KR20130090797A - ＧａＮ 에지 방출 레이저의 개선된 평면 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라서, GaN 에지 방출 레이저는, 반극성 GaN 기판, 활성 영역, N-측면 광도파로 층, P-측면 광도파로 층, N-형 클래딩 층, 및 P-형 클래딩 층을 포함하여 제공된다. GaN 기판은
Figure pct00008
결정 성장 평면 및 활주 평면을 정의한다. N-측면 광도파로 층 및 P-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함한다. N-측면 및 P-측면 SL 광도파로 층들의 초격자 층들은 광도파로 평면에 대해 최적화된 각각의 층 두께를 정의하고, 상기 층 두께는 1 nm 내지 5 nm이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 평탄화는 N-측면 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 약 0.09 nm/s을 초과하는 성장 속도로 성장되는 것을 확보함으로써 증가될 수 있되, N-측 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN SL로서, 또는 벌크 광도파로 층들로서 제공되는 여부와 상관없이 그러하다. 추가적인 실시예들에서, 평탄화는 최적의 SL 층 두께 및 성장 속도를 선택함으로써, 증가될 수 있다. 추가적인 실시예들은 개시되고 주장된다.

Description

ＧａＮ 에지 방출 레이저의 개선된 평면{ENHANCED PLANARITY IN GaN EDGE EMITTING LASERS}
본 출원은 2010년 5월 28일에 출원된 미국 출원 제12/789,956호를 기반으로 한 우선권 주장 출원이다. 본원에서 언급되는 본원의 내용 및 공개물, 특허물 및 특허 문헌의 전체 개시 내용은 참조로서 병합된다.
본 발명은 GaN 에지 방출 레이저에 관한 것으로, 특히 상기와 같은 레이저들의 평면을 개선시키는 설계(schemes)에 관한 것이다.
본 발명은 GaN 에지 방출 레이저 및 상기 레이저 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 발명자들이 인식한 바와 같이, 반극성 GaN 기판 상에 성장된 장파장 발광 장치는 증가된 복사 효율을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 효율적인 녹색 다이오드들은 반극성
Figure pct00001
GaN 기판들 상에서 성장될 수 있고, In 조성물도 높은 동종 GaInN 양자 우물들을 초래할 수 있다. 본 발명의 발명자들이 또한 인식하는 바와 같이, 다수의 경우에서, 상기와 같은 장치들에서 GaN 기판들 상에 성장된 헤테로-엑피택셜 GaInN 및 AlGaInN 층들의 평면을 수용하기가 어렵다. 특히, 반극성 GaN 기판들 상에 성장된 다수의 장파장 발광 장치들에 있어서, 특히 저온으로 성장되고 In을 포함한 층들 일부는 파세팅(faceting) 및 언듀얼레이션(undulation)을 나타낸다. 이러한 언듀얼레이션은 균일하지 않은 두께 및/또는 균일하지 않은 In 함량을 가진 비-평면 양자 우물들을 만들어 낼 수 있다. 최종 레이저 구조는 매우 평면화되지 않게 될 수 있고, 광도파로 및 클래딩 층들의 비-평면은 특히 과잉의 광을 손실시킬 수 있다. 양자 우물에서, 인듐 함량의 두께의 불균일성 및 변화성은 게인을 감소시킬 수 있고 방출 스펙트럼을 퍼지게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, GaN 에지 방출 레이저는, 반극성 GaN 기판, 활성 영역, N-측면 광도파로 층, P-측면 광도파로 층, N-형 클래딩 층, 및 P-형 클래딩 층을 포함하여 제공된다. GaN 기판은
Figure pct00002
결정 성장 평면 및 활주 평면을 정의한다. N-측면 광도파로 층 및 P-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함한다. N-측면 및 P-측면 SL 광도파로 층들의 초격자 층들은 광도파로 평면에 대해 최적화된 각각의 층 두께를 정의하고, 상기 층 두께는 1 nm 내지 5 nm이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서, 평탄화는 N-측면 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 약 0.09 nm/s을 초과하는 성장 속도로 성장되는 것을 확보함으로써 증가될 수 있되, N-측 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN SL로서, 또는 벌크 광도파로 층들로서 제공되는 여부와 상관없이 그러하다. 추가적인 실시예들에서, 평탄화는 최적의 SL 층 두께 및 성장 속도를 선택함으로써, 증가될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들의 다음의 상세한 설명은, 다음 도면과 함께 읽을 시에 가장 잘 이해될 수 있고, 동일 구조는 동일 참조번호로 지칭되고, 상기 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 에지 방출 레이저(edge emitting laser)의 개략적인 도면이다. 제시된 실시예의 변화는 추가된 도면을 더 참조함 없이 본원에서 기술된다.
도 1을 우선 참조하면, GaN 에지 방출 레이저(100)는 도시된 바와 같이, 반극성(semi-polar) GaN 기판(10), 활성 영역(20), N-측면 광도파로 층(30), P-측면 광도파로 층(40), N-형 클래딩 층(cladding layer)(50), 및 P-형 클래딩 층(60)을 포함한다. GaN 기판은
Figure pct00003
결정 성장 평면(crystal growth plane) 및 활주 평면(glide plane)을 정의한다. 본 발명 및 첨부된 청구항의 목적을 위해, 특히 GaN 레이저들은 GaN 기판의 극성 평면(polar plane) 상에서 종종 커지게 되고, 이는 발광에 필요한 전자-정공 재결합을 방해할 수 있는 강한 내부 필드(strong internal fields)를 제공한다. m-평면 및 a-평면 등의 비-극성 평면들은 이러한 필드들을 제거하기 위해 사용될 수 있다. GaN 기판들은 반극성 결정 평면들을 따라 절단될 수도 있고, 내부 필드를 매우 약하게 할 수 있고, 그리고 방출 파장이 녹색 파장으로 확장될 수 있는 활성 영역에서 인듐 농도가 높도록 할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들은 GaN 기판의
Figure pct00004
결정 평면 상의 성장에 관한 것이며, 이 경우에 GaN 기판은
Figure pct00005
결정 성장 평면을 정의하는 바와 같이 기술될 수 있다. GaN 기판의 해당 활주 평면은 통상적으로 기판의 c-축을 향하여 투영되는 방향으로 연장된다.
제시된 실시예에서, N-측면 광도파로 층(30) 및 P-측면 광도파로 층(40)은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층들을 포함한다. SL 광도파로 층들의 정황에서, N-측 및 P-측면 SL 광도파로 층들(30, 40)의 초격자 층들은 광도파로 평면에 최적화된 각 층 두께를 정의하고, 층 두께는 약 1 nm 내지 약 5 nm이다. 고려할수도 있는 바와 같이, 평탄화(planarization)는 N-측 및 P-측의 GaN계 광도파로 층들(30, 40)이 약 0.09 nm/s을 초과하는 성장 속도(growth rate)로 성장되는 것을 확보함으로써 향상될 수 있되, N-측 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들(30, 40)이 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN SL로서, 또는 벌크 광도파로 층들로서 제공되는 여부에 상관없이 그러하다.
추가로 제시된 바와 같이, 활성 영역(20)은 N-측면 SL 광도파로 층(30)과 P-측면 SL 광도파로 층(40) 사이에 개재되고, 상기 층들에 실질적으로 평행하게 연장된다. N-형 클래딩 층(50)은 N-측면 광도파로 층(30)과 GaN 기판(10) 간에서 개재된다. P-형 클래딩 층(60)은 P-측면 광도파로 층(40) 상에서 형성된다. 통상적으로, 요구되지는 않지만, P-측면 SL 광도파로 층 및 N-측면 SL 광도파로 층의 각 조성물들 실질적으로 균등하다. 게다가, 다수의 경우에 있어, N-측면 SL 광도파로 층(30)은 P-측면 SL 광도파로 층(40)만큼의 두께를 적어도 가질 수 있고, 이때 N-측면 SL 광도파로 층(30)의 두께가 증가되면 통상적으로 연관된 광 손실은 감소된다.
P-측 접촉 구조(70)는 종래에 따라, 또는 GaN계 레이저의 접촉 구조에 관련된 개선되는 교시에 따라 형성될 수 있고, 이는 단지 도 1에 개략적으로 도시된다. 또한 고려될 수 있는 바와 같이, GaN계 버퍼 층(15)은 제조하는데 도움을 주기 위해 GaN 기판(10) 상에서 형성될 수 있다. 게다가 전류 차단 층들(80)은 장치 성능을 증가시키기 위해, 활성 영역(20)과, 각각의 N-측면 광도파로 층과 P-측면 광도파로 층(30, 40) 사이에서, 활성 영역(20) 위에, 그리고 활성 영역(20) 아래에 구비될 수 있다. 이러한 유형의 레이저 다이오드 구성요소들은 기술 분야의 GaN계 레이저 설계가 공지된 문헌에 기술되어 있다.
특히, 기술 분야에 공지된 문헌인 매튜스-블레이크슬리 균형 이론(Matthews-Blakeslee equilibrium theory)은 격자 정수차이로 생기는 전위 개시(onset of misfit dislocations)에 대하여 변형된 헤테로-엑피택셜 층(strained hetero-epitaxial layer)의 기준 두께의 예측을 제공한다. 이론에 따라서, 층 두께가 상기 층의 매튜스-블레이크슬리 층 두께를 초과한다면, 격자 정수차이로 생기는 전위 발생을 통한 이완성이 일어난다. 층에서 이러한 두께와 변형률의 수학적인 곱셈 치는 층의 변형률-두께 곱셈 치로 본원에서 언급된다. 본 발명의 발명자는, 본 발명에 따른 GaN계 레이저들에 대하여 N-측면 SL 광도파로 층(30)의 변형률-두께 곱셈 치가 변형률 이완성 임계 값(strain relaxation critical value)을 초과하기 위해 가공될 수 있다는 것을 인지해 왔다. 나아가, N-형 클래딩 층(50)의 변형률-두께 곱셈 치는 변형률 이완성 임계 값을 초과하기 위해 가공될 수 있다. 최종 변형률 이완성은 GaN 기판의 활주 평면을 따라 단일 방향성을 가질 수 있고, GaN계 레이저 다이오드의 성능을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, N-측면 SL 광도파로 층(30)의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 층의 변형률 이완성 임계 값을 약 10%만큼 초과한다. 또 다른 실시예에서, 활성 영역(20)의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 활성 영역의 변형률 이완성 임계 값보다 작다. 추가적인 실시예에서, N-형 클래딩 층(50)의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 층의 변형률 이완성 임계 값을 약 10% 만큼 초래한다.
활성 영역(20)은 배리어 층들(barrier layers) 및 단일 양자 우물 층 또는 다-기간 양자 우물 층들(multi-period quantum well layers)을 포함할 수 있다. 어느 경우이든, 양자 우물 층들은 통상적으로 약 1 nm 내지 약 5 nm의 두께를 가지고 배리어 층들은 약 5 nm 내지 약 30 nm의 두께를 가진다. 다수의 경우에서, 활성 영역(20)은 단일 GaInN 양자 우물 또는 다-기간 GaInN 양자 우물을 포함한다. 어느 경우이든, In 함량의 GaInN 양자 우물들은 스펙트럼 범위의 녹색 부분의 동작을 증가시키기 위해 In 함량의 N-형 SL 광도파로 층보다 크도록, 맞춰질 수 있다. 추가적으로 고려될 수 있는 실시예에서, 활성 영역은 AlGaInN 배리어 층들을 더 포함하고, In 함량의 AlGaInN 배리어 층들은 In 함량의 N-형 SL 광도파로 층보다 작도록 맞춰진다.
N-형 클래딩 층(50) 및 P-형 클래딩 층(60)은 벌크 결정의 GaN, AlGaN, 또는 AlGaInN, 또는 SL의 AlGaN/AlGaN, AlGaN/GaN, AlGaInN/AlGaInN, AlGaInN/GaN, AlGaInN/GaInN 또는 AlGaInN/AlGaN을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 GaN 에지 방출 레이저(100)가 N-측면 SL 광도파로 층(30)과 N-형 클래딩 층(50) 사이에 개재된 N-형 GaN 전이 층(55), 및 P-측면 SL 광도파로 층(40)과 P-형 클래딩 층(60) 사이에 개재된 P-형 GaN 전이 층(65)을 포함하고 있지만, 특히 이러한 층들은 장치 설계 또는 동작에 대해 중요하지 않고 생략될 수도 있다.
본 발명의 내용 및 첨부된 청구항의 목적에 대해서, 특히 GaN 레이저 다이오드에 대하여 언급된 내용은, 레이저 다이오드 구조가 GaN 기판 상에서 성장된다는 것에 주목하여야 한다. GaN 기판에 대하여 언급된 내용은 기판이 순도가 높은 GaN으로 제조되었다는 것에 주목하여야 한다.
특히, 본원에서 사용된 "바람직하게", "일반적으로" 및 "통상적으로" 등의 용어는 청구된 발명의 권리 범위에 제한되는 것으로, 또는 청구된 발명의 구조 또는 기능에 대해 특정 수단이 중요하고, 기본적이고 또는 영향력이 크다는 것을 의미하기 위해서 사용되지는 않았다. 오히려, 이러한 용어는 단지, 본원의 실시예의 특정 양태를 식별하기 위해, 또한 본원의 특정 실시예에 사용되거나 사용될 수 없는 대안적이거나 추가적인 특징을 강조하기 위해 의도되었다.
본 발명을 기술하고 정의하기 위한 목적에 있어서, 특히 용어 "실질적으로" 및 "약"은 양적인 비교, 값, 측정치, 또는 다른 표시치라고 볼 수 있는 내재된 불확실한 정도(inherent degree of uncertainty)를 표현하기 위해 본원에서 사용되었다. 용어 "실질적으로" 및 "약"은 또한, 제시된 주요 내용의 기본적인 기능의 변화를 초래하지 않고 언급된 참조 내용으로부터 변화될 수 있는 정도를 나타내기 위해 본원에서 사용되었다.
본 발명의 주제 내용은 상세한 설명 및 특정 실시예들에 기술되어 있고, 특히 본원에 개시된 다양한 상세한 설명은 본원에서 기술된 다양한 실시예들의 기본적인 구성요소인 소자들에 관련되는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 아니되되, 심지어 본 발명에 첨부된 도면 각각에 특정 소작 도시된 경우에서도 그러하다. 오히려, 본원에서 첨부된 청구항은 다양한 본 발명의 유일한 제시물로, 그리고 본원에 기술된 다양한 발명들의 해당 권리 범위로 해석되어야 한다. 나아가, 명확한 바와 같이, 변형 및 변화는 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 권리 범위로부터 벗어남 없이 가능하다. 특히, 본 발명의 일부 양태가 바람직한, 또는 특별한 이점으로 제시되었지만, 고려될 수 있는 바와 같이 본 발명은 이러한 양태들에 기본적으로 제한을 받지 않는다.
특히, 하나 이상의 다음의 청구항은 용어 "wherein"을 연결구로 사용되었다. 본 발명을 정의하는 목적에 있어서, 특히 이러한 용어는 일련의 구조 특성의 설명을 도입하기 위해 사용된 개방형 연결구(open-ended transitional phrase)로 청구항에 도입되고, 보다 일반적으로 사용된 개방형 서두 용어 "포함하는(comprising)"과 동일한 방식으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 반극성 GaN 기판, 활성 영역, N-측면 광도파로 층, P-측면 광도파로 층, N-형 클래딩 층, 및 P-형 클래딩 층을 포함한 GaN 에지 방출 레이저에 있어서,
    GaN 기판은
    Figure pct00006
    결정 성장 평면 및 활주 평면을 정의하고,
    N-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함하고,
    P-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함하고,
    N-측면 및 P-측면 SL 광도파로 층들의 초격자 층들은 광도파로 평면에 대해 최적화된 각각의 층 두께를 정의하고, 상기 층 두께는 1 nm 내지 5 nm이고,
    활성 영역은 N-측면 SL 광도파로 층과 P-측면 SL 광도파로 층 사이에 개재되고, 상기 N-측면 SL 광도파로 층 및 P-측면 SL 광도파로 층에 실질적으로 평행하게 연장되고,
    N-형 클래딩 층은 N-측면 광도파로 층과 GaN 기판 사이에 개재되고,
    P-형 클래딩 층은 P-측면 광도파로 층 상에서 형성되며, 그리고
    N-측면 SL 광도파로 층의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 N-측면 SL 광도파로 층의 변형률 이완성 임계 값을 초과하고, N-형 클래딩 층의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 N-형 클래딩 층의 변형률 이완성 임계 값을 초과하여, 그 결과 최종 변형률 이완성은 GaN 기판의 활주 평면을 따른 단일 방향성을 가지는 GaN 에지 방출 레이저.
  2. 반극성 GaN 기판, 활성 영역, N-측면 광도파로 층, P-측면 광도파로 층, N-형 클래딩 층, 및 P-형 클래딩 층을 포함한 GaN 에지 방출 레이저를 제조하는 방법에 있어서,
    GaN 기판은
    Figure pct00007
    결정 성장 평면 및 활주 평면을 정의하고,
    N-측면 광도파로 층은 GaN계 초격자 또는 벌크 광도파로 층을 포함하고,
    P-측면 광도파로 층은 GaN계 초격자 또는 벌크 광도파로 층을 포함하고,
    활성 영역은 N-측면 SL 광도파로 층과 P-측면 SL 광도파로 층 사이에 개재되고, 상기 N-측면 SL 광도파로 층 및 P-측면 SL 광도파로 층에 실질적으로 평행하게 연장되고,
    N-형 클래딩 층은 N-측면 광도파로 층과 GaN 기판 사이에 개재되고,
    P-형 클래딩 층은 P-측면 광도파로 층 상에서 형성되고,
    N-측면 SL 광도파로 층의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 N-측면 SL 광도파로 층의 변형률 이완성 임계 값을 초과하고, N-형 클래딩 층의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 N-형 클래딩 층의 변형률 이완성 임계 값을 초과하여, 그 결과 최종 변형률 이완성은 GaN 기판의 활주 평면을 따른 단일 방향성을 가지며,
    상기 N-측면 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들은 광도파로 평면을 최적화시키기 위해 0.09 nm/s을 초과하는 성장 속도로 성장되는 GaN 에지 방출 레이저 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    N-측면 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 성장되는 성장 속도는 0.095 nm/s인 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저 제조 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    N-측면 및 P-측면 GaN계 광도파로 층들이 성장되는 성장 속도는 0.09 nm/s 내지 0.10 nm/s인 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저 제조 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    N-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함하고,
    P-측면 광도파로 층은 GaInN/GaN 또는 GaInN/GaInN 초격자(SL) 광도파로 층을 포함하고,
    N-측면 및 P-측면 SL 광도파로 층들의 초격자 층들은 광도파로 평면에 최적화된 각각의 층 두께를 정의하기 위해 성장되며,
    상기 층 두께는 1 nm 내지 5 nm인 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    활성 영역이 개재된 N-측면 광도파로 층과 P-측면 광도파로는 GalnN/GaN SL 광도파로 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    활성 영역이 개재된 N-측면 광도파로 층과 P-측면 광도파로는 GalnN/GalnN SL 광도파로 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  8. 청구항 1에 있어서,
    N-측면 SL 광도파로 층의 변형률-두께 곱셈은 상기 N-측면 SL 광도파로 층의 변형률 이완성 임계 값을 약 10%만큼 초과하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  9. 청구항 1에 있어서,
    P-측면 SL 광도파로 층 및 N-측면 SL 광도파로 층의 각 조성물들은 실질적으로 균등하며, 그리고
    N-측면 SL 광도파로 층은 P-측면 SL 광도파로 층만큼 적어도 두꺼운 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  10. 청구항 1에 있어서,
    활성 영역의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 활성 영역의 변형률 이완성 임계 값 미만인 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  11. 청구항 1에 있어서,
    활성 영역은 배리어 층들 및 단일 양자 우물 층, 또는 다-기간 양자 우물 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  12. 청구항 11에 있어서,
    양자 우물 층들은 약 1 nm 내지 약 5 nm의 두께를 가지고,
    배리어 층들은 약 5 nm 내지 약 30 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  13. 청구항 1에 있어서,
    활성 영역은 단일 GalnN 양자 우물 또는 다-기간 GalnN 양자 우물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  14. 청구항 13에 있어서,
    In 함량의 GalnN 양자 우물들은 In 함량의 N-측면 SL 광도파로 층보다 큰 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  15. 청구항 13에 있어서,
    활성 영역은 AlGaInN 배리어 층들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  16. 청구항 15에 있어서,
    In 함량의 AlGaInN 배리어 층들은 In 함량의 N-형 SL 광도파로 층 미만인 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  17. 청구항 1에 있어서,
    N-형 클래딩 층 및 P-형 클래딩 층은 벌크 결정의 GaN, AlGaN, 또는 AlGaInN, 또는 SL의 AlGaN/AlGaN, AlGaN/GaN, AlGaInN/AlGaInN, AlGalnN/GaN, AlGalnN/GalnN 또는 AlGaInN/AlGaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
  18. 청구항 1에 있어서,
    N-측면 클래딩 층의 변형률-두께 곱셈 치는 상기 N-측면 클래딩 층의 변형률 이완성 임계 값을 약 10%만큼 초과하는 것을 특징으로 하는 GaN 에지 방출 레이저.
KR1020127033871A 2010-05-28 2011-05-26 ＧａＮ 에지 방출 레이저의 개선된 평면 KR20130090797A (ko)

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