Iii－v氮化物半導體雷射器件的製作方法

2023-05-20 19:32:31

專利名稱：Iii－v氮化物半導體雷射器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化物半導體雷射器件。
2.相關的技術說明SCH(分別約束(confinement)異質結構)是一種在半導體雷射二極體中廣泛應用的結構。在SCH雷射二極體中，注入載體通過在激活層和光波導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層和包覆層之間的接口的折射率階躍被約束在光波導層和激活層。在由III-V氮化物半導體組成的雷射二極體中，III-V氮化物由式(AlxGa1-x)1-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)來表示，採用SCH，並且，雷射二極體由普通的半導體組成。然而，在III-V氮化物半導體雷射二極體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摩爾份數的高質量AlxGa1-x外延層是困難的。因此，III-V氮化物半導體雷射器件的閾值電流密度和FFP(遠場圖形)比由普通半導體組成的雷射二極體的更低，原因是其不良的光學約束。
如

圖1所示，普通的III-V氮化物半導體雷射二極體具有在單晶藍寶石的基片1上外延生長的多層結構。
外延層的組成是在低溫下生長的GaN或AlN緩衝層2，n型GaN基層3，n型AlGaN包覆層4，n側(side)GaN光波導(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(side)GaN光波導層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。為了獲得高質量的和平滑的單晶層，緩衝層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氮化物半導體雷射二極體的光約束通過(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。
對於所使用的方案(1)，這種情況是具有比GaN更小的晶格常數的AlGaN的包覆層4被形成在GaN的基層3上，拉伸應力產生在包覆層4的內部。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雷射二極體的發射特性。
生長在基層3和包覆層4之間的應變鬆弛層(未示出)使晶格的不匹配鬆弛。採用應變鬆弛層，可減少包覆層4中的裂紋，並且能獲得更厚的包覆層4。例如，應變鬆弛層由InGaN作成，厚度大約是0.1-0.2μm。然而，用於鬆弛晶格不匹配的形變能量作為一種應變而儲存在應變鬆弛層中，明顯地降低了應變鬆弛層的晶體質量。此外，儲存在應變鬆弛層的應變產生新的位錯，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)的不利之處還在於增加了包覆層4的生長時間以及增加了其厚度，這樣，就增加了生產成本。
根據方案(2)，包覆層4的折射率通過增加包覆層4中Al的摩爾份數能被降低。當該Al摩爾份數增加時，AlGaN的晶格常數降低。結果是，更大的拉伸應力作用在包覆層4上，在包覆層4中產生裂紋。
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就能增加相當的折射率。具有高折射率的光波導層5能改善光約束，而不增加包覆層4的厚度。
當InGaN通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)來生長時，幾乎是V型斷面的坑(pits)出現在該表面上。這些坑從下層中的位錯開始產生，並與所生長的InGaN的厚度成比例地生長。為了改善激活層6的光約束，該光波導層5應當具有一定厚度。因此，在光波導層5的表面上出現很大的坑。即使生長在具有大坑的光波導層5之上的激活層6具有扁平表面，但在波導區域內被引導的光也包括激活層6，光波導層5和光波導層7通過大坑散射。這樣，大坑的出現引起雷射特性的惡化。換言之，當光波導層採用InGaN來增加光波導層的折射率時，它也增加了散射損失，這樣導致閾值電流密度的增加。
發明的目的和概述因此，本發明的目的是提供一種半導體雷射器件，它具有優良的發射特性，而不會增加生產成本。
根據本發明，氮化物半導體雷射器件是一種III-V氮化物半導體雷射器件，它包括n側AlGaN包覆層；n側波導層(guide layer)；激活層；p側波導層；和p側AlGaN包覆層，p側波導層的折射率大於n側波導層的折射率。
下面參考圖1進行描述。一種AlN、GaN或類似的低溫緩衝層2生長在一個藍寶石基片1上，n側(side)GaN基層3摻雜了Si或類似物，具有導電性，該n側(side)GaN基層3生長在緩衝層2上，生長厚度大約為4-6μm。在基層3上依次生長n側AlxGa1-xN包覆層4和n側GaN波導層5，n側AlxGa1-xN包覆層4的Al摩爾份數x＝0.06和厚度為0.6μm。然後，在光波導層5上生長MQW激活層6作為發射層，該激活層6具有五層Iny1Ga1-y1N(y1＝0.08，30埃)/Iny2Ga1-y2N(y2＝0.01，60埃)。隨後，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InyGa1-yN光波導層8，摻雜了鎂成P型；p側AlxGa1-xN包覆層9，其厚度為0.4μm並且Al摩爾份數x＝0.06，以及P側接觸層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側接觸層10和n側GaN基層3上。
因為在本實施例的半導體雷射器件中的n側光波導層由GaN形成，在其生長之後，在n側光波導層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。由於p側光波導層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。由於p側光波導層8用鎂摻雜作為一種p側摻雜劑，故增加散射損失的坑將不會出現，這是有利的。
由InyGa1-yN形成的p側光波導層8折射率的大小可以通過調整In摩爾份數y來控制。這就是說，光約束狀態能被控制。增加在p側光波導層8中的In摩爾份數y能增加p側光波導層8的折射率。最好是，當設定改善雷射器件的發射特性時，由InyGa1-yN形成的p側光波導層8應當具有0.05μm或更大的厚度，In摩爾份數y為0.005或更大。
下面討論本發明的半導體雷射器件和比較例的發射特性的模擬結果。
圖2表示當n側光波導層5和p側光波導層8的厚度設定為0.2μm時，激活層5的光約束因素(optical confinement factor)P與p側光波導層8的In摩爾份數y的相互關係，當In摩爾份數y變化而改變p側InyGa1-yN光波導層8的折射率時，就獲得激活層內的光約束因素P。
隨In摩爾份數y增加，光約束因素P在y＝0.015附近上升得特別快，然後緩慢地下降。這就是說，在n側光波導層5和p側光波導層8的厚度都是0.2μm的情況下，當In摩爾份數y大於0.015時，獲得良好的光約束。
如圖3-6所示，n側光波導層5和p側光波導層8的厚度都設定為0.2μm，In摩爾份數y從0(比較例)到0.010和＝0.015(或在本發明中更大)變化，以改變p側InyGa1-yN光波導層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，構成器件的各層的折射率採用與圖1中所示的各層相同的標號來表示。
當In摩爾份數y等於0，如在比較例中，即，當p側光波導層8由GaN形成，相同的材料用於n側光波導層5時，p側光波導層8的折射率與n側光波導層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，並且在激活層6附近，包括n側光波導層5和p側光波導層8在內，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y是0.010時，即，即使當p側光波導層8的折射率略高於n側光波導層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y等於0的情況相比已經改善。
而且，如圖5所示，根據本發明，當In摩爾份數y是0.015時，即，當p側光波導層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，這個區域包括n側光波導層5和p側光波導層8，發射出現在激活層6上，在器件內部的波導光很好地被約束在激活層6附近。然後，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，作為器件的發射特性，這是非常期望的。
上面的情況是n側光波導層5和p側光波導層8的厚度都被設定為0.2μm。接著，光場漏進基層3，遠場圖形的光場分布隨p側InyGa1-yN光波導層8的In摩爾份數y和厚度變化而獲得。注意n側光波導層5由GaN形成，n側光波導層5和p側光波導層8的厚度相同。這就是說，當p側光波導層8的厚度是0.1μm時，n側光波導層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洩漏，並提供一種單峰遠場圖形，這樣保證最佳的期望發射特性。已經發現該曲線17滿足關係式yt＝0.003，其中，y為In摩爾份數和t為p側光波導層的厚度(μm)。再來看圖2，當In摩爾份數y比在曲線17的情況更低時，發射特性急烈地變得很差，同時，即使當In摩爾份數y移到比在曲線17的情況更高時，發射特性也不會下降很多。這就是說，由曲線17分開的區域上部即區域A，包括曲線17，提供了一種期望的單峰遠場圖形，在區域A中，膜的厚度大，In摩爾份數y大。
如圖8所示，在光波導層5和激活層6之間可以設置一個大約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，在生長之後的InGaN層的表面上出現坑，如上所述。已經知道坑從下面的InGaN層的位錯部分開始形成。當n側包覆層4和n側光波導層5都生長在有位錯的基層3上時，在光波導層5上進一步形成厚度大約500埃或更小的InGaN中間層13，如圖8所示，在中間層13的表面上出現細坑。由於激活層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，並散射波導光。
圖6中的虛線曲線17′表示當設有中間層13時滿足曲線17的相同條件(即改善發射特性的邊界條件)的關係。與沒有設置InGaN中間層13的情況相比，假定光波導層8的厚度不變，但減少摩爾份數。
還可以確認一種具有優良遠場圖形的雷射器件能用在即使雷射結構是提供在一種由比如ELO(外延橫向過生長)的技術製備的厚基上的情況，ELO在n側GaN基層3內部形成一種SiO2或類似的掩模層14，並加快在橫向的GaN生長，以減少在掩模之上的半導體層中的位錯密度。
由於本發明能提高一種半導體雷射器件，該器件展示了優良的發射特性，而不會增加器件的組成層的厚度，因而不會增加生產成本。
權利要求
1.一種III-V氮化物半導體雷射器件，包括n側AlGaN包覆層；n側波導層；激活層；p側波導層；和p側AlGaN包覆層，其中，p側波導層的折射率比所述n側波導層的折射率更大。
2.根據權利要求1所述的III-V氮化物半導體雷射器件，其中，所述的p側波導層由InyGa1-yN(0＜y≤1)形成。
3.根據權利要求2所述的III-V氮化物半導體雷射器件，其中，所述的p側波導層的厚度為0.05μm或更大。
4.根據權利要求2所述的III-V氮化物半導體雷射器件，其中，所述的p側波導層由InyGa1-yN形成，y是0.005或更大。
5.根據權利要求2所述的III-V氮化物半導體雷射器件，其中，所述的n側波導層由GaN形成。
6.根據權利要求5所述的III-V氮化物半導體雷射器件，進一步包括在所述n側波導層和所述激活層之間的InGaN中間層。
7.根據權利要求6所述的III-V氮化物半導體雷射器件，其中，所述中間層的厚度為500埃或更小。
全文摘要
一種III－V氮化物半導體雷射器件,包括:n側AlGaN包覆層;n側波導層;激活層;p側波導層;和p側AlGaN包覆層,其中,p側波導層的折射率比所述n側波導層的折射率更大。這種III－V氮化物半導體雷射器件具有優良的發射特性,而不會增加生產成本。
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 優先權日2000年9月19日
發明者園部雅之, 木村義則, 渡邊溫 申請人:羅姆股份有限公司, 先鋒株式會社