專利名稱：GaN邊緣發(fā)射激光器中增強(qiáng)的平面性的制作方法
GaN邊緣發(fā)射激光器中增強(qiáng)的平面性要求在先提交的美國申請的權(quán)益本申請要求2010年5月28日提交的美國申請系列第12/789，956號的權(quán)益。此文件的內(nèi)容以及本文提到的出版物、專利和專利文件的所有內(nèi)容都通過參考結(jié)合入本文中。背景本發(fā)明涉及GaN邊緣發(fā)射激光器，更具體地涉及提高這種激光器的平面性的方案。發(fā)明簡述本發(fā)明人認(rèn)識到，在半極性GaN襯底上生長的長波長發(fā)光器件能夠表現(xiàn)出提高的 輻射效率。例如，高效綠光激光二極管可在半極性2〔行1 GaN襯底上生長，即使在高In組成的情況下也能得到均勻的GaInN量子講。本發(fā)明人還認(rèn)識到，在這種器件中，在GaN襯底上生長的異質(zhì)外延GaInN和AlGaInN層在許多情況下難以保持平面性。更具體地說，對于許多在半極性GaN襯底上生長的長波長發(fā)光器件，一些層，特別是在低溫下生長并包含In的那些層，發(fā)生小面化和起伏。這些起伏會產(chǎn)生厚度不均勻且/或In含量不均勻的非平面量子阱。所得到的激光器結(jié)構(gòu)的非平面性會變得很高，特別是波導(dǎo)層和包覆層的非平面性會引起過度的光損耗。在量子阱中，厚度的不均勻和銦含量的變化會減小增益，并使發(fā)射光譜變寬。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，本發(fā)明提供了 GaN邊緣發(fā)射激光器，所述激光器包含半極性GaN襯底、有源區(qū)、N側(cè)波導(dǎo)層、P側(cè)波導(dǎo)層、N型包覆層和P型包覆層。GaN襯底限定了20f I晶體生長面和滑移面。N側(cè)和P側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN或GalnN/GalnN超晶格(SL)波導(dǎo)層。N側(cè)和P側(cè)SL波導(dǎo)層的超晶格層限定了針對波導(dǎo)平面性進(jìn)行優(yōu)化的相應(yīng)層厚度，所述層厚度在約Inm與約5nm之間。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，可以通過確保N偵_ P側(cè)GaN基波導(dǎo)層以超過約O. 09nm/s的生長速率生長來促進(jìn)平面化，而不管N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層被設(shè)置為GalnN/GaN或GalnN/GalnN SL波導(dǎo)層還是本體(bulk)波導(dǎo)層。在其他一些實施方式中，可通過選擇最佳SL層厚度和生長速率來促進(jìn)平面化。


當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀下面對本發(fā)明的具體實施方式
的詳細(xì)描述時，可對其形成最好的理解，附圖中相同的結(jié)構(gòu)用相同的編號表示，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的GaN邊緣發(fā)射激光器的示意圖。本文在描述圖中所示實施方式的各種變化形式時，將不再參考其他附圖。
具體實施例方式首先參見圖1，圖中所示的GaN邊緣發(fā)射激光器100包含半極性GaN襯底10、有源區(qū)20、N側(cè)波導(dǎo)層30、P側(cè)波導(dǎo)層40、N型包覆層50和P側(cè)包覆層60。GaN襯底限定丫20了1晶體生長面和滑移面。出于描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，GaN激光器往往在GaN襯底的極性面上生長，這帶來很強(qiáng)的內(nèi)場，所述內(nèi)場會妨礙發(fā)光所需的電子-空穴復(fù)合。非極性面如m面和a面可用來消除這些場。GaN襯底也可沿著半極性晶面切割，產(chǎn)生弱得多的內(nèi)場，并可在有源區(qū)形成高銦濃度，這可使發(fā)射波長延伸至綠光。本發(fā)明的具體實施方式
涉及在GaN襯底的20乏1晶面上的生長，在此情況下，可稱GaN襯底限定了20 1晶體生長面。GaN襯底的相應(yīng)滑移面通常在朝向襯底c軸的方向延伸。在圖示實施方式中，N側(cè)波導(dǎo)層30和P側(cè)波導(dǎo)層40包含GalnN/GaN或GaInN/GaInN超晶格(SL)波導(dǎo)層。對于SL波導(dǎo)層，N側(cè)和P側(cè)SL波導(dǎo)層30、40的超晶格層限定了針對波導(dǎo)平面性進(jìn)行優(yōu)化的相應(yīng)層厚度，所述層厚度在約Inm與約5nm之間。本發(fā)明人還設(shè)想，通過確保N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層30、40以超過約O. 09nm/s的生長速率生長來促進(jìn)平面化，而不管N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層30、40被設(shè)置為GalnN/GaN或GalnN/GalnN SL波導(dǎo)層還是本體波導(dǎo)層。圖中進(jìn)一步顯示，有源區(qū)20介于N側(cè)SL波導(dǎo)層30與P側(cè)SL波導(dǎo)層40之間，并基本上平行于這兩個層延伸。N型包覆層50介于N側(cè)波導(dǎo)層30與GaN襯底10之間。P型包覆層60在P側(cè)波導(dǎo)層40上形成。P側(cè)SL波導(dǎo)層與N側(cè)SL波導(dǎo)層各自的組成通?；旧舷嗤?，雖然并不做這樣的要求。此外，在許多情況下，N側(cè)SL波導(dǎo)層30至少與P側(cè)SL波導(dǎo)層40 —樣厚，N側(cè)SL波導(dǎo)層30的厚度增加通常伴隨著光損耗減少。P側(cè)接觸結(jié)構(gòu)70可按照與GaN基激光器中接觸件的制作相關(guān)的常規(guī)技術(shù)或待開發(fā)技術(shù)形成，在圖I中僅呈現(xiàn)了示意圖。本發(fā)明人還設(shè)想，可在GaN襯底10上形成GaN基緩沖層15，用以輔助制造過程。此外，可在有源區(qū)20的上面和下面，也就是在有源區(qū)20與相應(yīng)的N側(cè)和P側(cè)波導(dǎo)層30、40之間提供電流阻擋層80，用以提高器件性能。這些類型的激光二極管組件在最新的GaN基激光器設(shè)計文獻(xiàn)中有完整的記錄。應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域已有完整記錄的馬修斯-布萊克斯利(Matthews-Blakeslee)平衡理論對應(yīng)變異質(zhì)外延層開始發(fā)生錯配位錯的臨界厚度提供了預(yù)測。根據(jù)該理論，如果層厚度超過該層的馬修斯-布萊克斯利臨界厚度，就會因產(chǎn)生錯配位錯而發(fā)生弛豫。此厚度與層中應(yīng)變的數(shù)學(xué)乘積在本文中稱作該層的應(yīng)變-厚度積。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，對于本發(fā)明的GaN基激光器，N側(cè)SL波導(dǎo)層30的應(yīng)變_厚度積可設(shè)計成超過其應(yīng)變弛豫臨界值。此外，N型包覆層50的應(yīng)變-厚度積可設(shè)計成超過其應(yīng)變弛豫臨界值。所得的應(yīng)變弛豫在沿著GaN襯底的滑移面的單向上，有助于提高GaN基激光二極管的性能。例如，在一個實施方式中，N側(cè)SL波導(dǎo)層30的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值約10%。在另一個實施方式中，有源區(qū)20的應(yīng)變-厚度積小于其應(yīng)變弛豫臨界值。在其他一些實施方式中，N型包覆層50的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值約10%。有源區(qū)20可包含勢壘層和單一量子阱層或多周期量子阱層。在此情況下，量子阱層的厚度通常在約Inm到約5nm之間,勢魚層的厚度在約5nm到約30nm之間。在許多情況下，有源區(qū)20包含單一 GaInN量子阱或多周期GaInN量子阱。在此情況下，可調(diào)節(jié)GaInN量子阱的In含量，使其大于N型SL波導(dǎo)層的In含量，以促進(jìn)在光譜范圍中綠光部分的工作。在所設(shè)想的其他一些實施方式中，有源區(qū)還包含AlGaInN勢壘層，并調(diào)節(jié)AlGaInN勢壘層的In含量，使其小于N型SL波導(dǎo)層的In含量。N型包覆層50和P型包覆層60可包含GaN、AlGaN或AlGaInN本體晶體(bulkcrystal),或者 AlGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、AlGalnN/AlGalnN、AlGalnN/GaN、AlGalnN/G alnN或AlGalnN/AlGaN 的 SL。
雖然圖I所示的GaN邊緣發(fā)射激光器100包含介于N側(cè)SL波導(dǎo)層30與N型包覆層50之間的N型GaN過渡層55以及介于P側(cè)SL波導(dǎo)層40與P型包覆層60之間的P型GaN過渡層65，但應(yīng)當(dāng)指出，這些層對于器件的設(shè)計或工作并不重要，可以省略。出于描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，本文提到的GaN激光二極管應(yīng)理解為表不在GaN襯底上生長的激光_■極管結(jié)構(gòu)。本文提到的GaN襯底應(yīng)理解為表不襯底由聞純GaN制成。應(yīng)當(dāng)指出，本文所用的諸如“優(yōu)選”、“常規(guī)”和“通常”之類的詞語不是用來限制本發(fā)明要求保護(hù)的范圍，也不表示某些特征對本發(fā)明要求保護(hù)的結(jié)構(gòu)或者功能來說是重要的、關(guān)鍵的甚至是必不可少的。相反地，這些詞語僅僅用來表明本發(fā)明實施方式的特定方面，或者強(qiáng)調(diào)可以用于或者可以不用于本發(fā)明特定實施方式的可選或附加的特征。出于描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)當(dāng)指出，詞語“基本上”和“約”在本文中用來表示可歸屬于任何定量比較、數(shù)值、測量或其他表達(dá)的固有不確定程度。詞語“基本上”和“約”在本文中還用來表示在不會導(dǎo)致所討論的主題的基本功能發(fā)生改變的情況下定量表達(dá)值 與特定基準(zhǔn)的偏離程度。在結(jié)合具體實施方式
詳細(xì)描述了本發(fā)明的主題之后，應(yīng)當(dāng)指出，本文披露的各種細(xì)節(jié)不應(yīng)理解為暗示著這些細(xì)節(jié)涉及屬于本文所述各種實施方式的實質(zhì)性組成的要素，即便在本文所附的每幅圖中都示出了特定要素的情況下也是如此。相反，本文所附權(quán)利要求書應(yīng)理解為唯一表達(dá)了本發(fā)明的廣度和本文所述各項發(fā)明的相應(yīng)范圍。此外，在不背離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的前提下，顯然可以作出各種改變和變化。更具體來說，盡管本發(fā)明的一些方面在本文中被認(rèn)為是優(yōu)選的或者特別有益的，但應(yīng)該可以想到，本公開沒有必要限于這些方面。應(yīng)當(dāng)指出，以下權(quán)利要求書中的一項或多項權(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一系列結(jié)構(gòu)特征的描述，應(yīng)當(dāng)對其作出與更常用的開放式引導(dǎo)語“包括/包含”類似的解釋。
權(quán)利要求
1.一種GaN邊緣發(fā)射激光器，它包含半極性GaN襯底、有源區(qū)、N側(cè)波導(dǎo)層、P側(cè)波導(dǎo)層、N型包覆層和P型包覆層，其中 所述GaN襯底限定了2031晶體生長面和滑移面； 所述N側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN或GalnN/GalnN超晶格(SL)波導(dǎo)層； 所述P側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN或GalnN/GalnN超晶格(SL)波導(dǎo)層； 所述N側(cè)和P側(cè)SL波導(dǎo)層的超晶格層限定了針對波導(dǎo)平面性進(jìn)行優(yōu)化的相應(yīng)層厚度，所述層厚度在約Inm與約5nm之間； 所述有源區(qū)介于N側(cè)SL波導(dǎo)層與P側(cè)SL波導(dǎo)層之間，并基本上平行于這兩個層延伸； 所述N型包覆層介于N側(cè)波導(dǎo)層與GaN襯底之間； 所述P型包覆層在P側(cè)波導(dǎo)層上形成；以及 所述N側(cè)SL波導(dǎo)層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值，且所述N型包覆層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值，使得所得應(yīng)變弛豫在沿著GaN襯底的滑移面的單向上。
2.一種制造GaN邊緣發(fā)射激光器的方法，所述激光器包含半極性GaN襯底、有源區(qū)、N側(cè)波導(dǎo)層、P側(cè)波導(dǎo)層、N型包覆層和P型包覆層，其中 所述GaN襯底限定了20 1晶體生長面和滑移面； 所述N側(cè)波導(dǎo)層包含GaN基超晶格波導(dǎo)層或本體波導(dǎo)層； 所述P側(cè)波導(dǎo)層包含GaN基超晶格波導(dǎo)層或本體波導(dǎo)層； 所述有源區(qū)介于N側(cè)SL波導(dǎo)層與P側(cè)SL波導(dǎo)層之間，并基本上平行于這兩個層延伸； 所述N型包覆層介于N側(cè)波導(dǎo)層與GaN襯底之間； 所述P型包覆層在P側(cè)波導(dǎo)層上形成； 所述N側(cè)SL波導(dǎo)層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值，且所述N型包覆層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值，使得所得應(yīng)變弛豫在沿著GaN襯底的滑移面的單向上；以及 所述N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層以超過O. 09nm/s的生長速率生長，以優(yōu)化波導(dǎo)平面性。
3.如權(quán)利要求2所述的制造GaN邊緣發(fā)射激光器的方法，其特征在于，所述N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層的生長速率是約O. 095nm/s。
4.如權(quán)利要求2所述的制造GaN邊緣發(fā)射激光器的方法，其特征在于，所述N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層的生長速率在約O. 09nm/s與約O. IOnm/s之間。
5.如權(quán)利要求2所述的制造GaN邊緣發(fā)射激光器的方法，其特征在于 所述N側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN或GalnN/GalnN超晶格(SL)波導(dǎo)層； 所述P側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN或GalnN/GalnN超晶格(SL)波導(dǎo)層；以及 使N側(cè)和P側(cè)SL波導(dǎo)層的超晶格層生長，以限定針對波導(dǎo)平面性進(jìn)行優(yōu)化的相應(yīng)層厚度，所述層厚度在約Inm與約5nm之間。
6.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，中間夾有有源區(qū)的N側(cè)和P側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GaN SL波導(dǎo)層。
7.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，中間夾有有源區(qū)的N側(cè)和P側(cè)波導(dǎo)層包含GalnN/GalnN SL波導(dǎo)層。
8.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述N側(cè)SL波導(dǎo)層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值約10%。
9.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于 所述P側(cè)SL波導(dǎo)層與N側(cè)SL波導(dǎo)層的相應(yīng)組成基本上相同；以及 所述N側(cè)SL波導(dǎo)層至少與P側(cè)SL波導(dǎo)層一樣厚。
10.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)的應(yīng)變-厚度積小于其應(yīng)變弛豫臨界值。
11.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)包含勢壘層和單一量子阱層或多周期量子阱層。
12.如權(quán)利要求11所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于 所述量子阱層的厚度在約Inm與約5nm之間；以及 所述勢魚層的厚度在約5nm與約30nm之間。
13.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)包含單一GaInN量子阱或多周期GaInN量子阱。
14.如權(quán)利要求13所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述GaInN量子阱的In含量大于N型SL波導(dǎo)層的In含量。
15.如權(quán)利要求13所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)還包含AlGaInN勢魚層。
16.如權(quán)利要求15所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述AlGaInN勢壘層的In含量小于N型SL波導(dǎo)層的In含量。
17.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述N型包覆層和P型包覆層包含 GaN、AlGaN 或 AlGaInN 的本體晶體，或者 AlGaN/AlGaN、AlGaN/GaN、AlGaInN/AlGaInN, AlGalnN/GaN、AlGalnN/GalnN 或 AlGalnN/AlGaN 的 SL。
18.如權(quán)利要求I所述的GaN邊緣發(fā)射激光器，其特征在于，所述N型包覆層的應(yīng)變-厚度積超過其應(yīng)變弛豫臨界值約10%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種GaN邊緣發(fā)射激光器，它包含半極性GaN襯底、有源區(qū)、N側(cè)波導(dǎo)層、P側(cè)波導(dǎo)層、N型包覆層和P型包覆層。GaN襯底限定了晶體生長面和滑移面。N側(cè)和P側(cè)波導(dǎo)層包含GaInN/GaN或GaInN/GaInN超晶格(SL)波導(dǎo)層。N側(cè)和P側(cè)SL波導(dǎo)層的超晶格層限定了針對波導(dǎo)平面性進(jìn)行優(yōu)化的相應(yīng)層厚度，所述層厚度在約1nm與約5nm之間。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，通過確保N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層以超過約0.09nm/s的生長速率生長來促進(jìn)平面化，而不管N側(cè)和P側(cè)GaN基波導(dǎo)層被設(shè)置為GaInN/GaN或GaInN/GaInN SL波導(dǎo)層還是本體波導(dǎo)層。在其他一些實施方式中，可通過選擇最佳SL層厚度和生長速率來促進(jìn)平面化。本發(fā)明還描述了其他的實施方式，并要求專利保護(hù)。
文檔編號H01S5/343GK102918727SQ201180026326
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者R·巴特 申請人:康寧股份有限公司