(57)【要約】      （修正有）【課題】基板と活性領域との大きな格子不適合による活性領域の結晶品質劣化を抑制するとともに、低いデバイスモード損失を維持するレーザーダイオードを提供する。【解決手段】ｎ−クラッド層１０２に複数部分を有する紫外線レーザーダイオードにおいて、レーザーダイオードが、ｐ−クラッド層１０６、ｎ−クラッド層、導波路１０３、および活性領域（例えば量子井戸領域１０４）を含み、ｎ−クラッド層が、少なくとも第１の部分２０１および第２の部分２０２を含み、第１の部分が、レーザーダイオードの材料品質を維持する一方で、第２の部分は、ｐ−クラッド層から活性領域に向かって光学モードを引き寄せ、第１の部分は、第２の部分よりも高いアルミニウム組成を有し、導波路は、ｎ−クラッド層に連結され、活性領域は、導波路に連結され、活性領域は、ｎ−クラッド層とｐ−クラッド層との間に位置する。【選択図】図３
2016111353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ−クラッド層、
ｎ−クラッド層であって、前記ｎ−クラッド層が工学的不均一合金組成を含み、下部部分および上部部分を含み、ここで前記下部部分は材料品質を維持し、前記上部部分は、前記ｐ−クラッド層からのモードを引き寄せるｎ−クラッド層、
前記ｎ−クラッド層の上部部分に連結された導波路、および
前記導波路に連結された発光領域であって、ここで前記発光領域が前記ｎ−クラッド層と前記ｐ−クラッド層との間に位置する発光領域
を含むレーザーダイオード。
【請求項２】
前記下部部分が前記上部部分よりも厚い、請求項１に記載のレーザーダイオード。
【請求項３】
前記下部部分および前記上部部分は合金材料であり、前記下部部分は、前記上部部分よりも高いアルミニウム含有量を有する、請求項１に記載のレーザーダイオード。
【請求項４】
ｐ−クラッド層、
少なくとも第１の部分および第２の部分を含むｎ−クラッド層であって、ここで前記第１の部分がレーザーダイオードの材料品質を維持し、前記第２の部分は、前記ｐ−クラッド層からモードを引き寄せるｎ−クラッド層、
前記ｎ−クラッド層に連結された導波路、および
前記導波路に連結された発光領域であって、ここで前記発光領域が前記ｎ−クラッド層と前記ｐ−クラッド層との間に位置する発光領域
を含む、レーザーダイオード。
【請求項５】
前記第１の部分が前記第２の部分よりも厚い、請求項４に記載のレーザーダイオード。
【請求項６】
前記第１の部分および前記第２の部分は合金材料であり、前記第１の部分は、前記第２の部分よりも高いアルミニウム含有量を有する、請求項４に記載のレーザーダイオード。
【請求項７】
合金材料を含むｎ−クラッド層であって、前記ｎ−クラッド層が、第１の部分および第２の部分を含み、ここで前記第１の部分が、前記第２の部分よりも厚く、前記第１の部分が、前記第２の分よりも高いアルミニウム含有量を含むｎ−クラッド層、
前記合金材料を含むｐ−クラッド層、
前記ｎ−クラッド層に連結された導波路、および
前記導波路に連結された発光領域であって、前記発光領域が、前記ｎ−クラッド層と前記ｐ−クラッド層との間に位置する発光領域
を含むレーザーダイオード。
【請求項８】
発光領域、
前記発光領域の上方の電子ブロッキング層（ＥＢＬ）、
前記発光領域の上方の上方導波路層、
前記上方導波路層の上方のｐ−クラッド層、
前記発光領域の下方の下方導波路層、
第１の部分および第２の部分を含む、前記下方導波路層の下方のｎ−クラッド層
を含むレーザーダイオードであって、前記第１の部分が、前記第２の部分よりも厚く、前記第１の部分が、レーザーダイオードの材料品質を維持し、前記第２の部分が、前記ｐ−クラッド層から電場プロファイルを引き寄せ、前記ｐ−クラッド層から電場プロファイルを引き寄せることは、前記ｐ−クラッドから前記発光領域に向かって光強度を引き寄せることを含む、レーザーダイオード。
【請求項９】
前記ｎ−クラッド層が、合金材料であり、前記第１の部分が、前記第２の部分よりも高いアルミニウム含有量を有する、請求項８に記載のレーザーダイオード。
【請求項１０】
前記合金材料がＡｌＧａＮである、請求項８に記載のレーザーダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般にｎ−クラッド層に工学的不均一合金組成を有する窒化物半導体レーザー（すなわちレーザーダイオード）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、窒化物半導体レーザーのヘテロ構造は、アルミニウム合金を含む複数の層を含む。合金組成の設計は、多くのデバイス性能のトレードオフを比較検討することが必要である。一部のデバイスについて、トレードオフが非常に厳しいので、あらゆる設計選択が、デバイス全体の性能を不十分にしている。
【０００３】
ＵＶレーザーダイオードのｎ−クラッド層およびｐ−クラッド層におけるアルミニウム組成のレベルを選択する際に、モードプロファイルの観点から、低レベルのアルミニウム組成がｎ−クラッド層に所望され、高レベルのアルミニウム含有量がｐ−クラッド層に所望される。こうしたアルミニウム合金プロファイルは、光学モードをデバイスのｎ−側に向かわせ、ここでｎ−型ドーパントは光学吸収性が低いので、操作に必要とされる低い材料損失を実現したレーザーダイオードが可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、こうしたアルミニウム合金プロファイルは、基板と活性領域との大きな格子不適合のために非常に劣った材料品質を導くことになる。結果として、結晶欠陥密度が非常に高くなるので、低い材料損失にもかかわらず、レーザー操作を達成できない。また、ｐ−クラッド層の合金組成における高レベルのアルミニウム含有量は、アルミニウム合金組成の増大に応じて、ｐ−ドーパントの活性化エネルギーが迅速に増大するので、非常に高いデバイス電気抵抗を導くことになる。この作用により、デバイスは抵抗加熱によってレーザー操作の達成が妨げられ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、同様の参照記号が同様の要素を示す添付の図面の図において、限定としてではなく例として示される。この開示における本発明の「ａｎ」または「１つの（ｏｎｅ）」の実施形態の参照は、必ずしも同じ実施形態に対するものではなく、それらは少なくとも１つを意味することに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、例示的なＵＶレーザーダイオードヘテロ構造の断面図を示す。
【図２】図２は、例示的なレーザーダイオードヘテロ構造に対応するモードプロファイルを示す。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従うレーザーダイオードの断面図を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオードに対応するモードプロファイルを示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオードの製作の方法例のフロー図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、ＡｌＮ基板上で５９％のＡｌＧａＮを利用するデバイス構造の断面の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ＡｌＮ基板上で６２％のＡｌＧａＮを利用するデバイス構造の断面の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）を示す。
【図７】図７は、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオード構造のためのｐ−クラッドアルミニウム組成の関数として計算された内部損失および閉じ込め率を示すグラフである。
【図８】図８は、９３０ｎｍ厚さの６６％ｎ−ＡｌＧａＮクラッドを含む例示的なレーザーダイオードのｘ線逆格子空間マップを示す。
【図９】図９は、ｎ−クラッドアルミニウム組成の関数として特徴付けられるレーザー閾値を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、導波路層厚さの関数としてレーザー発振閾値を示すグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、導波路層のアルミニウム組成の関数としてレーザー発振閾値を示すグラフである。
【図１１】図１１は、本発明の１つの実施形態に従う図３のレーザーダイオード構造についての導波路厚さの関数として計算された内部損失および閉じ込め率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明において、多くの具体的な詳細を示す。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細を用いずに実施され得ることが理解される。他の例において、周知の回路、構造および技術は、本説明の理解を曖昧にするのを避けるために示されていない。
【０００８】
紫外線（ＵＶ）レーザーダイオードの設計において、活性領域での高い結晶品質を達成可能にすると同時に、ダイオードのｐ−側での低いデバイスモード損失および高い電気伝導率を実現することが目的である。図１は、本発明の１つの実施形態に従うレーザーダイオードの断面図を示す。ダイオード１０は、成長基板１０１、例えばバルク窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板またはサファイアテンプレート上のＡｌＮに形成されてもよい。図１に示されるように、ダイオード１０は、ｎ−クラッド層１０２、導波路層１０３、量子井戸領域１０４、電子ブロッキング層（ＥＢＬ）１０５、ｐ−クラッド層１０６およびコンタクト層１０７を含む。ダイオード１０の層は、基板１０１上のエピタキシャル成長を通して製作され得る。
【０００９】
量子井戸領域１０４内には多くの量子井戸が存在し得ることを理解する。量子井戸領域１０４は、電子およびホールが再結合し、光を発光する活性領域である。この量子井戸領域１０４で生じる再結合を最大限にするために、導波路層１０３は、量子井戸領域１０４の下方に位置する。導波路層１０３は、操作中にその中に光を閉じ込め、ダイオード１０の端部の方へ導波路層１０３の領域に沿って光を導く層である。
【００１０】
一部の実施形態において、ｐ−側導波路がまた、量子井戸領域１０４の上方に位置する。しかし、１つの実施形態において、ＵＶダイオード１０は、量子井戸領域１０４の下方に位置する１つの導波路１０３のみを含む。この量子井戸領域１０４で生じる再結合を向上させるために、電子が量子井戸領域１０４を飛び越えるのをブロックするために、ＥＢＬ１０５がまた量子井戸領域１０４の上方に位置してもよい。
【００１１】
１つの実施形態において、ダイオード１０はまた、光が前後に跳ね返り、量子井戸領域１０４に入るリゾネータを創出する、ダイオード１０の各端部に位置するフロントリフレクタおよびバックリフレクタ（図示せず）を含む。
【００１２】
導波路層１０３領域の光をダイオード１０のミラー端部に導くまたは閉じ込めるために、導波路１０３は、導波路１０３の場合よりも低い屈折率を有する材料、例えばｎ−クラッド層１０２によって囲まれなければならない。ｎ−クラッド層１０２は、レーザーダイオード１０の基板１０１側のクラッド層である。
【００１３】
１つの実施形態において、ｎ−クラッド層１０２、導波路層１０３、ＥＢＬ１０５、ｐ−クラッド層１０６はそれぞれ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含む。ＡｌＧａＮ合金の屈折率は、ＡｌＧａＮ合金におけるアルミニウムの量（例えばパーセンテージ（％））に依存することが理解される。故に、この実施形態において、ＡｌＧａＮ合金におけるアルミニウムの量（例えばパーセンテージ（％））は、屈折率が異なるように、それぞれの層１０２、１０３、１０５、および１０６において異なる。具体的には、導波路層１０３が機能するために、導波路層１０３の屈折率は、導波路１０３を取り囲む層よりも高い屈折率を有する。従って、１つの実施形態において、ｎ−クラッド層１０２は、ｎ−クラッド層１０２の屈折率が導波路層１０３に比べて低くなるような、より高いアルミニウム含有量（％）を有するＡｌＧａＮ合金を含む。
【００１４】
１つの例示的なレーザーダイオードによれば、ダイオードの各層のアルミニウム含有量（％）は、以下の通りである：
【００１５】
【表１】
2016111353.tif 000003
【００１６】
２９０ｎｍの波長を有するレーザーダイオードに関して、ｐ−クラッド層１０６中のｐ−クラッド材料が６０％であることは、材料が２９０ｎｍの波長にて固有に吸収性でない程度に十分高い（すなわちバンドエッジは波長で約２９０ｎｍである）。ｐ−クラッド材料の組成はまた、妥当な電圧が達成できるように十分低い。しかし、７４％のアルミニウムｎ−クラッド層１０２と組み合わせる場合、モードプロファイルは、図２に示されるように許容できない程度に非対称である。
【００１７】
図２を参照して、この例示的レーザーダイオードに対応するモードプロファイルが示される。図２に示される実線に関して、グラフの縦軸は、材料の屈折率を示し、グラフの横軸は、ダイオードの深さ（および各深さでの対応する層）を示す。図２に例示される破線に関して、グラフの縦軸は、光の強度を示し、グラフの横軸は、ダイオードの深さ（および各深さでの対応する層）を示す。
【００１８】
実線を参照すると、屈折率は、導波路１０３における場合よりもｎ−クラッド層１０２の場合が低く、これにより導波路１０３が光を閉じ込めることができる。この閉じ込めは、図２の破線に示され、ここで光の強度ピークは量子井戸領域１０４にある。上記で議論されるように、光強度と、光を生じるために相互作用が必要とされる領域：量子井戸領域１０４との間のこの相互作用を最大限にすることが最適である。しかし、光の強度ピークは量子井戸領域１０４に位置するが、図２の破線で示されるように、例示的なダイオードのモードプロファイルは、ｐ−クラッド領域１０６への光の漏出があることを示す。この例示的ダイオードによれば、ｐ−クラッド層１０６は、導波路１０３よりも低い屈折率を有するけれども、例示的なダイオードのモードプロファイルは非対称であり、光は量子井戸領域１０４の周りにしっかりとは閉じ込められていない。ｐ−クラッド領域１０６に向かう光の漏出は、結果として光とｐ−クラッド領域１０６ならびにコンタクト層１０７との間の相互作用をもたらす。ｐ−クラッド領域１０６に関して、ＡｌＧａＮ材料の高いバンドギャップにもかかわらず、ｐ−クラッド領域１０６におけるマグネシウム（Ｍｇ）ドーピングが、材料を高度に光学吸収性にする。コンタクト層１０７に関して、コンタクト層１０７は同じく高度に光吸収性の金属である。故に、ｐ−クラッド領域１０６およびコンタクト層１０７によって吸収されるようなｐ−クラッド領域１０６への光の漏出は、結果として、ダイオードの活性領域が内部損失を克服するのに十分ではないために、例示的なレーザーダイオードの性能は高い光学損失をもたらす。ＥＢＬ１０３はまた、図２のＥＢＬ１０３が低い屈折率（例えば６９％ＡｌＧａＮ）を有するので、ｐ−クラッド層１０６への光の漏出に影響し得ることが理解される。
【００１９】
例示的なダイオードのモードプロファイルを量子井戸領域１０４に戻すために、ｐ−クラッド層１０６の合金ＡｌＧａＮのアルミニウム含有量を増大させてもよい。これにより、ｐ−クラッド層１０６がより低い屈折率を有することになり、光学的にはモードはより低い屈折率を有する層から離れるようになる。しかし、例示的なダイオードのモードプロファイルにおけるこの改善についてのトレードオフは、高いアルミニウム含有量を有するｐ−クラッド層１０６が、ｐ−クラッド層１０６の電気抵抗を増大させることである。故に電気抵抗の増大が、ｐ−クラッド層１０６を不十分な電気伝導性にする。レーザーダイオードの性能はｐ−クラッド層１０６がコンタクト層１０７に対して電気伝導性層であることを必要とするので、ｐ−クラッド層１０６のアルミニウム含有量が増大したこの例示的なレーザーダイオードの性能も劣る。従って、ｐ−クラッド層１０６のアルミニウム含有量は、レーザーダイオードの電圧によって制限される。高いアルミニウム合金モル分率は、ｐ−クラッド層１０６の抵抗の迅速な増大を導く。しかし、一部の実施形態において、分極補助ホールドープされたｐ−構造を使用すれば、例示的なレーザーダイオードにおけるように６０％までのＡｌパーセンテージであっても妥当な電圧が可能である。
【００２０】
量子井戸領域１０４にモードプロファイル（電場プロファイル）を引き寄せるために、ｎ−クラッド層１０２のアルミニウム含有量も低下させてもよく、こうしてｎ−クラッド層１０２の屈折率を増大させる。しかし、この解決策のトレードオフは、ｎ−クラッド層１０２のアルミニウム含有量の低下により、ダイオードの材料品質が不十分になることである。具体的には、ｎ−クラッド層１０２と量子井戸領域１０４との間のアルミニウム含有量の大きな差は、大きな結晶格子の不適合を創出する。レーザーダイオードにおける各層は、結晶中の原子間の分離を示す格子定数を有する。原子間の分離は、各層において合金（例えばＡｌＧａＮ）のアルミニウム含有量に依存する。アルミニウム含有量が高くなるにつれて、格子定数が小さくなる（例えば、結晶が形成される場合に原子が共に近づく）。量子井戸領域１０４は、導波路１０３ならびにｎ−クラッド層１０２上に成長させる。ｎ−クラッド層１０２の格子定数がクラッド層１０２の頂部上に成長した層（例えば導波路１０３、量子井戸領域１０４など）の格子定数とは大きく異なる場合、層が少なくとも隣接層と一致しようとするので、頂部層にひずみを与える（例えば圧縮または延伸）。従って、格子定数における大きな差は、結果としてレーザーダイオード１０により多くの欠陥を創出する。
【００２１】
ＵＶレーザーダイオードについて、ＡｌＮベース層であってもよい基板１０１に適合する優れた格子を得るために、ｎ−クラッド層１０２について高いアルミニウム合金組成を選択することが望ましい。図６Ａおよび６Ｂは、十分には高くないｎ−クラッド層についての合金組成を含むレーザーダイオードの例を示す。図６Ａおよび６Ｂに示されるように、ＡｌＮ基板上の５９％のＡｌＧａＮ（図６Ａ）およびＡｌＮ基板上の６２％のＡｌＧａＮ（図６Ｂ）を利用するデバイス構造の断面の透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）は、積層欠陥から生じる高いレベルの欠陥を示す。これらのｎ−クラッド設計を利用（例えばそれぞれＡｌＮ基板上の５９％および６２％のＡｌＧａＮを利用）する光励起レーザーは高いレーザー発振閾値を有し、これは活性領域における材料品質の劣化を示している。対照的に、例えば７４％のアルミニウムパーセンテージを有するＡｌＧａＮのｎ−クラッド層１０２を含む例示的なレーザーダイオードは、基板１０１と適合する良好な格子を得る。換言すれば、この組成を用いて、ＡｌＮ基板１０１上にこうした材料を成長させ、高い結晶品質を保持することが可能である。ｎ−クラッド層１０２は、約１μｍの厚さを有していてもよい。しかし、ｎ−クラッド層のために高いアルミニウム組成を選択することは、ｐ−クラッド層１０６にてアルミニウム組成も高いものが選択されることを必要する。そうでなければ、ｎ−クラッド層とｐ−クラッド層１０２、１０６との間の屈折率の差が大きくなり、光学モードは、非対称にｐ−クラッド層１０６およびコンタクト層１０７に向かう。上記で議論されるように、この状況は、許容できない程度に高い内部損失および低い閉じ込め率を導く。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態に従うレーザーダイオードの断面図を示す。図３のレーザーダイオードは、ＵＶ範囲（例えば波長２９０ｎｍ）のレーザーダイオードであってもよい。このＵＶバンドギャップは、合金（例えばＡｌＧａＮ）における非常に高いアルミニウム含有量が非常に大きいバンドギャップを創出するために必要とされるように、非常に大きい。
【００２３】
図３のレーザーダイオード１０において、ｎ−クラッド層１０２の詳細は、２セクションのｎ−クラッド層１０２（例えば多重組成ＡｌＧａＮセクション）であることが示される。図３に示されるように、ｎ−クラッド層１０２は、基板１０１上に成長した第１の部分２０１および第１の部分２０１上に成長する第２の部分２０２を含む。第１の部分２０１は、レーザーダイオード１０の活性領域（例えば量子井戸領域１０４）での高い材料（結晶）品質を維持するために構成されるが、第２の部分２０２は、活性領域（例えば量子井戸領域１０４）の結晶品質を劣化させることなく、低いデバイスモード損失を維持するようにダイオード１０のｐ−クラッド層１０６側からモードを引き寄せるように構成される。基板と適合する結晶格子を制御するためのコンポーネント、および活性領域に向かう光学モードを引き付けるためのコンポーネントを有する他の工学的不均一ｎ−クラッド合金組成プロファイルも可能である。
【００２４】
他の実施形態において、２つを超えるセクションがｎ−クラッド層１０２に含まれ得る。他の実施形態において、第１の部分２０１と第２の部分２０２との間の移行は、急激ではなく段階的であってもよい。他の実施形態において、ｎ−クラッド合金組成は、均一または不均一プロファイル勾配を伴って単調に段階的であることができる。
【００２５】
これらの機能を果たすために、第１の部分２０１は、第２の部分２０２よりも高いアルミニウム含有量を含む。１つの実施形態において、第１の部分２０１は、６６％のアルミニウム含有量を有するＡｌＧａＮを含む一方で、第２の部分２０２は５７％のアルミニウムを有するＡｌＧａＮを含む。さらに、これらの機能を果たすために、第１の部分２０１は、第２の部分２０２よりも厚くてもよい。１つの実施形態において、第１の部分２０１は厚さ８００ｎｍであるが、第２の部分２０２は厚さ１７０ｎｍである。
【００２６】
図８に示されるように、９３０ｎｍ厚さの６６％ｎ−ＡｌＧａＮクラッドを含む例示的なレーザーダイオードのｘ線逆格子空間マップは、構造における種々の層に対応するｘ線ピークの良好な垂直整列を示し、これはＡｌＮ基板に対して約０．３％の緩和に過ぎないことを示す。この正の試験結果により、約６６％の合金組成の辺りにｎ−クラッド設計を含むようにレーザーダイオードの一部の実施形態の設計を導いた。
【００２７】
１つの実施形態において、図３のダイオードの各層におけるアルミニウム含有量（％）は以下の通りである：
【００２８】
【表２】
2016111353.tif 000004
【００２９】
図４を参照すると、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオード１０に対応するモードプロファイルを示す。図２のモードプロファイルとは対照的に、図４は、活性領域（例えば量子井戸領域１０４）において光の改善された閉じ込めを示し、モードプロファイルがダイオード１０のｎ−クラッド層１０２側に向かうことを考慮すると質量損失は小さくなる。
【００３０】
図３を再び参照すると、一部の実施形態において、より高いアルミニウム含有量（例えば６６％ＡｌＧａＮ）を有する第１の部分２０１およびより低いアルミニウム含有量（例えば５７％のＡｌＧａＮ）を有する第２の部分２０２を含むｎ−クラッド層１０２を含むレーザーダイオード１０は、３３０ｋＷ／ｃｍ２の特徴付けられたレーザー閾値を有する。レーザー閾値は、レーザーがレーザー発振を始動する励起電力密度であり、故に３３０ｋＷ／ｃｍ２のこの低いレーザー閾値は、良好な材料品質を示す。
【００３１】
図９は、ｎ−クラッドアルミニウム組成の関数として特徴付けられるレーザー閾値を示すグラフである。不十分な材料品質を生じるｎ−クラッド設計では、高い閾値励起出力で操作するレーザーを導く。逆に、良好な材料品質を生じるｎ−クラッド設計では、低い閾値を有するレーザーを生じる。図９に示されるように、レーザー発振閾値は、ｎ−クラッドアルミニウム含有量が５７％から６６％に増大するときに、１．２ＭＷ／ｃｍ２から２００ｋＷ／ｃｍ２に改善される。図９はまた、図３に示される本発明の実施形態に従って２つのセクションのｎ−クラッド設計を利用するレーザーのレーザー発振閾値を示す。図９に示されるように、図３の実施形態に従うレーザーダイオードは、厚い単一ステップの５７％ＡｌＧａＮのｎ−クラッドでの１．２ＭＷ／ｃｍ２と比較して３３０ｋＷ／ｃｍ２のレーザー発振閾値を有する。レーザーは、図４に示されるように、１１ｎｍの導波路厚さおよび５４％の導波路アルミニウム組成を有していてもよい。量子井戸領域１０４は、導波路層１０３の上に直接成長し、こうして導波路層１０３の特性は、量子井戸領域１０４の結晶品質に直接影響する。上記で議論されるように、導波路層１０３は、導波路層１０３が光を閉じ込め、レーザーダイオード１０の端部に向けるように、ｎ−クラッド層１０２よりも低いアルミニウム組成を有するように設計される。この実施形態において、ｎ−クラッド層１０２の第２の部分２０２は、５７％のＡｌＧａＮを含み、導波路層１０３は５４％のＡｌＧａＮを含む。導波路層１０３と、導波路層１０３に隣接するｎ−クラッド層１０２の第２の部分２０２とのアルミニウム含有量の差を最小限にすることによって、導波路層１０３と第２の部分２０２との間の格子不適合が最小限にされると同時に、導波路層１０３と第２の部分２０２との屈折率の十分な差が提供され、導波路層１０３を機能させることができる。
【００３２】
導波路層１０３の厚さも、量子井戸領域１０４においてひずみ緩和の程度に影響する。図１０Ａは、導波路層の厚さの関数としてのレーザー発振閾値を示すグラフである。５４％の導波路アルミニウム組成を含むレーザーを用いる図１０Ａに示されるように、閾値励起出力は、導波路層が厚くなるにつれて、より迅速に増大することが示される。レーザーダイオードは、導波路層１０３が厚過ぎる場合にレーザー発振しない。例えば、４８ｎｍを超える導波路層厚さを有する構造は、図１０Ａに示されるようにレーザー発振しない。従って、導波路層１０３の厚さは、レーザーダイオード１０の材料品質に大きな影響を与える。１つの実施形態において、導波路１０３は、厚さが１１ｎｍであってもよい。別の実施形態において、導波路層１０３は、厚さが１７ｎｍであってもよい。同様に、導波路層１０３の合金のアルミニウム含有量が低過ぎる場合、レーザーダイオードのレーザー発振閾値が高過ぎることになる。図１０Ｂにおいて、導波路層のアルミニウム組成の関数としてのレーザー発振閾値を示すグラフを示す。図１０Ｂにおいて、レーザーは２２ｎｍの導波路厚さを有する。より低いアルミニウム組成は、ＡｌＮ基板との格子不適合がより高いことが図１０Ｂにおいて示される。この格子不適合により、材料品質が劣化し、レーザー発振閾値が増大する。例えば、ＡｌＧａＮ導波路層の５４％アルミニウム含有量を有するレーザーは、４６５ｋＷ／ｃｍ２の閾値で操作されるが、導波路層組成を５０％のアルミニウム含有量までわずかに４％低下させることにより、閾値が１７倍を超えて、８ＭＷ／ｃｍ２まで増大する。
【００３３】
図１１は、本発明の１つの実施形態に従う図３のレーザーダイオード構造についての導波路厚さの関数として計算された内部損失（破線）および閉じ込め率（実線）を示すグラフである。図１１において、材料損失は、構造のｐ−クラッドサイドについて１００ｃｍ−１（ｋ＝０．０００２３）に設定される。１つの実施形態において、導波路層１０３は厚さが１７ｎｍであり、５４％（例えば５４％のＡｌＧａＮ）のアルミニウムモル分率を含み、７．９％の閉じ込め率および２７．９ｃｍ−１の内部損失を生じる。導波路層１０３の厚さのこの選択により、ピーク閉じ込め率の値に近づく。より厚い導波路層の厚さは、内部損失を低減し得るが、材料品質を低下させる。
【００３４】
図３を参照して、ｐ−クラッド層１０６に配設されるコンタクト層１０７（またはｐ−コンタクト層）は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでいてもよい。ＵＶレーザーについて設計されたＡｌＧａＮのヘテロ構造の１つの実施形態において、コンタクト層１０７は、ｐ−クラッド層１０６の材料よりも高い屈折率を有する。故に、コンタクト層１０７は、量子井戸領域１０４から離れて損失ｐ−クラッド層１０６およびコンタクト層１０７に向かってモードを引き付ける。コンタクト層１０７の高い屈折率に対抗するために、ｐ−クラッド層１０６は十分に厚く設計される。例えば、１つの実施形態において、ｐ−クラッド層１０６は厚さが４００ｎｍである。
【００３５】
さらに、ｐ−クラッド層１０６のアルミニウム組成が、レーザーダイオード１０の内部損失および閉じ込め率に影響し得る。図７は、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオード構造のためのｐ−クラッドアルミニウム組成の関数として計算された内部損失（破線）および閉じ込め率（実線）を示すグラフである。ｐ−クラッド層１０６の高いアルミニウム組成は、ｎ−クラッド層１０２にモードを向かわせることによって内部損失を低下させ、ここで材料損失は低く、ｐ−クラッド層１０６でのマグネシウム（Ｍｇ）関連損失も、バンドギャップが増大するにつれて低下する。しかし、ｐ−クラッド層１０６のアルミニウム含有量が高くなるにつれて、デバイス電圧が迅速に増大することに留意する。従って、図７に示される１つの実施形態において、ｐ−クラッド層１０６は、６０％アルミニウム含有量を有するＡｌＧａＮを含み、これは２７．９ｃｍ−１の内部損失および７．９％の閉じ込め率に対応する。このアルミニウム組成は、ピーク閉じ込め率の値に近づく。
【００３６】
本発明の以下の実施形態は、フローチャート、フロー図、構造図、またはブロック図として通常示されるプロセスとして記載されてもよい。フローチャートは、連続プロセスとして操作を記載し得るが、操作の多くは平行または同時に行われることができる。加えて、操作の順序は再配置されてもよい。その操作が完了した場合にプロセスが終了する。プロセスは、方法、手順などに対応し得る。
【００３７】
図５は、本発明の実施形態に従う図３のレーザーダイオード１０の製作の例示的な方法のフロー図を示す。方法５００は、基板１０１上にｎ−クラッド層１０２の第１の部分２０１を成長させ（ブロック５０１）、第１の部分２０１上にｎ−クラッド層１０２の第２の部分２０２を成長させる（ブロック５０２）ことによって開始する。第１および第２の部分２０１、２０２の両方は、金属合金、例えばＡｌＧａＮを含むが、第１および第２の部分２０１、２０２は、金属合金において異なるアルミニウム含有量を有する。１つの実施形態において、第２の部分２０２は、第１の部分２０１のＡｌＧａＮのアルミニウム含有量よりも低いアルミニウム含有量を有するＡｌＧａＮを含む。ブロック５０３において、導波路層１０３は、ｎ−クラッド層１０２の第２の部分２０２上に成長させる。導波路層１０３は、ｎ−クラッド層１０２の第２の部分２０１の金属合金におけるアルミニウム含有量よりも低いアルミニウム含有量を有する金属合金（例えばＡｌＧａＮ）を含んでいてもよい。ブロック５０４において、量子井戸領域（または活性領域）１０４は、導波路層１０３上に成長させてもよい。一部の実施形態において、量子井戸領域１０４は、複数の量子井戸を含んでいてもよい。ブロック５０５において、電子ブロッキング層（ＥＢＬ）１０５は、量子井戸領域１０４上に成長させる。ブロック５０６において、ｐ−クラッド層１０６は、ＥＢＬ１０５上に成長させ、ブロック５０７において、コンタクト層１０７はｐ−クラッド層１０６上に堆積される。
【００３８】
本明細書に記載される実施形態はまた、高い結晶品質、活性領域における良好なモード閉じ込め、低いｐ−側電気抵抗、および低い光学損失を同時に必要とする非対称導波路デバイスの他のタイプの設計に実施されてもよいことに留意する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図８】
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