專(zhuān)利名稱(chēng)：氮化物半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用由氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底的氮化物半導(dǎo)體激光器。
另一方面，如發(fā)明人在Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)第L899至902頁(yè)中或NEC Research and Development(NEC研究和開(kāi)發(fā))vol.41(2000)No.1第74-85頁(yè)所述，通過(guò)稱(chēng)為FIELO(Facet-Initiated EpitaxialLateral Overgrowth小平面開(kāi)始的外延橫向過(guò)度生成)的方法將襯底或有源層全面地降低位錯(cuò)密度而獲得了成功。在FIELO中，與ELOG同樣地在藍(lán)寶石襯底上的GaN膜上形成帶狀的SiO2膜(掩模)，通過(guò)氫化物腐蝕氣相生長(zhǎng)而選擇生長(zhǎng)，從而能夠使貫通位錯(cuò)歪斜，不會(huì)象ELOG那樣產(chǎn)生位錯(cuò)密度高的區(qū)域?？梢匀娼档鸵r底的位錯(cuò)密度。使用這樣得到的低位錯(cuò)密度的n-GaN襯底制作氮化物半導(dǎo)體激光器的例子如圖9所示。如圖中所示的那樣，在低位錯(cuò)密度的n-GaN襯底21上依次生長(zhǎng)Si摻雜n型Al0.1Ga0.9N(硅濃度為4×1017cm-3、厚度為1.2μm)構(gòu)成的n型覆蓋層22、Si摻雜n型GaN(硅濃度為4×1017cm-3、厚度為0.1μm)構(gòu)成的n型光封閉層23、In0.2Ga0.8N(厚度為3nm)阱層和硅摻雜n型In0.05Ga0.95N(硅濃度為5×1018cm-3、厚度為5nm)阻擋層構(gòu)成的多量子阱層14(阱數(shù)為3)、Mg摻雜p型In0.2Ga0.8N蓋層25、Mg摻雜p型GaN(Mg濃度為2×1017cm-3、厚度為0.1μm)構(gòu)成的p型光封閉層26、Mg摻雜p型Al0.1Ga0.9N(Mg濃度為2×1017cm-3、厚度為0.5μm)構(gòu)成的p型覆蓋層27、Mg摻雜p型GaN(Mg濃度為2×1017cm-3、厚度為0.1μm)構(gòu)成的p型接觸層28，形成LD構(gòu)造。激光器構(gòu)造的形成用200hPa的減壓MOVPE(有機(jī)金屬氣相外延)裝置進(jìn)行。氮原料中使用的氨的分壓為147hPa、Ga、Al、In材料使用TMG、TMA、TMI。生長(zhǎng)溫度在InGaN構(gòu)成的多量子阱有源層24中為780℃，其它的層中都以1050℃進(jìn)行。通過(guò)干腐蝕將包含p型覆蓋層27及其后的p型接觸層28的臺(tái)面模具29部分地留下后，形成SiO2絕緣膜30。而且，通過(guò)曝光技術(shù)將臺(tái)面部分的頭露出，形成脊構(gòu)造。在n型襯底內(nèi)形成由Ti/Al構(gòu)成的n電極31，在p接觸上，形成由Ni/Au構(gòu)成的p電極32。通過(guò)劈開(kāi)而形成共振器端面，只對(duì)單面以TiO2/SiO2進(jìn)行高反射的涂覆(反射率95％)，而兩面以TiO2/SiO2進(jìn)行高反射的涂覆(反射率95％)，形成兩個(gè)元件。所得到的半導(dǎo)體激光的閾值電流密度在單面涂層為3.0kA/cm2、而在雙面涂層為1.5kA/cm2。
如上所述的現(xiàn)有技術(shù)例所示那樣，在氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色激光元件中，通常InGaN量子阱用于有源層中。但是，在結(jié)晶生長(zhǎng)中制作質(zhì)地均勻的InGaN混晶膜是不容易的，在InGaN量子阱有源層中，要考慮混晶組成發(fā)生波動(dòng)的情況。根據(jù)以往的半導(dǎo)體器件的常識(shí)，這種組成波動(dòng)成為器件特性惡化的主要因素，是要完全根除的。但是，在氮化物半導(dǎo)體激光器中，據(jù)稱(chēng)通過(guò)相反的組成波動(dòng)而實(shí)現(xiàn)了特性良好的元件。例如，秩父等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2346(1997)中推測(cè)，根據(jù)InGaN量子阱的陰極發(fā)光(CL)圖像的觀察結(jié)果考察In組成波動(dòng)及載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，與以往的半導(dǎo)體材料相比，之所以在位不同的缺陷密度高的氮化物中實(shí)現(xiàn)高的發(fā)光效率，是因?yàn)楫a(chǎn)生的電子(或正的空穴)的勢(shì)能波動(dòng)將載流子束縛，抑制了向非輻射中心的載流子捕獲的緣故。如果該研究正確，則不降低缺陷密度也可以加大組成波動(dòng)，從而提高發(fā)光效率，有望提高器件特性。但是，由于激光元件中光學(xué)增益與器件特性相關(guān)，通過(guò)In組成波動(dòng)引起的狀態(tài)密度變化使增益特性變大，情況復(fù)雜。例如Chow等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2608(1997)中在理論上預(yù)測(cè)，由于組成波動(dòng)增益頻譜的寬度變大，因此通過(guò)波動(dòng)增益峰值下降，而提高了閾值電流密度。
另一方面，作為有源層的In組成波動(dòng)的技術(shù)，在特開(kāi)平11-340580號(hào)公報(bào)中，通過(guò)提高從光致發(fā)光(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“PL”)峰值波長(zhǎng)分布測(cè)定的有源層內(nèi)的組成均勻性，可以防止多波長(zhǎng)振蕩。在該公報(bào)中，與以往的半導(dǎo)體激光器的技術(shù)水平相關(guān)，說(shuō)明“知道InGaN混晶非常地混亂，并且非混晶區(qū)域大，而且在In組成比為0.2以下的小區(qū)域中，伴隨著In組成比的增加，存在組成分離的比例變大的問(wèn)題。結(jié)果是，在In組成比為0.15左右的InGaN層中，在200μm左右的宏區(qū)域中看到的光致發(fā)光(PL)頻譜的半值寬度反映出通過(guò)組成分離的結(jié)晶內(nèi)不均勻非常大，良好的結(jié)晶也為150meV?！睂?duì)此，在該公報(bào)記載的半導(dǎo)體激光器使用品質(zhì)良好的SiC襯底，通過(guò)調(diào)整結(jié)晶生長(zhǎng)的速度，可以將PL峰值波長(zhǎng)分布降低為90meV，顯示出防止了多波長(zhǎng)的振蕩。
但是在該公報(bào)記載的技術(shù)中，對(duì)降低PL峰值波長(zhǎng)分布的半導(dǎo)體激光器的說(shuō)明只是停留在PL峰值波長(zhǎng)分布約90meV，沒(méi)有對(duì)其以下的波動(dòng)的半導(dǎo)體激光器作具體說(shuō)明。即，象在進(jìn)一步降低PL峰值波長(zhǎng)分布的情況下會(huì)給予激光特性怎樣的影響這樣的問(wèn)題并沒(méi)有說(shuō)明。
這樣，還沒(méi)有對(duì)In組成波動(dòng)影響激光特性的效果有更為綜合的理解，沒(méi)有解決激光器的有源層在InGaN量子阱中組成波動(dòng)是怎樣的等基本的疑問(wèn)。
這方面，藍(lán)色激光的用戶(hù)最為引人注意，其具有對(duì)DVD等光盤(pán)的寫(xiě)入和讀入的光源的用途。藍(lán)色激光的光輸出在讀入時(shí)為3mW左右的輸出，在寫(xiě)入時(shí)需要30mW左右的輸出。這樣，在DVD-RAM等上裝載的激光(以下稱(chēng)為高輸出規(guī)格激光)中，伴隨著寫(xiě)入，最好僅在用于得到30mW的高的光輸出的共振器鏡面的單面(光射出側(cè)和背側(cè)的面)進(jìn)行高反射的涂覆。而且，在不進(jìn)行讀入的DVD-ROM和便攜式DVD播放器等所裝載的激光(以下稱(chēng)為低輸出規(guī)格激光)中，由于在低輸出動(dòng)作中的閾值電流密度下降，所以最好是兩個(gè)共振器鏡都進(jìn)行高反射的涂覆(以下稱(chēng)為HR涂覆)。
在高輸出規(guī)格的激光中，在70℃時(shí)，需要在30mW輸出5000小時(shí)以上的元件壽命。與此相反，如中村等人在JSAPInternational No.1pp.5-17(2000)中所述，到目前為止，即使是在60℃時(shí)以30mW輸出500小時(shí)左右以上的元件都還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。如果能降低30mW時(shí)的動(dòng)作電流，則可以延長(zhǎng)元件的壽命，因此今后需要更低閾值的高輸出激光。
此外，在低輸出規(guī)格的激光中，考慮到其在使用電池作為電源的便攜式DVD播放器中的用途，要求消耗的電力少。因此，首先第一必須降低作為激光的基本特性的閾值電流密度。但是，在氮化物半導(dǎo)體激光器中，象以往的其它半導(dǎo)體激光器那樣，還沒(méi)有小于1kA/cm2的閾值電流密度的報(bào)道，而目前的狀況仍然是閾值電流密度較高。
如以上所述那樣，藍(lán)色激光根據(jù)其用途不同而采用不同的式樣和構(gòu)成。
本發(fā)明是鑒于這樣的背景而作出的。本發(fā)明的目的是與高輸出規(guī)格、低輸出規(guī)格等半導(dǎo)體激光器的各形式分別對(duì)應(yīng)，高度地控制有源層的In組成波動(dòng)和帶隙能量的波動(dòng)，由此提供將閾值電流密度大大降低的方法。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75～200meV。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，每一個(gè)量子阱的閾值模式增量是12cm-1以下，上述有源層微分增益dg/dn的范圍是0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，內(nèi)部損失αi[cm-1]是αi≤12×n-αm(共振器端面的鏡面損失為αm[cm-1])，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75～200meV。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，內(nèi)部損失αi[cm-1]是αi≤12×n-αm(共振器端面的鏡面損失為αm[cm-1])，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn ≤0.7×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75～200meV。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，共振器長(zhǎng)度大于200μ m，共振器端面的兩面具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，發(fā)光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75～200meV。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，共振器長(zhǎng)度大于200μm，共振器端面的兩面具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，發(fā)光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75～200meV。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
根據(jù)[9]或[10]所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以下。
根據(jù)[1]～[11]任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是8cm-1以下。
根據(jù)[1]～[12]任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，量子阱的阱數(shù)是3以下。
根據(jù)[1]～[13]任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述襯底是表面位錯(cuò)密度為108個(gè)/cm2以下的氮化鎵半導(dǎo)體的襯底。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以上，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以上，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，內(nèi)部損失αi[cm-1]是αi＞12×n-αm(共振器端面的鏡面損失為αm[cm-1])，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，內(nèi)部損失αi[cm-1]是αi＞12×n-αm(共振器端面的鏡面損失為αm[cm-1])，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率
αm鏡面損失，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，共振器長(zhǎng)度小于1mm，在共振器端面中，激光射出方向側(cè)的共振器端面不具有涂膜，露出上述有源層、或者具有反射率20％以下的涂膜，在與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面，具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，發(fā)光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，共振器長(zhǎng)是1mm以下，共振器端面中，激光射出方向側(cè)的共振器端面，不具有涂膜，露出上述有源層、或者具有反射率20％以下的涂膜，在與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面，具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，發(fā)光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，上述有源層微分增益dg/dn的范圍是dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
根據(jù)權(quán)利要求15～22任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下。
根據(jù)權(quán)利要求15～23任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述襯底是位錯(cuò)密度為108個(gè)/cm2以下的氮化鎵半導(dǎo)體的襯底。
上述氮化物半導(dǎo)體激光器中，[1]～[14]適合用于低輸出規(guī)格、低耗電的半導(dǎo)體激光器。將此激光器用于如DVD的用途時(shí)，適合于讀入專(zhuān)用的便攜式裝置等。另一方面，[15]～[24]適合用于高輸出規(guī)格的半導(dǎo)體激光器。將此激光器用于如DVD的用途時(shí)，適合于可寫(xiě)入的便攜式裝置等。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3meV時(shí)的增益光譜；圖2是波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75meV時(shí)的增益光譜；圖3是表示對(duì)于具有各種波動(dòng)(σg)的InGaN量子阱的最大光學(xué)增益的載流子密度依存性的計(jì)算結(jié)果的圖；圖4是表示閾值電流密度的波動(dòng)依存性的圖；圖5是表示閾值電流密度的波動(dòng)依存性的圖；圖6是表示計(jì)算波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與微分增益的關(guān)系的結(jié)果的圖；圖7是表示載流子密度和非輻射再結(jié)合壽命的關(guān)系的圖；圖8是表示測(cè)定發(fā)光壽命隨溫度變化的結(jié)果的圖；圖9是表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造的圖；圖10是表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造的圖；圖11是表示實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造的圖；圖12是交替形成TiO2和SiO2的多層膜的反射光譜；圖13是表示本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件的關(guān)系的圖；圖14是表示本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件的關(guān)系的圖；圖15是陰極發(fā)光的觀察結(jié)果；圖16是表示現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造的圖；圖17是表示本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件的關(guān)系的圖；圖18是表示本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體元件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體元件的關(guān)系的圖。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明將有源層的In組成分布和帶隙能量的微觀波動(dòng)規(guī)定在預(yù)定的范圍內(nèi)。在有源層的組成分布和帶隙能量的“波動(dòng)”既有宏觀尺度中的波動(dòng)也有微觀尺度的波動(dòng)。宏觀尺度的波動(dòng)是例如通過(guò)顯微PL(光致發(fā)光)測(cè)定等能夠測(cè)定的距離尺度的波動(dòng)。另一方面，微觀尺度的波動(dòng)意味著比上述更近距離的波動(dòng)。在現(xiàn)有技術(shù)中“波動(dòng)”一般是指上述的宏觀尺度波動(dòng)，即通過(guò)PL測(cè)定而觀測(cè)的波動(dòng)，從測(cè)定的原理上來(lái)說(shuō)，意味著1μm程度以上的距離尺度的波動(dòng)。
在上述特開(kāi)平11-340580號(hào)公報(bào)中所記載的是上述宏觀尺度中的波動(dòng)，降低其來(lái)防止多波長(zhǎng)振蕩。但是，多波長(zhǎng)振蕩產(chǎn)生意味著存在相當(dāng)程度的In組成波動(dòng)，為了控制閾值電流等的目的，在進(jìn)一步降低宏觀的波動(dòng)的同時(shí)，必須對(duì)微觀的波動(dòng)進(jìn)行控制。
對(duì)于控制微觀的領(lǐng)域中的波動(dòng)的研究，至今沒(méi)有進(jìn)行報(bào)告的例子，相關(guān)的波動(dòng)對(duì)元件性能的影響是未知的。而且，對(duì)于降低這樣的微觀的波動(dòng)的具體措施沒(méi)有公開(kāi)。為了降低宏觀尺度中的波動(dòng)，如上述特開(kāi)平11-340580號(hào)公報(bào)中所記載那樣，提高襯底的位錯(cuò)密度的降低和有源層的成膜速度的調(diào)整，能夠在某種程度上實(shí)現(xiàn)。但是，為了降低象本發(fā)明這樣的微觀的波動(dòng)，僅用這樣的措施是難以實(shí)現(xiàn)的，就需要更高度的結(jié)晶生長(zhǎng)的控制。
如上述那樣，本發(fā)明所涉及的氮化物半導(dǎo)體激光器，控制在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有重視的微觀尺度上的發(fā)光層組成分布和帶隙能量的波動(dòng)，或者，使微分增益為一定范圍。所謂的微觀尺度上的發(fā)光層組成分布和帶隙能量的波動(dòng)是指比載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度(約1μm)短的距離尺度上的波動(dòng)。如實(shí)施例2和圖15(陰極發(fā)光圖像)中表示的那樣，在本發(fā)明中，控制亞微米級(jí)的，具體地說(shuō)500nm以下尺度的微觀的波動(dòng)，由此，來(lái)把發(fā)光層的局部失真控制在最佳范圍內(nèi)，以尋求閾值電流的降低。
而且，在本發(fā)明中，對(duì)于上述微觀的波動(dòng)，根據(jù)每個(gè)量子阱的閾值模式增益和激光器內(nèi)部損失的大小，來(lái)規(guī)定其最佳范圍。即，與低輸出規(guī)格的激光器相關(guān)，提出了例如在使閾值模式增益為一定值以下的區(qū)域中，微觀的波動(dòng)處于預(yù)定范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光器，另一方面，與高輸出規(guī)格相關(guān)，提出了例如在閾值模式增益超過(guò)一定值的區(qū)域中，微觀的波動(dòng)處于預(yù)定范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明所涉及的氮化物半導(dǎo)體激光器閾值電流密度較低，耗電較低。因此，能夠用于光盤(pán)用光源等用途。下面，說(shuō)明本發(fā)明所涉及的氮化物半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度被降低的理由。
本發(fā)明人為了了解InGaN量子阱有源層中的混晶組成波動(dòng)對(duì)激光器元件的閾值電流密度產(chǎn)生的影響的效果，首先進(jìn)行了理論的研究。首先，假定由In組成波動(dòng)所產(chǎn)生的帶隙的空間變化為正態(tài)分布，把其標(biāo)準(zhǔn)偏差σg考慮為組成波動(dòng)的指標(biāo)。而且，與其相對(duì)應(yīng)，根據(jù)帶偏移比(3∶7)，考慮電子與空穴的勢(shì)能進(jìn)行空間分布。電子、空穴都考慮拋物線的分散關(guān)系，對(duì)于電子，考慮n＝1的量子能級(jí)的帶，對(duì)于空穴，考慮A帶和B帶的n＝1的量子能級(jí)的帶，來(lái)計(jì)算電子、空穴的狀態(tài)密度。這樣，當(dāng)沒(méi)有波動(dòng)時(shí)，表示成為尖銳上升的階段函數(shù)的量子阱的狀態(tài)密度，當(dāng)存在波動(dòng)時(shí)，表示成為上升緩慢的誤差函數(shù)。這樣，當(dāng)使用定量化的電子和空穴的狀態(tài)密度時(shí)，對(duì)于具有各種組成波動(dòng)的量子阱，能夠計(jì)算光學(xué)增益特性。
本發(fā)明人假定在電流注入時(shí)載流子(電子和空穴)的費(fèi)米能量在空間上為一樣的，來(lái)進(jìn)行光學(xué)增益的計(jì)算。該假定是意識(shí)到組成波動(dòng)的空間上的尺度而進(jìn)行的。即，在電流注入時(shí)費(fèi)米能量在空間上是一樣的這樣的假定意味著與載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度相比，組成波動(dòng)的空間上的尺度較小。如果載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度為1mm程度，組成波動(dòng)必須為超微以下的尺度。實(shí)際上，如秩父等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2346(1997)中報(bào)告的那樣，在InGaN量子阱的CL測(cè)定等中所觀察的In組成波動(dòng)的尺度為幾十～幾百nm程度，上述假定是適當(dāng)?shù)摹?br> 在圖1中表示了對(duì)于波動(dòng)較小的情況(σg＝3meV)的InGaN量子阱，計(jì)算室溫(300K)下的光學(xué)增益頻譜的載流子密度依賴(lài)性的結(jié)果，在圖2中表示了對(duì)于波動(dòng)較大的情況(σg＝75meV)的InGaN量子阱，計(jì)算室溫(300K)下的光學(xué)增益頻譜的載流子密度依賴(lài)性的結(jié)果。首先，當(dāng)著眼于1×1019cm-3的載流子密度時(shí)，在波動(dòng)小的情況下，增益尚未產(chǎn)生，但是，在波動(dòng)大的情況下，增益已經(jīng)產(chǎn)生。這是因?yàn)樵谠鲆娲蟮那闆r下，載流子流入波動(dòng)的勢(shì)能的谷中，由此，載流子集中在狹窄的區(qū)域中，在該區(qū)域中實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)分布。實(shí)際上，如從圖2所看到的那樣，增益在比平均帶隙能量(EGO)低的能量側(cè)的局部存在的狀態(tài)下產(chǎn)生。在此情況下，引起反轉(zhuǎn)分布而產(chǎn)生增益的區(qū)域是空間上狹窄的區(qū)域，但是，在沒(méi)有實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的區(qū)域中，不會(huì)產(chǎn)生吸收損失，該區(qū)域?qū)τ诠鈦?lái)說(shuō)是透明的，這能夠從上述模型在理論上進(jìn)行證明。因此，在一部分的區(qū)域中產(chǎn)生的增益作為在整體所見(jiàn)到的值的增益被觀測(cè)到。但是，由于這樣的小區(qū)域(狀態(tài)密度)中的增益已經(jīng)飽和，如在圖2中所看到的那樣，當(dāng)使載流子密度增加時(shí)的增益的增加(即，微分增益)較小，并且，增益的峰值逐漸地向高能量側(cè)移動(dòng)。與此相對(duì)，在波動(dòng)較小的情況下，透明載流子密度存在的程度大，但是，反映出狀態(tài)密度的急劇上升、增益頻譜狹窄，微分增益變大。
在圖3中表示了對(duì)于具有各種波動(dòng)(σg)的InGaN量子阱的最大光學(xué)增益的載流子密度依賴(lài)性的計(jì)算結(jié)果。如上述那樣，在波動(dòng)大的系統(tǒng)中，透明載流子密度變小這點(diǎn)是有利的，但是，存在微分增益小這樣的缺點(diǎn)。從閾值載流子密度這樣的觀點(diǎn)出發(fā)，波動(dòng)的存在是否有利取決于每個(gè)量子阱的閾值模式增益。根據(jù)圖3的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)每個(gè)量子阱的閾值模式增益為12cm-1以下時(shí)，波動(dòng)大的一方的閾值載流子密度變小，但是，反之，當(dāng)每個(gè)量子阱的閾值模式增益超過(guò)12cm-1時(shí)，波動(dòng)小的一方變?yōu)橛欣?。由于每個(gè)量子阱的閾值模式增益取決于內(nèi)部損失、共振器鏡面的反射率和量子阱數(shù)，通過(guò)激光器元件的設(shè)計(jì)，In組成波動(dòng)的利弊能夠轉(zhuǎn)換。
如上述那樣，在In組成波動(dòng)中，存在降低了透明載流子密度的優(yōu)點(diǎn)和降低了微分增益的缺點(diǎn)，隨著每個(gè)量子阱的閾值模式增益的大小，兩者的有效方發(fā)生變化，由此，在有源層中決定所希望的波動(dòng)的情況。迄今為止，對(duì)于In組成波動(dòng)對(duì)LD特性產(chǎn)生影響的效果，Chow等在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2608(1997)中報(bào)告了理論預(yù)測(cè)，但是，他們僅處理了波動(dòng)擴(kuò)展增益頻譜的效果，卻忽略了通過(guò)波動(dòng)來(lái)降低透明載流子密度的效果。因此，在他們的結(jié)果中，組成波動(dòng)作為對(duì)激光器特性產(chǎn)生不良影響的因素來(lái)處理。
在組成波動(dòng)的空間上的尺度大到亞微米級(jí)以上的情況下，載流子不能集中到勢(shì)能的谷中，可以考慮他們計(jì)算的那樣的描繪。但是，在微米級(jí)中是均勻組成而在亞微米級(jí)中存在波動(dòng)的有源層中，成為上述那樣的描繪，微觀的波動(dòng)的存在能夠提供激光器特性的提高。實(shí)際上，亞微米級(jí)尺度的組成波動(dòng)通過(guò)上述秩父等的報(bào)告等進(jìn)行了證實(shí)，實(shí)現(xiàn)了這樣的描繪。在本發(fā)明中討論的In組成波動(dòng)是上述亞微米級(jí)的波動(dòng)，不是微米以上尺度的波動(dòng)。
在圖4和圖5中，表示了閾值電流密度的波動(dòng)。圖4是僅對(duì)共振器的單面(與光出射側(cè)相反的表面)進(jìn)行HR涂層的情況下的計(jì)算結(jié)果，圖5表示對(duì)共振器兩個(gè)表面進(jìn)行HR涂層的情況下的計(jì)算結(jié)果。其中，有源層有3個(gè)量子阱組成，內(nèi)部損失為15cm-1。鏡面損失在單面HR涂層中，為20cm-1，在雙面HR涂層中，為1cm-1。當(dāng)使光封閉系數(shù)在一個(gè)阱中為1％時(shí)，在單面HR涂層的情況下，相當(dāng)于每個(gè)量子阱的閾值模式增益為14cm-1左右，在兩面HR涂層的情況下，相當(dāng)于每個(gè)量子阱的閾值模式增益6cm-1左右。在圖4中，In組成波動(dòng)的程度約小，閾值電流密度降低，特別是，通過(guò)使波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為40meV以下，預(yù)測(cè)到顯著的閾值降低效果。另一方面，在圖5中，降低使In組成波動(dòng)增大的一方的閾值，通過(guò)使波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV，呈現(xiàn)顯著的閾值電流密度降低效果，預(yù)測(cè)到閾值電流密度減低到1kA/cm2以下。即使在上述計(jì)算例以外的情況下，當(dāng)每個(gè)量子阱的閾值模式增益為大于12cm-1的值時(shí)，通過(guò)使波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為40meV以下，閾值電流密度被降低，另一方面，當(dāng)每個(gè)量子阱的閾值模式增益為12cm-1以下時(shí)，通過(guò)使波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV，閾值電流密度被降低。
如上述那樣，當(dāng)閾值模式增益(每個(gè)量子阱)為12cm-1以下時(shí)，當(dāng)使波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV時(shí)，閾值載流子密度降低。由于閾值電流密度與閾值載流子密度成比例，則當(dāng)閾值模式增益(每個(gè)量子阱)為12cm-1以下并且波動(dòng)為75～200meV時(shí)，閾值電流密度被降低。
其中，在上述討論中，閾值載流子密度與閾值電流密度按1比1這樣進(jìn)行處理。但是，嚴(yán)格地說(shuō)，它們不是1比1這樣對(duì)應(yīng)的量。正確的是，由于閾值電流密度與[(閾值載流子密度)/(載流子的再結(jié)合壽命)]成比例，因此，載流子再結(jié)合壽命與閾值電流密度相關(guān)。下面表示考慮了這點(diǎn)的處理。
在氮化物半導(dǎo)體的情況下，載流子再結(jié)合壽命主要與非輻射再結(jié)合壽命相一致，延長(zhǎng)非輻射再結(jié)合壽命與延長(zhǎng)載流子壽命以及閾值電流密度的降低相關(guān)。這樣，In組成波動(dòng)抑制了載流子被缺陷捕獲，因此，具有延長(zhǎng)非輻射再結(jié)合壽命的效果。但是，即使在波動(dòng)大的情況下，當(dāng)載流子密度變大時(shí)，載流子埋完勢(shì)能的谷而溢出到外面，因此，易于由缺陷所捕獲，非輻射再結(jié)合壽命變短。在圖7中表示了具體地計(jì)算其的結(jié)果。如從圖中所看到的那樣，當(dāng)波動(dòng)為75～200meV時(shí)，載流子密度小于1.5×1019cm-3，非輻射再結(jié)合壽命顯著變長(zhǎng)。而且，如從圖3所看到那樣，如果閾值模式增益為8cm-1以下，在波動(dòng)為75～200meV時(shí)，實(shí)現(xiàn)了載流子密度為1.5×1019cm-3以下。如上述那樣，即使在閾值模式增益(每個(gè)量子阱)為12cm-1以下通過(guò)閾值載流子密度的降低，具有閾值電流密度降低的效果，但是，當(dāng)為8cm-1以下時(shí)，在進(jìn)一步延長(zhǎng)載流子壽命的效果上，更顯著地降低了閾值電流密度。
下面對(duì)每個(gè)量子阱的閾值模式增益和激光器元件構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行描述。閾值模式增益為內(nèi)部損失與鏡面損失之和。在InGaN類(lèi)LD中，每個(gè)量子阱的光封閉系數(shù)為1％，因此，在有源層中具有n個(gè)量子阱的激光器元件中，每個(gè)量子阱的閾值模式增益為大于12cm-1的值，這與內(nèi)部損失αi滿(mǎn)足αi＞12×n-αm相對(duì)應(yīng)。反之，當(dāng)其為12cm-1以下時(shí)，與內(nèi)部損失αi滿(mǎn)足αi≤12×n-αm相對(duì)應(yīng)。而且，每個(gè)量子阱的閾值模式增益為8cm-1以下的情況，與內(nèi)部損失αi滿(mǎn)足αi≤8×n-αm相對(duì)應(yīng)。而且，每個(gè)量子阱的閾值模式增益通過(guò)內(nèi)部損失，而與斜度效率相對(duì)應(yīng)。在波長(zhǎng)400nm的半導(dǎo)體激光器中，理論界限的斜度效率為3[W/A]，但是，實(shí)際的元件中的斜度效率S如下式那樣，為用預(yù)定的系數(shù)乘以3[W/A]的值 從該式和上述αi＞12×n-αm，導(dǎo)出下式 考慮R1、R2取通常的范圍，當(dāng)共振器長(zhǎng)度為1mm以下時(shí)，上式為S＜2.1/n[W/A]而且，從上述αi≤12×n-αm，導(dǎo)出下式 考慮R1、R2取通常的范圍，當(dāng)共振器長(zhǎng)度為200μm以上時(shí)，上式為S≥1.4/n[W/A]另一方面，帶隙能量波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠換算為In組成波動(dòng)和微分增益。下面說(shuō)明InxGa1-xN中的In組成微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Δx與上述帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的關(guān)系。如Osamura等在1975年的ジヤ—ナル·オブ·アプライフィジツクス(應(yīng)用物理·通用)，第46卷，第3432頁(yè)中所描述的那樣，InxGa1-xN的帶隙能量被表示為Eg(x)＝3.40(1-x)+2.07x-1.0x(1-x)(單位eV)當(dāng)使用該式時(shí)，在用于藍(lán)色激光二極管的有源層的InGaN的組成范圍(x＝0.15附近x＝0.1～0.3程度)中，dEg/dx＝0.6(eV)因此，In組成x的空間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差Δx與帶隙能量的標(biāo)準(zhǔn)偏差σg的關(guān)系為Δx＝σg/0.6(eV)通過(guò)該關(guān)系，能夠把上述“帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為40meV以下”換稱(chēng)為“In組成微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Δx為0.067以下”，能夠把“帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV”換稱(chēng)為“In組成微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差Δx為0.125～0.333”。
而且，對(duì)于前面所述的事項(xiàng)，在包括InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)發(fā)光層的元件中適合共同使用，但是，本發(fā)明中的發(fā)光層最好具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤0.3，0≤y≤0.05)或者InxGa1-xN(0＜x≤0.3)的組成。
而且，帶隙能量波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與微分增益相對(duì)應(yīng)。圖6是根據(jù)上述理論模型計(jì)算波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與微分增益的關(guān)系的結(jié)果。從圖中可以看出，波動(dòng)越大，微分增益越小。當(dāng)波動(dòng)大時(shí)，在帶端部的狀態(tài)密度的上升變得緩慢，因此，易于引起由載流子注入所產(chǎn)生的增益飽和，微分增益成為較小的值。與此相對(duì)，當(dāng)波動(dòng)小時(shí)，量子阱的二維所產(chǎn)生的階段函數(shù)的狀態(tài)密度為有效的，達(dá)到大的微分增益。對(duì)于這樣的機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生組成波動(dòng)的程度與微分增益的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖6可見(jiàn)，波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為40meV的微分增益對(duì)應(yīng)于1.0×10-16cm2(1.0×10-20m2)，因此，上述的“波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為40meV以下”可以換稱(chēng)為“微分增益為1.0×10-20m2以上”。而且，從圖6可見(jiàn)，“波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV”對(duì)應(yīng)于“微分增益為0.5×10-20m2以上0.7×10-20m2以下”。
下面對(duì)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。其中，作為現(xiàn)有技術(shù)的代表例子，列舉出現(xiàn)有技術(shù)1(IEEE JOURNAL OF SELECTEDTOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.3，NO.3，JUNE 1997中記載的)、現(xiàn)有技術(shù)2、3(特開(kāi)平11-340580號(hào)公報(bào)中記載的)，下面對(duì)它們與本發(fā)明的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。
首先，本發(fā)明是這樣的技術(shù)在使用氮化鎵系材料或者藍(lán)寶石作為襯底的基礎(chǔ)上，規(guī)定有源層的組成分布和帶隙能量的波動(dòng)。使用SiC作為襯底，但是，在本發(fā)明中，當(dāng)使用SiC時(shí)，難以穩(wěn)定并充分地降低閾值電流。SiC、藍(lán)寶石和GaN系半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)的大小關(guān)系為
藍(lán)寶石＞GaN系半導(dǎo)體＞SiC因此，在SiC襯底上使GaN系半導(dǎo)體層成膜之后，當(dāng)進(jìn)行冷卻時(shí)，在受襯底約束的GaN系半導(dǎo)體層的水平面內(nèi)殘存有拉伸畸變。因此，在使用SiC襯底的半導(dǎo)體激光器中，一般在有源層中殘存拉伸熱畸變。當(dāng)殘存有拉伸畸變時(shí)，穩(wěn)定地調(diào)節(jié)微觀的波動(dòng)變得困難。
與此相對(duì)，當(dāng)使用藍(lán)寶石襯底時(shí)，在GaN系半導(dǎo)體層的水平面內(nèi)殘存壓縮熱畸變。與壓縮畸變相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體層的強(qiáng)度高于與拉伸畸變相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，因此，在此情況下，能夠比較穩(wěn)定地調(diào)節(jié)組成波動(dòng)。而且，當(dāng)使用由GaN和A1GaN組成的襯底時(shí)，由于襯底和在其上形成的GaN系半導(dǎo)體層具有相等的熱膨脹率，因此，GaN系半導(dǎo)體層中的殘存熱畸變幾乎不會(huì)發(fā)生。因此，能夠穩(wěn)定地調(diào)節(jié)組成波動(dòng)特別是微觀的波動(dòng)。
根據(jù)以上說(shuō)明，在本發(fā)明中，使用氮化鎵系材料或者藍(lán)寶石作為襯底。
下面就波動(dòng)和增益的數(shù)值范圍來(lái)表示本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比結(jié)果。在圖16中表示了在現(xiàn)有技術(shù)1中所記載的半導(dǎo)體激光器的構(gòu)造。該激光器是使用藍(lán)寶石襯底的一般的氮化鎵系激光器的構(gòu)造。在藍(lán)寶石襯底上通過(guò)GaN緩沖層形成AlGaN覆蓋層、InGaN多個(gè)量子阱(MQW)有源層，而成為多層構(gòu)造。
在現(xiàn)有技術(shù)2、3中，公開(kāi)了使用SiC襯底的氮化鎵系半導(dǎo)體激光器。在上述公報(bào)中，現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器是共振器內(nèi)的有源層的光致發(fā)光波長(zhǎng)的分布為150meV程度(把其作為現(xiàn)有技術(shù)2)，與此相對(duì)，在該公報(bào)記載的發(fā)明中，記載了降低到90meV以下程度(把其作為現(xiàn)有技術(shù)3)。對(duì)于使用SiC襯底的原因，在該公報(bào)的段落161中進(jìn)行了以下記載即，“在現(xiàn)有的短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器中，使用與摻氮化合物半導(dǎo)體的晶格不整合為13％的非常大的藍(lán)寶石作為生長(zhǎng)襯底，因此，共振器內(nèi)的有源層的位錯(cuò)密度為1010cm-2程度，但是，在摻氮化合物中，由于位錯(cuò)不形成非發(fā)光中心，對(duì)器件的特性不產(chǎn)生影響，因此，這樣的位錯(cuò)密度完全沒(méi)有問(wèn)題，推進(jìn)了器件化，但是，在上述情況中，位錯(cuò)密度和組成不均勻顯示相關(guān)，當(dāng)位錯(cuò)密度變小時(shí)，組成不均勻變小，因此，通過(guò)使用晶格不整合大幅度降低到3％的SiC襯底，能夠把位錯(cuò)密度降低到109cm-2以下，至少能夠降低到107cm- 2，由此，能夠?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)振蕩被抑制的短波長(zhǎng)半導(dǎo)體發(fā)光元件。”在圖13和圖14中表示了本發(fā)明所涉及的低輸出規(guī)格的半導(dǎo)體激光器的一例與上述現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)系。在圖中，陰影區(qū)域是包含本發(fā)明所涉及的氮化物半導(dǎo)體激光器的區(qū)域。
圖13中，橫軸為In組成的微觀的波動(dòng)(亞微米級(jí)的波動(dòng))，縱軸為In組成的宏觀的波動(dòng)(PL波長(zhǎng)分布1微米以上的距離尺度的波動(dòng))。在現(xiàn)有技術(shù)1中記載為微分增益是5.8×10-17cm2，當(dāng)其換算為有源層帶隙的宏觀的波動(dòng)時(shí)，為約100meV。
在現(xiàn)有技術(shù)中，宏觀的波動(dòng)都較大。在現(xiàn)有技術(shù)1中，沒(méi)有涉及宏觀的波動(dòng)，但是，當(dāng)考慮激光器構(gòu)造及其制造工序時(shí)，處于與現(xiàn)有技術(shù)2和3相同的一般的水準(zhǔn)上。與此相對(duì)，表示本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體激光器的一例的圖中的斜線的區(qū)域?yàn)?0meV以下，與現(xiàn)有技術(shù)相比，為低的宏觀的波動(dòng)。
圖14中，橫軸為In組成的微觀的波動(dòng)(亞微米級(jí)的波動(dòng))，縱軸為每個(gè)量子阱的閾值模式增益(cm-1)。在現(xiàn)有技術(shù)中，每個(gè)量子阱的閾值模式增益都較大。與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的氮化鎵系半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部損失通常為40cm-1程度以上，如果量子阱數(shù)為3以下，當(dāng)考慮鏡面損失時(shí)，每個(gè)量子阱的閾值模式增益為14cm-1以上。與此相對(duì)，本發(fā)明通過(guò)采用用于抑制內(nèi)部損失的措施(在實(shí)施例中進(jìn)行描述)，把每個(gè)量子阱的閾值模式增益抑制到12cm-1或者8cm-1以下。
下面，在圖17和圖18中表示了本發(fā)明所涉及的高輸出規(guī)格的半導(dǎo)體激光器的一例與上述現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)系。在圖中，陰影區(qū)域是包含本發(fā)明所涉及的氮化物半導(dǎo)體激光器的區(qū)域。
圖17中，橫軸為In組成的微觀的波動(dòng)(亞微米級(jí)的波動(dòng))，縱軸為In組成的宏觀的波動(dòng)(PL波長(zhǎng)分布1微米以上的距離尺度的波動(dòng))。在現(xiàn)有技術(shù)中，宏觀的波動(dòng)和微觀的波動(dòng)都較大。
圖18中，橫軸為In組成的微觀的波動(dòng)(亞微米級(jí)的波動(dòng))，縱軸為每個(gè)量子阱的閾值模式增益(cm-1)。在現(xiàn)有技術(shù)中，微觀的波動(dòng)較大。
發(fā)明的實(shí)施例與本發(fā)明中的覆蓋層的帶隙能量和In組成的微觀的波動(dòng)相關(guān)，來(lái)對(duì)其測(cè)定方法進(jìn)行說(shuō)明。如上述那樣，在現(xiàn)有技術(shù)中，作為測(cè)定In組成波動(dòng)的方法，利用顯微PL測(cè)定，但是，用其難以觀測(cè)亞微米級(jí)的微觀的波動(dòng)。因此，本發(fā)明人提出了能夠觀測(cè)亞微米級(jí)的微觀的波動(dòng)的方法。下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖8是對(duì)于上述圖9所示的半導(dǎo)體激光器測(cè)定發(fā)光壽命的溫度變化的結(jié)果。發(fā)光壽命這樣進(jìn)行測(cè)定首先，對(duì)半導(dǎo)體激光器試驗(yàn)品從表面照射微微秒鈦藍(lán)寶石激光器的二次諧波(波長(zhǎng)370nm，輸出5mW，重復(fù)頻率80MHz)的光，進(jìn)行激發(fā)。發(fā)光由透鏡聚光到分光器上，由光電子倍增管檢測(cè)該分光，通過(guò)單一光子計(jì)數(shù)法進(jìn)行時(shí)間分解測(cè)定。時(shí)間分解測(cè)定可以使用快掃描攝象機(jī)來(lái)進(jìn)行。溫度通過(guò)使用液氦的溫度可變低溫箱，在5K至300K的范圍內(nèi)變化。發(fā)光壽命的溫度變化與帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差相關(guān)。在存在微觀的波動(dòng)的情況下，被光激發(fā)的電子被捕獲到由In組成微觀波動(dòng)所形成的勢(shì)能微觀波動(dòng)的谷中，因此，不會(huì)自由運(yùn)動(dòng)，被捕獲到缺陷(非輻射中心)中的概率減小，成為發(fā)光壽命較長(zhǎng)的值。但是，當(dāng)溫度變高，由于熱能而能夠超過(guò)由微觀的波動(dòng)所產(chǎn)生的勢(shì)能壁壘時(shí)，電子變得能夠自由運(yùn)動(dòng)，被捕獲到非輻射中心中的概率劇增，發(fā)光壽命急劇縮短。在圖8中，發(fā)光壽命從100K左右開(kāi)始變短，這是因?yàn)樵谠摐囟纫陨蠠峒ぐl(fā)的效果開(kāi)始起作用。通過(guò)定量地分析，圖8的曲線能夠用下式進(jìn)行擬合τPL-1＝τ0-1+AT1/2exp(-T0/T)(1)其中，τPL是發(fā)光壽命，T是溫度，τ0、A、T0是擬合參數(shù)。上式將在下面進(jìn)行說(shuō)明。在溫度低的情況下，電子被捕獲在由波動(dòng)所產(chǎn)生的勢(shì)能的谷中，幾乎不會(huì)運(yùn)動(dòng)，因此，通過(guò)其固有的壽命τ0進(jìn)行再結(jié)合。在低溫下，上式第二項(xiàng)無(wú)效，僅第一項(xiàng)有效，因此，發(fā)光壽命為τ0，成為一定的。當(dāng)溫度變高時(shí)，電子的熱激發(fā)產(chǎn)生，但是，如果由波動(dòng)所產(chǎn)生的勢(shì)能壁壘的大小為kT0(k是玻耳茲曼常數(shù))，所激勵(lì)的載流子的比例與exp(-T0/T)成比例。而且，所激勵(lì)的載流子的一部分以熱速度運(yùn)動(dòng)而返回期間被缺陷(非輻射中心)所捕獲。該捕獲的概率用Nvs表示。其中，N是缺陷密度，v是熱速度，s是捕獲斷面面積。當(dāng)僅著眼于溫度依賴(lài)性時(shí)，根據(jù)熱速度與溫度的平方根成比例，可記述為Nvs＝AT1/2因此，當(dāng)溫度變高時(shí)，通過(guò)上述機(jī)構(gòu)，非輻射再結(jié)合進(jìn)行激活，因此，載流子的再結(jié)合速度隨AT1/2exp(-T0/T)即式(1)的第二項(xiàng)而增加。這樣，通過(guò)擬合所求出的參數(shù)T0是成為In組成波動(dòng)的程度的指標(biāo)的參數(shù)。在圖8中，通過(guò)擬合求出T0是460K。
下面描述參數(shù)T0與實(shí)際的帶隙能量波動(dòng)的關(guān)系。kT0是電子為了自由運(yùn)動(dòng)所需要的熱能量的大小，與空間上分布的電子的勢(shì)能微觀的波動(dòng)應(yīng)該具有比例關(guān)系。在量子阱這樣的二維系統(tǒng)中，當(dāng)存在勢(shì)能微觀的波動(dòng)時(shí)，勢(shì)能的空間的平均值以下的能量的電子被束縛住(即，不會(huì)自由運(yùn)動(dòng))，具有平均值以上的能量的電子可以自由運(yùn)動(dòng)，這可以從古典的滲透理論導(dǎo)出。因此，kT0是從勢(shì)能的谷底到平均勢(shì)能的能量。當(dāng)勢(shì)能的空間分布為正規(guī)分布，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為σe時(shí)，勢(shì)能的谷處于距平均值2σe左右的低能量側(cè)，因此，導(dǎo)出σe＝0.5kT0。InGaN的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(標(biāo)準(zhǔn)偏差σg)是把傳導(dǎo)帶(電子)的勢(shì)能微觀的波動(dòng)與價(jià)電子帶(空穴)的勢(shì)能微觀的波動(dòng)相加，因此，如在1996年的“APPLIED PHYSISCS LETTERS”(應(yīng)用物理快訊)，第68卷，2541頁(yè)中由Martin等描述的那樣，當(dāng)InGaN系的傳導(dǎo)帶與價(jià)電子帶的帶偏移比為3∶7時(shí)，成為σg＝3.33，σe＝1.67kT0。通過(guò)使用該式，由從實(shí)驗(yàn)求出的T0，能夠求出InGaN的帶隙能量的波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)偏差σg)。在圖8的情況下，作為帶隙能量的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差σg，得到66meV的值。
對(duì)于圖9的半導(dǎo)體激光器，從用1μm的微小點(diǎn)徑進(jìn)行PL測(cè)定的結(jié)果可以看出PL峰值波長(zhǎng)的分布進(jìn)入±1nm，不存在超過(guò)1μm尺寸的In組成波動(dòng)。因此，在用從發(fā)光壽命的溫度依存性來(lái)求值的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)定的情況下，觀測(cè)到帶隙能量的波動(dòng)。由此，在以圖9的半導(dǎo)體激光器為代表的現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光器中，用PL測(cè)定沒(méi)有觀測(cè)到的微觀的波動(dòng)即亞微米級(jí)的波動(dòng)存在。
在本發(fā)明中，作為用于降低In組成和帶隙能量的宏觀的波動(dòng)的具體措施，降低氨分壓是有效的。例如，使氨分壓為110hPa以下，通過(guò)適當(dāng)選擇氮化鎵系半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度，能夠使帶隙能量的宏觀的波動(dòng)為20meV以下。
在這樣降低宏觀的波動(dòng)的基礎(chǔ)上，為了使帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為75～200meV，如上述那樣，降低氨分壓，來(lái)形成激光器構(gòu)造，然后，進(jìn)行比較高溫的加熱處理是有效的。熱處理溫度為850℃以上，最好為900℃以上。對(duì)于上限，例如為1200℃以下。處理時(shí)間通常需要40分鐘以上。該熱處理用于形成In組成的微觀的波動(dòng)，在電極形成時(shí)的退火這樣的由低溫所產(chǎn)生穩(wěn)定的熱處理中，難以達(dá)到該目的。
在本發(fā)明中，為了降低內(nèi)部損失并且降低每個(gè)量子阱的閾值模式增益，把p型SCH(SelfConfinement Heterostructure自約束異質(zhì)結(jié)構(gòu))層作為不摻雜，把生長(zhǎng)溫度提高到例如1100℃以上是有效的。由此，能夠降低內(nèi)部損失。一般，在SCH層的p型摻雜中使用Mg，但是，當(dāng)進(jìn)行Mg摻雜時(shí)，結(jié)晶性較低，同時(shí)，形成雜質(zhì)能級(jí)，而成為導(dǎo)致內(nèi)部損失低下的原因。通過(guò)排除其影響，進(jìn)一步適當(dāng)?shù)剡x擇生長(zhǎng)條件，能夠有效地降低內(nèi)部損失。
在本發(fā)明中，光致發(fā)光的峰值波長(zhǎng)分布(最大波長(zhǎng)與最小波長(zhǎng)之差)最好為40meV以下，20meV以下更好。由此，能夠更有效地降低閾值電流。當(dāng)該值過(guò)大時(shí)，閾值電流變大，耗電變大。
在本發(fā)明中，發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最好為75～200meV，80～150meV更好。而且，In組成x的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最好為0.125～0.333，為0.133～0.266更好。由此，能夠更有效地降低半導(dǎo)體激光器的閾值電流。
在本發(fā)明中，所謂“發(fā)光層中的In組成的微觀的波動(dòng)”和“帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差”是指空間分布中的波動(dòng)(變動(dòng))。而且，所謂“微觀的波動(dòng)”如上述那樣是指亞微米級(jí)以下的波動(dòng)。在現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行的PL測(cè)定中，通常，點(diǎn)徑為1μm以上，在測(cè)定的原理上，觀測(cè)1μm以上的距離尺度上的波動(dòng)。與此相對(duì)，本發(fā)明中的微觀的波動(dòng)是指用該方法進(jìn)行觀測(cè)不能得到的狹窄區(qū)域內(nèi)的波動(dòng)。
在本發(fā)明中，當(dāng)有源層為多個(gè)量子阱構(gòu)造時(shí)，上述波動(dòng)意味著各個(gè)量子阱層全部的波動(dòng)。
本發(fā)明中的襯底是指當(dāng)構(gòu)成激光器等的層生長(zhǎng)時(shí)成為基底的襯底。所謂襯底的表面位錯(cuò)密度是指在襯底表面上存在的貫通位錯(cuò)的密度。
表面位錯(cuò)密度不足108個(gè)/cm2的氮化鎵系半導(dǎo)體襯底能夠通過(guò)以下步驟得到在通過(guò)下面所示的FIELO或者ペンディオエピタキシ(懸掛式外延生長(zhǎng))法等形成氮化鎵系半導(dǎo)體層之后，除去用于生長(zhǎng)的藍(lán)寶石等的襯底。下面對(duì)這些方法進(jìn)行說(shuō)明。(FIELO)例如，在藍(lán)寶石等襯底上形成薄的GaN，在其上形成條紋狀的SiO2掩模。在掩模的開(kāi)口部有選擇性地橫向生長(zhǎng)GaN，由此，得到表面位錯(cuò)密度小的GaN。這是因?yàn)槲诲e(cuò)被SiO2掩模阻擋，并且，在有選擇性地橫向生長(zhǎng)時(shí)，在襯底水平方向上彎曲。該方法記載在「應(yīng)用物理第68卷，第7號(hào)(1999年)第774頁(yè)～第779頁(yè)」等中。(懸掛式外延生長(zhǎng)法)例如，在藍(lán)寶石等的襯底上形成低溫緩沖層之后，形成由單晶組成的GaN層。接著，使用掩模進(jìn)行選擇腐蝕，由此，形成條紋狀延伸的GaN的圖形。從該GaN條紋的上表面或者側(cè)面進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)，由此，能夠形成表面位錯(cuò)密度小的基底層。對(duì)于懸掛式外延生長(zhǎng)法，記載在例如“Tsvetankas.Zhelevaet.Al.；MR S Internet J.NitrideSemicond.Res.4S1，G3.38(1999)”等中。
而且，如果使用以下的方法，能夠得到進(jìn)一步降低了位錯(cuò)密度的襯底。即，在藍(lán)寶石襯底上直接或者通過(guò)緩沖層形成由氮化鎵系處理組成的單晶層。接著，腐蝕該單晶層，而成為隔開(kāi)的島狀形態(tài)。把成為這樣形態(tài)的單晶層作為起點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)，由此，能夠形成表面位錯(cuò)密度小的基底層。而且，上述島狀形態(tài)與腐蝕無(wú)關(guān)，而可以適當(dāng)?shù)剡x擇單晶層生長(zhǎng)條件來(lái)直接形成具有島狀形態(tài)的單晶層。
本發(fā)明的襯底的表面位錯(cuò)密度不足108個(gè)/cm2，但是，最好為107個(gè)/cm2以下。當(dāng)襯底的位錯(cuò)密度高時(shí)，即使降低In組成和帶隙的微觀的波動(dòng)，或者提高微分增益，都難以提高元件壽命。當(dāng)表面位錯(cuò)密度不足108個(gè)/cm2，特別是，為107個(gè)/cm2以下時(shí)，得到與通過(guò)上述微觀波動(dòng)降低所產(chǎn)生的作用相乘的效果，能夠在維持良好的元件特性的同時(shí)，提高元件壽命。而且，襯底的表面位錯(cuò)密度可以通過(guò)測(cè)定侵蝕孔或者TEM觀察斷面部等公知的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。
這樣的低位錯(cuò)密度的襯底可以通過(guò)形成具有上述島狀的形態(tài)的單晶層，把其作為起點(diǎn)來(lái)進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
以上，對(duì)低位錯(cuò)密度的氮化鎵系半導(dǎo)體襯底進(jìn)行了描述，也可以使用藍(lán)寶石作為襯底，在其上生長(zhǎng)低位錯(cuò)密度的氮化鎵系半導(dǎo)體層，而形成激光器構(gòu)造。此時(shí)的氮化鎵系半導(dǎo)體層的位錯(cuò)密度的最佳范圍及其測(cè)定方法與上述相同。
本發(fā)明的基底層由氮化鎵系材料組成，其中，所謂“氮化鎵系材料”是指AlGaN、GaN等作為構(gòu)成元素并包含氮和鎵的材料。其中，當(dāng)使用GaN或者AlGaN作為基底層時(shí)，能夠使光封閉率良好，并且，能夠謀求元件壽命的改善。在氮化鎵系半導(dǎo)體激光器中，通常，使用由AlGaN組成的覆蓋層，但是，為了實(shí)現(xiàn)良好的光封閉率，希望提高覆蓋層的Al組成比，并使膜厚變厚。例如，在用于光盤(pán)的發(fā)光波長(zhǎng)390～430nm的半導(dǎo)體激光器中，希望覆蓋層的膜厚為1μm以上，希望Al組成比為0.05以上，最好為0.07以上。在這樣的情況下，選擇GaN或者AlGaN作為基底層是有效的。若如此，則基底層與覆蓋層的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)變得近似，覆蓋層的殘留畸變降低，因此，能夠進(jìn)一步有效地防止高溫作業(yè)時(shí)的有源層的劣化。另一方面，能夠使覆蓋層的膜厚和Al組成處于所希望的范圍內(nèi)，能夠使光封閉率變得良好。
以上對(duì)本發(fā)明的襯底進(jìn)行了說(shuō)明，但是，為了得到發(fā)光層中的In組成和帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差、微分增益處于適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的氮化物半導(dǎo)體激光器，必須進(jìn)行襯底的選擇和留意發(fā)光層的生長(zhǎng)條件等。例如，使用含有氨氣的原料氣體，通過(guò)有機(jī)金屬氣相生長(zhǎng)法來(lái)形成發(fā)光層，此時(shí)，如果氨氣的分壓為110hPa以下，最好為95hPa以下，能夠得到上述微觀的波動(dòng)、微分增益處于適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)的氮化物半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明中的“發(fā)光層”是指在有源層中包含的層，通過(guò)反轉(zhuǎn)分布而進(jìn)行增益發(fā)生的層。在量子阱構(gòu)造的有源層中，量子阱層相當(dāng)于本發(fā)明中的發(fā)光層，在量子阱構(gòu)造以外的構(gòu)造的有源層中，通常，有源層全體為發(fā)光層。
在本發(fā)明所涉及的低輸出規(guī)格的激光器中，有源層的阱數(shù)最好為3以下。閾值電流的大小依賴(lài)于阱數(shù)，因此，由此能夠降低耗電。而且，能夠使與量子阱相對(duì)應(yīng)的載流子注入為均勻的。當(dāng)量子阱數(shù)為4以上時(shí)，載流子特別是空穴的注入成為不均勻的，在載流子密度不足的量子阱中，內(nèi)部損失的降低變得顯著起來(lái)。而且，關(guān)于這一點(diǎn)，Domen等在Appl.Phys.vol.73(1998)，第2775-2777頁(yè)中報(bào)告了當(dāng)阱數(shù)為3時(shí)，載流子的注入是均勻的，當(dāng)阱數(shù)為5時(shí)，則成為不均勻的。實(shí)施例首先，對(duì)在實(shí)施例中制作的半導(dǎo)體激光器的反射率、鏡面損失、內(nèi)部損失、閾值模式增益的測(cè)定方式進(jìn)行說(shuō)明。
(i)反射率試驗(yàn)制作的激光器共振器的反射率R在僅劈開(kāi)在半導(dǎo)體表面上的情況下表示為R＝(n-1/n+1)2(例如，末松安晴、伊賀健一共同編著的《光纖通信入門(mén)》オ—ム公司)。其中，n是半導(dǎo)體的折射率。GaN的折射率隨波長(zhǎng)而不同，但是，在作為典型的氮化物半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)的400nm中，為2.553程度，因此，反射率為19％。另一方面，為了得到高反射鏡面，通常利用介電體多層膜。通過(guò)交替形成高折射率和低折射率，能夠得到高反射率。此時(shí)的反射率可以是使用的材料的折射率與層厚和層數(shù)，例如，在圖12中表示了交替形成各100nm的TiO2(折射率2.31)和SiO2(折射率1.44)時(shí)的反射光譜。
如圖12那樣，在波長(zhǎng)400nm附近得到了具有較大反射率的光譜。這些光譜能夠通過(guò)增加層數(shù)來(lái)改變反射率，當(dāng)形成一個(gè)TiO2/SiO2的搭配時(shí)，得到50％的反射率，當(dāng)為3個(gè)時(shí)，得到90％以上的反射率。這樣，如果區(qū)分涂敷材料和層厚，能夠研究反射率的大小。
作為測(cè)定所形成的高反射涂敷的反射率的一個(gè)措施，考慮使用半導(dǎo)體激光器。從半導(dǎo)體激光器的端面的反射率R1、R2所射出的光輸出P1和P2的關(guān)系是P1/P2＝(1-R1)/(1-R2)×(R2/R1)0.5。這樣，如果區(qū)分P1和P2的光輸出比和單方的反射率，就能區(qū)分出其中之一的反射率。特別是，在單方?jīng)]有涂層的情況下，可見(jiàn)到為19％的反射率，因此，該方法是有效的。
(ii)鏡面損失鏡面損失從激光器的振蕩條件和共振器的反射率R1、R2求出(例如，伊賀健一所著的《半導(dǎo)體激光器》(オ—ム公司))。當(dāng)激光器的共振器長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，鏡面損失αm為αm＝1/2L×1n(1/R1/R2)。這樣，能夠從共振器長(zhǎng)度和鏡面反射率求出鏡面損失。
而且，在通常的氮化物半導(dǎo)體激光器的高反射涂層中，使用TiO2/SiO2等介電體多層膜鏡面，反射率為80％以上。在此情況下，在雙面HR涂層的情況下，鏡面損失為1cm-1程度。而且，在單面HR涂層的情況下，如果共振器長(zhǎng)度為400μm，則鏡面損失為20cm-1程度。
(iii)內(nèi)部損失內(nèi)部損失αi能夠從電流-輸出特性進(jìn)行分析。在反射率為R1、R2的半導(dǎo)體激光器中，從R1側(cè)射出的光輸出P1可以表示為 其中，I是電流，Ith是閾值電流，Vd是接合電位?？梢钥紤]Vd與振蕩波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的光能量大致相同，對(duì)于區(qū)分反射率和鏡面損失的元件，通過(guò)研究電流-光輸出特性，來(lái)分析內(nèi)部損失。
(iv)閾值模式增益激光器通過(guò)匹配增益和損失來(lái)激起振蕩。這樣，閾值模式增益能夠用內(nèi)部損失和鏡面損失之和來(lái)求出。
在「現(xiàn)有技術(shù)」中記載的圖9的激光器元件(兩面涂層)與本實(shí)施例的激光器元件的制作方法的不同點(diǎn)是(1)生長(zhǎng)時(shí)的氨分壓低；(2)生長(zhǎng)后，在900℃下進(jìn)行一小時(shí)熱處理；(3)由GaN(厚度0.1μm)組成的光封閉層26是未摻雜的，并且，生長(zhǎng)溫度高到1150℃。(1)是用于同時(shí)減小有源層量子阱的微觀的波動(dòng)、宏觀的波動(dòng)的措施。在通過(guò)(1)而制作了波動(dòng)小的量子阱之后，當(dāng)進(jìn)行(2)的熱處理時(shí)，能夠使宏觀的波動(dòng)變小，而使微觀的波動(dòng)變大，這是發(fā)明人剛剛發(fā)現(xiàn)的。而且，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了在GaN光封閉層26中的光吸收為激光器元件的內(nèi)部損失的主要原因，為了降低該層中的光吸收，為了提高結(jié)晶性，而提高生長(zhǎng)溫度，并且，為了減小通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)的吸收，不進(jìn)行Mg添加。在表1中的NO.1中表示出了所得到的半導(dǎo)體激光器的各個(gè)特性。閾值電流密度減低到0.8kA/cm2，呈現(xiàn)良好的性能。
對(duì)于按上述那樣制作的半導(dǎo)體激光器，進(jìn)行以下測(cè)定①由顯微PL測(cè)定(1μm分辨率)所進(jìn)行的宏觀的組成波動(dòng)的測(cè)定②由微分增益測(cè)定(緩和振動(dòng)測(cè)定)所進(jìn)行的微觀的組成波動(dòng)的測(cè)定③由CL(陰極發(fā)光)觀察所進(jìn)行的微觀的組成波動(dòng)的測(cè)定在由陰極發(fā)光所進(jìn)行的測(cè)定中，在量子阱有源層上形成載流子層的階段中，單獨(dú)制作停止生長(zhǎng)而得到的評(píng)價(jià)用樣品，對(duì)該樣品照射電子線，進(jìn)行分光，來(lái)進(jìn)行特定波長(zhǎng)下的映射。加速電壓為3kV，在室溫中進(jìn)行測(cè)定。
用1mm分辨率的顯微PL進(jìn)行觀察的結(jié)果，得到PL波長(zhǎng)分布為20meV以下的結(jié)果，但是，由緩和振動(dòng)測(cè)定所進(jìn)行的測(cè)定的結(jié)果，求出微觀的波動(dòng)為100meV。而且，在CL像中，觀測(cè)到400～500nm的大小的區(qū)域(圖15)。從以上可以看出，在本實(shí)施例中制作的激光器中，宏觀的波動(dòng)幾乎不存在，但是，適當(dāng)?shù)卮嬖趤單⒚准?jí)的微觀的波動(dòng)。
在表1中的NO.2中表示出了所得到的半導(dǎo)體激光器的各個(gè)特性。閾值電流密度減低到0.8kA/cm2，呈現(xiàn)良好的性能。表1


發(fā)明的效果如上述那樣，根據(jù)本發(fā)明，能夠大幅度降低半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度。因此，通過(guò)本發(fā)明，作為光盤(pán)用光源，能夠?qū)崿F(xiàn)可實(shí)用的氮化物半導(dǎo)體激光器，產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值非常大。
權(quán)利要求
1.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，每個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75至200meV。
2.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增量是12cm-1以下，上述有源層微分增益dg/dn在0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)的范圍。
3.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，內(nèi)部損失αi是αi≤12×n-αm，共振器端面的鏡面損失為αm，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75至200meV。
4.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，內(nèi)部損失αi是αi≤12×n-αm，共振器端面的鏡面損失為αm，上述有源層微分增益dg/dn在0.5×10-20(m2)≤dg/dn ≤0.7×10-20(m2)的范圍。
5.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75至200meV。
6.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述有源層微分增益dg/dn在0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)的范圍。
7.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，共振器長(zhǎng)度大于200μm，共振器端面的兩面具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75至200meV。
8.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，共振器長(zhǎng)度大于200μm，共振器端面的兩面具有反射率為80％至100％之間的高反射涂膜，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
9.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是75至200meV。
10.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN0＜x＜1，0≤y≤0.2發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，其特征在于，光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以下。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是8cm-1以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，量子阱的阱數(shù)是3以下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述襯底是表面位錯(cuò)密度為108個(gè)/cm2以下的氮化鎵半導(dǎo)體的襯底。
15.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以上，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
16.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-X-YN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，每一個(gè)量子阱的閾值模式增益是12cm-1以上，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
17.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，內(nèi)部損失αi是αi＞12×n-αm，共振器端面的鏡面損失為αm，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
18.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，內(nèi)部損失αi是αi＞12×n-αm，共振器端面的鏡面損失為αm，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
19.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層，以及具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
20.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]滿(mǎn)足下式S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>R1激光射出方向側(cè)的共振器端面的反射率R2與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面的反射率αm鏡面損失，上述有源層微分增益dg/dn在以下范圍，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
21.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，共振器長(zhǎng)度小于1mm，共振器端面中，激光射出方向側(cè)的共振器端面不具有涂膜，露出上述有源層或者具有反射率小于20％的涂膜，在與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面，具有反射率在80％至100％之間的高反射涂膜，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，上述發(fā)光層的帶隙能量的微觀的波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是40meV以下。
22.氮化物半導(dǎo)體激光器，在氮化鎵系材料或藍(lán)寶石構(gòu)成的襯底上，具有層疊氮化鎵系半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)，該氮化鎵系半導(dǎo)體層含有覆蓋層和具有InxAlyGa1-x-yN發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，0＜x＜1，0≤y≤0.2，共振器長(zhǎng)度小于1mm，共振器端面中，激光射出方向側(cè)的共振器端面不具有涂膜，露出上述有源層或者具有反射率小于20％的涂膜，在與激光射出方向相反側(cè)的共振器端面，具有反射率在80％至100％之間的高反射涂膜，其特征在于，發(fā)光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，上述有源層微分增益dg/dn的范圍是dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述光致發(fā)光峰波長(zhǎng)分布是40meV以下。
24.根據(jù)權(quán)利要求15至23任何一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體激光器，其特征在于，上述襯底是位錯(cuò)密度為108個(gè)/cm2以下的氮化鎵半導(dǎo)體的襯底。
全文摘要
本發(fā)明的課題是降低使用氮化鎵系材料的半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度。根據(jù)本發(fā)明,在低位錯(cuò)密度的n型GaN襯底21上,形成包含n型覆蓋層33、和具有In
文檔編號(hào)H01S5/343GK1340891SQ0112367
公開(kāi)日2002年3月20日 申請(qǐng)日期2001年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月1日
發(fā)明者山口敦史, 倉(cāng)本大, 仁道正明 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社