JP2018195807A - 電子ビームポンピングされる非ｃ面ｕｖエミッタ - Google Patents

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Abstract

【課題】自発放射によって紫外線を放射する素子を提供する。
【解決手段】ＵＶ放射素子２００は、ＡｌＧａＩｎＮ活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造２２０を含む。ＡｌＧａＩｎＮ活性領域は、非Ｃ面結晶成長配向を有する約５０％より多いＡｌ含有量を有する、１つ以上の量子井戸構造を有する。ＡｌＧａＩｎＮ活性領域は、電子ビームポンプ源２３０によって発生した電子ビーム２３１による励起に応答してＵＶ線２２１を発生させるように構成される。
【選択図】図２

Description

本出願は、一般に、紫外線を放射する素子、ならびにこのような素子に関連するシステムおよび方法に関する。
紫外線（ＵＶ）放射素子は、特に、浄水、医療分野およびバイオテクノロジー分野のための分析素子、ＵＶ硬化および通貨スクリーニングを含む用途にとってかなり重要である。これらの用途および他の用途に適したスペクトル範囲で発光する発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族の２成分系、３成分系および４成分系化合物、ならびにそれらの合金および種々の組み合わせを含む種々の材料系に基づいて製造することができる。
いくつかの実施形態は、自発放射によって紫外線（ＵＶ）を放射する素子に関する。ＵＶ放射素子は、ＡｌＧａＩｎＮ活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造を含む。活性領域は、非Ｃ面結晶成長配向を有する約５０％より多いＡｌ含有量を有する、１つ以上の量子井戸構造を有する。ＡｌＧａＩｎＮ活性領域は、電子ビームポンプ源からの電子ビームによる励起に応答してＵＶ線を発生させるような構成である。
いくつかの実施形態は、刺激放射によって紫外線（ＵＶ）を放射する素子に関する。ＵＶ放射素子は、ＡｌＧａＩｎＮ活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造を含む。活性領域は、非Ｃ面結晶成長配向を有する約５０％より多いＡｌ含有量を有する、１つ以上の量子井戸構造を有する。ＡｌＧａＩｎＮ活性領域は、電子ビームによるポンピングに応答してＵＶ線を発生させるように構成される。素子は、第一リフレクタと第二リフレクタとを含み、活性領域は、第一リフレクタと第二リフレクタとの間に配置される。
いくつかの実施形態は、ＵＶ放射素子を操作する方法に関する。この方法は、非Ｃ面結晶配向を有するエピタキシャルＩＩＩ−Ｎヘテロ構造の活性領域を電子ビームポンピングすることを含む。電子ビームによるポンピングに応答して活性領域内でＵＶ放射が発生する。ＵＶ線は、約２５０ｎｍ未満の波長を有する。
いくつかの実施形態は、ＵＶ放射素子を製造する方法に関する。バルクＡｌＮブールをスライスし、非Ｃ面結晶配向を有する成長表面を有する基板を提供する。ヘテロ構造がＡｌＮ基板上にエピタキシャル成長する。ヘテロ構造は、ＵＶ放射活性領域を含み、成長表面の非Ｃ面結晶配向を有する。いくつかの実施形態では、エピタキシャルＡｌＮ層は、ＵＶ放射領域を含むヘテロ構造が生成する前に、バルクＡｌＮブールの成長表面上にエピタキシャル成長させることができる。
図１Ａは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図１Ｂは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図１Ｃは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図１Ｄは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図１Ｅは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図１Ｆは、六方晶系材料の結晶面を示す。 図２は、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射を生成することができるＵＶ放射素子の断面図を示す。 図３Ａは、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射を生成することができるＵＶ放射素子の断面図を示す。 図３Ｂは、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射を生成することができるＵＶ放射素子の断面図を示す。 図３Ｃは、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射を生成することができるＵＶ放射素子の断面図を示す。 図４Ａは、５ｋｅＶの電子ビームエネルギーでのヘテロ構造への電子ビームの透過を示す。 図４Ｂは、１０ｋｅＶの電子ビームエネルギーでのヘテロ構造への電子ビームの透過を示す。 図４Ｃは、１５ｋｅＶの電子ビームエネルギーでのヘテロ構造への電子ビームの透過を示す。 図４Ｄは、電子ビームの垂直入射に対するｅＶでの電子ビームエネルギーの関数としてのシミュレーションされた電子侵入深さのグラフである。 図５は、いくつかの実施形態の刺激によるＵＶ放射を生成することができるＵＶ放射レーザ素子の断面図を示す。 図６は、いくつかの実施形態の非Ｃ面配向活性領域を有するレーザ素子の生成のためのアプローチを示す。 図７は、いくつかの実施形態の非Ｃ面配向活性領域を有するレーザ素子の生成のためのアプローチを示す。 図８は、いくつかの実施形態の非Ｃ面配向活性領域を有するレーザ素子の生成のためのアプローチを示す。 図９は、本開示の一実施形態の半導体レーザ構造の側面図である。 図１０は、本開示の一実施形態のサンプル素子の屈折率とフィールドプロフィール対厚さのプロットである。 図１１Ａは、図１０のサンプル素子の屈折率とエネルギー蓄積プロフィール対厚さプロットである。 図１１Ｂは、図１０のサンプル素子の上部クラッディングの厚さに対する吸収損失のプロットである。 図１２は、本開示の別の実施形態のサンプル素子の屈折率とフィールドプロフィール対厚さのプロットである。 図１３Ａは、図１２のサンプル素子の屈折率とエネルギー蓄積プロフィール対厚さのプロットである。 図１３Ｂは、図１２のサンプル素子の上部クラッディングの厚さに対する吸収損失のプロットである。 図１４は、本開示の一実施形態による、導電性経路のメタライゼーションを含む２つの半導体レーザ構造の側面図である。 図１５は、本開示の一実施形態による、基板と、放電構造へのビア接続を有する光放射素子の断面側面図である。 図１６は、図１４の実施形態による、導電性経路のメタライゼーションを含む２つの半導体レーザ構造の上面図である。 図１７は、いくつかの実施形態による、半極性（２０−２１）バルクＡｌＮ基板上の１０ｘＡｌＧａＮ多重量子井戸ヘテロ構造の高分解能ω−２θｘ線スキャンである。 図１８は、いくつかの実施形態による、（２０−２１）バルクＡｌＮ基板上に成長した１０ｘＡｌＧａＮ多重量子井戸ヘテロ構造の原子間力顕微鏡画像である。 図１９は、いくつかの実施形態による、半極性（２０−２１）ＡｌＧａＮ多重量子井戸ヘテロ構造から記録された温度依存性フォトルミネセンススペクトルを示す。 図２０は、正規化された温度依存性フォトルミネセンス強度のグラフを示し、強度の値は、図１０のスペクトルを積分することによって得られる。 図２１は、いくつかの実施形態による、（２０−２１）バルクＡｌＮ基板の上に成長した半極性ＡｌＧａＮ多重量子井戸からの偏光分解フォトルミネセンススペクトルを示す。
図面は、必ずしも縮尺通りではない。図面で使用されている同様の番号は同様の構成要素を示す。しかしながら、所与の図の構成要素を参照するために番号を使用することは、同じ番号で示された別の図の構成要素を限定することを意図するものではないことが理解されるだろう。
発光波長が約２５０ｎｍより短くなるにつれて、Ｃ面基板またはテンプレート上で成長するＵＶ発光素子の効率は数桁低下する。この効率の低下は、放射が主により短い波長で偏光された横波（ＴＭ）であり、容易にウエハ平面から抽出できないために生じる。本明細書に記載の実施形態は、基板の結晶配向、ひいては基板上に成長された量子井戸（ＱＷ）などの発光層の配向が非Ｃ面方位に回転される構造を含む。基板およびＱＷの結晶配向を回転させることにより、特に２００ｎｍ〜２９０ｎｍのＵＶＣ放射に対して、ＵＶ放射の抽出を向上させることができる。
本明細書で論じるいくつかの実施形態は、ＡｌＧａＮ材料系に基づいて、垂直に放射するか、または端部放射するＵＶ源からの光抽出の効率を高めるアプローチを含む。以下に論じるアプローチは、ＡｌＮ基板の非Ｃ面配向表面上でエピタキシャル成長させることができる非Ｃ面配向ＡｌＧａＮ量子井戸の使用を含む。
ＵＶ波長エミッタの別の大きな課題は、ＵＶ放射に必要なこれらの高バンドギャップ材料のｐ型伝導率である。今日の素子効率は、ｐ−ＧａＮが正孔注入層として使用される場合に高い光吸収損失に悩まされ、またはｐ−ＡｌＧａＮ材料が少なくとも部分的にＵＶ透過性を得るように実施される場合に高電圧およびキャリア注入の低下に悩まされる。本明細書で論じるいくつかの実施形態は、電子−正孔対の生成および光吸収損失の減少のために、電子ビーム（ｅ−ビーム）の励起を使用する。
図１Ａ〜１Ｆは、ＧａＮおよびＡｌＮのような六方晶系材料の結晶面を示す。図１Ａは、Ｃ面と呼ばれる極性面（０００１）を示す。図１Ｂは、Ｍ面と呼ばれる非極性面
または（１−１００）面を示す。図１Ｃは、Ａ面と呼ばれる非極性面
または（−１−１２０）面を示す。図１Ｄ〜１Ｆは、半極性面
または（１１−２２）、
または（２０−２１）および
または（２０−２−１）を示す。本明細書に開示される実施形態に使用可能な他の一般的な半極性結晶面には、（１０−１１）、（１０−１−１）、（１１−２−２）、（１０−１３）、（１０−１−３）、（３０−３１）、（３０−３−１）などが挙げられる。高品質Ｃ面ＡｌＧａＮ構造は、Ｃ面基板表面上で成長することができるが、ＵＶ放射はもっと長い発光波長でしかＴＥ偏光ではなく、素子は上述の抽出問題に悩まされる。ＡｌＧａＮ構造は、非極性のＭ面およびＡ面の基板表面上で成長させることができる。しかしながら、エピタキシャル成長条件は、構造欠陥のない特徴のない表面を有する材料を製造するために、さらに厳しいものである。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、半極性の配向を有する表面上に成長させたＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ ＱＷを有する素子に関する。後述するように、（２０−２１）面および（２０−２−１）面などの半極性配向での成長は、高品質ＵＶエミッタに必要な滑らかな表面および鋭敏なヘテロ構造界面を生成することが示された。
図２は、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射２２１を生成するために使用することができるＵＶ放射素子２００の断面図を示す。この素子は、ＵＶ放射活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造２２０を含む。例えば、ＵＶ放射活性領域は、非Ｃ面結晶配向を有するように成長した１つ以上の量子井戸（ＱＷ）構造を含んでいてもよい。活性領域は、電子ビーム源２３０によって生成した電子ビーム２３１によるポンピングに応答して光線を放射するように構成される。いくつかの実施形態では、ＵＶ活性領域は、活性領域によって放射されるＵＶ線が約２５０ｎｍ未満であるように、５０％より大きいＡｌ含有量を有するＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮを含む。いくつかの実施形態では、素子２００の一部は、真空チャンバ２８０内に配置されてもよい。
いくつかの実施形態では、活性領域は、約７０％のＡｌ組成を有するいくつかの量子井戸、例えば１〜５０個の量子井戸を含んでいてもよい。量子井戸の厚さは、例えば、約０．５ｎｍ〜約５ｎｍの範囲内、または約１ｎｍ〜約３ｎｍの範囲内であってもよい。各量子井戸は障壁層の間に配置される。いくつかの実施形態では、障壁層のＡｌ組成は、約８０％〜約９９％の範囲にある。いくつかの実施形態では、量子井戸および障壁層を含む活性領域は、厚さが、約２００ｎｍ〜約１０００ｎｍまたは約４００ｎｍ〜約８００ｎｍであってもよい。
ヘテロ構造２２０を通る電流の流れをさらに促進するために、１つ以上のヘテロ構造層をｎ型ドーパントでドープして、層の導電率を高めてもよい。ヘテロ構造層は、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎなどの不純物を組み込むことによってｎ型にドープされてもよい。例えば、１つ以上の量子井戸および／または障壁層は、約１０１７〜１０２０／ｃｍ３のレベルで、ｎ−型ドーパントでドープされ、ドープされた層において、約０．０１（Ωｃｍ）−１〜１０４（Ωｃｍ）−１の導電性を達成してもよい。例えば、ヘテロ構造層の少なくとも一部は、約１０１７／ｃｍ３を超えるレベルで、Ｓｉを用いてｎ型にドープされてもよい。不純物濃度は、典型的には、材料中の全原子濃度の３％未満である。
いくつかの実施形態では、ヘテロ構造２２０は、非極性結晶配向、例えば、Ｍ面またはＡ面の配向を有していてもよい。いくつかの実施形態では、ヘテロ構造は、半極性結晶配向を有していてもよい。例えば、適切な半極性配向としては、（１０−１１）、（１１−２２）、（２０−２１）、（２０−２−１）、（１０−１１）、（１０−１−１）、（１１−２−２）、（１０−１３）、（１０−１−３）、（３０−３１）および（３０−３−１）の結晶配向が挙げられる。
図３Ａ〜３Ｃは、いくつかの実施形態の自発ＵＶ放射を生成するために使用することができるＵＶ放射素子３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃの断面図を示す。エピタキシャルヘテロ構造３２０は、非Ｃ面配向の基板３１０上で成長してその配向をとる非Ｃ面配向活性領域を含む。いくつかの実施形態では、基板３１０は、バルクＡｌＮブールからスライスされたか、または非Ｃ面のエピタキシャル成長表面を提供するように形成されたバルクＡｌＮ基板を含む。基板３１０は、バルクＡｌＮ基板上に例えば金属有機気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によって成長されたエピタキシャルＡｌＮ層を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、活性領域は、活性領域によって放射されるＵＶ線が約２５０ｎｍ未満であるように、５０％より大きいＡｌ含有量を有するＡｌＧａＮを含む。ヘテロ構造３２０の表面粗さは、原子間力顕微鏡で測定すると、約０．３５ｎｍ未満であってもよい。
図３Ａの素子３００Ａによって示されるように、基板３１０は、矢印３９９によって示されるように、完全に除去されてもよく、または例えば、約１００μｍ未満または約５０μｍ未満、または２０μｍ未満の厚さを有する基板残留物３１１に機械的および／または化学的に薄くされてもよい。基板を除去または薄くした後、ヘテロ構造の裏面（または基板残留物の残りの表面）を光抽出を強化するために粗くしてもよい。
いくつかの実施形態では、ＡｌＧａＮ ＱＷは、厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍ、または１ｎｍ〜２ｎｍであってもよい。ＱＷを分離する障壁層は、障壁厚さが５〜５０ｎｍであってもよい。最適な活性ゾーンの厚さは、電子ビームエネルギーに依存し、例えば５〜３０ｋｅＶの電子ビームエネルギーに依存する。図４Ａ〜４Ｃは、それぞれ５ｋｅＶ、１０ｋｅＶ、および１５ｋｅＶの電子ビームエネルギーでのヘテロ構造への電子ビームの透過を示す。図４Ｄは、バルクＡｌＮ上の４７個のＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ／ＡｌＮ ＱＷ／障壁を含むサンプル中の電子ビームの垂直入射に対するｅＶでの電子ビームエネルギーの関数としてのシミュレーションされた電子侵入深さのグラフである。
図３Ｂに示すように、ＵＶ放射素子３００Ｂは、ヘテロ構造３２０の上に配置されたヒートシンク３４０を含むことができる。適切なヒートシンク材料としては、ダイヤモンド、銅、銅−タングステン、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、および／または他の材料または材料複合体が含まれる。非透明のヒートシンクまたはヒートスプレッダ材料や底面発光の場合、ヒートシンクには（斜めの）穴を含める必要がある。半導体膜がかなり薄い場合は、最初に透明なヒートスプレッダ材料（例えば、ダイヤモンド、サファイア、石英など）上に取り付ける必要がある。
図３Ｃに示されるように、ＵＶ放射素子３００Ｃは、ヘテロ構造３２０に電気的に結合され、ヘテロ構造３２０の電子ビームポンピングから生じる電子を放出する電流路を提供するように構成された１つ以上の接点３５０を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、接点３５０は、ヘテロ構造を電子ビーム２３１にさらす開口部３５１を含むことができる、単一の接点３５０である。いくつかの実施形態では、ＵＶ放射素子は、ヘテロ構造３２０の電子ビームポンピングから生じる電子を放出するために同じ電位に連結された複数の接点を含むことができる。いくつかの実施形態では、接点は、電子ビームが透過するのに十分な薄さであり、光学リフレクタとしても機能する連続金属膜であってもよい。例えば、接点３５０は、深紫外線に高い反射率を示すＡｌを含んでいてもよい。
いくつかの実施形態では、ＵＶ放射素子は、刺激によるＵＶ放射の生成のために構成される非Ｃ面配向活性領域を有する垂直放射レーザ素子であってもよい。図５は、いくつかの実施形態の刺激によるＵＶ放射５２１を生成することができるＵＶを垂直に放射するレーザ素子５００の断面図を示す。素子５００は、非Ｃ面結晶配向を有するＵＶ放射活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造５２０を含む。ＵＶ放射活性領域は、非Ｃ面結晶配向を有するように成長した１つ以上の量子井戸構造を含んでいてもよい。ヘテロ構造５２０は、その間に配置される。活性領域は、第一リフレクタ５６１と第二リフレクタ５６２との間に配置され、電子ビーム２３１によるポンピングに応答してレーザ線を放射するように構成される。いくつかの実施形態では、ＵＶ活性領域は、活性領域によって放射されるＵＶ線が約２５０ｎｍ未満であるように、５０％より大きいＡｌ含有量を有するＡｌＧａＮを含む。電子ビームポンピングされた垂直空洞表面放射レーザの構造に関するさらなる情報は、共同所有されている米国特許第９，１１２，３３２号に記載されている。
前述のように、ヘテロ構造５２０は、非極性結晶配向、例えば、Ｍ面またはＡ面のいずれかの配向を有していてもよい。いくつかの実施形態では、ヘテロ構造５２０は、半極性結晶配向、例えば、（１０−１１）、（１１−２２）、（２０−２１）、（２０−２−１）、または他の結晶配向を有していてもよい。
図６および図７は、非Ｃ面配向活性領域を有するレーザ素子の生成のためのアプローチを示す。図６の上部断面図に示されるいくつかの実施形態では、リフレクタ６６１は、非Ｃ面配向基板６１０上にエピタキシャル成長した分布ブラッグリフレクタ（ｅｐｉ−ＤＢＲ）である。ｅｐｉ−ＤＢＲ６６１は、基板６１０の非Ｃ面配向をとる基板６１０上に配置された一連の交互半導体層を含む。例えば、非Ｃ面配向ＡｌＮが基板６１０として使用される場合、ｅｐｉ−ＤＢＲは、非Ｃ面配向ＡｌＮ基板６１０上に成長された非Ｃ面配向ＡｌＧａＮおよびＡｌＮの交互層を含むことができる。ｅｐｉ−ＤＢＲの半導体層はいくらかのヒートシンクを提供することができるので、ｅｐｉ−ＤＢＲを使用することは、活性領域からの熱放散を促進するのに役立つ。活性領域を含む非Ｃ面配向ヘテロ構造６２０は、非Ｃ面配向ｅｐｉ−ＤＢＲ６６１の上でエピタキシャル成長する。
図６の中央の断面図に示されるように、非Ｃ面配向ｅｐｉ−ＤＢＲ ６６１＋ヘテロ構造サブアセンブリ６０５が形成された後、基板６１０は、例えば、レーザリフトオフプロセス（ＬＬＯ）、機械的研磨および／または乾式／湿式化学エッチングを用い、場合により完全に、または部分的に除去されてもよい。いくつかの構成では、除去後に基板の薄い残留物が残ることがある。
図６の底部の断面図に示すように、いくつかの構成では、ＤＢＲ＋ヘテロ構造サブアセンブリ６０５は、活性領域からの放熱を高めるために、ヒートシンク６４０にｅｐｉ−ＤＢＲ側を下にして結合することができる。ヒートシンク６４０は、例えば、ダイヤモンド、銅、銅−タングステン、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、および／または他の材料または材料複合体などの十分な熱伝導率を有する金属、金属合金または他の材料を含んでいてもよい。活性領域から電子を放出するための１つ以上の接点６５０をヘテロ構造６２０の上に堆積させることができる。
図７に示すレーザ構造の形成のための別のアプローチは、非Ｃ面配向エピタキシャル成長ヘテロ構造７２０の裏面に堆積された誘電体層を含む第一ＤＢＲ７６１の使用を含む。例えば、誘電体ＤＢＲ７６１は、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２／Ｙ２Ｏ３またはＳｉＯ２／ＨｆＯ２の対を含んでいてもよい。誘電体ＤＢＲを作成するために使用される誘電材料は、半導体材料よりも高い屈折率コントラストを有することができる。したがって、同じ反射率の場合、誘電体ＤＢＲは、エピタキシャル成長したＤＢＲの半導体層対の数と比較して、含まれる層対を少なくすることができる。しかし、誘電体材料は、熱伝導率が低く、これは、活性領域からの熱放散を必要とする素子の要因となり得る。
図７の上部の断面図に示すように、ＵＶ線を放射するように構成された非Ｃ面配向活性領域を含む非Ｃ面配向ヘテロ構造７２０が、基板７１０上でエピタキシャル成長する。基板７１０は、図７の中央の断面図に示すように、ヘテロ構造７２０から完全に、または部分的に除去される。基板を除去した後、誘電体ＤＢＲ７６１をヘテロ構造７２０の一方の表面（例えば、ヘテロ構造７２０の最初のエピタキシャル成長の表面である裏面）に堆積させる。基板の残留物が残っていると、誘電体ＤＢＲ７６１が基板の残留物上に堆積する。
１つ以上の接点７３０が、図７の底部断面図に示すように、誘電体ＤＢＲの反対側のヘテロ構造表面上に配置される。図７に示す実施では、ＤＢＲ＋ヘテロ構造サブアセンブリ７０５は、活性領域で発生した熱を放散させるヒートシンク７４０上に、ＤＢＲ側を下にして配置することができる。
ここで図５に戻ると、いくつかの実施形態によれば、第一リフレクタ５６１および第二リフレクタ５６２のうちの１つ以上が、外部リフレクタであってもよい。ギャップは、外部リフレクタをヘテロ構造５２０および／またはヘテロ構造５２０の上に配置された他の層から分離する。外部リフレクタは、上述したように、エピタキシャルＤＢＲおよび／または誘電体ＤＢＲを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、第二ＤＢＲは、図７に示すように、ヘテロ構造の上に配置されたｅｐｉ−ＤＢＲまたは誘電体ＤＢＲを含んでいてもよい。
図８の上部の断面図は、ＵＶ放射活性領域を含む非Ｃ面配向ヘテロ構造８２０を示す。非Ｃ面配向ヘテロ構造は、非Ｃ面配向基板上でエピタキシャル成長され、基板は完全に除去または残留物に薄層化され、図８には示されていない。基板を除去した後、誘電体ＤＢＲ８６１をヘテロ構造８２０の一方の表面（例えば、ヘテロ構造８２０の最初のエピタキシャル成長の表面である裏面）に堆積させる。基板の残留物が残っていると、誘電体ＤＢＲ８６１が基板の残留物上に堆積する。これに代えて、非Ｃ面配向ｅｐｉ−ＤＢＲは、非Ｃ面配向ヘテロ構造８２０の成長に先立って基板上に成長させることができる。
１つ以上の接点８５０が、図８の底部断面図に示すように、誘電体ＤＢＲ８６１の反対側のヘテロ構造表面上に配置される。図８に示す実施では、ＤＢＲ＋ヘテロ構造サブアセンブリ８０５は、活性領域で発生した熱を放散させるヒートシンク８４０上に、ＤＢＲ側を下にして配置することができる。
第二ＤＢＲ８６２、例えばｅｐｉ−ＤＢＲまたは誘電体ＤＢＲは、第二ＤＢＲ８６２がパターン形成された接点８５０の開口８５１内に配置されるように、エピタキシャル成長または堆積されてもよい。
いくつかの実施形態では、ＵＶ放射素子は、非Ｃ面配向活性領域を有する端面発光レーザ素子であってもよい。端面発光レーザ素子は、刺激によるＵＶ放射を生成するように構成することができる。いくつかの実施形態では、端面放射素子は、例えば、Ｍ面と呼ばれる
または（１−１００）面に沿った非極性の配向を有するＡｌＮなどの基板上で成長する。いくつかの実施形態では、基板の表面は、Ａ面と呼ばれる非極性
または（−１−１２０）面に沿って配向されてもよい。基板の表面は、いくつかの実施形態では、半極性面、例えば、
または（１１−２２）、
または（２０−２１）、および
または（２０−２−１）などの半極性面に沿って配向されてもよい。本明細書に開示される実施形態に使用可能な他の一般的な半極性結晶面には、（１０−１１）、（１０−１−１）、（１１−２−２）、（１０−１３）、（１０−１−３）、（３０−３１）、（３０−３−１）などが挙げられる。クラッド層および活性層を含め、基板の上の層は、基板の半極性または非極性の配向をとる。
図９は、いくつかの実施形態のＵＶ端面放射レーザ１０の断面図を示す。素子１０は、本開示の一実施形態の半導体レーザ構造１２と、電子ビームポンプ源１４とを具備している。半導体レーザ１２は、非極性または半極性の基板１６を含む。いくつかの実施形態では、基板１６、はバルクＡｌＮを含んでいてもよい。基板１６の上には、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙｌｎｙＮ（ここでｘは０．６〜１であり、ｙは０〜０．０３である）の下部クラッド層１８、例えばｎ−Ａｌ０．７４Ｇａ０．２６Ｎが形成される。
ＡｌｚＧａ１−ｚ−ｙＩｎｙＮ（ｚは０．５〜１であり、ｙは０〜０．０３であり、ｚ＜ｘ）の下部クラッド層１８の上に下部導波路２０を形成してもよい。例えば、下部導波路２０は、ｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎを含んでいてもよい（例えば、厚さ４０ｎｍ）。
下部導波路２０の上に多重量子井戸ヘテロ構造（ＭＱＷ）または二重ヘテロ構造（ＤＨ）領域のような活性層２２を形成してもよい。活性層２２は、ＭＱＷの場合、様々な厚さのＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮの対を含んでいてもよい（例えば、Ａｌ０．５７Ｇａ０．４３Ｎ／Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎ、それぞれ５．４ｎｍおよび９．６ｎｍの５層の対）。一般に、活性層２２は、ＡｌｕＧａ１−ｕ−ｖＩｎｖＮの少なくとも１つの層を含んでいてもよく、ここで、ｖは０〜０．０３であり、０．４＜ｕ＜ｚである。ＭＱＷの場合、一般に、障壁はＡｌｓＧａ１−ｓ−ｔＩｎｔＮであってもよく、ここで、０．４＜ｕ＜Ｚかつｓ＞ｕ＋０．０４であり、ｔは０〜０．０３である。このような場合、量子井戸の厚さは１〜６ｎｍであり、障壁の厚さは３〜２０ｎｍであってもよい。
上部導波路２４は、活性層２２の上に形成されてもよく、例えば、ｎ−ドープされたＡｌＧａＮ（例えば、４０ｎｍのｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎなど）、ドープされていないＡｌＮなどを含む。
場合により、上部クラッド層２６は、上部導波路２４上に形成されてもよい。（様々な実施形態の任意の層、要素、および特徴は、破線の輪郭で示されていてもよい。）上部クラッド層がない状態で製造される場合、上部導波路２４は、例えば約２００ｎｍ程度と比較的厚く作られる。上部クラッド層２６を有する状態で製造される場合、層２６は、ｎ−ドープされたＡｌＧａＮを含んでいてもよい（例えば、少なくとも７０％のＡｌを含み、例えば、ｎ−Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ、厚さ２２０ｎｍ）。いくつかの実施形態では、例えば、非常に高いＡｌ濃度では、上部クラッド層２６は、ドープされていなくてもよい。いくつかの実施形態では、下部クラッド層、下部導波路層、発光層、上部導波路層、または上部クラッド層の少なくとも１つがｎ型にドープされる。
場合により、特定の実施形態では、下部クラッド層、下部導波路層、発光層、上部導波路層および上部クラッド層の少なくとも１つが、短周期超格子である。さらに、特定の実施形態では、下部クラッド層、下部導波路層、上部導波路層または上部クラッド層の少なくとも１つは、単調に変化する合金組成勾配であってもよく、発光層に最も近くに勾配を有する層の低いバンドギャップ組成を有する。
また、場合により、上部クラッド層２６上に接点層２８を設けることもできる。接点層２８は、一例としてｎ−ＧａＮを含むことができる。適切なオーム性金属層２９を接点層２８上に形成してもよく（例えば３０ｎｍのＴｉ）、以下に記載されるレーザ素子からの電荷の伝導を可能にする。
活性層２２の厚さが比較的大きいと、活性層２２自体が導波機能を与え、別個の下部導波路２０および／または上部導波路２４の必要性がなくなり、そうでなければ光導波層を設けることが理解されよう。したがって、特定の実施形態では、下部導波路および上部導波路は、導光構造を形成し、その中に発光層が配置される。他の実施形態では、発光層の厚さおよび他の特性は、上部マージンおよび下部マージンでの光導波を提供し、それによって、発光層がその中に配置される光導波構造も形成する。
電子ビームポンプ源１４は、半導体レーザ１２の上に配置され、いくつかの実施形態では、半導体レーザ１２の上部表面から離間して配置される。電子ビーム（「ｅ−ビーム」）ポンプ源１４は、半導体レーザ１２の上面に向かう方向のラインパターン（例えば、１２μｍ×５００μｍ）の電子線を生成するように駆動電圧に接続される。
上記の構造が構築され、モデリングされている。このような構造の発光波長は、材料および組成に応じて、例えば２００ｎｍ〜３６５ｎｍの範囲で得ることができる。図１０は、λ＝２６５ｎｍでの目標発光波長についての構造のモデリングを示す図である。このモデルでは、この構造は、厚さ２２０ｎｍのｎ−Ａｌ０．７８Ｇａ０．２２Ｎ上部クラッド層と、厚さ５ｎｍのｎ−ＧａＮ接点層と、厚さ３０ｎｍのＴｉ金属上部接点／放電層とを含む。図１０から分かるように、様々な層の屈折率が、光学モード（すなわち、レーザモードの電界）プロフィールと同様に示されている。理想的な場合、キャリア生成は、光子を最も効率的に生成するために、ＭＱＷの中心にピークを有する。図１０のモデルは、２５％程度の比較的高いΓと、１ｃｍ−１未満の比較的低い損失を予測する。
図１１Ａは、図９の構造のモデリングのグラフであり、２つの選択された電子ビームエネルギーに対する半導体レーザ構造への深さに対して計算されたエネルギー蓄積プロフィールを示している。図１１Ａから分かるように、１０ｋｅＶおよび１２ｋｅＶの場合、それぞれ全エネルギーの約３２パーセントおよび３０パーセントがＭＯＷ領域および導波層（上部および下部）に蓄積する。所与の深さでの電子正孔の生成速度は、その深さでのエネルギー蓄積に比例する。これらの領域に蓄積されるエネルギーが多いほど、予想されるレーザ出力が高くなる。
クラッド層の厚さが、この構造の吸収損失に及ぼす影響を図１１Ｂに示す。より厚いクラッド層は、エネルギー蓄積プロフィールのピークの深さを制限し、より低い吸収損失を与え、逆に、より薄いクラッド層は、エネルギー蓄積プロフィールのより深いピークを可能にし（例えば、活性領域により近く）、より高い吸収損失をもたらすことが図１１Ａおよび図１１Ｂから分かるだろう。図１１Ａ、図１１Ｂに提供されるようなデータから、電子ビームのエネルギー蓄積プロフィールと、主に上部表面層（接点層、上部メタライゼーション）によって誘導される吸収損失の両方のバランスをとって最終的に最適化することができるように、本開示の教示の具体的な適用に応じて設計パラメータを選択してもよい。
図１０および１１Ａ、１１Ｂに示す結果は、上部ｐドープ層がない状態で操作する、上述のようなレーザ構造の操作性および利点を裏付ける。この場合もまた、それによって与えられる顕著な利点の１つは、高いバンドギャップの材料を製造することが非常に難しい高い導電率と低い吸収損失を有するｐ−ドープ層がないことである。
電子ビームを励起源として使用することは、電子ビームによるキャリアの生成が、キャリア生成および注入がｐ／ｎ接合に依存しないことを意味する。このことは、レーザ放射に必要な電流密度を運ぶことができる高バンドギャップ半導体中に高導電性（ｐ型）材料を形成するという課題を取り除く。したがって、上部クラッド層のｐ型ドーピングが必要とされない。これに加え、電子ビームによるキャリア注入は比較的深く、最上部のＭＱＷ層を越えて延びている。この均質なキャリア注入は、レーザダイオードにおいて通常達成されるよりもＭＱＷ層の量子井戸の数が多いことを裏付けている。より高いゲインと改善された素子性能が提供される。
電子ビームポンピングは、レーザ構造内に実効電荷を生成する。したがって、本明細書で開示されるレーザヘテロ構造および素子構造は、素子の効果的な放電を可能にする特徴を含み、例えば、ｎドープされた導電性層（およびｐドープ層を含でもよい）、金属膜および／または接点、および電子ビーム源の接地またはアノードに対する接続が挙げられる。上述の例では、ｎ型上部クラッドおよび金属オーム性接点が、この放電機能のためだけにＭＱＷ上に設けられている。しかし、これは上部ｐ型クラッドが電子ビームポンピングによって回避される構造構成の一群の単なる一例であることが理解されよう。本明細書では多くの変形が想定される。
例えば、図１２は、Ａ＝２６５ｎｍの目標放出波長での電子ビームポンピング操作の代替的な半導体レーザ設計を示し、図１３Ａは、その設計に対する計算された電子ビームエネルギー蓄積プロフィールを示す。図１３Ｂは、クラッド層の厚さが、この構造の吸収損失に及ぼす影響を示す。図１２および図１３Ａ、１３Ｂの構造のモデリングは、図１０および図１１Ａ、１１Ｂの構造のモデリングと類似しており、但し、図１２および図１３Ａ、１３Ｂの構造は、ドープされていない厚さ１２０ｎｍのＡｌＮ上部クラッド層を有し、接点層および上部オーム性金属層を含まない。注目すべきは、図１０および図１１Ａ、１１Ｂの構造と比較して、さらに薄い上部クラッド層に対して、さらに低い吸収損失が得られ得るという結果である。そのため、エネルギープロフィールのピークは、活性領域の近くで発生する可能性がある。上部接点層を含まないとは、素子の放電が、上部表面を介して与えられるのではなく、むしろ、ｎ−ＡｌＧａＮ下部クラッド層を介して、および／またはメサ側面接点を介して横方向に与えられることを意味する。
先の例におけるレーザへテロ構造は、その上面を介した放電を可能にするように設計された。したがって、クラッド層のＡｌＧａＮ組成は、十分に高い導電率を提供するように制限されていた（例えば、Ａｌ組成は７８％である）。ＧａＮキャップ層および／または金属接点を通る高い吸収損失を避けるために、この例のクラッド層は、２２０ｎｍ程度に比較的厚くなるように選択された。しかし、本実施例では、上部クラッド層の導電性に関して懸念はなく、完全に非導電性のＡｌＮであってもよい。さらに、後にＡｌＮ上部クラッドの厚さを薄くすることによって、ＭＱＷ活性領域内でのキャリアの生成および閉じ込めが改善される。したがって、上部クラッド層は、ここでは例として１２０ｎｍ程度の厚さが選択された。
図１２に示す素子のための放電パスを提供するために、メサ構造を形成するためにエッチングが実行され、下部クラッド層が電気的接触のために露出される。金属は、露出した表面の選択された部分で、素子に隣接するエッチングされた領域の底部または素子の側壁、または両方に、必要な伝導路のために堆積されてもよい。ここでも、ＧａＮ接点層または上部金属は必要ではない。導波路シミュレーションは、２５％程度の比較的高いΓと、１ｃｍ−１未満の比較的低い損失とを生成する。
８、１０および１２ｋｅＶの励起エネルギーについて、励起源のエネルギー蓄積プロフィールを図１３Ａに示す。これにより、全エネルギーの５２％、４１％、２８％が、それぞれ８、１０および１２ｋｅＶの活性ゾーンおよび導波層に蓄積される。異なる励起エネルギーに対して同じ電流を有する活性ゾーンおよび導波層の絶対的な蓄積エネルギーは、８ｋｅＶおよび１０ｋｅＶでは非常に類似しており、１２ｋｅＶでは約２０％少ない。
個々の素子または素子のアレイは、非極性または半極性の配向を有し、図１４に示す層組成を有する基板上に形成されてもよい。このような層構成を有する構造を作成した後、エッチングし、個々の素子を作成してもよい。このような２つの素子３０、３２は、図１４に示されており、エッチングされた領域３４によって分離されている。例えば、化学的支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）または誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）、ファセット切断、または当該技術分野で知られている他のプロセスを用いたドライエッチングを用い、エッチングされた領域３４とレーザファセットを作成してもよい。エッチングは下部クラッド層１８の内部まで進行し、その層を露出してもよい。次いで、接点金属４０（例えば、Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｎｉ（４５ｎｍ）／Ａｕ（６０ｎｍ）の積層構造を約９００℃でほぼ１分間アニーリングし、ｎ−型のＡｌＧａＮに対する機能的なオーム性接点を生成する）を、素子３０、３２の部分の上に形成し、エッチングされた領域３４内に、素子（例えば、接地に接続する）を放電するための伝導路を生成してもよい。場合により、接点金属４０を形成する前に、素子３０、３２の側壁上に側壁不動態化４２を生成することができる。
前の実施形態は、素子間のエッチングされた領域に堆積された金属を使用して放電路を形成するが、他の実施形態では、放電のために素子または素子群ごとにオーム性金属層２９に直接接触させてもよい。上述したように、接点層２８は、電子ビームが素子の活性領域に容易に浸透するように、Ｔｉなどの材料の場合、３０ｎｍ程度と比較的薄い。同様に、電気的および熱的放電のために背面金属層を設けることができる。そのような素子７０の１つが図１５に示されている。素子７０は、ビア７４が中に作られる基板７２と、第一表面の上に配置される導電性放電構造７６とを含む。発光素子７８は、導電性放電構造７６が配置されている面とは反対側の基板７２の第二表面に配置されている。ビア７４、もっと正確には、ビア７４の中に配置された導電性材料は、電子ビームポンプ８０から電子ビームポンピングに起因して素子７８に蓄積し得る電荷が、構造７６を通って（例えば、接地電位に対して）放電され得るように、導電性放電構造７６および素子７８を電気的に相互接続する。１つ以上の導電性中間層、側壁などを含む、多くの他の放電構造がここで想定される。
素子３０、３２の生成に続いて、個々の電子ビーム源を各素子上に形成するか、または配置することができる。一実施形態によれば、あらかじめ製造された電子ビーム源は、共振空洞の長さに匹敵するビーム長を有するように選択され（素子３０のファセット５０、５２と素子３２のファセット５４、５６との間）、例えば３００〜５００μｍである。実際、共振器の長さは主として電子ビーム源の出力フォーマットによって制限される。図１６は、素子３０、３２の上面図を示し、各素子上の電子ビームの位置は、それぞれ線４４、４６で示されている。
得られた素子を真空中で操作することができる。特定の実施形態によれば、出力電力密度は、５０ｋＷ／ｃｍ２から約１〜２ＭＷ／ｃｍ２の範囲内であってもよい。加速電圧は、１０ｋＶ程度であってもよい。スポットサイズは、１２×５００ミクロン程度であってもよい。すなわち、電流は、０．６ｍＡから６〜１２ｍＡ程度であり、電流が大きくなるほど出力電力は高くなる。ここでも、これらの範囲は単なる一組の例に過ぎず、他の範囲もまた本開示によって想定される。電子ビーム励起端面放射素子に関する追加の情報は、米国特許第８，９６４，７９６号に記載されている。
ＡｌＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）を半極性（２０−２１）ＡｌＮ上に成長させ、短波長の遠紫外線光エミッタの偏光スイッチングに関する問題を緩和した。発光挙動をフォトルミネセンス（ＰＬ）試験によってモニタリングしながら、構造特性をＸ線回折および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって評価した。
これらの試験で使用された単結晶ＡｌＮ基板は、物理気相輸送によって成長したＡｌＮブールから製造され、名目上（２０−２１）に配向しており、ミスカットは１°未満であった。スライス後、基板は化学機械的に平坦化され（ＣＭＰ）、ＡＦＭによって測定すると、約０．１ｎｍの典型的な二乗平均平方根（ｒｍｓ）表面粗さを有する。基板の構造的品質は、（００２）および（１０２）反射の両方について３７ａｒｃｓｅｃの半値全幅（ＦＷＨＭ）値を示すＸ線ロッキングカーブ測定によって確認された。転位密度は、１０５ｃｍ−２未満であった。
ＡｌＧａＮヘテロ構造を、従来のプレカーソルソースを用いた金属有機気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によって成長させた。多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域は、約３ｎｍおよび１０ｎｍの厚さを有する１０対のＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌｙＧａ１−ｙＮ ＱＷからなり、それぞれｘ＝０．６９、ｙ＝０．９０であった。図１７は、（２０−２１）半極性ＡｌＧａＮ ＭＱＷスタックのω−２θｘ線回折スキャンのシミュレーション１７０１および測定１７０２のプロットを比較している。図から分かるように、高次のペンデルソンフリンジは、ヘテロ構造の個々の層の間に鋭く尖った界面を暗示するものである。測定とシミュレーションの間の良好な一致も明らかである。
構造特性をさらに評価するために、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像をサンプル表面から採取した。図１８は、サンプル表面のＡＦＭ画像である。図１８に示すように、５μｍ×５μｍスキャンの場合、１ｎｍ未満、または０．３５ｎｍ未満のｒｍｓ表面粗さを有する比較的平滑な層を実現することができた。
光学特性は、パルス状１９３ｎｍＡｒＦエキシマレーザを励起源として用い、温度および偏光依存性のフォトルミネセンス測定によって評価した。放射は、温度依存性測定のために、光路内に偏光子が存在しない状態で、サンプル表面に対して垂直に記録した。図１９は、８Ｋから室温２９５Ｋまでの間に記録された一連のフォトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。低温では約２３７ｎｍでＱＷ放射が観測され、温度が上がるにつれて、より長い波長にシフトする。温度を上げたときの発光強度のかなり顕著な低下は、高温での再結合プロセスを支配する非放射性再結合チャネルの存在によるものであろう。図２０に示すように、室温と低温でのＰＬ強度の比を考慮して、室温での内部量子効率（ＩＱＥ）の上限値を約７．５％と概算する。
半極性ＱＷ放射の偏光特性は、偏光子をＰＬ設定の光検出路に挿入することによって評価した。従来のＣ面材料の場合とは対照的に、非極性および半極性の結晶配向で成長したＩＩＩ族窒化物について偏光放射が期待される。図１２からわかるように、λ＝２３７ｎｍで放射する測定されたＭＱＷサンプルについて、強い光の偏光が測定された。積分した偏光は少なくとも３５％であり、スペクトル依存性は図２１に示されている。理論的に予測されるように、プロット２１０１に示すように、ウルツ鉱型結晶のｃ’軸に平行に直線偏光された光について、強い放射が記録された。一方、プロット２１０２に示されるように、弱い放射は、ｃ軸に垂直な偏光に由来する。

Claims (10)

  1. 紫外線（ＵＶ）放射素子であって、
    非Ｃ面結晶成長配向を有する約５０％より多いＡｌ含有量を有する、１つ以上の量子井戸構造を有するＡｌＧａＩｎＮ活性領域を含むエピタキシャルヘテロ構造を含み、電子ビームポンプ源によって発生する電子ビームによる励起に応答して、前記ＡｌＧａＩｎＮ活性領域がＵＶ線を発生させるような構成である、素子。
  2. 前記量子井戸構造は、半極性結晶成長配向を有する、請求項１に記載の素子。
  3. 前記半極性結晶成長配向が（２０−２１）配向または（２０−２−１）配向である、請求項２に記載の素子。
  4. ＵＶ放射素子であって、
    非Ｃ面結晶成長配向を有する約５０％より多いＡｌ含有量を有する、１つ以上の量子井戸構造を有するＡｌＧａＩｎＮ活性領域を含み、電子ビームによるポンピングに応答して、前記ＡｌＧａＩｎＮ活性領域がＵＶ線を発生するような構成である、エピタキシャルヘテロ構造と、
    第一リフレクタと第二リフレクタとを含み、前記活性領域が第一リフレクタと第二リフレクタの間に配置される、素子。
  5. 前記第一リフレクタは、非Ｃ面配向を有するエピタキシャル分布型ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）を含み、
    前記エピタキシャルヘテロ構造は、前記第一リフレクタ上に配置される、請求項４に記載の素子。
  6. 前記ヘテロ構造に電気的に結合され、前記ヘテロ構造の電子ビームポンピングから生じる電子を放出するための電流経路を与えるように構成された少なくとも１つの接点をさらに含む、請求項４に記載の素子。
  7. 方法であって、
    非Ｃ面結晶配向を有するエピタキシャルＩＩＩ−Ｎヘテロ構造の活性領域を電子ビームポンピングすることと、
    電子ビームによるポンピングに応答して、約２５０ｎｍ未満の波長を有するＵＶ線を活性領域内で発生させることとを含む、方法。
  8. 方法であって、
    バルクＡｌＮブールをスライスし、非Ｃ面結晶配向を有する成長表面を与えることと、
    前記成長表面上に前記非Ｃ面結晶配向を有するエピタキシャルＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることと、
    ＵＶ放射活性領域を含むＩＩＩ−Ｎヘテロ構造をエピタキシャル成長させることとを含み、
    前記ヘテロ構造は、前記エピタキシャルＡｌＮ層の上に前記非Ｃ面結晶配向を有し、前記ＵＶ放射活性領域は、前記活性領域の電子ビームポンピングに応答して紫外線を放射するような構成である、方法。
  9. 前記ＵＶ放射活性領域を含む前記ヘテロ構造をエピタキシャル成長させることは、約５０％より多いＡｌ含有量を有する複数のＡｌＧａＩｎＮ量子井戸をエピタキシャル成長させることを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記非Ｃ面結晶配向が（２０−２１）結晶配向である、請求項８に記載の方法。
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