CN103119809A - 基于第iii族氮化物的绿光激光二极管及其波导结构 - Google Patents

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Abstract

基于第III族氮化物的激光二极管包含由n-掺杂的(Al,In)GaN形成的n-侧包覆层、由n-掺杂的(Al)InGaN形成的n-侧波导层、有源区、由p-掺杂的(Al)InGaN形成的p-侧波导层以及由p-掺杂的(Al,In)GaN形成的p-侧包覆层。通过操作n-侧波导层的铟浓度和厚度，使光模块移离p-型层中的高受体浓度。调节p-侧包覆层和p-侧波导层中的掺杂剂和组成分布，以降低光损耗并增加电光转化效率。

Description

基于第III族氮化物的绿光激光二极管及其波导结构
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§120，要求2010年9月20日提交的美国申请系列第12/885,951号的优先权。
技术领域
本发明涉及半导体激光，更具体地，涉及发射绿光的基于第III族氮化物的激光二极管及其波导结构。
背景技术
在激光二极管中需要高光学限值和低内部光损耗的组合来实现高电光转换效率（WPE）。电光转换效率是常用品质因数，定义为从激光二极管输出的光学功率与输入到激光二极管的电功率之比。例如内部光损耗，如光子被器件层或者器件层内的载流子吸收会使得光学输出功率减小。同时具有低内部光损耗和高输出光损耗的结构可实现高WPE。但是高输出光损耗要求高的光增益。如果光学材料增益受到所选材料的固有限制，则需要大的光限制因子来增加光增益。
对于导致低内部光损耗、高光增益、低串联电阻以及有源区附近失配缺陷降低的绿光激光二极管构型仍然存在持续的需求。特别地，对于确定最佳材料、层结构以及层结构中的掺杂剂分布从而增加电光转化效率仍然存在持续的需求。
发明内容
根据本文所述实施方式的基于第III族氮化物的激光二极管可包含由n-掺杂的(Al,In)GaN形成的n-侧包覆层、由n-掺杂的(Al)InGaN形成的n-侧波导层、有源区、由p-掺杂的(Al)InGaN形成的p-侧波导层以及由p-掺杂的(Al,In)GaN形成的p-侧包覆层。
所述有源区介于n-侧包覆层与p-侧包覆层之间，并基本上平行于所述n-侧包覆层和p-侧包覆层延伸。有源区包含一个或多个InGaN量子阱，所述InGaN量子阱配置成电泵送受激发射的光子，使得有源区在510-580nm的激光波长产生光增益。n-侧波导层介于有源区与n-侧包覆层之间。所述n-侧波导层的n-侧波导层厚度为1-300nm。p-侧波导层介于有源区与p-侧包覆层之间。
所述p-侧波导层的p-侧波导层受体浓度小于3×1017cm-3，并且所述p-侧波导层的厚度小于100nm，从而使得p-侧波导层的厚度小于n-侧波导层的厚度。p-侧包覆层包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分与p-侧波导层之间。
根据一个实施方式，p-侧包覆层的第一厚度部分的第一部分厚度为20-200nm，并且第一部分受体浓度小于3×1017cm-3。p-侧包覆层的第二厚度部分的第二部分受体浓度大于3×1017cm-3。还描述了其他实施方式。
通过以下详述、所附权利要求书和附图可以更好地理解本发明的这些特征、方面和优点，以及其他的特征、方面和优点。
附图简要说明
尽管说明书以及权利要求书得出结论并具体指出和明确要求保护本发明的主题,但是据信结合附图，从以下描述能够更好地理解本发明，其中：
图1A是本文所述实施方式的基于第III族氮化物的激光二极管的侧视图；
图1B是图1A所示的基于第III族氮化物的激光二极管的有源区的放大图；以及
图2所示是迭加模拟光模块强度以及层折射率与本文所述实施方式的基于第III族氮化物的激光二极管的顶部至底部的深度的关系图。
具体实施方式
下面不时参考具体实施方式描述了本发明的特征和优点。但是，本发明可以以不同的方式实施，不应被解读成限定于在此提出的实施方式。相反，这些实施方式使得说明透彻而完整，能够向本领域技术人员完全地展示本发明的范围。
本文所用关于器件或器件层的术语“基于第III族氮化物的”指的是器件或器件层是在第III族元素氮化物的基材上制造的。第III族元素氮化物材料包括但不限于，氮化二镓、三元合金如氮化铝镓（AlGaN）和氮化铟镓（InGaN）、以及四元合金如氮化铝铟镓（AlInGaN）。
表示各种第III族氮化物的化学式中的括号表示可任选的元素，而括号外面的元素是给定合金中所需的元素。例如，符号(Al)InGaN对应一种包含InGaN的合金，其中铝或者更具体来说，AlN是可任选的。因而，“(Al)InGaN”等于“InGaN或者AlInGaN”。类似地，符号(Al,In)GaN对应一种包含GaN的合金，其中铝（作为AlN）和铟（作为InN）都是可任选的合金元素。因而，“(Al,In)InGaN”等于“GaN、AlGaN、InGaN或者AlInGaN”。
当使用的组成或者化学计量没有进一步限制时，化学式例如AlGaN或者AlInGaN应理解为包含全部可用的组成范围，如同分别写成AlxGa1-xN或者AlxInyGa1-x-yN的形式，其中0<x<1且0<y<1，使得x+y<1。类似地，(Al)InGaN应理解为等于AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x<1且0<y<1，使得x+y<1。化学式(Al,In)GaN应理解为等于AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x<1且0≤y<1，使得x+y<1。对于这些组成范围显而易见的是，分别对应可任选元素的下标值包括零的可能性，而分别对应所必需元素的下标值不包括零的可能性。根据通式化合物（例如AlGaN或(Al,In)GaN）或者范围化合物（例如AlxGa1-xN或AlxInyGa1-x-yN）描述的任意给定层可以是具有所述通式化合物或范围化合物的具体且基本一致组成的本体层，具有所述通式化合物或范围化合物的平均组成的超晶格，具有所述通式化合物或范围化合物的平均组成的周期性结构，或者具有多个包含所述通式化合物或范围化合物的平均组成的区域的组成梯度结构。
特别是对于第III族元素铝、铟和镓，假定第III族氮化物的化学式中不包含的任意第III族元素以不高于化学式所述的第III族氮化物中天然杂质的水平存在。例如，虽然通常理解“AlGaN”可描述为AlN和GaN的合金，所述术语例如“GaN层”应理解为等于“AlxInyGa1-x-yN层，其中x=0且y=0”。
对于任意层的组成，术语如“铝浓度”、“铟浓度”等指的是层中各种元素的平均组成，并且仅涉及第III族元素的浓度（假定第III族元素的所有原子与氮原子的比例为1:1）。除非另有说明，否则层中的特定第III族元素的浓度是摩尔%，这应理解为层中特定第III族元素的原子数除以层中所有第III族元素的原子数，乘以100。应理解，在层中会发生组成变化例如非化学计量性而不会影响器件内的层的功能。与上述定义一致，语句“(Al,In)GaN层的铝浓度为10%”等于层的经验分子式为例如Al0.10InyGa0.9-yN，其中0≤y<0.9。或者用另一种方式表达，语句“AlGaN层的铝浓度为10%”描述了由10摩尔%AlN和90摩尔%GaN组成的AlGaN合金层。应理解，所述此类经验分子式还表示平均组成并包括化学式中所含物质的固有组成变化。
除非明确指出相反情况，否则还应理解可用一种或多种掺杂剂例如镁（对于第III族氮化物半导体是p-型掺杂剂）或硅（对于第III族氮化物半导体是n-型掺杂剂）来掺杂各种氮化物合金。所述一种或多种掺杂剂并未在各种合金的化学式中出现，而是独立表述，例如将给定的合金描述为“n-掺杂的”或者“p-掺杂的”。除非主动表述为未掺杂的、n-掺杂的、p-掺杂的或者两者任意组合，每一种氮化物合金都可以是未掺杂的、n-掺杂的或者p-掺杂的。
参见图1A，基于第III族氮化物的激光二极管1包含n-侧包覆层20、n-侧波导层60、有源区40、p-侧波导层70以及p-侧包覆层30。有源区40介于n-侧包覆层20与p-侧包覆层30之间，并基本上平行于所述n-侧包覆层20和p-侧包覆层30延伸。n-侧波导层60介于有源区40与n-侧包覆层20之间。p-侧波导层70介于有源区40与p-侧包覆层30之间。
n-侧包覆层20是n-掺杂的(Al,In)GaN层。在示例性实施方式中，(Al,In)GaN层是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x<0.2且0≤y<0.3。n-侧包覆层20可以是任意厚度并具有适合提供足够导电性的任意供体浓度。通常，n-侧包覆层20的厚度可以为0.5μm至约2μm。n-侧包覆层20的载流子浓度通常是1017cm-3至1019cm-3范围内的n-型掺杂剂如硅。但是通常来说，因为n-型掺杂剂不是光损耗的来源，所以没有对前述载流子浓度进行严格优化以确保足够的导电性。在一些实施方式中，n-侧包覆层20可优选是n-掺杂的GaN层。相信在一些实施方式中GaN比AlGaN、InGaN或者AlInGaN更优选作为包覆层。例如，因为GaN是二元合金，所以层中引入组成波动的可能性较低，并且通常来说导热性比三元与四元合金更好。相比于三元与四元合金，二元合金的这些特性通常会降低光损耗。
n-侧波导层60是n-掺杂的(Al)InGaN层。在示例性实施方式中，(Al)InGaN层是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x<0.2并且0<y<0.3。在一些实施方式中，n-侧波导层可优选是n-掺杂的InGaN层。n-侧波导层的n-侧波导层厚度小于300nm，小于200nm，小于120nm，或者是1-120nm。在优选实施方式中，n-侧波导层的厚度为125-300nm，125-200nm，125-150nm或者50-120nm。n-侧波导层60的载流子浓度通常是1017cm-3至1019cm-3范围内的n-型掺杂剂如硅。
有源区40包含一个或多个InGaN量子阱，所述InGaN量子阱产生电泵送的受激发射的光子。有源区40还在可见电磁光谱的绿光部分的激光波长产生光增益，该波长通常定义为波长为510-580nm的光。各个InGaN量子阱可介于两个AlInGaN量子阱障碍之间。
图1B更清楚地显示了有源区40的层结构。图1B中的有源区40是剖视图，显示了量子阱层的可任选的重复。应理解，有源区40的所有层相互堆叠成连续多层，但是该连续多层可包含介于图1B所示层之间的未在图1B中示出的附加层。所述附加层可包括例如间隔层，该间隔层的存在优化了有源区40的性能，但是对于有源区40的功能不是必需的。通常，量子阱50A介于第一量子阱障碍55A和第二量子阱障碍55B之间。量子阱50A、50B的厚度通常分别为1nm至约20nm，并且可以是单层（如所示）或者多层（未示出）。量子阱50A、50B可以分别是一层InGaN或者多层InGaN。量子阱50A、50B的InGaN的铟浓度可以是例如20-40%。类似地，量子阱障碍55A、55B、55C可以独立地是单层（如所示）或者多层（未示出）。量子阱障碍55A、55B、55C可以分别是AlInGaN层，厚度可以是例如约1-50nm。作为示例性的具体组成，量子阱障碍55A、55B、55C的AlInGaN的铟浓度可以约为0-20%，铝浓度可以约为0-20%。
有源区40可包含一个量子阱或者多个量子阱。在图1B中，附加量子阱50B以及附加量子阱障碍层55C显示为重复单元57，从而使得当重复单元57堆叠到现有的量子阱障碍上时，例如堆叠到第二量子阱障碍55B上时，第一量子阱的顶部障碍层（此处为第二量子阱障碍55B）也成为了附加量子阱50B的底部障碍层。有源区40可包含n个重复单元57，其中，在单阱有源区中n可以是0，或者对于多阱有源区n可以是1-20、1-10、1-5或者1-3的整数。
参考图1A和1B，基于第III族氮化物的激光二极管1还可包含空穴阻挡层80和/或电子阻挡层90。如果存在空穴阻挡层80的话，则所述空穴阻挡层80可介于有源区40和n-侧波导层60之间，并且厚度可以约为10-20nm。如果存在电子阻挡层90的话，则所述电子阻挡层90可介于有源区40和p-侧波导层70之间。在另一个未示出的实施方式中，电子阻挡层可介于p-侧波导层和p-包覆层之间。
如果存在电子阻挡层90的话，则所述电子阻挡层90可以是AlGaN层、AlInGaN层或者AlGaN层和AlInGaN层的组合，其中所述电子阻挡层90的厚度约为5-50nm。优选地，电子阻挡层90比它的相邻层具有更宽的带隙，并且经过高度掺杂，受体浓度至少为1018cm-3，或者1018cm-3至1021cm-3。电子阻挡层90中的受体物质可以是例如镁。不希望受到理论的限制，认为选择带隙比相邻层更宽的非常薄的电子阻挡层防止了由于高度掺杂电子阻挡层90所引起的内部光损耗的增加。这可能是由于空穴，特别是位于电势波动或者受体水平的空穴离开电子阻挡层90并分散到相邻层中的能力的结果。此外，电子阻挡层90中的离子化受体可以提供促进空穴传输并抑制电子传输的电场。因此，相信当电子阻挡层90是高度掺杂的时，可以增加电子阻挡层90的效率，增加空穴注入效率，并且可以降低器件的串联电阻而不会伴随内部光损耗的增加。
p-侧波导层70是p-掺杂的(Al)InGaN层。在一些实施方式中，p-侧波导层70可优选是p-掺杂的InGaN层。在示例性实施方式中，p-侧波导层70可以是(Al)InxGa1-xN层，其中x为0.04-0.15，0.06-0.11，优选约为0.10。优选地，p-侧波导层70可具有与n-侧波导层60相同或者接近相同（例如，±0.03摩尔%）的铟浓度。p-侧波导层70与n-侧波导层60的组成相似性可优化基于第III族氮化物的激光二极管1中的应变弛豫。例如，当由于波导层和各包覆层之间形成的失配缺陷产生应变弛豫时，优选波导层的铟浓度约为6-11%，更具体地，约为7-9%，以得到最佳光学限值并减少对于材料质量下降的担忧。另一方面，如果形成的波导层和包覆层不具有故意的应变弛豫，则可能希望较低的铟浓度，例如约3-6%。p-侧波导层70的p-侧波导层70受体浓度可以是小于3×1017cm-3，为1×1015cm-3至3×1017cm-3，或者优选为1×1016cm-3至3×1017cm-3。通常，p-侧波导层受体浓度应该足够低，以避免光模块重叠p-侧波导层70时的高内部光损耗。但是，p-侧波导层受体浓度应该足够高，以克服可能的掺杂补偿，从而防止了高串联电阻或者甚至是晶闸管特性。
在其他实施方式中，p-侧波导层70的铟浓度可以低于n-侧波导层60的铟浓度。在此类实施方式中，p-侧波导层70的铟浓度可以约为0-9%或者约为0-7%，而n-侧波导层60的铟浓度可以约为3-11%或者约为3-9%。优选地，p-侧波导层70的铟浓度低于n-侧波导层60的铟浓度。优选地，如果波导的铟浓度表示为摩尔%，则较高的n-侧波导层60的铟浓度减去较低的p-侧波导层70的铟浓度可得到大于或等于2%的铟浓度差。
当p-侧波导层70的铟浓度低于n-侧波导层60的铟浓度时，则p-侧波导层的厚度可以约等于n-侧波导层的厚度，但是n-侧波导层的厚度优选大于p-侧波导层的厚度。作为具体的例子，n-侧波导层的厚度可以是125-300nm，p-侧波导层的厚度可以小于100nm。
通常，p-侧波导层70的p-侧波导层厚度小于100nm，小于50nm，小于40nm，为1-50nm或者为20-50nm。在优选实施方式中，p-侧波导层的厚度小于n-侧波导层的厚度。例如，p-侧波导层的厚度可以是1nm至n-侧波导层厚度的约10%，1nm至n-侧波导层厚度的约20%，1nm至n-侧波导层厚度的约25%，1nm至n-侧波导层厚度的约30%，1nm至n-侧波导层厚度的约35%，1nm至n-侧波导层厚度的约40%，1nm至n-侧波导层厚度的约45%，1nm至n-侧波导层厚度的约50%，1nm至n-侧波导层厚度的约55%，1nm至n-侧波导层厚度的约60%，或者1nm至n-侧波导层厚度的约75%。在特别优选的实施方式中，n-侧波导层的厚度和p-侧波导层的厚度总和（即总的波导厚度）约为150-200nm。
相信p-侧波导层厚度与n-侧波导层厚度之间的关系，特别是结合了下文详述的掺杂分布的选择对于促进基于第III族氮化物的激光二极管1中的内部光损耗的降低具有重要贡献。例如，因为光模块随着离开有源区40的距离呈指数衰减，所以光模块与p-侧包覆层30的高度p-掺杂部分的略微偏移会导致光模块与高度p-掺杂部分的重叠的指数下降。虽然偏移的光模块与有源区40的重叠通常会略小于当光模块未以这种方式偏移时的重叠，但是相信偏移的光模块与高度p-掺杂的材料之间的重叠的指数减少会明显降低总体光损耗。
通过得到最小光模块增宽，最佳总波导厚度使光限值最大化。当总波导厚度大于最佳总波导厚度时，激光二极管的光模块增宽量较高，原因在于光模块在激光二极管中提供了更宽的波导区域。但是同样地，当总波导厚度小于最佳总波导厚度时，激光二极管的光模块增宽量较高，原因在于对比波导层和包覆层的整体折射率的降低提供了较低的光限值。对于给定的总波导厚度，可以通过减小p-侧波导层厚度并增加n-侧波导层厚度来降低p-型材料重叠引起的光损耗。当p-侧波导层的厚度减小（特别是相对于n-侧波导层的厚度）时，光模块具有比p-型材料更多量的n-型材料。降低p-型材料与光模块的重叠，进而降低了光损耗。所述光损耗的有利减小比可由n-侧波导层的厚度增加到高于最佳水平所导致的光限值因子的不利降低更为明显。
作为一个说明性例子而非进行限制，可以根据上述任意实施方式制造第一激光二极管和第二激光二极管，其中制造的两个激光二极管的总波导厚度都为160nm。第一激光二极管可具有厚度为120nm的n-侧波导层以及厚度为40nm的p-侧波导层。第二激光二极管可具有厚度为130nm的n-侧波导层以及厚度为30nm的p-侧波导层。理论上来说，第二激光二极管的光限值因子低于第一激光二极管的光限值因子。即使如此，第二激光二极管中光模块与p-型材料的重叠小于第一激光二极管中光模块与p-型材料的重叠所导致的光损耗的下降大于第一激光二极管与第二激光二极管之间的光限值因子的降低。如此，预期第二激光二极管的电光转化效率高于第一激光二极管的电光转化效率。因此，相信对于给定的总波导厚度，随着n-侧波导层厚度的增加，模态增益(modal gain)与内部损耗的比值增加。
p-侧包覆层30是p-掺杂的(Al,In)GaN层。在示例性实施方式中，(Al,In)GaN层是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x<0.2且0≤y<0.3。p-侧包覆层30包含第一厚度部分35和第二厚度部分37。第一厚度部分35介于第二厚度部分37与p-侧包覆层30和p-侧波导层70的界面之间。p-侧包覆层30的第一厚度部分35的第一部分厚度x小于或等于200nm，具体为1-200nm，优选为20-200nm。p-侧包覆层的总厚度通常是例如约0.5-1.5μm。p-侧包覆层的总厚度的上限不是关键，除了太厚的p-侧包覆层会不合乎希望地降低器件的导电性。
在一个实施方式中，制造的p-侧包覆层30具有梯度掺杂分布，使得第一厚度部分35的第一部分受体浓度小于3×1017cm-3，第二厚度部分37的第二部分受体浓度大于3×1017cm-3。第一部分受体的部分受体浓度小于第二部分受体浓度部分是为了使光模块接触p-侧包覆层30中的受体。在基于第III族氮化物的激光二极管1的正常操作条件下，预期光模块略微延伸进入到p-侧包覆层30中。光模块与受体的接触通常导致光损耗。原因在于，光模块通常不会明显延伸通过整个p-侧包覆层30，不必降低整个p-侧包覆层30的受体浓度。
p-侧包覆层30的梯度掺杂分布可能导致，但是未必一定导致，受体浓度的突然变化，从而在第一厚度部分35和第二厚度部分37之间限定了明显界面。例如，p-侧包覆层从底部到顶部的整个厚度上的受体浓度可以逐渐增加，使得当受体浓度达到或超过3×1017cm-3时，第一厚度部分35终止并且第二厚度部分开始。虽然第二厚度部分37在其与第一厚度部分35的边界处的受体浓度可能约为3×1017cm-3，但是梯度掺杂分布可能继续增加穿过第二厚度部分37的厚度。第二厚度部分37的一部分的受体浓度可能超过1×1018cm-3，超过1×1019cm-3，或者约为3×1017cm-3-1×1020cm-3。
关于p-侧波导层70和p-侧包覆层30的p-型掺杂分布，通常认为光损耗可归结于价带电势波动中或者受体上捕获的局部化空穴的优势地位。虽然活化空穴有利于层中的导电性，但是局部化空穴不会。从而当可能存在局部化空穴时，必须对层进行更重的掺杂以弥补导电性的下降。认为可以通过选择活化能小于或等于约170meV的掺杂剂物质，或者，可以选择器件层的材料来减轻所述局部化空穴的优势地位，其中，给定物质例如镁的活化能小于或等于约170meV。以这种方式选择活化能可增加导电性，同时维持恒定水平的光损耗。在所有情况下，因为发现光模块与p-掺杂材料的重叠引起光损耗的上升和受体浓度的增加，所以优选p-掺杂层中的p-型掺杂分布在接近有源区（光模块最强烈的位置）、p-侧波导层70中以及p-侧包覆层30的第一厚度部分35中维持最小受体浓度。
为了描述根据上文所述实施方式的基于GaN的激光二极管的数种操作原理，图2提供了示例性的基于GaN的激光二极管的模拟光模块强度。在图2中，光模块曲线100以深度坐标d(nm)对标准化光模块密度β/β0进行作图，其中0nm对应激光二极管的顶部，β0是整个深度分布上的最大光模块密度。折射率线150以相同的深度坐标d对折射率（R.I.）作图。垂直虚线显示基于GaN的激光二极管的功能层的深度位置。字母A-F分别标示对应功能层的深度分布区域，其中：A是p-侧包覆层的第二厚度部分（高度掺杂的）；B是p-侧包覆层的第一厚度部分（轻微掺杂的）；C是p-侧波导层；D是有源区；E是n-侧波导层；以及F是n-侧包覆层。两个波导层（C和E）的折射率高于包覆层（A、B和F）的折射率。有源区（D）具有高折射率。n-侧波导层（E）比p-侧波导层（C）厚，因此，光模块曲线100的峰值120位于n-侧波导层（E）中心。p-侧包覆层的第一厚度部分（B）与p-侧包覆层的第二厚度部分（A）之间的边界位于约475nm深度处。在该边界处的位置，光模块强度约为峰值120处的光模块强度的10%，相比略高于第一厚度部分（B）和p-侧波导层（C）之间边界处的40%。因为第一厚度部分（B）是轻微掺杂的，所以第一厚度部分（B）中的光模块部分较不易受到与p-侧包覆层中的受体重叠的光损耗的影响。
回到图1A，在一些实施方式中，可优选p-侧包覆层30是p-掺杂的GaN层，并且可任选地，n-侧包覆层20是n-掺杂的GaN层。不希望受到理论的限制，认为GaN材料相对于AlGaN较低的光吸收系数减小了输出光损耗，即使光限值因子也会减小。例如，虽然GaN包覆的激光二极管的光限值因子可低至具有AlGaN包覆层的激光二极管的光限值因子的67%，但是相同的GaN包覆可导致激光二极管的光损耗是AlGaN包覆的激光二极管显示的光损耗的50%。因为在此类器件中，光损耗的下降超过了光限值因子的下降，GaN包覆层可导致电光转化效率的增加高于AlGaN。此外，p-掺杂的GaN的镁受体活化能低于AlGaN。认为p-侧包覆层30中受体活化能的下降会降低光损耗，因为当活化能下降时，获得预定导电性所需的受体浓度也发生下降。
在另一个实施方式中，p-侧包覆层30是具有铝组成梯度的(Al,In)GaN层。在组成梯度中，p-侧包覆层30中的铝浓度会随着离开有源区的距离增加而增加。组成梯度可在p-侧包覆层30中限定两个或更多个区。例如，0-5%的铝浓度可限定为最靠近有源区40的p-侧包覆层30的第一区。第一区可从p-侧波导层70的界面开始延伸，并包含p-侧波导层70上最初约20-220nm的p-侧包覆层30的厚度。最高为20%或者5-20%的提升的铝浓度可限定为紧邻第一区上方的p-侧包覆层30的第二区。第一区和第二区中的铝浓度不必是均匀的。优选地，随着离开p-侧波导层70的距离增大，在p-侧包覆层30的厚度上铝浓度增加。第一区和第二区的总厚度可以约为200-500nm。紧邻第二区上方的p-侧包覆层30的第三区可具有任意铝浓度，或者甚至可以没有铝。p-侧波导层70关于描述铝组成梯度的区的名称可以是，但不一定是，与第一厚度部分35和第二厚度部分37相关的，这两个部分如上所述一起限定了受体浓度梯度。
相信最接近p-侧波导层70和有源区40的具有低水平的铝的铝组成梯度提供了降低的受体活化能，当铝浓度低或者例如低于约5%时，对于给定的受体浓度可增加导电性。因此，可存在较低的受体浓度以维持给定的导电性。较低的受体浓度可降低光损耗。因此，对于p-侧包覆层中存在的铝组成梯度，相对于掺杂剂分布，如上所定义的第一厚度部分35的第一部分受体浓度优选低于第二厚度部分37的第二部分受体浓度。在一个具体例子中，第一部分受体浓度可以是3×1017cm-3至3×1018cm-3，而第二部分受体浓度可以大于3×1018cm-3。当p-侧包覆层30中存在铝组成梯度时，优选地，p-侧波导层70和n-侧波导层60可以都是基本没有铝的InGaN层，或者是铝浓度小于5%，小于1%或小于0.1%的(Al)InGaN层。
在另一个实施方式中，基于GaN的激光二极管还可包含无源量子阱(passive quantum well)结构或者多个无源量子阱结构。无源量子阱结构可配置成促进无源量子阱在激光波长下的高折射率。具体来说，可以将无源量子阱配置如下：结构的吸收边缘波长比激光波长短，但是激光波长和无源量子阱吸收边缘之间的光谱间距小。当结构的吸收边缘波长比激光波长短时，无源量子阱不吸收激光。
在另一个实施方式中，基于第III族氮化物的激光二极管1可以是不对称的，使得n-侧波导层60含有铟但是p-侧波导层70和p-侧包覆层30不含铟。例如，n-侧波导层60可以由InGaN块形成或者配置成InGaN超晶格或者无源InGaN多量子阱结构。在一些实施方式中，当基于第III族氮化物的激光二极管1是不对称的时，p-侧波导层70不一定要与p-侧包覆层30间隔开，从而可认为p-侧波导层70的厚度为0。无源多量子阱结构可配置成使其吸收边缘光谱位置靠近激光波长，从而增加n-侧波导层60中的光限值。虽然不对称激光二极管中的光模块偏向器件的n-侧，但是光限值因子并未明显下降。认为不对称结构可对p-型导电性提供了更好的控制，特别是当p-掺杂的GaN层被用作p-侧包覆层30，用作具有p-掺杂的InGaN层作为p-侧波导层连同分开的p-侧包覆层的替代品。
在另一个实施方式中，p-侧波导层70和/或n-侧波导层60可以是合适导电性类型的具有组成梯度的(Al)InGaN层，各层都具有梯度铟浓度，使得波导层中与有源区40相邻的铟富集区的铟浓度高于各波导层余下部分中的铟浓度。对于这种方法，结构中优选不具有应变弛豫。不希望受到理论的限制，相信当一个或两个波导层中存在提升的铟浓度时，折射率作为铟浓度的函数的超级线性相关性可改善光限值。特别地，优选在与有源区相邻的一个或两个波导层的高铟区中建立提升的铟浓度，以增加有源区40周围的光模块局部化。作为此类光模块局部化增加的结果，有源区40的光限值因子会增加。在具有梯度铟浓度的给定波导层中，铟富集区可限定为，例如与有源区40相邻的部分波导层，其厚度约为各波导层总厚度的0.1-75%，0.1-50%，0.1-25%，0.1-10%，1-25%，10-25%或者20-50%。
当波导层具有梯度铟浓度时，一个或两个波导层的铟富集区的铟浓度可以约为5-50%，约为5-40%，约为5-30%或者约为10-30%。各波导层中余下部分中的铟浓度可以约为0-10%或者约为0-5%，使铟富集区中的铟浓度高于各波导层中余下部分中的铟浓度。铟富集区和各波导层余下部分之间的铟浓度差优选至少为1%，至少为2%，至少为3%，至少为5%或者至少为10%。如果p-侧波导层70和n-侧波导层60都具有梯度铟浓度，可优选使两个波导层中的铟富集区具有大致相同的铟浓度，例如两个波导层之间的铟浓度差为±3%、±2%、±1%或者甚至±0.1%。
还可优选一个或两个波导层具有梯度铟浓度，并且p-侧波导层的厚度小于n-侧波导层的厚度。相信小于n-侧波导层厚度的p-侧波导层厚度可减少透过基于第III族氮化物的激光二极管1的p-侧的光模块，从而可降低内部光损耗。
在这些梯度铟浓度的上下文中，应理解，波导层可以由超晶格或者包含多层(Al)InGaN层的其他周期性结构形成。因此，关于梯度铟浓度的具体示例性铟浓度应理解为各层的整个体积中的平均铟浓度。例如，如果波导层是由具有较厚InGaN层和较薄AlInGaN层的InGaN/AlInGaN晶格形成的，则超晶格的平均铟浓度会接近InGaN层的平均铟浓度而不是AlInGaN层的平均铟浓度。类似地，即使超晶格中的InGaN层和AlInGaN层具有相同厚度，而InGaN层中的平均铟浓度高于AlInGaN层中的平均铟浓度，超晶格的平均铟浓度会是InGaN层的铟浓度总和与AlInGaN层的铟浓度总和的平均值。
通常来说，可以在基材10上形成基于第III族氮化物的激光二极管1，使有源区、波导层以及包覆层形成多层激光二极管。在此类多层二极管中，波导层引导了有源区中产生的光子的受激发射，而包覆层促进了发射的光子传输通过波导层。基材10可具有n-型导电性或者p-型导电性。具有与基材10相同导电类型的包覆层比具有与基材10相反导电类型的包覆层更靠近基材放置。在本文所述实施方式中，基材10优选是n-型半导体材料，n-侧包覆层20介于n-侧波导层60和基材10之间，p-侧包覆层30设置在n-侧包覆层20上。适合作为基材10的材料的例子包括但不限于，自立式第III族氮化物材料，例如GaN、AlN、InN、AlGaN、GaInN或者AlInGaN。在优选的实施方式中，基材可以是自立式GaN。在特别优选的实施方式中，基材可以是半极性取向，例如选自以下取向：
Figure BDA00002936126100121
的自立式GaN。虽然优选为n-型基材，但是完全可以考虑在未示出的实施方式中使用p-型基材，使p-侧包覆层30介于p-侧波导层70和基材10之间，并且n-侧包覆层20设置在p-侧包覆层30上方。
基于第III族氮化物的激光二极管1在图1A所示的任意两层之间还可包含附加层或者间隔层（未示出）。作为非限制性例子，可在p-侧波导层70和p-侧包覆层30之间或者在n-侧波导层60和n-侧包覆层20之间插入一层或多层GaN间隔层（未示出）。基于第III族氮化物的激光二极管1还可包含接触层（未示出）和/或互联件（未示出），通过配置成向n-侧包覆层20引入电子的电源（未示出）在n-侧包覆层20和p-侧包覆层30之间建立电连续性。例如，可以在基材10的与n-侧包覆层20相对的背面侧上形成第一接触层，并可在p-包覆层30上形成第二接触层。或者，可以在基材的未被n-侧包覆层20覆盖的部分上形成第一接触层。
可以例如通过本领域已知或者待开发的任意沉积技术依次沉积基于第III族的氮化物的激光二极管1的层。作为非限制性的例子，可以使用例如金属有机化学气相沉积（MOCVD）以及金属有机气相外延（MOVPE）等技术。金属有机沉积法可包含前体，例如三甲基镓、三甲基铝（TMA）、三甲基铟以及本领域已知的其他化合物。所述层可以在短期内是超晶格。考虑前述所有的层和可任选的间隔层，所述基于第III族的氮化物的激光二极管1的总厚度通常在约1-4μm的范围内。
根据上文所述任意实施方式，当发射绿光的基于第III族的氮化物的激光二极管包含AlGaN包覆层时，激光二极管的光损耗水平小于8cm-1。对于包含GaN包覆层的激光二极管的光损耗水平小于5cm-1。
需要注意，本文中所述对本发明的成分进行“配置”以体现特定的性质、或者以特定的方式发挥功能，是结构性描述，而不是对预期的用途进行限制。更具体来说，本文所述的对成分进行“配置”的方式表示该成分现有的物理条件，因此可以将其看作该成分的结构特征的限定性描述。
仅出于方便的目的，用例如“顶部”和“底部”的术语描述本文中的器件层。在任意一个实施方式的范围内，这些术语用于表示器件层相对于结构的顺序，其中基材被认为是器件的底部。除此之外，术语“顶部”和“底部”并不旨在表示操作或制造时器件的任意优选的朝向。因此，术语“上方”表示朝向结构顶部，而术语“下方”表示朝向结构底部。
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。
除非另外定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域普通技术人员通常所理解的同样含义。本文所用的术语仅仅用来描述具体的实施方式，而不是用于限制。如本发明的说明书以及所附权利要求书中所用，单数形式的“一个”，“一种”和“该”也包括复数的指代物，除非文本中有另外的明确表示。
除非另有说明，否则本说明书和权利要求书所用的表示各成分含量、诸如分子量等性质、反应条件等等的所有数值应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非另有说明，否则，在本说明书和权利要求书中所述的数值参数是近似值，可根据本发明实施方式试图获得的所需性质而变化。虽然限定本发明宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实施例中列出的数值是尽可能准确记录的。本领域普通技术人员应理解本文中的任何数值不可避免地含有测定值所用的测量技术所导致的某些误差。

Claims (28)

1.一种基于第III族氮化物的激光二极管，它包含由n-掺杂的(Al,In)GaN形成的n-侧包覆层、由n-掺杂的(Al)InGaN形成的n-侧波导层、有源区、由p-掺杂的(Al)InGaN形成的p-侧波导层、以及由p-掺杂的(Al,In)GaN形成的p-侧包覆层，其中：
所述有源区介于n-侧包覆层与p-侧包覆层之间，并基本上平行于所述n-侧包覆层和p-侧包覆层延伸；
所述有源区包含一个或多个InGaN量子阱，所述InGaN量子阱产生电泵送受激发射的光子，在510-580nm的激光波长处产生光增益；
所述n-侧波导层介于有源区与n-侧包覆层之间；
所述n-侧波导层的n-侧波导层厚度为1-300nm；
所述p-侧波导层介于有源区与p-侧包覆层之间；
所述p-侧波导层的p-侧波导层受体浓度小于3×1017cm-3，并且所述p-侧波导层的厚度小于100nm；
所述p-侧波导层的厚度小于n-侧波导层的厚度；
所述p-侧包覆层包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分与p-侧波导层之间；
所述p-侧包覆层的第一厚度部分的第一部分厚度为20-200nm，并且第一部分受体浓度小于3×1017cm-3；以及
所述p-侧包覆层的第二厚度部分的第二部分受体浓度大于3×1017cm-3。
2.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层的厚度为1-50nm。
3.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述n-侧波导层的厚度为125-300nm。
4.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层的厚度以及n-侧波导层的厚度将总波导厚度限定为150-200nm。
5.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层的厚度为1-50nm，并且p-侧波导层的厚度与n-侧波导层的厚度将总波导厚度限定为150-200nm。
6.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于：
所述p-侧波导层和/或n-侧波导层是分别具有梯度铟浓度的组成梯度的(Al)InGaN层；
梯度铟组成分别在各波导层中限定了靠近有源区的铟富集区；
铟富集区的厚度分别是各波导层厚度的0.1-75%；
铟富集区的平均铟浓度为5-50%；
各波导层在铟富集区之外的余下部分的平均铟浓度为0-10%；
铟富集区的平均铟浓度高于各波导层余下部分的平均铟浓度；以及
使得铟富集区和各波导层余下部分的铟浓度之差至少为3%。
7.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，在具有n-型导电性的基材上形成所述基于第III族氮化物的激光二极管，使n-侧包覆层介于基材和n-侧波导层之间。
8.如权利要求7所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述基材选自下组：GaN、A1N、InN、GalnN以及AlInGaN。
9.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述各个InGaN量子阱介于两个AlInGaN量子阱障碍之间。
10.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层的受体浓度为1×1016cm-3至1×1017cm-3。
11.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层和n-侧波导层都是InxGa1-xN层，其中x为0.04-0.15。
12.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层和n-侧波导层都是InxGa1-xN层，其中x为0.06-0.11。
13.如权利要求12所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层中的x小于n-侧波导层中的x。
14.如权利要求12所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层中的x与n-侧波导层中的x之差不大于0.03。
15.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，它还包含介于有源区和p-侧波导层之间的AlGaN电子阻挡层，所述电子阻挡层的电子阻挡层受体浓度至少为1018cm-3。
16.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧包覆层是GaN层。
17.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述n-侧包覆层是GaN层。
18.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧包覆层和n-侧包覆层都是GaN层。
19.如权利要求2所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述n-侧波导层是无源多量子阱结构，该无源多量子阱结构包含多个介于(Al,In)GaN无源量子阱障碍层之间的InGaN无源量子阱芯层，使得无源多量子阱结构的每个单独的无源量子阱配置成间带传输峰值波长小于激光波长。
20.如权利要求19所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述一个或多个单独的无源量子阱的间带传输波长小于510nm。
21.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述激光基材是具有半极性朝向的GaN。
22.如权利要求21所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述半极性朝向是2021。
23.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧包覆层具有铝组成梯度，使得p-侧包覆层中的铝浓度随着离开有源区的距离增加而增加。
24.如权利要求1所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于：
所述p-侧包覆层具有铝组成梯度；
0-5%的第一铝浓度限定p-侧包覆层的第一区；
高至20%的铝浓度限定p-侧包覆层的第二区；
所述第一区从p-侧包覆层与p-侧波导层的界面延伸，并且厚度约为20-200nm；以及
所述第二区紧靠所述第一区上方设置。
25.如权利要求24所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层是由p-掺杂的InGaN形成的，所述n-侧波导层是由n-掺杂的InGaN形成的。
26.一种基于第III族氮化物的激光二极管，它包含由n-掺杂的(Al,In)GaN形成的n-侧包覆层、由n-掺杂的(Al)InGaN形成的n-侧波导层、有源区、由p-掺杂的(Al)InGaN形成的p-侧波导层、以及由p-掺杂的(Al,In)GaN形成的p-侧包覆层，其中：
所述有源区介于n-侧包覆层与p-侧包覆层之间，并基本上平行于所述n-侧包覆层和p-侧包覆层延伸；
所述有源区包含一个或多个InGaN量子阱，所述InGaN量子阱产生电泵送受激发射的光子，在510-580nm的激光波长处产生光增益；
所述n-侧波导层介于有源区与n-侧包覆层之间；
所述n-侧波导层的n-侧波导层的铟浓度约为3-11%；
所述p-侧波导层介于有源区与p-侧包覆层之间；
所述p-侧波导层的p-侧波导层受体浓度小于3×1017cm-3，并且所述p-侧波导层的铟浓度约为0-9%；
所述p-侧波导层的铟浓度小于n-侧波导层的铟浓度；
所述p-侧包覆层包含第一厚度部分和第二厚度部分，所述第一厚度部分介于第二厚度部分与p-侧波导层之间；
所述p-侧包覆层的第一厚度部分的第一部分厚度为20-200nm，并且第一部分受体浓度小于3×1017cm-3；以及
所述p-侧包覆层的第二厚度部分的第二部分受体浓度大于3×1017cm-3。
27.如权利要求26所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于，所述p-侧波导层和n-侧波导层的铟浓度之差大于或等于2%。
28.如权利要求26所述的基于第III族氮化物的激光二极管，其特征在于：
所述n-侧波导层的n-侧波导层厚度为125-300nm；以及
所述p-侧波导层的p-侧波导层厚度小于100nm。
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