专利名称：激光二极管元件组件及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及ー种激光二极管元件组件及其驱动方法。
背景技术：
近来，对于使用脉冲宽度在阿秒范围或飞秒范围内的激光的前沿科学领域中的研究，已经广泛使用了超短脉沖/超高功率激光器。此外，期望由GaN基化合物半导体制成的发光波长为405nm的高功率/超短脉冲激光二极管元件用作有望成为蓝光光盘系统之后的下一代光盘系统的体积型光盘系统(volumetric optical disk system)的光源,或用作在医学领域、生物成像领域等所需的光源。作为超短脉冲/超高功率激光器，例如，钛/蓝宝石激光器是人们所熟知的，然而，钛/蓝宝石激光器是ー种昂贵的大型固体激光光源，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实现超短脉冲/超高功率激光器，可以认为将会获得短脉沖/超高功率激光器的尺寸的大幅减小、价格和功耗的大幅降低，以及短脉沖/超高功率激光器的高稳定性，从而可以在推动超短脉冲/超高功率激光器广泛用于这些领域上取得突破。另ー方面，自20世纪60年代以来，在通信领域中人们已经进行了积极的研究以尝试缩短激光二极管元件的脉冲。作为在激光二极管元件中产生短脉冲的方法，增益开关方法(gain switching method),损耗开关方法(Q开关方法)以及锁模方法为人们所熟知,在这些方法中，激光二极管元件与半导体放大器、非线性光学元件、光纤等结合，g在获得更高的功率。锁模进一步分为主动锁模和被动锁摸。为了生成基于主动锁模的光脉冲，激光ニ极管元件的外部谐振器结构利用反射镜或透镜构成，并对激光二极管元件进行射频(RF)调制。另ー方面，在被动锁模中，当使用具有多电极结构的激光二极管元件时，允许通过简单的DC驱动产生光脉冲。在激光光源中，获得更高功率是ー个主要问题。此外，为了便于将激光二极管元件用作光源，通常期望从激光二极管元件发出的激光为单模光。这些问题不仅是激光脉冲振荡方面的主要问题，而且也是连续波振荡方面的主要问题。作为放大来自激光光源的光的方法，考虑半导体光放大器(SOA)。这里,光放大器为直接放大以光的形式的光信号而没有将光信号转化为电信号的放大器，光放大器为不具有谐振器的激光器结构，并通过其光増益放大入射光。然而，为了降低制造成本，极其需要ー种配置简单的不具有诸如光放大器的光学部件的光源。
发明内容
为了获得基于锁模方法的激光二极管元件驱动的稳定性，或减小激光二极管元件的尺寸，例如，通过日本未审查专利申请公开第2002-164614和2006-041400号，具有外部谐振器的激光二极管元件组件是已知的。然而，这些专利文献中，并未提及获得更高功率的技木。
因此，期望提供一种能够获得更高功率并发出激光的激光二极管元件组件，以及驱动该激光二极管元件组件的方法。根据本发明第一或第二实施方式，提供ー种激光二极管元件组件，包括激光二极管元件(半导体激光元件)；以及光反射器，其中，激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第ニ导电型与第一导电型不同，(b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上，以及 (C)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，层压结构体包括脊条形结构。在根据本发明第一实施方式的激光二极管元件组件中，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光的一部分被光反射器反射返回至激光二极管元件，激光的其余部分通过光反射器向外界出射，激光被脊条形结构的第二端面反射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I く Wmax/Wmin < 3. 3或6彡ffmax/ffmin彡13. 3。应注意的是，脊条形结构的第一端面的宽度和脊条形结构的第二端面的宽度优选地，但非绝对地分别为最大宽度Wmax和最小宽度Wmin。上述情况也适用于后文描述的根据本发明第一实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法。在根据本发明第二实施方式的激光二极管元件组件中，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光被光反射器反射返回激光二极管元件，激光的一部分从脊条形结构的第二端面向外界出射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6 Wmax/Wmin 13. 3。应注意的是,脊条形结构的第一端面的宽度和脊条形结构的第二端面的宽度优选地，但非绝对地分别为最大宽度Wmax和最小宽度wmin。上述情况也适用于后文描述的根据本发明第二实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法。根据本发明的第三实施方式，提供了ー种激光二极管元件组件，包括激光二极管元件；以及外部谐振器，其中，激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第ニ导电型与第一导电型不同，(b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上，以及(C)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，层压结构体包括脊条形结构，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光被外部谐振器反射返回至激光二极管元件，从脊条形结构的第一端面或第二端面发出的激光向外界出射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I く Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/U 13.3。应注意的是，脊条形结构的第一端面的宽度和脊条形结构的第二端面的宽度优选地，但非绝对地分别为最大宽度Wmax和最小宽度wmin。上述情况也适用于后文描述的根据本发明的第三实施方式驱动激光二极管元件组件的方法。根据本发明的第一或第二实施方式，提供了ー种驱动激光二极管元件组件的方法，所述激光二极管元件组件包括激光二极管元件和光反射器，所述激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第ニ导电型与第一导电型不同， (b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上，(C)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，第三化合物半导体层进一步包括饱和吸收区域(saturable absorption region,可饱和吸收区域)，第二电极由第一部分和第二部分构成，第一部分被配置为使电流通过发光区域流至第一电极而产生正向偏压状态，第二部分被配置为向饱和吸收区域施加电场，第二电极的第一部分和第二部分被隔离槽隔开，层压结构体包括脊条形结构，在根据本发明第一实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法中，在激光二极管元件组件中，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光的一部分被光反射器反射返回至激光二极管元件，激光的其余部分通过光反射器向外界出射，激光被脊条形结构的第二端面反射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I く Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/Wmin^ 13. 3，以及在根据本发明第二实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法中，在激光二极管元件组件中，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光被光反射器反射返回至激光二极管元件，激光的一部分从脊条形结构的第二端面向外界出射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I く Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/U 13.3。根据本发明第一或第二实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法包括使电流通过第二电极的第一部分以及发光区域流至第一电极的同时，使电流通过第一电极以及饱和吸收区域流至第二电极的第二部分，从而使得执行脉冲振荡；使电流通过第二电极的第一部分以及发光区域流至第一电极的同时，使电流通过第二电极的第二部分以及发光区域流至第一电极，或不使电流通过第二电极的第二部分以及发光区域流至第一电极，从而使得执行连续波振荡。应注意的是，“使电流流至”等同于施加电压。上述情况也适用于下列描述。此外，在使电流通过第二电极的第一部分以及发光区域流至第一电极的同时使电流通过第二电极的第二部分以及发光区域流至第一电极的情况下，例如，第二电极的第一部分和第二部分可能会短路。上述情况也适用于下述实施方式。应注意的是，脉冲振荡优选是单模脉冲振荡，连续波振荡优选是单模连续波振荡。上述情况也适用于下述实施方式。根据本发明第三实施方式，提供了ー种驱动激光二极管元件组件的方法，所述激光二极管元件组件包括激光二极管元件和外部谐振器，所述激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第ニ导电型与第一导电型不同，(b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上，以及(C)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，第三化合物半导体层进ー步包括饱和吸收区域，第二电极由第一部分和第二部分构成，第一部分被配置为使电流通过发光区域流至第一电极而产生正向偏压状态，第二部分被配置为向饱和吸收区域施加电场，第二电极的第一部分和第二部分被隔离槽隔开，层压结构体包括脊条形结构，激光从脊条形结构的第一端面发出，激光被外部谐振器反射返回至激光二极管元件，从脊条形结构的第一端面或第二端面发出的激光向外界出射，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I く Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/Wfflin^ 13.3,所述方法包括使电流通过第二电极的第一部分以及发光区域流至第一电极的同时，使电流通过第一电极以及饱和吸收区域流至第二电极的第二部分，从而使得执行脉冲振荡；使电流通过第二电极的第一部分以及发光区域流至第一电极的同时，使电流通过第二电极的第二部分以及发光区域流至第一电极，或不使电流通过第二电极的第二部分以及发光区域流至第一电极，从而使得执行连续波振荡。在根据本发明第一至第三实施方式的激光二极管元件组件和驱动激光二极管元件组件的方法中，包括了脊条形结构，所述脊条形结构具有外部谐振器结构以及所谓的喇叭状结构，所述喇叭状结构具有最小宽度Wmin和最大宽度Wmax之间的是指定关系，从而获得了更高的功率。应理解的是，前述一般描述和下列详细描述是示例性的，g在对所要求的技术提供进ー步的说明。
包括附图以进ー步理解本发明，附图结合并构成说明书的一部分。附图与说明书一起示出了实施方式，以用来说明技术原理。图IA和IB是实施例I的激光二极管元件组件的概图，图IC是实施例I或实施例2中激光二极管元件的平面示意图。、
图2A和2B是实施例I或实施例2中激光二极管元件的变形的平面示意图。图3是沿谐振器延伸方向截取的实施例I或实施例2中激光二极管元件的端面示意图(沿XZ平面截取的端面示意图)。图4是沿与谐振器延伸方向垂直的方向截取的实施例I或实施例2中激光二极管元件的示意性截面图(沿YZ平面截取的示意性截面图)。图5A和5B是实施例2的激光二极管元件组件的概图。图6A 和 6B 是分别示出了在 (Wmin, Wmax) = (I. 5 μ m, 2. 5 μ m)(实施例 1A)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像的示意图。图7A 至 7C 是分别示出了在(Wmin，Wmax) = (I. 5 μ m, 5. O μ m)(參考例 IB)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像，以及对比例IB中的近场图像的示意图。图8A 至 8C 是分别示出了在(Wmin, Wmax) = (I. 5 μ m, 10. O μ m)(实施例 1C)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像，以及对比例IC中的近场图像的示意图。图9A 至 9C 是分别示出了在(Wmin, Wmax) = (I. 5 μ m, 15. O μ m)(实施例 ID)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像，以及对比例ID中的近场图像的示意图。图IOA 至 IOC 是分别示出了在(Wmin, Wmax) = (I. 5 μ m, 20. O μ m)(实施例 IE)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像，以及对比例IE中的近场图像的示意图。图IlA 至 IlC 是分别示出了在(Wmin, Wmax) = (2. 5 μ m, 15. O μ m)(实施例 1F)的情况下脉冲振荡近场图像和连续波振荡近场图像，以及对比例IF中的近场图像的示意图。图12是示出了实施例I的激光二极管元件组件中脊条形结构(ridge stripestructure)的宽度和从脉冲振荡激光二极管元件组件发出的激光的脉冲能量之间的关系的曲线图。图13是沿谐振器延伸方向截取的实施例I或实施例2中激光二极管元件的端面示意图(沿XZ平面截取的端面示意图)。图14是实施例I或实施例2中激光二极管元件的变形的脊条形结构的示意性顶视图。图15A和15B是用于描述制造实施例I中的激光二极管元件的方法的基板等的示意性局部截面图。图16A和16B是继图15B之后用于描述制造实施例I中的激光二极管元件的方法的基板等的示意性局部截面图。图17是继图16B之后用于描述制造实施例I中的激光二极管元件的方法的基板等的示意性局部截面图。图18A和18B是实施例I或实施例2中激光二极管元件的变形的平面示意图。
具体实施例方式将參照实施例和附图对本发明进行描述。然而，本发明并不限于此，实施例中的各种值和材料以示例的方式给出。应注意的是，将按下列顺序进行描述。I.根据本发明第一至第三实施方式的激光二极管元件组件及其驱动方法，及概述2.实施例I (根据本发明第一和第三实施方式的激光二极管元件组件及其驱动方法)
3.实施例2 (根据本发明第二和第三实施方式的激光二极管元件组件及其驱动方法)，及其他[根据本发明第一至第三实施方式的激光二极管元件组件及其驱动方法，及概述]在根据本发明第一至第三实施方式的激光二极管元件组件或根据本发明第一至第三实施方式的驱动该激光二极管元件组件的方法中，光反射器或外部谐振器由反射镜(在根据本发明第一和第三实施方式的激光二极管元件组件或根据本发明第一和第三实施方式的驱动该激光二极管元件组件的方法中为半反射镜，在根据本发明第二实施方式的激光二极管元件组件或驱动该激光二极管元件组件的方法中为全反射镜)、啁啾镜(chirpedmirror)、体布拉格光栅(VBG)或光纤布拉格光栅(FBG)构成。在根据本发明第一至第三实施方式的包括上述优选配置的激光二极管元件组件中，或根据本发明的第一至第三实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法中，向外界出射的激光优选为单模光。这里，“单模”(单横模)表示在横模近场图像的光強度分布中观察到一个或多个光强度峰，光強度峰之一的光强度构成总光强度的80%以上，优选90%以上。在根据本发明第一至第三实施方式的包括上述优选配置的激光二极管元件组件中，或根据本发明第一至第三实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法中，如上所述，脊条形结构具有所谓的喇机状结构(flare structure),脊条形结构的最小宽度Wmin优选满足I X 10_6m彡Wmin彡3 X 10_6m。在最小宽度Wmin小于I X 10_6m的情况下，不可能获得具有所期望的光強度的激光二极管元件组件，在最小宽度Wmin超过3 X 10-6m的情况下，从激光二极管元件组件发出的激光不能变为单模光。当脊条形结构的最小宽度Wmin在上述范围内时，可获得单横模激光。此外，在根据本发明第一至第三实施方式的包括上述各种优选配置的激光二极管元件组件中，第三化合物半导体层可进ー步包括饱和吸收区域，第二电极可由第一部分 和第二部分构成，第一部分被配置为使电流通过发光区域流至第一电极而产生正向偏压状态，第二部分被配置为向饱和吸收区域施加电场，第二电极的第一部分和第二部分可以通过隔离槽隔开。应注意的是，为方便起见，具有这种配置和结构的激光二极管元件，或在根据本发明第一至第三实施方式的驱动激光二极管元件组件的方法中的激光二极管元件可以被称为“多电极型激光二极管元件”。在根据本发明第一至第三实施方式的激光二极管元件组件的多电极型激光二极管元件中，向外界出射的激光可以是脉冲振荡激光。应注意的是，在包括这样的模式的多电极型激光二极管元件中，或在驱动根据本发明的第一至第三实施方式的包括上述优选配置的激光二极管元件组件的方法中，饱和吸收区域优选设置在层压结构体的一部分中，该部分被设置为靠近与面向光反射器或外部谐振器的端面相对的端面(向外界出射激光的端面)，或饱和吸收区域优选被设置为靠近层压结构体中与向外界出射激光的端面相对的端面。可选地，在根据本发明第一至第三实施方式的包括上述优选配置、模式和多电极型激光二极管元件的激光二极管元件组件中，向外界出射的激光可以是连续波振荡激光。在从多电极型激光二极管元件向外界出射的激光为连续波振荡激光的情况下，例如，第二电极的第一部分和第二部分可能短路，或者，电流不能流过第二电极的第二部分。
在根据本发明第一至第三实施方式的包括上述优选配置和模式的激光二极管元件组件或其驱动方法中，期望从激光二极管元件组件发射的激光的光強度Ewt满足Ewt/E0彡I. 5，其中，假设Wmin = Wmax成立，则向外界出射的激光的光强度为も。在包括上述优选的各种配置和模式的多电极型激光二极管元件中，期望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻为第二电极和第一电极之间的电阻的IX10倍以上，优选I X IO2倍以上，更优选I X IO3倍以上。可选地，期望第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻为I Xio2 Ω以上，优选I XlO3 Ω以上，更优选I XlO4 Ω以上。在这样的多电极型激光二极管元件中，第二电极的第一部分和第二部分之间的电阻为第二电极和第一电极之间的电阻的1X10倍以上，或为1Χ102Ω以上。因此，允许可靠地抑制从第二电极的第一部分流向第二部分的漏电流。换句话说，允许增加施加至饱和 吸收区域(载流子非注入区域)的反向偏置电压以用于脉冲振荡。因此，可以以具有短脉冲宽度的激光的单模实现锁模操作。然后仅通过隔离槽将第二电极分成第一部分和第二部分就可以实现第二电极的第一部分和第二部分之间的高电阻。此外，在包括上述优选配置和模式的多电极型激光二极管元件中，第三化合物半导体层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Inm至IOnm(包括两端点)的范围内，优选在Inm至8nm(包括两端点)的范围内，阻挡层中杂质的掺杂浓度在2X IO18CnT3至I X IO20cnT3(包括两端点)的范围内，优选在I X IO19CnT3至I X IO20cnT3(包括两端点)的范围内。当确定构成第三化合物半导体层的阱层的厚度在Inm至IOnm(包括两端点)的范围内，且构成第三化合物半导体层的阻挡层中的杂质的掺杂浓度在2X1018cnT3至lX102°cm_3(包括两端点)的范围内时，即，当阱层的厚度减小且第三化合物半导体层的载流子(carrier)增加时，允许降低压电极化效应，并允许获得能够产生具有少量次脉冲分量的短宽度的单模光脉冲的激光源。此外，允许利用最低可用反向偏置电压来实现锁模驱动，并允许生成与外部信号(电信号和光信号)同步的光脉冲序列。阻挡层中包括的杂质可以为但不限于硅(Si)，且杂质可以为氧(O)。可选地，在包括上述优选配置和模式的多电极型激光二极管元件中，期望将第二电极分成第一部分和第二部分的隔离槽的宽度为2 μ m以上且为多电极型激光二极管元件中谐振器长度(以下简称“谐振器长度”)的40%以下，优选为ΙΟμπι以上且为谐振器长度的20%以下。作为实例，谐振器长度可以为O. 6_，但并不限于此。根据本发明第一至第三实施方式的包括上述各种优选配置和模式的激光二极管元件组件及其驱动方法中的激光二极管元件(以下统ー简称“本发明的激光二极管兀件”)可以是具有脊条型分限异质结构(ridge stripe type separate confinementheterostructure, SCH结构)的激光二极管元件。可选地，激光二极管元件可以是具有斜脊条型分限异质结构的激光二极管元件。在多电极型激光二极管元件中，使DC电流通过发光区域从第二电极的第一部分流到第一电极来产生正向偏压状态，在第一电极和第二电极的第二部分之间施加电压(反向偏置电压)以向饱和吸收区域施加电场，从而允许执行自脉冲操作(self-pulsation operation)和锁模操作。在本发明的激光二极管元件中，第二电极可以由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、钼(Pt)单层、钼层与第二化合物半导体层接触的钯层/钼层层压结构、或钯层与第二化合物半导体层接触的钯层/镍层层压结构构成。应注意的是，在下部金属层由钯制成而上部金属层由镍制成的情况下，期望上部金属层的厚度为O. I μ m以上，优选为O. 2 μ m以上。可选地，第二电极优选由钯(Pd)单层构成，在这种情况下，期望该层的厚度为20nm以上，优选为50nm以上。可选地，第二电极由钯(Pd)单层、镍(Ni)单层、钼(Pt)单层或包括上部金属层和与第二化合物半导体层接触的下部金属层的层压结构构成(其中，下部金属层由选自由钯、镍和钼组成的组中的ー种金属制成，在随后描述的步骤(D)中在第二电极中形成隔离槽的情况下，上部金属层由蚀刻速率等于、基本等于或高于下部金属的蚀刻速率的金属制成)。此外，期望用于在下文所述的步骤(D)中在第二电极中形成隔离槽的蚀刻剂为王水、硝酸、硫酸、盐酸或选自它们的两种或多种的混合液(具体地，为硝酸和硫酸的混合液或硫酸和盐酸的混合液)。在多电极型激光二极管元件中，第二电极的第一部分和第二部分的具体配置状态包括以下状态(I)设置第二电极的ー个第一部分和第二电极的ー个第二部分，第二电极的第一 部分和第二电极的第二部分之间设置有隔离槽；(2)设置第二电极的ー个第一部分和第二电极的两个第二部分，第一部分的一端面向第二部分中的ー个，隔离槽介于其间，而第一部分的另一端面向另ー第二部分，另ー隔离槽介于其间；(3)设置第二电极的两个第一部分和第二电极的ー个第二部分，第二部分的一端面向第一部分中的ー个，隔离槽介于其间，而第二部分的另一端面向另ー个第一部分，另ー隔离槽介于其间(即，第二电极具有第二部分被夹在第一部分的配置)。更广泛地，配置状态包括以下状态(4)设置第二电极的N个第一部分和第二电极的(N-I)个第二部分，第二电极的第一部分被设置为使得第二电极的第二部分在第一部分之间；(5)设置第二电极的N个第二部分和第二电极的(N-I)个第一部分，第二电极的第二部分被设置为使得第二电极的第一部分在第二部分之间。应注意的是，换句话说，状态⑷和(5)是以下状态(4/ )设置N个发光区域(载流子注入区域，増益区域)和(N-I)个饱和吸收区域(载流子非注入区域)，发光区域被设置为使得饱和吸收区域在发光区域之间；(5')设置N个饱和吸收区域(载流子非注入区域)和(N-I)个发光区域(载流子注入区域，増益区域)，饱和吸收区域被设置为使得发光区域在饱和吸收区域之间。尽管制造多电极型激光二极管元件的方法根据要制造的多电极型激光二极管元件的配置和结构而变化，允许利用下列方法制造多电极型激光二极管元件。更具体地，允许利用包括下列步骤的方法制造电极激光二极管元件(A)在基底上形成层压结构体，该层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层、由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域和饱和吸收区域的第三化合物半导体层、以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第二导电型与第一导电型不同；(B)在第二化合物半导体层上形成第二电极；(C)通过利用第二电极作为蚀刻掩模蚀刻一部分或整个第二化合物半导体层来形成脊条形结构；(D)形成用于在第二电极中形成隔离槽的抗蚀剂层，然后利用抗蚀剂层作为湿蚀刻掩模通过湿蚀刻法在第二电极中形成隔离槽，从而通过隔离槽将第二电极分成第一部分和第二部分。然后，当采用这种制造方法时，具体地，当通过利用第二电极作为蚀刻掩模蚀刻部分或整个第二化合物半导体，即，通过利用图案化的第二电极作为蚀刻掩模的自对准系统来形成脊条形结构时，第二电极和脊条形结构之间不会出现未对准的情況。此外，隔离槽优选通过湿蚀刻法形成在第二电极中。因此，当采用湿蚀刻法时，与干蚀刻法不同，可以抑制第二化合物半导体层的光学和电气特性的劣化。从而可以可靠地抑制发光特性劣化。应注意的是，根据要制造的多电极型激光二极管元件的配置和结构，在步骤(C)中，可以在厚度方向部分蚀刻第二化合物半导体层，或可以在厚度方向整体蚀刻第二化合物半导体层，或可以在厚度方向蚀刻第二化合物半导体层和第三化合物半导体层，或可以在厚度方向部分蚀刻第二化合物半导体层和第三化合物半导体层，以及进ー步第一化合物 半导体层。此外，在步骤(D)中，期望满足ERcZER1 SlX 10，优选满足ErcZEriSIXIO2,其中，在第二电极中形成隔离槽的情况下，第二电极的蚀刻速率和层压结构体的蚀刻速率分别为ERtl和ERp当ERノER1满足此关系时，可以使得可靠地蚀刻第二电极而不会蚀刻层压结构体(或只轻微地蚀刻层压结构体)。此外，在本发明激光二极管元件中，具体地，层压结构体可以由AlGaInN基化合物半导体制成。具体的AlGaInN基化合物半导体包括GaN、AlGaN, GaInN和AlGalnN。此外，这些化合物半导体根据需要可以包括硼(B)原子、铊(Tl)原子、神(As)原子、磷(P)原子或锑(Sb)原子。此外，期望第三化合物半导体层(有源层)具有量子阱结构。更具体地，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)。具有量子阱结构的第三化合物半导体层(有源层)具有通过层压一个或多个阱层和ー个或多个阻挡层而形成的结构；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，在本发明中的激光二极管元件中，第二化合物半导体层可具有P型GaN层和P型AlGaN层交替层压的超晶格结构，超晶格结构的厚度可以为O. 7μπι以下。采用这种超晶格结构时，在保持了作为涂覆层所需的高折射率的同时，可以减少激光二极管元件的串联电阻分量，从而使激光二极管元件的操作电压降低。应注意的是，超晶格结构的厚度的下限例如可以为但不限于O. 3 μ m,构成超晶格结构的P型GaN层的厚度可以在Inm至5nm的范围内，构成超晶格结构的P型AlGaN层的厚度可以在Inm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，第三化合物半导体层至第二电极的距离可以为I μ m以下，优选为O. 6 μ m以下。当以这种方式确定第三化合物半导体层至第二电极的距离时，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激光ニ极管元件的操作电压的降低。应注意的是，第三化合物半导体层至第二电极的距离的下限例如可以为但不限于O. 3μπι。此外，第二化合物半导体层掺杂有IXlO19cnT3以上的Mg ；第二化合物半导体层相对于来自于第三化合物半导体层的波长为405nm的光的吸收系数为50CHT1以上。Mg的原子浓度根据材料的物理性质而设定，其中，在原子浓度为2X IO19CnT3时表现出最大空穴浓度，Mg的原子浓度为设计以达到最大空穴浓度的結果，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最小化激光二极管元件的电阻，因此，来自第三化合物半导体层的光的吸收系数通常为50CHT1。然而，可以有意将Mg的掺杂量设为2 X IO19CnT3以上以提高吸收系数。在这种情况下，达到实际空穴浓度的Mg的掺杂量的上限例如为8X1019cm_3。此外，按距第三化合物半导体层的距离递增的顺序，第二化合物半导体层包括非掺杂化合物半导体层和P型化合物半导体层，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I. 2X IO-7HI以下。当用这种方式确定第三化合物半导体层至P型化合物半导体层的距离时，允许抑制内部损耗而不会降低内部量子效率，从而允许降低激光振荡开始时的阈值电流密度。应注意的是，第三化合物半导体层至P型化合物半导体层的下限例如可以是但不限于5X10_8m。此外，由Si02/Si层压结构构成 的层压绝缘膜形成在脊条形结构的两个侧面上；脊条形结构和层压绝缘膜之间的有效折射率的差值可以在5 X 10_3至I X 10_2的范围内。当使用这种层压绝缘膜吋，甚至在超过100毫瓦的高功率操作状态下，仍允许保持单个基横模(single fundamental transverse mode)。此夕卜，第二化合物半导体层例如可以具有通过以距离第三化合物半导体层的距离递增的顺序层压非掺杂GaInN层(P侧光导层)、非掺杂AlGaN层(P侧涂覆层)、Mg-掺杂AlGaN层(电子阻挡层)、GaN层(Mg掺杂)/AlGaN层超晶格结构(超晶格涂覆层)以及Mg-掺杂GaN层(P侧接触层)而形成的结构。期望形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，期望从第三化合物半导体层(有源层)发出的激光的波长在360nm至500nm的范围内，优选在400nm至41 Onm的范围内。显然,可对上述各种配置进行适当组
ム
ロ ο在本发明中的激光二极管元件中，构成激光二极管元件的各种GaN基化合物半导体顺序形成在基板上，除蓝宝石基板之外，基板的实例还包括GaAs基板、GaN基板、SiC基板、氧化招基板、ZnS基板、ZnO基板、AlN基板、LiMgO基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板、InP基板、Si基板以及具有形成有基底层或缓冲层的表面(主表面)的这些基板中的ー个。在GaN基化合物半导体层形成在基板上的情况下，由于低的缺陷密度，所以GaN基板通常是优选的。然而，众所周知，GaN基板根据生长面而表现出极性、非极性或半极性。此外，形成构成激光二极管元件的各种GaN基化合物半导体层的方法包括金属有机物化学气相沉积法(M0CVD法，MOVPE法)、分子束外延法(MBE法)、卤素促进输送或反应的氢化物气相沉积法
坐寸οMOCVD法中有机镓源气体的实例包括三甲基镓(TMG)气体和三こ基镓(TEG)气体，氮源气体的实例包括氨气和肼气。为了形成η型导电型GaN基化合物半导体层，例如，可添加作为η型杂质(η型掺杂物)的硅(Si)，而为了形成P型导电型GaN基化合物半导体层，例如，可添加作为P型杂质(P型掺杂物)的镁(Mg)。当包含作为GaN基化合物半导体层的组成原子的铝(Al)或铟(In)时，三甲基铝(TMA)气体可用作Al源，三甲基铟(TMI)气体可用作In源。此外，甲娃烧(SiH4)气体可用作Si源,环戍ニ烯镁(cyclopentadienylmagnesium)气体、甲基环戍ニ烯镁或双(环戍ニ基)镁(methylcyclopentadienylmagnesium) (Cp2Mg)可用作Mg源。应注意的是,除Si之外，η型杂质(η型掺杂物)的实例还包括Ge、Se、Sn、C、Te、S、O、Pd和Po，除Mg之外，ρ型杂质(ρ型掺杂物)的实例还包括Zn、Cd、Be、Ca、Ba、C、Hg 和 Sr。当第一导电型为η型导电型吋，期望连接至η型导电型第一化合物半导体层的第ー电极具有包括ー种或多种选自由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)和铟(In)组成的组的金属的单层结构或多层结构，这样的多层结构的实例可包括Ti/Au、Ti/Al和Ti/Pt/Au。第一电极电连接至第一化合物半导体层，第一电极电连接至第一化合物半导体层的状态包括第一电极形成在第一化合物半导体层上的状态，以及第一电极通过导电材料层或导电基板连接至第一化合物半导体层的状态。允许通过诸如气相沉积法或溅射法等PVD方法形成第一电极和第二电极。焊盘电极(pad electrode)可形成在第一电极或第二电极上，使第一电极或第ニ电极电连接至外部电极或电路。期望焊盘电极具有包括ー种或多种选自由Ti(钛)、Al (铝)、Pt (钼)、Au(金)和Ni (镍)组成的组中的金属的单层结构或多层结构。可选地，焊盘电极可具有诸如Ti/Pt/Au或Ti/Au的多层结构。在多电极型激光二极管元件中，如上所述，对于脉冲振荡，期望其中反向偏置电压 施加在第一电极和第二电极的第二部分之间的配置(即，第一电极和第二部分分别为阴极和阳极的配置)。应注意的是，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可以施加至第二电极的第二部分，或DC偏压可施加至第二电极的第二部分。此外，当电流通过发光区域从第二电极流到第一电极时，可以通过发光区域将外部电信号从第二电极施加至第一电极以叠加在电流上。因此，允许激光和外部电信号同歩。可选地，允许光信号从层压结构体的ー个端面进入。从而允许激光和光信号同歩。此外，在第二化合物半导体层中，非掺杂化合物半导体层(例如，非掺杂GaInN层或非掺杂AlGaN层)可形成在第三化合物半导体层和电子阻挡层之间。此外，作为光导层(optical guidelayer)的非掺杂GaInN层可形成在第三化合物半导体层和非掺杂化合物半导体层之间。第ニ化合物半导体层的最上层可以由Mg掺杂GaN层(ρ侧接触层)占据。本发明的激光二极管元件例如适用于诸如光盘系统、通信领域、光信息领域、光电集成电路、非线性光学现象应用领域、光开关、诸如激光测量领域的各种分析领域、超快光谱领域、多相励磁光谱领域、质量分析领域、利用多光子吸收的显微光谱领域、化学反应量子控制、纳米三维处理领域、利用多光子吸收的各种处理领域、医学领域以及生物成像的领域。[实施例I]实施例I涉及根据本发明第一和第三实施方式的激光二极管元件组件。图IA和图IB示出了实施例I的激光二极管元件组件的概图，图1C、图2A和图2B示出了实施例I中激光二极管元件的平面示意图。此外，图3示出了沿谐振器延伸方向截取的实施例I中激光二极管元件的端面示意图(沿XZ平面截取的端面示意图)，图4示出了沿与谐振器延伸方向垂直的方向截取的示意性截面图(沿YZ平面截取的示意性截面图)。应注意的是，图3是沿图4的箭头I-I截取的端面示意图。图4是沿图3的箭头II-II截取的示意性截面图。下文描述的实施例I或实施例2中的激光二极管元件组件(以下统称为“实施例I等的激光二极管元件组件”)包括激光二极管元件10以及光反射器70，激光二极管元件10包括
(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型(具体地，每个实施例中为η型导电型)第一化合物半导体层30，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域(増益区域)41的第三化合物半导体层(有源层)40，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型(具体地，每个实施例中为ρ型导电型)第二化合物半导体层50而构成，第二导电型与第一导电型不同；(b)第二电极62，形成在第二化合物半导体层50上；(c)第一电极61，电连接至第一化合物半导体层30。可选地，实施例I等的激光二极管元件组件包括激光二极管元件10以及外部谐振器70，激光二极管元件10包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第ー导电型第一化合物半导体层30，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域(増益区域)41的第三化合物半导体层40，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层50而构成，第二导电型与第一导电型不同；(b)第二电极62，形成在第二化合物半导体层50上；(c)第一电极61，电连接至第一化合物半导体层30。具体地，实施例I等的激光二极管元件10由多电极型激光二极管元件(更具体地，二分型激光二极管元件(bisection type laser diode element))构成,第三化合物半导体层(有源层)40进ー步包括饱和吸收区域42，第二电极由第一部分62A和第二部分62B构成，第一部分62A被配置为通过使得电流通过发光区域41流至第一电极61而产生正向偏压状态，第二部分62B被配置为向饱和吸收区域42施加电场，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B由隔尚槽62C隔开。层压结构体包括脊条形结构56。具体地，实施例I等的激光二极管元件10为具有脊条型分限异质结构(SCH结构)的激光二极管元件。更具体地，激光二极管元件是由用于蓝光光盘系统开发的指数引导型(index guide type) AlGaInN制成的GaN基激光二极管元件。具体地，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AlGaInN基化合物半导体制成，更具体地，在实施例I等的激光二极管元件10中，具有下表I中所示的层结构。在这种情况下，表I中的化合物半导体层按距η型GaN基板21的距离递减的顺序列出。此外，形成第三化合物半导体层40中阱层的化合物半导体的带隙为3. 06eV。实施例I等的激光二极管元件10设置在η型GaN基板21的(0001)面上，第三化合物半导体层40具有量子阱结构。η型GaN基板21的(0001)面也称作“C面”，为具有扱性的晶面。[表 I]第二化合物半导体层50ρ型GaN接触层(Mg掺杂)55ρ型GaN (Mg掺杂)/AlGaN超晶格涂覆层54ρ型AlGaN电子阻挡层(Mg掺杂)53非掺杂AlGaN涂覆层52非掺杂GaInN光导层51第三化合物半导体层40
GaInN量子阱有源层(讲层=Gaa92Inatl8N/阻挡层:Ga0.98In0.02N)第一化合物半导体层30η型GaN涂覆层32η 型 AlGaN 涂覆层 31这里，阱层(两层)10.5nm非掺杂
阻挡层(三层)14nm非掺杂此外，ρ型GaN接触层55的一部分和ρ型GaN/AlGaN超晶格涂覆层54的一部分通过RIE方法去除而形成脊条形结构56。由Si02/Si制成的层压绝缘膜57形成在脊条形结构56的两侧。应注意的是，SiO2层是下层，Si层是上层。在这种情况下，脊条形结构56和层压绝缘膜57之间的有效折射率的差值在5X 10_3至I X 10_2(包括两端点)的范围内，更具体地为7X10_3。第二电极(P侧欧姆电极)62形成在对应于脊条形结构56的顶面的ρ型GaN接触层55上。另ー方面，由Ti/Pt/Au制成的第一电极(η侧欧姆电极)61形成在η型GaN基板21的背面。在实施例I等的激光二极管元件中，均为Mg掺杂化合物半导体层的ρ型AlGaN电子阻挡层53、ρ型GaN/AlGaN超晶格涂覆层54和ρ型GaN接触层55尽量少地与从第三化合物半导体层40及其周围产生的光密度分布重叠，从而降低了内部损耗而不会降低内部量子效率。结果，激光振荡开始处的阈值电流密度降低了。更具体地，从第三化合物半导体层40至ρ型AlGaN电子阻挡层53的距离d为O. 10 μ m，脊条形结构56的高度为O. 30 μ m,设置在第二电极62和第三化合物半导体层40之间的第二化合物半导体层50的厚度为O. 50 μ m，p型GaN/AlGaN超晶格涂覆层54的设置在第二电极下方62的部分的厚度为 O. 40 μ m。在实施例I等的激光二极管元件10中，第二电极62被隔离槽62C分成第一部分62A和第二部分62B，第一部分62A被配置为使DC电流通过发光区域(増益区域)41流至第ー电极61来产生正向偏压状态，第二部分62B被配置为向饱和吸收区域42施加电场(第二部分62B被配置为在脉冲振荡下向饱和吸收区域42施加反向偏置电压)。这里，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻(可被称为“隔离电阻”)为第二电极62和第一电极61之间的电阻的I X 10倍以上，具体为I. 5X IO3倍。第二电极62的第一部分62A和第二部分62B之间的电阻(隔离电阻)为IX IO2 Ω以上，具体为1.5Χ104Ω。图IA的概图中所示的实施例I的激光二极管元件组件具有聚光型外部谐振器结构(condensing type external resonator structure)。此外，图 IB 的概图中所不的实施例I的激光二极管元件组件的变形具有准直型外部谐振器结构(collimating typeexternal resonator structure)。然后,夕卜部谐振器结构由端面(另一端面57B)(高反射涂层(HR)靠近激光二极管元件的饱和吸收区域42形成)和光反射器(外部谐振器)70构成，光脉冲从光反射器(外部谐振器)70提取。抗反射涂层(AR)形成在靠近激光二极管元件的发光区域(増益区域)41的一个端面(发光端面)57A上。作为光滤波器，主要使用带通滤波器(例如，中心波长为410nm，透光率为90%以上，带宽为0. 8nm)，插入光滤波器以控制激光的振荡波长。如后文所述，通过施加至发光区域的DC电流和施加至饱和吸收区域的反向偏置电压来确定锁摸。光脉冲序列的重复频率f由外部谐振器长度Γ确定，并由下列公式表示。这里，C为光速，η为波导的折射率。f = c/(2n · )因此，在实施例I的激光二极管元件组件中，激光从脊条形结构56的一个端面57A发出，激光的一部分被光反射器70反射而返回至激光二极管元件10，激光的其余部分通过光反射器70向外界出射。此外，激光被脊条形结构56的另一端面57B反射。可选地，激光从脊条形结构56的一个端面57A发出，激光被外部谐振器70反射而返回至激光二极管元件10，从脊条形结构56的一个端面57A或另一端面57B发出的激光(具体地，从实施例I中的一个端面57A发出)向外界出射。然后，脊条形结构56的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax 满足 I く Wmax/Wmin < 3. 3( = 10/3)或 6 く ffmax/ffmin ^ 13. 3( = 40/3)，向外界出射的激光为单模光。 更具体地，在实施例I的激光二极管元件中，激光从靠近层压结构体的发光区域的端面(发光端面)57A发出。例如，抗反射涂层(AR)或反射率为O. 5%以下，优选为O. 3%以下的低反射涂层形成在端面(发光端面)57A上。此外，反射率为85%以上，优选为95%以上的高反射涂层(HR)形成在激光二极管元件10中的面向端面(发光端面)57A的另ー端面(光反射端面)57B上。应注意的是，未示出抗反射涂层(AR)、低反射涂层和高反射涂层(HR)。饱和吸收区域42设置在层压结构体的一部分中，该部分位于靠近与激光向外界出射的端面(实施例I中的端面57A)相対的端面(实施例I中的端面57B)。作为抗反射涂层或低反射涂层，可使用包括两种或多种选自由氧化钛层、氧化钽层、氧化锆层、氧化硅层和氧化铝层组成的组的层。在实施例I中，光反射器70或外部谐振器70由半反射镜构成。如上所述，期望隔离电阻为1Χ102Ω的第二电极62形成在第二化合物半导体层50上。在GaN基激光二极管元件的情况下，与相关技术中的GaAs基激光二极管元件不同，P型导电型化合物半导体的迁移率小；因此，无需通过对P型导电型的第二化合物半导体层50进行离子注入来提高电阻，形成在ρ型导电型的第二化合物半导体层50上的第二电极62通过隔离槽62C隔离，从而使得第二电极62的第一部分62Α和第二部分62Β之间的电阻为第二电极62和第一电极61之间的电阻的10倍以上,或使得第二电极62的第一部分62Α和第二部分62Β的电阻为1Χ102Ω以上。在图IC的平面示意图中所示的激光二极管元件10中，脊条形结构56的端面(发光端面)57Α的宽度为最大宽度Wmax，脊条形结构56的另一端面(光反射端面)57B的宽度为最小宽度Wmin。具有所谓的喇叭状结构的脊条形结构56的宽度从一个端面57A逐渐线性减小到另一端面57B。应注意的是，在图1C、图2A、图2B、图14、图18A和图18B中，以对角阴影线标识隔离槽区域以指定隔离槽62C。在图2A的平面示意图中所示的激光二极管元件10中，脊条形结构56的对应于第ニ电极62的第一部分62A的部分的宽度在端面(发光端面)57A处为最大宽度Wmax，在面向隔离槽62C的侧面处为最小宽度Wmin,即,脊条形结构56的一部分的宽度从最大宽度Wmax逐渐线性减小到最小宽度Wmin。脊条形结构56的对应于第二电极62的第二部分62B的部分的宽度固定为最小宽度Wmin。在图2B的平面示意图中所示的激光二极管元件10中，脊条形结构56的对应于第ニ电极62的第一部分62A的部分的宽度在距端面(发光端面)57A的某区域中为最大宽度Wmax，而在面向隔离槽62C的侧面处为最小宽度Wmin，即，脊条形结构56的一部分的宽度从某区域(具有最大宽度Wmax)逐渐线性减小到最小宽度Wmin。脊条形结构56的对应于第二电极62的第二部分62B的部分的宽度固定为最小宽度Wmin。然而，第二电极62的第一部分62A和第二部分62B的平面形状并不限于图1C、图2A和图2B中所示的实施例。脊条形结构56具有所谓的喇叭状结构，且脊条形结构56的最小宽度Wmin满足I X 10_6m < Wniin < 3X10_6m。
作为图2A中所示的激光二极管元件，建立了其中激光二极管元件10的谐振器长度为600 μ m，第二电极62的第一部分62A、第二部分62B和隔离槽62C的长度分别为560 μ m、30 μπι,ΙΟμ m, Wmin为I. 5 μ m，Wmax被改变为下表2中所示的值的激光二极管元件。[表2]
'Wmax ( J^ini ) 'Wmax/'Wmin 实施例IA2.51.7
參考例IB5.03.3
实施例IC10.06.7
实施例 ID15.010.0
实施例 IE20.013.3同样，作为图2A中所示的激光二极管元件，建立了其中激光二极管元件10的谐振器长度为600 μ m，第二电极62的第一部分62A、第二部分62B和隔离槽62C的长度分别为560 μ m、30 μ m 和 10 μ m,ffmin 为 2· 5 μ m，Wmax 为 15. O ym(ffmax/ffmin = 6. 0)的激光二极管元件(实施例1F)。当电流Ig通过第二电极62的第一部分62A和发光区域41流至第一电极61吋，电流通过第一电极61和饱和吸收区域42流至第二电极62的第二部分62B (具体地，在第二电极62的第二部分62B和第一电极61之间施加反向偏置电压)，从而允许执行单模脉冲振荡。此外，当电流Ig通过第二电极62的第一部分62A和发光区域41流至第一电极61吋，电流通过第二电极62的第二部分62B和发光区域41流至第一电极61 (具体地，在第二电极62的第二部分62B和第一电极61之间施加正向偏置电压)，或电流不通过第二电极62的第二部分62B以及发光区域41流至第一电极61，从而允许执行单模连续波振荡。应注意的是，施加反向偏置电压意味着第二电极62的第二部分62B和第一电极61分别为阳极(负极)和阴极(正扱)，电位差为Vsa (參照第二电极62的第二部分62B的电位，Vsa < O)，施加正向偏置电压意味着第二电极62的第二部分62B和第一电极61分别为阴极和阳极，电位差为Vsa(參照第一电极61的电位，Vsa > O)。如表3所示，当电流Ig流至样品且电压Vsa施加至样品时，对各个样品的振荡状态和振荡模式进行评估。尽管在表3中示出了结果，但图6A和图6B中示出了(Wmin，Wmax)=(I. 5 μ m, 2. 5 μ m)的情况下的实施例IA中的近场图像，图7A至图7C示出了(Wmin，Wmax)=(I. 5 μ m, 5. O μ m)的情况下參考例IB和对比例IB中的近场图像，图8Α至图8C示出了(Wmin, Wmax) = (1.5μ m, 10. Oym)的情况下实施例IC和对比例IC中的近场图像，图9A至图9C示出了(Wmin，Wmax) = (I. 5 μ m, 15. Oym)的情况下实施例ID和对比例ID中的近场图像，图IOA至图IOC示出了 (Wmin，Wmax) = (1.5μ m, 20. Oym)的情况下实施例IE和对比例IE中的近场图像，图IlA至图IlC示出了(Wmin，Wmax) = (2. 5 μ m, 15. Oym)的情况下实施例IF和对比例IF中的近场图像。应注意的是，对比例1B、对比例1C、对比例1D、对比例IE和对比例IF分别对应參考例1B、实施例1C、实施例1D、实施例IE和实施例IF的去除光反射器70或外部谐振器70的激光二极管元件组件。[表3]Xmin = I. 5 μ m
权利要求
1.一种激光二极管元件组件，包括 激光二极管元件；以及 光反射器， 其中，所述激光二极管元件包括 (a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同， (b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述层压结构体包括脊条形结构， 激光从所述脊条形结构的第一端面发出，所述激光的一部分被所述光反射器反射返回至所述激光二极管元件，而所述激光的其余部分通过所述光反射器向外界出射， 所述激光被所述脊条形结构的第二端面反射， 所述脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/U 13.3。
2.一种激光二极管元件组件，包括 激光二极管元件；以及 光反射器， 其中，所述激光二极管元件包括 (a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同， (b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述层压结构体包括脊条形结构， 激光从所述脊条形结构的第一端面发出，且所述激光被所述光反射器反射返回至所述激光二极管元件， 所述激光的一部分从所述脊条形结构的第二端面向外界出射，所述脊条形结构的最小宽度 Wfflin 和最大宽度 Wfflax 满足 I < fffflax/fffflin < 3. 3 或 6 彡 fffflax/fffflin < 13. 3。
3.一种激光二极管元件组件，包括 激光二极管元件；以及 外部谐振器， 其中，所述激光二极管元件包括 (a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同，(b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述层压结构体包括脊条形结构， 激光从所述脊条形结构的第一端面发出，所述激光被所述外部谐振器反射返回至所述激光二极管元件， 从所述脊条形结构的所述第一端面或第二端面发出的激光向外界出射，以及 所述脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/U 13.3。
4.根据权利要求I所述的激光二极管元件组件，其中 所述光反射器由反射镜、啁啾反射镜、体布拉格光栅或光纤布拉格光栅构成。
5.根据权利要求I至3任一项所述的激光二极管元件组件，其中向外界出射的所述激光为单模光。
6.根据权利要求I至3任一项所述的激光二极管元件组件，其中满足I X 10_6m ^ Wmin ^ 3X10_6m。
7.根据权利要求I至3任一项所述的激光二极管元件组件，其中 所述第三化合物半导体层进一步包括饱和吸收区域， 所述第二电极由第一部分和第二部分构成，所述第一部分被配置为使电流通过所述发光区域流至第一电极来产生正向偏压状态，所述第二部分被配置为向所述饱和吸收区域施加电场， 所述第二电极的所述第一部分和所述第二部分被隔离槽隔开。
8.根据权利要求7所述的激光二极管元件组件，其中 所述饱和吸收区域设置在所述层压结构体的一部分中，该部分被定位为靠近与激光向外界出射的端面相对的端面。
9.根据权利要求7所述的激光二极管元件组件，其中 向外界发射的所述激光为脉冲振荡激光。
10.根据权利要求9所述的激光二极管元件组件，其中 所述饱和吸收区域设置在所述层压结构体的一部分中，该部分被定位为靠近与激光向外界出射的端面相对的端面。
11.根据权利要求I至3任一项所述的激光二极管元件组件，其中 向外界出射的所述激光为连续波振荡激光。
12.根据权利要求I至3任一项所述的激光二极管元件组件，其中 从所述激光二极管元件组件发出的激光的光强度Etjut满足EwtZ^ci ^ I. 5，其中，假设Wmin=Wmax成立，向外界出射的激光的光强度为匕。
13.根据权利要求1-3任一项所述的激光二极管元件组件，其中，所述第三化合物半导体层至所述第二电极的距离为Ium以下，按距所述第三化合物半导体层的距离递增的顺序，所述第二化合物半导体层包括非掺杂化合物半导体层和P型化合物半导体层，所述第三化合物半导体层至所述P型化合物半导体层的距离为I. 2X 10-7m以下。
14.一种驱动激光二极管元件组件的方法，所述激光二极管元件组件包括激光二极管元件和光反射器，所述激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同， (b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述第三化合物半导体层进一步包括饱和吸收区域， 所述第二电极由第一部分和第二部分构成，所述第一部分被配置为使电流通过所述发光区域流至所述第一电极来产生正向偏压状态，所述第二部分被配置为向所述饱和吸收区域施加电场， 所述第二电极的所述第一部分和所述第二部分被隔离槽隔开， 所述层压结构体包括脊条形结构， 激光从所述脊条形结构的第一端面发出，所述激光的一部分被所述光反射器反射返回至所述激光二极管元件，所述激光的其余部分通过所述光反射器向外界出射， 所述激光被所述脊条形结构的第二端面反射， 所述脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/Wfflin^ 13.3, 所述方法包括 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第一电极以及所述饱和吸收区域流至所述第二电极的所述第二部分，从而使得执行脉冲振荡；以及 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极或不使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极，从而使得执行连续波振荡。
15.一种驱动激光二极管元件组件的方法，所述激光二极管元件组件包括激光二极管元件和光反射器，所述激光二极管元件包括 (a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同， (b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述第三化合物半导体层进一步包括饱和吸收区域， 所述第二电极由第一部分和第二部分构成，所述第一部分被配置为使电流通过所述发光区域流至所述第一电极而产生正向偏压状态，所述第二部分被配置为向所述饱和吸收区域施加电场， 所述第二电极的所述第一部分和所述第二部分被隔离槽隔开， 所述层压结构体包括脊条形结构，激光从所述脊条形结构的第一端面发出，且所述激光被所述光反射器反射返回至所述激光二极管元件， 所述激光的一部分从所述脊条形结构的第二端面向外界出射， 所述脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/Wfflin^ 13.3, 所述方法包括 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第一电极以及所述饱和吸收区域流至所述第二电极的所述第二部分，从而使得执行脉冲振荡；以及 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极或不使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极，从而使得执行连续波振荡。
16.一种驱动激光二极管元件组件的方法，所述激光二极管元件组件包括激光二极管元件和外部谐振器，所述激光二极管元件包括 (a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，所述第二导电型与所述第一导电型不同， (b)第二电极，形成在所述第二化合物半导体层上，以及 (c)第一电极，电连接至所述第一化合物半导体层， 所述第三化合物半导体层进一步包括饱和吸收区域， 所述第二电极由第一部分和第二部分构成，所述第一部分被配置为使电流通过所述发光区域流至所述第一电极而产生正向偏压状态，所述第二部分被配置为向所述饱和吸收区域施加电场， 所述第二电极的所述第一部分和所述第二部分被隔离槽隔开， 所述层压结构体包括脊条形结构， 激光从所述脊条形结构的第一端面发出，所述激光被所述外部谐振器反射返回至所述激光二极管元件， 从所述脊条形结构的所述第一端面或第二端面发出的激光向外界出射， 所述脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足I < Wmax/Wmin < 3. 3或6彡Wmax/Wfflin^ 13.3, 所述方法包括 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第一电极以及所述饱和吸收区域流至所述第二电极的所述第二部分，从而使得执行脉冲振荡；以及 使电流通过所述第二电极的所述第一部分以及所述发光区域流至所述第一电极的同时，使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极或不使电流通过所述第二电极的所述第二部分以及所述发光区域流至所述第一电极，从而使得执行连续波振荡。
17.根据权利要求14至16任一项所述的驱动激光二极管元件组件的方法，其中所述饱和吸收区域设置在所述层压结构体的一部分中，该部分被定位为靠近与激光向外界出射的端面相对的端面。
全文摘要
本发明涉及激光二极管元件组件及其驱动方法。一种激光二极管元件组件包括激光二极管元件；以及光反射器，其中，激光二极管元件包括(a)层压结构体，所述层压结构体通过顺序层压由GaN基化合物半导体制成的第一导电型第一化合物半导体层，由GaN基化合物半导体制成且包括发光区域的第三化合物半导体层，以及由GaN基化合物半导体制成的第二导电型第二化合物半导体层而构成，第二导电型与第一导电型不同，(b)第二电极，形成在第二化合物半导体层上，(c)第一电极，电连接至第一化合物半导体层，层压结构体包括脊条形结构，脊条形结构的最小宽度Wmin和最大宽度Wmax满足1＜Wmax/Wmin＜3.3或6≤Wmax/Wmin≤13.3。
文档编号H01S5/065GK102684067SQ201210062338
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月9日 优先权日2011年3月17日
发明者仓本大, 大木智之, 幸田伦太郎, 横山弘之, 渡边秀辉 申请人:国立大学法人 东北大学, 索尼公司