專利名稱：氮化鎵半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，涉及工作電流及元件電阻低且能夠發(fā)射接近圓形的基本橫模激光的氮化鎵半導(dǎo)體激光器。這樣的激光器在光盤應(yīng)用、激光打印機(jī)應(yīng)用中激光利用率高，能夠提高記錄面的激光功率而加快記錄速度。而且不需要把激光整形為圓形的光學(xué)部件，可以達(dá)到裝置的小型化與低成本化。
圖6為現(xiàn)有例1的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的截面簡(jiǎn)圖(例如S.Nakamura之外Appl.Phys.Lett.72(1998年)2014頁至2016頁)。圖6的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的構(gòu)成如下在厚度為80μm的GaN基板101上，厚度為3μm的n型GaN接觸層102，厚度為0.1μm的n型In0.1Ga0.9N層103，由厚度為2.5nm的n型GaN與厚度為2.5nm的Al0.14Ga0.86N交替層積(層疊)240周期的全層厚度為1.2μm的n型超晶格包覆層104，厚度為0.1μm的n型GaN光導(dǎo)層105，由厚度為2nm的n型In0.15Ga0.85N量子阱層與厚度為5nm的n型In0.02Ga0.98N勢(shì)壘層交替層積4周期的多重量子阱結(jié)構(gòu)有源層106，厚度為20nm的p型Al0.2Ga0.8N層107，厚度為0.1μm的p型GaN光導(dǎo)層108，由厚度為2.5nm的p型GaN與厚度為2.5nm的Al0.14Ga0.86N交替層積120周期的全層厚度為0.6μm的p型超晶格包覆層109，厚度為0.05μm的p型GaN接觸層110，由Ni/Au兩層金屬構(gòu)成的p電極111，由Ti/Al兩層金屬構(gòu)成的n電極112。上部包覆層109與p型接觸層110通過腐蝕，被加工成寬度為3μm左右的帶狀脊形結(jié)構(gòu)113，通過脊形結(jié)構(gòu)113的頭部以外形成的SiO2膜114把電流只收縮在脊形結(jié)構(gòu)113部分狹窄通過。而且GaN基板101具有高電阻，所以通過腐蝕形成斷臺(tái)階115，露出n型接觸層102之后形成n電極112。
這個(gè)激光器以波長393nm激光振蕩，與以往110mA相比可以得到低的振蕩閾值電流。而且基板101上使用晶體缺陷少的GaN基板，與以往使用的藍(lán)寶石基板相比具有長的使用壽命。遠(yuǎn)視野中的激光束形狀形成有源層水平發(fā)射角(半值總寬)8度，垂直發(fā)射角(半值總寬)31度的橢圓形光束。作為光束的橢圓形狀指標(biāo)的縱橫比用垂直發(fā)射角/水平發(fā)射角表示，這個(gè)激光器中此值為3.9左右，是非常細(xì)長的橢圓形。
圖7為現(xiàn)有例2的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的截面簡(jiǎn)圖(例如S.Nagahama之外，Jpn.J.Appl.Phys.39(2000年)從L647頁至L650頁)。圖7中的氮化鎵激光器的構(gòu)成如下在厚度為150μm的GaN基板201上，厚度為5μm的n型Al0.05Ga0.95N接觸層202，厚度為0.1μm的n型In0.1Ga0.9N層203，由厚度為2.5nm的n型GaN與厚度為2.5nm的Al0.1Ga0.9N交替層積180周期的全層厚度為0.9μm的n型超晶格包覆層204，厚度為0.15μm的GaN光導(dǎo)層205，由厚度為4nm的In0.15Ga0.85N量子阱層與厚度為10nm的In0.02Ga0.98N勢(shì)壘層交替層積3周期的多重量子阱結(jié)構(gòu)有源層206，厚度為10nm的p型Al0.35Ga0.65N層207，厚度為0.15μm的GaN光導(dǎo)層208，由厚度為2.5nm的p型GaN與厚度為2.5nm的Al0.1Ga0.9N交替層積120周期的全層厚度為0.6μm的p型超晶格包覆層209，厚度為15nm的p型GaN接觸層210，由Ni/Au兩層金屬構(gòu)成的p電極211，由Ti/Al兩層金屬構(gòu)成的n電極212。上部包覆層209與p型接觸層210通過腐蝕，被加工成寬度為1.8μm左右的帶狀脊形結(jié)構(gòu)213，通過脊形結(jié)構(gòu)113的頭部以外形成的SiO2膜214把電流只壓縮在脊形結(jié)構(gòu)113部分。而且GaN基板201具有高電阻，所以通過腐蝕形成斷臺(tái)階215，露出n型接觸層202之后形成n電極212。
這個(gè)激光器以波長405nm激光振蕩，與以往23mA相比可以得到更低的振蕩閾值電流。而且基板201上使用比現(xiàn)有例1晶體缺陷更少的GaN基板201，得到更長的使用壽命。遠(yuǎn)視野中的激光束形狀形成有源層水平發(fā)射角(半值總寬)11.2度，垂直發(fā)射角(半值總寬)29.9度的橢圓形光束。本實(shí)施例中脊形結(jié)構(gòu)213的寬度減小至1.8μm，擴(kuò)大了水平發(fā)射角，但縱橫比為2.7左右，與現(xiàn)有例1一樣為非常細(xì)的橢圓形。
以上現(xiàn)有例中，代替以往藍(lán)寶石基板而使用晶體缺陷少的GaN基板，這樣的GaN基板將對(duì)于確保激光器的壽命是必須的。
如現(xiàn)有例1、2所示，以往GaN基板上氮化鎵激光器的垂直發(fā)射角接近30度，縱橫比各為較大的3.9、2.7?？v橫比大的激光束在圓形的準(zhǔn)直透鏡中變換成平行光時(shí)多數(shù)激光從透鏡露掉，激光的利用率非常低。圖8表示圓形的準(zhǔn)直透鏡預(yù)測(cè)激光器的全角度(孔徑張角)為15度時(shí)，水平發(fā)射角設(shè)定為10度的垂直發(fā)射角與光束利用率之間的關(guān)系。垂直發(fā)射角越大光束利用率越低，垂直發(fā)射角為30度(縱橫比3)時(shí)只能利用36％的激光。這樣因?yàn)楝F(xiàn)有例的激光束利用率低，為要提高光盤等記錄面的激光功率且加快記錄速度，所以有必要提高激光輸出功率，此時(shí)由于工作電流增加而使激光器的壽命會(huì)縮短。雖然可以用棱鏡等將橢圓形光束整形至圓形，但是導(dǎo)致光學(xué)部件的增加，不利于裝置的廉價(jià)化、小型化。為了減小縱橫比，可進(jìn)一步減小現(xiàn)有例2的脊形結(jié)構(gòu)寬度而擴(kuò)大水平發(fā)射角，但是減小脊形結(jié)構(gòu)寬度，空穴電流的收縮寬度也會(huì)減小，p型層的大電阻率的氮化鎵材料與脊形結(jié)構(gòu)寬度呈反比而元件電阻會(huì)增大。元件電阻的增大不僅導(dǎo)致工作電壓的上升，而且會(huì)減小調(diào)制帶寬，特別不利于光盤應(yīng)用。
如上所述，減小激光的縱橫比，而提高激光束的利用率雖然非常重要的，但是從抑制元件電阻的要求考慮不能壓縮脊形結(jié)構(gòu)寬度，所以必須減小垂直發(fā)射角。圖8中垂直發(fā)射角減小至20度(縱橫比2)、15度(縱橫比1.5)、10度(縱橫比1)時(shí)各自的光束利用率為51、63、79％，依次增加。
為減小垂直發(fā)射角，最好增加激光器包覆層的折射率，即減小平均Al的組成，拓寬激光器層厚方向的電場(chǎng)分布?，F(xiàn)有例1、2的超晶格包覆層其平均Al組成為0.07、0.05。所以制作了在層厚不變條件下把現(xiàn)有例1激光器的p包覆層替換為Al0.03Ga0.97N體的激光器(現(xiàn)有例3)。這個(gè)激光器振蕩閾值非常高，而且光輸出功率對(duì)電流的傾斜(斜率)非常低。對(duì)此原因的研究結(jié)果如下。圖9表示這個(gè)激光器的垂直方向遠(yuǎn)視野像。垂直發(fā)射角(半值總寬)大幅減小至現(xiàn)有例的一半左右為14度左右時(shí)，觀測(cè)到了尖峰圖形。
這個(gè)尖峰圖形是因?yàn)闃?gòu)成基板及n型接觸層的GaN的折射率比激光在由有源層、光導(dǎo)層、包覆層構(gòu)成的波導(dǎo)層中行進(jìn)時(shí)等效的折射率(以下稱為波導(dǎo)模等價(jià)折射率)大，一部分激光從基板及n型接觸層漏掉而產(chǎn)生的。這樣的折射率關(guān)系是氮化鎵半導(dǎo)體激光器的特殊情況。這樣的激光器發(fā)射光的發(fā)生作為發(fā)射損失，而增加激光器內(nèi)部損失。其結(jié)果，激光器振蕩閾值上升，斜率下降。而且如圖9所示，非常強(qiáng)的尖峰圖形在光盤裝置等光學(xué)系統(tǒng)中成為強(qiáng)雜散光的問題。
如上所述，為減小垂直發(fā)射角，提高包覆層的折射率，即減小平均Al組成的方法非常有效，但是抑制GaN基板及GaN接觸層的發(fā)射損失成了問題。定性來說基板與有源層之間的包覆層，現(xiàn)有例中若把n包覆層的厚度大幅擴(kuò)大而使GaN基板及GaN接觸層充分遠(yuǎn)離有源層，可以抑制發(fā)射損失，但是在氮化鎵半導(dǎo)體激光器的特殊情況中增大n包覆層的層厚時(shí)，存在容易發(fā)生裂紋的問題。

圖10表示利用實(shí)驗(yàn)方法求得的GaN基板上形成的AlGaN層的Al組成與晶體生長后發(fā)生裂紋的臨界膜厚之間關(guān)系。表示在任意Al組成中實(shí)線的層厚以下，不存在裂紋的問題。裂紋的原因是AlGaN與GaN的晶格常數(shù)差導(dǎo)致的畸變，Al組成越大畸變也越大，因此要減小臨界層厚。激光器的制作過程中晶體生長后即使沒有裂紋，也潛在畸變，所以熱處理工序、芯片化工序中存在發(fā)生新裂紋的傾向，因此n包覆層的膜厚最好比圖10中的實(shí)線要小。
如上所述，為了減小垂直發(fā)射角，而增大包覆層的折射率時(shí)，從抑制發(fā)射損失的要求考慮，需要增大n包覆層的厚度，與此相反，從抑制裂紋的要求考慮，需要減小n包覆層的厚度，出現(xiàn)折衷選擇的狀況。從而正確預(yù)測(cè)發(fā)射損失、包覆層折射率(或平均Al組成)與層厚的關(guān)系，明確適當(dāng)?shù)募す鈱咏Y(jié)構(gòu)成了課題。
而且現(xiàn)有例3的激光器中振蕩閾值的上升與斜率的減小，除了發(fā)射損失外，也加大了p電極損失。p電極由光吸收系數(shù)大的金屬構(gòu)成，而且根據(jù)形成方法，熱處理方法等，形成結(jié)構(gòu)不均一性或表面凹凸變大的散射體。p電極損失為這樣的吸收損失與散射損失之和。為減小p電極損失，定性來說增厚p包覆層，離有源層越遠(yuǎn)離越好，但在氮化鎵半導(dǎo)體激光器的特殊情況中，因?yàn)閜包覆層的電阻率高，所以增大層厚會(huì)出現(xiàn)元件電阻增大的問題。而且由于p包覆層在比較柔軟的InGaN有源層上形成，所以與n包覆層相比裂紋發(fā)生幾率小，但增加厚度時(shí)，仍然容易發(fā)生裂紋。如上所述，為了減小垂直發(fā)射角，而減小包覆層平均Al組成時(shí)，從抑制p電極損失要求考慮，需要需要增大n包覆層的厚度，與此相反，從抑制裂紋的要求考慮，需要減小n包覆層的厚度，出現(xiàn)了折衷選擇的狀況。從而正確預(yù)測(cè)p電極損失、p包覆層折射率(或平均Al組成)與層厚的關(guān)系，明確適當(dāng)?shù)募す鈱咏Y(jié)構(gòu)成了課題。
總結(jié)上述現(xiàn)有技術(shù)的課題。為了不減小脊形結(jié)構(gòu)寬度而減小縱橫比提高射線利用率時(shí)，需要減小垂直發(fā)射角，為此需要減小包覆層折射率(或平均Al組成)。但是因?yàn)閚包覆層在抑制裂紋損失的要求與抑制發(fā)射損失要求中存在折衷選擇的關(guān)系，所以正確預(yù)測(cè)發(fā)射損失、n包覆層折射率(或平均Al組成)與層厚的關(guān)系，明確適當(dāng)?shù)募す鈱咏Y(jié)構(gòu)成了課題。而且p包覆層在元件電阻及抑制裂紋的要求與抑制p電極損失中存在折衷選擇的關(guān)系，所以正確預(yù)測(cè)p電極損失、p包覆層折射率(或平均Al組成)與層厚的關(guān)系，明確適當(dāng)?shù)募す鈱咏Y(jié)構(gòu)成了課題。
本發(fā)明的目的在于明確上述課題，提供一種垂直發(fā)射角小且發(fā)射損失與p電極損失小的激光器結(jié)構(gòu)。這樣的激光器結(jié)構(gòu)，為使垂直發(fā)射角小，即使不減小脊形結(jié)構(gòu)寬度也可以實(shí)現(xiàn)小縱橫比，可以抑制元件電阻。
而且可以利用圖9所示的遠(yuǎn)視野像的尖峰圖形，評(píng)價(jià)(式1)中的等效折射率ne。除去尖峰外的發(fā)射圖形的峰值角度與尖峰的峰值角度之差θ(弧度單位)滿足如下關(guān)系式。sinθ=ns·sin[tan-1(ns2-ne2/ne)]]]>(式3)這個(gè)公式中利用實(shí)測(cè)的θ與GaN基板的折射率ns求得了等效折射率ne。等效折射率ne也可以根據(jù)激光的光譜中出現(xiàn)的共振器模波長間隔來估計(jì)，需要使用考慮折射率的波長分散的公式。利用尖峰的評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單且精度高。
估計(jì)除發(fā)射損失、p電極損失外的激光器內(nèi)部損失為10cm-1，因而需要將發(fā)射損失抑制在5cm-1以下。但是為將遠(yuǎn)視野像的尖峰的尖峰強(qiáng)度下降至與波導(dǎo)激光的尖峰強(qiáng)度的相同程度以下，需要抑制在2cm-1以下。這是為了避免尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光的重要問題。從而可以確定發(fā)射損失的抑制條件如下。
αr≤2cm-1(式3)(式1)中，波導(dǎo)模等效折射率ne、激光電場(chǎng)分布函數(shù)f(z)不僅受下部包覆層的平均折射率nc與層厚d1的影響，而且受到上部包覆層的平均折射率nc2，第一光導(dǎo)層的層厚h1，第二光導(dǎo)層的層厚h2的影響，但是上部包覆層(p包覆層)的影響小。以上說明了使用GaN基板的情況，即使使用GaN基板以外的基板，在下部包覆層的基板側(cè)具有GaN基底層的情況也是相同的。此時(shí)基底層的厚度優(yōu)選3μm以上，更加優(yōu)選10μm以上。
下面說明p電極損失的抑制。本發(fā)明對(duì)于p電極損失與激光層結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探討，結(jié)果導(dǎo)出了如下關(guān)系式。具有基板、和與其接觸的并由臨近基板側(cè)起層積的下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層的光波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，利用前述z坐標(biāo)系中激光電場(chǎng)分布函數(shù)f(z)與p電極的基板側(cè)界面的z坐標(biāo)zp，p電極損失ap可以用下式表達(dá)。ap≅K·αmetal·[∫-∞zpf*(z)f(z)dz/∫-∞+∞f*(z)f(z)dz]=K·αmetal·Γp]]>(式4)αmetal為最接近有源層的p電極金屬的光吸收系數(shù)，隨金屬各不相同，一般為50萬-100萬cm-1左右，Γp是p電極的吸收系數(shù)為αmetal時(shí)，求得的p電極內(nèi)的激光器波導(dǎo)模光截留系數(shù)。
K為上式中特征的參數(shù)，表示p電極吸收系數(shù)的等效增加因子。根據(jù)本發(fā)明的探討，發(fā)現(xiàn)即使使用相同電極金屬，K值根據(jù)p電極的制作方法等通常在1-3的范圍內(nèi)變化。在p電極形成過程中，使電極電阻及接觸電阻的減小成了重要的技術(shù)課題。為了解決這個(gè)問題，需要適當(dāng)設(shè)定電極形成條件和熱處理?xiàng)l件。本發(fā)明的探討明確了如果采用這樣的條件，一般導(dǎo)致p電極粗糙度增大，即使根據(jù)以往公知的上述αmetal值，估計(jì)p電極損失ap，也與正確值背離。其原因并不是十分明確，但可以推測(cè)結(jié)構(gòu)不完全性成了光散亂的原因，使實(shí)效吸收系數(shù)上升。
因此本發(fā)明者，通過采用如上述K構(gòu)成的參數(shù)，得到了估計(jì)比以往正確的p電極損失的公式。在這里為了安全取了K＝3的值。估計(jì)除發(fā)射損失、p電極損失外的激光器內(nèi)部損失為10cm-1，因而需要將發(fā)射損失抑制在5cm-1以下。即p電極損失的抑制條件如下αp≤5cm-1(式5)激光電場(chǎng)分布函數(shù)f(z)受到下部包覆層的平均折射率nc、上部包覆層的平均折射率nc2、第一光導(dǎo)層的層厚h1、第二光導(dǎo)層的層厚h2的較強(qiáng)影響，但是n包覆層厚的影響較小。而且基板不論是什么樣的基板都可適用(式4)、(式5)。
由上所述得到了用于抑制發(fā)射損失與p電極損失的層結(jié)構(gòu)條件。下面說明作為本發(fā)明的最大目的垂直發(fā)射角的減小。圖5中，設(shè)具有與下部包覆層(n包覆層)的平均折射率相同的折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層(p包覆層)的平均折射率相同的折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y，計(jì)算了垂直發(fā)射角與x之間關(guān)系。圖中表示了(a)y-x＝0時(shí)(實(shí)線)(b)y-x＝0.02時(shí)(虛線)(c)y-x＝0.04時(shí)(點(diǎn)劃線)。光導(dǎo)層為GaN，第一光導(dǎo)層的層厚h1與第二光導(dǎo)層的層厚h2都為0.1μm。在這里考慮(式1)、(式3)、(式4)、(式5)，將下部包覆層、上部包覆層的層厚設(shè)定為充分大而使發(fā)射損失與p電極損失在1cm-1以下。圖中在x減小時(shí)，垂直發(fā)射角急速減小，在x比0.06小的區(qū)域中按(a)、(b)、(c)的順序急速減小。另一方面，因?yàn)榇怪卑l(fā)射角的減小意味著有源層的光截留系數(shù)減小，所以激光振蕩閾值會(huì)上升。圖5中在比(a)的x＝0.02小，比(b)、(c)的x＝0.03小時(shí)，振蕩閾值的計(jì)算值會(huì)急速增大。
從而，減小垂直發(fā)射角且用于抑制振蕩閾值上升的適當(dāng)?shù)膞區(qū)域?yàn)?a)中0.02≤x≤0.06，(b)、(c)中0.03≤x≤0.06。如(b)、(c)非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)在0.03≤x≤0.06區(qū)域中，與對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)相比容易減小垂直發(fā)射角，減小p包覆層的厚度，也可以抑制p電極損失，這些優(yōu)點(diǎn)的反面，也存在增大用于抑制發(fā)射損失的n包覆層厚度的缺點(diǎn)。而且，圖5中引導(dǎo)層的總層厚d1+d2設(shè)定為0.2μm，這個(gè)比0.15μm薄時(shí)，有源層的光截留系數(shù)會(huì)變得過小，即使在上述x的范圍內(nèi)，因振蕩閾值大而不具有實(shí)用性。而且垂直發(fā)射角具有隨著引導(dǎo)層的總層厚d1+d2變大而增大的傾向，所以不適合過于增大總層厚。實(shí)用時(shí)優(yōu)選總層厚在0.2-0.4μm的范圍內(nèi)。
如上所述，各自求得了用于抑制發(fā)射損失的激光層結(jié)構(gòu)條件、用于抑制p電極損失的激光層結(jié)構(gòu)條件、減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的激光層結(jié)構(gòu)條件。作為本發(fā)明這目的在于，為實(shí)現(xiàn)垂直發(fā)射角小且振蕩閾值與元件電阻小的激光器，滿足這些所有條件即可。
特別是對(duì)于光盤應(yīng)用中重要的波長380-420nm的激光器，具體求得這些層結(jié)構(gòu)，得到了下述(i)到(iv)表示的構(gòu)成。
(i)在由GaN構(gòu)成的基底層的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，按380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征在于，設(shè)在光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d1(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足如下條件。
0.15≤h、|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06及0.34x-0.49≤d1+2h(ii)在由AlGaN或GaN構(gòu)成的基板上，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，按380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征在于，設(shè)在光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d2(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足如下條件。
0.15≤h、|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06及0.21y-0.42≤d2+h(iii)在由GaN構(gòu)成的基底板的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，按380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征在于，設(shè)在光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d1(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足如下條件。
0.15≤h、y-x＞0.020.03≤x≤0.06及0.47x-0.5≤d1+4h(iv)在由AlGaN或GaN構(gòu)成的基板上，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征在于，設(shè)在光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d2(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足如下條件。
0.15≤h、y-x≥0.020.03≤x≤0.06及0.2y-0.33≤d2+0.5h而且，在上述(i)至(iv)中，對(duì)于下部包覆層和下限制層、電極的導(dǎo)電類型沒有特殊的限制，但是在下部包覆層為n型，上部包覆層、電極為p型時(shí)更適合本發(fā)明的適用。
上述(i)是在下部包覆層與上部包覆層具有幾乎相同折射率的對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)時(shí)，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，用于抑制發(fā)射損失的激光器層結(jié)構(gòu)條件。激光器層結(jié)構(gòu)的條件為在由GaN構(gòu)成的基底層的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，設(shè)其光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d1(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同的折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同的折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足上述條件。n型上部包覆層中重要的參數(shù)為折射率與層厚，折射率用與其有相同折射率的AlGaN體的Al組成替換。
在上述條件中0.15≤h、|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06的條件為減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的條件，而0.34x-0.49≤d1+2h的條件為發(fā)射損失在2cm-1以下的條件。表示發(fā)射損失的抑制條件中，可以忽略上部包覆層厚度的影響，x越小越有必要增大d1+2h，引導(dǎo)層厚度的增加具有相當(dāng)于下部包覆層的增加的2倍的效果。
上述(ii)為在下部包覆層與上部包覆層具有幾乎相同折射率的對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)時(shí)，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，用于抑制p電極損失的激光器層結(jié)構(gòu)條件。n型上部包覆層中重要的參數(shù)為折射率與層厚，折射率用與其有相同折射率的AlGaN體的Al組成替換。在上述條件中0.15≤h、|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06的條件為減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的條件，而0.21y-0.42≤d2+h的條件為p電極損失在5cm-1以下的條件。表示p電極損失的抑制條件可以忽略下部包覆層厚度的影響，y越小越有必要增大d2+h，引導(dǎo)層厚度的增加具有相當(dāng)于下部包覆層的增加的相同的效果。
上述(i)與(ii)優(yōu)選同時(shí)滿足，這樣可以得到減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下抑制發(fā)射損失與p電極損失的激光器。
上述(iii)為在上部包覆層的折射率比下部包覆層小的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)中減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)，用于抑制發(fā)射損失的激光器層結(jié)構(gòu)條件。在這樣的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)中，下部包覆層的折射率比較小的區(qū)域，與對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)相比，容易減小垂直發(fā)射角，減小上部包覆層(n包覆層)的厚度，也可以抑制p電極損失，這些優(yōu)點(diǎn)的反面，也存在增加用于抑制發(fā)射損失的n包覆層厚度的缺點(diǎn)。激光器層結(jié)構(gòu)條件如上所述。n型上部包覆層中重要的參數(shù)為折射率與層厚，折射率用與其有相同折射率的AlGaN體的Al組成替換。上述條件中0.15≤h、y-x＞0.020.03≤x≤0.06的條件為減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的條件，而0.47x-0.5≤d1+4h的條件為發(fā)射損失在2cm-1以下的條件。表示發(fā)射損失的抑制條件可以忽略上部包覆層厚度的影響，x越小越有必要增大d1+4h，引導(dǎo)層厚度的增加具有相當(dāng)于下部包覆層的增加的4倍的效果。
上述(iv)為在上部包覆層的折射率比下部包覆層小的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)中減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)，抑制p電極損失的激光器層結(jié)構(gòu)條件。這樣的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)中下部包覆層的折射率比較小的區(qū)域與對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)相比容易減小垂直發(fā)射角，p包覆層厚薄，也可以抑制p電極損失，這些優(yōu)點(diǎn)的反面，也存在增大用于抑制發(fā)射損失的n包覆層厚度的缺點(diǎn)。激光器層結(jié)構(gòu)條件如上所述。在上述條件中0.15≤h、y-x≥0.020.03≤x≤0.06的條件為減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的條件，而0.2y-0.33≤d2+0.5h的條件為p電極損失在5cm-1以下的條件。表示p電極損失的抑制條件可以忽略下部包覆層厚度的影響，y越小越有必要增大d2+0.5h，引導(dǎo)層厚度的增加具有相當(dāng)于下部包覆層的增加的一半效果。
上述(iii)與(iv)優(yōu)選同時(shí)滿足，這樣可以得到減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，抑制發(fā)射損失與p電極損失的激光器。
在上述(i)或(iv)的成結(jié)構(gòu)條件中，為了規(guī)定下部包覆層、上部包覆層的折射率使用與其有相同折射率的AlGaN體的Al組成。從而可以如技術(shù)方案5所述在下部包覆層及上部包覆層上使用AlGaN體，也可以使用如技術(shù)方案5所述的超晶格。而且除含有Al、Ga、N之外還可以含有In、B等其他元素。
在上述氮化鎵半導(dǎo)體激光器中，下部包覆層或上部包覆層可以由AlGaN體結(jié)晶構(gòu)成。這是因?yàn)榧す獾挠性磳哟怪狈较虬l(fā)射角為20度以下時(shí)，用(式1)表示發(fā)射損失為2cm-1以下的激光器層結(jié)構(gòu)條件，激光器振蕩波長在380-420nm以外時(shí)，也可以適用。激光的有源層垂直方向發(fā)射角在20度以下時(shí)，適用于DVD應(yīng)用時(shí)，光盤的盤面中的激光器功率達(dá)到現(xiàn)在所希望的標(biāo)準(zhǔn)，可以大幅提高位速度與傳輸速度。
而且，在上述氮化鎵半導(dǎo)體激光器中，下部包覆層或上部包覆層可以由將GaN層或AlGaN層交替層積多周期的超晶格構(gòu)成。這是因?yàn)榧す獾挠性磳哟怪狈较虬l(fā)射角在20度以下時(shí)，用(式4)表示p電極損失在5cm-1以下的激光器層結(jié)構(gòu)條件，激光器振蕩波長在380-420nm以外時(shí)，也可以適用。
而且發(fā)射損失的抑制條件、p電極損失的抑制條件包括各自下部包覆層厚、上部包覆層厚在一定值以上的條件，但為了抑制裂紋，優(yōu)選下部包覆層的厚度在圖10的實(shí)線以下的區(qū)域，更加優(yōu)選下部包覆層與上部包覆層的總層厚在圖10的實(shí)線以下區(qū)域。
而且本發(fā)明規(guī)定了有源層水平方向的位置處在激光分布中心位置附近的層厚方向的結(jié)構(gòu)。有源層水平方向的位置的結(jié)構(gòu)如現(xiàn)有例所示除了脊形結(jié)構(gòu)外，可以適用埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)、有源層彎曲型等其他結(jié)構(gòu)，也可以是充分使用與有源層水平方向的等價(jià)的折射率差的結(jié)構(gòu)。特別是埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以增大上述折射率之差，在得到接近圓形的光束時(shí)被優(yōu)選。
在這里，對(duì)于超晶格結(jié)構(gòu)的折射率預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)充?，F(xiàn)有例1、2的超晶格包覆層的平均組成各自與Al0.07Ga0.93N、Al0.05Ga0.95N相同。但是在根據(jù)激光器垂直發(fā)射角估計(jì)折射率時(shí)，各自相當(dāng)于Al0.14Ga0.86N、Al0.1Ga0.9N的折射率。超晶格層為將組成不同的2個(gè)薄膜層交替層積多周期的疊層，即使具有相同平均組成的超晶格層，隨2個(gè)薄膜層的厚度而其平均折射率大不相同。如果2個(gè)薄膜層的變厚，會(huì)接近與平均Al組成的AlGaN體相同的折射率，相反如果變薄，會(huì)因?yàn)榱孔咏亓粜Ч兂膳c平均Al組成的AlGaN體不同的折射率。平均折射率決定激光的分布形狀，所以平均組成一定的超晶格結(jié)構(gòu)，如果薄膜層的周期不同，會(huì)得到不同的激光分布，其結(jié)果垂直發(fā)射角也會(huì)不同。本發(fā)明中，因?yàn)榘矊佑门c其有相同折射率的AlGaN體的組成表示，所以即使由包覆層作為超晶格，也不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，垂直發(fā)射角為固定單值。
圖2為本發(fā)明中實(shí)施例1的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)視野像。實(shí)線為有源層垂直方向遠(yuǎn)視野像，虛線為有源層水平方向遠(yuǎn)視野像。
圖3為本發(fā)明中實(shí)施例7的化鎵半導(dǎo)體激光器的截面簡(jiǎn)圖。
圖4為本發(fā)明中實(shí)施例7的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)視野像。實(shí)線為有源層垂直方向遠(yuǎn)視野像，虛線為有源層水平方向遠(yuǎn)視野像。
圖5為設(shè)具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，表示垂直發(fā)射角計(jì)算值與x之間關(guān)系的圖。(a)y-x＝0時(shí)(實(shí)線)，(b)y-x＝0.02時(shí)(虛線)，(c)y-x＝0.04時(shí)(點(diǎn)劃線)。
圖6為現(xiàn)有例1的化鎵半導(dǎo)體激光器的截面簡(jiǎn)圖。
圖7為現(xiàn)有例2的化鎵半導(dǎo)體激光器的截面簡(jiǎn)圖。
圖8為表示激光的垂直發(fā)射角與光束利用率的關(guān)系的圖(圓形準(zhǔn)直透鏡預(yù)測(cè)激光器的全角度(孔徑張角)為15度，激光的水平發(fā)射角設(shè)定為10度)。
圖9為現(xiàn)有例3的化鎵半導(dǎo)體激光器的有源層垂直方向遠(yuǎn)視野像。
圖10為表示在GaN基板上形成的AlGaN層的Al組成與晶體生長后發(fā)生裂紋的臨界膜厚的實(shí)驗(yàn)值的關(guān)系的圖(表示在某一Al組成時(shí)實(shí)線的層厚以下不存在裂紋的問題)。
實(shí)施例1的激光器以波長402nm激光振蕩，能得到22mA的低振蕩閾值電流。圖2表示這個(gè)激光器的遠(yuǎn)視野像。實(shí)線為有源層的垂直方向，虛線為有源層的水平方向。形成了水平方向發(fā)射角(半值總寬)9.3度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)17.2度的橢圓形光束?？v橫比為1.84，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比，大幅減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光幾乎沒有影響。根據(jù)尖峰強(qiáng)度估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。而且在圖10中Al0.05Ga0.95N層發(fā)生的裂紋臨界膜厚為2μm，n包覆層2的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。n包覆層2與p包覆層7的總層厚也在上述臨界膜厚左右。其結(jié)果本實(shí)施例的激光器的很少發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為0.75μm，比現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)厚，但是由于Al組成低至0.05，所以體電阻下降，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)與現(xiàn)有例具有同等程度。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻與現(xiàn)有例2中激光器大致同等。[實(shí)施例2]實(shí)施例2的激光器，對(duì)于實(shí)施例1的層結(jié)構(gòu)中，除把n型Al0.05Ga0.95N包覆層2的層厚改為1.05μm，n型GaN光導(dǎo)層3的層厚改為0.2μm，p型Al0.05Ga0.95N包覆層7的層厚改為0.6μm之外，其余部分與實(shí)施例1相同。設(shè)光導(dǎo)層3的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層6的層厚為h2(μm)，n包覆層2的層厚為d1(μm)，n包覆層2的Al組成為x，p包覆層7的層厚為d2(μm)，p包覆層7的Al組成為y時(shí)，滿足前述(i)及(ii)的雙方條件。
這個(gè)激光器以波長402nm激光振蕩，能得到22mA的低振蕩閾值電流。遠(yuǎn)視野中激光器光束的形狀為水平方向發(fā)射角(半值總寬)9.6度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)19.9度的橢圓形光束。縱橫比為2.07，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比大幅減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光幾乎沒有影響。根據(jù)尖峰強(qiáng)度估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。本實(shí)施例中將光導(dǎo)層3的層厚增大至0.2μm，所以光導(dǎo)層整體中截留的激光比例會(huì)增加，n包覆層2的層厚比實(shí)施例1更薄，也可以抑制發(fā)射損失，而且p包覆層7的層厚比實(shí)施例1薄，也可以抑制p電極損失。而且在圖10中Al0.05Ga0.95N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為2μm，n包覆層2的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。n包覆層2與p包覆層7的總層厚也比上述臨界膜厚小，本實(shí)施例的激光器幾乎不發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為0.6μm，與現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)相同，但是Al組成為較低的0.05，所以體電阻下降，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)比現(xiàn)有例小。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻略微低于現(xiàn)有例2中激光器。[實(shí)施例3]實(shí)施例3的激光器，對(duì)于實(shí)施例1的層結(jié)構(gòu)中，除把n型包覆層2改為9μm層厚的Al0.03Ga0.97N層，p型包覆層7改為1μm層厚的Al0.03Ga0.97N層之外，其余部分與實(shí)施例1相同。設(shè)光導(dǎo)層3的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層6的層厚為h2(μm)，n包覆層2的層厚為d1(μm)，n包覆層2的Al組成為x，p包覆層7的層厚為d2(μm)，p包覆層7的Al組成為y時(shí)，滿足前述(i)及(ii)的雙方條件。
這個(gè)激光器以波長408nm激光振蕩，能得到26mA的低振蕩閾值電流。遠(yuǎn)視野中激光器光束的形狀為水平方向發(fā)射角(半值總寬)7.5度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)11.9度的橢圓形光束?？v橫比為1.59，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比大幅減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光幾乎沒有影響。根據(jù)尖峰強(qiáng)度估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。本實(shí)施例中因?yàn)闇p小了n包覆層2與p包覆層7的Al組成，包覆層中分布的激光比例會(huì)增加，因而使n包覆層2的層厚比實(shí)施例1厚而抑制發(fā)射損失，而且使p包覆層7的層厚比實(shí)施例1厚而抑制p電極損失。而且圖10中Al0.03Ga0.97N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為5μm，n包覆層2的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。n包覆層2與p包覆層7的總層厚也比上述臨界膜厚小，本實(shí)施例的激光器未發(fā)現(xiàn)發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為1μm，比現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)要厚，但是Al組成低至0.03，所以體電阻下降，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)與現(xiàn)有例大致相同。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻與現(xiàn)有例2中激光器大致相同。[實(shí)施例4]實(shí)施例4的激光器，對(duì)于實(shí)施例1的層結(jié)構(gòu)中，除把n型包覆層2改為1.5μm層厚的Al0.05Ga0.95N層，p型包覆層7改為0.55μm層厚的Al0.07Ga0.93N層之外，其余部分為與實(shí)施例1相同的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)。設(shè)光導(dǎo)層3的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層6的層厚為h2(μm)，n包覆層2的層厚為d1(μm)，n包覆層2的Al組成為x，p包覆層7的層厚為d2(μm)，p包覆層7的Al組成為y時(shí)，滿足前述(iii)與(iv)的雙方條件。
這個(gè)激光器以波長400nm激光振蕩，能得到21mA的低振蕩閾值電流。遠(yuǎn)視野中激光器光束的形狀為水平方向發(fā)射角(半值總寬)8.9度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)17.5度的橢圓形光束?？v橫比為1.96，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比大幅減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光而沒有影響。這個(gè)結(jié)構(gòu)為p包覆層7的折射率比n包覆層2的折射率小的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這樣的層結(jié)構(gòu)容易減小垂直發(fā)射角，此外，由于容易降低p包覆層中的光分布比例，具有p包覆層7的層厚小時(shí)也可以抑制p電極損失的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)遠(yuǎn)視野像估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。本實(shí)施例中特別是減小n包覆層2的Al組成的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由于n包覆層2中分布的激光比例的增加，使n包覆層2的層厚比實(shí)施例1厚而抑制發(fā)射損失。而且圖10中Al0.05Ga0.95N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為2μm，下部包覆層的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。本實(shí)施例的激光器幾乎不發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為0.55μm，與現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)大致相同，但是Al組成為0.07，所以體電阻程度相同，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)與現(xiàn)有例相同。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻與現(xiàn)有例2中激光器大致相同。[實(shí)施例5]實(shí)施例5的激光器，對(duì)于實(shí)施例1的層結(jié)構(gòu)中，除把n型包覆層2改為2.7μm層厚的Al0.03Ga0.97N層，p型包覆層7改為0.58μm層厚的Al0.05Ga0.95N層之外，其余部分為與實(shí)施例1相同的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)。設(shè)光導(dǎo)層3的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層6的層厚為h2(μm)，n包覆層2的層厚為d1(μm)，n包覆層2的Al組成為x，p包覆層7的層厚為d2(μm)，p包覆層7的Al組成為y時(shí)，滿足(iii)及(iv)的雙方條件。
這個(gè)激光器以波長399nm激光振蕩，能得到27mA的低振蕩閾值電流。遠(yuǎn)視野中激光器光束的形狀為水平方向發(fā)射角(半值總寬)5.6度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)10度的橢圓形光束?？v橫比為1.79，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比大幅減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光而沒有影響。這個(gè)結(jié)構(gòu)為p包覆層7的折射率比n包覆層2的折射率小的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)容易減小垂直發(fā)射角，此外，由于容易減小p包覆層中的光分布比例，而具有p包覆層7的層厚小時(shí)也可以抑制p電極損失的優(yōu)點(diǎn)。從根據(jù)遠(yuǎn)視野像估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。本實(shí)施例中為減小n包覆層2的Al組成的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由于n包覆層2中分布的激光比例的增加，使n包覆層2的層厚比實(shí)施例1厚而抑制發(fā)射損失。而且圖10中Al0.03Ga0.97N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為5μm，n包覆層的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。本實(shí)施例的激光器幾乎不發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為0.58μm，與現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)大致相同，但是Al組成為0.05，所以體電阻略小，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)比現(xiàn)有例小。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻比現(xiàn)有例2中激光器小。[實(shí)施例6]實(shí)施例6的激光器，對(duì)于實(shí)施例1的層結(jié)構(gòu)中，除把n型包覆層2改為1.5μm層厚的Al0.05Ga0.95N層，GaN光導(dǎo)層3的層厚改為0.2μm，p型包覆層7改為0.43μm層厚的Al0.09Ga0.91N層之外，其余部分為與實(shí)施例1相同的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)。設(shè)光導(dǎo)層3的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層6的層厚為h2(μm)，n包覆層2的層厚為d1(μm)，n包覆層2的Al組成為x，p包覆層7的層厚為d2(μm)，p包覆層7的Al組成為y時(shí)，滿足前述(iii)及(iv)的雙方條件。
這個(gè)激光器以波長406nm激光振蕩，能得到21mA的低振蕩閾值電流。遠(yuǎn)視野中激光器光束的形狀為水平方向發(fā)射角(半值總寬)9.3度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)21.2度的橢圓形光束?？v橫比為2.27，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比減小了縱橫比。遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度被抑制在波導(dǎo)模峰值強(qiáng)度的一半以下，因此尖峰在光學(xué)系統(tǒng)中作為雜散光幾乎沒有影響。根據(jù)遠(yuǎn)視野像估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。這個(gè)結(jié)構(gòu)為p包覆層7的折射率比n包覆層2的折射率小的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)，但是光導(dǎo)層的厚度增加到0.2μm，所以在光導(dǎo)層整體中所截留的激光的比例會(huì)增加，n包覆層2的層厚比較薄，也可以抑制發(fā)射損失，而且p包覆層7的層厚比較薄，也可以抑制p電極損失。而且圖10中Al0.05Ga0.95N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為2μm，n包覆層的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。本實(shí)施例的激光器幾乎不發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層7的層厚為0.43μm，比現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)小，但是Al組成為0.09，所以體電阻略大，p包覆層7對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)與現(xiàn)有例大致相同。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻與現(xiàn)有例2中激光器大致相同。[實(shí)施例7]實(shí)施例1～6的半導(dǎo)體激光器在有源層的上部形成脊形結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了有源層水平方向的有效的折射率差。這個(gè)結(jié)構(gòu)，特別是如實(shí)施例4～6的非對(duì)稱包覆層結(jié)構(gòu)中，n包覆層2側(cè)光分布改變，所以有源層水平方向的有效折射率差不設(shè)計(jì)得大，水平發(fā)射角不能充分變大。因此為了進(jìn)一步減小實(shí)施例5的激光器的縱橫比，制作了埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)型激光器。
圖3為本發(fā)明的氮化鎵半導(dǎo)體激光器的實(shí)施例7的截面簡(jiǎn)圖(實(shí)施例7)。圖3中本發(fā)明的氮化鎵半導(dǎo)體激光器構(gòu)成如下在厚度為100μm的GaN基板21上，厚度為2.7μm的n型Al0.03Ga0.97N包覆層22，厚度為0.1μm的GaN光導(dǎo)層23，由厚度為3nm的n型In0.15Ga0.85N量子阱層與厚度為5nm的In0.02Ga0.98N勢(shì)壘層交替層積3周期的多重量子阱結(jié)構(gòu)有源層24，厚度為10nm的p型Al0.2Ga0.8N層25，厚度為0.1μm的GaN光導(dǎo)層26，厚度為0.58μm的p型Al0.05Ga0.95N包覆層27，厚度為15nm的p型GaN接觸層28，由Ni/Au兩層金屬構(gòu)成的p電極29，在n型GaN基板的背面形成的由Ti/Al兩層金屬構(gòu)成的n電極30。n包覆層22的一部分，光導(dǎo)層23，有源層24，p型Al0.2Ga0.8N層25，光導(dǎo)層26，上部包覆層27，p型接觸層28通過腐蝕被加工成寬度為2μm的帶狀臺(tái)面結(jié)構(gòu)31，除臺(tái)面31的頭部以外通過選擇性形成的高電阻Al0.05Ga0.95N電流收縮層32，電流只收縮在臺(tái)面結(jié)構(gòu)31部分。因?yàn)殡娏魇湛s層32具有比有源層及光導(dǎo)層低的折射率，所以也具有有源層水平方向的光截留的作用。設(shè)光導(dǎo)層23的層厚為h1(μm)，光導(dǎo)層26的層厚為h2(μm)，n包覆層22的層厚為d1(μm)，n包覆層22的Al組成為x，上部包覆層27的層厚為d2(μm)，上部包覆層27的Al組成為y時(shí)，滿足前述(iii)及(iv)的雙方條件。
實(shí)施例7的激光器以波長410nm激光振蕩，能得到26mA的低振蕩閾值電流。圖4表示這個(gè)激光器的遠(yuǎn)視野像。實(shí)線為有源層垂直方向，虛線為有源層水平方向。形成了水平方向發(fā)射角(半值總寬)9.8度，垂直方向發(fā)射角(半值總寬)10.8度的接近圓形的光束。縱橫比為1.1，與現(xiàn)有例1的3.9、現(xiàn)有例2的2.7相比大幅減小了縱橫比。根據(jù)遠(yuǎn)視野像的尖峰強(qiáng)度估計(jì)的發(fā)射損失為0.5cm-1，從根據(jù)激光器斜率估計(jì)的總內(nèi)部損失減去發(fā)射損失與層吸收損失而估計(jì)的p電極損失為2cm-1，可以將發(fā)射損失與p電極損失抑制在非常小的值。而圖10中Al0.03Ga0.97N層發(fā)生裂紋的臨界膜厚為5μm，n限制層22的層厚遠(yuǎn)小于這個(gè)值。本實(shí)施例的激光器幾乎不發(fā)生裂紋。本實(shí)施例中激光器的p包覆層27的層厚為0.58μm，與現(xiàn)有例1、2中激光器的p型超晶格包覆層109、209(層厚為0.6μm)大致相同。但是Al組成為0.09，所以體電阻略小，p包覆層27對(duì)于元件電阻的貢獻(xiàn)比現(xiàn)有例小。而且脊形結(jié)構(gòu)寬度為2μm，元件電阻比現(xiàn)有例2中激光器小。發(fā)明效果如上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器為以波長380nm至420nm振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，通過采用前述(i)及(iii)的構(gòu)成，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，可以將發(fā)射損失抑制在2cm-1以下。而且通過采用(ii)及(iv)的構(gòu)成，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，可以將p電極損失抑制在5cm-1以下。而且通過采用前述(i)及(ii)的構(gòu)成，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，可以將發(fā)射損失抑制在2cm-1以下，也可以將p電極損失抑制在5cm-1以下。而且通過采用(iii)及(iv)的構(gòu)成，減小垂直發(fā)射角且不過于減小有源層光截留系數(shù)的狀況下，可以將發(fā)射損失抑制在2cm-1以下，也可以將p電極損失抑制在5cm-1以下。
以上結(jié)果，不必將脊形結(jié)構(gòu)寬度減小至2μm以下而可以減小縱橫比，水平方向光截留結(jié)構(gòu)在脊形結(jié)構(gòu)中的縱橫比為2左右，在埋入式異質(zhì)結(jié)構(gòu)中縱橫比為1左右(接近圓形)。而且n包覆層的層厚包括比如圖10所示發(fā)生裂紋的臨界膜厚充分小的區(qū)域，所以可以抑制裂紋。以上結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)縱橫比小，工作電流及元件電阻低，裂紋發(fā)生少且成品率高的400nm波段氮化鎵半導(dǎo)體激光器。
以380-420nm以外的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，如果滿足(v)、(vi)的條件，垂直發(fā)射角為20度以下，可以將發(fā)射損失抑制在2cm-1以下，也可以將p電極損失抑制在5cm-1以下。而且如果滿足(v)、(vi)的條件垂直發(fā)射角為20度以下，可以將發(fā)射損失抑制在2cm-1以下且將p電極損失抑制在5cm-1以下。
而且上述實(shí)施例1乃至7的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，說明了作為基板使用了n型GaN基板的情況，但對(duì)于抑制發(fā)射損失，在使用其他基板時(shí)，在下部包覆層與基板之間具有優(yōu)選3μm以上層厚的GaN基底層的激光器也同樣可以適用本發(fā)明。而且說明了n型或上部包覆層為AlGaN時(shí)的情況，但也可以含有超晶格結(jié)構(gòu)或In、B等Al、Ga、N以外的元素，平均折射率相同的AlGaN體的Al組成與層厚要滿足權(quán)利要求的條件。而且也可以如現(xiàn)有例1及2所述在GaN層與下部包覆層之間插入0.1μm左右薄的InGaN防止裂紋層，可以視為與不存在InGaN防止裂紋層相同。這是因?yàn)镮nGaN防止裂紋層對(duì)于n包覆層、p包覆層的光分布沒有太大影響。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在由GaN構(gòu)成的基底層的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩，其特征在于，設(shè)光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d1(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)滿足條件0.15≤h|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06及0.34x-0.49≤d1+2h。
2.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在由AlGaN或GaN構(gòu)成的基板上，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩，其特征在于，設(shè)光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，上部包覆層的層厚為d2(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足條件0.15≤h|x-y|≤0.020.02≤x≤0.06及0.21y-0.42≤d2+h。
3.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在由GaN構(gòu)成的基底板的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩，其特征在于，設(shè)光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d1(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足條件0.15≤hy-x＞0.020.03≤x≤0.06及0.47x-0.5≤d1+4h。
4.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在由AlGaN或GaN構(gòu)成的基板上，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層，以380nm以上420nm以下的波長振蕩，其特征在于，設(shè)光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層的層厚為d2(μm)，具有與下部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為x，具有與上部包覆層的平均折射率相同折射率的AlGaN體結(jié)晶的Al組成為y時(shí)，滿足條件0.15≤hy-x≥0.020.03≤x≤0.06及0.2y-0.33≤d2+0.5h。
5.權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征是下部包覆層或上部包覆層由AlGaN體結(jié)晶構(gòu)成。
6.權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述氮化鎵半導(dǎo)體激光器，其特征是下部包覆層或上部包覆層為將GaN層與AlGaN層交替層積多個(gè)周期的超晶格。
7.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在由GaN構(gòu)成的基底板的上部，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層的光波導(dǎo)層構(gòu)造，其特征在于，激光的有源層垂直方向發(fā)射角為20度以下，而且設(shè)前述GaN基板的折射率為ns，下部包覆層的平均折射率為nc，激光器振蕩光在上述光波導(dǎo)層構(gòu)造中行進(jìn)的等效折射率為ne，以上述光波導(dǎo)層構(gòu)造的GaN基板方向?yàn)檎膶雍穸确较蜃鴺?biāo)為z，該z坐標(biāo)系中激光電場(chǎng)分布函數(shù)為f(z)，下部包覆層鄰近前述GaN基板一側(cè)的界面的z坐標(biāo)為zo時(shí)，滿足條件ns2-ne2ne·4(ne2-nc2)ns2-nc2·[|f(z0)|2/∫-∞+∞f*(z)f(z)dz]≤2cm-1]]>。
8.一種氮化鎵半導(dǎo)體激光器，具有在AlGaN或GaN構(gòu)成的基板上，按下部包覆層、有源層、上部包覆層及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層的光波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)，其特征在于，激光的有源層垂直方向發(fā)射角為20度以下，而且設(shè)激光器波導(dǎo)模的前述p電極的光截留系數(shù)為Γp，構(gòu)成前述p電極的金屬中最接近有源層的金屬的光吸收系數(shù)為αmetal時(shí)，滿足條件3·αmetal·Γp≤5cm-1。
全文摘要
本發(fā)明提供可以發(fā)射接近圓形的基本橫模的激光且工作電流及元件電阻低的氮化鎵半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。在GaN構(gòu)成的基底層的上部，按下部包覆層2、有源層4、上部包覆層7及電極的順序?qū)臃e，在有源層與下部包覆層之間和/或前述有源層與上部包覆層之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上的光導(dǎo)層1，以380nm以上420nm以下的波長振蕩的氮化鎵半導(dǎo)體激光器，在設(shè)光導(dǎo)層的總層厚為h(μm)，下部包覆層2的層厚為d
文檔編號(hào)H01S5/227GK1405937SQ02141658
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2002年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月7日
發(fā)明者仁道正明, 倉本大, 山口敦史 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社