专利名称：具有偏离有源区的错配位错的GaN基激光二极管的制作方法
具有偏离有源区的错配位错的GaN基激光二极管
要求在先提交的美国申请的权益
本申请要求2010年5月28日提交的美国申请系列第12/789，936号的权益。此文件的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文件的所有内容都通过参考结合入本文中。
背景
GaN基激光器往往生长在GaN衬底的极性面上，这带来了强内场，该强内场会妨碍发光所需的电子-空穴复合。非极性面如m面和a面可用来消除这些场。GaN衬底也可沿着半极性晶面切割，产生弱得多的内场，并可在有源区形成高铟浓度，这可使发射波长延伸至绿光。本公开的具体实施方式
涉及在GaN衬底的20^[晶面上的生长，在此情况下，可称GaN衬底限定了 20 晶体生长面。
简要概述
本发明人认识到，在半极性GaN衬底上生长的长波长发光器件能够表现出提高的辐射效率。例如，高效绿光激光二极管可在半极性2(^1 GaN衬底上生长，即使在高In组成的情况下也能得到均匀的GaInN量子阱。本发明人还认识到，在这种器件中，由于GaN与 InN之间或GaN与AlN之间的大晶格失配，在GaN衬底上生长的异质外延GaInN和GaAlN层通常要承受显著的机械应力。更具体地，错配应变能在异质外延层生长期间累积起来，若层厚度超过该层的应变弛豫临界值，则会因产生错配位错而发生塑性弛豫。在半极性GaN衬底上生长应变层时产生的这些错配位错可以是非辐射复合的位置，若错配位错形成于有源区内或靠近有源区，则会降低激光器的性能。根据本公开的主题，对GaN基激光二极管进行设计，使错配位错发生在远离有源区的 地方。
根据本公开的一个实施方式，提供一种GaN基边缘发射激光器，该激光器包含半极性GaN衬底、有源区、N侧波导层、P侧波导层、N型包覆层和P型包覆层。GaN衬底的特征是穿透位错密度(threading dislocationdensity)约为IxlO6/cm2。N侧波导层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值。此外，对弛豫的N侧波导层上的生长所计算的有源区的累计应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。结果，N型包覆层与N侧波导层之间的N侧界面包含一组N侧错配位错，而P型包覆层与P侧波导层之间的P侧界面包含一组P侧错配位错。 本文还描述了其他的实施方式，并要求专利保护。
当结合以下附图阅读下面对本公开的具体实施方式
的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的编号表示，其中
图1显示了根据本发明的一个实施方式的GaN边缘发射激光器；以及
图2显示了为图1所示的GaN边缘发射激光器构思的许多变化形式之一。
具体实施方式
综合参考图1和2，本公开的GaN边缘发射激光器100、100’包含半极性GaN衬底10、缓冲层15、有源区20、N侧波导层30、P侧波导层40、N型包覆层50和P型包覆层60。 GaN衬底10可限定2021或其他半极性晶体生长面，其特征是穿透位错密度约为lX106/cm2， 即大于IxlOVcm2但小于lxl07/cm2。如图1和2所示，有源区20介于N侧波导层30与P侧波导层40之间，并基本上平行于这两个层延伸。N型包覆层50介于N侧波导层30与GaN 衬底10之间。P型包覆层60在P侧波导层40上形成。
本领域已有完整记录的马修斯-布莱克斯利(Matthews-Blakeslee)平衡理论对应变异质外延层开始发生错配位错的临界厚度提供了预测。根据该理论，如果层厚度超过该层的马修斯-布莱克斯利临界厚度，就会因产生错配位错而发生弛豫。此厚度与层中应变的数学乘积在本文中称作该层的应变-厚度积。
作为图示而非限制，参见图1和2，对于根据本公开的GaN边缘发射激光器100、 100’，N侧波导层30的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值例如但不限于约10%。结果，N 型包覆层50与N侧波导层30之间的N侧界面将包含一组N侧错配位错75，该N侧界面可包含N侧界面层70。此外，有源区20中每个层的应变-厚度积以及整个有源区20的累计应变-厚度积小于应变弛豫临界值，该累计应变-厚度积是激光器100、100’的整个有源区 20中每个层的应变-厚度积之和。对于有源区，在计算临界厚度时，应假定它生长在弛豫的 N侧波导层上。
P侧波导层40的平均晶格常数接近于N侧波导层30的平均晶格常数。结果，在有源区20和P侧波导层40的生长过程中不再累积应变，因此没有发生更多的应变弛豫。P侧波导层有可能具有复杂的结构。例如，它不一定是用具有特定的In浓度的单一本体InGaN 层制成。在这种情况下，可以设想这样生长P侧波导层40，也就是使得对于在弛豫的N侧波导层上的生长，所计算的P侧波导层40和有源区20的累计应变-厚度积均小于其应变弛豫临界值。
然而，当P型包覆层60在P型波导层40顶部生长时，P型包覆层可能发生应变。 与上述N侧界面的情况类似，P侧 界面可包含位于P型包覆层60与P侧波导层40之间的 P侧界面层80，并且将包含一组P侧错配位错85。所得到的GaN基激光器结构仅在离有源区20较远的位置包含错配位错。
虽然本公开的主题主要是就图1和2所示的GaN边缘发射激光器100、100’的结构讨论的，但可以设想，本公开的理念同样适用于制造本公开的GaN边缘发射激光器的方法。 例如，如图1和2所示，N侧错配位错75往往在N侧界面层70的靠近N型包覆层的一侧形成。类似的，P侧界面层80可设计得足够薄，以便在界面层80的与P型包覆层60交界的一侧产生P侧错配位错85。
N侧界面层70和P侧界面层80可包含与半极性GaN基激光器相容的任何类型的生长层。例如，界面层70、80可包含在相应的下层上生长的过渡层，用来使下层变得平滑， 并在生长过程中使得更容易向后续生长层的材料过渡。更具体地，在一个设想的实施方式中，N侧界面层70包含处于压缩状态的N型GaN过渡层，并对层70加以设计，使得N侧界面层70的应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。类似的，P侧界面层80可包含P型GaN过渡层。
在图1和2中，尽管本发明人设想了各种常规的或者待开发的有源区来补充本公开的内容，但有源区20可包含单一量子阱或多周期量子阱(包括压缩应变量子阱)和拉伸势垒层，它们在图1和2中仅示为重复层，并且为了保持简洁而未按比例显示。在一个实施方式中，有源区20包含含有GaInN量子阱的单一量子阱或多周期量子阱结构以及AlGaInN 势垒层。在此情况下，可将N侧波导层30构造成GaInN波导层，可将GaInN量子阱的In含量调节至大于N侧GaInN波导层30的In含量，并且AlGaInN势垒层的In含量小于N侧 GaInN波导层的In含量。例如,在一个实施方式中,有源区的In含量约大于20%。
在任何情况下，可以设想，压缩应变量子阱和拉伸势垒层各自的应变-厚度积优选小于该层的应变弛豫临界值。在许多情况下，优选确保量子阱的压缩应变-厚度积大致等于势垒层的拉伸应变-厚度积。还可以设想，可对有源区20、N侧波导层30和P侧波导层40加以选择，以限定基本连贯的晶格常数区，该晶格常数区的特征在于晶格匹配度相对于激光器结构的其余部分提高了。
通常对P侧波导层40和N侧波导层30各自的组成加以选择，使它们在弛豫状态下具有彼此较为接近的晶格周期——至少在发生弛豫的方向上如此。虽然不作要求，但N 侧波导层30往往至少与P侧波导层40 —样厚，不过应当理解，N侧波导层30可以做得比P 侧波导层更薄或更厚，只不过更厚的N侧波导层30常常有助于在本公开所设想的波导结构中获得更低的损耗。如图所示，P侧波导层40通常包含例如GaInN的本体波导结构。相比之下，N侧波导层30可包含GaInN本体波导层(参见图2)或超晶格波导层(参见图1)。在任何情况下，往往优选确保各波导层30、40具有平均In浓度大致相等的特征。
N型包覆层50和P型包覆层60可包含GaN、AlGaN或AlGaInN的本体晶体，如图 2中的示意图所示，或者包含AlGaN/AlGaN或AlGaN/GaN的超晶格，如图1中P型包覆层60 的示意图所示。在包覆层50和60中使用Al可减小包覆层的折射率，有助于加强光学限制作用。在P型包覆层60和/或N型包覆层包含Al的情况下，通常较佳的是，确保该层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值例如但不限于至少约10%。
在图1所示的本公开的实施方式中，GaN边缘发射激光器100包含位于有源区20 上方和下方的电流阻挡层90，也就是位于有源区20与相应的N侧和P侧波导层30、40之间。仅在有源区20上方设置阻挡层90通常就足够了。不管在哪种情况下，阻挡层90可包含AlGaN电流阻挡层 。这些阻挡层90往往处于拉伸应变下，并且在许多情况下，较佳的是确保它们具有应变-厚度积小于阻挡层90的相应应变弛豫临界值的特征。
如上文所指出，有源区(包括阻挡层以及η侧与P侧波导层之间的附加层)的应变-厚度积应足够小，以免发生弛豫。此外，此区内的每个层应足够薄，不发生弛豫。
GaN基激光器往往生长在GaN衬底的极性面上，这带来了强内场，该强内场会妨碍发光所需的电子-空穴复合。非极性面如m面和a面可用来消除这些场。GaN衬底也可沿着半极性晶面切割，产生弱得多的内场，并可在有源区形成高铟浓度，这可使发射波长延伸至绿光。本公开的具体实施方式
涉及在GaN衬底的2021晶面上的生长，在此情况下，可称 GaN衬底限定了 2021晶体生长面。
还应指出，对于某些衬底取向，前述弛豫仅沿着GaN衬底的单向滑移面发生。在其他方向上没有滑移面可供发生弛豫。然而，即使一个方向上的弛豫也有助于减小应变能，从而帮助获得质量更好的应变层。错配位错限于界面，没有产生能穿透界面上方各层的其他位错。可释放的应变受到衬底中初始穿透位错的限制。例如，若初始穿透位错为106/cm2， 且滑移面方向的衬底尺寸为Icm,则最大错配位错密度为106/cm,这意味着间距为IOnm,相当于应变释放大约2%。原始衬底中更高的穿透位错密度能使弛豫超过2%的应变，但在这种衬底上生长的器件有可能质量差、可靠性差。例如，虽然约lxlOVcm2的穿透位错密度能释放更多的应变，但所得到的器件可能具有较差的质量和可靠性。
如上文所指出，GaN衬底10可限定2021晶体生长面，并且可额外限定滑移面，在此情况下，应变弛豫优选在沿着GaN衬底10的滑移面的单向上，该方向一般在朝向c轴的方向上。如上文所指出，GaN衬底10的特征一般是穿透位错密度约为1x107cm2，此密度足以促进错配位错在N型包覆层与N侧波导层之间的界面层处形成。更严格地说，可以设想， 约低于1x107cm2的穿透位错密度往往也足以促进上述错配位错的形成。
出于描述和限定本发明的目的，应当指出，本文提到的GaN基激光二极管应理解为表示在GaN衬底上生长的激光二极管结构。本文提到的GaN衬底应理解为表示衬底由高纯GaN制成。
应当指出，本文所用的诸如“优选”、“常规”和“通常”之类的词语不是用来限制本发明要求保护的范围，也不表示某些特征对要求保护的发明的结构或者功能来说是重要的、关键的甚至是必不可少的。相反地，这些词语仅仅用来表明本公开实施方式的特定方面，或者强调可以用于或者可以不用于本公开特定实施方式的可选或附加的特征。
出于描述和限定本发明的目的，应当指出，词语“基本上”和“约”在本文中用来表示可归属于任何定量比较、数值、测量或其他表达的固有不确定程度。词语“基本上”和“约” 在本文中还用来表示在 不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变的情况下定量表达值与特定基准的偏离程度。
在结合具体实施方式
详细描述了本公开的主题之后，应当指出，本文披露的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素，即便在本文所附的每幅图中都示出了特定要素的情况下也是如此。相反，本文所附权利要求书应理解为唯一表达了本公开的广度和本文所述各项发明的相应范围。此外，在不背离所附权利要求书所限定的发明范围的前提下，显然可以作出各种改变和变化。更具体来说， 尽管本公开的一些方面在本文中被认为是优选的或者特别有益的，但应该可以想到，本公开没必要限于这些方面。
应当指出，以下权利要求书中的一项或多项权利要求使用短语“其特征在于”作为过渡语。出于限定本发明的目的，应当指出，在权利要求中用该短语作为开放式过渡短语来引出对一系列结构特征的描述，应当对其作出与更常用的开放式引导语“包括/包含”类似的解释。
权利要求
1.一种GaN基边缘发射激光器，它包含半极性GaN衬底、有源区、N侧波导层、P侧波导层、N型包覆层和P型包覆层，其中 GaN衬底的特征是穿透位错密度约为IxlOfVcm2 ； 有源区介于N侧波导层与P侧波导层之间，并基本上平行于这两个层延伸； N型包覆层介于N侧波导层与GaN衬底之间； P型包覆层在P侧波导层上形成； N侧波导层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值； 对于在弛豫的N侧波导层上的生长，所计算的有源区的累计应变-厚度积小于其应变弛豫临界值； N型包覆层与N侧波导层之间的N侧界面包含一组N侧错配位错；以及 P型包覆层与P侧波导层之间的P侧界面包含一组P侧错配位错。
2.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述GaN衬底限定了2021晶体生长面和滑移面，所述应变弛豫在沿着GaN衬底的滑移面的单向上。
3.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述GaN衬底限定了半极性晶体生长面和滑移面，所述应变弛豫在沿着GaN衬底的滑移面的单向上。
4.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述GaN衬底的穿透位错密度足以促进错配位错在N型包覆层与N侧波导层之间的界面处形成。
5.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述GaN衬底的特征是穿透位错密度约小于IxlOfVcm2。
6.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述有源区包含含有压缩应变量子阱的单一量子阱或多周期量子阱和拉伸势垒层；以及 所述压缩应变量子阱和拉伸势垒层各自的应变-厚度积小于该层的应变弛豫临界值。
7.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述有源区包含含有压缩应变量子阱的单一量子阱或多周期量子阱和拉伸势垒层，所述压缩应变量子阱的特征是压缩应变-厚度积，所述拉伸势垒层的特征是拉伸应变-厚度积；以及 所述量子阱的压缩应变-厚度积约等于所述势垒层的拉伸应变-厚度积。
8.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述有源区、N侧波导层和P侧波导层限定了基本连贯的晶格常数区，所述晶格常数区的特征是晶格匹配度相对于所述激光器结构的其余部分提高了。
9.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述有源区包含含有GaInN量子阱的单一量子阱或多周期量子阱和AlGaInN势垒层；以及 所述N侧波导层包含GaInN波导层。
10.如权利要求9所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 GaInN量子阱的In含量大于N侧GaInN波导层的In含量；以及 AlGaInN势垒层的In含量小于N侧GaInN波导层的In含量。
11.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述P侧波导层和N侧波导层包含平均In浓度大致相等的GaInN本体波导层或超晶格波导层。
12.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述N型包覆层和所述P型包覆层包含GaN、AlGaN或AlGaInN的本体晶体，或者AlGaN/AlGaN或AlGaN/GaN的超晶格。
13.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述P型包覆层和所述N型包覆层包含Al ； 所述P型包覆层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值；以及 所述N型包覆层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值。
14.如权利要求13所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述N型包覆层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值至少约10%。
15.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述N侧界面包含N侧界面层。
16.如权利要求15所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述N侧界面层包含处于压缩状态的N型GaN过渡层；以及 所述N侧界面层的应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。
17.如权利要求16所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述N侧错配位错位于N型GaN过渡层的靠近N型包覆层的一侧。
18.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，所述P侧界面包含P侧界面层。
19.如权利要求18所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述P侧界面层包含P型GaN过渡层；以及 所述P型GaN过渡层足够薄，以便在P型GaN过渡层的与P型包覆层交界的一侧产生P侧错配位错。
20.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于，对于在弛豫的N侧波导层上的生长，所计算的P侧波导层和有源区的累计应变-厚度积均小于其应变弛豫临界值。
21.如权利要求1所述的GaN边缘发射激光器，其特征在于 所述有源区包含一个或多个电流阻挡层；以及 对于在弛豫的N侧波导层上的生长，所计算的阻挡层的应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。
22.一种制造GaN边缘发射激光器的方法，所述激光器包含半极性GaN衬底、有源区、N侧波导层、P侧波导层、N型包覆层和P型包覆层，其中 所述GaN衬底的特征是穿透位错密度约为lxl06/cm2 ； 所述有源区介于N侧波导层与P侧波导层之间，并基本上平行于这两个层延伸； 所述N型包覆层介于所述N侧波导层与所述GaN衬底之间； 所述P型包覆层在P侧波导层上形成； 所述有源层这样制造，也就是在制造过程中使有源区的应变-厚度积小于其应变弛豫临界值； 所述N侧波导层这样制造，也就是在制造过程中使N侧波导层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值；所述N型包覆层与所述N侧波导层之间的N侧界面包含一组N侧错配位错；以及 所述P型包覆层与所述P侧波导层之间的P侧界面包含一组P侧错配位错。
全文摘要
提供了一种GaN基边缘发射激光器，它包含半极性GaN衬底10、有源区20、N侧波导层30、P侧波导层40、N型包覆层50和P型包覆层60。GaN衬底的特征是穿透位错密度约为1x106/cm2。N侧波导层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值。此外，对于在弛豫的N侧波导层30上的生长，所计算的有源区20的累计应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。结果，N型包覆层50与N侧波导层30之间的N侧界面70包含一组N侧错配位错75，而P型包覆层60与P侧波导层40之间的P侧界面80包含一组P侧错配位错85。
文档编号H01S5/343GK103026561SQ201180026342
公开日2013年4月3日 申请日期2011年5月26日 优先权日2010年5月28日
发明者R·巴特, D·兹佐夫 申请人:康宁股份有限公司