专利名称：AIN衬底上的GaN激光器及其制造方法
A1N衬底上的GaN激光器及其制造方法
相关专利申请的交叉参考 本申请要求2007年5月31日申请的美国临时申请60/932,450和2007年8 月15日申请的美国申请11/893,188的权益。
背景技术：
本发明涉及Ga(In)N半导体激光器以及，更具体地，上述半导体激光器的 设计和制造。
发明概要
具有由GaN和/或GalnN组成的有源波导区的半导##光器覆盖从UV至 红光的光激寸，且此处全部称为Ga(In)N基半导体激光器。本发明人已经认识 到，虽然405nmGa(In)N基半导j繊光器已经商业化，但是有持续的驱动力来发 展商^Lh可行的蓝光和绿光Ga(In)N基半导##光器。因此，虽然本发明的概 念不局限于蓝光和绿光光发射的字面含义，本发明的一个目的是提供激光器的 设计和制造步骤，以改善商业上可行的蓝光和绿光Ga(In)N基半导体激光器的 前景。
GaN基半导体激光器经常采用氮化铝镓(AlGaN)覆层，但是AlGaN和 GaN之间的折射率反差相对较小，特别是在蓝力绿光的光学范围中。因此，本 发明人已经认识到，需要在AlGaN中有相对高的Al含量以增加折射率反差并 改善激光器的操作。本发明人也认识到，在半导^^光器结构中的AlGaN层的 Al含量和/或层的厚度有应用限制，因为这些层经常处于拉伸应变中，其可导致 破裂或其他结构缺陷。
根据本发明，提出了 GaN激光器结构及其相关制造方法，其中，Ga(In)N 基半导体激光器结构以避免半导体结构中不适当的拉伸应力所需要的方式形成 在AlN或GaN衬底上。根据本发明的一个实施例，Ga(In)N基半导^m光器提 供在具有AlGaN晶格调整层的AIN或GaN衬底上，其中激光器的衬底、晶格 调整层、下覆区、有源波导区、上覆区以及N和P型接触区在半导体激光器中 形成一结构连续体(compositional continuum )。根据本发明的另一实施例，在晶格调整层中的平均M含量或者为(i)基本 上等于上和下覆区的A1含量；或者为(ii)充分大于上和下覆区的Al含量以保 证当形成在晶格调整层上时上和下覆区呈压缩或未拉伸的状态；或者为(iii)小 于上和下覆区的Al含量以使当形成在晶格调整层上时上和下覆区呈拉伸的状 态，但仅达到使拉伸状态中导致的应变不超过上和下覆区的麟阈值的含量。
公开了另外的实施例，包括制造根据本发明的半导体激光器的方法，且通 过下面的关于本发明和所附权利要求的详细描述而理解。
附图简述
当与附图相结合时，可以对本发明特定实施例的下面详细描述作最佳的理 解，其中相同的结构用相同的标号来表示，且其中
图1是根据本发明的多个实施例的适当的半导体激光器设计的总体示意性 示例。
具体实施例方式
先参考图1，需要注意的是，虽然本发明的捐M:可运用于多种半导体激光器， 包括例如，边缘^M分布的布拉格反射式(DBR)激光器和垂直腔面发射激光 器(VCSEL),但是本发明的各种概念可通过参考配置作为边缘-Mf激光二极 管的半导##光器10来示例。通常，半导体激光器10包括衬底20、晶格调整 层30、在上覆区50和下覆区60之间插入的有源波导区40、 N型接触区70和P 型接触区80，它们的每一个都在下面作出了进一步详细描述。正如熟悉半导体 激光器的设计的人员所明白的，边缘-^M激光二极管采用上和下覆区50、 60 来引导相干刻寸光朝向激光器叠层的一侧i^彖。相反地，VCSEL是一种半导体 激光二极管，其中激光束从激光器叠层的顶表面发射且采用上和下布拉格反射 器代替或结合逝彖-^M激光二极管的上和下覆区。边缘-皿和VCSEL结构的 特定的元件结合到一般激光器发光的方法的更详细的操作描述可从本学科现有 的可获得的文献中得到。
在示例实施例中，衬底20包括A]N或GaN，并且晶格调整层30包括形成 在衬底20上方的AlGaN。虽然晶格调整层30可以非导电，但是在一些实施例 中预期AlGaN晶格调整层30的至少一部分可包括导电性掺杂的AlGaN。典型 地，衬底20和晶格调整层30包括基本上纯的，艮P，至少大约99%纯的、单晶 A1N、 GaN或AlGaN。虽然晶格调整层30，其也可容易地得到95%或更高的纯200880017940.4
需要注
意的是，AlGaN层可通过先生长A1N或GaN然后梯度地得到AlGaN所需组成 的方式生长在AlN或GaN衬底上。这种方式的生长是持续的，直到达到所需的 厚度。优选地，该厚度应足够保证AlGaN晶格调整层30的完全或几乎完全的 放松。可选地，包括AlGaN的所需组成的晶格调整层30可直接生长在A1N或 GaN衬底20上，但是可以预见，直接生长可生长出在其表面附近有高密度位错 的晶格调整层30。
为完成半导体激光器10的制造，下覆区60形成在晶格调整层30上方且包 括导电性掺杂的AlGaN。有源波导区40形成在下覆区60上方且包括一构造为 用于激光^M的Ga(In)N基量子阱结构。上覆区50形成在有源波导区40上方 且包括导电性掺杂的AlGaN。 N和P型接触区横跨有源波导区而导电性地耦合 且包括GaN或AlGaN。如上面指出的，本发明人已经认识到与A1N或GaN衬 底上的Ga(In)N半导体激光器结构的制造有关的许多重要设计。特别地，在 Ga(In)N半导##光器结构中AlGaN层的Al含量和/或层厚度有H顿限制，因 为这些层经常处于拉伸应力下，其可导致破裂或其它结构缺陷。通过提供分别 具有适应于消除或显著降低IM形成的各自的Al含量的半导体激光器结构，这 些挑战可至少部分地解决。
例如，需要相对高Al含量的AlGaN覆层，例如10Q%-20%A1，以得到在绿 光波长范围内的高指数对比波导，本发明人已经认识到了在AlGaN晶格调整层 30以及上和下覆层50、 60中选择优化的Al含量的优势贡献。特别地，当AlGaN 用于制造A1N或GaN衬底上的Ga(In)N基半导体激光器时，结构中的特定层的 晶格常数将反比于其中的Al含量。具剤氐的Al含量的层将具有大的晶格常数 且将趋向于在具有高Al含量的结构中减小任何其它关联层的拉伸应力。因此， 在本发明的特定实施例中，M:提供一具有Al含量高于关联覆层的Al含量的 AlGaN晶格调整层，Ga(In)N基半导体激光器生长在A1N或GaN衬底上。这样， 通过保证半导体结构为未拉伸或在压縮中，可以防止随后形成在晶格调整层30 上的层的破裂，因为未拉伸的层或处于压缩的层比处于拉伸应力的层更不易受 影响而 。可选地，如果可预期舰樹共一具有Al含量稍微低于关麟层的 Al含量的AlGaN晶格调整层，Ga(In)N基半导1 光器可生长在A1N或GaN 衬底上，倘若导致的拉伸应力足够小以避免破裂。更特别地，分别地，晶格调整层30的Al含量可表示为AlwGai,N，下覆区 60的Al含量可表示为AlvGaLvN，上覆区50的Al含量可表示为AluGai.uN，其 中，v〈l且u〈1。在这个参考系中，u、 v和w的各值可建立或控制以使在晶格 调整层30中的A1含量为(i)充分大于上和下覆区50、 60的A1含量以保证当 形成在晶格调整层30上时上和下覆区50、 60呈压縮或未拉伸的状态，或(ii) 小于上和下覆区50、 60的Al含量以使当形成在晶格调整层30上时上和下覆区 50、 60呈拉伸的状态，但仅达到使拉伸状态中导致的应变不超iii:和下覆区50、 60的破裂阈值的含量。通常，Al含量至少部分地由激光的运行波长在Ga(In)N 和AlGaN之间的所需指数对比来指示。例如，在本发明的特定实施例中需要相 对高的指数对比，本发明人已经认识到，对于形成在A1N或GaN衬底上的 Ga(In)N基半导術敫光器，u、 v和w的各值大于或约等于0.08 。另外，j雄保 证满足一个或两个下面的u、 v和w各值w〉v-0.06且w〉u-0.06。
晶格调整层30的厚度应{，足以保证其在形成于衬底20上之后晶格处于 放松的状态，艮口，在约1,的量级上。例如，且非限制地，预期魏的半导体 激光器可通过JOT—个厚的MGaN缓冲层支撑无破裂的AlxGai.xN/GaN DBR的 生长而制作在AlN衬底上以用于Ga(In)N VSCELs的制造。虽然示例的实施例 示出晶格调整层30直接形成在A1N衬底20上，也可预期在衬底和晶格调整层 30之间可掛共一个或更多个插入层，在此瞎况下，晶格调整层30将仅形j^E A1N衬底20的"上方，。同样地，虽然下覆区60直接形成在晶格调整层30上， 也可预期在晶格调整层30和下覆层60之间可提供一个或更多个插入层，在此 情况下，下覆层60将仅形成在晶格调整层30的"上方'。同样的描述可用于表 匕处描述的其他层或区域为仅形鹏相关层或区域盼'上方'。
衬底20、晶格调整层30、下覆区60、有源波导区40、上覆区50以及N和 P型接触区70、 80在半导術敫光器中形成这里所定义的"结构连续体'。更特别 地，为了描述和定义本发明，应指出，当结构中的的一层中的至少一种成分可 在结构中下一个余诚的层中找到时，结构中的一乡腺形成'结构连续体'。"双成 分结构连续#" (dual component compositional continuum)出现在当结构中的的 一层中的两种或更多的成分可在结构中下一个叙述的层中找到时。重点放在结 构中"叙述"(recited)的层，如这里所定义的，因为可以预见"结构连续体'，无 需应用于不是形成结构连续体的该组层的一部分的层。例如，参考图l，其中衬底20、晶格调整层30、下覆区60、有源波导区40、上覆区50以及N和P型接 触区70、 80形成结构连续体，可以预见半导体激光器可包括樹可类型的、不满 足结构连续斜牛的插入层。
在本发明的特定实施例中，衬底20、晶格调整层30、下覆区60、有源波导 区40、上覆区50以及N和P型接触区70、 80形成包括选自Al、 Ga和N的成 分的双成分结构连续体。更特别地，结构连续体从在A1N或GaN衬底20和 AlGaN晶格调整层30的界面处的Al基或Ga基连续转变到在AlGaN晶格调整 层30和AlGaN下覆区60的界面处的Al和Ga双成分结构连续体、到在AlGaN 下覆区60和Ga(In)N基有源波导区40的界面处的Ga基连续。另外，在前面提 及的结构连续体进一步包括,Ga(In)N基有源波导区40和AlGaN上覆区50 的Ga基连续。
虽然本发明的概念通常并不限于特定的有源波导区结构，为了示例， 一合 适的有源波导区结构在图]的附加细节中展现。例如，但非限制性地，有源波 导区40可包括在相对的波导层44、 46和电子阻挡层48之间插入的量子阱增益 区42。量子阱增益区42可包括构造成一个或更多量子阱层、 一个或更多多量子 点层、或它们的结合的且可构造为對寸波长低于550nm的光的一个或更多量子 阱。根据本发明的一个实施例，量子阱增益区42包括GaN/GalnN、 GalnN/GalnN 或AlGaN/GalnN多量子阱或量子点且相对的波导层包括具有相对的N型和P型 导电的GaN或GalnN。也可预期，该量子阱增益区可包括具有比相关屏障层更 高能级的铟的GalnN/GalnN。进一步可预期，AlGalnN可^S地用于量子阱增 益区42和相关波导层44、 46。优选地，量子阱增益区包括Gai.yInyN或 AlxGai.x.yInyN，其中x至少近似于O，且y至少近似于0.05。进一步，电子阻挡 层48包括P型AlGaN。可预肌另外的有源波导区结构也将适合于根据本发明 的教导的变形。
同样地，虽然本发明的概念通常并不限于特定的覆层和接触区结构，可预 期形成在有源波导区40上方的上覆区50可包括P型AlGaN/GaN超晶OT层， 而下覆区60包括N型AlGaN。 N型撤虫区70在图1中大体示出且可通过N型 下覆区60和在下覆区60界面上的导电接触72以图1中示出的方式形成。另外， 可预期下波导层44的全部或部分以及任何相关屏障层或阱也可进行N型掺杂以 形成下接触区70。同样地，P型接触区80在图1中大体示出且可包括形成在上
9覆区50上方的P型GaN层82和在该P型GaN层界面上的导电接触84。
进一步，虽然本发明的概念在此描述为主要参考电泵浦激光器结构，可预 期，本发明的各种优点也可运用于光泵浦激光器，在此情况下，上和下覆区50、 60将无需是导电性掺杂的。
注意，此处提到Ga(In)N基有源波导区或Ga(In)N基半导j繊光器，应宽泛 地理解为涵盖任何半导体激光器，其中半导体激光器的有源波导区包括至少部 分由GaN或GalnN形成的量子阱结构。
另外，此舰于本发明的组件以特定的方式"构造或包括特定特性或功能 的叙述是结构性的叙述，与预期用途叙述相对。例如，此处对于Ga(In)N激光 器"构造'为VCSEL或DBR边缘-劍寸激光器表示激光器的现有物理条件，同样 地，视为激光器的结构特征的明确叙述。
注意，在此〗顿时，术语'1雄地"、"一般地"和"代表性地'，不用于限制要 求保护的发明范围或意味某^f寺征对于要求保护的发明结构或功能是关键的、 基本的或至关重要的。相反，这些术语仅用于确定本发明一实施例的特定方面 或强调可或不可用于本发明特定实施例的可替换或附加的特征。
为了描述和定义本发明，值得注意的是术语"基本上"和"近似于"在此处用于 表示可导致任何数量比较关系、值、度量或其它表征的不确定的固有程度。术 语"基本上"和"近似于"在此处也用于表示可从固定参考变化但不导致所讨论主 题的基本功能变化。
应理解，本发明前述的详细描述意为提供一总体看法或框架以理解如要求
的本发明的本质和特点。熟悉本领域的人员将明白，在不脱离本发明的精神和 范围的情况下，可作出各种修正和变形。艮卩，本发明涵盖了该些修正和变形， 只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内。例如，虽然本发明的一些方面 在此处确定为优选的或特定的优点，可预期本发明无需限制为本发明的这^j尤 选方面。
权利要求
1、一种半导体激光器的制造方法，该半导体激光器包括衬底、晶格调整层、在上覆区和下覆区之间插入的有源波导区、N型接触区和P型接触区，其中该方法包括提供包括AlN或GaN的衬底；在衬底上方形成包括AlwGa1-wN的晶格调整层，其中w＜1；在晶格调整层上方形成包括AlvGa1-vN的下覆区，其中v＜1；在下覆区上方形成Ga(In)N基有源波导区且配置Ga(In)N基有源波导区以发射激光；在有源波导区上方形成包括AluGa1-uN的上覆区，其中u＜1；越过有源波导区使包括GaN或AlGaN的N和P型接触区导电性耦合；以及控制铝含量系数u、v和w以使在晶格调整层中的Al含量为(i)充分大于上覆区和下覆区中的Al含量以保证当形成在晶格调整层上方时上覆区和下覆区呈压缩或未应变的状态，或(ii)小于上覆区和下覆区的Al含量以使当形成在晶格调整层上方时上覆区和下覆区呈拉伸的状态，但其拉伸的程度仅使得拉伸状态中导致的应变不超过上覆区和下覆区的破裂阈值。
2、 如权利要求1戶，的半导##光器的制造方法，其中u、 v和w的各值 大于或近似等于0.08。
3、 如权利要求1戶脱的半导^繊光器的帝隨方法，其中u、 v和w的^f直 为^v>v-0.06且^v〉u-0.06。
4、 如权利要求1所述的半导体激光器的制造方法，其中晶格调整层中的 Al含量充分大于上覆区和下覆区的Al含量以保证当形成在晶格调整层上方时 上覆区和下覆区呈压縮或未应变的状态。
5、 如权利要求1戶脱的半导術敫光器的希隨方法，其中晶格调整层中的 Al含量小于上覆区和下覆区的Al含量以使当形成在晶格调整层上方时上覆区 和下覆区呈拉伸的状态，但其拉伸的程度仅使得拉伸状态中导致的应变不超过 上覆区和下覆区的破裂阈值。
6、 如权利要求1戶皿的半导##光器的制造方法，其中有源波导区包括插入在相对的波导层之间的量子阱增益区。
7、 如权禾腰求6戶脱的半导術敫光器的制造方法，其中量子阱增益区包括GaLylnyN或A^Ga^.ylnyN，其中x为至少近似于0，且y为至少近似于0.05 。
8、 如权利要求6戶脱的半导f機光器的制造方法，其中量子阱增益区包括 GalnN，且相对的波导层包括具有相对的N型和P型导电性的GaN或GalnN。
9、 如权利要求6所述的半导体激光器的制造方法，其中量子阱增益区配置 成魁t波长长于440nm的激光。
10、 如权利要求6所述的半导体激光器的制造方法，其中量子阱增益区配 置成划寸波长在光谱的绿光和蓝光部分中的激光。
11、 如权禾腰求1戶脱的半导術敫光器的制造方法，其中衬底、晶格调整 层、下覆区、有源波导区、上覆区以及N和P型接触区在半导術敫光器中形成 一结构连续体。
12、 如权利要求1所述的半导体激光器的制造方法，其中形成结构连续体 的成分选自Al和Ga。
13、 如权禾腰求1所述的半导体激光器的帝隨方法，其中结构连续体从在 衬底和晶格调整层的界面处的Al基或Ga基连续体转变至赃晶格调整层和下覆 区的界面处的Al和Ga双成分结构连续体，再到在下覆区和有源波导区的界面 处的Ga基连续体。
14、 如权利要求13戶皿的半导術敫光器的制造方法，其中结构连续体进一 步包括 有源波导区和上覆区的Ga基连续体。
15、 如权利要求1所述的半导体激光器的制造方法，其中AlGaN晶格调整 层是非导电的，或AlGaN晶格调整层的至少一部分包括导电性掺杂的AlGaN。
16、 如权利要求1所述的半导体激光器的制造方法，其中晶格调整层直接 形成在A1N或GaN衬底上，且下覆区直接形成在晶格调整层上。
17、 如权利要求1所述的半导体激光器的制造方法，其中A1N或GaN衬底 是基本上纯的单晶A1N或GaN衬底，且晶格调整层是基本上纯的单晶AlGaN。
18、 一种半导体激光器的制造方法，该半导体激光器包括衬底、晶格调整 层、在上覆区和下覆区之间插入的有源波导区、N型接触区和P型接触区，其 中该方法包括提供包括A1N或GaN的衬底；在衬底上方形成包括AlwGai.wN的晶格调整层，其中W<1; 在晶格调整层上方形成包括AlvGai.vN的下覆区，其中V<1; 在下覆区上方形成Ga(In)N基有源波导区且配置Ga(In)N基有源波导区以发 射激光；在有源波导区上方形成包括MuGa,.uN的上覆区，其中u<l; 越过有源波导区使包括GaN或AlGaN的N和P型接触区导电性耦合；以及控制铝含量系数u、 v和w以使u、 v和w的各€^于或约等于0.08，且使 w〉v-0.06且w〉u-0.06。
19、 一种半导##光器，包括衬底、晶格调^层、在上覆区和下覆区之间 插入的Ga(In)N基有源波导区、N型接触区和P型接触区，其中衬底包括細或GaN; 晶格调整层形成在衬底上方且包括AlGaN; 下覆区形成在晶格调整层上方且包括AlGaN; 有源波导区形成在下覆区上方且配置成^M激光；N和P型接触区越过有源波导区导电性i僻禹合且包括GaN或AlGaN;并且晶格调整层的Al含量可表达为AlwGai,N，其中w〈；下覆区的Al含量可皿为AlvGai_vN，其中v〈；并且v和w的各值使得在晶格调整层中的Al含量为(i)充分大于下覆区中的 Al含量以i呆证当形成在晶格调整层上时下覆区呈压縮或未应'变的状态，或(ii) 小于下覆区的Al含量以使当形成在晶格调整层上时下覆区呈拉伸的状态，但其 拉伸的禾體仅使得拉伸状态中导致的应变不超过下覆区的破裂阈值。
20、 如权利要求19戶脱的半导体激光器，其中 上覆区形成在有源波导区上方且包括导电性掺杂的AlGaN; 上覆区的Al含量可表达为AluGai.uN，其中iKl;以及ii和w的各〗直使得在晶格调整层中的Al含量为(i)充分大于上覆区中的 Al含量以保证当形成在晶格调整层上时上覆区呈压縮或未应变的状态，或(ii) 小于上覆区的Al含量以使当形成在晶格调整层上时上覆区呈拉伸的状态，但其 拉伸的禾號仅使得拉伸状态中导致的应变不超处覆区的破裂阈值。
全文摘要
提出了一种Ga(In)N基激光器结构及其相关制造方法，其中Ga(In)N基半导体激光器以避免半导体结构中不适当的拉伸应力所需要的方式形成在AlN或GaN衬底(20)上。根据本发明的一个实施例，Ga(In)N基半导体激光器提供在具有AlGaN晶格调整层(30)的AlN或GaN衬底上，其中激光器的衬底(20)、晶格调整层(30)、下覆区(60)、有源波导区(40)、上覆区(50)以及N和P型接触区(70，60)在半导体激光器中形成一结构连续。公开并要求保护了另外的实施例。
文档编号H01S5/323GK101689749SQ200880017940
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月28日 优先权日2007年5月31日
发明者C-E·扎, D·兹佐夫, J·内皮尔拉, R·巴特 申请人:康宁股份有限公司