專利名稱：第iii族氮化物半導(dǎo)體激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層的氮化物半導(dǎo)體激光器(以下，可以簡單地表示為裝置)，其中第III族結(jié)晶層氮化物半導(dǎo)體通過公式(AlxGa1-x)1-yInyN(其中0≤x≤1，0≤y≤1)表示，載流子由電極提供。更具體地說本發(fā)明涉及一種第III族氮化物半導(dǎo)體激光器，它可以放射波長從紫外線到藍(lán)色變動的激光以及用于制造它的方法。
背景技術(shù)：
用于半導(dǎo)體激光器的若干可允許的結(jié)構(gòu)已經(jīng)提出多年了。它們中有許多包括用于在與pn結(jié)平行的方向，也就是橫向上限制電流入射面積的結(jié)構(gòu)，以及那些用于在橫向限制產(chǎn)生在激活層中的光的結(jié)構(gòu)。那些結(jié)構(gòu)一般地分解為二個(gè)類型脊-型，也就是臺式-條紋型和內(nèi)部條紋型，也就是內(nèi)部電流節(jié)流型。
脊型半導(dǎo)體激光器具有據(jù)稱的脊型結(jié)構(gòu)，其中條紋狀窄凸起形成在p-型引導(dǎo)層上面的區(qū)域內(nèi)并且有一個(gè)p-側(cè)電極形成在該凸起上。這種類型的裝置需要脊結(jié)構(gòu)的高精度的處理過程。這種處理過程由許多的步驟組成并且難于提高該裝置的制造產(chǎn)量。這是因?yàn)榧菇Y(jié)構(gòu)的尺寸顯著地影響用于振蕩和光束質(zhì)量的門限電流。
同時(shí)，日本專利KokaiNO.Hei.11-261160公開了一種內(nèi)部條型的第III族氮化物半導(dǎo)體激光器，它具有一對鍍層，一夾在鍍層之間的激活層以及具有條紋狀孔隙的電流壓縮(constricting)層，該壓縮層充當(dāng)電流穿過該激活層的路徑。電流壓縮層是一個(gè)高電阻層，也就是說通過加熱非晶體的或聚-晶狀氮化物半導(dǎo)體層然后使該層結(jié)晶制成的。電流壓縮層由包含至少1×1020cm-3的雜質(zhì)GaN組成。通過利用與在該層中的雜質(zhì)能量狀態(tài)有關(guān)的光吸附效應(yīng)，光線被限制在橫向。
然而，電流壓縮層的孔隙上的鍍層在不均勻的(坑坑洼洼的)基礎(chǔ)層上再生。結(jié)果，當(dāng)包含II族Mg的p型氮化物半導(dǎo)體作為受主(acceptor)雜質(zhì)在電流壓縮層上再生時(shí)，在孔隙的半導(dǎo)體層中，Mg濃度的分配是不均勻的，因此它的導(dǎo)電的性能降低。
在氮化物半導(dǎo)體情況下，當(dāng)Mg濃度在一個(gè)很有限范圍之內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)滿意的p-型導(dǎo)通。因此如果在Mg濃度的分配中有變動，p-型導(dǎo)通性能降低。
特別地，當(dāng)p-型鍍層，通常是AlxGa1-xNMg(0.05≤x≤0.20)再生時(shí)，在孔隙的半導(dǎo)體層中的Mg的不均勻分布導(dǎo)致嚴(yán)重地負(fù)效果。也就是說，因?yàn)殄儗拥哪軒чg隙比引導(dǎo)層的能帶間隙大，所以除非鍍層本身是均勻p-型層，否則對于載流注入的勢壘(在該情況下，是空穴)增加。此外，由于在p-型AlGaN的體電阻的增長，該裝置的串聯(lián)電阻增加了。換句話說，如果填充孔隙的半導(dǎo)體層是Mg摻雜AlGaN鍍層，p-型導(dǎo)通的降低直接影響所得到的裝置的伏安性質(zhì)。
工作電流和電壓在內(nèi)部條紋型激光器中可以降低，因?yàn)樗瑫r(shí)在橫向提供電流注入面積限制和光線限制。
在控制光的傳輸模式中它表現(xiàn)了良好的性能，并且可以以高產(chǎn)量制造。和脊型激光器相比，內(nèi)部條紋型激光器在熱耗散中顯示較好的性能，并且提供長使用壽命和高可靠性。盡管這些優(yōu)點(diǎn)，但作為上述的問題還沒有解決，使用第III族氮化物半導(dǎo)體的內(nèi)部條紋型半導(dǎo)體激光器還不是普及的。迄今為止只有脊型第III族氮化物半導(dǎo)體激光器成功地商業(yè)化。
發(fā)明概述本發(fā)明已經(jīng)解決了傳統(tǒng)的內(nèi)部條紋型氮化物半導(dǎo)體激光器具有差的伏安性質(zhì)的問題。因此，本發(fā)明的目的是提供一種可以在低強(qiáng)度電流和電壓條件下驅(qū)動的內(nèi)部條型氮化物半導(dǎo)體激光器，便于制造并且在光線的橫模下工作穩(wěn)定。
本發(fā)明提供一個(gè)第III族氮化物半導(dǎo)體激光器，具有一對相對的導(dǎo)引器和夾置在一個(gè)激活層與位于P型導(dǎo)引層中間的電流壓縮層之間的鍍層。
電流壓縮層由沉積在400-600℃的低溫中的AlN組成的，具有條紋-狀孔隙，該孔隙限制通過其注射給該激活層的電流的面積。換句話說，按照本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器是具有多個(gè)由第III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中的第III族氮化物半導(dǎo)體通過公式(AlxGa1-x)1-yInyN(其中0≤x≤1，0≤y≤1)表示，多個(gè)結(jié)晶層包括接近于在第III族氮化物半導(dǎo)體的結(jié)晶層的激活層的激活層側(cè)導(dǎo)引層，該層由Alx’Ga1-x’-y’Iny’N(其中0≤x’≤1，0≤y’≤1)構(gòu)成，沉積在所述引導(dǎo)層上以及具有條紋狀孔隙的電流壓縮AlN層，由Alx”Ga1-x”-y”Iny”N(其中0≤x”≤1，0≤y”≤1)組成的并且沉積以填充電流壓縮層孔隙的電極側(cè)導(dǎo)引層，以及由AluGa1-u-vInvN(其中0≤u≤1，0≤v≤1)組成的沉積在電極側(cè)導(dǎo)引層上的鍍層。因?yàn)樵诘蜏?400-600℃)沉積的AlN薄膜的電阻很高，所以電流壓縮層有效地阻滯非孔隙區(qū)域中的電流。
在按照本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體激光器中，如果激活層-側(cè)導(dǎo)引層的能帶間隙，電極-側(cè)導(dǎo)引層和鍍層分別由Eq1，Eg2和Eg3代表，則它們的關(guān)系是Eg1≤Eg2≤Eg3。
在激活層側(cè)的引導(dǎo)層和在電極側(cè)上的引導(dǎo)層可以具有相同的成分AlxGa1-x-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)。
為了保護(hù)激活層并且防止電子溢出，AlzGa1-zN(0.05≤z≤0.3)的半導(dǎo)體層可以立即形成在該裝置的激活層之上。
電流壓縮AlN層的薄膜厚度是100-800，在本發(fā)明中最好為200-600。因?yàn)锳lN層的折射率大約是2.15并且小于另一個(gè)區(qū)域的折射率，折射率的有效步驟被提供以便在電流壓縮層的孔隙附近與pn結(jié)平行的水平方向方向(橫向)限制光線。
如果AlN薄膜變得比下限100還薄，有效地在橫向限制光線變得困難。按照本發(fā)明在橫向的光線約束不同于傳統(tǒng)的利用電流壓縮層的光線約束，在傳統(tǒng)的光線約束中，為了給從激活層放射出的光線提供恰當(dāng)?shù)奈障禂?shù)，其中大量摻雜有雜質(zhì)。本發(fā)明使用由AlN的恰當(dāng)?shù)牡驼凵渎室鸬恼凵渎实挠行Р襟E。
在低溫沉積的AlN薄膜是無定形的(非結(jié)晶體)并且該層被用作緩沖層來緩和當(dāng)GaN在藍(lán)寶石基片上增長時(shí)點(diǎn)陣常數(shù)的失配。因此，容易在低溫沉積的AlN層上再生GaNMg層(p-型引導(dǎo)層)。如果AlN薄膜比上限，800厚，通過電極-側(cè)導(dǎo)引層的沉積作用使其足夠平就變得幾乎不可能的。第II族元素例如Mg，被添加給該引導(dǎo)層，并且該引導(dǎo)層通過退火處理顯現(xiàn)p-型導(dǎo)通。
在目前發(fā)明中，由AlN構(gòu)成的電流壓縮層位于p-型引導(dǎo)層內(nèi)部。因此該結(jié)構(gòu)可以避免傳統(tǒng)的問題，即由于電流壓縮層孔隙內(nèi)部的p-型結(jié)晶層的電阻提高而使伏安特性降低。
在p-型引導(dǎo)層擴(kuò)充期間，電流壓縮層孔隙內(nèi)部的p-型結(jié)晶層的Mg分配變得不均勻。然而，該裝置的伏安特性是不錯的。這是因?yàn)橐龑?dǎo)層的能帶間隙設(shè)計(jì)成小于鍍層的能帶間隙并且當(dāng)該裝置是正向偏置時(shí)，大量的載流(在該情況下，為空穴)可以從該鍍層流入到該引導(dǎo)層為該引導(dǎo)層提供高導(dǎo)電性。因此如果該鍍層是一個(gè)良好的p-型層，從該鍍層提供足夠數(shù)目的載流子。該解釋與事實(shí)一致，如果該引導(dǎo)層是無摻雜，可實(shí)現(xiàn)激光振蕩。此外當(dāng)該孔隙與由GaNMg構(gòu)成的p-型引導(dǎo)層掩埋(bury)時(shí)，在Mg摻合中的不均一性更好地工作，并且提供一個(gè)埋置層的平整表面。結(jié)果，該p-型接觸層和該將要沉積在該埋置層上方的電極也變平。然后按照本發(fā)明的內(nèi)部條紋型半導(dǎo)體激光器提供另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)p-面向下將該裝置安裝在散熱器上時(shí)，它容易實(shí)現(xiàn)一種更可取的熱接觸。
此外、AlN具有就熱耗散而言的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗谑覝叵戮哂?85w/mk的熱傳導(dǎo)率，超過GaN，130W/mk的熱傳導(dǎo)率的兩倍。AlN的該特征的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，該裝置即可以p-面向上也可以p-面向下安裝在該散熱器上，因此有助于更長久的使用壽命。
按照本發(fā)明用于制造氮化物半導(dǎo)體激光器的方法，其中激光器具有多個(gè)由第III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的結(jié)晶層，第III族氮化物半導(dǎo)體通過公式AlxGa1-x-yInyN(0≤x≤1，0≤y≤1)表示，包括形成鄰近于由第III族氮化物半導(dǎo)體形成的激活層且由Alx’Ga1-x’-yIny’N(0≤x’≤1，0≤y’≤1)構(gòu)成的激活層-側(cè)引導(dǎo)層的步驟，形成沉積在所述激活層-側(cè)引導(dǎo)層上且具有一條紋狀孔隙和電流壓縮AlN層的步驟，利用由A1x”Ga1-x”-y”Iny”N(0≤x”≤1，0≤y”≤1)構(gòu)成的電極-側(cè)引導(dǎo)層填充所述的電流壓縮層，以及在電極-側(cè)引導(dǎo)層上形成由AluGa1-u-vInvN(0≤u≤1，0≤v≤1)構(gòu)成的一個(gè)鍍層。由AlN構(gòu)成的電流壓縮層可以通過濕法加工刻蝕并且它容易形成孔隙。就該特性而論，該裝置制造方法公開在日本專利kokaiNO.Hei.11-261160中，記述當(dāng)形成GaxAlyIn1-x-yN(0≤x，y≤1)薄膜時(shí)，如果由于它的高腐蝕-阻力它的鋁含量變高時(shí)，蝕刻變得難于執(zhí)行。然而，我們發(fā)現(xiàn)，與該公開相反，有可能容易地利用保持在適當(dāng)?shù)?0℃的堿性溶液或保持在150-200℃的基于磷酸的蝕刻溶液來濕-刻蝕沉積在溫度400-600℃之間的AlN。形成在p-型GaN上的AIN的濕法蝕刻提供一個(gè)非常清潔的表面。因此當(dāng)p-型引導(dǎo)層在孔隙形成之后再生時(shí)，由薄膜再生長引起的接觸面不再是包含多種雜質(zhì)的隔離物。該裝置的伏安性質(zhì)沒有降低。結(jié)晶層的生長通過有機(jī)金屬的化學(xué)氣相淀積工藝實(shí)施。


圖1是按照本發(fā)明的一實(shí)施例的內(nèi)部條紋型氮化物半導(dǎo)體激光器的示意剖面圖；圖2是按照本發(fā)明的一實(shí)施例的由半導(dǎo)體激光器制造方法提供的激光晶片的示意的剖面圖；圖3是按照本發(fā)明的實(shí)施例由半導(dǎo)體激光器制造方法提供的激光晶片的示意剖面圖；圖4是按照本發(fā)明的實(shí)施例由半導(dǎo)體激光器制造方法提供的激光晶片的示意剖面圖；圖5是按照本發(fā)明的一實(shí)施例說明該半導(dǎo)體激光器的電壓-電流特性的圖表；圖6是圖1中所示的半導(dǎo)體激光器的p-側(cè)導(dǎo)引激光器的示意放大剖面圖；圖7是表明本發(fā)明提供的電流壓縮模擬結(jié)果的示意圖；以及圖8是表明由本發(fā)明提供的光線約束仿真結(jié)果的示意圖；最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明按照本發(fā)明的第III族氮化物半導(dǎo)體激光器的實(shí)施例參考附圖描述如下。
圖1顯現(xiàn)使用第III族氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體激光器的一個(gè)示例，其中第III族氮化物是一種分離約束異晶結(jié)構(gòu)(SCH)的內(nèi)部條紋型激光裝置。標(biāo)志1是一個(gè)單晶的藍(lán)寶石基片，2是以低溫沉積的GaN(或AlN)緩沖層，3是n-型GaN接觸層，是n-型Al0.08Ga0.92N鍍層、5是n-型GaN引導(dǎo)層，6是激活層，例如，具有作為主要組成成分的InGaN的多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，7是p-型Al0.2Ga0.8N電子阻擋層或蓋板(cap)層。8a是在激活層側(cè)的p-型GaN引導(dǎo)層，8c是電流壓縮AlN層，8b是在電極面上的p-型GaN引導(dǎo)層。9是p-型Al0.08Ga0.92N鍍層，10是p-型GaN接觸層，其中摻雜II族雜質(zhì)，例如Mg，11是由SiO2構(gòu)成的介質(zhì)層，13是p-側(cè)電極，14是N側(cè)電極。
在該裝置中，當(dāng)來自電極的電子和空穴再結(jié)合時(shí)，激活層6發(fā)光。N型和p型GaM引導(dǎo)層5，8a，8b引導(dǎo)在激活層6中產(chǎn)生的光線。通過控制引導(dǎo)層的能帶間隙大于激活層6的能帶間隙，電子和空穴有效地限制在激活層中。p-型電子阻擋層或蓋板層7是阻擋層，可加強(qiáng)引入的載流子的約束(尤其是電子)并且可以防止當(dāng)在700-800℃增長的激活層加熱到1000-1100℃時(shí)，該激活層的蒸發(fā)。因?yàn)镹型和p型鍍層4，9的折射率低于引導(dǎo)層5，8的折射率，產(chǎn)生的光線由鍍層和該引導(dǎo)層之間的折射系數(shù)中的步長來引導(dǎo)。因?yàn)樗{(lán)寶石基片根本不是導(dǎo)電的，所以形成N型接觸層3是一個(gè)作為電流通路的基礎(chǔ)層。緩沖層2在低溫形成以便在藍(lán)寶石基層上沉積一個(gè)平面薄膜，藍(lán)寶石基層對GaN來說是一種摻雜物。
用于制造按照上述實(shí)施例的激光裝置的步驟(1)-(19)詳細(xì)地描述如下。
(1)藍(lán)寶石襯底1放進(jìn)有機(jī)金屬的化學(xué)氣相淀積(MOCVD)裝置的反應(yīng)器中。其次，該襯底在1050℃的300Torr的氫氣流中保持10分鐘用于熱凈化該藍(lán)寶石襯底的表面。藍(lán)寶石襯底冷卻到400℃。然后作為氮源的氨(NH3)和作為鋁(Al)源的三甲基鋁(TMA)被引進(jìn)該反應(yīng)器，由AlN構(gòu)成的低溫沉積緩沖層2沉積厚度50nm。
(2)TMA的供應(yīng)現(xiàn)在是暫停的并且沉積有緩沖層2的藍(lán)寶石襯底1再次被加熱到1050℃，只延續(xù)NH3的供應(yīng)。
然后引進(jìn)三甲基鎵(TMG)以沉積N型GaN接觸層3。將要成為N型混雜物的作為硅(Si)源的甲基硅烷(Me-SiH3)也被引進(jìn)。
(3)當(dāng)N型GaN接觸層3增長到4μm厚時(shí)，引入TMA以沉積N型Al0.08Ga0.92N鍍層4。
(4)當(dāng)N型Al0.08Ga0.92N鍍層4增厚為0.8μm時(shí)，TMA的供應(yīng)中止然后N型GaN引導(dǎo)層5增長0.2m.。當(dāng)N型GaN引導(dǎo)層5的增長已經(jīng)完成時(shí)，TMG和Me-SiH3的供應(yīng)中止并且該襯底冷卻到750℃。
(5)當(dāng)襯底的溫度到達(dá)750℃時(shí)，運(yùn)載氣體從氫變化為氮。當(dāng)氣流已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，TMG，TMI和Me-SiH3被引入反應(yīng)器來增加阻擋層。其次，三甲基硅烷的供應(yīng)中止并且TMI的供應(yīng)增加來增長阱層，其中In含量比阻擋層中的高。阻擋層和阱層按照多量子阱(MQW)的設(shè)計(jì)所決定的次數(shù)沉積。MQW結(jié)構(gòu)的激活層6因此形成。
(6)當(dāng)阻擋層沉積在激活層6的最后阱層上時(shí)，TMG，TMI和Me-SiH3的供應(yīng)中止并且運(yùn)載氣體從氮變化到氫。當(dāng)氣流已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，襯底再次被加熱到1050℃并且通過引進(jìn)TMG，TMA和作為鎂(Mg)源將成為p-型混雜物的乙基-環(huán)戊二烯基鎂(Et-Cp2Mg)，p-型Al0.2Ga0.8N電子阻擋層7沉積了0.02μm。
(7)隨后，TMA的供應(yīng)中止并且在激活層側(cè)的p-型GaN引導(dǎo)層8a增長了0.1μm。當(dāng)在激活層側(cè)的p-型GaN引導(dǎo)層8a的增長完成時(shí)，TMG和Et-Cp2Mg的供應(yīng)中止然后襯底冷卻到400℃。
(8)當(dāng)襯底的溫度到達(dá)400℃時(shí)，TMA再次被引進(jìn)的到該反應(yīng)器并且電流壓縮AlN層8a在激活層面的p-型GaN引導(dǎo)層8a上沉積500。
(9)隨后，TMA和NH3的供應(yīng)中止并且該襯底被冷卻。當(dāng)該襯底到達(dá)室溫時(shí)，薄膜層已沉積在襯底1上的晶片從該反應(yīng)器中取出。
(10)然后具有大約3μm寬條紋狀孔隙的SiO2掩模通過傳統(tǒng)的影印處理被成圖案在電流壓縮AlN層8c上。從掩?？讖奖┞冻龅碾娏鲏嚎sAIN層8c的一部分在5％的水溶液中或者更少的4甲基氫氧化銨(N(CH3)4OH)中在80℃保持兩分鐘被蝕刻出來。使用氟化氫(HF)，從電流壓縮AlN層8c除去SiO2掩模以形成圖2中所示的條狀孔隙。此時(shí)，從形成在電流壓縮AIN層8c上的條紋狀孔隙暴露出的激活層側(cè)的p-型GaN引導(dǎo)層8a幾乎根本沒有刻蝕。
(11)下一步，其上已形成有由AlN構(gòu)成的、且具有條狀孔隙的電流壓縮層8c的晶片被返回到MOCVD裝置的反應(yīng)器中，然后在氫和NH3的氣流中加熱。
(12)當(dāng)該晶片溫度已經(jīng)到達(dá)1050℃時(shí)，提供TMG和Et-Cp2Mg以沉積電極-側(cè)p-型GaN引導(dǎo)層8b。
(13)當(dāng)該電極-側(cè)p-型GaN引導(dǎo)層8b已經(jīng)增長到0.1μm時(shí)，引入TMA以沉積p型Al0.08Ga0.92N鍍層9，厚度為0.4μm。
(14)隨后TMA的供應(yīng)中止并且如圖3所示，p-型GaN接觸層10增長到0.1μm。當(dāng)p-型GaN接觸層10的增長完成時(shí)，TMG和Et-Cp2Mg的供應(yīng)中止并且冷卻開始。
(15)當(dāng)該晶片溫度已經(jīng)到達(dá)400℃時(shí)，NH3的供應(yīng)中止。當(dāng)晶片已經(jīng)到達(dá)室溫時(shí)，晶片從該反應(yīng)器帶出。
(16)取出的晶片在熱處理爐及氮?dú)饬鲀?nèi)、在800℃以及大氣壓力下熱處理大約20分鐘達(dá)到p-型。
(17)下一步，如圖中所示，N型GaN接觸層3的一部分通過傳統(tǒng)的干刻蝕暴露以形成用于N側(cè)電極的凸臺和用于p-側(cè)電極的凸臺。
在因此形成的晶片上，SiO2電介質(zhì)膜11通過例如噴涂方法沉積。隨后，用于p側(cè)和N側(cè)電極的窗口通過傳統(tǒng)的影印的方法形成在電介質(zhì)膜11的兩個(gè)凸臺上。在N型GaN接觸層3暴露的區(qū)域，鈦(Ti)通過蒸發(fā)沉積為厚度50μm，然后金(Au)沉積200nm形成N側(cè)電極14.。在p-型GaN接觸層10暴露的區(qū)域內(nèi)，鎳(Ni)通過蒸發(fā)沉積為厚度50nm，然后金沉積200nm形成P側(cè)電極13.。這樣圖1中所示的裝置結(jié)構(gòu)分別形成晶片的各區(qū)域上。
(18)稍后，在晶片后側(cè)上的藍(lán)寶石經(jīng)過研削到100μm或者更薄然后分裂成柵條。
(19)其次，一個(gè)高反射薄膜涂敷在柵條的裂縫刻面上并且柵被切割成各個(gè)裝置。該裝置被P面向下地安裝在散熱器上。
按照本發(fā)明制造的裝置的電流-電壓特性被測量。圖5顯現(xiàn)測量結(jié)果(實(shí)線)。對比來說，測量的是以與上述實(shí)施例中同樣的方式制造的裝置的電流-電壓特性，除了電極-側(cè)導(dǎo)引層沒有形成，只是再生了由Al0.08Ga0.92NMg構(gòu)成的鍍層(圖5中的虛線)。比較這些特征，人們發(fā)現(xiàn)在按照本實(shí)施例制造的裝置中的接通電壓較低。此外，在裝置工作電流范圍為40-120ma的情況下，本發(fā)明裝置中的電壓比在相對的例子中的裝置的電壓低大約1.5-2.0伏特。因此按照本發(fā)明制造的裝置就工作電壓而言是有益的。
另外，當(dāng)通過觀察本發(fā)明裝置的光發(fā)射特性和FFP(遠(yuǎn)場圖形)而檢測光線的橫模時(shí)，對于橫向FFP，激光閾值電流是46mA，電壓為5v并且半值幅寬為7度。該發(fā)明的裝置在30mw的光輸出能量下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)100小時(shí)或者更久之后，工作穩(wěn)定。這些性能對于實(shí)際應(yīng)用是足夠的。
進(jìn)行了仿真研究旨在確認(rèn)本發(fā)明的裝置中的電流收縮和光線約束效果。除了p型電極側(cè)導(dǎo)引層的薄膜厚度是500之外，該裝置結(jié)構(gòu)假定為與上述實(shí)施例相同。每層的成分假定為與實(shí)施例中的相同。此外仿真是假定AlN具有2.15的折射率并且是一種絕緣材料。該仿真結(jié)果在圖7和圖8中表明。參照圖7和圖8，橫軸(X軸)代表以該裝置的中心為基準(zhǔn)以μm計(jì)量的水平位置，而垂直軸(Y軸)代表在薄膜層沉積的方向上以μm計(jì)量的相對位置。
圖7是表示該裝置的橫截面上電流密度分配的圖表。每個(gè)三角形的尺寸代表電流密度。該圖表指示出了在激活層內(nèi)沿橫向的電流分布被限制為與由AlN構(gòu)成的電流壓縮層孔隙相同的寬度。
圖8是以等高線說明該裝置橫截面光線電場強(qiáng)度分配的圖表。如果大多數(shù)向內(nèi)的線條的電場強(qiáng)度比例為100，而那些向外的線是10。換句話說，產(chǎn)生在激活層中電場的90％集中在與由AlN構(gòu)成的電流壓縮層孔隙的寬度相同的區(qū)域內(nèi)。
本發(fā)明人已經(jīng)制造若干裝置并且發(fā)現(xiàn)用于上述的激活層區(qū)域的激光器結(jié)構(gòu)尺寸的一個(gè)更優(yōu)越的范圍。如圖所示，激活層面p型GaN引導(dǎo)層8a，電流壓縮層8c和電極側(cè)p型GaN引導(dǎo)層8b按次序形成在激活層6的p型電子阻擋層或者蓋板層7上，它們厚度分別是t4，t1和t2，引導(dǎo)層總的厚度t3由t3≤t1+t2+t4給出。電流壓縮層8c的薄膜厚度t1的范圍應(yīng)該是100?！躷1≤800，更可取地為200?！躷1≤600.。電極側(cè)p型GaN引導(dǎo)層8b的薄膜厚度t2應(yīng)該為(1/2t1≤t2≤2t1，更可取地t1≤t2≤(3/2)t1。激活層-側(cè)p型GaN引導(dǎo)層8a的薄膜厚度t4應(yīng)該為0≤t4≤1000。然而，當(dāng)激活層側(cè)p型GaN層引導(dǎo)層8a的薄膜厚度t4是零時(shí)，p型電子阻擋層或者蓋板層7形成并且電流壓縮層8c直接沉積在蓋板層7.上。本發(fā)明包括蓋板層7不存在的結(jié)構(gòu)。沉積在電極側(cè)p型GaN引導(dǎo)層8b上的鍍層9更可取地是Alu’Ga1-u’N(0.05≤u’≤0.3)。鍍層9可以是AlGaN/GaN超點(diǎn)陣，其中平均AlN摩爾分?jǐn)?shù)u＂符合0.05≤u＂≤0.3。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在上述的步驟(19)中安裝在散熱器上的芯片可以p-面向上。即使當(dāng)芯片p面向上安裝時(shí)，就熱耗散而言本發(fā)明是有效的。在內(nèi)部條紋型裝置中，有一個(gè)熱傳導(dǎo)路徑，其中產(chǎn)生在激活層中的熱向上移動(P側(cè))然后向下消散到散熱器。然后如果電流壓縮層由AlN構(gòu)成，芯片的熱阻可以降低并且甚至在p面向上結(jié)構(gòu)中，就熱耗散而論，發(fā)明是有益的。在該情況下，當(dāng)金屬p側(cè)電極薄膜較厚，例如2μm，時(shí)，熱耗散影響變得顯著。
該襯底可以是除了藍(lán)寶石之外的物質(zhì)，例如，SiC，GaN，AlN和Si。如果使用這樣的物質(zhì)，用于上述步驟(1)的緩沖層制造情況可能變化。另一個(gè)變化不顯著，；例如，沉積在向上結(jié)構(gòu)上的薄膜厚度可能稍變化。如果例如SiC，GaN和Si的導(dǎo)電的襯底被使用，N型電極可以形成在該襯底后部上。在這種情況下，通過干刻蝕暴露N型接觸層的步驟(17)變得不必要。
按照本發(fā)明，因?yàn)樾纬稍诩せ顚由系膒型引導(dǎo)層內(nèi)部的電流壓縮層在低溫下沉積的AlN組成，電流壓縮層具有恰當(dāng)?shù)牡驼凵渎?，高?dǎo)熱率和高電阻。就制造而論，本發(fā)明使?jié)穹涛g和在電流壓縮層上的再生層便于執(zhí)行。此外，因?yàn)閺哪軒чg隙小于p型鍍層的p型引導(dǎo)層執(zhí)行再生長，所以電流-電壓特性變得優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種具有多個(gè)由第III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的結(jié)晶層的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中第III族氮化物半導(dǎo)體由公式(AlxGa1-x)1-yInyN(其中0≤x≤1，0≤y≤1)表示，包括接近于在所述第III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層中的激活層并且由Alx’Ga1-x’-y’Iny’N(其中0≤x’≤1，0≤y’≤1)構(gòu)成的激活層側(cè)導(dǎo)引層；沉積在所述激活層側(cè)導(dǎo)引層上并且具有條紋狀孔隙的一個(gè)電流壓縮AlN層；由Alx”Ga1-x”-y”Iny”N(其中0≤x”≤1，0≤y”≤1)構(gòu)成的并且沉積以填充所述電流壓縮層孔隙的電極側(cè)導(dǎo)引層；以及由AluGa1-u-vInvN(其中0≤u≤1，0≤v≤1)構(gòu)成并且沉積在所述電極側(cè)導(dǎo)引層上的一個(gè)鍍層。
2.按照權(quán)利要求1中所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述電流壓縮層在溫度為400-600℃之間沉積。
3.按照權(quán)利要求1或者2所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述電流壓縮層的薄膜厚度為100-800。
4.按照權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述電流壓縮層的薄膜厚度是200-600。
5按照權(quán)利要求1-4中任何一個(gè)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述引導(dǎo)層具有p型導(dǎo)電性。
6.按照權(quán)利要求1-5中任何一個(gè)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述引導(dǎo)層包括II族成分。
7.按照權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中由AlzGa1-zN(其中0.05≤z≤0.3)構(gòu)成的半導(dǎo)體層插入在所述激活層和所述激活層-側(cè)導(dǎo)引層之間。
8.按照權(quán)利要求1-6中任何一個(gè)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其中所述激活層-側(cè)導(dǎo)引層能帶間隙，所述電極-側(cè)導(dǎo)引層和所述鍍層分別是Eg1，Eg2和Eg3，它們的關(guān)系是Eg1≤Eg2≤Eg3。
9.一種用于制造具有多個(gè)由第III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的結(jié)晶層的氮化物半導(dǎo)體激光器的方法，其中第III族氮化物半導(dǎo)體由公式(AlxGa1-x)1-yInyN(其中0≤x≤1，0≤y≤1)表示，包括步驟在激活層側(cè)導(dǎo)引層上形成一個(gè)電流壓縮AlN層，其中激活層側(cè)導(dǎo)引層接近于在第III族氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層中的激活層并且該層由Alx’Ga1-x’-y’Iny’N(其中0≤x’≤1，0≤y’≤1)構(gòu)成；在所述電流壓縮層中形成條紋狀孔隙；用由Alx”Ga1-x”-y”Iny”N(其中0≤x”≤1，0≤y”≤1)構(gòu)成的電極側(cè)導(dǎo)引層掩蓋所述電流壓縮層；以及在所述電極側(cè)導(dǎo)引層上形成由AluGa1-u-vInvN(其中0≤u≤1，0≤v≤1)構(gòu)成的鍍層。
10.按照權(quán)利要求9的制造方法，其中所述結(jié)晶層的增長由有機(jī)金屬的化學(xué)氣相淀積執(zhí)行。
11.按照權(quán)利要求9或者10的制造方法，其中由AlzGa1-zN(其中0.05≤z≤0.3)構(gòu)成的半導(dǎo)體層在形成所述激活層側(cè)導(dǎo)引層的步驟之前增長。
12.按照權(quán)利要求9-12中任何一個(gè)所述的制造方法，其中所述電流壓縮層在形成所述電流壓縮層的步驟中，在溫度為400-600℃之間沉積。
13.按照權(quán)利要求9-12中任何一個(gè)所述的制造方法，其中形成所述電流壓縮層的步驟包括濕法蝕刻所述電流壓縮層以便形成條紋狀孔隙的步驟。
全文摘要
一種氮化物半導(dǎo)體激光器,其中激勵電壓較低并且光線的橫模穩(wěn)定,它具有多個(gè)由第III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的結(jié)晶層,第III族氮化物半導(dǎo)體通過公式(Al
文檔編號H01S5/343GK1380727SQ0210599
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者渡邊溫, 木村義則, 太田啟之 申請人:先鋒株式會社