KR20140040106A - 평형 변형의 레이저 다이오드 - Google Patents

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Abstract

본원의 개념에 따라서, 레이저 다이오드 도파관 구성이 고려될 수 있는 바와 같이, 레이저의 도파관 층들에서의 Al 사용은 하나 이상의 광 구속 우물들(InGaN) 및 하나 이상의 해당 변형 보상 장벽들(Al(In)GaN)을 포함하는 InGaN/Al(In)GaN 도파 상부구조체의 형태로 존재하게 된다. 광 구속 우물들의 조성물이 강한 광 구속을 제공하되, 심지어 Al(In)GaN 변형 보상 장벽들의 존재에서도 제공하지만, 레이저 방출을 흡수하지 못하도록 선택된다. 변형 보상 장벽들의 조성물은 Al(In)GaN이 InGaN 광 구속 벽들의 압축 변형을 보상하는 인장 변형을 나타내지만, 광 구속을 저해하지 않도록 선택된다.

Description

평형 변형의 레이저 다이오드{STRAIN BALANCED LASER DIODE}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C.§ 120 하에 2011년 2월 17일에 출원된 미국 출원 제13/029,723호의 우선권 주장 출원이며, 상기 미국 출원은 본원에 참조로 병합된다.
본 발명은 반도체 레이저에 관한 것으로 특히, 부정합 결함 형성(misfit defect formation)에 저항하는 광 도파관 구조체에 관한 것이며, 그리고 도파관 구조체의 능동 영역에서 상대적으로 높은 광 구속을 이룬다. 본원에 따른 반도체 레이저들은 예를 들면, 전기적으로 펌핑된 녹색 레이저 다이오드들로서 특히나 매우 적합하다.
본 발명자들은 잠재적으로 높은 광 이득 및 균일성으로 인해, 특히, InGaN 양자 우물들로 구성된 능동 영역들의 경우에서, III 족 질화물 화합물에 기반한 전기적으로 펌핑된 녹색 레이저 다이오드들의 설계 및 제조에 있어서, 반 극성 기판들을 사용하는 이점을 인식하여 왔다. 본 발명자들은 또한 인식한 바와 같이, 부정합 결함 형성은 반 극성 기판 상에서 성장된 레이저 다이오드 구조체들의 정황에서 특히나 극심한 문제점인데, 이는 AlGaN 또는 InGaN 층들의 성장 동안 강한 인장 및 압축 변형이 축적되어 변형 이완에 따라 부정합 변위를 형성하기 때문이다. 이러한 부정합 변위는 방출 효율 및 신뢰성을 형편없게 만들 수 있다.
본 발명자들이 인식한 바와 같이, 레이저 다이오드의 도파관 층에서 Al의 존재는 일반적으로 바람직하지 않은 것으로 간주되는데, 이는 AlGaN 및 AlInGaN이 Al이 없는 유사한 물질, 예를 들면 GaN 및 InGaN 에 비해 낮은 굴절률을 가지는 것으로 여겨져 왔기 때문이다. 이로써, 일반적인 동향은 가능한 한 많이 Al이 도파관 코어에 있지 않은 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명자들이 인식한 바와 같이, 반도체 레이저 다이오드의 도파관 층들에서 Al 및 InGaN의 사용은 이점이 될 수 있는데, 이는 Al을 함유하고 있는 층들이 InGaN 층들에게 변형 보상을 제공하지만, InGaN 층들에 의해 제공된 높은 굴절률을 저해하지 않기 때문이다. 이는 광 구속 및 광 이득을 증가시키면서, 높은 구조 결정체질을 유지시킬 수 있다.
본원의 개념에 따라서, 레이저 다이오드 도파관 구성이 고려될 수 있는 바와 같이, 레이저의 도파관 층들에서의 Al 사용은 하나 이상의 광 구속 우물들(InGaN) 및 하나 이상의 해당 변형 보상 장벽들(Al(In)GaN)을 포함하는 InGaN/Al(In)GaN 도파 상부구조체의 형태로 존재하게 된다. 광 구속 우물들의 조성물이 강한 광 구속을 제공하되, 심지어 Al(In)GaN 변형 보상 장벽들의 존재에서도 제공하지만, 레이저 방출을 흡수하지 못하도록 선택된다. 변형 보상 장벽들의 조성물은 Al(In)GaN이 InGaN 광 구속 벽들의 압축 변형을 보상하는 인장 변형을 나타내지만, 광 구속을 저해하지 않도록 선택된다.
본원의 일 실시예에 따라서, 레이저 다이오드는 반-극성 GaN 기판, 능동 영역, 도파 영역, 그리고 상부 및 하부 클래딩 영역들을 포함한다. 상기 도파 영역은 적어도 하나의 도파 상부구조체를 포함하고, 상기 도파 상부구조체는 벽 두께(a)를 가진 하나 이상의 InyGa1- yN 광 구속 우물들, 및 변형 보상 구조체를 정의하는 장벽 층 두께(b)를 가진, 개재된 하나 이상의 AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들을 포함하고, 이때 x, y 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.35 , 그리고 0 ≤ z ≤ 0.10 관계식에 가깝다. 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 도입된 변성을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함한다. 복수의 광 구속 우물들은 사용되고, 우물에서의 In 농도 및 두께는 각 우물에서 동일할 필요가 없다. 이와 유사하게, 복수의 장벽 층들은 사용되고, 장벽의 In 및 Al 농도 및 두께는 각 장벽 층에서 동일할 필요가 없다.
본원의 또 다른 실시예에 따라서, x, y 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40, 0.15 ≤ y ≤ 0.35 , 그리고 0 < z ≤ 0.10 관계식에 가깝고, 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 도입된 다수의 변형을 보상하는데 충분한 Al을 포함한다.
본원의 또 다른 실시예에 따라서, 광 구속 우물들은 양자 우물들을 포함하고, 변형 보상 장벽들은 양자 우물 장벽 층들을 포함한다.
본원의 특정 실시예들의 다음의 상세한 설명은 다음 도면과 함께 읽어질 시에 가장 잘 이해될 수 있고, 동일한 구조체는 참조 번호와 함께 나타나고 도면에서:
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 도파 영역들을 포함한, 간단한 레이저 다이오드 구조체를 개략적으로 도시하며; 그리고
도 2는 본원의 특정 실시예들에 따른 도파 영역들의 장벽 및 우물 각각에서 Al 농도와 In 농도 사이의 관계를 그래프로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 레이저 다이오드(100)는 일반적으로 본원의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드들을 나타내고, 반-극성(semi-polar) GaN 기판(10), 능동 영역(15), 상부(p-측면) 및 하부(n-측면)의 도파 상부구조체들(waveguiding superstructures)을 포함한 도파 영역(waveguiding region)(20), 상부 및 하부 클래딩 영역들(cladding regions)(30), 및 상부 및 하부 접촉 층들(40)을 포함한다. 반-극성 GaN 기판(10)은 반-극성 결정체 성장 평면(crystal growth plane)을 따라 절단되는데, 본 발명자들은 기판 상에서 성장된 InGaN 양자 우물들에서 개선된 인듐 조성물 균일성 및 잠재적으로 높은 광 이득(optical gain)으로 인해 성장 평면을 바람직한 것으로 인식하여 왔다. 본 발명자들은 또한 레이저 다이오드 구조체들에서 반-극성 성장 평면의 사용과 연관된 특정 도전 과제를 인식하여 왔다. 구체적으로, 반-극성 성장 평면 상의 레이저 다이오드 구조체들은 종종, 결정체 격자 부정합 결함 형성물(crystal lattice misfit defect formation)이 되기 매우 쉽다. 본원은 레이저 다이오드 구조체에서 하나 이상의 평형 변형의 도파 상부구조체들(20)을 가진 도파 영역을 사용함으로써, 이러한 설계 문제점을 해결한다. 본 발명의 개념은 상부(p-측면) 도파 상부구조체(20) 없이 이행될 수 있고, 다수의 경우에서, 고려될 수 있는 바와 같이, 본원에 기술된 평형 변형의 광 도파 상부구조체들은 단지 하부 도파 상부구조체(20)에서 사용될 수 있되, 능동 영역(15) 상에서 평형 변형의 상부구조체를 사용하는데 통상적으로 필요하지 않을 시에, 사용될 수 있다.
도 1은 본원에 따른 도파 상부구조체들을 포함한 하나의 특정 레이저 다이오드(100)의 일반적인 구성의 개략적인 도면을 나타낸다. 본원의 도파 상부구조체들을 포함한 다수의 대안적인 레이저 구성도 고려될 수 있다. 예를 들면, 본원은 능동 영역(15), 클래딩 영역들(30), 및 접촉 층들(40)을 위한 다수의 대안적인 구성의 사용을 고려한다. 고려될 수 있는 바와 같이, 레이저 다이오드 구조체의 클래딩 층들(30)은 GaN, AlGaN, AlInGaN, 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있고, 2 개의 클래딩 층들의 물질 조성물은 서로 다를 수 있고, 클래딩 층에 걸쳐서 변화될 수 있다. 이와 유사하게, 능동 영역(15)은 다수의 형태들을 취할 수 있다; 예를 들면, 이는 능동 다중 양자 우물(MQW)을 포함할 수 있다.
게다가, 특히, 본원에 따른 레이저 구성은 도 1에 도시되지 않은 추가 층들을 통상적으로 포함할 수 있되, 예를 들면, 버퍼 층들, 전자/홀 차단 층들 등을 포함하여 포함할 수 있다. 능동의, 도파의, 그리고 상부 및 하부의 클래딩 영역들 각각은 반-극성 GaN 기판(10)의 반-극성 결정체 성장 평면 상에 다중 층의 레이저 다이오드(100)로 형성되고, 그 결과 도파 영역의 상부 및 하부 도파 상부구조체(20)는 능동 영역(15)으로부터 광자의 유도 방출(stimulated emission)을 안내하고, 클래딩 영역들(30)은 방출된 광자의 전파를, 도파 영역의 상부구조체들(20)에서 촉진시킨다.
특정 구성에 상관없이, 능동 영역(15)은 레이저 방출 파장(lasing wavelength)(λC)에서 전기적으로 또는 광학적으로 펌핑된 광자의 유도 방출을 위해 구성될 수 있다. 도파 상부구조체들(20)은, 레이저 방출 파장(λC)보다 작은 흡수단 파장(absorption edge wavelength)(λW)을 정의하고 바람직하게는 lOnm ≤ (λC - λW ) ≤ 60nm 관계식에 가깝도록 설계된다. 일부 실시예들에서, 예를 들면 목표 변형 보상은 실질적으로 100% 미만이고, 파장 분리는 60 nm를 초과할 수 있다. 다른 실시예들에서, 적합한 파장 분리 범위는 보다 좁을 수 있고 흡수단 파장(λW)은 lOnm ≤ (λC - λW) ≤ 20nm에 가까울 것이다. 어떤 경우이든, 도파 상부구조체들(20)은 레이저 방출 광자 에너지에 상대적으로 근접한 밴드갭을 가질 수 있지만, 레이저 방출 광을 흡수하지는 못할 것이다.
고려될 수 있는 바와 같이, 도파 상부구조체들(20)은 주기적 또는 비주기적일 수 있고, 즉 광 구속 우물들(optical confining wells)(22) 및 변형 보상 장벽들(strain compensating barriers)의 각 두께는 일정할 수 있고, 상부구조체(20)에 걸쳐 변화할 수 있다. 또한 고려될 수 있는 바와 같이, 도파 상부구조체들(20)은 수동 MQW 도파관 층들로 구성될 수 있다. 이 같은 경우, 광 구속 우물들(22)은 나노미터 스케일 양자 우물들을 포함하고, 변형 보상 장벽들(24)은 양자 우물 장벽 층들을 포함할 수 있다. 일 예에서, 도파 상부구조체들(20)은, 방출 파장이 530 nm인 녹색 레이저 다이오드용 수동 MQW 도파관 층들로 구성되고, 상기 수동 MQW 도파관 층들은, 수동 QW의 흡수단이 레이저 방출 파장에 충분히 근접하는 것, 즉 약 20-60 nm의 차이를 가지는 것을 확보하기 위해, 약 510 nm의 방출 파장을 가지도록 구성된다. 다수의 실시예들에서, 이러한 파장 차이가 10 nm보다 작지 않아 수동 MQW 도파관 층들에 의한 광 이득의 억제를 막는 것을 확보하는 것이 바람직할 수 있다. 레이저 방출 파장(λC)은 약 500 nm 내지 약 540 nm이고, 고려될 수 있는 바와 같이, 흡수단 파장(λW)은 약 430 nm 내지 약 530 nm일 수 있다.
고려될 수 있는 바와 같이, 본원에 따른 도파 상부구조체들(20)은 복수의 InyGa1-yN 광 구속 우물들(22), 및 변형 보상 구조체를 정의하는, 개재된 AlxInzGa1-x-zN 변형 보상 장벽들(24)을 포함할 수 있고, x, 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40 및 0 ≤ z ≤ 0.10 관계식에 가까워진다. 일반적인 경우에 y 값은 0.05 ≤ y ≤ 0.35 관계식에 가까워지지만, 변형 보상이 100 %에 근접한 구조체들에 있어서, 즉 변형 보상 장벽들에서 Al 농도 x가 상대적으로 높을 시에, 0.15 ≤ y ≤ 0.35 관계식에 가까워지는 것이 바람직하며, 그 결과 충분히 높은 평균 굴절률이 유지될 수 있다. 특정 실시예들에서, x는 0.05 ≤ x ≤ 0.20 관계식에 가까워지고, z는 0 < z ≤ 0.10 관계식에 가까워진다. 또한, 고려될 수 있는 바와 같이, In 몰 농도는 하나 이상의 광 구속 우물들 내에서 일정하지 않을 수 있다. 이러한 경우에서, 광 구속 우물마다, y는 상기와 같은 광 구속 우물의 평균 In 몰 농도를 의미한다. 또한, 고려될 수 있는 바와 같이, In 몰 농도 및 Al 몰 농도는 하나 이상의 변형 보상 장벽들 내에서 일정하지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 변형 보상 장벽마다, x는 평균 Al 몰 농도를 의미하고, z는 상기와 같은 변형 보상 장벽에서 평균 In 농도를 의미한다. 또한 고려될 수 있는 바와 같이, 도파 상부구조체에서, 광 구속 우물들은 In 몰 농도 y에 대해 다를 수 있는 반면, 변형 보상 장벽들은 Al 몰 농도 x 및 In 몰 농도 y에 대해 다를 수 있다.
본 발명자들이 인식하였던 바와 같이, InGaN과는 다르게, Al(In)GaN의 굴절률은 Al 농도와 거의 선형적으로 감소된다. 이는 상기와 같이 주목된 조성물 범위에서 Al(In)GaN의 흡수단이 레이저 방출 광자 에너지로부터 멀리 떨어져 있기 때문이다. 동시에, 특정 범위에서의 InGaN의 굴절률은 In 농도와 함께 초선형적으로(superlinearly) 증가되는데, 이는 InGaN가, 레이저 방출 광자 에너지에 근접한 낮은 밴드갭을 가지고 있기 때문이다. 추가로, Al(In)GaN의 인장 변형은 Al 농도와 함께 선형적으로 증가하는 반면, InGaN 우물의 압축 변형은 마찬가지로 In 함유량과 함께 선형적으로 증가한다. 이에 따라서, 개재된 Al(In)GaN 변형 보상 장벽들(24)은 광 구속 우물들(22)에 의해 생긴 변형을 보상하기 위해 충분한 Al을 포함하여 부정합 변위 형성을 억제할 수 있도록 손쉽게 설계될 수 있지만, 광 구속 우물들로 인해 GaN의 굴절률보다 높은 상태로 되어 있는 평균 굴절률을 현저하게 줄이지는 못한다. Al(In)GaN 변형 보상 장벽들(24)에서 0이 아닌 In 농도의 경우, Al 및 In 농도의 조합은 인장 변형을 제공하도록 선택되어야 한다.
예를 들면, 녹색 레이저 방출에 있어, 즉 530 nm의 레이저 방출에 있어서, Al 농도를 가진 Al(In)GaN의 굴절률 감소는 작다. Al(In)GaN 변형 보상 장벽들(24)이 변형 보상을 제공하는 반면, 이들은 능동 영역(15) 및 도파 상부구조체들(20)에 의해 형성된 도파관 코어의 평균 굴절률을 현저하게 감소시키지는 못한다. 본 발명자들이 발견한 바와 같이, 이러한 접근법은 반직관적인 것인데, 이는 통상적으로 GaN/Al(In)GaN 구조체가 n-형 GaN보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다는 것을 기대할 수 있기 때문이다. 사실, 인장 변형된 AlxInzGa1-x- zN이 GaN 기판(10), 상부 및 하부 클래딩 층들(30)보다 낮은 굴절률을 가지긴 하지만, 본 발명자들이 인식하는 바와 같이, InGaN 광 구속 우물 흡수단이 레이저 방출 파장에 충분히 근접할 시에, 도파 상부구조체들(20)의 평균 굴절률은 GaN 기판(10), 상부 및 하부 클래딩 층들(30)보다 현저하게 높다.
특히, 본원의 일부 실시예들에서, 주요 이환 메커니즘(relaxation mechanism)은 c 축을 따른 이환을 용이하게 할 수 있다. 그러나, c-축에서의 AlN/GaN 격자 부정합은 3.9%이며, 이는 a 또는 m 축에서(2.4 %)보다 크다. 이에 따라서, c- 방향에서의 변형 보상은 본원의 실시예들에 대해 효율적일 것이다. 그 결과, 본원에 따른 Al(In)GaN 변형 보상 장벽들을 포함한 도파 상부구조체들의 사용은 적어도 돌출된(projected) c- 방향으로, 부분적으로 또는 완전하게, 압축 변형을 보상하고, 큰 총합의 굴절률 대비를 제공하는 도파 영역의 성장을 가능케 할 것이다. 예를 들면, 25 %의 In 농도를 가진 2.5 nm 두께의 InGaN 광 구속 우물의 c-축을 향한 방향으로의 변형을 완전하게 보상하기 위해서, 약 10%의 Al 농도를 가진 17 nm의 AlGaN 장벽 층이 사용될 수 있다. 대안적으로, 장벽 층에서의 낮은 Al 농도는 큰 두께에 의해 수반될 필요가 있다.
다수의 실시예들에서, 본원에 따른 도파 상부구조체들이 약 70 nm의 두께보다 크게 확보하는 것은 어렵지 않을 것이다. 다수의 실시예들에서, 바람직한 벽 두께는 약 2 nm 내지 약 5 nm일 것이고, 약 60 nm를 초과하지 않아야 한다. 장벽 층 두께는 원하는 도파관 코어 두께에 의해 제한되는데, 이는 지나친 코어 두께(core thicknesses)가 광 구속을 감소시킬 수 있기 때문이다. 통상적인 도파관 코어 두께는 코어의 능동 영역 위 그리로 아래에서 약 70-300 nm이다. 이에 따라서, 본원의 일부 실시예들에서, 도파 상부구조체들에서의 변형 보상 장벽들 모두의 총 두께는 300 nm를 초과하지 않아야 한다.
본원의 일 실시예에서, 변형 보상의 백분율(θ)에 의해 특징지어질 수 있고, 이때 θ > 0이며, θ = 1은 통상적으로 바람직한 완전한 변형 보상을 나타낸다. 광 구속 우물들(22) 및 개재된 변형 보상 장벽들(24)의 각 두께 a, b는 다음 관계식을 만족시킨다:
Figure pct00001
y는 모든 광 구속 우물들에 대한 평균치이고, x 및 z는 모든 변형 보상 장벽들에 대한 평균치이며, η은 도파 상부구조체(20)에서 InyGa1- yN 구속 우물 듀티 사이클(confining well duty cycle)이며, 그리고
Figure pct00002
이다. 고려될 수 있는 바와 같이, AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들은 InyGa1- yN 광 구속 우물들에 의해 제공된 다수의 압축 변형을 보상하기에 충분한 인장 변형을 제공하도록 손쉽게 구성될 수 있다. 도 2는 본원의 특정 실시예들에 따른 도파 영역들의 다양한 InGaN 듀티 사이클에 대해 Al 농도와 In 농도 간의 관계를 나타낸다. 고려될 수 있는 바와 같이, 적합한 듀티 사이클은 약 5% 내지 약 50%의 범위일 수 있다. 비주기적인 구조체의 경우에, 변형 보상 계수(θ)는 광 구속 우물들(22) 및 개재된 변형 보상 장벽들(24)의 총 두께 a, b 각각을 사용하여 계산될 수 있다.
In 농도 y를 가진 InGaN의 굴절률의 초선형 증가를 현저하게 이루기 위해, InGaN 광 구속 우물들의 높은 In 농도를 충분하게 사용하는 것이 바람직하다. 고려될 수 있는 바와 같이, 원하는 변형 보상 계수(θ), 및 GaN 기판의 굴절률보다 현저하게 큰 평균 굴절률을 가진 도파 상부구조체를 획득하기 위해, 광 구속 우물들에서의 In 농도 y는 0.15θ ≤ y ≤ 0.35에 가까운 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 본원의 개념을 이행함으로써 발견되는 바와 같이, 원하는 변형 보상 계수(θ)를 이루면서, 현저하게 높은 평균 굴절률을 달성하기 위해 레이저 방출 파장에 충분하게 근접한 광 구속 우물들의 흡수단을 유지시키는데 필요한 Al 농도 x를 사용하는 것이 편리하다.
도 1에 도시된 실시예에서, 레이저 다이오드(100)의 도파 영역은 능동 영역(15)의 각 측면 상에서 적어도 하나의 도파 상부구조체(20)를 포함한다. 그러나, 고려될 수 있는 바와 같이, 본원에 따른 레이저 다이오드 구조체들은 레이저 다이오드 구조체의 n-측면 상에서만 도파 상부구조체(20)를 포함할 뿐이며, 그에 반해 p-측면 도파관은 종래의 InGaN 또는 GaN 도파관 층, 또는 여전히 개발되고 있는 대안적인 도파관 층을 포함할 수 있다. 바람직하게, p-측면 도파관 층은 또한 이환을 피하는데 충분히 작은 In 농도 및 두께를 가지도록 맞추어질 수 있을 것이다. 이로써, 능동 영역 및 도파관 층들로 구성된 도파관 코어는 비대칭적이고, 광학 모드를 n-측면으로 이동시킬 수 있다. 이러한 비대칭 구성의 이점은 p-형 물질로의 모드 침투(mode penetration)가 적고, 이로 인해 광 손실을 감소시킬 수 있다는 점이다.
실시예들을 고려해 볼 시에, 레이저 다이오드(100)의 도파 영역은 능동 영역(15)의 각 측면 상에 적어도 하나의 도파 상부구조체(20)를 포함하고, 도파 영역은 통상적으로, 능동 영역(15)의 마주보는 측면들 상에 배치된 p-도핑 및 n-도핑 도파 상부구조체들(20)을 포함하고, 클래딩 영역은 통상적으로, 능동 영역(15)의 마주보는 측면들 상에 배치된 p-도핑 및 n-도핑 층들(30)을 포함할 수 있다. 이러한 경우에서, 능동 영역(15)은 레이저 다이오드의 p-도핑 측면과 레이저 다이오드(100)의 n-도핑 측면 간에 배치될 수 있다. 레이저 다이오드의 n-도핑 측면 상의 광 구속 우물들(22) 간에 개재된 변형 보상 장벽들(24)은 n-도핑이고, 레이저 다이오드의 p-도핑 측면 상의 광 구속 우물들(22) 간의 개재된 변형 보상 장벽들(24)은 p-도핑일 것이다. 특히, 레이저 다이오드의 n-도핑 및 p-도핑 측면들 상의 각 층들의 상술된 조건은 주로, 도파 상부구조체가 능동 영역의 각 측면 상에 구비된 실시예에 관한 것이며, 본원의 다수의 실시예들은 평형 변형된 도파 상부구조체들을 능동 영역의 양 측면들 상에서 필요로 하지 않는다.
고려될 수 있는 바와 같이, 본원에 따른 레이저 다이오드들은 레이저 방출 파장(λC)에서 광 구속을 개선시키도록 구성된 InGaN/GaN 초격자 또는 벌크 InGaN 층의 형태를 한 하나 이상의 추가적인 광 구속 층들을 포함할 수 있다. 도파 상부구조체들(20)은 능동 영역(15)과 추가적인 구속 층들, 예를 들면, 벌크 InGaN 층 또는 InGaN/GaN 초격자 사이에 삽입될 수 있다. 벌크 InGaN 층 또는 InGaN/GaN 초격자의 각 두께는 레이저 다이오드에서 유도된 변형 이환을 방지하는데 충분히 작아야 한다. 특히 상술된 바와 같이, 능동 영역(15) 상의 전자 차단 층(electron blocking layer)을 레이저 다이오드(100)에게 제공하는 것도 바람직할 수 있다. 전자 차단 층은 능동 영역에 있을 수 있거나, 능동 영역과 도파 층(도파 상부구조체을 포함할 수 있음) 간에 삽입될 수 있다. 예를 들면, 제한적이지는 않지만, 전자 차단 층은 US 2010/0150193 A1의 교시에 따라 구성될 수 있다. 레이저 다이오드(100)는 또한 능동 영역(15)과 n-측면 도파 층(도파 상부구조체(20)을 포함할 수 있음) 간에 홀 차단 층(hole blocking layer)을 포함할 수도 있다. 이러한 전자 및 홀 차단 층들은 바람직하게 능동 영역에서 양자 우물들 간의 장벽들의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가진 AlGaN 또는 AlInGaN을 포함할 수 있다. 전자 및 홀 차단 층들이 Al을 가지기 때문에, 이들도 변형 보상에 기여할 수 있다. 모든 p-측면 InGaN 층들과 능동 영역 간에 전자 차단 층이 삽입되고, 홀 차단 층이 모든 n-측면 InGaN 층들과 능동 영역 간에 삽입되는 것이 바람직할 수 있다.
설명의 목적을 위해, 제한 없이, 본원의 개념에 따른 다수의 동작 예를 고려해본다:
예 1. 다음의 층(하부로부터 상부까지)을 포함한 레이저 다이오드 구조체:
- n-GaN 버퍼 층(buffer layer) 및 클래딩 층(cladding layer);
- 수동 다중 양자 우물들의, 8-12 번의 주기를 가진 버퍼 층, 이때 2-5 nm 수동 QW들은 10 nm의 AlInGaN 또는 AlGaN 장벽들로 분리되고(AlGaN에 있어, Al 농도는 5%-15%이어야 함), 수동 양자 우물들은 레이저 방출 파장보다 짧은 10-40 nm의 방출 파장을 가지도록 구성됨;
- 녹색 스펙트럼 범위(500-540 nm)에서 광 이득을 제공하기 위해 구성된 2 또는 3 번의 주기를 가진 InGaN 능동 양자 우물들;
- AlInGaN 전자 차단 층; 및
- 600-1200 nm 두께의 p-측면 GaN 클래딩 층.
예 2. 예 1과 유사하되, AlInGaN 클래딩 층이 n-측면 클래딩 층에서 적어도 사용된다는 점을 제외하고 유사하다. 이러한 AlInGaN 층 격자는 하나의 평면 내 방향(in-plane direction)(통상적으로 c-축을 향함)에서 일치하고 이환을 방지하기 위해 또 다른 방향으로 충분히 낮은 변형을 가진다. p-측면 클래딩 층은 AlInGaN 또는 AlGaN 층을 포함할 수 있다. 각각의 클래딩 층은 AlGaN, GaN, InGaN 또는 AlInGaN 층들의 조합으로 구성될 수도 있다. 구조체는 또한 광 구속을 더 개선하기 위해서, 추가로, 변형 보상된 수동 QW들, 벌크 InGaN 층 또는 InGaN/GaN 초격자를 도파관 코어에 포함할 수 있다. 변형 보상된 수동 QW들의 존재는 광 구속을 증대시키고, 그 결과 이러한 벌크 층들 또는 초격자들의 높은 In 농도 또는 큰 두께는 더 이상 필요치 않고, 이들은 이환을 피하는데 충분히 얇을 수 있다. 또한, 수동 양자 우물들의 높은 굴절률로 인해, 능동 영역과 이러한 추가 층들 간의 수동 양자 우물들을 위치시키기 위한 일부 설계들에서 바람직하다.
예 3. 레이저 다이오드 구조체는 2 개의 수동 우물들을 포함하고, 이때 상기 2 개의 수동 우물들 아래에서는 5 nm n-AlInGaN 장벽을 가지고, 상기 2 개의 수동 우물들 위에서는 17 nm n-AlInGaN 장벽을 가진다. 2 개의 수동 QW들은 17 nm 두께의 AlInGaN 장벽 층에 의해 분리된다. 상기와 같은 구조체는 평균 3%-6%의 In 농도를 가진 n-InGaN/GaN 초격자와 홀 차단 층 사이에 위치한다. n-초격자의 두께는 114 nm이고, (20-21) 기판 배향을 위한 이환 한계 아래에 있다. n-AlInGaN 클래딩 층, 또는 AlInGaN/GaN 층들의 조합은 n-InGaN/GaN 초격자 층 아래에 위치한다. 구조체는 또한 두께가 90 nm인 p-InGaN/GaN 초격자를 포함한다. p-형 GaN, AlGaN, AlInGaN, 또는 클래딩 층의 조합은 예 1 및 2와 유사하게 성장될 수 있다. 구조체는 또한 능동 영역과 클래딩 층 사이의 전자 차단 층을 포함하여야 한다.
예 4. 레이저 다이오드 구조체는 이전 예와 유사하되, 수동 양자 우물들이 2개보다 많이 있다는 점을 제외하고 유사하다. 이러한 경우, 수동 양자 우물들은 AlInGaN 장벽들에 의해 분리된다. n-형 InGaN 초격자 층은 얇을 수 있는데, 이는 보다 많은 광 구속이 수동 QW들에 의해 제공되기 때문이다.
예 5. 레이저 다이오드 구조체는 하나의 수동 QW를 포함한다. 이러한 설계는 예 3과 유사하되, 단지 하나의 수동 양자 우물만 있고 InGaN 초격자가 다소 두껍다(120 nm)는 점을 제외하고 유사하다.
특히, 특정 속성을 구현하거나 특정 방식으로 기능하기 위해 "구성되는(configured)" 본원의 구성요소의 설명은 의도된 사용 설명과 대응되는 것으로, 구조적인 설명이다. 특히, 구성 요소가 "구성되는" 방식에 대한 본원의 참조물은 구성 요소의 물리적인 조건을 나타내고, 상기와 같은 것은 구성 요소의 구조적인 특성의 분명한 설명으로 간주되어야 한다.
특히, "바람직하게", "일반적으로" 및 "통상적으로"와 같은 용어는, 본원에서 사용될 시에, 특정 수단이 청구된 발명의 구조체 또는 기능에 기준이 되거나, 기본적이거나 중요하다는 것을 의미하거나, 청구된 발명의 권리 범위를 한정시키기 위해 사용되지는 않았다. 오히려, 이러한 용어는 단지 본 발명의 실시예의 특정 양태를 식별하거나 본 발명의 특정 실시예에 사용되거나 사용될 수 없는 대안적이거나 추가적인 수단을 강조할 뿐이다.
본 발명을 기술 및 정의하는 목적에 있어서, 특히 용어 "약"은 양적인 비교, 값, 측정, 또는 다른 재현에 기인할 수 있는 불확실성의 고유도(inherent degree)를 본원에서 나타내기 위해 이용된다. 용어 "실질적으로"는 양적 재현이 특징에 대한 내용의 기본적인 기능의 변화를 일으킴 없이 언급된 참조로부터 변화될 수 있는 정도를 나타내기 위해 사용될 수도 있다.
본 발명의 내용을 상세하게, 그리고 특정 실시예들을 참조하여 기술한 바와 같이, 변형 및 변화가 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 권리 범위로부터 벗어남 없이 가능함이 명백할 것이다. 특히, 본 발명의 일부 양태가 바람직하거나 특별한 이점으로 본원에서 확인되었지만, 고려될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 이러한 양태에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명이 도파 상부구조체들(20)에 대하여 주로 기술되었지만, 고려될 수 있는 바와 같이, 도파 상부구조체들(20)은 수동 MQW 도파관 층들로 구성될 수 있다. 이 경우에, 광 구속 우물들(22)은 나노미터 스케일의 양자 우물들을 포함하고, 변형 보상 장벽들(24)은 양자 우물 장벽 층들을 포함할 수 있다. 통상적으로, 수동 MWQ 구조체의 양자 우물 층들은 두께가 10 nm보다 작을 것이다.
특히, 다음 청구항 중 하나 이상의 청구항은 연결구로서 용어 "이때(wherein)"를 사용한다. 본 발명을 정의하는 목적에 있어서, 특히 이러한 용어는 구조체의 일련의 특징의 설명을 도입하는데 사용된 정정이 가능한 연결구로서 청구항들에 도입되고, 보다 일반적으로 사용되는 정정이 가능한 서두 용어 "포함하는"과 같은 방식으로 해석되어야 한다.

Claims (23)

  1. 반-극성 GaN 기판, 능동 영역, 도파 영역, 그리고 상부 및 하부 클래딩 영역들을 포함하는 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 반-극성 GaN 기판은 반-극성 결정체 성장 평면을 따라 절단되고,
    상기 능동 영역은 레이저 방출 파장(λC)에서 광자의 전기적으로 펌핑된 유도 방출을 위해 구성되고,
    상기 도파 영역은 적어도 하나의 도파 상부구조체를 포함하고,
    상기 도파 상부구조체는 벽 두께(a)를 가진 복수의 InyGa1- yN 광 구속 우물들, 및 변형 보상 구조체를 정의하는 장벽 층 두께(b)를 가진, 개재된 복수의 AlxInzGa1-x-zN 변형 보상 장벽들을 포함하고, 이때 x, y 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.35 , 그리고 0 ≤ z ≤ 0.10 관계식에 가깝고,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 도입된 변성을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고,
    각각의 능동, 도파관, 및 상부 및 하부 클래딩 영역들은 상기 반-극성 GaN 기판의 반-극성 결정체 성장 평면 상에 다중 층의 레이저 다이오드로 형성되고, 그 결과 상기 도파 영역은 상기 능동 영역으로부터 광자의 유도 방출을 안내하고, 상기 클래딩 영역은 상기 도파 영역에서, 방출된 광자의 전파를 촉진하는 레이저 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 상기 광 구속 우물들에 의해 변형 보상 백분율(θ)에 도입된 변형을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고, 이때 θ > 0이며, θ = 1은 완전한 변형 보상을 나타내고,
    상기 광 구속 우물들 및 상기 개재된 변형 보상 장벽들의 두께(a, b) 각각은 다음 관계식을 만족시키고,
    Figure pct00003

    이때 x, y 및 z는 상기 도파 상부구조체에 대한 평균치이고, η은 상기 도파 상부구조체에서, 주기 또는 비주기적인 InyGa1- yN 구속 우물 듀티 사이클 또는 평균 듀티 사이클이고,
    Figure pct00004
    인 레이저 다이오드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 도파 상부구조체는 lOnm ≤ (λC - λW ) ≤ 60nm 관계식에 가까운 흡수단 파장(λW)에 의해 특징지어지는 레이저 다이오드.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파 상부구조체는 수동 MQW 도파관 층으로 구성되고,
    상기 광 구속 우물들은 양자 우물들을 포함하며, 그리고
    상기 변형 보상 장벽들은 양자 우물 장벽 층들을 포함하는 레이저 다이오드.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파 상부구조체는 lOnm ≤(λC - λW ) ≤ 40nm 관계식에 가까운 흡수단 파장(λW)에 의해 특징지어지는 레이저 다이오드.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    InyGa1- yN 광 구속 우물들은 압축 변형을 제공하고,
    AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들은 InyGa1- yN 광 구속 우물들에 의해 제공된 다수의 압축 변형을 보상하는데 충분한 인장 변형을 제공하는 레이저 다이오드.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파 상부구조체의 평균 굴절률은 상기 GaN 기판, 및 상부 및 하부 클래딩 층들보다 높은 레이저 다이오드.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파 상부구조체는 약 300 nm 미만인 두께를 집합적으로 정의하는 복수의 AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들을 포함하는 레이저 다이오드.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    벽 두께는 약 2 nm 내지 약 5 nm인 레이저 다이오드.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    벽 두께는 약 60 nm를 초과하지 않는 레이저 다이오드.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    x는 적어도 하나의 변형 보상 장벽을 위해 0.05 ≤ x ≤ 0.20 관계식에 가까운 레이저 다이오드.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    z는 적어도 하나의 변형 보상 장벽을 위해 0 < z ≤ 0.10 관계식에 가까운 레이저 다이오드.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 도입된 모든 변성을 실질적으로 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고, 그 결과 상기 변형 보상 백분율(θ)은 약 0.9를 초과하며, 그리고
    y는 적어도 하나의 광 구속 우물을 위해 0.15 ≤ y ≤ 0.35 관계식에 가까운 레이저 다이오드.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    y는 변형 보상 백분율(θ)에 의해 부분적으로 정의된 범위에 속하고, 적어도 하나의 광 구속 우물을 위해 0.15θ ≤ y ≤ 0.35 관계식에 가까운 레이저 다이오드.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 도입된 다수의 변성을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고, 그 결과 상기 변형 보상 백분율(θ)은 약 0.5를 초과하는 레이저 다이오드.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드의 도파 영역은 다중 층의 레이저 다이오드의 능동 영역의 각 측면 상에서 적어도 하나의 도파 상부구조체를 포함하고, 그 결과 각 도파 상부구조체는 상기 능동 영역으로부터 광자의 유도 방출을 안내하는 레이저 다이오드.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 파장(λC)은 약 500 nm 내지 약 540 nm이고, 상기 흡수단 파장(λW)은 약 430 nm 내지 약 530 nm인 레이저 다이오드.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수단 파장(λW)은 lOnm ≤ (λC - λW )≤ 20 nm 관계식에 가까운 레이저 다이오드.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 레이저 방출 파장(λC)에서 광 구속을 개선하기 위해 구성된 벌크 InGaN 층 또는 InGaN/GaN 초격자로 형성된 한 하나 이상의 추가 구속 층들을 더 포함하고,
    상기 벌크 InGaN 층 또는 InGaN/GaN 초격자의 각 두께는 상기 레이저 다이오드의 유도된 변형 이환을 방지하는데 충분히 작은 레이저 다이오드.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파 상부구조체는 능동 영역과 추가 구속 층들 사이에 삽입되는 레이저 다이오드.
  21. 청구항 1 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는, 상기 레이저 다이오드의 n-측면으로 레이저의 광학 모드를 이동시키도록 구성되는, 능동 영역 및 도파 상부구조체를 포함한 비대칭 도파관 코어를 포함하는 레이저 다이오드.
  22. 반-극성 GaN 기판, 능동 영역, 도파 영역, 그리고 상부 및 하부 클래딩 영역들을 포함하는 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 반-극성 GaN 기판은 반-극성 결정체 성장 평면을 따라 절단되고,
    상기 능동 영역은 레이저 방출 파장(λC)에서 광자의 전기적으로 펌핑된 유도 방출을 위해 구성되고,
    상기 도파 영역은 적어도 하나의 도파 상부구조체를 포함하고,
    상기 도파 상부구조체는 벽 두께(a)를 가진 하나 이상의 InyGa1- yN 광 구속 우물들, 및 변형 보상 구조체를 정의하는 장벽 층 두께(b)를 가진, 개재된 하나 이상의 AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들을 포함하고, 이때 x, y 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.35 , 그리고 0 ≤ z ≤ 0.10 관계식에 가깝고,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 변형 보상 백분율 (θ)에 도입된 다수의 변형을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고,
    이때, θ > 0이며, θ = 1은 완전한 변형 보상을 나타내고,
    상기 광 구속 우물들 및 상기 개재된 변형 보상 장벽들의 두께(a, b) 각각은 다음 관계식을 만족시키고,
    Figure pct00005

    이때 x, y 및 z는 상기 도파 상부구조체에 대한 평균치이고, η은 상기 도파 상부구조체에서, 주기 또는 비주기적인 InyGa1- yN 구속 우물 듀티 사이클 또는 평균 듀티 사이클이고,
    Figure pct00006
    이며, 그리고
    각각의 능동, 도파관, 및 상부 및 하부 클래딩 영역들은 상기 반-극성 GaN 기판의 반-극성 결정체 성장 평면 상에 다중 층의 레이저 다이오드로 형성되고, 그 결과 상기 도파 영역은 상기 능동 영역으로부터 광자의 유도 방출을 안내하고, 상기 클래딩 영역은 상기 도파 영역에서, 방출된 광자의 전파를 촉진하는 레이저 다이오드.
  23. 반-극성 GaN 기판, 능동 영역, 도파 영역, 그리고 상부 및 하부 클래딩 영역들을 포함하는 레이저 다이오드에 있어서,
    상기 반-극성 GaN 기판은 반-극성 결정체 성장 평면을 따라 절단되고,
    상기 능동 영역은 레이저 방출 파장(λC)에서 광자의 전기적으로 펌핑된 유도 방출을 위해 구성되고,
    상기 도파 영역은 적어도 하나의 도파 상부구조체를 포함하고, lOnm ≤ (λC - λW ) ≤ 20nm 관계식에 가까운 흡수단 파장(λW)에 의해 특징지어지고,
    상기 도파 상부구조체는 수동 MQW 도파관 층으로 구성되고, 벽 두께(a)를 가진 복수의 InyGa1- yN 광 구속 우물들, 및 변형 보상 구조체를 정의하는 장벽 층 두께(b)를 가진, 개재된 복수의 AlxInzGa1-x- zN 변형 보상 장벽들을 포함하고, 이때 x, y 및 z는 0.02 ≤ x ≤ 0.40, 0.15 ≤ y ≤ 0.35 , 그리고 0 < z ≤ 0.10 관계식에 가깝고,
    상기 광 구속 우물들은 양자 우물들을 포함하고
    상기 변형 보상 장벽들은 양자 우물 장벽 층들을 포함하고,
    상기 개재된 변형 보상 장벽들은 광 구속 우물들에 의해 변형 보상 백분율 (θ)에 도입된 다수의 변형을 보상하기 위해 Al을 충분히 포함하고,
    이때 θ > 0 및 θ = 1인 경우에는 완전한 변형 보상을 나타내고,
    상기 광 구속 우물들 및 상기 개재된 변형 보상 장벽들의 두께(a, b) 각각은 다음 관계식을 만족시키고,
    Figure pct00007

    이때 x, y 및 z는 상기 도파 상부구조체에 대한 평균치이고, η은 상기 도파 상부구조체에서, InyGa1- yN 구속 우물 듀티 사이클이고,
    Figure pct00008
    이며, 그리고
    인장 변형된 AlxInzGa1-x- zN은 GaN 기판, 및 상부 및 하부 클래딩 층들보다 낮은 굴절률을 가지고,
    상기 도파 상부구조체의 평균 굴절률은 GaN 기판, 및 상부 및 하부 클래딩 층들보다 높고, 그리고
    각각의 능동, 도파관, 및 상부 및 하부 클래딩 영역들은 상기 반-극성 GaN 기판의 반-극성 결정체 성장 평면 상에 다중 층의 레이저 다이오드로 형성되고, 그 결과 상기 도파 영역은 상기 능동 영역으로부터 광자의 유도 방출을 안내하고, 상기 클래딩 영역은 상기 도파 영역에서, 방출된 광자의 전파를 촉진하는 레이저 다이오드.
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