專利名稱：基于第iii族氮化物的綠光激光二極管及其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光，更具體地，涉及發(fā)射綠光的基于第III族氮化物的激光二極管及其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在激光二極管中需要高光學(xué)限值和低內(nèi)部光損耗的組合來實(shí)現(xiàn)高電光轉(zhuǎn)換效率(WPE)。電光轉(zhuǎn)換效率是常用品質(zhì)因數(shù)，定義為從激光二極管輸出的光學(xué)功率與輸入到激光二極管的電功率之比。例如內(nèi)部光損耗，如光子被器件層或者器件層內(nèi)的載流子吸收會(huì)使得光學(xué)輸出功率減小。同時(shí)具有低內(nèi)部光損耗和高輸出光損耗的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高WPE。但是高輸出光損耗要求高的光增益。如果光學(xué)材料增益受到所選材料的固有限制，則需要大的光限制因子來增加光增益。對(duì)于導(dǎo)致低內(nèi)部光損耗、高光增益、低串聯(lián)電阻以及有源區(qū)附近失配缺陷降低的綠光激光二極管構(gòu)型仍然存在持續(xù)的需求。特別地，對(duì)于確定最佳材料、層結(jié)構(gòu)以及層結(jié)構(gòu)中的摻雜劑分布從而增加電光轉(zhuǎn)化效率仍然存在持續(xù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文所述實(shí)施方式的基于第III族氮化物的激光二極管可包含由n_摻雜的(Al, In)GaN形成的n_側(cè)包覆層、由n_摻雜的(Al) InGaN形成的n_側(cè)波導(dǎo)層、有源區(qū)、由P-摻雜的(Al) InGaN形成 的P-側(cè)波導(dǎo)層以及由P-摻雜的(Al，In)GaN形成的p-側(cè)包覆層。所述有源區(qū)介于n-側(cè)包覆層與p-側(cè)包覆層之間，并基本上平行于所述n-偵彳包覆層和P-側(cè)包覆層延伸。有源區(qū)包含一個(gè)或多個(gè)InGaN量子阱，所述InGaN量子阱配置成電泵送受激發(fā)射的光子，使得有源區(qū)在510-580nm的激光波長(zhǎng)產(chǎn)生光增益。n_側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與n-側(cè)包覆層之間。所述n-側(cè)波導(dǎo)層的n-側(cè)波導(dǎo)層厚度為l-300nm。p_側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與P-側(cè)包覆層之間。所述P-側(cè)波導(dǎo)層的P-側(cè)波導(dǎo)層受體濃度小于3 X 1017cnT3，并且所述p_側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于lOOnm，從而使得P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度。p_側(cè)包覆層包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分與P-側(cè)波導(dǎo)層之間。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，P-側(cè)包覆層的第一厚度部分的第一部分厚度為20_200nm，并且第一部分受體濃度小于SXlO17cnT3tjP-側(cè)包覆層的第二厚度部分的第二部分受體濃度大于3X 1017cm 3。還描述了其他實(shí)施方式。通過以下詳述、所附權(quán)利要求書和附圖可以更好地理解本發(fā)明的這些特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，以及其他的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。附圖簡(jiǎn)要說明盡管說明書以及權(quán)利要求書得出結(jié)論并具體指出和明確要求保護(hù)本發(fā)明的主題，但是據(jù)信結(jié)合附圖，從以下描述能夠更好地理解本發(fā)明，其中:

圖1A是本文所述實(shí)施方式的基于第III族氮化物的激光二極管的側(cè)視圖；圖1B是圖1A所示的基于第III族氮化物的激光二極管的有源區(qū)的放大圖；以及圖2所示是迭加模擬光模塊強(qiáng)度以及層折射率與本文所述實(shí)施方式的基于第III族氮化物的激光二極管的頂部至底部的深度的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面不時(shí)參考具體實(shí)施方式
描述了本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。但是，本發(fā)明可以以不同的方式實(shí)施，不應(yīng)被解讀成限定于在此提出的實(shí)施方式。相反，這些實(shí)施方式使得說明透徹而完整，能夠向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全地展示本發(fā)明的范圍。本文所用關(guān)于器件或器件層的術(shù)語“基于第III族氮化物的”指的是器件或器件層是在第III族元素氮化物的基材上制造的。第III族元素氮化物材料包括但不限于，氮化二鎵、三元合金如氮化招鎵(AlGaN)和氮化銦鎵(InGaN)、以及四元合金如氮化招銦鎵(AlInGaN)0表示各種第III族氮化物的化學(xué)式中的括號(hào)表示可任選的元素，而括號(hào)外面的元素是給定合金中所需的元素。例如，符號(hào)(Al) InGaN對(duì)應(yīng)一種包含InGaN的合金，其中鋁或者更具體來說，AlN是可任選的。因而，“(Al) InGaN”等于“InGaN或者AlInGaN”。類似地，符號(hào)(Al，In)GaN對(duì)應(yīng)一種包含GaN的合金，其中鋁(作為AlN)和銦(作為InN)都是可任選的合金元素。因而，“(Al, In) InGaN” 等于 “GaN、AlGaN、InGaN 或者 Al InGaN”。當(dāng)使用的組成或者化學(xué)計(jì)量沒有進(jìn)一步限制時(shí)，化學(xué)式例如AlGaN或者AlInGaN應(yīng)理解為包含全部可用的組成范圍，如同分別寫成AlxGa1J或者AlxInyGanyN的形式，其中0〈x〈l 且 0〈y〈l，使得 x+y〈l。類似地，(Al) InGaN 應(yīng)理解為等于 AlJriyGa^N，其中 0 ( x〈l且0〈y〈l，使得x+y〈l。化學(xué)式(Al, In) GaN應(yīng)理解為等于AlxInyGa1^N,其中0彡x〈l且0 <y〈l，使得x+y〈l。對(duì)于這些組成范圍顯而易見的是，分別對(duì)應(yīng)可任選元素的下標(biāo)值包括零的可能性，而分別對(duì)應(yīng)所必需元素的下標(biāo)值不包括零的可能性。根據(jù)通式化合物(例如AlGaN或(Al，In) GaN)或者范圍化合物(例如AlxGa1J或AlxInyGai_x_yN)描述的任意給定層可以是具有所述通式化合物或范圍化合物的具體且基本一致組成的本體層，具有所述通式化合物或范圍化合物的平均組成的超晶格，具有所述通式化合物或范圍化合物的平均組成的周期性結(jié)構(gòu)，或者具有多個(gè)包含所述通式化合物或范圍化合物的平均組成的區(qū)域的組成梯度結(jié)構(gòu)。 特別是對(duì)于第III族元素鋁、銦和鎵，假定第III族氮化物的化學(xué)式中不包含的任意第III族元素以不高于化學(xué)式所述的第III族氮化物中天然雜質(zhì)的水平存在。例如，雖然通常理解“AlGaN”可描述為AlN和GaN的合金，所述術(shù)語例如“GaN層”應(yīng)理解為等于“AlxInyGa1-PyN 層，其中 x=0 且 y=0”。對(duì)于任意層的組成，術(shù)語如“鋁濃度”、“銦濃度”等指的是層中各種元素的平均組成，并且僅涉及第III族元素的濃度(假定第III族元素的所有原子與氮原子的比例為1:1)。除非另有說明，否則層中的特定第III族元素的濃度是摩爾％，這應(yīng)理解為層中特定第III族元素的原子數(shù)除以層中所有第III族元素的原子數(shù)，乘以100。應(yīng)理解，在層中會(huì)發(fā)生組成變化例如非化學(xué)計(jì)量性而不會(huì)影響器件內(nèi)的層的功能。與上述定義一致，語句“ (Al，IrOGaN層的鋁濃度為10%”等于層的經(jīng)驗(yàn)分子式為例如AlaitlInyGac^yN,其中0彡y〈0.9。或者用另一種方式表達(dá)，語句“AlGaN層的鋁濃度為10%”描述了由10摩爾％A1N和90摩爾％GaN組成的AlGaN合金層。應(yīng)理解，所述此類經(jīng)驗(yàn)分子式還表示平均組成并包括化學(xué)式中所含物質(zhì)的固有組成變化。除非明確指出相反情況，否則還應(yīng)理解可用一種或多種摻雜劑例如鎂(對(duì)于第III族氮化物半導(dǎo)體是P-型摻雜劑)或硅(對(duì)于第III族氮化物半導(dǎo)體是n-型摻雜劑)來摻雜各種氮化物合金。所述一種或多種摻雜劑并未在各種合金的化學(xué)式中出現(xiàn)，而是獨(dú)立表述，例如將給定的合金描述為“n-摻雜的”或者“p_摻雜的”。除非主動(dòng)表述為未摻雜的、n-摻雜的、P-摻雜的或者兩者任意組合，每一種氮化物合金都可以是未摻雜的、n-摻雜的或者p-摻雜的。參見圖1A，基于第III族氮化物的激光二極管I包含n-側(cè)包覆層20、n_側(cè)波導(dǎo)層60、有源區(qū)40、P-側(cè)波導(dǎo)層70以及P-側(cè)包覆層30。有源區(qū)40介于n_側(cè)包覆層20與p-側(cè)包覆層30之間，并基本上平行于所述n-側(cè)包覆層20和p-側(cè)包覆層30延伸。n_側(cè)波導(dǎo)層60介于有源區(qū)40與n-側(cè)包 覆層20之間。p-側(cè)波導(dǎo)層70介于有源區(qū)40與p-側(cè)包覆層30之間。n-側(cè)包覆層20是n_摻雜的(Al，In)GaN層。在示例性實(shí)施方式中，(Al，In)GaN層是AlxInyGai_x_yN，其中0 ≤ x<0.2且0≤y〈0.3。n_側(cè)包覆層20可以是任意厚度并具有適合提供足夠?qū)щ娦缘娜我夤w濃度。通常，n-側(cè)包覆層20的厚度可以為0.5 至約2um0 n-側(cè)包覆層20的載流子濃度通常是IO17CnT3至IO19CnT3范圍內(nèi)的n_型摻雜劑如硅。但是通常來說，因?yàn)閚-型摻雜劑不是光損耗的來源，所以沒有對(duì)前述載流子濃度進(jìn)行嚴(yán)格優(yōu)化以確保足夠的導(dǎo)電性。在一些實(shí)施方式中，n-側(cè)包覆層20可優(yōu)選是n-摻雜的GaN層。相信在一些實(shí)施方式中GaN比AlGaN、InGaN或者AlInGaN更優(yōu)選作為包覆層。例如，因?yàn)镚aN是二元合金，所以層中引入組成波動(dòng)的可能性較低，并且通常來說導(dǎo)熱性比三元與四元合金更好。相比于三元與四元合金，二元合金的這些特性通常會(huì)降低光損耗。n-側(cè)波導(dǎo)層60是n-摻雜的(Al) InGaN層。在示例性實(shí)施方式中，(Al) InGaN層是AlxInyGai_x_yN，其中0 ≤ x<0.2并且0〈y〈0.3。在一些實(shí)施方式中，n_側(cè)波導(dǎo)層可優(yōu)選是n-摻雜的InGaN層。n_側(cè)波導(dǎo)層的n_側(cè)波導(dǎo)層厚度小于300nm,小于200nm,小于120nm,或者是l-120nm。在優(yōu)選實(shí)施方式中，n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度為125_300nm，125-200nm, 125_150nm或者50-120nm。n_側(cè)波導(dǎo)層60的載流子濃度通常是IO17CnT3至IO19CnT3范圍內(nèi)的n_型摻雜劑如硅。有源區(qū)40包含一個(gè)或多個(gè)InGaN量子阱，所述InGaN量子阱產(chǎn)生電泵送的受激發(fā)射的光子。有源區(qū)40還在可見電磁光譜的綠光部分的激光波長(zhǎng)產(chǎn)生光增益，該波長(zhǎng)通常定義為波長(zhǎng)為510_580nm的光。各個(gè)InGaN量子講可介于兩個(gè)AlInGaN量子講障礙之間。圖1B更清楚地顯示了有源區(qū)40的層結(jié)構(gòu)。圖1B中的有源區(qū)40是剖視圖，顯示了量子阱層的可任選的重復(fù)。應(yīng)理解，有源區(qū)40的所有層相互堆疊成連續(xù)多層，但是該連續(xù)多層可包含介于圖1B所示層之間的未在圖1B中示出的附加層。所述附加層可包括例如間隔層，該間隔層的存在優(yōu)化了有源區(qū)40的性能，但是對(duì)于有源區(qū)40的功能不是必需的。通常，量子阱50A介于第一量子阱障礙55A和第二量子阱障礙55B之間。量子阱50A、50B的厚度通常分別為Inm至約20nm，并且可以是單層(如所示)或者多層(未示出)。量子阱50A、50B可以分別是一層InGaN或者多層InGaN。量子阱50A、50B的InGaN的銦濃度可以是例如20-40%。類似地，量子阱障礙55A、55B、55C可以獨(dú)立地是單層(如所示)或者多層(未示出)。量子阱障礙55A、55B、55C可以分別是AlInGaN層，厚度可以是例如約l-50nm。作為示例性的具體組成，量子阱障礙55A、55B、55C的AlInGaN的銦濃度可以約為0_20%，鋁濃度可以約為0-20%。有源區(qū)40可包含一個(gè)量子阱或者多個(gè)量子阱。在圖1B中，附加量子阱50B以及附加量子阱障礙層55C顯示為重復(fù)單元57，從而使得當(dāng)重復(fù)單元57堆疊到現(xiàn)有的量子阱障礙上時(shí)，例如堆疊到第二量子阱障礙55B上時(shí)，第一量子阱的頂部障礙層(此處為第二量子阱障礙55B)也成為了附加量子阱50B的底部障礙層。有源區(qū)40可包含n個(gè)重復(fù)單元57，其中，在單阱有源區(qū)中n可以是0，或者對(duì)于多阱有源區(qū)n可以是1-20、1-10、1-5或者1_3的整數(shù)。參考圖1A和1B，基于第III族氮化物的激光二極管I還可包含空穴阻擋層80和/或電子阻擋層90。如果存在空穴阻擋層80的話，則所述空穴阻擋層80可介于有源區(qū)40和n-側(cè)波導(dǎo)層60之間， 并且厚度可以約為10-20nm。如果存在電子阻擋層90的話，則所述電子阻擋層90可介于有源區(qū)40和P-側(cè)波導(dǎo)層70之間。在另一個(gè)未示出的實(shí)施方式中，電子阻擋層可介于P-側(cè)波導(dǎo)層和P-包覆層之間。如果存在電子阻擋層90的話，則所述電子阻擋層90可以是AlGaN層、AlInGaN層或者AlGaN層和AlInGaN層的組合，其中所述電子阻擋層90的厚度約為5-50nm。優(yōu)選地，電子阻擋層90比它的相鄰層具有更寬的帶隙，并且經(jīng)過高度摻雜，受體濃度至少為1018cm_3，或者IO18CnT3至1021cm_3。電子阻擋層90中的受體物質(zhì)可以是例如鎂。不希望受到理論的限制，認(rèn)為選擇帶隙比相鄰層更寬的非常薄的電子阻擋層防止了由于高度摻雜電子阻擋層90所引起的內(nèi)部光損耗的增加。這可能是由于空穴，特別是位于電勢(shì)波動(dòng)或者受體水平的空穴離開電子阻擋層90并分散到相鄰層中的能力的結(jié)果。此外，電子阻擋層90中的離子化受體可以提供促進(jìn)空穴傳輸并抑制電子傳輸?shù)碾妶?chǎng)。因此，相信當(dāng)電子阻擋層90是高度摻雜的時(shí)，可以增加電子阻擋層90的效率，增加空穴注入效率，并且可以降低器件的串聯(lián)電阻而不會(huì)伴隨內(nèi)部光損耗的增加。P-側(cè)波導(dǎo)層70是P-摻雜的(Al) InGaN層。在一些實(shí)施方式中，p_側(cè)波導(dǎo)層70可優(yōu)選是p-摻雜的InGaN層。在不例性實(shí)施方式中，p_側(cè)波導(dǎo)層70可以是(Al) InxGa1^xN層，其中X為0.04-0.15,0.06-0.11，優(yōu)選約為0.10。優(yōu)選地，p-側(cè)波導(dǎo)層70可具有與n_側(cè)波導(dǎo)層60相同或者接近相同(例如，±0.03摩爾％)的銦濃度。P-側(cè)波導(dǎo)層70與n-側(cè)波導(dǎo)層60的組成相似性可優(yōu)化基于第III族氮化物的激光二極管I中的應(yīng)變弛豫。例如，當(dāng)由于波導(dǎo)層和各包覆層之間形成的失配缺陷產(chǎn)生應(yīng)變弛豫時(shí)，優(yōu)選波導(dǎo)層的銦濃度約為6_11%，更具體地，約為7-9%，以得到最佳光學(xué)限值并減少對(duì)于材料質(zhì)量下降的擔(dān)憂。另一方面，如果形成的波導(dǎo)層和包覆層不具有故意的應(yīng)變弛豫，則可能希望較低的銦濃度，例如約3-6%。P-側(cè)波導(dǎo)層70的P-側(cè)波導(dǎo)層70受體濃度可以是小于3 X 1017cm_3，為IX 1015cm_3至3X1017cm_3，或者優(yōu)選為1父1016011_3至3\1017011_3。通常，p_側(cè)波導(dǎo)層受體濃度應(yīng)該足夠低，以避免光模塊重疊P-側(cè)波導(dǎo)層70時(shí)的高內(nèi)部光損耗。但是，P-側(cè)波導(dǎo)層受體濃度應(yīng)該足夠高，以克服可能的摻雜補(bǔ)償，從而防止了高串聯(lián)電阻或者甚至是晶閘管特性。在其他實(shí)施方式中，P-側(cè)波導(dǎo)層70的銦濃度可以低于n-側(cè)波導(dǎo)層60的銦濃度。在此類實(shí)施方式中，P-側(cè)波導(dǎo)層70的銦濃度可以約為0-9%或者約為0-7%，而n-側(cè)波導(dǎo)層60的銦濃度可以約為3-11%或者約為3-9%。優(yōu)選地，P-側(cè)波導(dǎo)層70的銦濃度低于n-側(cè)波導(dǎo)層60的銦濃度。優(yōu)選地，如果波導(dǎo)的銦濃度表示為摩爾％，則較高的n-側(cè)波導(dǎo)層60的銦濃度減去較低的P-側(cè)波導(dǎo)層70的銦濃度可得到大于或等于2%的銦濃度差。當(dāng)P-側(cè)波導(dǎo)層70的銦濃度低于n-側(cè)波導(dǎo)層60的銦濃度時(shí)，則p_側(cè)波導(dǎo)層的厚度可以約等于n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度，但是n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度優(yōu)選大于P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度。作為具體的例子，n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度可以是125-300nm，p_側(cè)波導(dǎo)層的厚度可以小于IOOnm0通常，p-側(cè)波導(dǎo)層70的p-側(cè)波導(dǎo)層厚度小于lOOnm，小于50nm，小于40nm，為
l-50nm或者為20-50nm。在優(yōu)選實(shí)施方式中，p_側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于n_側(cè)波導(dǎo)層的厚度。例如，P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度可以是Inm至n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的約10%，Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約20%, Inm至n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的約25%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約30%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約35%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約40%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約45%, Inm至n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的約50%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約55%, Inm至n_側(cè)波導(dǎo)層厚度的約60%，或者Inm至n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的約75%。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，n_側(cè)波導(dǎo)層的厚度和P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度總和(即總的波導(dǎo)厚度)約為150-200nm。相信P-側(cè)波導(dǎo)層厚度與n-側(cè)波導(dǎo)層厚度之間的關(guān)系，特別是結(jié)合了下文詳述的摻雜分布的選擇對(duì)于促進(jìn)基于第III族氮化物的激光二極管I中的內(nèi)部光損耗的降低具有重要貢獻(xiàn)。例如，因?yàn)楣饽K隨著離開有源區(qū)40的距離呈指數(shù)衰減，所以光模塊與P-側(cè)包覆層30的高度P-摻雜部分的略微偏移會(huì)導(dǎo)致光模塊與高度P-摻雜部分的重疊的指數(shù)下降。雖然偏移的光模塊與有源區(qū)40的重疊通常會(huì)略小于當(dāng)光模塊未以這種方式偏移時(shí)的重疊，但是相信偏移的光模塊與高度P-摻雜的材料之間的重疊的指數(shù)減少會(huì)明顯降低總體光損耗。通過得到最小光模塊增寬，最佳總波導(dǎo)厚度使光限值最大化。當(dāng)總波導(dǎo)厚度大于最佳總波導(dǎo)厚度時(shí)，激光二極管的光模塊增寬量較高，原因在于光模塊在激光二極管中提供了更寬的波導(dǎo)區(qū)域。但是同樣地，當(dāng)總波導(dǎo)厚度小于最佳總波導(dǎo)厚度時(shí)，激光二極管的光模塊增寬量較高，原因在于對(duì)比波導(dǎo)層和包覆層的整體折射率的降低提供了較低的光限值。對(duì)于給定的總波導(dǎo)厚度，可以通過減小P-側(cè)波導(dǎo)層厚度并增加n-側(cè)波導(dǎo)層厚度來降低P-型材料重疊引起的光損耗。當(dāng)P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度減小(特別是相對(duì)于n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度)時(shí)，光模塊具有比P-型材料更多量的n-型材料。降低P-型材料與光模塊的重疊，進(jìn)而降低了光損耗。所述光損耗的有利減小比可由n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度增加到高于最佳水平所導(dǎo)致的光限值因子的不利降低更為明顯。作為一個(gè)說明性例子而非進(jìn)行限制，可以根據(jù)上述任意實(shí)施方式制造第一激光二極管和第二激光二極管，其中制造的兩個(gè)激光二極管的總波導(dǎo)厚度都為160nm。第一激光二極管可具有厚度為120nm的n-側(cè)波導(dǎo)層以及厚度為40nm的P-側(cè)波導(dǎo)層。第二激光二極管可具有厚度為130nm的n-側(cè)波導(dǎo)層以及厚度為30nm的p-側(cè)波導(dǎo)層。理論上來說，第二激光二極管的光限值因子低于第一激光二極管的光限值因子。即使如此，第二激光二極管中光模塊與P-型材料的重疊小于第一激光二極管中光模塊與P-型材料的重疊所導(dǎo)致的光損耗的下降大于第一激光二極管與第二激光二極管之間的光限值因子的降低。如此，預(yù)期第二激光二極管的電光轉(zhuǎn)化效率高于第一激光二極管的電光轉(zhuǎn)化效率。因此，相信對(duì)于給定的總波導(dǎo)厚度，隨著n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的增加,模態(tài)增益(modal gain)與內(nèi)部損耗的比值增加。P-側(cè)包覆層30是P-摻雜的(Al，In) GaN層。在示例性實(shí)施方式中，(Al, In) GaN層是AlxInyGa1^N,其中0 ( x<0.2且0彡y<0.3。p-側(cè)包覆層30包含第一厚度部分35和第二厚度部分37。第一厚度部分35介于第二厚度部分37與P-側(cè)包覆層30和p-側(cè)波導(dǎo)層70的界面之間。P-側(cè)包覆層30的第一厚度部分35的第一部分厚度X小于或等于200nm，具體為l-200nm，優(yōu)選為20_200nm。p_側(cè)包覆層的總厚度通常是例如約0.5-1.5 Um0 p-側(cè)包覆層的總厚度的上限不是關(guān)鍵，除了太厚的P-側(cè)包覆層會(huì)不合乎希望地降低器件的導(dǎo)電性。在一個(gè)實(shí)施方式中，制造的P-側(cè)包覆層30具有梯度摻雜分布，使得第一厚度部分35的第一部分受體濃度小于3X 1017cnT3，第二厚度部分37的第二部分受體濃度大于3X IO1W30第一部分受體的部分受體濃度小于第二部分受體濃度部分是為了使光模塊接觸P-側(cè)包覆層30中的受體。在基于第III族氮化物的激光二極管I的正常操作條件下，預(yù)期光模塊略微延伸進(jìn)入到P-側(cè)包覆層30中。光模塊與受體的接觸通常導(dǎo)致光損耗。原因在于，光模塊通常不會(huì)明顯延伸通過整個(gè)P-側(cè)包覆層30，不必降低整個(gè)P-側(cè)包覆層30的受體濃度。P-側(cè)包覆層30的梯度摻雜分布可能導(dǎo)致，但是未必一定導(dǎo)致，受體濃度的突然變化，從而在第一厚度部分35和第二厚度部分37之間限定了明顯界面。例如，P-側(cè)包覆層從底部到頂部的整個(gè)厚度上的受體濃度可以逐漸增加，使得當(dāng)受體濃度達(dá)到或超過3X IO17CnT3時(shí)，第一厚度部分35終止并且第二厚度部分開始。雖然第二厚度部分37在其與第一厚度部分35的邊界處的受體濃度可能約為3X IO17CnT3，但是梯度摻雜分布可能繼續(xù)增加穿過第二厚度部分37的厚度。第二厚度部分37的一部分的受體濃度可能超過I X IO18Cm 3,超過 I X IO19Cm `3，或者約為 3 X IO17Cm 3_1 X 102Clcm 3。關(guān)于P-側(cè)波導(dǎo)層70和P-側(cè)包覆層30的P-型摻雜分布，通常認(rèn)為光損耗可歸結(jié)于價(jià)帶電勢(shì)波動(dòng)中或者受體上捕獲的局部化空穴的優(yōu)勢(shì)地位。雖然活化空穴有利于層中的導(dǎo)電性，但是局部化空穴不會(huì)。從而當(dāng)可能存在局部化空穴時(shí)，必須對(duì)層進(jìn)行更重的摻雜以彌補(bǔ)導(dǎo)電性的下降。認(rèn)為可以通過選擇活化能小于或等于約170meV的摻雜劑物質(zhì)，或者，可以選擇器件層的材料來減輕所述局部化空穴的優(yōu)勢(shì)地位，其中，給定物質(zhì)例如鎂的活化能小于或等于約170meV。以這種方式選擇活化能可增加導(dǎo)電性，同時(shí)維持恒定水平的光損耗。在所有情況下，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)光模塊與P-摻雜材料的重疊引起光損耗的上升和受體濃度的增加，所以優(yōu)選P-摻雜層中的P-型摻雜分布在接近有源區(qū)(光模塊最強(qiáng)烈的位置)、P-側(cè)波導(dǎo)層70中以及P-側(cè)包覆層30的第一厚度部分35中維持最小受體濃度。為了描述根據(jù)上文所述實(shí)施方式的基于GaN的激光二極管的數(shù)種操作原理，圖2提供了示例性的基于GaN的激光二極管的模擬光模塊強(qiáng)度。在圖2中，光模塊曲線100以深度坐標(biāo)d(nm)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化光模塊密度進(jìn)行作圖，其中Onm對(duì)應(yīng)激光二極管的頂部，是整個(gè)深度分布上的最大光模塊密度。折射率線150以相同的深度坐標(biāo)d對(duì)折射率(R.1.)作圖。垂直虛線顯示基于GaN的激光二極管的功能層的深度位置。字母A-F分別標(biāo)示對(duì)應(yīng)功能層的深度分布區(qū)域，其中:A是P-側(cè)包覆層的第二厚度部分(高度摻雜的)；B是P-側(cè)包覆層的第一厚度部分(輕微摻雜的)<是P-側(cè)波導(dǎo)層；D是有源區(qū)出是!!-側(cè)波導(dǎo)層；以及F是n-側(cè)包覆層。兩個(gè)波導(dǎo)層(C和E)的折射率高于包覆層(A、B和F)的折射率。有源區(qū)(D)具有高折射率。n-側(cè)波導(dǎo)層(E)比P-側(cè)波導(dǎo)層(C)厚，因此，光模塊曲線100的峰值120位于n-側(cè)波導(dǎo)層(E)中心。P-側(cè)包覆層的第一厚度部分(B)與P-側(cè)包覆層的第二厚度部分(A)之間的邊界位于約475nm深度處。在該邊界處的位置，光模塊強(qiáng)度約為峰值120處的光模塊強(qiáng)度的10%，相比略高于第一厚度部分(B)和P-側(cè)波導(dǎo)層(C)之間邊界處的40%。因?yàn)榈谝缓穸炔糠?B)是輕微摻雜的，所以第一厚度部分(B)中的光模塊部分較不易受到與P-側(cè)包覆層中的受體重疊的光損耗的影響?；氐綀D1A，在一些實(shí)施方式中，可優(yōu)選P-側(cè)包覆層30是P-摻雜的GaN層，并且可任選地，n-側(cè)包覆層20是n-摻雜的GaN層。不希望受到理論的限制，認(rèn)為GaN材料相對(duì)于AlGaN較低的光吸收系數(shù)減小了輸出光損耗，即使光限值因子也會(huì)減小。例如，雖然GaN包覆的激光二極管的光限值因子可低至具有AlGaN包覆層的激光二極管的光限值因子的67%，但是相同的GaN包覆可導(dǎo)致激光二極管的光損耗是AlGaN包覆的激光二極管顯示的光損耗的50%。因?yàn)樵诖祟惼骷?，光損耗的下降超過了光限值因子的下降，GaN包覆層可導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)化效率的增加高于AlGaN。此外，P-摻雜的GaN的鎂受體活化能低于AlGaN。認(rèn)為P-側(cè)包覆層30中受體活化能的下降會(huì)降低光損耗，因?yàn)楫?dāng)活化能下降時(shí)，獲得預(yù)定導(dǎo)電性所需的受體濃度也發(fā)生下降。在另一個(gè)實(shí)施方式中，P-側(cè)包覆層30是具有鋁組成梯度的(Al，In) GaN層。在組成梯度中，P-側(cè)包覆層30中的鋁濃度會(huì)隨著離開有源區(qū)的距離增加而增加。組成梯度可在P-側(cè)包覆層30中限定兩個(gè)或更多 個(gè)區(qū)。例如，0-5%的鋁濃度可限定為最靠近有源區(qū)40的P-側(cè)包覆層30的第一區(qū)。第一區(qū)可從P-側(cè)波導(dǎo)層70的界面開始延伸，并包含P-側(cè)波導(dǎo)層70上最初約20-220nm的p-側(cè)包覆層30的厚度。最高為20%或者5-20%的提升的鋁濃度可限定為緊鄰第一區(qū)上方的P-側(cè)包覆層30的第二區(qū)。第一區(qū)和第二區(qū)中的鋁濃度不必是均勻的。優(yōu)選地，隨著離開P-側(cè)波導(dǎo)層70的距離增大，在P-側(cè)包覆層30的厚度上鋁濃度增加。第一區(qū)和第二區(qū)的總厚度可以約為200-500nm。緊鄰第二區(qū)上方的p_側(cè)包覆層30的第三區(qū)可具有任意鋁濃度，或者甚至可以沒有鋁。P-側(cè)波導(dǎo)層70關(guān)于描述鋁組成梯度的區(qū)的名稱可以是，但不一定是，與第一厚度部分35和第二厚度部分37相關(guān)的，這兩個(gè)部分如上所述一起限定了受體濃度梯度。相信最接近P-側(cè)波導(dǎo)層70和有源區(qū)40的具有低水平的鋁的鋁組成梯度提供了降低的受體活化能，當(dāng)鋁濃度低或者例如低于約5%時(shí)，對(duì)于給定的受體濃度可增加導(dǎo)電性。因此，可存在較低的受體濃度以維持給定的導(dǎo)電性。較低的受體濃度可降低光損耗。因此，對(duì)于P-側(cè)包覆層中存在的鋁組成梯度，相對(duì)于摻雜劑分布，如上所定義的第一厚度部分35的第一部分受體濃度優(yōu)選低于第二厚度部分37的第二部分受體濃度。在一個(gè)具體例子中，第一部分受體濃度可以是3 X IO17CnT3至3 X 1018cm_3，而第二部分受體濃度可以大于3 X IO18Cm-30當(dāng)P-側(cè)包覆層30中存在鋁組成梯度時(shí)，優(yōu)選地，P-側(cè)波導(dǎo)層70和n_側(cè)波導(dǎo)層60可以都是基本沒有鋁的InGaN層，或者是鋁濃度小于5%，小于1%或小于0.1%的(Al)InGaN 層。在另一個(gè)實(shí)施方式中，基于GaN的激光二極管還可包含無源量子阱(passivequantum well)結(jié)構(gòu)或者多個(gè)無源量子阱結(jié)構(gòu)。無源量子阱結(jié)構(gòu)可配置成促進(jìn)無源量子阱在激光波長(zhǎng)下的高折射率。具體來說，可以將無源量子阱配置如下:結(jié)構(gòu)的吸收邊緣波長(zhǎng)比激光波長(zhǎng)短，但是激光波長(zhǎng)和無源量子阱吸收邊緣之間的光譜間距小。當(dāng)結(jié)構(gòu)的吸收邊緣波長(zhǎng)比激光波長(zhǎng)短時(shí)，無源量子阱不吸收激光。在另一個(gè)實(shí)施方式中，基于第III族氮化物的激光二極管I可以是不對(duì)稱的，使得n-側(cè)波導(dǎo)層60含有銦但是P-側(cè)波導(dǎo)層70和P-側(cè)包覆層30不含銦。例如，n_側(cè)波導(dǎo)層60可以由InGaN塊形成或者配置成InGaN超晶格或者無源InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)基于第III族氮化物的激光二極管I是不對(duì)稱的時(shí)，P-側(cè)波導(dǎo)層70不一定要與P-側(cè)包覆層30間隔開，從而可認(rèn)為P-側(cè)波導(dǎo)層70的厚度為O。無源多量子阱結(jié)構(gòu)可配置成使其吸收邊緣光譜位置靠近激光波長(zhǎng)，從而增加n-側(cè)波導(dǎo)層60中的光限值。雖然不對(duì)稱激光二極管中的光模塊偏向器件的n-側(cè)，但是光限值因子并未明顯下降。認(rèn)為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)可對(duì)P-型導(dǎo)電性提供了更好的控制，特別是當(dāng)P-摻雜的GaN層被用作P-側(cè)包覆層30，用作具有P-摻雜的InGaN層作為p-側(cè)波導(dǎo)層連同分開的p_側(cè)包覆層的替代品。在另一個(gè)實(shí)施方式中，P-側(cè)波導(dǎo)層70和/或n-側(cè)波導(dǎo)層60可以是合適導(dǎo)電性類型的具有組成梯度的(Al) InGaN層，各層都具有梯度銦濃度，使得波導(dǎo)層中與有源區(qū)40相鄰的銦富集區(qū)的銦濃度高于各波導(dǎo)層余下部分中的銦濃度。對(duì)于這種方法，結(jié)構(gòu)中優(yōu)選不具有應(yīng)變弛豫。不希望受到理論的限制，相信當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)波導(dǎo)層中存在提升的銦濃度時(shí)，折射率作為銦濃度的函數(shù)的超級(jí)線性相關(guān)性可改善光限值。特別地，優(yōu)選在與有源區(qū)相鄰的一個(gè)或兩個(gè)波導(dǎo)層的高銦區(qū)中建立提升的銦濃度，以增加有源區(qū)40周圍的光模塊局部化。作為此類光模塊局部化增加的結(jié)果，有源區(qū)40的光限值因子會(huì)增加。在具有梯度銦濃度的給定波導(dǎo)層中，銦富集區(qū)可限定為，例如與有源區(qū)40相鄰的部分波導(dǎo)層，其厚度約為各波導(dǎo)層總厚度的 0.1-75%, 0.1-50%, 0.1-25%, 0.1-10%, 1-25%, 10-25% 或者 20-50%。當(dāng)波導(dǎo)層具有梯度銦濃度時(shí)，一個(gè)或兩個(gè)波導(dǎo)層的銦富集區(qū)的銦濃度可以約為5-50%，約為5-40%，約為5-30%或者約為10_30%。各波導(dǎo)層中余下部分中的銦濃度可以約為0-10%或者約為0-5%，使銦富集區(qū)中的銦濃度高于各波導(dǎo)層中余下部分中的銦濃度。銦富集區(qū)和各波導(dǎo)層余下部分之間的銦濃度差優(yōu)選至少為1%，至少為2%，至少為3%，至少為5%或者至少為10%。如果P-側(cè)波導(dǎo)層70和n-側(cè)波導(dǎo)層60都具有梯度銦濃度，可優(yōu)選使兩個(gè)波導(dǎo)層中的銦富集區(qū)具有大致相同的銦濃度，例如兩個(gè)波導(dǎo)層之間的銦濃度差為±3%、±2%、±1% 或者甚至 ±0.1%。還可優(yōu)選一個(gè)或兩個(gè)波導(dǎo)層具有梯度銦濃度，并且P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度。相信小于n-側(cè)波導(dǎo)層厚度的P-側(cè)波導(dǎo)層厚度可減少透過基于第III族氮化物的激光二極管I的P-側(cè)的光模塊，從而可降低內(nèi)部光損耗。在這些梯度銦濃度的上下文中，應(yīng)理解，波導(dǎo)層可以由超晶格或者包含多層(Al)InGaN層的其他周期性結(jié)構(gòu)形成。因此，關(guān)于梯度銦濃度的具體示例性銦濃度應(yīng)理解為各層的整個(gè)體積中的平均銦濃度。例如，如果波導(dǎo)層是由具有較厚InGaN層和較薄AlInGaN層的InGaN/AlInGaN晶格形成的，則超晶格的平均銦濃度會(huì)接近InGaN層的平均銦濃度而不是AlInGaN層的平均銦濃度。類似地，即使超晶格中的InGaN層和AlInGaN層具有相同厚度，而InGaN層中的平均銦濃度高于AlInGaN層中的平均銦濃度，超晶格的平均銦濃度會(huì)是InGaN層的銦濃度總和與AlInGaN層的銦濃度總和的平均值。通常來說，可以在基材10上形成基于第III族氮化物的激光二極管1，使有源區(qū)、波導(dǎo)層以及包覆層形成多層激光二極管。在此類多層二極管中，波導(dǎo)層引導(dǎo)了有源區(qū)中產(chǎn)生的光子的受激發(fā)射，而包覆層促進(jìn)了發(fā)射的光子傳輸通過波導(dǎo)層?；?0可具有n-型導(dǎo)電性或者P-型導(dǎo)電性。具有與基材10相同導(dǎo)電類型的包覆層比具有與基材10相反導(dǎo)電類型的包覆層更靠近基材放置。在本文所述實(shí)施方式中，基材10優(yōu)選是n-型半導(dǎo)體材料，n-側(cè)包覆層20介于n-側(cè)波導(dǎo)層60和基材10之間，p-側(cè)包覆層30設(shè)置在n-側(cè)包覆層20上。適合作為基材10的材料的例子包括但不限于，自立式第III族氮化物材料，例如GaN、AIN、InN、AlGaN、GaInN或者AlInGaN。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，基材可以是自立式GaN。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，基材可以是半極性取向，例如選自以下取向:2021 2023、2023、3031成3031的自立式GaN。雖然優(yōu)選為n_型基材，但是完全可以
考慮在未示出的實(shí)施方式中使用P-型基材，使P-側(cè)包覆層30介于P-側(cè)波導(dǎo)層70和基材10之間，并且n-側(cè)包覆層20設(shè)置在P-側(cè)包覆層30上方?；诘贗II族氮化物的激光二極管I在圖1A所示的任意兩層之間還可包含附加層或者間隔層(未示出)。作為非限制性例子，可在P-側(cè)波導(dǎo)層70和P-側(cè)包覆層30之間或者在n-側(cè)波導(dǎo)層60和n-側(cè)包覆層20之間插入一層或多層GaN間隔層(未示出)?；诘贗II族氮化物的激光二極管I還可包含接觸層(未示出)和/或互聯(lián)件(未示出)，通過配置成向n-側(cè)包覆層20引入電子的電源(未示出)在n-側(cè)包覆層20和p-側(cè)包覆層30之間建立電連續(xù)性。例如，可以在基材10的與n-側(cè)包覆層20相對(duì)的背面?zhèn)壬闲纬傻谝唤佑|層，并可在P-包覆層30上形成第二接觸層?；蛘?，可以在基材的未被n-側(cè)包覆層20覆蓋的部分上形成第一接觸層?？梢岳缤ㄟ^本領(lǐng)域已知或者待開發(fā)的任意沉積技術(shù)依次沉積基于第III族的氮化物的激光二極管I的層。作為非限制性的例子，可以使用例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)以及金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)等技術(shù)。金屬有機(jī)沉積法可包含前體，例如三甲基鎵、三甲基鋁(TMA)、三甲基銦以及本領(lǐng)域已知的其他化合物。所述層可以在短期內(nèi)是超晶格。考慮前述所有的層和可任選的間隔層，所述基于第III族的氮化物的激光二極管I的總厚度通常在約1-4 y m的范圍內(nèi)。根據(jù)上文所述任意實(shí)施方式，當(dāng)發(fā)射綠光的基于第III族的氮化物的激光二極管包含AlGaN包覆層時(shí)，激光二極管的光損耗水平小于8CHT1。對(duì)于包含GaN包覆層的激光二極管的光損耗水平小于5cm—1。需要注意，本文中所述對(duì)本發(fā)明的成分進(jìn)行“配置”以體現(xiàn)特定的性質(zhì)、或者以特定的方式發(fā)揮功能，是結(jié)構(gòu)性描述，而不是對(duì)預(yù)期的用途進(jìn)行限制。更具體來說，本文所述的對(duì)成分進(jìn)行“配置”的方式表示該成分現(xiàn)有的物理?xiàng)l件，因此可以將其看作該成分的結(jié)構(gòu)特征的限定性描述。僅出于方便的目的，用例如“頂部”和“底部”的術(shù)語描述本文中的器件層。在任意一個(gè)實(shí)施方式的范圍內(nèi)，這些術(shù)語用于表不器件層相對(duì)于結(jié)構(gòu)的順序，其中基材被認(rèn)為是器件的底部。除此之外，術(shù)語“頂部”和“底部”并不旨在表示操作或制造時(shí)器件的任意優(yōu)選的朝向。因此，術(shù)語“上方”表示朝向結(jié)構(gòu)頂部，而術(shù)語“下方”表示朝向結(jié)構(gòu)底部。
應(yīng)當(dāng)指出，以下權(quán)利要求書中的一項(xiàng)或多項(xiàng)權(quán)利要求使用短語“其特征在于”作為過渡語。出于限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，在權(quán)利要求中用該短語作為開放式過渡短語來引出對(duì)一系列結(jié)構(gòu)特征的描述，應(yīng)當(dāng)對(duì)其作出與更常用的開放式引導(dǎo)語“包括/包含”類似的解釋。除非另外定義，本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的同樣含義。本文所用的術(shù)語僅僅用來描述具體的實(shí)施方式，而不是用于限制。如本發(fā)明的說明書以及所附權(quán)利要求書中所用，單數(shù)形式的“一個(gè)”，“一種”和“該”也包括復(fù)數(shù)的指代物，除非文本中有另外的明確表示。除非另有說明，否則本說明書和權(quán)利要求書所用的表示各成分含量、諸如分子量等性質(zhì)、反應(yīng)條件等等的所有數(shù)值應(yīng)理解為在所有情況下均被術(shù)語“約”修飾。因此，除非另有說明，否則，在本說明書和權(quán)利要求書中所述的數(shù)值參數(shù)是近似值，可根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式試圖獲得的所需性質(zhì)而變化。雖然限定本發(fā)明寬泛范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是具體實(shí)施例中列出的數(shù)值是盡可能準(zhǔn)確記錄的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解本文中的任何數(shù)值不可避免地含有測(cè)定值所用的測(cè)量技術(shù)所導(dǎo)致的某些誤差。
權(quán)利要求
1.一種基于第III族氮化物的激光二極管，它包含由n-摻雜的(Al，In)GaN形成的n-側(cè)包覆層、由n-摻雜的(Al) InGaN形成的n_側(cè)波導(dǎo)層、有源區(qū)、由p_摻雜的(Al) InGaN形成的P-側(cè)波導(dǎo)層、以及由P-摻雜的(Al，In)GaN形成的P-側(cè)包覆層，其中: 所述有源區(qū)介于n-側(cè)包覆層與P-側(cè)包覆層之間，并基本上平行于所述n-側(cè)包覆層和P-側(cè)包覆層延伸； 所述有源區(qū)包含一個(gè)或多個(gè)InGaN量子阱，所述InGaN量子阱產(chǎn)生電泵送受激發(fā)射的光子，在510-580nm的激光波長(zhǎng)處產(chǎn)生光增益； 所述n-側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與n-側(cè)包覆層之間； 所述n-側(cè)波導(dǎo)層的n-側(cè)波導(dǎo)層厚度為l-300nm ； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與P-側(cè)包覆層之間； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層的P-側(cè)波導(dǎo)層受體濃度小于3 X IO17Cm-3,并且所述P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于IOOnm ； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度小于n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度； 所述P-側(cè)包覆層包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分與P-側(cè)波導(dǎo)層之間； 所述P-側(cè)包覆層的第一厚度部分的第一部分厚度為20-200nm，并且第一部分受體濃度小于3 X IO17CnT3 ;以及 所述P-側(cè)包覆層的第二厚度部分的第二部分受體濃度大于3X 1017cm_3。`
2.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度為l_50nm。
3.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度為125-300nm。
4.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度以及n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度將總波導(dǎo)厚度限定為150-200nm。
5.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度為l_50nm，并且P-側(cè)波導(dǎo)層的厚度與n-側(cè)波導(dǎo)層的厚度將總波導(dǎo)厚度限定為150_200nm。
6.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于: 所述P-側(cè)波導(dǎo)層和/或n-側(cè)波導(dǎo)層是分別具有梯度銦濃度的組成梯度的(Al) InGaN層； 梯度銦組成分別在各波導(dǎo)層中限定了靠近有源區(qū)的銦富集區(qū)； 銦富集區(qū)的厚度分別是各波導(dǎo)層厚度的0.1-75% ； 銦富集區(qū)的平均銦濃度為5-50% ； 各波導(dǎo)層在銦富集區(qū)之外的余下部分的平均銦濃度為0-10% ； 銦富集區(qū)的平均銦濃度高于各波導(dǎo)層余下部分的平均銦濃度；以及 使得銦富集區(qū)和各波導(dǎo)層余下部分的銦濃度之差至少為3%。
7.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，在具有n-型導(dǎo)電性的基材上形成所述基于第III族氮化物的激光二極管，使n-側(cè)包覆層介于基材和n-側(cè)波導(dǎo)層之間。
8.如權(quán)利要求7所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述基材選自下組:GaN、AlN、InN、GalnN 以及 AlInGaN。
9.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述各個(gè)InGaN量子講介于兩個(gè)AlInGaN量子講障礙之間。
10.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層的受體濃度為I X IO16CnT3至I X IO17Cm'
11.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層和n-側(cè)波導(dǎo)層都是InxGa^N層，其中x為0.04-0.15。
12.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層和n-側(cè)波導(dǎo)層都是InxGa^N層，其中x為0.06-0.11。
13.如權(quán)利要求12所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層中的X小于n-側(cè)波導(dǎo)層中的X。
14.如權(quán)利要求12所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層中的X與n-側(cè)波導(dǎo)層中的X之差不大于0.03。
15.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，它還包含介于有源區(qū)和P-側(cè)波導(dǎo)層之間的AlGaN電子阻擋層，所述電子阻擋層的電子阻擋層受體濃度至少為1018cnT3。
16.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)包覆層是GaN層。
17.如權(quán)利要求1所述的基于`第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述n-側(cè)包覆層是GaN層。
18.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)包覆層和n-側(cè)包覆層都是GaN層。
19.如權(quán)利要求2所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述n-側(cè)波導(dǎo)層是無源多量子阱結(jié)構(gòu)，該無源多量子阱結(jié)構(gòu)包含多個(gè)介于(Al，In)GaN無源量子阱障礙層之間的InGaN無源量子阱芯層，使得無源多量子阱結(jié)構(gòu)的每個(gè)單獨(dú)的無源量子阱配置成間帶傳輸峰值波長(zhǎng)小于激光波長(zhǎng)。
20.如權(quán)利要求19所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的無源量子阱的間帶傳輸波長(zhǎng)小于510nm。
21.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述激光基材是具有半極性朝向的GaN。
22.如權(quán)利要求21所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述半極性朝向是2021。
23.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)包覆層具有鋁組成梯度，使得P-側(cè)包覆層中的鋁濃度隨著離開有源區(qū)的距離增加而增加。
24.如權(quán)利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于: 所述P-側(cè)包覆層具有鋁組成梯度； 0-5%的第一鋁濃度限定P-側(cè)包覆層的第一區(qū)； 高至20%的鋁濃度限定P-側(cè)包覆層的第二區(qū)；所述第一區(qū)從P-側(cè)包覆層與P-側(cè)波導(dǎo)層的界面延伸，并且厚度約為20-200nm ;以及 所述第二區(qū)緊靠所述第一區(qū)上方設(shè)置。
25.如權(quán)利要求24所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層是由P-摻雜的InGaN形成的，所述n_側(cè)波導(dǎo)層是由n_摻雜的InGaN形成的。
26.—種基于第III族氮化物的激光二極管，它包含由n-摻雜的(Al，In)GaN形成的n-側(cè)包覆層、由n-摻雜的(Al) InGaN形成的n_側(cè)波導(dǎo)層、有源區(qū)、由p_摻雜的(Al) InGaN形成的P-側(cè)波導(dǎo)層、以及由P-摻雜的(Al，In)GaN形成的P-側(cè)包覆層，其中: 所述有源區(qū)介于n-側(cè)包覆層與P-側(cè)包覆層之間，并基本上平行于所述n-側(cè)包覆層和P-側(cè)包覆層延伸； 所述有源區(qū)包含一個(gè)或多個(gè)InGaN量子阱，所述InGaN量子阱產(chǎn)生電泵送受激發(fā)射的光子，在510-580nm的激光波長(zhǎng)處產(chǎn)生光增益； 所述n-側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與n-側(cè)包覆層之間； 所述n-側(cè)波導(dǎo)層的n-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度約為3-11% ； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層介于有源區(qū)與P-側(cè)包覆層之間； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層的P-側(cè)波導(dǎo)層受體濃度小于3 X IO17Cm-3,并且所述P-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度約為0-9% ； 所述P-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度小于n-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度； 所述P-側(cè)包覆層包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分與P-側(cè)波導(dǎo)層之間； 所述P-側(cè)包覆層的第一厚度部分的第一部分厚度為20-200nm，并且第一部分受體濃度小于3 X IO17CnT3 ;以及 所述P-側(cè)包覆層的第二厚度部分的第二部分受體濃度大于3X 1017cm_3。
27.如權(quán)利要求26所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于，所述P-側(cè)波導(dǎo)層和n-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度之差大于或等于2%。
28.如權(quán)利要求26所述的基于第III族氮化物的激光二極管，其特征在于: 所述n-側(cè)波導(dǎo)層的n-側(cè)波導(dǎo)層厚度為125-300nm ；以及 所述P-側(cè)波導(dǎo)層的P-側(cè)波導(dǎo)層厚度小于lOOnm。
全文摘要
基于第III族氮化物的激光二極管包含由n-摻雜的(Al,In)GaN形成的n-側(cè)包覆層、由n-摻雜的(Al)InGaN形成的n-側(cè)波導(dǎo)層、有源區(qū)、由p-摻雜的(Al)InGaN形成的p-側(cè)波導(dǎo)層以及由p-摻雜的(Al,In)GaN形成的p-側(cè)包覆層。通過操作n-側(cè)波導(dǎo)層的銦濃度和厚度，使光模塊移離p-型層中的高受體濃度。調(diào)節(jié)p-側(cè)包覆層和p-側(cè)波導(dǎo)層中的摻雜劑和組成分布，以降低光損耗并增加電光轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)H01S5/343GK103119809SQ201180045031
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者R·巴特, D·茲佐夫, C-E·扎 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司