CN101834406B - 激光二极管装置 - Google Patents

Abstract

一激光二极管装置，包括：包含铝Al的n型覆层；包含铟In、镓Ga和氮N的有源层；设置于衬底和n型覆层之间的共掺杂层。该共掺杂层也包含镓Ga和氮N，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一。

Description

激光二极管装置

技术领域

本发明涉及适于高容量光盘等的光源的激光二极管装置。

背景技术

近年来，其中使用蓝宝石衬底、GaN衬底、SiC衬底等的氮化物化合物激光二极管装置已经被广泛地用作高容量光盘的光源，并且具有较高输出和较高可靠性的装置已经处于积极的研发中。在这样的氮化物化合物激光二极管装置中，相对于有源层的垂直方向(竖直方向)中的光学约束通过使用光导层和覆层实现。

但是，既便提供光导层和覆层，但是对于构成覆层的AlGaN混合晶体，由于对于铝含量的裂纹产生，膜厚度受到限制。因而，在一些情形中，覆层的膜厚度不能生长至对于光约束足够的厚度。据报道在该情形中，在有源层中产生的部分光渗出至衬底侧，并且在FFP(远场图案)中观察到波纹(例如，参考“Applied Physics Letters，″1999，Vol.75，No.19，pp.2960-2962(图5)和″IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，″2003，September/October，Vol.9，No.5，pp.1252-1259(图9))。此外，渗出至衬底侧的光与穿过有源层的波导的光产生模式耦合，这不仅降低了光的收集特性而且还影响了激光特性(例如，参考″IEEE Journal of Quantum Electronics，″2007，January，Vol.43，No.1，pp.16-24(20页右栏中22至30行)和″IEEE Journalof Quantum Electronics，″2000，December，Vol.36，No.12，pp.1454-1461(1460页左栏2至13行))

发明内容

为了抑制这样的模式耦合，n型覆层的厚度可以被加厚。但是，在氮化物化合物激光二极管的情形中，这样的方法具有膜厚度由于上述AlGaN混合晶体的裂纹产生而受到限制的局限。

在日本特开公报No.2007-150371(段0042至0044)中，仅p侧光导层被提供并且n侧光导层被省略。由此，光显著地渗出至n型GaN衬底侧，并且渗出的光由于使用掺杂氧的n型GaN衬底的杂质水平而被吸收。此外，在日本特开公报No.2007-150371(段0042至0044)中，描述了在n型GaN衬底中被吸收的光量可以通过调整n型GaN衬底和发光层(有源层)之间的距离而被调整。

但是，在n型GaN衬底和发光层(有源层)之间的距离如同在日本特开公报No.2007-150371(段0042至0044)中被减小的情形中，存在如果仅减小n型GaN衬底和发光层(有源层)之间的距离，则容易在穿过发光层(有源层)的波导的光和渗出至n型GaN衬底侧的光之间产生模式耦合并由此光吸收量难于被调整的缺点。

理想地是提供一种激光二极管装置，采用所述装置可使得渗出至衬底侧的光和穿过有源层的波导的光之间的模式耦合被抑制。

根据本发明的实施例，提供了一激光二极管装置，包括下列要素A至D：

A.由GaN构成的衬底。

B.设置于衬底一表面侧上的n型覆层和p型覆层，由包含至少3B族元素中的镓Ga和至少5B族元素中的氮N的氮化物III-V族化合物半导体构成，并且至少部分包含铝Al。

C.设置于n型覆层和p型覆层之间的有源层，并且由包含至少3B族元素中的铟In和镓Ga和至少5B族元素中的氮N的氮化物III-V族化合物半导体构成。

D.设置于衬底和n型覆层之间的共掺杂层，由包含至少3B族元素中的镓Ga和至少5B族元素中的氮N的氮化物III-V族化合物半导体构成，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一。

在激光二极管装置中，被共掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一的共掺杂层设置于衬底和n型覆层之间。因而，与仅掺杂作为施主工作的杂质的情形或者仅掺杂作为受主工作的杂质的情形相比，共掺杂层的光吸收系数被显著地提高。因而，通过n型覆层渗出至衬底侧的光在共掺杂层中被吸收，并且被衰减至不与通过有源层的波导的光产生模式耦合的程度。

根据本发明的实施例的激光二极管装置，被共掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一的共掺杂层设置于衬底和n型覆层之间。因而，通过n型覆层渗出至衬底侧的光可以在共掺杂层中被吸收。因而，渗出至衬底侧的光和穿过有源层的波导的光之间的模式耦合可以被抑制。

从下列描述中，本发明的其它和进一步的目标、特征和优点将更为充分地显见。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的激光二极管装置的结构的截面图；

图2是示出未掺杂杂质的未掺杂GaN、掺杂硅Si的GaN层、掺杂镁Mg的GaN层和共掺杂硅Si和镁Mg的GaN层的各吸收频谱的检验结果的图；

图3是示出作为在图1中所示出的共掺杂层的受主工作的杂质的添加浓度分布的实例的图；

图4是示出Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)混合结晶层的铝成份比率x和裂纹产生临界膜厚度之间的关系的图；

图5是示出现有激光二极管装置的结构的截面图；并且

图6是示出在图5中所示出的现有激光二极管装置的垂直结构中的折射率分布的图。

具体实施方式

以下将参考附图描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的激光二极管装置的垂直截面结构。该激光二极管装置是具有大约500nm或者更小(例如400nm左右)的振荡波长、用于例如个人计算机、家用游戏机等的BD记录/再现激光器的蓝/蓝-紫激光二极管装置。例如，该激光二极管具有其中共掺杂层13、第一n型覆层14、第二n型覆层15、n型光导层16、n侧居间层17、有源层18、p侧居间层19、电子阻挡层20、p型覆层21和p侧接触层22依次被层叠于由GaN构成的衬底11的一表面侧上，具有缓冲层12位于中间。

缓冲层12例如1.00μm厚，并且由掺杂作为n型杂质的硅Si的n型GaN构成。

共掺杂层13用于吸收通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11侧的光。共掺杂层13设置为相邻于第一n型覆层14，并且具有比第一n型覆层14和第二n型覆层15的禁带窄的禁带。共掺杂层13由例如包含至少3B族元素中的镓Ga和至少5B族元素中的氮N的氮化物III-V族化合物半导体构成，并且被掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一。由此，在该激光二极管装置中，可以抑制渗出至衬底11侧的光和穿过有源层18的波导的光之间的模式耦合。

共掺杂层13的组份材料的实例包括GaN和InGaN混合晶体。具体地，优选GaN。在使用InGaN混合晶体的情形中，尽管能够增加吸收系数，但是难于控制最适合的成份，并且存在影响第一n型覆层14的结晶的可能性。

图2示出了未掺杂杂质的未掺杂GaN、掺杂硅Si的GaN层、掺杂镁Mg的GaN层和共掺杂硅Si和镁Mg的GaN层各自的吸收频谱的检验结果。表1总结了各掺杂剂浓度和在400nm的波长的各样品的各吸收系数(参考非专利文献5)。

表1

如图2和表1所证实的，在共掺杂硅Si和镁Mg的GaN层中，吸收系数明显高于掺杂单种杂质的其它样品。

因而，发现在共掺杂层13设置于衬底11/缓冲层12和第一n型覆层14之间的情形中，通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11侧的光能够被吸收而不增加第一n型覆层14和第二n型覆层15的厚度。此外，通过调整共掺杂层13的厚度和杂质的添加浓度可以避免光吸收量过大。因而，可以避免阈值电流或者工作电流增加。但是，共掺杂层13的厚度优选为500nm或者更小。如果共掺杂层13的厚度是500nm或者更大，则结晶性可能被共掺杂所干扰。

共掺杂层13的导电类型优选是n型。共掺杂层13的载流子浓度优选从2.0×10¹⁷cm^-3至1.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点。2.0×10¹⁷cm^-3的载流子浓度对应于产生实现反转分布(inverted population)所必须的载流子的下限值。值1.0×10¹⁹cm^-3对应于在共掺杂层13在结晶和光学特性不受影响的范围内被掺杂杂质的情形中可以产生载流子浓度的上限值。

共掺杂层13的作为受主工作的杂质(例如镁Mg)的添加浓度，优选从1.0×10¹⁷cm^-3至4.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点。已知在镁Mg被添加至GaN的情形中，镁Mg的添加浓度和载流子浓度之间的关系如下。如果镁Mg的添加浓度是4.0×10¹⁹cm^-3或者更小，随着镁Mg的添加浓度增加，载流子浓度增加。当镁Mg的添加浓度是4.0×10¹⁹cm^-3时，载流子浓度变成最高值。如果镁Mg的添加浓度大于4.0×10¹⁹cm^-3，则载流子浓度变得逐渐减小。在某个杂质添加浓度时载流子浓度饱和或者下降的现象也出现在其它化合物半导体中。此外，如果杂质被添加直至出现载流子浓度饱和或者下降时，则结晶度下降。因而，作为共掺杂层13的受主工作的杂质的添加浓度的上限值优选是4.0×10¹⁹cm^-3。调整添加浓度使得在从下限值至上限值的范围中获得理想的吸收量。具体地，大约5.0×10¹⁸cm^-3可以被实现。相同的情况适用于锌Zn作为受主工作的杂质而被添加的情形。

作为共掺杂层13的受主工作的杂质的添加浓度在共掺杂层13的厚度方向中可以是均匀的，但是添加浓度可以逐渐增加，或者可以逐渐减小。具体地，如同在图3中所示出的，作为受主工作的杂质的添加浓度在共掺杂层13的厚度方向的两端(在与衬底11的界面附近或者在与第一n型覆层14的界面附近)都优选低于在共掺杂层13的厚度方向中的中心作为受主工作的杂质的添加浓度。由此，避免作为受主工作的杂质(例如镁)在衬底11中或者在第一n型覆层14中被分散。

作为共掺杂层13的施主工作的杂质(例如硅Si)的添加浓度，优选是从1.0×10¹⁷cm^-3至1.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点。显示n型导电性的作为施主工作的杂质(例如硅Si)，必须被添加至共掺杂层13。硅Si的添加浓度通过与作为受主被共掺杂的杂质(例如镁Mg)的添加浓度的关系而被确定。作为施主工作的杂质应当被添加使得共掺杂层13的载流子浓度变为从2.0×10¹⁷cm^-3至1.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点。具体地，作为施主工作的杂质的添加浓度可以是大约2.0×10¹⁸cm^-3。

优选在图1中所示出的第一n型覆层14和第二n型覆层15分别由例如，具有相互不同的成份的Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)混合晶体构成，并且具有对于给定的铝成份比率x不超过产生裂纹的临界膜厚度的厚度。由此，可以避免裂纹产生于第一n型覆层14和第二n型覆层15中，并且通过缩短生长时间可以改善产率。此外，存在串连电阻可以通过减小第一n型覆层14和第二n型覆层15的厚度而被降低的优点。

图4示出了Al_xGa_1-xN(0＜x≤1)混合结晶层的铝成份比率x和裂纹产生临界膜厚度之间的关系，它基于″Journal of Applied Physics，″2000，December，Vol.88，No.12，pp.7029 to 7036而计算。裂纹产生临界膜厚度曲线的上区是裂纹产生区。其下区是其中可以生长AlGaN层而不产生裂纹的区。例如，铝成份比率x的理想地是0.045，并且厚度t理想地是从2.5μm至2.6μm，都包括两端点。

具体地，第一n型覆层14例如2.40μm厚，并且由掺杂硅Si作为n型杂质的n型Al_0.03Ga_0.97N混合晶体构成。第二n型覆层15例如0.20μm厚，并且由掺杂硅Si作为n型杂质的n型Al_0.01Ga_0.99N混合晶体构成。第一n型覆层14的铝成份比率与第二n型覆层15的铝成份比率不同，以避免由于在有源层18中产生的光强度的峰向第一n型覆层14侧移位而使特性降低。

在图1中所示出的n型光导层16例如0.21μm厚，并且由掺杂硅Si作为n型杂质的n型GaN构成。在图1中示出的n侧居间层17例如0.005μm厚，并且由未掺杂杂质的未掺杂GaInN混合晶体构成。

在图1中示出的有源层18例如0.056μm厚，并且具有由具有相互不同成份的Ga_xIn_1-xN(x≥0)混合晶体分别形成的阱层和垒层构成的多量子阱结构。

在图1中示出的p侧居间层19例如0.027μm厚，并且由未掺杂杂质的未掺杂GaInN混合晶体构成。在图1中所示出的电子阻挡层20例如0.02μm厚，并且由掺杂镁Mg作为p型杂质的p型AlGaN混合晶体构成。在图1中所示出的p型覆层21例如0.38μm厚，并且具有由掺杂镁Mg作为p型杂质的p型AlGaN混合晶体层以及p型GaN层构成的超晶格结构。在图1中示出的p侧接触层22例如0.10μm厚，并且由掺杂镁Mg作为p型杂质的p型GaN构成。

在图1中所示出的p侧接触层22上，p侧电极31用具有由SiO₂层和在其间的Si层构成的层叠结构的掩埋层23形成。P侧电极31具有例如其中钯(Pd)、铂(Pt)和金(Au)按顺序从p侧接触层22侧层叠的结构，并且电连接到p侧接触层22。p侧电极31以条形状延伸用于电流约束。有源层18对应于p侧电极31的区域是发光区。同时，在衬底11的后面上，形成n侧电极32。n侧电极32具有例如其中钛(Ti)、铂(Pt)和金(Au)按顺序层叠的结构。n侧电极32被电连接至第一n型覆层14，在二者之间为与衬底11、缓冲层12和共掺杂层13。

在激光二极管装置中，例如，在p侧电极31的纵向相互面对的一对侧面是振荡器的一对端面。在振荡器一对端面上，分别形成一对反射镜膜(未被示出)。在该一对反射镜膜中，一个反射镜膜被调整以便具有较低的反射系数，并且另一反射镜膜被调整以便具有较高的反射系数。由此，在有源层18中产生的光在这一对反射镜膜之间往返、被放大并且作为激光束从所述一个反射镜膜被射出。

激光二极管可以例如如下被制造。

首先，例如，制备由GaN构成的衬底11。在衬底11的表面上，例如，通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)法生长由前述材料制成的缓冲层12。

接着，再次通过MOCVD法生长共掺杂层。此时，提供镓原材料气体和氮原材料气体，提供硅原材料气体和镁原材料气体，并且由此共掺杂硅作为施主工作的杂质和镁作为受主工作的杂质，形成共掺杂层13。

随后，再次通过MOCVD法生长由前述材料制成的第一n型覆层14、第二n型覆层15、n型波导层16、n侧居间层17、有源层18、p侧居间层19、电子阻挡层20、p型覆层21和p侧接触层22。

在进行MOCVD中，例如三甲基镓(CH₃)₃Ga作为镓原材料气体，例如三甲基铝(CH₃)₃Al作为铝原材料气体，例如三甲基铟(CH₃)₃In作为铟原材料气体，并且例如氨NH₃作为氮原材料气体被分别使用。此外，例如硅烷SiH₄用作硅原材料气体，并且例如二茂镁(bis(cyclopentadienyl)magnesium，(C₅H₅)2Mg)被用作镁原材料气体。

接着，掩模(未示出)被形成于p侧接触层22上。通过使用该掩模，p侧接触层22和部分p型覆层21通过例如RIE(反应离子蚀刻)法被选择性地蚀刻，以便将p型覆层21的上部和p侧接触层22形成为条形突起条纹部。

结果，在p型覆层21和p例接触层22上，形成由前述材料制成的掩埋层23。在掩埋层23中，提供对应于p侧接触层22的开口以便形成p侧电极31。此外，衬底11的后面侧例如被研磨或者抛光使得衬底11的厚度变成例如大约100μm。此后，n侧电极32形成于衬底11的后面上。此后，衬底11被形成为给定的尺寸，并且反射镜膜(未示出)形成于一对相对的振荡器端面上。因而，完成在图1中示出的激光二极管装置。

在激光二极管中，在给定的电压被施加于n侧二极管32和p侧二极管31之间的情形中，电流被注入有源层18，并且光通过电子-空穴复合而射出。该光被一对反射镜膜反射，在其间往返，产生激光振荡，并且作为激光束被发射至外面。在该实施例中，由掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的杂质的镁Mg和锌Zn之一的GaN构成的共掺杂层13设置于衬底11/缓冲层12和第一n型覆层14之间。因而，通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11的光在共掺杂层13中被吸收，并且被衰减至不会与通过有源层18的波导的光的产生模式耦合的程度。因而，在FFP中观察不到波纹，并且允许稳定的激光振荡。

图5示出了现有氮化物化合物激光二极管装置的截面结构。除了未包括共掺杂层之外，现有的氮化物化合物激光二极管装置具有与该实施例的激光二极管装置相同的结构。因而，对于与图1中相同的元件，对其赋予通过对于图1的对应的元件加100所获得的参考标号，并且其描述将被省略。

图6示出了在图5中示出的现有激光二极管装置的垂直结构中的折射率分布。由GaN构成的衬底111和由n型GaN构成的缓冲层112的折射率是2.52，由Al_0.03Ga_0.97N混合晶体构成的第一n型覆层114的折射率是2.494，并且由Al_0.01Ga_0.99N混合晶体构成的第二n型覆层115的折射率是2.511。如果垂直结构中的有效折射率n_eff被计算，则获得2.514。

从衬底111侧渗出的光呈指数衰减，由于第一n型覆层114和第二n型覆层115的折射率低于有效折射率n_eff(n＜n_eff)。但是，在第一n型覆层114和第二n型覆层115之外，存在具有比第一n型覆层114和第二n型覆层115的折射率高的折射率的缓冲层112和衬底111。因而，穿过第一n型覆层114和第二n型覆层115的渐逝波(evanescent wave)k以入射角θ_i进入，并且穿过缓冲层112和衬底111被波导。

此时，能够当做两个波导存在于激光二极管装置中。其一是以有源层118为中心的波导(即，有源波导)，并且另一是缓冲层112和衬底111(即，无源波导)。

渐逝波k由数学公式1表示，与渐逝波k的波导平行的分量k//由数学公式2表示，并且与渐逝波k的波导垂直的分量k⊥由数学公式3表示。

数学公式1

k＝2πn_GaN/λ₀

在数学公式中，λ₀表示真空中的波长，并且n_GaN表示衬底111的折射率。

数学公式2

k//＝2πn_eff/λ₀＝kcosθ_i

在数学公式中，λ₀表示真空中的波长，并且n_eff表示有效折射率。

数学公式3

k⊥＝ksinθ_i

在与渐逝波k的波导平行的分量k//变得等于穿过有源层18的波导的光k//时，产生在以有源层118为中心的波导和在缓冲层112和衬底111中形成的无源波导之间的模式耦合，尖峰光(spike light)以在数学公式4中所示出的输出角θ_e从缓冲层112或者衬底111被射出。尖峰光引起FFP中波纹的产生，影响光收集特性和激光特性。

数学公式4

n_GaNsinθ_i＝sinθ_e

通过提供如同在该实施例中的共掺杂层13，已经穿过第二n型覆层15和第一n型覆层14的渐逝波k可以在共掺杂层13中被吸收。因而，可以抑制光被渗出至衬底11侧而不会增加第一n型覆层14和第二n型覆层15的厚度。另外，可以抑制以有源层18为中心的有源波导和由渗出至衬底11侧的渐逝波k形成的无源波导之间的模式耦合，并且允许稳定的激光振荡。

如同上面所描述的，在该实施例中，由共掺杂作为施主工作的杂质的硅Si和锗Ge之一和作为受主工作的镁Mg和锌Zn之一的GaN构成的共掺杂层13设置于衬底11/缓冲层12和第一n型覆层14之间。因而，通过第二n型覆层15和第一n型覆层14渗出至衬底11侧的光可以在共掺杂层13中被吸收。因而，可以抑制渗出至衬底11侧的光和通过有源层18的波导的光之间的模式耦合。

此前参考实施例已经给出了本发明的描述。但是，本发明不局限于前述实施例，并且可以进行各种改变。例如，在前述实施例中被描述的相应层的材料、厚度、膜形成方法、膜形成条件等没有限制，而是可以使用其它材料、其它厚度、其它膜形成方法和其它膜形成条件。例如，在前述实施例中，已经给出了缓冲层12和p侧接触层22由MOCVD方法形成的情形的描述。但是，缓冲层12和p侧接触层22可以由例如MOVPE方法或者MBE(分子束外延)方法等的其它有机金属气相沉积方法形成。

另外，例如，在前述实施例中，激光二极管装置的结构已经以具体实例被描述。但是，不一定提供所有的层，或者可以进一步提供其它层。

此外，本发明不局限于蓝/蓝-紫外激光二极管，而是可以被应用于较高输出的激光二极管、具有其它振荡的激光二极管或者由其它材料体系制成的激光二极管。

本申请包含涉及于2009年3月11日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-058249中所公开的主题，其整体内容引用结合于此。

本领域中的技术人员应当理解根据设计要求和其它因素可以出现各种改进、结合、自结合和替代，只要它们在权利要求及其等同方案的范围内。

Claims (5)

1.一种激光二极管装置，包括：

由GaN构成的衬底；

设置于所述衬底的一表面侧上的n型覆层和p型覆层，由包含至少3B族元素中的镓和至少5B族元素中的氮构成的氮化物III-V族化合物半导体构成，并且至少部分包含铝Al；

设置于所述n型覆层和所述p型覆层之间的有源层，由包含至少3B族元素中的铟和镓和至少5B族元素中的氮的氮化物III-V族化合物半导体构成；和

设置于所述衬底和所述n型覆层之间的共掺杂层，由包含至少3B族元素中的镓和至少5B族元素中的氮的III-V族化合物半导体构成，并且被共掺杂作为施主工作的杂质的硅和锗之一和作为受主工作的杂质的镁和锌之一，

其中所述共掺杂层的载流子浓度是从1.0×10¹⁸cm^-3至1.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点，以及

其中所述共掺杂层被设置得相邻于所述n型覆层，并且具有比所述n型覆层的禁带窄的禁带。

2.根据权利要求1的激光二极管装置，其中所述共掺杂层的导电类型是n型。

3.根据权利要求1的激光二极管装置，其中所述n型覆层由Al_xGa_1-xN混合晶体构成，并且对于给定的铝成份比率x具有不超过裂纹产生临界膜厚度的厚度，其中0＜x≤1。

4.根据权利要求1的激光二极管装置，其中所述共掺杂层具有500nm或者更小的厚度。

5.根据权利要求1的激光二极管装置，其中作为所述共掺杂层的作为受主工作的杂质的添加浓度从1.0×10¹⁷cm^-3至4.0×10¹⁹cm^-3，都包括两端点。

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