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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Description

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10cm−2を下回る。前記窒化物結晶又はウエハは、AlInGa1−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10cm−2〜約10cm−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10cm−2〜約10cm−2であるか又は約10cm−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AlInGa1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AlInGa1−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、AlInGa1−w−xN及びAIInGa1−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、AlInGa1−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10cm−2〜10cm−2であるか又は10cm−2未満である。前記窒化物結晶又はウエハは、AlInGa1−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10cm−2〜約10cm−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10cm−2〜約10cm−2であるか又は約10cm−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、HfOの肉薄層によってキャップされたAlの1/4波長コーティングを含む。前記Alコーティングは強靱な誘電体であり、HfO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、SiO/HfO又はSiO/Ta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SiO/Ta又はSiO/HfO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;
    少なくともつの量子井戸(MQW)であって、前記量子井戸はそれぞれnm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4m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)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)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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