TW201220628A - Group III nitride-based green-laser diodes and waveguide structures thereof - Google Patents

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201220628 六、發明說明： 【交互參照之相關申請案】 本申請案根據專利法主張西元20 10年9月20日申請 之美國專利申請案第12/885,951號的優先權權益。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體雷射，且更特定言之，本發明係 關於發射綠光的三族氮化物系雷射二極體和該雷射二極 體的波導結構。 【先前技術】 雷射二極體期結合高光束缚與低内部光損失以達成 高插座效率（WPE)。插座效率為常見的價值指標，插座 效率定義為雷射二極體輸出之光功率與輸入雷射二極體 :電功率的比率。光功率輸出可能因如内部光損失而滴 >，例如因裝置層的光子吸收或裝置層内的電流載子所 致。兼具低内部光損失與高輸出光損失的結構可達成高 WP<E °但⑤輸出光損失需要高光增益。若光材料增益夭 ^又限於選用材料，則需有大光束缚因子來增加光增益. 仍持續存在綠光雷射二極體構造需求，該構造可產生 :内部光損失、高光增益、⑯串聯電阻且在作用區㈣ 較少的錯合缺陷。特別地’仍不斷需要測定最佳材料 層結構和層結構内的摻質分佈，以提高插座效率。 201220628 【發明内容】 根據所述實施例的三族氮化物系雷射二極體包含由η 型摻雜之氮化鎵（鋁、銦）（（Al, In)GaN)組成的η側披 覆層、由η型摻雜之氮化銦鎵（鋁）（（Al)InGaN )組成的 η側波導層、作用區、由p型摻雜之（Al)inGa]sr組成的p 側波導層、以及由P型摻雜之（Al，In)GaN組成的p側披 覆層。 作用區置於η側披覆層與p側披覆層之間，作用區並 實質平行η側披覆層與ρ側彼覆層延伸^作用區包含一 或更多InGaN量子井，InGaN量子井配置以電激發激射 光子’使作用區以510奈米（nm)至580nm的雷射波長 產生光增益。η侧波導層置於作用區與n側披覆層之間。 η側波導層的n側波導層厚度為lnm至3〇〇nr^ p側波導 層置於作用區與P側彼覆層之間。 P側波導層的p側波導層受體濃度低於3χ1〇17/立方公 分（cm·3)，ρ侧波導層厚度小於1〇〇nm，如此ρ侧波導 層厚度小於η侧波導層厚度❶p侧披覆層包含第一厚度 部分和第二厚度部分，第一厚度部分置於第二厚度部分 與Ρ側波導層之間。 根據—實施例，ρ側彼覆層的第一厚度部分的第一部 分厚度為20nm至200mn，第一部分受體濃度低於 3xl〇17cnr3。ρ側披覆層的第二厚度部分的第二部分受體 201220628 濃度高於3χ1〇Ά本文尚描述附加實施例。 本發明的這些和其他特徵、態樣與優點在參照實施方 式說明、後附申請專利範圍和附圖後，將變得更清楚易 - 懂0 【實施方式】 本發明的特徵與優點現將配合參照特定實施例說明。 ，本發明可以不同形式體現，且不應解釋成侷限於所述 貫施例反之，這些實施例乃提供讓本文變得更徹底完 整，並充分向熟諳此技術者傳達本發明的範圍。 在此，裝置或裝置層相關的「三族氮化物系」一詞係 指裝置或裝置層t作在三族元素氮化物的基板上。三族 元素氮化物材料包括二元氮化鎵、如氮化銘鎵（规叫 與氮化麵鎵（inGaN)之三元合金、和如氮化紹姻嫁 (AlInGaN )之四元合金，但不以此為限。 表示各種三族氮化物的化學式中的括號代表選擇性元 素，而括號外的元素視為特定合金所必需。例如，標記 為（Al)InGaN相當於包含InGaN的合金，其中鋁（更特

疋s之為A1N)為選擇性。故「（A1)InGaN」等同「InGaN 或AlInGaN」。同樣地，標記為（A1，In)GaN相當於包含

GaN的合金，其中鋁（如A1N)和銦（如inN)係選擇 陡〇 金元素故（Al，In)GaN」等同「GaN、AlGaN、InGaN 或 AlInGaN」。 201220628 未進一步限定組成或化學計量時，如AmaN或 AlInGaN之化學式應理解成涵蓋整個可用組成範圍，猶 如分別寫成AlxGai-xN或AlxInyGai χ祁的化學式其中 〇<x<l，（Xyq ’ x+y<卜同樣地，（Ai)inGaN應理解成等 同 AlxInyGai-x_yN，其中 〇<χ<1，〇<y<i，x+y<i。化學式 ⑷，In)GaN應理解成等同AUnyGai ”ν，其中 〇々<1，x + y<l ^從這些組成範圍可知，對應選擇性元素 的下標數值各自可包括零’必要元素的數值則無零的可 能性。依通式（如A1GaN&(A1，In)GaN)或範圍化學式 (如AixGnt AlxInyGaixyN)表示的任何特定層可 為依通式或範圍化學式具特定且本質均句之組成的塊體 層、/通式或範圍化學式具平均組成的超晶格、依通式 :範圍化學式具平均組成的週期結構、或包含複數個區 的、且成梯度結構且複數個區域依通式或範 平均組成。 巧八 物==三族元素銘、銦和鎵方面，乃假定三族氣化 X &括的任何三族元素存量不比化學式所示三 =物中的天然雜質含量多]列如，雖然「職心 “系描述成Α1Ν與GaN的合金，但如「㈣層」—詞 〜解釋為等同「AlxInyGa…N層」，其中㈣，"。 =層組成方面’假設三族元素的總原子數 層；:為丄:1，則如…農度」、「-濃度」等用語係指 二二均组成’並且只與三族元素濃度有關。 非另订指明，否則層内的特定三族元素濃度係以 201220628 %表示，此據悉為層内特定三族元素的原子數除以層内 三族元素的總原子數、再乘上；iOO而得出。應理解層内 可能有組成變異（如非化學計量）而不影響裝置的各層 功能。與上述定義一致，如「（A1，In)GaN層的鋁濃度為 10%」等同以該層的實驗分子式表示，例如

Al〇_丨0InyGa09_yN，其中〇sy<〇 9。以另一方式表示時， 「AIGaN層的鋁濃度為1〇%」係描述包含1〇莫耳％之 A1N與90莫耳％之GaN❾A1GaN合金層。此實驗分子 式亦可理解為表示平均組成且涵蓋化學式所示材料固有 的組成變異。 隊叨確指出對立面外 /一 仍甘金各自 可摻雜一或更多摻質，例如鎂（對三族氮化物半導體而 型摻質）或石夕（對三族氮化物半導體而言“型 / 。-或更多摻質不會標於各種合金化 別標示’例如標示特定合金為「.η型播雜」或「Ρ型換而：個 =確:Γί摻雜、㈣摻雜、。型推雜或這些穆雜」方 摻雜或=:::否則各氮化物合金可為未〜型 ‘、’、第1Α圖，二族氮化物系雷射二極體 覆層20、n侧咕道a α从 匕s η側披 側披覆，3。I 用區4〇、Ρ·導層〜 廣上Η作Γ區4〇置於_披覆… 坡覆層3:二 並實f平行11側披覆層2〇與Ρ侧 覆層20之間側波導層6〇置於作用區4〇“側彼 Ρ側波導層70置於作用區4〇與口側彼覆 201220628 層30之間。 η側披覆層20係n型摻雜之氮化鎵（鋁、銦）（（ai， In)GaN )層。在示例實施例中，（Α1，層為 AlxInyGai_x_yN ’ 其中仏<0.2，My<〇 3 β n 側披覆層 2❶ 可具任何厚度和任何施體濃度，以提供適當導電性。通 常，η側彼覆層20的厚度為〇.5微米（μιη)至約2μιη。 η側披覆層20的載子濃度一般為具ι〇ΐ7/立方公分（cm_3 ) 至1019cnT3的η型摻質（如矽）。但η型摻質通常不是光 損失的來源，故除確保適當導電性外，並不嚴格最佳化 載子濃度。在一些實施例中，η側披覆層2〇較佳為η型 摻雜之GaN層。咸信在一些實施例中，GaN做為彼覆層 會優於AlGaN、InGaN或AlInGaN。例如，由於GaN係 二元合金，因此層組成較不可能波動，二元合金通常也 比三元和四元合金更具傳熱性。比起三元和四元合金， 二元合金的這些特性通常可減少光損失。 η側波導層60係η型摻雜之氮化銦鎵（鋁）（（A1)InGaN ) 層。在示例實施例中，（Al)InGaN層為AlxInyGa丨.x.yN， 其中0<x<0.2，0<y<0.3。在一些實施例中，n側波導層 較佳為η型摻雜之InGaN層。η側波導層的η側波導層 厚度為小於300奈米（nm )、小於200nm、小於120nm、 或1 nm至120nm。在較佳實施例中，n側波導層厚度為 125nm 至 300nm、125nm 至 200nm、125nm 至 150nm、 或50nm至I20nm。η側波導層60的載子濃度一般為具 10】7cm·3至l〇l9cm·3的η型摻質（如矽）。 9 201220628 作用區40包含一或更多InGaN量子井〗nGaN量子井 產生電激發激射光子。作用區4〇亦以可見電磁波譜中綠 光部分的雷射波長產生光增益，㊣常定義為❹51〇nm 至58〇nm的光。每一 InGaN量子井可置於兩個 量子井阻障層之間。 第1B圖詳細圖示作用區4〇的層結構。第ib圖分解 繪不作用H 4G ’以說明量子井層的選擇性重複情形。應 理解作用⑮4G的所有層係彼此堆疊成連續多層，但連續 夕層可匕括第1B圖未圖示的附加層置於第圖所示層 之間附加層可包含間隔物，間隔物例如用於最佳化作 用區40的性此，然非作用區4〇運作所必需。通常，量 子井50A置於第一量子井阻障層SSA與第二量子井阻障 層55B之間。各量子井5〇A、5〇B的厚度通常為約_ 至約2〇n…各量子井5〇a、5〇_為單層（如圖示） 或多層（未圖示）。各量子井5〇八、邮可為一或更多層 InGaN。量子井5〇A、s〇B &化⑽中的銦濃度例如為 20%至峨。同樣地，量子井阻障層s5a、5sb、況各 自可為單層（如圖示）或多層（未圖示）。各量子井阻障 層55A、55B、55C可為杨㈣層，且各量子井阻障層 55A、55B、S5C的厚度例如為約lnm至約施在特 定組成實例中’量子井阻障層55A、ssb、5SC的A1InGaN 中的銦濃度為約0%至約20%，鋁濃度為約0%至約20%。 作用區4〇可包含-個量子井’或者作用區40可包含 多重量子井。在第1B圓中，重複單元”為附加量子井 10 201220628 50B和附‘旦，1 里子井阻障層55C，如此當重複單元57堆疊 見存量子井阻障層上時，例如堆疊在第二量子井阻障 層 5SB I» 上’第一量子井的頂部阻障層（在此為第二量子 井阻障層SSB )亦變成附加量子井5〇B的底部阻障層。 作用區40可包含n個重複單元57，其中在單井作用區 士 _ η可為零’或者在多井作用區中，η可為整數i至 2〇、1 至 10、1 至 5、或]i 至 3。 參照第1A圖及第1B圖’三族氮化物系雷射二極體ι 進一步包含電洞阻擋層8〇、電子阻擋層9〇或二者。若 有則電洞阻擋層80置於作用區4〇與n側波導層6❶之 間，且電洞阻擋層80的厚度為約1〇nm至約2〇nm(；若有， 電子阻擋層90置於作用區4〇與p側波導層7〇之間。 在替代實施例中（未圖示），電子阻擋層置於p侧波導層 與P側披覆層之間。 若有，則電子阻擋層90可為AmaN層、AUnGaN層、 或A1GaN層與A1InGaN層的組合物，#中電子阻擋層 9〇的厚度為約5nm至約50nm。較佳地，電子阻撐層 的能隙比相鄰層寬，且電子阻擋層9〇經重摻雜成受體濃 度達至少WW、或10%muW3。電子阻擋層 90中的党體物種例如為鎂。無意受理論限制，咸信選用 非常薄且能隙比相鄰層寬的電子阻擋層可避免因轉雜 電子阻擋層90而增加内部光損失。此乃因電洞（特別是 定位於電位波動或受體位準的電洞）能逃離電子阻擒層 90及在相鄰層中散逸所致。再者，電子阻擋;I 90中的 201220628 離子化受體可提供電場來促進電洞傳輸及抑制電子傳 輸。故咸信重摻雜雷早 如雜电于阻擋層9❶可提高電子阻擋層90 的效率、提局電洞注入效率及降低裝置串聯電阻，且内 部光損失不會隨之増加。 P侧波導層70係P型摻雜之（A1)InGaN層。在一些實 施例中’P側波導層70較佳為P型摻雜mGaN層:在 示例實施例中，p側波導層7〇為⑷)InxGaixN層，其中 X係0.04至0.15、0·06至〇 u、較佳約〇 1〇。p側波導 層70較佳具有和η侧波導層6〇一樣或近乎相同（如土 〇〇3 莫耳％以内）的銦濃度。Ρ側波導層7〇與η侧波導層60 的組成類似可最佳化三族氮化物系雷射二極體i中的應 變鬆弛。例如，透過波導層與各披覆層間形成錯合缺陷 而達成應變鬆弛時，波導層的銦濃度較佳為約6%至約 11%，更特定言之為約7%至約9%，以獲得最佳光束缚， 且可減少對材料品質降低的關切。另一方面，若波導和 彼覆層未形成有特意應變鬆弛，則期有較低銦濃度，例 如約3%至約6%0 p側波導層7〇的p側波導層受體濃度 為低於3xl〇】7Cm-3、lxl〇15cm-3至3χ1〇丨7咖.3，或較佳為 lxio cm至3xl〇17cm_3。通常，當光模與P側波導層 70重疊時，p側波導層受體濃度應夠低，以免產生高内 部光損失。然p側波導層受體濃度應夠高，以克服可能 的摻雜補償，進而防止高串聯電阻、甚或閘流體行為。 在進一步的實施例中，p侧波導層70的銦濃度比n側 波導層60低。在此實施例中，p側波導層7〇的銦濃度 12 201220628 為約㈣至約9%、或約0%至約7%，n側波導層6〇的鋼 濃度為約3。/。至約11%、或約3%至約9%。較佳地，p側 波導層70的銦濃度低於n側波導層6〇的銦濃度。較佳 地，若波導的銦濃度係以莫耳百方比表示，p側波導層 70的低銦濃度與n側波導層6〇的高銦濃度相減而得的 銦濃度差異大於或等於2%。 Ρ側波導層70的銦濃度比η側波導層6〇低時，ρ侧波 導層厚度與η側波導層厚度約莫相等，但η側波導層厚 度較佳大於ρ侧波導層厚度。在一特定實例中，η側波 導層厚度為125nm至30〇nm，ρ側波導層厚度為小於 1 〇〇nm。 通常，ρ側波導層70的ρ側波導層厚度為小於丨〇〇nm、 小於 5〇nm、小於 40nm、lnm 至 50nm、或 20nm 至 50nm。 在較佳實施例中，ρ側波導層厚度小於η側波導層厚度。 例如，ρ側波導層厚度為1 nm至η側波導層厚度的約 10%、1ηιη至η側波導層厚度的約20%、lnm至η側波 導層厚度的約25%、lnm至η側波導層厚度的約30%、 lnm至η側波導層厚度的約35%、lnm至η側波導層厚 度的約40%、lnm至η側波導層厚度的約45%、inm至 η侧波導層厚度的約50%、lnm至η側波導層厚度的約 60°/°、或lnm至η側波導層厚度的約75%。在特佳實施 例中’ η側波導層厚度與Ρ側波導層厚度的總和（即總 體波導厚度）為約150nm至約200nm。 烕信選擇ρ側波導層厚度與n侧波導層厚度的關係（特 13 201220628 別是結合捧雜分佈’此將詳述於後）可大大促成三族氮 化物系雷射二極體j的内部光損失合宜地減少。例如， 由於光模隨相距作用區4〇的距離呈指數衰退，故光模稍 微偏離P側披覆層3〇的重p型摻雜部分會造成光模與重 P型捧雜部分的重疊量呈指數減少。雖然偏移光模與作 用區40的重疊量略少於光模未依此方式偏移的一般重 疊量，但咸信偏移光模與重p型摻雜材料的重疊量呈指 數減少將顯著減少整體光損失t> 最佳總體波導厚度因肴最小光模增寬而可最大化光束 缚。當總體波導厚度大於最佳總體波導厚度時，雷射二 極體具有較大的光模增寬量，此係因為光模移住於雷射 一極體中的較寬波導區。然當總體波導厚度小於最佳總 體波導厚度時，雷射二極體亦具有較大的光模增寬量， 此係因為波導層與披覆層間的整體折射率對比降低將提 供較小的光束缚。就特定總體波導厚度而言，藉由降低 P側波導層厚度及增加n側波導層厚度，可減輕出自p 型材料重疊的光損失。特別是相對n側波導層厚度減小 ρ側波導層厚度時，光模佔用η型材料的量比ρ型材料 多，疋以減少光模與ρ型材料的重疊量將減少光損失。 光損失減少所帶來的好處比η側波導層厚度提高成大於 最佳值以致光束缚因子下降所引起的壞處還明顯。 以非限定實例為例，第一雷射二極體和第二雷射二極 體可根據上述任何實施例製造’其中兩個雷射二極體均 製造成具有160nm的總體波導厚度。第—雷射二極體的 201220628 η側波導層厚度為i2〇nm，p側波導層厚度為4〇nm。第 二雷射二極體的η側波導層厚度為13〇ηιη，p側波導層 厚度為30nm。理論上，第二雷射二極體的光束缚因子比 第一雷射二極體小。即便如此，光模與第二雷射二極體 之P型材料的重疊量比第一雷射二極體少所造成的光損 失減少程度將大於第一雷射二極體與第二雷射二極體間 的光束缚因子下降程度。故可预期第二雷射二極體的插 座效率比第一雷射二極體高。咸信就特定總體波導厚度 而5，模態增益與内部光損失的比率將隨n型波導層厚 度增加而提高。 Ρ側披覆層30係ρ型摻雜之（A1，In)GaN層。在示例實 施例中 ’（Al，In)GaN 層為 A1JnyGai χ 小，其中 〇<χ<〇 2， 〇<y<〇.3。ρ側彼覆層30包含第一厚度部分35和第二厚 度部分37。第-厚度部分35置於第二厚度部分37與ρ 側彼覆層30和ρ側波導層7〇的界面之間。ρ侧披覆層 30的第一厚度部分35的第-部分厚度X為小於或等於

2〇〇nm。Ρ側彼覆層的總體厚度通常為如約〇·5μηι至約 1.5μπι。除ρ側披覆層過厚會不當降低裝置導電性外，ρ 側彼覆層的總體厚度上限並非關鍵。 佈’使得第一厚 3X1017cm·3，第二 3xl017cm·3。第— 在一實施例中，Ρ側披覆層3G製造成具有梯度摻雜分 一厚度部分35的第一部分受體濃度低於 第二厚度部分37的第二部分受體濃度高於 笔一部分受體濃度在某種程度上低於第二 15 201220628 分受體濃度，以減少光植拉& 710模接觸P側彼覆層30中的受體。 在三族氮化物系雷射二搞掷 體1的正常操作條件下，期望 光模稱微伸入p側披覆屬·^ n 復層30。光模接觸受體通常會造成 光損失。因光模通常不舍士 貧大幅延伸通過整個P側披覆層 30，故無需降低整個p側柚 P风坡覆層30的受體濃度。 P側披覆層30的梯度摻雜八 ，雜分佈可能、但不必然會造成 受體濃度突然改變而於第一；^式·&八1 ^、弟一厚度部分35與第二厚度部 分37間界定尖銳界面。你丨& β β μ , Ή如’遍及整個ρ側披覆層厚度 的受體濃度可從底部往項.心说 貝邛逐漸增加，以當受體濃度達 到或超過3x10”cm-3時’即結束第一厚度部分3S及開始 第一厚度部分。雖然第二厚度部分37在與第一厚度部分 35的邊界處的受體濃度為約3xlQl7em.3,但梯度推雜分 佈可繼續增大而遍及第二厚度部分37的厚度。部分第二 厚度部分37的受體濃度可超過1><l〇18cm_3、超過 lxl〇i9Cm·3、或為約3xl〇丨7咖.3至約卜1〇2、化3。 至於p側波導層70與p側披覆層3〇的p型摻雜分佈， 通常咸信光損失係歸咎於陷入價帶電位波動中或受體上 的定位電洞盛行。反之，活化電洞貢獻了層中導電性， 定位電洞則不。故可能存有定位電洞時，該層必須遭更 重摻雜’以補償導電性下降^咸信藉由選擇活化能小於 或等於約17G百萬電子伏特（meV)的摻質物種、或選 擇用於裝置層的材料，可減緩定位電洞盛行其中特定 物種（如鎂）的活化能小於或等於約17〇meV。依此方式 選擇活化能可提高導電性，同時維持恒定量的光損失。 201220628 P型摻雜材料的重疊量會隨

在各方面，由於已知光模與f 受體丨辰度提高而增加光損失， 處）、P側波導層7〇和P側彼; 中p型摻雜層的η刑撫M 亡 、一 5體的頂部，β〇係整個深度剖面的最大光模強 度。折射率線150繪製折射率（R· I.)對相同深度座標d 的變化。垂直虛線表示GaN系雷射二極體的功能層的深 度位置。子母A至F各自標示深度剖面對應功能層的區 域，其中A係p側披覆層的第二厚度部分（重摻雜），b 係P側披覆層的第-厚度部分（淺摻雜），C係p側波導 層，D係作用區’ £係n側波導層，卩係n側披覆層。二 波導層（C與E)的折射率比披覆層（a、b與ρ)高。 作用區（D)具高折射率。η側波導@ ( E )比p侧波導 層（C )厚’使得光模曲線1〇〇的波峰I"位於〇側波導 層（Ε )中間。ρ側披覆層的第一厚度部分（Β )與ρ側 彼覆層的第二厚度部分（A )間的邊界位於深度約475nm 處°相較於第一厚度部分（B )與P侧波導層（C )間的 邊界略向於波峰12〇處光模強度的4〇%，在此邊界位置 的光模強度為波峰120處光模強度的約1 〇%。因第一厚 度。卩分（B )為淺摻雜，故第一厚度部分（b )的光模部 17 201220628 分較不易受與P側彼覆層中的受體重疊引起的光損失影 響。 回潮第1A圖，在一些實施例中，p側彼覆層30較佳 為P型摻雜之GaN層，且視情況而定，η側彼覆層20可 為η型摻雜之（jaN層。無意受理論限制，咸信GaN材料 的光吸收係數比AlGaN小可減少輸出光損失，即使光束 缚因子也會變小。例如’雖然具GaN披覆層的雷射二極 體的光束缚因子低至具AlGaN披覆層的雷射二極體的 67% ’但同樣的GaN彼覆層造成的雷射二極體光損失為 具AlGaN披覆層的雷射二極體的5〇%。由於在此裝置 中，光損失減少幅度超過光束縛因子降低幅度，故GaN 彼覆層可產生比AlGaN高的插座效率。此外，p型摻雜 之GaN的鎂受體活化能比AlGaN低。咸信降低p側披覆 層30的受體活化能可減少光損失，此係因為當活化能降 低時，獲得預定導電性所需的受體濃度亦降低。 在另一實施例中，p侧披覆層30係具鋁組成梯度的（A1， In)GaN層。在組成梯度中，p側彼覆層3〇的鋁濃度隨相 距作用區的距離增加而提高。組成梯度可於p側披覆層 30内界定二或更多區域。例如，〇%至5%的鋁濃度界定 P側披覆層30中最靠近作用區4〇的第一區域。第一區 域從與P側波導層70的界面延伸，且第一區域包括p側 波導層70上方開始算起p侧披覆層3〇厚度的約 至約200nm。至多達20%、或5%至2〇%的增加的鋁濃度 界定P側披覆層30中緊鄰第一區域上方的第二區域。第 18 201220628 一和第二區域的鋁濃度不需均勻。較佳地，遍及p側坡 覆層30整個厚度的鋁濃度隨相距p側波導層的距離 增加而提高《第一區域與第二區域的總體厚度為約 200nm至約500nm。p側坡覆層3〇中緊鄰第二區域上方 的第三區域可具任何鋁濃度、或甚至不含鋁。描述鋁組 成梯度相關的p側波導層70的區域命名可能、但不必然 與第一厚度部分35和第二厚度部分37有關，如上所述， 第一厚度部分35和第二厚度部分37 一同定義受體濃度 梯度。 咸仏最靠近ρ側波導層70與作用區4〇處有少量鋁的 鋁組成梯度可提供較低受體活化能，以於低鋁濃度時， 例如低於約5%時，提高特定受體濃度的導電性。因此， 可存在較低受體濃度以維持特定導電性。低受體濃度可 減少光損失。故相應p側彼覆層中存有鋁組成梯度，在 摻質分佈方面，如上定義之第一厚度部分35的第一部分 又體濃度較佳低於第一厚度部分37的第二部分受體濃 度。在一特定實例中，第一部分受體濃度為3xl〇ncm-3 至約3X1018cm·3’第二部分受體濃度為高於3xl〇18cm·3。 當P側彼覆層30中存有鋁組成悌度時，p侧波導層 與η側波導層60較佳均為實質不含鋁的、或為 鋁濃度低於5%、低於1%或低於〇 1%的（A1)InGaN層。 在又一實施例中，GaN系雷射二極體進一步包含被動 量子井（Passive Quantum Well)結構或被動多重量子井結構。 被動量子井結構經配置以促成被動量子井於雷射波長有 201220628 高折射率。特別地’被動量子井可配置使結構的吸收邊 緣波長比雷射波長短，但雷射波長與被動量子井吸收邊 緣間的光譜間隔很小。當結構的吸收邊緣波長比雷射波 長短時’被動量子井將不吸收雷射光。 秩虱化物糸雷射二極體 在再一貫施例中 稱，如此η側波導層60含有銦，但p侧波導層7〇與p 側披覆層30則不含。例如’ n側波導層6〇可由InGaN 塊體組成、或建構成InGaN超晶格或被動inGaN多重量 子井結構。在一些實施例中，當三族氮化物系雷射二極 體1為不對稱時’ p側波導層7G不—定要與p側披覆層 3〇分開，如此p側波導層7〇可視為具零厚度。被動多 重量子井結構可配置使結構的吸收邊緣光譜位置接近雷 射波長’以提高η側波導層6〇内的光束缚。雖然不對稱 雷射二極體中的光模會偏移到裝置的η側，但光束縛因 子不會因此大幅減小。咸信不對稱結構可提供ρ型導電 性更好的控制，特別是以Ρ型摻雜之GaN層做為ρ側披 覆層30.來代替使用p型摻雜之以⑽層做為p側波導層 和個別的p側披覆層時。 在又實施例中，p側波導層7〇、η侧波導層㈣或二 者係具適當導電類型且組成渐變之⑷如⑽層，各層具 有梯度銦濃度’使得波導層鄰接作用“❶的富含銦 的銦濃度比各波導層的剩古 M ^ . 、口P刀冋。為此，結構中較佳 ^ =他。無意受理論限制，咸信當一或二波導層有 又時’折射率與銦濃度的超線性相依性可增進光 20 201220628 束缚。特別地，較佳為A ^ 马在一或二波導層鄰接作用區的古 鋼區域建立高鋼濃度’以增加光模定位於作用區40 = 圍。增加光模定位的結果可提高作用區4〇的光束縛因 子。在具漸變銦濃度的特定波導層中，富含銦區域例如 可定義為波導層鄰接作用區4〇的部分，且厚度為各波導 層總體厚度的約〇.1%至約75%、約G 1%至肖观、約 〇·1%至約25%、約〇.1%至約1〇%、約1%至約抓、約 10%至約25%、或約20%至約50%。 當波導層具漸變銦濃度時，一或二波導層的富含銦區 域的銦濃度可為約5%至約50%、約5%至約4〇%、約5% 至約30%、或約10%至約3〇%。各波導層的剩餘部分的 銦濃度可為約0%至約10%、或約〇%至約5%，使得富含 銦區域的銦濃度高於各波導層的剩餘部分的銦濃度。舍 田 含銦區域與各波導層的剩餘部分間的銦濃度差異較佳為 至少1。/❶、至少2%、至少3%、至少5%、或至少1〇%。 若p側波導層70和η側波導層60均具漸變銦濃度，則 二波導層的富含銦區域較佳具約莫相同的銦濃度，例如 一波導層間的銦濃度差異為±3 %、±2%、±1%、甚咬 ±0.1%。 又較佳地’ 一或二波導層具漸變銦濃度，且Ρ侧波導 層厚度小於η側波導層厚度《咸信ρ側波導層厚度比η 側波導層厚度小可減少光模穿透三族氮化物系雷射二極 體1的ρ側，進而減少内部光損失。 在漸變銦濃度的上下文中，應理解波導層可製作成包 21 201220628

3複數個（導w層的超晶格或其他週期結構。故參照 漸變銦濃度的銦濃度特例應理解為遍及整個層體積的平 均銦濃度。例如’若波㈣為具相對厚的inGaN層斑相 對薄的A1InGaN層的InGaN/A1InGaN超晶格，則比起 A1InGaN層的平均銦濃度，超晶格的平均銦漠度更接近 InGaN層的平均銦濃度。同樣地，即使超晶格中的inGaN 層與—層有相同厚度，但㈣以層的平均銦濃度 高於―|，則超晶格的平均銦濃度將丨層 的銦濃度與AlInGaN層的銦濃度的平均值。 通常，三族氮化物系雷射二極體卫形成在基板1〇上， 使作用區、波導層和披覆層構成多層雷射二極體。在多 層二極體中，波導層導引作用區和彼覆層中產生的激射 光子而促使發射光子傳遞通過波導層。基板1〇可具11型 導電性或p型導電性。導電性類型和基板1〇 一樣的坡覆 層設置得比導電性類型和基板1〇相反的披覆層更靠近 基板。在所述實施例中’基板10較佳為η型半導體材料， η侧坡覆層20置於η側波導層6〇與基板10之間，ρ側 彼覆層30置於η側彼覆層20上方。適用基板的材料 實例包括獨立二族氣化物材料，例如GaN、AIN、InN、 AlGaN、GalnN或AlInGaN，但不以此為限。在較佳實施 例中’基板為獨立GaN。在特佳實施例中，基板為具半 極性定向的獨立GaN，例如定向選自2〇3l、20¾、20¾、30¾ 或3〇31。儘管以n型基板為佳’然在未圖示的實施例中， 當可使用Ρ型基板，如此ρ側披覆層30置於ρ側波導層 22 201220628 70與基板10之門 ^ ^ <間，π側彼覆層20置於p侧彼覆層3〇 方。 一族氮化物系雷射二極體1於第1A圖所示的任二層間 σ層或間隔物（未圖示）。在非限定實例 或更夕GaN間隔物（未圖示）置於ρ侧波導層7〇 '、P側披覆層30之間、或η側波導層60與η側披覆芦 2 0 之_ Ρ, — θ 族氤化物系雷射二極體1進一步包含接觸層 (未圖示）及/或内連線（未圖示）’以經由配置將電子 I 側披覆層2 〇的電源（未圖示）’於η侧彼覆層2 〇 ” Ρ側彼覆層30間建立電氣連續性。例如，第一接觸層 可形成在11側彼覆層20對面的基板1〇背側上，第二接 觸層可形成在Ρ側披覆層30上。或者，第一接觸層可形 成在未被η側彼覆層20覆蓋的部分基板上。 三族氮化物系雷射二極體1的各層例如可以此領域已 知或待開發的任何沉積技術依序沉積。在非限定實例 中’可採用諸如金屬有機化學氣相沉積（m〇Cvd )、金 屬有機氣相磊晶（MOVPE)等技術。金屬有機沉積製程 可包括前驅物’例如三甲基鎵、三甲基鋁（Τμα )、三甲 基銦和此領域已知的其他化合物。各層可為短週期超晶 格。三族氮化物系雷射二極體1計及上述所有層和選擇 性間隔物的總體厚度通常為約1 μπ!至約4 μιη。 根據上述任何實施例的發射綠光之三族氮化物系雷射 二極體’當雷射二極體包含AlGaN披覆層時，光損失量 小於8cm·1。當雷射二極體包含GaN披覆層時，光損失 23 201220628

注意相對於产》---- 置」來體現特3 更特定言之，， 物理條件，因 為便於說明’在此以諸如「 提及裝置層。在任一實施例的保護範圍内，這些用笋用 來表示裝置層相對把基板視為裝置底部時的結構順序。 除此之外’「頂部」和「底部」等用語並無意圖指示操作 或製造期間的任何較佳裝置位向。故「上方」一气係指 朝向結構頂部，「下方」一詞係指朝向結構底部f ''旨 注意以下一或更多請求項採用「其中」做為連接詞。 為定義本發明，錢意申請專㈣圍以此用言吾做為開放 式連接詞來列舉一連串結構特徵，該用語並宜像更常用 的開放式前文用語「包含」一詞一樣解釋。 除非另外定義，否則在此所有技術和科學術語的意義 和本發明所屬領域的一般技術人士普遍理解的魚義— 樣。本文所用術語僅為描述特定實施例、而無限定意圖。 除非另行指明，否則說明書和後附申請專利範圍所用 「一」和「該」的單數形式擬包括複數形式。 除非另外指出，否則說明書和後附申請專利範圍中所 有表不如分子量、反應條件等成分、性質的數字據悉可 在所有情況下按照「約」一詞修改。故除非另外指明， 否則說明書和後附申請專利範圍中提出的數值性質為近 24 201220628 似值，該數值性質可視本發明實施例試圖獲得的預定性 質改變。儘管提出本發明寬廣保護範圍的數值範圍和參 數係近似值，但特定實例提出的數值乃盡量精確記述。 此領域的一般技術人士當理解任何數值將因確定該數值 的測量技術而天性含有一些誤差。 【圖式簡單說明】 雖然說明書以特別指出及清楚主張本發明的申請專利 範圍作結，但咸信本發明在配合參閱實施方式說明與附 圖後，將變得更清楚易懂，其中： 第1A圖為根據所述實施例的三族氮化物系雷射二極 體的側視圖； 第1B圖為第1A圖三族氮化物系雷射二極體的作用區 的插圖；以及 第2圖為疊加模擬光模強度與層折射率隨根據所述_ 施例的示例三族氮化物系雷射二極體頂部到底部深度變 化的曲線圖。 【主要元件符號說明】 1 雷射二極體 10 基板 2〇、30 披覆層 35、37 部分 4〇 作用區 50A、50B 量子井 55A、55B、55C 阻障層 57 重複單元 25 201220628 60 ' 70 波導層 80 電洞阻擋層 90 電子阻擋層 100 光模曲線 120 波峰 150 折射率線 X 厚度 26

Claims (1)

1. 201220628 七、申請專利範圍： 一種三族氮化物系雷射二極體，該雷射二極體包含由 η型摻雜之氮化鎵（鋁、銦）（（A1，In)GaN )組成的一 ^側 披覆層、由η型摻雜之氮化銦鎵（鋁）（（Ai)InGaN )組成 的一 η側波導層、一作用區、由p型摻雜之（Ai)InGaN 組成的一 p侧波導層、以及由p型摻雜之（AUn)GaN組 成的一 P側坡覆層，其中： 該作用區置於該n側披覆層與該P側披覆層之間，該作 用區並實質平行該η側披覆層與該ρ側披覆層延伸； 該作用區包含一或更多InGaN量子井，該等InGaN量子 井產生電激發激射光子而以51〇奈米（nrn)至580nm的 一雷射波長獲得光增益； 該η側波導層置於該作用區與該n側彼覆層之間； 该η側波導層的一 n側波導層厚度為inm至3〇〇nm ; 該P側波導層置於該作用區與該P側披覆層之間； °亥P侧波導層的一 P側波導層受體濃度低於3x1017/立方 公分（Cm〇 ) ’ 一 P側波導層厚度為小於lOOnm ; j P側波導層厚度小於該η側波導層厚度； 該Ρ側披覆層包含—第一厚度部分和一第二厚度部分， 該第厚度部分置於該第二厚度部分與該ρ側波導層之 間； 該Ρ側彼覆層的該第 2〇nm 至 2〇〇ηιη，一第 一厚度部分的一第一部分厚度為 一部分受體濃度低於3xl017cm·3 ; 27 201220628 以及 第二部分受體濃度 該p側披覆層的該第二厚度部分的— 高於 3xl〇17enT3。 2. 如請求項丨之三族氮化物系雷射二極體，其中該p側 波導層厚度為lnm至50nm。 3. 如請求項1之三族氮化物系雷射二極體，其中該n側 波導層厚度為125nm至300nm。 4·如凊求項1之三族氮化物系雷射二極體，其中該p側 波導層厚度和該n側波導層厚度定義一總體波導厚度， 該總體波導厚度為150nrn至200nm。 5.如請求項丨之三族氮化物系雷射二極體，其中該p側 波導層厚度為lnm至50nm，該p側波導層厚度和該η 側波導層厚度定義一總體波導厚度，該總體波導厚度為 150nm 至 20〇nm。 6·如請求項1之三族氮化物系雷射二極體，其中： 該P側波導層、該n侧波導層或二者為組成漸變之 (Al)InGaN層，各（八1)111(^1^層具有一梯度銦濃度； 在各該波導層中，各梯度銦組成界定一富含銦區域，該 富含銦區域鄰接該作用區； 28 201220628 0.1 % 至 各富含銦區域的一厚唐盔 又為各5亥波導層厚度的 75% ； 該富含銦區域的一平均銦濃度為5%至5〇%; 除該昌含銦區域外，各琴、、由墓恳认各丨a '^波導層的剩餘部分的一平均銦 濃度為0%至10% ; 該虽含铜區域的該平均翻、·普译古认办 丁门銦濃度同於各該波導層的剩餘部 分的該平均銦濃度；以及 使該富含銦區域與各該料層的剩餘部分的銦漠度差異 為至少3%。 7.如明求項1之三族氮化物系雷射二極體，其中該三族 Kb㈣雷射二極㈣形成在具n型導電性的一基板 上使得該η側披覆層置於該基板與該η側波導層之間。 8·如請求項7之三族氮化物系雷射：極體，其中該基板 係選自由GaN、AIN、InN、GalnN和A1InGaN所組成的 群組。 9. 如請求項丨之三族氮化物系雷射二極體，其中每一 InGaN里子井係置於兩個ΑιΙη〜Ν量子井阻障層之間。 10. 如請求項i之三族氮化物系雷射二極體，其中該p 側波導層受體濃度為lxl〇16Cm-l lxi〇17cm.3。 29 201220628 11.如請求項 側波導層和該 0 04 至 0.15。 之三族氮化物系 側波導層均為In 雷射二極體，其中該p X<3ai-XN層，其中x係 12.如請求項 側波導層和該 0.〇6 至 〇,U 0 1之三族氮化物 η側波導層均為 系雷射二極體，其中該ρ 層，其中X係 13 ·如請求項 側波導層中的 12之三族氮化物系雷射二極體 X小於該η側波導層中的χ。 其中該ρ 14.如請求項 側波導層中的 12之三族氮化物系雷射二極體，其中該ρ Χ與該η側波導層十的X相差不超過0.03。 極體進…—之 化物…二極體’該雷射二 ^ « 匕3 — AlGaN電子阻擋層，該AlGaN電子阻 $層置於該^ 區與該P侧波導層之間，該電子阻擋芦 的—電子 槽層受體濃度為至少1018cm-3。 如明求項1之三族氮化物系雷射二極體，1 側彼覆層# ^ 、 - ρ 復！诉一 GaN 17.如請求項 側彼覆層係— 1之三族氮化物系雷射二極體 GaN 層。 其中該 η 30 201220628 18. 如請求項1之三族氮化物系雷射二極體，其中該p 側彼覆層和該n側披覆層均為GaN層。 19. 如請求項2之三族氮化物系雷射二極體，其中該n 側波導層係一被動多重量子井結構，該被動多重量子井 結構包含複數個InGaN被動量子井核心層，該等InGaN 被動量子井核心層置於多個（Al，In)GaN被動量子井阻障 層之間’使該被動多重量子井結構的每一個別被動量子 井經配置以具有一帶間透射峰波長，且該帶間透射峰波 長小於該雷射波長。 20. 如請求項19之三族氮化物系雷射二極體，其中一或 更多個別被動量子井的該帶間透射峰波長小於51⑽爪。 21. 如請求項i之三族氮化物系雷射二極體，其中該雷 射基板係具一半極性定向的GaN。 22. 如請求項21之三族氮化物系雷射二極體，其中該半 極性定向係20¾。 23.如請求項丨之三族氮化物系雷射二極體，其中該p 側披覆層具有—銘組成梯度，使該P側披覆層的—銘濃 度隨相距該作用區的距離增加而提高。 31 201220628 24.如请求項j之三族氮化物系雷射二極體，其中： 該P側披覆層具有一鋁組成梯度； 0%至5%的—第一鋁濃度界定該p側彼覆層的一第一區 域； 至多達20%的一鋁濃度界定該p側彼覆層的一第二區城； 該第一區域從該P側披覆層與該p側波導層的一界面延 伸’且該第—區域的一厚度為約20nm至約200nm ;以及 該第二區域緊鄰該第一區域上方設置。 25·如請求項24之三族氮化物系雷射二極體，其中該p 側波導層係由P型摻雜之InGaN組成，該η側波導層係 由η型摻雜之InGaN組成。 . 種二族氮化物系雷射二極體，該雷射二極體包含 由0型摻雜之氮化鎵（鋁、銦）（（Al，In)GaN )組成的一 η 側彼覆層、由η型摻雜之氮化銦鎵（鋁）（（Al)InGaN)組 成的一 η側波導層、一作用區、由？型摻雜之（Al)InGaN 組成的一 P側波導層、以及由P型摻雜之（Al，in)GaN組 成的一 P側披覆層，其中： 該作用區置於該n側披覆層與該P側披覆層之間，該作 用區並實質平行該η側彼覆層與該ρ側披覆層延伸； 該作用區包含一或更多InGaN量子井，該等inGaN量子 井產生電激發激射光子而以51〇奈米（nm)至58加爪的 32 201220628 一雷射波長獲得光增益； 該η側波導層置於該作用區與該η側彼覆層之間； 該η側波導層的一 η側波導層銦濃度為約3%至約丨1〇/〇 ; . 該Ρ側波導層置於該作用區與該ρ側披覆層之間； 、土 該ρ側波導層的一 Ρ側波導層受體濃度低於3χ1017/立方 公分（cm )，一 ρ側波導層銦濃度為約〇%至約9% ; 該ρ側波導層銦濃度低於該η側波導層銦濃度； 該Ρ側披覆層包含一第一厚度部分和一第二厚度部分， 該第一厚度部分置於該第二厚度部分與該ρ側波導層之 間； 該Ρ側披覆層的該第一厚度部分的一第一部分厚度為 20nm至2〇〇nm，一第一部分受體濃度低於3><1〇1、爪3; 以及 該P側彼覆層的該第二厚度部分的一第二部分受體濃度 高於 3xl017Cm-3。 X 27·如請求項26之三族氮化物系雷射二極體，其中該ρ 側波導層與該n側波導層的一銦濃度差異大於或等於 2%。 、 ， 28.如4求項％之三族氮化物系雷射二極體，其中： 該11側波導層的η側波導層厚度為125nm至30〇nm . 以及 ’ 該P側波導層的一 P側波導層厚度小於1 OOnm。 33