DE69900953T2

DE69900953T2 - Halbleiterlaser aus einer Nitridverbindung

Info

Publication number: DE69900953T2
Application number: DE69900953T
Authority: DE
Inventors: Tadao Hashimoto; Masahiro Ishida; Kunio Itoh; Masaaki Yuri
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2019-04-07
Also published as: JP4598841B2; DE69900953D1; JP4598845B2; JP2008211234A; EP0949731A2; EP0949731A3; TW419872B; JP2008252138A; US6249534B1; EP0949731B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung.
Eine Halbleiterlaservorrichtung unter Verwendung eines Nitrid-Halbleiters, wie GaN, InN oder AlN, kann Licht in den grünen bis blauen Bereichen erzeugen, und es wird erwartet, dass sie eine Lichtquelle für einen optischen Plattenapparat hoher Dichte sein wird. Eine Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung des Typs, der Licht in dem blauen Teil des Spektrums emittiert, wird als eine beispielhafte Vorrichtung nach dem Stand der Technik beschrieben.
Fig. 11 veranschaulicht eine konventionelle Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600. In der Vorrichtung 600 sind eine n-Typ-GaN-Elektrode 62 (einschließlich des oberen Teils 62a und des unteren Teils 62b), eine n-Typ-GaAlN-Hüllschicht 63, eine aktive InGaN/GaN-Multi- Quantentopf-Schicht (MQW) 64, eine p-Typ-GaAIN-Hüllschicht 65 und eine p-Typ-GaN- Elektrode in dieser Reihenfolge auf einem Saphir-Substrat 61 ausgebildet. Eine an der n- Typ-Seite vorgesehene Elektrode (n-Typ-Elektrode) 67, die aus vielfachen Paaren von abwechselnd geschichteten Ti/Al-Schichten hergestellt ist, ist auf dem unteren Teil 62a der die n-Typ-Elektrode bildenden Schicht 62 ausgebildet. Andererseits ist eine auf der p-Typ-Seite vorgesehene Elektrode (p-Typ-Elektrode) 68, die aus vielfachen Paaren von abwechselnd geschichteten Ni/Au-Schichten hergestellt ist, auf der die p-Typ-Elektrode bildenden Schicht 66 ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Laserdiode 60, auch ein "Laser-Element oder -Höhlung" genannt, gebildet. Auf beiden Facetten der Laserdiode 60, von den/durch die Laserlicht emittiert oder reflektiert wird, sind ein Paar von SiO&sub2;- oder SiN-Schutzschichten 69 vorgesehen, wodurch die Verschlechterung der Laserfacetten verhindert wird. In diesem Fall ist es nicht notwendig, dass die Kompositionen von SiO&sub2; oder SiN exakt durch Stächiometrie definiert sind. Statt dessen sollten diese Schichten 69 einen hohen spezifischen Widerstand (oder Isoliereigenschaften) und einen Brechungsindex haben, der im Wesentlichen gleich denen von SiO&sub2; oder SiN ist. In dieser Spezifikation wird der Teil einer Halbleiterlaservorrichtung, von dem angeregte Emission von Strahlung produziert wird, als eine "Halbleiterlaserdiode" bezeichnet, und eine Kombination der Halbleiterlaserdiode mit mindestens einer Schutz- oder Reflexionsschicht wird der Einfachheit halber eine" "Halbleiterlaservorrichtung" genannt.
Die konventionelle Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600 kann durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Zuerst werden die Elektrode-bildende Schicht 62, die Hüllschicht 63, die aktive MQW-Schicht 64, die Hüllschicht 65 und eine Elektrode-bildende Schicht 66 in dieser Reihenfolge durch eine Kristallzüchtungstechnik auf dem Saphir-Substrat 61 ausgebildet. Danach werden jeweilige Abschnitte der Elektrode-bildenden Schicht 66, der Hüllschicht 65, der aktiven MQW-Schicht 64, der Hüllschicht 63 und des oberen Teils 62b der Elektrodebildenden Schicht 62 geätzt, wodurch die obere Oberfläche des unteren Teils 62a der Elektrode-bildenden Schicht 62 freigelegt wird. Die n-Typ-Elektrode 67 und die p-Typ-Elektrode 68 werden auf der freigelegten, oberen Oberfläche der Elektrode-bildenden Schicht 62a bzw. der Elektrode-bildenden Schicht 66 durch eine Bedampfungstechnik gebildet. Danach wird ein Paar von Schutzschichten 69 auf beiden Laser-Facetten durch eine Sputtering- oder eine Elektronenstrahl-(EB)-Bedampfungstechnik gebildet.
Fig. 12A und 12B veranschaulichen eine andere konventionelle Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 700. Die Vorrichtung 700 umfasst: eine n-Typ-GaAlN-Hüllschicht 72; eine aktive In- GaN/GaN-MQW-Schicht 74; eine p-Typ-GaAlN-Hüllschicht 75; und eine p-Typ-GaN-Elektrode-bildende Schicht 76, die in dieser Reihenfolge auf einem Saphir-Substrat durch eine Kristallzüchtungstechnik geschichtet sind. Eine Ni/Au-Elektrode 77 und eine Ti/Al-Elektrode 71 sind auf der oberen bzw. der unteren Oberfläche dieser Vielschichtstruktur ausgebildet, um eine Laserdiode 70 zu bilden. Um den Betriebsstrom dieser Laserdiode 70 zu reduzieren, ist eine Reflexionsschicht 90, die aus vier Paaren von abwechselnd geschichteten SiO&sub2;/TiO&sub2;-Schichten 91 und 92 hergestellt ist, deren Dicke einer jeden Schicht definiert ist durch λ/4n (n ist der Brechungsindex einer jeden Schicht 91 oder 92), auf der hinteren oder rückseitigen Facette der Laserdiode 70 ausgebildet. Auf der vorderen oder vorderseitigen Facette der Laserdiode 70 ist eine SiO&sub2;-Schutzschicht 80 mit einer Dicke ausgebildet, die durch λ/2n (n ist der Brechungsindex der Schutzschicht 80) definiert ist. Hier ist λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode 70. Die angeregte Emission von Strahlung wird von der Vorderseite abgegeben. Die vorderseitige Schutzschicht 80 und die rückseitige Reflexionsschicht 90 werden durch eine Sputtering- oder eine EB-Bedampfungstechnik aufgebracht.
Durch das Vorsehen der Reflexionsschicht 90 auf der Rückseite steigt der Reflexionsgrad der Rückseite auf etwa 98%, und fast alles Laserlicht kann von der Vorderseite emittiert werden. Folglich kann der Betriebsstrom auf etwa 70% desjenigen reduziert werden, der von einer Halbleiterlaservorrichtung mit nur einer SiO&sub2;-Schutzschicht verbraucht wird, die auf ihrer Rückseite mit einer gewöhnlichen, durch λ/2n definierten Dicke aufgebracht ist.
Jedoch ist die Lebensdauer der konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtungen 600 und 700 kurz, insbesondere bei Betrieb mit hoher Ausgangsleistung. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass die Lebensdauer dieser Nitrid-Halbleiterlaservorrichtungen aus den folgenden Gründen kurz ist:
(1) Die Laserdioden 60 und 70 sind aus einer Vielzahl von Kristallschichten hergestellt worden, während die Schutzschichten 69 und 80 und die Reflexionsschicht 90, die auf ihren Facetten gebildet sind, aus SiO&sub2; oder TiO&sub2; gebildet und amorphe Schichten sind. Zusätzlich unterscheidet sich die Länge einer Bindung in dem Material für diese amorphen Schichten (z. B. die Länge einer Si-O-Bindung) von der Gitterkonstanten der Kristallschichten in den Laserdioden. Dementsprechend tritt an diesen Schnittstellen eine Gitterfehlangleichung auf, um Gitterfehler in diesen Kristallschichten zu erzeugen (insbesondere in der aktiven MQW- Schicht). Falls darüber hinaus die Schutzschichten 69 und 80 und die Reflexionsschicht 90 auf den Laser-Facetten durch eine Sputtering- oder EB-Bedampfungstechnik ausgebildet sind, dann würden diese Laser-Facetten aufgrund einer relativ hohen Aufschlagenergie von den vom Ziel wegfliegenden Materieteilchen beschädigt werden. Folglich können Gitterfehler in den Kristallschichten in den Laserdioden 60 und 70 verursacht werden.
(2) Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kristallschichten in den Laserdioden 60 und 70 unterscheiden sich stark von denen der Schutzschichten 69 und 80 und der Reflexionsschicht 90. Dementsprechend geraten die Kristallschichten (insbesondere die aktive MQW-Schicht) unter Spannung, während die Schutzschichten 69 und 80 und die Reflexionsschicht 90 auf Raumtemperatur abgekühlt wird, nachdem diese Schichten ausgebildet worden sind, und während des Betriebs dieser Vorrichtungen (insbesondere während eines Hochleistungsbetriebs). Folglich werden Kristallfehler neu erzeugt oder ihre Anzahl vergrößert. Z. B. ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der aktiven MQW-Schicht 64 3,15 · 10&supmin;&sup4; K&supmin;¹, was sich stark von dem der Schutzschicht 69 mit 1,6 · 10&supmin;&sup7; K&supmin;¹ unterscheidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung mit einer viel längeren Lebensdauer und höherer Zuverlässigkeit als bei einer konventionellen Vorrichtung.
Eine Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Nitrid- Halbleiterlaserdiode; und eine Schutzschicht, die auf mindestens einer Facette der Nitrid- Halbleiterlaserdiode ausgebildet ist. Die Schutzschicht besteht aus Al1-x-y-zGaxInyBzN (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1 ist), das durchlässig für von der Laserdiode emittiertes Licht ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Schutzschicht vorzugsweise N mal so groß wie λ/2n, wobei N eine positive, ganze Zahl, λ die Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichts und n der Brechungsindex der Schutzschicht ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Nitrid-Halbleiterlaserdiode vorzugsweise eine aktive Multi-Quantentopf-Schicht, die aus mehreren Paaren von InuGa1-uN- und InvGa1-vN-Schichten (wobei 0 ≤ u, v ≤ 1) besteht, die abwechselnd übereinander geschichtet sind.
In einer anderen Ausführungsform wird die Schutzschicht vorzugsweise mit einem MOCVD- oder einem MBE-Prozess ausgebildet.
In einer noch anderen Ausbildungsform umfasst die Vorrichtung eine Reflexionsschicht, die mit der Schutzschicht in Kontakt ist, wobei die Reflexionsschicht das von der Laserdiode emittierte Licht reflektiert.
In der Ausführungsform besteht die Reflexionsschicht vorzugsweise aus wenigstens einem Paar einer ersten und einer zweiten Schicht, die unterschiedliche Brechungsindizes haben und abwechselnd übereinander geschichtet sind.
Insbesondere sind die Dicken der ersten und der zweiten Schicht durch λ/4n&sub1; bzw. λ/4n&sub2; definiert, wobei λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode (10) emittierten Lichtes ist und n&sub1; sowie n&sub2; Brechungsindizes der ersten bzw. zweiten Schicht sind.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Dicke der Schutzschicht N mal so groß wie λ/2n sein, wobei N eine positive ganze Zahl, λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichtes und n ein Brechungsindex der Schutzschicht ist.
In einer anderen, alternativen Ausführungsform kann die Dicke der Schutzschicht durch λ/4n definiert sein, wobei λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichtes und n ein Brechungsindex der Schutzschicht ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die Schutzschicht aus GaN bestehen, und die erste und die zweite Schicht kann aus SiO&sub2; bzw. TiO&sub2; oder zwei Typen von Al1-α-β-γGaαInβBγN (wobei 0 ≤ α, β, γ ≤ 1 und 0 ≤ α + β + γ ≤ 1) bestehen, die unterschiedliche Brechungsindizes haben und für von der Laserdiode emittiertes Licht durchlässig sind.
In einer noch anderen Ausführungsform kann die Reflexionsschicht ferner eine dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht enthalten. Die erste, die zweite und die dritte Schicht sind vorzugsweise sämtlich Kristallschichten, und ein Unterschied zwischen den Gitterkonstanten der ersten und der dritten Schicht ist vorzugsweise geringer als ein Unterschied zwischen den Gitterkonstanten der ersten und der zweiten Schicht.
In einer noch anderen Ausführungsform kann die Reflexionsschicht aus GaN bestehen und die Reflexionsschicht, die aus der ersten, der dritten und der zweiten Schicht besteht, die in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet sind, hat vorzugsweise eine GaN/AlGaN/AlN- Struktur.
In einer noch anderen Ausführungsform werden die Schutzschicht und die Reflexionsschicht vorzugsweise mit einem MOCVD- oder einem MBE-Prozess ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2A bis 2D sind Perspektivdarstellungen, welche die jeweiligen Prozessschritte für die Herstellung der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform veranschaulichen.
Fig. 3 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Lebensdauertests veranschaulicht, welcher mit einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform und einer konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung ausgeführt wurde.
Fig. 4A ist eine Perspektivdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4B ist eine Schnittdarstellung der Vorrichtung, die entlang der Linie 4B-4B' in Fig. 4A genommen wurde.
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Lebensdauertests veranschaulicht, welcher mit den Nitrid-Halbleiterlaservorrichtungen der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform und einer konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung ausgeführt wurde.
Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge der Reflexionsschicht und einen berechneten Reflexionsgrad an der Facette in der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung der fünften Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 10 ist ein Graph, der die Ergebnisse eines Lebensdauertests veranschaulicht, welcher mit den Nitrid-Halbleiterlaservorrichtungen der fünften und sechsten Ausführungsform und der konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung ausgeführt wurde.
Fig. 11 ist eine Perspektivdarstellung einer konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung.
Fig. 12A ist eine Perspektivdarstellung, die eine andere konventionelle Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung veranschaulicht; und
Fig. 12B ist eine Schnittdarstellung der in Fig. 12A gezeigten Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100, die Licht im blauen Bereich emittiert, nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Nitrid-Halbleiterlaserdiode 10 und ein Paar GaN-Schutzschichten 20a und 20b, die auf beiden Laser-Facetten der Diode 10 vorgesehen sind. Die GaN-Schutzschichten 20a und 20b sind transparent für das Licht von der Laserdiode 10. Mit anderen Worten: GaN, welches das Material der Schutzschichten 20a und 20b ist, hat eine Bandlücke größer als die der optischen Energie der Strahlung, die von der Laserdiode 10 emittiert wird. Die Schutzschichten 20a und 20b werden nicht notwendigerweise aus GaN hergestellt, sondern können aus irgendeinem anderen Halbleitermaterial hergestellt werden, das für das von der Laserdiode 10 emittierte Licht transparent ist.
Die Nitrid-Halbleiterlaserdiode 10 hat die folgende Struktur: Eine n-Typ-Elektrode 11, die aus einer Vielzahl von abwechselnd geschichteten Paaren von Ti/Al-Schichten bestehen, wird unter einem n-Typ-GaN-Substrat gebildet. Auf dem Substrat 12 werden eine Si-dotierte n-Typ-Ga0,9Al0,1N-Hüllschicht 13, eine aktive MQW-Schicht 14, eine Mg-dotierte p-Typ- Ga0,9Al0,1N-Hüllschicht 15, eine Elektrode-bildende, Mg-dotierte p-Typ-GaN-Schicht 16 und eine p-Typ-Elektrode 17 in dieser Reihenfolge ausgebildet. Die aktive MQW-Schicht 14 besteht aus vielfachen, abwechselnd geschichteten Paaren von undotierten In0,02Ga0,98N/In0,15Ga0,85N-Schichten. Und die p-Typ-Elektrode 17 besteht aus vielfachen, abwechselnd geschichteten Paaren von NilAu-Schichten. Die Schutzschichten 20a und 20b werden auf den beiden Facetten der Laserdiode 10 vorgesehen.
Im Folgenden wird ein Verfahren für die Herstellung dieser blaues Licht emittierenden Nitrid- Halbleiterlaservorrichtung 100 mit Bezug auf Fig. 2A, 2B, 2C und 2D beschrieben.
Wie in Fig. 2A gezeigt, werden zuerst die jeweiligen Halbleiterschichten 13 bis 16 als Kristallzüchtung durch eine Metall-organische, chemische Dampfabscheidungstechnik (MOCVD-Technik) auf dem n-Typ GaN-Substrat 12 aufgebracht.
Insbesondere wird die Si-dotierte n-Typ-Ga0,9Al0,1N-Hüllschicht 13 mit einer Wachstumstemperatur von etwa 1050ºC auf dem Substrat 12 mit einer Stärke von etwa 0,5 um aufgebracht. Dann wird die Wachstumstemperatur auf etwa 800ºC gesenkt, bei der die aktive MQW-Schicht 14, die aus vielfachen, abwechselnd geschichteten Paaren von undotierten In0,02Ga0,98N/In0,15Ga0,85N-Schichten besteht, darauf mit einer Stärke von etwa 0,1 um abgelagert wird (wobei die Dicke einer jeden Schicht etwa 5 nm beträgt). Dann wird die Wachstumstemperatur wieder auf etwa 1050ºC erhöht, bei der die Mg-dotierte p-Typ- Ga0,9Al0,1N-Hüllschicht 15 darauf mit einer Stärke von etwa 0,5 um abgelagert wird. Darauf folgend wird die Elektrode-bildende, Mg-dotierte p-Typ-GaN-Schicht 16 darauf mit einer Stärke von etwa 1 um bei einer Wachstumstemperatur von etwa 1050ºC abgelagert.
Wie in Fig. 2B gezeigt, wird das Substrat 12 als Nächstes poliert, bis die Gesamtdicke des Aufbaus einschließlich dem Substrat 12 und den jeweiligen Halbleiterschichten 13 bis 16 etwa 150 um erreicht. Danach wird eine p-Typ-Elektrode 17, die aus vielfachen, abwechselnd geschichteten Paaren von Ni/Au-Schichten besteht, und eine n-Typ-Elektrode 11, die aus vielfachen, abwechselnd geschichteten Paaren von Ti/Al-Schichten besteht, durch eine Bedampfungstechnik auf der Elektrode-bildenden Schicht 16 bzw. unter dem Substrat 12 gebildet. Die sich ergebende Vielschichtstruktur wird aufgespalten oder trocken geätzt, wodurch die Nitrid-Halbleiterlaserdiode 10 mit der Struktur eines rechtwinkligen Quaders mit einer Breite von etwa 500 um entsteht.
Wie in Fig. 2C gezeigt, werden dann die GaN-Schutzschichten 20a und 20b mit einer Stärke von etwa 0,16 um auf beiden Laser-Facetten der Nitrid-Halbleiterlaserdiode 10' ausgebildet. Diese Schichten 20a und 20b werden durch einen MOCVD-Prozess bei einer Temperatur von etwa 1000ºC gebildet. Entsprechend dem MOCVD-Prozess schlagen keine Materialteilchen mit hoher kinetischer Energie auf die Laser-Facetten auf, und die Facetten werden nicht beschädigt. So werden während der Ablagerung der Schutzschichten 20a und 20b keine Gitterfehler in den auf dem Substrat 12 aufgewachsenen Kristallen verursacht. Ähnliche Wirkungen sind auch zu erreichen, falls die Schutzschichten 20a und 20b durch einen Molekularstrahlepitaxieprozess (MBE-Prozess) und nicht durch den MOCVD-Prozess gebildet werden.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient von GaN, welches das Material für die Schutzschichten 20a und 20b ist, ist 3,17 · 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹, was sehr dicht bei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aktiven MQW-Schicht 14 mit 3,15 · 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹ liegt. Dementsprechend werden fast keine Belastungen aufgrund thermischer Spannungen zwischen der aktiven MQW-Schicht 14 und den Schutzschichten 20a und 20b während der Abkühlung auf Raumtemperatur oder während des Betriebs der Vorrichtung verursacht.
Unter der Annahme, dass der Brechungsindex n von GaN 2,6 und die Laserschwingungswellenlänge λ 420 nm ist, wird in dieser Ausführungsform die Dicke der Schutzschichten 20a und 20b definiert mit 0,16 um, was zweimal größer als λ/2n = 0,08 um ist. Alternativ kann die Dicke der Schutzschichten 20a und 20b N mal so groß wie λ/2n sein, wobei N eine positive ganze Zahl ist. In solch einem Fall können die Schwingungseigenschaften der Laservorrichtung ähnlich denen sein, die vorliegen, wenn die Schutzschichten 20a und 20b nicht ausgebildet sind. Hinsichtlich der Produktivität ist die Dicke der Schutzschichten 20a und 20b vorzugsweise λ/2n oder λ/n.
Wie in Fig. 2D gezeigt, wird der Ausbau mit einem vorbestimmten Längenmaß (z. B. etwa 400 um) abgeschnitten, um die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100 mit der Laserdiode 10 und einer vorbestimmten Größe zu vervollständigen.
In dieser Ausführungsform ist die Energiebandlücke der GaN-Schutzschichten 20a und 20b, die auf den Laser-Facetten ausgebildet sind, 3,45 eV, was größer als die Energie (2,95 eV) des von der aktiven MQW-Schicht 14 emittierten Lichts (Schwingungswellenlänge 420 um) ist. Dementsprechend wird das Laserlicht nicht durch die Schutzschichten 20a und 20b absorbiert, sondern vollständig durchgelassen. Da die Schutzschichten ohne Dotierung aufgebracht sind, ist der spezifische Widerstand der Schutzschichten auch 10&sup9; Ω oder mehr. Somit fließt fast kein Kriechstrom durch die Schutzschichten 20a und 20b.
Fig. 3 veranschaulicht die Ergebnisse eines Lebensdauertests, der mit der blaues Licht emittierenden Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100 der ersten Ausführungsform und einer in Fig. 11 gezeigten, konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600 einschließlich einer SiO&sub2;-Schutzschicht ausgeführt wurde. Fig. 3 veranschaulicht spezifisch, wie die Veränderungsrate Δlop des Betriebsstroms sich mit der Zeit verändert. In Fig. 3 stellt die Linie E1 die Ergebnisse der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100 der ersten Ausführungsform dar, während die Kurve C1 die Ergebnisse mit der konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600 veranschaulicht. Der Lebensdauertest wurde durchgeführt mit eine Steuerung des Betriebsstroms unter der Bedingung, dass die Umgebungstemperatur auf 50ºC, die Schwingungswellenlänge auf 420 nm eingestellt und die Ausgabe des Lasers auf konstant 50 mW gesteuert wurde.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die Veränderungsrate des Betriebsstroms in der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100 der ersten Ausführungsform noch konstant, selbst wenn die Vorrichtung 10000 Stunden betrieben wurde. Im Gegensatz dazu wächst bei der konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600 die Veränderungsrate des Betriebsstroms abrupt bei und nach dem Betrieb der Vorrichtung 600 über 500 Stunden. Wie erkannt werden kann, ist die Lebenszeit der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 100 der ersten Ausführungsform etwa 20 mal größer als die der konventionellen Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 600. Nach Analyse dieser Ergebnisse ist anzunehmen, dass solch eine lange Lebenszeit nach der vorliegenden Erfindung erreicht wird, weil eine Verschlechterung der Laser-Facetten durch die GaN- Schutzschichten 20a und 20b unterdrückt werden kann, und weil fast keine Gitterfehler in der aktiven MQW-Schicht 14 erzeugt werden.
In dieser Ausführungsform werden die Schutzschichten aus GaN hergestellt. Alternativ werden die Schutzschichten 20a und 20b vorzugsweise hergestellt aus Al1-x-y-zGaxInyBzN (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1 ist). Die Mol-Bruchteile x, y und z können so ausgewählt werden, dass diese Schichten transparent für das von der Laserdiode erzeugte Licht sind. Da verschiedene Nitrid-Halbleitermischungen, die Al, In und B enthalten, für die Schutzschichten 20a und 20b verwendet werden können, kann die Spanne der Materialien, die ausgezeichnete Gitterangleichung erreichen, ausgeweitet werden.
Wie oben beschrieben, werden die Schutzschichten 20a und 20b vorzugsweise aus Nitrid- Halbleitermaterialien hergestellt, um eine Gitterangleichung mit den Nitrid-Halbleiterkristallschichten einzustellen, welche die Halbleiterlaserdiode bilden. Alternativ kann jedes andere Material ebenfalls verwendet werden, solange wie das Material eine Gitterangleichung mit den Nitrid-Halbleiterkristallschichten einstellen kann, welche die Halbleiterlaserdiode bilden und transparent für die Schwingungswellenlänge der Laserdiode sind. Wie leicht zu verstehen ist, werden vorzugsweise Materialien verwendet, welche einen hohen spezifischen Widerstand und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der dicht bei dem der aktiven MQW-Schicht liegt.
Die aktive MQW-Schicht 14 besteht auch vorzugsweise z. B. aus vielfachen, abwechselnd über einander geschichteten Paaren von InuGa1-uN/InvGa1-vN-Schichten (wobei 0 ≤ u ≤ 1 und 0 ≤ v ≤ 1 ist). Die Struktur und das Herstellungsverfahren der Halbleiterlaserdiode 10 sind in der Technik bekannt. Die japanische Offenlegungspatentpublikation Nr. 9-219 556 wird hier durch Referenz eingebracht.
Die jeweilige Zusammensetzung der Schutzschichten 20a und 20b und der aktiven MQW- Schicht 14 werden so definiert, dass die Schichten 20a und 20b transparent für das von der Laserdiode emittierte Licht sind, wie oben beschrieben. Zusätzlich sollte die Zusammensetzung auch danach ausgewählt werden, dass eine Differenz der Gitterkonstanten zwischen den Schutzschichten 20a und 20b und der aktiven MQW-Schicht 14 etwa 3% oder weniger der Gitterkonstante der aktiven MQW-Schicht 14 beträgt. Falls die Differenz der Gitterkonstanten 3% übersteigt, dann tritt ein Gitterfehlangleichung an der Schnittstelle zwischen den Schutzschichten 20a und 20b und der aktiven MQW-Schicht 14 auf. Als Folge davon werden Gitterfehler in der aktiven MQW-Schicht 14 erzeugt, und die Lebenszeit der Nitrid- Halbleiterlaserdiode wird manchmal verkürzt. Es wird festgestellt, dass dann, wenn die Schutzschichten 20a und 20b ausreichend dick sind, die Lebenszeit des Lasers nicht verkürzt sein muß, selbst wenn Gitterfehlangleichung von mehr als 3% auftritt. Dies kommt davon, dass die Schutzschichten 20a und 20b die Spannungen absorbieren können.
Zusätzlich sollten die Zusammensetzungen derart ausgewählt werden, dass eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Schutzschichten 20a und 20b und der aktiven MQW-Schicht 14 etwa 20% oder weniger des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aktiven MQW-Schicht 14 beträgt.
In dieser Ausführungsform werden undotierte Halbleiterschichten als Schutzschichten 20a und 20b durch einen MOCVD- oder MBE-Prozess aufgebracht, um den spezifischen Widerstand dieser Schichten 20a und 20b zu vergrößern. Optional können für die weitere Vergrößerung des spezifischen Widerstands Atome der Gruppe V, wie etwa As- oder P-Atome, darin in solch einem Umfang von etwa 10&supmin;¹&sup5; cm&supmin;³ implantiert werden, dass sie Stickstoff- Fehlstellen kompensieren, die in den Halbleiterschichten existieren. Durch Vergrößern des spezifischen Widerstands der Schutzschichten 20a und 20b ist zu verhindern möglich, dass Kriechströme durch die Schutzschichten 20a und 20b fließen. Der spezifische Widerstand der Schutzschichten 20a und 20b ist vorzugsweise gleich oder höher als 10&sup5; Ω·cm, noch bevorzugter gleich oder größer als 10&sup9; Ω·cm.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden Hüllschichten und die aktive Schicht auf einem n-Typ-GaN-Substrat ausgebildet. Eine alternative Nitrid-Halbleiterlaserdiode kann umfassen: eine p-Typ-GaAlN-Hüllschicht; eine undotierte, aktive InGaN/InGaN-MQW- Schicht; eine n-Typ-GaAlN-Hüllschicht; eine Elektrode-bildende n-Typ-GaN-Schicht und eine n-Typ-Ti/Al-Elektrode. Alle diese Schichten werden in dieser Reihenfolge auf einem p- Typ-GaN-Substrat aufgeschichtet. Die Laserdiode umfasst ferner eine p-Typ-Ni/Au-Elektrode, die unter dem Substrat ausgebildet ist. Und dünne Schichten von Al1-x-y-zGaxInyBzN (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1 ist) können als Schutzschichten auf der Nitrid Halbleiterlaserdiode vorgesehen werden. In solch einer alternativen Ausführungsform sind dieselben Wirkungen zu erreichen wie in der ersten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform werden die Schutzschichten 20a und 20b auf beiden Facetten der Laserdiode 10 vorgesehen. Alternativ kann nur eine Schutzschicht auf irgendeiner der Facetten vorgesehen werden. Die Dicke der Schutzschichten 20a und 20b muß nicht M mal so groß wie λ/2n sein, aber kann N' mal so groß wie λ/4n sein (wobei N' eine positive, ungerade Zahl ist), so dass das Licht durch die Schutzschichten 20a und 20b reflektiert wird, die auch als Reflexionsschichten funktionieren.
Die alternativen Schutzschichtmaterialien und die oben beschrieben Diodenersatzstruktur sind auch auf die folgenden Ausführungsformen anwendbar.

Ausführungsform 2

Als Nächstes wird eine Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 200 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 4A und 4B beschrieben. Fig. 4A ist eine Perspektivdarstellung der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform, während Fig. 2B eine Schnittdarstellung davon ist, die entlang der Linie 4B-4B' in Fig. 4A genommen wurde.
Die Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung 100 der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Vorrichtung 200 ferner eine Reflexionsschicht 30a an der äußeren Stirnseite der Schutzschicht 20b enthält, welche auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet ist. Auch beträgt in der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform die jeweilige Dicke der Schutzschichten 20a und 20b, die auf der Vorderseite (Licht emittierende Seite) und der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet sind, etwa 0,08 um bzw. 0,16 um. In anderen Aspekten ist die Struktur der Vorrichtung 200 im Wesentlichen dieselbe wie die der Vorrichtung 100. Somit werden die Elemente mit im Wesentlichen gleichen Funktionen durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, und ihre detaillierte Beschreibung wird hier weggelassen.
Die Reflexionsschicht 30a der Vorrichtung 200 wird gebildet durch abwechselndes Schichten von acht Paaren von Nitrid-Halbleiterschichten mit zueinander unterschiedlichen Brechungsindizes, z. B. AlN-Schicht 31 (Dicke: etwa 0,05 um) und GaN-Schicht 32 (Dicke: etwa 0,04 um). Die Dicke jeder dieser Nitrid-Halbleiterschichten 31 und 32 wird dargestellt durch λ/4n, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode (z. B. 420 nm) und n der Brechungsindex einer jeden Schicht 31 oder 32 ist. Als Ergebnis ist der Reflexionsgrad an der Rückseite etwa 93%. Da diese Nitrid-Halbleiterschichten 31 und 32 undotierte Halbleiterschichten sind, ist ihr spezifischer Widerstand auch 10&sup9; Ω·cm oder mehr. Dementsprechend fließt kein Kriechstrom durch diese Nitrid-Halbleiterschichten 31 und 32.
Die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 200 wird auf die folgende Weise hergestellt. Zuerst wird die in Fig. 2B gezeigte Halbleiterlaserdiode 10' wie in der ersten Ausführungsform gebildet.
Als Nächstes wird, wie in der ersten Ausführungsform, die GaN-Schutzschicht 20b mit einer Dicke von etwa 0,16 um auf der Rückseite der Laserdiode 10' gebildet. Die Schutzschicht 20b wird durch einen MOCVD-Prozess bei etwa 1000ºC gebildet, was geringfügig niedriger als die Wachstumstemperatur der Halbleiterlaserdiode (mit einer doppelten Heterostruktur) ist. Diese Dicke wird auf zweimal so groß wie λ/2n = 0,08 um eingestellt, wobei der Brechungsindex n von GaN 2,6 und die Schwingungswellenlänge λ der Laserdiode 420 nm ist. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass die Dicke der Schutzschicht 20b nicht genau zweimal λ/2n sein muss. Dies kommt daher, dass die Schnittstelle zwischen der Schutzschicht 20b und der darauf ausgebildeten AlN-Schicht als eine Facette der Laserhöhlung dient. Das heißt: da die Länge der Höhlung nur durch die Dicke der Schutzschicht 20b zunimmt, werden die Schwingungseigenschaften der Laserdiode, wie etwa ihr Betriebsstrom, kaum beeinflusst, wenn die Dicke der Schutzschicht 20b in einem gewissen Grad veränderbar ist.
Als Nächstes werden acht Paare von Nitrid-Halbleiterschichten von zwei Typen, nämlich die AlN-Schichten 31 (Dicke: etwa 0,05 um) und die GaN-Schichten 32 (Dicke: etwa 0,04 um) abwechselnd auf die Schutzschicht 20b aufgeschichtet, wodurch die Reflexionsschicht darauf ausgebildet wird. Die Dicke jeder der AlN-Schichten 31 und der GaN-Schichten 32 werden dargestellt durch λ/4n, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode (z. B.. 420 nm) und n der Brechungsindex jeder der AlN- oder GaN-Schichten 31 und 32 (d. h. 2,0 bzw. 2,6) ist. Folglich ist der Reflexionsgrad an der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10' etwa 93%. Da die AIN- und GaN-Schichten 31 und 32 ohne Dotierung aufgebracht wurden, ist der spezifische Widerstand 10&sup9; Ω·cm oder mehr. Dementsprechend fließt kein Kriechstrom durch die AIN- oder GaN-Schichten 31, 32.
Wie in der ersten Ausführungsform wird nachfolgend die Schutzschicht 20a auf der Vorderseite der Halbleiterlaserdiode 10' aufgebracht. In dieser Ausführungsform wird die Dicke der Schutzschicht 20a auf etwa 0,08 um eingestellt, was auch durch λ/2n definiert ist. Es wird bemerkt, dass die Schutzschicht 20b und die Reflexionsschicht 30a auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10' aufgebracht werden können, nachdem die Schutzschicht 20a auf der Vorderseite der Laserdiode 10' aufgebracht wurde.
Schließlich wird die sich ergebende vielschichtige Struktur mit einem Längenmaß (z. B. etwa 400 um) abgeschnitten, wie in der ersten Ausführungsform. Auf diese Weise wird die Nitrid- Halbleiterlaservorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform mit der Laserdiode 10' und einer vorbestimmten Größe vervollständigt.
Nach der zweiten Ausführungsform kann die Lebensdauer der Halbleiterlaserdiode erweitert werden, wie in der ersten Ausführungsform. Zusätzlich wird ein hoher Reflexionsgrad erreicht.
Es wird bemerkt, dass verschiedene andere Nitrid-Halbleiterzusammensetzungen für die Reflexionsschicht 30a verwendbar sind, wie auch für die Schutzschichten 20a und 20b der ersten Ausführungsform. Die Reflexionsschicht 30a wird vorzugsweise hergestellt aus Al1-x-y-zGaxInyBzN (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1 ist). Die Mol-Bruchteile x, y und z können so ausgewählt werden, dass die Reflexionsschicht transparent für das von der Laserdiode erzeugte Licht sind. Dieselbe Feststellung gilt für die folgenden Ausführungsformen.

Ausführungsform 3

Fig. 5 veranschaulicht eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 300 nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 300 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform in der Struktur der Reflexionsschicht 30b. In den anderen Aspekten ist die Struktur der Vorrichtung 300 im Wesentlichen dieselbe wie die der Vorrichtung 200. Somit werden die Elemente mit im Wesentlichen gleichen Funktionen durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, und ihre detaillierte Beschreibung wird hier weggelassen.
Die Reflexionsschicht 30b der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 300 wird durch abwechselndes Schichten von fünf Paaren isolierender Schichten von zwei Typen, nämlich SiO&sub2;- Schichten 33 und TiO&sub2;-Schichten 34, auf der GaN-Schutzschicht 20b gebildet, die auf der Rückseite der Laserdiode 10 vorgesehen wird. Die Dicke jeder dieser Schichten 33 und 34 wird durch λ/4n dargestellt, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode und n der Brechungsindex einer jeden Schicht 33 oder 34 ist. Die Schutzschicht 20a mit einer durch λ/2n definierten Dicke, ist auf der Vorderseite der Laserdiode 10 ausgebildet.
Im Folgenden wird ein Verfahren für die Herstellung dieser Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 300 kurz beschrieben. Dieselben Prozessschritte wie jene der zweiten Ausführungsform werden durchgeführt bis die Schutzschicht 20b mit einer Stärke von etwa 0,16 um auf der Rückseite der Laserdiode 10' ausgebildet ist, wie in Fig. 2C gezeigt.
Als Nächstes werden fünf Paare der zwei Typen mit voneinander unterschiedlichen Brechungsindizes, nämlich die SiO&sub2;-Schichten 33 (Dicke: etwa 0,07 um) und die TiO&sub2;-Schichten 34 (Dicke: etwa 0,04 um) abwechselnd auf der Schutzschicht 20b übereinander geschichtet. Die Dicke jeder dieser Schichten 33 und 34 wird durch λ/4n dargestellt, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode (z. B. 420 nm) ist. Als Ergebnis ist der Reflexionsgrad der Rückseite der Laserdiode 10' etwa 98%. Auch werden diese SiO&sub2;- und die TiO&sub2;-Schichten 33 und 34 auf der Schutzschicht 20b ausgebildet, und beeinflussen nicht direkt die Facetten der aktiven Schicht 14 in der Halbleiterlaserdiode 10' während ihrer Ablagerungsprozesse. Dementsprechend können diese SiO&sub2;- und die TiO&sub2;-Schichten 33 und 34 durch eine Sputtering- oder EB-Bedampfungstechnik ausgebildet werden. Jedoch werden diese SiO&sub2;- und die TiO&sub2;-Schichten 33 und 34 zur Minimierung einer den Kristallschichten in der Halbleiterlaserdiode 10' zugefügten Beschädigung vorzugsweise durch eine MBE-Technik aufgebracht.
Danach wird eine GaN-Schutzschicht 20a mit einer durch λ/2n definierten Dicke (z. B. 0,08 um) auf der Vorderseite der Halbleiterlaserdiode 10' ausgebildet. Durch die Ausführung derselben Schritte wie jene der zweiten Ausführungsform danach wird die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 300 vervollständigt.
Nach der dritten Ausführungsform kann die Lebensdauer der Halbleiterlaservorrichtung wie in der ersten Ausführungsform ausgedehnt und zugleich ein hoher Reflexionsgrad erreicht werden.

Ausführungsform 4

Fig. 6 veranschaulicht eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 400 nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 400 der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform in der Struktur einer Schutzschicht 20c, die auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet ist. In den anderen Aspekten ist die Struktur der Vorrichtung 400 im Wesentlichen dieselbe wie die der Vorrichtung 200. Somit werden die Elemente mit im Wesentlichen denselben Funktionen durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, und ihre detaillierte Beschreibung wird hier weggelassen.
Die auf der Rückseite der Laserdiode 10 ausgebildete GaN-Schutzschicht hat eine durch λ/4n definierte Dicke, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode und n der Brechungsindex der Schutzschicht 20c ist. Auf der Schutzschicht 20c wird auch eine Reflexionsschicht 30a gebildet, indem darauf acht Paare von Nitrid-Halbleiterschichten von zwei Typen, nämlich die AlN-Schichten 31 und die GaN-Schichten 32, einander abwechselnd geschichtet sind. Die Dicke jeder dieser Schichten wird ebenfalls durch λ/4n definiert. Und die GaN-Schutzschicht 20a mit einer durch λ/2n definierten Dicke ist auf der Vorderseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet.
Da die Schutzschicht 20c der Vorrichtung 400 als Reflexionsschicht wirkt, ist der Reflexionsgrad auf der Rückseite der Vorrichtung 400 höher als bei der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform. Folglich wird ein Reflexionsgrad von etwa 95% in dieser Ausführungsform erreicht. Die Dicke der Schutzschicht 20c wird nicht notwendig durch λ/4n definiert, sondern kann N' mal so groß wie λ/4n sein, wobei N' eine positive, ungerade Zahl ist. Hinsichtlich der Produktivität ist die Dicke der Schutzschicht 20c vorzugsweise λ/4n.
Fig. 7 veranschaulicht die Ergebnisse eines Lebensdauertests, der mit den Vorrichtungen 200, 400 (E2 in Fig. 7) und 300 (E3 in Fig. 7) der zweiten, dritten und vierten Ausführungsformen und der in Fig. 12A und 12B veranschaulichten, konventionellen Vorrichtung 700 (C2 in Fig. 7) durchgeführt wurde. Insbesondere veranschaulicht Fig. 7, wie die Veränderungsrate von Δlop des Betriebsstroms sich in den jeweiligen Vorrichtungen bei einer Temperatur von 50ºC und einer Ausgabeleistung von 50 mW mit der Zeit verändert.
Wie in Fig. 7 gezeigt, tritt keine Verschlechterung in den Vorrichtungen 200, 300 und 400 nach der vorliegenden Erfindung auf, selbst wenn die Vorrichtungen mit hoher Ausgabeleistung für 1000 Stunden betrieben werden. Wie zu erkennen ist, heißt das, dass die Verschlechterung der Facetten durch die Schutzschichten unterdrückt werden kann, und dass solch eine lange Lebensdauer erreicht werden kann, weil eine sehr kleine Anzahl von Fehlstellen in die aktive Schicht eingebracht werden.
Wie oben beschrieben kann die Lebensdauer der Halbleiterlaservorrichtung nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wie in der ersten Ausführungsform ausgeweitet werden, und ein noch höherer Reflexionsgrad wird ebenfalls erreicht.

Ausführungsform 5

Fig. 8 veranschaulicht eine Schnittdarstellung einer Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 500 nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 500 der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von der Vorrichtung 200 der zweiten Ausführungsform in der Struktur der Reflexionsschicht 40, die auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet ist. In den anderen Aspekten ist die Struktur der Vorrichtung 400 im Wesentlichen dieselbe wie die der Vorrichtung 200. Somit werden die Elemente mit im Wesentlichen denselben Funktionen durch dieselben Bezugszeichen identifiziert, und ihre detaillierte Beschreibung wird hier weggelassen.
In der Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 500 sind 16 Sätze von Vielschichtstrukturen, deren jede aus einer Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 (Dicke: 0,01 um); einer AlN-Schicht 42 (Dicke: 0,03 um); einer Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 (Dicke: 0,01 um) und einer GaN-Schicht 43 (Dicke: 0,04 um) besteht, auf der GaN-Schutzschicht 20b aufgeschichtet, welche auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet ist. Die GaN-Schutzschicht 20a mit einer durch λ/2n definierten Dicke ist auf Vorderseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet.
Im Folgenden wird ein Verfahren für die Herstellung dieser Vorrichtung 500 kurz beschrieben. Dieselben Prozessschritte wie jene der zweiten Ausführungsform werden durchgeführt bis die Schutzschicht 20b mit einer Dicke von etwa 0,16 um auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10' ausgebildet ist, wie in Fig. 2C gezeigt.
Als Nächstes werden 16 Sätze der Vielschichtstrukturen, deren jede aus einer Al0,5Ga0,5N- Schicht 41 (Dicke: 0,01 um), einer AlN-Schicht 42 (Dicke: 0,03 um), einer Al0,5Ga0,5N- Schicht 41 (Dicke: 0,01 um) und einer GaN-Schicht 43 (Dicke: 0,04 um) besteht, durch einen MOCVD- oder MBE-Prozess auf der GaN-Schutzschicht 20b aufgeschichtet. Diese Nitrid-Halbleiterschichten 41, 42 und 43 werden vorzugsweise aus Al1-x-y-zGaxInyBzN hergestellt (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1 ist). Die Mol-Bruchteile x, y und z können so ausgewählt werden, dass diese Schichten transparent für das von der Laserdiode erzeugte Licht sind. Vorzugsweise sollten die Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angeglichen sein, und der spezifische elektrische Widerstand dieser Schichten sollte vorzugsweise hoch sein.
Die jeweilige Dicken der Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 / AlN-Schicht 42 / Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 / GaN-Schicht 43 sind definiert durch λ/20n, 3 λ/20n, λ/20n und λ/4n, wobei λ die Schwingungswellenlänge der Laserdiode und n der Brechungsindex einer jeden dieser Schichten ist. Die Dicke der Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 ist nicht auf λ/20n begrenzt, solange die Gesamtdicke der Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 / AIN-Schicht 42 / Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 / GaN-Schicht 43 λ/4n beträgt. Als ein Ergebnis kann der Reflexionsgrad auf der Rückseite der Laserhöhlung so hoch wie etwa 99% sein. Da auch die jeweiligen Nitrid-Halbleiterschichten, einschließlich der Reflexionsschicht 40, ohne Dotierung aufgebracht sind, ist der spezifische Widerstand einer jeden Schicht 10&sup9; Ω·cm oder mehr. Somit fließt fast kein Kriechstrom durch die Reflexionsschicht 40.
Danach wird eine GaN-Schutzschicht 20a mit einer durch λ/2n definierten Dicke (z. B. 0,08 um) auf der Vorderseite der Halbleiterlaserdiode 10' ausgebildet. Durch die Ausführung derselben Prozessschritte wie jene der zweiten Ausführungsform danach wird die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung 500 vervollständigt.
Fig. 9 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge an der Reflexionsschicht 40 und einem zugeordneten, berechneten Reflexionsgrad an der Facette. Wie in Fig. 9 gezeigt, erreicht der Reflexionsgrad eine Höhe von 99%, wenn die Wellenlänge 420 nm ist. Die Anzahl der Schichten einschließlich der vielschichtigen Reflexionsschicht 40 kann geeignet ausgewählt werden, um einen erforderlichen Reflexionsgrad zu erreichen.
Ein im Wesentlichen gleicher Reflexionsgrad ist erreichbar, falls mindestens eine zweischichtige Struktur, die aus einer AlN-Schicht 42 und einer GaN-Schicht 43 besteht, deren Dicke durch λ/4n definiert ist (z. B. 0,05 um und 0,04 um), periodisch statt der Reflexionsschicht 40 ausgebildet ist. Jedoch ist in dieser zweischichtigen Struktur der Unterschied der Gitterkonstanten bei Raumtemperatur geringfügig niedriger als 2%. Dementsprechend ist es besonders wahrscheinlich, dass die AlN-Schicht 42 aufgrund der auf sie einwirkenden Zugspannungen belastet wird. Um die von der Gitterfehlangleichung herkommenden Spannungen abzubauen, sollte eine Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 mit einer Gitterkonstanten zwischen derjenigen der AlN-Schicht 42 und derjenigen der GaN-Schicht 43 zwischen die AlN-Schichten 42 und GaN-Schichten 43 zwischengelegt werden. In solch einem Fall kann die Lebensdauer der Halbleiterlaservorrichtung weiter ausgedehnt werden.
Falls die von der Gitterfehlangleichung herkommenden Spannungen weiter abzubauen sind, können vielfache Schichten AlqGa1-qAs-Schichten (wobei 0 ≤ q ≤ 1 ist) anstelle der Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 zwischen die AIN- Schichten 42 und GaN-Schichten 43 zwischengelegt werden, oder es können vielfache Schichten dazwischen ausgebildet werden, bei denen der Wert von q sich kontinuierlich von 0 zu 1 verändert.

Ausführungsform 6

Nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die GaN-Schutz-· schicht 20b, die auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet ist, von der Nitrid- Halbleiterlaservorrichtung 500 der fünften Ausführungsform weggelassen. Statt dessen werden 16 Sätze der Vierschichtstrukturen, deren jede aus einer Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 (Dicke: 0,01 um); einer AlN-Schicht 42 (Dicke: 0,03 um); einer Al0,5Ga0,5N-Schicht 41 (Dicke: 0,01 um) und einer GaN-Schicht 43 (Dicke: 0,04 um) besteht, direkt auf der Rückseite der Laserdiode 10 aufgeschichtet. Entsprechend solch einer Struktur kann eine Reflexionsschicht mit einem hohen Reflexionsgrad erreicht werden.
Alternativ kann eine In0,02Ga0,98N-Schicht als eine Ersatzschutzschicht direkt auf der Rückseite der Halbleiterlaserdiode 10 ausgebildet werden. Auch kann die Schutzschicht einle Dicke N' mal so groß wie λ/4n (wobei N' eine positive, ungerade Zahl ist) haben, um als eine Reflexionsschicht zu wirken.
Fig. 10 veranschaulicht die Ergebnisse eines Lebensdauertests, der mit den Nitrid-Halbleiterlaservorrichtungen nach der fünften Ausführungsform und der sechsten Ausführungsform (E4 und E5 in Fig. 10) und der in Fig. 12A und 12B veranschaulichten, konventionellen Vorrichtung 700 (C3 in Fig. 10) durchgeführt wurde. Insbesondere veranschaulicht Fig. 10, wie die Veränderungsraten von Δlop des Betriebsstroms sich in den jeweiligen Vorrichtungen bei einer Temperatur von 50ºC und einer Ausgabeleistung von 50 mW mit der Zeit verändern.
Wie in Fig. 10 gezeigt, tritt keine Verschlechterung in den Vorrichtungen nach der fünften Ausführungsform und der sechsten Ausführungsform auf, selbst wenn die Vorrichtungen mit hoher Ausgabeleistung für 1000 Stunden betrieben werden. Wie zu erkennen ist, heißt das, dass die Verschlechterung der Facetten durch die Schutzschichten unterdrückt werden kann, und dass solch eine lange Lebensdauer erreicht werden kann, weil eine sehr kleine Anzahl von Fehlstellen in die aktive Schicht eingebracht wird.
Wie oben beschrieben, kann die Lebensdauer der Halbleiterlaservorrichtung nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wie in der ersten Ausführungsform ausgeweitet werden, und ein noch höherer Reflexionsgrad wird ebenfalls erreicht.
Um den spezifischen elektrischen Widerstand der jeweiligen Nitrid-Halbleiterschichten, die in der Reflexionsschicht 40 nach der fünften und der sechsten Ausführungsform enthaltenen sind, hinreichend zu erhöhen, können undotierte Schichten durch einen MOCVD- oder MBE-Prozess gebildet werden. Optional können für die weitere Vergrößerung des spezifischen Widerstands Atome der Gruppe V, wie etwa As- oder P-Atome, darin in solch einem Umfang von etwa 10&supmin;¹&sup5; cm&supmin;³ implantiert werden, dass sie Stickstoff-Fehlstellen kompensieren, die in den Halbleiterschichten existieren.
In einer Vielschichtstruktur, die aus zwei oder mehr Typen isolierender Schichten oder Halbleiterschichten mit hohem Widerstand besteht, sollte dann, wenn die Gitterkonstanten zweier benachbarter Schichten bei Raumtemperatur stark unterschiedlich sind, eine dritte Schicht zwischen sie zwischengelegt werden, um den Unterschied der Gitterkonstanten zwischen diesen zwei Schichten zu reduzieren. Auf diese Weise kann eine Reflexionsschicht im Wesentlichen ohne Spannungswirkung auf die aktive Schicht gebildet werden. Falls diese Schichten durch einen MOCVD- oder MBE-Prozess gebildet werden, dann kann ferner die Beschädigung, die den Laser-Facetten während des Ablagerungsprozesses zugefügt wird, drastisch reduziert werden. Da ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr dicht bei dem der aktiven Schicht verwendet wird, kann darüber hinaus die Belastung bei Raumtemperatur auch abgebaut werden.
In den obigen Ausführungsformen wird unterstellt, dass eine Reflexionsschicht nur auf der rückseitigen Facette einer jeden Halbleiterlaserdiode ausgebildet ist. Falls eine niedrige Schwellwertspannung zu Lasten der Ausgangsleistung des Lasers erreicht werden soll, kann jedoch eine andere Reflexionsschicht auf dem Licht-emittierenden Ende der Laserdiode vorgesehen werden. In solch einem Fall kann der Reflexionsgrad einer jeden RefNexionsschicht abhängig von ihren Anwendungen geeignet eingestellt werden.
Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung mit einer langen Lebensdauer vor, die zuverlässig genug nicht nur dann betrieben werden kann, wenn ihre Ausgangsleistung niedrig ist, sondern auch selbst dann, wenn die Ausgangsleistung für eine konventionelle Vorrichtung aufgrund von Belastungen oder Fehlstellen zu hoch ist, um normal zu arbeiten. Die Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung der vorliegenden Erfindung ist als eine blaues Licht emittierende Laservorrichtung anwendbar auf ein CD-Wiedergabesystem u. s. w.
Während die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist von den in der Technik Bewanderten zu erkennen, dass die offengelegte Erfindung auf zahlreiche Weise modifiziert werden kann und viele Ausführungsformen anders als die oben spezifisch beschriebenen annehmen kann. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die angefügten Ansprüche alle Modifikationen der Erfindung abdecken, die innerhalb des Umfangs der Erfindung fallen.

Claims

1. Nitrid-Halbleiterlaservorrichtung (100, 200, 300, 400, 500), die umfasst:

eine Nitrid-Halbleiterlaserdiode (10); und

eine Schutzschicht (20a, 20b), die auf wenigstens einer Facette der Nitrid- Halbleiterlaserdiode (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (20a, 20b) aus Al1-x-y-zGaxInyBzN (wobei 0 ≤ x, y, z ≤ 1 und 0 ≤ x + y + z ≤ 1) besteht, das durchlässig für von der Laserdiode (10) emittiertes Licht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Schutzschicht (20a, 20b) N-mal so groß ist wie λ/2n, wobei N eine positive ganze Zahl ist, λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichtes ist und n ein Brechungsindex der Schutzschicht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nitrid-Halbleiterlaserdiode (10) eine aktive Multi-Quantentopf-Schicht (14) enthält, die aus mehreren Paaren von InuGa1-uN- und InvGa1-vN-Schichten (wobei 0 ≤ u, v ≤ 1) besteht, die abwechselnd übereinander geschichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht (20a, 20b) mit einem MOCVD- oder einem MBE-Prozess ausgebildet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine reflektierende Schicht (30a, 30b, 40) umfasst, die mit der Schutzschicht in Kontakt ist, wobei die reflektierende Schicht das von der Laserdiode emittierte Licht reflektiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die reflektierende Schicht (30a, 30b, 40) aus wenigstens einem Paar einer ersten und einer zweiten Schicht (31, 32, 33, 34, 41, 42) besteht, die unterschiedliche Brechungsindizes haben und abwechselnd übereinander geschichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Dicke der ersten und der zweiten Schicht (31, 32; 33, 34; 41, 42) durch λ/4n&sub1; bzw. λ/4n&sub2; definiert wird, wobei λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode (10) emittierten Lichtes ist und n&sub1; sowie n&sub2; Brechungsindizes der ersten bzw. zweiten Schicht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Dicke der Schutzschicht (20a, 20b) N-mal so groß ist wie λ/2n, wobei N eine positive ganze Zahl ist, λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichtes ist und n ein Brechungsindex der Schutzschicht (20a, 20b) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Dicke der Schutzschicht (20a, 20b) durch λ/4n definiert wird, wobei λ eine Schwingungswellenlänge des von der Laserdiode (10) emittierten Lichtes ist und n ein Brechungsindex der Schutzschicht (20a, 20b) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schutzschicht (20a, 20b) aus GaN besteht, und

wobei die erste und die zweite Schicht aus SiO&sub2; bzw. TiO&sub2; oder zwei Typen von Al1-α-β-γGaαInβBγN (wobei 0 ≤ α, β, γ ≤ 1 und 0 ≤ α + β + γ ≤ 1) bestehen, die unterschiedliche Brechungsindizes haben und für von der Laserdiode emittiertes Licht durchlässig sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die reflektierende Schicht (40) des Weiteren eine dritte Schicht (43) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (41, 42) enthält, und

wobei die erste, die zweite und die dritte Schicht (41, 42, 43) sämtlich Kristallschichten sind, und

wobei ein Unterschied zwischen den Gitterkonstanten der ersten und der dritten Schicht geringer ist als ein Unterschied zwischen den Gitterkonstanten der ersten und der zweiten Schicht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Schutzschicht (20a, 20b) aus GaN besteht und die reflektierende Schicht (40), die aus der ersten, der dritten und der zweiten Schicht (41, 43, 42) besteht, die in dieser Reihenfolge übereinander geschichtet sind, eine GaN/AlGaN/AlN-Struktur hat.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Schutzschicht (20a, 20b) und die reflektierende Schicht mit einem MOCVD- oder einem MBE-Prozess ausgebildet werden.