CN114342194A - 激光二极管 - Google Patents

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Abstract

激光二极管(1)具备：AlN单晶的基板(11)；形成在基板上且包含具有n型导电性的氮化物半导体层的n型包层(12)；形成在n型包层上且包含一个以上量子阱的发光层(14)；形成在发光层上且包含具有p型导电性的氮化物半导体层的p型包层(20)；以及，形成在p型包层上且包含含有GaN的氮化物半导体的p型接触层(18)，p型包层具备p型纵传导层(16)和p型横传导层(17)，所述p型纵传导层(16)包含AlsGa1‑sN(0.3≤s≤1)，具有随着远离基板而Al组成s变小的组成倾斜，且所述p型纵传导层的膜厚小于0.5μm，所述p型横传导层(17)包含AltGa1‑tN(0<t≤1)。

Description

激光二极管
关联申请的交叉参考
本申请要求日本专利申请2019-177788号(2019年9月27日申请)的优先权，将该申请的全部公开内容作为参考而援引至此。
技术领域
本申请涉及激光二极管。
背景技术
包含Al、Ga的氮化物半导体具有直接跃迁的再结合形态，因此，从能够获得高的再结合效率和高的光学获益的观点出发，适合作为用于激光二极管的材料。尤其是，在用于获得波长300nm以下的紫外区域的发光波长的高Al组成的AlxGa1-xN混晶体系中，激光二极管的发光效率、寿命、光学获益明显取决于其晶体缺陷密度。通过使AlxGa1-xN混晶在近年来导入的AlN单晶基板上生长，从而能够得到缺陷密度受到抑制的良好的氮化物半导体，存在使激光二极管的特性显著提高的可能性。然而，关于高Al组成的AlxGa1-xN混晶体系，因杂质掺杂而难以使块状的AlxGa1-xN混晶获得p型传导性。对此，例如专利文献1公开了使用组成倾斜层而使载流子的注入效率提高的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2018-532265号公报
发明内容
发明要解决的问题
此处，上述具备组成不连续性的组成倾斜层中，面内方向的电阻率(横电阻率)相对于垂直方向的电阻率(纵电阻率)的比率(纵横电阻率之比)大。此处，垂直方向对应于激光二极管中的层的层叠方向。此外，面内方向是沿着与垂直方向垂直的1个层的面的方向。对于激光二极管而言，从要求向电极区域整体均匀地注入高电流密度的观点出发，针对包层(尤其是p型包层)同时要求高的纵传导率和低的纵横电阻率之比。此外，同时要求不会因照向电极的光波被吸收而导致内部损耗增加那样的包层。
本申请的目的在于，提供能够实现高的纵传导率和低的纵横电阻率之比、且能够抑制内部损耗增加的激光二极管。
用于解决问题的方案
本申请所述的激光二极管具备：AlN单晶的基板；形成在前述基板上且包含具有n型导电性的氮化物半导体层的n型包层；形成在前述n型包层上且包含一个以上量子阱的发光层；形成在前述发光层上且包含具有p型导电性的氮化物半导体层的p型包层；以及，形成在前述p型包层上且包含含有GaN的氮化物半导体的p型接触层。前述p型包层具备p型纵传导层和p型横传导层，所述p型纵传导层包含AlsGa1-sN(0.3≤s≤1)，具有随着远离前述基板而Al组成s变小的组成倾斜，且所述p型纵传导层的膜厚小于0.5μm，所述p型横传导层包含AltGa1-tN(0<t≤1)。此处，例如“形成在基板上且包含具有n型导电性的氮化物半导体层的n型包层”这一表述中的“在…上”这一词语是指在基板上形成n型包层，该表述还包括在基板与n型包层之间进一步存在其它层的情况。在其它层彼此的关系方面，“上的”这一词语具有相同的含义。
发明的效果
根据本申请，可提供能够实现高的纵传导率与低的纵横电阻率之比、能够抑制内部损耗增加的激光二极管。
附图说明
图1是表示一个实施方式所述的激光二极管的构成的剖视图。
具体实施方式
<激光二极管的构成>
如图1所示那样，本实施方式的激光二极管1具备基板11、n型包层12、n型波导层13、发光层14、p型波导层15、p型包层20和p型接触层18。p型包层20具备p型纵传导层16和p型横传导层17。激光二极管1为了向发光层14中注入空穴而具备由p型纵传导层16和p型横传导层17构成的p型包层20，所述p型纵传导层16包含以Al组成s随着自基板11的上表面远离而减少的方式发生倾斜的AlsGa1-sN，所述p型横传导层17在与p型纵传导层16的邻接面处包含AltGa1-tN(t>s的最小值)。此处，s的最小值是指：包含具有组成倾斜的AlsGa1-sN(0.3≤s≤1)的p型纵传导层16可采取的s之中的最小值。包含以Al组成s随着自基板11远离而减少的方式发生倾斜的AlsGa1-s的p型纵传导层16能够获得p型的传导性。Al组成s的倾斜会产生基板11的上表面方向(即垂直方向)的内部电场，因此，与包含单一Al组成s的AlsGa1-s混晶相比纵传导率优异，适合于激光二极管1。另一方面，使Al组成发生倾斜的层中的横电阻率与纵电阻率相比明显高，因此，存在纵横电阻率之比变大的倾向。此处，基板11的上表面是指与层叠于基板11的层之中正上方的层(图1的例中为n型包层12)之间的界面。
(基板)
基板11优选为能够使包含Al和Ga的氮化物半导体在具有低的面内位错密度的基板11的上表面生长的基板。能够使本发明的效果最大化的实施方式之一是：在激光二极管1的各种层中，面内位错密度为5×104cm-2以下的优质层。尤其是，面内位错密度为5×104cm-2以下的晶体因位错导致的载流子散乱得以减轻，因而，纵电阻率减少，结果是存在纵横电阻率之比进一步变小的倾向。因此，对基板11要求比上述缺陷密度更低的缺陷密度(例如1×103～1×104cm2)。在各种基板11之中，例如，在AlN单晶的基板11上能够获得具有1×104cm-2以下的缺陷密度的AlxGa1-xN混晶，因而优选，但不限定于此。基板11的穿透位错密度例如可以以450℃进行5分钟的KOH-NaOH共晶蚀刻后，再使用腐蚀坑密度测定进行测定。
基板11包含不同的材料(例如SiC、Si、MgO、Ga2O3、氧化铝、ZnO、GaN、InN和/或蓝宝石)、或者本质上由其组成、或者由其组成，且可能在其上例如通过外延生长而形成有AluGa1-uN材料(0≤u≤1.0)。这种材料实质上完全经晶格弛豫，例如可以具有至少1μm的厚度。基板11可以被均质外延层覆盖，所述均质外延层包含例如AlN那样的与基板11内或基板11上存在的材料相同的材料、或者本质上由其组成、或者由其组成。
基板11中，出于获得传导性等目的，除了N之外，还可以混入有P、As、Sb等除N之外的V族元素；H、C、O、F、Mg、Si等杂质，元素不限定于此。
本发明所述的激光二极管1可优选形成在(0001)面或者自(0001)面法线方向倾斜若干角度的(例如-4°～4°、优选为-0.4°～0.4°)面上，但不限定于此。
配置在基板11上的多层膜结构的各种层例如可通过有机金属化学气相堆积(MOCVD)、氢化物气相生长法(HVPE)等堆积法、分子束外延法(MBE)之类的外延生长方法等多种不同方法中的任一种来形成。
(p型包层)
p型包层20包含具有p型导电性的氮化物半导体层。优选p型包层20相对于基板11为完全形变。通过完全形变而形成的激光二极管1的层能够抑制穿透位错密度的增加，因此使本发明的效果最大化。此处，“相对于基板11为完全形变”这一表述是指：构成多层膜的层相对于基板11具有晶格弛豫率为5％以下的非常小的形变弛豫。晶格弛豫率可以由通过非对称面的X射线衍射测定而得到充分衍射强度的面、例如(105)面、(114)面或(205)面等中的任意非对称面的衍射峰的倒易点阵坐标和基板11的衍射峰的倒易点阵坐标进行规定。
(p型纵传导层)
出于获得p型传导性的目的，p型纵传导层16是包含以Al组成s朝着自基板11的上表面远离的方向减少的方式发生倾斜的AlsGa1-sN的层。关于p型纵传导层16的膜厚和Al组成s的范围，出于为不吸收期望发光波长的光的带隙的材料、且增大在设备内常驻的光波的电场强度分布与发光层14的叠合(即，增大光约束)的目的，有时Al组成、膜厚受到限定。发光层14的发光波长为210nm以上且300nm以下的情况下，例如优选的是：包含Al组成s在0.3以上且1.0以下的范围内且沿着从基板11的上表面远离的方向发生减少的AlsGa1-sN的层，膜厚为250nm以上且450nm以下、更优选为300nm以上且400nm以下。通过适当控制膜厚，从而能够降低激光二极管1的内部损耗。
从适当的光约束和完全形变下的p型包层的形成的观点出发，有时优选p型纵传导层的Al组成s大于0.35且为1.0以下。
激光二极管1的内部损耗例如可通过公知的Variable Stripe Length Method(以下记作VSLM)等方法进行测定。
p型纵传导层16中，Al组成的变化量相对于其膜厚可以不同。出于增大光约束的目的等，可以是随着接近发光层14而Al组成的变化量逐渐或阶段性地减少的构成。
p型纵传导层16中，出于抑制杂质扩散的目的等，在接近p型波导层15的区域内，优选未主动混入H、Mg、Be、Zn、Si、B等杂质，即优选为非掺杂状态。此处，“非掺杂”这一表述是指：在形成对象层的过程中，不以元素的形式主动供给上述物质。源自原料、制造装置的元素例如以1016cm-3以下的范围发生混入时，不限定在内。元素的混入量可通过二次电子离子质量分析等方法来规定。本申请的“非掺杂”本质上表示相同的含义。此外，p型纵传导层16的制成非掺杂状态的区域至少包括与p型波导层15的边界。其大小没有限定。例如，可以是p型纵传导层16的全部区域均为非掺杂的状态。此外，作为其它例子，在p型纵传导层16之中，可以是与p型横传导层17相比更靠近p型波导层15的50％区域为非掺杂的状态。此外，作为其它例子，在p型纵传导层16之中，可以是靠近p型波导层15的约10％的区域为非掺杂的状态。
在p型纵传导层16与p型波导层15的中间，出于提高传导率的目的和/或用于通过完全形变来形成p型横传导层17和p型接触层18等目的，可以设置包含Al组成v朝着自基板11的上表面远离的方向发生增加那样的AlvGa1-vN(0<v≤1.0)的中间层。p型纵传导层16与p型波导层15的中间层可以是呈现不吸收期望发光波长的光的带隙的混晶，更优选为50nm以下的膜厚，可以是非掺杂。
p型纵传导层16的纵电阻率例如可以使用从本实施方式的激光二极管1的串联电阻值Rs减去n型包层12所干预的电阻值Rn而得到的电阻值Rs′＝Rs-Rn来计算。根据与激光二极管1的p型接触层18接触的p型电极的面积A和p型包层20的膜厚T，p型包层20的纵电阻率以Rs′×A/T的形式来计算。n型包层12的电阻值R例如可通过传送线路测定法、基于涡电流的非接触电阻测定来决定。
(p型横传导层)
为了容易使贯穿p型横传导层17的载流子发生量子透过，p型横传导层17可以是薄的膜厚。例如为20nm以下或10nm以下、优选为5nm以下。
出于控制p型横传导层17的纵电阻率的目的等，p型横传导层17可以主动混入有H、Mg、Be、Zn、Si、B等杂质。关于所混入的杂质量，根据p型横传导层17的表面和内部蓄积的净电场量，作为一例，可以采取1×1018cm-3以上且5×1021cm-3以下。此外，所混入的杂质量可以采取1×1019cm-3以上且5×1021cm-3以下。
p型横传导层17的与p型接触层18的界面处的Al组成优选为0.9以上且1.0以下的范围，优选相对于基板11为完全形变。这种p型横传导层17具有通过在p型横传导层17的表面和表面附近的内部产生的净内部电场变为负、蓄积空穴而使横传导率提高的效果。此外，在激光二极管1的区域内，p型横传导层17的Al组成的分布优选被限制在5％以下。这种p型横传导层17的由组成分布导致的载流子散乱得以降低，因此，能够实现更高的横传导率。
优选的是：通过将包含与最终的p型横传导层17的Al组成t相比更小的Al组成y的AlyGa1-yN在不供给Al原料和Ga原料的高温状态下进行保持，从而p型横传导层17以Al组成t为0.9≤t≤1.0的AltGa1-tN的方式形成。
(n型包层)
n型包层12包含具有n型导电性的氮化物半导体层。n型包层12优选相对于基板11发生完全形变来形成。此外，出于n型包层12通过相对于基板11发生完全形变来形成的目的，有时可以在n型包层12与基板11的界面存在Al组成同样变化的中间层，此外，n型包层12的Al组成和膜厚受到制约。关于n型包层12，出于得到适当的相对于电极的低接触电阻(例如为1×10-6～1×10-3Ωcm2、优选为1×10-6～1×10-4Ωcm2)的目的，有时Al组成受到限制。作为鉴于上述限制的n型包层12的实施方式，可以是Al组成为0.6～0.8、厚度为0.3～0.5μm。
出于控制其纵传导率的目的等，n型包层12可以为使Al组成相对于自基板11远离的方向而增加那样的倾斜层。在该情况下，对于上述Al组成的限定可以作为将n型包层12内的各膜厚方向位置处的Al组成用n型包层12的膜厚进行平均而得的Al组成而采用相同的实施方式。
n型包层12中，出于控制其纵传导率的目的等，除了N之外，可以混入有P、As、Sb等除N之外的V族元素；H、C、O、F、Mg、Ge、Si等杂质，元素不限定于此。适当的杂质混入量因n型包层12的Al组成而受到限制。优选为1×1019～1×1020cm-3。
(波导层)
波导层是具有不吸收期望发光波长的光的带隙且包含Al、Ga的氮化物半导体，出于增大在设备内常驻的光的电场强度分布与发光层14的叠合的目的，Al组成、膜厚受到限定。例如，相对于260nm～280nm的发光层14，优选Al组成为0.55～0.65、膜厚为70～150nm等。
波导层可以由相对于发光层14在n型包层12侧的部分(n型波导层13)和相对于发光层14在p型包层20侧(p型波导层15)这两层构成。即，n型波导层13形成在n型包层12与发光层14之间。此外，p型波导层15可以形成在p型包层20与发光层14之间。n型波导层13与p型波导层15的膜厚比根据发光层14中的光约束以及n型包层12与p型包层20的Al组成而可以采取各种比值。n型波导层13和p型波导层15的Al组成优选在膜厚方向上是均匀的，但不限定于此。为了避免吸收照向p型接触层上存在的金属的光，p型波导层15的Al组成有可能高于n型波导层13的Al组成。出于相同的目的，p型波导层15的膜厚有可能厚于n型波导的膜厚。n型波导层13中，出于获得与n型包层12相同的传导型的目的等，除了N之外，也可以混入有P、As、Sb等除N之外的V族元素；H、C、O、F、Mg、Si等杂质，元素不限定于此。
在n型波导层13与n型包层12的中间，出于提高纵传导率的目的等，可以设置包含Al组成w在自基板11的上表面远离的方向上减少那样的AlwGa1-wN的组成倾斜层。n型波导层13与n型包层12的中间层优选为10nm以下的膜厚。
在p型波导层15与p型包层20的中间，出于提高纵传导率的目的等，可以设置包含Al组成x朝着自基板11的上表面远离的方向而增加那样的AlxGa1-xN的组成倾斜层。p型波导层15与p型包层20的中间层优选为对于不使波导层中的光约束发生劣化而言充分薄(例如30nm以下或20nm以下的)膜厚。
在p型波导层15的内部或者p型波导层15与发光层14的中间、或者p型波导层15与p型纵传导层16的中间、或者p型波导层15的一部分，可以设置带隙大于p型波导层15的电子阻挡层。为了使空穴容易量子穿透电子阻挡层，电子阻挡层可以设为30nm以下或20nm以下，进一步优选设为15nm以下。
(发光层)
发光层14可以是被n型波导层13和p型波导层15夹持的单个或多个量子阱。量子阱的数量根据n型包层和p型包层的纵传导率，可以是3或2或1个。
出于降低发光层14的晶体缺陷的影响的目的等，发光层14的一部分或全部可以主动混入有1×1015cm-3以上的Si、Sb、P等元素。
(p型接触层)
p型接触层18可以是形成在p型包层20上且包含GaN的氮化物半导体。出于降低接触电阻等目的，除了N之外，也可以混入有P、As、Sb等除N之外的V族元素；H、B、C、O、F、Mg、Ge、Si等杂质，元素不限定于此。例如，可以混入有1×1020～1×1022cm-3的Mg。
与本发明的激光二极管1的电接触可通过设置在p型接触层18上的电极层以及通过以与n型包层12接触的方式配置的电极层来进行。例如，可通过在基板11的背侧配置电极层或者在p型接触层18附近的1个以上的区域内以n型包层12露出的方式将激光二极管1的各种上部的层借助例如化学蚀刻或干蚀刻来去除，并在露出的n型包层12上配置电极来实现。
(电极层)
配置在p型接触层18上的电极层可以是包括Ni、Pt、Au、B、Pd中的一种以上元素在内的金属。
配置在n型包层12或基板11的背面的电极层可以是包括V、Al、Au、Ti、Ni、Mo中的一种以上元素在内的金属。与基板11接触的金属层优选为包含V或Ti的金属。
实施例
制作具有与上述实施方式的激光二极管1相同层构成的实施例1-4的激光二极管1。此外，以下示出实施例5、6、比较例1、2和参考例1-5。
[实施例1]
作为实施例1，制作以下示出的氮化物半导体激光二极管1。在激光二极管1的制作中使用MOCVD，此外，原料使用三甲基镓(TMG)、三乙基镓(TEG)、三甲基铝(TMA)、氨(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯基镁(Cp2Mg)等。通过在相对于单晶AlN基板11的[0001]面倾斜0.1°～0.3°的面上，使TMA、NH3在1200℃的H2气氛中发生反应，由此形成0.2μm的包含AlN的均质外延层。
通过在包含AlN的均质外延层上使TMA、TMG、NH3和SiH4在1055℃的H2气氛中发生反应，从而依次层叠有具有30nm的膜厚且Al组成在自基板11的上表面远离的方向上从1.0均匀减少至0.7为止的AlGaN中间层、以及具有0.35μm的膜厚且用5×1019cm-3的Si进行了掺杂的Al0.7Ga0.3N的n型包层12。AlN均质外延层、中间层和n型包层12通过以0.3～0.6μm/h的速度形成而以相对于基板11为完全形变的形式形成。
通过在n型包层12上使TMA、TMG、NH3在1055℃的H2气氛中发生反应，从而依次层叠有具有60nm的膜厚且包含Al0.63Ga0.37N的n型波导层13、以及总膜厚为30nm的包含多层量子阱层的发光层14。通过在发光层14的势垒层的一部分形成中导入SiH4作为原料，从而掺杂有3×1019cm-3的Si。进而，在发光层14上形成了具有50nm的膜厚且包含Al0.62Ga0.38N的p型波导层15。n型波导层13、发光层14和p型波导层15通过以0.4μm/h的速度来形成而以相对于基板11为完全形变的形式形成。
通过在p型波导层15上使TMA、TMG、NH3在1055℃的H2气氛中发生反应，从而依次层叠有具有20nm的膜厚且Al组成在自基板11的上表面远离的方向上从0.62均匀增加至1.0的AlGaN中间层、以及具有0.32μm的膜厚且Al组成在自基板11的上表面远离的方向上从1.0减少至0.3的p型纵传导层16。p型纵传导层16通过以0.3～0.5μm/h的速度来形成而以相对于基板11为完全形变的形式形成。此外，p型纵传导层16的全部区域为非掺杂的状态。
在p型纵传导层16上形成了具有3nm的膜厚且包含Al0.45Ga0.05N的p型横传导层17。进而，在1055℃的状态下停止TMA、TMG原料的供给，将仅供给Cp2Mg的状态保持(退火)10分钟以上，使p型横传导层17变质为用1×1020cm-3的Mg进行了掺杂的Al0.97Ga0.03N层。通过在这种步骤中使其变质，从而p型横传导层17以相对于基板11为完全形变的方式来形成。
进行(002)面的XRD测定时，p型横传导层17的Al组成的分散在与激光二极管1的区域相当的区域范围内为3.5％。p型横传导层17在多个位置处通过透射电子显微镜的<11-20>方向的透射图像来确认原子排列时，相对于基板11为完全形变。
通过在p型横传导层17上使TMG、Cp2Mg、NH3在940℃的H2气氛中发生反应，从而形成膜厚为20nm、包含用5×1020cm-3的Mg进行了掺杂的GaN的p型接触层18。
如上那样制作的氮化物半导体激光二极管1在N2气氛中以700℃进行10分钟以上的退火，由此使p型层进一步低电阻化。通过利用包含Cl2的气体进行干蚀刻，从而在与<11-20>方向平行且<11-20>方向上较长的矩形区域内露出n型包层12。进而，在氮化物半导体激光二极管1的表面形成有包含SiO2的钝化层。
在p型接触层18上形成有多个与<11-20>方向平行且<11-20>方向上较长的矩形且包含Ni或Au的电极金属区域(p型电极)。此外，在露出n型包层12的区域内，形成有多个与<11-20>方向平行且<11-20>方向上较长的矩形且包含V、Al、Ni、Ti或Au的电极金属(n型电极)。进而，在电极金属区域内，通过与<1-100>方向平行的多次劈开，基板11被分隔为条状。
将与<1-100>方向平行的多个自然劈开面作为端面，形成长边与其劈开方向垂直那样的长度Yμm(Y＝50、100，150、200、250、300、350、400μm)的谐振器。使用这些长度Yμm不同的谐振器，获取基于长度500μm和宽度15μm的矩形激光光点的激发长度依赖性。基于VSLM来进行演算时，内部损耗为10cm-1。
关于如上那样制作的激光二极管1，利用最接近的p型电极和n型电极，根据正向偏压来评价二极管特性，由此测定激光二极管1整体的串联电阻。进而，通过根据TLM法来测定多个n型电极间的电阻，从而得到n型包层12的纵/横电阻率。由于n型包层12为均质的混晶，因此，纵电阻率与横电阻率保持一致。由测得的上述数据算出p型包层20的纵传导率为0.13Ω-1cm-1。进而，通过根据TLM法来测定多个p型电极间的电阻，从而得到p型包层20的横电阻率。p型包层20的纵横电阻率之比为1.5。
由基板11的(205)面的XRD衍射强度峰和如上那样制作的激光二极管1各自的膜的(205)面的XRD衍射强度峰算出的晶格弛豫率均为4％以下。
[实施例2]
在实施例1的步骤中，将p型纵传导层16的膜厚设为0.21μm，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率为4％以下。
利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵传导率为0.17Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵横电阻率之比为1.9。利用实施例1记载的方法进行测定时，基于VSLM的内部损耗为20cm-1。
[实施例3]
在实施例1的步骤中，将p型纵传导层16的膜厚设为0.25μm，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵传导率为0.15Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵横电阻率之比为1.9。利用实施例1记载的方法进行测定时，基于VSLM的内部损耗为15cm-1。
[实施例4]
在实施例1的步骤中，将p型纵传导层16的膜厚设为0.45μm，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵传导率为0.11Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵横电阻率之比为1.4。利用实施例1记载的方法进行测定时，基于VSLM的内部损耗为9cm-1。
[实施例5]
在实施例1的步骤中，除了以下所示的p型横传导层17的制作步骤之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
在p型纵传导层16上层叠具有3nm的膜厚且通过使TMA、TMG、Cp2Mg、NH3在940℃的H2气氛中发生反应，并利用与激光二极管1的各种层相同的方法用3×1020cm-3的Mg进行了掺杂的包含Al0.97Ga0.03N的p型横传导层17。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵传导率为0.13Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵横电阻率之比为2.9。利用实施例1记载的方法进行测定时，基于VSLM的内部损耗为11cm-1。
[实施例6]
在实施例1的步骤中，将p型横传导层17中的Mg浓度设为1×1016cm-3，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵传导率为0.11Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法进行计算时，p型包层20的纵横电阻率之比为1.6。利用实施例1记载的方法进行测定时，基于VSLM的内部损耗为10cm-1。
[比较例1]
在实施例1中，将p型纵传导层16设为膜厚0.32μm的Al0.7Ga0.3N(无组成倾斜)，除此之外，制作与实施例1相同的激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.06Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为11.3。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为31cm-1。
[比较例2]
在实施例1中，将p型纵传导层16设为膜厚0.32μm的Al0.7Ga0.3N(无组成倾斜)，进而，在形成p型纵传导层16后，通过采取p型接触层18形成及以后的步骤来制作没有p型横传导层17的激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.07Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为16.4。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为31cm-1。
[参考例1]
通过与实施例1相同的步骤，制作至p型纵传导层16为止，接着，通过采取p型接触层18形成及以后的步骤，从而制作没有p型横传导层17的激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.14Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为26.7。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为10cm-1。
[参考例2]
出于主动使激光二极管结构发生弛豫的目的，在实施例1的步骤中，将p型纵传导层16的膜厚设为0.8μm，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为30％。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.02Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为6.1。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为17cm-1。
[参考例3]
在实施例1的步骤中，将p型纵传导层16的膜厚设为0.5μm，除此之外，利用相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为20％。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.04Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为9.7。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为8cm-1。
[参考例4]
p型纵传导层16具有0.32μm的膜厚，以Al组成在自基板11的上表面远离的方向上从1.0减少至0.1的方式进行层叠，除此之外，利用与实施例1相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.13Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为1.5。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为27cm-1。
[参考例5]
p型纵传导层16具有0.32μm的膜厚，以Al组成在自基板11的上表面远离的方向上从1.0减少至0.2的方式进行层叠，除此之外，利用与实施例1相同的步骤来制作激光二极管1。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法而算出的晶格弛豫率均为4％以下。
针对如上那样制作的激光二极管1，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵传导率时，为0.13Ω-1cm-1。此外，利用实施例1记载的方法来计算p型包层20的纵横电阻率之比时，为1.5。利用实施例1记载的方法来测定基于VSLM的内部损耗时，为19cm-1。
针对实施例1-6、比较例1、2和参考例1-5的激光二极管1，将上述构成、制造条件和评价结果总结示于下述表1。
[表1]
Figure BDA0003512760950000171
(对比)
实施例1-6的激光二极管1的纵传导率为0.11以上且0.17以下、纵横电阻率之比为1.5以上且2.9以下、内部损耗为9cm-1以上且20cm-1以下。比较例1和2的激光二极管1的纵传导率为0.06以上且0.07以下、纵横电阻率之比为11.3以上且16.7以下、内部损耗为31cm-1。
比较例1-2的激光二极管1是未使用组成倾斜层作为p型纵传导层16的结构，因此，纵传导率低。进而，比较例2中不存在p型横传导层17，因而，电阻率之比与比较例1相比进一步增大。在任意的比较例中，均无法实现实施例1-6的激光二极管1所显示的同时具有低内部损耗、高纵传导率和低纵横电阻率之比的特性。
进而，针对参考例1-5的激光二极管1进行研究。参考例1的激光二极管1与比较例1同样地具备组成倾斜层作为p型纵传导层，但不存在p型横传导层17。若参考例1的激光二极管1与实施例1-6相比，则无法实现低的纵横电阻率之比。此外，参考例2和3的激光二极管1与比较例1同样地具备组成倾斜层作为p型纵传导层16，但p型纵传导层16的膜厚为0.5μm以上。若参考例2和3的激光二极管1与实施例1-6相比，则高的纵传导率和低的纵横电阻率之比均无法实现。参考例4和5的激光二极管1具备组成倾斜层作为p型纵传导层，但Al组成的最小值小于0.3。若参考例4和5的激光二极管1与实施例1-6相比，则无法实现低的内部损耗。若参考例1-5的激光二极管1与实施例1-6相比，则无法说其会实现同时具有低的内部损耗、高的纵传导率和低的纵横电阻率之比的特性。
(变形例)
如上所述，实施例1-6的激光二极管1同时具有低的内部损耗、高的纵传导率和低的纵横电阻率之比。此处，为了进一步调查与振动的关系性，使用对实施例1变更了发光层14所含的量子阱层的构成和p型纵传导层16的构成而得的变形例，针对振动状态进行测定。以下的变形例的制作中，首先，将带有电极的激光二极管1沿着<11-20>方向切开，形成长度400μm的激光模腔。通过劈开而得到原子性平坦的(1-100)小面后，对两侧的劈开面应用包含HfO2/SiO2多层膜的高反射涂层(反射率为90％以上)。电特性通过在室温下以0.5ms的周期(负载0.01％)在50ns的脉冲电流注入下进行测定。
[变形例1]
作为变形例1，发光层14具备总膜厚为7.5nm的1片量子阱层，除此之外，制作与实施例1相同构成的激光二极管1。变形例1的激光二极管1发生振动，振动阈值为60kA/cm2。
[变形例2]
作为变形例2，发光层14具备总膜厚为9nm的1片量子阱层，除此之外，制作与实施例1相同构成的激光二极管1。变形例2的激光二极管1发生振动，振动阈值为25kA/cm2。
[变形例3]
作为变形例3，发光层14具备总膜厚为15nm的1片量子阱层，除此之外，制作与实施例1相同构成的激光二极管1。变形例3的激光二极管1发生振动，振动阈值为9kA/cm2。
[变形例4]
作为变形例4，发光层14具备总膜厚为9nm的1片量子阱层，p型纵传导层16之中，从与p型波导层15的界面起至厚度方向上的10nm为止的区域为非掺杂的状态，除此之外，制作与实施例1相同的激光二极管1。此处，p型纵传导层16的不是非掺杂状态的部分用1.3×1019cm-3的Mg进行了掺杂。此外，p型纵传导层16的膜厚与实施例1同样为0.32μm。变形例4的激光二极管1发生振动，振动阈值为30kA/cm2。
[变形例5]
作为变形例5，发光层14具备总膜厚为9nm的1片量子阱层，p型纵传导层16之中，从与p型波导层15的界面起至厚度方向上的50nm为止的区域为非掺杂的状态，除此之外，制作与实施例1相同的激光二极管1。此处，p型纵传导层16的不是非掺杂状态的部分用1.3×1019cm-3的Mg进行了掺杂。变形例5的激光二极管1发生振动，振动阈值为20kA/cm2。
[变形例6]
作为变形例6，发光层14具备总膜厚为9nm的1片量子阱层，p型纵传导层16之中，从与p型波导层15的界面起至厚度方向上的100nm为止的区域为非掺杂的状态，除此之外，制作与实施例1相同的激光二极管1。此处，p型纵传导层16的不是非掺杂状态的部分用1.3×1019cm-3的Mg进行了掺杂。变形例6的激光二极管1发生振动，振动阈值为18kA/cm2。
针对变形例1-6的激光二极管1，将上述构成和评价结果总结示于下述表2。
[表2]
Figure BDA0003512760950000201
变形例1-6的激光二极管1以低的振动阈值发生振动。例如，变形例3的振动阈值为9kA/cm2。
此处，在激光二极管1的制作中，在外延生长后，有时产生凸状的六棱锥状隆起(HPH)，特性恶化。HPH的密度的一例为6×103cm-2，观察到使波长的发光峰向长波长侧位移的特性恶化。可以认为HPH主要在单晶AlN基板的存在穿透位错的附近形成。变形例的激光二极管1中，通过抑制穿透位错的发生，从而避免HPH与p型电极接触，实现激光振动。
(其它)
本申请不限定于上述实施方式和变形例。可以根据本领域技术人员的常识对各实施方式施加设计变更等，施加有这种变更等的方式也包括在本申请的范围内。
附图标记说明
1激光二极管 11基板 12n型包层 13n型波导层 14发光层 15p型波导层 16p型纵传导层 17p型横传导层 18p型接触层 20p型包层

Claims (10)

1.一种激光二极管，其具备：
AlN单晶的基板；
n型包层，其形成在所述基板上，且包含具有n型导电性的氮化物半导体层；
发光层，其形成在所述n型包层上，且包含一个以上的量子阱；
p型包层，其形成在所述发光层上，且包含具有p型导电性的氮化物半导体层；以及
p型接触层，其形成在所述p型包层上，且包含含有GaN的氮化物半导体，
所述p型包层具备：
p型纵传导层，其包含AlsGa1-sN，具有随着远离所述基板而Al组成s变小的组成倾斜，且所述p型纵传导层的膜厚小于0.5μm，其中，0.3≤s≤1；以及
p型横传导层，其包含AltGa1-tN，其中，0<t≤1。
2.根据权利要求1所述的激光二极管，其中，所述p型包层包含AlsGa1-sN，0.35<s≤1。
3.根据权利要求1或2所述的激光二极管，其中，所述p型横传导层的膜厚为20nm以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的激光二极管，其具备：
n型波导层，其形成在所述n型包层与所述发光层之间，将光约束在所述发光层内；以及
p型波导层，其形成在所述p型包层与所述发光层之间，将光约束在所述发光层内。
5.根据权利要求4所述的激光二极管，其具备：
中间层，其形成在所述p型纵传导层与所述p型波导层之间，包含AlvGa1-vN，且具有随着远离所述基板而Al组成v增加的组成倾斜，其中，0<v≤1.0。
6.根据权利要求4或5所述的激光二极管，其中，所述p型纵传导层的包括与所述p型波导层的界面在内的区域为非掺杂。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的激光二极管，其中，所述发光层的发光波长为210nm以上且300nm以下。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的激光二极管，其中，所述p型纵传导层的膜厚为250nm以上且450nm以下。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的激光二极管，其中，在所述p型横传导层与所述p型纵传导层的邻接面处，所述Al组成t大于所述Al组成s的最小值。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的激光二极管，其中，所述p型纵传导层和所述p型横传导层相对于所述基板为完全形变。
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