又は自発分極に起因した内部電界によるＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）によって、電気的に可飽和吸収が制御し難くなる場合がある。即ち、場合によっては、セルフパルセーション動作及びモードロック動作を得るために第１電極に流す直流電流の値及び可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧の値を高くする必要が生じたり、メインパルスに付随したサブパルス成分が発生したり、外部信号と光パルスとの間での同期が取り難くなることが判った。

従って、本発明の目的は、ピエゾ分極の影響を低減させることができる構成を有するモードロック半導体レーザ素子及びその駆動方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のモードロック半導体レーザ素子、あるいは、上記の目的を達成するための本発明のモードロック半導体レーザ素子の駆動方法におけるモードロック半導体レーザ素子（以下、これらを総称して、『本発明のモードロック半導体レーザ素子等』と呼ぶ場合がある）は、
（ａ）第１導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域を有する第３化合物半導体層、並びに、第１導電型と異なる第２導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
（ｂ）第２化合物半導体層上に形成された第２電極、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、
を備え、
積層構造体は、極性を有する化合物半導体基板上に形成されており、
第３化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、８ｎｍ以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下である半導体レーザ素子である。

そして、本発明のモードロック半導体レーザ素子の駆動方法にあっては、第２電極から積層構造体を介して第１電極に電流を流すことで、発光領域において光パルスを発生させる。また、本発明のモードロック半導体レーザ素子にあっては、第２電極から積層構造体を介して第１電極に電流が流されることで、発光領域において光パルスが発生する。

本発明のモードロック半導体レーザ素子あるいはその駆動方法にあっては、第３化合物半導体層を構成する井戸層の厚さが１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下と規定され、更には、第３化合物半導体層を構成する障壁層の不純物ドーピング濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下と規定されている。即ち、井戸層の厚さを薄くし、しかも、第３化合物半導体層のキャリアの増加を図っている。そして、その結果、ピエゾ分極の影響を低減させることができ、時間幅が短く、サブパルス成分の少ない単峰化された光パルスを発生させ得るレーザ光源を得ることができる。また、低い逆バイアス電圧でモードロック駆動を達成することが可能となるし、外部信号（電気信号及び光信号）と同期が取れた光パルス列を発生させることが可能となる。それ故、例えば、体積型光ディスクシステムにおける光パルスを発生させる発振器として適用することができる。

図１は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図２は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図である。 図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、ぞれぞれ、実施例１及び実施例２のモードロック半導体レーザ素子から外部共振器を構成してモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す図である。 図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例２のモードロック半導体レーザ素子から外部共振器を構成してモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す図であり、図４の（Ｃ）は、実施例３のモードロック半導体レーザ素子を用いてモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す図である。 図５は、実施例４のモードロック半導体レーザ素子におけるリッジ部を上方から眺めた模式図である。 図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例５及び実施例６のモードロック半導体レーザ素子を用いてモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す図である。 図７は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図８は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の別の変形例の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図である。 図９は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子のセルフパルセーション動作の評価に用いた測定系を模式的に示す図である。 図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１及び比較例１の注入電流と光出力の関係（Ｌ−Ｉ特性）の逆バイアス電圧依存性測定結果を示すグラフである。 図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例１及び比較例１において発生した光パルスをストリークカメラで測定した結果を示す図である。 図１２は、実施例１にて得られたモードロック半導体レーザ素子の第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値を４端子法にて測定した結果を示すグラフである。 図１３の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、実施例５及び参考例５のＲＦスペクトルを測定した結果を示すグラフである。 図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。 図１５の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１４の（Ｂ）に引き続き、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。 図１６は、図１５の（Ｂ）に引き続き、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部端面図である。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明のモードロック半導体レーザ素子及びその駆動方法、全般に関する説明
２．実施例１（本発明のモードロック半導体レーザ素子及びその駆動方法）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１の別の変形）
６．実施例５（実施例１の別の変形）
７．実施例６（実施例１の別の変形）、その他

［本発明のモードロック半導体レーザ素子及びその駆動方法、全般に関する説明］
本発明のモードロック半導体レーザ素子等にあっては、
第３化合物半導体層は、可飽和吸収領域を更に備えており、
第２電極は、発光領域を経由して第１電極に電流を流すことで順バイアス状態とするための第１部分、及び、可飽和吸収領域に電界を加えるための第２部分に、分離溝によって分離されており、
第２電極の第１部分から発光領域を経由して第１電極に電流を流すことで順バイアス状態とし、且つ、第１電極と第２電極の第２部分との間に電圧を印加することで可飽和吸収領域に電界を加える形態とすることができる。

ここで、第１電極と第２部分との間には、逆バイアス電圧を印加する構成（即ち、第１電極を正極、第２部分を負極とする構成）とすることが望ましい。尚、第２電極の第２部分には、第２電極の第１部分に印加するパルス電流あるいはパルス電圧と同期したパルス電流あるいはパルス電圧を印加してもよいし、直流バイアスを印加してもよい。

また、上記の好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等において、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は、１×１０²Ω以上、好ましくは１×１０³Ω以上、より好ましくは１×１０⁴Ω以上であることが望ましい。あるいは又、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１×１０倍以上、好ましくは１×１０²倍以上、より好ましくは１×１０³倍以上であることが望ましい。

ここで、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値を、１×１０²Ω以上とし、あるいは又、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１０倍以上とする形態を採用することで、第２電極の第１部分から第２部分への漏れ電流の流れを確実に抑制することができる。即ち、発光領域（キャリア注入領域、利得領域）に注入する電流を大きくできると同時に、可飽和吸収領域（キャリア非注入領域）へ印加する逆バイアス電圧Ｖ_saを高くすることができる。その結果、ピークパワーの強い光パルスを有するシングルモードのセルフパルセーション動作を実現できる。しかも、第２電極の第１部分と第２部分との間のこのような高い電気抵抗値を、第２電極を第１部分と第２部分とに分離溝によって分離するだけで達成することができる。即ち、モードロックによる光パルス生成を一層容易に実現することができる。

更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等において、第２電極を第１部分と第２部分とに分離する分離溝の幅は、１μｍ以上、共振器長の５０％以下、好ましくは１０μｍ以上、共振器長の１０％以下とすることが望ましい。共振器長として、０．３ｍｍを例示することができるが、これに限定するものではない。尚、以下の説明において、共振器方向をＸ方向とし、積層構造体の厚さ方向をＺ方向とする。あるいは又、可飽和吸収領域の長さは発光領域の長さよりも短い構成とすることができる。あるいは又、第２電極の長さ（第１部分と第２部分の総計の長さ）は第３化合物半導体層の長さよりも短い構成とすることができる。ここで、第２電極の第１部分と第２部分の配置状態として、
（１）２つの第２電極の第１部分と１つの第２電極の第２部分とが設けられ、第２部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第１部分と対向し、第２部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第１部分と対向している状態（即ち、第２電極は、第２部分を第１部分で挟んだ構造）
（２）１つの第２電極の第１部分と１つの第２電極の第２部分とが設けられ、第２電極の第１部分と、第２電極の第２部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
（３）１つの第２電極の第１部分と２つの第２電極の第２部分とが設けられ、第１部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第２部分と対向し、第１部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第２部分と対向している状態
を挙げることができるが、中でも、（１）の構造とすることが望ましい。また、広くは、
（４）Ｎ個の第２電極の第１部分と（Ｎ−１）個の第２電極の第２部分とが設けられ、第２電極の第１部分が第２電極の第２部分を挟んで配置されている状態
（５）Ｎ個の第２電極の第２部分と（Ｎ−１）個の第２電極の第１部分とが設けられ、第２電極の第２部分が第２電極の第１部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。尚、（４）及び（５）の状態は、云い換えれば、
（４’）Ｎ個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］と（Ｎ−１）個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
（５’）Ｎ個の可飽和吸収領域［キャリア非注入領域］と（Ｎ−１）個の発光領域［キャリア注入領域、利得領域］とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。尚、（１）、（５）、（５’）の構造を採用することで、モードロック半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。

更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子の駆動方法にあっては、第２電極から発光領域を経由して第１電極に電流を流し、且つ、第２電極から発光領域を経由して第１電極に外部電気信号を重畳させる形態とすることができる。そして、これによって、光パルスと外部電気信号との間の同期を取ることができる。あるいは又、積層構造体の一端面から光信号を入射させる形態とすることができる。そして、これによっても、光パルスと光信号との間の同期を取ることができる。

更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等にあっては、障壁層にドーピングされた不純物はシリコン（Ｓｉ）である構成することができるが、これに限定するものではなく、その他、酸素（Ｏ）とすることもできる。

更には、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等は、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造、Separate Confinement Heterostructure）を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等は、斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する半導体レーザ素子である形態とすることができる。ここで、リッジ構造の高さは、０．１μｍ以上、１０μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上、１μｍ以下とすることが望ましいが、これに限定するものではない。また、リッジ構造の幅として２μｍ以下を例示することができ、リッジ構造の幅の下限値として、例えば、０．８μｍを挙げることができるが、これに限定するものではない。尚、リッジ部の両側面よりも外側に位置する第２化合物半導体層の部分の頂面から第３化合物半導体層までの距離（Ｄ）は１．０×１０^-7ｍ（０．１μｍ）以上であることが好ましい。距離（Ｄ）をこのように規定することによって、第３化合物半導体層の両脇（Ｙ方向）に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離（Ｄ）の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。

以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、
（Ａ）基体上に、第１導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第３化合物半導体層、並びに、第１導電型と異なる第２導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体を形成した後、
（Ｂ）第２化合物半導体層上に帯状の第２電極を形成し、次いで、
（Ｃ）第２電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジ構造を形成した後、
（Ｄ）分離溝を第２電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第２電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第２電極を第１部分と第２部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。

そして、このような製造方法を採用することで、即ち、帯状の第２電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジ構造を形成するので、即ち、パターニングされた第２電極をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジ構造を形成するので、第２電極とリッジ構造との間に合わせずれが生じることがない。また、第２電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成する。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第２化合物半導体層に光学的、電気的特性の劣化が生じることを抑制することができる。それ故、発光特性に劣化が生じることを、確実に防止することができる。

尚、工程（Ｃ）にあっては、第２化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよいし、第２化合物半導体層を厚さ方向に全部、エッチングしてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層を厚さ方向にエッチングしてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層、更には、第１化合物半導体層を厚さ方向に一部分、エッチングしてもよい。

更には、前記工程（Ｄ）において、第２電極に分離溝を形成する際の、第２電極のエッチングレートをＥＲ₀、積層構造体のエッチングレートをＥＲ₁としたとき、ＥＲ₀／ＥＲ₁≧１×１０、好ましくは、ＥＲ₀／ＥＲ₁≧１×１０²を満足することが望ましい。ＥＲ₀／ＥＲ₁がこのような関係を満足することで、積層構造体をエッチングすること無く（あるいは、エッチングされても僅かである）、第２電極を確実にエッチングすることができる。

本発明のモードロック半導体レーザ素子等において、第２電極は、パラジウム（Ｐｄ）単層、ニッケル（Ｎｉ）単層、白金（Ｐｔ）単層、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／白金層の積層構造、又は、パラジウム層が第２化合物半導体層に接するパラジウム層／ニッケル層の積層構造から成る形態とすることができる。尚、下層金属層をパラジウムから構成し、上層金属層をニッケルから構成する場合、上層金属層の厚さを、０．１μｍ以上、好ましくは０．２μｍ以上とすることが望ましい。あるいは又、第２電極を、パラジウム（Ｐｄ）単層から成る構成とすることが好ましく、この場合、厚さを、２０ｎｍ以上、好ましくは５０ｎｍ以上とすることが望ましい。あるいは又、第２電極を、パラジウム（Ｐｄ）単層、ニッケル（Ｎｉ）単層、白金（Ｐｔ）単層、又は、下層金属層が第２化合物半導体層に接する下層金属層と上層金属層の積層構造（但し、下層金属層は、パラジウム、ニッケル及び白金から成る群から選択された１種類の金属から構成され、上層金属層は、前記工程（Ｄ）において第２電極に分離溝を形成する際のエッチングレートが、下層金属層のエッチングレートと同じ、あるいは同程度、あるいは、下層金属層のエッチングレートよりも高い金属から構成されている）から成る構成とすることが好ましい。また、前記工程（Ｄ）において第２電極に分離溝を形成する際のエッチング液を、王水、硝酸、硫酸、塩酸、又は、これらの酸の内の少なくとも２種類の混合液（具体的には、硝酸と硫酸の混合液、硫酸と塩酸の混合液）とすることが望ましい。第２電極の幅は、０．５μｍ以上、５０μｍ以下、好ましくは１μｍ以上、５μｍ以下であることが望ましい。

以上に説明した好ましい構成、形態を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等において、積層構造体は、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成る構成とすることができる。ここで、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体として、より具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮを挙げることができる。更には、これらの化合物半導体に、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子、アンチモン（Ｓｂ）原子が含まれていてもよい。また、発光領域（利得領域）及び可飽和吸収領域を構成する第３化合物半導体層（この第３化合物半導体層を『活性層』と呼ぶ場合がある）は、量子井戸構造を有する。具体的には、単一量子井戸構造［ＱＷ構造］を有していてもよいし、多重量子井戸構造［ＭＱＷ構造］を有していてもよい。量子井戸構造を有する第３化合物半導体層は、井戸層及び障壁層が、少なくとも１層、積層された構造を有するが、（井戸層を構成する化合物半導体，障壁層を構成する化合物半導体）の組合せとして、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＧａＮ）、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，Ｉｎ_zＧａ_(1-z)Ｎ）［但し、ｙ＞ｚ］、（Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ，ＡｌＧａＮ）を例示することができる。

更には、上記の好ましい構成、形態を含む本発明のモードロック半導体レーザ素子等において、第２化合物半導体層は、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有し；超格子構造の厚さは０．７μｍ以下である構造とすることができる。このような超格子構造の構造を採用することで、クラッド層として必要な高屈折率を維持しながら、半導体レーザ素子の直列抵抗成分を下げることができ、半導体レーザ素子の低動作電圧化につながる。尚、超格子構造の厚さの下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができるし、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さとして１ｎｍ乃至５ｎｍを例示することができるし、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計として、６０層乃至３００層を例示することができる。また、第３化合物半導体層から第２電極までの距離は１μｍ以下、好ましくは、０．６μｍ以下である構成とすることができる。このように第３化合物半導体層から第２電極までの距離を規定することで、抵抗の高いｐ型の第２化合物半導体層の厚さを薄くし、半導体レーザ素子の動作電圧の低減化を達成することができる。尚、第３化合物半導体層から第２電極までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、０．３μｍを挙げることができる。また、第２化合物半導体層には、Ｍｇが、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、ドーピングされており；第３化合物半導体層からの波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ^-1である構成とすることができる。このＭｇの原子濃度は、２×１０¹⁹ｃｍ^-3の値で最大の正孔濃度を示すという材料物性に由来しており、最大の正孔濃度、即ち、この第２化合物半導体層の比抵抗が最小になるように設計された結果である。第２化合物半導体層の吸収係数は、半導体レーザ素子の抵抗を出来るだけ下げるという観点で規定されているものであり、その結果、第３化合物半導体層の光の吸収係数が、５０ｃｍ^-1となるのが一般的である。しかし、この吸収係数を上げるために、Ｍｇドープ量を故意に２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の濃度に設定することも可能である。この場合には、実用的な正孔濃度が得られる上での上限のＭｇドープ量は、例えば８×１０¹⁹ｃｍ^-3である。また、第２化合物半導体層は、第３化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層、及び、ｐ型化合物半導体層を有しており；第３化合物半導体層からｐ型化合物半導体層までの距離は、１．２×１０^-7ｍ以下である構成とすることができる。このように第３化合物半導体層からｐ型化合物半導体層までの距離を規定することで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制することができ、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流Ｉ_thを低減させることができる。尚、第３化合物半導体層からｐ型化合物半導体層までの距離の下限値として、限定するものではないが、例えば、５×１０^-8ｍを挙げることができる。また、リッジ部の両側面には、ＳｉＯ₂／Ｓｉ積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており；リッジ部の有効屈折率と積層絶縁膜の有効屈折率との差は、５×１０^-3乃至１×１０^-2である構成とすることができる。このような積層絶縁膜を用いることで、１００ｍＷを超える高出力動作であっても、単一基本横モードを維持することができる。また、第２化合物半導体層は、第３化合物半導体層側から、例えば、ノンドープＧａＩｎＮ層（ｐ側光ガイド層）、ノンドープＡｌＧａＮ層（ｐ側クラッド層）、ＭｇドープＡｌＧａＮ層（電子障壁層）、ＧａＮ層（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ層の超格子構造（超格子クラッド層）、及び、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ側コンタクト層）が積層されて成る構造とすることができる。第３化合物半導体層における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは、２．４ｅＶ以上であることが望ましい。また、第３化合物半導体層から出射されるレーザ光の波長は、３６０ｎｍ乃至５００ｎｍ、好ましくは４００ｎｍ乃至４１０ｎｍであることが望ましい。ここで、以上に説明した各種の構成を、適宜、組み合わせることができることは云うまでもない。

上述したとおり、第２化合物半導体層において、第３化合物半導体層と電子障壁層との間には、ノンドープ化合物半導体層（例えば、ノンドープＧａＩｎＮ層、あるいは、ノンドープＡｌＧａＮ層）を形成してもよい。更には、第３化合物半導体層とノンドープ化合物半導体層との間に、光ガイド層としてのノンドープＧａＩｎＮ層を形成してもよい。第２化合物半導体層の最上層を、ＭｇドープＧａＮ層（ｐ側コンタクト層）が占めている構造とすることもできる。

本発明のモードロック半導体レーザ素子等を構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層を基板に順次形成するが、ここで、基板として、サファイア基板の他にも、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、アルミナ基板、ＺｎＳ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＬｉＭｇＯ基板、ＬｉＧａＯ₂基板、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、これらの基板の表面（主面）に下地層やバッファ層が形成されたものを挙げることができる。主に、ＧａＮ系化合物半導体層を基板に形成する場合、ＧａＮ基板が欠陥密度の少なさから好まれるが、ＧａＮ基板は成長面によって、極性/無極性/半極性と特性が変わることが知られている。また、本発明のモードロック半導体レーザ素子等を構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層の形成方法として、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法，ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。

ここで、ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、ｎ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型の導電型を有するＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ₄ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いればよい。尚、ｎ型不純物（ｎ型ドーパント）として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ、Ｐｄ、Ｐｏを挙げることができるし、ｐ型不純物（ｐ型ドーパント）として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｃ、Ｈｇ、Ｓｒを挙げることができる。

第１導電型をｎ型とするとき、ｎ型の導電型を有する第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極は第１化合物半導体層に電気的に接続されているが、第１電極が第１化合物半導体層上に形成された形態、第１電極が導電材料層や導電性の基板を介して第１化合物半導体層に接続された形態が包含される。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて成膜することができる。

第１電極や第２電極上に、外部の電極あるいは回路と電気的に接続するために、パッド電極を設けてもよい。パッド電極は、Ｔｉ（チタン）、アルミニウム（Ａｌ）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｎｉ（ニッケル）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましい。あるいは又、パッド電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層構成、Ｔｉ／Ａｕの多層構成に例示される多層構成とすることもできる。

本発明のモードロック半導体レーザ素子等は、更に、外部反射鏡を備えている形態とすることができる。即ち、外部共振器型のモードロック半導体レーザ素子とすることができる。あるいは又、モノリシック型のモードロック半導体レーザ素子とすることもできる。尚、外部共振器型のモードロック半導体レーザ素子は、集光型であってもよいし、コリメート型であってもよい。外部共振器型のモードロック半導体レーザ素子にあっては、光パルスが出射される積層構造体の一端面の光反射率は０．５％以下であることが好ましい。尚、この光反射率の値は、従来の半導体レーザ素子において光パルスが出射される積層構造体の一端面の光反射率（通常、５％乃至１０％）よりも格段に低い値である。外部共振器型のモードロック半導体レーザ素子にあっては、外部共振器長さ（Ｘ’，単位：ｍｍ）の値は、
０＜Ｘ’＜１５００
好ましくは、
３０≦Ｘ’≦１５０
であることが望ましい。

本発明のモードロック半導体レーザ素子あるいはその駆動方法を、例えば、光ディスクシステム、通信分野、光情報分野、光電子集積回路、非線形光学現象を応用した分野、光スイッチ、レーザ計測分野や種々の分析分野、超高速分光分野、多光子励起分光分野、質量分析分野、多光子吸収を利用した顕微分光の分野、化学反応の量子制御、ナノ３次元加工分野、多光子吸収を応用した種々の加工分野、医療分野、バイオイメージング分野といった分野に適用することができる。

実施例１は、本発明のモードロック半導体レーザ素子及びその駆動方法に関する。実施例１のモードロック半導体レーザ素子の共振器の延びる方向に沿った模式的な端面図（ＸＺ平面にて切断したときの模式的な端面図）を図１に示し、共振器の延びる方向と直角方向に沿った模式的な断面図（ＹＺ平面にて切断したときの模式的な断面図）を図２に示す。尚、図１は、図２の矢印Ｉ−Ｉに沿った模式的な端面図であり、図２は、図１の矢印ＩＩ−ＩＩに沿った模式的な断面図である。また、実施例１のモードロック半導体レーザ素子から外部共振器を構成してモードロック駆動を行うシステムを、図３の（Ａ）に模式的に示す。

発光波長４０５ｎｍ帯の実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０は、
（ａ）第１導電型（実施例１においては、具体的には、ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）４１を有する第３化合物半導体層（活性層）４０、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（実施例１においては、具体的には、ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層５０が、順次、積層されて成る積層構造体、
（ｂ）第２化合物半導体層５０上に形成された帯状の第２電極６２、並びに、
（ｃ）第１化合物半導体層３０に電気的に接続された第１電極６１、
を備えている。

更には、第３化合物半導体層４０は、可飽和吸収領域４２を備えている。また、第２電極６２は、発光領域４１を経由して第１電極６１に電流を流すことで順バイアス状態とするための第１部分６２Ａ、及び、可飽和吸収領域４２に電界を加えるための第２部分６２Ｂに、分離溝６２Ｃによって分離されている。そして、第２電極６２の第１部分６２Ａから発光領域４１を経由して第１電極６１に電流を流すことで順バイアス状態とし、且つ、第１電極６１と第２電極６２の第２部分６２Ｂとの間に電圧を印加することで可飽和吸収領域４２に電界を加える。

また、積層構造体は、極性を有する化合物半導体基板２１の上に形成されている。第３化合物半導体層４０は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、井戸層の厚さは、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であり、障壁層の不純物（具体的には、シリコン，Ｓｉ）のドーピング濃度は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。ここで、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の駆動方法にあっては、第２電極６２から積層構造体を介して第１電極６１に電流を流すことで、発光領域４１において光パルスを発生させる。また、実施例１のモードロック半導体レーザ素子にあっては、第２電極６２から積層構造体を介して第１電極６１に電流が流されることで、発光領域４１において光パルスが発生する。

実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０は、具体的には、リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）を有する半導体レーザ素子である。より具体的には、このモードロック半導体レーザ素子１０は、ブルーレイ光ディスクシステム用に開発されたインデックスガイド型のＡｌＧａＩｎＮから成るＧａＮ系半導体レーザ素子であり、直線状のリッジ構造（リッジストライプ構造）を有する。そして、モードロック半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に設けられており、第３化合物半導体層４０は量子井戸構造を有する。尚、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面は、『Ｃ面』とも呼ばれ、極性を有する結晶面である。第１化合物半導体層３０、第３化合物半導体層４０、及び、第２化合物半導体層５０は、具体的には、ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体から成り、より具体的には、以下の表１に示す層構成を有する。ここで、表１において、下方に記載した化合物半導体層ほど、ｎ型ＧａＮ基板２１に近い層である。尚、第３化合物半導体層４０における井戸層を構成する化合物半導体のバンドギャップは３．０６ｅＶである。

［表１］
第２化合物半導体層５０
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）５５
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）５３
ノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２
ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１
第３化合物半導体層４０
ＧａＩｎＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ／障壁層：Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ）
第１化合物半導体層３０
ｎ型ＧａＮクラッド層３２
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３１
但し、
井戸層（２層）： ８ｎｍ［ノン・ドープ］
障壁層（３層）：１０ｎｍ［ドーピング濃度（Ｓｉ）：２×１０¹⁸ｃｍ^-3］

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の一部は、ＲＩＥ法にて除去されており、リッジ構造（リッジ部５６）が形成されている。リッジ部５６の両側にはＳｉＯ₂／Ｓｉから成る積層絶縁膜５７が形成されている。尚、ＳｉＯ₂層が下層であり、Ｓｉ層が上層である。ここで、リッジ部５６の有効屈折率と積層絶縁膜５７の有効屈折率との差は、５×１０^-3乃至１×１０^-2、具体的には、７×１０^-3である。そして、リッジ部５６の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層５５上には、第２電極（ｐ側オーミック電極）６２が形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る第１電極（ｎ側オーミック電極）６１が形成されている。具体的には、積層絶縁膜５７をＳｉＯ₂／Ｓｉ積層構造とし、リッジ構造の幅を１．５μｍとした。

また、実施例１の半導体レーザ素子１０にあっては、第３化合物半導体層４０及びその近傍から発生した光密度分布に、Ｍｇドープした化合物半導体層である、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４及びｐ型ＧａＮコンタクト層５５が出来るだけ重ならないようにすることで、内部量子効率が低下しない範囲で、内部損失を抑制している。そして、これにより、レーザ発振が開始される閾値電流Ｉ_thを低減させている。更には、第３化合物半導体層４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３までの距離ｄの値を大きくすることで、内部損失α_iは低下するが、ｄの値が或る値以上になると、井戸層へのホールの注入効率が低下する結果、第３化合物半導体層４０における電子ホールの再結合確率が低下し、内部量子効率η_iが減少することが判った。それ故、第３化合物半導体層４０からｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３までの距離ｄを０．１０μｍ、リッジ部（リッジ構造）の高さを０．３０μｍ、第２電極６２と第３化合物半導体層４０との間に位置する第２化合物半導体層５０の厚さを０．５０μｍ、第２電極６２の下方に位置するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の部分の厚さを０．４０μｍとした。ここで、『電子障壁層５３と第３化合物半導体層４０との間の距離（ｄ）』とは、第３化合物半導体層４０に面する電子障壁層５３の部分（境界面）と、電子障壁層５３に面する第３化合物半導体層４０の部分（境界面）との間の距離を意味する。

実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０において、第２電極６２は、上述したとおり、発光領域（利得領域）４１を経由して第１電極６１に直流電流（順バイアス電流Ｉ_gain）を流すことで順バイアス状態とするための第１部分６２Ａ、及び、可飽和吸収領域４２に電界を加えるための第２部分６２Ｂ（可飽和吸収領域４２に逆バイアス電圧Ｖ_saを加えるための第２部分６２Ｂ）とに、分離溝６２Ｃによって分離されている。ここで、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値（『分離抵抗値』と呼ぶ場合がある）は、第２電極６２と第１電極６１との間の電気抵抗値の１×１０倍以上、具体的には１．５×１０³倍である。また、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値（分離抵抗値）は、１×１０²Ω以上、具体的には、１．５×１０⁴Ωである。

ところで、第２化合物半導体層５０上に、１×１０²Ω以上の分離抵抗値を有する２電極６２を形成する必要がある。ＧａＮ系半導体レーザ素子の場合、従来のＧａＡｓ系半導体レーザ素子とは異なり、ｐ型導電型を有する化合物半導体における移動度が小さいために、ｐ型導電型を有する第２化合物半導体層５０をイオン注入等によって高抵抗化することなく、その上に形成される第２電極６２を分離溝６２Ｃで分離することで、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を第２電極６２と第１電極６１との間の電気抵抗値の１０倍以上とし、あるいは又、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を１×１０²Ω以上とすることが可能となる。

実施例１にあっては、第２電極６２を厚さ０．１μｍのＰｄ単層から構成した。また、実施例１にあっては、第２電極６２を第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとに分離する分離溝６２Ｃの幅は、１μｍ以上、共振器長の５０％以下である。あるいは又、可飽和吸収領域４２の長さは発光領域４１の長さよりも短い。あるいは又、第２電極６２の長さ（第１部分と第２部分の総計の長さ）は第３化合物半導体層４０の長さよりも短い。具体的には、共振器長Ｘ”を０．６０ｍｍ、第２電極６２の第１部分６２Ａの長さを０．５２ｍｍ、第２部分６２Ｂの長さを０．０６ｍｍ、分離溝６２Ｃの幅（共振器長方向の長さ）を０．０２ｍｍとした。

尚、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有するｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４の厚さは０．７μｍ以下、具体的には、０．４μｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、超格子構造を構成するｐ型ＡｌＧａＮ層の厚さは２．５ｎｍであり、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層の層数合計は１６０層である。また、第３化合物半導体層４０から第２電極６２までの距離は１μｍ以下、具体的には０．５μｍである。更には、第２化合物半導体層５０を構成するｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５５には、Ｍｇが、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上（具体的には、２×１０¹⁹ｃｍ^-3）、ドーピングされており、波長４０５ｎｍの光に対する第２化合物半導体層５０の吸収係数は、少なくとも５０ｃｍ^-1、具体的には、６５ｃｍ^-1である。また、第２化合物半導体層５０は、第３化合物半導体層側から、ノンドープ化合物半導体層（ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層５１及びノンドープＡｌＧａＮクラッド層５２）、並びに、ｐ型化合物半導体層を有しているが、第３化合物半導体層４０からｐ型化合物半導体層（具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層５３）までの距離（ｄ）は１．２×１０^-7ｍ以下、具体的には１００ｎｍである。

また、比較例１のモードロック半導体レーザ素子を作製したが、比較例１のモードロック半導体レーザ素子においては、表１に示した層構成における第３化合物半導体層４０の構成を以下の表２のとおりとした。
［表２］
実施例１ 比較例１
井戸層 ８ｎｍ １０．５ｎｍ
障壁層 １２ｎｍ １４ｎｍ
井戸層の不純物ドーピング濃度 ノン・ドープ ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度 Ｓｉ：２×１０¹⁸ｃｍ^-3 ノン・ドープ

実施例１においては井戸層の厚さが８ｎｍであり、また、障壁層にはＳｉが２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーピングされており、第３化合物半導体層内のＱＣＳＥ効果が緩和されている。一方、比較例１においては井戸層の厚さが１０．５ｎｍであり、また、障壁層には不純物がドーピングされていない。

実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０のセルフパルセーション動作の評価に用いた測定系を図９に示す。測定では、可飽和吸収領域４２に直流定電圧Ｖ_saを印加し、発光領域（利得領域）４１に直流低電流（電圧Ｖ_gain）を流した。即ち、第２電極６２の第２部分６２Ｂに負の直流定電圧Ｖ_saを印加し、第２電極６２の第１部分６２Ａから第１電極６１へと直流低電流を流した。そして、モードロック半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光をレンズでコリメートして光アイソレータを通した後、レンズでシングルモードファイバに結合し、シングルモードファイバからの光を、光検出器及び電気スペクトルアナライザ、並びに、光スペクトルアナライザ、及び、ストリークカメラを用いて評価した。

そして、実施例１及び比較例１のモードロック半導体レーザ素子から集光型の外部共振器を構成してモードロック駆動させた（図３の（Ａ）参照）。尚、図３の（Ａ）に示す集光型の外部共振器にあっては、可飽和吸収領域側に高反射コート層（ＨＲ）が形成されたモードロック半導体レーザ素子の端面と外部鏡とで外部共振器が構成され、外部鏡から光パルスを取り出す。発光領域（利得領域）側のモードロック半導体レーザ素子の端面（光出射端面）には無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。光学フィルターには、主にバンドパスフィルターが用いられ、レーザの発振波長の制御のために挿入される。外部共振器長さＸ’によって光パルス列の繰り返し周波数ｆが決定され、次式で表される。ここで、ｃは光速であり、ｎは導波路の屈折率である。
ｆ＝ｃ／（２ｎ・Ｘ’）

モードロックは、発光領域４１に印加する直流電流と可飽和吸収領域４２に印加する逆バイアス電圧Ｖ_saとによって決定される。図１０の（Ａ）及び（Ｂ）に、実施例１及び比較例１の注入電流と光出力の関係（Ｌ−Ｉ特性）の逆バイアス電圧依存性測定結果を示す。尚、図１０の（Ａ）及び（Ｂ）において、符号「Ａ」を付した測定結果は、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝０ボルトの結果であり、符号「Ｂ」を付した測定結果は、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−３ボルトの結果であり、符号「Ｃ」を付した測定結果は、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−６ボルトの結果であり、符号「Ｄ」を付した測定結果は、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−９ボルトの結果である。図１０の（Ａ）にあっては、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝０ボルトの測定結果と、逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−３ボルトの測定結果とは、ほぼ、重なっている。

図１０の（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、比較例１にあっては、逆バイアス電圧Ｖ_saを増加していくと、レーザ発振が開始する閾値電流Ｉ_thが次第に上昇し、更には、実施例１に比べて、低い逆バイアス電圧Ｖ_saで変化が生じていることが判る。これは、実施例１の第３化合物半導体層４０の方が、逆バイアス電圧Ｖ_saにより可飽和吸収の効果が電気的に制御されていることを示唆している。

また、実施例１及び比較例１において発生した光パルスをストリークカメラで測定した結果を、図１１の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。比較例１にて得られた図１１の（Ｂ）では、メインパルスの前後にサブパルス成分が発生しているが、実施例１にて得られた図１１の（Ａ）では、サブパルス成分の発生は抑制されている。これらの結果は、全て、第３化合物半導体層４０の構成によりＱＣＳＥ効果が緩和されたことにより、可飽和吸収の効果が増強されたことに起因するものと考えられる。

図３の（Ａ）に示した実施例１のモードロック半導体レーザ素子の駆動条件等を以下の表３に例示する。尚、Ｉ_thは閾値電流である。

［表３］
［モードロック駆動条件］
０＜Ｉ_gain／Ｉ_th ≦５
−２０≦Ｖ_sa（ボルト）≦０
［高反射コート層（ＨＲ）］
８５≦反射率Ｒ_HR（％）＜１００
［無反射コート層（ＡＲ）］
０＜反射率Ｒ_AR（％）≦０．５
［光学フィルター］
８５≦透過率Ｔ_BPF（％） ＜１００
０＜半値幅τ_BPF（ｎｍ） ≦２．０
４００＜ピーク波長λ_BPF（ｎｍ）＜４５０
［外部鏡］
０＜反射率Ｒ_OC（％）＜１００
［外部共振器長さＸ’］
０＜Ｘ’（ｍｍ）＜１５００

より具体的には、実施例１にあっては、一例として、
Ｉ_gain ＝１２０ｍＡ
Ｉ_th ＝４５ｍＡ
逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−１１（ボルト）
反射率Ｒ_HR ＝９５（％）
反射率Ｒ_AR ＝０．３（％）
透過率Ｔ_BPF ＝９０（％）
半値幅τ_BPF ＝１ｎｍ
ピーク波長λ_BPF ＝４１０ｎｍ
反射率Ｒ_OC ＝２０％
外部共振器長さＸ’＝１５０ｍｍ
とした。

一方、比較例１にあっては、
Ｉ_gain ＝９５ｍＡ
Ｉ_th ＝５０ｍＡ
逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−１２．５（ボルト）
反射率Ｒ_OC ＝５０％
とした。それ以外の諸元は、実施例１と同じである。

以下、図１４の（Ａ）、（Ｂ）、図１５の（Ａ）、（Ｂ）、Ｂ１０を参照して、実施例１のモードロック半導体レーザ素子の製造方法を説明する。尚、図１４の（Ａ）、（Ｂ）、図１５の（Ａ）、（Ｂ）は、基板等をＹＺ平面にて切断したときの模式的な一部断面図であり、図１６は、基板等をＸＺ平面にて切断したときの模式的な一部端面図である。

尚、第２電極６２に要求される特性は、以下のとおりである。即ち、
（１）第２化合物半導体層５０をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
（２）第２化合物半導体層５０の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第２電極６２はウエットエッチング可能であること。
（３）第２化合物半導体層５０上に成膜したとき、１０^-2Ω・ｃｍ²以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
（４）積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第２化合物半導体層５０に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
（５）積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジ構造を形成する際のエッチングに対して（例えば、ＲＩＥ法において使用されるＣｌ₂ガス）に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。

［工程−１００］
先ず、基体上、具体的には、ｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面上に、周知のＭＯＣＶＤ法に基づき、第１導電型（ｎ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層３０、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域（利得領域）４１及び可飽和吸収領域４２を構成する第３化合物半導体層（活性層）４０、並びに、第１導電型と異なる第２導電型（ｐ型導電型）を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層５０が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する（図１４の（Ａ）参照）。

［工程−１１０］
その後、第２化合物半導体層５０上に帯状の第２電極６２を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきＰｄ層６３を全面に成膜した後（図１４の（Ｂ）参照）、Ｐｄ層６３上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないＰｄ層６３を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図１５の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、リフトオフ法に基づき、第２化合物半導体層５０上に帯状の第２電極６２を形成してもよい。

［工程−１２０］
次いで、第２電極６２をエッチング用マスクとして、少なくとも第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングして（実施例１にあっては、第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングして）、リッジ構造を形成する。具体的には、Ｃｌ₂ガスを用いたＲＩＥ法に基づき、第２電極６２をエッチング用マスクとして用いて、第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングする。こうして、図１５の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第２電極６２をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジ構造を形成するので、第２電極６２とリッジ構造との間に合わせずれが生じることがない。

［工程−１３０］
その後、分離溝を第２電極６２に形成するためのレジスト層６４を形成する（図１６参照）。尚、参照番号６５は、分離溝を形成するために、レジスト層６４に設けられた開口部である。次いで、レジスト層６４をウエットエッチング用マスクとして、第２電極６２に分離溝６２Ｃをウエットエッチング法にて形成し、以て、第２電極６２を第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとに分離溝６２Ｃによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約１０秒、全体を浸漬することで、第２電極６２に分離溝６２Ｃを形成する。そして、その後、レジスト層６４を除去する。こうして、図１及び図２に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第２化合物半導体層５０の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モードロック半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第２化合物半導体層５０の内部損失α_iが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第２電極６２のエッチングレートをＥＲ₀、積層構造体のエッチングレートをＥＲ₁としたとき、
ＥＲ₀／ＥＲ₁≒１×１０²
である。このように、第２電極６２と第２化合物半導体層５０との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く（あるいは、エッチングされても僅かである）、第２電極６２を確実にエッチングすることができる。

［工程−１４０］
その後、ｎ側電極６１の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、半導体レーザ素子１０を作製することができる。

一般に、半導体層の抵抗Ｒ（Ω）は、半導体層を構成する材料の比抵抗値ρ（Ω・ｍ）、半導体層の長さＸ₀（ｍ）、半導体層の断面積Ｓ（ｍ²）、キャリア密度ｎ（ｃｍ^-3）、電荷量ｅ（Ｃ）、移動度μ（ｍ²／Ｖ秒）を用いて以下のように表される。

Ｒ＝（ρ・Ｘ₀）／Ｓ
＝Ｘ₀／（ｎ・ｅ・μ・Ｓ）

ｐ型ＧａＮ系半導体の移動度は、ｐ型ＧａＡｓ系半導体に比べて、２桁以上小さいため、電気抵抗値が高くなり易い。よって、幅１．５μｍ、高さ０．３５μｍといった断面積が小さいリッジ構造を有する半導体レーザ素子の電気抵抗値は、上式から、大きな値となることが判る。

製作した実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０の第２電極６２の第２部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値を４端子法にて測定した結果を、図１２に示す。分離溝６２Ｃの幅が２０μｍのとき、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値は１５ｋΩであった。

製作した実施例１のモードロック半導体レーザ素子１０において、第２電極６２の第１部分６２Ａから発光領域４１を経由して第１電極６１に直流電流を流して順バイアス状態とし、第１電極６１と第２電極６２の第２部分６２Ｂとの間に逆バイアス電圧Ｖ_saを印加することによって可飽和吸収領域４２に電界を加えることで、モードロック駆動させた。

しかも、第２電極６２の第１部分６２Ａと第２部分６２Ｂとの間の電気抵抗値は、第２電極６２と第１電極６１との間の電気抵抗値の１０倍以上であり、あるいは又、１×１０²Ω以上である。従って、第２電極６２の第１部分６２Ａから第２部分６２Ｂへの漏れ電流の流れを確実に抑制することができる結果、発光領域４１を順バイアス状態とし、しかも、可飽和吸収領域４２を確実に逆バイアス状態とすることができ、確実にシングルモードのセルフパルセーション動作及びモードロック動作を生じさせることができる。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２のモードロック半導体レーザ素子から外部共振器を構成する例を、図３の（Ｂ）、図４の（Ａ）、（Ｂ）に示す。

図３の（Ｂ）に示すコリメート型の外部共振器にあっても、可飽和吸収領域側に高反射コート層（ＨＲ）が形成されたモードロック半導体レーザ素子の端面と外部鏡とで外部共振器を構成し、外部鏡から光パルスを取り出す。発光領域（利得領域）側のモードロック半導体レーザ素子の端面（光出射端面）には無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。尚、図３の（Ｂ）に示した実施例２のモードロック半導体レーザ素子の駆動条件等は、上述した表３と同様とすることができる。

一方、図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示す外部共振器にあっては、可飽和吸収領域側（光出射端面）に反射コート層（Ｒ）が形成されたモードロック半導体レーザ素子の端面と外部鏡とで外部共振器を構成し、可飽和吸収領域４２から光パルスを取り出す。発光領域（利得領域）側のモードロック半導体レーザ素子の端面には無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。尚、図４の（Ａ）に示す例は集光型であり、図４の（Ｂ）に示す例はコリメート型である。尚、図４の（Ａ）及び（Ｂ）に示した実施例２のモードロック半導体レーザ素子の駆動条件等は、上述した表３と同様とすることができる。但し、反射コート層（Ｒ）に関しては、以下の表４のとおりとすればよい。

［表４］
［反射コート層（Ｒ）］
０＜反射率Ｒ_R（％）＜１００

尚、具体的には、
反射率Ｒ_R＝２０％
とした。実施例２におけるモードロック半導体レーザ素子のその他の構成、構造は、実施例１において説明したモードロック半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例３も実施例１の変形であるが、実施例３にあっては、図４の（Ｃ）に示すように、モードロック半導体レーザ素子をモノリシック型とした。尚、実施例３のモードロック半導体レーザ素子の駆動条件等は、上述した表３と同様とすることができる。実施例３におけるモードロック半導体レーザ素子のその他の構成、構造は、実施例１において説明したモードロック半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例４も実施例１の変形であるが、実施例４のモードロック半導体レーザ素子は、斜め導波路を有する斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造の半導体レーザ素子である。実施例４のモードロック半導体レーザ素子におけるリッジ部１５６を上方から眺めた模式図を図５に示す。実施例４のモードロック半導体レーザ素子にあっては、直線状の２つのリッジ部が組み合わされた構造を有し、２つのリッジ部の交差する角度θの値は、例えば、
０＜θ≦１０（度）
好ましくは、
０＜θ≦６（度）
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた端面の反射率を、より０％の理想値に近づけることができ、その結果、半導体レーザ内で周回してしまう光パルスの発生を防ぐことができ、メインの光パルスに付随するサブの光パルスの生成を抑制できるといった利点を得ることができる。尚、実施例４の斜めリッジストライプ型のモードロック半導体レーザ素子を、実施例１〜実施例３に適用することができる。実施例４におけるモードロック半導体レーザ素子のその他の構成、構造は、実施例１において説明したモードロック半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例５も実施例１の変形であるが、実施例５にあっては、第２電極６２から発光領域４１を経由して第１電極６１に電流を流し、且つ、第２電極６２から発光領域４１を経由して第１電極６１に外部電気信号（ＲＭＳジッタΔ_signal）を重畳させる。図６の（Ａ）に、実施例５のモードロック半導体レーザ素子を用いてモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す。外部電気信号は、周知の外部電気信号発生器から第２電極６２へと送出される。これによって、光パルスと外部電気信号との間の同期を取ることができる。即ち、ＲＭＳタイミングジッタΔｔ_MLLDを、下記まで抑えることが可能となる。
Δ_signal≦Δｔ_MLLD

図６の（Ａ）に示した実施例５のモードロック半導体レーザ素子の駆動条件等は、上述した表３と同様とすることができる。尚、外部電気信号の電圧最大値Ｖ_p-p（単位：ボルト）は、
０＜Ｖ_p-p≦１０
好ましくは、
０＜Ｖ_p-p≦３
を満足することが望ましい。また、外部電気信号の周波数ｆ_signalと光パルス列の繰り返し周波数ｆ_MLLDとは、
０．９９≦ｆ_signal／ｆ_MLLD≦１．０１
を満足することが望ましい。

そして、より具体的には、実施例５にあっては、一例として、
Ｉ_gain ＝１２０ｍＡ
Ｉ_th ＝４５ｍＡ
逆バイアス電圧Ｖ_sa＝−１１（ボルト）
反射率Ｒ_HR ＝９５（％）
反射率Ｒ_AR ＝０．３（％）
透過率Ｔ_BPF ＝９０（％）
半値幅τ_BPF ＝１ｎｍ
ピーク波長λ_BPF ＝４１０ｎｍ
反射率Ｒ_OC ＝２０％
外部共振器長さＸ’＝１５０ｍｍ
Ｖ_p-p ＝２．８ボルト
ｆ_signal ＝１ＧＨｚ
ｆ_MLLD ＝１ＧＨｚ
Δ_signal ＝１ピコ秒
Δｔ_MLLD ＝１．５ピコ秒
とした。

一方、参考例５にあっては、第２電極６２から発光領域４１を経由して第１電極６１に外部電気信号を重畳させること無く、第２電極６２から発光領域４１を経由して第１電極６１に電流を流した。そして、ＲＦスペクトルを測定した。実施例５及び参考例５における測定結果を、図１３の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。尚、参考例５にあっては、
反射率Ｒ_OC＝５０％
とした。それ以外の諸元は、実施例５と同じである。

図１３の（Ａ）及び（Ｂ）から、参考例５と比べて実施例５の方がＲＦスペクトルの裾の成分の面積の低減がみられ、このことは、参考例５と比べて実施例５の方が位相ノイズ及びタイミングジッタが少ない駆動方法であることを示している。

実施例５におけるモードロック半導体レーザ素子のその他の構成、構造は、実施例１〜実施例４において説明したモードロック半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例６も実施例１の変形であるが、実施例６にあっては、積層構造体の一端面から光信号を入射させる。図６の（Ｂ）に、実施例６のモードロック半導体レーザ素子を用いてモードロック駆動を行うシステムを模式的に示す。光信号（ＲＭＳジッタ：Δｔ_opto）は、半導体レーザ素子から成る光信号発生器から出射され、レンズ、外部鏡、光学フィルター、レンズを介して積層構造体の一端面に入射する。これによって、光パルスと光信号との間の同期を取ることができる。即ち、ＲＭＳタイミングジッタΔｔ_MLLDを、下記まで抑えることが可能となる。
Δ_opto≦Δｔ_MLLD

実施例６におけるモードロック半導体レーザ素子のその他の構成、構造は、実施例１〜実施例４において説明したモードロック半導体レーザ素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定するものではない。実施例において説明した半導体レーザ素子の構成、構造の構成は例示であり、適宜、変更することができる。また、実施例においては、種々の値を示したが、これらも例示であり、例えば、使用する半導体レーザ素子の仕様が変われば、変わることは当然である。例えば、第２電極６２を、厚さ２０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）から成る下層金属層と、厚さ２００ｎｍのニッケル（Ｎｉ）から成る上層金属層の積層構造としてもよい。尚、王水によるウエットエッチングにあっては、ニッケルのエッチングレートは、パラジウムのエッチングレートの約１．２５倍である。

また、実施例においては、モードロック半導体レーザ素子１０を、ｎ型ＧａＮ基板２１の極性面であるＣ面，｛０００１｝面上に設けたが、代替的に、｛１１−２０｝面であるＡ面、｛１−１００｝面であるＭ面、｛１−１０２｝面といった無極性面上、あるいは又、｛１１−２４｝面や｛１１−２２｝面を含む｛１１−２ｎ｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１２｝面といった半極性面上に、モードロック半導体レーザ素子１０を設けてもよく、これによって、モードロック半導体レーザ素子１０の第３化合物半導体層にたとえピエゾ分極及び自発分極が生じた場合であっても、第３化合物半導体層の厚さ方向にピエゾ分極が生じることは無く、第３化合物半導体層の厚さ方向とは略直角の方向にピエゾ分極が生じるので、ピエゾ分極及び自発分極に起因した悪影響を排除することができる。尚、｛１１−２ｎ｝面とは、ほぼＣ面に対して４０度を成す無極性面を意味する。また、無極性面上あるいは半極性面上にモードロック半導体レーザ素子１０を設ける場合、井戸層の厚さの制限（１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下）及び障壁層の不純物ドーピング濃度の制限（２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下）を無くすことが可能である。

発光領域４１や可飽和吸収領域４２の数は１に限定されない。１つの第２電極の第１部分６２Ａと２つの第２電極の第２部分６２Ｂ₁，６２Ｂ₂とが設けられたモードロック半導体レーザ素子の模式的な端面図を図７に示す。このモードロック半導体レーザ素子にあっては、第１部分６２Ａの一端が、一方の分離溝６２Ｃ₁を挟んで、一方の第２部分６２Ｂ₁と対向し、第１部分６２Ａの他端が、他方の分離溝６２Ｃ₂を挟んで、他方の第２部分６２Ｂ₂と対向している。そして、１つの発光領域４１が、２つの可飽和吸収領域４２₁，４２₂によって挟まれている。あるいは又、２つの第２電極の第１部分６２Ａ₁，６２Ａ₂と１つの第２電極の第２部分６２Ｂとが設けられたモードロック半導体レーザ素子の模式的な端面図を図８に示す。このモードロック半導体レーザ素子にあっては、第２部分６２Ｂの端部が、一方の分離溝６２Ｃ₁を挟んで、一方の第１部分６２Ａ₁と対向し、第２部分６２Ｂの他端が、他方の分離溝６２Ｃ₂を挟んで、他方の第１部分６２Ａ₂と対向している。そして、１つの可飽和吸収領域４２が、２つの発光領域４１₁，４１₂によって挟まれている。

１０・・・半導体レーザ素子、２１・・・ｎ型ＧａＮ基板、２２・・・ＧａＮバッファ層、３０・・・第１化合物半導体層、３１・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３２・・・ｎ型ＧａＮクラッド層、４０・・・第３化合物半導体層、４１，４１₁，４１₂・・・発光領域、４２，４２₁，４２₂・・・可飽和吸収領域、５０・・・第２化合物半導体層、５１・・・ノンドープＧａＩｎＮ光ガイド層、５２・・・ノンドープＡｌＧａＮクラッド層、５３・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、５４・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、５５・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、５６，１５６・・・リッジ部、５７・・・積層絶縁膜、６１・・・第１電極、６２・・・第２電極、６２Ａ，６２Ａ₁，６２Ａ₂・・・第２電極の第１部分、６２Ｂ，６２Ｂ₁，６２Ｂ₂・・・第２電極の第２部分、６２Ｃ，６２Ｃ₁，６２Ｃ₂・・・分離溝、６３・・・Ｐｄ単層、６４・・・レジスト層、６５・・・開口部

Claims (13)

1. （ａ）第１導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第１化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る発光領域を有する第３化合物半導体層、並びに、第１導電型と異なる第２導電型を有し、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
   （ｂ）第２化合物半導体層上に形成された第２電極、並びに、
   （ｃ）第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、
   を備え、
   積層構造体は、化合物半導体基板上に形成されており、
   第３化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
   井戸層の厚さは、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であり、
   障壁層の不純物ドーピング濃度は、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下であり、
   第３化合物半導体層は、可飽和吸収領域を更に備えており、
   第２電極は、発光領域を経由して第１電極に電流を流すことで順バイアス状態とするための第１部分、及び、可飽和吸収領域に電界を加えるための第２部分に、分離溝によって分離されており、
   第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は１×１０²Ω以上であり、
   第２電極の第１部分から発光領域を経由して第１電極に電流が流されることで順バイアス状態とされ、且つ、第１電極と第２電極の第２部分との間に電圧が印加されることで可飽和吸収領域に電界が加えられ、以て、発光領域においてシングルモードのセルフパルセーション動作するモードロック半導体レーザ素子。
2. 第２電極を第１部分と第２部分とに分離する分離溝の幅は１μｍ以上である請求項１に記載のモードロック半導体レーザ素子。
3. 可飽和吸収領域の長さは発光領域の長さよりも短い請求項１又は請求項２に記載のモードロック半導体レーザ素子。
4. 第２電極から発光領域を経由して第１電極に電流を流し、且つ、第２電極から発光領域を経由して第１電極に外部電気信号を重畳させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子。
5. 積層構造体の一端面から光信号を入射させる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子。
6. 障壁層にドーピングされた不純物はシリコンである請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子。
7. リッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子。
8. 斜めリッジストライプ型の分離閉じ込めヘテロ構造を有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のモードロック半導体レーザ素子、及び、
   モードロック半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の一部をモードロック半導体レーザ素子に戻し、残部を外部に出射する外部鏡、
   を備えている半導体レーザ装置組立体。
10. モードロック半導体レーザ素子と外部鏡との間に、光学フィルターを更に備えている請求項９に記載の半導体レーザ装置組立体。
11. モードロック半導体レーザ素子と光学フィルターとの間に、レンズを更に備えている請求項１０に記載の半導体レーザ装置組立体。
12. レンズを通過し、光学フィルターに向かうレーザ光は、レンズによって、外部鏡の位置で焦点を結ぶ請求項１１に記載の半導体レーザ装置組立体。
13. レンズを通過し、光学フィルターに向かうレーザ光は、レンズによって平行光とされる請求項１１に記載の半導体レーザ装置組立体。