CN107710381B - 涉及具有晶格匹配的覆层的高限制因子的iii族氮化物边发射激光二极管的方法和器件 - Google Patents

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Abstract

描述了具有高限制因子和晶格匹配的多孔覆层的边发射激光二极管。所述激光二极管可以由III族氮化物材料的层形成。可以对覆层进行电化学蚀刻以形成与器件的有源结具有高折射率对比度的多孔覆层。可以沉积透明导电氧化物层以形成具有高折射率对比度和低电阻率的顶侧覆层。

Description

涉及具有晶格匹配的覆层的高限制因子的III族氮化物边发 射激光二极管的方法和器件
背景
技术领域
本技术涉及边发射激光二极管(edge-emitting laser diode)，例如边发射的III族氮化物激光二极管。
相关技术讨论
常规的边发射半导体激光器通常实施分别限制异质结构(separateconfinementheterostructure，SCH)。在该结构中，光波导结构可以包括夹在顶部覆层与底部覆层之间的有源结。覆层通常具有较低的折射率，因此可以将光模在空间上限制在波导结构内。端镜或反射半导体/空气面可以在纵向(例如，沿着激光发射的方向)上提供额外的光学限制，并且可以限定激光腔。波导结构可以包括夹在具有较大带隙的p型半导体层和n型半导体层之间的有源区，通常为多量子阱。p型层和n型层帮助电学和光学地限制有源区内的受激发射。在半导体结构中，光学限制和电学限制均是有效的激光发射所需要的。
在这样的半导体激光器设计中，如果激光腔中的往返光学增益(gmodal)超过往返吸收(αi)和镜面损耗(αm)，则满足激光发射标准。光学增益(gmodal)与材料增益(gmat)和限制因子(Γ)的乘积成比例。限制因子表示激光器的有源区(其中发生粒子数反转)与侧向限制的光模之间的电场的幅度平方的横向空间重叠程度的量度。为了更高的激光发射效率，需要提高限制因子。
发明内容
本发明人已经构思并开发了用于制造具有晶格匹配的纳米多孔n+型覆层的III族氮化物边发射激光二极管的方法和结构。高度掺杂的n+-GaN覆层可以作为激光二极管结构的一部分外延地生长。该结构还可以包括夹在n型GaN半导体层和p型GaN半导体层之间的InGaN/GaN多量子阱。随后通过电化学蚀刻方法使n+掺杂的GaN层选择性地多孔化，在此之后，材料的折射率显著降低，同时该层保持高导电性。电化学多孔化工艺产生了与激光器结构的相邻n型GaN层相比具有高折射率对比度的n侧(底侧)覆层。此外，多孔覆层既具有高导电性，又与相邻层是晶格匹配的。匹配的晶格防止了材料应力，所述材料应力可能以其他方式存在于具有高折射率对比度的其他半导体激光二极管结构。
随后可以在激光二极管结构的顶部上沉积透明导电氧化物如氧化铟锡(ITO)作为p侧覆层。例如，与使用AlGaN作为覆层的常规氮化物激光二极管结构相比，n侧和p侧两侧上的大折射率对比度可以使光学限制因子提高多于两倍。此外，高折射率对比度设计可以减小p型层的厚度，并且可能消除激光二极管的有源区两侧上的AlGaN覆层。连同导电更好的覆层，与AlGaN的情况相比，整体二极管电阻可以显著减小，这可以进一步增强激光二极管的性能(例如，增加运行速度并减少欧姆加热损耗)。
一些实施方案涉及半导体激光二极管，其包括形成在衬底上并且布置成用于激光束的边发射的有源区，和形成在所述衬底与所述有源区之间的多孔覆层。在一些方面，有源区的第一折射率值与多孔覆层的第二折射率值之差大于0.1。在一些实施方式中，多孔覆层包含n掺杂的GaN。
根据一些方面，多孔覆层的掺杂密度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。半导体激光二极管还可以包括位于多孔覆层与衬底之间的掺杂水平为1×1018cm-3至5×1018cm-3的n型GaN层。在一些实施方式中，多孔覆层的孔隙率为30％至60％。在一些实施方式中，多孔覆层的平均孔径为10nm至100nm。多孔覆层的厚度可以为200nm至500nm。
根据一些实施方式，半导体激光二极管的有源区包含多量子阱。半导体激光二极管还可以包括形成在有源区的与多孔覆层相反的一侧上的导电氧化物覆层。半导体激光二极管的一维光学限制因子(Γ1D)可以为4％至10％。在一些实施方式中，导电氧化物覆层包含氧化铟锡。根据一些实施方式，半导体激光二极管可以作为可用于商业或住宅场景的光的光源并入。
一些实施方案涉及制造半导体激光二极管的方法。方法可以包括以下动作：在衬底上形成n+掺杂的GaN层；形成与所述n+掺杂的GaN层相邻的用于边发射半导体激光二极管的有源结；蚀刻贯穿所述有源结的沟槽(trench)以暴露所述n+掺杂的GaN层的表面；以及随后湿法蚀刻所述n+掺杂的GaN层以使所述n+掺杂的GaN层转变成多孔覆层。
在一些情况下，方法还可以包括形成与所述有源结相邻的导电氧化物覆层。根据一些实施方式，方法还可以包括形成与所述n+掺杂的GaN层相邻的n型电流扩展层，其中所述n型电流扩展层的掺杂浓度为1×1018cm-3和5×1018cm-3。
在一些方面，形成有源结包括通过外延来沉积n型GaN、多量子阱和p型GaN。在一些实施方式中，在形成有源结之后进行湿法蚀刻。根据一些方面，湿法蚀刻包括侧向地使n+掺杂的GaN层多孔化并且不需要光辅助蚀刻(photo-assisted etching)的电化学蚀刻。湿法蚀刻可以使用硝酸作为电解质以使n+掺杂的GaN层多孔化。在一些情况下，湿法蚀刻可以使用氢氟酸作为电解质以使n+掺杂的GaN层多孔化。根据一些实施方式，n+掺杂的GaN层的掺杂浓度可以为5×1018cm-3至2×1020cm-3。
前述的设备和方法实施方案可以以与上面描述或下面进一步详细描述的方面、特征和动作的任意合适的组合包括在内。从以下结合附图的描述可以更全面地理解本教导的这些和其他方面、实施方案和特征。
附图说明
本领域技术人员将理解，这里描述的附图仅用于举例说明的目的。应当理解，在一些情况下，实施方案的多个方面可以放大或扩大示出以便于理解实施方案。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明教导的原理上。在附图中，贯穿各个附图，相同的附图标记通常指代相同的特征、功能上类似的和/或结构上类似的元件。在附图涉及微加工的器件的情况下，可以仅示出一个器件以简化附图。在实践中，可以跨越衬底的大面积或整个衬底并行地制造大量的器件。另外，所描绘的器件可以集成到更大的电路中。
当在以下的详细描述中参照附图时，可以使用空间标记“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”等。这样的标记用于教导的目的，并不旨在作为具体示出的器件的绝对标记。具体示出的器件可以以可以与附图中所示取向不同的任何合适的方式在空间上取向。附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。
图1A描绘了根据一些实施方案的半导体激光二极管结构的正视图；
图1B描绘了根据一些实施方案的半导体激光二极管的能带图。
图2A描绘了根据一些实施方案的用于形成具有多孔覆层的III族氮化物激光二极管的外延层；
图2B至图2D描绘了与根据一些实施方案的用于形成具有多孔覆层的III族氮化物激光二极管的方法相关的结构；
图3为示出多孔GaN层的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图4描绘了根据一些实施方案的呈透视图的边发射半导体激光二极管；
图5示出了用无孔AlGaN覆层和多孔GaN覆层包覆的波导结构的光模限制；
图6A和图6B示出了两种不同结构的光模限制和折射率分布；
图7描绘了作为折射率对比度和波导厚度的函数的限制因子Γ1D的三维图。虚线表示对于选定的折射率对比度和优选的波导厚度的较高限制因子；
图8A和图8B描绘了根据一些实施方案的电化学蚀刻条件；
图8C至图8E为示出在不同的电化学蚀刻条件下形成的纳米多孔GaN的SEM图像；以及
图9示出了来自具有多孔覆层的光泵浦边发射半导体激光器的受激发射。
从下面结合附图给出的详细描述中，所示实施方案的特征和优点将变得更加明显。
具体实施方式
本发明人已经认识到并理解，常规的III族氮化物边发射激光二极管和以其他半导体材料(例如，GaAs、InP等)制造的边发射激光二极管具有实心的半导体覆层(例如，由III族氮化物体系的AlGaN形成)，这限制了激光二极管的有源区与覆层之间的折射率对比度。折射率对比度的这种限制意味着激光器的光模通常没有被很好地限制并且在空间上与二极管的有源区(发生受激发射的区域)未良好匹配。因此，本发明人已经认识到并理解，二极管的效率不如其可能的那样高。
例如，III族氮化物半导体激光二极管可以包括类似于GaAs激光二极管的SCH结构。III族氮化物激光二极管结构可以在GaN衬底上或GaN模板如蓝宝石上生长。如图1A所示，AlGaN合金(其折射率低于GaN)可以作为覆层在外延结构中生长。所描绘的激光二极管结构100可以是具有两个AlGaN覆层105(例如，两个Al0.15Ga0.85N层)的常规结构。本发明人已经认识到并理解，与III族砷化物激光器结构中的晶格匹配的AlAs和GaAs相比，对于III族氮化物结构，AlN与GaN之间存在大的晶格失配，这可大大限制激光器设计的自由度。
为了改善III族氮化物激光器的有源区中的光学限制，有源区与覆层之间较高的折射率对比度(Δn＝n有源区-n覆层)是优选的。由于AlGaN的折射率随着Al比例的增加而减小，所以较高的折射率对比度(Δn＝nGaN-nAlGaN)需要AlGaN覆层中较高的Al比例。优选地，Δn需要为至少0.05。然而，由于晶格尺寸随着AlGaN三元晶体中Al比例的增加而减小，所以AlGaN外延层与GaN层的晶格失配增加引起GaN上的拉伸应变增加。这种应变的过度累积可能导致许多问题，包括当生长超过一定(临界)厚度时的失配位错和V形形态缺陷的微观产生以及宏观外延结构的弯曲和开裂。所有的这些问题对于激光二极管的性能和可靠性可能都是不利的。
实际上，AlGaN覆层的常规Al组成在UV、蓝色和绿色激光二极管中为5％至20％。对于AlGaN包覆的III族氮化物激光二极管，这样的数值范围产生大致为0.02至0.08的Δn，这仅仅最低限度地满足折射率对比度的要求。由于低的折射率对比度，所以III族氮化物二极管激光器的光学限制因子仅为2％至3％左右，甚至在有源区增加到几百纳米厚并且覆层为几微米厚的情况下也是如此。作为参考，出于下面描述的计算和数值结果的目的，一维限制因子(Γ1D)可以表示为：
Figure BDA0001514088730000051
其中E(x)是x方向上的光模的电场幅度。模限制在图1A中大致描绘为虚线椭圆。激光二极管中发生受激发射的光学增益区(大约等于多量子阱占据的区域)在±Lx/2之间延伸。
图1A中x方向上的较低横向光模限制可引起很大显著部分的激光辐射通过衬底泄漏并激发衬底模。因为覆层中的光模的渐逝尾部(evanescenttail)不会突然衰减，所以一些部分的激光腔模可以传播到在激光异质结构下面的厚的n型GaN层110中。由于其折射率较高，所以下面的GaN层110可以形成第二寄生波导，导致来自有源区的辐射的大量泄漏以及激光二极管的横向远场图案退化。因此，横模可以变成与整个外延结构100相关的更高阶模。这种模与在激光异质结构下面的厚的GaN侧向接触层(其中没有光学增益)分享其强度，导致器件的损耗和效率降低。
为了减小寄生波导的影响，可以使覆层的厚度充分大于导波的侧向扩展，以降低进入寄生波导的模损耗。例如，Nichia Chemical的一个组报道了使用非常厚(5μm厚)的Al0.05Ga0.095N:Si底侧覆层。Osram OS报道了通过将底侧覆层的厚度增加至2μm来抑制衬底模。为了生长如此厚的AlGaN覆层而不发生开裂，需要超晶格结构，其可以更好地抵抗较厚层的开裂。然而，即使具有这些二极管设计和超晶格外延的复杂性，光学限制因子仍然低于约5％。
本发明人还认识到并理解，AlGaN覆层的另外的问题是其导电性，还有厚的p型掺杂的GaN层的导电性。由于Mg受体的深能级和GaN中的低空穴迁移率，p型GaN的电阻率比Si掺杂的n型GaN的电阻率高两个数量级，并且仍然是III族氮化物固态照明的瓶颈。据报道，由于AlGaN掺杂困难，所以用Mg掺杂AlGaN甚至不如GaN有效。厚的覆层(低折射率对比度所需要的)和高电阻率将使整个激光二极管成为更高电阻的电子结构并且效率更低，因为在电阻层的欧姆加热中将会损耗一部分电流。本发明人已经认识到并理解，III族氮化物激光器中的AlGaN覆层可不利地限制III族氮化物激光二极管的光学限制和电效率二者。
为了克服实心AlGaN覆层的限制，本发明人已经构想并开发了用于在III族氮化物边发射激光二极管中形成多孔覆层的方法和结构。多孔覆层可以提供比常规覆层高的折射率对比度和更低的电阻率。因此，多孔层可以提高III族氮化物边发射激光二极管的限制因子、电效率和总体发射效率。多孔覆层还可以用于由其他半导体材料制造的边发射激光二极管中。本发明人还已认识到并理解，有效的激光二极管可以是代替发光二极管(LED)的有用的高强度光源，因为激光二极管通过受激发射来发光，这可以避免“效率下降”现象，所述现象妨碍通过自发发射而发光的LED的性能。现在将描述具有纳米多孔覆层的边发射III族氮化物激光二极管的制造。
根据一些实施方案，如图2A所示的多层半导体结构可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或金属有机气相外延来生长。有源区216可以夹在包括n型层214和p型层220的波导结构中。在一些实施方案中，如所示，有源区可以包括多量子阱(MQW)。在另一些实施方案中，有源区可以包括p-n结的耗尽区。可以在有源区216与p型层220之间形成薄的(10nm至20nm)AlGaN电子阻挡层218，以改善其中发生复合和光子发射的有源区中的电子限制。在n型层214与p型层220之间以及包括n型层214和p型层220的层可以包括器件的有源结。掺杂水平为约1×1018cm-3至约5×1018cm-3的n型GaN层210可以在相邻层的电化学蚀刻期间和器件运行期间提供扩展穿过相邻n+型层212的电流。在一些情况下，可以不包括层210。n+-GaN层212可以是高度掺杂的，约5×1018cm-3至约2×1020cm-3或更高，使得电化学蚀刻将产生期望的纳米多孔结构。在一些实施方式中，n+-GaN层212的掺杂浓度比n-GaN层210的掺杂浓度大至少5倍，使得电化学蚀刻将选择性地蚀刻n+-GaN层，而不明显地蚀刻n-GaN层。锗(Ge)和/或硅(Si)可以用作n型层的n型掺杂剂。n+-GaN层212的厚度可以为约200nm至约500nm。
为了电化学蚀刻n+-GaN层，可以将沟槽蚀刻到图2A所示的外延层中，或者可以形成台面。沟槽可以限定激光腔的条状或棒状结构并且暴露n+-GaN层212的侧壁。在一些实施方案中，沟槽的蚀刻可以限定光模在y方向上的侧向限制。在另一些实施方案中，可以在堆叠体的顶部上形成肋结构以限定光模在y方向上的侧向限制。
为了形成沟槽，可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或任意其他合适的工艺在堆叠体上沉积氧化物层(例如，SiO2)。在一些实施方案中，可以使用其他硬掩模层材料。如图2B所示，可以使用标准光刻法和湿法或干法蚀刻产生硬掩模230来将激光腔的图案转移至氧化物层。然后可以使用用于GaN的任意合适的干法蚀刻工艺将掩模图案转移至堆叠体。例如，可以使用基于Cl的电感耦合等离子体(ICP)蚀刻工艺来选择性地去除III族氮化物层以形成沟槽235。干法蚀刻可以定时以使得蚀刻深度延伸到n+-GaN覆层212并暴露该层的一部分。随后可以通过电化学蚀刻工艺蚀刻n+-GaN覆层212的暴露部分。在一些实施方案中，沟槽235可以至少延伸至n+-GaN覆层212的底部。另一方面，干法蚀刻深度不能延伸超出n型层210，使得在电化学蚀刻期间蚀刻电流可以通过层210扩展穿过整个晶片。经蚀刻的结构可以如图2C所示呈现。
在形成沟槽235之后，可以进行电化学(EC)蚀刻以形成纳米多孔n+-GaN覆层213，如图2D所示。用于电化学蚀刻的实验装置可以包括在2012年7月26日提交的美国专利申请第13/559199号(其通过引用并入本文)中描述的装置。EC蚀刻不需要如光电化学(PEC)蚀刻的情况那样的光辐射用于蚀刻GaN。根据本发明实施方案的EC蚀刻可以包括在室温下使用高度浓缩的硝酸(HNO3)作为电解质。硝酸的浓度可以为约15M至18M。在一些实施方案中，硝酸浓度为约16.7M或70重量％。EC蚀刻偏压可以为1伏至10伏。EC蚀刻可以侧向行进到n+-GaN覆层212中并继续下去直到该层变成多孔层213，如图2D所示。EC蚀刻可以是定时蚀刻。可以从晶片中剥离掩模230。
在另一些实施方案中，可以使用另外的电解质以使n+-GaN覆层212多孔化。另外的电解质包括但不限于浓氢氟酸、盐酸、硫酸和草酸。这些蚀刻剂的蚀刻剂浓度、GaN掺杂和偏压可以不同。
图3为示出电化学蚀刻之后的经多孔化的n+-GaN覆层213的扫描电子显微镜(SEM)图像。孔呈现为黑点并且均匀地分布在整个层中。通过控制n+-GaN层212的掺杂水平、蚀刻剂浓度和蚀刻偏压，EC蚀刻可以可控地产生纳米级孔(例如，在一些实施方案中平均直径值为约10nm至约100nm的孔，以及在一些情况下平均直径值为约10nm至约40nm的孔)。当孔直径明显小于介质中光的波长并且均匀分布时，孔可以改变介质的有效折射率而不是充当散射位点。对于蓝色和绿色波长的激光二极管，可以期望在多孔覆层中的平均孔径小于约40nm。另外，通过控制掺杂水平、蚀刻剂浓度、蚀刻偏压和蚀刻时间，EC蚀刻可以可控地产生期望孔隙率的结构。术语“孔隙率”用于指层中的空隙或孔体积与由多孔层所占据的总体积之比。
在一些实施方案中，可以沉积透明导电氧化物(TCO)以形成p型覆层410，如图4所示。TCO可以包含电阻率低于p型AlGaN的氧化铟锡(ITO)。可以使用常规的半导体制造工艺来添加钝化层(例如，绝缘氧化物如SiO2)和接触垫420、422。在一些实施方案中，可以在形成接触垫之前沉积钝化层，并且可以在钝化层中打开通孔(vias)以与激光二极管电接触。
多孔GaN和TCO的使用可以消除III族氮化物激光二极管结构中对AlGaN覆层的需要。如上所述，多孔GaN覆层相对于AlGaN覆层可以具有数个优点。例如，与使用AlGaN覆层时仅为约0.02至0.08的Δn相比，多孔GaN层可以允许激光二极管的有源区216与多孔覆层之间的高折射率对比度。在一些实施方案中，折射率对比度可以大于约0.5(Δn≥0.5)。在一些实施方式中，Δn≥0.2。在一些实施方式中，Δn≥0.1。另外，经多孔化的n+-GaN层与相邻层晶格匹配，使得在层的外延生长期间在结构中没有大量的材料应力积累。另外，多孔n+-GaN层可以表现出低于常规AlGaN覆层的电阻率。
进行分析计算以研究覆层孔隙率对光学限制的影响，并且与具有AlGaN覆层的常规器件进行模限制的比较。这些计算的数值结果绘制在图5、图6A和图6B中。为了计算，激光二极管的结构包括两个约107nm厚的半导体层214、220和约10nm厚的有源区216。覆层各自为约400nm厚。对四种不同的覆层进行计算：AlGaN(曲线510)、20％孔隙率的GaN(曲线512)、40％孔隙率的GaN(曲线514)和60％孔隙率的GaN(曲线516)。从AlGaN覆层变成20％孔隙率的GaN覆层使模限制因子Γ1D提高近2倍。随着孔隙率的增加，光模变得更严格地限制在波导结构内。
就电阻率而言，本发明人已通过测量发现，纳米多孔GaN的电阻率与孔隙率单调地成比例。在EC蚀刻之后，多孔层213仍然可以具有约1×1018cm-3至约1×1019cm-3的掺杂浓度。由于n+-GaN覆层可以在多孔化之前最初掺杂高于5×1019cm-3，所以即使孔隙率为40％，纳米多孔层的载流子浓度水平也仍然高于2×1018cm-3。这种高的载流子浓度对多孔GaN覆层产生了可忽略不计的电阻率(与常规的n-AlGaN覆层相比)，而折射率对比度Δn可以被调节至高达0.5。在一些实施方式中，n+-GaN覆层213的孔隙率通过EC蚀刻控制为约30％至约60％。
在n-GaN半导体层214与多孔覆层213之间具有高折射率对比度的情况下，期望包括低折射率材料作为p型覆层以实现激光二极管中的对称模分布和改善的光学性能。根据一些实施方案，可以使用相对于GaN具有高折射率对比度(Δn为约0.5)的透明导电氧化物如ITO来代替高电阻且低Δn的AlGaN p型覆层。虽然已经提出并使用ITO作为GaN激光二极管的覆层，但是其在没有多孔底侧覆层的情况下使用可导致高度不对称的光模610，如图6A所示。在这种结构中，光模的很大部分泄漏到激光二极管的中心波导区域之外，在此不会经历光学增益。另外，仍然需要与MQW有源区相邻的厚的p-GaN层220以帮助减小光模的不对称性。
图6B示出了ITO p侧覆层和纳米多孔GaN n侧覆层的改善的光模限制。GaN层的孔隙率为约40％。该图示出了以有源区为中心的近似对称模分布622。限制因子Γ1D从图6A所示情况的约2.22％增加至约6.06％。作为参考，折射率值在两个图中被绘制为分段线620、622。
还进行了数值模拟以绘制在不同的折射率对比度和波导厚度下的限制因子Γ1D。结果示于图7的三维图中。该图包括限制因子的不同值的等值轮廓线。虚线表示对于任意给定的折射率对比度的波导厚度的优选值。在折射率对比度为0.05的情况下，优选的波导厚度产生仅约3％的限制因子Γ1D。作为参考，具有不同的Δn值和波导厚度的常规激光二极管结构用十字标记在图的底部附近。这些常规器件的限制因子都在2％至4％的范围内。
在一些实施方案中，使用纳米多孔的底侧或衬底侧覆层和导电氧化物顶侧覆层可以在激光二极管有源区的两侧上实现高达0.5的折射率对比度，并且产生大于9％的一维限制因子。该图左上部分附近的十字示出了使用纳米多孔GaN覆层和导电氧化物覆层的不同器件结构的限制因子值。对于这些结构，限制因子增加了多于两倍。除了更好的模限制之外，优选的波导厚度也减小了多于两倍。波导厚度的减小，特别是电阻式p型GaN波导层的波导厚度减小，将降低激光二极管的串联电阻，并进一步改善器件性能。
图8A至图8E中示出了EC蚀刻的另外的细节。对于图8A和图8B的图，使用浓硝酸(15M至17M)作为电解质。蚀刻在室温和恒电势(恒压)偏压下进行。当向浸没在酸性电解质中的n+型GaN样品施加正的阳极偏压时，n+-GaN可以通过表面反型层的空穴而变得被氧化。随后，表面氧化物层被电解质溶解。当所施加的偏压和/或掺杂浓度较低时，不发生化学反应并且n+-GaN保持为未蚀刻的。图的左下方描绘出未蚀刻的区域810。随着所施加的偏压和/或掺杂浓度增加，发生静电击穿，其中空穴注入到某些局部热点中。这导致纳米多孔结构的形成，并且通过图中弯曲的中心纳米多孔区域820来指示。在甚至更高的施加偏压下和/或在更高的掺杂浓度下，发生电抛光(完全蚀刻)，并由图中右上方的区域830来指示。
在纳米多孔区域820内，本发明人已经发现，孔形态可以通过样品电导率和阳极偏压来控制。较高的掺杂水平有助于形成高曲率和较小的中孔，并且多孔化的阈值偏压相应地降低。孔形态的可调性在图8B和图8C至8E中示出。通过将n+-GaN覆层的掺杂浓度从约1×1020cm-3改变到约1×1019cm-3并且将EC蚀刻偏压在约1伏特至约12伏特之间改变，所产生的孔形态可以从微孔(平均孔径d为约10nm，图8C)改变到中孔(d为约30nm，图8D)、大孔(d为约50nm，图8E)。此外，对于给定的掺杂浓度，可以调节EC偏压以改变覆层的百分比孔隙率，如图8A的纳米多孔区域820中的轮廓线所示的。
尽管上述实施方案涉及电泵浦激光二极管，但是多孔覆层的形成和使用可以扩展到光泵浦边发射半导体激光器或光学放大器。光泵浦器件可以以相同的方式形成，但是顶部p型GaN层220可以用第二n型GaN层214代替，参照图2A。然后可以用另一激光器或合适的光源泵激该器件以在MQW有源区216中产生粒子数反转。
图9示出了来自具有多孔覆层并具有三种不同限制因子的光泵浦边发射半导体激光器的受激发射。激光器的集成输出强度(integrated output intensity)被绘制为输送至激光器的光泵浦功率密度的函数。曲线示出了三种激光器的不同阈值行为。限制因子增加，阈值减小。
纳米多孔GaN覆层可以用于获得边发射III族氮化物二极管激光器中的覆层的高折射率对比度，而没有与AlGaN覆层相关的材料应力和电阻率的问题。纳米多孔GaN覆层可以由使用金属有机外延生长条件生长的层形成，并且可以在标准III族氮化物外延生长体系中形成，而无需显著改变生长工艺。底侧覆层的多孔化和顶侧TCO覆层的沉积可以在外延之后进行，使得这些动作既不会引起额外的外延约束，也不会导致外延层中的缺陷产生。在一些实施方式中，制造步骤可以包括可以在现有芯片制造设施中应用的常规III族氮化物器件工艺。例如，形成多孔III族氮化物覆层的电化学蚀刻可以是价廉且环境友好的技术。其可以在现有的芯片制造设施中进行，并且与大批量生产兼容。
在说明书和权利要求中，数值和范围可以作为近似值或精确值给出。例如，在一些情况下，提及值时可以使用术语“约”、“大约”和“基本上”。这样的提及旨在包括所提及的值以及该值的加减合理变化。例如，短语“约10至约20”在一些实施方案中旨在意指“恰好10至恰好20”，以及在一些实施方案中旨在意指“10±δ1至20±δ2”。一个值的变化量δ1、δ2在一些实施方案中可以小于该值的5％，在一些实施方案中可以小于该值的10％，在一些实施方案中也可以小于该值的20％。在给出宽范围的值(例如，包括两个或更多个数量级的范围)的实施方案中，一个值的变化量δ1、δ2可以为50％。例如，如果可操作范围为2至200，则“约80”可以包括40至120的值。
本文描述的技术可以实施为方法，已经描述了其至少一些动作。作为方法的一部分而执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所描述的顺序执行动作的实施方案，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中描述为依次性动作。此外，方法在一些实施方案中可以包括比描述的那些更多的动作，而在另一些实施方案中可以包括比描述的那些更少的动作。
由此已经描述了本发明的至少一个说明性实施方案，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这些改变、修改和改进意在本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅作为示例，并不旨在作为限制。本发明仅由所附权利要求及其等同方案限定。

Claims (21)

1.一种半导体激光二极管，包括：形成在衬底上并且布置成用于激光束的边发射的有源区，和形成在所述衬底与所述有源区之间的多孔覆层，其中所述半导体激光二极管的一维限制因子Γ1D为4％至10％。
2.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述有源区的第一折射率值与所述多孔覆层的第二折射率值之差大于0.1。
3.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述多孔覆层包含n掺杂的GaN。
4.根据权利要求3所述的半导体激光二极管，其中所述多孔覆层的掺杂密度为1×1018cm-3至1×1019cm-3。
5.根据权利要求4所述的半导体激光二极管，还包括位于所述多孔覆层与所述衬底之间的掺杂水平为1×1018cm-3至5×1018cm-3的n型GaN层。
6.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述多孔覆层的孔隙率为30％至60％。
7.根据权利要求6所述的半导体激光二极管，其中所述多孔覆层的平均孔径为10nm至100nm。
8.根据权利要求1所述的半导体激光二极管，其中所述多孔覆层的厚度为200nm至500nm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光二极管，其中所述有源区包括多量子阱。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光二极管，还包括形成在所述有源区的与所述多孔覆层相反的一侧上的导电氧化物覆层。
11.根据权利要求10所述的半导体激光二极管，其中所述导电氧化物覆层包含氧化铟锡。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体激光二极管，其作为光的光源并入。
13.一种用于制造半导体激光二极管的方法，所述方法包括：
在衬底上形成n+掺杂的GaN层；
形成与所述n+掺杂的GaN层相邻的用于边发射半导体激光二极管的有源结；
蚀刻贯穿所述有源结的沟槽以暴露所述n+掺杂的GaN层的表面；以及
随后湿法蚀刻所述n+掺杂的GaN层以使所述n+掺杂的GaN层转变成多孔覆层，
其中所述半导体激光二极管的一维限制因子Γ1D为4％至10％。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括形成与所述有源结相邻的导电氧化物覆层。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括形成与所述n+掺杂的GaN层相邻的n型电流扩展层，其中所述n型电流扩展层的掺杂浓度为1×1018cm-3和5×1018cm-3。
16.根据权利要求13所述的方法，其中形成有源结包括通过外延来沉积n型GaN、多量子阱和p型GaN。
17.根据权利要求13或16所述的方法，其中在形成所述有源结之后进行所述湿法蚀刻。
18.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中所述湿法蚀刻包括侧向地使所述n+掺杂的GaN层多孔化并且不需要光辅助蚀刻的电化学蚀刻。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述湿法蚀刻使用硝酸作为电解质以使所述n+掺杂的GaN层多孔化。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述湿法蚀刻使用氢氟酸作为电解质以使所述n+掺杂的GaN层多孔化。
21.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中所述n+掺杂的GaN层的掺杂浓度为5×1018cm-3至2×1020cm-3。
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