专利名称：Ⅲ族氮化物半导体激光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种III族氮化物半导体激光二极管。
背景技术：
在专利文献1中公开了振荡波长为500nm以上的法布里_珀罗型半导体激光二极 管。在该半导体激光二极管中，在把非极性面(m面)作为主面的GaN基板上层叠了 η型半 导体层、发光层及P型半导体层。η型半导体层包括η型GaN包层及η型InGaN导光层。P 型半导体层包括P型GaN包层及ρ型InGaN导光层。在专利文献2中公开了振荡波长425nm 450nm的激光元件。在该激光元件中， 在把c面作为主面的GaN基板上层叠了 η型GaN包层、活性层及ρ型包层。在η型包层和 活性层之间、以及P型包层和活性层之间设有GaN导光层。在GaN导光层和活性层之间设 有含In的氮化物半导体层。使用III族氮化物半导体的激光二极管是用于实现例如振荡波长为500nm左右的 长波长的激光二极管的候选品。在这种长波长的激光二极管中，含In的III族氮化物半导 体被用作活性层。并且，在活性层的上下设有由含In的III族氮化物半导体构成的导光层， 以便将光稳定地限制在活性层附近。为了在500nm左右的长波长时获得稳定的振荡模式，例如需要厚度超过IOOnm的 较厚的导光层。但是，如果在例如GaN基板上生长厚厚的由含In的III族氮化物半导体构 成的导光层，并接近临界膜厚，将导致活性层的结晶质量下降。尤其在基板的晶体生长面是 半极性面时，c面作为滑移面而作用，活性层的结晶质量下降明显。并且，为了增大光限制 因子(Γ well)，需要提高导光层的In组分。而如果提高导光层的In组分，则活性层的结晶 质量进一步下降。在专利文献2公开的激光元件中，在把c面作为主面的GaN基板上生长InGaN活 性层等。在这种情况下，如果是能够产生500nm的长波长的光的In组分，由于起因于晶格 常数差异的压电电场，发光效率下降。因此，很难获得长波长的实用的激光二极管。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，在形成于半极性的主面上的长 波长的III族氮化物半导体激光二极管中，抑制活性层的结晶质量下降，并获得稳定的振 荡模式。本发明的一种III族氮化物半导体激光二极管，具有(1) III族氮化物基板，其具 有半极性的主面；(2)第1导电型的第1包层，被设置于III族氮化物基板上，由含Al的III 族氮化物构成；(3)活性层，被设置于第1包层上；(4)第2导电型的第2包层，被设置于活 性层上，由含Al的III族氮化物构成；和(5)导光层，被设置于第1包层和活性层之间以及 第2包层和活性层之间中的至少一方。导光层包括由InxlGai_xlN(0 ^xKl)构成的第1 层；和被设置于第1层和活性层之间且由Irix2Gai_x2N(xl < x2 < 1)构成的第2层。第1及第2层的总厚度大于0. 1 μ m。输出的激光的波长为480nm且以上550nm以下。在振荡波长为480nm以上550nm以下的长波长的III族氮化物半导体激光二极管 中，导光层采用折射率比较高的InGaN比较有效。因为能够将光有效地限制到活性层附近， 获得稳定的振荡模式。但是，如果含InGaN的导光层变厚，则存在如上所述的活性层的结晶 质量下降明显的问题。在上述III族氮化物半导体激光二极管中，导光层包括第1及第2层。位于活性 层侧的第2层的In组分x2比第1层的In组分xl高。这样，可以在导光层内设置In组分 彼此不同的两个层。由此，能够利用In组分高的第2层增强光在活性层附近的限制作用。 而且，能够利用In组分低的第1层抑制活性层的结晶质量下降，增大导光层的厚度。因此， 能够利用厚度大于0. 1 μ m的导光层获得稳定的振荡模式。在使用具有半极性的主面的III 族氮化物基板的情况下，这种效果尤其明显。导光层也可以设在第2包层和活性层之间。并且，III族氮化物半导体激光二极管 也可以具有电子阻挡层。该电子阻挡层也可以设置为将设置于第2包层和活性层之间的导 光层在层厚方向上分割成两部分。在这种情况下，优选电子阻挡层与活性层的间隔为50nm 以上。在上述III族氮化物半导体激光二极管中，III族氮化物基板的主面是半极性面。 在形成于半极性面上(尤其是压电电场为负的半极性面上)的激光二极管结构中，电子不 易泄露到P型半导体侧。因此，能够将电子阻挡层与活性层的间隔扩大为在C面上和非极 性面(m面)上难以实现的50nm以上。由此，能够防止由于电子阻挡层对活性层施加应力 而产生的发光特性下降。并且，通过将电子阻挡层与活性层的间隔扩大为50nm以上，能够 防止电场分布向η型半导体侧的偏移，所以能够有效地降低振荡阈值。第1及第2层的总厚度也可以小于0. 5 μ m。由此，能够提高光限制因子(Γ well)， 所以能够适合实现激光振荡。也可以是第2层的In组分x2满足0. 01 < x2 < 0. 1。通过使In组分x2为0. 01 以上，能够确保足够的折射率。因此，能够提高光限制因子(rwell)，所以能够适合实现激 光振荡。并且，通过使In组分为0. 1以下，能够维持较高的活性层的结晶质量，所以能够提 高发光效率。也可以使第2层的厚度d2(nm)满足下述关系。d2 < -5000Xx2+315(x2 第 2 层的 In 组分)通过使第2层的厚度d2满足这种关系，能够有效地抑制活性层的结晶质量下降， 所以能够充分提高发光效率。III族氮化物基板也可以由InsAl1Ga1^1N(0彡S彡1、0彡T彡1、0彡S+T彡1)。 并且，也可以是，III族氮化物基板的主面以10度以上且小于90度的范围的角度相对于该 InsAlTGai_s_TN晶体的{0001}面或{000-1}面倾斜。在这种情况下，也可以是，III族氮化物 基板的主面以63度以上且小于80度的范围的角度相对于InsAlTGai_s_TN晶体的{0001}面 或{000-1}面倾斜。III族氮化物基板也可以由GaN构成。由此，能够实现良好的结晶质量的外延生 长。III族氮化物基板的主面也可以向InsAlTGai_s_TN晶体的m轴方向倾斜。由此，在导光层及活性层生长时的In的取入效率提高，结果能够获得良好的发光特性。如上所述，根据本发明，在形成于半极性的主面上的长波长的III族氮化物半导 体激光二极管中，能够抑制活性层的结晶质量下降，并获得稳定的振荡模式。
图1 (a)是简要表示本发明的第1实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的 结构的图，图1(b)是将具有量子阱结构的活性层的结构的一部分放大表示的图。图2是表示III族氮化物半导体激光二极管的制造方法的一个实施例中的各半 导体层的生长温度、生长速度、TMGa的流量、TMIn的流量、TMAl的流量及NH3的流量的图表。图3是表示通过实验来确认在改变导光层的第2层的In组分x2及厚度时，是否 能够获得良好的激光振荡(发光效率是否足够)的结果的图表。图4是简要表示第2实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的结构的图。图5是表示改变导光层的厚度并计算光限制因子rwell的结果的图表。图6 (a) 图6(c)是表示在光波导层的厚度为390nm的III族氮化物半导体激光 二极管中，改变振荡波长时的波导光的分布的图表。图7 (a) 图7(c)是表示在光波导层的厚度为490nm的III族氮化物半导体激光 二极管中，改变振荡波长时的波导光的分布的图表。图8 (a) 图8(c)是表示在光波导层的厚度为590nm的III族氮化物半导体激光 二极管中，改变振荡波长时的波导光的分布的图表。
具体实施例方式参照
本发明的实施方式。在尽可能的情况下对相同或类似的部分标注相 同的标号。(第1实施方式)图1 (a)是简要表示本发明的第1实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的 结构的图。参照图1(a)说明输出波长为480nm以上550nm以下的激光的增益导引型的III 族氮化物半导体激光二极管11。III族氮化物半导体激光二极管11具有III族氮化物基板13、设于III族氮化物 基板13上的η型包层15、设于η型包层15上的活性层17、设于活性层17上的ρ型包层19。 III族氮化物基板13由六方晶系半导体InsAlTGai_s_TN(0彡S彡1、0彡T彡1、0彡S+T ( 1) 构成。III族氮化物基板13例如能够由GaN构成。III族氮化物基板13具有半极性的主 面13a和背面13b。III族氮化物晶体的c轴Cx相对于主面13a倾斜。更优选III族氮化 物晶体的c轴Cx向III族氮化物晶体的m轴方向倾斜。η型包层15由含Al的η型(第1 导电型)ΙΙΙ族氮化物构成。η型包层15例如能够由AlGaN、InAlGaN等构成。在本实施方 式中，η型包层15被设为第1包层。ρ型包层19由含Al的ρ型(第2导电型)III族氮化 物构成。P型包层19例如能够由AlGaN、InAlGaN构成。在本实施方式中，ρ型包层19被设 为第2包层。活性层17可以由单一的层构成。或者，活性层17可以具有量子阱结构。在必要的情况下，量子阱结构可以包括交替排列的阱层和势垒层。图1(b)是将具有这种量子阱 结构的活性层17的结构的一部分放大表示的简图。活性层17包括阱层17a、中间层17b 和势垒层17c。阱层17a可以由InGaN等构成。势垒层17c可以由带隙能比阱层17a大的 InGaN或GaN等构成。中间层17b可以由带隙能比阱层17a大的InGaN或GaN等构成。中 间层17b位于阱层17a和势垒层17c之间，由此能够降低III族氮化物半导体激光二极管 11的阈值电压或驱动电压。在一个实施例中，阱层17a的厚度例如可以是3nm，中间层17b的厚度例如可以是 1. lnm，势垒层17c的厚度例如可以是13. 9nm,阱层17a的数量例如可以是3个。活性层17 的发光波长根据阱层17a的带隙、In组分及其厚度等进行控制。活性层17能够设置成为 产生波长为480nm以上550nm以下的范围的光。III族氮化物半导体激光二极管11在η型包层15和活性层17之间具有第1导光 层21。并且，III族氮化物半导体激光二极管11在活性层17和ρ型包层19之间具有第2 导光层23。第1导光层21和第2导光层23是基于下述目的而设置的，即，将光限制到活性 层17附近，使光不会泄露到III族氮化物基板13上，由此降低阈值电流。如图1所示，第1导光层21、活性层17和第2导光层23在III族氮化物基板13的 主面13a上沿着法线轴Nx排列。III族氮化物基板13的主面13a的倾斜角根据角度ALPHA 确定。角度ALPHA是由表示法线轴Nx的法线矢量NV和表示c轴方向的c轴矢量VC形成 的夹角。该角度ALPHA相对于与III族氮化物的c轴正交的基准平面Rx (即{0001面}或 {000-1面})在10度以上且小于90度的范围。或者，角度ALPHA相对于基准平面Rx在大 于90度且170度以下的范围。III族氮化物基板13例如可以是GaN，根据该角度范围，能 够提供GaN的半极性的性质。优选倾斜角ALPHA在63以上且小于80度的范围内，或者大 于100度且117度以下的范围内。根据该角度范围，能够提供适合于活性层17的In组分 的InAlGaN层，以便产生500nm的长波长的光。第1导光层21可以包括第1层31和第2层33。第1层31可以由InxlGa1^xlN(0^x1
<1)构成。第2层32可以由Irix2Gai_x2N(xl < x2 < 1)构成。第1层31被设在η型包层 15上。第2层33被设在第1层31和活性层17之间。第2层33的In组分χ2比第1层 31的In组分xl大，比活性层17内的InGaN阱层的In组分小。在一个实施例中，第1层 31可以由η型GaN构成，第2层33可以由非掺杂InGaN构成。第2导光层23可以包括第1层35和第2层37。第1层35可以由InxlGai_xlN (0^x1
<1)构成。第2层37可以由Irix2Gai_x2N(xl < x2 < 1)构成。第1层35被设在活性层17 上。第2层37被设在活性层17和第1层35之间。第2层37的In组分x2比第1层35 的In组分xl大，比活性层17内的InGaN阱层的In组分小。在一个实施例中，第1层35 可以由P型GaN构成，第2层37可以由非掺杂或ρ型InGaN构成。第1层31与第2层33的总厚度被设定为大于0. 1 μ m，以便获得稳定的振荡模式。 第1层35与第2层37的总厚度也被设定为大于0. 1 μ m，以便获得稳定的振荡模式。第1 层31与第2层33的总厚度被设定为小于0. 5 μ m，以便提高光限制因子(Γ well)，适合实 现激光振荡。第1层35与第2层37的总厚度也被设定为小于0. 5 μ m，以便提高光限制因 子(rwell)，适合实现激光振荡。并且，优选第2层33、37的In组分x2满足0. 01 < x2 < 0. 1。通过使In组分x2为0.01以上，能够确保足够的折射率，所以光限制因子(rwell)提高。因此，能够实现合 适的激光振荡。并且，通过使In组分为0. 1以下，能够维持较高的活性层17的结晶质量， 所以能够提高发光效率。III族氮化物半导体激光二极管11还具有电子阻挡层27。电子阻挡层27被设置 成为将第2导光层23在层厚方向上分割成两部分。在本实施方式中，电子阻挡层27被设 置成为将第2层37在层厚方向上分割成两部分。具体地讲，第2层37被分割成为下层部 分37a和上层部分37b。下层部分37a设于活性层17上。上层部分37b设于下层部分37a 和第1层35之间。电子阻挡层27设于下层部分37a和上层部分37b之间。在一个实施例 中，下层部分37a可以由非掺杂InGaN构成，上层部分37b可以由ρ型InGaN构成。电子阻 挡层27例如可以由AlzGa1=N (0 < ζ < 1)构成，该AlzGa1=N的Al组分ζ比ρ型包层19的 Al组分大。并且，优选电子阻挡层27与活性层17的间隔(在本实施方式中指下层部分37a 的厚度)为50nm以上。在III族氮化物半导体激光二极管11中，第1层31、35以及第2层37的上层部 分37b是η型或ρ型，而第2层33和第2层37的下层部分37a是非掺杂。这样，由于与 活性层17相邻的第2层33和下层部分37a是非掺杂，所以能够避免因掺杂剂造成的光吸 收。但是，由于是以低动作电压驱动为目的而设为低电阻，所以也可以在这些层33、37a中 掺杂。在第1层31、35以及上层部分37b添加了各自的掺杂剂，所以能够降低这些层31、35 及37b的电阻。III族氮化物半导体激光二极管11还具有设于ρ型包层19上的ρ型接触层 (Contact layer)41。ρ型接触层41例如可以由GaN、AlGaN等构成。阳极电极45a通过绝 缘膜47的开口与ρ型接触层41接触。阴极电极45b与III族氮化物基板13的背面13b 接触。说明优选的实施例，η型包层15的厚度为2000nm，Al组分为0. 04。第1导光层21 的第1层31的厚度为lOOnm，In组分xl为0 (即GaN)。第2层33的厚度为115nm，In组 分x2为0. 02。第2导光层23的第1层35的厚度为lOOnm，In组分xl为0 (即GaN)。第 2导光层23的第2层37的下层部分37a和上层部分37b的厚度分别为65nm、50nm，In组 分x2都是0. 02。电子阻挡层27的厚度为20nm，Al组分ζ为0. 18。ρ型包层19的厚度为 400nm,Al组分为0. 06。ρ型接触层41的厚度为50nm。阳极电极45a由Ni/Au构成。阴极 电极45b由Ti/Al/Au构成。在该实施例中，振荡波长为497nm，阈值电流为1. 4A。另外，说明另一个优选的实施例，η型包层15、电子阻挡层27、ρ型包层19及ρ型 接触层41的厚度和组分与上述情况相同。并且，第1导光层21的第1层31、以及第2导光 层23的第1层35的厚度都是250nm，In组分xl与上述情况相同。第1导光层21的第2 层33及第2导光层23的第2层37的厚度与上述情况相同，它们的In组分x2都是0. 03。 在该实施例中，振荡波长为520nm，阈值电流为4A。具有上述结构的III族氮化物半导体激光二极管11例如通过下面的方法制造。 首先，准备作为III族氮化物基板13的晶片。该晶片的主面具有半极性面。然后，使用有 机金属气相生长法，在晶片上依次生长作为η型包层15的η型Alatl4GaN层、作为第1导光 层21的第1层31的η型GaN层、作为第2层33的非掺杂Inatl2GaN层、作为活性层17的 InGaN多量子阱层、作为第2导光层23的第2层37的下层部分37a的非掺杂Inatl2GaN层、
7作为电子阻挡层27的ρ型Ala 18GaN层、作为第2导光层23的第2层37的上层部分37b 的P型Inatl2GaN层、作为第2导光层23的第1层35的ρ型GaN层、作为ρ型包层19的ρ 型Alatl6GaN层、以及作为接触层41的ρ+型GaN层。另外，作为用于生长这些半导体层的主体材料的供给气体，可以采用三甲基镓 (TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)及氨气(NH3)。并且，作为η型和ρ型的掺杂剂， 可以采用硅烷及双环戊二烯镁。图2是表示一个实施例中的各半导体层的生长温度(度)、 生长速度(埃/分)、TMGa的流量(μ mol/分)、TMIn的流量(μ mol/分)、TMAl的流量 (ymol/分)、以及NH3的流量(标准升/分slm)的图表。说明本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管11的作用及效果。在振荡波 长为480nm以上550nm以下的长波长的III族氮化物半导体激光二极管中，导光层采用折 射率比较高的InGaN比较有效。因为能够将光强力地限制在活性层附近，获得稳定的振荡 模式。但是，如果包括InGaN的导光层变厚，则存在活性层的结晶质量下降明显的问题。在本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管11中，第1导光层21包括第1 层31和第2层33，第2导光层23包括第1层35和第2层37。位于活性层17侧的第2层 33、37的In组分x2比第1层31、35的In组分xl高。这样，通过在第1导光层21和第2 导光层23内设置In组分不同的两个层，能够通过In组分高的第2层33、37增强光在活性 层17附近的限制作用。同时，能够通过In组分低的第1层31、35抑制活性层17的结晶质 量下降，增大导光层21、23的厚度。因此，能够利用厚度大于0. 1 μ m的导光层21、23使振 荡模式稳定。并且，在使用具有半极性的主面的III族氮化物基板13的情况下，这种效果 尤其明显。另外，在本实施方式中，第1导光层21设置在η型包层15和活性层17之间。并 且，第2导光层23设置在活性层17和ρ型包层19之间。但是，当只在η型包层15和活性 层17之间以及活性层17和ρ型包层19之间中任一方设置导光层的情况下，也能够发挥上 述效果。说明在改变导光层21、23的第2层33、37的In组分χ2及厚度时，激光振荡是否 良好(发光效率是否足够)的实验结果。图3是表示该结果的图表。纵轴表示第2层33、 37的厚度(第2层37指下层部分37a与上层部分37b的厚度之和)。横轴表示第2层33、 37的In组分x2。图中的标记〇表示能够获得良好的激光振荡。标记X表示不能获得良 好的激光振荡。在该实验中，第1层31、35的厚度是lOOnm。如图3所示，在第2层33、37的In组分x2是0. 04的情况下，在厚度是65nm时， 激光振荡良好。但是，在厚度是115nm时，活性层17的结晶质量被破坏，所以激光振荡不 好。并且，在In组分x2是0. 03的情况下，在厚度是115nm时，激光振荡也良好，但在厚度 是165nm时，激光振荡不好。并且，在In组分x2是0. 02的情况下，在厚度是165nm时，激 光振荡良好，但在厚度是215nm时，激光振荡不好。根据该结果得知，通过使第2层33、37 的厚度d2(nm)满足下述关系(图3中的直线A)，能够有效地抑制活性层17的结晶质量下 降，能够实现足够的发光效率。d2 < -5000Xx2+315并且，更优选使第2层33、37的厚度d2 (nm)满足下述关系，由此能够有效地抑制 活性层17的结晶质量下降，能够实现足够的发光效率。
d2 彡-5000Xx2+265像本实施方式这样，III族氮化物半导体激光二极管11也可以具有为了将第2导 光层23在层厚方向上分割成两部分而设置的电子阻挡层27。电子阻挡层27与活性层17 的间隔为50nm以上。III族氮化物基板13的主面13a是半极性面。在形成于半极性面上(尤其是压电 电场为负的半极性面上)的激光二极管结构中，活性层与电子阻挡层之间的导带的有效能 带差(Band offset)变大，所以电子不易泄露到ρ型半导体侧。因此，能够将电子阻挡层27 与活性层17的间隔扩大为在c面上和非极性面(m面)上难以实现的50nm以上。由此，能 够防止由于电子阻挡层27对活性层17施加应力而产生的发光特性下降。并且，通过将电 子阻挡层27与活性层17的间隔扩大为50nm以上，能够防止电场分布向η型半导体侧的偏 移，所以能够有效地降低振荡阈值。并且，像本实施方式这样，III族氮化物基板13的主面也可以沿InsAlTGai_s_TN晶 体的m轴方向倾斜。由此，在生长导光层21、23及活性层17时的In的取入效率提高。结 果，能够获得良好的发光特性。(第2实施方式)下面，说明本发明的第2实施方式的III族氮化物半导体激光二极管。图4是表 示本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管12的结构的简图。该III族氮化物半导 体激光二极管12与第1实施方式相同，也具有输出波长为480nm以上550nm以下的激光的 增益导引型的结构。III族氮化物半导体激光二极管12具有III族氮化物基板13、设于III族氮化物 基板13上的η型包层(第1包层)15、设于η型包层15上的活性层17、设于活性层17上 的P型包层(第2包层)19。并且，III族氮化物半导体激光二极管12在η型包层15和活 性层17之间具有第1导光层21。III族氮化物基板13、η型包层15、活性层17、ρ型包层 19及第1导光层21的结构与第1实施方式相同，所以省略它们的具体说明。并且，III族 氮化物半导体激光二极管12在以下方面也与第1实施方式相同。III族氮化物半导体激光 二极管12具有设于ρ型包层19上的ρ型接触层41。阳极电极45a通过绝缘膜47的开口 与P型接触层41接触。阴极电极45b与III族氮化物基板13的背面13b接触。本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管12在活性层17和ρ型包层19之 间具有第2导光层25。第2导光层25是基于下述目的而设置的，即，将光限制在活性层17 附近，使光不会泄露到III族氮化物基板13上，由此降低阈值电流。第2导光层25可以包括第1层35和第2层39。第1层35可以由InxlGai_xlN (0^x1 < 1)构成。第2层39可以由Irix2Gai_x2N(xl < x2 < 1)构成。第1层35被设在活性层17 上。第2层39被设在活性层17和第1层35之间。第2层39的In组分x2比第1层35的 In组分xl大，比活性层17内的InGaN阱层的In组分小。在一个实施例中，第1层35由ρ 型GaN构成，第2层39由非掺杂InGaN构成。第1层35与第2层39的总厚度被设定为大于0. 1 μ m，以便获得稳定的振荡模式。 第1层35与第2层39的总厚度被设定为小于0. 5 μ m，以便提高光限制因子(Γ well)，实 现合适的激光振荡。优选第2层39的In组分x2满足0. 01 < x2 < 0. 1。通过使In组分x2为0. 01以上，能够确保足够的折射率，所以能够提高光限制因子(rwell)。因此，能够实现合适的 激光振荡。并且，通过使In组分为0. 1以下，能够维持较高的活性层17的结晶质量，所以 能够提高发光效率。III族氮化物半导体激光二极管12还具有电子阻挡层29。电子阻挡层29被设置 成为将第2导光层25在层厚方向上分割成两部分。在本实施方式中，电子阻挡层29被设 置在第1层35和第2层39之间。电子阻挡层29例如可以由AlzGai_zN(0 < ζ < 1)构成。 该AlzGai_zN的Al组分ζ比ρ型包层19的Al组分大。并且，优选电子阻挡层29与活性层 17的间隔(在本实施方式中指第2层39的厚度)为50nm以上。关于优选的实施例，说明与第1实施方式的不同之处，第1导光层21的第2层33 的厚度是65nm，In组分x2是0. 03。第2导光层25的第2层39的厚度是65nm，In组分x2 是0. 03。在该实施例中，振荡波长是520nm。在本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管12中，第1导光层21包括第1 层31和第2层33，第2导光层25包括第1层35和第2层39。位于活性层17侧的第2层 33,39的In组分x2比第1层31、35的In组分xl高。由此，能够通过In组分高的第2层 33,39增强光在活性层17附近的限制作用。同时，能够通过In组分低的第1层31、35抑制 活性层17的结晶质量下降，增大导光层21、23的厚度。因此，能够利用厚度大于0. 1 μ m的 导光层21、23获得稳定的振荡模式。并且，在使用具有半极性的主面的III族氮化物基板 13的情况下，这种效果尤其明显。在本实施方式中，第1导光层21设置在η型包层15和活性层17之间。并且，第 2导光层25设置在活性层17和ρ型包层19之间。但是，当只在η型包层15和活性层17 之间以及活性层17和ρ型包层19之间中任一方设置导光层的情况下，也能够发挥上述效^ ο这里，说明把导光层21、23的第2层33、39的厚度设为固定(65nm)，通过改变第 1层31、35的厚度来改变导光层21、25的厚度，并计算光限制因子rwell的结果。图5是 表示该结果的图表。纵轴表示光限制因子rwell%。横轴表示导光层21、25的厚度(nm)。 并且，在图中绘制的点表示通过计算求出的光限制因子rwell的值。曲线B表示其近似曲 线。该III族氮化物半导体激光二极管12的振荡波长是520nm。如图5所示，随着导光层21、25的厚度变厚，光限制因子Γ well下降。并且，在导 光层21、25的厚度为0. Iym以下时，光限制因子Γ well比较高，但是光泄露到III族氮化 物基板13上，所以振荡模式不稳定。另一方面，在导光层21、25的厚度为0. 5μ m以上时， 光限制因子rwell低于2%，所以难以实现良好的激光振荡。由此得知，优选导光层21、25 的厚度为大于0. 1 μ m小于0. 5 μ m。另外，图6 图8是表示在按照上面所述改变导光层21、25的厚度、并改变振荡波 长时的光波导的分布的图表。在图6 图8中，纵轴表示光强度。横轴表示III族氮化物半 导体激光二极管12的厚度方向位置。区间Cl表示光波导层(导光层21、25及活性层17) 的范围。区间C2表示III族氮化物基板13的范围。图6(a) 图6(c)表示光波导层的厚 度为390nm的情况。图7 (a) 图7(c)表示光波导层的厚度为490nm的情况。图8 (a) 图8 (c)表示光波导层的厚度为590nm的情况。并且，图6 (a)、图7 (a)和图8(a)表示振荡 波长为480nm的情况。图6 (b)、图7 (b)和图8 (b)表示振荡波长为500nm的情况。图6 (c)、图7(c)和图8(c)表示振荡波长为520nm的情况。在光波导层的厚度较薄为390nm的情况下，在振荡波长达到500nm以上的长波长 时，如图6 (b)和图6 (c)所示，光不能被限制在光波导层内，所以在III族氮化物基板13 (区 间C2)中振荡模式稳定。但是，在振荡波长为480nm时，如图6(a)所示，能够将光有效地限 制在光波导层内(区间Cl)。此时的光限制因子rwell是3. 10。并且，在光波导层的厚度为490nm的情况下，在振荡波长达到520nm以上时，如图 7(c)所示，在III族氮化物基板13(区间C2)中振荡模式稳定。但是，在振荡波长为500nm 以下时，如图7(a)和图7(b)所示，能够将光有效地限制在光波导层内(区间Cl)。此时的 光限制因子rwell是2. 94(波长480nm)及2. 74(波长500nm)。在光波导层的厚度为590nm的情况下，如图8(a) 图8(c)所示，在振荡波长为 480 520nm的范围内，能够将光有效地限制在光波导层内(区间Cl)。此时的光限制因子 Γ well 是 2. 82 (波长 480nm)、2. 62 (波长 500nm)及 2. 45 (波长 480nm)。根据以上结果得知，在振荡波长越长时，光越从光波导层泄露，所以在III族氮化 物基板13中具有振荡模式容易变稳定的趋势。并且，针对这种现象，通过使光波导层(光 波导层21、25及活性层17)变厚，在光波导层内能够容易使振荡模式稳定。
权利要求
一种III族氮化物半导体激光二极管，具有III族氮化物基板，其具有半极性的主面；第1导电型的第1包层，被设置于所述III族氮化物基板上，由含Al的III族氮化物构成；活性层，被设置于所述第1包层上；第2导电型的第2包层，被设置于所述活性层上，由含Al的III族氮化物构成；和导光层，被设置于所述第1包层和所述活性层之间以及所述第2包层和所述活性层之间中的至少一方，所述导光层包括由Inx1Ga1 x1N构成的第1层，其中0≤x1＜1；和被设置于所述第1层和所述活性层之间且由Inx2Ga1 x2N构成的第2层，其中x1＜x2＜1，所述第1层和第2层的总厚度大于0.1μm，输出的激光的波长为480nm以上且550nm以下。
2.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述导光层至少被设置在所述第2包层和所述活性层之间，所述III族氮化物半导体激光二极管还具有电子阻挡层，被设置为将设置于所述第2 包层和所述活性层之间的所述导光层在层厚方向上分割成两部分。
3.根据权利要求2所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述电子阻挡层与所述活性层的间隔为50nm以上。
4.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述第1层和第2层的总厚度小于0. 5 μ m。
5.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述第2层的In组分x2满足0. 01 ≤ x2 ≤0. 1。
6.根据权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述第2层的厚度d2(nm)满足下述关系d2 < -5000Xx2+315，其中x2为所述第2层的In组分。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述111族氮化物基板由InsAl1Ga1^1N构成，其中0≤S≤1，0≤T≤1，0≤S+T≤1， 所述III族氮化物基板的所述主面以10度以上且小于90度的范围的角度相对于该InsAlTGai_s_TN 晶体的{0001}面或{000-1}面倾斜。
8.根据权利要求7所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，所述III族氮化物基板的所述主面以63度以上且小于80度的范围的角度相对于所述 InsAlTGai_s_TN 晶体的{0001}面或{000-1}面倾斜。
9.根据权利要求7所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 所述III族氮化物基板由GaN构成。
10.根据权利要求7所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，所述III族氮化物基板的所述主面向所述InsAlTGai_s_TN晶体的m轴方向倾斜。
全文摘要
一种形成于半极性的主面上的长波长的III族氮化物半导体激光二极管，抑制活性层的结晶质量下降，并获得稳定的振荡模式。III族氮化物半导体激光二极管(11)具有III族氮化物基板(13)，其具有半极性的主面(13a)；n型包层(15)，由含Al的III族氮化物构成；活性层(17)；p型包层(19)，由含Al的III族氮化物构成；第1导光层(21)，设置于n型包层和活性层之间；第2导光层(23)，设置于p型包层和活性层之间。导光层(21、23)包括由GaN构成的第1层(31、35)和由InGaN构成的第2层(33、37)，各导光层中的第1及第2层的总厚度大于0.1μm。
文档编号H01S5/20GK101958511SQ20101022891
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者上野昌纪, 京野孝史, 住友隆道, 善积祐介, 德山慎司, 盐谷阳平, 秋田胜史, 足立真宽 申请人:住友电气工业株式会社