JP2006173621A

JP2006173621A - 半導体レーザ

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Publication number: JP2006173621A
Application number: JP2005360412A
Authority: JP
Inventors: Michael A Kneissl; アークナイスルミハエル
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-06-29
Also published as: EP1672757A3; EP1672757A2; EP1672757B1; US20060126688A1; US7751455B2

Abstract

【課題】光学モードを閉じ込める方法、又は材料を改善したレーザダイオードを提供する。
【解決手段】新規な窒化インジウムガリウムレーザダイオードを記載する。レーザは、導波路層（１３２、１４０）、及び／又はクラッド層（１２８、１３６）において、インジウムを用いる。ＩｎＧａＮ導波路層、又はクラッド層は、非常に小さい損失で光閉じ込めを促進することがわかった。さらに、ＩｎＧａＮ導波路層、又はクラッド層の利用は、導波路層と活性領域１１６との間の格子不整合を減少させるため、活性領域のエピ層の構造整合性を高めることもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザダイオードに関する。

本願は、２００４年１２月１４日出願の米国特許仮出願６０／６３６２０５の優先権を主張する。

レーザダイオードは、レーザ印刷、光学データストレージ、及び光ファイバ通信のような、多くの適用分野で用いられる。レーザダイオード構造は、一般的に、中心導波路／量子井戸「活性」領域を有し、上方、及び下方のクラッド層によりその中心領域が挟まれている。その活性領域、又は「コア」は、多重量子井戸構造を含み、レイジング（lasing）が生じる、高光学ゲイン領域を構成する。コアの上の上方クラッド層、及び、コアの下の下方クラッド層は、コアの屈折率よりも低い屈折率を有する。クラッド層の低い屈折率は、コア内の光学モードを含む導波路効果を形成する。導かれた光学モードは、活性領域に沿って伝播し、レーザ構造から放出するレーザ光線を作り出す。

活性領域における横光学モードを制限するように屈折率の差を生じさせる１つの方法は、窒化ガリウム（ＧａＮ）導波路層、及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）クラッド層を用いることである。従来のＩＩＩ−Ｖ族窒化物レーザは、しばしば、短周期ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層、又は、マグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＡｌＧａＮバルク層を、上方のクラッド層として用いる。しかしながら、ＧａＮと窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との間の大きな格子不整合は、ＡｌＧａＮクラッド層の最大の厚さ、及び合金組成を制限する。合金組成が制限されると、クラッド層と活性領域との間の屈折率の差が大きくならない。屈折率の差が減少すると、光閉じ込めに対して不都合な影響を及ぼす。

光学モードを導くことに加えて、クラッド層設計の第二の目的は、レーザ構造を通る電流の流れを促進することである。レーザを通る電流の流れを促進するために、クラッド層には、一般的に、不純物をドープする。ＡｌＧａＮ合金クラッド層のｐ型ドープには、しばしば、マグネシウムを用いる。しかしながら、高正孔濃度を達成することは難しい。なぜなら、ＡｌＧａＮ合金のＡｌＮモル分率を増加させると、Ｍｇアクセプタのイオン化エネルギーが増加するからである。低正孔濃度は、高いデバイス抵抗、及び、デバイス動作中のジュール熱の増加を招く。

クラッド層からアルミニウムを除去することは、ＭｇとＡｌとの競合を防ぐ。しかしながら、アルミニウムの除去は、ＧａＮ：Ｍｇクラッド構造を生じさせる。ＧａＮ：Ｍｇクラッド構造は、光学モードの閉じ込めが弱く、電気接点として機能するｐ側金属層への横光学モードの侵入を可能にする。ｐ側金属の吸収損失は、たとえ厚さ７００ｎｍのＧａＮ：Ｍｇクラッド層を有するレーザ構造であっても、１センチメートル当たり１００より大きいことが期待される。このような、高いモード損失は、従来のレーザの分配損失を著しく上回り、レーザの閾値電流の増加を導く。非常に高いモード損失は、レーザの動作を止める可能性がある。関連技術として、以下に示す特許文献がある。

米国特許出願公開第２００４／０１８４４９６号明細書米国特許出願公開第２００４／０１８４４９７号明細書

従って、光学モードを閉じ込める方法、又は材料を改善する必要がある。

窒化インジウムガリウム半導体レーザを記載する。窒化インジウムガリウムレーザは、２個の面を有する活性領域を含む。２個の面のうち少なくとも１個の面は、インジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層に隣接する。

インジウムをクラッド層又は導波路層に加えると、導波路と多重量子井戸の活性領域との間の格子不整合が減少する。インジウムを導波路層に加えると、活性領域の電気閉じ込め、及び／又は、光閉じ込めが強化することにもなる。

青色、又は緑色波長のスペクトルを発する、改良された多重量子井戸レーザを説明する。記載する構造は、少なくとも１個のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層、又はインジウムを含むクラッド層を有する。

ＩｎＧａＮ導波路は、特に、より長い波長のレーザに適している。なぜなら、青色、及び緑色波長レーザの量子井戸の活性領域は、一般的に、高いインジウム含有量を有するからである。本発明に係る設計は、特に、１５％を超えるインジウム含有率を有する量子井戸構造に適している。波長約４６０ｎｍの光を発する青色半導体レーザは、一般的に、量子井戸中に約２０％のインジウム濃度を有する。波長約５２０ｎｍの光を発する緑色半導体レーザは、一般的に、量子井戸中に約３０％のインジウム濃度を有する（図９参照）。

図１は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸リッジガイド（multiple quantum well ridge guide）レーザダイオード１００の一例を示す。構造１００は、ｎ型ドープ層１０４を含む。層１０４は、例えば、シリコンをドープした窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｓｉ）であって、基板１０８を覆って形成される。シリコンをドープした窒化ガリウム層の厚さは、１から２０ミクロン（μｍ）の範囲であり、一般的に、５ミクロンである。基板１０８は、一般的に、ウルツ鉱型（wurtzite）結晶構造を有する物質である。一般的な基板の例は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び窒化ガリウム（ＧａＮ）を、他の材料と共に含む。ｎ側電極１１２は、電気接点を提供する（例えば、チタン−アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）、又はチタン−金（Ｔｉ／Ａｕ））。

レーザダイオードのレイジング部分は、ＩｎＧａＮ単一、又は多重量子井戸の活性領域１１６を有する。活性領域１１６は、一般的に、ＧａＮ又はＩｎＧａＮのバリア層によって分離された、複数のＩｎＧａＮ量子井戸を有する。各量子井戸の厚さは、一般的に、２ｎｍから１０ｎｍの間である。隣り合う量子井戸を分離するバリア層の厚さは、一般的に、２ｎｍから３０ｎｍの間である。量子井戸中の一般的なインジウム含有量は、紫色波長４００ｎｍのレーザが約１０％、青色波長４６０ｎｍのレーザが約２０％、及び緑色波長５２０ｎｍのレーザが約３０％である。しかし、インジウム含有量は様々な値を取り得る。当然、さらに多くのインジウムを量子井戸に含めることもできる。それによって、さらに長い波長光（９０４）を発生させることができる。図９は、軸９０８にプロットした量子井戸中のインジウムのモル分率の関数として、軸９０４に沿ったおおよそのレーザ波長出力を示す曲線のグラフである。図９は、ウー他（Wu et al）、「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied physics Letters）」、２００２年、８０巻、ｐ．４７４１からの転載である。

マグネシウムをドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）電流閉じ込め層１１７が、単一、又は多重の量子井戸活性領域１１６の上に形成される。ｐ型ドープ窒化アルミニウムガリウム電流閉じ込め層１１７のアルミニウムモル分率は、波長４００ｎｍ付近の光を発する紫色レーザダイオードについては、一般的に、１０から３０％の範囲である。本実施例のｐ型ドープ窒化アルミニウムガリウム電流閉じ込め層の厚さは、通常、５ｎｍから５０ｎｍの範囲であり、一般的に、約２０ｎｍである。

光閉じ込め層１２０及び１２４は、活性領域１１６の両側にある。閉じ込め層１２０は、ｎ型ドープクラッド層１２８と、ｎ型ドープ導波路層１３２と、を含む。従来技術におけるある例において、ｎ型ドープクラッド層１２８は、シリコンをドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｓｉ）を含み、一方、ｎ型ドープ導波路層１３２は、ｎ型ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｓｉ）を含むことがあり得る。ｎ型ドープ窒化アルミニウムガリウムクラッド層１２８のアルミニウムのモル分率は、波長４００ｎｍ付近の光を発する紫色レーザダイオードについては、一般的に、５から１５％の範囲である。本例のクラッド層１２８の厚さは、一般的に、５００ｎｍから２０００ｎｍの範囲であり、一般的に、約１０００ｎｍである。ｎ型ドープ窒化ガリウム導波路層１３２の厚さは、通常、５０ｎｍから２００ｎｍの範囲であり、しばしば、約１００ｎｍである。

反対側の光閉じ込め層１２４は、一般的に、ｐ型ドープされる。閉じ込め層１２４は、ｐ型ドープクラッド層１３６と、ｐ型ドープ導波路層１４０と、を含む。従来技術において、ｐ型ドープクラッド層１３６は、しばしば、マグネシウムをドープした窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）を含み、一方、ｐ型ドープ導波路層１４０は、ｐ型ドープ窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｍｇ）を含むことがあり得る。ｐ型ドープ窒化アルミニウムガリウムクラッド層１３６のアルミニウムのモル分率は、波長４００ｎｍ付近の光を発する紫色レーザダイオードについては、一般的に、５から１５％の範囲である。本例のクラッド層１３６の厚さは、一般的に、５００ｎｍから２０００ｎｍの範囲であり、一般的に、約５００ｎｍである。本例の導波路層１４０の厚さは、一般的に５０ｎｍから２００ｎｍであり、一般的に、約８０ｎｍである。

電極１４４が、閉じ込め層１２４の上に形成される。電極１４４の構造は、閉じ込め層１２４のドーピング構造と矛盾のないようにしなければならない。ｐ側電極１４４の材質の一例は、ｐ型ドープ窒化ガリウム接点層１４８の上に形成されたＮｉ／Ａｕ二重層である。

動作中、ｎ側電極１１２及びｐ側電極１４４に、電圧が印加される。ｐ型ドープ閉じ込め層１２４を通して正孔が注入され、ｎ型ドープ閉じ込め層１２０を通して電子が注入される。電子及び正孔は、活性領域で結合し、高コヒーレントなレーザ光を生成する。生成されたレーザ光は、レーザダイオード表面の領域１５２から放射される。

光閉じ込め層１２０、１２４は、光信号を、主に活性領域１１６に閉じ込める。最も高い屈折率の材料から活性領域１１６を、より低い屈折率の材料から導波路層１３２、１４０を、及び、最も低い屈折率の材料からクラッド層１２８、１３６を形成することで、光閉じ込めは実現される。（ＭｇドープＡｌＧａＮ電流閉じ込め層のような、介在する電流閉じ込め層は、一般的に、より低い屈折率を有し、活性領域に近い。そのような電流閉じ込め層は、横光学モードをゆがめるため、光閉じ込めの観点からすると、望ましいものではない。しかしながら、このような層は、電子閉じ込めのためには有用である。幸運なことに、電流閉じ込め層は非常に薄いため、レーザにおける横光学モードの変形は、比較的小さい。）概して、隣接する材質間（例えば、活性領域１１６、導波路層１３２、及びクラッド層１２８）の、より大きい屈折率の差は、優れた光閉じ込めを実現する。

図１０、及び図１１は、異なる波長と、アルミニウム及びインジウムの含有量と、に対する、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＧａＮ材料の屈折率を示すグラフである。このデータは、ローズ他（Laws et al.）、「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）」、２００１年、８９巻、ｐ．１１０８、及び、サンフォード他（Sanford et al.）、「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied Physics）」、２００３年、９４巻、ｐ．２９８０から得たデータである。

図２は、異なる材料の光閉じ込め層から得られる閉じ込め率を示す表である。図２の計算では、ｐ側金属電極１４４の吸収のみを考慮し、レーザ構造内の他のすべての層は、無損失であると仮定している。この表では、図１に示すレーザ構造に基づく４００ｎｍ（紫色）レーザ出力も仮定している。

図２の行２０４は、厚さ５００ｎｍのｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝８％）クラッド層を用いる、従来の構造における、一般的な損失を表す。従来の構造において、３量子井戸デバイスの量子井戸１個当たりの閉じ込め率は約１．０１％である。レーザ構造の損失は、１センチメートル当たり、約２である。しかしながら、背景技術において説明したとおり、クラッドのアルミニウム濃度がより高くなると、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ内のＭｇアクセプタのイオン化エネルギーが増加し、かなりの直列抵抗、及びデバイス加熱を生じることになる。その上、ＧａＮ上に形成されるＡｌＧａＮ層は、引っ張り応力にさらされるので、アルミニウムの最大含有量、及びこれらの層の厚さが制限される。

引っ張り応力を受けるＡｌＧａＮによるひび割れ、及び抵抗の増加を防ぐために、行２０８、２１２、２１６は、アルミニウムを含まないＧａＮ：Ｍｇクラッド構造を用いた光閉じ込めを示す。行２０８は、より厚い（７００ｎｍ）クラッドの効果を示し、行２１２は、より薄い（３５０ｎｍ）クラッドを用いた結果を示す。どちらの厚さにおいても、それでも、アルミニウムを含む従来のクラッド構造よりも、かなり大きな損失を生じる。行２１６は、行２０８の、より厚い７００ｎｍのクラッドを、より長い波長（４６０ｎｍ）の青色レーザと用いた場合には、結果が改善されることを示す。行２１６において、より長い波長がレーザの損失特性を改善するにもかかわらず、それでもやはり、損失は、従来レーザの損失よりもかなり大きく、レーザの動作を非常に損なうのに十分である。

光閉じ込め層においてアルミニウムを避ける１つの方法は、インジウムで代用することである。青色、及び緑色波長インジウムレーザは、一般的に、活性領域において、高いインジウム濃度を有する。青色４６０ｎｍレーザでは、一般的な量子井戸インジウム濃度は、約２０％であり、緑色５２０ｎｍレーザでは、約３０％である。図１の導波路層１３２、１４０の少なくとも１層を、量子井戸のインジウム濃度よりも低いインジウム濃度の合金とすることで、図２に示す光閉じ込め率の結果が、かなり改善される可能性がある。

図３から７は、少なくとも１層の光閉じ込め層に窒化インジウムガリウムを含む、異なるＩｎＧａＮレーザの実施例の正面断面図を示す。特に、図３から７は、積層レーザのヘテロ構造（heterostructure）の正面図を示す。これらのヘテロ構造は、図１の従来の積層へテロ構造領域の代用になり得る。図３から図５は、導波路層の変形を示し、図６及び図７は、クラッド層の変形を示す。図８は、図３から図７に示す実施例における、光閉じ込め率、及び損失特性を示す。

図３は、ｎ型ドープＧａＮ層３０１及び、基板３０２の上に形成された、非対称積層ＩｎＧａＮ構造３００の実施例を示す。レーザ構造３００は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸の活性領域３０４を含み、活性領域は４６０ｎｍで青色レーザ光を出力する。活性領域３０４は、例えば、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層のような、１個又は複数のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸を含む。Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎバリア層は、隣り合う量子井戸を分離する。下方の光閉じ込め層３０８、及び上方の光閉じ込め層３１２は、活性領域３０４の、２個の面を挟む。

図３は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物レーザデバイスの断面構造の実施例を示す。層構造３００は、有機金属気相成長法（metal organic chemical vapor deposition、MOCVD）、又は、分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy、MBE）、又は、ハイドライド気相成長法（hydride vapor phase epitaxy、HVPE）を用いて製造することができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物レーザデバイス３００は、例えば、ｃ面（０００１）、ａ面（１１２０）、又はｒ面（０１１２）方位のサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板３０２上に形成される。基板３０２上には、連続した半導体層が配置される。他の基板材料の例は、炭化シリコン（例えば、６Ｈ−ＳｉＣ又は４Ｈ−ＳｉＣ）、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ₄、又はシリコンを含む。

様々な実施例において、基板ウェーハ３０２は、標準的な仕様であり、片方の面にエピタキシャル研磨加工（epitaxial polish）を有し、一般的な厚さは約０．２５ｍｍから１ｍｍである。窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、及び窒化インジウムガリウム層を形成する間の基板温度は、一般的に、約５００℃から約１２００℃の間である。加えて、反応炉の圧力は、約４０トル（Torr）から約１５００トルの間に制御することができる。ＭＯＣＶＤ形成の有機金属化合物の前駆体、例えば、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、が、ＩＩＩ族要素として用いられる。アンモニア（ＮＨ₃）は、適切な窒素源の例である。水素、及び／又は、窒素は有機金属化合物の前駆体ガスのための搬送ガスとして用いることができる。ｎ型ドーピングに対しては、１００ｐｐｍＳｉＨ₄がＨ２に希釈される。ｎ型ドーパント（dopant）の例は、Ｓｉ、Ｏ、Ｓｅ、及びＴｅを含む。しかし、これらの例に限定されない。ｐ型ドーピングに対しては、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。ｐ型ドーパントの例は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃ、及びＢｅを含む。しかし、これらの例に限定されない。

サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、又はシリコン基板の場合、一般的に、低温核形成層３１１が、最初に配置される。核形成層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＮで製造でき、一般的に、厚さ１０から３０ｎｍであり、温度４００℃から８００℃で形成される。サファイア、又はＳｉＣ上に、高温のＡｌＮ、又はＡｌＧａＮ核形成層を形成することも可能である。一般的に、ＡｌＮ、又はＡｌＧａＮ核形成層は、厚さ１００から１０００ｎｍであり、温度１０００℃から１３００℃で形成される。ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮ基板上のホモエピタキシャル形成は、通常、そのような核形成層を用いず、形成は直接、層３０１で始められる。

第一のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１は、基板３０２上、又は基板３０２を覆って形成される。第一のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１は、ｎ型ＧａＮ、又はＩｎＧａＮシリコンドープされたバッファ層である。現在の例においては、バッファ層が、電流拡散層として機能する。様々な実施例において、第一のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１は、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のｎドーピング濃度を有する。より一般的に、ドーピング濃度は、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。このような実施例においては、第一のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１は、約１ミクロンから約１０ミクロンの厚さを有する。

第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２０は、第一のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１上、又はＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３０１を覆って形成される。第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２０は、第一のクラッド層３２０として機能する。様々な実施例において、第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２０は、シリコンドープされた、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層である。クラッド層３２０の屈折率は、一般的に、導波路層３１６（導波路）として機能する第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層の屈折率よりも小さい。様々な実施例において、ＡｌＧａＮクラッド層３２０のアルミニウム含有量は、約０％から約１６％である。ＡｌＧａＮクラッド層３２０は、一般的に、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のｎドーピング濃度を有する。様々な実施例において、ドーピング濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２０は、約０．２ミクロンから約２ミクロンの間の厚さを有する。

第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３１６は、第一の導波路層３１６として機能する。導波路層３１６は、第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物クラッド層３２０上に、又は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物クラッド層３２０を覆って、形成される。様々な実施例において、第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６は、ｎ型ＩｎＧａＮ：Ｓｉ層である。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６の屈折率が、第二のＩＩＩ−Ｖ族窒化物クラッド層３２０の屈折率よりも大きく、活性領域３０４内の窒化インジウムガリウム量子井戸の屈折率よりも小さくなるように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６のインジウム含有量は、選択される。様々な実施例において、導波路層３１６のインジウム含有量は、約５％から約１５％であり、約１０％である実施例の場合もある。様々な実施例において、第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６の厚さは、約５０ｎｍから約２００ｎｍの範囲であり、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3のｎドーピング濃度を有する。様々な実施例において、第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６のドーピング濃度は、約１×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

量子井戸活性層３０４は、第三のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６上、又は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波路層３１６を覆って、形成される。様々な実施例において、量子井戸活性層３０４は、単一、又は多重窒化インジウムガリウム量子井戸を用いて形成される。様々な実施例において、量子井戸は約１０Åから約２００Åの厚さを有する可能性がある。窒化インジウムガリウム量子井戸は、一般的に、非ドープである。しかしながら、いくつかの代替の実施例において、窒化インジウムガリウム量子井戸は、Ｓｉドープされるか、又は部分的にＳｉドープされる。ドープされる場合、一般的なＳｉドーピング濃度は、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3の間である。ある実施例において、Ｓｉドーピング濃度の一例は、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。一般的に、窒化インジウムガリウム量子井戸３０４の組成は、量子井戸のバンドギャップエネルギーが、導波路層３１６と、クラッド層３２８及び３２０と、のバンドギャップエネルギーよりも小さくなるように選択されることが理解される。量子井戸の実際のインジウム含有量は、様々な値を取り得るし、目的の出力波長に依存する。量子井戸活性領域３０４の、ある実施例では、例えば、４６０ｎｍで発光するレーザは、インジウム含有量約２０％を有するＩｎＧａＮ量子井戸を含む。５２０ｎｍで発行するレーザの量子井戸活性領域３０４の他の実施例においては、インジウム含有量約３０％を有するＩｎＧａＮ量子井戸を含む可能性がある。

ＧａＮ、又はＩｎＧａＮバリア層は、ＩｎＧａＮ量子井戸を分離する。図１３は、バリア層、及び隣り合うＩｎＧａＮ量子井戸の拡大図を示す。隣り合う量子井戸１３１２、１３１６、１３２０を分離するバリア層１３０４、１３０８は、一般的に、厚さ２ｎｍから３０ｎｍの間である。バリアのインジウム含有量は、一般的に、青色４６０ｎｍレーザでは、０から１０％の間、５２０ｎｍの緑色レーザでは、０から２０％の間である可能性があるけれども、様々な値を取り得る。窒化インジウムガリウムバリア層は、一般的に、非ドープである。しかしながら、いくつかの実施例においては、窒化インジウムガリウムバリアは、Ｓｉドープされるか、部分的にＳｉドープされる。ドープされる場合、一般的なＳｉドーピング濃度は、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3の間である。様々な実施例においては、Ｓｉドーピング濃度は、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２４が、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域３０４上に、又は、ＭＱＷ活性領域３０４を覆って、形成される。第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２４は、第二の導波路層３２４として機能する。ある実施例において、第二の導波路層は窒化アルミニウムガリウムを含む。様々な実施例において、第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二導波路層３２４は、マグネシウムドープされた窒化ガリウム、又は窒化インジウムガリウム材料である。そのような実施例においては、第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二導波路層３２４の屈折率が、窒化インジウムガリウム量子井戸活性領域３０４の屈折率よりも小さくなるように、インジウム含有量が選択される。様々な実施例において、第四のＩＩＩ−Ｖ族（Ｉｎ）ＧａＮ第二導波路層３２４のインジウム含有量は、約０％から約１５％の間であり、いくつかの実施例においては、一般的に、約０％である。様々な実施例において、第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二導波路層３２４の厚さは、約５０から約２００ｎｍの範囲であり、第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二導波路層３２４は、約１０¹⁶から約１０²⁰ｃｍ^-3の間のｐドーピング濃度を有する。様々な実施例において、Ｍｇドーピング濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２８は、第四のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二導波路層３２４上に、又は、導波路層３２４を覆って、形成される。第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２８は、第二のクラッド層３２８として機能する。様々な実施例において、第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二クラッド層３２８は、ｐ型窒化ガリウムクラッド層である。様々な実施例において、第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二クラッド層３２８は、一般的に、約２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲の厚さを有する。様々な実施例において、第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二クラッド層３２８は、Ｍｇドープされた窒化ガリウムを用いて形成され得る。様々な実施例において、第五のクラッド層３２８は、約１０¹⁶から約１０²¹ｃｍ^-3の間のＭｇドーピング濃度を有する。様々な実施例において、一般的なドーピング濃度は約５×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

図３の例において、最後の第六のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２９が、第五のＩＩＩ−Ｖ族窒化物第二クラッド層３２８上に、又はクラッド層３２８を覆って、形成される。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２９は、高Ｍｇドープ窒化ガリウム層３２９であって、ｐ型半導体層と、金属電極接点との間の接点抵抗を低くする。様々な実施例において、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２９接点層は、約２ｎｍから約２００ｎｍの厚さを有する。最後の低抵抗接点層３２９は、約１０¹⁶から約１０²¹ｃｍ^-3の間のＭｇドーピング濃度を有する。一般的に、様々な実施例において、Ｍｇドーピング濃度は約１×１０²⁰ｃｍ^-3である。

最後のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層３２９の上には、オームｐ側金属電極３３２が、接点層３２９を覆って形成される。様々な実施例において、ｐ側金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル金合金Ｎｉ／Ａｌ、パラジウム／チタン／金合金（Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｕ）、又は、白金／チタン／金合金（Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ）を用いて形成することができる。これらの金属は、熱蒸発、電子ビーム蒸発、又はスパッタリングによって形成される。ｐ側金属接点に対し、その後、接点抵抗を減少させるために、焼きなましを行うことがある。例えば、セ氏５００度から６００度の温度で、一般的に３から２０分の間、窒素、酸素、又は乾燥空気中において焼きなましを行う。

ｎ側金属電極は、横側に形成してもよい（図１の層１１２参照）。又は、基板が電気伝導性を有する場合、ｎ側金属電極は、基板の裏面に形成してもよい（図３参照）。図３では、ｎ側電極金属層３３３は、伝導性基板の裏面に形成される。様々な実施例において、ｎ側金属層３３３は、熱蒸発、電子ビーム蒸発、又はスパッタ（sputter）法によって形成される。ｎ側金属接点は、チタン／アルミニウム（Ｔｉ／Ａｌ）、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）、チタン／アルミニウム／白金／金（Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ）、又は、チタン／アルミニウム／モリブデン／金（Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ）の合金で形成できる。ｎ側金属接点に対して、接点抵抗を減少させるために、焼きなましを行うことがある。例えば、セ氏５００度から６００度の温度で、一般的に３から２０分の間、窒素、酸素、又は乾燥空気中において焼きなましを行う。

下方の光閉じ込め層３０８は、下方導波路層３１６、及び下方クラッド層３２０を含む。下方導波路層３１６は、インジウムを含み、そのインジウム濃度は活性領域３０４の量子井戸よりも低い。例えば、下方導波路層３１６の組成では、１０パーセントのインジウム濃度を有し、下方導波路層３１６は、シリコンでｎ型ドープされ、厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ：Ｓｉ層を形成する。下方導波路層３１６は、下方クラッド層３２０を覆って形成される。ある実施例において、下方クラッド層３２０は、厚さ１０００ｎｍのシリコンドープされたＡｌＧａＮ層、例えば、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ：Ｓｉ、から形成され得る。

上方光閉じ込め層３１２は、ｐ型ドープされた構造、例えば、マグネシウムドープされた構造、によって形成される。上方光閉じ込め層３１２は、一般的に、上方導波路層３２４、及び、上方クラッド層３２８を含む。ある実施例において、上方導波路層３２４は、厚さ１００ｎｍのＧａＮ：Ｍｇ層を含む。厚さ約５００ｎｍのＧａＮ：Ｍｇクラッド層３２８は、上方クラッド層３２８を覆って形成される。

レーザの動作中、ｐ側金属電極３３２から、光閉じ込め層に、電流が流れる。電流は、活性領域３０４におけるレイジングを誘発する。ｎ型ドープされた導波路層３１６の異なる導波路組成と、ｐ型ドープされた上方導波路層３２４とが、非対称レーザ構造を生成する。

図８の行８０４は、レーザ構造３００の、横モード光閉じ込め率を示す。図８のすべてのデータは、Ｎｉ／Ａｕｐ側金属接点、及び４６０ｎｍ青色レーザ出力における吸収から、すべてのモード損失が生じることを仮定している。レーザ内の他のすべての層は、近似的に無損失と仮定している。これらの近似を用いて、行８０４は、量子井戸１個当たり１．２７％の閉じ込め率と、１センチメートル当たり２の損失と、を示す。これは、図１に記載するレーザへテロ構造と比較して、非常に良い結果である。

図４は、レーザ構造３００に電流ブロック層４０４を加えて形成した、レーザ構造４００を示す。電流ブロック層は、活性領域の電気的閉じ込めを改善する。図４において、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ：Ｍｇ層は、電流ブロック層４０４として機能する。電流ブロック層、又は、「トンネルバリア層」は、薄く、一般的に、１０から２０ｎｍのオーダーの厚さである。図８の行８０８は、１．２３％の光閉じ込め率と、１センチメートル当たり２のモード損失を示す。行８０８のパラメータは、行８０４のパラメータと大きな違いはなく、薄い電流ブロック層の光学的効果をほとんど無視できることを確認できる。図４の電流閉じ込め層４０４は、より低い、又は、より高いアルミニウム含有量を有することもできる。

図５は、非対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造３００を、対称構造に変更した構造を示す。ここでの「非対称」及び「対称」の用語は、下方、及び、上方のＩｎＧａＮ導波路層の合金組成について言及する。対称構造の場合、上方、及び、下方のＩｎＧａＮ導波路層のインジウムのモル分率は、本質的に等しい。非対称構造とは、上方、及び下方のＩｎＧａＮ導波路層のインジウムのモル分率が本質的に異なる場合を言う。例えば、非対称構造は、ＧａＮ導波路層を活性領域の片方の面に備え、ＩｎＧａＮ導波路層を活性領域のもう一方の面に備えることができる。

図５では、図３の上方のＧａＮ：Ｍｇ導波路層３２４を、下方の導波路層３１６と同様の窒化インジウムガリウム合金に置き換えている。特に、図５は、上方導波路層５０８が１０パーセントのインジウムを含むことを示す。上方導波路５０８は、マグネシウムでｐ型ドープされ、厚さ１００ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ：Ｍｇ層を形成する。上方クラッド層５１２は、上方導波路５０８を覆って形成される。

活性領域５０４を対称な導波路で包囲することは、対称横モード出力特性を改善する。図８の行８１２は、対称構造５００の、光閉じ込め、及び損失を示す。行８１２は、対称ＩｎＧａＮレーザ構造５００に対して、１個の量子井戸当たり１．４３％の閉じ込め率を示し、損失が１センチメートル当たり１未満に減少することを示す。構造５００の製造を困難にする１つの点は、ＧａＮクラッド層５１２と、上方導波路層５０８との間に生じる格子不整合である。

図６及び７は、格子不整合を減少させるための、対称ＩｎＧａＮレーザ構造５００に対する、クラッドの変更を示す。図６は、１０００ｎｍのＧａＮ：Ｓｉクラッド層６１２を覆って、活性領域６０４、及び、下方導波路６０８を形成することを示す。５００ｎｍの上方クラッド層６１６は、１００ｎｍの上方導波路５０８を覆って形成される。上方クラッド層６１６は、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ：Ｍｇのような、マグネシウムドープされたＡｌＧａＮ層によって形成され得る。アルミニウムを除去し、下方クラッド層６１２においてＧａＮ：Ｓｉを用いることは、下方導波路６０８、及びクラッド層６１２の間の格子不整合を減少させる。格子不整合の減少は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸のエピ層の構造的品質を改善する。

図８の行８１６は、構造６００の閉じ込め率、及び損失を示す。１．４２％の閉じ込め率、及び、１センチメートル当たり１未満の損失は、図５のレーザ構造５００の性能に実質的に匹敵する。従って、改善された構造的品質は、非常にわずかな閉じ込め率の減少のみをもたらす。しかしながら、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ上方クラッド層６１６を、Ｎｉ／Ａｕ接点６２４のようなｐ側金属電極に隣接して設置することは、望ましくない高抵抗率を生じる。高抵抗率層は、レーザ動作電圧を高くし、過度の熱が発生する。

図７のレーザ構造７００は、図５における下方クラッド層３２０、及びＧａＮ：Ｓｉ伝導層３０１の両方を変更する。図７において、厚さ１０００ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ：Ｓｉ下方クラッド層７０８は、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ：Ｓｉ伝導バッファ層７１２を覆って形成される。下方クラッド層７０８の材質を、バッファ伝導層７１２の材質と整合させることは、格子不整合をさらに減少させ、ＩｎＧａＮ多重量子井戸の構造的品質を改善する。

図８の行８２０は、図７のレーザ構造７００の、光閉じ込め、及び損失を示す。１個の量子井戸当たり１．０８％の光閉じ込め率は、図５のレーザ構造５００、及び図６のレーザ構造６００の光閉じ込め率の閉じ込め率よりも、わずかに低い。しかしながら、いくつかの実施例において、改善された格子整合の結果による、改善された伝導性、及び改善された構造的特性は、より低い閉じ込め率を克服する。

前述のとおり、図８に示す閉じ込め率は、４６０ｎｍ青色レーザ構造を仮定した、異なる装置に対する、Ｎｉ／Ａｕｐ側金属接点における吸収による、閉じ込め率、及びモード損失である。図８の計算は青色レーザに対して提供されるけれども、構造は青色レーザに限定するべきではない。実際、閉じ込め率、及び損失パラメータは、緑色レーザに対して改善する。緑色レーザの活性領域は、一般的に、青色レーザの活性領域よりも高いインジウム含有量を有する。緑色レーザの活性領域のインジウム含有量がより高くなると、活性領域と、インジウムを含む隣接する光閉じ込め層との間の屈折率の差は、より大きくなる。屈折率の差がより大きくなると、光閉じ込めは改善される。

図１２は、５２０ｎｍで発光する緑色レーザ構造１２００の例を示す。このようなレーザ構造の基板１２０４としては、（０００１）ＺｎＯを用いる可能性がある。ＺｎＯは、ウルツ鉱型結晶構造を有し、ガリウム、又はアルミニウムを基板にドープすることで、電気伝導性を有することもできる。ＺｎＯ基板は商業的に利用可能である。ＺｎＯとＧａＮとの間の格子不整合は非常に小さく（＋１．８％）、窒化ガリウム合金にインジウムを加えることで、さらにゼロ近くまで減少させることができる。インジウムモル分率１８％のＩｎＧａＮ膜は、近似的にＺｎＯ格子に格子整合されるだろう。これが、図１２において、１０００ｎｍのＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ：Ｓｉクラッド層１２０８に対して、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ：Ｓｉ組成を選択できる理由である。厚さ１２０ｎｍの非ドープ下方Ｉｎ_0.24Ｇａ_0.76Ｎ導波路層１２１２は、ＩｎＧａＮ：Ｓｉクラッド層１２０８を覆って形成される。活性領域１２１６は、５個の厚さ２．５ｎｍのＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ量子井戸を含む。前記量子井戸は、５２０ｎｍ付近の発光のため、厚さ６ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリアによって、包囲、及び、分離される。厚さ１２０ｎｍの非ドープ、上方Ｉｎ_0.24Ｇａ_0.76Ｎ導波路層１２２０は、活性領域を覆って形成される。厚さ２０ｎｍのＭｇドープされたＧａＮ電流閉じ込め層１２２４は、上方導波路層１２２０上に形成される。厚さ６００ｎｍのＭｇドープされたＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎクラッド層１２２８は、電流閉じ込め層１２２４の上に形成される。クラッド層１２２８は、厚さ１０ｎｍの高濃度でＭｇドープされたＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎ接点層１２３２によって覆われる。図１２は、ｐ側電極１２３６、及びｎ側電極１２４０が、図１２に示し、上述したレーザヘテロ構造の上面及び底面に配置されることを示す。

このレーザへテロ構造の格子整合の利点の一例は、クラッド層、及び導波路層が、かなり良く基板と格子整合され、エピタキシャル形成中に欠損が発生する危険性を減少させることである。図示した構造１２００は、特に、緑色、又はより長い波長のレーザ構造に適している。なぜなら、緑色、又はより長い波長のレーザヘテロ構造の好ましいインジウム組成は、ＩｎＧａＮ合金の、ＺｎＯのような基板に対する格子整合の最適なインジウム組成の範囲と、近似的に整合するからである。アルミニウムの欠如によって、これらの層をより低い温度（例えば、セ氏５００から９００度）で形成することができ、インジウムの取り込みを促進するのに有益である。このレーザ構造における、横モード光閉じ込め率、及びモード損失を計算すると、１個の量子井戸当たり０．５６％の閉じ込め率、及び１センチメートル当たり１．２の損失が求められる。導波路層、クラッド層、及び活性領域の間の屈折率の差がより小さいことと、量子井戸がより薄いことと、が原因で、光閉じ込め率は、より低い。それにもかかわらず、量子井戸の数を５個に増やすことは、構造の光閉じ込め率の減少を補償し、やはり十分なモードゲインを実現する。

記載された様々な実施例においては、様々な層の組成の例、レーザ出力波長の例、層の厚さの例、及び、その他多数の詳細を含む、多くの詳細を説明した。これらの詳細の説明は、実施の例を示し、発明の理解を容易にするためになされたことが理解されなければならない。これらの詳細は、本発明の範囲を限定するものではない。

窒化インジウムガリウムリッジ導波路レーザダイオードの例を示す斜視図である。４００ｎｍ（紫色）レーザの異なる構造による、横モード閉じ込め係数、及びモード損失を示す表である。非対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造の実施例を示す正面断面図である。電流ブロック層、又は「トンネルバリア層」を有する、非対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造を示す正面断面図である。対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造の実施例を示す正面断面図である。ＧａＮ：Ｓｉクラッド層を有する、対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造の実施例を示す正面断面図である。インジウムを含むクラッド層を有する、対称積層ＩｎＧａＮレーザ構造の実施例を示す正面断面図である。図３から７の構造を用いた青色レーザの横モード光閉じ込め係数を示す表である。レーザ活性領域におけるＩｎｘＧａ１−ｘＮバンドギャップ（及び、レーザ波長出力）をインジウムモル分率ｘに対する関数で示すグラフである。ＧａＮ、及びＩｎｘＧａ１−ｘＮの屈折率を波長の関数で示すグラフである。ＧａＮ、及びＡｌｘＧａ１−ｘＮの屈折率を波長の関数で示すグラフである。導電性基板上の緑色レーザのヘテロ構造の実施例を示す断面図である。青色レーザの活性領域を示す拡大図であって、個々の量子井戸のバリア層による分離を示す。

符号の説明

１００構造、１０４ｎ型ドープ層、１０８基板、１１２ｎ側電極、１１６活性領域、１１７電流閉じ込め層、１２０，１２４光閉じ込め層、１２８ｎ型ドープクラッド層、１３２ｎ型ドープ導波路層、１３６ｐ型ドープクラッド層、１４０ｐ型ドープ導波路層、１４４ｐ側電極、１４８ｐ型ドープ窒化ガリウム接点層、３０１ｎ型ドープＧａＮ層、３０２基板、３０４活性領域、３０８下方光閉じ込め層、３１２上方光閉じ込め層、３１６導波路層、３２０ＡｌＧａＮクラッド層、３２４導波路層、３２８クラッド層、３２９接点層、３３２ｐ側金属電極層、３３３ｎ側金属電極層、４００レーザ構造、４０４電流ブロック層、５００対称ＩｎＧａＮレーザ構造、５０４活性領域、５０８上方導波路層、５１２上方クラッド層、６００レーザ構造、６０４活性領域、６０８下方導波路、６１２下方クラッド層、６１６上方クラッド層、７００レーザ構造、７０８下方クラッド層、７１２バッファ伝導層、９０４及び９０８軸、１２００緑色レーザ構造、１２０４基板、１２０８クラッド層、１２１２下方導波路層、１２１６活性領域、１２２０上方導波路層、１２２４電流閉じ込め層、１２２８クラッド層、１２３２接点層、１２３６ｐ側電極、１２４０ｎ側電極、１３０４，１３０８バリア層、１３１２，１３１６，１３２０量子井戸。

Claims

半導体レーザであって、
インジウム、ガリウム、及び窒化物を含有する少なくとも１個の量子井戸を有する活性領域であって、第一面及び第二面を有する前記活性領域と、
前記第一面に隣接する第一導波路層であって、インジウム、ガリウム、及び窒化物を有する前記第一導波路層と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
窒化インジウムガリウム半導体レーザであって、
多重量子井戸を有する活性領域と、
前記活性領域の第一面上の、第一の光閉じ込め領域と、
前記活性領域の第二面上の、第二の光閉じ込め領域と、を備え、
前記第一の光閉じ込め領域と、前記第二の光閉じ込め領域と、の少なくとも一方が、インジウム、ガリウム、及び窒化物を有することを特徴とする窒化インジウムガリウム半導体レーザ。
窒化インジウムガリウム半導体レーザであって、
窒化インジウムガリウム多重量子井戸を含む活性領域と、
前記活性領域の第一面上の、第一の窒化インジウムガリウム導波路層と、
前記活性領域の第二面上の、第二の窒化インジウムガリウム導波路層と、
前記第一の導波路層に隣接する第一の窒化インジウムガリウムクラッド層と、
前記第二の導波路層に隣接する第二の窒化インジウムガリウムクラッド層と、
を備えることを特徴とする窒化インジウムガリウム半導体レーザ。