TWI654810B - 用於製造氮化鎵垂直腔面發射雷射之結構及方法 - Google Patents

用於製造氮化鎵垂直腔面發射雷射之結構及方法

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TWI654810B
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丹尼爾Ｆ 費柴爾
史帝芬Ｐ 丹巴爾斯
詹姆士Ｓ 史貝克
中村　修二
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美國加利福尼亞大學董事會
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Abstract

本發明係關於一種基於III族氮化物之垂直腔面發射雷射(VCSEL)，其中該VCSEL之空腔長度由蝕刻控制。

Description

用於製造氮化鎵垂直腔面發射雷射之結構及方法 相關申請案
本申請案依據35 U.S.C.條款119(e)主張以下同在申請中及共同讓渡之美國臨時專利申請案之權益：Casey Holder、Daniel F.Feezell、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/673,966號，名稱為「STRUCTURE AND METHOD FOR THE FABRICATION OF A GALLIUM NITRIDE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER」，代理人案號30794.458-US-P1(2013-044-1)；Casey Holder、Daniel F.Feezell、James S.Speck、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年8月3日申請之美國臨時專利申請案第61/679,553號，名稱為「DEMONSTRATION OF NONPOLAR GAN BASED VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASERS」，代理人案號30794.458-US-P2(2013-044-2)；Casey Holde、Daniel F.Feezel、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/673,985號，名稱為「NON-POLAR AND SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER」，代理人案號30794.459-US-P1(2013-046-1)； Casey Holder、Daniel F.Feezell、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/673,994號，名稱為「POLARIZATION-LOCKED ARRAY OF GALLIUM NITRIDE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASERS」，代理人案號30794.460-US-P1(2013-043-1)；Casey Holder、Daniel F.Feezell、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/674,035號，名稱為「SINGLE-LONGITUDINAL-MODE(AL,IN,GA)N VERTICAL-CAVITYSURFACE-EMITTING LASER」，代理人案號30794.461-US-P1(2013-048-1)；Casey Holder、Daniel F.Feezell、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/674,003號，名稱為「LIGHTING SYSTEM USING NON-POLAR AND SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASERS」，代理人案號30794.462-US-P1(2013-045-1)；Casey Holder、Daniel F.Feezell、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年7月20日申請之美國臨時專利申請案第61/674,012號，名稱為「DISPLAY SYSTEM USING NON-POLAR AND SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASERS」，代理人案號30794.463-US-P1(2013-047-1)；及Robert M.Farrell、Casey O.Holder、Steven P.DenBaars及Shuji Nakamura於2012年9月28日申請之美國臨時專利申請案第61/707,118號，名稱為「VIOLET III-NITRIDE NONPOLAR OR SEMIPOLAR VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER FOR SOLID-STATE LIGHTING SYSTEMS」，代理人案號30794.469-US-P1(2013- 134-1)；該等申請案全部以引用之方式併入本文中。
本發明係關於一種用於製造III族氮化物垂直腔面發射雷射(VCSEL)之結構及方法。
(註解：本申請案參考多個不同公開案，如整個說明書中由括號內一或多個參考編號所表示，例如[x]。根據該等參考編號排序之該等不同公開案之清單可見於下文標題為「參考文獻」之章節。該等公開案中之每一者均以引用之方式併入本文中。)
生產(Al,In,Ga)N雷射之主要困難之一為形成分佈式布拉格反射器(Distributed Bragg reflector，DBR)鏡面、尤其底部鏡面。已採取兩種不同方法達成此鏡面：Nichia[1]及Panasonic[2]已使用覆晶安裝法且隨後機械移除基板以展現光滑面用於介電DBR鏡面應用。此方法具有無法控制空腔長度之缺點。如Panasonic[2]所展示，此缺點可藉由使用極長空腔長度減輕，從而縮窄縱模式間距，使得縱模式始終與量子井發射對準。然而，此使得單縱模式操作無法進行。
另一方法為磊晶生長DBR鏡面，如T-C Lu等人[3]所展示，其使用AlN/GaN交替週期獲得高反射率鏡面。此方法提供空腔長度之精確控制，但製造該類磊晶鏡面由於如弛豫等困難而極其困難，且由於該磊晶生長所需之原材料及時間而成本高。
介電鏡面之生產簡單得多，因此可精確控制空腔長度(諸如藉由磊晶生長而非機械拋光)且同時使用介電DBR鏡面之方法對於製造(Al,In,Ga)N VCSEL而言為理想的。本發明滿足此需要。
迄今尚無非極性或半極性(Al,In,Ga)N VCSEL之公開展示。包括Nichia[1]、Panasonic[2]及National Chiao Tung University[3]之三個 集團已展示電注射型c平面(極性)(Al,In,Ga)N VCSEL。該等器件已以c平面GaN或c平面藍寶石展示，且不展現非極性及半極性VCSEL之極化鎖定特性。
本發明包含一種新穎器件(及產生此器件之方法)，其包含以非極性或半極性晶體取向(包括(但不限於)m平面、a平面或20-21、20-2-1、11-22面)製造之(Al,In,Ga)N VCSEL。
舉例而言，本發明揭示一種製造基於III族氮化物之VCSEL之方法，包含例如在至少部分移除其上生長有VCSEL之基板後藉由(例如選擇性)蝕刻來控制或限定VCSEL之空腔長度。
在一個實施例中，本發明包含一種用於製造GaN VCSEL之新穎方法，其使用光電化學(PEC)蝕刻以暴露器件之背面，且允許介電背面DBR鏡面之沈積。此係藉由磊晶生長犧牲層之能帶隙選擇性PEC橫向蝕刻來實現，從而移除基板且使背面DBR得到光滑表面。
或者，PEC蝕刻可用於蝕刻穿過塊狀GaN基板的深孔以暴露空腔背面用於DBR沈積，或在能帶隙選擇性蝕刻模式中藉由另一方法(諸如手動研磨及拋光或PEC底切基板移除)使所形成之背面光滑。
本發明之方法亦可涵蓋製造(Al,In,Ga)N VCSEL所必需或所使用之全部處理步驟，包括例如磊晶層結構之生長、用於器件圖案化之習知光微影術、用於器件界定及展現橫向蝕刻犧牲層之乾式蝕刻、金屬沈積、使用金屬及/或氧化銦錫(ITO)腔內接點之n型及p型器件接點形成、介電沈積及圖案化(用於器件分割、側壁保護/鈍化、電流/光圈形成)、覆晶接合(諸如Au/Au壓縮接合、焊接等)及使用介電材料交替層之介電DBR沈積。可使用各種方法來完成全部製程，．包括(但不限於)電感耦合電漿(ICP)蝕刻、反應性離子蝕刻(RIE)、電子束沈積、濺鍍、離子束沈積(IBD)、電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)、有機金 屬化學氣相沈積(MOCVD)、濕式蝕刻及使用接觸或基於步進機之曝光之微影術。
本發明之方法可包含：在III族氮化物基板上提供、製造或生長III族氮化物VCSEL結構，其包含位於活性區下之蝕刻終止層。VCSEL結構可進一步包含含鋁蝕刻終止層，其置放在活性區與基板之間以界定VCSEL的空腔長度；p型GaN層，其中活性區位於p型GaN層與含鋁蝕刻終止層之間；含銦犧牲層，其位於基板與含鋁蝕刻終止層之間的活性區下方，及n型GaN層，其為基板之一部分或位於基板與含鋁蝕刻終止層之間。
該方法可進一步包含蝕刻穿過活性區、但終止於蝕刻終止層上方之台面，以形成磊晶層之頂面；用介電材料塗佈磊晶層之頂面；在介電材料中蝕刻孔隙；圖案化及沈積透明導電層於介電材料上及孔隙中以接觸孔隙中之p-GaN層；及圖案化及沈積金屬(例如金屬環)於透明導電層上，其中金屬環不延伸至孔隙中。
該方法可進一步包含在VCSEL結構之第一側上製造VCSEL之第一空腔鏡面(例如在金屬環上沈積及圖案化第一介電分佈式布拉格反射器(DBR))。
製造第一空腔鏡面後，該方法可進一步包含在第一空腔鏡面處將VCSEL結構附著至子基板。該附著可包含在第一介電DBR上沈積金屬墊，其中(i)金屬墊在圍繞第一介電DBR之區域內產生n型接點以在隨後蝕刻期間保護第一介電DBR，(ii)金屬墊塗佈第一介電DBR之頂部用於在隨後覆晶接合製程中接合至子基板，且金屬墊自第一介電DBR之頂部至透明導電層為連續的，以自子基板向透明導電層射出電流。該附著可進一步包含使用金屬墊將子基板覆晶接合至第一介電DBR之頂部。
該方法可進一步包含至少部分移除與子基板相對之VCSEL結構 之第二側上之基板，例如藉由橫向光電化學蝕刻犧牲層以至少部分移除基板且得到n型GaN層。該方法可進一步包含在移除基板後於n型GaN層上圖案化及沈積金屬n型接點。
該方法可進一步包含向下(例如選擇性)蝕刻至蝕刻終止層以控制或界定VCSEL之空腔長度。可安置含鋁蝕刻終止層以界定空腔長度，使得VCSEL具有單模式操作或空腔長度為3微米或小於3微米。
界定空腔長度後，該方法可進一步包含在VCSEL之第二側上製造VCSEL之第二空腔鏡面，其中第一空腔鏡面及第二空腔鏡面界定VCSEL之具有空腔長度之雷射空腔。該步驟可包含在含鋁終止蝕刻層及金屬n型接點上沈積第二介電DBR，其中來自VCSEL之光經由該第二介電DBR發射。
本發明亦揭示一種製造於非極性或半極性(例如III族氮化物或GaN)基板上之非極性或半極性III族氮化物VCSEL。該半極性VCSEL可發射藍色至綠色光且非極性VCSEL可發射紫外(UV)至藍色光。
該VCSEL可具有小於3nm之空腔長度。
在臨限值以上，該VCSEL可以不低於19.5微瓦或至少19.5微瓦之輸出功率發光。在臨限值以上，該VCSEL可以不低於0.72或至少0.72之極化率發光。在臨限值以上，該VCSEL之光發射可具有0.25nm或小於0.25nm、或不超過0.25nm之半高全寬。
舉例而言，本發明已製造及展示電注射型工作單縱模式(Al,In,Ga)N VCSEL，其在室溫下以鎖定極化(例如沿器件之結晶a方向天然鎖定)及高度定向發射產生雷射。
本發明揭示一種基於III族氮化物之(例如非極性或半極性)VCSEL，其包含藉由(例如選擇性)蝕刻控制之空腔長度，例如在至少部分移除其上生長有VCSEL之基板期間/之後。VCSEL之磊晶結構中之含鋁(Al)層可作為蝕刻終止層用於蝕刻。VCSEL之磊晶結構中 之含銦(In)層可作為犧牲層用於藉由蝕刻移除VCSEL之基板。可藉由光電化學蝕刻來進行蝕刻。VCSEL可生長於非極性或半極性基板上。VCSEL之縱模式可為單模式。
本發明進一步揭示潛在應用。
本發明之極化鎖定(Al,In,Ga)N VCSEL係由於非極性及半極性(Al,In,Ga)N晶體取向之獨特性質及所使用之方法，該方法允許在一個晶圓上以高良率產生該等器件。舉例而言，非極性或半極性VCSEL可用作光源，作為顯示器或照明系統中磷光體激發光源，或可與矽上液晶(LCOS)、液晶顯示器(LCD)、液晶光閥(LCLV)或微機電系統(MEMS)組件組合。
100‧‧‧基板/n型GaN(n-GaN)模板
102a‧‧‧犧牲區
102b‧‧‧InxGa1-xN犧牲層
102c‧‧‧GaN障壁
104‧‧‧AlGaN終止蝕刻層/AlGaN電洞阻擋層
106‧‧‧GaN層
108‧‧‧n-GaN層
110a‧‧‧活性區
110b‧‧‧InGaN量子井
110c‧‧‧量子障壁
112‧‧‧p型AlGaN電子阻擋層
114‧‧‧p型GaN(p-GaN)及/或p++接觸層
116‧‧‧台面
118‧‧‧晶圓
120‧‧‧介電材料
122‧‧‧孔隙
124‧‧‧氧化銦錫(ITO)腔內接點
126‧‧‧金屬/金屬環/p型接點金屬
128‧‧‧犧牲層102b之側壁
130‧‧‧金屬墊
132‧‧‧介電DBR
134‧‧‧圍繞台面136之區域
136‧‧‧台面
138‧‧‧DBR 132之頂部
140‧‧‧DBR 132之底部
142‧‧‧子基板
144‧‧‧樣品/器件
146‧‧‧n型金屬接點
148‧‧‧發光DBR/介電DBR鏡面
150‧‧‧器件152之空腔長度
152‧‧‧器件
200‧‧‧生長磊晶層
202‧‧‧製造器件之頂部
204‧‧‧附著至子基板
206‧‧‧移除基板
208‧‧‧沈積金屬接點
210‧‧‧界定空腔/刻面
212‧‧‧進一步加工成器件
300‧‧‧獲得VCSEL結構
302‧‧‧製造器件之頂部
304‧‧‧製造第一空腔鏡面
306‧‧‧附著至子基板
308‧‧‧移除基板
310‧‧‧沈積n型接點
312‧‧‧控制空腔長度
314‧‧‧製造第二空腔鏡面
316‧‧‧VCSEL
318‧‧‧應用
400‧‧‧非極性或半極性III族氮化物VCSEL/VCSEL
402‧‧‧活性區
404‧‧‧n-GaN
406‧‧‧p-GaN
408‧‧‧金屬環形接點/Cr/Ni/Au金屬
410‧‧‧DBR/13週期SiO2/Ta2O5 DBR
412‧‧‧Ti/Au金屬
414‧‧‧藍寶石子基板/子基板
416‧‧‧Ti/Au金屬
418‧‧‧歐姆環形n型接點(Ti/Au)/Ti/Au金屬
900‧‧‧製造VCSEL結構
902‧‧‧分割VCSEL結構
904‧‧‧VCSEL陣列
1000‧‧‧光源
1002‧‧‧光
1004‧‧‧光導引材料
1006‧‧‧下轉媒介
1100‧‧‧顯示系統
1102‧‧‧顯示器
1104‧‧‧光
1106‧‧‧紅光
1108‧‧‧磷光體
1110‧‧‧藍光
1112‧‧‧綠光
1200‧‧‧III族氮化物LED
1202‧‧‧藍光
1204‧‧‧磷光體
1206‧‧‧黃光
1300‧‧‧非極性或半極性III族氮化物VCSEL
1302‧‧‧紫光
1304‧‧‧磷光體
1306‧‧‧紅光
1308‧‧‧綠光
1310‧‧‧藍光
現參看圖式，其中相同參考編號表示對應部件。
圖1(a)-(n)說明根據本發明之一實施例製造III族氮化物VCSEL之方法，其顯示GaN磊晶薄膜之橫截面示意圖，活性區包含1至15個具有2nm至5nm厚之量子障壁之InGaN量子井(2至15奈米(nm)厚)、p-AlGaN電子阻擋層、犧牲層(通常包含3×7nm厚之InGaN量子井及5nm厚之GaN量子障壁)及n-AlGaN電洞阻擋層(通常30%Al)。
圖2為說明根據本發明之一或多個實施例製造VCSEL及界定空腔/刻面之方法之流程圖。
圖3為說明根據本發明之一或多個實施例製造VCSEL之方法之流程圖。
圖4(a)說明工作器件之全器件橫截面示意圖，圖4(b)為多個完成器件之掃描電子顯微鏡(SEM)影像，且圖4(c)為在脈衝操作下發射雷射之器件之光學顯微鏡影像(根據本發明之一或多個實施例)。
圖5為使用圖1(a)-(n)之方法製造及具有圖4(a)之結構之工作器件的雷射光譜，其以任意單位(a.u.)之輸出強度相對於發射波長(nm)作 圖，其中器件具有10微米(μm)直徑之孔隙，且該圖係針對在0.3%工作循環及20℃溫度下操作之器件所獲得。
圖6為使用圖1(a)-(n)之方法製造及具有圖4(a)之結構之電流相對於光(L-I)曲線，其以光輸出功率(微瓦，μW)相對於驅動電流(毫安，mA)作圖，其中器件具有10μm直徑之孔隙，該圖係針對在20℃之溫度下、在0.03%工作循環下以30ns脈衝驅動之器件所獲得，且該圖顯示峰值輸出功率為19.5μW且臨限電流為70mA。
圖7(a)-(b)說明極化資料，其以輸出強度(a.u.)相對於極化角(度，°)作圖，指示使用圖1(a)-(n)之方法所製造之工作器件的雷射，包括沿纖維鋅礦晶體結構之a方向之極化鎖定，該纖維鋅礦晶體結構用於具有圖4(a)之結構之m平面(Al,In,Ga)N VCSEL。
圖8(a)顯示極性c平面(Al,In,Ga)N VCSEL陣列，其中任何指定器件之極化為隨機的，且其中因為個別器件之極化為隨機的，故極化鎖定陣列為不可能的。
圖8(b)根據本發明之一或多個實施例說明根據本發明之器件之陣列，其中非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL之特有結構使所發射之光的極化鎖定在相同方向。
圖9為說明根據本發明之一或多個實施例製造VCSEL陣列之方法的流程圖。
圖10(a)-(c)根據本發明之一或多個實施例說明一種照明系統，其包含非極性或半極性VCSEL作為照明系統中之一或多個光源。
圖11(a)-(b)根據本發明之一或多個實施例說明一種顯示系統，其使用一或多個非極性或半極性(Al,In,Ga)N VCSEL。
圖12說明一種照明系統，其使用藍光發光二極體。
圖13根據本發明之一或多個實施例說明一種照明系統，其包含一或多個發射紫光之III族氮化物非極性或半極性VCSEL，該紫光激 發兩種或兩種以上具有不同發射光譜之磷光體以產生白光。
以下較佳實施例之說明中，參考附圖，該等附圖形成本文之一部分，且為了說明可實施本發明之特定實施例而顯示。應理解，在不脫離本發明範疇之情況下，可採用其它實施例，且可發生結構變化。
技術說明
垂直腔面發射雷射(VCSEL)提供優於習知邊發射雷射的若干優勢，包括改良的光束型態、高頻操作、較小器件佔據面積(允許密集堆積陣列及在單位面積之半導體晶圓上生產更多器件)及容易進行晶圓上測試。此外，增益帶寬內可供使用的模式數目主要決定VCSEL中之縱向雷射模式數目。對於足夠短的(<3微米)空腔長度而言，模間距變大(>10奈米(nm))，且增益帶寬內之模數減少至一個，從而允許器件具有真實的單縱模式操作。另一方面，若空腔太長，則繞射及散射向光學模式引入損失，且器件效率降低。
用習知III-V材料(GaAs、InP)製造之VCSEL通常具有經良好限定的空腔長度，該等空腔長度可經由內空腔層及分佈式布拉格反射器(DBR)鏡面之磊晶生長而控制至極小尺寸。由此得到良好控制之短空腔且確保單縱模式操作，此對於波長控制及溫度穩定性具重要作用之應用而言為所需的。
GaN VCSEL製造之最具挑戰性態樣為形成分佈式布拉格反射器(DBR)鏡面。在(Al,In,Ga)N材料系統中，由於晶格失配誘導之應變給磊晶生長帶來挑戰，故極難獲得高反射率DBR鏡面。先前已藉由將GaN基板薄化及拋光以產生背面DBR鏡面、或藉由磊晶生長背面DBR鏡面來製造可能應用於高密度光學儲存、顯示器、印刷及生物感測之氮化鎵或(Al,In,Ga)N VCSEL。
薄化/拋光控制空腔長度的作用極小，空腔長度控制對於雷射空 腔共振與增益光譜適當對準而言為至關重要的。此外，在薄化製程期間所造成之機械不穩定性及損傷降低了對空腔厚度之約束。因此，縱模式間距仍然很小且單模式操作難以實現，從而將該等器件限於多縱模式操作[1]。最後，(Al,In,Ga)N材料系統中之DBR鏡面之磊晶生長極具挑戰性。
此外，由於與磊晶生長相關之挑戰，故該等器件通常採用介電底部DBR，其需要移除基板，且明顯使空腔長度精確控制變得複雜，尤其控制降至小尺寸(<3微米)。舉例而言，涉及基板之研磨及拋光之製造方法限於約5微米之最小空腔長度，其呈現VCSEL多縱模式，因為模間距相對較窄(2-6nm)。
介電鏡面之生產簡單得多，因此可精確控制空腔長度(諸如藉由磊晶生長而非機械拋光)且同時使用介電DBR鏡面之方法對於製造(Al,In,Ga)N VCSEL而言為理想的。
光電化學(PEC)蝕刻可提供此類方法。藉由在器件下之界定位置之磊晶生長中包括較低能帶隙犧牲層，可移除器件之基板以露出用於介電DBR鏡面沈積之光滑底面。與允許進一步加工之覆晶接合製程組合，此製程可藉由在器件之磊晶結構內準確置放犧牲層而用於精確控制空腔厚度。同樣，介電DBR鏡面可置放於具有磊晶控制厚度之空腔上用於雷射之單一縱模式操作。或者，即使在未使用橫向PEC蝕刻移除基板之情況下，由上而下之能帶隙選擇性PEC終止蝕刻仍可用於由其他方法(諸如基板之雷射提離或使基板變薄之機械拋光)形成之VCSEL之極精確空腔長度控制。
本發明描述一種用於製造III族氮化物或(Al,In,Ga)N VCSEL之方法，其利用PEC蝕刻之獨特能力以獲得具有優良效能之器件。本發明進一步描述該所得器件之結構。
圖1(a)-(n)說明一種例示性方法流程，其使用橫向PEC底切蝕刻 移除基板及界定空腔長度。
圖1(a)顯示在合適基板100上以同質磊晶方式或以異質磊晶方式生長磊晶層，合適基板100包括(但不限於)塊狀GaN(極性、非極性或半極性，呈任何取向)、SiC或藍寶石。磊晶結構通常包括較低能帶隙犧牲區102a，犧牲區102a在器件下之明確位置處包含含銦(In)層102b(例如InxGa1-xN層)，使得InxGa1-xN層102b之位置界定完全適合於所需VCSEL器件之垂直空腔長度。
此較低能帶隙材料102b通常為組成可變的InxGa1-xN，從而可藉由合適光源(諸如經過濾的寬頻帶源或窄發射光源)將其選擇性蝕刻。
含銦(In)層對於較低能帶隙犧牲層102b而言應為較佳的，因為犧牲層更易藉由蝕刻來蝕刻掉。此犧牲區102a可為任何厚度之單層或若干層102b之集合。此外，因為量子限制斯塔克效應(quantum-confined Stark effect，QCSE)限制可用於極性/c平面犧牲層之犧牲層厚度，故此選擇性蝕刻對於非極性或半極性VCSEL而言更佳。在極性/c平面器件中，垂直於犧牲層之內建式電場將電子及電洞分離至層之相反側。因為電洞參與PEC蝕刻，由此在極性/c平面犧牲層中造成非均勻蝕刻，因此必須保持層厚度極薄以補償。因此，必須使用超晶格，且蝕刻速率可能由於所使用之薄犧牲層而降低：橫向蝕刻期間之表面積降低及縱橫比提高均可限制蝕刻速率。非極性及半極性平面限制犧牲層中之QCSE(在非極性情況下將其完全移除)，且從而藉由極性/c平面器件中之QCSE移除針對犧牲層的設計限制。
圖1(a)亦說明磊晶結構之一個特定實例，顯示底切InGaN犧牲層102b(具有5nm厚GaN障壁102c之7nm厚量子井，形成在約415nm峰值波長下吸收之3個週期InGaN/GaN多量子井(MQW))，及AlGaN終止蝕刻層104(具有30%Al組成之15nm厚n型AlGaN電洞阻擋層/終止蝕刻層)。圖1(a)之磊晶結構進一步說明：較低能帶隙犧牲區102a，其位於 n型GaN(n-GaN)模板100或基板上；50nm厚GaN層106，其位於較低能帶隙犧牲區102a與AlGaN終止蝕刻層104之間；902nm厚n-GaN層108，其位於AlGaN層104與活性區110a(包含5個週期InGaN/GaN MQW，包括具有5nm厚GaN障壁110c之7nm厚InGaN量子井110b，在405nm峰值波長下發射)之間；15nm厚p型AlGaN電子阻擋層(EBL)112，其具有20%Al組成且位於活性區110a上；及127nm厚p型GaN(p-GaN)及/或p++接觸層114，其位於EBL 112上。
在其他實例中，活性區110a包含1個至15個2nm至15nm厚之InGaN量子井110b，其具有2nm至5nm厚之量子障壁110c。
器件之頂部將根據器件之規格來製造，包括製造器件之電接點、蝕刻以界定台面及其他特徵、介電沈積用於鈍化側壁或限制電流、沈積DBR鏡面及接合至合適子基板，例如矽晶圓。該等製造步驟之實例說明於圖1(b)-(i)中。
圖1(b)說明第一步驟，乾式蝕刻台面116穿過活性區110a，但在犧牲層102b上終止。
圖1(c)說明第二步驟，用介電材料120(通常為氮化矽(SiN))毯覆式塗佈晶圓118，且在介電材料120中蝕刻孔隙122以允許電流注入。
圖1(d)說明第三步驟，在介電材料120及p-GaN 114上圖案化及沈積透明導電層或氧化銦錫(ITO)腔內接點124(例如藉由進行濕式蝕刻、乾式蝕刻或提離)。接點124在孔隙122中必須接觸p-GaN 114，且向外為連續的，用於接收在圖1(f)中所說明之隨後步驟中沈積於接點124上的p型接點金屬126。
圖1(e)說明第四步驟，向下乾式蝕刻以展現犧牲層102b之側壁128。製程中此步驟之位置並非關鍵，且可在第3至第6步驟之任何位置。
圖1(f)說明第五步驟，圖案化及沈積金屬126(例如金屬環126)用 作與ITO 124之p型接點，其中金屬環126不延伸至孔隙122中，但向外延伸用作與圖1(h)中所形成之金屬墊130的金屬接點。
圖1(g)說明第六步驟，沈積及圖案化介電DBR 132。通常DBR包含Ta2O5/SiO2交替層，但DBR 132亦可為SiO2/SiN、SiO2/TiO2、SiO2/Nb2O5等。在一個實施例中，DBR材料及結構使得DBR 132在雷射二極體之目標發射波長下具有>99%反射率。
圖1(h)說明第七步驟，包含沈積金屬墊130。該步驟包括3個特徵：(1)金屬墊130必須在圍繞台面136之區域134中形成n型接點，以在隨後的PEC蝕刻期間保護台面136及/或DBR 132，(2)金屬墊130必須塗佈DBR 132之頂部138用於在覆晶接合製程中接合至子基板142，及(3)金屬墊130必須自DBR 132之頂部138連續延伸至DBR 132之底部140以使電流自子基板142(如圖1(i)中所沈積)射向ITO接點124。
圖1(i)說明使用DBR 132之頂部138上之金屬130將子基板142覆晶接合至DBR 132之頂部138。該接合可包括Au/Au壓接合、回焊或多種其他接合類型。圖1(j)說明圖1(i)中所形成之顛倒覆晶接合結構。
圖1(k)說明經由橫向PEC蝕刻犧牲區102a來移除基板100。在此步驟中，樣品/器件144可浸沒於任何合適的電解質溶液(包括(但不限於)KOH、HCl、HNO3等)中，且曝露於高於InxGa1-xN犧牲層102b之帶隙、但低於GaN之帶隙之光。後一種情況要求可對InxGa1-xN犧牲層102b進行PEC蝕刻，同時防止其他包圍層(諸如GaN基板100)發生非所要蝕刻。此光可來自任何光源，包括窄發射光源，如雷射或發光二極體(LED)，或經過濾之寬頻帶光源，如具有長通濾光片之Xe燈(使用GaN自身作為濾光片可蝕刻任何組成之InxGa1-xN，同時不蝕刻GaN)。InxGa1-xN犧牲層102b將橫向蝕刻，且一段時間後將被完全移除(例如底切)，從而使基板100自接合至載體基板142之個別器件144釋放。蝕刻製程可或可不包括施加偏壓或控制溫度，其可有助於蝕刻製程。
此處，僅描述光增強型化學或PEC蝕刻。然而，所有不含光增強或光照射之蝕刻種類可應用於移除犧牲層102b。
基板100移除後，可根據所需器件進一步處理器件144(固定於載體142上)。此通常包括可射出電流的金屬接點(如所示圖1(l)中所示，其說明圖案化及沈積金屬n型接點146)，及圖案化另一介電DBR鏡面148，如圖1(m)及圖1(n)中所說明。
圖1(m)說明第二PEC蝕刻，包含經由n-GaN 106向下能帶隙選擇性終止蝕刻至AlGaN電洞阻擋層(HBL)104用於精確空腔長度控制。
圖1(n)說明沈積發光DBR 148，其中發光DBR 148之反射率比非發光DBR 132略低。
經由此製程，可藉由InxGa1-xN犧牲層102b之位置、藉由器件的磊晶生長來精確控制器件152之空腔長度150，同時避免製造經磊晶生長之DBR鏡面之費用及困難。另外，空腔長度之該精確控制(相比之下，機械拋光對最終厚度的控制作用極小)可使得VCSEL之單縱模式操作一致且提高器件良率，而不必採取不允許單縱模式操作的厚空腔。
刻面形成/空腔長度界定
PEC蝕刻之另一應用為用於(Al,In,Ga)N VCSEL之空腔長度控制，包含用於刻面形成及空腔長度界定之由下而上的終止蝕刻。
示意性例示性方法流程顯示於圖1(a)-(n)中。在圖1(a)-(n)所說明之指定實例中，兩種PEC蝕刻方法(基板移除及刻面形成/空腔長度界定)一起展示，但其並非本發明之要求。將兩種可能實施例之示意圖組合僅為更方便。
以下為如何應用刻面形成/空腔長度界定之一個實例，如圖2中及進一步參考圖1(a)-(n)中所說明。
步驟200表示在合適基板(例如如圖1(a)中所說明)上以同質磊晶方 式或以異質磊晶方式獲得或生長磊晶層。合適基板包括(但不限於)塊狀GaN(極性、非極性或半極性，呈任何取向)、SiC或藍寶石。磊晶結構通常在器件下方之明確位置處包括較高帶隙材料，諸如一些合適組成x之AlxGa1-xN(例如圖1(a)中之AlGaN層104)，使得AlxGa1-xN之位置對應於垂直空腔之長度，且完全適合於所需VCSEL器件。此較高帶隙層可為單層，或可包含多層，諸如超晶格。
步驟202表示根據器件規格製造器件之頂部，包括形成與器件之電接點、蝕刻以界定台面(例如圖1(b))及其他特徵、介電沈積用於鈍化側壁或限制電流(例如圖1(c))、沈積DBR鏡面(例如圖1(g))及接合至合適子基板(例如圖1(i))，例如矽晶圓。此類製程可與以上實施例中所見之製程相同，或可與參考文獻[1]及[2]中所見之製程相同。
如步驟204中所說明，接合至合適子基板之後，步驟206表示經由任何數目的合適方法使基板變薄或移除，包括雷射提離藍寶石基板、機械薄化/拋光、藉由濕式或乾式技術之蝕刻、雷射切除或甚至PEC橫向底切蝕刻，如上文所論述(例如圖1(k))。此薄化、蝕刻或基板移除應在AlxGa1-xN區域104下發生，使得AlxGa1-xN區域保持完整。或者，對於塊狀GaN基板而言，可不需要接合及薄化或基板移除，因為可經由整個基板完成以下PEC蝕刻步驟。
步驟208表示隨後使曝露之器件背面上的金屬接點圖案化。
步驟210表示用於刻面形成/空腔長度界定之蝕刻，其中樣品可隨後浸沒於任何合適的電解質溶液(包括(但不限於)KOH、HCl、HNO3等)中，且曝露於高於GaN之帶隙、但低於AlxGa1-xN終止蝕刻層之帶隙之光。後一種情況要求可蝕刻GaN，同時不蝕刻AlxGa1-xN終止蝕刻層。此光可來自任何光源，包括窄發射光源，如雷射或LED，或經過濾之寬頻帶光源，如具有長通濾光片之Xe燈。蝕刻製程可或可不包括施加偏壓或控制溫度，其可有助於蝕刻製程。
步驟212表示可根據所需器件進一步處理器件(固定於載體上)。此通常包括金屬接點(例如圖1(l)中之146)以射出電流(若PEC蝕刻之前所形成之金屬接點不足以用於器件操作)，及圖案化另一介電DBR鏡面(例如圖1(m)及圖1(n))。
經由此製程，形成光滑表面，其中AlxGa1-xN終止蝕刻區域104形成器件之光滑刻面。同樣，在器件之磊晶生長期間藉由置放AlxGa1-xN區域104來精確控制整個器件之空腔長度。
經由此製程，不僅經由AlxGa1-xN區域104之置放、藉由器件的磊晶生長來精確控制器件的空腔長度，而且避免製造經磊晶生長之DBR鏡面之費用及困難。另外，空腔長度之該精確控制(相比之下，機械拋光對最終厚度的控制作用極小)使VCSEL之單縱模式操作一致且提高器件良率，而不必採取不允許單縱模式操作的厚空腔。
圖3說明一種製造基於III族氮化物之VCSEL之方法，其包含藉由蝕刻(例如選擇性蝕刻)來控制或界定VCSEL之空腔長度，例如在至少部分移除其上生長有VCSEL結構之基板期間/之後。
步驟300表示在III族氮化物基板上獲得、提供、製造或生長III族氮化物VCSEL結構，該VCSEL結構在活性區下方包含蝕刻終止層。基板可為非極性或半極性基板，或VCSEL可生長於基板(例如III族氮化物或GaN基板)之非極性或半極性表面上。
舉例而言，該步驟可包含在III族氮化物基板之非極性或半極性表面上以磊晶方式獲得或生長磊晶層以形成VCSEL結構，該VCSEL結構包含：活性區；含鋁蝕刻終止層，其置放於活性區與基板之間以界定VCSEL之空腔長度；p型GaN層，其中活性區位於p型GaN層與含鋁蝕刻停止層之間；及n型GaN層，其為基板之一部分或位於基板與含鋁蝕刻終止層之間。VCSEL結構可在基板與含鋁蝕刻終止層之間包含一或多個位於活性區下方之含銦犧牲層。舉例而言，VCSEL結構可 為圖1(a)之結構。
步驟302表示製造器件之頂部。該步驟可包含：蝕刻台面穿過活性區，但在蝕刻終止層上方停止，以形成磊晶層之頂面；用介電材料塗佈磊晶層之頂面；在介電材料中蝕刻孔隙；在介電材料上及孔隙中圖案化及沈積透明導電層以在孔隙中接觸p-GaN層；及在透明導電層上圖案化及沈積金屬(例如金屬環)，其中(例如環形)金屬不延伸至孔隙中。舉例而言，該等步驟可如圖1(b)-(f)中所示。
步驟304表示在VCSEL結構之第一側上製造用於VCSEL之第一空腔鏡面，例如如圖1(g)中所示。該步驟可包含在金屬環上沈積及圖案化第一介電分佈式布拉格反射器(DBR)。
步驟306表示在第一空腔鏡面處將VCSEL結構附著至子基板。該步驟可包含在第一介電DBR上沈積金屬墊，其中：金屬墊在圍繞第一介電DBR之區域中形成n型接點以在隨後蝕刻期間保護第一介電DBR，金屬墊塗佈第一介電DBR之頂部用於在隨後覆晶接合製程中接合至子基板，且金屬墊自第一介電DBR之頂部連續延伸至透明導電層以使電流自子基板射向透明導電層。該步驟可進一步包含使用金屬墊將子基板覆晶接合至第一介電DBR之頂部。該等步驟可如圖1(g)-(h)中所示。
步驟308表示視情況至少部分移除基板，例如得到n型GaN層(例如如圖1(k)中所示)。可藉由蝕刻來移除基板。VCSEL結構中之含銦(In)層可用作犧牲層以便藉由(例如選擇性)蝕刻移除基板。可在與子基板相對之VCSEL結構之第二側上移除基板。蝕刻(例如選擇性蝕刻)可藉由PEC蝕刻進行。
步驟310表示在n型GaN層上圖案化及沈積n型金屬接點(視需要)。
312表示(例如選擇性)蝕刻VCSEL結構以控制VCSEL之空腔長 度，例如如圖1(m)中所示。VCSEL結構中之含鋁(Al)層可用作(例如選擇性)蝕刻之蝕刻終止層以控制空腔長度。(例如選擇性)蝕刻可藉由光電化學(PEC)蝕刻進行。該步驟可包含向下選擇性蝕刻至含鋁蝕刻終止層，以控制或界定VCSEL之空腔長度，例如使得VCSEL具有單模式操作或空腔長度為3微米或小於3微米。
步驟314表示在與第一側相對之VCSEL之第二側上製造用於VCSEL之第二空腔鏡面，其中第一空腔鏡面及第二空腔鏡面界定具有該空腔長度之VCSEL的雷射空腔，例如如圖1(n)中所示。該步驟可包含在含鋁終止蝕刻層及金屬n型接點上沈積第二介電DBR，其中來自VCSEL之光經由該第二介電DBR發射。
步驟316表示最後結果，基於III族氮化物之VCSEL。VCSEL可包含藉由(例如選擇性)蝕刻(例如VCSEL結構之磊晶層)控制及/或界定及/或形成之空腔長度。蝕刻或選擇性蝕刻可在部分或完全移除基板期間及/或之後進行。
半極性VCSEL可具有含有銦組合物/材料帶隙之活性區，該銦組合物/材料帶隙發射藍色至綠色光。非極性VCSEL可具有含有銦組合物/材料帶隙之活性區，該銦組合物/材料帶隙發射紫外(UV)至藍光。半極性/非極性VCSEL可具有含有銦組合物/材料帶隙之活性區，該銦組合物/材料帶隙發射在紫外至紅色範圍內之一或多個波長處具有峰值強度之輻射/光。VCSEL可生長於非極性m平面基板上，且VCSEL發射之光可沿VCSEL之a方向極化鎖定。VCSEL可生長於半極性基板(諸如(20-21)或(20-1-1))基板)上，且VCSEL發射之光可沿VCSEL之a方向極化鎖定。
在臨限值以上，VCSEL之光發射可具有不超過0.25nm之半高全寬(參見圖5)；在臨限值以上(例如在驅動電流不超過120毫安培之情況下)，VCSEL可發射具有不低於19.5微瓦或至少19.5微瓦之輸出功率的 光，如圖6中所示；及/或在臨限值以上(例如在驅動電流不超過120毫安培之情況下)，VCSEL可發射具有不低於0.72或至少0.72之極化率的光，如圖7(a)中所示。
步驟318表示視情況將VCSEL併入應用中。如上所述，此VCSEL可作為高品質光源(例如極化光源)用於多個應用，包括投影儀、背光顯示器、需要高品質相干光源之科學應用、光學資料儲存(例如高密度光學儲存)、高解析度或雷射印刷及生物感測。
受益於極化鎖定VCSEL陣列之應用包括需要極化光之強度大於可由單一VCSEL產生之極化光之強度的應用。
非極性及半極性VCSEL可用於所有種類之感測器的應用，該等感測器具有沿某一方向(例如沿III族氮化物器件之a方向或有效垂直於c方向)有效鎖定之光極化的優勢。
結果
此處亦提供之資料顯示使用圖1(a)-(n)中所示方法流程成功製造(Al,In,Ga)N雷射二極體，產生圖4(a)中所示之器件結構。
圖4(a)說明器件之一實施例，其包含製造於非極性或半極性基板(例如GaN或III族氮化物基板)上之非極性或半極性III族氮化物VCSEL 400，其中基板被部分移除。VCSEL 400可為基於III族氮化物之單縱模式非極性或半極性VCSEL。該VCSEL可具有不小於3微米之空腔長度L。
使用大氣壓金屬有機化學氣相沈積法在獨立的m平面GaN基板(在-c方向上有1°的標稱偏差)上生長磊晶結構用於圖4之器件。活性區402包含5個具有GaN障壁(各5nm厚)及15nm厚摻雜Mg之Al0.2Ga0.8N電子阻擋層的In0.1Ga0.9N量子井(各7nm厚)。InGaN犧牲區嵌入活性區402下之n-GaN 404中，其由3個經GaN障壁(各5nm厚)分隔的In0.1Ga0.9N量子井(各7nm厚)組成。在犧牲區上方50nm處置放15nm Al0.3Ga0.7N電洞阻擋層HBL用以界定空腔長度(約7λ，其中λ為活性區發射之光波長)且在如圖1(k)中所描述在橫向底切PEC蝕刻[4]期間防止電洞傳輸至器件側壁。經由活性區402、藉由蝕刻界定台面(在犧牲區上方終止，使用圖1(b)中所說明之步驟)，且圖案化SiNx介電質用於在PEC蝕刻期間保護活性區402側壁及用於界定電流孔隙，該電流孔隙之直徑在7μm至10μm內(如圖1(c)中所說明)。沈積及圖案化約50nm(λ/4波)之ITO作為p型歐姆腔內接點及電流擴散層，且在電流孔隙中接觸p-GaN 406，如圖1(d)中所說明。在沈積λ/8波Ta2O5夾層之前，圍繞電流孔隙形成金屬環形接點408(Cr/Ni/Au)(參見圖1(f))以使高吸收ITO與具有光學駐波之節點及13週期SiO2/Ta2O5 DBR 410對準(參見圖1(g))。進行第二台面蝕刻以暴露底切犧牲層之側壁(如圖1(e)中所示)，且圖案化金屬412(Ti/Au)以形成接合墊及使金屬環形接點408電連接至子基板414，如圖1(h)中所示。隨後使用KOH及405nm雷射光源將樣品接合至鍍有金屬之藍寶石子基板414(參見圖1(i))，且藉由能帶隙選擇性PEC蝕刻對InGaN犧牲層(如圖1(k)中所示)進行橫向蝕刻，直至移除基板。在與電流孔隙對準之接合台面上形成歐姆環形n型接點416(Ti/Au)，如圖1(l)中所示，且用Al0.3Ga0.7N HBL充當高選擇性終止蝕刻層進行第二能帶隙選擇性PEC蝕刻，如圖1(m)中所示。最後，沈積10週期SiO2/Ta2O2 DBR 418，如圖1(n)中所示。
最後結果為VCSEL 400，其包含子基板414、Ti/Au金屬412、DBR 410、Cr/Ni/Au金屬408、ITO、SiNx、p-GaN 406、活性區402、n-GaN 404、AlGaN HBL、Ti/Au金屬416及DBR 418。
圖4(b)顯示三個完成器件之掃描電子顯微鏡(SEM)影像。圖4(c)顯示10μm直徑器件在臨限值以上操作之近場模式。
圖5為具有極窄半高全寬(FWHM)之器件在約412nm波長下發射雷射之雷射光譜。該雷射光譜係針對在20℃溫度下、在100mA之臨限 值以上、以0.3%工作循環操作之器件所獲得。該雷射光譜顯示約0.25nm之半高全寬、約412nm之發射波長，且器件以單縱模式操作。根據器件設計，總空腔長度(包括至鏡面中的有效穿透深度)為1.47μm。對於此空腔長度而言，縱模式間距為約15nm，且增益帶寬內應僅存在一個模式。
因此，本發明進一步揭示單縱模式(Al,In,Ga)N VCSEL，其例如利用能帶隙選擇性光電化學(PEC)蝕刻磊晶生長犧牲層以將空腔長度精確控制至小尺寸且確保單縱模式操作。
圖6為器件之電流相對於光(L-I)曲線，其顯示雷射二極體特有的急劇接通臨限值。圖6說明在臨限值以上(例如在驅動電流不超過120毫安之情況下)，VCSEL可發射輸出功率不低於19.5微瓦μW或至少19.5微瓦之光。
圖7(a)及(b)展現器件所發射之光之極化：在臨限值以下，極化程度低。在臨限值以上，一旦雷射開始發射，則雷射高度極化，亦表明雷射發射。因為此為製造於纖維鋅礦晶體結構之m平面上之非極性(Al,In,Ga)N器件，故光極化方式使得光在用於此III族氮化物VCSEL結構之纖維鋅礦晶體結構之[1-210]a方向上極化鎖定。對於圖7(a)及7(b)而言，當沿器件之[1-210]a方向取向時，極化角為0°。因此，圖7(a)-(b)說明自VCSEL發射之光沿a方向或垂直於c方向有效地極化鎖定(使其光極化鎖定至某一方向)。
極化率藉由(Lmax-Lmin)/(Lmax+Lmin)給出，其中Lmax及Lmin分別為最大及最小相對光強度。在電流為60mA、80mA、100mA及120mA之情況下，極化率分別為約0.14、0.15、0.62及0.72。在遠超過臨限電流之情況下，極化率提高約5倍。
圖7(a)說明在臨限值以上(例如在驅動電流不超過120毫安之情況下)，VCSEL可發射具有不低於0.72或至少0.72之極化率的光。
已確認多個器件顯示相同的沿器件之較佳晶體軸的極化鎖定效應。非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL提供單一器件及/或器件陣列之高度定向及極化鎖定操作。
VCSEL陣列
圖8(a)說明極性c平面VCSEL，且圖8(b)說明本發明之非極性或半極性VCSEL，其中在圖8(a)及8(b)中，圓圈表示個體VCSEL，且箭頭表明個別VCSEL之電場之極化方向。
圖8(a)及8(b)說明極性c平面VCSEL與本發明之非極性或半極性VCSEL之間的差異。
圖8(a)之VCSEL展現隨機極化。習知VCSEL由於其圓形對稱空腔及各向同性增益特性而可展現雷射模式之隨機極化。因此，極化控制難以達成。因為迄今尚未展示極化鎖定VCSEL，故不可能達成極化鎖定VCSEL陣列，因為陣列中之全部器件相對於彼此隨機極化，如圖8(a)中所說明。
本發明解決該等問題。具體而言，非極性及半極性(Al,In,Ga)N材料允許製造極化受到良好控制之VCSEL。由於非極性及半極性材料之各向異性增益特徵，因此雷射模式之極化將沿最高增益之方向鎖定。此方向將明確，且器件之指定面亦明確。因此，可能製造單一器件或全部具有相同極化方向之器件陣列(如圖8(b)中所說明)。圖8(b)說明一種包含非極性或半極性VCSEL陣列之器件，且各VCSEL之光極化沿特定方向(例如有效地沿a方向或有效地垂直於c方向)極化鎖定。極化鎖定VCSEL陣列可提供極化明確的高光學功率。此對於需要穩定極化之應用而言尤其重要，諸如矽上液晶(LCOS)顯示器、液晶顯示器(LCD)、液晶光閥(LCLV)顯示器、微機電系統(MEMS)顯示器、資料儲存、印刷及生物感測。
非極性或半極性(Al,In,Ga)N VCSEL可經由任何數目個方法來製 造，但由於器件之內在特性而為極化鎖定的。
圖9說明一種製造非極性或半極性VCSEL陣列之方法。
步驟900表示例如根據圖1(a)-(n)之方法在晶圓上製造非極性或半極性VCSEL結構之步驟。
步驟902表示例如藉由分離VCSEL器件的切割或蝕刻來分割步驟900所製造之VCSEL結構以製造複數個VCSEL。器件可留在晶圓上且切割成任何任意所需尺寸之陣列，或可經單一化，且隨後個別地置放於裝置或應用中，其中光在外部組合。
步驟904表示最後結果，一種新穎器件，其包含非極性或半極性(Al,In,Ga)N VCSEL陣列，或以非極性或半極性晶體取向(包括(但不限於)m平面、a平面、20-21、20-2-1、11-22)製造之(Al,In,Ga)N VCSEL，如圖8(b)中所說明，其中各VCSEL之光極化鎖定至某一方向，例如全部VCSEL根據下伏基板材料或其上生長有VCSEL之基板的晶體結構極化鎖定。舉例而言，對於非極性m平面(Al,In,Ga)N VCSEL陣列而言，極化鎖定至纖維鋅礦晶體結構之a方向，垂直於c方向，且正交於m向，m向為雷射光之傳播方向。非極性或半極性VCSEL陣列可用於所有種類之具有或不具有其他照明源的照明應用。
此極化鎖定陣列係由於非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL之獨特性質及所使用之方法，該方法允許在一個晶圓上以高良率產生該等器件。
非極性或半極性VCSEL照明系統
本發明之非極性或半極性III族氮化物VCSEL可作為高品質光源用於多個照明應用，包括定向照明、燈泡、定向發光、投影儀及顯示器。
圖10(a)說明一種照明系統，其包含非極性或半極性(例如III族氮化物)雷射或VCSEL作為發射光1002之光源1000之一。光源1000可包 含單個VCSEL或複數個VCSEL(例如非極性及/或半極性VCSEL陣列)。VCSEL或雷射可發射例如紫光。來自非極性及半極性VCSEL之高度定向及極化發射可用於照明系統中。
圖10(b)說明一種照明系統，其中非極性或半極性VCSEL耦接至光導引材料1004中。該非極性或半極性VCSEL可耦接至光纖中，使得VCSEL發射之光1002耦接至光纖1004中。
圖10(c)說明一種照明系統，其中非極性或半極性VCSEL正利用自VCSEL發射之光1002激發下轉媒介1006、媒介或材料。下轉材料1006可由例如磷光體、有機染料、有機LED、聚合物、單晶、石榴石化合物、半導體或量子點構成。該非極性或半極性VCSEL可用於激發遠距離置放之下轉媒介、媒介或材料1006，或該非極性或半極性VCSEL可用於激發與器件、VCSEL或照明裝置接觸之下轉媒介1006。該非極性或半極性VCSEL發射可經準直或聚焦於下轉媒介1006上。該非極性或半極性VCSEL發射可經部分或完全下轉。
基於VCSEL之顯示系統
圖11(a)說明構成顯示系統1100之器件，該器件使用或與一或多個作為光源1000之一之非極性或半極性VCSEL組合。該顯示系統1100可使用非極性或半極性VCSEL陣列作為光源1000。該顯示系統1100包含耦接至顯示器1102之VCSEL，其中自VCSEL發射之光1104耦接至顯示器1102中以向顯示器1102提供照明或背光照明。VCSEL可包含以非極性或半極性晶體取向(包括(但不限於)m平面、a平面、(20-21)、(20-2-1)、(11-22))製造之(Al,In,Ga)N VCSEL。
如上文所論述，非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL提供單一器件及/或器件陣列之極化鎖定操作。顯示系統中之一或多個非極性或半極性VCSEL可使其光極化鎖定至某一方向，例如VCSEL可根據下伏基板材料之晶體結構全部極化鎖定，非極性或半極性VCSEL可使其 光有效地沿a方向、或有效地垂直於c方向極化鎖定。舉例而言，m平面非極性平面及m平面半極性斜面(諸如(20-21)及(20-2-1))將優先地沿晶體a方向(垂直於c方向)極化。此極化允許在需要極化光之應用中使用非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL，該等應用包括顯示器、照明、投影儀及投影系統/技術，諸如LCOS、LCD、LCLV及MEMS顯示系統。因此，顯示器1102或顯示系統1100可包含矽上液晶(LCOS)、液晶顯示器(LCD)、液晶光閥(LCLV)或微機電系統(MEMS)顯示系統。
來自本發明之非極性及半極性雷射之極化發射可尤其用於顯示系統中，因為極化發射將提高光經由顯示系統透射之效率且由此提高系統效率。
顯示器中之非極性或半極性VCSEL在光學上可激發下轉材料，如標題為「非極性或半極性VCSEL照明系統」之章節中所描述。舉例而言，非極性或半極性VCSEL光源可與磷光體組合且激發磷光體。因此，非極性或半極性VCSEL可用作顯示器1102或照明系統中之磷光體激發光源。
圖11(b)說明顯示系統1100中之非極性或半極性VCSEL光源1000與LED光源之組合。舉例而言，VCSEL可與至少一發射紅光1106之紅色LED及至少一個磷光體1108組合，其中VCSEL為發射藍光1110的藍色雷射，且VCSEL激發磷光體1108，使得磷光體1108回應於藍光1110而發射綠色光1112，且顯示器1102接收紅光1106、藍光1110及綠光1112。
非極性或半極性VCSEL光源1000可為紅色、綠色或藍色光源。當VCSEL為紅色、綠色或藍色光源時，磷光體可發射黃色或綠色光。
白光源
圖12說明一種使用III族氮化物LED 1200的習知固態照明系統， 該III族氮化物LED 1200發射藍光1202以激勵磷光體1204發射黃光1206，該磷光體1204通常為摻雜Ce之YAG[5]。一些來自LED 1200之藍光1202透射穿過磷光體1204且與來自磷光體1204之黃光1206組合以產生雙色白光源。然而，用於固態照明系統之此組態通常具有低演色性指數(CRI)及高相關色溫(CCT)，且產生光譜與天然日光之光譜顯著不同之白光[6]。
作為上文所論述之雙色白色光源之替代物，紫色III族氮化物LED可用於激勵兩個或兩個以上具有不同發射光譜之磷光體以產生具有高CRI及低CCT之高品質白光源[5]。在此類照明系統中，自紫色III族氮化物LED發射之光可與或可不與自磷光體發射之光組合以產生高品質白光源。然而，LED發射之光在空間上及時間上為非相干的，意謂LED發射之光由於在LED背面吸收、在LED頂側之金屬接點處吸收或自LED側壁之潛在錯向發射而總是損失一部分。
因此，此項技術中需要改良的白光發光器件用於固態照明系統。本發明滿足此需要。
本發明使用紫色III族氮化物非極性或半極性VCSEL以激勵兩個或兩個以上具有不同發射光譜之磷光體以產生能量有效的固態照明系統，該固態照明系統產生高品質白光。VCSEL為半導體雷射類型，其中雷射光束發射垂直於晶圓表面，非常像LED。使用VCSEL替代LED之優勢為，VCSEL發射之光在空間上及時間上具相干性，故光提取之方向性及效率均可經由設計光學腔來精確控制。
儘管VCSEL發射之光之空間及時間相干性可適用於控制光提取，但高度相干的光發射亦可對人類視力有害。因此，對於一些應用而言，來自VCSEL之高度相干發射可避免用發射藍光之藍色VCSEL置換圖12中之藍色LED 1200，使得自藍色III族氮化物VCSEL發射之藍光1202與自磷光體1204發射之黃光1206之組合產生雙色白色光源 (換言之，對於一些應用而言，藍色III族氮化物VCSEL不可作為發光體用於圖12所示之固態照明系統組態中)。為了對人類視力及在一些應用中安全，III族氮化物VCSEL發射之相干光需要被磷光體材料完全吸收。
因此，為了製造合併III族氮化物VCSEL之高品質安全白光源，本發明揭示一種III族氮化物VCSEL，其發射紫光激勵兩個或兩個以上具有不同發射光譜之磷光體以達成高CRI及低CCT。該紫光可被磷光體材料完全吸收。
用於固態照明系統之此類型組態由圖13中之示意圖說明，圖13說明一種照明系統，其包含：一或多個發射紫光1302(例如具有約380nm與430nm之間的發射波長)之III族氮化物非極性或半極性VCSEL 1300，該紫光1302激勵兩個或兩個以上具有不同發射光譜之磷光體1304產生白光，例如具有大於90或約90之CRI及/或低於3000K或約3000K之CCT的白光。III族氮化物非極性或半極性VCSEL發射之紫光可被磷光體實質上完全吸收。當被紫光1302激勵時，磷光體可發射紅光1306、綠光1308及藍光1310，其中紅光1306、綠光1308及藍光1310之組合呈現白光。儘管發射紅光1306、綠光1308及藍光1310之三個磷光體1304顯示於示意圖中用於說明之目的，但可使用任何數目的兩個或兩個以上磷光體以產生節能的高品質白光源。白光源中之III族氮化物非極性或半極性雷射可以陣列形式配置。
亦可用邊發射雷射(EEL)來獲得就光提取之方向性及效率而言之類似優勢，因為EEL發射之光在空間上及時間上亦具相干性。EEL為半導體雷射類型，其中雷射光束發射與晶圓表面平行，且界定光學腔之雷射鏡面係藉由沿垂直於晶圓表面之晶體平面分裂晶圓而形成。儘管兩種類型之雷射均發射空間上及時間上相干光，但VCSEL相比EEL具有多個關於製造之優勢。EEL係直至器件製造恰好結束、晶圓分裂 形成光學腔時才可測試。若EEL由於材料品質不佳或加工問題而無法適當起作用，則整個製造時間及全部加工材料均將浪費。相比之下，可在整個製造之若干階段測試VCSEL以檢查材料品質及加工問題。此外，因為VCSEL發射之光垂直於晶圓表面，故成千上萬的器件可形成於單一晶圓上，且大量器件甚至可並聯連接以形成超高功率密度陣列[7]。該等類型之陣列可用於固態照明系統中以形成超高功率密度光白光發射器。
可能的修改
如上文所論述，VCSEL器件亦可以半極性基板取向(諸如(但不限於)20-21取向)製造。
可進一步改良VCSEL器件效能，包括改良臨限電流密度、改良功率輸出、改良器件良率。該等VCSEL可在廣泛波長範圍內(諸如藍色及綠色)操作。
優勢及改良
本發明已製造及展示在室溫下發射雷射的電注射型工作(Al,In,Ga)N VCSEL。
本發明之方法允許製造(Al,In,Ga)N VCSEL，其良率及相對於成本之效能比優於使用其他方法製造之VCSEL。
相較於使用其他方法製造之VCSEL(包括其他(Al,In,Ga)N VCSEL)或相較於極性/c平面取向VCSEL，本發明之結構/方法可展現/製造器件效能改良或增強的(Al,In,Ga)N VCSEL。舉例而言，本發明可用於製造單縱模式(Al,In,Ga)N VCSEL，其難以用其他僅已達成多縱模式操作之製造技術實現[1]。本發明之方法可極其精確地控制空腔長度(高良率單模式VCSEL之前提條件)，因為空腔長度完全藉由磊晶生長加以控制，且其允許此精確控制，同時仍允許使用較便宜/較容易的介電DBR鏡面(相比之下，磊晶生長型DBR明顯更難以製造)。 因此，本發明之方法在製造(Al,In,Ga)N時、以比可提供類似程度之空腔長度控制之任何其他方法更容易的方式提供極精確的空腔控制。
對於多個應用而言，非極性及半極性III族氮化物或(Al,In,Ga)N VCSEL具有固有優勢。由於量子井中之各向異性增益，因此該等器件顯示明確且一致的極化，從而允許單一器件及/或器件陣列之極化鎖定操作。舉例而言，m平面非極性及m平面半極性斜面(例如稍微傾斜)(諸如(20-21)及(20-2-1))將優先地沿晶體a方向(垂直於c方向)極化。
因此，相較於c平面及極性取向(Al,In,Ga)N VCSEL，非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL尤其在需要極化光之應用(諸如LCD及LCOS顯示器)中展現固有優勢及提高的器件效能，因為非極性及半極性器件係根據半導體晶圓/器件之晶體取向/結構而極化鎖定且極性c平面取向器件係隨機極化。非極性及半極性取向上之增益提高(例如增益高於(Al,In,Ga)N器件之極性/c平面取向)亦可在其他量度中及/或在全部應用(不僅僅需要極化光者)(諸如光學資料儲存及高解析度印刷)中產生增強的/較好的器件效能。非極性及半極性(Al,In,Ga)N VCSEL之光學特徵增強亦可用於諸如生物感測之專門應用中。
對於需要功率大於可供單一VCSEL使用之功率之高品質極化光的應用而言，由於本發明之高品質極化及獲自任意尺寸陣列之較高功率，因此極化鎖定VCSEL陣列可為誘人的選擇。具體而言，因為VCSEL極化之性質，其中來自VCSEL之光輸出係根據器件之晶體結構而極化，所以全部器件將以相同方式極化。相比之下，極性/c平面取向(Al,In,Ga)N VCSEL係隨機極化。全部器件中之此相同極化允許建構任意尺寸之器件陣列，其中全部器件以相同方式極化，大大擴展可使用該等器件之應用之數目。因為極性/c平面取向器件係隨機極化，故需要極化光之應用限於單一器件或陣列，其隨後使用極化濾光 片使輸出光極化，藉此限制獲自該等光源之功率及/或效率。然而，因為非極性/半極性(Al,In,Ga)N器件陣列之極化鎖定性質，故可使多個器件形成陣列以產生額外光學功率用於需要高強度高度極化光之應用。
該等優勢亦將產生具有較高系統效率之照明系統。
術語
如本文所使用之術語(Al,In,Ga)N或「III族氮化物」或「III-氮化物」或「氮化物」係指關於具有式AlxInyGazN之(Al,In,Ga)N半導體之任何組合物或材料，其中0x1,0y1,0z1，且x+y+z=1。如本文所使用之該等術語欲廣泛理解為包括單一物質Al、In及Ga之對應氮化物以及該等III族金屬物質之二元、三元及四元組合物。因此，該等術語包括(但不限於)化合物AlN、GaN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN及AlGaInN。當存在兩種或兩種以上(Al,In,Ga)N組分物質時，在本發明之廣泛範疇內可採用全部可能的組合物，包括化學計量比以及非化學計量比(以存在於組合物中之各(Al,In,Ga)N組分物質存在的相對莫耳分數計)。此外，本發明範疇內之組合物及材料可進一步包括大量摻雜劑及/或其他雜質材料及/或其他內含材料。
類似地，III族氮化物或III-氮化物亦指具有式AlxInyGazBwN之(Al,In,Ga,B)N半導體，其中B為硼，且0x1,0y1,0z1,0w1且w+x+y+z=1。
本發明亦涵蓋選擇III族氮化物之特定晶體取向、方向、終點及極性。當使用米勒(Miller)指數鑑別晶體取向、方向、終點及極性時，使用大括號{ }指示對稱等效平面之集合，對稱等效平面藉由使用括弧( )來表示。使用括號[ ]指示方向，同時使用括號< >指示對稱等效方向之集合。
許多III族氮化物器件係沿極性取向(即晶體之c平面{0001})生 長，但此由於存在強壓電及自發極化而導致非所要的量子限制斯塔克效應(QCSE)。一種降低III族氮化物器件中之極化效應的方法為使器件沿晶體之非極性或半極性取向生長。
術語「非極性」包括{11-20}面，統稱為a平面，及{10-10}面，統稱為m平面。該等平面每個平面含有相同數目個III族及氮原子且呈電中性。隨後的非極性層彼此等效，因此塊狀晶體將不沿生長方向極化。
術語「半極性」可用於指不能歸類為c平面、a平面或m平面之任何平面。在晶體術語中，半極性平面為具有至少兩個非零h、i或k米勒指數及非零1米勒指數之任何平面。隨後的半極性層彼此等效，因此晶體極化將沿生長方向減小。
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下列參考文獻以引用之方式併入本文中。
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結論
此結論總結本發明之較佳實施例之描述。本發明之一或多個實施例之以上描述已出於說明及描述之目的而呈現。不希望其為窮盡的或將本發明限制於所揭示之精確形式。根據以上教示內容，可進行許多修改及變化。希望本發明之範疇不受此詳細說明限制，而是由隨附 申請專利範圍限定。

Claims (35)

  1. 一種基於III族氮化物之垂直腔面發射雷射(VCSEL)，其包含：位於第一鏡面及第二鏡面之間之III族氮化物磊晶結構，該第一鏡面及該第二鏡面界定具有空腔長度之空腔，其中該等鏡面之一者係在該磊晶結構之經蝕刻表面上。
  2. 如請求項1之VCSEL，其中該空腔長度係藉由蝕刻控制且該經蝕刻表面係該VCSEL之磊晶結構中之含鋁(Al)層之一表面，其中該含鋁層係作為該蝕刻之蝕刻終止層。
  3. 如請求項2之VCSEL，其中該蝕刻係藉由光電化學蝕刻進行。
  4. 如請求項1之VCSEL，其中該空腔係在全部或部分地自該磊晶結構移除基板期間或之後，藉由該磊晶結構上之含銦(In)犧牲層之蝕刻所形成。
  5. 如請求項4之VCSEL，其中該蝕刻係藉由光電化學蝕刻進行。
  6. 如請求項1之VCSEL，其中該VCSEL為非極性或半極性III族氮化物VCSEL。
  7. 如請求項1之VCSEL，其中該VCSEL生長於非極性或半極性基板上。
  8. 如請求項1之VCSEL，其中該VCSEL之縱向模式為單一模式。
  9. 如請求項1之VCSEL，其中該空腔長度係在至少部分移除其上生長有該VCSEL之基板後加以控制。
  10. 一種製造如請求項1至9中任一項之基於III族氮化物之垂直腔面發射雷射(VCSEL)之方法，其包含藉由蝕刻控制或界定該VCSEL之空腔長度。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包含：提供或製造III族氮化物VCSEL結構，其生長於III族氮化物基板上且包含位於活性區下方之蝕刻終止層；在該VCSEL結構之第一側上製造該VCSEL之第一空腔鏡面；在該第一空腔鏡面處將該VCSEL結構附著至子基板；向下蝕刻至該蝕刻終止層以控制或界定該VCSEL之該空腔長度；及在該VCSEL之該第二側上製造該VCSEL之第二空腔鏡面，其中該第一空腔鏡面及該第二空腔鏡面界定具有該空腔長度之該VCSEL之雷射空腔。
  12. 如請求項11之方法，其中：該VCSEL結構包含位於該活性區下方的一或多個含銦犧牲層，橫向光電化學蝕刻該等犧牲層，及該蝕刻終止層包含鋁。
  13. 如請求項10之方法，其包含：在III族氮化物基板之非極性或半極性表面上獲得或生長磊晶層以形成VCSEL結構，該VCSEL結構包含：活性區；含鋁蝕刻終止層，其置放於該活性區與該基板之間以界定該VCSEL之空腔長度；p型GaN層，其中該活性區位於該p型GaN層與該含鋁蝕刻終止層之間；n型GaN層，其為該基板之一部分或位於該基板與該含鋁蝕刻終止層之間；蝕刻台面穿過該活性區，但在該蝕刻終止層上方終止，以形成該等磊晶層之頂面；用介電材料塗佈該晶圓之該頂面；在該介電材料中蝕刻孔隙；在該介電材料上及該孔隙內圖案化及沈積透明導電層以在該孔隙中接觸該p型GaN層；在該透明導電層上圖案化及沈積金屬，其中該金屬不延伸至該孔隙內；在該金屬上沈積及圖案化第一介電分佈式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)；在該第一介電DBR上沈積金屬墊，其中：(i)該金屬墊在圍繞該第一介電DBR之區域中形成n型接點以在隨後蝕刻期間保護該第一介電DBR，(ii)該金屬墊塗佈該第一介電DBR之頂部用於在隨後覆晶接合製程中接合至子基板，及(iii)該金屬墊自該第一介電DBR之該頂部連續延伸至該透明導電層以使電流自該子基板射向該透明導電層；使用該金屬墊將該子基板覆晶接合至該第一介電DBR之該頂部；在該n型GaN層上圖案化及沈積n型金屬接點；向下選擇性蝕刻至該含鋁蝕刻終止層；及在該含鋁終止蝕刻層及該n型金屬接點上沈積第二介電DBR，其中光係從該VCSEL發射通過該第二介電DBR。
  14. 如請求項13之方法，其中該等磊晶層包含位於該基板與該含鋁蝕刻終止層之間的含銦犧牲層，該方法進一步包含藉由橫向光電化學(PEC)蝕刻該基板直至該含銦犧牲層來至少部分移除該基板。
  15. 如請求項13之方法，其中該含鋁蝕刻終止層經定位以界定該空腔長度，使得該VCSEL具有單模式操作或該空腔長度為3微米或小於3微米。
  16. 如請求項10之方法，其中該藉由蝕刻控制或界定該VCSEL之該空腔長度係在至少部分移除其上生長有該VCSEL之基板之後。
  17. 一種半導體器件，其包含：非極性或半極性III族氮化物垂直腔面發射雷射(VCSEL)，其包含具有空腔長度之空腔以使得該VCSEL具有單縱模式操作。
  18. 如請求項17之器件，其中自該VCSEL發射之光經極化鎖定，其中該光極化係在該VCSEL中鎖定於某一方向。
  19. 如請求項17之器件，其中該VCSEL包含藉由於非極性或半極性GaN或III族氮化物基板上生長而製造之磊晶層。
  20. 如請求項19之器件，其中該基板係非極性m平面基板，且VCSEL發射之光係沿該VCSEL之a方向極化鎖定。
  21. 如請求項19之器件，其中該基板係半極性基板，且VCSEL發射之光係沿該VCSEL之a方向極化鎖定。
  22. 如請求項17之器件，其中該半極性VCSEL發射藍色至綠色光。
  23. 如請求項17之器件，其中該非極性VCSEL發射紫外(UV)光至藍色光。
  24. 如請求項17之器件，其中該VCSEL具有小於3微米之空腔長度。
  25. 如請求項17之器件，其中該空腔係在該基板部分或全部移除期間或之後藉由蝕刻磊晶層所形成。
  26. 如請求項17之器件，其中在臨限值以上，該VCSEL發射輸出功率不低於19.5微瓦或至少19.5微瓦之光。
  27. 如請求項17之器件，其中在臨限值以上，該VCSEL發射極化率不低於0.72或至少0.72之光。
  28. 如請求項17之器件，其中在臨限值以上，該VCSEL之光發射具有0.25nm或小於0.25nm、或不超過0.25nm之半高全寬。
  29. 如請求項17之器件，其包含垂直腔面發射雷射(VCSEL)，其中該VCSEL包含：磊晶層，其包括活性區及犧牲磊晶層，其藉由在非極性或半極性氮化物基板上之生長而製造；且該空腔係在全部或部分地移除該基板期間或之後藉由該等犧牲磊晶層之蝕刻所形成，使得在該基板及該活性區之間之該等犧牲磊晶層暴露。
  30. 如請求項17之器件，其中：該VCSEL包含藉由在非極性m平面GaN或III族氮化物基板上之生長而製造之磊晶層，且該VCSEL發射之光係沿VCSEL之a方向極化鎖定，或該VCSEL包含藉由在半極性GaN或III族氮化物基板上之生長而製造之磊晶層，且該VCSEL發射之光係沿VCSEL之a方向極化鎖定。
  31. 一種製造器件之方法，其包含：於非極性或半極性基板上製造磊晶層，其包含非極性或半極性III族氮化物之垂直腔面發射雷射(VCSEL)之活性區；全部或部分地移除該基板，使得於該基板及該活性區之間之該等磊晶層之至少一者暴露：且蝕刻該至少一個磊晶層，其中該移除及蝕刻步驟界定該VCSEL之空腔。
  32. 如請求項31之方法，其中該基板係非極性或半極性III族氮化物基板及該VCSEL具有小於3微米之空腔長度。
  33. 如請求項31之方法，其中該基板係非極性或半極性III族氮化物基板及該VCSEL包含空腔長度以使得該VCSEL具有單縱模式操作。
  34. 如請求項31之方法，其中在臨限值以上，該VCSEL以不低於19.5微瓦之輸出功率及不低於0.72之極化率發光。
  35. 如請求項31之方法，其中該移除步驟移除至少50%之該基板。
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