CN102055134A - 激光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光二极管，通过该激光二极管，能够抑制高密度结晶缺陷和表面粗糙的产生。该激光二极管包括叠层体，该叠层体包括基板上的活性层和电流窄化层。该基板是从C面(0001)在[1-100]方向上具有大于0度的斜角的倾斜基板。

Description

激光二极管
相关申请的参考
本申请包含于2009年10月29日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2009-249469中公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及在叠层方向上发射激光的激光二极管。
背景技术
与边缘发射型激光器的功耗相比，垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的功耗更低，并能够被直接调制。因此，近年来，已经将VCSEL用作廉价的光学通信光源。
VCSEL通常设置有柱状台部(columnar mesa)，在柱状台部中，在基板上依次层叠了下部DBR层、下部间隔层、活性层、上部间隔层、上部DBR层以及接触层。为了提高电流注入进活性层的效率并降低阈值电流，在下部DBR层和上部DBR层中的一个中设置了具有使电流注入区域变窄的结构的电流窄化层(current narrowing layer)。在台部的顶面和基板的背面上分别设置电极。在激光二极管中，从电极注入的电流被电流窄化层变窄，然后注入进活性层中，从而由于电子空穴的复合而发光。该光被下部DBR层和上部DBR层所反射，从而以给定的波长产生激光振荡，并且该光从台部的顶面作为激光发射。
近年来，已经开发出使用蓝宝石基板或者GaN基板作为基板的GaN VCSEL(例如，“Y.Higuchi，K.Omae，H.Matsumura，and T.Mukai，Applied Physics Express 121102，2008；J.W.Scott，R.S.Geels，S.W.Corzine，and L.A.Coldren，Journal of Quantum Electronics，vol.29，No.5，1295，1993；and J.M.Elson，J.P.Rahm，and J.M.Bennett，Applied Optics，vol.22，No.20，3207，1983”)。
发明内容
然而，在使用蓝宝石基板作为基板的情况下，在基板上的器件中产生高密度的结晶缺陷，从而导致可靠性上的损害。同时，在使用GaN基板作为基板的情况下，在结晶生长过程中产生表面粗糙，从而导致器件特性的劣化。
鉴于上述问题，在本发明中，期望提供一种激光二极管，通过其能够抑制高密度的结晶缺陷和表面粗糙的产生。
根据本发明的实施方式，提供了一种激光二极管，其包括叠层体，该叠层体具有在基板上的活性层和电流窄化层。该基板是倾斜基板，其从C面(0001)在[1-100]方向上具有大于0度的斜角(off-angle)。
在本发明实施方式的激光二极管中，使用从C面(0001)在[1-100]方向上具有大于0度的斜角的倾斜基板作为基板。因此，相比于将无斜角的基板用作基板的情况，在基板上的器件中，不会产生高密度结晶缺陷，并且减小了RMS粗糙度。结果，例如，当进入叠层体的光被叠层体反射并产生反射光时，几乎不产生散射光。
根据本发明实施方式的激光二极管，当进入叠层体的光被叠层体反射并产生反射光时，几乎不产生散射光。因此，相比于将无斜角的基板用作基板的情况，能够减小散射损耗。
通过下面的描述，本发明的其他的和进一步的目的、特点和优点将更加充分地显现出来。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的垂直空腔表面发射激光器(激光二极管)的截面图。
图2是示出了斜角和散射损耗之间的关系的实例的关系图。
图3是在图1的下部DBR层中的光反射的示意图。
图4是在图1的下部DBR层中产生粗糙度的情况下光反射的示意图。
图5是图1的垂直空腔表面发射激光器(激光二极管)的修改例的截面图。
图6是在图5的下部DBR层中产生粗糙度的情况下振荡的示意图。
图7是在图5的下部DBR层中的振荡的示意图。
图8是示出了斜角和波长差之间关系的实例的关系图。
图9是图1的垂直空腔表面发射激光器(激光二极管)的另一修改例的截面图。
具体实施方式
在下文中将参照附图详细描述本发明的实施方式。描述将以下列顺序给出：
1.实施方式(图1～图4)
设置一个台部的实例
在下部间隔层上设置下部电极的实例
2.修改例
设置多个台部的实例(图5～图8)
在基板的背面设置下部电极的实例(图9)
实施方式
示意性结构
图1示出了根据本发明实施方式的垂直空腔表面发射激光器1(激光二极管1)的截面构造的实例。图1是示意图，因此其尺寸和形状与实际尺寸和实际形状不同。
该实施方式的激光二极管1包括叠层体20，在该叠层体中，在基板10的一个表面侧上依次层叠了下部DBR层11、下部间隔层12、活性层13、上部间隔层14以及上部DBR层15。在叠层体20中，至少下部DBR层11、下部间隔层12、活性层13以及上部间隔层14是通过使用基板10作为生长基板进行结晶生长而形成的。在叠层体20的上部中，例如，在活性层13、上部间隔层14以及上部DBR层15中，形成一个柱状台部16。在台部16中，例如，在活性层13和上部间隔层14之间设置绝缘层17。绝缘层17在与台部16的中央部分对应的部分中具有开口17A。开口17A用上部间隔层14填充。因此，绝缘层17能够在孔径17A中使电流变窄。
在台部16的侧面上设置台阶。具体地，在上部间隔层14和上部DBR层15之间的边界上设置该台阶。在该台阶的顶面上设置与上部间隔层14的顶面相接触的上部电极21。上部电极21在包括与绝缘层17的开口17A相对的区域的区域中具有开口21A。例如，如图1所示，在上部电极21中的开口21A侧的部分夹在上部间隔层14和上部DBR层15之间。在台部16的裙边部(skirt)，也就是，在下部间隔层12的顶面上，设置与下部间隔层12的顶面相接触的下部电极22。例如，下部电极22具有围绕台部16的环形形状。
在该实施方式中，下部DBR层11对应于本发明的“第一多层膜反射镜”的具体实例。上部DBR层15对应于本发明的“第二多层膜反射镜”的具体实例。
例如，基板10是GaN基板。用作基板10的GaN基板是从C面(0001)在[1-100]方向上具有大于0度的斜角的倾斜基板。在下文中，从C面(0001)朝着[1-100]的方向定向的轴被称为A轴。图2示出了在GaN基板中的A轴的斜角与散射损耗之间的关系。在图2中，逐一画出了每个样品的散射损耗。图2中的直线A是在根据所有画出的数值来获得每个斜角的平均值时所确定的直线。基于图2中的直线B位于至少一个画出的数值上的假设，图2中的直线B是当直线A在斜角减小的方向上移动时移动量变成最大值处获得的直线。基于图2中的直线C位于至少一个画出的数值上的假设，图2中的直线C是当直线A在斜角增加的方向上移动时移动量变成最大值处获得的直线。
基于图2，确定下面的内容。也就是，相比于具有0度斜角的GaN基板用作基板10的情况，即使散射损耗发生变化，在斜角为0.1度以上的情况下散射损耗也必定降低。因此，优选在用作基板10的GaN基板中的A轴的斜角为0.1度以上。此外，基于图2，可以预期的是，当斜角为0.5度以上的情况下，散射损耗消失。此外，在激光二极管1的阈值增益为约1％的情况下，散射损耗Lsc优选为1％以下。如图2所示，为了获得1％以下的散射损耗Lsc，斜角应为0.2以上。后面将详细描述散射损耗的描述。
如图3所示，下部DBR层11由低折射率层12A和高折射率层12B交替层叠而形成。例如，低折射率层12A由厚度为λ0/4n1(λ0是振荡波长，n1是折射率)的Alx1Ga1-x1N(0＜x1＜1)构成。例如，高折射率层12B由厚度为λ0/4n2(n2是折射率)的n型Alx2Ga1-x2N(0＜x2＜x1)构成。例如，下部间隔层12由n型Alx3Ga1-x3N(0＜x3＜1)构成。基板10、下部DBR层11以及下部间隔层12包含诸如硅(Si)的n型掺杂物。
活性层13具有多量子阱(multiquantum well)结构，例如，在该多量子阱结构中交替层叠了由未掺杂的Inx4Ga1-x4N(0＜x4＜1)构成的阱层(未示出)和由未掺杂的Inx5Ga1-x5N(0＜x5＜x4)构成的势垒(barrier)层(未示出)。在活性层13中，在叠层面内方向上的中央部是发光区域13A。
上部间隔层14例如由p型Alx6Ga1-x6N(0＜x6＜1)构成。上部DBR层15通过交替层叠低折射率层(未示出)和高折射率层(未示出)而形成。低折射率层的厚度例如为λ1/4n3。高折射率层例如由厚度为λ1/4n4(n4是折射率)的Alx8Ga1-x8N(0＜x8＜x7)构成。上部DBR层15通过交替层叠各自介电常数彼此不同的两种类型的电介质层(例如，SiO2和SiN)而形成。上部间隔层14包含诸如镁(Mg)的p型掺杂物。
上部电极21例如通过依次层叠镍(Ni)和金(Au)而构建，并且电连接至上部间隔层14以及上部DBR层15。下部电极22例如具有依次层叠钛(Ti)、铂(Pt)以及金(Au)的结构，并且电连接至基板10。
制造方法
本实施方式的激光二极管1例如可以按下述方式制造。
在这种情况下，作为基板10，使用了从C面(0001)在[1-100]方向上具有0.1度以上斜角的斜基板。此外，通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法形成基板10上的氮化物系III-V族化合物半导体层。作为氮化物系III-V族化合物半导体的原料，例如使用三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)或者氨(NH3)。
具体地，首先，通过使用例如MOCVD方法在作为斜基板的基板10上依次层叠下部DBR层11、下部间隔层12以及活性层13。接着，形成了在预定位置具有开口17A的绝缘层17。之后，通过再次使用例如MOCVD方法形成上部间隔层14。接下来，通过例如蒸镀法形成了在上部间隔层14的顶面中的预定位置具有开口21A的上部电极21。此后，通过例如溅射电介质材料，在上部间隔层14的顶面的孔径21A中暴露部分上以及上部电极21的内部边缘的顶面上形成上部DBR层15。
接下来，例如，通过干蚀刻方法，选择性地蚀刻从上部间隔层14到活性层13的部分，以在侧面形成具有台阶的台部16。接下来，在台部16的裙边部中形成圆形的下部电极22。因此，制造了该实施方式的激光二极管1。
接下来，将给出该实施方式的激光二极管1的操作和效果的描述。
操作和效果
在该实施方式的激光二极管1中，在将给定的电压施加到下部电极22和上部电极21之间的情况下，电流通过绝缘层17的开口17A注入进活性层13中。从而，通过电子空穴的复合而发光。该光被一对下部DBR层11和上部DBR层15反射，并以给定的波长产生激光振荡。
过去，使用无斜角的蓝宝石基板或者GaN基板作为基板。在将蓝宝石基板用作基板的情况下，在基板上的器件中产生高密度的结晶缺陷，导致可靠性上的缺点。同时，在使用无斜角的GaN基板作为基板的情况下，例如，如图4所示，在结晶生长中出现表面粗糙。从而，例如，产生散射损耗并且器件特性劣化。通过使用下面的公式可估计出散射损耗。
通常，为了实现激光振荡，应满足下面的式1(单位“cm-1”)。式1中的Γgth表示阈值增益。类似地，αi表示内部损耗，αm表示镜面损耗。
式1
Γgth＝αi+αm
然而，在VCSEL中，难以测量共振器长度。因此，使用下面的式2更为简单(单位：％)(参见上述的“J.W.Scott，R.S.Geels，S.W.Corzine，and L.A.Coldren，Journal of Quantum Electronics，vol.29，No.5，1295，1993”)。式2中的Gth是阈值增益。类似地，L表示内部损耗，T表示镜面损耗。
式2
Gth＝L+T
在通常的VCSEL中，关于L，自由载流子吸收等是主要因素。然而，在将GaN基板用作基板的情况下，关于L，由于表面和界面中的凹陷和凸起的散射损耗是主要因素。通常的内部损耗(自由载流子吸收和诸如Mg等的掺杂剂的吸收)是Li，而散射损耗是Lsc，Li和Lsc满足下述式3。
式3
Li＜＜Lsc
来自具有RMS粗糙度σ的表面的散射损耗Lsc由下列式4表示(参见上述的“J.M.Elson，J.P.Rahm，and J.M.Bennett，Applied Optics，vol.22，No.20，3207，1983”)。基于式4，可以确定在具有RMS粗糙度σ的表面中，随着RMS粗糙度σ增加，散射损耗Lsc以平方比例增加。式4中的n表示下部DBR层12的介电常数。
式4
Lsc＝(4πnσ/λ)2
同时，在该实施方式中，将前述的倾斜基板用作基板10。在基板10上的器件中，RMS粗糙度σ比将无斜角的基板用作基板10的情况下的RMS粗糙度σ更小(见图2)。因此，例如如图3所示，当进入下部DBR层11的光Pin被下部DBR层11反射并且产生反射光Pr时，几乎不产生如图4所示的散射光Psc。其结果是，相比于使用无斜角的基板作为基板10的情况，能够降低散射损耗Lsc。此外，在该实施方式中，将GaN基板用作基板10。因此，不会像将蓝宝石基板用作基板10的情况那样在叠层体20中产生高密度的结晶缺陷。
修改例
上文中已参照实施方式给出了本发明的描述。然而，本发明不局限于前述实施方式，而可进行各种修改。
例如，在前述实施方式中，激光二极管1具有单一的台部16，并发射单一的光束。然而，例如，如图5所示，激光二极管1可具有多个台部16，并可发射多个光束。
然而，在这种情况下，在使用无斜角的基板作为基板10的情况下，例如，如图6所示，在结晶生长中产生表面粗糙。因此，例如，每个共振器长度在相邻的台部16之间变化。其结果是，可能在相邻的台部16之间会产生波长差Δλ1(＝|λ1-λ2|)，而不能输出在期望范围内的波长。
因此，在此修改例中，由于将前述的斜基板用作基板10，所以在基板10上的器件中，RMS粗糙度σ比将无斜角的基板用作基板10的情况下的RMS粗糙度σ更小(见图2)。因此，相比于将无斜角的基板用作基板10的情况，能够减小波长差Δλ2(＝|λ3-λ4|＜Δλ1)(见图7)。
图8示出了GaN基板中的A轴的斜角和波长差Δλ(Δλ1，Δλ2)之间的关系。在图8中，逐一画出波长差Δλ。图8中的直线D是在根据所有所画出的数值来获得每个斜角的平均值时所确定的直线。基于直线E位于至少一个画出的数值上的假设，图8中的直线E是当直线D在斜角减小的方向上移动时移动量变成最大值处获得的直线。基于直线F位于至少一个画出的数值上的假设，图8中的直线F是当直线D在斜角增加的方向上移动时移动量变成最大值处获得的直线。
基于图8，确定下面的内容。也就是，相比于具有0度斜角的GaN基板用作基板10的情况，在斜角为0.1度以上的情况下，波长差Δλ必定减少。因此，优选在用作基板10的GaN基板中的A轴的斜角为0.1以上。此外，基于图8，可以预期的是，当斜角为0.5度以上的情况下，波长差Δλ消失。
如上所述，在此修改例中，相比于将无斜角的基板用作基板10的情况，能够减小波长差Δλ。其结果是，必定能够输出在期望范围中的波长。
此外，在前述实施方式及其修改例的激光二极管1中，下部电极22设置在下部间隔层12的顶面上。然而，例如，如图9所示，下部电极22可设置在基板10的背面。
此外，在前述的实施方式及其修改例中，激光二极管1具有在基板10上的下部DBR层11、下部间隔层12、活性层13、上部间隔层14以及上部DBR层15。然而，激光二极管1不需要具有其所有的层。例如，可省略下部DBR层11和上部DBR层15，或者可以省略下部DBR层11、下部间隔层12、上部间隔层14以及上部DBR层15。
此外，在前述的实施方式及其修改例中，已给出GaN化合物激光二极管的描述作为实例。然而，本发明可应用其他的化合物激光二极管。
本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附的权利要求或者其等同物的范围之内。

Claims (7)

1.一种激光二极管，包括：
叠层体，包括基板上的活性层和电流窄化层，其中
所述基板是从C面(0001)在[1-100]方向上具有大于0度的斜角的倾斜基板。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述基板是GaN基板，并且
所述活性层是通过使用所述基板作为生长基板进行结晶生长而形成的。
3.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述斜角为0.1度以上。
4.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述斜角为0.2度以上。
5.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述叠层体从所述基板侧起依次包括第一多层膜反射镜、所述活性层以及第二多层膜反射镜。
6.根据权利要求5所述的激光二极管，其中，所述叠层体具有一个台部，所述台部包括所述第一多层膜反射镜、所述活性层以及所述第二多层膜反射镜。
7.根据权利要求5所述的激光二极管，其中，所述叠层体具有多个台部，所述台部包括所述第一多层膜反射镜、所述活性层以及所述第二多层膜反射镜。
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