專利名稱：Iii－v氮化物半導(dǎo)體激光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化物半導(dǎo)體激光器件。
2.相關(guān)的技術(shù)說明SCH(分別約束(confinement)異質(zhì)結(jié)構(gòu))是一種在半導(dǎo)體激光二極管中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。在SCH激光二極管中，注入載體通過在激活層和光波導(dǎo)層之間的接口的能帶階躍(band step)被約束(confined)到激活層，而光場通過在光波導(dǎo)層和包覆層之間的接口的折射率階躍被約束在光波導(dǎo)層和激活層。在由III-V氮化物半導(dǎo)體組成的激光二極管中，III-V氮化物由式(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)來表示，采用SCH，并且，激光二極管由普通的半導(dǎo)體組成。然而，在III-V氮化物半導(dǎo)體激光二極管中獲得良好的光場是困難的，因為為了光約而獲得束具有充足厚度和Al摩爾份數(shù)的高質(zhì)量AlxGa1-x外延層是困難的。因此，III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件的閾值電流密度和FFP(遠場圖形)比由普通半導(dǎo)體組成的激光二極管的更低，原因是其不良的光學(xué)約束。
如

圖1所示，普通的III-V氮化物半導(dǎo)體激光二極管具有在單晶藍寶石的基片1上外延生長的多層結(jié)構(gòu)。
外延層的組成是在低溫下生長的GaN或AlN緩沖層2，n型GaN基層3，n型AlGaN包覆層4，n側(cè)(side)GaN光波導(dǎo)(optical guiding)層5，基本上由InGaN組成的激活層6，AlGaN電子阻擋層7，p側(cè)(side)GaN光波導(dǎo)層8，p型AlGaN包覆層9，和p型GaN接觸層10。
n-電極12a和p電極12b通過絕緣層11的窗口分別被沉積在基層3和接觸層10上。為了獲得高質(zhì)量的和平滑的單晶層，緩沖層2首先生長在藍寶石基片1上。基層3被生長作為n電極的接觸層，因為藍寶石基片1是一個絕緣體。
如上所述，普通的SCH III-V氮化物半導(dǎo)體激光二極管的光約束通過(1)增加包覆層4的厚度，或(2)降低包覆層4的折射率，可以得到改善。
對于所使用的方案(1)，這種情況是具有比GaN更小的晶格常數(shù)的AlGaN的包覆層4被形成在GaN的基層3上，拉伸應(yīng)力產(chǎn)生在包覆層4的內(nèi)部。這使得更容易形成裂紋。當包覆層4的厚度變得大時，該趨勢變得特別地突出。包覆層4中的這些裂紋降低了激光二極管的發(fā)射特性。
生長在基層3和包覆層4之間的應(yīng)變松弛層(未示出)使晶格的不匹配松弛。采用應(yīng)變松弛層，可減少包覆層4中的裂紋，并且能獲得更厚的包覆層4。例如，應(yīng)變松弛層由InGaN作成，厚度大約是0.1-0.2μm。然而，用于松弛晶格不匹配的形變能量作為一種應(yīng)變而儲存在應(yīng)變松弛層中，明顯地降低了應(yīng)變松弛層的晶體質(zhì)量。此外，儲存在應(yīng)變松弛層的應(yīng)變產(chǎn)生新的位錯，它降低了激活層中的光增益。因此，其閾值電流密度增加。
而且，方案(1)的不利之處還在于增加了包覆層4的生長時間以及增加了其厚度，這樣，就增加了生產(chǎn)成本。
根據(jù)方案(2)，包覆層4的折射率通過增加包覆層4中Al的摩爾份數(shù)能被降低。當該Al摩爾份數(shù)增加時，AlGaN的晶格常數(shù)降低。結(jié)果是，更大的拉伸應(yīng)力作用在包覆層4上，在包覆層4中產(chǎn)生裂紋。
除了方案(1)和(2)之外，還有另一種方案，它通過增加波導(dǎo)層5的折射率來改善光約束，而不會降低包覆層4的折射率。例如，即使微量的In就能增加相當?shù)恼凵渎?。具有高折射率的光波?dǎo)層5能改善光約束，而不增加包覆層4的厚度。
當InGaN通過金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來生長時，幾乎是V型斷面的坑(pits)出現(xiàn)在該表面上。這些坑從下層中的位錯開始產(chǎn)生，并與所生長的InGaN的厚度成比例地生長。為了改善激活層6的光約束，該光波導(dǎo)層5應(yīng)當具有一定厚度。因此，在光波導(dǎo)層5的表面上出現(xiàn)很大的坑。即使生長在具有大坑的光波導(dǎo)層5之上的激活層6具有扁平表面，但在波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)被引導(dǎo)的光也包括激活層6，光波導(dǎo)層5和光波導(dǎo)層7通過大坑散射。這樣，大坑的出現(xiàn)引起激光特性的惡化。換言之，當光波導(dǎo)層采用InGaN來增加光波導(dǎo)層的折射率時，它也增加了散射損失，這樣導(dǎo)致閾值電流密度的增加。
發(fā)明的目的和概述因此，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體激光器件，它具有優(yōu)良的發(fā)射特性，而不會增加生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明，氮化物半導(dǎo)體激光器件是一種III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，它包括n側(cè)AlGaN包覆層；n側(cè)波導(dǎo)層(guide layer)；激活層；p側(cè)波導(dǎo)層；和p側(cè)AlGaN包覆層，p側(cè)波導(dǎo)層的折射率大于n側(cè)波導(dǎo)層的折射率。
下面參考圖1進行描述。一種AlN、GaN或類似的低溫緩沖層2生長在一個藍寶石基片1上，n側(cè)(side)GaN基層3摻雜了Si或類似物，具有導(dǎo)電性，該n側(cè)(side)GaN基層3生長在緩沖層2上，生長厚度大約為4-6μm。在基層3上依次生長n側(cè)AlxGa1-xN包覆層4和n側(cè)GaN波導(dǎo)層5，n側(cè)AlxGa1-xN包覆層4的Al摩爾份數(shù)x＝0.06和厚度為0.6μm。然后，在光波導(dǎo)層5上生長MQW激活層6作為發(fā)射層，該激活層6具有五層Iny1Ga1-y1N(y1＝0.08，30埃)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01，60埃)。隨后，在MQW激活層6上依次生長AlxGa1-xN電子阻擋層7，其厚度為0.02μm；p側(cè)InyGa1-yN光波導(dǎo)層8，摻雜了鎂成P型；p側(cè)AlxGa1-xN包覆層9，其厚度為0.4μm并且Al摩爾份數(shù)x＝0.06，以及P側(cè)接觸層10，其厚度為0.1μm。p電極12b和n電極12a通過絕緣層11的窗口分別沉積在p側(cè)接觸層10和n側(cè)GaN基層3上。
因為在本實施例的半導(dǎo)體激光器件中的n側(cè)光波導(dǎo)層由GaN形成，在其生長之后，在n側(cè)光波導(dǎo)層5的表面上沒有形成坑，這樣前面提到的散射損失問題將不會出現(xiàn)。由于p側(cè)光波導(dǎo)層8由InGaN形成，以增加折射率，故光約束效率能被改善。
用鎂摻雜InGaN抑制了坑的出現(xiàn)。由于p側(cè)光波導(dǎo)層8用鎂摻雜作為一種p側(cè)摻雜劑，故增加散射損失的坑將不會出現(xiàn)，這是有利的。
由InyGa1-yN形成的p側(cè)光波導(dǎo)層8折射率的大小可以通過調(diào)整In摩爾份數(shù)y來控制。這就是說，光約束狀態(tài)能被控制。增加在p側(cè)光波導(dǎo)層8中的In摩爾份數(shù)y能增加p側(cè)光波導(dǎo)層8的折射率。最好是，當設(shè)定改善激光器件的發(fā)射特性時，由InyGa1-yN形成的p側(cè)光波導(dǎo)層8應(yīng)當具有0.05μm或更大的厚度，In摩爾份數(shù)y為0.005或更大。
下面討論本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器件和比較例的發(fā)射特性的模擬結(jié)果。
圖2表示當n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度設(shè)定為0.2μm時，激活層5的光約束因素(optical confinement factor)P與p側(cè)光波導(dǎo)層8的In摩爾份數(shù)y的相互關(guān)系，當In摩爾份數(shù)y變化而改變p側(cè)InyGa1-yN光波導(dǎo)層8的折射率時，就獲得激活層內(nèi)的光約束因素P。
隨In摩爾份數(shù)y增加，光約束因素P在y＝0.015附近上升得特別快，然后緩慢地下降。這就是說，在n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度都是0.2μm的情況下，當In摩爾份數(shù)y大于0.015時，獲得良好的光約束。
如圖3-6所示，n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度都設(shè)定為0.2μm，In摩爾份數(shù)y從0(比較例)到0.010和＝0.015(或在本發(fā)明中更大)變化，以改變p側(cè)InyGa1-yN光波導(dǎo)層8的折射率，由此計算出器件生長方向的光場分布和遠場圖形。在圖3-5中的折射率中，構(gòu)成器件的各層的折射率采用與圖1中所示的各層相同的標號來表示。
當In摩爾份數(shù)y等于0，如在比較例中，即，當p側(cè)光波導(dǎo)層8由GaN形成，相同的材料用于n側(cè)光波導(dǎo)層5時，p側(cè)光波導(dǎo)層8的折射率與n側(cè)光波導(dǎo)層5及基層3的折射率相同，光場分布16在由16a和16b指示的基層3的部分具有峰值，并且在激活層6附近，包括n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8在內(nèi)，具有一個峰值，如圖3所示。
在上述條件下，在生長方向的遠場圖形具有多個窄的和尖的峰值，如圖7C所示，不是所期望的。在沉積方向的遠場圖形受在器件中的光場分布的影響很大。這就是說，當激活層6附近的光約束較弱，光場漏進基層3時，遠場圖形為具有窄的和尖的峰值的多峰形狀。當在器件內(nèi)激活層6附近的光約束適當時，在遠場圖形中的窄的和尖的峰值變得相當小，該圖形接近一個寬的單峰圖形。
即使當In摩爾份數(shù)y是0.010時，即，即使當p側(cè)光波導(dǎo)層8的折射率略高于n側(cè)光波導(dǎo)層5的折射率時，光場分布16也具有一個在基層3部分的峰值，如圖4所示。這就是說，光場漏進了基層3。而且，在這種情況下的遠場圖形為一個多峰圖形，如圖7B所示，它比起在圖7C中的圖形來說，更接近一個寬的單峰圖形。換言之，很明顯，在器件中的光約束與In摩爾份數(shù)y等于0的情況相比已經(jīng)改善。
而且，如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明，當In摩爾份數(shù)y是0.015時，即，當p側(cè)光波導(dǎo)層8的折射率比圖4所示的情況更高時，很明顯光場分布16集中在激活層6附近，這個區(qū)域包括n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8，發(fā)射出現(xiàn)在激活層6上，在器件內(nèi)部的波導(dǎo)光很好地被約束在激活層6附近。然后，遠場圖形具有一個寬的單峰圖形，如圖7A所示，其中沒有窄的和尖的峰值，作為器件的發(fā)射特性，這是非常期望的。
上面的情況是n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度都被設(shè)定為0.2μm。接著，光場漏進基層3，遠場圖形的光場分布隨p側(cè)InyGa1-yN光波導(dǎo)層8的In摩爾份數(shù)y和厚度變化而獲得。注意n側(cè)光波導(dǎo)層5由GaN形成，n側(cè)光波導(dǎo)層5和p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度相同。這就是說，當p側(cè)光波導(dǎo)層8的厚度是0.1μm時，n側(cè)光波導(dǎo)層5的厚度也是0.1μm。
如圖6所示，一條曲線17表示一種(邊界)條件，該條件保證沒有光場泄漏，并提供一種單峰遠場圖形，這樣保證最佳的期望發(fā)射特性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該曲線17滿足關(guān)系式y(tǒng)t＝0.003，其中，y為In摩爾份數(shù)和t為p側(cè)光波導(dǎo)層的厚度(μm)。再來看圖2，當In摩爾份數(shù)y比在曲線17的情況更低時，發(fā)射特性急烈地變得很差，同時，即使當In摩爾份數(shù)y移到比在曲線17的情況更高時，發(fā)射特性也不會下降很多。這就是說，由曲線17分開的區(qū)域上部即區(qū)域A，包括曲線17，提供了一種期望的單峰遠場圖形，在區(qū)域A中，膜的厚度大，In摩爾份數(shù)y大。
如圖8所示，在光波導(dǎo)層5和激活層6之間可以設(shè)置一個大約500埃，最好300埃的InGaN中間層13。當InGaN通過MOCVD形成到大約300埃或更大的厚度時，在生長之后的InGaN層的表面上出現(xiàn)坑，如上所述。已經(jīng)知道坑從下面的InGaN層的位錯部分開始形成。當n側(cè)包覆層4和n側(cè)光波導(dǎo)層5都生長在有位錯的基層3上時，在光波導(dǎo)層5上進一步形成厚度大約500?；蚋〉腎nGaN中間層13，如圖8所示，在中間層13的表面上出現(xiàn)細坑。由于激活層6生長在中間層13上，因此，激活層6以這種方式生長，即，避開從基層3上形成的細坑或位錯區(qū)域。當貫穿激活層6的位錯起非輻射重組中心的作用時，在激活層6中的非輻射重組的廢流能被減少，該激活層6以這種方式生長，即，利用激活層6之下的InGaN中間層13來避開位錯。這能抑制閾值電流密度的增加，這是所期望的。一定或更大尺寸的坑不是所期望的，這會干擾激活層6的平面化，并散射波導(dǎo)光。
圖6中的虛線曲線17′表示當設(shè)有中間層13時滿足曲線17的相同條件(即改善發(fā)射特性的邊界條件)的關(guān)系。與沒有設(shè)置InGaN中間層13的情況相比，假定光波導(dǎo)層8的厚度不變，但減少摩爾份數(shù)。
還可以確認一種具有優(yōu)良遠場圖形的激光器件能用在即使激光結(jié)構(gòu)是提供在一種由比如ELO(外延橫向過生長)的技術(shù)制備的厚基上的情況，ELO在n側(cè)GaN基層3內(nèi)部形成一種SiO2或類似的掩模層14，并加快在橫向的GaN生長，以減少在掩模之上的半導(dǎo)體層中的位錯密度。
由于本發(fā)明能提高一種半導(dǎo)體激光器件，該器件展示了優(yōu)良的發(fā)射特性，而不會增加器件的組成層的厚度，因而不會增加生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，包括n側(cè)AlGaN包覆層；n側(cè)波導(dǎo)層；激活層；p側(cè)波導(dǎo)層；和p側(cè)AlGaN包覆層，其中，p側(cè)波導(dǎo)層的折射率比所述n側(cè)波導(dǎo)層的折射率更大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述的p側(cè)波導(dǎo)層由InyGa1-yN(0＜y≤1)形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述的p側(cè)波導(dǎo)層的厚度為0.05μm或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述的p側(cè)波導(dǎo)層由InyGa1-yN形成，y是0.005或更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述的n側(cè)波導(dǎo)層由GaN形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，進一步包括在所述n側(cè)波導(dǎo)層和所述激活層之間的InGaN中間層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的III-V氮化物半導(dǎo)體激光器件，其中，所述中間層的厚度為500?；蚋?。
全文摘要
一種III－V氮化物半導(dǎo)體激光器件,包括:n側(cè)AlGaN包覆層;n側(cè)波導(dǎo)層;激活層;p側(cè)波導(dǎo)層;和p側(cè)AlGaN包覆層,其中,p側(cè)波導(dǎo)層的折射率比所述n側(cè)波導(dǎo)層的折射率更大。這種III－V氮化物半導(dǎo)體激光器件具有優(yōu)良的發(fā)射特性,而不會增加生產(chǎn)成本。
文檔編號H01S5/20GK1347178SQ0114182
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月19日
發(fā)明者園部雅之, 木村義則, 渡邊溫 申請人:羅姆股份有限公司, 先鋒株式會社