KR20130099099A

KR20130099099A - 3족 질화물계 녹색-레이저 다이오드 및 그 도파로 구조체

Info

Publication number: KR20130099099A
Application number: KR1020137009407A
Authority: KR
Inventors: 라자람 바트; 드미트리 시조브; 충-엔 자
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-09-05
Also published as: US20120069863A1; US8897329B2; JP2013541209A; TW201220628A; CN103119809B; WO2012039997A3; CN103119809A; WO2012039997A2

Abstract

3족 질화물계 레이저 다이오드는 n-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 n측 클래딩층, n-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 n측 도파로층, 활성 영역, p-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 p측 도파로층, 및 p-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 p측 클래딩층을 포함한다. 광 모드는 n측 도파로층의 두께 및 인듐 농도의 조작을 통해 p형 층들에서의 높은 억셉터 농도의 부분으로부터 떨어져 시프트된다. 상기 p측 클래딩층 및 p측 도파로층의 도펀트 및 조성 프로파일은 광 손실을 감소시키고 월-플러그 효율을 증가시키도록 맞추어진다.

Description

3족 질화물계 녹색-레이저 다이오드 및 그 도파로 구조체{GROUP III NITRIDE-BASED GREEN-LASER DIODES AND WAVEGUIDE STRUCTURES THEREOF}

본 출원은 35 U.S.C. §120 하에 2010년 9월 20일 출원된 미국출원 제12/885,951호의 우선권의 이점을 청구한다.

본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로, 특히 녹색-발광 3족 질화물계 레이저 다이오드 및 그 도파로 구조체에 관한 것이다.

높은 월-플러그 효율(WPE; wall-plug efficiency)을 달성하기 위해 높은 광 구속 및 낮은 내부 광 손실의 조합이 레이저 다이오드에 요구되고 있다. 월-플러그 효율은 레이저 다이오드에 입력된 전기 파워에 대한 레이저 다이오드로부터 출력된 광 파워의 비율로 정의된 장점의 일반적인 비유이다. 예컨대, 장치 층들 또는 이 장치 층들 내의 전류 캐리어에 의한 광자의 흡수와 같은 내부 광 손실에 의해 광 파워 출력이 감소될 것이다. 높은 WPE는 낮은 내부 광 손실 및 높은 출력 광 손실을 갖는 구조체로부터 달성될 것이다. 그러나, 높은 출력 광 손실은 높은 광 이득을 요구한다. 만약, 광학 재료 이득이 본질적으로 선택된 재료에 의해 제한될 경우, 광 이득을 증가시키기 위한 큰 광 구속 요인이 필요하다.

이에 낮은 내부 광 손실, 높은 광 이득, 낮은 직렬 저항, 및 활성 영역 근방의 감소된 부정합 결함의 발생을 제공하는 녹색-레이저 다이오드 구성의 필요성이 이어지고 있다. 특히, 월-플러그 효율을 증가시키기 위한 최적의 재료, 층 구조, 및 층 구조 내에서의 도펀트 프로파일링을 결정할 필요성이 이어지고 있다.

본원에 기술된 실시예에 따른 3족 질화물계 레이저 다이오드는 n-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 n측 클래딩층, n-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 n측 도파로층, 활성 영역, p-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 p측 도파로층, 및 p-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 p측 클래딩층을 포함한다.

상기 활성 영역은 상기 n측 클래딩층과 상기 p측 클래딩층 사이에 삽입되고 상기 n측 클래딩층과 p측 클래딩층에 거의 평행하게 확장한다. 상기 활성 영역은 이 활성 영역이 510 nm 내지 580 nm의 레이징 파장에서 광 이득을 생성하도록 광자의 전기-펌프식 유도 방출을 위해 구성된 하나 또는 그 이상의 InGaN 양자 우물을 포함한다. 상기 n측 도파로층은 상기 활성 영역과 n측 클래딩층 사이에 삽입된다. 상기 n측 도파로층은 1 nm 내지 300 nm의 n측 도파로층 두께를 갖는다. 상기 p측 도파로층은 상기 활성 영역과 p측 클래딩층 사이에 삽입된다.

상기 p측 도파로층은 3×10¹⁷cm^-3 이하의 p측 도파로층 억셉터 농도 및 100 nm 이하의 p측 도파로층 두께를 가지며, 상기 p측 도파로층 두께는 n측 도파로층 두께 이하이다. 상기 p측 클래딩층은 제1두께부 및 제2두께부를 포함하며, 상기 제1두께부는 상기 제2두께부와 p측 도파로층 사이에 삽입된다.

일 실시예에 따르면, 상기 p측 클래딩층의 제1두께부는 20 nm 내지 200 nm의 제1부분 두께 및 3×10¹⁷cm^-3 이하의 제1부분 억셉터 농도를 갖는다. 상기 p측 클래딩층의 제2두께부는 3×10¹⁷cm^-3 이상의 제2부분 억셉터 농도를 갖는다. 추가의 실시예들이 기술된다.

본 발명의 그러한 특징 및 다른 특징들, 형태, 및 장점들은 이하의 설명, 부가된 청구항, 및 수반되는 도면을 참고하여 좀더 잘 이해될 것이다.

본 명세서가 발명을 특별히 언급하고 명확히 청구하는 청구항들을 나타낼 지라도, 본 발명이 수반되는 도면들을 참고하여 취해진 이하의 설명으로부터 좀더 잘 이해될 수 있다는 것을 확신한다.
도 1a는 본원에 기술된 실시예들에 따른 3족 질화물계 레이저 다이오드의 측면도이다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 3족 질화물계 레이저 다이오드의 활성 영역의 삽입도이다.
도 2는 본원에 기술된 실시예에 따른 예시의 3족 질화물계 레이저 다이오드의 상부에서 하부까지의 깊이의 함수로서 레이저의 굴절률 및 유도된 광 모드 밀도를 나타낸 그래프이다.

이하, 발명의 특징 및 장점들이 특정 실시예를 참고하여 기술될 것이다. 그러나, 그러한 발명은 다른 형태로 실시될 수 있으며, 본원에 기술한 실시예들로 한정하려는 것은 아니다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 전체적으로 완전해지고 통상의 기술자들에게 발명의 목적을 충분히 전달하도록 제공된다.

본원에 사용된 바와 같이, 장치 또는 장치 층과 관련된 용어 "3족 질화물계"는 그러한 장치 또는 장치 층이 3족 질화물의 기판 상에 제조되는 것을 의미한다. 3족 질화물 재료들은 한정하진 않지만 2원 질화갈륨, 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 및 질화인듐갈륨(InGaN)과 같은 3원 합금, 및 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)과 같은 4원 합금을 포함한다.

다양한 3족 질화물 성분을 나타내는 화학식의 괄호는 임의의 성분들을 나타내며, 반면 괄호의 밖의 성분들은 주어진 합금 내에 요구된 것과 관련된다. 예컨대, 기호 (Al)InGaN은 알루미늄, 또는 특히 AlN이 선택사항인 InGaN을 포함하는 합금에 대응한다. 그와 같이, "(Al)InGaN"은 "InGaN 또는 AlInGaN"과 등가이다. 마찬가지로, 기호 (Al,In)GaN은 알루미늄(특히 AlN) 및 인듐(특히 InN)이 합금 성분으로서 선택사항인 GaN을 포함하는 합금에 대응한다. 그와 같이, "(Al,In)GaN"은 "GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN"과 등가이다.

조성 또는 화학량과 같은 다른 단서 없이 사용될 경우, 비록 화학식들이 각각 Al_xGa_1-xN 또는 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN의 형태로 쓰여졌을 지라도, AlGaN 또는 AlInGaN과 같은 화학식은 전체 이용가능한 조성 범위를 강조하는 것으로 이해해야 하며, 여기서 0　＜　x　＜　1 및 0　＜　y　＜　1이며, 이에 따라 x + y ＜ 1이다. 유사하게, (Al)InGaN은 Al_xIn_yGa_1-x-yN과 등가인 것으로 이해되며, 여기서 0 ≤ x＜ 1 및 0　＜　y　＜　1이고, 이에 따라 x + y ＜ 1이다. 화학식 (Al,In)GaN은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN과 등가인 것으로 이해되며, 여기서 0 ≤ x＜ 1 및 0 ≤ y＜ 1이고, 이에 따라 x + y ＜ 1이다. 이들 조성 범위로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각 선택적 성분들에 대응하는 아래 첨자로 부여된 값들은 가능성에 따라 제로(0)를 포함하고, 반면 각각 요구된 성분들에 대한 값들은 가능성에 따라 제로를 포함하지 않는다. 일반적인 화학식(예컨대, AlGaN 또는 (Al,In)GaN)) 또는 범위 화학식(예컨대, Al_xGa₁ _- _xN 또는 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN)에 따라 기술된 소정의 주어진 층은 상기 일반적인 화학식 또는 범위 화학식에 따른 특정한 그리고 본질적으로 균일한 조성을 갖는 벌크 층, 상기 일반적인 화학식 또는 범위 화학식에 따른 평균 조성을 갖는 초격자, 상기 일반적인 화학식 또는 범위 화학식에 따른 평균 조성을 갖는 주기적 구조, 또는 상기 일반적인 화학식 또는 범위 화학식에 따른 평균 조성을 갖는 다수의 존을 포함하는 합성적 변화 구조일 수 있다.

특정 3족 성분 알루미늄, 인듐, 및 갈륨과 관련하여, 3족 질화물의 화학식에 포함되지 않은 소정의 3족 성분은 그러한 화학식으로 기술된 3족 질화물의 천연 불순물 레벨보다 더 높은 레벨로 제공되지 않는 것으로 예상된다. 예컨대, 통상 "AlGan"이 AlN 및 GaN의 합금으로서 기술되는 것으로 이해될 지라도, "GaN의 층"과 같은 용어의 설명은 "Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN의 층(여기서 x = 0 및 y = 0)"과 등가인 것으로 해석된다.

소정 층의 그러한 조성과 관련하여, "알루미늄 농도", "인듐 농도" 등과 같은 용어는 질소 원자와 3족 성분의 총 원자의 1:1 비율을 가정한 층 내의 각 성분들의 평균 농도 및 단지 3족 성분에 대한 농도와 관련된다. 달리 나타내지 않는 한, 층에서의 특정 3족 성분의 농도는 mol.%로 주어지고, 이는 100을 곱한 층에서의 3족 성분의 총 원자의 수로 나눈 층에서의 특정 3족 성분의 원자 수로서 이해된다. 장치 내의 층들의 기능에 영향을 미치지 않고 비화학량과 같은 조성의 변경이 층 내에서 일어날 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기한 규정들에 따라, "(Al,In)GaN 층이 10%의 알루미늄 농도를 갖는다"는 진술은 Al₀ _.10In_yGa₀ _.9- _yN와 같은 그러한 층에 대한 실험적 분자식의 설명과 같고, 여기서 0 ≤ y＜ 0.9이다. 대안의 방식에서 표현된 진술 "AlGaN은 10%의 알루미늄 농도를 갖는"은 10 mol.% AlN 및 90 mol.% GaN으로 이루어진 AlGaN합금층을 기술한다. 그와 같은 실험적 분자식의 설명은 평균 조성을 나타냄과 더불어 화학식에 인용된 재료에 대한 고유의 조성적 변경을 강조하기 위한 것이라는 것으로 이해되어야 한다.

명확히 반대로 나타내지 않는 한, 각각의 질화물 합금들은 예컨대 마그네슘(3족 질화물 반도체와 관련된 p형 도펀트) 또는 실리콘(3족 질화물 반도체와 관련된 n형 도펀트)와 같은 하나 또는 그 이상의 도펀트로 도핑될 것이다. 상기의 하나 또는 그 이상의 도펀트는 다양한 합금에 대한 화학식으로 나타내진 않지만 주어진 합금이 "n-도핑" 또는 "p-도핑"과 같이 각각 분리적으로 기술될 것이다. 비도핑, n-도핑, p-도핑, 또는 이들 2가지의 소정 조합과 같이 명확히 기술하지 않는 한, 각각의 질화물 합금이 비도핑, n-도핑, 또는 p-도핑이 될 것이다.

도 1a에 따르면, 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 n측 클래딩층(20), n측 도파로층(60), 활성 영역(40), p측 도파로층(70), 및 p측 클래딩층(30)을 포함한다. 상기 활성 영역(40)은 상기 n측 클래딩층(20)과 p측 클래딩층(30) 사이에 삽입되며 n측 클래딩층(20) 및 p측 클래딩층(30)에 거의 평행하게 확장한다. 상기 n측 도파로층(60)은 상기 활성 영역(40)과 n측 클래딩층(20) 사이에 삽입된다. 상기 p측 도파로층(70)은 상기 활성 영역(40)과 p측 클래딩층(30) 사이에 삽입된다.

상기 n측 클래딩층(20)은 n-도핑 (Al,In)GaN의 층이다. 예시의 실시예들에 있어서, (Al,In)GaN의 층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN이고, 여기서 0 ≤ x＜ 0.2 및 0 ≤ y ＜ 0.3이다. 상기 n측 클래딩층(20)은 적절한 전도성을 제공하기에 적합한 소정 두께 및 도너 농도를 갖는다. 일반적으로, n측 클래딩층(20)은 0.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 두께가 될 것이다. 그러한 n측 클래딩층(20)의 캐리어 농도는 통상 예컨대 실리콘과 같은 10¹⁷cm^-3 내지 10¹⁹cm^-3의 범위가 된다. 그러나 일반적으로 n형 도펀트가 광 손실의 소스가 아니기 때문에, 그러한 캐리어 농도는 적절한 전도성을 보장하지 않는 한 절대적으로 최적화되지 않는다. 몇몇 실시예들에 있어서, n측 클래딩층(20)이 n-도핑 GaN의 층이 되는 것이 바람직할 것이다. 이는 GaN이 몇몇 실시예에서 클래딩층으로서 AlGaN, InGaN, 또는 AlInGaN 이상으로 장점이 있을 것이라 믿는다. 예컨대, GaN이 2원 합금이기 때문에, 그 층 내에 조성적 변경을 덜 야기함과 더불어 보통 3원 및 4원 합금들보다 더 많은 열적 전도성을 가질 것이다. 이러한 2원 합금의 특성들은 통상 3원 및 4원 합금들과 비교하여 광 손실을 감소시킬 것이다.

상기 n측 도파로층(60)은 n-도핑 (Al)InGaN의 층이다. 예시의 실시예들에 있어서, (Al)InGaN의 층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN이고, 여기서 0 ≤ x＜ 0.2 및 0　＜　y　＜　0.3이다. 몇몇 실시예에 있어서, n측 도파로층이 n-도핑 InGaN의 층이 되는 것이 바람직할 것이다. 그러한 n측 도파로층은 300 nm 이하, 200 nm 이하, 120 nm 이하, 또는 1 nm 내지 120 nm의 n측 도파로층 두께를 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, n측 도파로층 두께는 125 nm 내지 300 nm, 125 내지 200 nm, 125 내지 150 nm, 또는 50 nm 내지 120 nm이다. 상기 n측 도파로층(60)의 캐리어 농도는 예컨대 통상 실리콘과 같은 n형 도펀트의 10¹⁷cm^-3 내지 10¹⁹cm^-3의 범위가 된다.

상기 활성 영역(40)은 광자의 전기-펌프식 유도 방출을 생성하는 하나 또는 그 이상의 InGaN 양자 우물을 포함한다. 또한 상기 활성 영역(40)은 통상 510 nm 내지 580 nm의 파장을 갖는 광으로 규정된 가시의 전자기 스펙트럼의 녹색 부분의 레이징 파장에서 광 이득을 생성한다. 각각의 InGaN 양자 우물은 2개의 AlInGaN 양자 우물 장벽들 사이에 삽입될 것이다.

상기 활성 영역(40)의 층 구조는 도 1b에 좀더 상세히 나타냈다. 도 1b의 활성 영역(40)은 양자 우물 층들의 임의적인 기술을 설명하기 위한 확대도로서 나타냈다. 이는 상기 활성 영역(40)의 모든 층이 연속의 다층으로 서로 적층되지만 그러한 연속의 다층이 도 1b에 나타낸 층들 사이에 삽입된 도 1b에 나타내지 않은 추가의 층들을 포함한다는 것을 이해해야 할 것이다. 그러한 추가의 층들은 스페이서를 포함하고, 예컨대 상기 활성 영역(40)의 성능을 최적화하기 위해 제공되지만 그 활성 영역(40)을 반드시 작용시킬 필요는 없다. 일반적으로, 양자 우물(50A)은 제1양자 우물 장벽(55A)과 제2양자 우물 장벽(55B) 사이에 삽입된다. 그러한 각각의 양자 우물(50A, 50B)은 통상 약 1 nm 내지 20 nm 두께이며 단일층(도시함) 또는 다층(도시하지 않음)이 될 것이다. 각각의 양자 우물(50A, 50B)은 하나 또는 그 이상의 InGaN 층이 될 것이다. 그러한 양자 우물(50A, 50B)의 InGaN은 예컨대 20% 내지 40%의 인듐 농도를 갖는다. 유사하게, 양자 우물 장벽(55A, 55B, 55C)은 개별적으로 단일층(도시함) 또는 다층(도시하지 않음)이 될 것이다. 그러한 양자 우물 장벽(55A, 55B, 55C)은 각각 AlInGaN 층이 되며 예컨대 약 1 nm 내지 50 nm의 두께를 가질 것이다. 특정 조성의 예로서, 그러한 양자 우물 장벽(55A, 55B, 55C)의 AlInGaN은 약 0% 내지 20%의 인듐 농도 및 약 0% 내지 20%의 알루미늄 농도를 가질 것이다.

상기 활성 영역(40)은 하나의 양자 우물을 포함하거나 또는 다수의 양자 우물을 포함할 것이다. 도 1b에 있어서, 반복 유닛(57)은 추가의 양자 우물(50B) 및 추가의 양자 우물 장벽층(55C)으로서 나타나 있으며, 이는 그러한 반복 유닛(57)이 제2양자 우물 장벽(55B) 상에서와 같이 기존의 양자 우물 장벽 상에 적층될 경우, 제1양자 우물의 상부 장벽층(여기서, 제2양자 우물 장벽(55B))은 또한 그러한 추가 양자 우물(50B)의 하부 장벽층이 된다. 상기 활성 영역(40)은 다수(n)의 반복 유닛(57)을 포함할 수 있으며, 여기서 n은 단일-웰 활성 영역에서는 제로(zero)이거나 다수-웰 활성 영역에서는 1 내지 20, 1 내지 10, 1 내지 5, 또는 1 내지 3의 정수가 될 것이다. 도 1a 및 1b에 따르면, 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 정공-차단층(80), 전자-차단층(90), 또는 그 모두를 더 포함할 것이다. 제공될 경우, 상기 정공-차단층(80)은 상기 활성 영역(40)와 n측 도파로층(60) 사이에 삽입되며 약 10 nm 내지 20 nm의 두께를 가질 것이다. 제공될 경우, 상기 전자-차단층(90)은 상기 활성 영역(40)과 p측 도파로층(70) 사이에 삽입될 것이다. 도시하지 않은 대안의 실시예에 있어서, 상기 전자-차단층은 상기 p측 도파로층과 p측 클래딩층 사이에 삽입될 것이다.

제공될 경우, 상기 전자-차단층(90)은 AlGaN 층, AlInGaN 층, 또는 AlGaN 및 AlInGnN 층의 조합이 되며, 여기서 상기 전자-차단층(90)은 약 5 nm 내지 50 nm의 두께를 갖는다. 바람직하게, 상기 전자-차단층(90)은 인접한 층들보다 넓은 밴드갭을 갖고 적어도 10¹⁸cm^-3, 또는 10¹⁸cm^-3 내지 10²¹cm^-3의 억셉터 농도로 심하게 도핑된다. 상기 전자-차단층(9)에서의 억셉터 종류는 예컨대 마그네슘이 될 것이다. 이론으로 제한할 의도는 없으며, 인접한 층들보다 넓은 밴드갭을 갖는 매우 얇은 전자-차단층의 선택이 전자-차단층(90)의 심한 도핑으로부터 야기되는 증가된 내부 광 손실을 방지한다. 이는 전자-차단층(90)을 빠져나가 인접한 층들로 흩어지게 하기 위한 정공의 능력, 특히 잠재적인 변동으로 또는 억셉터 레벨로 국한된 정공 능력의 결과가 될 것이다. 더욱이, 그러한 전자-차단층(90)에서의 이온화된 억셉터는 정공 전송을 증진시키고 전자 전송을 억제하는 전기장을 제공할 것이다. 따라서, 상기 전자-차단층(90)이 높게 도핑될 경우, 상기 전자-차단층(90)의 효율이 증가되고, 정공 주입 효율이 증가되며, 그리고 수반되는 내부 광 손실의 증가 없이 장치 직렬 저항이 감소될 수 있다는 것을 확신한다.

상기 p측 도파로층(70)은 p-도핑 (Al)InGaN의 층이다. 몇몇 실시예에 있어서, 그러한 p측 도파로층(70)은 p-도핑 InGaN의 층이 되는 것이 바람직할 것이다. 예시의 실시예들에 있어서, 상기 p측 도파로층(70)은 (Al)In_xGa₁ _- _xN의 층이 되며, 여기서 x는 0.04 내지 0.15, 0.06 내지 0.11, 바람직하게는 약 0.10이다. 상기 p측 도파로층(70)은 상기 n측 도파로층(60)의 인듐 농도와 동일하거나 거의 동일한 인듐 농도(예컨대, ± 0.03 mol.% 내)를 갖는 것이 바람직할 것이다. 상기 p측 도파로층(70) 및 n측 도파로층(60)의 조성의 유사성은 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)의 스트레인(strain) 완화를 최적화할 것이다. 예컨대, 스트레인 완화가 그러한 도파로층들과 각각의 클래딩층들간 부정합(misfit) 결함의 제공을 통해 달성될 경우, 상기 도파로층은 재료 품질의 저하에 대한 염려가 감소된 최적의 광 구속을 얻기 위해 약 6% 내지 11%, 특히 약 7% 내지 9%의 인듐 농도를 갖는 것이 바람직할 것이다. 한편, 만약 그러한 도파로 및 클래딩층이 고의적인 스트레인 완화가 제공되지 않을 경우, 약 3% 내지 6%와 같은 낮은 인듐 농도가 바람직할 것이다. 상기 p측 도파로층(70)은 3×10¹⁷cm^-3이하, 1×10¹⁵cm^-3 내지 3×10¹⁷cm^-3, 또는 바람직하게 1×10¹⁶cm^-3 내지 3×10¹⁷cm^-3의 p측 도파로층 억셉터 농도를 가질 것이다. 일반적으로, 상기 p측 도파로층 억셉터 농도는 그러한 광 모드가 상기 p측 도파로층(70)에 겹쳐질 경우 높은 내부 광 손실을 피하기 위해 충분히 낮아질 것이다. 그러나, 그러한 p측 도파로층 억셉터 농도는 가능한 도핑 보상을 극복하기 위해 충분히 높아지며, 이에 따라 높은 직렬 저항 또는 심지어 사이리스터 작용을 방지한다.

다른 실시예들에 있어서, p측 도파로층(70)은 n측 도파로층(60)의 인듐 농도보다 낮은 인듐 농도를 가질 것이다. 그와 같은 실시예에 있어서, 상기 p측 도파로층(70)은 약 0% 내지 9% 또는 약 0% 내지 7%의 인듐 농도를 가지며, 상기 n측 도파로층(60)은 약 3% 내지 11% 또는 약 3% 내지 9%의 인듐 농도를 가질 것이다. 바람직하게, 상기 p측 도파로층(70)의 인듐 농도는 상기 n측 도파로층(60)의 인듐 농도보다 낮다. 바람직하게, 만약 그러한 도파로의 인듐 농도들이 mol.%로 표현될 경우, 상기 n측 도파로층(60)의 보다 높은 인듐 농도에서 뺀 상기 p측 도파로층(70)의 보다 낮은 인듐 농도는 2%보다 크거나 같은 인듐 농도차를 산출할 것이다.

상기 p측 도파로층(70)이 상기 n측 도파로층(60)의 인듐 농도보다 낮은 인듐 농도를 가질 경우, 상기 p측 도파로층 두께 및 n측 도파로층 두께는 거의 동일하나, 상기 n측 도파로층 두께가 상기 p측 도파로층 두께보다 큰 것이 바람직할 것이다. 특정 예로서, 상기 n측 도파로층 두께는 125 nm 내지 300 nm가 되고 상기 p측 도파로층 두께는 100 nm가 될 것이다.

일반적으로, 상기 p측 도파로층(70)은 100 nm 이하, 50 nm 이하, 40 nm 이하, 1 nm 내지 50 nm, 또는 20 nm 내지 50 nm의 p측 도파로층 두께를 가질 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 p측 도파로층 두께는 상기 n측 도파로층 두께보다 작다. 예컨대, 상기 p측 도파로층 두께는 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 10%, 1nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 20%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 25%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 30%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 35%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 40%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 40%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 45%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 50%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 60%, 1 nm 내지 상기 n측 도파로층 두께의 약 75%가 될 것이다.

상기 p측 도파로층 두께와 n측 도파로층 두께간 관계의 선택, 특히 이하 좀더 상세히 기술한 도핑 프로파일의 조합은 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)에서의 내부 광 손실의 적절한 감소에 크게 기여한다는 것을 확신한다. 예컨대, 광 모드가 활성 영역(40)으로부터의 거리에 따라 지수적으로 감소되기 때문에, p측 클래딩층(30)의 심하게 p-도핑된 부분으로부터 떨어진 그 광 모드의 약간의 시프트는 심하게 p-도핑된 부분과 광 모드의 오버랩의 지수적인 감소를 제공할 것이다. 이러한 방식으로 광 모드가 시프트되지 않을 경우 상기 활성 영역(40)과 그러한 시프트된 광 모드의 오버랩이 제공되지 않을 지라도, 심하게 p-도핑된 재료와 그러한 시프트된 광 모드의 오버랩의 지수적인 감소는 전체적인 광 손실을 크게 감소시킬 수 있다는 것을 확신한다.

상기 최적의 총 도파로 두께는 최소의 광 모드 확장을 얻게함으로써 광 구속을 최대화한다. 그러한 총 도파로 두께가 상기 최적의 총 도파로 두께보다 더 클 경우, 상기 레이저 다이오드는 상기 광 모드가 상기 레이저 다이오드의 보다 넓은 도파로 영역에 상주하기 때문에 보다 높은 양의 광 모드 확장을 갖는다. 그러나, 상기 총 도파로 두께가 상기 최적의 도파로 두께보다 작을 경우, 상기 레이저 다이오드는 도파로층과 클래딩층간 감소된 정수의 굴절률 대비가 낮은 광 구속을 제공하기 때문에 보다 높은 양의 광 모드 확장을 갖는다. p형 재료 오버랩으로부터의 광 손실은 상기 p측 도파로층 두께를 감소시키고 상기 n측 도파로층 두께를 증가시킴으로써 주어진 총 도파로 두께를 감소시킬 것이다. 상기 p측 도파로층 두께가 특히 상기 n측 도파로층 두께와 비교하여 감소될 경우, 상기 광 모드는 p형 재료보다 보다 큰 양의 n형 재료가 차지한다. p형 재료와 그러한 광 모드의 오버랩을 감소시키는 것은 또한 광 손실을 감소시킨다. 이러한 광 손실 감소의 장점은 최적 레벨 이상의 n측 도파로층 두께를 증가시키는 결과를 제공하는 광 구속에 있어서의 소정 단점 감소보다 더 현저하다.

한정하지 않는 설명의 예로서, 제1레이저 다이오드 및 제2레이저 다이오드가 상술한 소정의 실시예에 따라 제조되며, 여기서 상기 레이저 다이오드 모두는 160 nm의 총 도파로 두께를 갖도록 제조된다. 상기 제1레이저 다이오드는 120 nm의 n측 도파로층 두께 및 40 nm의 p측 도파로층 두께를 가질 것이다. 상기 제2레이저 다이오드는 130 nm의 n측 도파로층 두께 및 30 nm의 p측 도파로층 두께를 가질 것이다. 이론적으로, 상기 제2레이저 다이오드는 상기 제1레이저 다이오드보다 낮은 광 구속 요인을 가질 것이다. 심지어, 상기 제1레이저 다이오드에서보다 상기 제2레이저 다이오드에서 p형 재료와 낮은 광학-모드 오버랩을 가짐에 따른 광 손실의 감소는 상기 제1레이저 다이오드와 제2레이저 다이오드간 광 구속 요인의 감소보다 더 클 것이다. 그와 같이, 상기 제2레이저 다이오드는 상기 제1레이저 다이오드보다 높은 월-플러그 효율을 가질 것으로 예상될 것이다. 따라서, 주어진 총 도파로 두께에 있어, 내부 손실에 대한 모드 이득의 비율은 n측 도파로층 두께의 증가에 따라 증가한다는 것을 확신한다.

상기 p측 클래딩층(30)은 p-도핑 (Al,In)GaN의 층이다. 예시의 실시예들에 있어서, (Al,In)GaN의 층은 Al_xIn_yGa₁ _-x- _yN이고, 여기서 0 ≤ x＜ 0.2 및 0 ≤ y ＜ 0.3이다. 상기 p측 클래딩층(30)은 제1두께부(35) 및 제2두께부(37)을 포함한다. 상기 제1두께부(35)는 p측 도파로층(70)과의 p측 클래딩층(30)의 인터페이스(경계부)와 상기 제2두께부(37) 사이에 삽입된다. 상기 p측 클래딩층(30)의 제1두께부(35)는 200 nm보다 작거나 같은, 특히 1 nm 내지 200 nm, 바람직하게는 20 nm 내지 200 nm의 제1부분 두께(x)를 갖는다. 상기 p측 클래딩층의 총 두께는 통상 예컨대 약 0.5 ㎛ 내지 1.5 ㎛이다. 상기 p측 클래딩층의 총 두께의 상한은 지나치게 두꺼운 p측 클래딩층이 장치 전도성을 바람직하지 않게 감소시키지 않는 한 한계를 두지 않는다.

일 실시예에 있어서, 상기 p측 클래딩층(30)은 제1두께부(35)가 3×10¹⁷cm^-3 이하의 제1부분 억셉터 농도를 갖고 제2두께부(37)가 3×10¹⁷cm^-3보다 큰 제2부분 억셉터 농도를 갖도록 변화의 도핑 프로파일에 따라 제조된다. 상기 제1부분 억셉터의 부분 억셉터 농도는 상기 p측 클래딩층(30)의 억셉터에 대한 광 모드의 노출을 감소시키도록 일부의 상기 제2부분 억셉터 농도보다 낮다. 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)의 정상적인 동작 조건 하에, 광 모드는 상기 p측 클래딩층(30)으로 약간 확장하는 것으로 기대될 것이다. 그러한 억셉터에 대한 광 모드의 노출은 통상 광 손실을 야기한다. 상기 광 모드가 통상 상기 p측 클래딩층(30)의 전체에 걸쳐 크게 확장하지 않기 때문에, 상기 p측 클래딩층(30)의 전체에 걸쳐 상기 억셉터 농도를 감소시킬 필요는 없다.

상기 p측 클래딩층(30)의 변화의 도핑 프로파일이 변경되긴 하지만 상기 제1두께부(35)와 제2두께부(37)간 샤프한 인터페이스를 형성하도록 억셉터 농도의 급격한 변경을 제공할 필요는 없다. 예컨대, 상기 억셉터 농도가 하부에서 상부까지 상기 p측 클래딩층의 전체 두께에 걸쳐 점진적으로 증가함으로써, 상기 억셉터 농도가 3×10¹⁷cm^-3에 도달하거나 초과할 때 상기 제1두께부(35)가 끝나고 제2두께부가 시작된다. 상기 제1두께부(35)와 경계진 제2두께부(37)가 약 3×10¹⁷cm^-3의 억셉터 농도를 가질 지라도, 상기 변화의 도핑 프로파일은 상기 제2두께부(37)의 두께에 걸쳐 계속해서 증가할 것이다. 상기 제2두께부(37)의 일부는 1×10¹⁸cm^-3를 초과하거나, 1×10¹⁹cm^-3를 초과하거나, 또는 약 3×10¹⁷cm^-3 내지 1×10²⁰cm^-3의 억셉터 농도를 가질 것이다.

일반적으로 상기 p측 도파로층(70) 및 p측 클래딩층(30)의 p형 도핑 프로파일과 관련하여, 광 손실이 가전자대 전위 변동으로 또는 억셉터 상에 트랩되는 국부적인 정공의 널리 퍼짐에 기여한다는 것을 확신한다. 활성화된 정공이 층의 전도성에 기여하는 반면, 국부적인 정공은 그렇지 않다. 따라서, 국부적인 정공을 제공하려 할 경우, 층이 전도성 감소를 보상하기 위해 좀더 심하게 도핑되어야만 한다. 이는 국부적인 정공의 널리 퍼짐이 약 170 meV보다 작거나 같은 활성 에너지를 갖는 도펀트 종을 선택하거나, 또는 선택적으로 장치 층을 위한 재료를 선택함으로써 완화되며, 여기서 마그네슘과 같은 주어진 종들은 약 170 meV보다 작거나 같은 활성 에너지를 갖는다는 것을 확신한다. 이러한 방식에서의 활성 에너지의 선택은 일정한 레벨의 광 손실을 유지하면서 전도성을 증가시킬 것이다. 모든 점에 있어서, 도핑 재료와 광 모드의 오버랩이 증가된 억셉터 농도에 의해 증가된 광 손실을 야기하는 것으로 밝혀졌기 때문에, p-도핑 층의 p형 도핑 프로파일이 활성 영역의 근방(광 모드가 가장 심한)에서, p측 도파로층(70)에서, 그리고 p측 클래딩층(30)의 제1두께부(35)에서 최대 억셉터 농도를 유지하는 것이 바람직하다.

상술한 실시예들에 따른 GaN계 레이저 다이오드의 몇가지 동작 원리를 기술하기 위해, 예시의 GaN계 레이저 다이오드의 유도된 광 모드 밀도가 도 2의 그래프로서 제공된다. 도 2에 있어서, 광 모드 커브(100)는 깊이 좌표 d(nm)에 대한 표준화 광학-모드 밀도(β/β₀)를 구성하며, 이에 따라 0 nm는 레이저 다이오드의 상부에 대응하고 β₀는 전체 깊이 프로파일에 걸친 최대 광학-모드 밀도이다. 굴절률 라인(150)은 그 깊이 좌표(d)에 대한 굴절률(R.I.)을 구성한다. 수직 파선은 GaN계 레이저 다이오드의 기능적인 층들의 깊이 위치를 나타낸다. 문자 A 내지 F는 각각 기능적인 층들에 대응하는 깊이 프로파일의 각각의 라벨 영역이며, 여기서, A는 제2두께부 p측 클래딩층(크게-도핑된)이고, B는 p측 클래딩층(약하게-도핑된)의 제1두께부이고, C는 p측 도파로층이고, D는 활성 영역이고, E는 n측 도파로층이며, F는 n측 클래딩층이다. 상기 양 도파로층(C 및 E)은 상기 클래딩층들(A, B, 및 F)보다 높은 굴절률을 갖는다. 상기 활성 영역(D)은 높은 굴절률을 갖는다. 상기 n측 도파로층(E)은 상기 p측 도파로층(C0보다 두껍고, 그와 같이 광 모드 커브(100)의 피크(120)는 상기 n측 도파로층(E)의 중심에 위치한다. 상기 p측 클래딩층의 제1두께부(B)와 상기 p측 클래딩층의 제2두께부(B)간 경계는 약 475 nm의 깊이에 위치한다. 이러한 경계의 위치에서, 그러한 광 모드 밀도는 상기 제1두께부(B)와 p측 도파로층(C)간 경계에서 40%를 약간 넘는 것과 비교하여 그 피크(120)에서 그 광 모드 밀도의 약 10%이다. 상기 제1두께부(B)가 약하게 도핑되기 때문에, 그러한 제1두께부(B)에서의 광 모드의 일부가 p측 클래딩층의 억셉터와의 오버랩을 통해 광 손실을 덜 허용한다.

도 1a로 다시 되돌아 가서, 몇몇 실시예에서는 상기 p측 클래딩층(30)이 p-도핑 GaN의 층이 되고, 선택적으로 상기 n측 클래딩층(20)이 n-도핑 GaN의 층이 되는 것이 바람직할 것이다. 이론에 의해 한정할 의도는 없으며, 또한 광 구속 요인이 감소될 지라도, AlGaN과 비교하여 GaN 재료의 낮은 광 흡수율은 출력 광 손실을 감소시킨다는 것을 확신한다. 예컨대, GaN 클래딩을 갖는 레이저 다이오드가 AlGaN 클래딩층을 갖는 레이저 다이오드의 67%정도 낮은 광 구속 요인을 가질 지라도, 그 GaN 클래딩은 AlGaN 클래딩을 갖는 레이저 다이오드에 의해 나타난 광 손실의 50%를 갖는 레이저 다이오드를 제공한다. 그와 같은 장치에 있어서 그러한 광 손실의 감소가 그러한 광 구속 요인의 감소를 초과하기 때문에, 상기 GaN 클래딩층은 AlGaN에 비해 증가된 월-플러그 효율을 제공할 것이다. 추가적으로, p-도핑 GaN은 AlGaN보다 낮은 마그네슘-억셉터 활성 에너지를 갖는다. 활성 에너지가 감소될 경우 소정의 전도성을 얻는데 필요한 억셉터 농도 또한 감소되기 때문에, 그러한 p측 클래딩층(30)에서의 감소된 억셉터 활성 에너지가 광 손실을 감소시킨다는 것을 확신한다.

또 다른 실시예에 있어서, p측 클래딩층(30)은 알루미늄의 조성 변화를 갖는 (Al,In)GaN의 층이다. 그러한 조성 변화에 있어서, 상기 p측 클래딩층(30)의 알루미늄 농도는 활성 영역으로부터의 증가되는 거리에 따라 증가될 것이다. 상기 조성 변화는 상기 p측 클래딩층(30) 내의 2개 또는 그 이상의 존을 규정할 것이다. 예컨대, 0% 내지 5%의 알루미늄 농도는 활성 영역(40)에 가장 가까운 p측 클래딩층(30)의 제1존을 규정할 것이다. 상기 제1존은 p측 도파로층(70)과의 인터페이스로부터 확장하며 상기 p측 도파로층(70) 상의 p측 클래딩층(30) 두께의 첫번째 약 20 nm 내지 200 nm를 포함한다. 20%까지, 또는 5% 내지 20%까지 증가된 알루미늄 농도는 상기 제1존 바로 위에 상기 p측 클래딩층(30)의 제2존을 규정할 것이다. 상기 제1 및 제2존의 알루미늄 농도는 동일할 필요는 없다. 바람직하게, 알루미늄 농도는 상기 p측 도파로층(70)으로부터 증가되는 거리에 따라 상기 p측 클래딩층(30)의 두께에 걸쳐 증가한다. 상기 제1 및 제2존의 총 두께는 약 200 nm 내지 500 nm가 될 것이다. 상기 제2존 바로 위의 상기 p측 클래딩층(30)의 제3존은 소정의 알루미늄 농도를 갖거나 또는 심지어 알루미늄이 전혀 없을 수 있다. 그러한 알루미늄 조성 변화의 기술과 관련하여 상기 p측 도파로층(70)의 존들의 지정이 있을 수 있으나, 상술한 바와 같이 제1두께부(35) 및 제2두께부(37), 억셉터 농도를 함께 규정한 그 모두와 연관시킬 필요는 없다.

상기 활성 영역(40) 및 상기 p측 도파로층(70)에 가장 가까운 낮은 레벨의 알루미늄을 갖는 그러한 알루미늄 조성 변화는 알루미늄 농도가 낮거나 또는 예컨대 약 5% 이하일 경우 주어진 억셉터 농도에 대한 전도성을 증가하는 감소된 억셉터 활성 에너지를 제공한다. 따라서, 보다 낮은 억셉터 농도가 주어진 전도성을 유지하기 위해 제공될 것이다. 그러한 보다 낮은 억셉터 농도는 광 손실을 감소시킬 것이다. 따라서, 도펀트 프로파일과 관련하여, 상기 p측 클래딩층에 제공된 알루미늄 조성 변화에 따라, 상기와 같이 규정된 제1두께부(35)는 바람직하게 상기 제2두께부(37)의 제2부분 억셉터 농도보다 작은 제1부분 억셉터 농도를 갖는다. 하나의 특정 예에 있어서, 상기 제1부분 억셉터 농도는 3×10¹⁷cm^-3 내지 3×10¹⁸cm^-3가 되고, 상기 제2부분 억셉터 농도는 3×10¹⁸cm^-3보다 클 것이다. 알루미늄 조성 변화가 상기 p측 클래딩층(30)에 제공될 경우, 상기 p측 도파로층(70) 및 n측 도파로층(60) 모두가 알루미늄이 거의 없는 InGaN 층이 되거나, 또는 선택적으로 5% 이하, 1% 이하, 또는 0.1% 이하의 알루미늄 농도를 갖는 (Al)InGaN 층이 되는 것이 바람직할 것이다.

또 다른 실시예에 있어서, GaN계 레이저 다이오드는 패시브 양자 우물 구조 또는 패시브 다중 양자 우물 구조를 더 포함할 것이다. 패시브 양자 우물 구조는 레이징 파장에서 그 패시브 양자 우물의 높은 굴절률을 증진시키도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 패시브 양자 우물은 그 구조의 흡수 에지 파장이 레이징 파장보다 짧지만 상기 레이징 파장과 패시브 양자 우물 흡수 에지간 스펙트럼 스페이싱(spectral spacing)이 작도록 구성될 수 있다. 상기 구조의 그러한 흡수 에지 파장이 상기 레이징 파장보다 짧을 경우, 상기 패시브 양자 우물은 레이징 광을 흡수하지 못한다.

또 다른 실시예에 있어서, 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 n측 도파로층(60)이 인듐을 포함하나 p측 도파로층(70) 및 p측 클래딩층(30)이 포함하지 않도록 비대칭이 될 수 있다. 예컨대, 상기 n측 도파로층(60)은 벌크 InGaN으로 형성되거나 또는 InGaN 초격자 또는 패시브 InGaN 다중-양자 우물 구조로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)가 비대칭일 경우, p측 도파로층(70)이 p측 클래딩층(30)으로부터 분리될 필요는 없고, 상기 p측 도파로층(70)이 제로 두께를 가질 필요가 있다. 상기 패시브 다중-양자 우물 구조는 상기 n측 도파로층(60) 내에 광 구속을 증가시키기 위해 그 레이징 파장에 가까운 그 흡수 에지 스펙트럼 위치를 갖도록 구성될 것이다. 비록 그러한 비대칭 레이저 다이오드의 광 모드가 장치의 n측으로 시프트될 지라도, 그러한 광 구속 요인이 크게 감소되지 않는다. 이는 분리된 p측 클래딩층과 함께, p측 도파로층으로서 p-도핑 InGaN 층을 갖는 대신 p-도핑 GaN 층이 p측 클래딩층(30)으로 사용된 경우 그러한 비대칭 구조가 p형 전도성을 더 잘 콘트롤할 수 있다는 것을 확신한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 p측 도파로층(70), n측 도파로층(60), 또는 그 모두는 도파로층 또는 층들의 인듐 농도가 그 각각의 나머지 도파로층 또는 층들보다 상기 활성 영역(40)에 인접한 인듐-풍부 존에서 더 높아지도록 각각 변화의 인듐 농도를 갖는 적절한 전도성 타입의 조성적으로 그레이드된(graded) (Al)InGaN 층들이 될 것이다. 이러한 접근방식에서는 차라리 그러한 구조에서 스트레인 완화가 없는 것이 바람직하다. 이론으로 한정하지 않으며, 인듐 농도의 함수로서 굴절률의 수퍼-선형 종속성(super-linear dependence)은 증가된 인듐 농도가 상기 도파로층들 중 어느 하나 또는 그 모두에 제공될 경우 광 구속을 향상시킬 수 있다는 것을 확신한다. 특히, 상기 활성 영역(40) 주변의 광 모드 로컬화를 증가시키기 위해 그 활성 영역에 인접한 도파로층들 중 어느 하나 또는 그 모두의 높은-인듐 존에 증가된 인듐 농도를 달성하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 증가된 광 모드 로컬화의 결과로, 상기 활성 영역(40)의 광 구속 요인이 증가될 것이다. 그레이드된 인듐 농도를 갖는 주어진 도파로층에 있어서, 상기 인듐-풍부 존은 예컨대 각각의 도파로층의 총 두께의 약 0.1% 내지 75%, 약 0.1% 내지 50%, 약 0.1% 내지 25%, 약 0.1% 내지 10%, 약 1% 내지 25%, 약 10% 내지 25%, 또는 약 20% 내지 50%의 두께를 갖고 상기 활성 영역(40)에 인접한 도파로층의 일부로서 규정될 것이다.

상기 도파로층이 그레이드된 인듐 농도를 가질 경우, 도파로층들 중 어느 하나 또는 그 모두의 인듐-풍부 존의 인듐 농도는 약 5% 내지 50%, 약 5% 내지 40%, 약 5% 내지 30%, 또는 약 10% 내지 30%가 될 것이다. 그 각각의 나머지 도파로층들의 인듐 농도는 상기 인듐-풍부 존의 인듐 농도가 상기 각각의 나머지 도파로층들의 인듐 농도보다 높아지도록 약 0% 내지 10% 또는 약 0% 내지 5%가 될 것이다. 상기 인듐-풍부 존과 상기 각각의 나머지 도파로층간의 인듐 농도차는 적어도 1%, 적어도 2%, 적어도 3%, 적어도 5%, 또는 적어도 10%인 것이 바람직하다. 만약 상기 p측 도파로층(70) 및 n측 도파로층(60) 모두가 그레이드된 인듐 농도를 가질 경우, 그 모든 도파로층에서의 인듐-풍부 존들은 거의 동일한 인듐 농도를 갖는 것이 바람직하며, 그와 같은 인듐 농도차는 그 2개의 도파로층간 ±3%, ±2%, ±1%, 또는 심지어 0.1%가 된다.

또한, 상기 도파로층들 중 어느 하나 또는 그 모두가 그레이드된 인듐 농도를 갖고 상기 p측 도파로층 두께가 상기 n측 도파로층 두께보다 작은 것이 바람직할 것이다. 이는 상기 n측 도파로층 두께에 비해 보다 작은 p측 도파로층 두께가 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)의 p측에 대한 광 모드 침투를 감소시킴으로써, 내부 광 손실을 감소시킨다는 것을 확신한다.

이러한 그레이드된 인듐 농도들과 관련하여, 상기 도파로층들이 다수의 (Al)InGaN 층을 포함하는 초격자 또는 다른 주기적 구조들로서 형성된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 상기 그레이드된 인듐 농도들과 관련된 특정 예의 인듐 농도는 각 층들의 전체 볼륨에 걸친 평균 인듐 농도라는 것을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 만약 도파로층이 비교적 두꺼운 InGaN 층들 및 비교적 얇은 AlInGaN 층들을 갖는 InGaN/AlInGaN 초격자로 형성될 경우, 그러한 초격자의 평균 인듐 농도는 상기 AlInGaN 층들의 평균 인듐 농도보다 상기 InGaN 층들의 평균 인듐 농도에 더 가까울 것이다. 유사하게, 상기 초격자의 InGaN 층들 및 AlInGaN 층들 모두가 동일한 두께를 갖지만 상기 InGaN 층들의 평균 인듐 농도가 상기 AlInGaN 층들에서보다 더 높을 지라도, 상기 초격자의 평균 인듐 농도는 종합적으로 상기 InGaN 층들의 인듐 농도와 상기 AlInGaN 층들의 인듐 농도의 평균이 될 것이다.

일반적으로, 상기 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 상기 활성 영역, 도파로층들, 및 클래딩층들이 다층화된 레이저 다이오드를 형성하도록 기판(10) 상에 형성될 것이다. 그와 같은 다층화된 다이오드에 있어서, 상기 도파로층들은 상기 활성 영역에서 발생된 광자의 유도 방출을 가이드하고 상기 클래딩층들은 상기 도파로층들을 통해 방출된 광자의 전파를 촉진한다. 상기 기판(10)은 n형 전도성 또는 p형 전도성을 가질 것이다. 상기 기판(10)과 같은 동일한 전도성 타입을 갖는 클래딩층은 상기 기판(10)과 반대의 전도성 타입을 갖는 클래딩층보다 상기 기판에 더 가깝게 배치된다. 본원에 기술된 실시예들에 있어서, 상기 기판(10)이 n형 반도체 재료이고, 상기 클래딩층(20)이 상기 n측 도파로층(60)과 기판(10) 사이에 삽입되며, 상기 클래딩층(30)이 상기 n측 클래딩층(20) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 기판(10)으로서 적절한 재료의 예는 한정하진 않지만 GaN, AlN, InN, AlGaN, GaInN, 또는 AlInGaN와 같은 프리-스탠딩(free-standing) 3족 질화물 재료를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은 프리-스탠딩 GaN이 될 것이다. 특히 바람직한 실시예에 있어서, 상기 기판은

,

, 또는

로부터 선택된 방위와 같은 반극성 방위를 갖는 프리-스탠딩 GaN이 될 것이다. n형 기판이 바람직할 지라도, 나타내지 않은 실시예에서 상기 p측 클래딩층(30)이 상기 p측 도파로층(70)과 기판(10) 사이에 삽입되고 상기 n측 클래딩층(20)이 상기 p측 클래딩층(30) 상에 배치되도록 p형 기판이 사용될 수 있다는 것을 충분히 고려할 수 있을 것이다.

상기 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 도 1a에 나타낸 소정 2개의 층들 사이에 추가의 층들 또는 스페이서(도시하지 않음)를 더 포함할 것이다. 한정하지 않는 예로서, 하나 또는 그 이상의 GaN 스페이서(도시하지 않음)가 상기 p측 도파로층(70)과 p측 클래딩층(30) 사이에, 또는 상기 n측 도파로층(60)과 n측 클래딩층(20) 사이에 삽입될 것이다. 상기 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)는 상기 n측 클래딩층(20) 내에 전자를 유도하도록 구성된 전원(도시하지 않음)을 통해 상기 n측 클래딩층(20)과 p측 클래딩층(30)간 전기적 연속성을 확립하기 위한 콘택트층(도시하지 않음) 및/또는 인터커넥션(도시하지 않음)을 더 포함할 것이다. 예컨대, 제1콘택트층이 상기 n측 클래딩층(20)에 대향하는 상기 기판(10)의 후면측에 형성되고, 제2콘택트층이 상기 p측 클래딩층(30)에 형성될 것이다. 선택적으로, 상기 제1콘택트층은 상기 n측 클래딩층(20)에 의해 덮여지지 않은 기판의 일부에 형성될 수 있다.

상기 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)의 층들은 종래 공지기술 또는 개발되는 소정의 증착기술에 의해 순차 증착될 것이다. 유기금속 화학기상증착(MOCVD), 유기금속 기상 에픽택시(MOVPE) 등과 같은 비한정 예시의 기술들이 사용될 것이다. 유기금속 증착 공정들은 트리메틸 갈륨, 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리메틸 인듐, 및 그 외 공지의 다른 조성물과 같은 전구체를 포함할 것이다. 그러한 층들은 단주기의 초격자일 것이다. 상술한 층 및 선택의 스페이서 모두가 차지하는 3족 질화물계 레이저 다이오드(1)의 총 두께는 통상 약 1㎛ 내지 4㎛의 범위가 될 것이다.

상술한 소정 실시예들에 따른 3족 질화물계 레이저 다이오드를 발광하는 녹색-광은 상기 레이저 다이오드가 AlGaN 클래딩층을 포함할 경우 8 cm^-1 이하의 광 손실 레벨을 가질 것이다. 5　cm^-1 이하의 광 손실 레벨은 GaN 클래딩층을 포함하는 레이저 다이오드에서 얻어질 것이다.

특정 특성을 실현하거나, 또는 특정 방식으로 기능하도록 "구성"되는 본 발명의 구성요소의 설명들은 의도된 사용의 설명과 반대되는 구조적 설명이라는 것을 알아야 한다. 특히, 본원에서 구성요소가 "구성"되는 방식에 대한 참고는 그러한 구성요소의 기존의 물리적 조건을 나타내며, 그와 같이 그 구성요소의 구조적 특성들의 명확한 설명이 이루어질 것이다.

단지 편의상, 장치 층들은 본원에서 "상부" 및 "하부"와 같은 용어와 관련된다. 소정 한 실시예의 범위 내에서, 이러한 용어들은 기판이 상기 장치의 하부와 관련된 구조에 대해 그 장치 층들의 배열을 나타내는데 사용된다. 이를 넘어서, 상기 용어 "상부" 및 "하부"를 동작 또는 제조 중의 상기 장치의 소정 바람직한 방위를 나타내려는 것은 아니다. 따라서, 상기 용어 "위(above)"는 그러한 구조 상부 쪽을 의미하고 용어 "아래"는 그 구조 하부 쪽을 의미한다.

이하의 하나 또는 그 이상의 청구항들은 조건 문구로서 "여기서"를 채용한다. 본 발명을 정의할 목적으로, 이러한 용어가 그러한 구조의 일련의 특징들의 설명을 도입하기 위해 사용되는 전단-말단의 조건 문구로서 청구항에 도입되며 좀더 흔히 사용된 전단-말단의 서문 용어 "포함하는"과 같은 방식으로 해석된다는 것을 알아야 한다.

달리 정되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 그리고 과학적 용어들은 발명에 속하는 통상의 기술자가 흔히 이해하는 것과 같은 동일한 의미를 갖는다. 본원에 사용된 전문용어는 단지 특정 실시예들을 기술하기 위한 것이며 한정할 의도가 있는 것은 아니다. 본 명세서 및 수반된 청구항들에 사용된 바와 같이, 단일의 형태 "하나", "한", 및 "그"는 그 전후 관계 상황을 달리 명확하게 나타내지 않는 한 다수의 형태 또한 포함하려는 것이다.

달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 청구항에 사용된 분자량, 반응 조건 등과 같은 성분들의 양을 표시하는 모든 수치들은 용어 "약"으로 모든 예에서 변경되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 청구항에 기술된 수치적 특성들은 본 발명의 실시예들에서 얻기 위한 원하는 특성들에 따라 변경되는 근사치이다. 본 발명에서 넓은 범위로 제시되는 수치적 범위 및 파라미터들이 근사치임에도 불구하고, 특정 예에서 제시되는 그러한 수치들은 가능하면 정확하게 제시된다. 통상의 기술자라면 소정의 수치가 본질적으로 그러한 수치들을 알아내는데 사용된 측정 기술들에 기인한 소정의 에러들을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims

n-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 n측 클래딩층, n-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 n측 도파로층, 활성 영역, p-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 p측 도파로층, 및 p-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 p측 클래딩층을 포함하는 3족 질화물계 레이저 다이오드로서,
상기 활성 영역은 상기 n측 클래딩층과 상기 p측 클래딩층 사이에 삽입되고 상기 n측 클래딩층과 p측 클래딩층에 거의 평행하게 확장하고;
상기 활성 영역은 광자의 전기-펌프식 유도 방출을 생성하고 510 nm 내지 580 nm의 레이징 파장에서 광 이득을 갖는 하나 또는 그 이상의 InGaN 양자 우물을 포함하고;
상기 n측 도파로층은 상기 활성 영역과 n측 클래딩층 사이에 삽입되고;
상기 n측 도파로층은 1 nm 내지 300 nm의 n측 도파로층 두께를 갖고;
상기 p측 도파로층은 상기 활성 영역과 p측 클래딩층 사이에 삽입되고;
상기 p측 도파로층은 3×10¹⁷cm^-3 보다 작은 p측 도파로층 억셉터 농도 및 100 nm보다 작은 p측 도파로층 두께를 갖고;
상기 p측 도파로층 두께는 n측 도파로층 두께 이하이고;
상기 p측 클래딩층은 제1두께부 및 제2두께부를 포함하며, 상기 제1두께부는 상기 제2두께부와 p측 도파로층 사이에 삽입되고;
상기 p측 클래딩층의 제1두께부는 20 nm 내지 200 nm의 제1부분 두께 및 3×10¹⁷cm^-3 보다 작은 제1부분 억셉터 농도를 가지며,
상기 p측 클래딩층의 제2두께부는 3×10¹⁷cm^-3 보다 큰 제2부분 억셉터 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
상기 p측 도파로층 두께는 1 nm 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
상기 n측 도파로층 두께는 125 nm 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 도파로층 두께 및 n측 도파로층 두께는 150 nm 내지 200 nm의 총 도파로 두께를 정의하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 도파로층 두께는 1 nm 내지 50 nm이고 p측 도파로층 두께 및 n측 도파로층 두께는 150 nm 내지 200 nm의 총 도파로 두께를 정의하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
상기 p측 도파로층, n측 도파로층, 또는 그 모두는 각각 변화의 인듐 농도를 갖는 조성적으로 그레이드된 (Al)InGaN 층이고;
각각의 변화의 인듐 조성은 각각의 도파로층의 활성 영역에 인접한 인듐-풍부 존을 정의하고;
각각의 인듐-풍부 존은 각각의 도파로층 두께의 0.1% 내지 75%의 두께를 갖고;
상기 인듐-풍부 존은 5% 내지 50%의 평균 인듐 농도를 갖고;
상기 인듐-풍부 존 외측의 각각의 나머지 도파로층은 0% 내지 10%의 평균 인듐 농도를 갖고;
상기 인듐-풍부 존의 평균 인듐 농도가 상기 각각의 나머지 도파로층의 평균 인듐 농도보다 크며;
상기 인듐-풍부 존과 각각의 나머지 도파로층의 인듐 농도차는 적어도 3%인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
상기 3족 질화물계 레이저 다이오드는 n측 클래딩층이 기판과 n측 도파로층 사이에 삽입되도록 n형 전도성을 갖는 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 7에 있어서,
상기 기판은 GaN, AlN, InN, GaInN, 및 AlInGaN을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
각각의 InGaN 양자 우물은 2개의 AlInGaN 양자 우물 장벽들 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 도파로층 억셉터 농도는 1×10¹⁶cm^-3 내지 1×10¹⁷cm^-3인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 도파로층 및 n측 도파로층 모두는 In_xGa₁ _- _xN 층이고, 여기서 x는 0.04 내지 0.15인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 도파로층 및 n측 도파로층 모두는 In_xGa₁ _- _xN 층이고, 여기서 x는 0.06 내지 0.11인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 12에 있어서,
p측 도파로층의 x는 n측 도파로층의 x보다 작은 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 12에 있어서,
p측 도파로층의 x와 n측 도파로층의 x의 차이는 0.03보다 작은 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
활성 영역과 p측 도파로층 사이에 삽입된 AlGaN 전자-차단층을 더 포함하며, 상기 전자-차단층은 적어도 10¹⁸cm^-3의 전자-차단층 억셉터 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 클래딩층은 GaN의 층인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
n측 클래딩층은 GaN의 층인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 클래딩층 및 n측 클래딩층 모두는 GaN의 층인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 2에 있어서,
n측 도파로층은 (Al,In)GaN 패시브 양자 우물 장벽층들 사이에 삽입된 다수의 InGaN 패시브 양자 우물 코어층들을 포함하는 패시브 다중 양자 우물 구조이고, 상기 패시브 다중 양자 우물 구조의 각각의 개별 패시브 양자 우물은 레이징 파장보다 작은 대역간 전송 피크 파장을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 19에 있어서,
하나 또는 그 이상의 개별 패시브 양자 우물의 대역간 전송 파장은 510 nm보다 작은 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 기판은 반극성 방위를 갖는 GaN인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 21에 있어서,
상기 반극성 방위는
인 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1 있어서,
p측 클래딩층은 알루미늄의 조성 변화를 가지며, 상기 p측 클래딩층에서의 알루미늄 농도는 활성 영역으로부터 증가되는 거리에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 1에 있어서,
p측 클래딩층은 알루미늄의 조성 변화를 갖고;
0% 내지 5%의 제1알루미늄 농도는 p측 클래딩층의 제1존을 규정하고;
20%까지의 알루미늄 농도는 p측 클래딩층의 제2존을 규정하고;
상기 제1존은 p측 도파로층과의 p측 클래딩층의 인터페이스로부터 확장하고 약 20 nm 내지 200 nm의 두께를 가지며;
상기 제2존은 상기 제1존 바로 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 24에 있어서,
p측 도파로층은 p-도핑 InGaN으로 형성되고 n측 도파로층은 n-도핑 InGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
n-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 n측 클래딩층, n-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 n측 도파로층, 활성 영역, p-도핑 (Al)InGaN으로 형성된 p측 도파로층, 및 p-도핑 (Al,In)GaN으로 형성된 p측 클래딩층을 포함하는 3족 질화물계 레이저 다이오드로서,
상기 활성 영역은 상기 n측 클래딩층과 상기 p측 클래딩층 사이에 삽입되고 상기 n측 클래딩층과 p측 클래딩층에 거의 평행하게 확장하고;
상기 활성 영역은 광자의 전기-펌프식 유도 방출을 생성하고 510 nm 내지 580 nm의 레이징 파장에서 광 이득을 갖는 하나 또는 그 이상의 InGaN 양자 우물을 포함하고;
상기 n측 도파로층은 상기 활성 영역과 n측 클래딩층 사이에 삽입되고;
상기 n측 도파로층은 약 3% 내지 11%의 n측 도파로층 인듐 농도를 갖고;
상기 p측 도파로층은 상기 활성 영역과 p측 클래딩층 사이에 삽입되고;
상기 p측 도파로층은 3×10¹⁷cm^-3 보다 작은 p측 도파로층 억셉터 농도 및 약 0% 내지 9%의 p측 도파로층 인듐 농도를 갖고;
상기 p측 도파로층 인듐 농도는 상기 n측 도파로층 인듐 농도보다 작고;
상기 p측 클래딩층은 제1두께부 및 제2두께부를 포함하며, 상기 제1두께부는 상기 제2두께부와 p측 도파로층 사이에 삽입되고;
상기 p측 클래딩층의 제1두께부는 20 nm 내지 200 nm의 제1부분 두께 및 3×10¹⁷cm^-3 보다 작은 제1부분 억셉터 농도를 가지며,
상기 p측 클래딩층의 제2두께부는 3×10¹⁷cm^-3 보다 작은 제2부분 억셉터 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 26에 있어서, 상기 p측 도파로층 및 n측 도파로층은 2%보다 크거나 같은 인듐 농도차를 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.
청구항 26에 있어서,
상기 n측 도파로층은 125 nm 내지 300 nm의 n측 도파로층 두께를 갖고;
상기 p측 도파로층은 100 nm보다 작은 p측 도파로층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 3족 질화물계 레이저 다이오드.