特許 6934129 半導体発光素子組立体の駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6934129

(24)【登録日】2021年8月25日

(45)【発行日】2021年9月15日

(54)【発明の名称】半導体発光素子組立体の駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/062 20060101AFI20210906BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20210906BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20210906BHJP

   H01S 5/065 20060101ALI20210906BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/062

   H01S5/022

   H01S5/026 610

   H01S5/065

【請求項の数】8

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2017-506033(P2017-506033)

(86)(22)【出願日】2015年12月17日

(86)【国際出願番号】JP2015085329

(87)【国際公開番号】WO2016147512

(87)【国際公開日】20160922

【審査請求日】2018年11月7日

【審判番号】不服2020-7912(P2020-7912/J1)

【審判請求日】2020年6月9日

(31)【優先権主張番号】特願2015-56280(P2015-56280)

(32)【優先日】2015年3月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002185

【氏名又は名称】ソニーグループ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001357

【氏名又は名称】特許業務法人つばさ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100094363

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 孝久

(74)【代理人】

【識別番号】100118290

【弁理士】

【氏名又は名称】吉井 正明

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 秀輝

(72)【発明者】

【氏名】簗嶋 克典

(72)【発明者】

【氏名】幸田 倫太郎

(72)【発明者】

【氏名】竹尾 もえ

(72)【発明者】

【氏名】岡野 展賢

【合議体】

【審判長】 瀬川 勝久

【審判官】 近藤 幸浩

【審判官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／１５３９９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１２６１６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−９４１８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３２４２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００４６２５０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01S5/00 - 5/50

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒートシンク、サブマウント及び半導体発光素子が、順次、積層されて成り、
半導体発光素子は、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する半導体発光素子組立体の駆動方法であって、
ヒートシンクを加熱することによって活性層の温度を高くすることで、動作電流範囲を拡大する半導体発光素子組立体の駆動方法。
ここで、光パルスの繰り返し周波数が光学系の距離で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流を動作電流範囲の上限値とし、動作電流を増加していきレーザ発振が生じるときの動作電流の値を動作電流範囲の下限値とする。

【請求項2】

ヒートシンク、サブマウント及び半導体発光素子が、順次、積層されて成り、
半導体発光素子は、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する半導体発光素子組立体の駆動方法であって、
ヒートシンクを加熱することによって活性層の温度を高くすることで、出射される最大光出力を増加させる半導体発光素子組立体の駆動方法。
ここで、光パルスの繰り返し周波数が光学系の距離で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流における光出力を最大光出力とする。

【請求項3】

サブマウントは、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ダイヤモンド、又は、これらの材料を含む複合材料から成る請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【請求項4】

積層構造体は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とが並置された構造を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【請求項5】

可飽和吸収領域は、共振器方向の積層構造体の端部領域に配置されている請求項４に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【請求項6】

発光領域に流す電流を、発光領域の単位面積当たり１×１０²アンペア／ｃｍ²乃至１×１０⁵アンペア／ｃｍ²とする請求項４又は請求項５に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【請求項7】

積層構造体は複数の機能領域が集積された構造を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【請求項8】

複数の機能領域の内の少なくとも１つは可飽和吸収領域から成る請求項７に記載の半導体発光素子組立体の駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体発光素子及び半導体発光素子組立体に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、半導体レーザ素子では活性層の温度が上昇すると光出力の低下がみられる。この現象は、
（Ａ）オーバーフローによる無効電流の増大
（Ｂ）キャリア密度の増大による非発光再結合やキャリアプラズマ吸収の増大
（Ｃ）ホットエレクトロン効果
等によって生じる。そこで、半導体レーザ素子を高出力化するために、従来、例えば、熱抵抗の低減によって活性層の温度を低下させたり、ヒートシンクを用いて活性層の温度を低下させるといった対策が取られている。

【0003】

例えば、特開２０１４−１７５５６５には、平板状のサブマウントの表面上に第１のハンダ層を介して半導体レーザ素子が接合され、半導体レーザ素子が接合されたサブマウントが、ヒートシンクの表面上に第２のハンダ層を介して接合されて成る半導体レーザ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−１７５５６５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記の特許公開公報によれば、半導体レーザ素子からの熱を十分に排熱することができるとされている。しかしながら、活性層の温度を高くすることで光出力の増加を図る技術は、本発明者らが調べた限りでは知られていない。

【0006】

従って、本開示の目的は、光出力の増加を図り得る半導体発光素子、及び、係る半導体発光素子を備えた半導体発光素子組立体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するための本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体は、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する半導体発光素子を備えている。また、上記の目的を達成するための本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子は、第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する。

【0008】

そして、本開示の第１の態様に係る半導体発光素子組立体あるいは本開示の第１の態様に係る半導体発光素子において、活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲をΔＩ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときの動作電流範囲をΔＩ₂としたとき、
ΔＩ₂＞ΔＩ₁
を満足する。以下の説明において、本開示の第１の態様に係る半導体発光素子組立体における半導体発光素子及び本開示の第１の態様に係る半導体発光素子を総称して、『本開示の第１の態様に係る半導体発光素子等』と呼ぶ場合がある。

【0009】

また、本開示の第２の態様に係る半導体発光素子組立体あるいは本開示の第２の態様に係る半導体発光素子において、活性層の温度がＴ₁のときに出射される最大光出力をＰ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときに出射される最大光出力をＰ₂としたとき、
Ｐ₂＞Ｐ₁
を満足する。以下の説明において、本開示の第２の態様に係る半導体発光素子組立体における半導体発光素子及び本開示の第２の態様に係る半導体発光素子を総称して、『本開示の第２の態様に係る半導体発光素子等』と呼ぶ場合がある。

【発明の効果】

【0010】

本開示の第１の態様に係る半導体発光素子等にあっては、ΔＩ₂＞ΔＩ₁の関係を満足するので、活性層の温度を高くするほど、動作電流範囲が広くなり、その結果、光出力の増加を図ることができる。本開示の第２の態様に係る半導体発光素子等にあっては、Ｐ₂＞Ｐ₁を満足するので、活性層の温度を高くするほど、最大光出力が高くなり、光出力の増加を図ることができる。しかも、高ピーク出力を有する４００ｎｍ波長帯のパルスレーザを半導体発光素子（例えば、モード同期半導体レーザ素子）の単体で実現することができるが故に、フェムト秒オーダーの超短パルス光源の普及を図ることができるし、場合によっては、半導体発光素子を冷却する必要がないので省電力化を図ることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、実施例１及び実施例２の半導体発光素子の概念図である。

【図2】図２は、実施例１における半導体発光素子（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3】図３は、実施例１における半導体発光素子（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4】図４は、実施例１の半導体発光素子組立体を分解したときの概念的な斜視図である。

【図5】図５は、実施例１の半導体発光素子において、動作電流Ｉ₁と光出力の関係を求めた結果を示すグラフである。

【図6】図６Ａは、図５に示す結果に基づき、ヒートシンクの温度Ｔ_hsと動作電流範囲の下限値（発振閾値電流）Ｉ_minの関係を求めた結果、及び、光出力１２．５ミリワットが得られるときの動作電流の値を示すグラフであり、図６Ｂは、図５に示す温度依存性の測定結果を、同じパルス状態での動作電流範囲と最大光出力で比較した結果を示すグラフである。

【図7】図７Ａ及び図７Ｂは、実施例１の半導体発光素子の変形例の概念図である。

【図8】図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、実施例１の半導体発光素子の別の変形例の概念図である。

【図9】図９は、実施例１のモード同期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10】図１０は、実施例１のモード同期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11】図１１は、実施例１のモード同期半導体レーザ素子の更に別の変形例におけるリッジストライプ構造を上方から眺めた模式図である。

【図12】図１２Ａ及び図１２Ｂは、実施例１のモード同期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13】図１３Ａ及び図１３Ｂは、図１２Ｂに引き続き、実施例１のモード同期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14】図１４は、図１３Ｂに引き続き、実施例１のモード同期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。

【図15】図１５は、動作電流範囲の上限値を超えると光出力が急激に増加する現象を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示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．本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子）
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．その他

【0013】

〈本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子、全般に関する説明〉
本開示の第１の態様に係る半導体発光素子等において、光パルスの繰り返し周波数ｆが光学系の距離で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流が、動作電流範囲の上限値である形態とすることができる。尚、次に述べる外部共振器構造の長さによって決まるラウンド・トリップ・タイムは、繰り返し周波数ｆの逆数に比例する。また、このような好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る半導体発光素子等において、活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-1、活性層の温度がＴ₂のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-2としたとき、
Ｉ_max-2＞Ｉ_max-1
を満足する形態とすることができる。

【0014】

ここで、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体における上述した光学系は、例えば、半導体発光素子及び光学部材から構成することができる。具体的には、半導体発光素子の有する２つの端面を第１端面及び第２端面とし、第１端面を光反射面、第２端面を光出射面としたとき、半導体発光素子の第２端面から出射した光は光学部材と衝突し、一部の光は半導体発光素子に戻され、残りの光は外部に出射される形態とすることができる。半導体発光素子の第１端面及び光学部材によって外部共振器構造が構成され、この場合、光学系の距離とは外部共振器構造の長さである。光学部材として、格子状の凹凸部や溝部が形成された回折格子、あるいは、半透過鏡や反射鏡を例示することができる。回折格子は、例えば、半導体発光素子から出射された光の内、１次の回折光を半導体発光素子に戻し、０次の回折光を外部に出射する構成とすることができる。回折格子における格子状のパターンの本数として、１２００本／ｍｍ乃至３６００本／ｍｍ、望ましくは２４００本／ｍｍ乃至３６００本／ｍｍを例示することができる。半導体発光素子と光学部材との間に、半導体発光素子からの光を平行光束とするためのコリメート手段（具体的には、レンズ）を配してもよいし、半導体発光素子からの光を光学部材に集光するための集光手段（具体的には、レンズ）を配してもよい。即ち、外部共振器構造を有する場合、半導体発光素子は、集光型であってもよいし、コリメート型であってもよい。

【0015】

更には、上記の各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体は、ヒートシンク、及び、サブマウントを更に備えており、ヒートシンク、サブマウント及び半導体発光素子が、順次、積層されている形態とすることができる。ここで、サブマウントを構成する材料として、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ダイヤモンド、又は、これらの材料を含む複合材料であるＣｕ−Ｗ、Ａｌ−ＳｉＣ等を挙げることができるし、ヒートシンクを構成する材料として、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、又は、これらの材料を含む複合材料であるＣｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等を挙げることができる。尚、
ヒートシンクとサブマウントとは、第１ハンダ層を介して積層されており、
サブマウントと半導体発光素子とは、第２ハンダ層を介して積層されており、
サブマウントの面積に対する第１ハンダ層の面積は、限定するものではないが、０．２乃至０．８であり、及び／又は、半導体発光素子の面積に対するサブマウントに形成された第２ハンダ層の面積は、限定するものではないが、０．２乃至０．８である形態とすることができる。このように、サブマウントの面積に対する第１ハンダ層の面積、及び／又は、半導体発光素子の面積に対するサブマウントに形成された第２ハンダ層の面積を、０．８以下とすることで、半導体発光素子において発生し、ヒートシンクに伝わる熱をより少なくすることができ、所謂蓄熱構造を得ることができるので、活性層の温度を所望の高い温度に保持することが可能となる。活性層の温度を高く保持するための蓄熱構造として、その他、サブマウントとヒートシンクの接触する面積、又は、サブマウントと半導体発光素子の接触面積を０．８以下にすることによって、あるいは又、サブマウントとヒートシンクとの接触界面、又は、サブマウントと半導体発光素子との接触界面に熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下の低い材料を挿入することによっても、蓄熱構造を得ることができる。

【0016】

更には、上記の各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体にあっては、ヒートシンクによって活性層の温度を制御する形態とすることができるし、この場合、ヒートシンクを加熱することによって活性層の温度を制御する形態とすることができる。

【0017】

更には、上記の各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子等において、積層構造体は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とが並置された構造を有する構成とすることができ、この場合、可飽和吸収領域は、共振器方向の積層構造体の端部領域に配置されている構成とすることができ、更には、これらの場合、発光領域に流す電流を、発光領域の単位面積当たり１×１０²アンペア／ｃｍ²乃至１×１０⁵アンペア／ｃｍ²とする構成とすることができる。

【0018】

あるいは又、上記の各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子等において、積層構造体は、複数の機能領域が集積された構造を有する構成とすることができ、この場合、複数の機能領域の内の少なくとも１つは可飽和吸収領域から成る構成とすることができる。機能領域として、その他、利得領域、可飽和吸収領域、位相制御領域、分布帰還領域、分布ブラッグ反射領域等を挙げることができる。

【0019】

上記の各種の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子等（以下、これらを総称して、『本開示の半導体発光素子等』と呼ぶ場合がある）は、上述したとおり、発光領域及び可飽和吸収領域を有する半導体発光素子、具体的には、発光領域及び可飽和吸収領域を有するモード同期半導体レーザ素子から成る形態とすることができる。尚、従来の光励起型のモード同期半導体レーザ素子では発振特性を制御するのに半導体可飽和吸収体（ＳＥＳＡＭ）の温度特性を利用するが、可飽和吸収領域を有する形態にあっては、可飽和吸収領域への逆バイアス電圧Ｖ_saに基づき発振特性を制御することができるので、発振特性の制御が容易である。また、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体（以下、これらを総称して、『本開示の半導体発光素子組立体』と呼ぶ場合がある）において、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier，ＳＯＡ）が備えられている形態とすることができる。

【0020】

半導体レーザ素子（ＬＤ）にあっては、活性層において生成した光は、積層構造体の第２端面から外部に出射される。即ち、積層構造体の第１端面の光反射率、及び、第２端面の光反射率の最適化を図ることで、共振器が構成され、光は第２端面から出射される。半導体光増幅器（ＳＯＡ）は、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得に基づき入射光を増幅する。半導体光増幅器にあっては、積層構造体における第１端面及び第２端面の光反射率を非常に低い値とし、共振器を構成することなく、第１端面から入射した光を増幅して第２端面から出射する。半導体発光素子と半導体光増幅器とが一体になったモノリシック型とすることもできる。

【0021】

モード同期半導体レーザ素子あるいは半導体光増幅器は、より具体的には、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層、
が、順次、基体上に積層されて成る積層構造体、
第２化合物半導体層上に形成された第２電極、並びに、
第１化合物半導体層に電気的に接続された第１電極、
を備えた構成とすることができる。尚、第１化合物半導体層が、基板や基体上に形成されている。

【0022】

具体的には、モード同期半導体レーザ素子は、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）型のモード同期半導体レーザ素子から成り、第２電極は、発光領域を経由して第１電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第１部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第２部分とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。そして、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値は、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。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第１の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。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、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。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第２の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ。第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極の第１部分から発光領域を経由して第１電極に直流電流を流して順バイアス状態とし、第１電極と第２電極の第２部分との間に電圧（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に電界を加えることで、モード同期動作させることができる。

【0023】

このような第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子にあっては、第２電極の第１部分と第２部分との間の電気抵抗値を、第２電極と第１電極との間の電気抵抗値の１０倍以上とし、あるいは又、１×１０²Ω以上とすることで、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、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ため、パルス時間幅のより短いレーザ光を有するモード同期動作を実現することができる。そして、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。

【0024】

また、第１の構成及び第２の構成のモード同期半導体レーザ素子において、限定するものではないが、
第３化合物半導体層（活性層）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以下である形態とすることができる。このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第３の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。活性層に量子井戸構造を採用することで、量子ドット構造を採用するよりも高い注入電流量を実現することができ、容易に高出力を得ることができる。

【0025】

このように、第３化合物半導体層を構成する井戸層の厚さを１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下と規定し、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を２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下と規定することで、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ることで、ピエゾ分極の影響を低減させることができ、パルス時間幅が短く、サブパルス成分の少ない単峰化されたレーザ光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Ｖ_saでモード同期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）と同期が取れたレーザ光のパルス列を発生させることが可能となる。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。

【0026】

本開示の半導体発光素子等は、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、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。即ち、半導体発光素子の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成とすることができる。ここで、所定の角度θとして、０．１度≦θ≦１０度、好ましくは、０．１度≦θ≦６度を例示することができる。リッジストライプ構造の軸線とは、光出射端面（第２端面）におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点と、光出射端面（第２端面）とは反対側の積層構造体の端面（第１端面）におけるリッジストライプ構造の両端の二等分点とを結ぶ直線である。また、半導体発光素子の軸線とは、第１端面及び第２端面に直交する軸線を指す。リッジストライプ構造の平面形状は、直線状であってもよいし、湾曲していてもよい。

【0027】

あるいは又、本開示の半導体発光素子等において、第２端面におけるリッジストライプ構造の幅をＷ₂、第１端面におけるリッジストライプ構造の幅をＷ₁としたとき、Ｗ₁＝Ｗ₂であってもよいし、Ｗ₂＞Ｗ₁としてもよい。Ｗ₂は５μｍ以上である形態とすることができ、Ｗ₂の上限値として、限定するものではないが、例えば、４×１０²μｍを例示することができる。また、Ｗ₁は１．４μｍ乃至２．０μｍである形態とすることができる。リッジストライプ構造の各端部は、１本の線分から構成されていてもよいし、２本以上の線分から構成されていてもよい。前者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、単調に、テーパー状（フレア状）に緩やかに広げられる構成することができる。一方、後者の場合、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、先ず同じ幅であり、次いで、単調に、テーパー状に緩やかに広げられ、あるいは又、リッジストライプ構造の幅は、例えば、第１端面から第２端面に向かって、先ず広げられ、最大幅を超えた後、狭められる構成とすることができる。

【0028】

本開示の半導体発光素子等を半導体レーザ素子から構成する場合、光ビーム（パルス状の光）が出射される積層構造体の第２端面の光反射率は０．５％以下であることが好ましい。具体的には、第２端面には低反射コート層が形成されている構成とすることができる。ここで、低反射コート層は、例えば、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも２種類の層の積層構造から成る。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レーザ光ビーム（パルス状のレーザ光）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。また、第１端面は、高い光反射率、例えば、反射率８５％以上、好ましくは反射率９５％以上の高い反射率を有することが好ましい。

【0029】

外部共振器構造における外部共振器長さ（Ｘ’，単位：ｍｍ）の値は、
０＜Ｘ’＜１５００
好ましくは、
３０≦Ｘ’≦５００
であることが望ましい。ここで、外部共振器構造とは前述したとおりである。

【0030】

本開示の半導体発光素子等を半導体レーザ素子から構成する場合、積層構造体は、少なくとも第２化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されたリッジストライプ構造を有するが、このリッジストライプ構造は、第２化合物半導体層のみから構成されていてもよいし、第２化合物半導体層及び第３化合物半導体層（活性層）から構成されていてもよいし、第２化合物半導体層、第３化合物半導体層（活性層）、及び、第１化合物半導体層の厚さ方向の一部分から構成されていてもよい。リッジストライプ構造の形成にあっては、化合物半導体層を、例えば、ドライエッチング法でパターニングすればよい。

【0031】

モード同期半導体レーザ素子において、限定するものではないが、
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、
リッジストライプ構造の高さは、０．１μｍ以上、１０μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以上、１μｍ以下、
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、モード同期半導体レーザ素子における共振器長（以下、単に『共振器長』と呼ぶ）の５０％以下、好ましくは１０μｍ以上、共振器長の１０％以下であることが望ましい。共振器長として、０．６ｍｍ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。リッジストライプ構造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（活性層）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。尚、以下の説明において、共振器長方向をＸ方向とし、積層構造体の厚さ方向をＺ方向とする。

【0032】

更には、本開示の半導体発光素子等において、第２電極は、例えば、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、後述する工程（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、後述する工程（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。

【0033】

以上に説明した好ましい形態、構成を含む第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子において、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（活性層）の長さよりも短い構成とすることができる。第２電極の第１部分と第２部分の配置状態として、具体的には、
（１）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
（２）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
（３）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）
を挙げることができる。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。（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。（３）、（５）、（５’）の構造を採用することで、モード同期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。

【0034】

モード同期半導体レーザ素子は、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、リッジストライプ構造を形成した後、
（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。

【0035】

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、リッジストライプ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ストライプ構造を形成するので、第２電極とリッジストライプ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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

本開示の半導体発光素子等において、積層構造体は、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ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、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体として、より具体的には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ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、第３化合物半導体層（活性層）は、量子井戸構造を有することが望ましい。具体的には、単一量子井戸構造［ＳＱＷ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（活性層）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。

【0039】

更には、本開示の半導体発光素子等において、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を採用することで、クラッド層として必要な屈折率を維持しながら、半導体発光素子の直列抵抗成分を下げることができ、半導体発光素子の低動作電圧化につながる。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、半導体発光素子の動作電圧の低減化を達成することができる。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、半導体発光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、発振が開始される閾値電流密度を低減させることができる。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、リッジストライプ構造の両側面には、ＳｉＯ₂／Ｓｉ積層構造から成る積層絶縁膜が形成されており；リッジストライプ構造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、１００ミリワット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ＩｎＧａＮ層（ｐ側光ガイド層）、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（活性層）から出射される光の波長は、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。

【0040】

本開示の半導体発光素子等にあっては、半導体発光素子を構成する各種のＧａＮ系化合物半導体層を基板や基体に順次形成するが、ここで、基板や基体として、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や基体に形成する場合、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、本開示の半導体発光素子等を構成する各種の化合物半導体層（例えば、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。

【0041】

ここで、化合物半導体層としてＧａＮ系化合物半導体層を形成する場合、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。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。

【0042】

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や基体を介して第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各種ＰＶＤ法にて成膜することができる。

【0043】

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。

【0044】

第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子においては、前述したとおり、第１電極と第２部分との間に逆バイアス電圧Ｖ_sa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、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、レーザ光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、レーザ光と光信号との間の同期を取ることができる。また、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ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮ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。電子障壁層、ノンドープ化合物半導体層、光ガイド層、ｐ側コンタクト層は、第２化合物半導体層を構成する。

【0045】

モード同期半導体レーザ素子は、バイ・セクション型（２電極型）の半導体レーザ素子に限定するものではなく、その他、マルチセクション型（多電極型）の半導体レーザ素子、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、リッジストライプ構造に沿って可飽和吸収領域を設けたＷＩ（Weakly Index guide）型の半導体レーザ素子を採用することもできる。

【0046】

半導体光増幅器において、積層構造体は、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ系化合物半導体から成る構成とすることができる。半導体光増幅器の構成、構造は、第２電極が分割されていない点を除き、実質的に、半導体発光素子の構成、構造と同様とすることができる。

【0047】

本開示の半導体発光素子組立体を、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、量子情報通信分野、量子情報処理分野といった分野に適用することができる。

【実施例1】

【0048】

実施例１は、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子、及び、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る半導体発光素子組立体に関する。実施例１の半導体発光素子の概念図を図１Ａに示し、半導体発光素子（具体的には半導体レーザ素子であり、以下の説明においては『半導体レーザ素子１０』と呼ぶ）の共振器の延びる方向に沿った（即ち、図３の矢印Ｉ−Ｉに沿った）模式的な端面図を図２に示し、半導体レーザ素子１０の共振器の延びる方向と直角方向に沿った（即ち、図２の矢印ＩＩ−ＩＩに沿った）模式的な断面図を図３に示す。また、実施例１の半導体発光素子組立体を分解したときの概念的な斜視図を図４に示す。

【0049】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子１０は、第１化合物半導体層３０、活性層４０及び第２化合物半導体層５０が積層された積層構造体を有する。また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体発光素子組立体は、第１化合物半導体層３０、活性層４０及び第２化合物半導体層５０が積層された積層構造体を有する半導体発光素子（具体的には、半導体レーザ素子１０）を備えている。

【0050】

積層構造体は、共振器方向に発光領域４１と可飽和吸収領域４２とが並置された構造を有する。そして、可飽和吸収領域４２は、共振器方向の積層構造体の端部領域に配置されている。より具体的には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子１０は、発光領域４１及び可飽和吸収領域４２を有するモード同期半導体レーザ素子から成る。モード同期半導体レーザ素子は、具体的には、発光波長４０５ｎｍ帯のバイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子から成り、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型（実施例においては、ｎ型導電型）を有する第１化合物半導体層３０、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）４０、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型とは異なる第２導電型（実施例においては、ｐ型導電型）を有する第２化合物半導体層５０、
が、順次、基体上に積層されて成る積層構造体、
第２化合物半導体層５０上に形成された第２電極６２、並びに、
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。第１化合物半導体層３０は、基体（具体的には、基板２１）上に形成されている。そして、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３におけるモード同期半導体レーザ素子は、より具体的には、ピークパワーの光密度が１×１０¹⁰ワット／ｃｍ²以上、好ましくは１．４×１０¹⁰ワット／ｃｍ²以上であり、且つ、キャリア密度が１×１０¹⁹／ｃｍ³以上である電流注入型であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子であり、第１の構成あるいは第２の構成のモード同期半導体レーザ素子である。

【0051】

第２電極６２は、発光領域（利得領域）４１を経由して第１電極６１に直流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と、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。半導体レーザ素子１０の共振器長を６００μｍ、第２電極６２の第１部分６２Ａ、第２部分６２Ｂ、分離溝６２Ｃのそれぞれの長さを、５６０μｍ、３０μｍ、１０μｍとした。

【0052】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子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、この半導体レーザ素子１０は、インデックスガイド型のＡｌＩｎＧａＮから成るＧａＮ系半導体レーザ素子であり、リッジストライプ構造５５を有する。リッジストライプ構造５５の幅を１．４μｍとした。リッジストライプ構造５５は、端面反射を軽減させるために光出射端面（第２端面）に向かって湾曲しているが、このような形状に限定するものではない。リッジストライプ構造５５は、光反射端面（第１端面）には直交している。

【0053】

第１化合物半導体層３０、第３化合物半導体層（活性層）４０、及び、第２化合物半導体層５０は、具体的には、ＡｌＩｎＧａＮ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。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。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子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。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。

【0054】

［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）５４
ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３
ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）５２
ノンドープＩｎＧａＮ光ガイド層５１
第３化合物半導体層４０
ＩｎＧａＮ量子井戸活性層
（井戸層：Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ／障壁層：Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ）
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） １４ｎｍ Ｓｉドープ

【0055】

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層５３の一部は、ＲＩＥ法にて除去されており、リッジストライプ構造５５が形成されている。リッジストライプ構造５５の両側にはＳｉＯ₂／Ｓｉから成る積層絶縁膜５６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、リッジストライプ構造５５の有効屈折率と積層絶縁膜５６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、リッジストライプ構造５５の頂面に相当するｐ型ＧａＮコンタクト層５４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。

【0056】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子１０において、コリメート手段１１と対向する光出射端面（第２端面）には、無反射コート層（ＡＲ）が形成されている。一方、半導体レーザ素子１０における光出射端面（第２端面）と対向する光反射端面（第１端面）には、高反射コート層（ＨＲ）が形成されている。可飽和吸収領域４２は、半導体レーザ素子１０における第１端面の側に設けられている。無反射コート層（低反射コート層）として、酸化チタン層、酸化タンタル層、酸化ジルコニア層、酸化シリコン層及び酸化アルミニウム層から成る群から選択された少なくとも２種類の層の積層構造を挙げることができる。

【0057】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体レーザ素子１０のパルス繰返し周波数を１ＧＨｚとした。半導体レーザ素子１０は、レーザ光の繰返し周波数が１ＧＨｚ以下であることが好ましい。尚、外部共振器長さＸ’（第１端面と光学部材１２との間の距離）と共振器の長さＬによって光パルス（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は共振器の実効的な屈折率である。
ｆ＝ｃ／｛２（Ｘ’＋Ｌ（ｎ−１））｝

【0058】

ところで、上述したとおり、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を形成することが望ましい。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。

【0059】

ここで、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、リッジストライプ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。

【0060】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３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。

【0061】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体発光素子組立体は、具体的には、半導体レーザ素子１０及び光学部材１２から構成されている。そして、半導体レーザ素子１０の第２端面（光出射面）から出射した光は光学部材１２と衝突し、一部の光は半導体レーザ素子１０に戻され、残りの光は、反射鏡１３で反射され、光アイソレータ１４を通過して外部に出射される。光アイソレータ１４は、戻り光が半導体レーザ素子１０に向かうことを防止するために配置されている。半導体レーザ素子１０の第１端面（光反射面）及び光学部材１２によって外部共振器構造が構成される。光学系の距離とは外部共振器構造の長さである。光学部材１２は、格子状の凹凸部や溝部が形成された回折格子から成り、リトロー配置（リットマン配置とも呼ばれる）を有し、半導体レーザ素子１０から出射された光の内、１次の回折光を半導体レーザ素子１０に戻し、０次の回折光を外部に出射する。回折格子における格子状のパターンの本数を２４００本／ｍｍとした。半導体レーザ素子１０と光学部材１２との間に、半導体レーザ素子１０からのレーザ光を平行光束とするためのコリメート手段（具体的には、レンズ１１）が配されており、コリメート型の外部共振器構造を構成する。

【0062】

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３における半導体発光素子組立体は、ヒートシンク１０１及びサブマウント１０４を更に備えており、ヒートシンク１０１、サブマウント１０４及び半導体レーザ素子１０が、順次、積層されている。ヒートシンク１０１は、例えば、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｕ等から成り、図示しないペルチェ素子によって温度が制御される。サブマウント１０４は、例えば、ＡｌＮセラミックから成り、熱伝導率は、２３０Ｗ／Ｋ・ｍである。ヒートシンク１０１とサブマウント１０４とは、第１ハンダ層１０２を介して積層されており、サブマウント１０４と半導体レーザ素子１０とは、第２ハンダ層１０３を介して積層されている。尚、図４において、半導体レーザ素子１０側のサブマウント１０４の面に形成された第２ハンダ層１０３を明示するために斜線を付し、ヒートシンク１０１側のサブマウント１０４の面に形成された第１ハンダ層１０２を点線で示した。参照番号２２は、半導体レーザ素子１０に設けられたパッド電極であり、明示のため斜線を付した。

【0063】

サブマウント１０４の面積に対する第１ハンダ層１０２の面積、及び、サブマウント１０４の面積に対する第２ハンダ層１０３の面積を「１」とし、最大光出力が得られるように半導体レーザ素子１０を動作させたとき（即ち、発光領域４１に流す電流を、発光領域４１の単位面積当たりＩ₀アンペア／ｃｍ²としたとき）であって、ヒートシンク１０１によって何らの温度制御を行わない場合、室温２５゜Ｃにおいて、ヒートシンク１０１の温度は４０゜Ｃあるいはそれ以下であった。一方、サブマウント１０４の面積に対する第１ハンダ層１０２の面積、及び、サブマウント１０４の面積に対する第２ハンダ層１０３の面積を上記のとおりとし、発光領域４１に流す電流を、発光領域４１の単位面積当たりＩ₀アンペア／ｃｍ²としたとき、ヒートシンク１０１によって何らの温度制御を行わなくとも、室温２５゜Ｃにおいて、ヒートシンク１０１の温度は５５゜Ｃとなった。即ち、このような構成にすることで、半導体レーザ素子１０において発生し、ヒートシンク１０１に伝わる熱をより少なくすることができ、所謂蓄熱構造を得ることができる。

【0064】

活性層（第３化合物半導体層）４０の温度Ｔ_actとヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsとの間には、半導体レーザ素子１０の熱抵抗をＲ_th［Ｋ／Ｗ］、投入電力をＰ_in［Ｗ］としたときに、以下のような関係がある。
Ｔ_act＝Ｔ_hs＋Ｒ_th×Ｐ_in
ここで、同じ動作電流値ではＰ_inがほぼ等しいので、活性層の温度Ｔ_actはヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsと同じように変化する。活性層（第３化合物半導体層）４０の温度Ｔ_actとヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsとの関係は、種々の試験を行うことで求めることができる。以下の説明においては、活性層（第３化合物半導体層）４０の温度Ｔ_actの代わりに、ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsを用いる。

【0065】

実施例１の半導体発光素子組立体において、ペルチェ素子によってヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsを制御して、第２電極６２の第１部分６２Ａと第１電極６１との間に電流（動作電流）Ｉ₁（単位：ミリアンペア）を流し、第２電極６２の第２部分６２Ｂと第１電極６１との間に逆バイアス電圧Ｖ_sa（＝７．５ボルト）を印加したときの光出力（単位：ミリワット）を求めた結果を図５に示す。尚、図５中、「Ａ」はＴ_hs＝２０゜Ｃのときのデータであり、「Ｂ」はＴ_hs＝３０゜Ｃのときのデータであり、「Ｃ」はＴ_hs＝４０゜Ｃのときのデータであり、「Ｄ」はＴ_hs＝５０゜Ｃのときのデータであり、「Ｅ」はＴ_hs＝６０゜Ｃのときのデータである。動作電流Ｉ₁を増加していくと、レーザ発振が生じる。そのときの動作電流の値を、動作電流範囲の下限値（発振閾値電流）Ｉ_minと呼ぶ。そして、動作電流Ｉ₁を更に増加していくと、光出力は直線状に増加し、動作電流範囲の上限値Ｉ_maxを超えると、半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の光出力が急激に増加する。ここで、光パルスの繰り返し周波数ｆが光学系の距離（外部共振器構造の長さ）で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流が、動作電流範囲の上限値Ｉ_maxである。Ｔ_hs＝７０゜Ｃのときには、動作電流を流し始めた直後から、上限値Ｉ_maxを超えたときに半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の光出力が急激に増加する現象が発生し、安定したレーザ発振ができなかった。

【0066】

また、図５に示す結果に基づき、図６Ａに、ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsと動作電流範囲の下限値（発振閾値電流）Ｉ_minの関係を求めた結果（図６Ａの「Ａ」の黒菱形の印を参照）、及び、光出力１２．５ミリワットが得られるときの動作電流の値（図６Ａの「Ｂ」の黒四角の印を参照）を示す。動作電流範囲の下限値（発振閾値電流）Ｉ_minの上昇は、ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsの上昇によって活性層（第３化合物半導体層４０）の温度が上昇した結果生じた現象であり、従来の半導体レーザ素子と同様の傾向を示す。同様の理由で、光出力が１２．５ミリワットときの動作電流を比較すると、ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsの上昇によってこの動作電流が増加することも確認された。云い換えれば、或る同じ動作電流では、ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsの上昇によって光出力が低下することが確認された。

【0067】

尚、動作電流範囲の上限値Ｉ_maxを超えると光出力が急激に増加する現象は、以下のように説明することができる。即ち、図１５に示すように、光パルスの繰り返し周波数ｆは、光学系を光が周回する時間で決まり、周回時間内では可飽和吸収領域４２での吸収（ロス）が利得領域４１での利得（ゲイン）を上回っている必要がある。そして、利得領域４１への注入電流を増加していくと、利得の回復時間が基本周回時間よりも早くなり、基本周回時間の半分の周回時間で到達した光パルスも利得が得られるようになる。その結果、基本周回時間で決まる基本周波数ではなく、基本周回時間の半分の時間、つまり、基本周波数の２倍の周波数で光パルスが発生するようになる。

【0068】

図５に示した温度依存性の測定結果を、図６Ｂに、同じパルス状態での動作電流範囲（図６Ｂの「Ａ」の黒菱形の印を参照）と最大光出力（図６Ｂの「Ｂ」の黒四角の印を参照）で比較した結果を示す。ヒートシンク１０１の温度Ｔ_hsが高くなるほど、同じパルス状態で光パルスを発生する動作電流範囲が広がり、最大光出力が増加する傾向がみられた。即ち、活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲をΔＩ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときの動作電流範囲をΔＩ₂としたとき、
ΔＩ₂＞ΔＩ₁
を満足する。動作電流範囲が増大した要因として、図１５より、微分利得が減少して利得の回復時間が長くなったことや、可飽和吸収領域４２の飽和レベルが上昇したことが考えられるが、発振直後の出力も向上していることから、ここでは可飽和吸収レベルの上昇が要因と推測される。また、活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-1、活性層の温度がＴ₂のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-2としたとき、
Ｉ_max-2＞Ｉ_max-1
を満足する。更には、活性層の温度がＴ₁のときに出射される最大光出力をＰ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときに出射される最大光出力をＰ₂としたとき、
Ｐ₂＞Ｐ₁
を満足する。また、発光領域に流す電流を、発光領域の単位面積当たり１×１０²アンペア／ｃｍ²乃至１×１０⁵アンペア／ｃｍ²（具体的には、例えば、１×１０⁴アンペア／ｃｍ²）とすることが好ましい。

【0069】

このように、実施例１の半導体発光素子にあっては、ΔＩ₂＞ΔＩ₁の関係を満足するので、活性層の温度を高くするほど、動作電流範囲が広くなり、その結果、光出力の増加を図ることができるし、Ｐ₂＞Ｐ₁を満足するので、活性層の温度を高くするほど、最大光出力が高くなり、光出力の増加を図ることができるし、動作時（光出射時）の活性層の温度を５０゜Ｃ以上、７０゜Ｃ未満とすることで、光出力の増加を図ることができる。

【0070】

前述したとおり、ヒートシンク１０１によって何らの温度制御を行わなくとも、室温２５゜Ｃにおいて、ヒートシンク１０１の温度は５５゜Ｃとなった。但し、図５に示すように、活性層の温度は５５゜Ｃよりも高いことが望ましい場合があるので、このような場合には、ヒートシンク１０１によって活性層の温度を制御する、具体的には、ヒートシンク１０１を加熱することによって活性層（第３化合物半導体層４０）の温度を制御（加熱）することが好ましい。

【0071】

以下、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４を参照して、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３におけるモード同期半導体レーザ素子の製造方法を説明する。尚、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂ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１４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。

【0072】

［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１２Ａ参照）。

【0073】

［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１２Ｂ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１３Ａ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。

【0074】

［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（具体的には、第２化合物半導体層５０の一部分をエッチングして）、リッジストライプ構造を形成する。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１３Ｂ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ストライプ構造を形成するので、第２電極６２とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。

【0075】

［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１４参照）。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２及び図３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、モード同期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。尚、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。

【0076】

第２電極を、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。ここで、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。

【0077】

［工程−１４０］
その後、第１電極６１の形成、基板２１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。

【0078】

製作した半導体レーザ素子１０の第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４端子法にて測定した結果、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。また、製作した半導体レーザ素子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、セルフ・パルセーション動作させることができた。即ち、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を生じさせることができた。

【実施例2】

【0079】

実施例２は、実施例１の変形であり、図１Ｂに半導体発光素子の概念図を示すように、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光を増幅する、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の積層構造体から成る半導体光増幅器（ＳＯＡ）２００が備えられている。半導体光増幅器２００は、「Master Oscillator Power Amplifier，ＭＯＰＡ」と呼ばれる方式によってレーザ光を増幅する。ここで、半導体光増幅器とは、光信号を電気信号に変換せず、直接光の状態で増幅するものであり、共振器効果を極力排除したレーザ構造を有し、半導体光増幅器の光利得に基づき入射光を増幅する。半導体光増幅器は周知の半導体光増幅器から成る。

【0080】

具体的には、半導体レーザ素子（モード同期半導体レーザ素子）１０から出射されたレーザ光は、コリメート手段（レンズ１１）、光学部材（回折格子）１２、反射鏡１３、光アイソレータ１４、集光手段（レンズ）１５Ａを通過し、半導体光増幅器２００に入射する。そして、半導体光増幅器２００から出力されたレーザ光は、集光手段（レンズ）１５Ｂを経由して系外に出力される。

【0081】

半導体光増幅器２００は、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型を有する第１化合物半導体層３０、
ＧａＮ系化合物半導体から成る第３化合物半導体層（活性層）４０、及び、
ＧａＮ系化合物半導体から成り、第１導電型と異なる第２導電型を有する第２化合物半導体層５０、
が、順次、基体上に積層されて成る積層構造体、
第２化合物半導体層５０上に形成された第２電極６２、並びに、
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。尚、第１化合物半導体層３０は、基板（具体的には、基板２１）上に形成されている。第２電極６２から第１電極６１へと順バイアス電圧が印加される。半導体光増幅器２００において、レーザ光は基本的に一方向にのみ導波される。光入射端面から半導体光増幅器２００に入射したレーザ光は、半導体光増幅器２００の内部で光増幅され、反対側の光出射端面から出力され、レンズ１５Ｂを介して、外部に出力される。

【0082】

半導体光増幅器２００の構成、構造は、第２電極が分割されていない点、及び、リッジストライプ構造は、湾曲しておらず、代わりに、光入射端面（第１端面）から光出射端面（第２端面）に向かって、その幅が広くなっている点を除き、実質的に、半導体レーザ素子１０と同じ構成、構造を有する。具体的には、半導体光増幅器２００は、デバイス長３．０ｍｍ、フレア幅１５μｍのテーパー型の半導体光増幅器である。以上の点を除き、実質的に、実施例１において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】

【0083】

実施例３は、実施例１〜実施例２の変形であり、具体的には、実施例１において説明したモード同期半導体レーザ素子の変形であり、第３の構成のモード同期半導体レーザ素子に関する。実施例１においては、半導体レーザ素子１０を、極性を有する結晶面であるｎ型ＧａＮ基板２１の（０００１）面、Ｃ面上に設けた。ところで、このような基板を用いた場合、第３化合物半導体層（活性層）４０にピエゾ分極及び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同期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。

【0084】

そして、このような現象の発生を防止するためには、第３化合物半導体層（活性層）４０を構成する井戸層の厚さの最適化、第３化合物半導体層４０を構成する障壁層における不純物ドーピング濃度の最適化を図ることが好ましいことが判明した。

【0085】

具体的には、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層を構成する井戸層の厚さを、１ｎｍ以上、１０．０ｎｍ以下、好ましくは、１ｎｍ以上、８ｎｍ以下とすることが望ましい。このように井戸層の厚さを薄くすることによって、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。また、障壁層の不純物ドーピング濃度を、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下、好ましくは、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上、１×１０²⁰ｃｍ^-3以下とすることが望ましい。ここで、不純物として、シリコン（Ｓｉ）あるいは酸素（Ｏ）を挙げることができる。そして、障壁層の不純物ドーピング濃度をこのような濃度とすることで、活性層のキャリアの増加を図ることができる結果、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。

【0086】

実施例３においては、表１に示した層構成における障壁層と井戸層から成るＩｎＧａＮ量子井戸活性層から構成された第３化合物半導体層（活性層）４０の構成を以下の表２のとおりとした。また、参考例３のモード同期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。

【0087】

［表２］
実施例３ 参考例３
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

【0088】

実施例３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、活性層内のＱＣＳＥ効果が緩和されている。一方、参考例３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。

【0089】

モード同期は、実施例１と同様に、発光領域に印加する直流電流と可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧Ｖ_saとによって決定される。実施例３及び参考例３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を測定した。その結果、参考例３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が次第に上昇し、更には、実施例３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った。これは、実施例３の活性層の方が、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。但し、参考例３にあっても、可飽和吸収領域に逆バイアスを印加した状態でシングルモード（単一基本横モード）のセルフ・パルセーション動作及びモード同期（モードロック）動作が確認されており、参考例３も本開示に包含されることは云うまでもない。

【0090】

以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示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発光素子組立体、半導体レーザ素子、モード同期半導体レーザ素子、半導体光増幅器の構成、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、半導体光増幅器の仕様が変われば、変わることは当然である。例えば、半導体レーザ素子や半導体光増幅器の軸線とリッジストライプ構造の軸線とは、所定の角度で交わっている構成としてもよいし、リッジストライプ構造の平面形状をテーパー状としてもよい。

【0091】

実施例１における半導体発光素子組立体の変形例を図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃに示す。集光型の外部共振器構造を有する図７Ａに示す半導体発光素子組立体、あるいは、コリメート型の外部共振器構造を有する図７Ｂに示す半導体発光素子組立体において、光学部材１２Ａは、半透過鏡から構成されている。半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光は、光学部材（半透過鏡）１２Ａに衝突し、一部は半導体レーザ素子１０に戻される。一方、残部は、光学部材（半透過鏡）１２Ａを通過し、場合によっては、集光手段（レンズ）１６を通過し、光アイソレータ１４を通過して外部に出射される。集光型の外部共振器構造を有する図８Ａに示す半導体発光素子組立体、あるいは、コリメート型の外部共振器構造を有する図８Ｂに示す半導体発光素子組立体にあっては、半導体レーザ素子１０の第２端面と外部鏡（反射鏡）から成る光学部材１２Ｂとで外部共振器構造が構成され、半導体レーザ素子１０から光ビームを取り出す。第２端面には低反射コート層（ＡＲ）が形成されている。あるいは又、図８Ｃに示すように、半導体レーザ素子をモノリシック型とすることもできる。

【0092】

積層構造体は、複数の機能領域が集積された構造を有する構成とすることができ、この場合、複数の機能領域の内の少なくとも１つは可飽和吸収領域から成る構成とすることができる。機能領域として、可飽和吸収領域の他、例えば、利得領域、可飽和吸収領域、位相制御領域、分布帰還領域、分布ブラッグ反射領域等を挙げることができる。

【0093】

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同期半導体レーザ素子（マルチセクション型（多電極型）の半導体レーザ素子）の模式的な端面図を図９に示す。図９に示すモード同期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同期半導体レーザ素子の模式的な端面図を図１０に示す。このモード同期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。

【0094】

半導体レーザ素子を、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とすることもできる。このような半導体レーザ素子におけるリッジストライプ構造５５’を上方から眺めた模式図を図１１に示す。このモード同期半導体レーザ素子にあっては、直線状の２つのリッジストライプ構造が組み合わされた構造を有し、２つのリッジストライプ構造の交差する角度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第２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、半導体レーザ素子内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、主たるレーザ光に付随する副次的なレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。

【0095】

実施例においては、半導体レーザ素子や半導体光増幅器を、ｎ型ＧａＮ基板の極性面であるＣ面，｛０００１｝面上に設けた。ところで、このような場合、第３化合物半導体層（活性層）にピエゾ分極及び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同期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ある。このような現象の発生を抑制するためには、｛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、半導体レーザ素子や半導体光増幅器を設ければよい。これによって、半導体レーザ素子や半導体光増幅器の第３化合物半導体層（活性層）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。｛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半導体レーザ素子１０を設ける場合、実施例３にて説明したような、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。

【0096】

尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《半導体発光素子組立体：第１の態様》
第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する半導体発光素子を備えており、
活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲をΔＩ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときの動作電流範囲をΔＩ₂としたとき、
ΔＩ₂＞ΔＩ₁
を満足する半導体発光素子組立体。
［Ａ０２］光パルスの繰り返し周波数が光学系の距離で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流が、動作電流範囲の上限値である［Ａ０１］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０３］活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-1、活性層の温度がＴ₂のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-2としたとき、
Ｉ_max-2＞Ｉ_max-1
を満足する［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０４］《半導体発光素子組立体：第２の態様》
第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有する半導体発光素子を備えており、
活性層の温度がＴ₁のときに出射される最大光出力をＰ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときに出射される最大光出力をＰ₂としたとき、
Ｐ₂＞Ｐ₁
を満足する半導体発光素子組立体。
［Ａ０５］ヒートシンク、及び、サブマウントを更に備えており、
ヒートシンク、サブマウント及び半導体発光素子が、順次、積層されている［Ａ０１］乃至［Ａ０４］のいずれか１項に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０６］サブマウントは、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｌ、ダイヤモンド、又は、これらの材料を含む複合材料から成る［Ａ０５］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０７］ヒートシンクによって活性層の温度を制御する［Ａ０５］又は［Ａ０６］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０８］ヒートシンクを加熱することによって活性層の温度を制御する［Ａ０７］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ０９］積層構造体は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とが並置された構造を有する［Ａ０１］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ１０］可飽和吸収領域は、共振器方向の積層構造体の端部領域に配置されている［Ａ０９］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ１１］発光領域に流す電流を、発光領域の単位面積当たり１×１０²アンペア／ｃｍ²乃至１×１０⁵アンペア／ｃｍ²とする［Ａ０９］又は［Ａ１０］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ１２］積層構造体は複数の機能領域が集積された構造を有する［Ａ０１］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載の半導体発光素子組立体。
［Ａ１３］複数の機能領域の内の少なくとも１つは可飽和吸収領域から成る［Ａ１２］に記載の半導体発光素子組立体。
［Ｂ０１］《半導体発光素子：第１の態様》
第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有し、
活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲をΔＩ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときの動作電流範囲をΔＩ₂としたとき、
ΔＩ₂＞ΔＩ₁
を満足する半導体発光素子。
［Ｂ０２］光パルスの繰り返し周波数が光学系の距離で決定される基本周波数から基本周波数の２倍の周波数に変化するときの動作電流が、動作電流範囲の上限値である［Ｂ０１］に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０３］活性層の温度がＴ₁のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-1、活性層の温度がＴ₂のときの動作電流範囲の上限値をＩ_max-2としたとき、
Ｉ_max-2＞Ｉ_max-1
を満足する［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０４］《半導体発光素子：第２の態様》
第１化合物半導体層、活性層及び第２化合物半導体層が積層された積層構造体を有し、
活性層の温度がＴ₁のときに出射される最大光出力をＰ₁、活性層の温度がＴ₂（但し、Ｔ₂＞Ｔ₁）のときに出射される最大光出力をＰ₂としたとき、
Ｐ₂＞Ｐ₁
を満足する半導体発光素子。
［Ｂ０５］積層構造体は、共振器方向に発光領域と可飽和吸収領域とが並置された構造を有する［Ｂ０１］乃至［Ｂ０４］のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０６］可飽和吸収領域は、共振器方向の積層構造体の端部領域に配置されている［Ｂ０５］に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０７］発光領域に流す電流を、発光領域の単位面積当たり１×１０²アンペア／ｃｍ²乃至１×１０⁵アンペア／ｃｍ²とする［Ｂ０５］又は［Ｂ０６］に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０８］積層構造体は複数の機能領域が集積された構造を有する［Ｂ０１］乃至［Ｂ０４］のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
［Ｂ０９］複数の機能領域の内の少なくとも１つは可飽和吸収領域から成る［Ｂ０８］に記載の半導体発光素子。

【符号の説明】

【0097】

１０・・・半導体発光素子（半導体レーザ素子、モード同期半導体レーザ素子）、１１・・・コリメート手段（レンズ）、１２，１２Ａ，１２Ｂ・・・光学部材、１３・・・反射鏡、１４・・・光アイソレータ、１５Ａ，１５Ｂ，１６，１７・・・集光手段（レンズ）、２１・・・基体（基板）、２２・・・パッド電極、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（活性層）、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ＩｎＧａＮ光ガイド層、５２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層（Ｍｇドープ）、５３・・・ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ）／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、５４・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ）、５５，５５’・・・リッジストライプ構造、５６・・・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・・・レジスト層に設けられた開口部、１０１・・・ヒートシンク、１０２，１０３・・・ハンダ層、１０４・・・サブマウント、２００・・・半導体光増幅器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】