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：
专利文献1中记载有Fabry Perot (法布里-珀罗)型的半导体激光二极管。η型半导体层、发光层及P型半导体层在m轴方向积层。η型半导体层包含η型GaN覆盖层及η 型hGaN层，ρ型半导体层包含ρ型GaN覆盖层及ρ型hGaN层。覆盖层与光导层的折射率差为0. 04以上。专利文献2中记载有425nm 450nm发光波长的激光器元件。专利文献3中记载有可改善发光的远视野图像的纵横比的激光器元件。该激光器元件的ρ侧光导层具有条纹状的突起，元件的发光波长在370nm 470nm的范围内。非专利文献1中记载有生长于(11-22)面上的hGaN/GaN多重量子阱构造。利用光泵可获得波长为514nm的发光。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-311640号公报专利文献2 日本特开2002-270971号公报专利文献3 日本特开2001-57460号公报非专利文献非专利文献 1 Anurag et al. Applied Physics Express 1(2008)091103
发明内容
发明要解决的问题业界谋求一种振荡波长为500nm以上的绿色半导体激光器。作为绿色激光器的一例目前有利用第二次高谐波(SHG)的装置。该激光二极管的寿命短，并且耗电高。这是因为其利用自长波长的光朝高能量的短波长的波长变换。业界期望的是一种不必使用该波长变换的绿色激光二极管。氮化镓系半导体发光元件是振荡波长为500nm以上的半导体激光器的候选。根据发明人等的研讨，获知在波长为500nm以上的激光二极管中，使光稳定地停驻于含有活性层与引导层的芯材半导体区域至为重要。波长为500nm以上的激光二极管的迄今为止的构造中，LED模式的光并未稳定地停驻于芯材半导体区域。专利文献1中，为使覆盖层与光导层的折射率差为0. 04以上，仅以InGaN形成光导层。但根据发明人等的见解，将该构造使用于以500nm以上的振荡波长为目标的激光二极管时，阈值电流密度会变得非常高。这使得难以实现具有实用性的激光振荡。另一方面， 该构造虽可适用于紫外400nm左右的激光二极管，但芯材半导体区域与覆盖层的折射率差会因绿色500nm以上的振荡波长而波长分散以致变得不充分。根据发明人等的研讨，在例如500nm以上的波长的区域，应闭入于芯材半导体区域的光在基板具有振幅。
本发明在于提供一种能以低阈值进行激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。用于解决问题的技术手段本发明的一方面为产生490nm以上的波长的光的III族氮化物半导体激光二极管。该III族氮化物半导体激光二极管具备(a)具有半极性或无极性的主面并包含III族氮化物的支撑基体；(b)设置于上述支撑基体上的η型覆盖区域；(c)设置于上述支撑基体上的P型覆盖区域；和(d)设置于上述ρ型覆盖区域与上述η型覆盖区域之间的芯材半导体区域。上述η型覆盖区域包含η型氮化镓系半导体，上述ρ型覆盖区域包含ρ型氮化镓系半导体，上述芯材半导体区域包含第1光导层、活性层及第2光导层，上述活性层设置于上述第1光导层与上述第2光导层之间，上述芯材半导体区域的厚度为0. 5 μ m以上。根据该III族氮化物半导体激光二极管，芯材半导体区域包含第1光导层、活性层及第2光导层，且芯材半导体区域的厚度为0. 5 μ m以上。该构造不会令光逃泄到支撑基体， 可将光闭入于芯材半导体区域内，因此可降低阈值电流。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选的是，上述第1光导层包含第 IGaN层与第IInGaN层，上述第IGaN层设置于上述η型覆盖区域与上述第IInGaN层之间， 上述η型覆盖区域设置于上述第IGaN层与上述支撑基体之间。根据该III族氮化物半导体激光二极管，第1光导层包含GaN层及InGaN层，且第1光导层的GaN层及η型覆盖区域设置于支撑基体与第1光导层的InGaN层之间。从而，可对自支撑基体至活性层的半导体区域，提供对于光闭入良好的折射率分布及芯材半导体区域宽度。此外，本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选的是，上述第2光导层包含第2GaN层与第2InGaN层，上述第2GaN层设置于上述ρ型覆盖区域与上述第2InGaN层之间。根据该III族氮化物半导体激光二极管，因第2光导层的第2GaN层设置于ρ型覆盖区域与第2InGaN层之间，因此不仅是η型覆盖区域侧，在自活性层至ρ型覆盖区域的半导体区域中，可提供对光闭入良好的折射率分布及芯材半导体区域宽度。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选的是，上述第IInGaN层是未掺杂物，上述第IGaN层表示η型，上述第2InGaN层是未掺杂物，上述第2GaN层表示ρ型。该III族氮化物半导体激光二极管中，因第1及第2InGaN层是未掺杂物，因此可避免由掺杂物引起的光吸收。此外，因在第1及第2GaN层添加有各自的掺杂物，因此可降低装置的电阻。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选的是，上述第IGaN层与上述第 2GaN层的厚度之和为450nm以上，上述第IInGaN层与上述第2InGaN层的厚度之和比上述第IGaN层的厚度薄。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可提供低阈值。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述第IGaN层与上述第2GaN 层的厚度之和为550nm以上。根据该III族氮化物半导体激光二极管可提供更低的阈值。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述第IInGaN层的h组成为以上。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可提供更低的阈值。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述η型覆盖区域包含 AlxGa1^xN(0. 03 < X < 0. 10)层。根据该III族氮化物半导体激光二极管，因η型AWaN层设置于支撑基体与活性层之间，因此有利于不令光逃泄到支撑基体而将光闭入于芯材半导体区域。从而，可降低阈值电流。此外，本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述P型覆盖区域包含AlYGai_Yn(0. 03 < Y < 0. 10)层。根据该III族氮化物半导体激光二极管，通过P侧半导体区域的良好的折射率分布及芯材半导体区域宽度，不会令光扩散于支撑基体内，而可将光闭入于芯材半导体区域。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述η型覆盖区域的上述 AlxGa1^xN的Al组成为0. 05以上。该III族氮化物半导体激光二极管的构造可更好地不会令光逃泄到支撑基体而将光闭入于芯材半导体区域。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述P型覆盖区域的上述AlYGai_Yn的Al组成为0. 05以上。根据该III族氮化物半导体激光二极管，因P侧半导体区域的折射率分布更佳，因此光不会逃泄到支撑基体，可将光闭入于芯材半导体区域。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，上述主面的倾斜角可相对于与上述 III族氮化物的C轴正交的基准平面在10度以上80度以下及100度以上170度以下的范围，上述支撑基体包含GaN，上述活性层包含InGaN层。根据该III族氮化物半导体激光二极管可提供GaN的半极性的性质。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述倾斜角相对于上述基准平面在63度以上80度以下及100度以上117度以下的范围内。根据III族氮化物半导体激光二极管，可对于用以实现500nm以上的发光的活性层提供良好的InGaN层。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述活性层以产生波长为 490nm以上510nm以下的范围的光的方式设置，上述芯材半导体区域的厚度在0. 5 μ m以上 1. 5μπι以下的范围内。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可在波长为490nm以上 510nm以下的范围的发光中提供低阈值。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述活性层以产生波长为 500nm以上520nm以下的范围的光的方式而设置，上述芯材半导体区域的厚度为0. 6 μ m以上1. 5 μ m以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可在波长为500nm以上520nm以下的范围的发光中提供低阈值。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，上述第2光导层设置于上述ρ型覆盖区域与上述活性层之间，上述P型覆盖区域及上述第2光导层具有隆脊构造，上述第2光导层包含用以实现上述隆脊构造的隆脊部与邻接于该隆脊部的侧部，上述侧部的厚度为上述隆脊部的厚度的一半以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，通过使用隆脊构造可在波长为500nm以上520nm以下的范围的发光中实现阈值电流。本发明的III族氮化物半导体激光二极管可进一步具备设置于上述隆脊构造上的闭入部。上述闭入部具有比上述第2光导层的折射率小的折射率。根据该III族氮化物半导体激光二极管，闭入部可提供良好的光闭入。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，上述第2光导层的上述侧部的厚度可为IOnm以上，且可为250nm以下。该III族氮化物半导体激光二极管中，当侧部的厚度为IOnm以上时，可保护活性层。此外，当侧部的厚度为250nm以下时，隆脊构造可朝活性层引导电流。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，上述第2光导层的上述侧部的厚度可为IOnm以上，且优选为200nm以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，当侧部的
6厚度为200nm以下时，隆脊构造朝活性层引导电流，而对阈值电流的降低发挥作用。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述闭入部的材料为氧化硅、 氮化硅及氮化铝中的至少任一种。根据该III族氮化物半导体激光二极管，通过使用这些材料，可提供隆脊构造的保护或光闭入。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选的是，上述闭入部埋入上述隆脊构造，上述闭入部的材料包含AlGaN及InMGaN中的至少任一种，上述活性层包含沿着与上述支撑基体的上述主面的法线交叉的平面而延伸的阱层，上述闭入部的c轴的晶格常数在将上述闭入部的该c轴投影于上述平面时，具有第1晶格常数成分D1，上述阱层的c轴的晶格常数在将上述阱层的该c轴投影于上述平面时，具有第2晶格常数成分D2，上述闭入部与上述活性层的阱层的晶格常数差(Dl-D》/D2在3%以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可提供良好的元件寿命。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述闭入部的厚度在50nm以上 500nm以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可提供良好的光闭入及电流闭入。本发明的III族氮化物半导体激光二极管中，优选上述闭入部的厚度在50nm以上 300nm以下。根据该III族氮化物半导体激光二极管，可提供更佳的光闭入及电流闭入。本发明的上述目的及其它目的、特征与优点，根据参照
的本发明的良好实施方式的以下详细记载而更加容易明确。发明效果如以上说明，根据本发明的上述方面，提供可以低阈值进行激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。
图1是概略地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的构造的图。图2是表示实施例的装置构造的图。图3是表示振荡波长500nm附近G90nm 510nm)的芯材半导体区域与振荡阈值的关系的图。图4是表示振荡波长510nm附近(500nm 520nm)的芯材半导体区域与振荡阈值的关系的图。图5是表示实施例的装置构造的图。标号说明11 III族氮化物半导体激光二极管13支撑基体13a 主面13b 背面15 η型覆盖区域17 ρ型覆盖区域19 芯材半导体区域21第1光导层23活性层
25第2光导层D19芯材半导体区域的厚度Nx法线轴NV法线向量VCc轴向量ALPHA 角度31第 IGaN 层33第 UnGaN 层35第 2GaN 层37第 2MGaN 层41ρ型接触层43η型缓冲层47絶缘膜45a阳极电极45b阴极电极50GaN支撑基体51η型GaN缓冲层52η 型 MGaN 覆盖层53η型GaN光导层54未掺杂InGaN光导层55InGaN 活性层56未掺杂InGaN光导层57ρ型GaN光导层58ρ 型 MGaN 覆盖层59ρ型GaN保护层
CLl、CL2 一对劈开面CV激光腔DEV装置LA激发光61GaN支撑基体63外延半导体区域65η 型 MGaN 覆盖层67aη 型 GaN 光导层67b未掺杂MGaN光导层69活性层71b未掺杂hGaN光导层71aρ 型 GaN 光导层73ρ 型 MGaN 覆盖层75ρ型GaN接触层
77隆脊构造79a阳极电极79b阴极电极81闭入部
具体实施例方式本发明的见解可通过参照作为例示而示出的附图并参酌以下的详细记载而容易理解。以下，参照
本发明的III族氮化物半导体激光二极管的实施方式。在可能情形下，对同一部分标注以同一标号。图1是概略地表示本实施方式的III族氮化物半导体激光二极管的构造的图。参照图1说明产生490nm以上的振荡波长的光的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具备支撑基体13、η型覆盖区域15、ρ型覆盖区域17及芯材半导体区域19。支撑基体13包含III族氮化物，III族氮化物可包含例如GaN等。支撑基体13具有半极性或无极性的主面13a及背面13b。III族氮化物的c轴 Cx相对于主面13a而倾斜。η型覆盖区域15可包含η型氮化镓系半导体，例如包含AlGaN、 InAlGaN等。ρ型覆盖区域17可包含ρ型氮化镓系半导体，例如包含AlGaN、InAlGaN等。η 型覆盖区域15及ρ型覆盖区域17设置于支撑基体13的主面13a上。芯材半导体区域19 设置于η型覆盖区域15与ρ型覆盖区域17之间。芯材半导体区域19包含第1光导层21、 活性层23及第2光导层25。活性层23设置于第1光导层21与第2光导层25之间。芯材半导体区域19的厚度D19为0. 5μπι以上。此外，若厚度D 19为0. 6 μ m以上则更佳。根据该III族氮化物半导体激光二极管11，芯材半导体区域19包含第1光导层 21、活性层23及第2光导层25，且芯材半导体区域19的厚度D19为0. 5 μ m以上。该构造不会令光逃泄到支撑基体13，可将光闭入于芯材半导体区域19内，并可因此降低阈值电流。III族氮化物半导体激光二极管11中，活性层23可由单一层构成，或可具有量子阱构造。在必要情形下，量子阱构造可包含交替地排列的阱层及势垒层。阱层可包含hGaN 等，势垒层可包含GaN或InGaN等。在一实施例中，阱层的厚度可为例如3nm，势垒层的厚度可为例如15nm，阱层的数量可为例如3个。活性层23的发光波长可通过阱层的带隙或h 组成及其厚度等进行控制。活性层23可以产生波长为490nm以上510nm以下的范围的光的方式而设置。芯材半导体区域19的厚度D19为0. 5 μ m以上为佳。且厚度D19以在1. 5 μ m以下的范围内为佳。根据该厚度D19的范围，在波长为490nm以上510nm以下的范围的发光中，可获得光的模式稳定性，并因此提供低阈值。或者，活性层23可以产生波长为500nm以上520nm以下的范围的光的方式而设置。芯材半导体区域19的厚度D19以1. 0 μ m以上为佳。且厚度D19以1. 5 μ m以下为佳。 在该厚度D19的范围内，波长为500nm以上520nm以下的范围的发光中，可提供低阈值。η型覆盖区域15可包含三元AlGaN及/或四元InAlGaN。此外，ρ型覆盖区域17 可包含三元AlGaN及/或四元InAlGaN。参照图1，第1光导层21、活性层23及第2光导层25在支撑基体13的主面13a 上沿着法线轴Nx排列。支撑基体13的主面13a的倾斜角由表示法线轴Nx的法线向量NV
9与表示c轴方向的c轴向量VC所形成的角度ALPHA决定。该角度ALPHA相对于与III族氮化物的c轴正交的基准平面Rx可在10度以上80度以下的范围内，或可在100度以上 170度以下的范围内。支撑基体13可为例如GaN，根据该角度范围，可提供GaN的半极性的性质。进而，倾斜角ALPHA以在63度以上80度以下的范围内为佳，或以在100度以上117 度以下的范围内为佳。根据该角度范围，可为实现500nm以上的发光，将较佳的h组成的 InGaN层提供给活性层23。III族氮化物半导体激光二极管11中，第1光导层21可包含第IGaN层31与第 IInGaN层33。InGaN层33的h组成比活性层23内的InGaN阱层的h组成小。第IfeiN 层31设置于η型覆盖区域15与第IInGaN层33之间，第IInGaN层33设置于活性层23与第IGaN层31之间。η型覆盖区域15设置于第1光导层21与支撑基体13之间。根据该构造，可对支撑基体13与活性层23之间的半导体区域，提供对于光闭入良好的芯材半导体区域19的厚度及折射率分布。III族氮化物半导体激光二极管11可进而包含设置于ρ型覆盖区域17上的ρ型接触层41。ρ型接触层41可包含例如GaN、AWaN等。III族氮化物半导体激光二极管11 可进而包含设置于η型覆盖区域15与支撑基体13之间的η型缓冲层43。η型缓冲层43 可包含GaN等。阳极电极4 经由絶缘膜47的开口接触于ρ型接触层41。阴极电极45b 接触于支撑基体13的背面13b。III族氮化物半导体激光二极管11中，第2光导层25可包含第2GaN层35与第 2InGaN层37。InGaN层37的h组成比活性层23内的InGaN阱层的h组成小。第2feiN 层35设置于ρ型覆盖区域17与第2InGaN层37之间。不仅是η型覆盖区域15侧的区域， 在P型覆盖区域17与活性层23之间的半导体层中，也可提供对于光闭入良好的芯材半导体区域19的厚度及折射率分布。III族氮化物半导体激光二极管11中，第IInGaN层33是未掺杂物，且第IGaN层 31的导电型为η型。此外，第2InGaN层37是未掺杂物，且第2GaN层35的导电型为ρ型。 因第1及第2InGaN层33、37是未掺杂物，故可避免由掺杂物引起的光吸收。但是，为获得以低动作电压驱动为目的的低电阻，也可在上述InGaN层中进行掺杂。因在第1及第2GaN 层31、35添加有各自的掺杂物，故可降低第1及第2GaN层31、35的电阻。III族氮化物半导体激光二极管11中，η型覆盖区域15可包含三元AlGaN及/ 或四元IniUGaN。当η型覆盖区域15包含三元AlGaN层组成时，η型覆盖区域15以包含 AlxGagN(0. 03 < X < 0. 10)层为佳。该AlxGagN层的Al组成X大于0. 03。该程度的Al 组成X在获得光导层21与η型覆盖区域15的带隙差的目的上为佳。此外，该AlxGai_xN层的Al组成X以小于0. 10为佳。过大的Al组成使η侧AWaN覆盖层的应变增加。因上述 Al组成范围的η型AWaN层设置于支撑基体13与活性层23之间，故可较佳地使光不在支撑基体13内扩散，可将光闭入于芯材半导体区域19内。从而，可降低阈值电流。进而，η型覆盖区域15的AlxGai_xN的Al组成X以0. 05以上为佳。该覆盖构造可更佳地不会令光在支撑基体13内扩散而使光闭入于芯材半导体区域19。ρ型覆盖区域17可包含三元AlGaN及/或四元InAlGaN。当ρ型覆盖区域17包含三元AlGaN时，ρ型覆盖区域17以包含AlYGai_YN(0. 03<Υ<0. 10)层为佳。该AIyGe^yN 层的Al组成Y大于0. 03。该程度的Al组成Y在获得光导层35与ρ型覆盖区域17的带隙差的目的上为佳。此外，该AIyGjvyN层的Al组成Y小于0. 10。过大的Al组成使AIyGE^yN 层的应变增加。根据上述Al组成范围的ρ型AlGaN层，ρ侧半导体区域的折射率分布良好， 故可较佳地使光不在支撑基体13内扩散而使光闭入于芯材半导体区域19内。进而，ρ型覆盖区域17的AlYGai_YN的Al组成Y以0. 05以上为佳。因ρ侧半导体区域的折射率分布更佳，故可较佳地令光不在支撑基体13内扩散而使光闭入于芯材半导体区域19内。参照图1，芯材半导体区域19可进而包含电子阻挡层27。电子阻挡层27可包含例如AlzGaN1J，该AlzGaNn的Al组成Z比ρ型覆盖区域17的AIyGe^yN层的Al组成Y大。 第2光导层25可进而包含电子阻挡层27。在一实施例中，如图1所示，电子阻挡层27可设置于第2GaN层35与ρ型覆盖区域17之间。或在其它实施例中，电子阻挡层27可设置于第2InGaN层37与第2GaN层35之间。η型覆盖区域15与芯材半导体区域19形成接合39a，具体而言η型覆盖区域15 与第1光导层21形成接合39a。ρ型覆盖区域17与芯材半导体区域19形成接合39b，具体而言，P型覆盖区域17与第2光导层25形成接合39b。第1光导层21与活性层23形成接合39c。活性层23与第2光导层25形成接合39d。第IGaN层31与第IInGaN层33形成接合39e。第2GaN层35与第2InGaN层37形成接合39f。在一实施例中，第IGaN层31的厚度D31与第2GaN层35的厚度D35之和以在 450nm以上为佳。此外，第IInGaN层33的厚度D33与第2InGaN层37的厚度D37之和以薄于第IGaN层31的厚度D31与第2GaN层35的厚度D35之和为佳。根据该构造，在活性层23与支撑基体13之间，可提供良好的芯材半导体区域19的膜厚及折射率分布，从而可降低阈值。进而，第IGaN层31的厚度D31以在550nm以上为佳。且，第2GaN层35的厚度 D35以在550nm以上为佳。从而，可获得更低的阈值。根据该构造，可将长波长的光闭入于芯材半导体区域19。(实施例)在GaN基板51上制造激光器构造。准备η型氮化镓基板。该氮化镓基板的主面具有半极性(20-21)面。使用有机金属气相生长法，在该基板上生长氮化镓系半导体层。作为母体材料的供给气体，使用以下物质三甲基镓(TMG)；三甲基铝(TMA)；三甲基铟(TMI)； 氨(NH3)。此外，作为η型及ρ型的掺杂物使用以下物质娃烷；三甲基镁。以这些为原料生成由以下的膜组成的LD构造η型GaN缓冲层；11型( ) AKiaN覆盖层；nSGaN光导层；未掺杂InGaN光导层；InGaN活性层；未掺杂InGaN光导层；ρ型GaN光导层；ρ型(M)AWaN 覆盖层；P型GaN保护层。制造具有经变更芯材半导体区域的厚度的若干个LD构造的外延基板。利用各外延基板的劈开所制造的装置中，通过观察远场模式(FFP)预估激光振荡的产生及振荡阈值。因此，对各装置自外部照射强的激发光LA，而引起激光振荡。图2所示的装置DEV包含GaN支撑基体50、上述的半导体积层(η型GaN缓冲层51 ;n SAlGaN覆盖层52 ；η型GaN光导层53 ；未掺杂InGaN光导层M ； InGaN活性层55 ；未掺杂InGaN光导层 55 ；ρ型GaN光导层57 ；ρ型AlGaN覆盖层58 ；ρ型GaN保护层59)、一对劈开面CL1、CL2及激光腔CV。通过利用激发光的吸收所生成的载体对的再结合生成光。此光往复于一对劈开面之间的芯材半导体区域而在激光腔引起激光振荡。激发光的强度与对激光振荡必要的阈值相关。图3是表示振荡波长500nm附近G90nm 510歷)的芯材半导体区域与振荡阈值的关系的图。该LD构造的hGaN活性层的h组成为25%。芯材半导体区域的厚度若成为0. 5 μ m左右，则自FFP观察到可稳定某模式的光并将其闭入于芯材，且确认到是以低激发功率(即、低阈值)进行振荡。此外，芯材半导体区域的厚度厚到0.6μπι以上时，可获得充分低的阈值。基于各种实验结果，芯材半导体区域的厚度以在0. 5 μ m 1. 5 μ m以下为佳。图4是表示振荡波长510nm附近(500nm 520nm)的芯材半导体区域与振荡阈值的关系的图。该LD构造的hGaN活性层的h组成为30%。芯材半导体区域的厚度若成为 1. 0 μ m左右，则自FFP观察到可稳定某模式的光并将其闭入于芯材，且确认到是以低激发功率(即、低阈值)进行振荡。基于各种实验结果，芯材半导体区域的厚度以在Ι.Ομπι 1. 5μπι以下为佳。图3及图4所示的阈值特性线表示如下的行为。随芯材半导体区域的厚度的增大， 阈值电流下降。阈值电流在芯材半导体区域某一厚度下取最小值。其后，随芯材半导体区域的厚度增大阈值电流增加。以下表示各种实验的结果。实验结果1。引导层的厚度(μπι)、振荡阈值(相对值)。In0. Q1Ga0 99N 层、GaN 层。0.05、0.25、2.0。0.05、0.45、0.8。0.05、0·60、0·10.05、1.00、0.1。实验结果2。引导层的厚度(μπι)、振荡阈值(相对值)。In0. Q1Ga0 99N 层、GaN 层。0.10、0. 20、3. 0。0.10、0. 40、0. 6。0.10、0.55、0.1。实验结果3。引导层的厚度(μπι)、振荡阈值(相对值)。In0 02Ga0 98NM、GaNM。0.05、0.25、2.0。0.05、0.45、0.1。0.05、0.60、0.1。由上述实验结果可知，引导层的第IGaN层与第2GaN层之和的厚度以在450nm以上为佳。此外，引导层的上述GaN层之和的厚度以在550nm以上更佳。进而，引导层的上述 GaN层的厚度之和在600歷以上尤佳。比较上述实验结果1与2发现，若使InGaN引导层的厚度增加，则阈值下降。这是为使芯材部分的光闭入稳定，InGaN层的厚度以在0.1 μπι以上为佳。此外，InGaN引导层的h组成以在以上为佳。根据本实施方式，可制造低阈值电流且长寿命的激光二极管。本实施方式中，对于并非c面的半极性面(例如(10-1-1)面、(10-1-3)面、(11-22)面等)、非极性m面、非极性a面有效。c面中阻碍500nm的激光振荡的要因为光闭入以外，其原因是由发生于c面特有的活性层的生长方向的压电极化所导致的发光效率下降。另一方面，本实施方式中，虽光导层可为GaN，但作为构成元素以使用含的氮化镓系半导体为佳，此时，可获得更低的阈值。过厚的InGaN层对该层之后的结晶生长产生影响。光导层的至少一部分以添加有控制 η型、ρ型的导电性的掺杂物为佳，从而可减低光导层的电阻。该低电阻在获得以低阈值进行激光振荡的目的上是重要要素之一。但是，光导层的一部分由未掺杂半导体构成也可，为获得更好的结果，未掺杂半导体的引导层以直接包夹活性层为佳。该构造可稳定地实现低阈值。关于覆盖层的材料，若为0. 03 (为获得良好的结果为0. 05)以上0. 10以下的Al 组成的AlGaN，则除高结晶性外还可实现低阈值振荡。当该覆盖层为InMGaM元混晶时，可在GaN基板获得晶格匹配，从而可获得更低阈值下的激光振荡。活性层包含作为构成元素而含有^原子的氮化镓系半导体层为佳。由激光二极管的长寿命的观点，GaN基板、生长于其上的活性层的位错密度以在 IXlO7cnT2以下为佳。绿色500nm以上的激光二极管中，通过令芯材的厚度为0. 6 μ m以上，可稳定将光闭入，并可以低阈值进行绿色激光振荡。为获得500nm左右(绿色)的振荡波长，即使在使用全由InGaN构成的引导层时， 也需要增厚光导层。但是，获得良好的结晶质量的InGaN厚膜并非易事，在切实保持良好的结晶质量的膜厚下若未达必要厚度，则500nm以上的波长的光闭入性减弱，其结果，无法造成激光振荡或振荡阈值电流密度变得非常高。根据发明人等的见解，波长为500nm以上的激光振荡中，将光的模式稳定而使其停驻于由活性层与光导层组成的芯材半导体区域在激光振荡上非常重要。因此，P侧及η侧的光导层与活性层的总厚度对模式稳定性有其重要性。为实现该稳定化，在较覆盖区域更低的折射率的支撑基体降低光的渗出极其重要。为此，不仅是折射系数差，芯材半导体区域的厚度也极其重要。图5是表示实施例的装置构造的图。激光二极管LD中，在GaN支撑基体61的主面61a上形成外延半导体区域63。外延半导体区域63包含n型AlGaN覆盖层65、n型GaN 光导层67a、未掺杂InGaN光导层67b、活性层69、未掺杂InGaN光导层71b、ρ型GaN光导层71a、p型AWaN覆盖层73、p型GaN接触层75。隆脊构造77包含p型GaN光导层71a、 P型AlGaN覆盖层73及ρ型GaN接触层75。在ρ型GaN接触层75上阳极电极79a形成接合，且在GaN支撑基体61的背面61b上阴极电极79b形成接合。提供波长为500nm以上的激光振荡的激光二极管LD中因电流狭窄，而形成图5所示的隆脊构造。隆脊构造77的表面77c除了隆脊构造77的顶面77d以外，由闭入层81被覆。为形成隆脊构造77，利用光刻法在外延基板上形成条纹状的掩膜。形成该掩膜后，通过干蚀刻除去外延基板的P型接触层、P型覆盖层及光导层的至少一部分，而形成隆脊构造77。隆脊构造77包含隆脊部77a 与第1及第2侧部77b。隆脊部77a朝预定的轴方向延伸，且第1及第2侧部77b分别在隆脊部77a的第1及第2侧邻接于隆脊部77a并于预定的轴Ax方向延伸。隆脊部77a位于第1及第2侧部77b之间。隆脊部77a包含顶面77d及侧面77e、77f。侧面77e、77f各自相对于顶面77d倾斜，且相对于侧部77b的主面倾斜。在形成隆脊部之后，在隆脊部77a与第1及第2侧部77b的表面77c上形成闭入部。闭入部也可以埋入隆脊部的方式形成。作为闭入部81的材料使用例如氧化硅。本实施例中，其后，通过剥离法除去掩膜，而在闭入部 81形成开口。从而，相对于隆脊部77a自对准地形成用于电极的开口。顶面77d露出于开口。开口的形成并非限定于剥离法。此后，通过蒸镀法形成P型电极、η型电极。在形成隆脊构造77时，针对上侧的引导层71a制造了各种厚度的激光二极管。例如，以保留较其总厚的一半更厚的上侧引导层71a的方式调整了隆脊构造77的侧部77b的厚度的激光二极管(例如侧部的厚度为400nm)中，相较于无隆脊构造77的激光二极管，振荡阈值电流几乎未减少，为800mA。另一方面，令上侧的引导层71a成为其总厚的一半以下的方式蚀刻的激光二极管中，振荡阈值电流显著减少，成为200mA。若研讨上侧的引导层71a的残留厚度DC与振荡阈值的关系，则上侧的引导层的厚度DC以在IOnm以上250nm以下为佳，以在IOnm以上200nm以下更佳。作为闭入部81的材料，虽使用了氧化硅这样的絶缘体，但也可代替其而使用氮化硅及氮化铝的至少任意一种。这些材料也可提供与氧化硅相同的光闭入的效果。闭入部 81具有较光导层71a的折射率更小的折射率。此外，作为闭入部的材料即使使用AKiaN或 InAKiaN之类的III族氮化物也可获得相同的光闭入的效果。该III族氮化物可具有较ρ 型覆盖层及P型接触层的带隙更大的带隙。将MGaN及InMGaN之类的半导体材料使用于闭入部的激光二极管，相较于使用氧化硅及氮化硅的激光二极管，会获得2倍左右的高元件寿命。其可考虑为因埋入材料用的III族氮化物与活性层的晶格常数相近，且膨胀系数也相近，并可考虑为闭入部的追加几乎不会增加朝活性层的应变的原因。基于该见解，进而进行了实验。包含比镓大的原子半径的铟与比镓小的原子半径的铝的III族氮化物中，可通过Al组成及h组成来调整晶格常数、带隙及折射率。例如调整AlGaN及InMGaN的Al组成及/或h组成，令相对于活性层的折射率降低而获得光闭入性，且可将起因于闭入部与活性层的晶格常数差的活性层的面内应变降低。制造由具有若干种组成的III族氮化物构成的闭入层的激光二极管。它们的面内应变为0. 5%,3%, 10%。这些激光二极管中，绝对值为3%以下的面内应变的激光二极管的可靠性有提高的趋势。面内应变如下规定。利用下式规定闭入部与活性层的阱层的晶格常数差。(Dl-D2)/D20此处，闭入部81用的III族氮化物的c轴的晶格常数在将闭入部81的该c轴投影于基准平面时，具有第1晶格常数成分Dl。活性层69的阱层用的氮化镓系半导体的c轴的晶格常数在将阱层的c轴投影于基准平面时，具有第2晶格常数成分D2。闭入部81的材料的组成以闭入部31与活性层69的阱层的晶格常数差(Dl-拟)/D2成为3%以下的方式进行调整。上述的基准平面交叉于支撑基体61的主面61a的法线Bx，活性层69的阱层沿着上述的基准平面延伸。可以与例如支撑基体61的主面61a平行的方式规定该基准平面。若研讨闭入部81的厚度与振荡阈值的关系，则闭入部81的厚度以在500nm以下为佳，进而以在300nm以下更佳。可考虑为当闭入部81的厚度为50nm以下时，闭入部81所造成的光闭入变得不充分，振荡阈值电流上升。在优选实施方式中图示说明了本发明的原理，但本领域技术人员可知道本发明在未脱离其原理的前提下可变更其配置及细节。本发明并非限定于本实施方式所揭示的特定构成。从而，对出自权利要求及其精神范围的所有的修正及变更，均主张其权利。工业利用性如以上说明，根据本实施方式，提供一种可以低阈值进行激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。
权利要求
1.一种III族氮化物半导体激光二极管，产生490nm以上的波长的光，其具备 具有半极性或无极性的主面并包含III族氮化物的支撑基体；设置于上述支撑基体上的η型覆盖区域； 设置于上述支撑基体上的P型覆盖区域；及设置于上述P型覆盖区域与上述η型覆盖区域之间的芯材半导体区域，上述η型覆盖区域包含η型氮化镓系半导体，上述P型覆盖区域包含P型氮化镓系半导体，上述芯材半导体区域包含第1光导层、活性层及第2光导层，上述活性层设置于上述第1光导层与上述第2光导层之间，上述芯材半导体区域的厚度为0. 5 μ m以上。
2.如权利要求1所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述第1光导层包含第IGaN层与第IInGaN层，上述第IGaN层设置于上述η型覆盖区域与上述第IInGaN层之间， 上述η型覆盖区域设置于上述第IGaN层与上述支撑基体之间， 上述第2光导层包含第2GaN层与第2InGaN层， 上述第2GaN层设置于上述ρ型覆盖区域与上述第2InGaN层之间。
3.如权利要求2所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述第IInGaN层是未掺杂物，上述第IGaN层表示η型， 上述第2InGaN层是未掺杂物， 上述第2GaN层表示ρ型。
4.如权利要求2或3所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述第IGaN层与上述第2GaN层的厚度之和为450nm以上，上述第IInGaN层与上述第2InGaN层之和的厚度比上述第IGaN层的厚度薄。
5.如权利要求2或3所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述第IGaN层的厚度与上述第2GaN层的厚度之和为550nm以上。
6.如权利要求2至5中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述第 IInGaN层的h组成为以上。
7.如权利要求1至6中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述η型覆盖区域包含 AlxGa1^xN (0. 03 < X < 0. 10)层。
8.如权利要求7所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述η型覆盖区域的上述Alx^vxN的Al组成为0. 05以上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述主面的倾斜角相对于与上述III族氮化物的C轴正交的基准平面在10度以上80 度以下及100度以上170度以下的范围内， 上述支撑基体包含GaN， 上述活性层包含hGaN层。
10.如权利要求9所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述倾斜角相对于上述基准平面在63度以上80度以下及100度以上117度以下的范围内。
11.如权利要求1至10中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述活性层以产生波长为490nm以上、510nm以下的范围的光的方式设置，上述芯材半导体区域的厚度在0. 5 μ m以上、1. 5 μ m以下的范围内。
12.如权利要求1至10中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述活性层以产生波长为500nm以上、520nm以下的范围的光的方式设置，上述芯材半导体区域的厚度为0. 6 μ m以上、1. 5 μ m以下。
13.如权利要求1至12中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述第2光导层设置于上述ρ型覆盖区域与上述活性层之间，上述P型覆盖区域及上述第2光导层具有隆脊构造，上述第2光导层包含用以实现上述隆脊构造的隆脊部与邻接于该隆脊部的侧部， 上述侧部的厚度为上述隆脊部的厚度的一半以下。
14.如权利要求13所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 还具备设置于上述隆脊构造上的闭入部，上述闭入部具有比上述第2光导层的折射率小的折射率。
15.如权利要求14所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述第2光导层的上述侧部的厚度为IOnm以上、250nm以下。
16.如权利要求15所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述第2光导层的上述侧部的厚度为IOnm以上、200nm以下。
17.如权利要求14至16中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述闭入部的材料为氧化硅、氮化硅及氮化铝中至少任意一种。
18.如权利要求14至16中任一项所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中， 上述闭入部埋入上述隆脊构造，上述闭入部的材料包含AlGaN及IniUGaN的至少任一种， 上述活性层包含沿着与上述支撑基体的上述主面的法线交叉的平面延伸的阱层， 上述闭入部的c轴的晶格常数在将上述闭入部的该c轴投影于上述平面时，具有第1 晶格常数成分Dl，上述阱层的c轴的晶格常数在将上述阱层的该c轴投影于上述平面时，具有第2晶格常数成分D2，上述闭入部与上述活性层的阱层的晶格常数差(Dl-D2)/D2为3%以下。
19.如权利要求17所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述闭入部的厚度为 50nm以上、500nm以下。
20.如权利要求18所述的III族氮化物半导体激光二极管，其中，上述闭入部的厚度为 50nm以上、300nm以下。
全文摘要
提供一种可以低阈值进行激光振荡的III族氮化物半导体激光二极管。支撑基体(13)具有半极性或无极性的主面(13a)。III族氮化物的c轴(Cx)相对于主面(13a)倾斜。n型覆盖区域(15)及p型覆盖区域(17)设置于支撑基体(13)的主面(13a)上。芯材半导体区域(19)设置于n型覆盖区域(15)与p型覆盖区域(17)之间。芯材半导体区域(19)包含第1光导层(21)、活性层(23)及第2光导层(25)。活性层(23)设置于第1光导层(21)与第2光导层(25)之间。芯材半导体区域(19)的厚度(D19)为0.5μm以上。该构造不会令光逃泄到支撑基体(13)，可将光闭入于芯材半导体区域(19)内，因此可降低阈值电流。
文档编号H01S5/343GK102460866SQ20108002683
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月19日
发明者上野昌纪, 中村孝夫, 京野孝史, 善积祐介, 德山慎司, 池上隆俊, 片山浩二, 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