CN100380696C - 半导体激光元件 - Google Patents

Abstract

提供一种半导体发光元件，包括：形成于结晶衬底上的第1导电型的第1覆盖层；形成于第1覆盖层上的有源层；形成于有源层上、防止杂质扩散到有源层中的防扩散层；形成于防扩散层上、防止注入到有源层中的载流子的溢出的与第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及形成于防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。

Description

半导体激光元件

技术领域

本发明涉及半导体激光元件。

背景技术

发光波长400nm频带的蓝紫色激光的半导体发光元件推进着对下一代DVD(digital versatile disk)等的开发。作为这种元件结构，例如，已知在GaN衬底上具有InGaAlN类材料构成的双重异质结，将上部覆盖层形成脊(ridge)形状的脊波导型半导体发光元件(例如，参照(日本)特开2000-299497号公报)。这种脊波导型半导体发光元件，在n型GaN衬底上形成Al_0.05Ga_0.95N构成的不掺杂的n型接触层。在该不掺杂的n型接触层上形成掺杂了Si的Al_0.05Ga_0.95N构成的n型接触层，在该n型接触层的一部分区域中设置n侧电极，在没有设置这种n侧电极的区域上，设置掺杂了Si由In_0.08Ga_0.92N构成的n型防裂层。在n型防裂层上，形成将不掺杂的Al_0.14Ga_0.86N构成的层和掺杂了Si的GaN构成的层交替160次叠层的多层膜(超晶格结构)构成的n型覆盖层。在该n型覆盖层上形成不掺杂的GaN构成的n型引导层。在n型引导层上，将掺杂了Si的In_0.01Ga_0.99N构成的阻挡层和不掺杂的In_0.11Ga_0.89N构成的阱层交替叠层三次，并在其上形成叠层了阻挡层的多重阱结构(MQW)的有源层。在该有源层上形成掺杂了Mg的Al_0.4Ga_0.6N构成的p型防止溢出层。在该p型防止溢出层上，形成将不掺杂的Al_0.1Ga_0.9N构成的层和掺杂了Mg的GaN构成的层交替叠层100次的多层膜(超晶格结构)构成且形成为脊形状的p型覆盖层。在该p型覆盖层的侧部形成Zr氧化物构成的保护膜，在上述p型覆盖层上形成掺杂了Mg的GaN构成的p型接触层。然后，成为在上述p型覆盖层和保护膜上形成了p侧电极的结构。

由于防止溢出层的带隙宽，所以可以挡住从n侧电极注入的电子，将电子封闭在有源层中，但为了提高溢出防止效果，需要提高防止溢出层的杂质浓度，以增大带隙。这种情况下，杂质会扩散至有源层，阻碍发光再结合，存在效率下降的问题。

发明内容

本发明的一方案的半导体激光元件的特征在于包括：形成于衬底上的第1导电型的第1覆盖层；形成于所述第1覆盖层上的有源层；形成于所述有源层上、防止杂质扩散到所述有源层中的防扩散层；形成于所述防扩散层上、防止注入到所述有源层中的载流子的溢出的与所述第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及形成于所述防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。

附图说明

图1是表示基于本发明的第1实施方式的半导体发光元件的结构的剖面图。

图2是表示通过模拟求出的基于第1实施方式的半导体发光元件和基于比较例1、2的半导体发光元件的环境为室温时的I-L特性的特性曲线。

图3是表示通过模拟求出的基于第1实施方式的半导体发光元件和基于比较例1、2的半导体发光元件的环境为100℃时的I-L特性的特性曲线。

图4是表示基于本发明的第2实施方式的半导体发光元件的结构的剖面图。

图5是表示基于比较例1和比较例2的半导体发光元件的结构的剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1示出本发明的第1实施方式的半导体发光元件的结构。

在GaN构成的n型衬底1上，形成层厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al_0.08Ga_0.92N构成的n型覆盖层2。在该n型覆盖层2上，形成层厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN构成的n型光引导层3。在该n型光引导层3上，将层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的掺杂了Si的In_0.02Ga_0.98N构成的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的不掺杂的In_0.15Ga_0.85N构成的阱层交替地叠层2至4次后，设置有形成了由层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的掺杂了Si的In_0.02Ga_0.98N构成的阻挡层的多重量子阱MQW(MultipleQuantum Well)结构的有源层4。在该有源层4上，形成层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.1μm的不掺杂的GaN构成的防扩散层51。在该防扩散层51上，设置层厚度大于等于5nm、小于等于20nm的Al_0.2Ga_0.8N构成的p⁺型防止溢出层5。如果防扩散层51过薄，则p⁺型防止溢出层5的杂质会扩散至有源层4，如果过厚，则防止溢出层5会与有源层4分离，将没有防止溢出的效果。

在防止溢出层5上，形成层厚度大于等于0.01μm、小于等于0.1μm的GaN构成的p型光引导层6。在该光引导层6上，形成层厚度大于等于0.5μm、小于等于2.0μm的Al_0.08Ga_0.92N构成的p型覆盖层7。在覆盖层7上，设置层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.2μm的GaN构成的p⁺型接触层8。再有，直至覆盖层7的中途，接触层8和覆盖层7被形成为脊形状，形成为脊形状的覆盖层7和接触层8的部分成为脊型波导10。再有，脊型波导10在垂直于纸面的方向上延长。即，垂直于纸面并从上向下观察，脊型波导10为条状。

在脊型波导10的上部以外的整个表面上，形成层厚度大于等于0.2μm、小于等于0.7μm的SiO₂构成的保护膜9，并在脊型波导10上形成p侧电极11，在GaN衬底1之下设置n侧电极12。再有，p侧电极11可以由从Pt、Pd、Ni、Au等中选择出的至少一种金属构成的层、叠层了被选择出的大于等于两种的金属的叠层膜、或这些金属的合金来构成。此外，n侧电极12也可以由从Ti、Pt、Au、Al等中选择出的至少一种金属构成的层、叠层了被选择出的大于等于两种的金属的叠层膜、或这些金属的合金来构成。再有，覆盖层2和覆盖层7以形成为将层厚度大于等于1nm、小于等于5nm的Al_0.16Ga_0.84N构成的层和GaN构成的层交替地生长的超晶格层。此外，形成防止溢出层5和防扩散层51时的温度最好是高于有源层4的形成温度。

作为比较例，将不形成本实施方式的半导体发光元件的防扩散层51、并且杂质不扩散到有源层4的半导体发光元件作为比较例1形成，将不形成防扩散层51并且杂质扩散到有源层4的半导体发光元件作为比较例2形成。这些比较例1和比较例2具有图5所示的结构。

对本实施方式的半导体发光元件和比较例1及比较例2的半导体发光元件的光输出与施加电流的特性(I-L特性)进行模拟。图2示出在环境为室温的情况下的上述特性，图3示出环境为100°的情况下的上述特性。

在杂质扩散至有源层4的比较例2的情况下，与本实施方式和比较例1相比，可知阈值电流增加，效率(I-L特性曲线的斜率)也下降，高温下的I-L特性的饱和显著。这是因为杂质扩散造成的p-n结的位置偏移和形成能级造成的非发光的再结合增加。

与之相对，在本实施方式中，与比较例1和比较例2相比，阈值电流下降，而且效率增加，未发现I-L特性的饱和。即，可知与比较例1的有源层中没有杂质扩散的情况相比，得到改善。这是因为在本实施方式中，在有源层4和防止溢出层5之间设有防扩散层51，折射率低的防止溢出层5与有源层4稍稍分离，对有源层4的光的封闭增加。

如以上说明，根据本实施方式，可以抑制杂质从溢出层向有源层的扩散，并抑制发光效率下降。

再有，n型覆盖层2和p型覆盖层7优选是Al_sGa_1-sN或Al_sGa_1-xN/GaN构成的超晶格(0.0＜s≤0.3)。

此外，有源层4优选是In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN构成的多重量子阱有源层(0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y)。

此外，防止溢出层5优选是由Al_tGa_1-tN构成，防止溢出层5中的Al的化学计量比t比覆盖层2、7中的Al的化学计量比s大。

此外，防扩散层51优选是由Al_uGa_1-uN(0≤u＜t)构成，防扩散层51中的Al的化学计量比u大于等于0，并且比防止溢出层5中的Al的化学计量比t小。通过这样构成，折射率增大，可以增强对有源层的光的封闭。

此外，防止溢出层5优选是杂质浓度大于等于5×10¹⁸/cm^-3并且防扩散层不掺杂。通过这样构成，可以进一步防止载流子的来自有源层的溢出。

此外，期望脊波导10的脊宽度是大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。脊宽度小于1.5μm时电阻升高，工作电压上升。脊宽度大于2.5μm时容易产生高次模振荡。此外，期望脊波导10以外的第2覆盖层7的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。脊波导10以外的第2覆盖层7的层厚度小于0.03μm时脊部分和脊以外的折射率差增大，容易产生高次模振荡。而大于0.20μm时，电流向横方向扩展，增加无效电流。

(第2实施方式)

下面，图4示出本发明的第2实施方式的半导体发光元件的结构。

本实施方式的半导体发光元件，在图1所示的第1实施方式的半导体发光元件中，使不掺杂的GaN构成的防扩散层51稍厚，例如达到0.1μm～0.15μm而具有光波导功能，成为除去了GaN构成的p型光波导层6的结构。由于防止溢出层5越靠近有源层4效果越大，但因杂质的浓度高而势垒提高，所以即使有源层4和防止溢出层稍稍分离，也可以维持防止溢出效果。因此，在本实施方式中，防止溢出层5的杂质浓度比第1实施方式高。

本实施方式与第1实施方式同样，可以抑制从溢出层向有源层扩散杂质，抑制发光效率下降。

如以上说明，根据本发明的各实施方式，可以抑制从溢出层向有源层扩散杂质，抑制发光效率下降。

Claims (20)

1.一种半导体激光元件，包括：

形成于衬底上的第1导电型的第1覆盖层；

形成于所述第1覆盖层上的有源层；

形成于所述有源层上、防止杂质扩散到所述有源层中的防扩散层；

形成于所述防扩散层上、防止注入到所述有源层中的载流子的溢出的与所述第1导电型不同的第2导电型的防止溢出层；以及

形成于所述防止溢出层上的第2导电型的第2覆盖层。

2.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层的杂质浓度大于等于5×10¹⁸/cm^-3，所述防扩散层是不掺杂层。

3.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层的层厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。

4.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防扩散层是GaN层。

5.如权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。

6.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层是Al_tGa_1-tN构成的层，其中，1＞t＞0.16。

7.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述有源层是在将大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱层2至4次交替地叠层后，形成了层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层的多重量子阱结构。

8.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述第2导电型的第2覆盖层包括所述防止溢出层上设置的第1层、以及在该第1层上设置的脊部。

9.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述脊形状的第2覆盖层的脊宽度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。

10.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆盖层的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。

11.如权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述第1导电型的第1覆盖层和第2导电型的第2覆盖层是Al_sGa_1-sN构成的层或Al_sGa_1-sN/GaN构成的超晶格层，其中0.0＜s≤0.3，所述有源层是In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN构成的多重量子阱有源层，其中0.05≤x≤1.0、0≤y≤1.0、x＞y，所述防止溢出层是Al_tGa_1-tN构成的层，其中1＞t＞s，所述防扩散层是Al_uGa_1-uN构成的层，其中0≤u＜t。

12.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层的杂质浓度大于等于5×10¹⁸/cm^-3，所述防扩散层是不掺杂层。

13.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层的层厚度大于等于5nm、小于等于20nm，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。

14.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防扩散层是GaN层。

15.如权利要求14所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防扩散层的层厚度大于等于0.02μm、小于等于0.15μm。

16.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述防止溢出层是Al_tGa_1-tN构成的层，其中1＞t＞0.16。

17.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述有源层是在将大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层和层厚度大于等于2nm、小于等于5nm的阱层2至4次交替地叠层后，形成了层厚度大于等于3nm、小于等于10nm的阻挡层的多重量子阱结构。

18.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述第2导电型的第2覆盖层包括所述防止溢出层上设置的第1层、以及在该第1层上设置的脊部。

19.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述脊形状的第2覆盖层的脊宽度大于等于1.5μm、小于等于2.5μm。

20.如权利要求11所述的半导体激光元件，其特征在于，所述脊以外的所述第2覆盖层的层厚度大于等于0.03μm、小于等于0.2μm。

Images