KR20140009426A - 인듐 함유 클래드층을 갖는 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

반도체 레이저의 구체 예는: (a) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판; (b) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층; (c) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층; (d) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층을 포함하며, 상기 클래드층의 적어도 하나는 전체 구조의 격자 불일치 변형의 합이 40 nm%를 초과하지 않는 조성을 갖는 AlInGaN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN//InGaN 또는 AlInGaN/AlN의 상부구조 구조를 포함한다.

Description

인듐 함유 클래드층을 갖는 반도체 레이저 {Semiconductor Lasers with Indium Containing Cladding Layers}
본 출원은 2011년 2월 28일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/447,245호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 광전자 반도체 소자에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 인듐 함유 클래드층을 갖는 GaN-계 반도체 레이저 (GaN-based semiconductor lasers)에 관한 것이다.
GaN-계 레이저는 종종 GaN 기판의 극성 평면 위에 성장되는데, 이는 광 방출을 위해 요구된 전자-홀 재조합 (electron-hole recombination)을 방해할 수 있는 강한 내부 필드 (internal fields)를 부과한다. 그러나, QW 디자인 및 성장 내성 (tolerances) (즉, 작은 내성)의 매우 엄격한 요구조건, 및 요구된 특별한 장비 때문에 녹색 스펙트럼 범위에서 LDs (레이저 다이오드) 방출을 위한 c-평면 고품질 QW (양자 우물 (quantum well)) 상에 성장은 시도하고 있다.
GaN 기판은 또한 높은 인듐 (In) 함량을 갖는 고품질 활성 영역 (c-평면을 따라 나아가는 기판상의 것과 비교하여, 고품질 양자 우물)을 허용하고, 훨씬 더 약한 내부 필드를 생성하는, 반-극성 결정 평면을 따라 나아갈 수 있으며, 이는 드문 결정 성장 시도로 녹색에 대한 방출 파장 (emission wavelength)을 확대할 수 있다. 이러한 기판은 녹색 레이저 (green lasers)를 형성하기 위해 벌크 (bulk) (예를 들어, 100 nm 초과, 예를 들어, 1 ㎛ 이상) 두께의 AlGaN 또는 AlGaInN n-및-p 클래드층과 공동으로 활용될 수 있다. 그러나, 상기 벌크 AlGaN 층이 그 위에 성장되는 경우, 이들 클래드층은 상기 클래드층의 변형-두께 제품이 충분히 높은 경우에 만약 스레딩 전위 (threading dislocations)가 상기 기판에 존재한다면, 글라이딩 (gliding)에 의해 이완되는 경향이 있다. 부가적으로, 상기 층은 변형을 이완시키기 위해 균열이 일어나는 경향이 있다. 이것은 두꺼운 층에 대한 필요 때문에 일어나는데, 이는 상기 층 내에 광을 구속하는데 충분히 두꺼운 도파로 (waveguide)를 형성하기 위한 요구조건에 의해 좌우된다. 상기 클래드층의 변형-두께 제품이 (층 내에 광을 구속하기 위한) 임계값을 초과하는 경우, 부정합 전위 (misfit dislocation)가 발생할 가능성이 있다.
AlGaInN 클래드층은 또한 이완을 방지하고 따라서 부정합 전위를 방지하는 경향이 있는, 상기 클래드층 및 기판 사이에 우수한 격자 매칭을 가능하게 하는 인듐 원자 때문에, 반-극성 평면을 따라 나아가는 GaN 기판으로 활용될 수 있다. 그러나, 높은 전도성 p-형 벌크 AlGaInN 클래드층은 이들 층에 인듐 (In)을 혼입하기 위해 요구된 낮은 성장 온도 (800 ℃이하) 때문에 성장하는 것이 어렵다. 부가적으로, 벌크 AlGaInN 층의 각 조성에 대한 특별한 성장 조건은 수립되어야 하고, 이것은 제조비용이 부가되는 많은 실험적 성장 실행을 요구한다.
본 발명에 기술되고 인용된 어떤 참고문헌도 종래의 기술을 구성하는 것으로 인정되는 것은 없다. 출원인은 어떤 인용 문헌의 정확성 및 타당성에 도전할 권리를 특별히 보유한다.
본 발명의 일 구체 예는:
(a) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판;
(b) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층;
(c) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층 (n-doped cladding layer);
(d) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층 (active layer)을 포함하며, 여기서
상기 클래드층의 적어도 하나는 인듐을 함유하고, 4원/2원 (quaternary/binary), 3원/2원 (ternary/binary) 및/또는 4원/3원 서브층 (sublayers)의 상부구조 (superstructure)를 포함하는 반도체 레이저에 관한 것이다.
몇몇 구체 예에 따르면:
(i) 기판에 대한 클래드층의 전체 상부구조의 총 격자 불일치 변형 (total lattice mismatch strain)이 40 nm%를 초과하지 않고; 및/또는
(ⅱ) 적어도 하나의 클래드층 아래에 위치된 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형이 40 nm%를 초과하지 않으며; 및/또는
(ⅲ) 어떤 높이 클래드층 아래에 위치된 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형이 40 nm%를 초과하지 않고; 및/또는
(ⅳ) 상기 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형이 40 nm%를 초과하지 않는다.
예를 들어, 일 구체 예에 따르면, 상기 레이저는; (a) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판; (b) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층; (c) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층; (d) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 하나의 활성층을 포함하고, 상기 클래드층들의 적어도 하나는 전체 상부구조의 총 격자 불일치 변형이 40%를 초과하지 않도록 선택된 조성을 갖는 AlInGaN/GaN, AlInN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN//InGaN, 또는 AlInGaN/AlN의 상부 구조를 포함한다.
본 발명의 부가적인 구체 예는:
(i) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판;
(ⅱ) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층;
(ⅲ) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층;
(ⅳ) 상기 n-도프된 및 p-도프된 클래드층들 사이에 위치된 적어도 하나의 활성층을 포함하며,
여기서 상기 클래드층들의 적어도 하나는 (a) AlInGaN/GaN, AlInN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN/InGaN, AlInGaN/AlN의 인듐 함유 초격자 (superlattice) 구조; 또는 (b) AlInN/GaN 3원/2원 상부구조를 포함하는 반도체 레이저에 관한 것이다.
몇몇 구체 예에 따르면, 상기 기판은 GaN이고, 상기 클래드층의 적어도 하나는 인듐 함유 주기적인 구조 (예를 들어 4원/2원 상부구조)이다. 몇몇 구체 예에 따르면, 상기 기판은 GaN이고, 상기 n-클래드층은 AlInGaN/GaN의 초격자-구조이다.
본 발명의 특정 구체 예는 GaN 기판의 (
Figure pct00001
) 결정 평면상에 성장에 관한 것으로, 이 경우에 있어서, 상기 GaN 기판은 (
Figure pct00002
) 결정 성장 평면을 한정하는 것으로서 기술될 수 있다.
부가적인 특성 및 장점은 하기 상세한 설명에 기술될 것이고, 부분적으로 첨부된 도면뿐만 아니라, 상세한 설명 및 이의 청구항에 기술된 바와 같은 구체 예를 실행하여 인지되거나 또는 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해 질 것이다.
전술된 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 단지 대표적인 것이며, 청구항의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하기 위해 의도된 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 포함되고, 일부를 구성한다. 도면은 다양한 구체 예의 원리 및 작동을 설명하기 위해 제공된 설명과 함께, 하나 이상의 구체 예를 예시한다.
도 1은 본 발명의 어떤 구체 예에 따른 GaN 레이저를 개략적으로 나타낸 도면이고;
도 2는 도 1에 도시된 레이저의 RSM (역격자 공간 (reciprocal space map))을 나타내며;
도 3은 550 nm 내지 950 nm의 p-측 클래드 두께를 갖는 GaN 레이저에 대해 p-금속 접촉 (contact)의 광학 모드 강도 및 이의 침투를 나타낸 그래프이며;
도 4는 n-AlInGaN/GaN 상부구조를 포함하는 n-측 클래드 및 950 nm의 p-측 클래드 두께를 갖는 GaN 레이저의 구체 예에 대한 광학 모드 강도 및 굴절률 (refractive index) 프로파일의 그래프이고;
도 5a는 도 2의 구체 예에 상응하는 상대적으로 두꺼운 p-클래드층을 갖는 레이저 구조에 대한 광학 손실을 나타내는 그래프이며;
도 5b는 도 2의 구체 예에 또한 상응하는 LD 구조의 성능 (CW 출력 전력)을 나타내는 그래프이고;
도 6a는 상대적으로 낮은 두께 (595 nm)의 p-클래드층을 갖는 레이저에 대한 광학 손실을 나타내는 그래프이며;
도 6b는 도 6a와 관련된 레이저의 LD 구조에 대한 광 출력 전력 대 전류 그래프이고;
도 7은 비교 GaN 레이저의 RSM (역격자 공간)을 나타낸다.
본 발명의 방법 및 조성물의 생산물에 사용될 수 있고, 생산물과 함께 사용될 수 있으며, 생산물을 제조하는데 사용될 수 있거나, 또는 생산물인 물질, 화합물, 조성물, 및 성분은 개시된다. 이들 및 다른 물질들은 본 발명에 개시되며, 이들 물질의 조합, 준 조합, 상호작용, 그룹 등이 개시된 경우, 이들 화합물의 각각의 다양한 개별적 및 집단적 조합 및 치환의 특별한 기준이 명시적으로 개시되지 않을 수 있지만, 각각은 본 발명에서 특별하게 고려되고 설명되는 것으로 이해된다. 따라서, 만약 치환기의 등급 A, B, 및 C가 개시될 뿐만 아니라 치환기의 등급 D, E, 및 F 및 조합 구체 예인, A-D의 실시 예도 개시된다면, 그 다음 각각은 개별적으로 집합적으로 고려된다. 따라서, 본 실시 예에서, 각각의 조합 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E, 및 C-F은 특별하게 고려되고, A, B, 및 C; D, E, 및 F; 및 실시 예 조합 A-D의 개시로부터 공개된 것으로 고려될 것이다. 유사하게, 이들의 조합 또는 어떤 준 조합은 또한 특별히 고려되고 개시된다. 따라서, 예를 들어, A-E, B-F, 및 C-E의 서브-그룹은 특별하게 고려되고, A, B, 및 C; D, E, 및 F; 및 실시 예 조합 A-D의 개시로부터 공개된 것으로 고려될 것이다. 이러한 개념은 개시된 조성물을 사용하고 제조하는 방법에서 단계 및 조성물의 어떤 성분을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 본 발명에 모든 구체 예에 적용된다. 따라서, 만약 수행될 수 있는 다양한 부가적 단계가 있다면, 이들 부가적 단계의 각각은 공개된 방법의 어떤 특정 구체 예 또는 구체 예의 조합을 수행할 수 있다고 이해되고, 각각의 이러한 조합은 특별하게 고려되고 개시된 것으로 고려될 수 있다.
범위의 각각의 종료점 (endpoint)이 다른 종료점, 및 독립적인 다른 종료점에 대하여 모두 중요한 것으로 더욱 이해될 것이다.
정의:
상부 구조. 상부구조는 녹색 범위의 UV 자외선에서 광의 파장과 비교하여 작은 층 두께 (60 nm 이하)를 갖는 적어도 두 개의 다른 물질의 교대 층 (alternating layers)의 구조이다. 상부 구조는 주기적 (periodic) 또는 비-주기적일 수 있다.
초격자. 초격자는 층 두께가 4 nm 이하가 되도록, 물질에서 전자 및 홀 (hole) 파장에 해당하는 층 두께를 갖는 적어도 두 개의 다른 물질의 교대 층의 구조 (상부구조)이다. 초격자 구조는 주기적 또는 비-주기적일 수 있다.
상기 클래드층 및 도파로층 (waveguiding layer) 사이의 비굴절률 차 (Refractive index contrast)는 작동 파장 (operating wavelength) λ에서, 클래드층의 평균 굴절률 nc 및 인접한 도파로층의 평균 굴절률 nw 사이의 차 (즉, △=│nc-nw│)이고, 여기서 λ는 약 530 nm (500 nm ≤λ≤ 565 nm)이다. 예를 들어, 상기 클래드층의 평균 굴절률 nc은 ∑niLi/∑Li이고, 여기서 클래드층은 복수의 서브층이고, i는 상기 클래드층 내에 서브층 수에 상응하는, 정수이며, ni는 제공된 서브층의 굴절률이고, Li은 제공된 서브층의 두께이다.
상기 반도체 레이저의 몇몇 구체 예는: (a) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판; (b) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층; (c) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층; 및 (d) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층을 포함한다. 상기 클래드층들의 적어도 하나는 인듐을 함유하고, 주기적 또는 비-주기적 구조를 형성하는, 교대의 얇은 (60 nm 이하, 예를 들어, 50nm, 45nm, 40nm, 35 nm, 30 nm, 25, nm, 20 nm, 또는 더 얇은) 서브층의 구조를 포함한다. 예를 들어, 클래드층들의 적어도 하나는 인듐 (In)을 포함하는 상부구조 및/또는 초격자 구조일 수 있다. 예를 들어, 클래드층들의 적어도 하나는 인듐 (In)을 함유하는 4원/2원, 3원/2원 또는 4원/3원 상부구조 또는 초격자 구조를 포함할 수 있다.
이들 구체 예에 따르면, 상기 클래드층(들)은 하기 서브-층 쌍 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: AlInGaN/GaN, AlInN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN//InGaN 또는 AlInGaN/AlN, 또는 이들 쌍의 조합.
예를 들어, 몇몇 구체 예에 있어서, 상기 클래드층들의 적어도 하나는 인듐을 함유하는 4원/2원, 4원/3원 또는 3원/2원 초격자 구조를 포함하며, 상기 기판에 대하여, 이들 클래드층(들)의 전체 구조의 총 격자 불일치 변형은 40 nm%를 초과하지 않는다. 적어도 몇몇 구체 예에 있어서, 이 클래드층의 전체 구조의 총 격자 불일치 변형은 35 nm%를 초과하지 않는다 (예를 들어, 약 30 nm% 이하).
바람직하게, 적어도 몇몇 구체 예에 따르면, (상기 기판에 대하여) 상기 레이저의 전체 구조의 총 격자 불일치 변형은 40 nm%를 초과하지 않는다. 적어도 몇몇 구체 예에 있어서, 전체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형은 35 nm%를 초과하지 않는다 (예를 들어, 약 30 nm% 이하이다).
또한, 바람직하게는, 적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 어떤 제공된 레이저 하부에 위치된 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형은 40 nm%를 초과하지 않는다. 바람직하게는, 적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 어떤 제공된 층 하부에 위치된 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형은 35 nm%를 초과하지 않는다 (예를 들어, 약 30 nm% 이하이다).
바람직하게는, 적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 상기 클래드층들의 적어도 하나는 In을 포함하고, 상기 클래드층의 전체 구조의 총 격자 불일치 변형이 40 nm%를 초과하지 않는 조성물을 갖는 AlInGaN/GaN, AlInN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN//InGaN 또는 AlInGaN/AlN (또는 이의 조합)의 교대 구조 (예를 들어, 주기적인 구조)를 포함한다.
몇몇 구체 예에 따르면, 상기 기판은 GaN이고, 적어도 하나의 클래드층은 초격자 (SL) 구조일 수 있는 4원/2원 상부구조이다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에 따르면, 상기 기판은 GaN이고, 상기 n-클래드층은 AlInGaN/GaN의 초격자-구조이다. 본 발명의 적어도 몇몇 특정 구체 예는 GaN 기판의 반극성 평면 (semipolar plane)상에, 예를 들어, GaN 기판의 (
Figure pct00003
) 결정 평면상에서의 성장에 관한 것이고, 이러한 경우에 상기 GaN 기판은 (
Figure pct00004
) 결정 성장 평면을 한정하는 것으로 설명될 수 있다. 선택적으로, GaN 기판의 다른 반극성 평면은 또한 활용될 수 있고, 예를 들어, 반극성 평면은 하기 결정 성장 평면: (11-22), (11-2-2), (20-21), (20-2-1), (30-31), 또는 (30-3-1)의 10 도 또는 이내에 위치된다. 바람직하게는, 상기 반도체 레이저는 작동 파장 λ에서 방출하도록 설계되고, 여기서 500 nm ≤ λ≤ 565 nm, 더욱 바람직하게는 510 nm ≤ λ≤ 540nm이다.
도 1에 도시된 구체 예를 전체적으로 참조하면, 본 발명에 따른 대표적인 GaN 에지 방출 레이저 (100)는 반-극성 GaN 기판 (10), 선택적 버퍼층 (buffer layer) (15), 활성 영역 (20), n-측 도파로층 (30), p-측 도파로층 (40), n-형 클래드층 (50), 및 p-형 클래드층 (60) (또한 p-도프된 클래드층, 또는 p-측 클래드층이라 한다) 및 선택적 홀 차단층 (hole blocking layers) (65)을 포함한다. (
Figure pct00005
) 또는 다른 반-극성 결정 성장 평면을 한정할 수 있는, 상기 GaN 기판 (10)은 대략 1x106/㎠, 즉, 1x105/㎠ 이상이지만 1x107/㎠ 이하인 스레딩 변위 밀도 (threading dislocation density)를 가질 수 있다. 선택적으로, 상기 GaN 기판 (10)은 1x102/㎠ 및 1 x 105/㎠ 사이의 변위 밀도를 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 활성 영역 (20)은 n-측 도파로층 (30) 및 p-측 도파로층 (WG) (40) 사이에 개재되어, 실질적으로 평행하게 연장된다. 상기 n-형 클래드층 (50) (또한 n-도프된 클래드층 또는 n-측 클래드층이라 한다)은 n-측 도파로층 (WG) (30) 및 GaN 기판 (10) 사이에 개재된다. 상기 p-형 클래드층 (60)은 p-측 도파로층 (40)에 걸쳐 형성된다. 본 발명에 따르면, 대표적인 GaN 에지 발광 레이저 (100)은 적어도 하나의 스페이서 (spacer) 층 (80, 70)을 함유할 수 있고, 이것은, 예를 들어, p-측 도파로층 (40) 및 p-형 클래드층 (60) 사이 및/또는 n-측 도파로층 (30) 및 n-형 클래드층 (50) 사이에 위치될 수 있다. 전자 차단층 (electron blocking layer) (EBL) (90)은, 예를 들어, MQW 층 (20) 및 p-측 도파로층 (40) 사이에 존재할 수 있다. 마지막으로, 도 1의 구체 예에 있어서, 상기 n-측 스페이서 층 (70)은 n-형 클래드층 (50) 및 n-측 도파로층 (30) 사이에 위치되고, p-측 스페이서 층 (80)은 p-형 도파로층 (40) 및 p-형 클래드층 (60) 사이에 위치된다. 금속 층 (11 (p-측) 및 14 (n-측))은 p-형 클래드층 (60) 위 및 상기 기판 층 (10) 아래에, 각각 존재한다.
기술 분야에서 잘 문서화된, Matthews-Blakeslee 평형 이론은 부정합 전위 (misfit dislocations)의 시작에 대한 변형된 이종-에피텍셜 층 (hetero-epitaxial layer)의 예측된 임계적 두께를 제공한다. 이론에 따르면, 부정합 전위 발생을 통한 이완 (relaxation)는 만약 층의 두께가 상기 층의 Matthews-Blakeslee 임계적 두께를 초과한다면 일어난다. 이러한 두께의 수리적 제품 및 상기 층에서의 변형은 본 발명에서 상기 층의 변형-두께 제품이라 한다. 출원인은 바람직하게는 상기 층에 대한 변형-두께 제품이 40 nm%를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 30 nm%를 초과하지 않는다는 것을 발견하였다. 더 높은 비굴절률 차 (index contrast)는 모드 가이드를 위해 요구되고, 만약 클래드층이 Al을 함유한다면, 상기 클래드층 및 가장 가까운 도파로층 사이의 비굴절률 차는 Al 농도의 증가에 따라 증가한다. 그러나, 이것은 또한 변형 두께 제품을 증가시킨다. 따라서, 이들 구체 예의 적어도 몇몇에 따르면, 상기 클래드층 및 가장 가까운 도파로층 사이에 평균 비굴절률 차는 적어도 0.01 (적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 바람직하게는 0.02 - 0.03)이고, 상기 기판에 대하여, 전체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형은 40 nm%를 초과하지 않는다. 바람직하게는, 상기 전체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형은 35 nm%를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 30 nm%를 초과하지 않는다.
예를 들어, GaN 반도체 레이저 (100)의 구체 예는, 이의 n-형 클래드층 (50)으로서, 7.7 nm AlGaInN 및 23 nm GaN 서브층이 교대하는 상부구조 (SS) (즉, 7.7 nm AlGaInN/23 nm GaN)를 활용할 수 있고; p-형 클래드층 (60)에 대해, 2.5 nm AlGaN 및 7.5 nm GaN 서브층 (즉, 2.5 nm AlGaN/7.5 nm GaN)이 교대하는 상부구조 (SS) (즉, 2.5 nm AlGaN/7.5 nm GaN)를 활용할 수 있다. 상기 클래드층 (50, 60)의 AlGaInN 조성은, 예를 들어, 336 nm에서 광발광 (photoluminescence) 방출 피크를 제공하기 위해 선택되는 반면, a-결정학적 방향 (a-crystallographic direction)에 따라 GaN에 그것을 격자 매칭시킨다. 본 구체 예에 있어서, 상기 도파로층 (30 및 40)은 2 nm 두께 (각각) GaInN 및 4 nm 두께 (각각) GaN 서브층 (예를 들어, 2nm Ga0 .88In0 .12N/4 nm GaN)이 교대하는 초격자 (SL)를 포함한다. 이러한 구체 예에 대하여, 상기 클래드층 (50, 60) 및 가장 가까운 도파로층 (30, 40) 사이에 평균 비굴절률 차는 약 0.025이다.
전반적으로, 상기 n- 및 p- 클래드층의 평균 굴절률은 동일하지 않아야 한다. 몇몇 디자인에 대하여, (AlInGaN 물질에서 AlInN의 더 높은 분획을 사용을 통하여) n-클래드층에서 더 낮은 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 상기 n-클래드층으로부터 더 강한 비굴절률 차는 상기 기판에 광학 모드 누설을 최소화하는 것을 허용한다. 광학 누설의 최소화는 광학 손실을 최소화할 수 있고, 우수한 먼 필드 패턴 (good far field pattern)을 보장한다.
다양한 구체 예는 하기 실시 예에 의해 더욱 명확해질 것이다.
실시 예 1
GaN 반도체 레이저의 대표적인 구체 예에 있어서, AlGaInN/GaN 상부구조 (SS) 및/또는 초격자-구조 (SLS)는, n-형 클래드 (50) 및 p-형 클래드 (60) 사이에 샌드위치된 다중 양자 우물 (MQW)을 포함하는 활성층 (20)을 갖는, n-형 클래드 (50) 및 p-형 클래드 (60)용으로 사용된다. 이들 구체 예의 활성층 (20)은, 예를 들어, GaInN/GaN/AlGaInN을 포함한다. 부가적으로, 이들 구체 예는 또한 n-AlGaInN/n-AlGaN 또는 n-AlGaN 또는 이의 조합을 포함하는 n-측 홀 차단 층 (65) 및 예를 들어, p-AlGaN, 또는 p-AlGaN/p-AlGaInN, 또는 p-AlGaN/p-AlGaInN을 포함하는 p-측 전자 차단 층 (90)을 활용한다.
전술된 바와 같이, 구조 1에 상응하는 대표적인 GaN 레이저는 AlGaInN/GaN 상부구조 (SS)를 포함하는 클래드를 활용할 수 있다. 이것은 한 내부-평면 (상기 기판 평면에 평행한 평면) 방향에서 (상기 기판에 대하여) 격자 매칭이 가능하고, 부정합 전위 형성을 피하기 위하여 수직방향 (즉, 평면에서, 한 방향에 대해 수직)에서 변형 최소화를 가능하게 한다. GaN 및 AlInN의 어떤 조성은 원하는 굴절률 (따라서 도파로층에서 원하는 비굴절률 차)을 얻기 위하여 클래드층을 함유하는 AlGaInN에 대해 활용될 수 있는 GaN에 (한 방향에서) 격자 매칭된다. 그러나, 더 높은 AlInN 함량은 전기적 전도성 떨어뜨리는 경향이 있기 때문에, 더 낮은 굴절률 (즉, 더 높은 AlInN 함량에 기인한 더 많은 Al)을 갖거나, 또는 더 높은 전기 전도성 (즉, 더 낮은 AlInN 함량에 기인한 더 적은 Al)을 갖는 것 사이에서 선택될 수 있다. 따라서, 비굴절률 차 및 전도성 사이에 교환 (tradeoff) 때문에, 상기 레이저에 대한 특별한 요구조건에 기초하여, 비굴절률 차 및 전도성의 최적 조합 사이에서 선택할 수 있다. 부가적으로, AlGaInN/GaN 상부구조를 포함하는 클래드층의 평균 굴절률은 AlGaInN 서브-층 두께 대 GaN 서브-층 두께의 비의 적절한 선택에 의해 제어될 수 있다. 바람직하게는, 상기 클래드층에서 AlGaInN 서브층 두께 대 GaN 서브층 두께의 비는 1:2 내지 1:4, 예를 들어 1:2.5 내지 1:3.5, 또는 1.28 내지 1.36이다. 상기 클래드(들)을 형성하는 상부구조에서 AlGaInN 및 GaN 서브층에 대한 대표적인 두께는 각각, 약 7-10 nm (AlGaInN) 및 약 20-24 nm (GaN); 또는 각각 약 2-3 nm (AlGaInN) 내지 약 7-10 nm (GaN)이다. 몇몇 구체 예에 있어서, AlGaInN 층의 조성은 실온 (22℃)에서 336 nm의 광발광 방출 파장을 제공하기 위해 선택된다. 그러나, 상기 광발광 방출 파장은 전반적인 디자인에 의존하여, 더 짧거나 더 길어지는 (예를 들어, 330nm, 340nm 또는 350nm) 것에서 선택될 수 있고; 층 두께 및 두께 비는 원하는 바와 같이 변화될 수 있다. 이러한 상부 구조는 성장 파라미에서 더 많은 자유로움을 제공하고, 이것은 상기 클래드층의 결정 품질을 개선시킨다. (주의: 더 짧은 광발광 (PL) 방출 파장은 더 낮은 굴절률에 상응하고, 더 긴 광발광 방출 파장은 더 높은 굴절률에 상응한다. 광발광 방출 파장은 밴드 갭 - 더 짧은 광발광 방출 파장에 상응하는 더 높은 밴드 갭 -의 지표 (indication)이고, 상기 굴절률은 더 낮은 굴절률에 상응하는 더 높은 밴드갭을 갖는, 밴드 갭의 함수이다.) 따라서, 상기 광발광 방출 파장은 상기 클래드 및 도파로층 사이에 요구된 비굴절률 차에 기초하여 선택될 수 있다.
좀더 구체적으로는, 구조 1에 상응하는 대표적인 구체 예의 적어도 몇몇은 다음 층을 포함한다:
[구조 1]
Figure pct00006
상기 표에서 "Th"는 제공된 층의 총 두께 (즉, 상응하는 서브-층의 두께의 합)를 의미하고, x는 1 이하의 양수이고, y는 1 이하 또는 0인 양수이며, p+ 기호는 상기 층이 p-측 전도성을 제공하기 위하여 Mg, Be 또는 Zn과 같은 수용체로 많이 도핑된 것을 나타낸다. 예를 들어, 만약 Mg이 활용된다면, p-측 접촉 층 (12)에서 Mg의 양은 바람직하게는 적어도 1018 /㎤ (예를 들어, 1019/㎤, 1020/㎤)이다. 상기 p++ 기호는 상기 층이 p+과 관련된 층보다 수용체로 더욱 많이 도핑된 것을 나타낸다. (상기 + 표시는 상기 층이 상대적으로 높은 농도의 p-형 도펀트를 함유하는 것을 의미한다. 더 많은 +는, 다른 층과 비교하여, p-형 도펀트의 더 높은 수준을 표시한다). 대표적인 n-측 수용체 도펀트는 (예를 들어 2x1018 내지 5x1018/㎤의 양으로) Si 및/또는 Ge을 포함한다.
적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 구조 1에 따른 GaN 레이저 예의 클래드층 (50 및 60)에서 Al, In 및 Ga에 대한 농도는 Al 8-82 mole%; Ga 0-90 mole%; In 2-18 mole%이다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에 있어서, Al의 양은 20.8 mole%이고, Ga의 양은 74.64 mole%이며, In의 양은 4.56 mole %이다. 또 다른 구체 예에 있어서, Al의 양은 82 mole%이고, Ga의 양은 0 mole %이며 (즉, Ga은 존재하지 않는다), In의 양은 약 18 mole%이다. 상기 클래드층 (50 및 60)의 구조는 동일하지 않아야 한다 (즉, 층 (50)에 상응하는 x 및 y수는 층 (60)에 상응하는 x 및 y 수와 동일하지 않아야 한다).
하기 표 1은, 구조 1에 상응하는 제1 대표적인 구체 예의 구조적 파라미터를 제공한다. 본 구체 예는 도 1에 도시되었다.
[표 1]
Figure pct00007
실시 예 2
이러한 구체 예에 있어서, 인듐이 없거나 거의 없는 (0.5 mole% 미만)은 n-측 클래드층 (50)에 비교하여, p-측 클래드층 (60)에서 활용된다. 이것 때문에, 실시 예 2의 구체 예는 실시 예 1의 구체 예보다 더 우수한 전도성을 제공한다. 상기 p-측 위에 더 우수한 전도성은 상기 층을 가로지르는 더 낮은 전압 강하를 결과하기 때문에 이점이 있다. (하기에 나타낸) 구조 2는 실시 예 2 구체 예의 대표적인 구조적 파라미터를 제공한다. 구조 2 구체 예는 또한 도 1에 상응한다. 구조 2에 따른 대표적인 구체 예는 n-측 (n-형 클래드층 (50))상에 AlGaInN/GaN 층 (상부구조 또는 초격자 구조) 및 p-측 (즉, p-형 클래드층 (60)) 상에 AlGaN/GaN (상부구조 또는 초격자 구조)를 활용한다.
실시 예 1의 전술한 구체 예에 있어서, 예를 들어, n-AlGaInN 또는 n-AlGaN 또는 이의 조합인, 선택 홀 차단 층 (65)은 실시 예 2의 구체 예에서 활용된다. 구조 2에 따른 GaN계 반도체 레이저의 대표적인 구체 예의 적어도 몇몇은 다음의 층을 포함한다:
[구조 2]
Figure pct00008
상기 표에 있어서, "Th"는 제공된 층의 총 두께 (즉, 상응하는 서브-층의 두께의 합)를 나타내고, x는 1 이하의 양수이고, y는 1 이하 또는 0인 양수이며, p+ 기호는 p-측 전도성을 제공하기 위하여 Mg, Be 또는 Zn와 같은 수용체로 많이 도핑된 것을 나타낸다.
적어도 몇몇 구체 예에 따르면, 구조 2에 따른 실시 예의 클래드층 (50)에 대한 Al, In 및 Ga의 범위는 Al 8-82 mole%; Ga 0-90 mole%; 및 In 2-18 mole%이다. 예를 들어, 몇몇 구체 예에 있어서, Al의 양은 20.8 mole%, Ga의 양은 74.64 mole% 및 In의 양은 4.56 mole%이다. 또 다른 구체 예에 있어서, 상기 클래드층 (50)에서 Al의 양은 82 mole%이고, Ga의 양은 0 mole% (즉, Ga는 존재하지 않는다)이며, In의 양은 약 18 mole%이다. 하기에 나타낸, 표 2A는 구조 2에 상응하는 하나의 대표적인 구체 예의 구조적 파라미터를 제공한다 (제2 대표 구체 예).
[표 2A]
Figure pct00009
구조 2에 상응하는 GaN 레이저는 AlGaInN/GaN 상부구조 (SS), 예를 들어, n-형 클래드층 (50)을 포함하는 적어도 하나의 클래드층을 활용할 수 있다. 이것은 부정합 전위 형성을 피하기 위해 수직 방향에서 변형을 최소화 및 한 방향에서 격자 매칭하는 것을 가능하게 한다. 전술한 바와 같이, GaN에 (한 방향에서) 격자 매칭된 GaN 및 AlInN의 어떤 적절한 조성은 원하는 굴절률을 얻기 위하여 클래드층을 함유하는 AlGaInN에 대해 활용될 수 있다. 그러나, 더 높은 AlInN 함량은 전기 전도성을 하락시키는 경향이 있고, 따라서 더 낮은 굴절률 또는 더 높은 전기 전도성을 갖는 것 사이에서 선택해야 할 것이다. AlGaInN/GaN 상부구조를 포함하는 클래드층의 평균 굴절률은 또한 AlGaInN 서브-층 두께 대 GaN 서브-층 두께의 비를 선택하여 제어될 수 있다. 상기 n-측 클래드층 (50)을 형성하는 상부 구조에서 AlGaInN 및 GaN 서브층에 대한 대표적인 두께는 각각 7 내지 12 nm (예를 들어, 10 nm) 및 15 내지 25 nm (예를 들어, 20 nm)이다. 몇몇 구체 예에 있어서, AlGaInN 층의 조성은 실온 (22℃)에서 336 nm의 광 발광 방출 파장을 제공하기 위해 선택된다. 그러나, 광발광 방출 파장은 전반적인 디자인 및 층 두께에 의존하여, 더 짧거나 길 (예를 들어, 330 nm, 340 nm 또는 350 nm) 수 있고; 상기 두께 비는 원하는 만큼 변화될 수 있다. 이러한 상부 구조는 성장 파라미터에서 더 많은 자유를 제공하며, 이것은 상기 클래드층의 결정 품질의 개선을 돕는다. 그러나, 이러한 상부 구조를 함유하는 p-측 클래드가 높은 수준의 전도성을 만들기가 어렵다는 것을 발견하였기 때문에, 구조 2에 상응하는 실시 예 2 구체 예는 n-측 상에 AlGaInN/GaN 상부구조 및 p-측 상에 AlGaN/GaN 상부구조를 활용하는 것이 바람직하다. 몇몇 대표적인 구체 예에 있어서, 상기 p-측 클래드 상부구조는 초 격자 (SL) 구조이다. 실시 예 2 구체 예에 있어서, 상기 p-측 클래드 (60)의 대표적인 AlGaN 서브층 및 GaN 서브층은 초격자 (SL) 구조를 형성하고, 이들 AlGaN 서브층은 10% 이하의 Al 함량 (2 내지 9 mole%인 평균 Al 함량)을 갖는다. 몇몇 구체 예에 있어서, 상기 p-측 클래드 (60)의 초격자 구조의 개별적인 서브-층의 두께는 약 2-5 nm, 예를 들어, 2, 2.5, 3 또는 4 nm이다. 그러나, 상기 Al의 함량은 디자인 및 일관성 요구조건에 의존하여, 더 많거나 또는 더 적을 수 있다. 인듐이 p-측 SL (p-측 클래드층 (60))에 존재하지 않기 때문에, 우수한 p-측 전도성을 얻기 위하여, 그것은 더 높은 온도 (800℃ 초과), 예를 들어, 850℃ 내지 1100℃ (예를 들어, 900-1000 ℃)에서 성장될 수 있다. 오직 한 면상에 인장 변형된 AlGaN/GaN 초격자의 p-측 클래드층을 갖게 하여, 넷트 변형 (net strain)은 MQW의 압축 변형 때문에 더 낮아지고, 도파로층은 부정합 전위 형성을 피하기 위해 가능한, p-측 클래드층의 인장 변형을 보상한다. 도 2는 도 1의 GaN 반도체 레이저 디자인에 상응하는 레이저 구조의 RSM (reciprocal space map)을 나타낸다. 이것은 상기 기판 피크를 통한 수직선은, 모든 층들이 상기 기판과 서로 밀착된 것을 나타내는, 층 및 위성 피크 (satellite peak)의 수직선을 통하여 통과하는 것을 알 수 있다. 구조 2에 상응하는 GaN 레이저에 있어서, 본 발명자들은 500 nm 초과하는 총 두께를 갖는 (바람직하게는 550 nm 이상 및 2000 nm 미만), AlGaN/ GaN 상부구조의 p-측 클래드 (60)을 만드는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 상기 p-측 클래드 (60)의 두께는 p-측 금속 접촉 층 (11)에 의한 흡수에 기인한 광학 손실을 최소화 또는 피하기 위하여, 바람직하게는 700 nm 초과, 더욱 바람직하게는 800 또는 850 nm 초과 (즉, 약 1 미크론 두께)이다. 상기 p-측 클래드 (60)에 대한 통상적 두께 범위는 750 nm 내지 1200 nm, 예를 들어, 800 nm 내지 1100 nm이다.
좀더 구체적으로, 보라색 스펙트럼 범위에서 GaN-계 LD 방출에 대해, 상기 p-클래드층의 폭 (두께)이 통상적으로 (이것은 더 낮은 전압 하락을 유도하는, 적은 저항을 제공하기 때문에) 400 nm 이하라는 것이 알려져 있다. 그러나, 본 발명들은 위치가 녹색 스펙트럼 범위에서 레이저 방출에 대해 다르다는 것을 발견하였다. 일반적으로, 더 긴 작동 파장에서 광학 구속 (optical confinement)은 도파로 및 클래드층 사이의 비굴절률 차가 작기 때문에, 더 약하다. 이는 상기 금속 층 (11)으로 더 강한 광학 모드 침투 (penetration) 및 상기 금속 층에 의한 광학 흡수에 기인한 더 강한 광학 손실을 유발한다.
다음은 원하는 비굴절률 차를 얻기 위한 계획의 설계이다. InGaN 도파로층 및 양자 우물에서 이완을 피하기 위하여, 도파로층에서 제한된 인듐 함량이 사용될 수 있다. 특정 인듐 함량은 도파로의 두께에 의존하지만, 평균 In 몰 농도가 10 mole % 미만, 바람직하게는 3-6 mole %인 것이 바람직하다.
또한, 구조 2 구체 예에 있어서, 상기 p-측 클래드층 (60)에서 평균 Al 농도는 제한되고; 만약 클래드층 (60)에서 평균 Al 농도가 10% 초과한다면, 이것은 통상적으로 우수한 물질 품질 및 p-전도성을 달성하는 것이 어렵다. 바람직하게는, 만약 Al이 p-측 클래드층 (60)에서 활용된다면, 평균 Al 농도는 2 내지 10 mole%, 더욱 바람직하게는 2 내지 7 mole% (예를 들어, 약 4 내지 6 mole%)이다.
본 발명자들은 상기 p-측 금속 층 (11)에 광학 침투를 감소시키기 위한 바람직한 방법이 p-측 클래드층 상부구조 (또는 SL)의 총 두께, 즉, 상기 클래드층 (60)의 총 두께를 증가시키는 것이라는 것을 발견하였다. 도 3은 구조 2의 실시 예에 상응하는 반도체 GaN 레이저의 아홉 개의 구체 예의 모의 광학 모드 강도, 및 p-측 금속 층 (11)에 광학 모드 침투 (도 3에서 수직 파선의 왼쪽에 곡선의 위치에 상응하는 광학 모드 침투)를 도시한다. 이들 구체 예는 상기 p-측 클래드층 (60)의 두께를 제외하고, 서로 유사하며, 이것은 550 nm 내지 950 nm까지 증가하여 변화된다 (유사 곡선은 구조 1에 상응하는 구체 예에 대해 얻어질 수 있다). 좀더 구체적으로는, 도 3에서 수직선은 상기 p-금속 층 (11) 및 p++ GaN 접촉 층 (12) 사이에 경계면에 상응한다. 전술한 바와 같이, 수직 파선의 왼쪽에 곡선은 상기 금속 층 (11)으로 광학 모드의 침투에 상응한다. 수직선과 아홉 개의 곡선의 교차점은 p-측 금속 층 (11) 및 p++ GaN 접촉 층 (12) 사이에 경계면에 모드 강도의 양에 상응한다. 바람직하게는, 이러한 경계면에 모드 강도는 1x10-3 미만, 바람직하게는 2x10-3, 더욱 바람직하게는 5x10-4 미만, 예를 들어 2x10-4 이하이다. 도 3은 상기 클래드 두께의 증가가 금속 층 (11)에 광학 모드 침투를 감소시키는 것을 돕는 것을 설명한다. 예를 들어, 550 nm으로부터 850 nm까지의 p-측의 초격자 클래드 두께의 증가는 실질적으로 상기 p-금속 층 (11)에 광학 모드 침투를 감소시키고, 따라서 p-금속 층 (11)에서 광학 손실을 감소시킨다. 도 5a에서 나타낸 바와 같이, 상기 p-측 클래드층 (60)의 두께가 약 850 nm인 경우, 다른 p-측 층의 상부에 금속 층 (11)의 부가 (실시 예 1 및 2에 있어서, 금속 층 (11)은 층 (12)의 상부에 위치된다)는 매우 낮은 내부 광학 손실 (△＜ 3cm-1, 및 바람직하게는 <2.5cm-1)을 단지 유발한다. 손실의 더욱 감소는 클래드층 두께, 예를 들어 900 또는 950 nm (도 3 참조), 또는 예를 들어, 1㎛ (도시되지 않음)까지 증가시키는 것에 의해 가능하다. 도 5b는 상대적으로 두꺼운 클래드층 (60) (이 구체 예에 있어서, 850 nm)에 기인한 더 낮은 광학 손실이, 낮은 문턱 전류 (threshold current)를 달성하는 것을 유리하게 돕고 , 또한 (펄스 작동에 부가하여) CW 레이징 발생을 달성하는 것을 유리하게 돕는 것을 설명한다. (2x750 um의 문턱 전류는 표 2A의 구조적 파라미터를 갖는 스트라이프 장치가 펄스된 작동하에서 80 mA 및 CW 작동 하에서 130 mA 이다. LD 레이징 파장은 522 nm이다.) 이러한 고성능 및 연속 CW 작동은 상대적으로 얇은 p-클래드층 (550 nm 이하)으로 달성될 수 없다. 금속화에 기인한 광학 손실은 상기 클래드층 (60)의 클래딩 두께가 550 nm까지 감소된 경우, 더 높고, 이런 층의 두께가 500 nm이하인 경우 휠씬 더 높다. 따라서, 500 nm 이상, 더욱 바람직하게는 적어도 550 nm, 더욱 바람직하게는 700 nm 이상 (예를 들어, 750nm 이상)의 p-측 클래드층 (60) 두께를 사용하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 상기 p-측 클래드층 (60)의 두께는 800nm 이상이다. 상기 n-측 층 (50)의 두께는 예를 들어, 1-2 ㎛일 수 있다.
실시 예 3, 표 2B
이러한 대표적인 구체 예는 표 2A에 나타낸 바와 유사한 구조를 갖지만, 더 얇은 p-측 클래드 (60)을 갖는다. 이런 구조에 따른 어떤 대표적인 구체 예의 특정 파라미터는 표 2B에서 제공된다.
[표 2B]
Figure pct00010
실시 예 4, 표 2C
이러한 대표적인 구체 예는 표 2B에 나타낸 것과 유사한 구조를 갖지만, 상기 n-클래드층 (50)에서 더 두꺼운 p-측 클래드층 및 더 두꺼운 서브층을 갖는다. 이러한 구조에 따른 어떤 대표적인 구체 예의 특정 파라미터는 표 2C에 제공된다. 이러한 대표적인 구체 예의 모의 광학 모드 프로파일 및 굴절률 프로파일은 도 4에서 도시되었고, 이것은 또한 우수한 광학 구속 구조를 설명한다.
[표 2C]
Figure pct00011
전술된 바와 같이, 더 긴 파장에서 그룹-III 질화물 LD 방출에 대하여, 광학 구속은, 일반적으로, 도파로 및 클래드층 사이에 비굴절률 차가 상대적으로 작기 때문에 더 약하다. 이것 때문에, 만약 상기 p-측-클래드층의 디자인이 부적절하다면 (즉, 비굴절률 차가 불충분하고, 및/또는 상기 클래드층의 두께가 충분하지 않다면), 상기 광학 모드는 p-측 금속 층 쪽으로 강하게 침투한다. 표 2B에 상응하는 실시 예에 있어서, 상기 p-측 클래드층의 두께는 표 2A의 구체 예의 두께보다 더 작고, 따라서, p-측 금속화 후, 상기 광학 손실은 표 2A에 상응하는 구체 예에 의해 나타나는 것보다 더 크다. 895 nm에서 595 nm까지 p-클래드층 (60)에서 두께의 감소의 결과로서, 레이징 작동의 차별적 효율성은 감소되고, 문턱 전류 수준은 증가된다. 이것은 도 6a 및 6b에 의해 설명된다.
상기 p-측 층 (60)의 두께가 550 nm까지 더욱 감소된 경우, 상기 광학 손실은 p-금속화 전에 광학 손실보다 p-금속화 후에 상당히 크다.
좀더 구체적으로는, 도 6a는 구조상의 p-측위에 p-측 금속 층 (11)의 증착 전 및 상기 p-측 금속 층 (11)이 상기 구조의 상부에 첨가된 경우, 상대적으로 낮은 두께 (595 nm)의 p-클래드층 (60)을 갖는 구조 2의 예에 대한 광학 손실을 설명한다. 895에서 595 nm으로 p-클래드층 (60)에서 두께의 감소의 결과로서, 레이징 (lasing) 작동의 차별적 효율성은 감소되고, 문턱 전류는, 도 6b에 나타낸 광 출력 전력 대 전류 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 증가된다. 2x750℃의 릿지 범위를 갖는 장치의 문턱 전류는 펄스 작동 하에 140 mA이고, CW 레이징은 달성되지 않는다.
비교 예
표 3은 비교 GaN 레이저의 구조적 파라미터를 제공한다. 이러한 레이저는 n-측 또는 p-측 클래드층에서 인듐을 활용하지 않는다. 표 3의 비교 예는 AlGaN 또는 AlGaN/GaN 초격자 (SL) 구조인 클래드층을 활용한다. 이러한 클래드층은 반극성 기판상에 녹색 스펙트럼 범위에서 레이저를 만들기 위해 활용되고, 부정합 전위 발생을 방지하는 것은 어려운데, 이는 총 축적된 변형-시간-두께가 제한을 초과하기 때문에 열악한 품질의 MQW (다중 양자 우물)을 결과한다. (이것은 AlGaN이 GaN에 격자 불일치되기 때문에 발생한다. 대표적인 구체 예는 GaN의 격자 상수에 더 근접한 격자 상수를 가져오기 위해 인듐을 활용한다.)
좀더 구체적으로는, 반극성 기판상에 녹색 파장 범위에서 레이징을 달성하기 위하여, 표 3의 비교 레이저 디자인은 두꺼운 n-측 AlGaN 또는 n-AlGaN/GaN (SL) 클래드층 및 AlGaN 또는 AlGaN/GaN SL 층의 p-측 클래드층을 활용한다. 이러한 비교 레이저 디자인은 부정합 전위를 결과하고, n-측 클래드층의 인장 변형된 AlGaN 또는 AlGaN/GaN 초격자 (SL) 구조의 이완 때문에, MQW 활성 영역의 결함 및 악화를 유발할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 n-측 n-AlGaN 및 p-측 p-AlGaN/p-GaN 클래드를 활용하는, 표 3의 레이저 구조의 역격자 공간 (RSM)를 나타낸다. 도 7은 층 및 위성 피크가 기판 피크를 통해 통과하는 수직 선상에 떨어지지 않는다는 것을 설명한다. 이는 도 1에 상응하는 레이저의 구체 예와 다르게 나타나는데, 이는 (표 3)의 비교 레이저에서 층의 평면 격자 상수 (in-plane lattice constant)는 기판의 격자 상수와 다르기 때문이며, 따라서 클래드층의 이완을 나타낸다.
[표 3]
Figure pct00012
별도로 언급하지 않는 한, 본 발명에 기술된 어떤 방법은 이의 단계가 특정한 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 해석되지는 않는다. 따라서, 본 방법의 청구항은 이의 단계를 수반하는 순서로 실질적으로 예시하지 않거나, 상기 단계가 특정한 순서로 제한되는 것으로 청구항 또는 상세한 설명에서 특별하게 언급하지 않는 한, 어떤 특정 순서로 추론되는 것을 의도하지 않는다.
기술 분야의 당업자에게는 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 변화가 명백할 것이다. 본 발명의 사상 및 물질을 포함하는 개시된 구체 예의 변형 조합, 준-조합, 및 변경이 기술 분야의 당업자에게 일어날 수 있기 때문에, 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 및 이의 균등물 내의 모든 것을 포함하는 것으로 해석될 것이다. 다양한 변경 및 변화는 본 발명에 개시된 물질, 방법 및 제품에 대해 만들어 질 수 있다. 본 발명에 개시된 물질, 방법 및 제품의 다른 관점은 본 발명의 상세한 설명 및 본 발명에 개시된 물질, 방법 및 제품의 실례를 고려하면 명백해질 수 있다. 상기 상세한 설명 및 실시 예는 대표적인 예로 고려될 수 있다.
10: 반-극성 GaN 기판 11: p-측 금속 층
12: p-측 접촉 층 14: n-측 금속 층
15: 선택적 버퍼층 20: 활성 영역
30: n-측 도파로층 40: p-측 도파로층
50: n-형 클래드층 60: p-형 클래드층
65: 선택적 홀 차단층 70: n-측 스페이서 층
80: p-측 스페이서 층 90: 전자 차단층
100: GaN 에지 방출 레이저

Claims (19)

  1. (a) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판;
    (b) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층;
    (c) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층;
    (d) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층을 포함하는 구조를 가지며, 여기서
    상기 클래드층의 적어도 하나는 인듐을 함유하고, 4원/2원, 3원/2원 및/또는 4원/3원 서브층의 상부구조를 포함하는 반도체 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    인듐을 함유하고, 4원/2원, 3원/2원 및/또는 4원/3원 서브층의 상부구조를 포함하는 상기 적어도 하나의 클래드층은 하기 조건의 기하 및 조성을 갖는 반도체 레이저:
    (i) 40 nm%를 초과하지 않는 상기 기판에 대한 상기 클래드층의 전체 상부구조의 총 격자 불일치 변형; 및/또는
    (ⅱ) 40 nm%를 초과하지 않는 상기 적어도 하나의 클래드층 아래에 위치된 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형; 및/또는
    (ⅲ) 40 nm%를 초과하지 않는 어떤 높은 클래드층 아래에 위치된 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형; 및/또는
    (ⅳ) 40 nm%를 초과하지 않는 상기 반도체 레이저 구조의 총 격자 불일치 변형.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 클래드층은 초격자 구조를 가지며, 다음 서브층 쌍 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 레이저:
    (i) AlInGaN 및 GaN, (ⅱ) AlInGaN 및 AlGaN, (ⅲ) AlInGaN 및 InGaN, (ⅳ) AlInGaN/AlN, (v) AlInN/GaN, 또는 이들의 결합.
  4. 청구항 1에 있어서,
    인듐을 함유하고, 4원/2원, 3원/2원 및/또는 4원/3원 서브층의 상부구조를 포함하는 상기 클래드층의 적어도 하나는 n-형 클래드인 반도체 레이저.
  5. 청구항 1에 있어서,
    p-형 및 n-형 클래드층 모두는 인듐을 함유하는 반도체 레이저.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 클래드층은 AlInGaN/GaN 주기적인 구조를 포함하고; 다른 클래드층은 (i) AlGaN/GaN 초격자; 또는 (ⅱ) GaN 벌크 물질인 반도체 레이저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 우르차이트 결정 (wurtzite crystal)의 반극성 평면을 포함하는 반도체 레이저.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 반극성 평면은 다음 평면의 10도 방위 또는 그 내에 위치되는 반도체 레이저: (11-22), (11-2-2), (20-21), (20-2-1), (30-31) 또는 (30-3-1).
  9. 510-540 nm 범위의 파장에서 광을 방출하도록 설계된 청구항 1의 반도체 레이저.
  10. (i) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판;
    (ⅱ) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층;
    (ⅲ) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층;
    (ⅳ) 상기 n-도프된 클래드층 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층을 포함하며, 상기 클래드층의 적어도 하나는 인듐을 함유하고 다음 쌍의 적어도 하나의 교대 구조를 포함하며: (i) AlInGaN 및 GaN, (ⅱ) AlInGaN 및 AlGaN, (ⅲ) AlInGaN 및 InGaN, (ⅳ) AlInN 및 GaN, 또는 (v) AlInGaN 및 AlN; 및
    상기 기판과 상기 클래드층의 전체 교대 구조의 총 격자 불일치 변형이 40 nm%를 초과하지 않는 반도체 레이저.
  11. 청구항 10에 있어서,
    (i) 상기 기판은 GaN이고, 적어도 하나의 클래드층은 4원/2원 초격자-구조이며; 또는 (ⅱ) 상기 기판은 GaN이고, 상기 n-클래드층은 AlGaInN/GaN의 초격자-구조인 반도체 레이저.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 p-도프된 클래드는 AlGaN/GaN 초격자 또는 GaN 벌크 물질인 반도체 레이저.
  13. (i) GaN, AlGaN, InGaN, 또는 AlN 기판;
    (ⅱ) 상기 기판 위에 위치된 n-도프된 클래드층;
    (ⅲ) 상기 n-도프된 클래드층에 위치된 p-도프된 클래드층;
    (ⅳ) 상기 n-도프된 및 p-도프된 클래드층 사이에 위치된 적어도 활성층을 포함하며, 상기 클래드층의 적어도 하나는 AlInGaN/GaN, AlInGaN/AlGaN, AlInGaN/InGaN, AlInGaN/AlN, 또는 AlInN/GaN의 상부구조를 포함하는 반도체 레이저.
  14. 청구항 13에 있어서,
    적어도 상기 n-도프된 클래드층은 AlGaInN/GaN의 초격자-구조를 포함하는 반도체 레이저.
  15. 청구항 1, 10 또는 13에 있어서,
    상기 기판은 반극성 평면 방위를 갖는 GaN인 반도체 레이저.
  16. 청구항 1, 10 또는 13에 있어서,
    상기 p-도프된 클래드층은 AlGaN/GaN의 초격자-구조를 포함하는 반도체 레이저.
  17. 청구항 1, 10 또는 13에 있어서,
    상기 p-도프된 클래드층은 적어도 550 nm의 두께를 갖는 반도체 레이저.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 p-도프된 클래드층은 적어도 600 nm의 두께를 갖는 반도체 레이저.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 p-도프된 클래드층은 적어도 700 nm의 두께를 갖는 반도체 레이저.
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