CN109428264A - 具有低阀值电流的半导体激光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种III族氮化物基激光发光装置包括：n侧III族氮化物基半导体区域；p侧III族氮化物基半导体区域；以及位于所述p侧III族氮化物基半导体区域和所述n侧III族氮化物基半导体区域之间的III族氮化物基有源区。所述III族氮化物基有源区包括第一量子阱层和第二量子阱层，以及位于第一量子阱层和第二量子阱层之间的势垒层，第一量子阱层和第二量子阱层各自的组分包括各自不同的铟含量。所述第一量子阱比所述第二量子阱更靠近n侧III族氮化物基半导体区域，所述第二量子阱比所述第一量子阱更靠近p侧III族氮化物基半导体区域，并且第一量子阱具有比第二量子阱更大的带隙。

Description

具有低阀值电流的半导体激光二极管
技术领域
本发明涉及半导体激光二极管的外延结构,尤其是III族氮化物基半导体激光二极管的有源区结构。
背景技术
基于III族氮化物半导体的激光二极管(LD)在商用中具有发射电磁波谱的UV、蓝色和绿色部分的波长。这种装置被用于诸如照明和显示应用中。提供具有高光电性能的这种装置尤为重要。
基于GaN与包含In和Al的合金(以下称为(Al,In,Ga)N合金)的III族氮化物(或氮化物)可以被制造以形成高效LD装置。这种装置的半导体层结构可以通过在基板上依次形成半导体层被制造。这些层物理连接并且通常通过使用外延沉积或者诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的生长方法获取高结晶质量。图1A示出了由Nakamura S和Fasol G，蓝色激光二极管，第293页，1997年(Berlin：Springer)描述的激光二极管装置的传统结构。所述结构包括形成在基板112上的n侧半导体区域113、有源区106和p侧半导体区域114。沉积方向或者生长方向由垂直于这种结构的半导体层表面的方向定义。所述基板由蓝宝石制成。
在施加低电激至这种结构的情况下，电荷载流子诸如电子和空穴将穿过所述结构移动，并且在有源区106中复合从而引发光子的发射。发射的光子和由此自LD装置的发射光的波长是由有源区的带隙决定的。
上述的半导体激光二极管装置需要将被发射的光子和载流子的复合的限制在有源区和更高的电激发。此外，由装置两端的反射镜面建立的光学腔引起光学放大。一旦满足这些需求，就可以实现激光操作。
发射光子的限制可以通过分离限制异质结构的利用被实现。继续参考图1，这可以通过布置在有源区106下方的n引导层105和在有源区106上方的p引导层108来实现，n引导层和p引导层的每一个具有高于导光的有效折射率的折射率。进一步的限制可以通过布置在有源区106下方的n包覆层104和在有源区106上方的p包覆层109来实现，n包覆层和p包覆层的每一个具有低于导光的有效折射率的折射率。上部p引导层108和上部p包覆层109形成p侧半导体区域114的一部分。下部n引导层105和下部n包覆层104形成n侧半导体区域113的一部分。n侧半导体区域113还包括缓冲层101、n接触层102和缓冲层103。
所述结构可以导致发射光子在横向上的强限制，因此传播平行于有源区。在有源区106和上部p引导层108之间，提供具有比相邻的层更宽的带隙的载流子阻挡层107。
所述p包覆层109具有可以通过后长晶法形成的成形上表面。在一典型的布局中，p包覆层109的成形上表面是在长晶平面中形成的脊，其增强了对脊的最长尺寸方向上的光限制。
一p接触层110被形成于上部p包覆层109的顶部。通过在其上形成的金属电极层111a与该p接触层110进行电接触，这允许所述装置被电激活。电荷载流子向p侧半导体114的注入仅发生在由金属电极层111a和p接触层110定义的区域中，所述区域与成形的脊重合。一电极金属层111b也形成在n接触层102的表面，其可以通过后长晶法蚀刻穿过本揭露描述的半导体层结构并且在n接触层102上沉积金属电极层来实现。
在脊的任一个端，垂直于生长方向的表面及脊的最长尺寸的方向由诸如切割或蚀刻的工艺定义。通过从这些表面传输出射的光被用于预期的应用。在所述被描述的情况中，所述装置被称为边缘发射。
图1B示出了图1A的半导体激光发射装置的有源区106。有源区106被设计以限制载流子(电子、空穴)的复合，其由三量子阱结构形成，其中，低带隙的半导体层(量子阱层115)被设置在高带隙的层(量子势垒层116)之间。所述有源区106的层由InGaN合金半导体材料形成。随着In量的增加，InGaN材料的带隙减小。图1C示出了每一个量子阱层115的组分中的In含量x和每一个量子势垒层116的组分中的In含量y。图1D示出了电子和空穴的相应能级。能级E0表示量子阱层115的带隙。
这种量子阱结构非常适合于载流子的定位重组。然而，在III族氮化物材料系统中，存在跨量子阱层115的载流子浓度不均匀性的问题，且这对激光二极管的性能造成影响。比如，靠近n侧半导体区域113的量子阱层115相较于靠近p侧半导体区域114的量子阱层115在给定的操作条件下通常具有更高的电子浓度。类似地，靠近p侧半导体区域的量子阱层相较于靠近n侧半导体区域的量子阱层具有更高的空穴浓度。与这种材料系统中的电子相比，空穴浓度的不均匀性由于其低电子迁移率尤为明显。
此外，为了实现具有发射波长大于UV(>405nm)的激光二极管装置，特别需要减小在有源区106中的量子阱层115的带隙。这导致更靠近n侧半导体区域113的量子阱层115中的电子和更靠近p侧半导体区域114的量子阱层115中的空穴的限制增加。这进一步助长了跨量子阱层的载流子的不均匀性。
当在有源区中的载流子复合的辐射复合率达到可以补偿光学损耗的水平时，激光发射得以实现。这对应于高电激励下的载流子浓度，也称为阈值电流。在该阀值时，将实现激光，并且有助于该激光发射工艺的量子阱层将是具有高辐射复合率的量子阱层。如果量子阱层115之间部存在不均匀性，激光工艺将在更高的电激发下实现也即在更高的阈值电流下。
在Nakamura S和Fasol G，蓝色激光二极管，第201-221页，1997年(Berlin：Springer)中，通过减少量子阱层的数量到例如一个，可以减少载流子分布的不均匀性。然而，在这样的配置下，单一的量子阱层不足以定位所有的电子被注入到有源区106，大量的电子流不限制在有源区中，且电子被注入到p侧半导体区域114中。这导致了p侧半导体区域114中的电子和空穴的复合，尤其是在上部引导层108中，从而减少空穴向有源区106的注入，且致使阀值电流的增加。为了减少这种溢流效应，可以使用具有增加的量子阱层厚度的单一量子阱结构以增加在量子阱中的电子限制。然而，当这些层的厚度增加时，难以实现具有高结晶质量的基于InGaN的量子阱层。这导致了量子阱层中的缺陷增加，该缺陷对增加非辐射复合率并进一步增加激光发射装置的阈值电流负责。
在US9123851B2(Goda等人，2015年9月1日)中，可以通过减小量子阱层115之间的量子势垒层116的厚度来解决多量子阱结构的载流子浓度的不均匀性。然而,在这样的结构中,因为电子的迁移率高于空穴的,电子浓度的不均匀性被增加且导致被增加的电子溢出至p侧半导体区域114,特别是在上部p引导层108中。这导致p引导层108中的电子和空穴的复合的增加和注入到有源区的空穴减少。利用这种结构实现的激光发光装置可以表现出加大的阀值电流。
在JP4622466B2(Koji，2005年3月3日)中，与量子阱层115相比，可以通过减小势垒层116的带隙能量来减小量子阱上的载流子浓度的不均匀性，以增强载流子跨过势垒层116的传输。然而，在这种情况下，通过阻挡层的电子传输比通过阻挡层的空穴传输更大程度地得到改善，因此整体增加了至p侧半导体区域114的电子溢出，特别是在上部p引导层108中。
降低势垒层116的带隙能量可以通过增加势垒层116中的In含量实现，但这样降低了有源区的晶体质量，导致更高水平的非辐射复合并增加激光二极管装置的阈值电流。
在Zhang等人(Journal of Applied Physics 2009 105：2)中，可以通过减小上部p引导层108、下部n引导层105、上部p包覆层109和下部n包覆层104的光子的吸收损失来实现性能的改善。这可以通过减少这些层中的掺杂剂物质的浓度来实现，然而这些物质会负面影响从p侧半导体区域和n侧半导体区域到有源区的空穴注入。
当保持强光限制和高结晶质量，且不会降低射出的激光的特性的时候，通过改善对有源区的载流子注入和载流子均匀性，仍存在III族氮化物基半导体激光二极管的阀值电流降低的问题。
引用清单
专利文献
US9123851B2(Goda等，2015年9月1日)。
JP4622466B2(Koji，2005年3月3日)。
非专利文献
Nakamura S和Fasol G，蓝色激光二极管，第201-221页，1997年(Berlin：Springer)。
Zhang等人，发紫外到绿色光的AlInGaN基激光二极管的限制因素和吸收损失，Journal of Applied Physics 105,023104(2009年)。
发明内容
本发明提供一种半导体激光二极管，其可以解决现有技术的问题并且产生具有低电流阈值的激光发光装置。本发明提供一种用于激光发光装置的有源区的多量子阱结构。有源区可以发射可见光，并且可以克服先前习知的设备中发现的不实用性。例如，本发明一实施例中的装置的有源区包括两个量子阱区域，其中靠近n侧半导体的量子阱相较于靠近p侧半导体的量子阱具有增加的带隙。所述装置包括用于有源区的这种量子阱，可以提供低阀值电流，长寿命以及高插壁转换效率。
在本发明的一个方面，一III族氮化物基激光二极管包括：n侧III族氮化物基半导体区域；p侧III族氮化物基半导体区域；以及在p侧III族氮化物基半导体区域和n侧III族氮化物基半导体区域之间的III族氮化物基有源区，III族氮化物基有源区包括第一和第二量子阱层以及在第一和第二量子阱层之间的势垒层。第一和第二量子阱层的各自的组分包括各自不同的铟含量；其中第一量子阱比第二量子阱更靠近n侧III族氮化物基半导体区域，第二量子阱比第一量子阱更靠近p侧III族氮化物基半导体区域，并且第一量子阱量子阱具有比第二量子阱更大的带隙。
在一些实施例中，第一和第二量子阱的各组的带隙由第一和第二量子阱的不同的铟含量确定。
在一些实施例中，第一量子阱层是Inx1Ga1-x1N，其中0<x1<1；且第二量子阱层是Inx2Ga1-x2N，其中0<x2<1。在一些实施例中，铟含量的比例x2/x1为1.05至5。在一些实施例中，铟含量的比例x2/x1为1.05至3。
在一些实施例中，激光二极管的阈值电流密度至少为1000A/cm2。
在一些实施例中，势垒层的厚度至少为5nm。
在一些实施例中，势垒层包括比第一和第二量子阱层更大的带隙。
在一些实施例中，势垒层的厚度为30nm或更小。
在一些实施例中，激光波长至少为450nm和550nm或更小。
在一些实施例中，n侧III族氮化物基半导体区域包括InGaN引导层。在一些实施例中，InGaN引导层的厚度为至少80nm和300nm或更小。在一些实施例中，InGaN引导层的厚度为至少120nm和300nm或更小。在一些实施例中，InGaN引导层的厚度为至少160nm和300nm或更小。
在一些实施例中，InGaN引导层是非掺杂的。
在一些实施例中，III族氮化物基有源区还包括InGaN包覆层，包覆层位于第一量子阱层和InGaN引导层之间。在一些实施例中，包覆层的厚度为至少3nm和30nm或更小。
附图说明
图1A示出了现有的半导体激光二极管装置的层结构的示意图。
图1B示出了现有的半导体激光二极管装置的有源区的层结构的示意图。
图1C示出了描述现有的半导体激光二极管装置的有源区的层中各自的铟含量的图表。
图1D示出了描述现有的半导体激光二极管装置的有源区的层中的能带结构的图表。
图2A示出了本发明一示范性实施例的装置的层结构的示意图。
图2B示出了本发明一示范性实施例的装置的有源区的层结构的示意图。
图2C示出了描述本发明一示范性实施例的装置的有源区的量子阱层中各自的铟含量的图表。
图2D示出了描述本发明一示范性实施例的装置的有源区的层的能带结构的图表。
图3A示出了描述现有的具有从校准的激光模拟获得的约为405nm的发射波长的氮化物激光二极管装置的量子阱层中的电荷载流子浓度的曲线图。
图3B示出了描述现有的具有从校准的激光模拟获得的大于405nm的发射波长的氮化物激光二极管装置的量子阱层中的电荷载流子浓度的曲线图。
图4示出了描述取决于本发明一示范性实施例的量子阱层的组分的激光发光装置的阀值电流密度的变化的曲线图。
图5示出了描述取决于本发明一实施例的量子阱层的组分的激光发光装置的插座转换效率的变化的曲线图。
图6示出了本发明具有500nm-510nm的发射的激光发光装置和参考的激光发光装置的被测量的电流-电压特性。
图7示出了本发明具有500nm-510nm的发射的激光发光装置和参考的激光发光装置的被测量的光输出功率-电流特性。
附图标记说明
具体实施方式
本发明提供一种半导体激光二极管(例如，III族氮化物基激光发光二极管)的有源区。所述有源区可以包括两个量子阱区域，其中最靠近n侧半导体的量子阱相较于最靠近p侧半导体的量子阱具有增加的带隙。包括用于有源区的多量子阱结构的装置可以提供低阀值电流，长寿命以及高插座转换效率。
现参考图2A和图2B，200示出了包含有源区的半导体激光二极管(例如，III族氮化物基激光发光二极管)装置的一示例性实施例。所述III族氮化物基激光发光二极管装置包括一n侧(III族氮化物基)半导体区域212，一p侧(III族氮化物基)半导体区域213，以及一在p侧半导体区域213和n侧半导体区域212之间的(III族氮化物基)有源区204。所述有源区204包括如图2所示的多个层叠的(例如，第一和第二)夹杂有势垒层214、216、218的III族氮化物基量子阱层215、217。
在一些实施例中，n侧半导体区域212的一个或多个层是n型掺杂层，而n侧半导体区域的其他层不是n型掺杂层。在其他实施例中，n侧半导体区域212的所有的层可以是n型掺杂的。
在一些实施例中，p侧半导体区域213的一个或多个层是p型掺杂层，而p侧半导体区域的其他层不是p型掺杂层。在其他实施例中，p侧半导体区域213的所有的层可以是p型掺杂的。
本发明的装置，例如图2A和2B中所示的装置，可以通过任何合适的方式诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)或者其他任何合适的方法获得。装置的层可以沉积在任何合适的基底210上，基底210可以包括但不限于：GaN，硅，蓝宝石或SiC。为了制造n型半导体，可以使用Si，Ge，O，S，Se作为掺杂剂。为了制造p型半导体，可以使用Be，Cd，Mg作为掺杂剂。
请参考图2B，量子阱层215和217可以具有各自的组分且每一个均含有第一元素。在一些实施例中，所述第一元素可以为铟。在一举例中，所述两个氮化物基量子阱层(215、217)是(Al、In、Ga)N半导体合金且每一个均含有铟。在一些实施例中，第一和第二量子阱层中的一个或两个的组分是InGaN。关于第一元素(例如，铟)的含量各个量子阱层的组分可以互不相同。量子阱层215,217的各组分的变化依赖于在有源区204内的量子阱层的成分。在一些实施例中，第一元素可以是铟，并且更靠近n侧半导体区域212的量子阱层215的组分可以包括具有比更靠近p侧半导体区域213的量子阱的组分中的铟含量更低的铟含量。因此，量子阱层(215,217)可以具有包括第一元素(In)的成分，所述第一元素(In)取决于位于有源区204内的量子阱层的位置。在这种实施例中，并且如图2C所示，更靠近n侧半导体区域212的第一量子阱层215的In含量x1，相较于更靠近p侧半导体区域213的第二量子阱层217的In含量x2更低。
图2D描绘了有源区204内电荷载流子(例如电子和空穴)的相应能级。电子能量由传导带的能量表示，空穴能量由价带的能量表示。第一量子阱层215的能带隙E1和第二量子阱层217的能带隙E2被示出。在第一和第二量子阱层的每一个的组分是InGaN的例子中，InGaN合金材料的能带隙取决于合金中第一元素In的含量。InN(～0.7eV)的能带低于GaN(～3.4eV).I的。因此遵循InGaN合金层中的第一元素In的含量增加导致该层中的能带隙减小。在一些实施例中，势垒层中的一个或两个的组分是InGaN，其In含量少于第一量子阱层和第二量子阱层中任一个的In含量。在一些实施例中，势垒层中的一个或多个的组分是GaN。
如图2C和2D所描述，对于第一量子阱层215，其组分中的铟含量相较于第二量子阱层217更低。这导致第一量子阱层215的带隙E1比第二量子阱层217的带隙E2相对更大。
如上所述，在(Al，In，Ga)N材料系统中制造的有源区204包括多量子阱215、217和量子势垒层214、216、218结构。所述有源区204被p侧半导体区域213以及n侧半导体区域212围绕。这提供了半导体激光二极管装置的结构。
在n侧半导体区域，主要的电荷载流子是电子；在p侧半导体区域，主要的电荷载流子是空穴。在电激发下，空穴可以自p侧半导体区域213被注入至有源区204，且电子可以自n侧半导体区域212被注入至有源区204。术语“注入”在本文中用于表示在一些电激励施加于装置的情况下,电荷载流子自p侧半导体区域或n侧半导体区域的起点至装置中的另一层的传输。由于比相邻量子势垒层(216)的较低能级水平，这些电子和空穴(电荷载流子)可能积累在量子阱(215,217)中。至从最远离注入层(p侧或n侧半导体区域213和212)的量子阱的电荷载流子进一步传输被量子势垒层限制。因此，在给定的操作条件下，靠近n侧半导体区域212的量子阱215可以具有比靠近p侧半导体区域213的量子阱217更高的电子浓度。类似地，更靠近p侧半导体区域213的量子阱217可以具有比靠近n侧半导体区域212的量子阱217更高的空穴浓度。本领域中习知在(Al，In，Ga)N材料系统中，空穴迁移率低于电子迁移率。
本揭露的半导体激光二极管装置的操作可以通过有源区中的电荷载流子的复合来表征。复合过程可以是辐射的或非辐射的。辐射复合表示通过电子和空穴的一对一复合所释放的能量被转移至能量相当于电子和空穴复合所消耗的能量的光子。非辐射复合是指以诸如载流子泄漏、光子复合、与材料中的缺陷或杂质复合等非辐射方式从电子和空穴释放能量的所有其他机制。本揭露的氮化物半导体发光二极管装置发射的光的波长是由当电子和空穴通过上述辐射过程复合时释放的光子的能量决定的。
图3A描述了具有发光波长约为405nm的现有的激光发射装置(例如，与图1A-1D所示出的相似)的现有的双量子阱(QW1和QW2)有源区结构的载流子浓度。图3A示出了由于相比电子相对更低的迁移率，对于空穴浓度跨量子阱的载流子浓度的不均匀分布尤为明显。
对于图3A所描述的装置，为了实现具有更长波长的氮化物激光发射装置的目的，复合的电子和空穴之间的能量差必须相对较低。这意味着发生复合的一层或多层的能带隙必须相对较低。量子阱层的相对较低的带隙增加了相邻势垒层的相对电势高度，更有力地限制电荷载流子在最靠近它们被注入的有源区的层的量子阱中。因此，超出势垒层的层到最远离它们已被注入有源区的层的量子阱的载流子传输相对减少。如图3B所示(示出了与图3A中双量子阱有源区的量子载流子类型的比较)，对于在蓝/绿光谱中发射的量子阱，相对较低的带隙导致跨过两个量子阱层的两种载流子类型的分布的相对更大的不均匀性。
当来自有源区中的载流子复合的辐射复合率达到能够补偿光学腔的光学损耗的水平时，激发发光得以实现。这对应于高电激发下的阈值载流子浓度，也称为阈值电流(在电激发经过装置下与流过载流子的量对应的电流)。为了实现激光发射，载流子浓度阀值必须满足于同一量子阱层中两种载流子类型。阀值电流也可以被表示为电流密度，电流密度是通过将阈值电流除以与平行于电流流过的有源区的激光二极管装置的面积来计算的。所述面积通常被计算为由p-GaN接触层208限定的脊的宽度和由半导体层序列的分割限定的镜面之间的距离。
如果量子阱之间存在载流子浓度的不均匀性，对于每个量子阱层，将在不同的电流密度密度下实现激光工艺。在由(Al，In，Ga)N形成的激光二极管装置中，阈值载流子浓度高于其他材料系统，例如(Al，In，Ga)As。因此，(Al，In，Ga)N激光二极管装置的阈值电流密度通常为1000A/cm2或更高。
参考图3A和图3B，对于给定的操作条件，量子阱层QW2中的电子或空穴的最小浓度相对高于量子层QW1。因此，载流子浓度阈值在量子阱层QW2中的较低电流下实现。在量子阱层QW1中达到载流子浓度阈值所需的电流可以比在量子阱层QW2中达到载流子浓度阈值所需的电流相对高得多。
在本揭露的一个实施例中，并参考图2B，有源区可以被配置使得仅对第二量子阱层217实现激光发射。在该实施例中，由于在给定操作条件下比空穴相对更低的电子浓度，激光发光的起始的限定工艺是对第二阱217的电子注入。进一步参考图2D，相对于第二量子阱层217的带隙E2，第一量子阱层215的带隙E1被增加，致使了至第二量子阱层217增加的注入电子，以及来自装置的激光发光的更低的阀值电流。
在本领域中，已经努力减少包括多个量子阱层的有源区中的不均匀程度。通过减少不均匀性，以期待来自多于一个量子阱的光发射。然而，这种结构的模拟已经表明在理想的操作条件下，在最靠近p侧半导体的量子阱中光发射保持地相对高得多。
在本揭露的结构中，载流子阀值条件仅在第二量子阱层217中被刻意满足，并且激光发光仅来自于第二量子阱层217。因此，通过激光发光工艺所产生的光子的能量可以取决于第二量子阱层217的能带隙E2，并且可以不依赖于第一量子阱层215的能带隙E1。因此遵循第一量子阱层215的性质的变化(例如组分中第一元素的量)可以不影响由该结构发射的激光的特性。第一量子阱层215的性质的变化可以用于改善装置的电气和效率特性。
对于实现激光操作的半导体激光二极管装置，其结构应该提供载流子复合以及发射的光子对有源区的限制。继续参考图2A，在垂直于有源区方向的方向上的光限制可以通过有源区204下方设置引导层202、203和上方设置p引导层205来实现，每个引导层202,203,205的折射率高于被引导光的有效折射率。进一步的限制可以通过在有源区204下方设置n包覆层201和上方设置p包覆层207来实现，每一个包覆层201、207的折射率低于被引导光的有效折射率。以上所描述的具有引导层202、203、205和包覆层201、207的本揭露的结构可以提供在垂直于有源区方向的方向上的光限制。在一例子中，引导层202、203、205和/或包覆层201、207可以是(Al，In，Ga)N半导体合金。
InN的折射率相较于GaN的折射率相对更高。遵循InGaN材料的折射率将随着In量的增加而增加。这种增加可能是或也可能不是线性的。更进一步地，在大于450nm的波长下，GaN和InN二者的折射率都随着波长的增加而减小，使得这样GaN和InN之间的折射率对比度在较长波长处被减小。这遵循对于选定的In含量，GaN和InGaN之间的折射率对比度在较长波长处减小。
与GaN的折射率相比，AlN的折射率相对较低。这遵循AlGaN材料的折射率将随着Al含量的增加而降低。这种降低可能是也可能不是线性的。更进一步地，在大于450nm的波长下，AlN的折射率随着波长的增加而增加，使得AlN和GaN之间的折射率对比度在较长波长处减小。这遵循对于选定的Al含量，GaN和AlGaN之间的折射率对比度在较长波长处减小。
在上引导层205和上包覆层207之间，提供载流子阻挡层206，其相较于相邻层205和207具有更高的带隙。该载流子阻挡层206可以减少从引导层205到包覆层207的电子的传输，并且可以不会严重地影响从包覆层207到引导层205的空穴的传输。
如图2A所示例，上包覆层207可具有成形的上表面，例如，通过后长晶法形成的。在一典型的布局中，成形上表面可以是在长晶平面中形成的脊，其还限制在脊的最长尺寸的方向上的光传播。在示出的示例中，在后长晶法工艺之前，p型GaN接触层208形成在上包覆层207的顶部上，以协助电接触。通过金属层电极209a和209b实现对基板210的电接触和对p型GaN208的电接触，以允许装置被电性激活。在上包覆层207和金属层电极209a之间形成绝缘层211，以使电荷载流子对装置的注入仅发生在由与成形的脊一致的p型GaN接触层208所定义的区域中。
在本揭露的一个实施例中,通过垂直于脊的最长尺寸和有源区层结构的半导体层结构的分割(或其他方法)提供两个镜面，以将光限制在平行于有源区204的方向上。两个镜面可以共同限定一光学腔。所述镜面可以通过例如沉积另外的其他材料(例如SiNx，SiO2，Al2O3)来处理，以修改折射率特性，以便将它们的镜面反射率改变为激光发光。光可以通过这些表面传播而逸出，并且该光可以被用于预期的应用。在这种描述的配置中，所述装置可以被称为边缘发射，所述边缘被定义为垂直于有源区域层结构和脊的最长尺寸。激光发射装置的光学腔的配置也可以定义为与有源区层结构平行，从而导致垂直发射激光装置。
量子阱215，217可以由InGaN材料构成，并且可以包括各自含量为x1和x2的In，其中x1和x2在0<x1≤1和0<x2≤1的范围内的。所述量子势垒层216可以包括InyGa1-yN材料，并且可以包括含量在0≤y<1的范围内并且满足y<x1且y<x2的In。在一些实施例中，所述量子势垒层216可以不包括In。这可以改善第二量子阱217的晶体质量和/或生长质量。所述势垒层216可以具有比第一和第二量子阱层更大的带隙。
量子势垒层214,218(这里也称为包覆层)可以包括InzGa1-zN，并且可以包括含量在0≤z<1的范围内并且满足z<x1且z<x2的In。但是在一些实施例中，一个或两个所述量子势垒层214,218可以不包括In。这可以改善这些层的晶体质量和/或为后续的层的生长提供光滑的表面。
在一些实施例中，每个量子阱层215,217的厚度可以是至少1nm且小于10nm。在一些实施例中，每个量子势垒层214,216的厚度可以为至少5nm且小于30nm。在一些实施例中，量子势垒层218的厚度可以为至少1nm且小于30nm。
在一些实施例中，由量子阱层215与217、量子势垒层216、包覆层214和218组成的有源区204是非掺杂的。引入掺杂剂，例如但不限于Si或Mg(通常用于(Al，In，Ga)N材料系统中)可以在一些实施例中降低晶体质量，这将影响装置性能。然而，非掺杂层可具有减少载流子至量子阱的注入和增加阈值电流的效果。相应地，在一些实施例中，有源区204内的一个或多个层可以是掺杂的(例如，利用一种或多种掺杂剂，例如但不限于Si，Ge，O，S，Se，Be，Cd，Mg)。
在其第一量子阱层215的带隙E1大于第二量子阱层217的带隙E2的实施例中，Inx1Ga1-x1N材料的第一量子阱层215的铟含量x1不同于Inx2Ga1-x2N材料的第二量子阱层217的铟含量x2。这个差异可以由铟含量比x2/x1来定义。在一些例子中，该比x2/x1等于1.05或者更大。在其他例子中，第一和第二量子阱的铟含量比x2/x1等于1.2或者更大。在其他例子中，第一和第二量子阱的铟含量比x2/x1等于2或者更大。
在一些实施例中，由第二量子阱层215的能隙E2确定的由本发明的装置发射的激光的波长至少为450nm。在这种情况下，已经发现在第一量子阱层215的组分中使用较少的铟含量x1是优选的，以降低激光发射装置的阈值电流。
在一些实施例中，由本揭露的装置发射的激光的波长至少为500nm。在这种情况下，与不降低量子阱层215的In含量x1的激光装置相比，可通过降低根据本揭露的第一量子阱层215的In含量x1，来降低根据本实施例的这种激光装置的阈值电流。
被降低的阈值电流可能对通过以百分比表示的有用光能输出与电能输入的比率计算的插座转换效率(WPE)产生积极的影响。在一些实施例中，由本揭露的装置发射的激光的波长为550nm或者更少。
在本揭露的示例性实施例中，半导体激光二极管装置的发射波长至少为450nm。包覆层201,207可以是AlGaN，并且可以不具有全部相等的Al含量。引导层202,203,205可以是InGaN，并且可以不具有全部相等的In含量。如上所述，当有源区的发光波长增加时，包覆层201,207和引导层202,203,205的折射率将减小，因此，引导层202,203,205和包覆层201,207之间的折射率的差将减小。这可以导致激光发射装置的光限制的减少并且可能影响装置性能。因此，在一些实施例中，可以优选地将InGaN引导层205中的In量设定为原子分数的2％或更多。在这种情况下，第二量子阱包覆层218和InGaN引导层205之间的传导带能量的差异被产生。这可以减少空穴注入并产生这些层之间的界面的空穴的积累。由于本公开的效果是增加电子向第二量子阱层217的传输，因此它还增加了向InGaN引导层205的传输。因此，优选的是In含量比x2/x1相差5倍或更小，当电子和空穴的显着复合发生在InxGa1-5xN引导层205中，减少了空穴向有源区204的注入。在一些实施例中，In含量比相差3倍或者更少。
在一些实施例中，InGaN引导层205是p型掺杂的。这可以改善激光装置的电性能。
在本揭露的另一示例性实施例中，半导体激光二极管装置的发射波长至少为450nm。如上所述，包覆层201,207和引导层202,203,205的折射率将减小，因此引导层202,203,205和包覆层201,207之间的折射率的差将减小。这可以导致激光发光装置的被减少的光限制并且可能影响装置性能。因此，在一些实施例中，可以优选地将InGaN引导层203的厚度设定为80nm或更大，并且In量设定为原子分数的2％或更多。有了这些属性，可以减小InGaN引导层203的晶体质量，这可能负面地影响有源区，特别是量子阱的结晶度，导致阈值电流的增加。相应地，通过降低第一量子阱215的In含量x1，可以提高第二量子阱217的结晶度并降低阈值电流密度。当InGaN引导层203的厚度超过120nm时，该结构可能是优选的。更进一步地，当InGaN引导层203的厚度超过160nm时，该结构可能是特别优选的。在一些实施例中，InGaN引导层203的厚度为300nm或更小。
本揭露的半导体激光二极管装置可以包括设置在第一量子阱层215和第二量子阱层217之间的量子势垒层216。在实施例中，量子势垒层216的厚度大于5nm。随着量子势垒层216的厚度增加，可以去除存在于源自第一量子阱层215的外延生长材料中的缺陷，这对于改善第二量子阱层217的晶体质量是优选的。然而，随着量子势垒层216厚度增加，向第二量子阱层217的电子的注入也可能受到负面影响。降低第一量子阱215的In含量x1可以改善向第二量子阱层217的电子注入。在一些实施例中，量子势垒层216的厚度为30nm或更小(且大于5nm)。
如图2A所示，本揭露的装置可以具有形成在第一量子阱215之下的包覆层214。包覆层214可以改善接续的量子阱层215的晶体质量。包覆层214可以包括Inz1Ga1-z1N，其中In含量z在0≤z1<0.05的范围内，满足z1<x1和z1<x2。在一些实施例中，包覆层214是非掺杂的以保持高结晶质量。当包覆层214的In含量z1等于零时，具有非常高的晶体质量的层可以被制造。当包覆层214的In含量z1大于于零时，可以改善向有源区的电子注入，但是后续的量子阱层215的晶体质量可能会降低。在一些实施例中，包覆层214的In含量z1可以是0.05或更少。
当激光二极管结构包括包覆层214时，发现通过将第一量子阱215的In含量x1设定为低于第二量子阱217的In含量x2，与没有本揭露的第一量子阱和第二量子阱的特征的类似结构相比，可以改善该激光发射装置的阈值电流。
在一些实施例中，为了实现第一量子阱层215的晶体质量的改善，包覆层214的厚度至少为3nm。在一些实施例中，包覆层的厚度为30nm或更少，且至少为3nm。
在一些实施例中，InGaN引导层203是n型掺杂的。这样可以提高激光装置的电性能。
在一些实施例中，InGaN引导层203是非掺杂的。这可以改善有源区的结晶度。在这些条件下，与在没有降低第一量子阱层215的In含量x1的准备下的激光装置相比，根据本实施例的这些激光装置的阀值电流可以通过降低根据本揭露的第一量子阱层215的In含量x1来减小。
示例
现在描述本揭露的装置的实施例的示例，但是这些实施例不旨在在任何方面进行限制。
参考图2A和2B描述半导体激光二极管的第一示例性实施例。半导体激光二极管装置产生波长在440nm至460nm范围内的光。所述激光二极管装置包括独立式GaN基板210。在基板210上形成有厚度为1000nm且n-掺杂剂Si浓度为5e18cm-3的n-Al0.04Ga0.96N包覆层201。在包覆层201上形成有厚度为400nm且n-掺杂剂Si浓度为5e18cm-3的n-GaN引导层202。在n-GaN引导层202上形成有厚度为80nm和n-掺杂剂Si浓度为1e18cm-3的In0.025Ga0.975N引导层203。
在引导层203上，形成激光发射有源区204，其包括(如图2B所示):厚度为10nm的GaN的下部包覆层214,厚度为2.5nm的In0.08Ga0.92N的第一量子阱层215,厚度为10nm的GaN的势垒层216,厚度为2.5nm的In0.16Ga0.84N的第二量子阱217和厚度为2nm的GaN的上部包覆层。这个示例中的量子阱的In含量比等于2。在有源区204上，形成厚度为100nm的In0.025Ga0.975N引导层。在引导层205上，形成厚度为10nm和p-掺杂剂Mg浓度为5e19cm-3的p-Al0.2Ga0.8N载流子阻挡层206。在载流子阻挡层206上，形成厚度为500nm和p-掺杂剂Mg浓度为1e19cm-3的p-Al0.04Ga0.96N包覆层207。在包覆层207上，形成厚度为100nm和p-掺杂剂Mg浓度为1e19cm-3的p-GaN接触层208。
所述p-Al0.04Ga0.96N包覆层207和p-GaN接触层208通过一些后沉积法被塑造形成脊。厚度为50nm的SiO2的绝缘层211形成于所述p-Al0.2Ga0.8N包覆层207和金属电极层209a之间。所述金属电极层209a和209b(例如由Ni,Cu,Pd,Ad,Ir,Pt,Au,Sc,Ti,V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,La,Hf,Ta,W,Al,Ti构成)分别设置在SiO2的绝缘层211和p-GaN接触层208的表面，以及基板210的底表面，以使电荷载流子的注入仅发生在由与金属接触层接触的p-GaN接触层表面定义的区域中。
通过在脊的两端处切割半导体层序列200来形成两个表面，其充当镜面，从而形成激光腔。一个镜面对在激光腔中传播的光具有0.9或更高的反射率。第二镜面对在激光腔中传播的光具有0.7或更低的反射率，从该镜面出射的光被利用于该应用。根据现有所知的技术，镜面的反射特性可以通过例如在表面上沉积另一种材料层结构(例如SiO2，SiNx或Al2O3)来改变。电接触被施加于金属电极接触层209a和209b以对激光发射装置产生电激发。
根据第一示例性实施例的激光二极管装置具有25mA的阈值电流，及在30mW的光输出功率下测得的15％插座转换效率。
参考图2A和2B描述半导体激光二极管的第二示例性实施例。半导体激光二极管装置产生波长在490nm至510nm范围内的光。
激光发射装置包括独立式GaN基板210。在基板210上形成有厚度为1000nm和n-掺杂剂Si浓度为5e18cm-3的n-Al0.05Ga0.94N包覆层201。在包覆层201上形成有厚度为400nm和n-掺杂剂Si浓度为5e18cm-3的n-GaN引导层202。在引导层202上形成有厚度为160nm和n-掺杂剂Si浓度为1e18cm-3的In0.03Ga0.97N引导层203。
在引导层203上，形成激光发射有源区204，其包括:厚度为10nm的GaN的下部包覆层214,厚度为2.5nm的In0.1Ga0.9N的第一量子阱层215,厚度为10nm的GaN的势垒层216,厚度为2.5nm的In0.24Ga0.76N的第二量子阱层217和厚度为2nm的GaN的上部包覆层218。这个示例中的两个量子阱215和216的In含量比等于2.4。在有源区204上，形成厚度为150nm的In0.03Ga0.97N引导层205。在引导层205上，形成厚度为10nm和p-掺杂剂Mg浓度为5e19cm-3的p-Al0.2Ga0.8N载流子阻挡层206。在载流子阻挡层206上，形成厚度为500nm和p-掺杂剂Mg为浓度1e19cm-3的p-Al0.05Ga0.95N包覆层207。在包覆层207上，形成厚度为100nm和p-掺杂剂Mg浓度为1e19cm-3的p-GaN接触层208。
所述p-Al0.05Ga0.95N包覆层207和p-GaN接触层208通过一些后沉积法被塑造形成脊。厚度为50nm的SiO2的绝缘层211形成在所述p-Al0.2Ga0.8N包覆层207和金属电极层209a之间。所述金属电极层209a和209b(例如由Ni,Cu,Pd,Ad,Ir,Pt,Au,Sc,Ti,V,Cr,Y,Zr,Nb,Mo,La,Hf,Ta,W,Al,Ti构成)分别设置在SiO2的绝缘层211和p-GaN接触层208的表面，以及基板210的底表面，以使电荷载流子的注入仅发生在由与金属接触层接触的p-GaN接触层表面定义的区域中。
通过在脊的两端处切割半导体层序列来形成两个表面，其充当镜面，从而形成激光腔。一个镜面对在激光腔中传播的光具有0.9或更高的反射率。第二镜面对在激光腔中传播的光具有0.7或更低的反射率，从该镜面逃逸的光被利用于该应用。根据公知技术，镜面的反射特性可以通过例如在表面上沉积另一种材料层结构(例如SiO2，SiNx或Al2O3)来改变。电接触被施加于金属电极接触层209a和209b以对激光发射装置产生电激发。
根据第二示例性实施例的激光二极管装置具有50mA的阈值电流，及在30mW的光输出功率下测得的5％插座转换效率。
上述示例性实施例包括图2B中所示的有源区的结构，特别地，与位于相对更靠近p侧半导体213的第二量子阱层217相比，位于相对更靠近n侧半导体212的第一量子阱层215具有更低的铟含量x1。与其中第一量子阱层215的铟含量x1和第二量子阱层217的铟含量x2相等的结构相比，示例性实施例的结构提供降低了的阈值电流密度。图4和5示出了示例性的半导体激光二极管的阈值电流密度。
参考图4和图5，与不利用本揭露的有源区的传统结构相比，根据本揭露的用于440nm-460nm发射的示例性结构在30mW光输出功率下具有7％以下的阈值电流密度(Jth)和1.1％以上的插座转换效率(WPE)。
在制造好的装置上被测的阈值电流和WPE的改进是高于模拟实验所预测的，这是因为当第一量子阱的In量减少时，高结晶质量的额外益处是不能通过模拟来表示。
参考图4和图5，与不利用本揭露的有源区的传统结构相比，根据本揭露的用于490nm-5100nm发射的示例性结构在30mW光输出功率下具有17％以下的阈值电流密度(Jth)和1.1％以上的插座转换效率。
图6示出了具有500nm-510nm的发射的参考激光发射装置和根据本揭露的激光发射装置的被测的电流-电压特性。图7示出了这些装置的被测的光输出功率-电流特性。在参考结构中，量子阱具有相同的In含量，并且在根据本揭露的装置中，第一量子阱层相比第二量子阱层具有较低的In含量。In含量比等于1.1。
尽管本揭露示出并描述了关于一个或多个特定实施例,显然，本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将会想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件，组件，装置，组合物等)执行的各种功能，用于描述此类元件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应，除非另有说明，对于执行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的)，即使在结构上不等同于执行本文所示的示例性实施例或本揭露的实施例中的功能的所揭示的结构。此外，虽然仅以上述一个或多个实施例描述了本揭露的特定特征，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望和有利的。
工业实用性
根据本揭露的实施例的激光二极管装置可以作为可见光源。所述光源可用于照明或显示器应用中。特别是具有低阈值电流和高插座转换效率的激光二极管装置特别适用于从电池或其他有限电源输送电力的便携式应用。

Claims (20)

1.一种III族氮化物基激光二极管，其特征在于，包括：
n侧III族氮化物基半导体区域；
p侧III族氮化物基半导体区域；以及
位于所述p侧III族氮化物基半导体区域和所述n侧III族氮化物基半导体区域之间的III族氮化物基有源区，所述III族氮化物基有源区包括第一和第二量子阱层，以及位于所述第一和第二量子阱层之间的势垒层，所述第一和第二量子阱层各自的组分包括各自不同的铟含量；
其中所述第一量子阱比所述第二量子阱更靠近n侧III族氮化物基半导体区域，所述第二量子阱比所述第一量子阱更靠近p侧III族氮化物基半导体区域，并且所述第一量子阱具有比所述第二量子阱更大的带隙。
2.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，所述第一和第二量子阱的各自的带隙是由所述第一和第二量子阱的不同的铟含量决定的。
3.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述第一量子阱层是Inx1Ga1-x1N，其中，0<x1<1；以及
所述第二量子阱层是Inx2Ga1-x2N，其中，0<x2<1。
4.如权利要求3所述的激光二极管，其特征在于：铟含量比x2/x1为1.05至5。
5.如权利要求3所述的激光二极管，其特征在于：铟含量比x2/x1为1.2至5。
6.如权利要求3所述的激光二极管，其特征在于：铟含量比x2/x1为1.05至3。
7.如权利要求3所述的激光二极管，其特征在于：铟含量比x2/x1为1.2至3。
8.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述激光二级管的阀值电流密度至少为1000A/cm2。
9.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述势垒层的厚度至少为5nm。
10.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述势垒层具有比所述第一和第二量子阱更大的带隙。
11.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述势垒层的厚度为30nm或更小。
12.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述激光波长至少为450nm和550nm或更小。
13.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述激光波长至少为500nm和550nm或更小。
14.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述n侧III族氮化物基半导体区域包括InGaN引导层。
15.如权利要求14所述的激光二极管，其特征在于：所述InGaN引导层的厚度为至少80nm和300nm或更小。
16.如权利要求14所述的激光二极管，其特征在于：所述InGaN引导层的厚度为至少120nm和300nm或更小。
17.如权利要求14所述的激光二极管，其特征在于：所述InGaN引导层的厚度为至少160nm和300nm或更小。
18.如权利要求14所述的激光二极管，其特征在于：所述InGaN引导层是非掺杂的。
19.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于：所述III族氮化物基有源区还包括InGaN的包覆层，所述包覆层位于所述第一量子阱层和所述InGaN引导层之间。
20.如权利要求19所述的激光二极管，其特征在于：所述包覆层的厚度为至少3nm和30nm或更小。
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