JP5608753B2 - ｛２０−２１｝ガリウム及び窒素含有基板上の低電圧レーザダイオード - Google Patents

｛２０−２１｝ガリウム及び窒素含有基板上の低電圧レーザダイオード Download PDF

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関連出願の相互参照
本出願は、米国シリアル番号第６１／２４３，５０２（出願日：２００９年９月１７日、名称「Ｇｒｏｗｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｛２０−２１｝ ｏｒ Ｏｆｆ Ｃｕｔ Ｇａｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」）、米国シリアル番号第１２／８８３，０９３号（出願日：２０１０年９月１５日、名称「Ｇｒｏｗｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｛２０−２１｝ ｏｒ Ｏｆｆ Ｃｕｔ Ｇａｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、及び米国シリアル番号第６１／２４９，５６８号（出願日：２００９年１０月７日、名称「Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｛２０−２１｝ Ｇａｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」（アトーニードケット番号第０２７６００−００１３００ＵＳ号、００１３１００ＵＳ号、００１４００ＵＳ号）に対する優先権を主張する。同文献はそれぞれ本発明の譲受人に譲渡され、本明細書中、同文献それぞれを参考のため援用する。
本発明は、光学素子及び関連する方法に関する。詳細には、本発明は、非極性又は半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、Ａ１Ｎ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ）を用いた電磁放射のための方法及び素子を提供する。より詳細には、本発明は、｛２０−２１｝面のファミリ又は｛２０−２１｝面のファミリのオフカット上においてｃ面及び／又はａ面に向かって構成されたガリウム及び窒素含有基板を用いた方法及び素子を提供する。さらに詳細には、本発明は、ガリウム及び窒素含有種を用いた低電圧レーザ素子を提供する。単なる例示であるが、本発明は、光学素子、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学的水分解及び水素生成、光検出器、集積回路、並びにトランジスタなどに適用することが可能である。
１８００年代後半において、トーマス・エジソンが電球を発明した。従来の電球は一般的に「エジソン電球」と呼ばれ、百年を超える期間にわたって、照明及びディスプレイなどの多様な用途のために利用されてきた。従来の電球の場合、タングステンフィラメントがガラス球中に封入され、ガラス球がベース中に密封され、ベースがソケットにねじ込まれている。前記ソケットは、ＡＣ電力又はＤＣ電源に接続される。従来の電球は、広く家庭、建物及び屋外照明、並びに他の照明又はディスプレイを必要とするエリアにおいて見出すことができる。残念なことに、従来のエジソン電球には欠陥がある。すなわち、従来の電球において用いられるエネルギーのうち９０％を越えるエネルギーが、熱エネルギーとして消散する。さらに、従来の電球の場合、フィラメント要素が熱収縮するため、定期的に故障し、信頼性が問題となる。また、電球が広範なスペクトルにわたって発光するが、ヒトの眼のスペクトル感度に起因して、そのスペクトルのうち大部分は照明に利用することができない。また、電球から放出される光は全方向に延びるため、高い方向性又は集束が必要となる用途（例えば、投写型ディスプレー、光学的データストレージ、又は特殊な方向性照明）には理想的でない。
１９６０年、レーザがＴｈｅｏｄｏｒｅ Ｈ．Ｍａｉｍａｎ（Ｈｕｇｈｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｍａｌｉｂｕ）によって初めて実証された。このレーザでは、固体フラッシュランプ励起合成ルビー結晶を用いて、赤色レーザ光が６９４ｎｍにおいて発生された。１９６４年までには、アルゴンイオンレーザと呼ばれるガスレーザ設計を用いた青色レーザ出力及び緑色レーザ出力が、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｂｒｉｄｇｅｓ（Ｈｕｇｈｅｓ Ａｉｒｃｒａｆｔ）によって実証された。このＡｒ−ｉｏｎレーザの場合、活性媒体として希ガスを用いており、ＵＶ波長、青色波長及び緑色波長（例えば、３５１ｎｍ、４５４．６ｎｍ、４５７．９ｎｍ、４６５．８ｎｍ、４７６．５ｎｍ、４８８．０ｎｍ、４９６．５ｎｍ、５０１．７ｎｍ、５１４．５ｎｍ、及び５２８．７ｎｍ）においてレーザ光出力を発生させる。前記Ａｒ−ｉｏｎレーザの利点として、高方向性及び高集束性の光を狭スペクトル出力で発生させることが可能な点があるが、壁プラグ効率は０．１％未満であり、レーザのサイズ、重量及びコストも望ましいものではない。
レーザ技術の発展と共に、より効率的なランプ励起固体レーザ設計が赤色波長及び赤外波長向けに開発されたが、これらの技術においても、青色レーザ及び緑色レーザ及び青色レーザにおいて問題が残っている。そのため、ランプ励起固体レーザが赤外線において開発され、非線形の光学特性を有する特殊結晶を用いて出力波長が可視波長に変換された。緑色ランプ励起固体レーザは、以下の３段階を有する：電力がランプに供給されると、ランプはゲイン結晶（gain
crystal）を励起し、前記ゲイン結晶は１０６４ｎｍにおいてレーザ出力し、１０６４ｎｍは周波数変換結晶を通過し、可視５３２ｎｍへと変換される。その結果得られた緑色レーザ及び青色レーザは、「第二高調波発生型ランプ励起固体レーザ」（ＬＰＳＳ ｗｉｔｈ ＳＨＧ）と呼ばれ、壁プラグ効率は〜１％でありまたＡｒ−ｉｏｎガスレーザよりも高効率ではあるものの、それでも、特殊な科学用途及び医療用途以外の広範囲の利用を実現するには、効率、大きさ及び脆弱性の上で問題がある。その上、固体レーザにおいて用いられるゲイン結晶は典型的にはエネルギー保存特性を有しているため、レーザ変調を高速で行うのが困難であり、そのため広範な利用が限定される。
これらの可視レーザの効率を向上させるため、高出力のダイオード（又は半導体）レーザが利用された。これらの「ＳＨＧ型ダイオード励起固体レーザ」（ＤＰＳＳ ｗｉｔｈ ＳＨＧ）では、以下の３段階が用いられる：電力が８０８ｎｍダイオードレーザに供給されると、８０８ｎｍがゲイン結晶を励起し、前記ゲイン結晶が１０６４ｎｍにおいてレーザを発生させ、１０６４ｎｍが周波数変換結晶を通過し、可視光５３２ｎｍへと変換される。このＤＰＳＳレーザ技術は、ＬＰＳＳレーザの長寿命及び５〜１０％まで向上した壁プラグ効率を利用しており、更なる商用化により、ハイエンドの特殊な産業用途、医療用途及び科学用途に繋がった。しかし、ダイオード励起への変更に起因して、システムコストが上昇し、温度制御の高精度化も必要となり、その結果、レーザのサイズ及び電力消費が大きくなった。よって、上記の技術においても、エネルギー保存特性に対応できておらず、レーザの高速変調が困難となっている。
高出力レーザダイオードの発展及び新規の特殊ＳＨＧ結晶の発展と共に、赤外ダイオードレーザ出力を直接変換して青色レーザ光出力及び緑色レーザ光出力を得ることが可能となっている。これらの「直接二倍型ダイオードレーザ」又はＳＨＧダイオードレーザでは、以下の２段階が用いられる：電力が１０６４ｎｍ半導体レーザに供給され、１０６４ｎｍが周波数変換結晶を通過し、周波数変換結晶が可視５３２ｎｍ緑色光へと変換する。これらのレーザ設計は、効率、コスト及びサイズをＤＰＳＳ−ＳＨＧレーザよりも向上させることを意図したものであるものの、特殊なダイオード及び結晶に起因して、この意図の実現が困難となっている。その上、ダイオード−ＳＨＧレーザの場合、直接変調という利点があるものの、温度への感度が高いため、用途が限定されてしまう。
以上から、光学素子を向上させる技術が高く望まれていることが分かる。
発明の概要
本発明は、光学素子及び関連する方法に関する。詳細には、本発明は、非極性又は半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、Ａ１Ｎ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ）を用いた電磁放射のための方法及び素子を提供する。より詳細には、本発明は、｛２０−２１｝面のファミリ又は｛２０−２１｝面のファミリのオフカット上においてｃ面及び／又はａ面に向かって構成されたガリウム及び窒素含有基板を用いた方法及び素子を提供する。さらに詳細には、本発明は、ガリウム及び窒素含有種を用いた低電圧レーザ素子を提供する。単なる例示であるが、本発明は、光学素子、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学的水分解及び水素生成、光検出器、集積回路、並びにトランジスタなどに適用することが可能である。
好適な実施形態において、本発明は、アルミニウムを含んだクラッディング領域を含有していないレーザ構造を提供する。特定の実施形態において、前記レーザ素子は、薄型バリア層を有する多量子井戸活性領域を含んでおり、活性領域は３つ以上の量子井戸構造を含んでいる。各量子井戸構造の間には、薄型バリア層が設けられている。前記薄型バリア層は、例えば、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下である。好適な実施形態において、前記多量子井戸構造内に構成された薄型バリア層の組み合わせにより、低電圧（例えば、７ボルト以下、６ボルト以下）であり且つアルミニウムを含んだクラッディング領域を含有していないレーザダイオードが可能となる。
一実施形態において、前記光学素子は、｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含んだガリウム及び窒素含有基板を有しており、前記基板はオフカットされ得る。特定の実施形態によれば、前記素子は、好適には、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有材料上に形成されたｎ型クラッディング材料を有している。前記ｎ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含んでいない。前記素子はまた、少なくとも３つの量子井戸を含む活性領域も有している。前記量子井戸それぞれの厚さは、２．５ｎｍ以上又は３．５ｎｍ以上であり、前記量子井戸はそれぞれ、１つ以上のバリア層を有する。前記バリア層それぞれの厚さは、約２ｎｍ〜約４ｎｍ又は約３ｎｍ〜約６．５ｎｍであり、前記バリア層はそれぞれ、特定の実施形態においては、一対の量子井戸間に位置するように構成される。前記バリア層のうち少なくとも１つ又は各バリア層は、厚さが約２ｎｍ〜約４ｎｍであり、特定の実施形態においては、一対の量子井戸の間に構成されるか又は量子井戸に隣接して構成される。前記バリア層のうち少なくとも１つ又は各バリア層は、厚さが約３ｎｍ〜約６．５ｎｍであり、特定の実施形態においては、一対の量子井戸の間に構成されるか又は量子井戸に隣接して構成される。好適には、前記素子は前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料を有している。好適には、特定の実施形態によれば、前記ｐ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。好適な実施形態において、前記活性領域は、約７Ｖ未満又は約６Ｖ未満の順電圧に対して動作可能に構成され、前記素子からの出力が６０ｍＷ以上となるようにする。
さらに別の実施形態において、本発明は、光学素子を提供する。前記素子は、｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含むガリウム及び窒素含有基板を有する。前記素子はまた、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有材料上に形成されたｎ型クラッディング材料も有する。前記ｎ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記素子は、少なくとも２つの量子井戸を含む活性領域をさらに有する。特定の実施形態によれば、前記量子井戸はそれぞれ、厚さが２．５ｎｍ以上又は３．５ｎｍ以上であり、１つ以上のバリア層を有する。特定の実施形態によれば、前記バリア層はそれぞれ、厚さ約２ｎｍ〜約５ｎｍ又は約３ｎｍ〜約８ｎｍである。１つ以上の実施形態によれば、前記バリア層はそれぞれ、一対の量子井戸間に構成される。特定の実施形態によれば、前記バリア層のうち少なくとも１つ又は各バリア層は、厚さが約２ｎｍ〜約５ｎｍであり、一対の量子井戸間に構成されるか又は量子井戸に隣接するように構成される。特定の実施形態によれば、前記バリア層のうち少なくとも１つ又は各バリア層は、厚さが約３ｎｍ〜約８ｎｍであり、一対の量子井戸の間に構成されるか又は量子井戸に隣接するように構成される。前記素子は、前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料も有する。好適な実施形態によれば、前記ｐ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記素子は、任意に、前記ｐ型クラッディング材料上に形成されたｐ型材料を有していてもよい。
他の実施形態において、本発明は、さらに別の光学素子を提供する。この光学素子は、｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含むガリウム及び窒素含有基板を有する。ｎ型クラッディング材料が、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有材料上に形成される。好適には、前記ｎ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記素子は、少なくとも２つの量子井戸を含む活性領域を有する。前記少なくとも２つの量子井戸それぞれの厚さは、２．５ｎｍ以上である。前記素子は、１つ以上のバリア層を有する。１つ以上の別の実施形態において、前記１つ以上のバリア層はそれぞれ、ｎ型不純物特性を有し、前記１つ以上のバリア層それぞれの厚さは、約２ｎｍ〜約５ｎｍ又は約３ｎｍ〜約８ｎｍである。好適には、特定の実施形態によれば、前記バリア層はそれぞれ、一対の量子井戸間に構成される。特定の実施形態によれば、前記素子はまた、前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料を有する。特定の実施形態によれば、前記ｐ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記素子はまた、前記ｐ型クラッディング材料上に形成されたｐ型材料を有する。
他の実施形態において、本発明は、光学素子を作製する方法を提供する。前記光学素子は、｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含むガリウム及び窒素含有基板を有する。ｎ型クラッディング材料が、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有材料上に形成される。好適には、前記ｎ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記方法は、少なくとも２つの量子井戸を含む活性領域を形成することを含む。前記少なくとも２つの量子井戸それぞれの厚さは、２．５ｎｍ以上である。１つ以上の別の実施形態において、前記素子は、１つ以上のバリア層を有する。前記１つ以上のバリア層はそれぞれ、ｎ型不純物特性を有し、前記１つ以上のバリア層それぞれの厚さは、約２ｎｍ〜約５ｎｍ又は約３ｎｍ〜約８ｎｍである。特定の実施形態によれば、好適には、前記バリア層はそれぞれ、一対の量子井戸の間に構成される。特定の実施形態によれば、前記方法はまた、前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料を形成することを含む。特定の実施形態によれば、前記ｐ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記方法はまた、前記ｐ型クラッディング材料上に形成されたｐ型材料を形成することを含む。
特定の実施形態において、本発明は、レーザダイオードなどの光学素子を提供する。１つ以上の実施形態によれば、前記素子は、｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含むガリウム及び窒素含有基板を有しており、前記基板は、オフカットされていてもよい。前記素子は、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有材料上に形成されたｎ型クラッディング材料を有する。好適な実施形態において、前記ｎ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。前記素子はまた、少なくとも２つの量子井戸を含む活性領域を有する。特定の実施形態において、特定の実施形態によれば前記量子井戸はそれぞれ、厚さが２．５ｎｍ以上であり、１つ以上のバリア層を有する。特定の実施形態において、前記バリア層それぞれは、ｐ型特性を有し、厚さが約２ｎｍ〜約３．５ｎｍである。別の特定の実施形態において、前記バリア層はそれぞれ、ｐ型特性を有し、厚さが約３．５ｎｍ〜約７ｎｍである。好適な実施形態において、前記バリア層はそれぞれ、一対の量子井戸間に構成される。前記素子はまた、前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料を有する。好適には、前記ｐ型クラッディング材料は、アルミニウム含有材料を実質的に含まない。そして、上側を覆うｐ型材料が設けられる。好適な実施形態において、前記活性領域は、約７Ｖ未満又は約６Ｖ未満の順電圧に対して構成され、前記素子からの出力が６０ｍＷ以上となるようにする。
１つ以上の実施形態において、本発明は、アルミニウム含有クラッディング領域を実質的に含まないレーザダイオードを含んでいる。アルミニウム含有クラッディング領域を用いずに前記レーザダイオードを形成するために、本レーザダイオードは、３つ以上の量子井戸を含む。前記３つ以上の量子井戸により、十分なゲインがレージングに到達するように、光学モードが十分に閉じ込められる。しかしながら、量子井戸数が活性領域内において増加した場合、トレードオフとして、ダイオードの順電圧が増加し得る。本発明者らによれば、５ｎｍのオーダーの薄型バリアの利用により前記ダイオードの順電圧を多量子井戸活性領域内において低下させることが可能であることが分かった。前記５ｎｍのオーダーの薄型バリアは、従来レーザ（例えば、Ｙｏｓｈｉｚｕｍｉらの「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ５２０ｎｍ Ｇｒｅｅｎ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｐｏｌａｒ｛２０−２１｝ＧａＮ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２（２００９）０９２１０１に記載のもの）よりもずっと薄型である。また、本発明者らによれば、１つ以上の他の実施形態に従ってｐ型ドーパント種又はｎ型ドーパント種を前記活性領域に付加することにより、前記順電圧を多量子井戸活性領域内において低減することができることが分かった。これらのアプローチのうち任意の１つ又はこれらの組み合わせが利用可能であるが、本発明者らの考えによれば、前記活性領域への不純物の付加を回避するために、前記薄型バリアアプローチを用いる方が好ましい。１つ以上の実施形態によれば、不純物が有る場合、光学損失が変化する可能性があり、電気接合配置も変化し得る。よって、本発明は、｛２０−２１）基板上への低電圧により、アルミニウム含有クラッディング領域を含まないレーザ素子及び方法を提供する。
さらに、本発明は、アルミニウム含有クラッディング材料を実質的に含まない光学素子を提供する。前記素子は、ガリウム及び窒素含有基板部材を有する。前記ガリウム及び窒素含有基板部材は、｛２０−２１｝結晶性表面領域を有する。前記素子は、ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料を有する。特定の実施形態において、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料は、不完全性、欠陥及び他の制約の原因となるアルミニウム種を実質的に含まない。前記素子はまた、活性領域を有する。前記活性領域は、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料上に形成された複数の量子井戸構造を含む。１つ以上の好適な実施形態において、前記素子はまた、薄型バリア層を有する。前記薄型バリア層は、前記複数の井戸構造と共に構成される。前記素子は、前記活性領域上に形成されたｐ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料を含む。好適な実施形態において、前記ｐ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料は、アルミニウム種を実質的に含まない。前記素子は好適には、レーザストライプ領域を含む。前記レーザストライプ領域は、少なくとも前記活性領域から構成され、空洞配向によって特徴付けられる。前記空洞配向は、ｃ方向において突起に対して実質的に平行である。前記レーザストライプ領域は、第１の端部及び第２の端部を有する。前記素子はまた、前記レーザストライプ領域の第１の端部上に設けられた第１の劈開面と、前記レーザストライプ領域の第２の端部上に設けられた第２の劈開面とを有する。さらに他の実施形態において、本素子は、ガリウム及び窒素含有電子ブロッキング領域を含む。前記ガリウム及び窒素含有電子ブロッキング領域は、アルミニウム種を実質的に含まない。さらに他の実施形態において、前記素子は、いかなる電子ブロッキング層も含まない。あるいは、さらに他の実施形態において、前記クラッディング層及び／又は電子ブロッキング層内にアルミニウムは含まれない。しかし、他の実施形態においては、アルミニウム含有ブロッキング層が含まれていてもよい。さらに他の実施形態において、前記光学素子及び方法は、欠陥、不完全性などの原因となるアルミニウム材料を全く含まない。
好適な実施形態において、本方法及び構造は、従来技術（例えば、Ｙｏｓｈｉｚｕｍｉらの「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ５２０ｎｍ Ｇｒｅｅｎ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｐｏｌａｒ｛２０−２１｝ＧａＮ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２（２００９）０９２１０１に記載のもの）に記載されているようなクラッディング層中のＩｎＡｌＧａＮ又はアルミニウム含有種を実質的に含んでいない。すなわち、本レーザ構造及び方法は、クラッディング領域中において、アルミニウム種を実質的に全く含んでいない。アルミニウムは、一般的に有害である。また、アルミニウムがあると、リアクタ内に酸素が入る原因となり、その結果、非放射性再結合中心が発生して、放射効率の低下及び他の制約の原因となる。また、本発明者らによれば、酸素が存在すると、ｐクラッディング中のｐ型ドーパントが補償されることがあり、その結果、光学素子中に更なる抵抗が発生することが分かった。他の側面において、本発明者らによれば、アルミニウムはＭＯＣＶＤリアクタにとって有害であり、また、リアクタが他の成長前駆体と前反応する原因となり得る。また、アルミニウムクラッディング層の利用も煩雑であり、成長に更なる時間を要する。よって、アルミニウムクラッディングを用いないレーザ方法及び構造の方が、従来のレーザ構造よりもより効率的に成長すると考えられる。
本発明を用いれば、既存の技術と比較して更なる利点が達成される。詳細には、本発明により、レーザ用途のためのコスト効率の良い光学素子が可能となる。特定の実施形態において、本光学素子は、比較的単純かつコスト効率の良い方法で製造が可能である。実施形態に応じて、本装置及び方法は、従来の材料を用いて及び／又は当業者に従った方法を用いて、製造が可能である。本レーザ素子は、緑色レーザ素子などを達成することが可能な半極性窒化ガリウム材料を用いる。１つ以上の実施形態において、前記レーザ素子は、長波長（例えば、約５００ｎｍから約５４０ｎｍを越える波長）を放出することが可能であり、他も可能である。別の実施形態において、前記レーザ素子は、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの青色領域又は４８０ｎｍ〜約５００ｎｍのシアン領域において動作することが可能である。さらに別の実施形態において、前記レーザ素子は、３９０ｎｍ〜４３０ｎｍの紫色領域において動作することが可能である。１つ以上の好適な実施形態において、本発明は、約５２２ｎｍ以上での発光が得られるように構成された｛２０−２１｝ガリウム及び窒素含有材料上のレーザダイオードを提供するが、他も可能である。特定の実施形態において、本方法及び構造において、レーザ素子構造において改善された劈開を得るために、上部スキップ及びスクライブ技術を用いる。１つ以上の実施形態において、本発明によって提供される方法においては、ｃ方向の突起中の良好なファセットを得るための上部スキップスクライブ技術を用いる。好適な実施形態において、本素子及び方法によって提供されるレーザ素子は、ガリウム及び窒素含有基板上に構成される。前記ガリウム及び窒素含有基板は、活性領域内の薄型バリア領域を有し、望ましくは７Ｖ以下の順電圧を有する。
本発明は、既知のプロセス技術の文脈において、上述の利点その他を達成する。しかしながら、本明細書の後半部及び添付図面を参照すれば、本発明の性質及び利点の更なる理解が達成され得る。
本発明の一実施形態による｛２０−２１｝面ガリウム及び窒素含有基板上に作製されたレーザ素子の簡略化された斜視図。
本発明の一実施形態による｛２０−２１｝面ガリウム及び窒素含有基板上に作製されたレーザ素子の詳細な断面図。
本発明の一実施形態によるエピタキシャルレーザ構造を示す簡略化された図。
本発明の他の実施形態によるエピタキシャルレーザ構造を示す簡略化された図。 本発明の他の実施形態によるエピタキシャルレーザ構造を示す簡略化された図。 本発明の他の実施形態によるエピタキシャルレーザ構造を示す簡略化された図。
本発明の１つ以上の実施形態による図１に示す素子の劈開面の写真。 本発明の１つ以上の実施形態による図１に示す素子の劈開面の写真。
本発明の一実施形態によるガリウム及び窒素含有基板上に作製された別のレーザ素子の簡略化された斜視図。
本発明の１つ以上の実施形態による図６に示す素子の劈開面の写真。
本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。 本発明の１つ以上の実施形態によるレーザ素子の簡略化されたバックエンド処理方法を示す図。
本発明の一実施形態によるレーザストライプの光出力電圧特性を示す簡略化されたプロット。
本発明の好適な実施形態によるレーザストライプの光出力電圧特性を示す簡略化されたプロット。
本発明の一実施形態による５２２ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロット。
本発明の一実施形態による連続波５２２ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロット。
本発明の一実施形態による４５ｍワットにおいて動作可能な連続波５２０ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロット。
多様なバリア厚さの５量子井戸レーザダイオードエピタキシャル構造から作製されたマイクロＬＥＤ素子についての３つの異なる電流密度における順電圧の簡略化された図。
特定の実施形態による〜６００ミクロンの空洞長さの単一の横方向モード緑色レーザダイオードからの電圧対電流特性の簡略化された図。
発明の詳細な説明
本発明によれば、主に光学素子に関する技術が提供される。より詳細には、本発明は、非極性又は半極性ガリウム含有基板（例えば、ＧａＮ、Ａ１Ｎ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ）を用いて電磁放射を放出するための方法及び素子を提供する。より詳細には、本発明は、ガリウム及び窒素含有｛２０−２１｝基板を用いた方法及び素子を提供する。１つ以上の実施形態によれば、前記ガリウム及び窒素含有｛２０−２１｝基板は、ｃ面に向かって又はａ面に向かってミスカット（miscut）され得る。しかし、他の構成も可能である。さらに詳細には、本発明は、ガリウム及び窒素含有種を用いた低電圧レーザ素子を提供する。単なる例示であるが、本発明は、光学素子、レーザ、発光ダイオード、太陽電池、光電気化学的水分解及び水素生成、光検出器、集積回路、並びにトランジスタなどに適用することが可能である。特定の実施形態において、本レーザ素子は、以下に説明するように、半極性ガリウム含有基板又は非極性ガリウム含有基板の何れかにおいて用いられ得る。
本発明者らは、非極性ｍ面と極性ｃ面との間の半極性結晶面配向上のエピタキシャル成長及び劈開特性について研究した。詳細には、本発明者らは、｛３０−３１｝及び｛２０−２１｝上において結晶面ファミリを成長させた。本発明者らが達成した有望なエピタキシー構造及び劈開により、約４００ｎｍ〜緑色（例えば、５００ｎｍ〜５４０ｎｍ）の波長において動作する効率的なレーザダイオードへの道程が拓かれた。これらの結果を挙げると、４５０ｎｍ範囲の明るい青色エピタキシー、５２０ｎｍ範囲の明るい緑色エピタキシー、及び平滑な自然発生する劈開面がある。前記劈開面は、ｃ方向の突起に対して直角である。レーザ空洞を前記ｃ方向の突起に対して平行に整列させることで、この結晶面ファミリ上におけるゲインを最大にすることが望ましい。これらの技術を用いて、本発明者らは、前記ｃ方向の突起における空洞配向と共に、５２２ｎｍにおいて動作する｛２０−２１｝上のレーザ素子を実証した。しかしながら、他の態様も可能である。
ｃ方向の突起におけるゲインの方がａ方向において得られるゲインよりも高いと考えられていたが、ｃ方向の突起内のストライプ配向に対して高品質の劈開面を直角に形成することも望まれている。このようなレーザ素子の一例について、米国シリアル番号第６１／２４３，５０２号（出願日：２００９年９月１７日、名称「Ｇｒｏｗｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｛２０−２１｝ｏｒ Ｏｆｆ Ｃｕｔ Ｇａｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」）及び米国シリアル番号第＿号（名称「Ｇｒｏｗｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｛２０−２１｝ ｏｒ Ｏｆｆ Ｃｕｔ Ｇａｌｌｉｕｍ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」）中に記載がある。より詳細には、本発明者らは、｛２０−２１｝面上に形成されたレーザストライプについて、高品質劈開面を[１０−１−７]に対して直角にすることを望んだ。１つ以上の好適な実施形態において、本発明者らは、ｃ方向の突起[１０−１−７]に対して実質的に直角な高品質の劈開面を決定した。詳細には、本発明者らは、１つ以上の実施形態によれば、上部スキップスクライブ技術を用いた後にブレーク工程を行った場合、高品質の平滑且つ垂直な劈開面が劈開面の上部上に形成されることを見出した。前記劈開面の上部の下側においては、ファセットが角度を以て形成されるが、これは、１つ以上の実施形態によるレーザダイオードミラーにとって最適ではない場合がある。しかしながら、他の実施形態において、このような角度付けされた劈開特性はレーザ作製において望ましい。なぜならば、レーザミラーは、劈開面が垂直になっている基板上部上に配置されるからである。１つ以上の実施形態において、サンプルをバックサイドレーザスクライブした後にブレークした場合、角度付けされた平滑な劈開面が形成される。このような平滑な劈開面はレーザにとっては望ましいが、レーザミラーが傾斜されるため、最も好ましいわけではない。１つ以上の実施形態によれば、上部スキップスクライブ技術の方がより好適と思われる。スクライブ及びブレーク技術の更なる詳細について、本明細書全体及び以下において詳細に記載する。
図１は、本発明の一実施形態によるオフカット面｛２０−２１｝基板上に作製されたレーザ素子１００の簡略化された斜視図である。本図は一例に過ぎず、本明細書中に記載の請求項の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。図示のように、前記光学素子は、オフカットｍ面結晶性表面領域を有する窒化ガリウム基板部材１０１を含む。特定の実施形態において、前記窒化ガリウム基板部材は、半極性又は非極性結晶性表面領域を有することを特徴とするバルクＧａＮ基板であるが、他も可能である。特定の実施形態において、前記バルク窒化物ＧａＮ基板は、窒素を含み、表面転位密度が１０５ｃｍ−２を下回る。前記窒化物結晶又はウエハは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ＜１）を含み得る。１つの特定の実施形態において、前記窒化物結晶はＧａＮを含むが、他も可能である。１つ以上の実施形態において、前記ＧａＮ基板は、約１０５ｃｍ−２〜約１０８ｃｍ−２の濃度で、前記表面に対して実質的に直交又は斜めの方向の貫通転位を有する。前記直交又は斜め方向の転位に起因して、前記表面転位密度は、約１０５ｃｍ−２〜約１０７ｃｍ−２であるか又は約１０５ｃｍ−２を下回る。特定の実施形態において、前記素子は、若干オフカットされた半極性基板（例えば、米国シリアル番号第１２／７４９，４６６号；出願日：２０１０年３月２９日に記載のもの）上に作製され得る。米国シリアル番号第１２／７４９，４６６号は、本発明の譲受人に譲渡された米国仮出願番号第６１／１６４，４０９号（出願日：２００９年３月２８日）に対する優先権を主張する。本明細書中、同文献を参考のため援用する。
｛２０−２１｝ＧａＮ上の特定の実施形態において、前記素子は、前記オフカット結晶性配向表面領域の一部を被覆して形成されたレーザストライプ領域を有する。特定の実施形態において、前記レーザストライプ領域は、ｃ方向の突起に対して実質的に平行な空洞配向によって特徴付けられ、ａ方向に対して実質的に垂直である。特定の実施形態において、前記レーザストライプ領域は、第１の端部１０７及び第２の端部１０９を有する。好適な実施形態において、前記素子は、相互に対向する一対の劈開ミラー構造を有する｛２０−２１｝ガリウム及び窒素含有基板上のｃ方向の突起上に形成される。
好適な実施形態において、前記素子は、前記レーザストライプ領域の第１の端部上に設けられた第１の劈開面と、前記レーザストライプ領域の第２の端部上に設けられた第２の劈開面とを有する。１つ以上の実施形態において、前記第１の劈開面は、前記第２の劈開面に対して実質的に平行である。これらの劈開表面それぞれの上にミラー表面が形成される。前記第１の劈開面は、第１のミラー表面を含む。好適な実施形態において、前記第１のミラー表面は、上部スキップスクライブ及びブレークプロセスによって得られる。前記スクライブプロセスでは、任意の適切な技術（例えば、ダイヤモンドスクライブ又はレーザスクライブ又はこれらの組み合わせ）を用いることができる。特定の実施形態において、前記第１のミラー表面は、反射コーティングを含む。前記反射コーティングは、二酸化ケイ素、ハフニア及びチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、並びにその組み合わせなどから選択される。実施形態に応じて、前記第１のミラー表面は、反射防止コーティングも含み得る。
好適な実施形態において、前記第２の劈開面は、第２のミラー表面を含む。特定の実施形態によれば、前記第２のミラー表面は、上部スキップスクライブ及びブレークプロセスによって得られる。好適には、前記スクライブは、ダイヤモンドスクライブ又はレーザスクライブなどである。特定の実施形態において、前記第２のミラー表面は、反射コーティング（例えば、二酸化ケイ素、ハフニア、チタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、及びこれらの組み合わせなど）を含む。特定の実施形態において、前記第２のミラー表面は、反射防止コーティングを含む。
特定の実施形態において、前記レーザストライプは、長さ及び幅を有する。前記長さは、約５０ミクロン〜約３０００ミクロン又は好適には約４００ミクロン〜約６５０ミクロン又は約６５０ミクロン〜約１２００ｕｍミクロンである。前記ストライプの幅は、約０．５ミクロン〜約５０ミクロン又は好適には１ミクロン〜約１．５ミクロン、約１．５ミクロン〜約２．０ミクロン、又は約２．０ミクロン〜約４ミクロンであるが、他の寸法であってもよい。特定の実施形態において、前記幅は実質的に一定の寸法であるが、若干の変動もあり得る。前記幅及び長さは、当該分野において一般的に用いられるマスキング及びエッチングプロセスを用いて形成されることが多い。
特定の実施形態において、本発明が提供する別の素子構造は、リッジレーザの実施形態において、５０１ｎｍ以上の光を発光することが可能である。前記素子は、以下のエピタキシャル成長要素のうち１つ以上を備えている。これらのエピタキシャル成長要素の例を非限定的に以下に挙げる。
厚さ１００ｎｍ〜３０００ｎｍのｎ−ＧａＮクラッディング層であって、Ｓｉドーピングレベルが５Ｅ１７〜３Ｅ１８ｃｍ−３のもの
インジウムのモル分率が３％〜１０％のＩｎＧａＮを含んだｎ側ＳＣＨ層であって、厚さが２０〜１５０ｎｍのもの
少なくとも２つの２．０〜５．５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸を含む複数の量子井戸活性領域層であって、前記少なくとも２つの２．０〜５．５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸は、薄型の２．５ｎｍ以上であり且つ任意に約８ｎｍまでのＧａＮバリアによって分離されるもの
インジウムのモル分率が１％〜１０％のＩｎＧａＮを含んだｐ側ＳＣＨ層であって、厚さが１５ｎｍ〜１００ｎｍのもの
アルミニウムのモル分率が５％〜２０％のＡｌＧａＮを含んだ電子ブロッキング層であって、厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍであり、Ｍｇでドープされたもの
厚さが４００ｎｍ〜１０００ｎｍのｐ−ＧａＮクラッディング層であって、Ｍｇドーピングレベルが２Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１９ｃｍ−３のもの
厚さが２０ｎｍ〜４０ｎｍのＰ＋＋−ＧａＮ接触層であって、Ｍｇドーピングレベルが１Ｅ１９ｃｍ−３〜１Ｅ２１ｃｍ−３のもの
もちろん、他の実施形態も可能である。例えば、ｐ−ＳＣＨの代用としてのｐ側ＧａＮ導波層の使用、ＳＣＨ領域内における複数の異なる層の使用、又はＥＢＬ層の省略などを行ってもよい。ここでも、他の変更、改変及び代替が可能である。
図２は、本発明の一実施形態による｛２０−２１｝基板上に作製されたレーザ素子２００の詳細な断面図である。本図は一例に過ぎず、本明細書中に記載の請求項の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。図示のように、前記レーザ素子は、窒化ガリウム基板２０３を含む。窒化ガリウム基板２０３は、下側にｎ型金属バック接点領域２０１を有する。特定の実施形態において、前記金属バック接点領域は、例えば以下に記載の適切な材料によって構成される。前記接点領域の更なる詳細は、本明細書中に記載され、以下において詳細に記載される。
特定の実施形態において、前記素子はまた、被覆型のｎ型窒化ガリウム層２０５と、活性領域２０７と、被覆型のｐ型窒化ガリウム層とを有する。前記被覆型のｐ型窒化ガリウム層は、レーザストライプ領域２０９として構成される。特定の実施形態において、これらの領域はそれぞれ、少なくとも、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、又はＧａＮ成長に適した他のエピタキシャル成長技術などのエピタキシャル蒸着技術を用いて形成される。特定の実施形態において、前記エピタキシャル層は、前記ｎ型窒化ガリウム層上に形成された高品質のエピタキシャル層である。いくつかの実施形態において、前記高品質の層は、例えばＳｉ又はＯによってドープされてｎ型材料を形成し、その際のドーパント濃度は、約１０１６ｃｍ−３及び１０２０ｃｍ−３の間である。
特定の実施形態において、ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１ーｕーｖＮ層（ここで、０＜ｕ，ｖ，ｕ＋ｖ＜１）が、前記基板上に堆積される。特定の実施形態において、前記キャリア濃度は、約１０１６ｃｍ−３乃至１０２０ｃｍ−２の範囲内であり得る。前記蒸着は、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて実行可能である。
一例として、前記バルクＧａＮ基板は、ＭＯＣＶＤリアクタ中のサセプタ上に配置される。前記リアクタに対して、閉口、真空排気及びバックフィリングを行って（又はロードロック構成を用いて）大気圧にした後、前記サセプタを窒素含有ガスの存在下において約１０００〜約１２００℃の温度まで加熱する。１つの特定の実施形態において、前記サセプタをアンモニア流動下において約１１００℃まで加熱する。ガリウム含有金属有機前駆体（例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧ））の流動が、キャリアガス中において約１〜５０立方センチメートル毎秒（ｓｃｃｍ）の総速度において開始される。前記キャリアガスは、水素、ヘリウム、窒素、又はアルゴンを含み得る。成長時におけるグループＶ前駆体（アンモニア）のグループＩＩＩ前駆体（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム）に対する流量比は、約２０００〜約１２０００である。キャリアガス中のジシランの流動は、約０．１〜１０ｓｃｃｍの総流量で開始される。
特定の実施形態において、前記レーザストライプ領域は、前記ｐ型窒化ガリウム層２０９によって構成される。特定の実施形態において、前記レーザストライプは、ドライエッチング又はウェットエッチングから選択されたエッチングプロセスにより提供される。好適な実施形態において、前記エッチングプロセスはドライであるが、他であってもよい。一例として、前記ドライエッチングプロセスは、塩素含有化学種を用いた誘導結合プロセス又は類似の化学的性質を用いた反応性イオンエッチングプロセスである。一例として、前記塩素含有化学種は、塩素ガスなどから一般的に抽出される。前記素子は、被覆型の誘電領域も有する。前記領域は、接点領域２１３を露出させる。特定の実施形態において、前記誘電領域は、酸化物（例えば二酸化ケイ素）又は窒化ケイ素であるが、他のものであってもよい。前記接点領域は、被覆型の金属層２１５に結合される。前記被覆型の金属層は、金−白金（Ｐｔ／Ａｕ）、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）を含む多層構造であるが、他のものであってもよい。
特定の実施形態において、前記レーザ素子は、活性領域２０７を有する。前記活性領域は、１つ以上の実施形態による１個〜２０個の量子井戸領域を含み得る。一例として、前記ｎ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ層の堆積を所定厚さを達成するように所定時間行った後、活性層を堆積させる。前記活性層は、複数の量子井戸（１〜２０個の量子井戸）を含み得る。前記量子井戸は、ＩｎＧａＮと、それらを分離するＧａＮ障壁層とを含み得る。他の実施形態において、前記井戸層及び障壁層は、ＡｌｗＩｎｘＧａ１−ｗ−ｘＮ及びＡＩｙＩｎｚＧａ１−ｙ−ｚＮをそれぞれ含み、ここで、０＜ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，ｗ＋ｘ，ｙ＋ｚ＜１であり、ｗ＜ｕ，ｙ及び／又はｘ＞ｖ，ｚであり、これにより、前記井戸層（単数又は複数）のバンドギャップは、前記障壁層（単数又は複数）及び前記ｎ型層のバンドギャップよりも少なくなる。前記井戸層及び障壁層の厚さはそれぞれ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲であり得る。前記活性層の組成及び構造は、事前選択された波長において発光が得られるように選択される。前記活性層は、非ドープのままであってもよいし（あるいは非意図的にドープしてもよく）、また、ｎ型又はｐ型ドープされていてもよい。
特定の実施形態において、前記活性領域は、電子ブロッキング領域と、別個の閉じ込めヘテロ構造とを含み得る。いくつかの実施形態において、好適には、電子ブロッキング層が堆積される。前記電子ブロッキング層は、ＡｌｓＩｎｔＧａ１−ｓーｔＮ（０＜ｓ，ｔ，ｓ＋ｔ＜１）を含んでいてもよく、バンドギャップが前記活性層よりも高く、ｐ型ドープされていてもよい。１つの特定の実施形態において、前記電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮを含む。別の実施形態において、前記電子ブロッキング層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を含む。前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造において、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層が交互に積層される。前記ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の厚さはそれぞれ、約０．２ｎｍ〜約５ｎｍである。
特定の実施形態において、前記活性領域構造は、ＡｌＧａＮ ＥＢＬ層を含まない。すなわち、前記レーザ素子は電子ブロッキング層を全く含まない。このような実施形態において、電子ブロッキング層は任意の要素である。
上記したように、前記ｐ型窒化ガリウム構造は、前記電子ブロッキング層及び活性層（単数又は複数）上に堆積される。前記ｐ型層は、Ｍｇによって約１０１６ｃｍ−３〜１０２２のレベルまでドープされていてもよく、約５ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚さを有し得る。前記ｐ型層の最外部の１〜５０ｎｍは、前記層のその他の部分よりもより強力にドープされていてもよく、これにより、電気接触を向上させることができる。特定の実施形態において、前記レーザストライプは、ドライエッチング又はウェットエッチングから選択されたエッチングプロセスにより提供される。好適な実施形態において、前記エッチングプロセスはドライであるが、他のものであってもよい。前記素子は、被覆型の誘電領域も有する。前記被覆型の誘電領域は、接点領域２１３を露出させる。特定の実施形態において、前記誘電領域は、酸化物（例えば二酸化ケイ素）である。
特定の実施形態において、前記金属接点は、適切な材料によって構成される。前記反射電気接点は、銀、金、アルミニウム、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、クロムなどのうち少なくとも１つを含み得る。前記電気接点は、熱蒸発、電子ビーム蒸着、電気めっき、スパッタリング又は別の適切な技術により、蒸着可能である。好適な実施形態において、前記電気接点は、前記光学素子のためのｐ型電極として機能する。別の実施形態において、前記電気接点は、前記光学素子のためのｎ型電極として機能する。
図３は、本発明の好適な実施形態によるレーザ構造を示す簡略化された図である。本図は一例に過ぎず、本明細書中に記載の請求項の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。特定の実施形態において、前記素子は、バルク非極性又は半極性ＧａＮ基板などの出発材料を含むが、他も可能である。特定の実施形態において、前記素子は、３９０ｎｍ〜４２０ｎｍ、４２０ｎｍ〜４４０ｎｍ、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍ、４７０ｎｍ〜４９０ｎｍ、４９０ｎｍ〜５１０ｎｍ、５１０ｎｍ〜５３０ｎｍの発光波長範囲を達成するように構成されるが、他も可能である。
好適な実施形態において、前記成長構造は、ｎ型ＧａＮクラッディング層とｐ型ＧａＮクラッディング層との間に配置された３〜５個又は５〜７個の量子井戸を用いて構成される。特定の実施形態において、前記ｎ型ＧａＮクラッディング層は、厚さが５００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲であり、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）をドーピングレベル１Ｅ１８ｃｍ−３〜３Ｅ１８ｃｍ−３で有する。特定の実施形態において、前記ｐ型ＧａＮクラッディング層は、厚さが５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であり、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ）をドーピングレベル１Ｅ１７ｃｍ−３〜７Ｅ１９ｃｍ−３で有する。特定の実施形態において、前記領域内において前記量子井戸に近づくほど濃度が低くなるように、Ｍｇドーピングレベルを段階付ける。
特定の好適な実施形態において、前記量子井戸の厚さは、２．５ｎｍ〜４ｎｍ、４ｎｍ〜５．５ｎｍ、又は５．５ｎｍ〜８ｎｍであるが、他も可能である。特定の実施形態において、前記量子井戸は、バリア層によって分離される。前記バリア層の厚さは、２ｎｍ〜３．５ｎｍ又は３．５ｎｍ〜６ｎｍ又は６ｎｍ〜８ｎｍである。前記量子井戸と前記バリアとは、共に複数の量子井戸（ＭＱＷ）領域を構成している。
好適な実施形態において、前記素子はバリア層を有する。前記バリア層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮから形成される。ＩｎＧａＮバリアを用いる特定の実施形態において、前記インジウムの含有量は０％から５％（ｍｏｌｅパーセント）の範囲であってもよく、他の範囲も可能である。また、インジウム又はアルミニウムの％はモル分率であり、重量パーセントではない。
１つ以上の実施形態によれば、ＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造層（ＳＣＨ）は、前記ｎ型ＧａＮクラッディングと前記ＭＱＷ領域との間に配置され得る。典型的には、このような分離閉じ込め層は、一般的にｎ側ＳＣＨと呼ばれる。前記ｎ側ＳＣＨ層の厚さは、１０ｎｍ〜６０ｎｍ又は６０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、前記ｎ側ＳＣＨ層インジウム組成は、１％〜１２％（モルパーセント）であるが、他も可能である。特定の実施形態において、前記ｎ側ＳＣＨ層は、ｎ型ドーパント（例えばＳｉ）でドープされ得る。
さらに別の好適な実施形態において、ＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造層（ＳＣＨ）が、前記ｐ型ＧａＮクラッディングと前記ＭＱＷ領域との間に配置される。これは、ｐ側ＳＣＨと呼ばれる。特定の実施形態において、前記ｐ側ＳＣＨ層範囲の厚さは、１０ｎｍ〜４０ｎｍ又は４０ｎｍ〜１５０ｎｍであり、前記ｐ側ＳＣＨ層範囲のインジウム組成は、０％〜１０％（モルパーセント）であるが、他も可能である。前記ｐ側ＳＣＨ層は、ｐ型ドーパント（例えばＭｇ）でドープされ得る。
別の実施形態において、前記構造は、ｎ側ＳＣＨ及びｐ側ＳＣＨの双方を含み得る。別の実施形態において、前記ｐ側ＳＣＨの代わりに、ｐ側ＧａＮガイド層が用いられる。別の実施形態において、前記ｎ側ＳＣＨ領域及び／又はｐ側ＳＣＨ領域は、複数の層を含んでいてもよい。
別の実施形態において、前記構造は、前記ｐ型ＧａＮクラッディング層と前記ＭＱＷ領域との間に配置されたｐ側上のＧａＮガイド層を含む。このＧａＮ導波層は、厚さが１Ｏｎｍ〜６０ｎｍであってもよく、ｐ型種（例えばＭｇ）でドープされていてもよいし、ドープされていなくてもよい。
特定の好適な実施形態において、アルミニウム含量が５％〜２０％（モルパーセント）であるＡｌＧａＮ電子ブロッキング層が、前記ＭＱＷと前記ｐ型ＧａＮクラッディング層との間に配置される。前記ＭＱＷ及び前記ｐ型ＧａＮクラッディング層は、前記ｐ側ＳＣＨ内の前記ＭＱＷと前記ｐ側ＳＣＨとの間であるか、又は、前記ｐ側ＳＣＨと前記ｐ型ＧａＮクラッディングとの間である。特定の実施形態によれば、前記ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層は、厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であり、ｌＥ１７ｃｍ−３〜ｌＥ２１ｃｍ−３のｐ型ドーパント（例えばＭｇ）でドープされる。他の実施形態において、前記電子ブロッキング層は、アルミニウム種を全く含まないか、及び／又は、共に全て除去可能である。さらに別の実施形態において、前記素子は、電子ブロッキング層を実質的に含まない。
好適には、前記ｐ型クラッディング層上にｐ接触層が形成される。前記ｐ接触層は、ｌＥ２０ｃｍ−３〜１Ｅ２２ｃｍ−３のレベルのｐ−ドーパント（例えばＭｇ）でドープされたＧａＮを含んでいる。
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の他の実施形態によるエピタキシャルレーザ構造を示す簡略化された図である。好適な実施形態において、本発明は、アルミニウム含有クラッディング材料を実質的に含まない光学素子を提供する。前記素子は、ガリウム及び窒素含有基板部材（例えばバルク窒化ガリウム）を有する。前記ガリウム及び窒素含有基板部材は、（２０−２１｝結晶性表面領域又は他の表面構成を有する。前記素子は、ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料を有する。特定の実施形態において、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料は、不完全性、不純物及び他の制約の原因となるアルミニウム種を実質的に含まない。１つ以上の好適な実施形態において、前記クラッディング材料は、アルミニウム種を含まず、ガリウム及び窒素含有材料によって構成される。もちろん、他の変更、改変及び代替が可能である。
特定の実施形態において、前記素子は、活性領域を有する。前記活性領域は、前記ｎ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料上に形成された複数の量子井戸構造を含む。１つ以上の実施形態において、前記活性領域は、上述したものなどを含み得る。すなわち、前記素子は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ及び／又はＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性領域などを含み得る。特定の実施形態において、前記光学素子は、７つのＭＱＷ、６つのＭＱＷ、５つのＭＱＷ、４つのＭＱＷ、３つのＭＱＷ、より多数のＭＱＷ又はより少数のＭＱＷなどを含み得る。もちろん、他の変更、改変及び代替が可能である。
特定の実施形態において、前記素子は、前記活性領域上に形成されたｐ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料を有する。好適な実施形態において、前記ｐ型ガリウム及び窒素含有クラッディング材料は、不完全性、欠陥及び他の制約の原因となるアルミニウム種を実質的に含まない。１つ以上の好適な実施形態において、前記クラッディング材料は、アルミニウム種を含まず、ガリウム及び窒素含有材料によって構成される。
特定の実施形態において、前記素子は、好適にはレーザストライプ領域を含む。前記レーザストライプ領域は、少なくとも前記活性領域から構成され、空洞配向により特徴付けられる。特定の実施形態に応じて、他の構成も存在し得る。前記レーザストライプ領域は、第１の端部及び第２の端部又は他の構成を有する。特定の実施形態において、前記素子はまた、前記レーザストライプ領域の第１の端部上に設けられた第１の劈開面と、前記レーザストライプ領域の第２の端部上に設けられた第２の劈開面とを有する。
さらに他の実施形態において、本素子は、ガリウム及び窒素含有電子ブロッキング領域を含む。前記ガリウム及び窒素含有電子ブロッキング領域は、アルミニウム種を実質的に含まない。さらに他の実施形態において、前記素子は電子ブロッキング層をまったく含まず、又は、さらに他の実施形態において、前記クラッディング層及び／又は電子ブロッキング層中にアルミニウムは存在しない。
好適な実施形態において、本方法及び構造は、従来技術（例えば、Ｙｏｓｈｉｚｕｍｉらの「Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ５２０ｎｍ Ｇｒｅｅｎ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ Ｓｅｍｉ−Ｐｏｌａｒ ｛２０−２１｝ ＧａＮ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２（２００９）０９２１０１に記載のもの）のようなクラッディング層中のＩｎＡｌＧａＮ又はアルミニウム含有種を実質的に含まない。すなわち、本レーザ構造及び方法は、クラッディング領域中のアルミニウム種を実質的に含まない。アルミニウムは、一般的に有害である。また、アルミニウムがあると、リアクタ内に酸素が入る原因となり、その結果非放射再結合中心が発生して、放射効率の低下及び他の制約の原因となる。また、本発明者らによれば、酸素が存在すると、ｐクラッディング中のｐ型ドーパントが補償されることがあり、その結果、光学素子中に更なる抵抗が発生することが分かった。他の側面において、本発明者らによれば、アルミニウムはＭＯＣＶＤリアクタにとって有害であり、また、リアクタが他の成長前駆体と前反応する原因となり得る。また、アルミニウムクラッディング層の利用も煩雑であり、成長に更なる時間を要する。よって、アルミニウムクラッディングを用いないレーザ方法及び構造の方が、従来のレーザ構造よりも成長効率が高いと考えられる。
図４及び図５は、本発明の１つ以上の実施形態による図１の素子の劈開面の写真である。これらの写真は単なる例であり、本明細書中に記載の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。
図６は、本発明の一実施形態によるガリウム及び窒素含有基板上に作製された別のレーザ素子の簡略化された斜視図である。本図は一例に過ぎず、本明細書中に記載の請求項の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。図示のように、前記光学素子は、ガリウム及び窒素含有基板部材６０１を有する。ガリウム及び窒素含有基板部材６０１は、１つ以上の実施形態による前記オフカットｍ−面結晶性表面領域を有する。特定の実施形態において、前記窒化ガリウム基板部材は、半極性又は非極性結晶性表面領域を有することを特徴とするバルクＧａＮ基板であるが、他も可能である。特定の実施形態において、前記バルク窒化物ＧａＮ基板は、窒素を含み、表面転位密度が１０５ｃｍ−２〜１０７ｃｍ−２であるか又は１０５ｃｍ−２未満である。前記窒化物結晶又はウエハは、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ＜１）を含み得る。１つの特定の実施形態において、前記窒化物結晶はＧａＮを含んでいる。１つ以上の実施形態において、前記ＧａＮ基板は、約１０５ｃｍ−２〜約１０８ｃｍ−２の濃度で、前記表面に対して実質的に直交するか又は斜めの方向の貫通転位を有する。前記直交又は斜め方向の転位に起因して、前記表面転位密度は、約１０５ｃｍ−２〜約１０７ｃｍ−２であるか又は約１０５ｃｍ−２未満である。
前記オフカットＧａＮについての特定の実施形態において、前記素子は、前記オフカット結晶性配向表面領域の一部の上に形成されたレーザストライプ領域を有する。特定の実施形態において、前記レーザストライプ領域は、実質的にｃ方向の突起内の空洞配向によって特徴付けられ、前記ｃ方向はａ方向に対して実質的に垂直である。特定の実施形態において、前記レーザストライプ領域は、第１の端部６０７及び第２の端部６０９を有する。好適な実施形態において、前記素子は、相互に対向する一対の劈開ミラー構造を有する｛３０−３１｝ガリウム及び窒素含有基板上のｃ方向の突起上に形成される。
好適な実施形態において、前記素子は、前記レーザストライプ領域の第１の端部上に設けられた第１の劈開面と、前記レーザストライプ領域の第２の端部上に設けられた第２の劈開面とを有する。１つ以上の実施形態において、前記第１の劈開面は、前記第２の劈開面に対して実質的に平行である。前記劈開表面それぞれの上に、ミラー表面が形成される。前記第１の劈開面は、第１のミラー表面を含む。好適な実施形態において、前記第１のミラー表面は、スクライブ及びブレークプロセスによって得られる。前記スクライブプロセスでは、任意の適切な技術（例えば、ダイヤモンドスクライブ又はレーザスクライブ又はこれらの組み合わせ）が用いられ得る。特定の実施形態において、前記第１のミラー表面は、反射コーティングを含む。前記反射コーティングは、二酸化ケイ素、ハフニア及びチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、並びにその組み合わせなどから選択される。実施形態に応じて、前記第１のミラー表面は、反射防止コーティングも含み得る。
また、好適な実施形態において、前記第２の劈開面は、第２のミラー表面を含む。特定の実施形態によれば、前記第２のミラー表面は、スクライブ及びブレークプロセスによって得られる。好適には、前記スクライブは、ダイヤモンドスクライブ又はレーザスクライブなどである。特定の実施形態において、前記第２のミラー表面は、反射コーティング（例えば、二酸化ケイ素、ハフニア及びチタニア、五酸化タンタル、ジルコニア、並びにその組み合わせなど）を含む。特定の実施形態において、前記第２のミラー表面は、反射防止コーティングを含む。
特定の実施形態において、前記レーザストライプは、長さ及び幅を有する。前記長さは、約５０ミクロン〜約３０００ミクロンである。好適な実施形態において、前記レーザストライプ長さは、約４００ｕｍ〜約６５０ｕｍ又は約６５０ｕｍ〜約１２００ｕｍである。前記ストライプの幅は、約０．５ミクロン〜約１．５ミクロン、１．５ミクロン〜約３ミクロン、又は約３ミクロン〜約５０ミクロンであるが、他の寸法も可能である。特定の実施形態において、前記幅は、実質的に一定の寸法であるが、若干の変更も可能である。前記幅及び長さは、当該分野において一般的に用いられるマスキング及びエッチングプロセスを用いて形成されることが多い。本素子の更なる詳細については、本明細書全体及び以下により詳細に記載される。
図７は、図５の素子の劈開面の写真である。
１つ以上の実施形態によるレーザ素子の処理方法の概要を以下に示す。図８も参照されたい。
１．開始；
２．レーザ素子を含む処理後の基板にリッジを設ける；
３．基板の薄板化を後側から行う；
４．後側ｎ接点を形成する；
５．バー構造に構成されたレーザ素子を分離するようにパターンをスクライブする；
６．スクライブパターンを破壊して、複数のバー構造を形成する；
７．バー構造を積み重ねる；
８．バー構造をコートする；
９．バー構造を単一化して、レーザ素子を有する個々のダイにする；
１０．他の工程を必要に応じて行う。
上記一連の工程を用いて、本発明の１つ以上の実施形態による基板構造から、個々のレーザ素子をダイ上に形成する。１つ以上の好適な実施形態において、前記方法は、劈開面を含む。これらの劈開面は、無極性窒化ガリウム基板材料上に構成されたリッジレーザ素子内において、相互に実質的に平行であり且つ相互に対向する。実施形態に応じて、本明細書中の特許請求の範囲から逸脱することなく、これらの工程のうち１つ以上を組み合わせるか又は除去することができ、あるいは、他の工程を付加することも可能である。
図９は、本発明の実施形態による基板薄板化プロセスを簡単に示す。本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。特定の実施形態において、前記方法は、レーザ素子（好適にはリッジレーザ素子であるが、他のものであってもよい）を含む窒化ガリウム基板材料を用いて開始される。前記基板に、特定の実施形態による前側処理が施される。前側処理が完了した後、前記ＧａＮ基板のうち１つ以上を、サファイアキャリアウエハ又は他の適切な部材上に取り付ける。一例として、前記方法は、従来の取り付け用熱可塑性物質である結晶ボンド５０９を用いる。前記熱可塑性物質は、アセトン又は他の適切な溶媒中に溶解可能である。
特定の実施形態において、前記キャリアウエハをラッピングジグ上に取り付ける。このようなラッピングジグの一例は、Ｌｏｇｉｔｅｃｈ
Ｌｔｄ．（英国）又は他のベンダーによって製造される。前記ラッピングジグの利用により、特定の実施形態によるラッピングプロセス時における前記基板の平面性の維持が支援される。一例として、前記基板の開始時の厚さは〜３２５ｕｍ＋／−２０ｕｍであるが、他の厚さであってもよい。特定の実施形態において、前記方法は、前記基板のラッピング又は薄板化を６０〜８０ｕｍの厚さになるまで行うが、これよりも厚さを薄くするか又は若干厚めにしてもよい。好適な実施形態において、前記ラッピングジグは、ラッピングプレートと共に構成される。前記ラッピングプレートは、適切な材料（例えば、平面度が５ｕｍ未満になるように構成された鋳鉄が挙げられるが、他のものであってもよい）によって構成されることが多い。好適には、前記方法は、１部の炭化ケイ素（ＳｉＣ）と１０部の水とを含んだラッピングスラリーを用いるが、他の変更も可能である。特定の実施形態において、前記ＳｉＣ粒の寸法は約５ｕｍである。１つ以上の実施形態において、前記ラッピングプレート速度は、約１０回転／分が適している。さらに、前記方法は、１つ以上の実施形態による所望のラッピング速度（例えば、２〜３ｕｍ／分以上又はこれより若干低め）を達成するようにラッピングジグの圧力ダウンを調整することが可能である。
特定の実施形態において、本方法は、ラッピングプロセスを含む。前記ラッピングプロセスは、前記ＧａＮ材料中の表面下損傷の発生によって中レベルトラップなどを発生させ得る。前記中レベルトラップにより、ショットキー特性を有する接点をもたらすかもしれない。それゆえ、特定の実施形態によると、本方法は、１つ以上の研磨プロセスを含み、これにより、前記損傷を有する〜１０ｕｍの材料を除去する。一例として、前記方法は、Ｐｏｌｉｔｅｘ（商標）研磨パッド（Ｒｏｈｍ ａｎｄ Ｈａａｓ）を用いるが、他のものであってもよい。このパッドをステンレススチールプレート上に接着する。研磨溶液は、Ｕｌｔｒａ−ｓｏｌ ３００Ｋ（製造元：Ｅｍｉｎｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）であるが、他のものであってもよい。前記Ｕｌｔｒａ−Ｓｏｌ ３００Ｋは、高純度のコロイド状シリカスラリーであり、特別に調製されたアルカリ分散液を含んでいる。前記Ｕｌｔｒａ−Ｓｏｌ ３００Ｋは、７０ｎｍコロイド状シリカを含み、ｐＨは１０．６である。固形分は３０％（重量％）である。特定の実施形態において、前記ラッピングプレート速度は７０ｒｐｍであり、全重量のラッピングジグが付加される。好適な実施形態において、前記方法における研磨速度は約〜２ｕｍ／時間である。
他の実施形態において、本発明は、ｍ面ＧａＮ基板材料に対する高品質のｎ型接点を達成する方法を提供する。特定の実施形態において、前記方法は、適切なオーム接点を達成すべく、粗い接点（contacts that are rough）を提供する。特定の実施形態において、前記粗さに起因して他の結晶面が露出され、その結果良好な接点が得られる。好適な実施形態において、本方法は、ラップ表面を含む。前記ラップ表面のテクスチャは粗いため、１つ以上の又は複数の異なる結晶面が露出される。他の実施形態において、ラッピングの後に、ドライエッチング及び／又はウェットエッチングなどのエッチングが行われ得る。特定の実施形態において、エッチングにより、前記表面下損傷が除去される。しかし、前記表面が研磨のように平坦化される可能性は低い。
図１０は、１つ以上の実施形態による後側ｎ接点方法を示す簡略化された図である。本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。前記薄板化プロセスの完了後、前記方法は、１つ以上の実施形態に従って、前記基板の後側上にｎ接点を形成する。この時点において、前記薄板化基板は、未だ前記サファイアウエハ上に取り付けられ且つ保持されている状態である。好適な実施形態において、前記薄板化基板は、効率及びハンドリングのための「バッチプロセス」である。特定の実施形態において、前記バッチ処理を用いた方法により、極めて肉薄の（６０〜８０ｕｍ）基板の取り扱いに伴う損傷の回避が支援される。
一例として、前記後側接点は、約３００Å Ａｌ／３０００Å Ａｕ又は他の適切な材料（例えば、Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）を含む。特定の実施形態において、前記接点は、電子ビーム蒸着又は他の適切な技術によって蒸着された金属積層である。好適な実施形態において、前記金属積層蒸着前に、前記方法において、ウェットエッチ（例えばフッ化水素酸ウェットエッチ）の利用により、前記表面上の酸化物を全て除去する。特定の実施形態において、形成後の金属積層に対し、好適にはアニーリング又は高温処理を施す。接触領域を作製する技術の一例について、米国シリアル番号第６１／２５７，４４９号（出願日：２００９年１１月２日；名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ」；Ｎｉｃｈｏｌａｓ Ｊ．Ｐｆｉｓｔｅｒ、Ｊａｍｅｓ Ｗ．Ｒａｒｉｎｇ、及びＭａｔｈｅｗ Ｓｃｈｍｉｄｔ）中に記載があり、当該文献は参照により援用される。
図１１は、１つ以上の実施形態によるスクライブ及びブレーク動作を示す簡略化された図である。本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。前記ｎ接点の形成後、特定の実施形態に従って、前記基板を前記サファイアキャリアウエハから取り外し、アセトン及びイソプロピルアルコール中において洗浄する。その後、前記基板をビニールテープ上に取り付けて、実施形態に応じてスクライブ及び破壊プロセスを行う。好適な実施形態において、前記テープは、前記レーザバー上に残留物を全く残さず、前記レーザバーはこのような残留物を実質的に全く含まず、上記残留物は高分子性であるか又は微粒子であることが多い。
次に、前記方法は、１つ以上のスクライブプロセスを含む。特定の実施形態において、前記方法は、パターン形成のために前記基板にレーザをあてる工程を含む。好適な実施形態において、前記パターンは、１つ以上のリッジレーザの対象となる一対の面を形成するように構成される。好適な実施形態において、前記一対の面は相互に対向し、相互に平行な配列をとる。好適な実施形態において、前記方法は、前記レーザバーのスクライブの際に、ＵＶ（３５５ｎｍ）レーザを用いる。特定の実施形態において、前記レーザは、システム上に構成される。前記システムにより、１つ以上の異なるパターン及びプロファイルにおいて構成されたスクライブラインが可能となる。１つ以上の実施形態において、前記スクライブは、用途に応じて、後側、前側又は両側において実行可能である。
特定の実施形態において、前記方法は、後側スクライブ等を用いる。後側スクライブの場合、前記方法は、好適には、連続線スクライブを形成する。前記連続線スクライブは、前記ＧａＮ基板の後側のレーザバーに対して垂直である。特定の実施形態において、前記スクライブは概して深さ１５〜２０ｕｍ又は他の適切な深さである。好適には、後側スクライブが有利であり得る。すなわち、前記スクライブプロセスは、前記レーザバー又は他の類似パターンのピッチに依存しない。従って、好適な実施形態に従って、後側スクライブにより、高密度のレーザバーを各基板上に得ることができる。しかし、特定の実施形態において、後側スクライブに起因して、前記面のうち１つ以上の上にテープからの残留物が残る場合がある。特定の実施形態において、後側スクライブにおいては、基板の下面をテープ上にのせる必要がある場合が多い。前側スクライブの場合は、基板の後側がテープと接触する。
好適な実施形態において、本方法は、前側スクライブの利用により、清浄な面の形成を促進する。特定の実施形態において、前側スクライブプロセスが好適に用いられる。特定の実施形態において、前記方法は、面粗さ又は他の欠陥が最小である直線状劈開を得るためのスクライブパターンを含む。
スクライブパターン：レーザマスクのピッチは約２００ｕｍであるが、他のものであってもよい。前記方法は、１７０ｕｍスクライブを用い、２００ｕｍピッチにおいて３０ｕｍダッシュを用いる。好適な実施形態において、熱感度が高いレーザリッジから離れた熱影響ゾーンを保持しつつ、前記スクライブ長さを最大化又は増加させる。
スクライブプロファイル：鋸歯状プロファイルの場合、一般的に面粗さは最小となる。前記鋸歯状プロファイルの形状により、材料中のストレス濃度が非常に高まり、その結果、劈開をより容易に及び／又はより効率的に伝搬させることが可能になると考えられる。
特定の実施形態において、本方法は、本レーザ素子の製造に適したスクライブを提供する。一例として、図９は、（１）後側スクライブプロセス及び（２）前側スクライブプロセスに関連した基板材料の断面を示す。
ここで図１３を参照して、前記方法は、複数のバー構造を形成するための破壊プロセスを含む。本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。前記ＧａＮ基板をスクライブした後、前記方法は、破壊器を用いて前記基板をバー状に劈開する。特定の実施形態において、前記破壊器は、金属支持部を有する。前記金属支持部は、９００ｕｍ間隔の空間を有する。前記スクライブ線が中央に来るように、前記基板を前記支持部上に配置する。次に、適切な形状のセラミックブレードが前記スクライブ線上の直接圧力を付加することで、前記基板は、前記スクライブ線に沿って劈開する。
図１４は、１つ以上の実施形態による積層及びコーティングプロセスを示す簡略化された図である。ここでも、本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。劈開後、前記バーを治具内において積層する。前記治具により、前面及び後面のコーティングが可能となる。前記前面及び後面は、相互に平行な配列をとり且つ相互に対向する。前面コーティング膜は、任意の適切な低反射率設計（ＡＲ設計）又は高反射コーティング（ＨＲ設計）から選択可能である。特定の実施形態によれば、前記ＡＲ設計は、ＨｆＯ２の肉薄層によってキャップされたＡｌ２Ｏ３の１／４波長コーティングを含む。前記Ａｌ２Ｏ３コーティングは強靱な誘電体であり、ＨｆＯ２は高密度であり、その結果、前記前面の環境的不動態化及び反射率の調整が支援される。特定の実施形態において、前記前面は、ＨＲ設計によってコーティングされる。前記ＨＲ設計は、ＳｉＯ２／ＨｆＯ２又はＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５の４分の１波長ペアを幾つか含んでいる。特定の実施形態において、およそ３〜５対を用いて、８０％を越える反射率を達成することができる。好適な実施形態において、素子の出力及び効率を高めるために、１〜２対を用いてより低い反射率を達成する。別の好適な実施形態では、フロントミラー上において面コーティングを用いない。これらのコーティング膜は、好適には、電子ビーム蒸着により蒸着される。特定の実施形態において、前記後面は、高反射率ＨＲ設計によってコーティングされる。前記ＨＲ設計は、複数対の１／４波長ＳｉＯ２／Ｔａ２Ｏ５又はＳｉＯ２／ＨｆＯ２を含む。特定の実施形態において、およそ６〜１０対を用いて、９９％を超える反射率を達成することができる。他の実施形態において、前記面は、露出されたガリウム及び窒素含有材料であり、前面領域においてコーティング又は上側を覆う材料を含まない。
好適な実施形態において、前記方法は、真空を破壊することなく前記面それぞれの蒸着を可能にするよう構成された、適切な蒸着システムを用いる。前記蒸着システムは、十分な高さ及び空間体積のドーム構造を含む。前記システムにより、特定の実施形態に従って、前記治具内に構成された複数のバーを片側から他方側へと反転させて、前記後面及び前面を露出させることが可能となる。好適な実施形態において、前記方法により、先ず後面が蒸着されて、前記バー治具が再構成されて前面が露出され、次に、真空破壊無く前面が蒸着される。好適な実施形態において、前記方法により、前側及び後側上へ１つ以上のフィルムを真空破壊無く蒸着することが可能となり、これにより、時間の節約及び効率向上が可能となる。他の実施形態は、真空を破壊し得る。
図１５は、特定の実施形態による、バーを単一化して複数のダイを得る方法を示す。本図は単に一例であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。前記バーの面をコーティングした後、前記方法において、前記レーザ素子をバー形態において試験し、その後単一化を行う。特定の実施形態において、前記方法は、スクライブ及び破壊プロセス（面劈開に類似するもの）を行うことにより、バーの単一化を行う。好適には、前記方法は、特定の実施形態に従って、浅い連続線スクライブをレーザバーの上側上に形成する。前記ダイの幅は、約２００ｕｍであり、これにより、前記支持部空間を３００ｕｍ位まで低減することが可能となる。前記バーを劈開して個々のダイとした後、前記テープを膨張させて、前記ダイそれぞれを前記テープからピックオフする。次に、前記方法は、１つ以上の実施形態に従って、前記ダイそれぞれに対してパッキング動作を行う。
図１６は、本発明の実施形態によるレーザストライプの光出力電圧特性を示す簡略化されたプロットである。図示されているのは、ｃ方向及びａ方向の突起内のエピタキシャル構造配向を用いて｛２０−２１｝上に作製された長さ１２００μｍ及び幅１．４〜２．０μｍのレーザによる、電圧及び光出力である。光学出力がより高くなっており、ｃ方向レーザの突起のレーザ素子が示されているが、これは、ｃ方向配向レーザの突起の方がゲインが高いことを示している。この例において、前記素子は、実質的にアルミニウム種を含まないガリウム及び窒素含有クラッディング層を含んでいた。
図１７は、本発明の好適な実施形態による、レーザストライプの光出力電圧特性を示す簡略化されたプロットである。図示されているのはｃ方向及びａ方向の突起内のエピタキシャル構造配向を用いて｛２０−２１｝上に作製された、ＨＲコーティングされた長さ１２００μｍ及び幅１．４〜２．０μｍのレーザによる、電圧及び光出力である。閾電流が低くなっており、前記ｃ方向レーザの突起のスロープ効率が高くなっているが、これは、ｃ方向配向レーザの突起においてゲイン特性が好ましいことを示している。この例において、前記素子は、実質的にアルミニウム種を含まないガリウム及び窒素含有クラッディング層を含んでいた。
図１８は、本発明の実施形態による５２２ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロットである。図示されているのはｃ方向の突起内のエピタキシャル構造配向を用いて｛２０−２１｝上に作製された、ＨＲコーティングされた長さ１２００μｍ及び幅１．８μｍのレーザによる、電圧及び光出力である。また、明らかに緑色レジーム内にあるピーク波長５２２ｎｍで動作するレーザ素子のレージングスペクトルも示される。この例において、前記素子は、実質的にアルミニウム種を含まないガリウム及び窒素含有クラッディング層を含んでいた。
図１９は、本発明の実施形態による連続波５２５ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロットである。この図は単なる例示であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。本発明の実施形態による、５２５ｎｍのピーク波長及び６．５ｍＷを越える最大出力において動作する｛２０−２１｝上に作製されたレーザ素子連続波（ＣＷ）電圧及び電流対光特性の簡略化されたプロットが示されている。図示されているのは、１つ以上の実施形態による、ｃ方向の突起内において配向された約６００μｍ×約１．６μｍの空洞を備えたＨＲコートレーザ素子電圧及び光出力である。この例において、前記素子は、実質的にアルミニウム種を含まないガリウム及び窒素含有クラッディング層を含んでいた。
図２０は、本発明の実施形態による、４５ｍワットにおいて動作可能な連続波５２０ｎｍレーザ素子の電圧及び光特性の簡略化されたプロットである。この図は単なる例示であり、本明細書中の特許請求の範囲を不当に限定するものではない。当業者であれば、他の変更、改変及び代替を認識するであろう。本発明の実施形態による、５２０ｎｍのピーク波長及び６０ｍＷの最大出力及び１．７％の壁プラグ効率において動作可能な、｛２０−２１｝上に作製されたレーザ素子の連続波（ＣＷ）電圧及び電流対光特性の簡略化されたプロットが図示されている。図示されているのは、１つ以上の実施形態による、ｃ方向の突起内において配向された約６００μｍ×約１．６μｍの空洞を備えたＨＲコートレーザ素子電圧及び光出力である。この例において、前記素子は、実質的にアルミニウム種を含まないガリウム及び窒素含有クラッディング層を含んでいた。
図２１は、多様なバリア厚さの５つの量子井戸レーザダイオードエピタキシャル構造から作製されたマイクロＬＥＤ素子の３つの異なる電流密度における順電圧の簡略化された図である。ここで、前記マイクロＬＥＤ素子は、単に実験及び実証目的のために示すものである。図示のように、順電圧は前記異なるバリア厚さに明らかに依存しているのが分かり、２ｎｍ〜３ｎｍの範囲のバリアは、より肉厚のバリアと比較して大幅に低い電圧を提供する。よって、種々のバリア厚さに対する順電圧の実証が達成された。
図２２は、特定の実施形態による、〜６００ミクロンの空洞長さの単一の横方向モード緑色レーザダイオードからの電圧対電流特性の簡略化された図である。図示のように、前記エピタキシャル構造は、４つよりも多くの量子井戸を備えた多量子井戸活性領域を含み、３ｎｍ範囲において薄型バリアを用いる。図示のように、出力が６０ｍＷ以上であるときに予測される動作電流範囲において、順電圧は、７Ｖ未満に留まる。よって、前記電流範囲内における７Ｖの順電圧の実証が達成された。
ここで、「ＧａＮ基板」という用語は、グループＩＩＩ窒化物材料（例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ）又は出発材料として用いられる他のＩＩＩ族含有合金若しくは組成物に関連している。このような出発材料の例としては、極性ＧａＮ基板（即ち、最も広い表面が（ｈｋ１）面であり、ｈ＝ｋ＝０且つｌは非ゼロである基板）、非極性ＧａＮ基板（即ち、上記した極性配向から（ｈｋ１）面（１＝０；ｈ及びｋのうち少なくとも１つが非ゼロ）へ向かう約８０〜１００度の角度で最も広い表面が配向された基板材料）、又は半極性ＧａＮ基板（即ち、上記した極性配向から（ｈｋ１）面（１＝０；ｈ及びｋのうち少なくとも１つは非ゼロ）に向かって約＋０．１〜８０度又は１１０〜１７９．９度の角度で最も広い表面が配向された基板材料）が挙げられる。
図示のように、本素子は、適切なパッケージ内に封入され得る。このようなパッケージは、ＴＯ−３８ヘッダ及びＴＯ−５６ヘッダなどを含み得る。他の適切なパッケージ設計及び方法も存在し得る（例えば、ＴＯ−９及びさらには非標準パッケージング）。特定の実施形態において、本素子は、コパッケージング構成（例えば、本発明の譲受人に譲渡された米国仮出願番号第６１／３４７，８００号）において実行することが可能である。上記仮出願は、あらゆる目的のために参照によって援用される。
他の実施形態において、本レーザ素子は、多様な用途において構成可能である。このような用途の例としては、レーザディスプレイ、計測、通信、ヘルスケア及び手術、並びに情報技術などがある。一例として、本レーザ素子は、例えば、米国シリアル番号第１２／７８９，３０３号（出願日：２０１０年５月２７日）において記載されているレーザディスプレイに用いることができる。米国シリアル番号第１２／７８９，３０３号は、米国仮番号第６１／１８２，１０５号（出願日：２００９年５月２９日）及び米国仮番号第６１／１８２，１０６号（出願日：２００９年５月２９日）に対する優先権を主張する。これらの文献それぞれを、参照によって本明細書中に援用する。別のアプローチが、米国シリアル番号第１２／７５９，２７３号（名称「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ ＧＡＮ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ Ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」出願日：２０１０年４月１３日）に記載されている。同文献も、参照によって援用する。
上記において特定の実施形態を詳述したが、多様な改変、別の構造及び均等物が可能である。特定の実施形態において、本素子及び方法は、ＡｌＧａＮクラッディングを含まないクラッディング層又はアルミニウム含有種を実質的に含まない他のクラッディング層を含む。前記アルミニウム含有種は、約２％以下のアルミニウムであってもよく、幾つかの実施形態ではアルミニウムを含まないこともあり得る。他の実施形態において、本方法及び素子は、３ｎｍ〜６．５ｎｍ及び８ｎｍの範囲のバリア厚さを含み得るが、より肉薄のバリア材料が好適である。好適な実施形態において、前記バリア材料の厚さは１．５ｎｍ〜５又は６ｎｍの範囲であるが、最も好適には１．５ｎｍ〜３．５ｎｍ又は４ｎｍである。より好適な実施形態において、前記バリア材料厚さは、約５ｎｍ未満、約４ｎｍ未満、約３ｎｍ未満、又は約２ｎｍ未満である。特定の実施形態において、前記素子及び方法は、約２．５ｎｍ〜３．５ｎｍ、３．５ｎｍ〜４．５ｎｍなどの範囲の量子井戸厚さも含む。特定の実施形態において、前記量子井戸厚さは、３〜４ｎｍ又は４〜６ｎｍの範囲も含み得る。好適な実施形態において、前記素子は、６０ｍＷ以上において動作電圧を有し、電圧降下が約７Ｖ未満、約６．５Ｖ未満又は約６Ｖ未満である点によって特徴付けられる。よって、上記の記載及び図示は、本発明の範囲を限定するものとしてとられるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (22)

  1. ｛２０−２１｝結晶性表面領域配向を含むガリウム及び窒素含有基板と；
    ガリウム及び窒素含有材料上に形成されたｎ型クラッディング材料と；
    少なくとも３つの量子井戸（ＭＱＷ）であって、前記量子井戸はそれぞれ２ｎｍ以上の厚さを有している量子井戸と、少なくとも１つのバリア層であって、前記バリア層はそれぞれ１．５ｎｍ乃至４ｎｍの厚さを有し、前記バリア層の少なくとも1つは一対の量子井戸間に構成されるバリア層とを備えた活性領域と；
    前記活性領域上に形成されたｐ型クラッディング材料とを含み、
    前記活性領域は、７ボルト未満の順電圧において６０ｍＷ以上の出力で動作するように構成されている光学素子。
  2. 前記ｐ型クラッディング材料はアルミニウム含有材料を実質的に含まない請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記ｎ型クラッディング材料はアルミニウム含有材料を実質的に含んでおらず、前記｛２０−２１｝配向は面のファミリを意味している請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記ガリウム及び窒素含有基板は［２０−２１］または［２０−２−１］結晶性表面領域配向の少なくとも１つを含んでいる請求項1に記載の光学素子。
  5. ＩｎＧａＮを含んだ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を更に含んでいる請求項1に記載の光学素子。
  6. ５００〜５４０ｎｍの緑色波長レジームにおいて動作するレーザダイオードとして動作可能な請求項１に記載の光学素子。
  7. 前記少なくとも１つのバリア層の厚さは２．５ｎｍ〜３．５ｎｍである請求項１に記載の光学素子。
  8. 前記量子井戸のは厚さは少なくとも２．５ｎｍである請求項１に記載の光学素子。
  9. 前記｛２０−２１｝結晶性表面領域配向はｃ面及び／又はａ面に向かって±０．５度未満でオフカットされている請求項１に記載の光学素子。
  10. 前記｛２０−２１｝結晶性表面領域配向はｃ面及び／又はａ面に向かって±１度未満でオフカットされている請求項１に記載の光学素子。
  11. 前記｛２０−２１｝結晶性表面領域配向はｃ面及び／又はａ面に向かって±３度未満でオフカットされている請求項１に記載の光学素子。
  12. 前記｛２０−２１｝結晶性表面領域配向はｃ面及び／又はａ面に向かって±５度未満でオフカットされている請求項１に記載の光学素子。
  13. 前記活性領域と前記ｐ型クラッディング材料との間に電子ブロッキング領域を更に含む請求項１に記載の光学素子。
  14. 前記少なくとも１つのバリア層が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＩｎＡｌＧａＮから選択される材料によって構成される請求項１に記載の素子。
  15. 前記量子井戸の各々は少なくともＩｎＧａＮを含んでいる請求項１に記載の素子。
  16. 前記活性領域は緑色レーザ出力を発光可能である請求項１に記載の光学素子。
  17. ６００ミクロンのキャビティ長さを有する単一横モード緑色レーザダイオードである請求項１に記載の光学素子。
  18. 前記結晶性表面領域配向はオフカットされている請求項１に記載の光学素子。
  19. ＩｎＧａＮを含み、インジウムのモル分率が３％〜１０％であり、厚みが２０〜１５０ｎｍであるｎ側分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を更に含んだ請求項１に記載の光学素子。
  20. 前記ｎ型ＧａＮクラッディング材料と前記量子井戸との間に位置したＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を更に含み、前記ＳＣＨは１０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚みと１モル％〜１２モル％のインジウム組成とを有しており、前記分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層は、任意に、シリコンドーパントを含むｎ型ドーパントによってドープされていてもよい請求項１に記載の光学素子。
  21. 前記ｐ型ＧａＮクラッディング材料と前記ＭＱＷとの間に位置したＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を更に含み、前記ＳＣＨは１０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚みと０モル％〜１０モル％のインジウム組成とを有しており、前記分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層は、任意に、マグネシウムドーパントを含むｐ型ドーパントによってドープされていてもよい請求項１に記載の光学素子。
  22. プロジェクタ、ハンドセット、又はレーザディスプレイのいずれか１つに設けられる請求項１に記載の光学素子。
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