[发明专利]III－V氮化物半导体激光器件

说明书

发明的背景

1.技术领域

本发明涉及一种氮化物半导体激光器件。

2.相关的技术说明

SCH(分别约束(confinement)异质结构)是一种在半导体激光二极管中广泛应用的结构。在SCH激光二极管中，注入载体通过在激活层和光波导层之间的接口的能带阶跃(band step)被约束(confined)到激活层，而光场通过在光波导层和包覆层之间的接口的折射率阶跃被约束在光波导层和激活层。在由III-V氮化物半导体组成的激光二极管中，III-V氮化物由式(Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN(0≤x≤1，0≤y≤1)来表示，采用SCH，并且，激光二极管由普通的半导体组成。然而，在III-V氮化物半导体激光二极管中获得良好的光场是困难的，因为为了光约而获得束具有充足厚度和Al摩尔份数的高质量Al_xGa_1-x外延层是困难的。因此，III-V氮化物半导体激光器件的阈值电流密度和FFP(远场图形)比由普通半导体组成的激光二极管的更低，原因是其不良的光学约束。

如图1所示，普通的III-V氮化物半导体激光二极管具有在单晶蓝宝石的基片1上外延生长的多层结构。

外延层的组成是：在低温下生长的GaN或AlN缓冲层2，n型GaN基层3，n型AlGaN包覆层4，n侧(side)GaN光波导(optical guiding)层5，基本上由InGaN组成的激活层6，AlGaN电子阻挡层7，p侧(side)GaN光波导层8，p型AlGaN包覆层9，和p型GaN接触层10。

n-电极12a和p电极12b通过绝缘层11的窗口分别被沉积在基层3和接触层10上。为了获得高质量的和平滑的单晶层，缓冲层2首先生长在蓝宝石基片1上。基层3被生长作为n电极的接触层，因为蓝宝石基片1是一个绝缘体。

如上所述，普通的SCH III-V氮化物半导体激光二极管的光约束通过：(1)增加包覆层4的厚度，或(2)降低包覆层4的折射率，可以得到改善。

对于所使用的方案(1)，这种情况是：具有比GaN更小的晶格常数的AlGaN的包覆层4被形成在GaN的基层3上，拉伸应力产生在包覆层4的内部。这使得更容易形成裂纹。当包覆层4的厚度变得大时，该趋势变得特别地突出。包覆层4中的这些裂纹降低了激光二极管的发射特性。

生长在基层3和包覆层4之间的应变松弛层(未示出)使晶格的不匹配松弛。采用应变松弛层，可减少包覆层4中的裂纹，并且能获得更厚的包覆层4。例如，应变松弛层由InGaN作成，厚度大约是0.1-0.2μm。然而，用于松弛晶格不匹配的形变能量作为一种应变而储存在应变松弛层中，明显地降低了应变松弛层的晶体质量。此外，储存在应变松弛层的应变产生新的位错，它降低了激活层中的光增益。因此，其阈值电流密度增加。

而且，方案(1)的不利之处还在于：增加了包覆层4的生长时间以及增加了其厚度，这样，就增加了生产成本。

根据方案(2)，包覆层4的折射率通过增加包覆层4中Al的摩尔份数能被降低。当该Al摩尔份数增加时，AlGaN的晶格常数降低。结果是，更大的拉伸应力作用在包覆层4上，在包覆层4中产生裂纹。

除了方案(1)和(2)之外，还有另一种方案，它通过增加波导层5的折射率来改善光约束，而不会降低包覆层4的折射率。例如，即使微量的In就能增加相当的折射率。具有高折射率的光波导层5能改善光约束，而不增加包覆层4的厚度。

当InGaN通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长时，几乎是V型断面的坑(pits)出现在该表面上。这些坑从下层中的位错开始产生，并与所生长的InGaN的厚度成比例地生长。为了改善激活层6的光约束，该光波导层5应当具有一定厚度。因此，在光波导层5的表面上出现很大的坑。即使生长在具有大坑的光波导层5之上的激活层6具有扁平表面，但在波导区域内被引导的光也包括激活层6，光波导层5和光波导层7通过大坑散射。这样，大坑的出现引起激光特性的恶化。换言之，当光波导层采用InGaN来增加光波导层的折射率时，它也增加了散射损失，这样导致阈值电流密度的增加。

发明的目的和概述

因此，本发明的目的是提供一种半导体激光器件，它具有优良的发射特性，而不会增加生产成本。