AIN襯底上的GaN雷射器及其製造方法

2024-03-23 09:10:05 1

專利名稱：AIN襯底上的GaN雷射器及其製造方法
A1N襯底上的GaN雷射器及其製造方法
相關專利申請的交叉參考 本申請要求2007年5月31日申請的美國臨時申請60/932,450和2007年8 月15日申請的美國申請11/893,188的權益。
背景技術：
本發明涉及Ga(In)N半導體雷射器以及，更具體地，上述半導體雷射器的 設計和製造。
發明概要
具有由GaN和/或GalnN組成的有源波導區的半導##光器覆蓋從UV至 紅光的光激寸，且此處全部稱為Ga(In)N基半導體雷射器。本發明人已經認識 到，雖然405nmGa(In)N基半導j繊光器已經商業化，但是有持續的驅動力來發 展商^Lh可行的藍光和綠光Ga(In)N基半導##光器。因此，雖然本發明的概 念不局限於藍光和綠光光發射的字面含義，本發明的一個目的是提供雷射器的 設計和製造步驟，以改善商業上可行的藍光和綠光Ga(In)N基半導體雷射器的 前景。
GaN基半導體雷射器經常採用氮化鋁鎵(AlGaN)覆層，但是AlGaN和 GaN之間的折射率反差相對較小，特別是在藍力綠光的光學範圍中。因此，本 發明人已經認識到，需要在AlGaN中有相對高的Al含量以增加折射率反差並 改善雷射器的操作。本發明人也認識到，在半導^^光器結構中的AlGaN層的 Al含量和/或層的厚度有應用限制，因為這些層經常處於拉伸應變中，其可導致 破裂或其他結構缺陷。
根據本發明，提出了 GaN雷射器結構及其相關製造方法，其中，Ga(In)N 基半導體雷射器結構以避免半導體結構中不適當的拉伸應力所需要的方式形成 在AlN或GaN襯底上。根據本發明的一個實施例，Ga(In)N基半導^m光器提 供在具有AlGaN晶格調整層的AIN或GaN襯底上，其中雷射器的襯底、晶格 調整層、下覆區、有源波導區、上覆區以及N和P型接觸區在半導體雷射器中 形成一結構連續體(compositional continuum )。根據本發明的另一實施例，在晶格調整層中的平均M含量或者為(i)基本 上等於上和下覆區的A1含量；或者為(ii)充分大於上和下覆區的Al含量以保 證當形成在晶格調整層上時上和下覆區呈壓縮或未拉伸的狀態；或者為(iii)小 於上和下覆區的Al含量以使當形成在晶格調整層上時上和下覆區呈拉伸的狀 態，但僅達到使拉伸狀態中導致的應變不超過上和下覆區的麟閾值的含量。
公開了另外的實施例，包括製造根據本發明的半導體雷射器的方法，且通 過下面的關於本發明和所附權利要求的詳細描述而理解。
附圖簡述
當與附圖相結合時，可以對本發明特定實施例的下面詳細描述作最佳的理 解，其中相同的結構用相同的標號來表示，且其中


圖1是根據本發明的多個實施例的適當的半導體雷射器設計的總體示意性 示例。
具體實施例方式
先參考圖1，需要注意的是，雖然本發明的捐M:可運用於多種半導體雷射器， 包括例如，邊緣^M分布的布拉格反射式(DBR)雷射器和垂直腔面發射雷射 器(VCSEL),但是本發明的各種概念可通過參考配置作為邊緣-Mf雷射二極 管的半導##光器10來示例。通常，半導體雷射器10包括襯底20、晶格調整 層30、在上覆區50和下覆區60之間插入的有源波導區40、 N型接觸區70和P 型接觸區80，它們的每一個都在下面作出了進一步詳細描述。正如熟悉半導體 雷射器的設計的人員所明白的，邊緣-^M雷射二極體採用上和下覆區50、 60 來引導相干刻寸光朝向雷射器疊層的一側i^彖。相反地，VCSEL是一種半導體 雷射二極體，其中雷射束從雷射器疊層的頂表面發射且採用上和下布拉格反射 器代替或結合逝彖-^M雷射二極體的上和下覆區。邊緣-皿和VCSEL結構的 特定的元件結合到一般雷射器發光的方法的更詳細的操作描述可從本學科現有 的可獲得的文獻中得到。
在示例實施例中，襯底20包括A]N或GaN，並且晶格調整層30包括形成 在襯底20上方的AlGaN。雖然晶格調整層30可以非導電，但是在一些實施例 中預期AlGaN晶格調整層30的至少一部分可包括導電性摻雜的AlGaN。典型 地，襯底20和晶格調整層30包括基本上純的，艮P，至少大約99%純的、單晶 A1N、 GaN或AlGaN。雖然晶格調整層30，其也可容易地得到95%或更高的純200880017940.4
需要注
意的是，AlGaN層可通過先生長A1N或GaN然後梯度地得到AlGaN所需組成 的方式生長在AlN或GaN襯底上。這種方式的生長是持續的，直到達到所需的 厚度。優選地，該厚度應足夠保證AlGaN晶格調整層30的完全或幾乎完全的 放鬆。可選地，包括AlGaN的所需組成的晶格調整層30可直接生長在A1N或 GaN襯底20上，但是可以預見，直接生長可生長出在其表面附近有高密度位錯 的晶格調整層30。
為完成半導體雷射器10的製造，下覆區60形成在晶格調整層30上方且包 括導電性摻雜的AlGaN。有源波導區40形成在下覆區60上方且包括一構造為 用於雷射^M的Ga(In)N基量子阱結構。上覆區50形成在有源波導區40上方 且包括導電性摻雜的AlGaN。 N和P型接觸區橫跨有源波導區而導電性地耦合 且包括GaN或AlGaN。如上面指出的，本發明人已經認識到與A1N或GaN襯 底上的Ga(In)N半導體雷射器結構的製造有關的許多重要設計。特別地，在 Ga(In)N半導##光器結構中AlGaN層的Al含量和/或層厚度有H頓限制，因 為這些層經常處於拉伸應力下，其可導致破裂或其它結構缺陷。通過提供分別 具有適應於消除或顯著降低IM形成的各自的Al含量的半導體雷射器結構，這 些挑戰可至少部分地解決。
例如，需要相對高Al含量的AlGaN覆層，例如10Q%-20%A1，以得到在綠 光波長範圍內的高指數對比波導，本發明人已經認識到了在AlGaN晶格調整層 30以及上和下覆層50、 60中選擇優化的Al含量的優勢貢獻。特別地，當AlGaN 用於製造A1N或GaN襯底上的Ga(In)N基半導體雷射器時，結構中的特定層的 晶格常數將反比於其中的Al含量。具剤氐的Al含量的層將具有大的晶格常數 且將趨向於在具有高Al含量的結構中減小任何其它關聯層的拉伸應力。因此， 在本發明的特定實施例中，M:提供一具有Al含量高於關聯覆層的Al含量的 AlGaN晶格調整層，Ga(In)N基半導體雷射器生長在A1N或GaN襯底上。這樣， 通過保證半導體結構為未拉伸或在壓縮中，可以防止隨後形成在晶格調整層30 上的層的破裂，因為未拉伸的層或處於壓縮的層比處於拉伸應力的層更不易受 影響而 。可選地，如果可預期艦樹共一具有Al含量稍微低於關麟層的 Al含量的AlGaN晶格調整層，Ga(In)N基半導1 光器可生長在A1N或GaN 襯底上，倘若導致的拉伸應力足夠小以避免破裂。更特別地，分別地，晶格調整層30的Al含量可表示為AlwGai,N，下覆區 60的Al含量可表示為AlvGaLvN，上覆區50的Al含量可表示為AluGai.uN，其 中，v〈l且u〈1。在這個參考系中，u、 v和w的各值可建立或控制以使在晶格 調整層30中的A1含量為(i)充分大於上和下覆區50、 60的A1含量以保證當 形成在晶格調整層30上時上和下覆區50、 60呈壓縮或未拉伸的狀態，或(ii) 小於上和下覆區50、 60的Al含量以使當形成在晶格調整層30上時上和下覆區 50、 60呈拉伸的狀態，但僅達到使拉伸狀態中導致的應變不超iii:和下覆區50、 60的破裂閾值的含量。通常，Al含量至少部分地由雷射的運行波長在Ga(In)N 和AlGaN之間的所需指數對比來指示。例如，在本發明的特定實施例中需要相 對高的指數對比，本發明人已經認識到，對於形成在A1N或GaN襯底上的 Ga(In)N基半導術敫光器，u、 v和w的各值大於或約等於0.08 。另外，j雄保 證滿足一個或兩個下面的u、 v和w各值w〉v-0.06且w〉u-0.06。
晶格調整層30的厚度應{，足以保證其在形成於襯底20上之後晶格處於 放鬆的狀態，艮口，在約1,的量級上。例如，且非限制地，預期魏的半導體 雷射器可通過JOT—個厚的MGaN緩衝層支撐無破裂的AlxGai.xN/GaN DBR的 生長而製作在AlN襯底上以用於Ga(In)N VSCELs的製造。雖然示例的實施例 示出晶格調整層30直接形成在A1N襯底20上，也可預期在襯底和晶格調整層 30之間可掛共一個或更多個插入層，在此瞎況下，晶格調整層30將僅形j^E A1N襯底20的"上方，。同樣地，雖然下覆區60直接形成在晶格調整層30上， 也可預期在晶格調整層30和下覆層60之間可提供一個或更多個插入層，在此 情況下，下覆層60將僅形成在晶格調整層30的"上方'。同樣的描述可用於表 匕處描述的其他層或區域為僅形鵬相關層或區域盼'上方'。
襯底20、晶格調整層30、下覆區60、有源波導區40、上覆區50以及N和 P型接觸區70、 80在半導術敫光器中形成這裡所定義的"結構連續體'。更特別 地，為了描述和定義本發明，應指出，當結構中的的一層中的至少一種成分可 在結構中下一個餘誠的層中找到時，結構中的一鄉腺形成'結構連續體'。"雙成 分結構連續#" (dual component compositional continuum)出現在當結構中的的 一層中的兩種或更多的成分可在結構中下一個敘述的層中找到時。重點放在結 構中"敘述"(recited)的層，如這裡所定義的，因為可以預見"結構連續體'，無 需應用於不是形成結構連續體的該組層的一部分的層。例如，參考圖l，其中襯底20、晶格調整層30、下覆區60、有源波導區40、上覆區50以及N和P型接 觸區70、 80形成結構連續體，可以預見半導體雷射器可包括樹可類型的、不滿 足結構連續斜牛的插入層。
在本發明的特定實施例中，襯底20、晶格調整層30、下覆區60、有源波導 區40、上覆區50以及N和P型接觸區70、 80形成包括選自Al、 Ga和N的成 分的雙成分結構連續體。更特別地，結構連續體從在A1N或GaN襯底20和 AlGaN晶格調整層30的界面處的Al基或Ga基連續轉變到在AlGaN晶格調整 層30和AlGaN下覆區60的界面處的Al和Ga雙成分結構連續體、到在AlGaN 下覆區60和Ga(In)N基有源波導區40的界面處的Ga基連續。另外，在前面提 及的結構連續體進一步包括,Ga(In)N基有源波導區40和AlGaN上覆區50 的Ga基連續。
雖然本發明的概念通常並不限於特定的有源波導區結構，為了示例， 一合 適的有源波導區結構在圖]的附加細節中展現。例如，但非限制性地，有源波 導區40可包括在相對的波導層44、 46和電子阻擋層48之間插入的量子阱增益 區42。量子阱增益區42可包括構造成一個或更多量子阱層、 一個或更多多量子 點層、或它們的結合的且可構造為對寸波長低於550nm的光的一個或更多量子 阱。根據本發明的一個實施例，量子阱增益區42包括GaN/GalnN、 GalnN/GalnN 或AlGaN/GalnN多量子阱或量子點且相對的波導層包括具有相對的N型和P型 導電的GaN或GalnN。也可預期，該量子阱增益區可包括具有比相關屏障層更 高能級的銦的GalnN/GalnN。進一步可預期，AlGalnN可^S地用於量子阱增 益區42和相關波導層44、 46。優選地，量子阱增益區包括Gai.yInyN或 AlxGai.x.yInyN，其中x至少近似於O，且y至少近似於0.05。進一步，電子阻擋 層48包括P型AlGaN。可預肌另外的有源波導區結構也將適合於根據本發明 的教導的變形。
同樣地，雖然本發明的概念通常並不限於特定的覆層和接觸區結構，可預 期形成在有源波導區40上方的上覆區50可包括P型AlGaN/GaN超晶OT層， 而下覆區60包括N型AlGaN。 N型撤蟲區70在圖1中大體示出且可通過N型 下覆區60和在下覆區60界面上的導電接觸72以圖1中示出的方式形成。另外， 可預期下波導層44的全部或部分以及任何相關屏障層或阱也可進行N型摻雜以 形成下接觸區70。同樣地，P型接觸區80在圖1中大體示出且可包括形成在上
9覆區50上方的P型GaN層82和在該P型GaN層界面上的導電接觸84。
進一步，雖然本發明的概念在此描述為主要參考電泵浦雷射器結構，可預 期，本發明的各種優點也可運用於光泵浦雷射器，在此情況下，上和下覆區50、 60將無需是導電性摻雜的。
注意，此處提到Ga(In)N基有源波導區或Ga(In)N基半導j繊光器，應寬泛 地理解為涵蓋任何半導體雷射器，其中半導體雷射器的有源波導區包括至少部 分由GaN或GalnN形成的量子阱結構。
另外，此艦於本發明的組件以特定的方式"構造或包括特定特性或功能 的敘述是結構性的敘述，與預期用途敘述相對。例如，此處對於Ga(In)N雷射 器"構造'為VCSEL或DBR邊緣-劍寸雷射器表示雷射器的現有物理條件，同樣 地，視為雷射器的結構特徵的明確敘述。
注意，在此〗頓時，術語'1雄地"、"一般地"和"代表性地'，不用於限制要 求保護的發明範圍或意味某^f寺徵對於要求保護的發明結構或功能是關鍵的、 基本的或至關重要的。相反，這些術語僅用於確定本發明一實施例的特定方面 或強調可或不可用於本發明特定實施例的可替換或附加的特徵。
為了描述和定義本發明，值得注意的是術語"基本上"和"近似於"在此處用於 表示可導致任何數量比較關係、值、度量或其它表徵的不確定的固有程度。術 語"基本上"和"近似於"在此處也用於表示可從固定參考變化但不導致所討論主 題的基本功能變化。
應理解，本發明前述的詳細描述意為提供一總體看法或框架以理解如要求
的本發明的本質和特點。熟悉本領域的人員將明白，在不脫離本發明的精神和 範圍的情況下，可作出各種修正和變形。艮卩，本發明涵蓋了該些修正和變形， 只要它們在所附權利要求或其等同物的範圍內。例如，雖然本發明的一些方面 在此處確定為優選的或特定的優點，可預期本發明無需限制為本發明的這^j尤 選方面。
權利要求
1、一種半導體雷射器的製造方法，該半導體雷射器包括襯底、晶格調整層、在上覆區和下覆區之間插入的有源波導區、N型接觸區和P型接觸區，其中該方法包括提供包括AlN或GaN的襯底；在襯底上方形成包括AlwGa1-wN的晶格調整層，其中w＜1；在晶格調整層上方形成包括AlvGa1-vN的下覆區，其中v＜1；在下覆區上方形成Ga(In)N基有源波導區且配置Ga(In)N基有源波導區以發射雷射；在有源波導區上方形成包括AluGa1-uN的上覆區，其中u＜1；越過有源波導區使包括GaN或AlGaN的N和P型接觸區導電性耦合；以及控制鋁含量係數u、v和w以使在晶格調整層中的Al含量為(i)充分大於上覆區和下覆區中的Al含量以保證當形成在晶格調整層上方時上覆區和下覆區呈壓縮或未應變的狀態，或(ii)小於上覆區和下覆區的Al含量以使當形成在晶格調整層上方時上覆區和下覆區呈拉伸的狀態，但其拉伸的程度僅使得拉伸狀態中導致的應變不超過上覆區和下覆區的破裂閾值。
2、 如權利要求1戶，的半導##光器的製造方法，其中u、 v和w的各值 大於或近似等於0.08。
3、 如權利要求1戶脫的半導^繊光器的帝隨方法，其中u、 v和w的^f直 為^v>v-0.06且^v〉u-0.06。
4、 如權利要求1所述的半導體雷射器的製造方法，其中晶格調整層中的 Al含量充分大於上覆區和下覆區的Al含量以保證當形成在晶格調整層上方時 上覆區和下覆區呈壓縮或未應變的狀態。
5、 如權利要求1戶脫的半導術敫光器的希隨方法，其中晶格調整層中的 Al含量小於上覆區和下覆區的Al含量以使當形成在晶格調整層上方時上覆區 和下覆區呈拉伸的狀態，但其拉伸的程度僅使得拉伸狀態中導致的應變不超過 上覆區和下覆區的破裂閾值。
6、 如權利要求1戶皿的半導##光器的製造方法，其中有源波導區包括插入在相對的波導層之間的量子阱增益區。
7、 如權禾腰求6戶脫的半導術敫光器的製造方法，其中量子阱增益區包括GaLylnyN或A^Ga^.ylnyN，其中x為至少近似於0，且y為至少近似於0.05 。
8、 如權利要求6戶脫的半導f機光器的製造方法，其中量子阱增益區包括 GalnN，且相對的波導層包括具有相對的N型和P型導電性的GaN或GalnN。
9、 如權利要求6所述的半導體雷射器的製造方法，其中量子阱增益區配置 成魁t波長長於440nm的雷射。
10、 如權利要求6所述的半導體雷射器的製造方法，其中量子阱增益區配 置成劃寸波長在光譜的綠光和藍光部分中的雷射。
11、 如權禾腰求1戶脫的半導術敫光器的製造方法，其中襯底、晶格調整 層、下覆區、有源波導區、上覆區以及N和P型接觸區在半導術敫光器中形成 一結構連續體。
12、 如權利要求1所述的半導體雷射器的製造方法，其中形成結構連續體 的成分選自Al和Ga。
13、 如權禾腰求1所述的半導體雷射器的帝隨方法，其中結構連續體從在 襯底和晶格調整層的界面處的Al基或Ga基連續體轉變至贓晶格調整層和下覆 區的界面處的Al和Ga雙成分結構連續體，再到在下覆區和有源波導區的界面 處的Ga基連續體。
14、 如權利要求13戶皿的半導術敫光器的製造方法，其中結構連續體進一 步包括 有源波導區和上覆區的Ga基連續體。
15、 如權利要求1所述的半導體雷射器的製造方法，其中AlGaN晶格調整 層是非導電的，或AlGaN晶格調整層的至少一部分包括導電性摻雜的AlGaN。
16、 如權利要求1所述的半導體雷射器的製造方法，其中晶格調整層直接 形成在A1N或GaN襯底上，且下覆區直接形成在晶格調整層上。
17、 如權利要求1所述的半導體雷射器的製造方法，其中A1N或GaN襯底 是基本上純的單晶A1N或GaN襯底，且晶格調整層是基本上純的單晶AlGaN。
18、 一種半導體雷射器的製造方法，該半導體雷射器包括襯底、晶格調整 層、在上覆區和下覆區之間插入的有源波導區、N型接觸區和P型接觸區，其 中該方法包括提供包括A1N或GaN的襯底；在襯底上方形成包括AlwGai.wN的晶格調整層，其中W<1; 在晶格調整層上方形成包括AlvGai.vN的下覆區，其中V<1; 在下覆區上方形成Ga(In)N基有源波導區且配置Ga(In)N基有源波導區以發 射雷射；在有源波導區上方形成包括MuGa,.uN的上覆區，其中u<l; 越過有源波導區使包括GaN或AlGaN的N和P型接觸區導電性耦合；以及控制鋁含量係數u、 v和w以使u、 v和w的各€^於或約等於0.08，且使 w〉v-0.06且w〉u-0.06。
19、 一種半導##光器，包括襯底、晶格調^層、在上覆區和下覆區之間 插入的Ga(In)N基有源波導區、N型接觸區和P型接觸區，其中襯底包括細或GaN; 晶格調整層形成在襯底上方且包括AlGaN; 下覆區形成在晶格調整層上方且包括AlGaN; 有源波導區形成在下覆區上方且配置成^M雷射；N和P型接觸區越過有源波導區導電性i僻禹合且包括GaN或AlGaN;並且晶格調整層的Al含量可表達為AlwGai,N，其中w〈；下覆區的Al含量可皿為AlvGai_vN，其中v〈；並且v和w的各值使得在晶格調整層中的Al含量為(i)充分大於下覆區中的 Al含量以i呆證當形成在晶格調整層上時下覆區呈壓縮或未應'變的狀態，或(ii) 小於下覆區的Al含量以使當形成在晶格調整層上時下覆區呈拉伸的狀態，但其 拉伸的禾體僅使得拉伸狀態中導致的應變不超過下覆區的破裂閾值。
20、 如權利要求19戶脫的半導體雷射器，其中 上覆區形成在有源波導區上方且包括導電性摻雜的AlGaN; 上覆區的Al含量可表達為AluGai.uN，其中iKl;以及ii和w的各〗直使得在晶格調整層中的Al含量為(i)充分大於上覆區中的 Al含量以保證當形成在晶格調整層上時上覆區呈壓縮或未應變的狀態，或(ii) 小於上覆區的Al含量以使當形成在晶格調整層上時上覆區呈拉伸的狀態，但其 拉伸的禾號僅使得拉伸狀態中導致的應變不超處覆區的破裂閾值。
全文摘要
提出了一種Ga(In)N基雷射器結構及其相關製造方法，其中Ga(In)N基半導體雷射器以避免半導體結構中不適當的拉伸應力所需要的方式形成在AlN或GaN襯底(20)上。根據本發明的一個實施例，Ga(In)N基半導體雷射器提供在具有AlGaN晶格調整層(30)的AlN或GaN襯底上，其中雷射器的襯底(20)、晶格調整層(30)、下覆區(60)、有源波導區(40)、上覆區(50)以及N和P型接觸區(70，60)在半導體雷射器中形成一結構連續。公開並要求保護了另外的實施例。
文檔編號H01S5/323GK101689749SQ200880017940
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月28日 優先權日2007年5月31日
發明者C-E·扎, D·茲佐夫, J·內皮爾拉, R·巴特 申請人:康寧股份有限公司