[發(fā)明專利]III－V氮化物半導(dǎo)體激光器件

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01141826.5
• 申請日: 2001-09-19
• 公開（公告）號: CN1347178A
• 公開（公告）日: 2002-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 園部雅之;木村義則;渡邊溫
• 申請（專利權(quán)）人: 羅姆股份有限公司;先鋒株式會(huì)社
• 主分類號: H01S5/323
• 分類號: H01S5/323
• 代理公司: 永新專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 蹇煒

發(fā)明的背景

1.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(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN(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?yàn)闉榱斯饧s而獲得束具有充足厚度和Al摩爾份數(shù)的高質(zhì)量Al_xGa_1-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(yuǎn)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(lán)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(lán)寶石基片1上。基層3被生長作為n電極的接觸層，因?yàn)樗{(lán)寶石基片1是一個(gè)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(dāng)包覆層4的厚度變得大時(shí)，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(chǔ)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(chǔ)存在應(yīng)變松弛層的應(yīng)變產(chǎn)生新的位錯(cuò)，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(shí)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(dāng)該Al摩爾份數(shù)增加時(shí)，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(huì)降低包覆層4的折射率。例如，即使微量的In就能增加相當(dāng)?shù)恼凵渎省＞哂懈哒凵渎实墓獠▽?dǎo)層5能改善光約束，而不增加包覆層4的厚度。

當(dāng)InGaN通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來生長時(shí)，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(cuò)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(dāng)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(dāng)光波導(dǎo)層采用InGaN來增加光波導(dǎo)層的折射率時(shí)，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(huì)增加生產(chǎn)成本。