CN1681173A - 半导体发光元件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光元件，包括由In1－x－yGaxAly N(0≤x，y≤1)型材料制成的第一电导率型镀层(110)；包括由In1－x－yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的阻挡层和由In1－x GaxN(0≤x≤1)型材料制成的势阱层的量子势阱活性层(115)；和由In1－x－y GaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第二电导率型镀层(120)。这些层的构成组分的摩尔分数经过选择使得(x+1.2y)在1±0.1的范围内，从而将相分离抑止至最小。由此，提供了一种发光元件，其中防止了采用由三元InGaN制成的MQW活性层的GaN半导体发光元件中泄漏电流的增加，所述发光元件能够高输出操作，并且具有长期可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光元件的结构和加工，特别是主要成分是用于激光二极管的第III族氮化物材料的半导体发光元件及其制备方法。
背景技术
蓝色激光光源是诸如磁盘存储设备和DVD等下一代高密度光学设备的关键技术。图11显示了常规半导体激光设备的横截面图(S.Nakamura，MRS Bulletin Vol.23 No.5 pp.37-43，1998)，其中在蓝宝石衬底5上依次形成氮化镓(GaN)缓冲层10和n-型GaN层15。进一步形成的是厚度为0.1μm的二氧化硅(SiO2)层20和在GaN结晶的<1-100>方向上的以12μm为周期的宽度为4μm的条状窗口25。在其上面依次形成n-型GaN层30、n-型氮化镓铟(In0.1Ga0.9N)层35、n-型氮化镓铝(Al0.14Ga0.86N/GaN)调制掺杂的应变层超晶格(modulationdoped strained layer superlattice，下面简称为MD-SLS)镀层40和n-型GaN镀层45。而且，形成(In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N)多重量子势阱(下面简称为MQW)活性层50，并在其上面形成p-型Al0.2Ga0.8N镀层55、p-型GaN镀层60、p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS镀层65和p-型GaN镀层70。
p-型MD-SLS镀层65是脊条纹结构，经过设计以限制光在该脊波导结构内的水平和纵向传播分布。在p-型GaN镀层70和n-型GaN镀层30上形成电极(未显示)以注入电流。
在图11所示的结构中，n-型GaN镀层45和p-型GaN镀层60是光学波导层。n-型MD-SLS镀层40和p-型MD-SLS镀层65起限制注入到MQW层50的活性区的载流子和光的作用。n-型In0.1Ga0.9N层35起缓冲层的作用，所述的缓冲层可以防止AlGaN厚膜生长时产生裂缝。
在图11所示结构的半导体激光器中，将载流子经电极注入到MQW活性层50中，发出波长带为400nm的光。在脊条纹区内的有效折射率比外面的低，这使其可以通过在p-型MD-SLS镀层65中形成的脊波导结构限制该活性层内光分布在水平横向。
另一方面，该活性层的折射率大于n-型GaN镀层45和p-型GaN镀层60的折射率以及n-型MD-SLS镀层40和p-型MD-SLS镀层60的折射率，这样使其能够通过n-型GaN镀层45、n-型MD-SLS镀层40、p-型GaN镀层60和p-型MD-SLS镀层55限制该活性层内光分布在垂直方向，并与上述效果协同地，获得基本横向型振动。
然而，在为图11所示结构的情况下，由于AlGaN、InGaN和GaN的晶格常数不同，当n-型In0.1Ga0.9N层35、MQW活性层50(In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N)、n-型(Al0.14Ga0.86N/GaN)MD-SLS镀层40、p-型Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS镀层65和p-型Al0.2Ga0.8N镀层55的总厚度超过临界厚度时，发生晶格缺陷，由此持续地释放畸变能。由于该晶格缺陷起激光的吸收中心的作用，因此发光效率降低，并且阈值电流升高。当晶格缺陷浓度至少是108/cm3时这种影响特别明显。
然而，在上述临界厚度之上，难以将缺陷浓度降低至小于108/cm3的数量级，这使其难以实现保证至少10000小时的长期可靠的激光。
特别是，如果由势阱层和阻挡层制成的MQW活性层完全用InGaN材料构成的话，由于该活性层的晶格常数与GaN的不同，因此起发光层作用的该活性层本身可能超过临界膜厚，并且在该活性层内可能发生晶格缺陷，使得这种情况下的可靠性降低得更为严重。
而且，为了获得高温和高输出半导体激光器，必须使势阱层和阻挡层的带隙差尽可能大，并且防止当载流子一旦注入到势阱层中，在这些载流子通过模拟发光重组之前通过热能漏到势阱的外面。
而且，考虑到由InN、AlN和GaN构成的混合氮化物的结晶半导体，在InN和GaN之间、在InN和AlN之间以及在GaN和AlN之间的晶格失配分别是11.3％、13.9％和2.3％。在这种情况下，由于在InN、AlN和GaN中原子间距离彼此不同，例如即使经过调整组成以使InGaAlN层的晶格常数与GaN的相同，由于构成InGaAlN层的原子之间的原子间距和键角与二元化合物半导体情况下的理想状态的大小不同，因此在InGaAlN层内积聚内应变能。
为了降低内应变能，存在一定的组成范围，超过所述范围InGaAlN材料内发生相分离。如果发生相分离，那么In原子、Ga原子和Al原子在该InGaAlN层内分布不均，并且这些原子未根据这些构造层内的原子的摩尔分数均匀分布。这意味着发生相分离的这些层的带隙能分布和折射率分布也变得不均匀。相分离的结果，形成不均匀组成的区域要么起光吸收中心的作用要么散射导波。因此，如果发生相分离，那么半导体激光器的驱动电流升高，由此降低半导体激光器的寿命。
鉴于上述原因，由于诸如晶格缺陷和相分离等涉及材料的问题可能在氮化物半导体激光器中发生，如果使用由常规三元InGaN制成的MQW活性层，那么泄漏电流增加。结果是，难以获得在至少100mW的高输出下可操作并具有长期可靠性的半导体激光器。
发明内容
本发明的半导体发光元件包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第一电导率型的第一镀层；包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的阻挡层和由In1-xGaxN(0≤x≤1)型材料制成的势阱层的量子势阱活性层；和由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第二电导率型的第二镀层；其中这些层的构成组分的摩尔分数经过选择使得(x+1.2y)在1±0.1的范围内，从而将相分离抑止至最小。
在本发明的半导体发光元件的制备方法中，所述半导体发光元件包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第一电导率型的第一镀层；包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的阻挡层和由In1-xGaxN(0≤x≤1)型材料制成的势阱层的量子势阱活性层；和由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第二电导率型的第二镀层；在最小500℃和最大1100℃的结晶生长温度下制备这些层，并且这些层的构成组分的摩尔分数经过选择使得(x+1.2y)在1±0.1的范围内，从而将相分离抑止至最小。
附图说明
图1A是本发明第一个实施方式的半导体激光器的横截面构造图。图1B是多重量子势阱活性层的放大横截面图。
图2是显示本发明第一个实施方式的半导体激光器的光电特性的图。
图3A-3D是显示本发明第一个实施方式的半导体激光器的制备步骤的轮廓图。
图4是本发明第二个实施方式的半导体激光器的横截面构造图。
图5是显示本发明第二个实施方式的半导体激光器的光电特性的图。
图6A-6C是显示本发明第二个实施方式的半导体激光器的制备步骤的轮廓图。
图7A和7B是显示本发明第二个实施方式的半导体激光器的制备步骤的轮廓图。
图8是显示在本发明第二个实施方式中不同生长温度下InGaAlN型材料的构成组分的相分离区的变化的图。
图9对应于图8，标记了防止相分离的InGaAlN型材料的Ga组成和Al组成的组成选择区。
图10对应于图8，标记了防止相分离和与GaN晶格匹配的InGaAlN型材料的Ga组成和Al组成的组成选择区。
图11是了常规半导体激光器的横截面构造图。
具体实施方式
根据本发明的半导体发光元件，通过使由InGaAlN材料制成的镀层和阻挡层的原子组成的晶格匹配衬底的晶格，可以抑止因与衬底的晶格失配发生的晶格缺陷。
而且，如果在不发生相分离的原子组成的范围内形成构成该半导体激光器的层的原子组成，那么可以抑止组成分离的发生和波导损耗的增加。
而且，如果用包括Al的InGaAlN材料形成阻挡层，那么可以使带隙比由InGaN材料制成的阻挡层的大，这样使其能够降低泄漏电流。而且，由于使用三元InGaN作为势阱层比使用由四元材料构成的InGaAlN更容易控制原子组成比，由此更容易控制发射波长，从而使其可以获得高再现性的所需发射波长。
结果，可以显著提高发光效率，而且获得在蓝色至绿色区操作并适合高输出操作的氮化物半导体激光器。
而且，通过调整结晶生长温度和构成这些层的组分的摩尔分数，可以获得不发生相分离的高质量InGaAlN材料。
根据本发明，在本发明的第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层中，(x+1.2y)经过选择在1±0.1的范围内。以这种方式，通过将Ga的摩尔分数和Al的摩尔分数调整至特定比例，可以使构成半导体激光器的这些层的晶格常数基本上恒定并抑制晶格缺陷的发生。具体地说，通过将该比例特定化，可以使构成半导体激光器的这些层的晶格常数与GaN的晶格常数基本上相同，这样当在GaN层上形成半导体激光器时可以降低晶格缺陷。如果(x+1.2y)小于0.9，那么In1-x-yGaxAlyN层的晶格常数比GaN的大1％以上，这样由于在In1-x-yGaxAlyN层内存在大的压缩应变，使得在In1-x-yGaxAlyN层内更容易发生晶格缺陷，因此是有问题的。如果(x+1.2y)大于1.1，那么InGaAlN的晶格常数比GaN的小1％以上，这样由于在In1-x-yGaxAlyN层内存在大的拉伸应变，使得在In1-x-yGaxAlyN层内易于发生晶格缺陷，因此是有问题的。
当第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层内(x+1.2y)在1±0.1的范围内时，这些层各自的晶格常数与衬底的GaN的晶格常数(31.7nm)之间的差值最小是-0.74nm和最大是+0.36nm。这对应于与GaN衬底的晶格失配最小是-2.33％和最大是+1.13％。因此，在本发明中，优选第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层各自与作为衬底材料的GaN的晶格失配最小是-2.33％和最大是+1.13％。
而且，优选关系0≤x+y≤1和1≤x/0.8+y/0.89有效。还优选结晶生长温度在约500℃-约1000℃的范围内。优选第二镀层至少具有脊结构。因此可以获得基本横向型振动，其中通过波导的光分布传播是稳定的。
而且，这些镀层可以保持组成分离最小化，降低波导损耗，并获得限制注入到用作发光部分的活性层内的载流子并且其中该活性层的光密度最大的波导。
第一实施方式
半导体发光元件的结构
图1A和图1B是本发明第一实施方式的半导体激光器的横截面图。如图1A和图1B所示，在n-型GaN衬底100上形成n-型GaN第一镀层105(厚度约为0.5μm)、n-型In0.05Ga0.75Al0.2N第二镀层110(厚度约为1.5μm)和通过由In0.02Ga0.85Al0.13N制成的四个阻挡层(每个厚度为3.5nm)115a和分别夹在其中的由In0.12Ga0.88N制成的三个量子势阱层(每个厚度为3.5nm)115b构成的多重量子势阱活性层115。
而且，在其上形成p-型In0.05Ga0.75Al0.2N第三镀层120(厚度约为1.5μm)和p-型GaN第四镀层125(厚度约为0.5μm)。
本实施方式的第一镀层105和第二镀层110是n-型并且对应于本发明的第一电导率型的第一镀层。而且，本发明的第三镀层120和第四镀层125是p-型并且对应于本发明的第二电导率型的第二镀层。
如图1B所示，以顺序In0.02Ga0.85Al0.13N/In0.12Ga0.88N/In0.02Ga0.85Al0.13N/In0.12Ga0.88N/In0.02Ga0.85Al0.13N/In0.12Ga0.88N/In0.02Ga0.85Al0.13N/形成本实施方式的多重量子势阱活性层115。即，通过由In0.02Ga0.85Al0.13N/制成的四个阻挡层(每个厚度为3.5nm)115a和分别夹在其中的由In0.12Ga0.88N制成的三个量子势阱层(每个厚度为3.5nm)115b构成多重量子势阱活性层115。
在p-型GaN第四镀层125上形成具有一条状窗口区135(宽度为3.0μm)的SiO2层130。
在n-型GaN衬底100上形成第一电极140，并在SiO2层130和窗口区135上形成第二电极145。
为了能从活性层115发出波长在405nm区域的蓝光，将势阱层中InN的摩尔分数和GaN的摩尔分数分别调整至0.12和0.88。
在本实施方式中，为了防止上面所述半导体层中由四元材料构成的层中的晶格缺陷，调整Ga组成x和Al组成y，使得表达式(x+1.2y)的值基本上等于恒定值，并将不同构成层的晶格常数调整至彼此匹配。如果该常数值调整至1±0.1，那么该晶格常数刚好与GaN的匹配，但是更优选将其调整至1±0.05。
前述将三元InGaN用于势阱层的理由是比使用InGaAlN材料时更容易控制原子组成比并且可以更精确地控制发射波长。
而且，通过适当选择这些层的材料，可以将n-型第二镀层110和p-型第三镀层120的带隙能调整至比图1B所示的包括三个量子势阱层的多重量子势阱活性层115的带隙能大。因此，可以把从n-型第二镀层110和p-型第三镀层120注入的载流子限制在活性层115内，并且这些载流子重组发出紫外线。而且，n-型第二镀层110和p-型第三镀层120的折射率比多重量子势阱活性层115的折射率小，这样将光场限制在横向。
从电极145注入的电流受到限制并流过窗口区135，这样在窗口区135下的活性层115内的区域被大大激活。因此，在窗口区6a下的活性层内的局部模式增量高于SiO2层下该活性层内的局部模式增量。因此，在上述半导体层压结构内形成因激光振动带来的增量波导而引起的波导。
图2显示本实施方式的激光二极管的电流和光输出特性之间的关系。该激光二极管通过1％占空因数的脉冲电流驱动。
如图2所示，在本实施方式的激光二极管中，阈值电流密度是5.0kA/cm2的足够低的值，使其可以获得高输出激光器。
半导体发光元件的制备方法
下面描述本发明的上述实施方式的半导体激光器的制备方法。图3A-3D是显示第一实施方式的半导体激光二极管的制备步骤的轮廓图。由于图3A-3D所示的结构与图1所示的结构相似，因此尽可能使用相同的参考号。
首先，如图3A显示，提供了n-型GaN衬底100，并在其上生成n-型GaN第一镀层105。第一镀层105的厚度通常是约0.5μm。形成典型厚度为约1.5μm的n-型In0.05Ga0.75Al0.2N第二镀层110。
接下来，通过形成四个分别由In0.02Ga0.85Al0.13N材料制成的厚度为35埃(3.5nm)的阻挡层和三个分别由In0.12Ga0.88N材料制成的厚度约为35埃(3.5nm)量子势阱层来形成多重量子势阱活性层115。
这之后，形成由p-型In0.05Ga0.75Al0.2N材料制成的厚度约为1.5μm的第三镀层120，再形成由p-型GaN制成的厚度约为0.5μm的第四镀层125。通常，这些层是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)或同时使用这些方法形成的。
因此，例如如图3B所示，通过化学气相沉积(CVD)在p-型GaN第四镀层125上形成SiO2层130。接下来，如图3C所示，通过使用光刻和蚀刻或者其它适宜方法形成窗口区135。窗口区135可以是条状。
最后，如图3D所示，通过气相沉积和其它适宜方法分别在n-型GaN衬底100和SiO2层130上形成第一电极140和第二电极145。
第二实施方式
半导体激光器的结构
接下来，参照图4解释本发明第二实施方式的半导体发光元件。在图4中，与第一实施方式中相同的结构元件用相同的参考号显示。在n-型GaN衬底100上依次形成由n-型GaN制成的厚度约为0.5μm的第一镀层105、由In0.05Ga0.75Al0.2N材料制成的厚度约为1.5μm的n-型第二镀层110以及通过四个由In0.02Ga0.85Al0.13N材料制成的厚度为35埃(3.5nm)的阻挡层和分别夹在其中的三个由In0.12Ga0.88N材料制成的厚度约为35埃(3.5nm)的量子势阱层构成的多重量子势阱活性层115(图1B)。而且，在其上形成由In0.05Ga0.75Al0.2N材料制成的厚度约为1.5μm的第三p-型镀层120和厚度约为0.5μm的p-型GaN第四镀层125，并且将该p-型第三镀层120和p-型第四镀层125的一部分除去形成脊结构500。而且，形成SiO2层130至少将脊结构500的侧面以及在脊结构500外面的剩余的第三镀层120的暴露部分盖住。在第三镀层120和第四镀层125上经Si02层130形成宽度约2.0μm的条状窗口区135。
而且，与第一实施方式中相同，在n-型GaN衬底100上形成第一电极140，并在SiO2层130上形成第二电极145。
与第一实施方式中相同，为了从活性层14发出波长在405nm区域的蓝光，将势阱内InN和GaN的摩尔分数分别调整至0.12和0.88。而且，为了通过匹配作为四元材料的InGaAlN层的构成层的晶格常数而防止晶格缺陷，调整所有层中的Ga组成x和Al组成y，以满足条件表达式(x+1.2y)的值基本上等于恒定值，并且为了使GaN和这些层的晶格常数基本上相等，表达式(x+1.2y)的值应调整至1±0.1，更优选应调整至1±0.05。
为了对比，制备一激光器，其中n-型In0.05Ga0.75Al0.2N第二镀层和p-型In0.05Ga0.75Al0.2N第三镀层中Ga和Al的组成调整至如下表所示，并且其它构成层中Ga和Al的组成与第二个实施方式的相同，并且显示在CW、60℃和30mW下进行的可靠性评价的结果。元件的寿命定义为与开始可靠性评价时相比操作电流的值增加20％以上的时间，并以该寿命是否为1000小时以上来判断可靠性是OK或是NG。如下表所示，结果是如果表达式(x+1.2y)的值在1±0.1内，那么可靠性是OK，而不在该范围内的元件的可靠性是NG。似乎如果表达式(x+1.2y)的值小于0.9，那么In1-x-yGaxAlyN层的晶格常数比GaN的大1％以上，并在In1-x-yGaxAlyN层内存在大的压缩应变，使得在In1-x-yGaxAlyN层内更容易发生晶格缺陷。如果表达式(x+1.2y)的值大于1.1，那么InGaAlN的晶格常数比GaN的晶格常数小1％以上，并且在In1-x-yGaxAlyN层内存在大的拉伸应变，使得在In1-x-yGaxAlyN层内更易于发生晶格缺陷，并导致操作电流的值增加。
下表1显示了镀层中的Al和Ga的不同组成的可靠性评价的结果。
表1
| In组成(1-x-y) | Ga组成x | Al组成y | x+1.2y | 可靠性评价的结果 |
| 0.17 | 0.63 | 0.2 | 0.87 | NG |
| 0.14 | 0.66 | 0.2 | 0.9 | OK |
| 0.05 | 0.75 | 0.2 | 1.0 | OK |
| 0.0 | 0.5 | 0.5 | 1.1 | OK |
| 0.0 | 0.4 | 0.6 | 1.12 | NG |
就可靠性评价的结果而言，元件的寿命认为是与开始可靠性评价时相比操作电流增加20％以上的时间，就条件CW、60℃和30mW而言，认为至少1000小时的寿命认为是OK，而小于1000小时的寿命认为是NG。这里，CW是指连续波。
就本实施方式而言，将镀层的带隙能保持在比活性层的带隙能大的值，这样可以发出紫外线。而且，这些层的折射率的关系如第一实施方式所述的，并且光分布限制在横向。
与第一实施方式的操作相似，SiO2层130限制向活性层115注入电流的区域，在窗口区135下的活性层115内的区域被大大激活。
结果，在窗口区135下的活性层内的局部模式增量高于SiO2层130下该活性层内的局部模式增量。因此，与脊结构500的外面相比，结合其内横向的有效折射率变得相对大的事实，获得有效折射率的差量(Δn)。
因此，就第二实施方式而言，获得具有有效折射率波导机理的半导体激光器结构，并且提供了一种可以基本横向模式操作的低阈值电流激光二极管。
图5显示了第二实施方式的激光二极管的电流和光输出特性之间的关系。该激光二极管通过连续波动电流驱动。显而易见，其阈值电流是30mA。而且，可以100mW或更高的高输出操作。
因此，就本实施方式而言，不仅通过使用由带隙大的InGaAlN制成的阻挡层作为阻挡层降低了泄漏电流，而且在这些层中不发生相分离，这样可以降低尤其是镀层内的波导损耗，防止高输出操作期间热饱和的发生，并且提高了温度特性，并因此获得高输出激光器。
半导体激光器的制备方法
图6A-7B显示了第二个实施方式的半导体激光器的主要制备步骤的轮廓。首先，如图6A和图6B所示，在n-型GaN衬底100上形成第一镀层105、第二镀层110以及包括三个量子势阱层(参见图1B)的多重量子势阱活性层115。该形成方法与第一个实施方式中公开的相似。然后，形成第三镀层120和第四镀层125，再通过光刻和蚀刻去除其一部分之后形成脊结构500。
这之后，如图6C、图7A和图7B所示，通常通过CVD在第三镀层120和第四镀层125上形成SiO2层130，并且与第一实施方式中相同地形成窗口区135。然后，通过气相沉积和其它适宜方法形成电极140和145。
图8显示了不同生长温度下InGaAlN材料的构成组分的相分离区。在图8中，实曲线显示了不同温度下组成不稳定的区域(相分离区)和稳定的区域之间的边界。例如由连接InN和AlN的直线(构成三角形所示相图的一边)和曲线给定的边界线包围的区域显示了InAlN的相分离区。显而易见，作为三元材料的InAlN和InGaN的相分离区大，这是由于在InN和AlN之间以及在InN和GaN之间的晶格失配大。另一方面，即使在约1000℃下进行GaAlN的结晶生长，由于在AlN和GaN之间的晶格失配小，因此连接GaN和AlN的直线与曲线不形成封闭区，或者换句话说，显而易见没有相分离。
而且，正如图8预测的，当结晶生长温度较低时，例如在约500℃-约1000℃的范围内，存在In组成、Ga组成和Al组成没有显著相分离的InGaAlN材料。
图9显示了用于选择Ga和Al的组成以便防止在InGaAlN内于低于约1000℃的结晶生长温度下的相分离的孵化区，并且已发现分离两个区域的边界线大致可以通过下式1代表的关系来定义，其中x是Ga组成，y是Al组成：
x/0.8+y/0.89＝1 (式1)
因此，在至此公开的第一个和第二个实施方式中，如果由激光器的半导体材料制成的构成层中Ga组成x和Al组成y满足下面所述式2的关系，并且构成层的结晶生长是在约500℃-约1000℃的温度范围内进行的，那么可以防止半导体激光器内由InGaAlN材料制成的构成层的相分离的发生。
0≤x+y≤1和1≤x/0.8+y/0.89 (式2)
结果，可以根据所需原子摩尔分数以基本上均匀的方式在构成层中分布In原子、Ga原子和Al原子，并且可以使带隙能分布和折射率分布均匀。因此，可以降低光吸收中心的密度，并且可以防止波导的散射，并因此可以降低镀层和阻挡层内的波导损耗。
而且，如图9所示，显而易见在由InGaN材料制成的势阱层中，如果In组成是0.2或更小的话不发生相分离。
另一方面，在设计发射蓝光的带隙时，势阱层的In组成也必须为0.2或更小。
因此，就势阱层而言通过使用In组成是0.2或更小的InGaN，不会发生相分离，并且可以实现均匀的层生长和有利于发出蓝光。
应注意的是，当发出蓝光时，为了更容易地控制发射波长使用组分可方便调节的InGaN作为势阱层是有利的，而不是使用四元InGaAlN材料。
图10显示了用于选择Ga组成x和Al组成y以便防止在InGaAlN材料内在低于约1000℃的结晶生长温度下的相分离的区域。图10以粗线显示线x+1.2y＝1。在该线上InGaAlN材料的晶格常数与GaN的晶格常数相等。因此，就在激光器中GaN衬底上形成的由InGaAlN材料构成的层而言，通过保证x+1.2y基本上等于1并且满足式2所示的关系，可以在GaN衬底上制备晶格缺陷很少并且没有或有极少相分离的半导体激光器。
而且，在第一和第二实施方式中，对活性层的阻挡层使用晶格常数与GaN的匹配的InGaAlN材料可以抑止势阱层内晶格缺陷的发生。
因此，在上述实施方式中，显示了使用四元InGaAlN材料作为镀层的一个实例，但是也可以使用与GaN的晶格常数之差相对小的由AlGaN制成的三元材料。
而且，本发明并不限于第一和第二实施方式中公开的这些层的膜厚或组成，或者激光器的制备方法、结构等等，并且可以在不背离其主旨下以其它形式自由地实施。
而且，尽管在上述实施方式中没有讨论，但是本发明并不限于边缘发光的半导体激光器，而且当将本发明用于表面发光激光器、发光二极管等等时也可以获得同样的效果。
工业实用性
本发明的半导体激光器尤其可用作GaN半导体激光器，特别是用作高输出激光器。
Claims (13)
1、一种半导体发光元件，包括：
由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第一电导率型的第一镀层；
包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的阻挡层和由In1-xGaxN(0≤x≤1)型材料制成的势阱层的量子势阱活性层；和
由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第二电导率型的第二镀层；
其中这些层的构成组分的摩尔分数经过选择使得(x+1.2y)在1±0.1的范围内。
2、如权利要求1的半导体发光元件，其中在第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层内，(x+1.2y)在1±0.05的范围内。
3、如权利要求1的半导体发光元件，其中第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层各自与作为衬底材料的GaN的晶格失配最小是-2.33％和最大是+1.13％。
4、如权利要求1的半导体发光元件，其中第二镀层具有至少一个脊结构。
5、如权利要求1的半导体发光元件，其中在第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层内满足关系0≤x+y≤1和1≤x/0.8+y/0.89。
6、如权利要求1的半导体发光元件，其中还在第二镀层上形成一个用作条状窗口区的电绝缘层。
7、一种半导体发光元件的制备方法，所述半导体发光元件包括：
由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第一电导率型的第一镀层；
包括由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的阻挡层和由In1-xGaxN(0≤x≤1)型材料制成的势阱层的量子势阱活性层；和
由In1-x-yGaxAlyN(0≤x，y≤1)型材料制成的第二电导率型的第二镀层；
其中在最小500℃和最大1100℃的结晶生长温度下制备这些层，并且这些层的构成组分的摩尔分数经过选择使得(x+1.2y)在1±0.1的范围内。
8、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中在第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层内，(x+1.2y)在1±0.05的范围内。
9、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层各自与作为衬底材料的GaN的晶格失配最小是-2.33％和最大是+1.13％。
10、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中在第一镀层、阻挡层、势阱层和第二镀层内满足关系0≤x+y≤1和1≤x/0.8+y/0.89。
11、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中结晶生长温度是最小700℃和最大1100℃。
12、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中第二镀层具有至少一个脊结构。
13、如权利要求7的半导体发光元件的制备方法，其中还在第二镀层上形成一个用作条状窗口区的电绝缘层。
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| CN102510004A (zh) * | 2005-06-22 | 2012-06-20 | 宾奥普迪克斯股份有限公司 | 使用经蚀刻的刻面技术生产的基于AlGaInN的激光器 |
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