专利名称：激光器二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及边缘发射式激光器二极管。
背景技术：
近年来，采用氮化物化合物半导体的蓝-紫光激光器二极管被广泛地用作大容量光盘的光源，并且正在开发具有更高输出的极为可靠的装置。然而，在这种类型的边缘发射式激光器二极管中，在NFP(近场图案)的中心发生很强的感应发射，其中在NFP的中心发光强度是最高的。因此，发生了注入NFP中心的载流子非常快速地复合且增益饱和的现象 (烧孔(hole burning))。当这样的烧孔现象发生时，水平横向模式变得不稳定，这导致了在 L-I (光输出-注入电流)特性中扭折水平(kink level)的下降。这样的缺陷不仅发生在增益引导结构的激光器二极管中，而且发生在折射率引导结构(index guide structure) 的激光器二极管中。因此，当扭折水平降低时，无法实现稳定的高输出激光器二极管。作为使水平横向模式稳定的方法，在脊型激光器二极管中采用了两种方法。在第一方法中，通过减小脊条的宽度(电流通道)，载流子从脊条的端部扩散到中间部分，以由此抑制烧孔现象。在第二方法中，通过增加脊侧部的光损失，可以防止高阶水平横向模式具有增益。
发明内容
然而，第一方法具有这样的缺点，通过减小脊条的宽度，驱动电压增加，并且发生跳动。它还有这样的缺点，在制造时难以控制脊条的宽度。另一方面，第二方法具有这样的缺点，在高温和高输出下由于光损失的增加功耗增加，并且由于发热可靠性降低。因此，需要上述方法之外的改善扭折水平的方法，以实现具有稳定水平横向模式的高输出激光器二极管。在相关的公开中，日本特开平9-45989号公报和特开平2000-174342号公报公开了使杂质浓度不均勻的技术。在日本特开平09-45989号公报中，在距有源层次近的覆盖层中，需要3X IO17CnT3以下的低浓度掺杂区域，并且半导体材料限定为AKiaAs。因为日本特开平2000-174342号公报旨在改善不同种类的基板上发光元件的外延层的结晶性，所以要求初始生成的覆盖层(即，距有源层最远的一层)不被掺杂，这与本发明不同。该技术没有取代第一和第二方法，并且没能实现具有稳定水平横向模式的高输出激光器二极管。因此，所希望的是提供在L-I特性方面改进扭折水平且在水平横向模式方面获得稳定高输出的激光器二极管。根据本发明实施例的激光器二极管包括有源层，由包括:3B族元素中的至少镓 (Ga)和5B族元素中的至少氮(N)的氮化物III-V族化合物半导体制成；n型化合物半导体层，提供在有源层的一个表面上；以及P型化合物半导体层，提供在有源层另一个表面上。η 型化合物半导体层中最靠近有源层的区域是高浓度区域，该高浓度区域的杂质浓度高于其它η型区域。
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高浓度区域中的具体杂质浓度范围为3X IO18CnT3至IX IO21CnT3并包括端值。在根据本发明实施例的激光器二极管中，由于η型层中靠近有源层的侧存在高浓度区域，所以抑制了 NFP中心部分的烧孔现象，并且改善了 L-I特性的扭折水平。根据本发明实施例的激光器二极管，通过将η型化合物半导体层中最靠近有源层的区域设定为杂质浓度高于其它η型区域的高浓度区域，改善了 L-I特性的扭折水平，并且实现了具有稳定的水平横向模式的高输出激光器二极管。应当理解的是，前述的总体描述和下面的详细描述二者都是示范性的，并且旨在对如权利要求所述技术的提供进一步说明。
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，其被并入说明书并构成说明书的一部分。附图示出了实施例，并且与说明书一起用于说明本技术的原理。图1是示出根据本发明实施例的激光器二极管的结构的截面图。图2是示出图1的激光器二极管中各η型层的掺杂分布的示意图。图3是示出导带的带分布的示意图。图4是示出扭折水平对脊条宽度的依赖性的示意图。图5是示出修改的激光器二极管的带分布的示意图。
具体实施例方式下面，将参考附图描述本发明的实施方式。描述以下面的顺序给出。1.实施例(蓝-紫光激光器二极管)2.修改[实施例]图1示出了根据本发明实施例的边缘发射式激光器二极管的垂直截面结构。该激光器二极管例如为约400nm的蓝-紫光激光器二极管，并例如用作再现或记录/再现个人计算机或家用游戏机等的BD的激光。该激光器二极管具有这样的结构例如，η型覆盖层 12、η型引导层13、i型引导层14、有源层15、i型引导层16、电子阻挡层17、p型超晶格覆盖层18和ρ侧接触层19依次堆叠在由η型GaN制成的基板11的顶面侧，缓冲层(未示出)设置在基板11和堆叠结构之间。基板11例如由GaN制成，向GaN加入硅(Si)或氧(0)以作为η型杂质。缓冲层的厚度例如为0. 5 μ m并且由η型GaN制成，向缓冲层加入硅(Si)以作为η型杂质。η型覆盖层12例如由厚度为0. 1 μ π!的GaN制成，并且向η型覆盖层12加入η型杂质。η型引导层13例如由厚度为2 μ m的AlGaN (Al含量例如为6. 5 % )制成，并且向η型引导层13加入η型杂质。例如，η型杂质为4族或6族材料，例如硅(Si)、氧(0)、锗(Ge)、 硒(Se)或硫(S)。在该实施例中，在基板11和有源层15之间的各η型层中最靠近有源层15侧的η 型引导层13是高浓度区域，其杂质浓度高于远离有源层15的η型覆盖层12，因此改善了扭折水平。原因将在后面描述。图2示出了基板11、η型覆盖层12和η型引导层13中的η型杂质的浓度分布示例。基板11和η型覆盖层12中的η型杂质浓度约为1 X 1018cnT3，η型引导层13中的η型杂质浓度例如约为1 X IO1W30 η型引导层13的η型杂质浓度高于η型覆盖层12的η型杂质浓度就足够了。优选地，η型引导层13的η型杂质浓度的范围为3X IO18CnT3至lX1021cm_3 且包括端值。当η型引导层13的η型杂质浓度小于3 X IO18CnT3时，显示不出抑制扭折效应的效果。当η型引导层13的η型杂质浓度高于IX IO21CnT3时，形成混晶或者结晶性劣化。 更优选地，η型引导层13的η型杂质浓度的范围为5Χ IO18CnT3至1 X 102°cm_3且包括端值。 在该范围中，能充分地显示出增加掺杂浓度的效果，并且能抑制混晶形成或结晶性劣化。i型引导层14和16具有光学限制的功能。i型引导层14的厚度例如为0. 010 μ m, 并且由没有掺杂杂质的GiiJrvxN(其中χ彡0)制成。有源层15的厚度例如为0.056 μ m 并且具有多量子阱结构，在该多量子阱结构中阱层和阻挡层由组分不同的GiiJrvxN(其中 x^O)制成。i型引导层16的厚度例如为0. 010 μ m，并且由没有掺杂杂质的G Ini_xN(其中 χ彡0)制成。电子阻挡层17的厚度例如为20nm，并且由掺杂镁(Mg)作为ρ型杂质的ρ型 AlGaN(Al含量例如为16% )制成。ρ型超晶格覆盖层18例如具有超晶格结构，在该超晶格结构中交替堆叠掺杂镁(Mg)作为ρ型杂质且厚度为2. 5nm的ρ型AWaN层和掺杂镁(Mg) 作为P型杂质且厚度为2. 5nm的ρ型GaN层。ρ型超晶格覆盖层18可以具有仅包括AlGaN 层或者GaN层的调制掺杂结构。ρ侧接触层19的厚度例如为0.10 μ m，并且由掺杂镁(Mg) 作为P型杂质的P型GaN制成。由ρ型超晶格覆盖层18的一部分和ρ侧接触层19，形成在谐振器方向上延伸的用于电流限制的窄条形的脊20。有源层15中对应于脊20的条形区域是发光区域(电流注入区域)。P侧电极22形成在ρ型超晶格覆盖层18和ρ侧接触层19之上，具有SiO2层 21A和Si层21B的层堆叠结构的埋入层21设置在ρ型超晶格覆盖层18和ρ侧电极22之间。P侧电极22例如具有钯(Pd)、钼(Pt)和金(Au)从ρ侧接触层19侧开始依次堆叠的结构，并且通过之间的P侧接触层19电连接到ρ型超晶格覆盖层18。ρ侧电极22延伸成条形形状以限制电流，有源层15中对应于ρ侧电极22的区域是发光区域。另一方面，η侧电极23形成在基板11的背侧。η侧电极23例如具有钛(Ti)、钼(Pt)和金(Au)依次堆叠的结构并且通过之间的基板11和缓冲层(未示出)电连接到η型覆盖层12。在该激光器二极管中，例如，在ρ侧电极22的纵向方向上彼此面对的一对侧面用作一对谐振器端面。未示出的一对反射器膜形成在谐振器端面对上。该对反射器膜中的一个的反射系数调整为较低，该对反射器膜中的另一个的反射系数调整为较高。通过该构造， 在有源层15中产生的光在该对反射器膜之间往复运动并增强，所得到的增强光从反射器膜之一输出为激光光束。图3示出了激光器二极管的导带的平带示意图。高杂质浓度的η型引导层13的带隙小于低杂质浓度的η型覆盖层12的带隙并大于i型引导层14的带隙。激光器二极管具有SCH(分别限制异质结构)，其中η型引导层13的折射系数高于η型覆盖层12的折射系数。因为载流子的限制和光的限制彼此分开，所以获得稳定的光输出。例如，激光器二极管可以如下制造。首先，制备例如由GaN制成的基板11，并且由上述材料制成的缓冲层在例如 1，050°C的生长温度下通过MOCVD (金属有机化学气相沉积)生长在基板11的表面上。同样在1，050°C的生长温度下，通过MOCVD生长由上述材料制成的η型覆盖层12。其后，通过 M0CVD，依次生长η型引导层13、i型引导层14、有源层15、i型引导层16、电子阻挡层17、p 型超晶格覆盖层18和ρ侧接触层19。η型覆盖层12和η型引导层13的杂质浓度关系如上所述。在进行MOCVD工艺时，例如，三甲基镓((CH3)3Ga)用作镓的材料气体，三甲基铝 (CH3)3Al)用作铝的材料气体，三甲基铟((CH3)3In)用作铟的材料气体。作为氮的材料气体， 采用氨气(NH3)。作为硅的材料气体，采用甲烷硅(SHl4)。作为镁的材料气体，采用双(环戊二烯基)镁((C5H5)2Mg)。随后，没有示出的掩模形成在ρ侧接触层19上。利用该掩模，例如通过RIE (反应离子蚀刻)，选择性去除P侧接触层19和P型超晶格覆盖层18的一部分。通过RIE，P型超晶格覆盖层18的上部和ρ侧接触层19形成为窄条形的脊20。由上述材料制成的埋入层21形成在ρ型超晶格覆盖层18和ρ侧接触层19上。在埋入层21中形成开口以对应于脊20的顶表面，并且形成ρ侧电极22。此外，通过研磨或抛光基板11的背表面，将基板11的厚度设定到例如约100 μ m，其后，η侧电极23形成在基板 11的背表面上。其后，基板11被调整到预定的尺寸，没有示出的反射器膜形成在彼此相对的一对谐振器端面上。结果，完成了图1所示的边缘发射式激光器二极管。在该实施例的激光器二极管中，当预定的电压施加在ρ侧电极22和η侧电极23 上时，电流注入到有源层15中，并且通过电子-空穴的复合产生光。该光由一对反射器膜反射，并且在该对反射器膜之间往复运动，产生激光振荡，所产生的光作为激光光束发射到外部。如上所述，在激光器二极管中，已知的是，控制扭折水平的参数为脊条的宽度(图 1中的W)(电流通道)和从脊侧的有源层到损耗层(图1中的Si层21Β)的距离“d”，并且调整该宽度和距离“d”是有效的。然而，该方法具有驱动电压升高以及功耗增加等缺点。相反，在该实施例中，在各η型层当中靠近有源层15的η型引导层13的杂质浓度被设定为高于远离有源层15的η型覆盖层12的杂质浓度。通过如上所述将靠近有源层15 的η型引导层13的杂质浓度设定得较高，更优选地为η型覆盖层12的杂质浓度的三倍，提高了载流子注入效率，抑制了烧孔现象，从而改善了扭折水平。图4示出了下述情况下对扭折水平的效果(扭折水平对脊条宽度的依赖性)，其中在具有上述结构的激光器二极管中，加入硅(Si)以作为η型覆盖层12和η型引导层13 的η型杂质示例，η型覆盖层12的浓度设定到1 X 1018cnT3，并且η型引导层13的浓度设定到IX IO19CnT3 (图4中的圆形)。作为比较示例，采用这样的情况，其中η型覆盖层12和η 型引导层13 二者的浓度设定到IX IO18CnT3 (图4中的正方形)。由图4可见，与η型层具有均勻的浓度分布的比较示例相比，在η型引导层13设定为高浓度区域的实施例中，即使在脊条的宽度较宽(W = 1.40至1.50 μ m)的情形下扭折水平也得到了改善，实现了稳定的运行。就是说，可以认为，改善了扭折水平，而没有采用现有技术中的诸如使脊条的宽度变窄等措施。在如上所述的实施例中，在各η型层中靠近有源层15的η型引导层13设为高浓度区域，其杂质浓度高于远离有源层15的η型覆盖层12，从而改善了 L-I特性的扭折水平。 因此，实现了具有稳定的水平横向模式的高输出激光器二极管。
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在该实施例中，改善了扭折水平而没有采用现有技术中的诸如使脊条的宽度变窄等方法，从而扩大了生产裕度，并且改善了由抑制扭折效应牺牲的装置特性。另外，在该实施例中，简单地增加一部分η型层的掺杂浓度就足够了，从而实现了本发明而不改变现有技术的制造工艺。尽管在上面已经通过实施例描述了本发明，但是本发明不限于实施例，而是可以进行各种修改。例如，在前述实施例中，靠近有源层15的η型引导层13的带隙设定为小于 η型覆盖层12的带隙。然而，本发明不限于该实施例。如图5的平带示意图所示，靠近有源层15的η型引导层13的带隙可以设定为大于η型覆盖层12的带隙。为了改变带隙大小， 例如改变η型覆盖层12和η型引导层13中包含的铝(Al)的含量就足够了。尽管在前面的实施例中将高浓度区域设定到η型引导层，但是可以不提供引导层，η型覆盖层中靠近有源层侧的部分区域可以设定成高浓度区域。此外，各层的材料不限于前面的实施例。可采用包括:3Β族元素中的至少镓(Ga) 和5Β族元素中的至少氮(N)的其它氮化物III-V族化合物半导体。每层的组分比和厚度、 以及膜形成方法等可相似地改变。例如，尽管在前面的实施例中描述了通过MOCVD形成从缓冲层到P侧接触层19的各层的情况，但是各层可通过另外的金属有机化学气相沉积方法形成，例如HVPE或MBE (分子束外延)等。另外，尽管在前面的实施例中描述了增益引导结构的激光器二极管，但是本发明也可应用于折射率弓I导结构的激光器二极管。本申请包含2010年7月6日提交至日本专利局的日本优先权专利申请JP 2010-153770中公开的相关主题事项，其全部内容通过引用结合于此。本领域的技术人员应当理解的是，在权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。
权利要求
1.一种激光器二极管，包括有源层，由包括3B族元素中的至少镓和5B族元素中的至少氮的氮化物III-V族化合物半导体制成；η型化合物半导体层，提供在所述有源层的一个表面上；以及P型化合物半导体层，提供在所述有源层的另一个表面上，其中在所述η型化合物半导体层中最靠近所述有源层的区域是高浓度区域，该高浓度区域的杂质浓度高于其它η型区域的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的激光器二极管，其中所述高浓度区域中的杂质浓度的范围为 3X IO18Cnr3 至 IXlO21Cm-3 并包括端值。
3.根据权利要求1所述的激光器二极管，其中所述η型化合物半导体层包括η型覆盖层和η型引导层，并且所述η型引导层是高浓度区域。
4.根据权利要求3所述的激光器二极管，其中所述η型引导层的带隙窄于所述η型覆盖层的带隙。
5.根据权利要求3所述的激光器二极管，其中所述η型引导层的带隙大于所述η型覆盖层的带隙。
6.根据权利要求3所述的激光器二极管，还包括位于所述η型引导层和所述有源层之间的未掺杂的i型引导层，其中所述η型引导层的带隙大于所述i型引导层的带隙。
全文摘要
本发明提供一种激光器二极管，该激光器二极管在L-I特性方面具有改善的扭折水平并且在水平横向模式方面能够获得稳定的高输出。该激光器二极管包括有源层，由包括3B族元素中的至少镓(Ga)和5B族元素中的至少氮(N)的氮化物III-V族化合物半导体制成；n型化合物半导体层，提供在有源层一个表面上；以及p型化合物半导体层，提供在有源层的另一个表面上。n型化合物半导体层中的最靠近有源层的区域是高浓度区域，该高浓度区域的杂质浓度高于其它n型区域的杂质浓度。
文档编号H01S5/30GK102315589SQ20111017785
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年7月6日
发明者小幡俊之, 川西秀和 申请人:索尼公司