DE112008001367T5

DE112008001367T5 - Laserlicht emittierende Einrichtung

Info

Publication number: DE112008001367T5
Application number: DE112008001367T
Authority: DE
Inventors: Taketoshi Tanaka; Kuniyoshi Okamoto; Hiroaki Ohta
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US8189640B2; TW200917605A; JP2008288527A; US20100189155A1; WO2008143276A1

Abstract

Laserlicht emittierende Einrichtung, gekennzeichnet durch zumindest eine GaN-basierte Halbleiterlaserdiode, die eine nichtpolare Ebene oder eine halbpolare Ebene als eine Hauptfläche für ein Kristallwachstum aufweist, und eine AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, die Laserstrahlen von zumindest zwei Oszillationswellenlängen emittiert, darunter Wellenlängen von blau, grün und rot.
STAND DER TECHNIK
Monochromatische Lichtquellen von rot (R), grün (G), und blau (B) sind für eine Anwendung in einer Vielzahl von Anzeigen verwendet worden, wobei die Lichtquellen eine weiße Lichtausgabe mit einer exzellenten Farbbalance erzeugen. Zum Beispiel wird ein SHG Laser als eine RGB Lichtquelle für ein durchlässiges Flüssigkristalldisplay verwendet, das aus einem Festkörperlaser, einem nichtlinearen optischen Kristall usw. gebildet ist.
Bei diesem SHG Laser wird der Festkörperlaser mit Anregungslicht bestrahlt, das von einem Halbleiterlaser emittiert wird, was eine Fundamentalwelle verursacht, die durch den Festkörperlaser oszilliert, so dass Laserstrahlen von Oszillationswellenlängen von RGB durch Verwendung einer zweiten Harmonischen oder ähnlichem erhalten werden, die aus dem nichtlinearen optischen Kristall extrahiert werden. Um die jeweiligen Lichtquellen von RGB zu bilden, ist es nötig, eine Art des Festkörperlasers und eine Art des nichtlinearen optischen Kristalls für R, G, und B zu ändern (zum Beispiel siehe Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichungsnummer 2006-66818 ).
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Jedoch braucht der oben erwähnte SHG Laser eine Vielzahl von Komponenten, wie zum Beispiel den Halbleiterlaser für eine Anregung, einen Festkörperlaser, einen nichtlinearen optischen Kristall, und einen reflektierenden Spiegel usw. Daher ist es unvermeidbar schwierig, den SHG Laser als eine RGB Lichtquelle zu miniaturisieren.
Inzwischen wurde auch ein Versuch gemacht, einen grünen Laserstrahl direkt aus einer Halbleiterlaserdiode zu erhalten. Eine GaN-basierte Halbleiterlaserdiode wurde durch Wachsen eines Gruppe III Nitridhalbleiters auf einem Galliumnitrid (GaN) Substrat mit einer c-Ebene als einer Hauptfläche durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) hergestellt. In dem Fall eines Kristallwachstums auf der c-Ebene als der Hauptfläche verursacht die Wurtzitstruktur, dass ein epitaktischer Film, der auf der c-Ebene wächst, zwei nichtäquivalente Oberflächen hat. Aus diesem Grunde verursacht eine spontane Polarisation und ein auf einer Gitterspannung basierender piezoelektrischer Effekt ein elektrisches Polarisationsfeld an der Heteroübergangsfläche, so dass die Lichtemissionseffizienz reduziert ist. Dieses Phänomen wird besonders bemerkbar bei einer Wellenlänge größer als 500 nm.
Zum Beispiel muss, um eine Oszillationswellenlänge eines grünen Bereichs zu erzeugen, ein Indiumverhältnis in einer aktiven InGaN Schicht (Licht emittierende Schicht) erhöht werden. Wenn jedoch das In-Verhältnis erhöht wird, wird auch das oben erwähnte elektrische Polarisationsfeld größer. Entsprechend werden Elektronen und Elektronenlöcher, die in die aktive Schicht injiziert werden, voneinander weggezogen, so dass eine Lichtemissionsübergangswahrscheinlichkeit reduziert wird, wodurch ein Problem verursacht wird, dass eine Lichtausgabe kleiner wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserlicht emittierende Einrichtung bereitzustellen, die Lichtquellen verschiedener Wellenlänge einschließlich einer Oszillationswellenlänge eines grünen Bereichs oder ähnlichem aufweist, und die miniaturisiert werden kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Um die oben gestellte Aufgabe zu lösen, ist eine Erfindung gemäß Anspruch 1 eine Laserlicht emittierende Einrichtung, die gekennzeichnet ist dadurch, dass sie zumindest eine GaN-basierte Halbleiterlaserdiode, die eine nichtpolare Ebene oder eine halbpolare Ebene als eine Hauptfläche für ein Kristallwachstum aufweist, und eine AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode aufweist.
Zusätzlich ist eine Erfindung gemäß Anspruch 2 die Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 512 nm bis 552 nm in einem grünen Bereich aufweist.
Zusätzlich ist eine Erfindung gemäß Anspruch 3 die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 625 nm bis 665 nm in einem roten Bereich hat.
Ferner ist eine Erfindung gemäß Anspruch 4 die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode aus einer ersten GaN-basierten Halbleiterlaserdiode und einer zweiten GaN-basierten Halbleiterlaserdiode gebildet ist.
Ferner ist eine Erfindung gemäß Anspruch 5 eine Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 440 nm bis 480 nm in einem blauen Bereich und die zweite GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 512 nm bis 552 nm in einem grünen Bereich hat.
Noch weiterhin ist eine Erfindung gemäß Anspruch 6 die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode und die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet sind.
Noch weiter ist eine Erfindung nach Anspruch 7 die Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus AlN hergestellt ist.
Weiterhin ist eine Erfindung gemäß Anspruch 8 die Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode in jeder der Halbleiterlaserdioden unabhängig verdrahtet ist.
Auch ist eine Erfindung gemäß Anspruch 9 die Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode in jedem der Halbleiterlaserdioden kurzgeschlossen ist.
Ferner ist eine Erfindung gemäß Anspruch 10 die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode und die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode wiederholt in einer Anordnung angeordnet sind.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Laserstrahlen emittierende Einrichtung mit Oszillationswellenlängen aus vielen Wellenlängen aus zumindest einer GaN-basierten Halbleiterlaserdiode mit einer nichtpolaren Ebene oder einer halbpolaren Ebene als einer Hauptfläche für ein Kristallwachstum und einer AlInGaP-basierten Halbleiterlaserdiode gebildet. Ferner wird die Laserlicht emittierende Einrichtung von einer Halbleiterlaserdiode gebildet, die jeder der Oszillationswellenlängen entspricht. Entsprechend kann die Laserlicht emittierende Einrichtung miniaturisiert werden. Ferner hat die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine nichtpolare Ebene oder eine halbpolare Ebene als eine Hauptfläche für ein Kristallwachstum. Entsprechend wird das elektrische Polarisationsfeld unterdrückt, das an der aktiven Schicht anliegt, so dass eine grüne Oszillationswellenlänge erhalten werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung, die eine Struktur einer ersten Laserlicht emittierenden Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Zeichnung, die eine Struktur einer zweiten Laserlicht emittierenden Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Zeichnung, die eine andere Querschnittsstruktur eines zweiten GaN-basierten Halbleiterelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Zeichnung, die eine Querschnittsstruktur eines GaN-basierten Halbleiterelements zeigt.
5 ist eine Zeichnung, die eine Querschnittsstruktur eines AlInGaP-basierten Halbleiterelements zeigt.
6 ist eine Zeichnung, die ein CIE Chromatizitätsdiagramm zeigt.
7 ist eine Zeichnung, die eine Struktur einer Laserlicht emittierenden Einrichtung eines Anordnungstyps zeigt, die eine Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
8 ist eine Einheitszellenzeichnung, die eine Ebenenorientierung eines hexagonalen Systems zeigt.

1: Grüne LD
2: Rote LD
3: Blaue LD
4: Metallverdrahtung
5: Trägersubstrat
6: Verbindungsleitung
7: Verbindungsleitung
8: Verbindungsleitung
9: Verbindungsleitung

BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Struktur einer ersten Laserlicht emittierenden Einrichtung der vorliegenden Erfindung, und 2 zeigt eine Struktur einer zweiten Laserlicht emittierenden Einrichtung.
In der ersten Laserlicht emittierenden Einrichtung ist eine Metallverdrahtung 4 auf einem Trägersubstrat 5 als einem Trägerkörper gebildet, und eine grüne LD 1 und eine rote LD 2 sind mit der Metallverdrahtung 4 verbunden. Hier bezeichnet LD eine Laserdiode. Die grüne LD 1 und die rote LD 2 sind jeweils ein Laserdiodenelement, die aus einem Halbleiter mit einer Schichtstruktur gebildet sind. Bei dem Element ist eine von einer positiven Elektrode (Anode) und einer negativen Elektrode (Kathode) mit der Metallverdrahtung 4 verbunden, und die andere Elektrode ist mit einer Verbindungsleitung 6 oder einer Verbindungsleitung 7 verbunden.
Wenn zum Beispiel die Elektrode jeder Laserdiode, die mit der Verbindungsleitung 6 oder der Verbindungsleitung 7 verbunden ist, eine positive Elektrode ist, ist ein Ende der Verbindungsleitung 6 oder der Verbindungsleitung 7 mit einer positiven Elektrode einer Steuerspannungsquelle oder ähnlichem verdrahtet, und ein Ende einer Verbindungsleitung 9, die mit der Metallverdrahtung 4 verbunden ist, ist mit einer negativen Elektrode einer Spannungsquelle oder ähnlichem verdrahtet. Wenn die Elektrode von jedem Laserdiodenelement, die mit der Verbindungsleitung 6 oder der Verbindungsleitung 7 eine negative Elektrode ist, ist ein Ende der Verbindungsleitung 6 oder der Verbindungsleitung 7 mit der negativen Elektrode der Steuerspannungsquelle oder ähnlichem verbunden, und ein Ende der Verbindungsleitung 9, das mit der Metallverdrahtung 4 verbunden ist, ist mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle oder ähnlichem verbunden. Hier sind die Elektroden, die gegenüber den mit der Verbindungsleitung 6 und der Verbindungsleitung 7 verbundenen Elektroden liegen, durch die Metallverdrahtung 4 kurzgeschlossen.
Ferner ist die grüne LD 1 so gebildet, dass sie eine Oszillationswellenlänge in einem grünen Bereich von 532 nm ± 20 nm (512 nm bis 552 nm) hat, während die rote LD 2 so gebildet ist, dass sie eine Oszillationswellenlänge in einem roten Bereich von 645 nm ± 20 nm (625 nm bis 665 nm) hat.
4 zeigt ein Beispiel einer spezifischen Struktur der grünen LD 1. Ein GaN-basierter Halbleiter der III–V Gruppe, der ein hexagonaler Verbindungshalbleiter ist, wird für die grüne LD 1 verwendet. Der oben erwähnte GaN-basierte Halbleiter der III–V Gruppe wird ausgedrückt durch Al_xGa_yIn_zN mit x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z 1, aus einem aus vier Elementen gemischten Kristall.
Eine n-Typ GaN Kontaktschicht 12 (zum Beispiel Dicke 2 μm), eine n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 (Dicke nicht mehr als 1,5 μm, zum Beispiel: Dicke 1,0 μm), eine n-Typ GaN Lichtführungsschicht 14 (zum Beispiel Dicke 0,1 μm) und eine aktive InGaN Schicht (Licht emittierende Schicht) 15 sind in dieser Reihenfolge auf dem GaN Einkristallsubstrat 11 gebildet. Als nächstes wird eine p-Typ Halbleiterschicht, eine p-Typ AlGaN Elektronenblockierungsschicht 16 (zum Beispiel Dicke 20 nm), eine p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17 (zum Beispiel Dicke 0,1 μm), eine p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 (Dicke nicht mehr als 1,5 μm, zum Beispiel: Dicke 0,4 μm), und eine p-Typ GaN Kontaktschicht 19 (zum Beispiel Dicke 0,05 μm) in dieser Reihenfolge auf der aktiven Schicht 15 abgelagert.
Hier hat das GaN Einkristallsubstrat 11 eine m-Ebene als eine Hauptfläche. Eine GaN-basierte Halbleiterschicht, die ein Gruppe III-Nitridhalbleiter ist, wird durch ein Kristallwachstum auf dieser Hauptfläche abgelagert. Daher dient die m-Ebene als die Hauptfläche für ein Kristallwachstum für alle GaN-basierten Halbleiterschichten von der GaN-basierten Halbleiterschicht, die auf der m-Ebene des GaN Einkristallsubstrats 11 gewachsen ist, bis zu der p-Typ GaN Kontaktschicht 19 als der obersten Schicht.
8 ist eine Illustration, die eine Einheitszelle einer kristallinen Struktur des GaN-basierten Halbleiters zeigt. Die kristalline Struktur des GaN-basierten Halbleiters kann durch ein hexagonales System angenähert werden. Eine c-Ebene (0001) ist eine Ebene (obere Fläche einer hexagonalen Säule), deren Normale eine c-Achse ist, die sich in einer Achsenrichtung der hexagonalen Säule erstreckt. In dem GaN-basierten Halbleiter erstreckt sich eine Polarisationsrichtung entlang der c-Achse. Aus diesem Grunde zeigen eine +c-Achsenseite der c-Ebene und eine –c-Achsenseite davon unterschiedliche Eigenschaften, und deshalb wird die c-Ebene als eine polare Ebene bezeichnet. Unterdessen ist jede Seitenfläche (zylindrische Oberfläche) der hexagonalen Säule eine m-Ebene (10-10), und eine Ebene, die ein Paar von Kanten schneidet, die nicht zueinander benachbart sind, ist eine a-Ebene (11-20). Diese sind Kristallebenen, die senkrecht zu der c-Ebene stehen, und senkrecht die Polarisationsrichtung schneiden. Deswegen werden sie als eine Ebene ohne Polarität, d. h. eine nichtpolare Ebene bezeichnet.
Weil eine Hauptfläche für ein Kristallwachstum die m-Ebene, also, wie oben erwähnt, eine nichtpolare Ebene ist, wird weder ein elektrisches Feld aufgrund der spontanen Polarisation noch ein piezoelektrisches Feld basierend auf einer Gitterspannung an der Heteroverbindungsfläche erzeugt, so dass eine Reduzierung in einer Lichtemissionseffizienz vermieden wird. Entsprechend kann der Halbleiter als eine exzellente Grünlichtquelle verwendet werden, ohne dass ein starkes elektrisches Polarisationsfeld erzeugt wird, selbst wenn das Indiumverhältnis in der aktiven InGaN Schicht 15 erhöht wird, um zu verursachen, dass die Oszillationswellenlänge in dem grünen Bereich ist. Andere nichtpolare Ebenen (zum Beispiel eine a-Ebene) oder halbpolare Ebenen, zum Beispiel (10-1-1), (10-1-3) (11-22) usw. können verwendet werden, obwohl sie ein wenig Einfluss von dem elektrischen Polarisationsfeld erfahren.
Die n-Typ GaN Kontaktschicht 12 ist eine Schicht mit geringem Widerstand. Die p-Typ GaN Kontaktschicht 19 ist eine Schicht mit geringem Widerstand, um einen ohmschen Kontakt mit einer p-Elektrode 41 herzustellen. Die n-Typ GaN Kontaktschicht 12 ist eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von GaN mit einem n-Typ erhalten wird, zum Beispiel Silizium mit 3 × 10¹⁸ cm^–3. Ferner ist die p-Typ GaN Kontaktschicht 19 eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von GaN mit einer p-Typ Dotierung erhalten wird, zum Beispiel Mg mit 3 × 10¹⁹ cm^–3.
Die n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 und die p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 bringen einen Lichteinschlusseffekt mit sich, um das Licht von der aktiven Schicht 15 zwischen der n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 und der p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 einzuschließen. Die n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 ist eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von AlGaN mit einem n-Typ Dotierer Silizium von 3 × 10¹⁸ cm^–3 erhalten wird. Ferner ist die p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von AlGaN mit einem p-Typ Dotierer wie zum Beispiel Mg von 3 × 10¹⁹ cm^–3 erhalten wird. Die n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 hat eine Bandlücke, die größer ist als die der n-Typ GaN Lichtführungsschicht 14 und die p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 hat eine Bandlücke, die größer ist als die der p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17. Dadurch kann das Licht exzellent eingeschlossen werden, und eine Halbleiterlaserdiode mit einer geringen Schwelle und hoher Effizienz kann erzielt werden.
Die n-Typ GaN Lichtführungsschicht 14 und die p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17 sind Halbleiterschichten, die einen Ladungsträgereinschlusseffekt mit sich bringen, um Ladungsträger (Elektronen und Elektronenlöcher) in der aktiven Schicht 15 einzuschließen. Dadurch wird eine Effizienz einer Rekombination der Elektronen mit den Elektronenlöchern in der aktiven Schicht 15 verbessert. Die n-Typ GaN Lichtführungsschicht 14 ist eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von GaN mit einem n-Typ Dotierer wie zum Beispiel Si von 3 × 10¹⁸ cm^–3 erhalten wird. Die p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17 ist eine Halbleiterschicht, die durch Dotieren von GaN mit einem p-Typ Dotierer wie zum Beispiel Mg von 5 × 10¹⁸ cm^–3 erhalten wird.
Die p-Typ AlGaN Elektronenblockierungsschicht 16, die durch Dotieren von GaN mit einem p-Typ Dotierer wie zum Beispiel Mg von 5 × 10¹⁸ cm^–3 erhalten wird, verhindert, dass die Elektronen aus der aktiven Schicht 15 fließen und erhöht dadurch die Effizienz einer Rekombination der Elektronen mit den Elektronenlöchern.
Die aktive Schicht 15 hat eine MQW (Mehrfachquantenwall) Struktur (Mehrfachquantenwallstruktur) mit zum Beispiel InGaN. Die aktive Schicht 15 ist eine Schicht zum Verstärken von erzeugtem Licht, wobei das Licht durch eine Rekombination der Elektronen und der Elektronenlöcher erzeugt wird. Genauer wird die aktive Schicht 15 durch wiederholtes Ablagern einer InGaN Wallschicht (zum Beispiel Dicke 3 nm) und einer GaN Barrierenschicht (zum Beispiel Dicke 9 nm) abwechselnd in etwa 2 bis 7 Zyklen gebildet. In diesem Fall wird die Bandlücke verhältnismäßig klein, wenn die InGaN Wallschicht Indium von nicht weniger als 5% in dem Zusammensetzungsverhältnis aufweist, und die InGaN Wallschicht bildet eine Quantenwallschicht. Auf der anderen Seite wirkt die GaN Sperrschicht als eine Sperrschicht mit einer verhältnismäßig großen Bandlücke.
Eine Emissionswellenlänge wird angepasst, so dass die InGaN Wallschicht Indium mit einem höheren Zusammensetzungsverhältnis hat. Dadurch wird die Oszillationswellenlänge von 512 nm bis 552 nm in dem grünen Bereich erhalten. Wünschenswerterweise ist die Indiumzusammensetzung der InGaN Wallschicht zum Beispiel ungefähr 20%, und die InGaN Wallschicht ist ungefähr 30 Å. In der MQW Struktur ist die Anzahl der Quantenwälle mit Indium vorzugsweise nicht mehr als 3.
Der geschichtete p-Typ Halbleiterkörper von der p-Typ AlGaN Elektronenblockierungsschicht 16 bis zu der p-Typ GaN Kontaktschicht 19 bildet einen Kammstreifen A durch Entfernen eines Teils des geschichteten p-Typ Halbleiterkörpers durch Mesaätzen. Genauer wird ein Teil von jeder der p-Typ Kontaktschicht 19, der p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 und der p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17 durch Ätzen entfernt, um den Mesakantenstreifen A zu bilden. Dieser Kantenstreifen A ist so gebildet, dass er sich in der c-Achsenrichtung erstreckt, wie in 4 gezeigt.
Ein Paar von Endflächen (parallel zu der Papierfläche) werden durch Spaltungen auf beiden Seiten in einer Längsrichtung (c-Achsenrichtung) des Kammstreifens A parallel zueinander gebildet und sind senkrecht zu der c-Achse. Die Endflächen bilden jeweils eine c-Ebene und eine –c-Ebene. Ein Resonator ist zwischen diesen Endflächen gebildet. Das in der aktiven Schicht 15 erzeugte Licht wird durch induzierte Emission verstärkt, während es zwischen den Endflächen des Resonators hin und her läuft. Dann wird ein Teil des verstärkten Lichts aus der Endfläche des Resonators nach außerhalb des Elements als ein Laserstrahl extrahiert.
Eine n-Elektrode 42 wird zum Beispiel aus Al Metall hergestellt, und die p-Elektrode 41 wird zum Beispiel aus einem Al Metall oder einer Pd/Au Verbindung hergestellt. Die n-Elektrode 42 und die p-Elektrode 41 sind in ohmschen Kontakt mit der p-Typ Kontaktschicht 19 bzw. dem GaN Einkristallsubstrat 11. Eine Isolierschicht 40, die außen liegende Flächen der p-Typ GaN Lichtführungsschicht 17 und der p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 bedeckt, wird bereitgestellt, um zu ermöglichen, dass die p-Elektrode in Kontakt nur mit der p-Typ GaN Kontaktschicht 19 ist, die die obere Fläche der Streifenstruktur A ist (Kontaktbereich mit einer Streifenform). Das ermöglicht eine Konzentration des Stroms auf den Kammstreifen A, wodurch eine effiziente Laseroszillation ermöglicht wird. Die Isolierschicht 40 kann aus isolierenden Materialien mit einem Brechungsindex größer als 1 wie zum Beispiel SiO₂ und ZrO₂ gemacht werden.
Ferner ist die obere Fläche des Kammstreifens die m-Ebene, und die p-Elektrode 41 ist auf dieser m-Ebene gebildet. Zusätzlich ist auch eine hintere Fläche des GaN Einkristallsubstrats 11, auf der die n-Elektrode 42 gebildet ist, die m-Ebene. Weil sowohl die p-Elektrode 41 als auch die n-Elektrode 42 auf den m-Ebenen in dieser Weise gebildet sind, ist es möglich, eine verlässliche Halbleiterlaserdiode zu erhalten, die ausreichend eine höhere Ausgabe des Lasers und einen Betrieb bei einer höheren Temperatur aushalten kann.
Zum Produzieren der Halbleiterlaserdiode in 4 kann zuerst das GaN Einkristallsubstrat 11 mit der m-Ebene als einer Hauptfläche durch Ausschneiden eines GaN Einkristalls mit der c-Ebene als einer Hauptfläche produziert werden.
Die m-Ebenen des ausgeschnittenen Substrats werden zum Beispiel durch chemisch mechanische Polierbehandlung poliert. Ein Richtungsfehler der (0001) Orientierung und der der (11-20) Orientierung werden zu nicht mehr als ±1° (vorzugsweise nicht mehr als ±0,3°) eingestellt. Dadurch wird das GaN Einkristallsubstrat 11 mit der m-Ebene als einer Hauptfläche ohne Kristalldefekte wie zum Beispiel Transpositions- oder Ablagerungsdefekten erhalten. Nur Ebenenunterschiede auf einer Atomebene werden auf der Oberfläche eines solchen GaN Einkristallsubstrats 11 erzeugt.
Dann wird jede Halbleiterschicht durch metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) aufgewachsen. Wenn das Kristallwachstum durchgeführt wird, werden Materialgase als Rohmaterialien der Verbindungselemente für jede Halbleiterschicht in einer Kombination zugeführt. Wenn die jeweiligen Halbleiterschichten von der n-Typ GaN Kontaktschicht 12 bis zu der p-Typ GaN Kontaktschicht 19 auf dem GaN Einkristallsubstrat 11 gewachsen sind, wird ein V/III Verhältnis erhalten bei einem hohen Wert von nicht weniger als 1000 (vorzugsweise nicht weniger als 3000) in dem Fall eines Wachstums von jeder Schicht, wobei das V/III Verhältnis ein Verhältnis eines molaren Anteils eines Stickstoffmaterials (Ammoniak) zu einer molaren Fraktion eines Galliummaterials (Trimethylgallium) ist, das zugeführt werden muss. Genauer und vorzugsweise ist ein Durchschnittswert des V/III Verhältnis nicht weniger als 1000 in jeder Schicht von der n-Typ AlGaN Mantelschicht 13 bis zu der obersten p-Typ Kontaktschicht 19. Dadurch kann in all den Schichten der n-Typ AlGaN Mantelschicht 13, der aktiven Schicht 15, und der p-Typ AlGaN Mantelschicht 18 ein exzellenter Kristall mit weniger Punktdefekten erhalten werden.
Als nächstes zeigt 5 eine spezifische Struktur der roten LD 2. Die rote LD 2 wird als ein AlInGaP-basierter Halbleiter gebildet. Ferner wird ein Kristallwachstum jeder Halbleiterschicht durch die bekannte metallorganische Dampfphasenepitaxie (MOVPE) durchgeführt. Eine n-Typ AlGaInP Mantelschicht 23, eine AlGaInP Lichtführungsschicht 24, eine aktive MQW Schicht 25, eine AlGaInP Lichtführungsschicht 26, eine erste p-Typ AlGaInP Mantelschicht 27, eine AlGaInP Ätzstoppschicht 28, eine n-Typ AlGaInP Blockierungsschicht 31, eine zweite p-Typ AlGaAs Mantelschicht 29, eine p-Typ GaAs Kontaktschicht 30, und eine p-Elektrode 32 werden auf ein geneigtes n-Typ GaAs Substrat 22 geschichtet. Eine n-Elektrode 21 wird auf einer Rückseite des n-Typs GaAs Substrats 22 gebildet. Ein Substrat mit der Kristallorientierung, die um 10 bis 15° bezüglich der (001) geneigt ist, wird als das n-Typ GaAs Substrat 22 verwendet.
Die aktive MQW Schicht 25 ist aus drei GaInP Wallschichten und zwei undotierten (Al_0,5Ga_0,5)_0,5In_0,5P Sperrschichten hergestellt. Die n-Typ AlGaInP Mantelschicht 23 ist hergestellt aus (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P, das mit einer n-Typ Verunreinigung Si dotiert ist. Jede der AlGaInP Lichtführungsschicht 24 und der AlGaInP Lichtführungsschicht 26 ist aus undotiertem (Al_0,5Ga_0,5)_0,5In_0,5P hergestellt. Die p-Typ AlGaInP erste Mantelschicht 27 ist aus (Al_0,7Ga_0,3)_0,5In_0,5P hergestellt, das mit einer p-Typ Verunreinigung Zn dotiert ist. Die AlGaInP Ätzstoppschicht 28 ist aus einer Schicht gemacht, die durch Verwendung von drei Schichten von verzerrungsfreiem (Al_0,1Ga_0,9)_0,5In_0,5P erhalten wird, das mit einer p-Typ Verunreinigung Zn dotiert ist, und zwei Schichten von (Al_0,4Ga_0,6)_0,5In_0,5P, das mit der p-Typ Verunreinigung Zn dotiert ist, und einem abwechselnden Stapeln dieser Schichten. Die zweite p-Typ AlGaAs Mantelschicht 29 ist aus Al_0,5GaAs dotiert mit einer p-Typ Verunreinigung Zn hergestellt. Die p-Typ GaAs Kontaktschicht 30 ist aus GaAs dotiert mit einer p-Typ Verunreinigung Zn hergestellt. Die n-Typ AlGaInP Blockierungsschicht 31 ist aus (Al_0,8Ga_0,2)_0,5In_0,5P dotiert mit einer n-Typ Verunreinigung Si hergestellt. Eine aus Ti und Au hergestellte Mehrschichtmetallschicht wird als die p-Elektrode 32 verwendet, und eine Legierungsschicht aus Au, Ge, und Ni und eine aus Ti und Au hergestellte Mehrschichtmetallschicht wird als die n-Elektrode 21 verwendet.
Die aktive MQW Schicht 25 ist zwischen den AlGaInP Lichtführungsschichten 24 und 26 auf beiden Seiten der aktiven MQW Schicht 25 eingebettet. Diese Lichtführungsschichten sind gebildet, um das Licht senkrecht einzuschließen. Ein senkrechter Divergenzwinkel kann gemäß einer Zusammensetzung und einer Dicke der Lichtführungsschicht gesteuert werden. Wenn dieser Lichteinschluss in einer senkrechten Richtung geschwächt wird, dehnt sich ein Lichtfleck senkrecht aus, und der senkrechte Divergenzwinkel (Größe in einer Ablagerungsrichtung der FFP) eines emittierten Strahls wird verringert.
Die rote Halbleiterlaserdiode mit hoher Ausgabe, die in 5 gezeigt ist, hat einen Kammabschnitt B in einer Streifenform, der aus der zweiten p-Typ AlGaAs Mantelschicht 29 und der p-Typ GaAs Kontaktschicht 30 gebildet ist, und hat eine eingebettete Kammstruktur, in der beide Seiten dieses Kammabschnitts B mit der n-Typ AlGaInP Blockierungsschicht 31 bedeckt sind. Ein Strom fließt durch den Kammabschnitt B in einer Streifenform, ohne in die n-Typ AlGaInP Blockierungsschicht 31 und ihren unteren Teil zu fließen, die umgekehrt vorgespannt sind.
Wenn in dem Beispiel, in dem die grüne LD 1 und die rote LD 2 wie oben beschrieben gebildet sind, sind die n-Elektrode 42 und die n-Elektrode 21 mit der Metallverdrahtung 4 wie oben erwähnt verbunden, wenn die negative Elektrode der grünen LD 1 und die der roten LD 2 mit der Metallverdrahtung 4 auf dem Trägersubstrat 5 verbunden sind. Andererseits sind die p-Elektrode 41 und die p-Elektrode 32 mit der Metallverdrahtung 4 verbunden, wenn die positiven Elektroden mit der Metallverdrahtung 4 verbunden sind.
Weil zwei der grünen Halbleiterlaserdiode und der roten Halbleiterlaserdiode insgesamt verwendet werden und auf einem gemeinsamen Trägersubstrat wie oben beschrieben angebracht sind, kann die Laserlicht emittierende Einrichtung sehr miniaturisiert werden. Ferner hat die grüne LD 1 eine nichtpolare Ebene oder eine halbpolare Ebene als die Ebene für ein Kristallwachstum, während die grüne LD 1 aus einem GaN-basierten Halbleiter gebildet ist, anders als bei dem herkömmlichen c-Ebenenkristallwachstum. Entsprechend kann eine Polarisation in der Quantenwallschicht unterdrückt werden, die Lichtemissionseffizienz kann erhöht werden, und die grüne Wellenlänge kann oszilliert werden. Ferner ist das Problem einer Verschiebung der Emissionswellenlänge eliminiert, das durch eine Änderung des Stroms oder ähnlichem verursacht wird, so dass eine stabile Oszillationswellenlänge erreicht werden kann.
Als nächstes zeigt 2 eine laserstrahlenemittierende Einrichtung nicht nur von roter und grüner, sondern auch von blauer Farbe. Die gleichen Bezugszeichen wie die in 1 bezeichnen die gleichen Komponenten. Zusätzlich zu der Konfiguration von 1 ist eine blaue LD 3 mit der Metallverdrahtung 4 verbunden, und die Verbindungsleitung 6 ist von der blauen LD 3 zu der entgegengesetzten Seite der Metallverdrahtung 4 verdrahtet. Die blaue LD 3 ist so gebildet, dass sie eine Oszillationswellenlänge von 460 nm ± 20 nm (440 nm bis 480 nm) hat. Wie in 2 gezeigt, sind die Halbleiterlaserdioden der drei Primärfarben R, G, B vorbereitet, und auf dem Trägersubstrat 5 angebracht, das ein gemeinsamer Trägerkörper für diese Halbleiterlaserdioden ist. Entsprechend kann die ganze Laserlicht emittierende Einrichtung sehr miniaturisiert werden.
Auf der anderen Seite ist, obwohl eine spezifische Struktur der blauen LD 3 nicht verschieden von der Struktur der Halbleiterlaserdiode in 4 ist, die als die Struktur der grünen LD 1 beschrieben wurde, das Indiumzusammensetzungsverhältnis der aktiven Schicht 15 verschieden. Wünschenswerterweise ist die In-Zusammensetzung der InGaN Wallschicht der aktiven Schicht 15 ungefähr 15% und die InGaN Wallschicht ist ungefähr 30 Å. Ferner kann in dem Fall der blauen LD 3 die Hauptfläche für ein Kristallwachstum die m-Ebene für ein Wachstum sein, aber alternativ kann die Hauptfläche für ein Kristallwachstum die c-Ebene sein, weil die blaue LD 3 die In-Zusammensetzung in der aktiven Schicht 15 hat, die geringer ist als die der grünen LD 1, und einen kleineren Einfluss von einem piezoelektrischen Feld als dem in der grünen LD 1 erfährt.
3 zeigt eine ganze Struktur in einem Fall eines Packens der Laserlicht emittierenden Einrichtung, in der die jeweiligen Halbleiterlaserdioden von R, G und B auf dem Trägersubstrat 5 wie in 2 gezeigt angebracht sind (Metallverdrahtung 4 ist nicht gezeigt). 3(a) zeigt eine Zeichnung, die von der Frontfläche der Packung betrachtet ist, und 3(b) zeigt eine Zeichnung, die von der rückwärtigen Fläche der Packung beobachtet ist.
Das Trägersubstrat 5 mit den Halbleiterlaserdioden von R, G und B, die darauf angebracht sind, ist an eine Metallträgerbasis 41 befestigt, und die Trägerbasis 41 ist ferner an einen Metallständer 42 befestigt. Drei Verbindungsanschlüsse 43 sind aus einem Metall hergestellt und sind jeweils mit den Verbindungsleitungen 6, 7 und 8 verbunden. Die drei Verbindungsanschlüsse 43 sind mit unabhängigen Steuerspannungsanschlüssen verbunden. Der Laserstrahl wird wie in der Zeichnung gezeigt emittiert. Jeder Verbindungsanschluss 43 und der Metallstand 42 sind durch einen Isolator 50 isoliert, so dass sie nicht kurzgeschlossen sind. Andererseits ist die Verbindungsleitung 9, die mit der Metallverdrahtung 4 verbunden ist, elektrisch mit einem Verbindungsanschluss 44 durch die Trägerbasis 41 und den Ständer 42 verbunden.
Wie oben erwähnt, ist ein kompaktes Paketieren ermöglicht, weil die Halbleiterlaserdioden für alle Lichtquellen von R, G und B verwendet werden. Ein Durchmesser des Ständers 42 kann in einer Größe von zum Beispiel ungefähr 5,6 mm gebildet werden. Die Laserlicht emittierende Einrichtung, die wie in 3 gepackt ist, wird als eine RGB Lichtquelle zum Beispiel für Farbanzeigen benutzt.
6 zeigt ein CIE Chromatizitätsdiagramm. Wie oben erwähnt, hat die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Zentrum der Oszillationswellenlänge, das in der grünen LD 1 auf 532 nm eingestellt ist, ein Zentrum der Oszillationswellenlänge, das in der roten LD 2 auf 645 nm eingestellt ist, und ein Zentrum der Oszillationswellenlänge, das in der blauen LD 3 auf 460 nm eingestellt ist. Entsprechend kann die Laserlicht emittierende Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den Farbraum in dem CIE Chromatizitätsdiagramm weit abdecken.
Als nächstes zeigt 7 eine Laserlicht emittierende Einrichtung eines Anordnungstyps, in dem eine grüne LD, eine rote LD und eine blaue LD periodisch in einer Anordnung angeordnet sind. Eine Metallverdrahtung 52 ist auf einem Trägersubstrat 51 als einem Trägerkörper gebildet. Ein Satz der roten LD, der grünen LD und der blauen LD sind wiederholt auf der Metallverdrahtung 52 in einer Weise angebracht, dass zuerst eine rote LD 2a, eine grüne LD 1a, und eine blaue LD 3a auf der Metallverdrahtung 52 angeordnet sind, und dann eine rote LD 2b, eine grüne LD 1b, und eine blaue LD 3b angebracht sind.
Hier sind entweder die positiven Elektroden oder die negativen Elektroden in den roten LDs 2a bis 2n, den grünen LDs 2a bis 2n und den blauen LDs 2a bis 2n alle kurzgeschlossen durch die Metallverdrahtung 52. Die Metallverdrahtung 52 ist mit einer Verbindungsleitung 53 verbunden. Andererseits sind die Elektroden mit einer Polarität, die entgegengesetzt zu den mit der Metallverdrahtung 52 verbundenen Elektroden ist, mit Verbindungsleitungen 6a, 6b, ..., Verbindungsleitungen 7a, 7b, ..., und Verbindungsleitungen 8a, 8b, ... für jede Halbleiterlaserdiode verbunden. Auf diese Verbindungsleitungen gegebene Spannungen werden unabhängig gesteuert. Hier können die LDs mit der gleichen Oszillationswellenlänge gemeinsam miteinander gesteuert werden, anstatt unabhängig voneinander gesteuert zu werden.
Wie oben erwähnt kann die ganze Einrichtung auch in dem Fall des Konfigurierens der Laserlicht emittierenden Einrichtung eines Anordnungstyps miniaturisiert werden, weil die Halbleiterlaserdioden für alle Lichtquellen von RGB verwendet werden. Man bemerke, dass die Laserlicht emittierende Einrichtung eines Anordnungstyps durch vertikales Anordnen von mehreren Trägersubstraten 51 konfiguriert werden kann, auf denen die Halbleiterlaserdioden in einer Linie angeordnet sind, wie in 7 gezeigt, um so die Halbleiterlaserdioden zweidimensional anzuordnen.
Zusammenfassung
Es wird eine Laserlicht emittierende Einrichtung bereitgestellt, die Lichtquellen von mehreren Wellenlängen einschließlich einer Oszillationswellenlänge in einem grünen Bereich und ähnlichem aufweist, und die miniaturisiert werden kann. Eine Metallverdrahtung 4 ist auf einem Trägersubstrat 5 gebildet. Eine grüne LD 1 und eine rote LD 2 sind mit der Metallverdrahtung 4 verbunden. Jede der grünen LD 1 und der roten LD 2 ist ein Laserdiodenelement, das aus einem Halbleiter mit einer geschichteten Struktur gebildet ist. Eine von einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode von dem Element ist mit der Metallverdrahtung 4 verbunden, und die andere Elektrode ist mit einer Verbindungsleitung 6 oder einer Verbindungsleitung 7 verbunden. Die grüne LD 1 ist gebildet aus einer GaN-basierten Halbleiterlaserdiode mit einer nichtpolaren Ebene oder einer halbpolaren Ebene als einer Hauptfläche für ein Kristallwachstum. Die rote LD 2 ist gebildet aus einer AlInGaP-basierten Halbleiterlaserdiode.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-66818 [0003]

Claims

Laserlicht emittierende Einrichtung, gekennzeichnet durch zumindest eine GaN-basierte Halbleiterlaserdiode, die eine nichtpolare Ebene oder eine halbpolare Ebene als eine Hauptfläche für ein Kristallwachstum aufweist, und eine AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 512 nm bis 552 nm in einem grünen Bereich aufweist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 625 nm bis 665 nm in einem roten Bereich aufweist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode aus einer ersten GaN-basierten Halbleiterlaserdiode und einer zweiten GaN-basierten Halbleiterlaserdiode gebildet ist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 440 nm bis 480 nm in einem blauen Bereich und die zweite GaN-basierte Halbleiterlaserdiode eine Oszillationswellenlänge von 512 nm bis 552 nm in einem grünen Bereich aufweist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode und die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode auf einem gemeinsamen Trägerkörper angebracht sind.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus AlN hergestellt ist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode in jeder der Halbleiterlaserdioden unabhängig verdrahtet ist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder eine positive Elektrode oder eine negative Elektrode in jeder der Halbleiterlaserdioden kurzgeschlossen ist.
Laserlicht emittierende Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die GaN-basierte Halbleiterlaserdiode und die AlInGaP-basierte Halbleiterlaserdiode wiederholt in einer Anordnung angeordnet sind.