JP2013527626A - ＧａＮ端面発光レーザの高められた平坦性 - Google Patents

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Abstract

半極性ＧａＮ基板，活性領域，Ｎ側導波層，Ｐ側導波層，Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層を有する、ＧａＮ端面発光レーザが提供される。ＧａＮ基板は{２０２１}結晶成長面及びすべり面を定める。Ｎ側及びＰ側の導波層はＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む。Ｎ側及びＰ側のＳＬ導波層の超格子は導波路平坦性に対して最適化されたそれぞれの層厚を定め、層厚はほぼ１ｎｍとほぼ５ｎｍの間にある。開示の別の実施形態にしたがえば、平坦化は、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮのＳＬ導波層として設けられるかあるいはバルク導波層として設けられるかにかかわらず、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層のほぼ０.０９ｎｍ/秒をこえる成長速度での成長を保証することにより、強化することができる。また別の実施形態において、平坦化は、最適なＳＬ層厚及び成長速度を選ぶことによって強化することができる。さらに別の実施形態が開示され、特許請求される。

Description

関連出願の説明
本出願は２０１０年５月２８日に出願された米国特許出願第１２/７８９９５６号の恩典を主張する。上記特許出願の明細書の内容並びに本明細書に言及される出版物、特許及び特許文書のそれぞれの開示の全体は本明細書に参照として含められる。
本開示はＧａＮ端面発光レーザダイオードに関し、さらに詳しくはそのようなレーザの平坦性を高めるための方策に関する。
本発明の発明者等は半極性ＧａＮ基板上に成長させた長波長発光素子が高められた発光効率を示し得ることを認識した。例えば高効率緑色レーザダイオードを半極性{２０２１}ＧａＮ基板上に成長させることができ、高Ｉｎ組成であっても一様なＧａＩｎＮ量子井戸を得ることができる。発明者等は、多くの場合、そのような素子において、ＧａＮ基板上に成長させたＧａＩｎＮ及びＧａＡｌＮのヘテロエピタキシャル層で平坦性を維持することが困難であることも認識した。さらに詳しくは、半極性ＧａＮ基板上に成長させた多くの長波長発光素子について、層の内のいくつか、特に低温で成長させたＩｎ含有層はファセット形成及び不整起伏を示す。そのような不整起伏は非一様な厚さ及び／または非一様なＩｎ含有量をもつ平坦ではない量子井戸を生じ得る。得られるレーザ構造は極めて非平坦になり得るし、特に導波層及びクラッド層の非平坦性は過大な光損失をもたらし得る。量子井戸において、厚さの非一様性及びＩｎ含有量の変動は利得を低下させ、発光スペクトルを拡大させ得る。
本開示の一実施形態にしたがえば、半極性ＧａＮ基板、活性領域、Ｎ側導波層、Ｐ側導波層、Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層を有する、ＧａＮ端面発光レーザが提供される。ＧａＮ基板は{２０２１}結晶成長面及びすべり面を定める。Ｎ側導波層及びＰ側導波層はＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む。Ｎ側導波層及びＰ側導波層の超格子層は、導波路平坦性に対して最適化された、それぞれの層厚を定め、層厚はほぼ１ｎｍとほぼ５ｎｍの間にある。本開示の別の実施形態にしたがえば、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮのＳＬ導波層として設けられているかまたはバルク導波層として設けられているかにかかわらず、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層のほぼ０.０９ｎｍ/秒をこえる成長速度での成長を保証することにより、平坦性を高めることができる。また別の実施形態において、最適なＳＬ層厚及び成長速度を選択することによって平坦性を高めることができる。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
図１は本開示の一実施形態にしたがうＧａＮ端面発光レーザの略図である。図示される実施形態の変形は、別の図面をさらに参照せずに、本明細書に説明される。
初めに図１を参照すれば、半極性ＧａＮ基板１０，活性領域２０，Ｎ側導波層３０，Ｐ側導波層４０，Ｎ型クラッド層５０及びＰ型クラッド層６０を有する、ＧａＮ端面発光レーザ１００が示される。ＧａＮ基板は{２０２１}結晶成長面及びすべり面を定める。本発明を説明し、定める目的のため、ＧａＮレーザはＧａＮ基板の極性面上に成長されることが多く、このため発光に必要な電子-正孔再結合を阻害し得る強い内部電場が形成されることに注意されたい。そのような電場を排除するため、ｍ-面またはａ-面のような、非極性面を用いることができる。ＧａＮ基板は、かなり弱い内部電場を形成し、また発光波長を緑色波長まで広げることができる活性領域内の高インジウム濃度を可能にする、半極性結晶面に沿ってスライスすることもできる。本開示の特定の実施形態はＧａＮ基板の{２０２１}結晶面上の成長に関し、この場合、ＧａＮ基板は{２０２１}結晶成長面を定めるということができる。ＧａＮ基板の対応するすべり面は基板のｃ軸に向けて延びる方向に拡がる。
図示される実施形態において、Ｎ側導波層３０及びＰ側導波層４０はＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む。ＳＬ導波層の文脈において、Ｎ側及びＰ側のＳＬ導波層３０，４０の超格子層は導波路平坦性に対して最適化されたそれぞれの層厚を定め、層厚はほぼ１ｎｍとほぼ５ｎｍの間にある。また、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層３０，４０がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮのＳＬ導波層として設けられているかまたはバルク導波層として設けられているかにかかわらず、Ｎ側及びＰ側のＧａＮベース導波層３０，４０がほぼ０.０９ｎｍ/秒をこえる成長速度で成長されることを保証することによって、平坦性が高められ得ると考えられる。
図にさらに示されるように、活性領域２０がＮ側ＳＬ導波層３０とＰ側ＳＬ導波層４０の間に配置され、Ｎ側ＳＬ導波層３０及びＰ側ＳＬ導波層４０に実質的に平行に拡がる。Ｎ型クラッド層５０がＮ側導波層３０とＧａＮ基板１０の間に配置される。Ｐ型クラッド層６０がＰ側導波層４０に重ねて形成される。一般に、必須ではないが、Ｐ側ＳＬ導波層及びＮ側ＳＬ導波層のそれぞれの組成は実質的に等価である。さらに、多くの場合、Ｎ側ＳＬ導波層３０の厚さはＰ側ＳＬ導波層４０の厚さと少なくともほぼ同じであり、一般にＮ側ＳＬ導波層３０の厚さを大きくすると付随して光損失が減少する。
Ｐ側コンタクト構造７０は、ＧａＮベースレーザにおけるコンタクトの構成に妥当な従来のまたはこれから開発されるはずの教示にしたがって形成することができ、図１には簡略にしか示されていない。作製を補助するため、ＧａＮベースバッファ層１５をＧａＮ基板１０に重ねて形成することができる。さらに、阻止性能を高めるため、活性領域２０の上下の、活性領域３０とＮ側導波層３０及びＰ側導波層４０のそれぞれとの間に、電流阻止層８０を設けることができる。これらのタイプのレーザダイオードコンポーネントは、最新技術のＧａＮベースレーザ構造の文献に十分に説明されている。
技術上十分に考証されている、マシューズ-ブレイクスリー(Matthews-Blakeslee)平衡理論は、不一致転位の発生に対する歪んだヘテロエピタキシャル層の臨界厚の予測値を提供する。理論によれば、不一致転位発生による緩和は、層厚がその層のマシューズ−ブレイクスリー臨界厚をこえるとおこる。その層のこの厚さと歪の数学的積は本明細書において層の歪−厚さ積と称される。発明者等は、本開示にしたがうＧａＮベースレーザに対し、Ｎ側ＳＬ導波層３０の歪-厚さ積３０を、その歪緩和臨界値をこえるように工学的に操作できることを認識した。さらに、Ｎ型クラッド層５０の歪-厚さ積を、その歪緩和臨界値をこえるように工学的に操作できる。得られる歪緩和はＧａＮ基板のすべり面に沿う単方向性であり、ＧａＮベースレーザダイオードの性能の強化に役立ち得る。例えば、一実施形態において、Ｎ側ＳＬ導波層３０の歪-厚さ積はその歪緩和臨界値をほぼ１０％上回る。別の実施形態において、活性領域２０の歪−厚さ積はその歪緩和臨界値より小さい。また別の実施形態において、Ｎ型クラッド層５０の歪-厚さ積はその歪緩和臨界値をほぼ１０％上回る。
活性領域２０はバリア層及び単量子井戸層または複周期量子井戸層を有することができる。いずれの場合も、量子井戸層の厚さは一般にほぼ１ｎｍとほぼ５ｎｍの間にあり、バリア層の厚さはほぼ５ｎｍとほぼ３０ｎｍの間である。多くの場合、活性層２０は単ＧａＩｎＮ量子井戸層または複周期ＧａＩｎＮ量子井戸層を含む。いずれの場合も、ＧａＩｎＮ量子井戸層のＩｎ含有量は、スペクトル範囲の緑色領域における動作を強化するため、Ｎ側ＳＬ導波層のＩｎ含有量より多くなるように調整することができる。また別の考えられる実施形態において、活性領域はさらにＡｌＧａＩｎＮバリア層を含み、ＡｌＧａＩｎＮバリア層のＩｎ含有量は、Ｎ側ＳＬ導波層のＩｎ含有量より少なくなるように調整される。
Ｎ型クラッド層５０及びＰ型クラッド層６０は、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，またはＡｌＧａＩｎＮのバルク結晶、あるいは、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ/ＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ/ＡｌＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ/ＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮ，またはＡｌＧａＩｎＮ/ＡｋＧａＮのＳＬを含むことができる。
図１に示されるＧａＮ端面発光レーザ１００は、Ｎ側ＳＬ導波層３０とＮ型クラッド層５０の間に配置されたＮ型ＧａＮ遷移層５５，及びＰ側ＳＬ導波層４０とＰ型クラッド層６０の間に配置されたＰ型ＧａＮ遷移層６５を有するが、これらの層は素子の構造または動作に肝要ではなく、省略され得ることに注意すべきである。
本発明を説明し、定める目的のため、ＧａＮレーザダイオードへの本明細書における言及は、レーザダイオード構造がＧａＮ基板上に成長されることを意味するととられるべきであることに注意されたい。ＧａＮ基板への本明細書における言及は、基板が高純度ＧａＮから作製されることを意味するととられるべきである。
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定すること、あるいは、ある特徴が、特許請求される本発明の構造または機能に必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味するために用いられているのではないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示のある実施形態の特定の態様を識別すること、あるいは、本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない、代わりのまたは追加の特徴を強調することが意図されているに過ぎない。
本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」及び「ほぼ」は、いずれかの定量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の固有の大きさを表すために本明細書で用いられることに注意されたい。また本明細書において語句「実質的に」及び「ほぼ」は、定量的表現が、とりあげられている主題の基本機能に変化を生じさせずに、言明された基準から変わり得る度合いを表すためにも用いられる。
本開示の主題を詳細に、また本開示の特定の実施形態を参照することで、説明したが、本明細書に開示される様々な詳細が、本明細書に添付される図面のそれぞれに特定の要素が示される場合であっても、本開示に説明される様々な実施形態の基本コンポーネントである要素にそのような詳細が関係することを意味するととられるべきではないことに注意されたい。むしろ、本明細書に添付される特許請求の範囲は本開示の広さ及び、対応する、本明細書に説明される様々な発明の範囲の唯一の表現としてとられるべきである。さらに、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとして識別されるが、本開示はそのような態様に限定される必要はないと考えられる。
添付される特許請求項の１つ以上が「〜を特徴とする(wherein)」を転換句として用いていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる無制約の転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる無制約の前置句「含む」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
１０ 半極性ＧａＮ基板
１５ バッファ層
２０ 活性領域
３０ Ｎ側導波層
４０ Ｐ側導波層
５０ Ｎ型クラッド層
５５ Ｎ型ＧａＮ遷移層
６０ Ｐ型クラッド層
６５ Ｐ型ＧａＮ遷移層
７０ Ｐ側コンタクト構造
８０ 電流阻止層
１００ ＧａＮ端面発光レーザ

Claims (8)

  1. 半極性ＧａＮ基板、活性領域、Ｎ側導波層、Ｐ側導波層、Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層を有するＧａＮ端面発光レーザにおいて、
    前記ＧａＮ基板が{２０２１}結晶成長面及びすべり面を定める、
    前記Ｎ側導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む、
    前記Ｐ側導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む、
    前記Ｎ側ＳＬ導波層及び前記Ｐ側ＳＬ導波層の前記超格子層が導波路平坦性に対して最適化されたそれぞれの層厚を定め、前記層厚は１ｎｍと５ｎｍの間にある、
    前記活性領域が、前記Ｎ側ＳＬ導波層と前記Ｐ側ＳＬ導波層の間に配置され、前記Ｎ側ＳＬ導波層及び前記Ｐ側ＳＬ導波層に実質的に平行に拡がる、
    前記Ｎ型クラッド層が前記Ｎ側導波層と前記ＧａＮ基板の間に配置される、
    前記Ｐ型クラッド層が前記Ｐ側導波層に重ねて形成される、及び
    得られる歪緩和が前記ＧａＮ基板の前記すべり面に沿う単方向性であるように、前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪-厚さ積が前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪緩和臨界値をこえ、前記Ｎ型クラッド層の歪-厚さ積が前記Ｎ型クラッド層の歪緩和臨界値をこえる、
    ことを特徴とするＧａＮ端面発光レーザ。
  2. 半極性ＧａＮ基板、活性領域、Ｎ側導波層、Ｐ側導波層、Ｎ型クラッド層及びＰ型クラッド層を有するＧａＮ端面発光レーザを作製する方法において、
    前記ＧａＮ基板が{２０２１}結晶成長面及びすべり面を定める、
    前記Ｎ側導波層がＧａＮベースの超格子(ＳＬ)導波層またはバルク導波層を含む、
    前記Ｐ側導波層がＧａＮベースの超格子(ＳＬ)導波層またはバルク導波層を含む、
    前記活性領域が、前記Ｎ側ＳＬ導波層と前記Ｐ側ＳＬ導波層の間に配置され、前記Ｎ側ＳＬ導波層及び前記Ｐ側ＳＬ導波層に実質的に平行に拡がる、
    前記Ｎ型クラッド層が前記Ｎ側導波層と前記ＧａＮ基板の間に配置される、
    前記Ｐ型クラッド層が前記Ｐ側導波層に重ねて形成される、
    得られる歪緩和が前記ＧａＮ基板の前記すべり面に沿う単方向性であるように、前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪-厚さ積が前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪緩和臨界値をこえ、前記Ｎ型クラッド層の歪-厚さ積が前記Ｎ型クラッド層の歪緩和臨界値をこえる、及び
    前記Ｎ側ＧａＮベース導波層及び前記Ｐ側ＧａＮベース導波層を、導波路平坦性を最適化するため、０.０９ｎｍ/秒をこえる成長速度で成長させる、
    ことを特徴とするＧａＮ端面発光レーザを作製する方法。
  3. 前記Ｎ側ＧａＮベース導波層及び前記Ｐ側ＧａＮベース導波層を成長させる成長速度が０.０９５ｎｍ/秒であるかまたは０.０９ｎｍ/秒と０.１０ｎｍ/秒の間にあることを特徴とする請求項２に記載のＧａＮ端面発光レーザを作製する方法。
  4. 請求項２に記載のＧａＮ端面発光レーザを作製する方法において、
    前記Ｎ側導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む、
    前記Ｐ側導波層がＧａＩｎＮ/ＧａＮまたはＧａＩｎＮ/ＧａＩｎＮの超格子(ＳＬ)導波層を含む、及び
    前記Ｎ側ＳＬ導波層側及び前記Ｐ側ＳＬ導波層の前記超格子層を導波路平坦性に対して最適化されたそれぞれの層厚を定めるように成長させ、前記層厚は１ｎｍと５ｎｍの間にある、
    ことを特徴とするＧａＮ端面発光レーザを作製する方法。
  5. 前記Ｐ側ＳＬ導波層及び前記Ｎ側ＳＬ導波層のそれぞれの組成が実質的に等価である、及び
    前記Ｎ側ＳＬ導波層の厚さが前記Ｐ側ＳＬ導波層の厚さと少なくともほぼ同じである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
  6. 前記活性領域の歪-厚さ積が前記活性領域の歪緩和臨界値より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
  7. 前記活性領域が単ＧａＩｎＮ量子井戸あるいは複周期ＧａＩｎＮ量子井戸を含み、前記ＧａＩｎＮ量子井戸のＩｎ含有量が前記Ｎ側ＳＬ導波層のＩｎ含有量より多い、及び
    前記活性領域がＡｌＧａＩｎＮバリア層をさらに含み、前記ＡｌＧａＩｎＮバリア層のＩｎ含有量が前記Ｎ側ＳＬ導波層のＩｎ含有量より少ない、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
  8. (ａ)前記Ｎ型クラッド層の歪-厚さ積が前記Ｎ型クラッド層の歪緩和臨界値を１０％上回る、または
    (ｂ)前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪-厚さ積が前記Ｎ側ＳＬ導波層の歪緩和臨界値を１０％上回る、
    の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
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