KR20170063919A - GaN 수직 마이크로캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 위한 방법 - Google Patents

GaN 수직 마이크로캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

100-nm-이하의 세공 크기를 갖는 고도로 균일한 그리고 고도의-다공도 갈륨-질화물층을 형성하기 위한 방법 및 구조가 설명된다. 진한 질산에서 낮은 바이어스 전압에서 고도-도핑된 갈륨 질화물의 전기화학적 식각은 다공성 갈륨 질화물을 형성하도록 사용된다. 다공성 층은 VCSEL 및 LED와 같은 집적 광학 디바이스를 위한 반사성 구조에서 사용될 수 있다.

Description

GaN 수직 마이크로캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 위한 방법{A METHOD FOR GaN VERTICAL MICROCAVITY SURFACE EMITTING LASER (VCSEL)}
관련 출원
본 출원은 2014년 9월 30일자로 제출된 미국 가출원 일련 번호 제62/057,543호 발명의 명칭 "A Method for GaN Vertical Microcavity Surface Emitting Laser (VSCEL)"의 이익을 주장하며, 그 전체가 참조에 의해 여기에 편입된다.
기술분야
본 기술은 나노다공성 갈륨-질화물 재료를 형성하는 것에 관한 것이다. 다공성 갈륨 질화물은 수직-캐비티 표면-방출 레이저 및 광-방출 다이오드와 같은 집적 광학 디바이스에서 사용될 수 있다.
반도체 재료의 식각은 마이크로 제조 공정에서 사용되는 중요한 기술이다. 반도체 제조에서 사용되는 많은 재료에 대해 다양한 종류의 식각법이 개발되어 왔다. 예컨대, Si 및 특정 산화물은 소망의 식각률 및 식각 모폴로지를 내놓는 건식(예컨대, 반응성-이온 식각) 또는 습식 화학적 식각 기술을 사용하여 식각될 수 있다. 갈륨 질화물(GaN) 및 그 합금과 같은 III-질화물 재료는, 재료의 물리적 및 전자적 속성 때문에, 일부 반도체 응용을 위한 매력적인 재료로서 최근 부각되었다.
III-질화물 재료에 대한 일부 바람직한 사용은 다양한 발광 응용을 위한 발광 다이오드(LED) 및 반도체 레이저와 같은 마이크로-광자 디바이스를 포함한다. 그 넓은 밴드 갭 때문에, GaN-계 디바이스는 가시 스펙트럼의 청색 영역에서의 광을 산출할 수 있고 그래서 백색 광의 산출에서 사용될 수 있다. 제조 능력 및 성능의 관점에서 일부 이점을 제의하는 반도체 발광 디바이스의 일 유형은 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)이다.
수직 캐비티 표면 방출 레이저는 1980년대 및 1990년대 동안 개념화 및 개발되었던 반도체 레이저의 클래스이다. VCSEL의 일반적 구조는 도 1에서 묘사된다. VCSEL은 레이저 캐비티의 방향 및 레이징 빔의 방향이 반도체 기판의 평면 표면에 평행한, 에지-방출 레이저 다이오드로서 알려져 있는, 초기 반도체 레이저 다이오드와 다르다. 에지-방출 레이저에 대해, 레이저 광은 레이저의 반도체 접합의 방향에 가로로 주행하고, 그리고 칩의 에지로부터 방출한다. 대조적으로 VCSEL(100)에 대해, 레이저 캐비티(170) 및 방출 레이저 빔(175)은 VCSEL이 제조되는 기판(105)의 평면 표면에 직각으로 정향되고, 그리고 레이저 빔은 p-n 접합의 방향으로 주행한다.
관용적 에지-방출 레이저 다이오드에 비해, VCSEL(100)은 (1) 디바이스 성능의 온-웨이퍼 테스트, (2) 더 양호한 빔 프로파일 및 원거리장 패턴, (3) 더 양호한 모드 안정성 및 더 넓은 자유 스펙트럼 범위, (4) 매우 낮은 임계 전류의 가능성, (5) 일반적으로 더 높은 제조 수율, (6) 더 높은 패킹 밀도 및 그래서 더 낮은 비용, 및 (7) 평면 마이크로 제조 공정과의 개선된 호환성을 포함하는 수 개의 이점을 갖는다. 적외선 및 적색 스펙트럼 범위에서의 VCSEL은 현재 원격 통신 및 산업 응용에 사용되고 있다.
설명된 기술은 갈륨-질화물 반도체 재료에서 균일한, 나노다공성 층을 형성하는 것과 연관된 방법 및 구조에 관한 것이다. 일부 실시형태에 따라, 나노다공성 층은 분포 브래그 반사체(distributed Bragg reflector: DBR) 구조와 같은 집적된, 광학적-반사성 구조를 형성하는데 사용될 수 있다. 나노다공성 층은 실온에서 전기화학적(EC) 식각 기술을 사용하여 형성될 수 있다. EC 식각은 갈륨-질화물 재료를 식각하는데 자외선 또는 광학 조명을 필요로 하지 않는다. 발명자는 식각 공정의 균일도 및 세공 모폴로지는 수 개의 파라미터(예컨대, 재료 도핑, 재료 조성, 인가된 바이어스, 식각제 또는 전해질 조성 및 농도, 및 식각될 영역에서의 전류 확산)에 종속함을 알게 되었다. VCSEL에서의 사용에 적합한 고도의 반사성 DBR 구조는 설명된 기술을 사용하여 제조되었다.
일부 실시형태에 따라, 본 실시형태에 따라 제조된 다공성 갈륨-질화물층은 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖고 그리고 그 세공 중 과반수가 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 가질 수 있다. 일부 태양에서는, 다공성 갈륨-질화물층의 세공 중 90% 이상이 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖는다. 일부 태양에서는, 갈륨-질화물층의 세공 중 절반 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 가질 수 있다. 일부 태양에서는, 갈륨-질화물층의 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는다. 일부 태양에 따라, 세공은 대략 10㎚보다 더 작은 제곱-평균-제곱근 표면 거칠기를 갖는 벽을 갖는다.
일부 구현에 따라, 다공성 갈륨-질화물층의 n-형 도핑 밀도는 대략 5×1019 cm-3와 대략 2×1020 cm-3 사이에 있다. 일부 태양에서, n-형 도핑을 위한 다공성 갈륨-질화물층에서의 도판트는 게르마늄이다. 일부 구현에서, 다공성 갈륨-질화물층의 체적 다공도는 60%보다 더 크다.
일부 구현에서, 상기 특성 중 어느 것이라도 갖는 다공성 갈륨-질화물층은 분포 브래그 반사체에 포함될 수 있다. 일부 태양에서, 상기 특성 중 어느 것이라도 갖는 다공성 갈륨-질화물층은 수직-캐비티 표면-방출 레이저에 포함될 수 있다. 일부 태양에서, 상기 특성 중 어느 것이라도 갖는 다공성 갈륨-질화물층은 발광 다이오드에 포함될 수 있다. 일부 구현에 따라, 상기 특성 중 어느 것이라도 갖는 다공성 갈륨-질화물층은 전극에 포함될 수 있다.
일부 실시형태에서, 반도체 발광 디바이스는 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층을 포함하되 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 세공 중 과반수는 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖고 그리고 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖는다. 일부 태양에서는, 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는다.
일부 구현에 따라, 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 제1 분포 브래그 반사체(DBR)에 배열된 비-다공성 갈륨-질화물층에 의해 분리된 복수의 다공성 갈륨-질화물층을 포함한다. 복수의 다공성 갈륨-질화물층은 비-다공성 갈륨 질화물의 기둥을 형성하는 DBR 내 중심에 위치하는 비-다공성 영역을 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 제1 DBR은 수직-캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)를 위한 n-측 반사체로서 배열된다. 일부 태양에서, 제1 DBR은 VCSEL의 레이징 파장에 대해 99%보다 더 큰 반사율을 갖는다. 일부 구현에서, 제1 DBR은 대략 20㎚보다 더 큰 대역폭에 걸쳐 98%보다 더 큰 반사율 값을 갖는다. 일부 태양에서, 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 세공은 대략 10㎚보다 더 작은 제곱-평균-제곱근 표면 거칠기를 갖는 벽을 갖는다. 일부 구현에서, 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 대략 5×1019 cm- 3와 대략 2×1020 cm-3 사이의 n-형 도핑 밀도를 갖는다. 일부 태양에 따라, 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층에서의 n-형 도핑을 위한 도판트는 게르마늄이다.
일부 구현에 따라, 반도체 발광 디바이스는 길이(L)를 갖는 캐비티 영역 및 제2 DBR을 더 포함할 수 있되, 캐비티 영역은 제1 DBR과 제2 DBR 사이에 위치한다. 일부 태양에서, 캐비티 영역은 다중 양자 우물 또는 초격자를 포함한다. 일부 구현에 따라, 캐비티 영역의 길이(L)는 VCSEL에 대한 레이징 파장의 대략 1과 5 광학 파장 사이에 있다. 일부 구현에서, 반도체 발광 디바이스는 분포 브래그 반사체에 인접하여 위치하는 1×1018 cm-3보다 더 큰 도핑 밀도를 갖는 전류-확산 층을 더 포함할 수 있다.
상기 구조 또는 디바이스 중 하나 이상을 제조하도록 사용될 수 있는 방법 실시형태가 또한 설명된다. 일부 실시형태에 따라, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법은 고도-도핑된 갈륨 질화물을 식각제에 노출시키는 단계로서, 고도-도핑된 갈륨 질화물은 대략 5×1019 cm- 3와 대략 2×1020 cm-3 사이의 n-형 도핑 밀도를 갖는 상기 노출시키는 단계, 식각제와 고도-도핑된 갈륨 질화물 간 전기 바이어스를 인가하는 단계로서, 전기 바이어스는 대략 1.3 볼트와 3 볼트 사이의 값을 갖는 상기 인가하는 단계, 및 대략 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖고 그리고 세공 중 과반수가 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖는 다공성 갈륨 질화물을 산출하도록 고도-도핑된 갈륨 질화물을 전기화학적으로 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 구현에서는, 식각된 갈륨 질화물의 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는다. 일부 태양에서, 전기화학적 식각은 고도-도핑된 갈륨 질화물의 조명을 필요로 하지 않는다. 일부 구현에 따라, 고도-도핑된 갈륨 질화물을 위한 도판트는 게르마늄이다. 일부 구현에서, 식각제는 60 중량 %와 대략 80 중량 % 사이의 농도를 갖는 질산을 포함한다. 일부 태양에서, 식각제는 대략 70 중량 %의 농도를 갖는 질산을 포함한다.
다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법의 일부 구현에 따라, 고도-도핑된 갈륨 질화물은 도핑되지 않은 갈륨-질화물층에 의해 분리되는 복수의 층에 배열될 수 있다. 방법은 DBR에 인접하여 위치하는 도핑된 갈륨 질화물의 전류-확산 층으로 전기화학적 식각 동안 식각 전류를 확산시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 복수의 층의 에지를 노출시키도록 복수의 층 및 도핑되지 않은 갈륨-질화물층 내로 비아(via)를 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 태양에서, 전기화학적 식각은 복수의 층의 측방 식각을 포함할 수 있다.
일부 태양에 따라, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법은 수직-캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)를 위한 제1 분포 브래그 반사체(DBR)를 형성하도록 복수의 층 및 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층을 퇴적시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 DBR 내에서 중심에 식각되지 않은 갈륨 질화물의 기둥을 남기도록 전기화학적 식각을 정지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 태양에서, 방법은 제1 DBR에 인접하여 다중 양자 우물 또는 초격자를 갖는 캐비티 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법은 제1 DBR과는 캐비티 영역의 반대측 상에 제2 DBR을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 교시의 상기 및 다른 태양, 실시형태, 및 특징은 수반 도면과 함께 이하의 설명으로부터 더 충분히 이해될 수 있다.
당업자는 여기에서 설명된 도면이 예시 목적일 뿐임을 이해할 것이다. 일부 사례에서는 실시형태의 다양한 태양이 실시형태의 이해를 용이하게 하도록 과장 또는 확대되어 도시될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로는 다양한 도면 내내 유사한 특징, 기능적으로 유사하고 그리고/또는 구조적으로 유사한 요소를 지칭한다. 도면은 반드시 축척대로는 아니며, 그보다는 본 교시의 원리를 예시하는데 역점을 둔다. 도면과 연관하여 이루어진 방향성 참조("위에", "상부에", "상에", "아래에" 등)는 예시 목적일 뿐이다. 구조는 도면에서 묘사된 것 이외의 정향으로 제조될 수 있다. 도면이 집적 디바이스의 마이크로 제조와 관련되는 경우, 동일한 기판 상에 병렬로 제조될 수 있는 다량의 복수의 디바이스 중 하나의 디바이스만이 도시될 수 있다. 도면은 어떠한 식으로도 본 교시의 범위를 한정하려는 의도는 아니다.
도 1은, 일부 실시형태에 따라, 수직 캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)의 단순화된 묘사도,
도 2는, 일부 실시형태에 따라, 다공성 층을 포함하는 분포 브래그 반사체의 묘사도,
도 3은 다양한 식각 조건 하에서 GaN의 식각 특성의 예시도,
도 4a는 제1 식각 조건 하에서 게르마늄-도핑된 GaN을 식각할 때 획득된 제1 세공 모폴로지의 도면,
도 4b는 제2 식각 조건 하에서 게르마늄-도핑된 GaN을 식각할 때 획득된 제2 세공 모폴로지의 도면,
도 4c는 제3 식각 조건 하에서 게르마늄-도핑된 GaN을 식각할 때 획득된 제3 세공 모폴로지의 도면,
도 4d는 제4 식각 조건 하에서 게르마늄-도핑된 GaN을 식각할 때 획득된 제4 세공 모폴로지의 도면,
도 5a는, 일부 실시형태에 따라, 고도의-반사성, n-측 DBR을 형성하도록 사용될 수 있는 다층 구조의 묘사도,
도 5b-도 5e는, 일부 실시형태에 따라, 고도의-반사성 DBR을 형성하기 위한 공정과 연관된 구조의 묘사도,
도 5f는, 일부 실시형태에 따라, 고도의-반사성 DBR 상에 형성된 캐비티 영역의 묘사도,
도 5g는, 예컨대, VCSEL을 위한 캐비티 영역 상에 형성된 제2 DBR의 묘사도,
도 6은 다층 스택 내로의 식각된 개구부 및 식각된 개구부에 인접하는 DBR 영역을 도시하는 광학 마이크로그래프,
도 7은, 일부 실시형태에 따라, DBR 구조에서의 EC-식각된 갈륨-질화물층의 세공 모폴로지를 도시하는 스캐닝-전자 마이크로그래프(SEM),
도 8은 나노다공성 갈륨-질화물층을 갖는 GaN DBR로부터의 측정된 반사율의 도면, 및
도 9는 나노다공성 갈륨-질화물층을 갖는 GaN DBR로부터의 99%보다 더 큰 측정된 반사율의 도면.
실시형태의 특징 및 이점은 도면과 함께 취해질 때 아래에서 제시되는 상세한 설명으로부터 더 분명하게 될 것이다.
나노다공성 반도체는 반도체 기술 분야에서 수 개의 유용한 응용을 갖는다. 이들 응용은, 국한되는 것은 아니지만, 헤테로에피택시를 위한 스트레스-경감 층, 산화-전환 층, 높은 표면적을 갖는 전극, 및 다층 반사성 구조를 포함한다. 이러한 최신 응용에 대해, 발명자는 나노다공성 갈륨 질화물 재료가 발광 다이오드(LED) 및 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)와 같은 발광 디바이스의 성능을 개선하는데 매우 유용할 수 있음을 인지 및 인식하였다. 효율적 LED 및 VCSEL은 자동차 헤드라이트, 마이크로-프로젝터, 디스플레이, 및 낮은-드룹, 높은-전력 램프와 같은 고급 발광 응용에 유용하다.
아래에서 설명되는 바와 같이, 발명자는 실온에서 전기화학적(EC) 식각을 사용하여 발광 디바이스를 위한 고도로 균일한, 나노다공성 갈륨-질화물층을 형성하기 위한 기술을 구상 및 개발하였다. 발명자는 높은 다공도, 높은 균일도, 작은 세공 크기, 및 매끄러운 벽 표면은 그러한 다공성 층을 편입하는 반사성 구조의 광학 성능을 개선할 수 있음을 인지 및 인식하였다. GaN에서 높은 균일도, 높은 다공도, 작은 세공 크기, 및 매끄러운 벽 표면을 획득하기 위해, 발명자는 넓은 범위의 식각 조건 및 재료 수정을 조사하였다. 발명자는 바람직한 세공 모폴로지는 제한된 식각 조건 및 재료 조성 하에서 EC 식각으로 획득될 수 있음을 알아내었다.
도 1을 재차 참조하면 그리고 개관하면, VCSEL은 제1 전도성 유형(예컨대, p-형)의 제1 반도체 층(140)과 제2 전도성 유형(예컨대, n-형)의 제2 반도체 층(120) 사이에 위치하는 활성 영역(130)을 포함할 수 있다. 활성 영역(130)은 다중-양자-우물(MQW) 층 또는 초격자(SL)를 포함할 수 있다. VCSEL의 레이저 캐비티(170)는 활성 영역 및 인접 층을 포함할 수 있고, 그리고 제1 저부-측 반사체(110)와 제2 상부-측 반사체(150) 사이에 위치할 수 있다. 일부 경우에, 디바이스의 저부측은 n-전도성측일 수 있고, 그리고 디바이스의 상부측은 p-전도성측일 수 있다. VCSEL(100)에 대한 전기 콘택트는 저부측 상의 기판(105)을 통해 그리고 디바이스의 상부측 상의 퇴적된 전도성 콘택트(160)를 통해 이루어질 수 있다. 상부-측 콘택트는 하나 이상의 와이어 본드(165)를 통해 외부 전류 또는 전압 소스에 접속할 수 있다. VCSEL(100)에 전류가 인가될 때, 전자와 정공은 광자를 산출하도록 활성 영역(130)에서 재결합한다. 광자는 반사체(110, 150) 사이에서 앞뒤로 주행하고 그리고 자극된 방출에 의해 증폭될 수 있다. 순환하는 광자 중 일부는 레이저 빔(175)을 산출하도록 상부-측 반사체(150)를 통해 투과된다.
지금까지, 작동하는 디바이스를 제조하는데 기술적 난제 때문에, III-질화물 VCSEL의 실증은 소수 있었다. 이들 난제는 (1) 캐리어-대-광자 변환을 위한 효율적 활성 영역(130)을 형성하는 것, (2) 레이저 캐비티(170)를 위한 고품질 평면 반사체(110, 150)를 제조하는 것, 및 (3) 캐리어 재결합에 의해 산출된 광자가 광학 레이저-캐비티 모드와 효율적으로 겹치게 되도록 활성 영역(130)을 통한 공간적 전류 흐름을 제어하는 것을 포함한다. 활성 영역(130)에 관한 기술은 합리적으로 성숙하였기는 하지만, 거울 기술(항목 2)은 계속 도전하고 있다. 2개의 팀(동경 대학교에서의 하나 및 샌디아 연구소와 브라운 대학교에 의한 공동 노력)은 별개로 저부-측 반사체(110)로서 분포 브래그 반사체(DBR)에서 고체 에피택셜 AlGaN/GaN 층 쌍의 사용을 실증하였고, 그리고 활성 영역(130) 위에 상부-측 반사체(150)로서 유전체 산화물 스택을 사용하였다. 유전체-에피택셜 반사체의 이러한 하이브리드 구성은 대만의 NCTU에 의해 더 발전되어, 2008년에 전기적으로-주입된 III-질화물 VCSEL의 제1 실증에 이르렀다.
그렇지만, 에피택시에 의한 저부-측 DBR(110)의 관용적 준비는 지나치게 어려울 수 있다. 전형적으로는 엄격한 두께 공차를 갖는 다수(40 내지 60)의 AlGaN/GaN 층 쌍이 AlGaN과 GaN 간 굴절률의 낮은 대비에 기인하여 높은 반사율(R~99%)을 달성하는데 필요로 된다. 부가적으로, 다수의 유사하지 않은 층은 DBR에서 주목할만한 변형을 발달시킬 수 있어서, 제조 난제를 제기하고 디바이스 성능을 저하시킬 수 있다. 마지막으로, 결과적 AlGaN/GaN 에피택셜 거울은 좁은 대역폭(Δλ~15nm)을 갖는다. AlGaN/GaN DBR의 이들 태양은 레이저 캐비티 모드와의 광학 모드-정합을 상당한 난제로 만들 수 있다.
DBR 거울과 연관된 복잡도를 회피하려는 노력으로, Nichia Chemical은 상부-측 유전체 반사체를 갖는 InGaN/GaN p-n 에피택셜 구조를 사파이어 기판으로부터 분리시키도록 그리고 다른 유전체 거울의 퇴적을 위해 저부측(n-측)을 노출시키도록 레이저 리프트-오프(LLO) 기술을 사용하였다. 이러한 경우에, LLO의 사용은 공정 복잡도를 더하고 그리고 본질적으로 VCSEL에 대한 온-웨이퍼 테스트의 이점을 없게 한다. 또한, LLO 공정은 전형적으로는, 레이저 캐비티 길이를 증가시키고 광학 모드 스페이싱을 감축하는, 비교적 두께운 활성 영역이 필요하다. 감축된 모드 스페이싱은 단일-모드 동작을 획득하는 것 또는 레이저의 DBR이 설계되는 파장과 레이저 캐비티 모드의 파장을 정합시키는 것을 더 어렵게 할 수 있다. Nichia 및 NCTU는 p-측 상에 유전체 전류 차단 층을 사용하였기는 하지만, 이들 연구 그룹은 측방 전류 확산이 VCSEL의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있는 n-측 상에서의 전류 차단을 실증하지 않았다.
DBR 제조와 연관된 어려움 중 일부를 극복하기 위해, 발명자는, 도 2에서 묘사된 바와 같이, 나노다공성/비-다공성 갈륨-질화물층 쌍을 형성하는 것을 제안하였다. 그 구조는, 일부 실시형태에 따라, 비-다공성 층(210)과 인터리빙된 나노다공성 층(220)을 포함할 수 있는데, 여기서 각각의 층은 VCSEL에 대한 중심 레이징 파장의 사분의 일 파장에 대응한다. 나노다공성 층(220)은 비-다공성 층에 비해 낮은 굴절률(n)을 가져서, 고체 InGaN/GaN 층 쌍에 대해 가능한 것보다 상당히 더 높은 굴절률 대비를 줄 수 있다. 발명자는 체적 다공도(다공성 층에서의 공기 체적 대 다공성 층의 총 체적의 비)가 높으면 감축된 수의 층 쌍(예컨대, 6 - 20)으로 높은 반사율이 달성될 수 있음을 인지 및 인식하였다. 발명자는 또한 세공 크기가 작고(레이징 파장의 사분의 일보다 더 작고), 다공도가 디바이스를 가로질러 균일하고, 그리고 세공이 매끄러운 벽을 가지면 반사체의 광학 품질이 개선될 것임을 인지하였다.
III-질화물 재료가 습식 식각제에 화학적으로 비활성일 수 있기 때문에, 이들 재료에 기반하는 집적 광학 또는 집적 전자 디바이스의 마이크로 제조는 제조 난제를 제기한다. 일부 식각 기술(예컨대, 건식 반응성-이온 식각 또는 광전기화학(PEC) 식각)이 이들 재료를 식각하기 위해 개발되었기는 하지만, 이들 공정은 비용이 들고 그리고/또는 구현이 어려울 수 있다. 일부 경우에, 이들 공정은 매립된 다공성 층이 소망되는 DBR 구조 또는 구조들에 사용가능하지 않을 수 있다. 예컨대, PEC 식각은 공간적 강도 변동에 기인하여 비-균일 식각을 산출할 수 있고, 그리고 기판의 그늘진 영역 또는 매립된 층을 식각할 수 없을 수 있다.
발명자는 100-nm-이하 세공 크기 및 매끄러운 벽 표면을 갖는 고도의 다공성(예컨대, 60%보다 더 큰 체적 다공도) 매립된 층의 균일한 식각을 제공하고 실온에서 구현될 수 있는 전기화학적(EC) 식각 공정(조명은 필요하지 않음)에 대해 구상하였다. 매립된 층은 50 마이크론보다 더 큰 거리에 걸쳐 측방으로 식각될 수 있다. 수 개의 식각 파라미터 및 재료 속성은 소망의 세공 모폴로지를 획득하도록 제어된다. EC 식각 공정은, 부분적으로, 재료의 식각 속성을 튜닝하도록 도핑된 갈륨-질화물 재료를 선택적으로 식각하도록 사용될 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 매우 높은 도핑 레벨 및 낮은 식각 바이어스가 갈륨-질화물 재료에 대한 소망의 세공 모폴로지를 획득하도록 사용된다. 일부 구현에서는, 게르마늄이 매끄러운 식각된 표면 및 높은 레벨의 도핑을 획득하도록 GaN에 대한 n-형 도판트로서 사용된다. 일부 구현에 따라, 도핑 레벨은 대략 5×1019 cm-3과 대략 2×1020 cm-3 사이에 있을 수 있다.
용어 "대략" 및 "약"은 일부 실시형태에서는 목표 값(예컨대, 명시적으로 서술된 값)의 ±20% 내, 일부 실시형태에서는 목표 값의 ±10% 내, 일부 실시형태에서는 목표 값의 ±5% 내, 그리고 또 일부 실시형태에서는 목표 값의 ±2% 내를 의미하도록 사용될 수 있다. 용어 "대략" 및 "약"은 또한 목표 값을 포함하여서, "대략 A와 대략 B 사이"로서 표현된 범위는 또한 "A와 B 사이"로서 표현될 수 있고 그리고 "대략 A"로서 서술된 값은 또한 "A"로서 표현될 수 있다.
광범위한 연구 다음에, 식각 특성이 발명자에 의해 매핑되었고 도 3의 그래프에서 예시된다. 식각된 샘플 중 일부에 대응하는 세공 모폴로지는 도 4a-도 4d의 스캐닝-전자 마이크로그래프에서 묘사된다. 식각은 GaN 층의 스택에서 교호 층의 측방 식각을 수반하였다. 고농도의 질산이 전해질 또는 식각제로서 사용되었을 때 개선된 결과가 구해졌다. 일부 구현에서, 수중 질산(HNO3)의 농도는 대략 60 중량 %와 대략 80 중량 % 사이에 있다. 일부 실시형태에 따라, 수중 질산의 농도는 대략 65 중량 %와 대략 75 중량 % 사이에 있다. 일부 구현에서, 수중 질산의 농도는 대략 70 중량 % 또는 대략 16.7 몰(M)이다. 그러한 고농도의 질산을 사용하여, 재료 도핑 및 인가된 바이어스는 갈륨-질화물층을 식각하도록 가변되었다. 도핑 및 인가된 바이어스는 세공 모폴로지를 강하게 좌우하였다.
도 3을 참조하면, 식각 거동은 대략 3개의 영역으로 분할된다: 식각 없음(영역(I)으로 라벨이 붙음), 완전 식각 또는 전해-폴리싱(영역(III)으로 라벨이 붙음), 및 나노다공성 GaN의 형성(영역(II)으로 라벨이 붙음). 나노다공성 GaN 식각 영역 내에서, 식각은 10% 내지 90%의 근사적 등-다공도 등고선을 매핑함으로써 특성이 결정되었다. 대략 5×1019 cm- 3와 대략 2×1020 cm-3 사이의 초고 도핑 레벨에서, 대략 60%보다 더 큰 체적 다공도는 대략 2.0 V와 대략 3 V 사이의 인가된 바이어스 전압에서 획득될 수 있다. 일부 구현에서, 대략 30%보다 더 큰 체적 다공도는 대략 1.3 V와 대략 3 V 사이의 인가된 바이어스 전압에서 획득될 수 있다. 그러한 낮은 인가된 바이어스 값은 바람직한데, 낮은 바이어스는 그렇지 않았더라면 VCSEL 또는 LED 구조의 다른 영역에서 일어났을 수 있는 어느 기생 식각이라도 감축할 수 있기 때문이다. 부가적으로, 낮은 바이어스 값에서, 세공의 가로 폭은 작고(예컨대, 대략 120㎚ 미만) 고도로 균일하게 구해진다. 일부 식각 조건 하에서는, 80% 및 90%보다 더 큰 다공도가 획득된다. 그러한 높은 다공도는 다공성 갈륨-질화물층의 유효 굴절률을 주목할만하게 낮출 수 있다.
세공 모폴로지의 예는 도 3에서 데이터 포인트(A, B, C, D)에 의해 표시된 4개의 식각 조건에 대해 도 4a-도 4d에서 도시된다. 도 4a에서는, 낮은 체적 다공도(10% 미만)가 낮은 바이어스 값에서 GaN의 고도-도핑된 층에서 획득된다. 도 4b의 조건에 대해서는, (60%보다 큰) 높은 다공도가 달성되고, 그리고 세공 모폴로지는 꽤 균일하다. 평균 가로 세공 폭은 대략 100㎚보다 작다. 도 4c 및 도 4d의 조건에 대해서는, 다공도가 약 30%보다 작고, 그리고 세공 모폴로지는 비-균일이다. 일부 세공은 (예컨대, 150㎚보다 큰) 큰 가로 치수를 갖는다. 큰 세공 크기는 산란 중심으로서 역할하고 코히어런트 광학 빔의 품질을 저하시키고 반도체 레이저에서의 과도한 손실을 초래할 수 있다. 또한, 도 4c 및 도 4d는 층의 박리에 대한 취약성을 나타낸다. 따라서, 매우 높은 도판트 밀도는 갈륨 질화물의 정제에 선호된다.
관찰된 식각 특성에 기반하여, 양질 반사성 구조는 갈륨-질화물 재료에 형성될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 다공성 층은 LED로부터의 광 추출을 개선하도록 LED 아래에 형성될 수 있다. 또한, 고도의-반사성 DBR 구조는 높은 체적 다공도를 갖는 복수의 나노다공성 층을 사용하여 VCSEL을 위한 기판 상에 형성될 수 있다. 갈륨-질화물 재료의 층으로부터 DBR을 형성하기 위한 공정과 연관된 예시적 구조는 도 5a-도 5e에서 묘사된다.
일부 실시형태에 따라, DBR을 제작하기 위한 공정은, 도 5a에서 묘사된 바와 같이, 기판(505) 상에 형성된 다층 스택(500)을 사용할 수 있다. 기판은 사파이어, 갈륨 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 갈륨 질화물이 에피택셜 성장될 수 있는 어느 다른 적합한 재료라도 포함할 수 있다. 다층 스택은 기판 상에 형성된 완충 층(510)을 포함할 수 있다. 완충 층은 갈륨 질화물 또는 다른 III-질화물 재료를 포함할 수 있고 그리고 대략 500㎚와 대략 2 ㎛ 사이의 두께를 가질 수 있다. 완충 층(510)은 기판(505) 상에 에피택셜 성장 공정을 사용하여 형성될 수 있고, 그리고 일부 경우에는 도핑되지 않을 수 있다. 완충 층은 (예컨대, VCSEL의 에피택셜 성장된 갈륨-질화물층과 기판(505) 사이의 격자 부정합으로부터 생기는 결함을 감축하고 스트레스를 경감하도록) VCSEL을 위해 형성된 양질 갈륨-질화물층과 제1 재료 유형의 기판(505) 사이의 전이 층으로서 사용될 수 있다.
다층 스택(500)은 또한 실리콘-도핑된 갈륨 질화물로 형성된 전도성 층(515)을 포함할 수 있다. 전도성 층(515)은 일부 실시형태에서는 VCSEL에 전류를 반송하도록 사용될 수 있고, 그리고 또한 다공성 GaN 층을 형성하면서 EC 식각 동안 전류를 확산하도록 사용될 수 있다. 일부 경우에, 전도성 층은 대략 1×1018 cm- 3와 대략 1×1019 cm-3 사이의 도핑 밀도를 가질 수 있다. 전도성 층(515)의 두께는 대략 250㎚와 대략 750㎚ 사이에 있을 수 있다.
일부 실시형태에서, DBR 구조는 전도성 층 상에 형성되는 도핑되지 않은 갈륨 질화물층(520)을 더 포함할 수 있다. 도핑되지 않은 갈륨 질화물층은 250㎚와 대략 750㎚ 사이의 두께를 가질 수 있다. 도핑되지 않은 갈륨 질화물층(520) 위에는 DBR을 위한 다수 층 쌍이 형성될 수 있다. 층 쌍은, 일부 실시형태에 따라, 에피택셜 성장에 의해 퇴적될 수 있고, 그리고 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층(530) 및 헤피-도핑된 갈륨-질화물층(535)을 포함할 수 있다. 중도-도핑된 갈륨-질화물층은 대략 1×1017 cm- 3와 대략 2×1019 cm-3 사이의 도핑 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시형태에 따라, DBR 구조에 6 내지 20 층 쌍의 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 및 고도-도핑된 갈륨-질화물층이 있을 수 있다. 층은 금속-유기 화학적 기상 증착(MOCVD) 및/또는 원자 층 퇴적(ALD)을 사용하여 퇴적될 수 있다. 고도-도핑된 층(535)은 n-형 전도성(예컨대, n++ 도핑)일 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 고도-도핑된 갈륨-질화물층의 도핑 밀도는 대략 4×1019 cm3와 대략 2×1020 cm3 사이에 있을 수 있다. 그러한 높은 도핑 밀도를 달성하기 위해, 고도 도핑된 층은 게르마늄으로 도핑될 수 있다. 실리콘 도핑이 거친 식각된 표면을 초래하는 반면, 발명자는 게르마늄 도핑이 높은 도핑 레벨을 가능하게 하고 또한 1020 cm-3의 차수 상의 도핑 레벨에 대해 식각된 갈륨 질화물 표면의 매끄러운 표면 토폴로지를 초래함을 알아내었다. 게르마늄 도핑으로, (예컨대, 비-다공성 층과의 계면에서) 세공 벽은 대략 10㎚보다 작은 제곱-평균-제곱근 표면 거칠기를 갖는다.
일부 구현에서, 완충 층(510), 전도성 층(515), 도핑되지 않은 층(520), 및/또는 층 쌍은 GaN을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 완충 층(510), 전도성 층(515), 도핑되지 않은 층(520), 및/또는 층 쌍은 갈륨 질화물의 합금을 포함할 수 있다. 예컨대, 층 중 하나 이상은 알루미늄 및/또는 인듐을 포함할 수 있다. 용어 "GaN"은 실질적으로 Ga와 N만 또는 도핑된 GaN을 포함하는 반도체 조성을 지칭하도록 사용된다. 용어 갈륨-질화물은 GaN, 도핑된 GaN, 및 GaN의 합금 또는 도핑된 합금, 예컨대, InGaN, AlGaN, InAlGaN을 지칭하도록 사용될 수 있다. 층은, 일부 실시형태에 따라, 퇴적 기술, 예컨대, 화학적 기상 증착(CVD), 플라스마 강화 CVD(PECVD), 금속 유기 CVD(MOCVD), 수소화물 기상 에피택시(HVPE), 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 원자 층 퇴적(ALD) 중 하나 또는 조합에 의해 퇴적될 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 퇴적된 층은 결정 품질을 개선하도록 후속하여 어닐링될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 갈륨 질화물 또는 III-질화물 이외의 재료를 포함할 수 있는 부가적 층이 퇴적될 수 있다.
일부 실시형태에 따라, DBR을 위한 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층(530)의 두께는 VCSEL의 설계된 동작 파장의 대략 ¼ 파장에 대응할 수 있다. 각각의 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층에 대한 두께는 또한 사분의 일 파장의 홀수배, 예컨대, 3/4, 5/4, 7/4 등에 대응할 수 있다. 예컨대, DBR 구조에서 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층의 두께(t 1 )는 다음의 관계로부터 대략 결정될 수 있다:
Figure pct00001
여기서 λ1은 VCSEL에 대한 자유-공간 레이징 파장이고, n은 레이징 파장에서 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층에 대한 굴절률 값이고, 그리고 M = 1, 3, 5, ....이다. 스펙트럼의 보라색 또는 청색 청색 영역에서 레이징하도록 설계되는 VCSEL에 대해, 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층(530)의 두께는 대략 40㎚와 대략 60㎚ 사이에 있거나 그 홀수배일 수 있다.
고도-도핑된 갈륨-질화물층(535)의 두께는 각각의 층 쌍에서 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층의 두께보다 더 클 수 있다. 이것은 고도-도핑된 갈륨-질화물층이, 고체 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층에 대한 것보다 더 낮은 굴절률을 갖는, 다공성 갈륨 질화물로 전환될 것이기 때문이다. 다공성 갈륨 질화물에 대한 굴절률(n p )은 다음의 표현으로부터 결정될 수 있다:
Figure pct00002
여기서 ρ는 다공성 갈륨 질화물의 체적 다공도이다. 고도-도핑된 갈륨-질화물층(535)의 두께(t 2 )는, 다공성 층을 형성하도록 식각된 후에, 각각의 층의 결과적 두께가 VCSEL의 설계된 레이징 파장의 대략 ¼ 파장(또는 그 홀수배)에 대응하게 되도록 선택될 수 있다. 예컨대, 두께(t 2 )는 다음의 관계로부터 대략 결정될 수 있다:
Figure pct00003
도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 및 고도-도핑된 층 쌍의 퇴적 다음에, 도 5b에서 예시된 바와 같이, 하드 마스크(540)가 DBR 구조 위에 퇴적될 수 있다. 하드 마스크는, 예컨대, 산화물(예컨대, 실리콘 산화물) 또는 반응성 이온 식각에 의해 식각될 수 있는 어느 다른 적합한 무기 재료라도 포함할 수 있다. 하드 마스크는 질산, 또는 고도-도핑된 갈륨-질화물층(535)을 다공화하는데 사용된 식각제에 의한 식각에 견딜 수 있다. 발명자는 폴리머 레지스트가 진한 질산에 의해 바람직하지 못하게 식각되었음을 발견하였다. 일부 실시형태에서, 하드 마스크(540)는, 다른 퇴적 공정이 사용될 수 있기는 하지만, 플라스마-강화 화학적 기상 증착(PECVD)에 의해 퇴적될 수 있다. 하드 마스크의 두께는 대략 50㎚와 대략 400㎚ 사이에 있을 수 있다. 레지스트(예컨대, 포토레지스트) 층(542)은 하드 마스크(540) 위에 퇴적되고 레지스트에서 비아(545)를 개방하도록 어느 적합한 리소그래피 공정이라도 사용하여 패터닝될 수 있다. 결과적 구조는 도 5b에서 예시된 것처럼 보일 수 있다.
포토레지스트에서의 비아(545)는, 도 5c에서 표시된 바와 같이, 하드 마스크(540)를 통해 비아를 식각하도록 사용될 수 있다. 하드 마스크에서 비아를 개방하기 위한 식각 공정은 선택적 건식 식각(예컨대, 포토레지스트를 제거함이 없이 하드 마스크를 선택적으로 제거하는 이방성 반응성 이온 식각) 또는 선택적 습식 식각을 포함할 수 있다. 선택적 식각은 비아 패턴을 하드 마스크(540)에 전사할 수 있다. 비아(545)가 하드 마스크(540)에 전사된 후에, 후속적 선택적, 이방성 건식 식각은 DBR 구조의 도핑되지 않은 및 고도-도핑된 층 쌍을 통해 비아(545)를 형성하도록 사용될 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 염소-계 식각법은 갈륨-질화물층 쌍을 통해 비아(545)를 식각하도록 사용된다. 비아는, 일부 실시형태에 따라, 도핑되지 않은 층(520)까지 아래로, 그리고 가능하게는 그 안까지 뻗을 수 있다. 층 쌍을 통하는 식각은 타이밍된 식각일 수 있다.
일부 경우에, 식각된 비아(545)는 도 5c에서 묘사된 것보다 더 클 수 있고, DBR 구조 주위에서 층 쌍의 큰 영역을 제거할 수 있다. 예컨대, 층 쌍의 제거는 각각의 VCSEL의 위치에서 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 및 고도 도핑된 층 쌍을 포함하는 기판(505) 상의 메사를 남길 수 있다. 그들 크기에 무관하게, 비아는 DBR 구조에서 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 및 고도-도핑된 층 쌍의 에지를 노출시킬 수 있다.
DBR 구조는 그 후 도 3과 연관하여 위에서 설명된 바와 같이 진한 질산을 사용하여 전기화학적 식각을 받게 될 수 있다. 식각은 실온에서, 그리고 식각제 배쓰와 기판(505) 또는 전도성 층(515) 간 인가된 바이어스로 수행될 수 있다. 일부 구현에서, 인가된 바이어스는 대략 1.3 V와 대략 3 V 사이에 있을 수 있다. 일부 경우에, EC 식각은 대략 2분과 대략 30분 사이에서 지속할 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 식각은, 바이어스 전압 및 소망된 측방 식각의 범위에 종속하여, 10시간까지의 시간 기간 동안 계속할 수 있다. 다양한 실시형태에서, EC 식각은, 도 5d에서 묘사된 바와 같이, 고도 도핑된 갈륨-질화물층(535)을 다공성 갈륨-질화물층(550)으로 전환한다. 식각은 층 쌍의 노출된 에지 또는 비아(545)로부터 DBR 구조의 중심으로 향하여 측방으로 진행할 수 있다.
일부 실시형태에서, 식각은 DBR 구조 전체를 가로질러 측방으로 진행하고 각각의 고도-도핑된 층을 다공성 갈륨 질화물로 전환할 수 있다. 다른 실시형태에서, 식각은 층을 통해 전적으로 식각 전에 정지하도록 타이밍될 수 있고, 그리고 고도 도핑된 층의 중심 영역은 식각되지 않을 수 있다. 중심 영역은 고체 갈륨-질화물층의 기둥(555)을 형성할 수 있다. 남아있는 기둥(555)은 DBR 구조에 부가된 구조적 지지를 제공할 수 있고, 그리고, VCSEL의 n-전도성측으로부터 주입된 캐리어가 레이저의 광학 캐비티 모드와 효율적으로 겹치도록, VCSEL의 광학 축에 중심에서 저-저항 전류 경로를 제공할 수 있다. DBR에서 주변의 다공성 영역은 더 높은 전기 저항률을 가지고 그리고 디바이스의 n-측 상의 전류-차단 층으로서 효과적으로 기능할 수 있다. 일부 실시형태에 따라, 기둥(555)의 가로 치수(D)는 기둥의 굴절률에 의해 수정된 VCSEL의 방출 파장의 반파장보다 더 작을 수 있다. 일부 경우에, 기둥(555)의 가로 치수(D)는 기둥의 굴절률에 의해 수정된 VCSEL의 방출 파장의 사분의 일 파장보다 더 작을 수 있다.
고도 도핑된 층(535)이 다공성 층(550)으로 전환된 후에, 하드 마스크(540)는, 도 5e에서 묘사된 바와 같이, 기판으로부터 제거될 수 있다. 일부 구현에서, 습식 완충된 산화물 식각(BOE)은 하드 마스크(540)를 제거하도록 사용될 수 있다. 결과적 기판은 그 후 세정되고 그리고 저부-측 DBR 구조 위의 캐비티 영역 및 상부-측 DBR 반사체를 형성하도록 추가적 공정을 받을 수 있다.
일부 실시형태에 따라, 캐비티 영역의 제조는 도 5f에서 묘사된 바와 같은 구조를 형성하도록 n-형 갈륨-질화물층(560), 활성 영역을 위한 다중 양자 우물(565) 또는 초격자(SL), 및 p-형 갈륨-질화물층(570)을 퇴적시키는 것을 포함할 수 있다. n-형 갈륨-질화물층, 다중 양자 우물, 및 p-형 갈륨-질화물층은, 금속-유기 화학적 기상 증착 및/또는 원자 층 퇴적을 포함할 수 있는, 에피택셜 성장에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 평탄화 단계 및 패터닝된 하드 마스크는 캐비티 영역의 후속적 에피택셜 성장을 위해 기판을 준비시키도록 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 레지스트는 캐비티 영역을 형성하도록 사용된 층 위에 패터닝될 수 있고, 그리고 선택적 식각은 캐비티 영역 주위의 구역에서 층을 제거하도록 사용될 수 있다.
캐비티 영역은 (캐비티 영역의 굴절률에 의해 수정된 바와 같은) VCSEL의 방출 파장의 대략 일 파장과 대략 5 파장 사이에 있을 수 있는 길이(L)를 가질 수 있다. 길이(L)는 VCSEL을 위한 캐비티 길이를 대략 결정한다. 캐비티 길이(L)가 수 파장의 차수 상에 있을 때, VCSEL은 하나 또는 몇 길이방향 광학 모드를 지원할 수 있는 마이크로캐비티를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 캐비티 길이(L)는 5 파장보다 더 길 수 있다.
캐비티 영역이 형성된 후에, 상부-측 DBR(580)은 도 5g에서 묘사된 바와 같이 VCSEL 캐비티를 산출하도록 퇴적될 수 있다. 일부 구현에서, 상부-측 DBR은 유전체 층의 스택을 포함할 수 있다. 유전체 층은 제1 굴절률 값을 갖는 산화물(예컨대, 실리콘 산화물) 및 제2 굴절률 값을 갖는 제2 유전체 층(예컨대, 실리콘 질화물)의 층 쌍을 포함할 수 있다. 유전체 층은 MOCVD 및/또는 ALD 공정에 의해 퇴적될 수 있다. 일부 실시형태가 더 적은 층 쌍을 포함할 수 있고 다른 실시형태가 더 많은 층 쌍을 포함할 수 있기는 하지만, VCSEL에서 10과 20 사이의 유전체 층 쌍이 있을 수 있다. 결과적 GaN VCSEL은 (예컨대, 대략 400㎚와 대략 490㎚ 사이의) 보라색/청색 스펙트럼 범위에서의 코히어런트 방사를 산출할 수 있다.
작은 세공 크기를 갖는 고도의 다공성 갈륨-질화물의 다른 응용은, 국한되는 것은 아니지만, 워터 스플릿팅 또는 다른 전기화학적 반응을 위한 높은-표면적 전극 및 다층 에피택셜 구조를 위한 스트레스-경감 층을 포함한다.
예
다층 DBR 구조가 식각되고 특성이 결정되었다. 식각된 샘플이 도 6에서 도시되는 제1 예에서, 다른 스트라이핑된 비아(610)들이 기판 상에 형성된 다수의 GaN 층 쌍을 통해 식각되었다. 비아는 어두운 스트라이프로서 보이고, 그리고 염소-계 플라스마에서 반응성 이온 식각에 의해 식각되었다. GaN 층 쌍은 도핑되지 않은 층 및 대략 5×1019 cm-3의 도핑 밀도를 갖는 고도-도핑된 GaN:Ge 층을 포함하였다. 고도-도핑된 층을 다공화하는데 사용된 EC 식각제는 대략 16.7 M의 농도를 갖는 질산(HNO3)이었고, 인가된 바이어스는 대략 3 볼트였다.
도 6은 현미경으로 획득된 전기화학적으로 식각된 GaN 구조의 광학 이미지이다. 나노다공성 GaN 층을 갖는 영역은 스트라이핑된 비아(610) 주위에 측방으로 그리고 방사상으로 뻗어있다. 나노다공성 GaN 층을 포함하고 있는 영역은 증가된 반사율에 기인하여 광학 현미경 하에서 더 밝게 보인다. 현미경 이미지에서의 균일한 색상 명암은 나노다공성 GaN 층의 양호한 공간적 균일도를 나타낸다.
식각된 나노다공성 GaN의 현미경 모폴로지는 스캐닝 전자 현미경 관찰(SEM)에 의해 검사되었고, 그리고 일례의 마이크로그래프가 도 7에서 도시된다. 마이크로그래프는 비아(610) 가까이에서 다공성 및 비-다공성 GaN 층의 입면도를 도시한다. 비-다공성 층은 도핑되지 않은 GaN에 대응하고, 그리고 다공성 층은 고도-도핑된 GaN 층에 대응한다. 마이크로그래프는 또한 EC-식각된 층의 (약 80%보다 더 큰) 높은 체적 다공도 및 높은 균일도를 나타낸다. 세공 중 절반 이상은 약 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭(W t )을 가지며, 일부는 약 30㎚보다 더 작다. 측정치는 세공 중 70% 이상, 그리고 심지어 그 세공 중 90% 이상이 약 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 가짐을 나타낸다. 최대 가로 폭은 세공의 길이보다 더 작을 수 있다(예컨대, 세공은 그들 가로 폭보다 더 큰 거리만큼 측방 식각 방향을 따라 페이지 안으로 뻗어있을 수 있다). 가로 치수는 매우 균일하며, 70% 이상, 그리고 심지어 90% 이상이 30㎚와 90㎚ 사이의 최대 가로 치수를 갖는다.
나노다공성/비-다공성 GaN DBR의 반사율은 마이크로-반사율 셋업에 의해 측정되었다. 이들 측정에 대해, DBR을 탐색하는데 사용된 광학 스폿 크기는 대략 10 ㎛의 직경을 가졌고, 그리고 비아(610)에 인접하는 식각된 영역 상에 입사하였다. 절대 반사율은, 둘 다 잘-확립된 반사율 스펙트럼을 갖는, 은거울 및 사파이어 기판에 대해 이루어진 측정치로 교정되었다. 반사율 측정치의 추정된 정확도는 0.5%보더 더 양호하다. 측정은 여러 다른 도핑 밀도를 갖는 그리고 여러 다른 EC 식각 조건 하에서 식각된 샘플 상에 이루어졌다. 도 8은 고도-도핑된 층이 5×1019 cm-3의 도핑 밀도를 갖고 있는 10 층 쌍을 포함한 하나의 샘플에 대해 측정된 반사율 스펙트럼(810)을 도시한다. EC 식각을 위한 바이어스는 대략 3 V이었고, 그리고 양극산화된 층의 결과적 체적 다공도는 60% 이상이었다. 반사율 스펙트럼(810)은 95% 훨씬 이상인 피크 반사율을 보여준다. 참조를 위해, 은(곡선(820)) 및 사파이어(곡선(830))에 대한 교정 스펙트럼 또한 플롯팅된다.
샘플에 대한 피크 반사율은 도 9에서 더 높은 분해능으로 도시된다. 올바른 도핑 레벨로 그리고 선택된 EC 식각 조건 하에서, 99% 이상의 피크 반사율이 갈륨-질화물 DBR 구조에 대해 재현가능하게 획득될 수 있다. 반사율이 98%보다 더 큰 대역폭은 대략 27㎚이고 그리고 대략 480㎚에 중심이 있다. 따라서, DBR 구조는 청색 광을 방출하도록 설계된 VCSEL의 캐비티 거울에 매우 적합하다.
여기에서 설명된 기술은 제조 방법으로서 구체화될 수 있으며, 그 중 적어도 하나의 예가 제공되었다. 방법의 일부분으로서 수행된 단계는 어느 적합한 방식으로라도 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적 실시형태에서는 순차적 단계로서 설명되었더라도, 일부 단계를 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 설명된 것과는 다른 순서로 단계가 수행되는 실시형태가 구축될 수 있다. 부가적으로, 방법은 일부 실시형태에서는 설명된 것들보다 더 많은 단계를 포함할 수 있고, 그리고 다른 실시형태에서는 설명된 것들보다 더 적은 단계를 포함할 수 있다.
그렇게 본 발명의 적어도 하나의 예시적 실시형태를 설명하였지만, 다양한 개조, 수정 및 개량이 당업자에게는 쉽게 떠오를 것이다. 그러한 개조, 수정 및 개량은 본 발명의 취지 및 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 상기 설명은 단지 예일 뿐이고 한정하는 것으로 의도되지는 않는다. 본 발명은 이하의 청구범위 및 그 균등물에서 정의된 바와 같이 제한될 뿐이다.

Claims (40)

  1. 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖고 그리고 세공 중 과반수가 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖는, 다공성 갈륨-질화물층.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세공 중 90% 이상이 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖는, 다공성 갈륨-질화물층.
  3. 제1항에 있어서, 상기 갈륨-질화물층의 상기 세공 중 절반 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는, 다공성 갈륨-질화물층.
  4. 제1항에 있어서, 상기 갈륨-질화물층의 상기 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는, 다공성 갈륨-질화물층.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세공은 대략 10㎚보다 더 작은 제곱-평균-제곱근 표면 거칠기를 갖는 벽을 갖는, 다공성 갈륨-질화물층.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다공성 갈륨-질화물층의 n-형 도핑 밀도는 대략 5×1019 cm-3와 대략 2×1020 cm-3 사이에 있는, 다공성 갈륨-질화물층.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, n-형 도핑을 위한 상기 다공성 갈륨-질화물층에서의 도판트는 게르마늄인, 다공성 갈륨-질화물층.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 체적 다공도는 60%보다 더 큰, 다공성 갈륨-질화물층.
  9. 제7항에 있어서, 분포 브래그 반사체에 포함된, 다공성 갈륨-질화물층.
  10. 제9항에 있어서, 수직-캐비티 표면-방출 레이저에 포함된, 다공성 갈륨-질화물층.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 다이오드에 포함된, 다공성 갈륨-질화물층.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전극에 포함된, 다공성 갈륨-질화물층.
  13. 반도체 발광 디바이스로서,
    적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층을 포함하되 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 세공 중 과반수는 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖고 그리고 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 상기 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 제1 분포 브래그 반사체(distributed Bragg reflector: DBR)에 배열된 비-다공성 갈륨-질화물층에 의해 분리된 복수의 다공성 갈륨-질화물층을 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 다공성 갈륨-질화물층은 비-다공성 갈륨 질화물의 기둥을 형성하는 상기 DBR 내 중심에 위치하는 비-다공성 영역을 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 제1 DBR은 수직-캐비티 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)를 위한 n-측 반사체로서 배열되는, 반도체 발광 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 DBR은 상기 VCSEL의 레이징 파장에 대해 99%보다 더 큰 반사율을 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 DBR은 대략 20㎚보다 더 큰 대역폭에 걸쳐 98%보다 더 큰 반사율 값을 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 길이(L)를 갖는 캐비티 영역 및 제2 DBR을 더 포함하되, 상기 캐비티 영역은 상기 제1 DBR과 상기 제2 DBR 사이에 위치하는, 반도체 발광 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 캐비티 영역은 다중 양자 우물 또는 초격자를 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 캐비티 영역의 상기 길이(L)는 상기 VCSEL에 대한 레이징 파장의 대략 1과 5 광학 파장 사이에 있는, 반도체 발광 디바이스.
  23. 제15항에 있어서, 상기 분포 브래그 반사체에 인접하여 위치하는 1×1018 cm-3보다 더 큰 도핑 밀도를 갖는 전류-확산 층을 더 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  24. 제13항 또는 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층의 상기 세공은 대략 10㎚보다 더 작은 제곱-평균-제곱근 표면 거칠기를 갖는 벽을 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  25. 제13항 또는 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층은 대략 5×1019 cm- 3와 대략 2×1020 cm-3 사이의 n-형 도핑 밀도를 갖는, 반도체 발광 디바이스.
  26. 제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 매립된 다공성 갈륨-질화물층에서의 n-형 도핑을 위한 도판트는 게르마늄인, 반도체 발광 디바이스.
  27. 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법으로서,
    고도-도핑된 갈륨 질화물을 식각제에 노출시키는 단계로서, 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물은 대략 5×1019 cm- 3와 대략 2×1020 cm-3 사이의 n-형 도핑 밀도를 갖는 상기 노출시키는 단계;
    상기 식각제와 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물 간 전기 바이어스를 인가하는 단계로서, 상기 전기 바이어스는 대략 1.3 볼트와 3 볼트 사이의 값을 갖는 상기 인가하는 단계; 및
    대략 30%보다 더 큰 체적 다공도를 갖고 그리고 세공 중 과반수가 대략 100㎚보다 더 작은 최대 가로 폭을 갖는 다공성 갈륨 질화물을 산출하도록 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물을 전기화학적 식각하는 단계를 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  28. 제27항에 있어서, 식각된 갈륨 질화물의 상기 세공 중 70% 이상이 대략 30㎚와 대략 90㎚ 사이의 최대 가로 폭을 갖는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 전기화학적 식각은 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물의 조명을 필요로 하지 않는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물을 위한 도판트는 게르마늄인, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 식각제는 60 중량 %와 대략 80 중량 % 사이의 농도를 갖는 질산인, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  32. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 식각제는 대략 70 중량 %의 농도를 갖는 질산인, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 고도-도핑된 갈륨 질화물은 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층에 의해 분리되는 복수의 층에 배열되는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  34. 제33항에 있어서, DBR에 인접하여 위치하는 도핑된 갈륨 질화물의 전류-확산 층으로 상기 전기화학적 식각 동안 식각 전류를 확산시키는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 복수의 층의 에지를 노출시키도록 상기 복수의 층 및 상기 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층 내로 비아(via)를 식각하는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 전기화학적 식각은 상기 복수의 층의 측방 식각을 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  37. 제33항에 있어서, 수직-캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL)를 위한 제1 분포 브래그 반사체(DBR)를 형성하도록 상기 복수의 층 및 상기 도핑되지 않은 또는 중도-도핑된 갈륨-질화물층을 퇴적시키는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제1 DBR 내에서 중심에 식각되지 않은 갈륨 질화물의 기둥을 남기도록 상기 전기화학적 식각을 정지하는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  39. 제37항에 있어서, 상기 제1 DBR에 인접하여 다중 양자 우물 또는 초격자를 갖는 캐비티 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 제1 DBR과는 상기 캐비티 영역의 반대측 상에 제2 DBR을 형성하는 단계를 더 포함하는, 다공성 갈륨 질화물을 형성하기 위한 방법.
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