JP2013528948A - 不一致転位が活性領域から駆逐されているＧａＮベースレーザダイオード - Google Patents

不一致転位が活性領域から駆逐されているＧａＮベースレーザダイオード Download PDF

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Abstract

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ベース端面発光レーザが提供される。ＧａＮ基板はほぼ１×１０６/ｃｍ２のオーダーの貫通転位密度を特徴とする。Ｎ側導波層の歪-厚さ積はその歪緩和臨界値をこえる。さらに、緩和されたＮ側導波層３０上の成長について計算された活性領域２０の累積歪-厚さ積はその歪緩和臨界値より小さい。この結果、Ｎ型クラッド層５０とＮ側導波層３０の間のＮ側界面７０は一群のＮ側不一致転位７５を含み、Ｐ型クラッド層６０とＰ側導波層４０の間のＰ側界面８０は一群のＰ側不一致転位８５を含む。

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１２/７８９９３６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ベースレーザダイオードに関し、特にＧａＮベースレーザダイオードの発光効率向上に関する。
ＧａＮベースレーザは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。そのような電場を排除するため、ｍ-面及び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。
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は一般にＧａＮとＩｎＮまたはＧａＮとＡｌＮの間の大きな格子不整合による有意な機械的応力を受けるであろうことも認識した。さらに詳しくは、ヘテロエピタキシャル層の成長中に不一致歪エネルギーが蓄積し、層厚がその層の歪緩和臨界値をこえると、不一致転位発生による塑性変形が生じ得る。半極性ＧａＮ基板上に歪層が成長したときに発生する、これらの不一致転位は非発光再結合のためのサイトになることができ、不一致転位が活性領域内または活性領域の近傍にできると、レーザ性能を低下させ得る。本開示の主題にしたがえば、不一致転位が活性領域から遠く離れて生じるように、ＧａＮベースレーザダイオードが構成される。
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ベース端面発光レーザが提供される。ＧａＮ基板はほぼ１×１０６/ｃｍ２のオーダーの貫通転位密度を特徴とする。Ｎ側導波層の歪-厚さ積はＮ側導波層の歪緩和臨界値をこえる。さらに、緩和されたＮ側導波層上の成長について計算された活性領域の累積歪-厚さ積は活性領域の歪緩和臨界値より小さい。この結果、Ｎ型クラッド層とＮ側導波層の間のＮ側界面は一群のＮ側不一致転位を有し、Ｐ型クラッド層とＰ側導波層の間のＰ側界面は一群のＰ側不一致転位を有する。他にも実施形態が開示され、特許請求される。
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端面発光レーザを示す。 図２は図１に示されるＧａＮ端面発光レーザ構造の多くの考えられる異形の内の１つを示す。
図１及び２を一括して参照すれば、本開示にしたがうＧａＮ端面発光レーザ１００，１００'は、半極性ＧａＮ基板１０，バッファ層１５，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。(２０２１)または他の半極性結晶成長面を定めることができる、ＧａＮ基板１０は、ほぼ１×１０６/ｃｍ２のオーダーの、すなわち１×１０５/ｃｍ２よりは高いが１×１０７/ｃｍ２よりは低い、貫通転位密度を特徴とする。図１及び２に示されるように、活性領域２０はＮ側導波層３０とＰ側導波層４０の間に配置され、Ｎ側導波層３０及びＰ側導波層４０と実質的に平行に拡がる。Ｎ型クラッド層５０は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はＰ側導波層４０に重ねて形成される。
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。
限定ではなく例証として、図１及び２を参照すれば、本開示にしたがうＧａＮ端面発光レーザ１００，１００'については、Ｎ側導波層３０の歪−厚さ積が歪緩和臨界値を、例であって限定としてではなく、ほぼ１０％上回る。この結果、Ｎ型クラッド層５０とＮ側導波層３０の間の、Ｎ側界面層７０を含めることができる、Ｎ側界面は一群のＮ側不一致転位７５を有するであろう。さらに、活性領域２０のそれぞれの層の歪−厚さ積及び活性領域２０全体の累積歪−厚さ積、すなわち、レーザ１００，１００'の活性領域２０全体内のそれぞれの層に対する歪−厚さ積の総和は歪緩和臨界値より小さい。活性領域に対し、臨界厚は、緩和されたＮ側導波層上に活性領域が成長されると仮定して、計算されるべきである。
Ｐ側導波層４０はＮ側導波層３０の平均格子定数に近い平均格子定数を有する。この結果、活性領域２０及びＰ側導波層４０の成長中、歪がさらに蓄積されることはなく、したがって歪緩和がさらにおこることはない。おそらく、Ｐ側導波路４０は複雑な構造を有し得る。例えば、特定のＩｎ濃度を有するバルク単ＩｎＧａＮ層でＰ側導波層を作成する必要はないであろう。そのような場合、Ｐ側導波層４０は、緩和されたＮ側導波層上への成長について計算された、Ｐ側導波層４０及び活性領域２０のいずれの累積歪−厚さ積も、それぞれの歪緩和臨界値より小さくなるように成長させることができると考えられる。
しかし、Ｐ型クラッド層６０には、Ｐ側導波層４０上に成長させるときに、歪が入り得る。上述したＮ側界面の場合と同様に、Ｐ型クラッド層６０とＰ側導波層４０の間のＰ側界面層８０を含み得る、Ｐ側界面は一群のＰ側不一致転位８５を有するであろう。得られるＧａＮベースレーザ構造は活性領域２０から比較的遠くにおかれた不一致転位しか含んでいない。
本開示の主題は主に図１及び２に示されるＧａＮ端面発光レーザ１００，１００'の構造の文脈において論じられるが、本開示の概念は本開示のＧａＮ端面発光レーザの作成方法にも同様に適用できると考えられる。例えば、図１及び２に示されるように、Ｎ側不一致転位７５はＮ型クラッド層に近接しているＮ側界面層７０の側に形成されることが多い。同様に、Ｐ側界面層８０は、Ｐ型クラッド層６０との境界をなす界面層８０の側にＰ側不一致転位８５が生じるに十分に薄くなるように、構成することができる。
Ｎ側界面層７０及びＰ側界面層８０には半極性ＧａＮベースレーザに適合するいずれののタイプの成長層も含めることができる。例えば、界面層７０，８０には対応する下層の上に、下層を平滑化し、成長中に引き続く成長層の材料への遷移をより容易にするために成長させた遷移層を含めることができる。さらに詳しくは、考えられる一実施形態において、Ｎ側界面層７０は圧縮下のＮ型ＧａＮ遷移層を含み、層７０はＮ側界面層７０の歪-厚さ積が歪緩和臨界値より小さくなるように設計される。同様に、Ｐ側界面層８０はＰ型ＧａＮ遷移層を含むことができる。
図１及び２において、本開示の教示を補完するために様々な従来のまたはこれから開発されるはずの活性領域が考えられるが、活性領域２０は、圧縮歪がかかる量子井戸及び引張バリア層を含む、図１及び２には反復層としてしか示されておらず、明解さを保つために比例尺では描かれていない、単周期または複周期の量子井戸を有することができる。一実施形態において、活性領域２０はＧａＩｎＮ量子井戸層及びＡｌＧａＩｎＮバリア層を含む単周期または複周期の量子井戸構造を有する。この場合、Ｎ側導波層３０はＧａＩｎＮ導波層として構成することができ、ＧａＩｎＮ量子井戸層のＩｎ含有量はＮ側ＧａＩｎＮ導波層３０のＩｎ含有量より多くなるように調整することができ、ＡｌＧａＩｎＮバリア層のＩｎ含有量はＮ側ＧａＩｎＮ導波層３０のＩｎ含有量より少ない。例えば、一実施形態において、活性領域のＩｎ含有量はほぼ２０％より多い。
いかなる場合にも、圧縮歪がかかる量子井戸層及び引張バリア層のそれぞれの歪-厚さ積はそれぞれの層の歪緩和臨界値より小さいことが好ましいであろうと考えられる。多くの場合に、量子井戸層の圧縮性歪-厚さ積はバリア層の引張歪-厚さ積とほぼ等価であること保証することが好ましいであろう。活性領域２０，Ｎ側導波層３０及びＰ側導波層４０を、レーザ構造の残りの領域に対して、高められた格子整合度を特徴とする実質的にコヒーレントな格子定数領域を定めるように選ぶことができるとも考えられる。
一般に、Ｐ側導波路４０及びＮ側導波路３０のそれぞれの組成は、緩和状態において−少なくとも緩和がおこる方向において−相互に比較的近い結晶格子周期を有するように選ばれる。必須ではないが、Ｎ側導波層３０はＰ側導波層４０と少なくとも同じ程度の厚さであることが多い。ただし、本開示で考えられる導波路構造においてはＮ側導波層３０が厚いほど低い損失を得るに役立つことが多いという了解の下で、Ｎ側導波層３０をＰ側導波層４０より厚くまたは薄くすることができる。図示されるように、Ｐ側導波層４０は一般に、例えばＧａＩｎＮの、バルク導波路構造を有する。対照的に、Ｎ側導波層３０は、ＧａＩｎＮのバルク導波層(図２を見よ)または超格子導波層(図１を見よ)を有することができる。いずれの場合にも、それぞれの導波層３０，４０がほぼ等しいＩｎ濃度を特徴とすることを保証することが多くの場合に好ましい。
Ｎ型クラッド層５０及びＰ型クラッド層６０は、図２に簡略に示されるように、ＧａＮ，ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮのバルク結晶、あるいは、Ｐ型クラッド層に関して、ＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＮ/ＧａＮの超格子を含むことができる。クラッド層５０及び６０におけるＡｌの使用はクラッド層の屈折率を低下させ、これは光閉込めの向上に役立つ。Ｐ型クラッド層６０及び／またはＮ型クラッド層５０がＡｌを含む場合、それぞれの層の歪-厚さ積がそれぞれの緩和臨界値を、限定ではなく例として、少なくともほぼ１０％上回ることを保証することが一般に有利であろう。
図１に示される本開示の実施形態において、ＧａＮ端面発光レーザ１００は、活性領域の上下の、活性領域２０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９０を有する。一般には、活性領域２０の上だけに阻止層９０を設けることで十分であろう。いずれの場合にも、阻止層９０にはＡｌＧａＮ電流阻止層を含めることができる。これらの阻止層９０は引張歪の下にあることが多く、多くの場合、それぞれの阻止層９０が対応する歪緩和臨界値より小さい歪-厚さ積を特徴とすることを保証することが有利であろう。
上述したように、(阻止層９０及びＮ側導波層とＰ側導波層の間の追加の層を含む)活性領域の歪-厚さ積は緩和を避けるに十分に小さくするべきである。さらに、この領域内のそれぞれの層は緩和しないように十分に薄くすべきである。
ＧａＮベースレーザは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。そのような電場を排除するため、ｍ-面及び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Ｉｎ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。
いくつかの基板方位については、上述した緩和がＧａＮ基板の単方向すべり面に沿ってしかおこらないことに注意すべきである。他の方向における緩和に対しては無すべり面を利用することができる。しかし、一方向の緩和であっても歪エネルギーを低減するに役立ち、よって品質がより高い歪層を得るに役立つ。不一致転位は界面に閉じ込められ、界面上方の層を貫通し得る転位がさらに形成されることはない。解放され得る歪は基板の本来の貫通転位によって限定される。例えば、本来１０６/ｃｍ２の貫通転位があり、すべり面方向の基板寸法が１ｃｍであるとすれば、最大不一致転位密度は１０６/ｃｍであり、これは１０ｎｍの間隔を意味し、ほぼ２％の歪解放に相当する。基板本来の貫通転位密度が高くなるほど、２％より多い歪の緩和が可能になり得るが、そのような基板上に成長させた素子は品質が劣り、信頼性が劣るようである。例えば、１０７/ｃｍ２のオーダーの貫通転位密度はより大きい歪緩和を提供するであろうが、得られる素子は品質及び信頼性が劣っているであろう。
上述したように、ＧａＮ基板１０は(２０２１)結晶成長面を定めることができ、さらにすべり面を定めることができる。この場合、歪緩和はＧａＮ基板１０のすべり面に沿う単方向性であることが好ましく、これは一般にｃ軸に向けて延びる方向にある。上述したように、ＧａＮ基板１０は一般に１０６/ｃｍ２のオーダーの貫通転位密度を特徴とし、これはＮ型クラッド層とＮ側導波層の間の界面層における不一致転位の形成を促進するに十分である。さらに厳密には、ほぼ１０６/ｃｍ２より低い貫通転位密度は上述した不一致転位形成を促進するに十分であることが多いであろうと考えられる。
本発明を説明し、定める目的のため、ＧａＮベース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から作成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、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、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、手の得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つないしさらに多くが「〜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
６０ Ｐ型クラッド層
７０ Ｎ側界面層
７５，８５ 不一致転位
８０ Ｐ側界面層
９０ 電流阻止層
１００，１００' 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ベース端面発光レーザにおいて、
    前記ＧａＮ基板が１×１０６/ｃｍ２以下の貫通転位密度を特徴とする、
    前記活性層が前記Ｎ側導波層と前記Ｐ側導波層の間に配置され、前記Ｎ側導波層及び前記Ｐ側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、
    前記Ｎ側導波層の歪-厚さ積が前記Ｎ側導波層の歪緩和臨界値をこえる、
    緩和されたＮ側導波層上の成長について計算された前記活性領域の累積歪-厚さ積が前記活性領域の歪緩和臨界値より小さい、
    前記Ｎ型クラッド層と前記Ｎ側導波層の間のＮ側界面が一群のＮ側不一致転位を含む、
    前記Ｐ型クラッド層と前記Ｐ側導波層の間のＰ側界面が一群のＰ側不一致転位を含む、及び
    前記ＧａＮ基板の前記貫通転位密度が前記Ｎ型クラッド層と前記Ｎ側導波層の間の前記界面における前記不一致転位の形成を促進するに十分である、
    ことを特徴とするＧａＮ端面発光レーザ。
  2. 前記ＧａＮ基板が、
    (ａ)すべり面を定め、歪緩和は前記ＧａＮ基板の前記すべり面に沿う単方向性である、及び
    (ｂ)(ｉ)(２０２１)結晶成長面または(ii)半極性結晶面の内の１つを定める、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
  3. (ａ)前記活性領域が、圧縮歪がかかる量子井戸層及び引張バリア層を含む単周期または複周期の量子井戸を有し、前記圧縮歪がかかる量子井戸層及び前記引張バリア層のそれぞれの歪-厚さ積が前記それぞれの層の歪緩和臨界値より小さい、または
    (ｂ)前記活性領域が、圧縮歪-厚さ積を特徴とする圧縮歪がかかる量子井戸層及び引張歪-厚さ積を特徴とする引張バリア層を含む単周期または複周期の量子井戸を有し、前記量子井戸層の前記圧縮歪-厚さ積が前記バリア層の前記引張歪-厚さ積とほぼ等価である、
    の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。
  4. 前記活性領域がＧａＩｎＮ量子井戸層及びＡｌＧａＩｎＮバリア層を含む単周期または複周期の量子井戸を有する、
    前記Ｎ側導波層がＧａＩｎＮ導波層を含む、
    前記ＧａＩｎＮ量子井戸層のＩｎ含有量が前記Ｎ側ＧａＩｎＮ導波層のＩｎ含有量より多い、及び
    前記ＡｌＧａＩｎＮバリア層のＩｎ含有量が前記Ｎ側ＧａＩｎＮ導波層の前記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。
  5. 前記Ｐ型クラッド層及び前記Ｎ型クラッド層がＡｌを含む、
    前記Ｐ型クラッド層の歪-厚さ積が前記Ｐ型クラッド層の歪緩和臨界値をこえる、
    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型クラッド層の前記歪-厚さ積が前記Ｎ型クラッド層の歪緩和臨界値を少なくともほぼ１０％上回る、
    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Ｎ側界面が圧縮下にあるＮ型ＧａＮ遷移層を含む、
    前記Ｎ側界面層の歪-厚さ積が前記Ｎ側界面層の歪緩和臨界値より小さい、及び
    前記Ｎ側不一致転位が前記Ｎ型ＧａＮ遷移層の前記Ｎ型クラッド層に近接する側に配される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ端面発光レーザ。
  7. 前記Ｐ側界面がＰ型ＧａＮ遷移層を含み、前記Ｐ型ＧａＮ遷移層が、前記Ｐ型ＧａＮ遷移層の前記Ｐ型クラッド層との界面を形成する側に配される前記Ｐ側不一致転位を生じるに十分に薄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. 前記活性領域が１つないしさらに多くの電流阻止層を有する、及び
    緩和されたＮ側導波層上の成長について計算された前記阻止層の歪−厚さ積が前記阻止層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。
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