KR20120037980A - 무극성 또는 반극성 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 기판들 상에 성장된 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조 - Google Patents

무극성 또는 반극성 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 기판들 상에 성장된 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조 Download PDF

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로버트 엠. 파렐
매튜 티. 하디
히로아키 오타
스티븐 피. 덴바아스
제임스 에스. 스펙
슈지 나카무라
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조물이 제공된다. 상기 구조물은 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속을 제공하는 도파로 코어, 및 특정 결정면을 따른 패시트 클리빙을 보조하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들을 포함하는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 포함한다.

Description

무극성 또는 반극성 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 기판들 상에 성장된 (Ｇａ,Ａｌ,Ｉｎ,Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조{Structure for improving the mirror facet cleaving yield of (Ga,Al,In,B)N laser diodes grown on nonpolar or semipolar (Ga,Al,In,B)N substrates}
본 발명은 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조에 관한 것이다.
관련 출원들의 상호-참조
본 출원은 ＂Structure for Improving the Mirror Facet Cleaving Yield of (Ga,Al,In,B)N Laser Diodes Grown on Nonpolar or Semipolar (Ga,Al,In,B)N Substrates＂라는 발명의 명칭으로 Robert M. Farrell, Matthew T. Hardy, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck 및 Shuji Nakamura에 의해 2009년 7월 9일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.319-US-P1 (2009-762-1)인, 공동-계류 중이고 공동 양도된 미국 임시 특허 출원 제61/224,368호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, 상기 출원은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
본 출원은 공동-계류 중이고 공동-양도된 다음의 특허 출원들과 관련된다:
＂ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE＂라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura, 및 Steven P. DenBaars에 의해 2009년 6월 5일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.314-US-P1 (2009-614-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/184,668호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, ＂ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE＂라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura, 및 Steven P. DenBaars에 의해 2010년 6월 7일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.314-US-WO (2009-614-2)인 PCT 국제 특허 출원 제PCT/US2010/037629호; 및
＂LONG WAVELENGTH m-PLANE (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES＂라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura, 및 Steven P. DenBaars에 의해 2009년 6월 5일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.315-US-P1 (2009-616-1)이며, 공동-계류 중이고 공동 양도된 미국 임시 특허 출원 번호 제61/184,729호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, ＂LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES＂라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura, 및 Steven P. DenBaars에 의해 2010년 6월 7일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.315-US-U1 (2009-616-2)인 미국 특허 출원 제12/795,360호;
상기 출원들은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
(유의점: 본 출원은 상세한 설명 전체에서 하나 이상의 괄호들 내의 참조 번호들, 예컨대 [참조 x]에 의해 표시되는 것과 같이 다수의 다른 문헌들을 참조한다. 상기 참조 번호들에 따라 배열된 상기 다른 문헌들의 목록은 아래의 ＂참조들＂이라는 이름의 섹션에서 찾을 수 있을 것이다. 상기 문헌들의 각각은 본 명세서에 참조로서 원용된다.)
GaN 및 (Ga,Al,In,B)N의 합금들의 유용성은 가시광 및 자외선 광전자 소자들 및 고전력 전자 소자들의 제조에 있어 잘 확립되어 있다. 상기 소자들은 레이저 다이오드들(laser diode, LD) 및 발광 다이오드들(light emitting diode, LED) 모두를 포함한다.
현재 최첨단의 (Ga,Al,In,B)N 박막들, 이종구조들(heterostructure), 및 소자들은 [0001] c-축을 따라 성장된다. 상기 막들의 전체 분극(polarization)은 자발적 및 압전 분극 기여들로 이루어지며, 이는 우르자이트(wrtzite) (Ga,Al,In,B)N 결정 구조의 단일 극성 [0001] c-축으로부터 기인한다. (Ga,Al,In,B)N 이종구조들이 부정형으로(pseudomorphically) 성장되는 경우, 극성 불연속성들이 결정 내의 표면들 및 계면들에 형성된다. 상기 불연속성들은 표면들 및 계면들에 캐리어들의 축적 또는 공핍을 가져오고, 결과적으로 전기장들을 형성한다. 상기 분극-유도 전기장들의 정렬은 (Ga,Al,In,B)N 박막들 및 이종구조들의 전형적인 [0001] 성장 방향과 일치하기 때문에, 상기 전기장들은 (Ga,Al,In,B)N 소자들의 에너지 밴드들을 "틸팅(tilting)"하는 효과를 갖는다.
c-면 (Ga,Al,In,B)N 양자 우물들에서, 상기 "틸팅된" 에너지 밴드들은 전자 및 정공 파동 함수들을 공간적으로 분리한다. 상기 공간 전하 분리는 방사 전이(radiative transition)들의 진동 강도(oscillator strength)를 감소시키고, 방출 파장을 적색-편이시킨다. 이러한 효과들은 양자 구속 스타크 효과(quantum confined Stark effect, QCSE)의 현상들이며, (Ga,Al,In,B)N 양자 우물들에 대해서 완전하게 분석되었다[참조 7, 8]. 또한, 큰 분극-유도 전기장들은 도펀드들 및 주입된 캐리어들에 의해 부분적으로 차폐될 수 있어[참조 9], 방출 특성들을 정확히 엔지니어링하기 어렵게 한다.
또한, 부정형 2축성 변형(pseudomorphic biaxial strain)은 c-면 InxGa1 - xN 양자 우물들에서 유효 가전자대 상태 밀도(density of states)를 감소시키는 데 있어 거의 효과가 없다는 것이 이론적으로 예측되었다. 이는 통상의 Ⅲ-Ⅴ 섬아연광(zinc-blende) InP- 및 GaAs-계 양자 우물들에 대조되며, 여기서는 상부의 두 개의 가전자대들의 이방성 변형-유도 분리(strain-induced splitting)가 유효 가전자대 상태 밀도의 중대한 감소를 가져온다. 유효 가전자대 상태 밀도의 감소는 통상의 Ⅲ-Ⅴ 섬아연광(zinc-blende) InP- 및 GaAs-계 양자 우물들에서 임의의 주어진 캐리어 밀도에 대하여 준-페르미(quasi-Fermi) 레벨 분리의 실질적인 증가를 가져온다. 준-페르미 레벨 분리의 이러한 증가의 직접적인 결과로서, 매우 작은 캐리어 밀도들은 광이득(optical gain)을 발생시킬 것이 요구된다[참조 11]. 그러나, 우르자이트 InxGa1-xN 결정 구조의 경우, 2축성으로 변형된 c-면 InxGa1 - xN 양자 우물들에서의 육방정계 및 질소 원소들의 작은 스핀-오비트(spin-orbit) 커플링은 상부의 두 개의 가전자대들의 무시할 수 있는 분리를 가져온다[참조 10]. 따라서, 2축성으로 변형된 c-면 InxGa1 - xN 양자 우물들에서 유효 가전자대 상태 밀도는 유효 전도대 상태 밀도보다 매우 큰 상태이며, 매우 높은 전류 밀도들은 c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 광이득을 발생시킬 것이 요구된다.
(Ga,Al,In,B)N 소자에서 분극 효과들을 감소시키기 위한 한 가지 방법은 결정의 무극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다[참조 12]. 이는 총괄하여 a-면들로 알려진 {
Figure pct00001
} 면들, 및 총괄하여 m-면들로 알려진 {
Figure pct00002
} 면들을 포함한다. 상기 면들은 면 당 동일한 수의 갈륨 및 질소 원자들을 포함하며 전하-중립적이다. 후속의 무극성 층들은 서로 등가이므로, 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극되지 않을 것이다.
(Ga,Al,In,B)N 소자에서 분극 효과들을 감소시키기 위한 다른 방법은 결정의 반극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. "반극성 면(semipolar plane)"의 용어는 c-면, a-면, 또는 m-면과 같이 분류되지 못하는 임의의 면을 지칭하는 데 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 인덱스들 및 0이 아닌 l 밀러 인덱스를 가지는 임의의 면이 될 것이다. 후속의 반극성 층들은 서로 등가이므로, 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극이 감소될 것이다.
변형된 c-면 InxGa1 - xN 양자 우물들과 달리, 변형된 무극성 또는 반극성 InxGa1-xN 양자 우물들은 상부의 두 개의 가전자대들의 이방성 분리가 나타날 것으로 예상되었으며, 이는 상기 구조들에 있어 유효 가전자대 상태 밀도의 감소를 가져올 것이다[참조 13]. 압축 변형된 InxGa1 - xN 양자 우물들에 대한 다체(many-body) 광이득의 일관된 계산은, 피크 이득이 유효 가전자대 상태 밀도 및 순 양자 우물 분극에 매우 민감하며, 피크 이득은 일반적인 성장 배향과 c-축 사이의 각도가 증가함에 따라 극적으로 증가할 것이며, c-축에 수직한 성장 배향들(즉, 무극성 면들 상)에 대해 최대에 도달할 것임을 암시한다[참조 13].
마지막으로, 상업적 c-면 (Ga,Al,In,B)N LED들 및 LD들은 전기발광(electroluminescence)에서 광학 분극의 정도를 나타내지 않는다. 한편, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LED들 및 LD들은 전기발광에서 강한 광학 분극을 나타내었다[참조 14, 15]. 이러한 광학 분극은 압축 변형 무극성 또는 반극성 InxGa1 - xN 양자 우물들에서 상부의 두 개의 가전자대들의 이방성 변형-유도 분리에 기여할 수 있으며, 다양한 광 매트릭스 요소들의 크기에 있어 중대한 차이점들을 가져온다. 이러한 광학 분극은 잠재적으로 많은 소자 제품들에 대하여 개발될 수 있다.
현재의 통상적인 상업적으로-이용가능한 우르자이트 (Ga,Al,In,B)N 결정 구조의 c-면 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD 구조들은, 분극-관련 전기장들의 존재로 인하여 통상적으로 얇은(=4 nm) InGaN 양자 우물들(quantum well, QW)을 사용한다. 따라서, AlGaN/GaN 초격자들(superlattice) 또는 벌크 AlGaN과 같은, 두꺼운 Al-함유 도파로(waveguide) 피복층들은 c-면 (Ga,Al,In,B)N LD에서 충분한 광 모드 구속을 제공할 것이 요구된다.
c-면 GaN 기판들 상에 성장된 통상의 (Ga,Al,In,B)N LD들과 달리, m-면 발광 소자들에서의 분극-관련 전기장들의 부재는, m-면 (Ga,Al,In,B)N LED들 및 LD들에서 방사 수율의 감소 없이 상대적으로 두꺼운(8 nm) InGaN QW들의 적용을 가능하게 한다[참조 1]. 두꺼운 InGaN QW들은 Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구 없이 광 모드의 적절한 횡 도파로(transverse waveguiding)를 제공할 수 있다[참조 2, 3]. GaN 피복층들과 함께 InGaN-계 분리 구속 이종구조의 사용을 포함하는 유사한 디자인들도, Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구를 경감시킬 수 있다[참조 4].
이전의 연구들은 c-축을 따라 배향된 스트라이프들을 가지는 m-면 (Ga,Al,In,B)N LD에 대한 문턱 전류 밀도들이 a-축을 따라 배향된 스트라이프들을 가지는 LD들에서보다 낮다는 것을 측정하였다[참조 5]. 패시트 클리빙을 위해 통상적으로 무극성 {
Figure pct00003
} m-면들을 이용하는, c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들과 달리, m-면 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 c-축을 따른 레이저들 바(bar)들의 배향은 결정의 극성 {0001} c-면들을 따르는 패시트 클리빙을 요구한다. 각각의 N-면(face)들과 Ga-면들 사이의 분극이 결정학적 면들 사이의 단위 면적 당 결합 에너지를 증가시키기 때문에, 극성 {0001} c-면들을 따르는 클리빙은 공정을 복잡하게 한다. 이는 일반적으로 (Ga,Al,In,B)N 우르자이트 결정 구조의 무극성 면들 상에서 보다 극성 면들 상에서 고-품질 클리브(cleave)들을 얻는 것을 어렵게 하며, c-축을 따라 배향된 스트라이프들을 가지는 m-면 (Ga,Al,In,B)N LD들에 대한 패시트 균일성 및 소자 수율을 감소시킨다.
상대적으로 두꺼운 m-면 AlGaN층들에서 이방성 인장 변형은 m-면 기판들 상에 성장된 소자 구조물들의 극성 {0001} c-면들을 따른 크래킹(cracking)을 가져오는 것으로 나타났다[참조 6]. 이러한 제어되지 않은 크래킹은 소자 제조에 있어 바람직하지 않지만, 두꺼운 Al-함유층들이 결정의 극성 {0001} c-면들을 따른 패시트 클리빙을 보조하도록 개발될 수 있다. 두꺼운 InGaN QW들을 가지는 m-면 Ga,Al,In,B)N LD들의 경우에 대하여, 두꺼운 n-형 Al-함유층들이, p-형 Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구 없이, 극성 {0001} c-면들을 따른 패시트 클리빙을 보조하기 위해 사용될 수 있다.
통상의 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 p-형 Al-함유 도파로 피복층들의 사용은, 몇가지 제조-관련 문제들을 가져올 수 있다. 일반적으로, p-형 Al-함유층들은 비교될 수 있는 p-형 GaN층들보다 보통 더 높은 비저항을 가지며, p-형 Al-함유층들이 없는 유사한 소자들에서보다 p-형 Al-함유층들을 가지는 소자들에 대하여 더 높은 동작 전압들을 가져온다. 또한, p-형 Al-함유층들은 비교될 수 있는 p-형 GaN층들보다 통상적으로 더 높은 성장 온도들에서 성장되며, 이는 고-인듐-함량 InGaN QW들을 열적으로 저하시킬 수 있다. p-형 Al-함유 도파로 피복층들이 없는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 구현은 상기 문제들의 많은 부분을 완화시킬 것이다.
마찬가지로, 개선된 패시트 클리빙 수율은 무극성 및 반극성 (Ga,Al,In,B)N 소자 제조자들에게 많은 이점들을 제공할 것이며, 이는 향상된 전체 소자 수율, 더 높은 패시트 안정성, 더 높은 COD(catastrophic optical damage) 수준들, 및 더 긴 소자 수명들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
상술한 종래 기술에서의 한계점들을 극복하기 위해, 그리고, 본 명세서를 읽고 이해함으로써 분명해질 다른 한계점들을 극복하기 위해, 본 발명은 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 구조물을 개시한다.
상기 구조물은 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속을 제공하는 도파로 코어, 및 특정 결정면을 따른 패시트 클리빙을 보조하기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들을 포함하는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 포함한다.
상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층은, 종래의 레이저 다이오드에서 InGaN 양자 우물들로부터 방출되는 빛의 충분한 광 구속을 제공하기 위해 사용되는 알루미늄-함유층으로서 정의될 수 있으며, 종래의 레이저 다이오드에서 상기 InGaN 양자 우물들은 4 nm 이하의 두께를 갖는다.
상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는 상기 도파로 코어로 기능하는 양자 우물 활성 영역을 포함할 수 있다. 상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는, 양자 우물 활성 영역, 및 상기 양자 우물 활성 영역에 광학적으로 커플링(coupling)되며 GaN보다 큰 굴절률을 가지는 하나 이상의 도파로층들을 포함할 수 있고, 상기 도파로층들 및 상기 양자 우물 활성 영역은 함께 상기 도파로 코어로서 기능한다.
상기 양자 우물 활성 영역, 또는 상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들은, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위하여 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공할 수 있다.
상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적게, 또는 멀리 떨어질 수 있다.
상기 소자는 n-형 AlGaN 피복층들이 없거나 또는 예를 들어, 상기 도파로 코어에 대한 피복으로 기능하도록 배치되는 AlInGaN 피복층들을 포함할 수 있다. 상기 소자는 p-형 Al-함유 피복층들이 없는 구조물을 포함할 수 있다.
상기 소자는 상기 레이저 캐비티의 마주보는 양단들에서, 상기 레이저 캐비티의 거울(mirror)들로 기능하는, 제1 패시트 및 제2 패시트에 의해 둘러싸인 레이저 캐비티(cavity)를 더 포함하며, 상기 제1 패시트 및 상기 제2 패시트는 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들이 없는 소자 구조물에서의 "클리빙된 상태의(as cleaved)" 패시트들에 비하여 더 평면적이고 일직선인 "클리빙된 상태의" 패시트들이다.
본 발명에 따르면, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선할 수 있다.
도면들이 참조되며, 도면들 전체에서 동일한 참조 번호들은 대응되는 부분들을 나타낸다.
도 1a는 샘플 A의 에피텍셜 구조물의 개략적인 단면도이고, 도 1b는 샘플 B의 에피텍셜 구조물의 개략적인 단면도이며, 도 1c는 샘플들 A 및 B에서 사용된 5기 MQW 구조물의 두 개의 기들을 도시한다.
도 2a는 샘플 A의 계산된 1-차원(1-D) 횡 모드 프로파일을 성장 방향(미터, m)을 따른 샘플 A의 위치의 함수로서 굴절률 및 전기장 세기(임의의 단위, a.u.)로 도시하며, 도 2b는 샘플 B의 계산된 1-D 횡 모드 프로파일을 성장 방향(m)을 따른 샘플 B의 위치의 함수로서 굴절률 및 전기장 세기(a.u.)로 도시한다.
도 3a는 스크라이빙 후, 클리빙 전의 샘플 A의 상부면의 광학 현미경 사진이며, 도 3b는 스크라이빙 후, 클리빙 전의 샘플 B의 상부면의 광학 현미경 사진이고, 수직 및 수평 스케일은 도 3a 및 도 3b 모두에서 20 ㎛이며, [10-10], [0001], 및 [11-20] 방향들도 도시된다.
도 4a는 클리빙 후 샘플 A의 상부면의 광학 현미경 사진이며, 도 4b는 클리빙 후 샘플 B의 상부면의 광학 현미경 사진이고, 수직 및 수평 스케일은 도 3a 및 도 3b 모두에서 125 ㎛이며, [10-10], [0001], 및 [11-20] 방향들도 도시된다.
도 5a는 샘플 A에 대한 레이저 바 당 패시트 클리빙 수율의 히스토그램이고, 도 5b는 샘플 B에 대한 레이저 바 당 패시트 클리빙 수율의 히스토그램이다.
도 6은 반도체 광전자 소자의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
바람직한 실시예의 아래의 설명에서, 본 명세서의 일부를 이루는 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 도면들은 본 발명이 실행될 수 있는 특정 실시예를 설명하는 방식으로 나타난다. 다른 실시예들이 활용될 수 있으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조적 변화들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
명명(nomenclature)
GaN 및 알루미늄 및 인듐이 편입된 그의 3성분 및 4성분 화합물들(AlGaN, InGaN, AlInGaN)은 공통적으로 본 명세서에서 사용되는 것과 같은 (Al,Ga,In)N, Ⅲ-질화물, Ⅲ족-질화물, 질화물, Al(1-x-y)InyGaxN( 0 < x < 1이고, 0 < y < 1), 또는 AlInGaN 용어들을 사용하여 지칭된다. 모든 상기 용어들은 등가임이 의도되며, 상기 Ⅲ족 금속종들의 2성분, 3성분, 4성분 조성물들뿐 아니라 단일종들, Al, Ga, 및 In 각각의 질화물들을 포함하도록 넓게 해석된다. 따라서, 상기 용어들은, 상기 명명에 포함되는 종들인 3성분 화합물들 AlGaN, GaInN, 및 AlInN, 및 4성분 화합물 AlGaInN뿐 아니라 화합물들 AlN, GaN, 및 InN을 포괄한다. (Ga, Al, In) 성분 종들 중 두 개 이상이 존재하는 경우, 화학양론적(stoichiometric) 비들과 "비-화학양론적(off-stoichiometric)" 비들(조성 내에 존재하는 각각의 (Ga, Al, In) 성분 종들의 상대적인 몰분율들에 대한)을 포함하는, 모든 가능한 조성들이 본 발명의 넓은 범위 내에서 사용될 수 있다. 따라서, GaN 물질들을 주로 참조하는 이하의 발명의 논의는 다양한 다른 (Al, Ga, In)N 물질 종들의 형성에 적용가능함이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 범위 내의 (Al, Ga, In)N 물질들은 미량의 도펀트들 및/또는 다른 불순물 또는 함유된 물질들(inclusional material)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 개시 전체에서, 층 물질 앞의 접두어들 n-, p-, 및 p++-은 상기 층 물질이 각각 n-형, p-형, 또는 고농도 p-형 도핑되었음을 나타낸다. 예를 들어, n-GaN은 상기 GaN이 n-형 도핑되었음을 나타낸다.
GaN 또는 Ⅲ-질화물계 광전자 소자들에서 자발 및 압전 분극 효과들을 제거하기 위한 한 가지 방법은 Ⅲ-질화물 소자를 결정의 무극성 면들 상에 성장시키는 것이다. 상기 면들은 동일한 수의 Ga(또는 Ⅲ족 원자들) 및 N 원자들을 포함하며 전하-중립적이다. 또한, 후속의 무극성 층들은 서로에 대하여 동등하여, 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극되지 않을 것이다. GaN 내의 대칭-등가 무극성 면들의 두 개의 패밀리들은, 총괄하여 a-면들로 알려진 {11-20} 패밀리, 및 총괄하여 m-면들로 알려진 {1-100} 패밀리이다. 따라서, 무극성 Ⅲ-질화물은 Ⅲ-질화물 결정의 (0001) c-축에 대하여 수직인 방향을 따라 성장된다.
(Ga,Al,In,B)N 소자들 내에서 분극 효과들을 감소시키기 위한 다른 방법은 소자들을 결정의 반극성 면들 상에 성장시키는 것이다. "반극성 면(semipolar plane)"의 용어는 c-면, a-면, 또는 m-면과 같이 분류되지 못하는 임의의 면을 지칭하는 데 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 인덱스들 및 0이 아닌 l 밀러 인덱스를 가지는 임의의 면이 될 것이다.
기술적 설명
본 발명은 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD들의 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위해 이용될 수 있는 구조를 설명한다. 발명자들은 미쓰비시(Mitsubishi) 화학 주식유한회사에 의해 제조된 독립(free-standing) m-면 GaN 기판들 상에 유기 금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)에 의해 성장된 (Ga,Al,In,B)N 소자들에 대하여 상기 효과들을 실험적으로 증명하였다. 상기 기판들은 c-방향으로 수소화물 기상 에피텍시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)에 의해 성장되었으며, m-면 표면이 노출되도록 슬라이싱(slicing)되었다. 상기 m-면 표면은 화학적 및 기계적 표면 처리 기술들에 의해 준비되었다. 상기 기판들은 제조자에 의해 측정된 것과 같이, 5 x 106 cm-2보다 작은 관통 전위(threading dislocation) 밀도, 약 1 x 1017 cm-3의 캐리어 농도, 및 1 nm보다 작은 RMS(root mean square) 표면 거칠기를 갖는다.
MOCVD 성장 조건들은 c-면 (Ga,Al,In,B)N 박막들에서 통상적으로 사용되는 것과 매우 유사하였다. 모든 MOCVD 성장은 대기압(atmospheric pressure, AP)에서, 통상적인 V/Ⅲ 비(>3000), 및 통상적인 성장 온도(>1000 ℃)로 수행되었다. 트리메틸갈륨(trimethylgallium, TMGa) 또는 트리에틸갈륨(triethylgallium, TEGa), 트리메틸인듐(trimethylindium, TMIn), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum, TMAl), 암모니아(NH3), 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Bis(cyclopentadienyl)magnesium, Cp2Mg), 및 실란(SiH4)이 각각 Ga, In, Al, N, Mg, 및 Si 전구체들로 사용되었다.
두 개의 다른 샘프들(샘플 A(100) 및 샘플 B(102))이 패시트 클리빙 수율에 대한 두꺼운 n-형 Al-함유층들의 효과를 평가하기 위해 성장되었다. 샘플 A(100) 및 샘플 B(102)의 개략도들이 도 1a 및 도 1b에 각각 도시된다.
제1 샘플(샘플 A(100))은 두꺼운 Al-함유층들을 포함하지 않았으며, 다른 문헌들에 보고된 AlGaN-피복없는(AlGaN-cladding-free, ACF) LD 구조들과 유사하였다[참조 2, 3]. ACF LD 구조는, 10 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-GaN 템플레이트층(104), 8 nm 두께의 In0 .10Ga0 .90N QW들 및 8 nm 두께의 GaN 장벽들을 포함하는, 5기(period)의 도핑되지 않은 In0 .10Ga0 .90N/GaN 다중-양자 우물(multiple-quantum-well, MQW) 구조(106), 15 nm 두께의 Mg-도핑된 p-Al0 .12Ga0 .88N 전자 블록킹층(108), 1 ㎛ 두께의 Mg-도핑된 p-GaN 피복층(110), 및 20 nm 두께의 고농도 Mg-도핑된 p++-GaN 콘택층(112)을 포함하였다. 전체 구조물에서 유일한 Al-함유층이 15 nm 두께의 Mg-도핑된 p-Al0 .12Ga0 .88N 전자 블록킹층(108)이었다.
제2 샘플(샘플 B(102))은 제1 샘플(100)과 매우 유사하였으며, 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위하여 추가의 두꺼운 Al-함유 클리브 보조층(113)(CAL)을 포함하였다. 샘플 B는 10 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-GaN 템플레이트층(104), 1 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL(114), 1 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-GaN 스페이서층(116), 8 nm 두께의 In0 .10Ga0 .90N QW들 및 8 nm 두께의 GaN 장벽들을 포함하는, 5기의 도핑되지 않은 In0 .10Ga0 .90N /GaN MQW 구조(106), 15 nm 두께의 Mg-도핑된 p-Al0.12Ga0.88N 전자 블록킹층(108), 1 ㎛ 두께의 Mg-도핑된 p-GaN 피복층(110), 및 20 nm 두께의 고농도 Mg-도핑된 p++-GaN 콘택층(112)을 포함하였다. 전체 구조물에서 유일한 두꺼운 Al-함유층이 1 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL(114)이었다. 전체 구조물에서 유일한 p-형 Al-함유층이 15 nm 두께의 Mg-도핑된 p-Al0 .12Ga0 .88N 전자 블록킹층(108)이었다.
c-면 GaN 기판들 상에 성장된 종래의 (Ga,Al,In,B)N LD들과 달리, 상기에 설명된 구조물들은 상대적으로 두꺼운(8 nm) In0 .10Ga0 .90N QW들을 포함하였다.
도 1a 및 도 1b는 층들(104, 114, 116, 106, 108, 110, 112) 각각의 두께들(118, 120, 122, 124, 126, 128, 130)도 도시한다. 소자 구조물(102)의 총 두께(132)도 도시된다.
도 1c는 GaN 장벽들(136) 사이의 InGaN 양자 우물들(134)을 포함하는, 두 개의 기(period)들의 5기 MQW 구조(106)를 도시하며, 양자 우물들(134)은 두께(138)를 가지고, 장벽층들(136)은 두께(140)를 가진다.
또한, 도 1a 및 도 1b는 LD의 제1 패시트(142) 및 제2 패시트(144)를 도시한다. 소자층들(106-112)은 템플레이트층(104)의 표면 상에 퇴적되며, 표면(146)은 Ⅲ-질화물의 m-면이고, 패시트들(142, 144)은 c-면들(Ⅲ-질화물의 c-축에 수직함)이다.
도 2a에 샘플 A에 대해 계산된 1-D 횡 모드(transverse mode) 프로파일(200)이 도시된다. 상기 모델은, GaN, Al0 .06Ga0 .94N, In0 .10Ga0 .90N, 및 Al0 .12Ga0 .88N층들 각각에 대하여 2.522, 2.487, 2.730, 및 2.451의 405 nm 파장에서의 굴절률 값들을 사용하였다. 계산된 모드 프로파일(200)에 의해 도시된 것과 같이, 두꺼운 In0.10Ga0.90N 양자 우물들(QW)은 Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구 없이 광 모드(200)의 적절한 횡 도파로를 제공하였다. 본 구조에 대하여 계산된 횡 구속 인자(transverse confinement factor)(Γ)는 0.142이었다. 도 2a는 n-GaN층(104), p-AlGaN 전자 블록킹층(EBL)(108), 및 p-GaN층(110)도 나타낸다.
도 2b는 샘플 B에 대한 계산된 1-D 횡 모드 프로파일을 도시하며, In0.10Ga0.90N /GaN MQW 1 ㎛ 아래에 위치하는 1 ㎛ Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL을 포함하는 것을 제외하고, 샘플 A와 매우 유사하다. 계산된 모드 프로파일(202)에 의해 도시된 것과 같이, 상기 1 ㎛ Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL은 광 모드(202)에 거의 영향을 미치지 않으며, 광 모드(202)는 주로 In0 .10Ga0 .90N/GaN MQW에 의해서 가이드되었다. 본 구조에 대하여 계산된 횡 구속 인자(Γ)는 구조 A에서와 동일하게 0.142이었다. 따라서, 비록 샘플 B가 두꺼운 n-형 Al-함유 CAL을 포함하지만, 여전히 ACF LD 구조로 지칭된다. 도 2b는 n-GaN층(104), p-AlGaN EBL(108), p-GaN층(110), 및 n-형 AlGaN CAL(114)도 나타낸다.
MOCVD 성장에 이어서, 샘플들 A 및 B는 기계적 그라인딩(grinding) 및 랩핑(lapping)에 의해 약 50 ㎛의 두께로 박형화되었다. 다음으로, 패시트 클리빙을 위한 샘플들을 준비하기 위해 주기적 생략-스크라이빙(periodic skip-scribing) 기술과 함께 다이아몬드-바늘계(diamond-stylus-based) 웨이퍼 스크라이빙 도구가 사용되었다. 상기 생략-스크라이빙 기술은, 웨이퍼에 대하여 주기적인 85 ㎛ 생략 단계들 및 115 ㎛ 스크라이빙 단계들의 동일 선상(colinear)의 세트로 웨이퍼의 에피텍셜 면을 스크라이빙하는 단계로 이루어졌다. 샘플들 A 및 B 모두에 대하여, 스크라이빙 방향은 결정의 a-축으로 정렬되었다. 상기 생략 단계들 중에, 웨이퍼를 스크라이빙하기 위한 다이아몬드 바늘은 웨이퍼의 표면으로부터 들어 올려지며, 웨이퍼는 85 ㎛의 거리 동안 스크라이빙되지 않는다. 상기 85 ㎛의 생략 길이는 완전히 공정된 LD 샘플에서 통상적으로 리지(ridge) 도파로 LD 구조물이 위치하게 되는 곳이다. 샘플들 A 및 B을 스크라이빙하기 위해, 유사한 바늘 각도들, 바늘 압력들, 절단 속도들, 절단 깊이들, 및 웨이퍼 마운팅이 사용되었다.
도 3a 및 도 3b는 스크라이빙 후, 클리빙 전의 샘플들 A 및 B의 상부면들(이 경우 p++ 콘택층(112)의 상부면)의 대표적인 광학 현미경 사진들을 각각 나타낸다. 두 사진들은 상대적으로 고배율(50×)로 촬영되었으며, 단일 생략-스크라이빙 단계만을 나타낸다. 샘플 A의 경우, 생략된 영역(300)은 스크라이빙 공정 중에 크래킹(cracking)되지 않았다. 그러나, 샘플 B의 경우, 생략된 영역은 스크라이빙 공정 중에 {0001} 결정면을 따라 직선(302)으로 자발적으로 크래킹되었으며, 두 개의 인접한 스크라이브 라인들(304, 306)을 연결하였다. 정확한 매커니즘은 알려지지 않았지만, 발명자들은 샘플 B에서의 자발적 크래킹(302)은 비등방성으로-변형된 두꺼운 n-형 Al-함유 CAL에 축적된 변형 에너지와 관련이 있는 것으로 생각한다. 도 3a 및 도 3b에서, 화살표들은 [0001] 및 [11-20] 결정 방향들을 나타내며, 점을 둘러싼 원은 [10-10] 결정 방향을 나타낸다.
스크라이빙 공정이 완료된 후, 샘플들 A 및 B는 종래의 LD 제조 중에 형성된 바들과 유사한 크기 및 형상의 바들로 클리빙되었다. 유사한 샘플 마운팅 및 클리빙 기술들이 두 개의 샘플들에 대해 사용되었다. 도 4a 및 도 4b는 클리빙 후의 샘플들 A 및 B의 p++ 콘택층(112)의 표면들의 대표적인 광학 현미경 사진들을 각각 나타낸다. 두 개의 사진들은 상대적으로 저배율(20×)로 촬영되었으며, 여러 개의 생략-스크라이빙 단계들을 나타낸다. 도면들에서 빗금친 구역들은 스크라이빙된 영역들에 대응되며, 빗금치지 않은 구역들은 생략된 영역들에 대응된다. 샘플 A의 경우, 생략된 영역은 통상적으로 반드시 결정면을 따라 클리빙되지 않으며, 흔히 비-결정학적 곡선 또는 사선(400)으로 크래킹되어 두 개의 인접한 스크라이브 라인들(402, 404)을 연결한다. 그러나, 샘플 B의 경우, 생략된 영역은 {0001} 결정면을 따라 직선(406)으로 일관되게 클리빙되며, 두 개의 인접한 스크라이브 라인들(408, 410)을 연결한다. 각 샘플로부터 여러 개의 바들을 검사한 결과 동일한 경향을 나타낸다. 패시트 품질 및 클리빙 균일성을 개선하는 정확한 매커니즘은 알려지지 않았지만, 발명자들은 비등방성으로-변형된 두꺼운 n-형 Al-함유 CAL에 축적된 변형 에너지와 관련이 있는 것으로 생각한다. 도 4a 및 도 4b에서, 화살표들은 [0001] 및 [11-20] 결정 방향들을 나타내며, 점을 둘러싼 원은 [10-10] 결정 방향을 나타낸다.
도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b에 제공된 데이터는 패시트 클리빙 수율이 두꺼운 n-형 Al-함유 CAL들을 가지는 샘플들에서 증가한다는 정성적 증거를 제공한다. 도 5에서, 발명자들은 상기 관찰들을 정량화하려고 시도한다. 도 5a 및 도 5b는 각각 샘플들 A 및 B에 대한 레이저 바 당 패시트 수율의 히스토그램들을 도시한다. 각 레이저 바는 약 20 개의 생략 영역들을 포함하였다. 각 레이저 바의 각 생략 영역에 대한 각 클리빙의 품질은 광학 현미경으로 평가되었다. 광학 현미경에 의해 관찰된 것과 같이 완전하게 직선인 생략된 영역들은 성공적 클리빙들로 카테고리화되었으며, 어떤 식으로든 사선 또는 곡선화된 생략된 영역들은 성정하지 못한 클리빙들로 카테고리화되었다. 레이저 바 당 패시트 수율은 각 샘플에 대하여 히스토그램으로 표시되었다. 도 5a에 도시된 것과 같이, 샘플 A에 대한 바 당 패시트 수율은 0.429 내지 0.800의 범위에 놓이며, 바 당 평균 패시트 수율은 0.579이고, 표준 편차는 0.113이다. 대조적으로, 도 5b에 도시된 것과 같이, 샘플 B에 대한 바 당 패시트 수율은 0.478 내지 0.773의 범위에 놓이며, 바 당 평균 패시트 수율은 0.705이고, 표준 편차는 0.103이다. 패시트 클리빙 수율을 개선하는 정확한 매커니즘은 알려지지 않았지만, 발명자들은 비등방성으로-변형된 두꺼운 n-형 Al-함유 CAL에 축적된 변형 에너지와 관련이 있는 것으로 생각한다.
공정 단계들
도 6은 반도체 광전자 소자의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다. 상기 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다.
블록 600은 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들을 예를 들어, n-형 GaN 템플레이트의 m-면, 무극성 면, 또는 반극성면 상에 퇴적하는 단계를 나타내며, 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 LD의 특정 결정면을 따른 패시트 클리빙을 보조하는 데 이용될 수 있다. 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 레이저 캐비티(cavity)를 위한 거울(mirror)들로 작용하는 소자들의 패시트들의 자발적 클리빙을 위해 충분히 두꺼울 수 있다. 예를 들어, n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 50 nm 내지 2000 nm 사이의 두께일 수 있으며, 3% 내지 30% Al 조성을 가지는 AlGaN을 포함할 수 있지만, 본 발명은 상기 두께 및 조성 범위에 한정되지 않는다. 일 예에서, 특정 과학적 이론에 얽매이지 않고, 상기 CAL은 충분히 두껍고 및/또는 충분히 높은 Al 조성을 가져서, 크랙들을 형성하는 너무 두껍고 및/또는 높은 Al 조성을 가지지 않고, 상당한 양의 변형 에너지가 존재하며, 예를 들어, 두께/조성은 크래킹 한계 바로 아래에 있을 수 있다(예를 들어, 참조 20의 도 1a에 기초함) 그러나, 상술한 것과 같이, 본 발명은 상기 두께/조성에 한정되지 않는다.
템플레이트(도 1b의 104)는 표면(146)을 가지는 Ⅲ-질화물(예컨대, GaN) 기판일 수 있으며, 후속으로 퇴적되는 Ⅲ-질화물 소자층들이 무극성 또는 반극성층들이 되도록, 상기 표면은 무극성면 또는 반극성면, 또는 무극성면에 대하여 오프-축(off-axis)일 수 있다.
블록 602는 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 상에 n-GaN 스페이서층을 퇴적하는 단계를 나타낸다.
블록 604는 상기 스페이서층 또는 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 상에 제1 도파로층(waveguiding layer)을 퇴적하는 단계를 나타낸다.
블록 606은 상기 제1 도파로층, 상기 스페이서층, 또는 상기 n-형 알루미늄-함유층들 상에 양자 우물 활성 영역을 퇴적하는 단계를 나타낸다. 양자 우물 활성 영역은 도파로 코어(waveguide core)로서 기능할 수 있다(예를 들어, 양자 우물은 도파로 코어일 수 있다). 상기 양자 우물 활성 영역은 예를 들어, 도 2b에 도시된 것과 같이, p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위해 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공할 수 있다.
그러나, 양자 우물층들을 포함하는, 상기 양자 우물 활성 영역은 적어도 도 2b에 도시된 것과 같은 레이저의 광 모드를 구속하기 위해 충분히 두꺼울 수 있으며, 상기 양자 우물층들은 양자 우물로 생각되도록 통상적으로 충분히 얇고, 양자 구속을 제공한다. 상기 양자 우물 활성 영역은 통상적으로 복수의 양자 우물들을 포함하며, 상기 복수의 양자 우물들은 통상적으로 2 내지 20 nm의 두께(이에 한정되지 않음)를 가지는 InGaN 양자 우물들, 및 통상적으로 5 내지 20 nm의 두께(이에 한정되지 않음)를 가지는 GaN 장벽들을 포함한다. 일 예에서, 예컨대 m-면 소자에서, 예를 들어, 상기 양자 우물들에 대하여 4 nm보다 큰 두께가 사용될 수 있다.
상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들에 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적거나, 또는 멀리 떨어질 수 있으며, 광 모드의 재분배 효과를 가지거나 가지지 않을 수 있다.
블록 608은 상기 양자 우물 활성 영역 상에 AlGaN 전자 블록킹층을 퇴적하는 단계를 나타낸다.
블록 610은 상기 양자 우물 활성 영역 상에 제2 도파로층을 퇴적하는 단계를 나타낸다. 블록들 604 및 610에서 하나 이상의 도파로층들은 예를 들어, GaN보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들은 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 한정하기 위해 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공할 수 있다.
블록 612는 상기 제2 도파로층 상에 피복층, 예를 들어 Mg 도핑된 p-GaN 피복층을 퇴적하는 단계를 나타낸다.
블록 614는 상기 피복층 상에 p++ GaN 콘택층을 퇴적하는 단계를 나타낸다.
블록 616은 상기 단계들의 최종 결과인, 광전자 소자층들 또는 구조물을 포함하는 웨이퍼를 나타낸다. 블록들 600-614의 퇴적 단계들은 예컨대 MOCVD 성장 또는 다른 성장법들(예컨대, MBE 등)에 의해 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
블록 618은 상기 소자 구조물을, 예를 들어 기계적 그라인딩 및 랩핑에 의해 통상적으로 100 ㎛ 이하의 두께(이에 한정되지 않음)로 박형화(thinning)하는 단계를 나타낸다.
블록 620은 상기 소자 구조물을 포함하는 웨이퍼 상에 주기적 생략-스크라이빙(skip-scribe) 기술을 수행하는 단계를 나타내며, 이에 의해 개별 소자들로 패시트 클리빙하기 위한 웨이퍼가 준비된다. 상기 생략-스크라이빙 기술은 상기 웨이퍼에 대하여 생략 단계들 및 스크라이빙 단계들의 동일 선상의 세트로 상기 웨이퍼의 에피텍셜 면을 스크라이빙하는 단계(예컨대, 다이아몬드 바늘과 같은 스크라이브로)를 포함할 수 있다. 스크라이빙 방향은 결정의 a-축으로 정렬될 수 있다. 상기 생략 단계들 중에, 상기 웨이퍼를 스크라이빙하기 위한 스크라이브는 상기 웨이퍼의 표면으로부터 들어 올려질 수 있으며, 상기 웨이퍼는 소정 거리 동안 스크라이빙되지 않는다. 상기 생략 길이는 통상적으로 완전히 공정된 LD 샘플에서 리지 도파로 LD 구조물이 위치하게 되는 곳이다. 상기 생략된 영역은 {0001} 결정면을 따라 직선으로 자발적으로 클리빙되며, 두 개의 인접한 스크라이브 선들을 연결한다.
블록 622는 본 방법의 최종 결과물인, LD와 같은 광전자 소자를 나타낸다. 단계들은 필요에 따라 생략되거나 추가될 수 있다; 예를 들어 구동 가능한(operationa) LD 소자의 공정에서 사용되는 다른 단계들이 수행될 수 있다.
블록 622의 반도체 광전자 소자는, p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이, 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속(예컨대, 레이저 동작을 위한 충분한 광 구속)을 제공하는 도파로 코어, 및 상기 도파로 코어 위 또는 아래의 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들을 포함하는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD를 포함할 수 있으며, 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 통상적으로 상기 도파로 코어의 아래 또는 상기 도파로 코어와 기판 또는 GaN 템플레이트의 사이에 위치한다.
상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층은 종래의 소자에서 종래의 소자들의 구동을 위한 충분한 광 구속을 제공하기 위해 필수적인 알루미늄-함유층으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층은 종래의 LD에서 InGaN 양자 우물 활성 영역으로부터 방출되는 빛의 충분한 광 구속을 제공하기 위해 사용되는 알루미늄-함유층으로서 정의될 수 있으며, 종래의 LD의 양자 우물 활성 영역에서의 InGaN 양자 우물은 c-면 극성이거나 및/또는 예컨대, 4 nm 이하의 두께를 갖는다.
무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD는 양자 우물 활성 영역 및/또는 GaN보다 큰 굴절률을 가지는 하나 이상의 도파로층들을 포함할 수 있다. 상기 양자 우물 활성 영역은 도파로 코어로서 기능할 수 있으며, 또는 상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들이 함께 도파로 코어로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD는 양자 우물 활성 영역, 및 GaN보다 큰 굴절률을 가지고, 상기 양자 우물 활성 영역에 광학적으로 커플링되는 하나 이상의 도파로층들을 포함할 수 있으며, 상기 도파로층들 및 상기 양자 우물 활성 영역은 함께 도파로 코어로서 기능할 수 있다.
상기 양자 우물 활성 영역, 또는 상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들은, p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 내에 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위해 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공할 수 있다.
상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들에 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적거나, 또는 멀리 떨어질 수 있다.
상기 소자는 AlGaN 피복층들이 없을 수 있으며, 또는 예를 들어 녹색 발광 반극성 LD에서와 같이, 상기 도파로 코어에 대해 피복으로 작용하도록 위치하는 AlInGaN 피복층들을 포함할 수 있다.
상기 소자는 레이저 캐비티의 마주보는 양단들의, 레이저 캐비티의 거울들로 기능하는 제1 패시트(142) 및 제2 패시트(144)에 의해 둘러싸인 레이저 캐비티를 더 포함할 수 있으며, 제1 패시트(142) 및 제2 패시트(144)는 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들이 없는 소자 구조물에서의 "클리빙된 상태의(as cleaved)" 패시트들에 비하여 단면에서 보다(예를 들어, 도 4a의 클리빙된 표면(400)에 비하여) 평면적이고 일직선인 "클리빙된 상태의" 패시트들 (예컨대, 추가의 연마 없음)(406)이다.
일 예에서, 일직선의 패시트들은 5 도보다 작은(이에 한정되지 않음) "클리빙된 상태의" 패시트들과 레이저 리지 사이의 각에 의해 특성화된다.
따라서, 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 LD의 특정 결정면을 따른 패시트 클리빙(142, 144)을 보조하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, LD가 m-축 방향을 따라 m-면 GaN 기판 상에 성장되는 경우, 클리빙된 패시트들(142, 144)의 표면은 우르자이트 결정 구조의 c-면(즉, 클리빙된 패시트(142, 144)에 수직한 c-축 방향)일 수 있다. 그러나, 소자들은 다른 면들 및 다른 방향들을 따라 클리빙된 패시트들 상에 성장될 수 있다.
가능한 변경들 및 변화들
성장 온도, 성장 압력, V/Ⅲ 비, 전구체 유동들, 및 소스 물질들과 같은 MOCVD 성장 조건들의 변화들도 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 가능하다. 계면 품질의 제어는 공정의 중요한 측면이며, 특정 반응기 디자인들의 유동 스위칭 능력(flow switching capability)들에 직접 관련된다. 성장 조건들의 계속적인 최적화는 상술한 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막의 보다 정확한 조성 및 두께 제어를 가져올 것이다.
상술한 (Ga,Al,In,B)N LD들은 독립 무극성 GaN 기판들 상에 직접적으로 성장된 다중 균일층(homogenous layer)들로 이루어졌다. 그러나, 본 발명의 범위는 변화하거나 또는 점진적인 조성들을 가지는 다중 층들로 이루어진 (Ga,Al,In,B)N LD들도 포함한다.
추가의 불순물들 또는 도펀트들이 본 발명에서 설명된 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 박막들 내로 편입(incorporating)될 수도 있다. 예를 들어, Fe, Mg, Si, 및 Zn은 (Ga,Al,In,B)N 층들 및 인접한 층들의 도전 특성을 변화시키기 위해 이종구조들 내의 다양한 층들에 종종 첨가된다. 상기 도펀트들 및 본 명세서에서 열거되지 않은 도펀트들의 사용은 본 발명의 범위 내에 속한다.
본 발명의 범위는 상기 기술적 설명에 인용된 하나의 무극성 배향(m-면) 이상을 포함한다. 또한, 이러한 아이디어는 (Ga,Al,In,B)N계 반도체 소자들을 성장시키기 위해 사용될 수 있는 모든 무극성 및 반극성 면들에 해당한다. "무극성면(nonpolar plane)"의 용어는 총괄적으로 a-면들로 알려진 {
Figure pct00004
} 면들, 및 총괄적으로 m-면으로 알려진 {
Figure pct00005
} 면들을 포함한다. "반극성면(semipolar plane)"의 용어는 c-면, a-면, 또는 m-면과 같이 분류될 수 없는 임의의 면을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 인덱스들 및 0이 아닌 l 밀러 인덱스를 가지는 임의의 면이 될 것이다.
본 발명은 특정 결정 극성들의 선택을 포함한다. 본 명세서 전체에서 중괄호들({})의 사용은 대칭-등가 면들의 패밀리를 나타낸다. 따라서, {
Figure pct00006
} 패밀리는 (
Figure pct00007
), (
Figure pct00008
), (
Figure pct00009
), (
Figure pct00010
), (
Figure pct00011
), 및 (
Figure pct00012
) 면들을 포함한다. 상기 모든 면들은 Ga-극성이며, 결정의 c-축이 기판으로부터 먼 곳을 가리킴을 의미한다. 마찬가지로, {
Figure pct00013
} 패밀리는 (
Figure pct00014
), (
Figure pct00015
), (
Figure pct00016
), (
Figure pct00017
), (
Figure pct00018
), 및 (
Figure pct00019
) 면들을 포함한다. 상기 모든 면들은 N-극성이며, 결정의 c-축이 기판을 가리킴을 의미한다. 극성의 선택은 성장 공정의 거동에 형향을 미칠 수 있지만, 단일 결정학적 패밀리 내의 모든 면들은 본 발명의 목적들을 위해 동등하다. 일부 출원들에서, N-극성 면들 상에 성장하는 것이 바람직할 것이며, 다른 경우들에서 Ga-극성 면들 상의 성장이 선호될 것이다. 두 가지 극성들 모두 본 발명의 실행에 있어 허용 가능하다.
또한, 독립 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 이외의 기판들이 (Ga,Al,In,B)N LD 성장을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 이질적(foreign) 기판들의 모든 가능한 결정학적 배향들 상의 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다. 상기 이질적 기판들은 실리콘 카바이드, 갈륨 질화물, 실리콘, 아연 산화물, 보론 질화물, 리튬 알루미네이트(lithium aluminate), 리튬 니오베이트(lithium niobate), 게르마늄, 알루미늄 질화물, 리튬 갈레이트(lithium gallate), 부분적으로 치환된 스피넬(spinel)들, 및 γ-LiAlO2 구조를 공유하는 4성분 정방정계(tetragonal) 산화물들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 핵생성(nucleation)(또는 버퍼)층들 및 행생성 층 성장 방법들의 변화들은 본 발명의 실행에 있어 허용 가능하다. 성장 온도, 성장 압력, 배향, 및 핵생성 층들의 조성은 후속의 무극성 또는 반극성 박막들 및 이종구조들의 성장 온도, 성장 압력, 배향, 및 조성과 매치되지 않아도 된다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 핵생성 층들 및 핵생성 층 성장 방법들을 이용한 모든 가능한 기판들 상의 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다.
상술한 무극성 GaN LD들은 독립 무극성 GaN 기판들 상에 성장되었다. 그러나, 본 발명의 범위는 에피텍셜 측면적으로 과성장된(epitaxial laterally overgrown, ELO) (Ga,Al,In,B)N 템플레이트들 상에 성장된 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들도 포함한다. 상기 ELD 기술은 후속의 에피텍셜층들에서의 관통 전위(hreading dislocation, TD)들의 밀도를 감소시키는 방법이다. 상기 TD 밀도를 감소시키는 것은 소자 성능의 개선들을 가져올 수 있다. c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들의 경우, 상기 개선들은 증가된 내부 양자 수율들, 감소된 문턱 전류 밀도들, 및 연장된 소자 수명들을 포함할 수 있다[참조 17]. 상기 이점들은 ELO 템플레이트들 상에 성장된 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들 모두에 해당할 것이다.
상술한 기술적 설명은, c-방향으로 수소화물 기상 에피텍시(HVPE)에 의해 성장되었으며 m-면 표면이 노출되도록 슬라이싱된, 독립된 무극성 GaN 기판들 상의 무극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 논의하였다. 독립된 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들은, 벌크 (Ga,Al,In,B)N 잉곳(ingot) 또는 불(boule)을 개개의 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들로 소잉하거나, 또는 다른 가능한 결정 성장 또는 웨이퍼 제조 기술에 의하여, 두꺼운 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N층으로부터 이질적 기판을 제거함으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 범위는, 모든 가능한 결정 성장 방법들 및 웨이퍼 제조 기술들에 의해 형성된 모든 가능한 독립 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들 상의 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다.
상술한 기술적 설명은, 소자의 동작을 위해 충분한 광 구속을 제공하기 위하여 8 nm InGaN QW 및 8 nm GaN 장벽들을 가지는, 5기의 도핑되지 않은 InGaN/GaN MQW 구조물을 포함하는 ACF (Ga,Al,In,B)N LD의 성장을 논의하였다. 그러나, 상기 소자는 GaN보다 큰 굴절률을 가지는 하나 이상의 도파로층들도 포함할 수 있었다. 상기 대안적인 구조물엥서, 양자 우물 활성 영역 및 도파로층들은 함께 도파로 코어로서 작용할 것이다. GaN보다 큰 굴절률을 가지는 임의의 도파로층들의 사용은 본 발명의 실행에 있어 적절하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나의 5 nm 양자 우물로 둘러싸인 상대적으로 두껍고 높은 In 조성의 InGaN 도파로층들(벌크의 도파로 코어를 포함함)이 사용될 수 있으며, 이 경우 총 활성 영역의 두께는 단지 5 nm이다.
그러나, 본 발명의 일부 실시예들에서, 본 발명은 특정 활성 영역 디자인을 요구하지 않는다. 예를 들어, 상기 실시예들에서, 본 발명은 패시트 클리빙을 보조하기 위해 일종의 n-형 Al-함유층들(피복 또는 그 외)을 포함하는 소자(그러나 p-형 Al-함유 피복층들을 포함하지 않음)를 단순히 제공할 수 있다.
상술한 기술적 설명은 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 거울 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위해 1 ㎛ n-형 Al0 .06Ga0 .94N CAL들을 이용하는 것을 논의하였다. 그러나, 임의의 조성 또는 두께의 하나 이상의 n-형 Al-함유 (Ga,Al,In,B)N층들이 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위해 사용되었을 수 있다. 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위한 임의의 n-형 Al-함유 (Ga,Al,In,B)N층의 사용은 본 발명의 실행에 있어 적절하다.
상술한 기술적 설명은 InGaN/GaN MQW 1 ㎛ 아래에 위치한 1 ㎛ Si-도핑된 n-Al0.06Ga0.94N CAL들을 포함하는 ACF (Ga,Al,In,B)N LD들을 성장시키는 것을 논의하였다. 도 2b에 도시된 것과 같이, 1 ㎛ Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL은 InGaN/GaN MQW 1 ㎛ 아래에 위치하였던 경우, 광 모드에 영향을 주지 않았다. 그러나, n-형 Al-함유 CAL은, 광 모드에 더욱 중대한 영향을 미치도록 활성 영역에 매우 가까이 위치할 수 있었다. 본 발명의 범위는 활성 영역에 관계된 n-형 Al-함유 CAL들의 배치와 무관하게, n-형 Al-함유 CAL들을 포함하는 모든 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들을 포함한다. n-형 Al-함유 CAL을 포함하는 임의의 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD 구조물이 본 발명의 실행에 있어 적절하며, 소자가 p-형 Al 함유 도파로 피복층들을 포함하지 않게 한다.
AlGaN CAL은 격자 매치된 4성분 AlInGaN 피복을 이용하여 LD들에 적용될 수도 있는데, 이는 AlGaN 피복없는 LD들처럼 상기 소자들이 인장 변형을 가지지 않을 수 있기 때문이다. 따라서, AlGaN CAL은 AlInGaN 피복을 포함하는 반극성 녹색 발광 LD에 사용될 수 있다.
이점들 및 개선들
위에서 언급한 것과 같이, 현재의 실행은 (Ga,Al,In,B)N LD들을 극성 [0001] c-방향을 따라 성장시키는 것이다. 관련된 분극-유도 전기장들 및 내재적으로 큰 유효 가전자대 상태 밀도는 최첨단의 c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성능에 불이익하다. 무극성 또는 반극성 면들 상의 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장은, 분극 효과들을 감소시키고 상부 두 개의 가전자대들의 이방성 변형-유도된 분리를 통해 유효 가전자대 상태 밀도를 감소시킴으로써, 소자 성능을 상당하게 개선시킬 수 있었다. 분극-유도된 전기장들을 감소시키는 것 및 유효 가전자대 상태 밀도를 감소시키는 것은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 광 이득을 산출하기 위해 필요한 전류 밀도들을 감소시킬 것이다. 이는 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 상당히 적은 가열을 가져올 것이며, 이는 더 긴 소자 수명 및 소자 제조자들을 위한 더 높은 생산 수율을 가져올 것이다.
그러나, 극성 결정면들을 따른 클리빙에 내재된 어려움들로, 소자 제조자들이 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 소자들의 예상되는 이점들을 실현하는 것이 어려울 것이다. 본 발명은, 두꺼운 p-형 Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구 없이, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD들의 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위해 사용될 수 있는 구조를 설명한다. 개선된 패시트 클리빙 수율들은 무극성 및 반극성 (Ga,Al,In,B)N 소자 제조자들을 위한 많은 이점들을 가져올 것이며, 상기 이점들은 향상된 전체 소자 수율, 더 높은 패시트 안정성, 더 높은 COD 수준들, 및 더 긴 소자 수명들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
종래의 (Ga,Al,In,B)N LD들의 경우, 두꺼운 n-형 및 p-형 Al-함유 도파로 피복층들이 패시트 클리빙 수율을 개선하기 위해 사용될 수 있었다. 그러나, 종래의 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 p-형 Al-함유 도파로 피복층들의 사용은 몇가지 제조-관련 문제들을 가져올 수 있다. 일반적으로, p-형 Al-함유층들은 비교될 수 있는 p-형 GaN층들보다 보통 더 높은 비저항을 가지며, p-형 Al-함유층들이 없는 소자들에서보다 p-형 Al-함유층들을 포함하는 소자들에 대하여 더 높은 동작 전압들을 가져온다. 또한, p-형 Al-함유층들은 비교될 수 있는 p-형 GaN층들보다 통상적으로 더 높은 성장 온도들에서 성장되며, 이는 고-인듐-함량 InGaN 양자 우물들을 열적으로 저하시킬 수 있다. p-형 Al-함유 도파로 피복층들이 없는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 구현은 상기 문제들의 많은 부분을 완화시킬 것이다.
본 발명에 대한 추가적 정보는 [참조들 21-23]에서 찾을 수 있을 것이다.
참조들
다음의 참조들은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
1. K. C. Kim, M. C. Schmidt, H. Sato, F. Wu, N. Fellows, Z. Jia, M. Saito, S. Nakamura, S. P. DenBaars, 및 J. S. Speck, Appl. Phys. Lett., 91, 181120 (2007).
2. D. F. Feezell, M. C. Schmidt, R. M. Farrell, K. C. Kim, M. Saito, K. Fujito, D. A. Cohen, J. S. Speck, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L284 (2007).
3. R. M. Farrell, D. F. Feezell, M. C. Schmidt, D. A. Haeger, K. M. Kelchner, K. Iso, H. Yamada, M. Saito, K. Fujito, D. A. Cohen, J. S. Speck, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L761 (2007).
4. K. M. Kelchner, Y. D. Lin, M. T. Hardy, C. Y. Huang, P. S. Hsu, R. M. Farrell, D. A. Haeger, H. C. Kuo, F. Wu, K. Fujito, D. A. Cohen, A. Chakraborty, H. Ohta, J. S. Speck, S. Nakamura, 및 S. P. DenBaars, "Nonpolar AlGaN-cladding-free Blue Laser Diodes with InGaN Waveguiding," to be published in Appl. Phys. Express.
5. K. Okamoto, H. Ohta, S. F. Chichibu, J. Ichihara, 및 H. Takasu, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L187 (2007).
6. K. Okamoto, T. Tanaka, M. Kubota, 및 H. Ohta, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L820 (2007).
7. T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano, 및 I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys., 36, L382 (1997).
8. J.S. Im, H. Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, 및 A. Hangleiter, Phys. Rev. B, 57, R9435 (1998).
9. F. Della Sala, A. Di Carlo, P. Lugli, F. Bernardini, V. Fiorentini, R. Scholz, 및 J.M. Jancu, Appl. Phys. Lett., 74, 2002 (1999).
10. M. Suzuki 및 T. Uenoyama, Jpn. J. Appl. Phys., 35, L953 (1996).
11. E. Yablonovitch 및 E. O. Kane, J. Lightwave Tech., 4, 504 (1986).
12. P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menninger, M. Ramsteiner, M. Reiche, 및 K. H. Ploog, Nature, 406, 865 (2000).
13. S. H. Park 및 D. Ahn, Appl. Phys. Lett. 90, 013505 (2007).
14. N. F. Gardner, J. C. Kim, J. J. Wierer, Y. C. Shen, 및 M. R. Krames, Appl. Phys. Lett., 86, 111101 (2005).
15. M. Kubota, K. Okamoto, T. Tanaka, 및 H. Ohta, Appl. Phys. Lett., 92, 011920 (2008).
16. M. Hansen: Dr. Thesis, Materials Department, University of California, Santa Barbara (2001).
17. S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T. Kozaki, H. Umemoto, M. Sano, 및 K. Chocho, Appl. Phys. Lett., 72, 211 (1998).
18. S. Nakamura 및 G. Fasol, The Blue Laser Diode, (Springer, Heidelberg, 1997). 이 책은 c-면 (Ga,Al,In,B)N 광전자 기술의 개관을 제공한다.
19. L. Coldren 및 S. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, (Wiley, New York, 1995). 4 장 및 부록 8-11은 변형된 양자 우물 레이저들의 디자인에 관련된 이론을 논의한다.
20. E. C. Young 외, Appl. Phys. Lett., 96, 041913 (2010).
21. Shuji Nakamura에 의한 슬라이드 발표, 제목 "An overview of Laser Diodes (LDs) 및Light Emitting Diodes (LEDs) Research at SSLEC", 2009 Annual Review for Solid State Lighting and Energy Center (SSLEC), University of California, Santa Barbara (2009년 11월 5일).
22. Matthew T. Hardy에 의한 슬라이드 발표, 제목 "Backend Processing for m-plane Cleaved Facet Laser Diodes and Superluminescent Diodes", 2009 Annual Review for SSLEC, University of California, Santa Barbara (2009년 11월 6일).
23. 미공개 원고, Matthew T. Hardy, Robert M. Farrell, Po S. Hsu, Daniel A. Haeger, Kathryn M. Kelchner, Kenji Fujito, Arpan Chakraborty, Daniel A. Cohen, Shuji Nakamura, James S. Speck, 및 Steven P. DenBaars, 제목 "Effect of n-AlGaN Cleave Assistance Layers on the Morphology of c-plane Cleaved Facets for m-plane InGaN/GaN Lasers Diode Structures".
결론
본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 결론짓는다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 전술은 도시 및 설명의 목적으로 기술되었다. 이는 총망라하거나 개시된 형식대로 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 많은 변형들 및 변경들이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 제한되지 않으며, 오히려 본 명세서에 첨부된 청구 범위에 의해 제한되는 것이 의도된다.

Claims (26)

  1. (ⅰ) p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 없이, 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속(optical confinement)을 제공하는 도파로 코어(waveguide core); 및
    (ⅱ) 상기 도파로 코어 상의 또는 상기 도파로 코어 아래의, 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들;
    을 포함하는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 포함하는 반도체 광전자 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 상기 레이저 다이오드의 특정 결정면을 따르는 패시트 클리빙(facet cleaving)을 보조하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층은, 종래의 레이저 다이오드에서 InGaN 양자 우물들로부터 방출되는 빛의 충분한 광 구속을 제공하기 위해 사용되는 알루미늄-함유층으로서 정의되며, 종래의 레이저 다이오드에서 상기 InGaN 양자 우물들은 4 nm 또는 그보다 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는 상기 도파로 코어로 기능하는 양자 우물 활성 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 양자 우물 활성 영역은, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들이 없이 소자의 광 모드(optical mode)를 효과적으로 구속하기 위하여 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적게 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 멀리 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는, 양자 우물 활성 영역, 및 상기 양자 우물 활성 영역에 광학적으로 커플링(coupling)되며 GaN보다 큰 굴절률을 가지는 하나 이상의 도파로층들을 포함하고,
    상기 도파로층들 및 상기 양자 우물 활성 영역은 함께 상기 도파로 코어로서 기능하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들은, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위하여 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적게 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 멀리 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 소자는 AlGaN 피복층들이 없는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 소자는 상기 도파로 코어에 대한 피복으로 기능하도록 배치되는 AlInGaN 피복층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  14. 제1 항에 있어서,
    제1 패시트 및 제2 패시트에 의해 둘러싸인 레이저 캐비티(cavity)를 더 포함하며,
    상기 제1 패시트 및 상기 제2 패시트는 상기 레이저 캐비티의 마주보는 양단들에서, 상기 레이저 캐비티의 거울(mirror)들로 기능하며, 상기 제1 패시트 및 상기 제2 패시트는 상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 없는 소자 구조물에서의 "클리빙된 상태의(as cleaved)" 패시트들에 비하여 더 평면적이고 일직선인 "클리빙된 상태의" 패시트들인 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들의 두께 및 위치는 상기 광 구속에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자.
  16. (ⅰ) p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 없이, 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속을 제공하는 도파로 코어; 및
    (ⅱ) 상기 도파로 코어 상의 또는 상기 도파로 코어 아래의, 하나 이상의 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들;
    을 포함하는 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 제조하는 단계를 포함하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들은 상기 레이저 다이오드의 특정 결정면을 따르는 패시트 클리빙을 보조하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층은, 종래의 레이저 다이오드에서 InGaN 양자 우물들로부터 방출되는 빛의 충분한 광 구속을 제공하기 위해 사용되는 알루미늄-함유층으로서 정의되며, 종래의 레이저 다이오드에서 상기 InGaN 양자 우물들은 4 nm 또는 그보다 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는 상기 도파로 코어로 기능하는 양자 우물 활성 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 양자 우물 활성 영역은, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위하여 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적게 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 멀리 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  23. 제16 항에 있어서,
    상기 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드는, 양자 우물 활성 영역, 및 상기 양자 우물 활성 영역에 광학적으로 커플링되며 GaN보다 큰 굴절률을 가지는 하나 이상의 도파로층들을 포함하고,
    상기 도파로층들 및 상기 양자 우물 활성 영역은 함께 상기 도파로 코어로서 기능하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 양자 우물 활성 영역 및 상기 도파로층들은, 상기 p-형 도핑된 알루미늄-함유 도파로 피복층들 없이, 소자의 광 모드를 효과적으로 구속하기 위하여 고굴절률을 가지는 충분한 물질을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 적게 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
  26. 제24 항에 있어서,
    상기 n-형 도핑된 알루미늄-함유층들 중 가장 가까운 것은 상기 활성 영역으로부터 500 nm보다 멀리 떨어진 것을 특징으로 하는 반도체 광전자 소자의 제조 방법.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011071568A2 (en) * 2009-08-19 2011-06-16 The Regents Of The University Of California STRUCTURE AND METHOD FOR ACHIEVING SELECTIVE ETCHING IN (Ga,A1,In,B)N LASER DIODES
US8971370B1 (en) 2011-10-13 2015-03-03 Soraa Laser Diode, Inc. Laser devices using a semipolar plane
JP5351290B2 (ja) * 2012-01-05 2013-11-27 住友電気工業株式会社 窒化物半導体レーザ、及びエピタキシャル基板
KR101908655B1 (ko) * 2012-02-16 2018-10-16 엘지이노텍 주식회사 반도체 소자의 벽개면 형성 방법
WO2014078070A1 (en) * 2012-11-06 2014-05-22 The Regents Of The University Of California (ai, in, b, ga) n based laser diodes with polished facets
CN103346224A (zh) * 2013-06-09 2013-10-09 武汉迪源光电科技有限公司 一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法
DE102014111058A1 (de) * 2014-08-04 2016-02-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung
CN105185880B (zh) * 2015-08-12 2018-04-24 厦门市三安光电科技有限公司 一种验证电流阻挡层效果的外延结构
JP2017126637A (ja) * 2016-01-13 2017-07-20 シャープ株式会社 窒化物半導体素子およびそれを用いた量子カスケードレーザ

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69204828T2 (de) * 1992-06-09 1996-05-02 Ibm Herstellung von Laserdioden mit durch Spaltung erzeugten Stirnflächen auf einem vollständigen Wafer.
JP3822976B2 (ja) * 1998-03-06 2006-09-20 ソニー株式会社 半導体装置およびその製造方法
US7138648B2 (en) * 2003-12-17 2006-11-21 Palo Alto Research Center Incorporated Ultraviolet group III-nitride-based quantum well laser diodes
JP2007533164A (ja) * 2004-04-15 2007-11-15 トラスティーズ オブ ボストン ユニバーシティ テクスチャ出しされた半導体層を特徴とする光学装置
US8211723B2 (en) * 2007-02-12 2012-07-03 The Regents Of The University Of California Al(x)Ga(1-x)N-cladding-free nonpolar III-nitride based laser diodes and light emitting diodes

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