(57)【要約】本開示の概念によれば、レーザの導波路層内におけるＡｌの使用が、光閉じ込め井戸（２２；ＩｎＧａＮ）と歪補償バリア（２４；Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ）とを備えているＩｎＧａＮ／Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ導波路超構造（２０）の形で表される、レーザダイオード導波路構成が意図されている。光閉じ込め井戸（２２）の組成は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリア（２４）が存在していても強い光閉じ込めを実現しながら、励起放出を吸収しないように選択される。歪補償バリア（２４）の組成は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮの呈する引張歪みがＩｎＧａＮ光閉じ込め井戸（２２）の圧縮歪みを補償し、ただし光閉じ込めを妨げることのないように選択される。
2014506017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半極性ＧａＮ基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、
前記半極性ＧａＮ基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が、少なくとも１つの導波路超構造を含み、
前記導波路超構造が、井戸厚さａの複数のＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚ｂの複数の介在するＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアとを備え、式中、ｘ、ｙ、およびｚは、おおよそ、０．０２≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．３５、および０≦ｚ≦０．１０の関係となり、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みを補償するのに十分なＡｌを含み、
前記ＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸が圧縮歪みを与え、かつ前記ＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアが、前記ＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸により与えられた前記圧縮歪みの大部分を補償するのに十分な引張歪みを与え、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性ＧａＮ基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成され、さらに、
ここで（ａ）前記導波路超構造が受動ＭＱＷ導波路層として構成される、（ｂ）前記光閉じ込め井戸が量子井戸を含む、および（ｃ）前記歪補償バリアが量子井戸バリア層を含む、のうちの少なくとも１つであることを特徴とするレーザダイオード。
【請求項２】
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みを歪補償割合θまで補償するのに十分なＡｌを含み、このときθ＞０でありかつθ＝１は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さａ、ｂは、関係、
（０．１ｙ）η≒θ（０．０３９ｘ＋０．１ｚ）（１−η）
を満たし、このときｘ、ｙ、およびｚは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは周期的または非周期的なＩｎyＧａ1-yＮ閉じ込め井戸のデューティサイクルまたは前記導波路超構造内の平均デューティサイクルであり、かつ、ａ／ｂ＝η／（１−η）であることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項３】
前記導波路超構造が、おおよそ、１０ｎｍ≦（λC−λW）≦６０ｎｍの関係、または１０ｎｍ≦（λC−λW）≦４０ｎｍの関係となる、吸収端波長λWにより特徴付けられるものである、
前記導波路超構造の平均屈折率が、前記ＧａＮ基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも高いものである、または、
前記導波路超構造が、合計でおよそ３００ｎｍ未満の厚さを画成する複数のＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアを含むものである、
のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項４】
前記井戸厚さａがおよそ２ｎｍからおよそ５ｎｍの間である、
前記井戸厚さａがおよそ６０ｎｍを超えないものである、
少なくとも１つの歪補償バリアに対し、ｘがおおよそ０．０５≦ｘ≦０．２０の関係となる、または、
少なくとも１つの歪補償バリアに対し、ｚがおおよそ０＜ｚ≦０．１０の関係となる、
のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項５】
前記介在する歪補償バリアが、歪補償割合θが０．９超または０．５超となるよう、前記光閉じ込め井戸により導入される実質的に全ての歪みを補償するのに十分なＡｌを含み、かつ、
少なくとも１つの光閉じ込め井戸に対し、ｙがおおよそ０．１５≦ｙ≦０．３５の関係となることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項６】
前記レーザダイオードの前記導波路領域が、前記多重層のレーザダイオード内の前記活性領域の各側に少なくとも１つの導波路超構造を、該各導波路超構造が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導くように含むものであることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項７】
前記発振波長λCがおよそ５００ｎｍからおよそ５４０ｎｍの間であり、かつ前記吸収端波長λWがおよそ４３０ｎｍからおよそ５３０ｎｍの間であり、さらに前記吸収端波長λWがおおよそ１０ｎｍ≦（λC−λW）≦２０ｎｍの関係となることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項８】
前記レーザダイオードが、前記発振波長λCの光閉じ込めを向上させるよう構成された、バルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子の形の、１以上の追加の閉じ込め層をさらに備え、
前記バルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子の夫々の厚さが、前記レーザダイオード内の歪み誘起緩和を防ぐことができるほど薄いものであり、さらに、
前記導波路超構造が、前記活性領域と前記追加の閉じ込め層との間に挟まれていることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項９】
前記レーザダイオードが、前記活性領域と、レーザの光モードを前記レーザダイオードのｎ側にシフトさせるよう構成された前記導波路超構造とを備えている、非対称の導波路コアを含むことを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
【請求項１０】
半極性ＧａＮ基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、ここで、
前記半極性ＧａＮ基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が、少なくとも１つの導波路超構造を含み、
前記導波路超構造が、井戸厚さａの１以上のＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚ｂの１以上の介在するＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアとを備え、このときｘ、ｙ、およびｚは、おおよそ、０．０２≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．３５、および０≦ｚ≦０．１０の関係となり、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を歪補償割合θまで補償するのに十分なＡｌを含み、このときθ＞０でありかつθ＝１は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さａ、ｂは、関係、
（０．１ｙ）η≒θ（０．０３９ｘ＋０．１ｚ）（１−η）
を満たし、このときｘ、ｙ、およびｚは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは周期的または非周期的なＩｎyＧａ1-yＮ閉じ込め井戸のデューティサイクルまたは前記導波路超構造内の平均デューティサイクルであり、かつ、ａ／ｂ＝η／（１−η）であり、さらに、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性ＧａＮ基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成されていることを特徴とするレーザダイオード。
【請求項１１】
半極性ＧａＮ基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、ここで、
前記半極性ＧａＮ基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が少なくとも１つの導波路超構造を含み、かつ前記導波路領域が、おおよそ１０ｎｍ≦（λC−λW）≦２０ｎｍの関係となる、吸収端波長λWにより特徴付けられるものであり、
前記導波路超構造が受動ＭＱＷ導波路層として構成され、かつ前記導波路超構造が、井戸厚さａの複数のＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚ｂの介在するＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアとを備え、このときｘ、ｙ、およびｚは、おおよそ、０．０２≦ｘ≦０．４０、０．１５≦ｙ≦０．３５、および０＜ｚ≦０．１０の関係となり、
前記光閉じ込め井戸が量子井戸を含み、
前記歪補償バリアが量子井戸バリア層を含み、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を歪補償割合θまで補償するのに十分なＡｌを含み、このときθ＞０でありかつθ＝１は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さａ、ｂは、関係、
（０．１ｙ）η≒θ（０．０３９ｘ＋０．１ｚ）（１−η）
を満たし、このときｘ、ｙ、およびｚは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは前記導波路超構造内のＩｎyＧａ1-yＮ閉じ込め井戸のデューティサイクルであり、かつ、ａ／ｂ＝η／（１−η）であり、
引張歪みのある前記ＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮの屈折率が、前記ＧａＮ基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも低いものであり、
前記導波路超構造の平均屈折率が、前記ＧａＮ基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも高いものであり、さらに、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性ＧａＮ基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成されていることを特徴とするレーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が参照することにより本書に組み込まれる、２０１１年２月１７日に出願された米国特許出願第１３／０２９，７２３号の優先権の利益を米国特許法第１２０条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は半導体レーザに関し、特に、ミスフィット欠陥の形成を抑え、かつ導波路構造の活性領域において比較的高い光閉じ込めを達成する、光導波路構造に関する。本開示による半導体レーザは特に、例えば電気的に励起される緑色レーザダイオードによく適している。
【背景技術】
【０００３】
本発明者らは、特に活性領域がＩｎＧａＮ量子井戸から作製される場合、潜在的に光学利得がより大きくかつ均一性がより高いことから、ＩＩＩ族窒化物化合物に基づく電気的に励起される緑色レーザダイオードの設計および製造に半極性基板を使用すると有利であることを認識していた。本発明者らは、半極性基板上に成長させたレーザダイオード構造に関しては、ミスフィット欠陥の形成が特に重大な問題であることも認識しており、というのもＡｌＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層の成長中に強い引張歪みおよび圧縮歪みが蓄積して、歪みが緩和したときにミスフィット転位の形成がもたらされるためである。このミスフィット転位によって、発光の効率や信頼性が不十分なものになり得る。
【０００４】
本発明者らは、レーザダイオードの導波路層内にＡｌが存在していることは一般的に望ましくないと考えられていることを認識しており、これはＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮが、Ａｌを含まないＧａＮやＩｎＧａＮなどの類似の材料に比べて屈折率が低いと考えられているためである。そのため、Ａｌをできる限り導波路コアに近づけないことが一般的な傾向である。それでもなお、本発明者らは、Ａｌ含有層はＩｎＧａＮ層に対して歪補償を実現しながらもＩｎＧａＮ層により提供される高屈折率を妨げないため、半導体レーザダイオードの導波路層にＡｌおよびＩｎＧａＮを使用すると有利になり得ることを認識していた。これによれば、構造の結晶品質を高く維持しながら、光閉じ込めと光学利得が強化される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の概念によれば、レーザの導波路層内におけるＡｌの使用が、１以上の光閉じ込め井戸（ＩｎＧａＮ）と１以上の対応する歪補償バリア（Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ）とを備えているＩｎＧａＮ／Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ導波路超構造の形で表される、レーザダイオード導波路構成が意図されている。光閉じ込め井戸の組成は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリアが存在していても強い光閉じ込めを実現しながら、励起放出を吸収しないように選択される。歪補償バリアの組成は、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮの呈する引張歪みがＩｎＧａＮ光閉じ込め井戸の圧縮歪みを補償し、ただし光閉じ込めを妨げることのないように選択される。
【０００６】
本開示の一実施の形態によれば、半極性ＧａＮ基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードが提供される。導波路領域は少なくとも１つの導波路超構造を含み、この導波路超構造は、井戸厚さａの１以上のＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚ｂの１以上の介在するＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアとを備え、式中、ｘ、ｙ、およびｚは、おおよそ、０．０２≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．３５、および０≦ｚ≦０．１０の関係となる。介在する歪補償バリアは、光閉じ込め井戸により導入される歪みを補償するのに十分なＡｌを含んでいる。複数の光閉じ込め井戸が採用される場合、井戸内のＩｎ濃度および厚さは、各井戸で同じである必要はない。同様に、複数のバリア層が採用される場合、バリアのＩｎおよびＡｌの濃度と厚さは、各バリア層で同じである必要はない。
【０００７】
本開示の別の実施形態によれば、ｘ、ｙ、およびｚが、おおよそ、０．０２≦ｘ≦０．４０、０．１５≦ｙ≦０．３５、および０＜ｚ≦０．１０の関係となり、かつ介在する歪補償バリアが、光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を補償するのに十分なＡｌを含んでいる。
【０００８】
本開示のさらに別の実施形態によれば、光閉じ込め井戸が量子井戸を含み、かつ歪補償バリアが量子井戸バリア層を含む。
【０００９】
本開示の特定の実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面と共に読むと最も良く理解でき、このとき同様の構造を同じ参照番号で示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施の形態による導波路領域を含んだレーザダイオード構造を簡略化して示した概略図
【図２】本開示の特定の実施形態による導波路領域のバリアおよび井戸における夫々ＡｌおよびＩｎの濃度の間の関係を示したグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に示したレーザダイオード１００は、一般に本開示の一実施の形態によるレーザダイオードの代表的なものであり、半極性ＧａＮ基板１０、活性領域１５、夫々上方（ｐ側）および下方（ｎ側）導波路超構造２０を備えた導波路領域、上方および下方クラッド領域３０、さらに上方および下方コンタクト層４０を備えている。半極性ＧａＮ基板１０は半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、成長面は、光学利得が潜在的に高く、かつ基板上に成長されるＩｎＧａＮ量子井戸におけるインジウム組成の均一性が向上することから、有利であることを本発明者らは認識していた。本発明者らは、レーザダイオード構造に半極性の成長面を使用することによる固有の課題についても認識していた。具体的には、半極性の成長面上のレーザダイオード構造は、結晶格子のミスフィット欠陥の形成に非常に影響され易いものが多い。本開示は、１以上の歪みバランス導波路超構造２０を有する導波路領域をレーザダイオード構造内で利用することにより、この設計の問題に対処する。本発明の概念は上方（ｐ側）導波路超構造２０を含まずに実行することができ、また多くの場合、典型的には歪みバランス超構造を活性領域１５上で使用する必要はないため、本書において説明する歪みバランス光導波路超構造は下方導波路超構造２０内でのみ採用されると意図されている。
【００１２】
図１は、本開示による導波路超構造を組み込んだ、ある特定のレーザダイオード１００の全体構造の概略図を示したものである。本開示の導波路超構造を組み込んだ様々な代替のレーザ構成が考えられる。例えば本開示は、活性領域１５、クラッド領域３０、およびコンタクト層４０に対して、様々な代替の構成を使用することが意図されている。レーザダイオード構造のクラッド層３０は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、またはこれらのいくつかを組み合わせたものを含み得ると考えられており、また２つのクラッド層の材料組成は異なっていてもよいし、さらにクラッド層を横切って変化していてもよいと意図されている。同様に、活性領域１５は様々な形を取ることができ、例えば活性多重量子井戸（ＭＱＷ）を含み得る。
【００１３】
さらに、本開示によるレーザ構成は、例えばバッファ層、電子／ホールブロック層などの、図１に示されていない追加の層を典型的には組み込むことに留意されたい。各活性領域、導波路領域、さらに上方および下方クラッド領域は、導波路領域の上方および下方導波路超構造２０が活性領域１５からの光子の誘導放出を導き、さらにクラッド領域３０が導波路領域の超構造２０内での放出された光子の伝播を促進するように、半極性ＧａＮ基板１０の半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオード１００として形成される。
【００１４】
その固有の構成に拘わらず、活性領域１５は電気的または光学的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するように構成される。導波路超構造２０は、発振波長λCよりも小さくかつ好適にはおおよそ１０ｎｍ≦（λC−λW）≦６０ｎｍの関係になる、吸収端波長λWを画成するように設計される。いくつかの実施形態において、例えばターゲット歪補償が実質的に１００％未満である場合、この波長の隔たりは６０ｎｍを超え得る。他の実施形態では、適切な波長の隔たりの範囲がより狭くなり、吸収端波長λWはおおよそ１０ｎｍ≦（λC−λW）≦２０ｎｍの関係になる。いずれの場合でも、導波路超構造２０のバンドギャップは励起光子エネルギーに比較的近くなるが、導波路超構造２０は発振光を吸収しない。
【００１５】
導波路超構造２０は周期的なものでもよいし、あるいは非周期的なものでもよく、すなわち光閉じ込め井戸２２および歪補償バリアの各厚さが、超構造２０に亘って一定でもよいし、または変化してもよいと意図されている。導波路超構造を受動ＭＱＷ導波路層として構成してもよいとも考えられている。この場合、光閉じ込め井戸２２はナノメートルスケールの量子井戸を含むことになり、歪補償バリア２４は量子井戸バリア層を含むことになる。一例において、導波路超構造２０が受動ＭＱＷ導波路層として構成される場合、発光波長５３０ｎｍの緑色レーザダイオードでは、受動ＱＷの吸収端が確実に発振波長に十分近くなるよう、すなわち差が約２０〜６０ｎｍとなるよう、受動ＭＱＷ導波路層はその発光波長がおよそ５１０ｎｍとなるように構成される。多くの実施形態において、受動ＭＱＷ導波路層による光学利得の抑制を防ぐために、この波長差を確実に１０ｎｍ以上とすることが好ましいであろう。発振波長λCがおよそ５００ｎｍからおよそ５４０ｎｍの間である場合、吸収端波長λWはおよそ４３０ｎｍからおよそ５３０ｎｍの間でもよいと考えられる。
【００１６】
本開示による導波路超構造２０は、複数のＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸２２と、歪補償構造を画成する介在するＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリア２４とを含むものと意図されており、式中、ｘおよびｚは、おおよそ０．０２≦ｘ≦０．４０および０≦ｚ≦０．１０の関係となる。一般的な場合ｙの値は、おおよそ０．０５≦ｙ≦０．３５の関係となるが、歪補償が１００％に近い構造に対しては、すなわち歪補償バリア内のＡｌ濃度ｘが比較的高いときには、十分に高い平均屈折率を維持するために、おおよそ０．１５≦ｙ≦０．３５の関係となることが好ましい。特定の実施形態において、ｘはおおよそ０．０５≦ｘ≦０．２０の関係となり、かつｚはおおよそ０＜ｚ≦０．１０の関係となる。１以上の光閉じ込め井戸内において、Ｉｎモル濃度は一定でない可能性があることも意図されている。この場合には、各光閉じ込め井戸に対し、ｙはこの光閉じ込め井戸内の平均のＩｎモル濃度を称する。さらに、１以上の歪補償バリア内において、Ｉｎモル濃度およびＡｌモル濃度が一定でない可能性があることも意図されている。この場合には、各歪補償バリアに対し、ｘはこの歪補償バリア内の平均のＡｌモル濃度を称し、そしてｚはこの歪補償バリア内の平均のＩｎモル濃度を称する。さらに導波路超構造内において、光閉じ込め井戸のＩｎモル濃度ｙは異なっていてもよいし、同時に歪補償バリアのＡｌモル濃度ｘおよびＩｎモル濃度ｙが異なっていてもよいことも意図されている。
【００１７】
本発明者らは、ＩｎＧａＮとは異なり、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮの屈折率はＡｌ濃度とともに略線形的に減少することを認識していた。これは、上記組成範囲におけるＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮの吸収端が励起光子エネルギーからかけ離れているためである。同時に、指定範囲におけるＩｎＧａＮの屈折率は、ＩｎＧａＮが励起光子エネルギーにより近いより低いバンドギャップを有しているため、Ｉｎ濃度とともに超線形的に増加する。さらに、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮにおける引張歪みはＡｌ濃度とともに線形的に増加し、一方ＩｎＧａＮ井戸の圧縮歪みはＩｎ含有量とともに同様に線形的に増加する。従って、介在するＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリア２４は、光閉じ込め井戸２２により誘導される歪みを補償するのに十分なＡｌを含むように容易に設計することができ、すなわちミスフィット転位の形成が抑制され、それでも光閉じ込め井戸によって、平均の屈折率は強く減少することはなくＧａＮの屈折率よりも高いままとなる。Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリア２４内のＩｎ濃度がゼロではない場合、ＡｌおよびＩｎの濃度の組合せは引張歪みを与えるように選択されるべきである。
【００１８】
例えば、緑色レーザ発光すなわち５３０ｎｍでは、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮの屈折率のＡｌ濃度に伴う減少は小さい。そのため、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリア２４は歪補償を実現するが、活性領域１５および導波路超構造２０により形成される導波路コアの平均屈折率を強く減少させることはない。典型的にはＧａＮ／Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ構造はｎ型ＧａＮよりも低い屈折率を有することになると期待されていたため、本発明者らはこの手法が直観に反することを見出した。実際、引張歪みのあるＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮの屈折率はＧａＮ基板１０や上方および下方クラッド層３０よりも低いが、ＩｎＧａＮ光閉じ込め井戸の吸収端が発振波長に十分に近いとき、導波路超構造２０の平均屈折率はＧａＮ基板１０や上方および下方クラッド層３０よりも著しく高いことを本発明者らは認識していた。
【００１９】
本開示のいくつかの実施形態において、主要な緩和機構はｃ軸に沿った緩和を助けることに留意されたい。ただし、ｃ軸におけるＡｌＮ／ＧａＮ格子の不整合は３．９％であり、これはａ軸またはｍ軸（２．４％）におけるものよりも高い。従って、ｃ方向における歪補償は、本開示の実施形態に対して効果的である。結果として、本開示によるＡｌ（Ｉｎ）ＧａＮ歪補償バリアを組み込んだ導波路超構造を使用すると、大きな総屈折率対比を提供し、かつ少なくとも射影ｃ方向において圧縮歪みを部分的または完全に補償する、導波路領域の成長が可能になる。例えば、厚さ２．５ｎｍ、Ｉｎ濃度２５％のＩｎＧａＮ光閉じ込め井戸のｃ軸の方向における歪みを完全に補償するために、Ａｌ濃度がおよそ１０％の１７ｎｍのＡｌＧａＮバリア層を使用してもよい。あるいは、バリア層内のＡｌ濃度がより少ない場合には、厚さをより大きくしたものが必要になるであろう。
【００２０】
多くの実施形態において、本開示による導波路超構造の厚さが確実におよそ７０ｎｍを超えるようにすることは難しくないであろう。多くの実施形態において、好適な井戸の厚さａはおよそ２ｎｍからおよそ５ｎｍの間であり、かつおよそ６０ｎｍを超えるべきではない。コアの厚さが過剰になると光閉じ込めの低下に繋がり得るため、バリア層の厚さは導波路コアの所望の厚さにより制限される。導波路コアの典型的な厚さは、コアの活性領域の上下およそ７０〜３００ｎｍである。従って、本開示のいくつかの実施形態において、導波路超構造内の歪補償バリア全ての合計厚さは、３００ｎｍを超えるべきではない。
【００２１】
本開示の一実施の形態において、歪補償の割合は割合θによって特徴づけることができ、このときθ＞０でありかつθ＝１は完全な歪補償を表し、これは典型的には好ましい。光閉じ込め井戸２２および介在する歪補償バリア２４夫々の厚さａ、ｂは、以下の関係を満たす。
【００２２】
（０．１ｙ）η≒θ（０．０３９ｘ＋０．１ｚ）（１−η）
式中、ｙは全光閉じ込め井戸に亘って平均されたものであり、ｘおよびｚは全歪補償バリアに亘って平均されたものであり、ηは導波路超構造２０内のＩｎyＧａ1-yＮ閉じ込め井戸のデューティサイクルであり、かつａ／ｂ＝η／（１−η）である。ＡｌxＩｎzＧａ1-x-zＮ歪補償バリアは、ＩｎyＧａ1-yＮ光閉じ込め井戸により提供される圧縮歪みの大部分を補償するのに十分な引張歪みを提供するよう容易に構成できると考えられている。図２は、本開示の特定の実施形態による導波路領域の種々のＩｎＧａＮのデューティサイクルに対する、ＡｌおよびＩｎの濃度間の関係を示したものである。適切なデューティサイクルは、およそ５％からおよそ５０％までの範囲であると考えられている。非周期的な構造の場合、歪補償の係数θは、光閉じ込め井戸２２および介在する歪補償バリア２４夫々の合計の厚さａ、ｂを用いて計算することができる。
【００２３】
ＩｎＧａＮの屈折率をＩｎ濃度ｙとともに著しく超線形に増加させるために、ＩｎＧａＮ光閉じ込め井戸内で十分に高いＩｎ濃度を用いることが好ましい。所望の歪補償係数θと、ＧａＮ基板の屈折率よりも著しく高い平均屈折率とを有する導波路超構造を得るために、光閉じ込め井戸内のＩｎ濃度ｙはおおよそ０．１５θ≦ｙ≦０．３５であることが好ましいと考えられる。そうすることにより、本開示の概念をこのように実行すると、所望の歪補償係数θを得るのに必要なＡｌ濃度ｘを使用すると同時に、光閉じ込め井戸の吸収端を発振波長に十分近いまま維持して、十分に高い平均屈折率を得ることが都合良いことが分かる。
【００２４】
図１に示した実施形態では、レーザダイオード１００の導波路領域は、活性領域１５の各側に少なくとも１つの導波路超構造２０を含んでいる。しかしながら、本開示によるレーザダイオード構造は、単に導波路超構造２０をレーザダイオード構造のｎ側にのみ備えたものでもよく、一方ｐ側の導波路は、従来のＩｎＧａＮまたはＧａＮ導波路層、または代替の今後開発される導波路層を含み得ると考えられる。好適にはｐ側導波路層は、その厚さおよびＩｎ濃度が緩和を防ぐことができるほど小さなものとなるようさらに調整される。すなわち、活性領域と導波路層とから成る導波路コアは非対称で、光モードをｎ側にシフトさせるものでもよい。この非対称の構成の利点は、ｐ型材料へのモードの透過が少なくなって、光損失が低減されることである。
【００２５】
レーザダイオード１００の導波路領域が活性領域１５の各側に少なくとも１つの導波路超構造２０を含む実施形態を考慮すると、導波路領域は典型的には活性領域１５の両側に配置されたｐドープ導波路超構造およびｎドープ導波路超構造２０を含み、かつクラッド領域は典型的には、活性領域１５の両側に配置されたｐドープ層およびｎドープ層３０を含む。この場合、活性領域１５は、レーザダイオード１００のｐドープ側とｎドープ側との間に配置されると言える。レーザダイオードのｎドープ側の光閉じ込め井戸２２間に介在する歪補償バリア２４はｎドープされ、またレーザダイオードのｐドープ側の光閉じ込め井戸２２間に介在する歪補償バリア２４はｐドープされる。レーザダイオードのｎドープ側およびｐドープ側の各層に関する前述の条件は主に導波路超構造が活性領域の各側に提供される実施形態に関するものであること、そして本開示の多くの実施形態は活性領域の両側に歪みバランス導波路超構造を必要とするものではないことに留意されたい。
【００２６】
本開示によるレーザダイオードは、発振波長λCでの光閉じ込めを向上させるよう構成された、バルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子の形の、１以上の追加の光閉じ込め層を備え得ると意図されている。導波路超構造２０は、活性領域１５と、例えばバルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子などの追加の閉じ込め層との間に挟み込んでもよい。バルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子の夫々の厚さは、レーザダイオード内の歪み誘起緩和を防ぐことができるほど薄いものとするべきである。上述したように、レーザダイオード１００には活性領域１５の上に電子ブロック層を設けることがさらに好ましいであろう。電子ブロック層は、活性領域内、または活性領域と導波路超構造を含み得る導波路層との間に置いてもよい。例えば、限定するものではないが、電子ブロック層を米国特許出願公開第２０１０／０１５０１９３（Ａ１）号明細書の教示に従って構成してもよい。レーザダイオード１００は、活性領域１５と導波路超構造２０を含み得るｎ側導波路層との間に、ホールブロック層を備えてもよい。これらの電子ブロック層およびホールブロック層は、活性領域における量子井戸間のバリアのバンドギャップよりも幅広のバンドギャップを有する、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮを好適には含むであろう。電子ブロック層およびホールブロック層はＡｌを含むであろうことから、これらは歪補償にも貢献することになる。活性領域と全てのｐ側ＩｎＧａＮ層との間に電子ブロック層を置くと同時に、活性領域と全てのｎ側ＩｎＧａＮ層との間にホールブロック層を置くことが好ましいであろう。
【００２７】
説明のためであって限定するものではないが、本開示の概念によるいくつかの実施例が既に意図されている。
【実施例１】
【００２８】
以下の層を備えているレーザダイオード構造（底部から上部へ）
−ｎ−ＧａＮバッファ層およびクラッド層
−８〜１２周期の受動多重量子井戸であって、このとき２〜５ｎｍの受動ＱＷが１０ｎｍのＡｌＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮバリアで分離され（ＡｌＧａＮに対し、Ａｌ濃度は５％〜１５％であるべき）、受動量子井戸はその発光波長が発振波長より１０〜４０ｎｍ短くなるように構成される。
【００２９】
−緑色スペクトル領域（５００〜５４０ｎｍ）で光学利得を提供するよう構成された、２または３周期のＩｎＧａＮ活性量子井戸
−ＡｌＩｎＧａＮ電子ブロック層、および、
−厚さ６００〜１２００ｎｍのｐ側ＧａＮクラッド層
【実施例２】
【００３０】
ＡｌＩｎＧａＮクラッド層を少なくともｎ側クラッド層において使用することを除き、実施例１に類似したもの。このＡｌＩｎＧａＮ層格子は１つの面内方向（典型的にはｃ軸に向かう方向）において一致し、かつこのＡｌＩｎＧａＮ層格子の別の方向での歪みは十分に低く、緩和が回避される。ｐ側クラッド層は、ＡｌＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮの層を含み得る。各クラッド層は、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、またはＡｌＩｎＧａＮ層の、組合せから作製したものでもよい。この構造は、歪補償された受動ＱＷに加え、バルクＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子を導波路コア内にさらに備えて、光閉じ込めをさらに向上させてもよい。歪補償された受動ＱＷが存在していると光閉じ込めが強化され、そのためもはやこのバルク層または超格子のＩｎ濃度を高くしたりあるいはバルク層または超格子の厚さを厚くしたりする必要はなく、緩和を回避することができるほどにこれらを薄くすることができる。また、受動量子井戸の屈折率が高いため、いくつかの設計では受動量子井戸を活性領域とこの追加の層との間に位置付けることが好ましい。
【実施例３】
【００３１】
２つの受動井戸を備えており、これらの下に５ｎｍのｎ−ＡｌＩｎＧａＮバリアを含み、かつこれらの上に１７ｎｍのｎ−ＡｌＩｎＧａＮバリアを含んだ、レーザダイオード構造。この２つの受動ＱＷは、１７ｎｍ厚のＡｌＩｎＧａＮバリア層で分離される。この構造は、ホールブロック層と、平均Ｉｎ濃度が３％〜６％のｎ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子との間に置かれる。このｎ−超格子の厚さは１１４ｎｍであり、これは（２０〜２１）基板配向に対し緩和限界未満である。ｎ−ＡｌＩｎＧａＮクラッド層、またはＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ層の組合せが、ｎ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層の下に置かれる。この構造はさらに、厚さ９０ｎｍのｐ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子を含んでいる。ｐ型の、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、または組み合わせたクラッド層を、実施例１および２と同様に成長させてもよい。この構造は、活性領域とクラッド層との間に電子ブロック層をさらに備えるべきである。
【実施例４】
【００３２】
３以上の受動量子井戸が存在していることを除き、これまでの実施例に類似したレーザダイオード構造。この場合、受動量子井戸はＡｌＩｎＧａＮバリアにより分離される。受動ＱＷによってより多くの光閉じ込めが提供されるため、ｎ型ＩｎＧａＮ超格子層は、より薄くてもよい。
【実施例５】
【００３３】
１つの受動ＱＷを備えたレーザダイオード構造。この設計は、受動量子井戸が１つのみ存在していること、およびＩｎＧａＮ超格子が若干より厚いこと（１２０ｎｍ）を除き、実施例３に類似したものである。
【００３４】
本書において、本開示の構成要素が特定の性質を具現化するように、あるいは特定の手法において機能するように「構成される」という記述は、目的用途の記述ではなく構造的記述であることに留意されたい。より具体的には、ある構成要素が「構成された」様態を本書において参照した場合、これはその構成要素の現存の物理的条件を示したものであり、したがってその構成要素の構造的特徴の明確な記述と理解されるべきである。
【００３５】
本書において「好適」、「通常」、および「典型的」というような用語が使用されているとき、これらの用語は請求される発明の範囲を制限するために用いられるものではないこと、あるいは特定の特徴が請求される発明の構造または機能に対して、重大、不可欠、または重要であることすら意味するために用いられるものではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は単に本開示の実施形態の特定の態様を識別するため、あるいは本開示の特定の実施形態において利用し得るまたは利用し得ない代替または追加の特徴を強調するためのものである。
【００３６】
本発明を説明および画成するために、「およそ」という用語は、任意の定量比較、値、測定値、または他の表現に起因し得る、固有の不確実さの度合いを表すために本書において用いられていることに留意されたい。さらに「実質的に」という用語は、論じている主題の基本的機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が記載した基準から変動し得る度合いを表すために本書において用いられる。
【００３７】
本開示の主題を詳細にかつその特定の実施形態を参照して説明してきたが、添付の請求項において画成される本発明の範囲から逸脱することなく、改変および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は好適または特に有利であるものとして本書において識別されているが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されるものではないと意図されている。例えば、導波路超構造２０を主に参照して本発明を説明しているが、導波路超構造２０は受動ＭＱＷ導波路層として構成し得ると意図されている。この場合、光閉じ込め井戸２２はナノメートルスケールの量子井戸を含むことになり、かつ歪補償バリア２４は量子井戸バリア層を含むことになる。典型的には、受動ＭＷＱ構造内の量子井戸層は１０ｎｍ厚より薄くなる。
【００３８】
１以上の以下の請求項は「ここで(wherein)」という用語を移行句として使用していることに留意されたい。本発明を画成するために、この用語は構造の一連の特徴に関する記述を導入するために使用される、オープンエンドの移行句として請求項に導入され、より一般に使用されるオープンエンドの前文の用語「備えている」と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。
【符号の説明】
【００３９】
１０    半極性ＧａＮ基板
１５    活性領域
２０    導波路超構造
２２    光閉じ込め井戸
２４    歪補償バリア
３０    クラッド領域
４０    コンタクト層
１００    レーザダイオード
【図１】
2014506017.tif 000003
【図２】
2014506017.tif 000004
【国際調査報告】
2014506017.tif 000005
2014506017.tif 000006
2014506017.tif 000007