[发明专利]具有偏离有源区的错配位错的GaN基激光二极管

说明书

要求在先提交的美国申请的权益

本申请要求2010年5月28日提交的美国申请系列第12/789,936号的权益。此文件的内容以及本文提到的出版物、专利和专利文件的所有内容都通过参考结合入本文中。

背景

GaN基激光器往往生长在GaN衬底的极性面上，这带来了强内场，该强内场会妨碍发光所需的电子-空穴复合。非极性面如m面和a面可用来消除这些场。GaN衬底也可沿着半极性晶面切割，产生弱得多的内场，并可在有源区形成高铟浓度，这可使发射波长延伸至绿光。本公开的具体实施方式涉及在GaN衬底的晶面上的生长，在此情况下，可称GaN衬底限定了晶体生长面。

简要概述

本发明人认识到，在半极性GaN衬底上生长的长波长发光器件能够表现出提高的辐射效率。例如，高效绿光激光二极管可在半极性GaN衬底上生长，即使在高In组成的情况下也能得到均匀的GaInN量子阱。本发明人还认识到，在这种器件中，由于GaN与InN之间或GaN与A1N之间的大晶格失配，在GaN衬底上生长的异质外延GaInN和GaAlN层通常要承受显著的机械应力。更具体地，错配应变能在异质外延层生长期间累积起来，若层厚度超过该层的应变弛豫临界值，则会因产生错配位错而发生塑性弛豫。在半极性GaN衬底上生长应变层时产生的这些错配位错可以是非辐射复合的位置，若错配位错形成于有源区内或靠近有源区，则会降低激光器的性能。根据本公开的主题，对GaN基激光二极管进行设计，使错配位错发生在远离有源区的地方。

根据本公开的一个实施方式，提供一种GaN基边缘发射激光器，该激光器包含半极性GaN衬底、有源区、N侧波导层、P侧波导层、N型包覆层和P型包覆层。GaN衬底的特征是穿透位错密度（threading dislocationdensity）约为1x10⁶/cm²。N侧波导层的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值。此外，对弛豫的N侧波导层上的生长所计算的有源区的累计应变-厚度积小于其应变弛豫临界值。结果，N型包覆层与N侧波导层之间的N侧界面包含一组N侧错配位错，而P型包覆层与P侧波导层之间的P侧界面包含一组P侧错配位错。本文还描述了其他的实施方式，并要求专利保护。

附图说明

当结合以下附图阅读下面对本公开的具体实施方式的详细描述时，可对其形成最好的理解，附图中相同的结构用相同的编号表示，其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方式的GaN边缘发射激光器；以及

图2显示了为图1所示的GaN边缘发射激光器构思的许多变化形式之一。

具体实施方式

综合参考图1和2，本公开的GaN边缘发射激光器100、100'包含半极性GaN衬底10、缓冲层15、有源区20、N侧波导层30、P侧波导层40、N型包覆层50和P型包覆层60。GaN衬底10可限定2021或其他半极性晶体生长面，其特征是穿透位错密度约为1x10⁶/cm²，即大于1x10⁵/cm²但小于1x10⁷/cm²。如图1和2所示，有源区20介于N侧波导层30与P侧波导层40之间，并基本上平行于这两个层延伸。N型包覆层50介于N侧波导层30与GaN衬底10之间。P型包覆层60在P侧波导层40上形成。

本领域已有完整记录的马修斯-布莱克斯利（Matthews-Blakeslee）平衡理论对应变异质外延层开始发生错配位错的临界厚度提供了预测。根据该理论，如果层厚度超过该层的马修斯-布莱克斯利临界厚度，就会因产生错配位错而发生弛豫。此厚度与层中应变的数学乘积在本文中称作该层的应变-厚度积。

作为图示而非限制，参见图1和2，对于根据本公开的GaN边缘发射激光器100、100'，N侧波导层30的应变-厚度积超过其应变弛豫临界值例如但不限于约10%。结果，N型包覆层50与N侧波导层30之间的N侧界面将包含一组N侧错配位错75，该N侧界面可包含N侧界面层70。此外，有源区20中每个层的应变-厚度积以及整个有源区20的累计应变-厚度积小于应变弛豫临界值，该累计应变-厚度积是激光器100、100'的整个有源区20中每个层的应变-厚度积之和。对于有源区，在计算临界厚度时，应假定它生长在弛豫的N侧波导层上。