KR20120104985A

KR20120104985A - 결정 식각에 의한 초발광 다이오드

Info

Publication number: KR20120104985A
Application number: KR1020127014186A
Authority: KR
Inventors: 매튜 티. 하디; 요우-다 린; 히로아키 오타; 스티븐 피. 덴바아스; 제임스 에스. 스펙; 슈지 나카무라; 캐서린 엠. 켈크너
Original assignee: 더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-09-24
Also published as: JP2013510431A; CN102598314A; US20110103418A1; WO2011056675A1

Abstract

광전자 소자로서, 활성 영역 및 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠을 제공하는 광도파로 구조물; 반대 표면 극성을 갖는, 상기 소자의 반대 단부들 상의 한 쌍의 파세트들을 포함하고, 파세트들 중 하나는 결정 화학 식각 공정에 의해 거칠게 되며, 소자가 무극성 또는 반극성 (Ga,In,Al,B)N 기반 소자인 것을 특징으로 하는 광전자 소자가 개시된다.

Description

결정 식각에 의한 초발광 다이오드{Superluminescent diodes by crystallographic etching}

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은, 2009년 11월 3일 Matthew T. Hardy, You-da Lin, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "SUPERLUMINESCENT DIODES BY CRYSTALLOGRAPHIC ETCHING"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.330-US-P1 (2010-113)의, 동시-진행중이고 동일인-양수된 미국 임시 특허 출원 일련 번호 제61/257,752호에 대한 35 U.S.C 119(e) 조에 따른 우선권의 이익을 주장하고, 상기 출원은 전체로서 본원에 참조 병합된다.

이 출원은 이하의 동시-진행중이고 동일인-양수된 미국 특허 출원들과 관련된다.

- 2003년 12월 9일 Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn L. Hu, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.108-WO-01 (2004-063)의, PCT 출원 일련 변호 제US2003/039211호의 35 U.S.C 365(c) 조에 따른 우선권을 주장하는, 2006년 6월 7일 Tetsuo Fujii, Yan Gao, Evelyn. L. Hu, and Shuji Nakamura 에 의해 출원된, "HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIA SURFACE ROUGHENING,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.108-US-WO (2004-063)의, 동시-진행중이고 동일인-양수된 미국 실용 출원 일련 번호 제10/581,940호, 이제 2010년 4월 27일자로 등록된 미국 등록 특허 일련 번호 제7,704,763호.

- 2007년 2월 12일 Daniel F. Feezell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Robert M. Farrell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, " Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.222-US-P1 (2007-424-1)의, 미국 임시 출원 일련 변호 제60/889,510호의 35 U.S.C 119(e) 조에 따른 우선권을 주장하는, 2008년 2월 12일 Daniel F. Feezell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Robert M. Farrell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.222-US-U1 (2007-424)의, 미국 실용 출원 일련 번호 제12/030,117호.

- 2007년 2월 12일 Robert M. Farrell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Hisashi Masui, Daniel F. Feezell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "OPTIMIZATION OF LASER BAR ORIENTATION FOR NONPOLAR (Ga,Al,In,B)N DIODE LASERS,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.223-US-P1 (2007-425-1)의, 미국 임시 출원 일련 변호 제60/889,516호의 35 U.S.C 119(e) 조에 따른 우선권을 주장하는, 2008년 2월 12일 Robert M. Farrell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Hisashi Masui, Daniel F. Feezell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "OPTIMIZATION OF LASER BAR ORIENTATION FOR NONPOLAR (Ga,Al,In,B)N DIODE LASERS,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.223-US-U1 (2007-425)의, 미국 실용 출원 일련 번호 제12/030,124호.

- 2009년 7월 9일 Robert M. Farrell, Matthew T. Hardy, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura에 의해 출원된, "STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVING YIELD OF (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.319-US-P1 (2009-762-1)의, 미국 임시 출원 일련 변호 제61/224,368호의 35 U.S.C 119(e) 조에 따른 우선권을 주장하는, 2010년 7월 9일 Robert M. Farrell, Matthew T. Hardy, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura 에 의해 출원된, "STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVING YIELD OF (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.319-US-P1 (2009-762-1)의, 미국 실용 출원 일련 번호 제12/833,607호.

상기 출원들은 전체로서 본원에 참조 병합된다.

본 발명은 무극성 (Ga,In,Al,B)N 기반 초발광 다이오드들(superluminescent diodes, SLDs)의 생산에 적합한 저반사율 파세트(facet) 제조에 관한 것이다.

(주의: 이 출원은, 예를 들어, (x)와 같은 괄호 내 하나 이상의 참조 번호들에 의해 본 상세한 설명에서 언급된 바와 같이, 많은 다른 공개서들을 참조한다. 이러한 참조 번호들에 따라 번호가 붙여진 상기 다른 공개서들의 리스트가 아래 "참조들"로 명명된 부분들에서 검색될 수 있다. 이러한 공개서들 각각은 본원에 참조 병합된다.)

다양한 반도체 시스템들에서, 특히, GaAs 및 InP 기반 시스템들에서, 다양한 기술들이 초발광 다이오드들(이하 'SLD들'로 지칭함)을 제조하는데 사용되었다. SLD는, 레이징 거동(lasing action)을 방지하기 위한 하나의 비-반사 파세트 및 이득(gain)을 제공하기 위한 반도체 소자를 필요로 한다. 비-반사 파세트를 제조하는데 사용되는 기술들은, 그 중에서도, 패시브 흡수체 영역(passive absorber region), 비-반사 코팅 및 기울어지거나(angled) 섬유 연결된(fiber coupled) 파세트(또는 기울어진 활성 영역)을 포함한다(예를 들어, (13)-(16) 참조). 패시브 흡수체들은 추가 웨이퍼 실제 영역(real estate)을 필요로 하고, 유효 비-반사 코팅들은 다수의 층들을 필요로 하며 제조 단가가 상대적으로 비싸며, 기울어진 파세트들은, 예를 들어, 배치(batch) 습식 식각 기술에 비해, 대량 생산에 덜 적합한 추가 공정 단계들을 필요로 한다.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 복잡한 공정을 추가하지 않고서도 레이징 거동을 방지할 수 있는 비-반사 파세트를 포함하는 광전자 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 무극성 GaN 상에 성장된 (Ga,In,Al,B)N 레이저 다이오드(LD)로부터 초발광 다이오드들(SLDs)을 제조하기 위한 공정을 발명했다. 상업적으로 이용가능한 (Ga,In,Al,B)N 레이저 다이오드들은 전형적으로 c-면 기판들 상에서 성장된다. 분극화 관련 전계들은 (전형적으로 4 nm 미만의) 얇은 양자 우물들을 요구하는데, 이는 상기 우물 내부의 전자 및 정공 웨이브 펑션들(electron and hole wave functions)의 공간적 분리를 방지하기 위함이다. 두꺼운 AlGaN 필름들 또는 AlGaN/GaN 스트레인-층-규칙격자들(strained-layer-superlattices)은 클래딩 층들을 형성하고 광 가둠을 제공한다.

무극성 m-면들 및 a-면들 (Ga,In,Al,B)N 상에 성장된 레이저 다이오드들은 분극화 관련 효과들로부터 자유롭다. 이는 더욱 넓은(예를 들어, 4 nm 보다 더욱 넓은) 양자 우물들을 가능케 하고, 광 가둠에 있어서 더욱 큰 기여를 하게 되어 AlGaN 클래딩 없는 레이저 다이오드들의 구현을 가능케 한다 (1), (2). AlGaN의 부재는, Al 전구체 기생 반응들로 인한 반응기 불안정성이 제거되기 때문에, 단순화된 제조로 귀결된다. 또한, 무극성 (Ga,In,Al,B)N 내 불균형적인 2중축 스트레인(biaxial strain)은, 헤비홀 및 라이트홀 밸런스 밴드들(heavy hole and light hole valance bands)의 분리를 야기하여, 이중축 스트레인 c-면 (Ga,In,Al,B)N에 비해 더욱 낮은 임계 전류 밀도를 제공한다 (3).

c-축을 따른 방향의 레이저 스트라이프들의 임계 전류 밀도들은 a-축을 따른 스트라이프들의 경우보다 낮다 (4). 그에 따라, 무극성 레이저 다이오드들은, 이득, 효율 및 출력 전력을 최대화하기 위해 캐비티 미러(cavity mirror)와 같은 극성 c-면 파세트를 노출시키도록, 클리빙되어야 한다.

광전화학(photo-electrical-chemical, PEC)(4) 식각 조건들 및 KOH(5)와 같은 습식 식각 화학반응들 모두에서 결정 식각되도록 하기 위한 c-면 GaN의 N-극성 표면(face)이 나타난다. 이 기술은 육각형 피라미드들(6)의 형성을 통해 (Ga,In,Al,B)N 발광 다이오드들(LEDs)의 후면 상의 광 추출을 강화시키는데 일반적으로 사용된다.

초발광 다이오드들은 레이저 다이오드와 유사한 오더들의 크기에서 일방향성의 고전력 광 출력을 생성하기 위해 증폭된 자연 방사를 이용한다. 충분히 강력한 광 캐비티(optical cavity) 없이는, 초발광 다이오드는 진성 레이징 거동을 보여주기 위한 충분한 광 귀환을 생성할 수가 없다. 레이징 없이는, 스펙트럼 폭에 있어서 레이저 다이오드들의 그것보다 큰 오더의 크기와 낮은 가간섭성(coherence)을 일으키는 모드 선택(mode selection)이 없다. 넓은 스펙트럼 폭은 레이저 다이오드들과 연관된 안구 손상의 위험을 현저하게 감소시키고, 낮은 가간섭성은 간섭 노이즈 또는 "스페클(speckle)"을 감소시킨다. 매우 국부화된 빛 방사의 부재는 레이저 다이오드의 흔한 실패 메커니즘인 카타스트로픽 광손상(catastrophic optical damage, COD) 실패를 방지하는 것을 돕는다. 이러한 특성들은, 초발광 다이오드들이 (고전력일 필요가 없는) 레티날 스캐닝 디스플레이들뿐만 아니라 - 방향성의, 고전력 방사가 필요하고 안구 손상 위험 및 간섭 노이즈가 바람직하지 않은 - 피코 프로젝터들의 응용분야들에 이상적으로 적합하도록 하게 만든다. 이전, 초발광 다이오드들은 소자의 일 단부에서의 귀환을 방지하기 위해, 그중에서도, 패시브 흡수체들, 광도파로 추출, 각진 파세트들(angled facets) 및 비반사 코팅들을 사용하는 GaAs(7) 및 다른 물질 시스템들에 도시되었다.

무극성 (Ga,In,Al,B)N의 c-면 파세트들의 질소 표면 (N-표면) (c- 파세트) 상에 육각형 피라미드들을 제조하기 위해 결정 식각 또는 PEC 식각을 사용하는 것은 N-표면에서의 효율적인 광 추출을 허용한다(8). 이는 초발광 다이오드의 형성에 필요한 비-반사 파세트를 제공한다. PEC 또는 습식 식각 공정을 사용하는 것은, 패시브 흡수체에 필요한 웨이퍼의 공간을 낭비함이 없이, 초발광 다이오드들의 제조에 대한 저비용, 대량 생산이 용이한 기술을 제공한다. 식각 시간, PEC 조명 전력, 및 식각 전해액 농도를 조절함으로써 상기 육각 피라미드 형성의 진행을 제어하는 것은 광 손실의 양의 제어를 가능케 한다. 이는 본 공정이, 다른 광 이득을 갖는 (Ga,In,Al,B)N 초발광 다이오드들에 대한, 특히 다른 파장들에서 방사하는 소자들에 대한 초발광을 확실하게 하도록, 쉽게 채용되는 것을 허용한다.

따라서, 선행 기술의 한계들을 극복하기 위해, 그리고 본 명세서를 읽고 이해함으로써 명백하질 다른 한계들을 극복하기 위해, 본 발명은 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자(예를 들어, 초발광 소자)를 개시하며, 상기 소자는 활성 영역; 상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠(optical confinement)을 제공하는 광도파로 구조물; 및 상기 광도파로 구조물의 반대 단부들 상의 제1 파세트(facet) 및 제2 파세트를 포함하고, 상기 제1 파세트 및 상기 제2 파세트는 반대되는 표면 극성을 갖고, 상기 제1 파세트는 거칠어진 표면을 갖는다.

상기 제1 파세트는 상기 III-질화물 소자의 거칠어진 c- 파세트, c- 면(plane), 또는 N-표면(face)을 포함하고, 상기 제2 파세트는 상기 III-질화물 소자의 c+ 파세트, c+ 면, Ga-표면, 또는 III-표면을 포함한다.

예를 들어, 상기 거칠어진 표면은 습식 식각된 표면, 결정 식각된 표면, 또는 광전화학(PEC) 식각된 표면일 수 있다. 상기 거칠어진 표면은 거칠어진 클리빙된 표면일 수 있고, 상기 제2 파세트는 클리빙된 표면을 가질 수 있다.

상기 거칠어진 표면은 상기 광도파로 구조물의 평면-정렬(in-plane) c-축을 따른 광 귀환을 억제할 수 있다.

상기 거칠어진 표면은 지름 및 높이를 갖는 하나 이상의 구조물들(예를 들어, 육각형 피라미드들)을 포함할 수 있고, 상기 지름 및 상기 높이는, 상기 피라미드들이 상기 초발광 다이오드로부터 출력되는 빛을 산란하는 빛의 파장과 충분히 근접한다. 예를 들어, 상기 피라미드들은 0.1 내지 1.6 마이크로미터들 사이, 또는 0.1 내지 10 마이크로미터들 사이, 또는 10 마이크로미터들 이상의 지름을 가질 수 있다.

상기 초발광 다이오드는 적어도 5 밀리와트(mW)의 출력 전력을 가질 수 있다.

상기 거칠어진 표면은, 315 mA까지의 구동 전류들에 대한 SLD의 방사 스펙트럼에서 레이징 피크들(lasing peaks)이 관측되지 않도록 될 수 있고, 거칠어진 표면 없이는, 레이징 피크들이 동일한 구조물들에서 100 mA 이상의 구동 전류들에 대해 관측된다.

상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드의 선형 이득 구간(linear gain regime)에서, 상기 초발광 다이오드의 출력 전력이 증가하는 구동 전류에 따라 기하급수적으로 증가하도록 할 수 있다.

상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드에 의해 방사된 빛의 반값 전폭(full width at half maximum)이 거칠게 하는 단계를 수행하지 않는 소자의 경우보다 적어도 10배 더 크게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 초발광 다이오드는 청색광을 방사할 수 있고, 상기 거칠어진 표면은 상기 빛의 반값 전폭이 9 nm 보다 크도록 할 수 있다.

상기 광도파로 구조물은 내부 손실을 감소시키기 위해 굴절률 가이드(index guiding) 또는 이득 가이드(gain guiding)를 활용할 수 있다.

본 발명은 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자의 제조 방법을 더 개시하며, 상기 방법은, 활성 영역, 상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠(optical confinement)을 제공하는 광도파로 구조물, 및 상기 광도파로 구조물의 반대 단부들 상의 제1 파세트(facet) 및 제2 파세트를 포함하고, 상기 제1 파세트 및 상기 제2 파세트는 반대되는 표면 극성을 갖는 것을 특징으로 하는, 제1 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자를 얻는 단계; 및 상기 제1 파세트의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하고, 그에 따라 제2 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자가 제조된다.

거칠게(roughening) 하는 단계 이전에 상기 소자는 레이저 다이오드일 수 있고, 상기 거칠게 하는 단계 이후 상기 소자는 초발광 다이오드일 수 있다.

상기 거칠게 하는 단계는 습식 식각에 의할 수 있고, 상기 습식 식각에 사용되는 전해액의 농도 및 식각 시간은, 상기 제1 파세트의 총 파세트 거칠기, 밀도, 및 피쳐 크기(feature size)를 제어하기 위해 변화될 수 있다.

본 발명은 자외선(UV)으로부터 적색광까지의 임의의 파장 범위에서의 초발광 다이오드의 방사(예를 들어, 280 nm 이하, 녹색광(예를 들어, 490-560nm), 및 700 nm까지의 파장을 갖는 빛을 방사하는 초발광 다이오드들)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 자외선을 방사하는 초발광 다이오드들은 m-면 GaN 초발광 다이오드들을 사용할 수 있다.

본 발명은 신규한 메커니즘인, (Ga,In,Al,B)N 초발광 다이오드들(SLDs)에의 사용에 적합한 비-반사 파세트를 형성하기 위한, 결정 식각된 광 추출 원뿔들을 특징적으로 다루고 있다. 이 습식 식각 단계는 표준 레이저 다이오드(LD) 제조 공정에 더해질 수 있으며, 그에 따라 최소한의 공정 전개만으로 SLD 제조가 가능하다. 예를 들어, 본 발명은, 단일의 상대적으로 저렴하고 직접적인 공정 단계만의 추가로, c-면 클리빙된 파세트들을 갖는, 임의의 무극성 (Ga,In,Al,B)N LD 공정으로부터의 SLD들의 제조를 가능케 한다. 저반사 파세트를 형성하는 이 방법은 웨이퍼 상의 소자 패킹 밀도(device packing density)에서의 어떠한 희생도 요구하지 않고, 일반 레이저 공정과 호환되지 않는 임의의 공정 단계들을 요구하지 않는다. 이 기술은 임의의 무극성 (Ga,In,Al,B)N 레이저 공정이 임의의 공정 단계들을 변화시키거나 재-최적화할 필요 없이 SLD들의 제조에 직접 적용되는 것을 허용한다. 따라서, 배치 기반의 습식 식각 단계인 이 기술의 산업적 적용은, 다른 제조 방법들에 비해 낮은 비용으로 이루어지는 것을 약속한다.

이제 이하의 도면을 참조하며, 상기 도면에 걸쳐서 유사한 부재번호는 대응되는 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 2.2 M KOH에서 1시간(도 2a), 4시간(도 2b), 및 8시간(도 2c) 이후의 c- 파세트의 주사 전자 현미경(SEM) 형태구조들을 나타내고, 도 2d는 (다른 샘플에 대해) 10 M KOH에서 24시간 이후의 c+ 파세트를 나타내며, c+ 파세트의 안정성 및 식각 조건들을 변화시킴에 의한 거칠기의 제어를 나타낸다.
도 3은, 초발광 다이오드의 개략적인 도면 및 III-질화물의 -c, m, a, 및 +c 방향들을 나타내는 도 3a, 도 3a의 초발광 다이오드의 가로축 단면을 나타내는 도 3b, 및 SEM 이미지들을 나타내며, SEM 이미지들은 도 3c에서 KOH 처리 이전의 소자의 -c 파세트, 도 3d에서 KOH 처리 이후의 -c 파세트, 및 도 3e에서 KOH 처리 이후의 +c 파세트를 나타내며, 도 3c는 표면 형태구조를 나타내기 위해 40°에서 촬영되었다; 또한 나타난 것은 거칠어진 표면 상의 원뿔의 개략도이다(도 3f).
도 4는 스펙트럼들(나노미터(nm)의 파장 대비 광 출력 강도, 임의 단위들(arbitrary units (arb. units))을 나타내고, 도 4a는 KOH 처리 이전의 4 μm 리지 레이저 다이오드(LD)를 나타내고, 도 4b는 KOH 처리 이후의 동일한 소자를 나타내며, 도 4c는 광도파로와 수직하고 기판 하부에서의 방사라는 점을 제외하고는 KOH 처리 이후의 동일한 소자를 나타낸다.
도 5는 평면-정렬 방사(원들) 및 후면 방사(네모, 도 5에서 "후방(below)"으로도 지칭됨)에 대한, 구동 전류(밀리암페어)의 함수로서, KOH 처리 이후의 초발광 다이오드들의 FWHM(나노미터)을 도시한다.
도 6은 KOH 처리 이전의 레이저 다이오드(원들) 및 KOH 처리 이후의 초발광 다이오드(네모들)의 전류 대비 조명(L-I) 특성들(전류(mA) 대비 전력 출력(mW))을 나타내고, 점선은 레이저 다이오드 데이터에 대한 시각적 안내이며 실선은 SLD 초발광 다이오드 데이터에 일치하는 지수함수이다.
도 7에서, 도 7a는 배치된 검출기의 개략적인 도면을 나타내고, 도 7b는 +c 파세트에서의 평면-정렬에서 및 후방으로부터 측정된 전류의 함수로서의 스펙트럼 통합 강도를 나타내며, 100 mA 이상의 전류 값들과 상응하는 데이터에 일치하는 지수(면-정렬) 및 선형(후면) 커브도 나타나며, 초발광의 개시가 약 100mA에서 나타나는 것으로 판단될 수 있고, 광도파로를 따른 유도된 방사로 인해 소자 후방 및 평면-정렬에서 측정된 통합 강도들의 발산으로부터(4.76 kA/cm²) 평면-정렬 방사는 0.995의 R²을 갖는 지수 커브에 잘 일치할 수 있으며, 반면에 기판을 통한 방사는 선형 함수에 일치할 수 있고, 상기 일치 모두는 초발광의 개시로부터의 (100 mA 이상에서의) 데이터에서 이루어진다.

이하의 바람직한 실시예의 설명에서, 첨부의 도면이 참조되고, 상기 도면은 바람직한 실시예의 일부를 형성하며, 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예를 도시하는 방법으로 나타난다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 구조적인 변화들이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.

개괄

육각형 피라미드들을 형성하기 위한 결정 식각이 (In, Al, Ga)N m-면의 c-파세트 상에 나타나고, SLD 소자 제조가 나타난다. 본 발명은 무극성 (Ga,In,Al,B)N 기반 SLD들의 생산에 적합한 저반사율 파세트의 제조를 허용한다.

본 발명의 일 실시예에서, c-축 광도파로(waveguide)를 따른 광 귀환(optical feedback)을 억제하도록 의도된, 비-반사 -c 면 파세트는 KOH 습식 식각에 의해 제조되었다. KOH는 클리빙된(cleaved) -c 파세트를 선택적으로 식각하여 +c 파세트를 식각함이 없이 육각형 피라미드들을 형성한다. 피크 파장 및 반값 전폭(Full Width and Half Maximum, FWHM)은, 각각, 상기 +c 파세트의 외부에서 측정된 5 mW의 출력 전력에서, 439 nm 및 315 mA에서 9 nm였다.

기술적 설명

용어 정의( Nomenclature )

III-질화물들(III-nitrides)은, 예를 들어, III 족-질화물들, 질화물들로 지칭될 수 있고, 또는 (Al,Ga,In)N, AlInGaN, 또는 Al_(1-x-y)In_yGa_xN (여기서 0 < x < 1 이고 0 < y < 1)에 의해 지칭될 수 있다.

이러한 용어들은, Al, Ga, 및 In 단일 종들의 질화물들뿐만 아니라 그러한 III 족 금속 종들의 이중, 삼중, 및 사중의 합성물들의 각각의 질화물들을 포함하도록 넓게 이해되도록 의도된다. 따라서, 그러한 용어 정의에 포함된 종들과 마찬가지로, 상기 용어들은 AlN, GaN, 및 InN 화합물들뿐만 아니라 AlGaN, GaInN, 및 AlInN 삼중 화합물들, 및 AlGaInN 사중 화합물을 내포한다. (Ga, Al, In) 요소 종들 중 2개 이상이 존재하는 경우, 화학양론적 비율들(stoichiometric proportions) 뿐만 아니라 (합성물에 존재하는 (Ga, Al, In) 요소 종들 각각에 존재하는 상대적인 몰 부분들(mole fractions)에 대한) "비-화학양론적" 비율들을 포함하는, 모든 가능한 합성물들이 본 발명의 넓은 범위 내에 채용될 수 있다. 따라서, 이제부터 주 GaN 물질들을 주로 참조하는 본 발명의 논의는 다양한 다른 (Al, Ga, In)N 물질 종들의 형성에도 적용될 수 있음이 이해될 것이다. 나아가, 본 발명의 범위 내인 (Al, Ga, In)N 물질들은 미량의 도판트들 및/또는 다른 불순물 또는 함유 물질들을 더 포함할 수 있다. 또한, 보론도 상기 III-질화물 합금에 포함될 수 있다.

전자 및 광전자 소자 들을 위한 현재 질화물 기술은 극성 c-방향을 따라 성장된 질화물 필름들을 채용한다. 그러나, III-질화물 기반 광전자 및 전자 소자들의 종래의 c-면 양자 우물 구조물들(quantum well structures)은, 강한 압전성 및 자발적 분극화들(polarizations)의 존재로 인해, 비바람직한 양자-구속 스타크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)를 경험한다. 상기 c-방향을 따른 상기 강한 내부 전기장들은 전자들 및 홀들의 공간 분리를 야기하고, 상기 전자들 및 홀들은 교대로 제한된 캐리어 재결합(carrier recombination) 효율, 감소된 진동자 강도(oscillator strength), 및 적색-편이 방사(red-shifted emission)를 일으킨다.

GaN 또는 III-질화물 광전자 소자들에서의 상기 자발적 및 압전성 분극화 효과들을 제거하기 위한 하나의 접근법은, 크리스탈의 무극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 그러한 면들은 동일한 수의 Ga 및 N 원자들을 포함하고 전하-중성(charge-neutral)이다. 나아가, 후속되는 무극성 층들은 서로 동등(equivalent)하므로 벌크 크리스탈이 성장 방향을 따라 분극화되지 않을 것이다. GaN 또는 III-질화물 내 그러한 2개의 대칭-동등 무극성 면들의 집합들(families)은 일괄하여 a-면들로 알려진, {11-20} 집합, 및 일괄하여 m-면들로 알려진, {1-100} 집합이다.

GaN 광전자 소자 내 분극화 효과들을 감소시키거나 가능하다면 제거시키기 위한 다른 접근법은, 크리스탈의 반-극성(semi-polar) 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다. 상기 용어 "반-극성 면들"은, 2개의 0 아닌 h, i, 또는 k 밀러 지수들(Miller indices)과 0 아닌 l 밀러 지수 모두를 갖는 많은 종류의 면들을 지칭하는데 사용될 수 있다. 따라서, 반극성(semipolar) 면들은, (hkil) 밀러-브라베이 지수 협정 내 0 아닌 h 또는 k 또는 i 지수 및 0 아닌 l 지수를 갖는 크리스탈 면들로 정의된다. c-면 GaN 비균질에피택시(heteroepitaxy) 내 반-극성 면들의 일부 공통 관측되는 예들은 (11-22), (10-11), 및 (10-13) 면들을 포함하고, 이들은 피트들(pits)의 파세트들에서 발견된다. 이러한 면들은 또한 발명자들이 평면 필름들의 형태로 성장시킨 동일한 면들에서도 우연히 나타난다. 섬유아연석(wurtzite) 결정 구조물 내 반-극성 면들의 다른 예들은 (10-12), (20-21), 및 (10-14)를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 질화물 결정의 분극 벡터(polarization vector)는, 그러한 면들 내에 놓이지 않고, 그러한 면들에 수직하게 놓이지도 않으며, 오히려 상기 면의 법선면에 대해 기울어진 임의의 각도로 놓인다. 예를 들어, (10-11) 및 (10-13) 면들은 c-면에 대해 각각 62.98°및 32.06°이다.

GaN의 Ga 표면(face) (또는 III-질화물의 III-표면)인 갈륨은 +c, c⁺ 또는 (0001) 면이고, GaN 또는 III-질화물 층의 질소 또는 N-표면은 -c, c^- 또는 (000-1) 면이다.

공정 단계들

도 1은 본 발명의 1개 이상의 실시예들에 따른 소자의 제조 방법을 도시한다.

블록(100)은, 활성 영역, 상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠(optical confinement)을 제공하는 광도파로 구조물, 및 한 쌍의 파세트들을 포함하는, 무극성 또는 반극성(Ga,In,Al,B)N 기반 광전자 소자(예를 들어, 레이저 다이오드(LD))를 제조하는 단계 또는 얻는 단계를 나타낸다. 상기 한 쌍의 파세트들은 상기 광도파로 구조물의 양단들 상에 제1 파세트 및 제2 파세트를 포함할 수 있고, 그에 따라 상기 제1 파세트는 상기 제2 파세트와 반대되며, 상기 제1 파세트는 상기 제2 파세트에 반대되는 표면 극성(surface polarity)을 갖는다.

반대 표면 극성들을 갖는 상기 한 쌍의 파세트들은 c⁺및 c^- 파세트를 포함할 수 있고, 그에 따라 상기 반대 표면 극성들은 c⁺ 및 c^-이다.

상기 파세트들은, 상기 c⁺ 파세트로부터의 광 출력을 위해, 양호한 방향성(directionality) 및 원 전계 패턴(far field pattern, FFP)을 달성하도록 클리빙(cleaving)함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 상기 파세트들은 건식 식각, 집속 이온빔(focussed ion beam, FIB) 기반 기술들, 연마 또는 다른 방법들에 의해 형성될 수도 있다. 출력 파세트의 반사도를 증가시키거나 또는 감소시키기 위해 또는 카타스트로픽 광손상(catastrophic optical damage, COD)을 억제하기 위해, 상기 파세트들 중 하나 또는 이들 모두가 코팅될 수 있다.

상기 소자는 이렇게 테스트되고 그에 따라 L-I 특성들이 후처리 값들과 비교될 수 있으며, 초발광이 검증될 수 있다.

블록(102)은 제1 파세트의 표면을 거칠게(roughing) 하는 단계, 예를 들어, 레이저 다이오드(LD)의 파세트들 중 하나의 결정 식각(crystallographic etching) 단계, 습식 식각 단계, 또는 PEC(photoelectrochemical) 식각 단계를 나타낸다. 블록(100)의 단계 이후, 레이저 다이오드들(LDs)은 KOH 처리 동안 상측을 보호하기 위해, 크리스탈-본드 왁스(crystal-bond wax)를 사용하여 아래를 향하도록 마운트될(mounted) 수 있다. 상기 상측 보호는 필요하지 않을 수 있지만 예방조치로서 이루어졌다. 상기 마운트된 샘플은 이후 소정 시간, 전형적으로 1 내지 24 시간 동안, 2.2 M 수산화칼륨(KOH)에 잠긴다.

상기 제1 파세트는 III-질화물 소자의 거칠어진(roughened) c^-면, c^-파세트, 또는 N-표면(face)을 포함할 수 있고, 상기 제2 파세트는 III-질화물 소자의 III-표면(face), Ga-표면(face), c⁺ 면, 또는 c⁺ 파세트를 포함할 수 있다. 상기 제1 파세트의 상기 거칠어진 표면은 거칠어진 클리빙된 표면(클리빙된 표면으로서 이후 거칠어짐)일 수 있고, 상기 제2 파세트는 클리빙된 표면을 가질 수 있다.

도 2는, 도 2a, 도 2b, 및 도 2c에 각각 나타난 바와 같이, KOH 내에서의 1, 4, 8 시간 이후의 피라미드 형태구조(pyramidal morphology)(200)를 나타내고, 도 2d에 나타난 바와 같이, c+ 파세트 상에서의 식각 부족을 나타낸다. PEC 식각은 2 오더의 크기(two orders of magnitude)까지 식각 시간을 줄이는데 사용될 수 있다. 이후, 샘플은 언-마운트되고 재-테스트된다. c⁺ 파세트에 대래서는 보호가 필요 없는데, 이는 이러한 조건들에서는 상기 c+ 파세트가 KOH 내에서 식각 되지 않기 때문이다. 따라서, 본 발명은 ±c 파세트들의 비대칭 화학적 특성을 이용하여 SLD를 제조할 수 있다. 피라미드들(200)은 베이스 지름(base diameter) 및 높이(height)를 가질 수 있다.

KOH 결정 식각은, 소자의 c-파세트 상에 6개의 {10-1-1} 면들을 포함하는 육각형 피라미드들을 생성한다(5). 따라서, 거칠어진 표면은 육각형 베이스(hexagonal base) 및 {10-1-1} 면들인 6개의 측벽들을 포함하는 육각형 피라미드들을 포함할 수 있다.

예를 들어 습식 식각, 결정 화학 식각, 결정 식각을 일으키는 습식 식각, 또는 광전화학(PEC) 식각과 같은 다른 습식 식각 방법들이 사용될 수 있다. 식각 시간 및 상기 습식 식각에서 사용되는 전해액의 농도는, 제1 파세트의 총 파세트 거칠기, 밀도, 및 피쳐 크기(feature size)를 제어하도록 변화될 수 있다.

블록(104)은 본 발명의 최종 결과물을 나타내며, 이는 초발광 다이오드(이하 'SLD'로 지칭함)와 같은 소자이다. 상기 SLD는 무극성 GaN 상에 성장된 (Ga,In,Al,B)N 레이저 다이오드(이하 'LD'로 지칭함)용 구조물을 포함할 수 있고, 상기 LD의 c^- 파세트는 결정 식각된다. 예를 들어, 상기 SLD는 ±c 파세트들의 비대칭 화학적 특성을 활용한 m-면-GaN 기반 청색 SLD일 수 있다. 제2 파세트는 상기 SLD의 출력 파세트일 수 있다. 예를 들어, 거칠게(roughening) 하는 단계 이전에 상기 소자는 LD이고 상기 거칠게 하는 단계 이후 상기 소자는 SLD이다.

피라미드의 내부 파세트들에 입사된 빛은 상기 내부 파세트들을 통과하거나 또는 반사될 수 있다. 반사된 빛은 이후 상기 피라미드의 반대 파세트와 만나고, 다시 상기 소자를 빠져나가거나 반사될 수 있다. 예를 들어, GaN과 공기 사이의 코팅되지 않은 계면을 가정할 경우, 프렌스넬 반사(Fresnel reflection)는 0.18의 반사 확률을 제공한다. 따라서, 3번의 반사들 내에, 구조물 내에 잔존하는 빛의 양은 이미 입사된 빛의 1% 미만이다. 선택적으로, 단순히 파세트의 거칠기를 증가시키는 것은 반사도를 감소시키고 미러 손실(mirror loss)을 증가시키며 - 이는 교대로 임계 전류 밀도를 증가시킨다.

이 효과는 종종 c-면 LED들의 c^- 파세트 외부의 후면 광 추출 효율을 증가시키는데 사용된다(8).

LD의 활성 영역 내 캐리어 밀도가 증가함에 따라, 밀도 반전(population inversion)이 달성되고, 유도 방사(stimulated emission)가 소자 내 자연 방사(spontaneous emission)를 증폭시킴에 따라 광도파로를 따른 이득(gain)으로 귀결된다. 레이징이 발생하도록 하기 위해, 순수 왕복 이득(net round trip gain)은 순수 왕복 손실보다 커야만 한다. 그러나, c^- 파세트에서의 많은 양의 광 추출(손실)이 야기됨으로써, 광 귀환(optical feedback)이 억제된다. 유도 방사의 증폭이 일어나고, 높은 광 출력 전력으로 귀결되지만, 레이징과 연관된 방사된 빛의 가간섭성(coherence)이 억제된다. 따라서, 거칠어진 표면은 광도파로 구조물의 면-정렬 c-축(in-plane c-axis)을 따른 광 귀환을 억제할 수 있다.

예를 들어, 상기 거칠어진 표면은, 315 mA 까지의 구동 전류들에 대한 SLD의 방사 스펙트럼에서 레이징 피크들(lasing peaks)이 관측되지 않도록 될 수 있고, 거칠어진 표면 없이는 동일한 구조물들에서 100 mA 이상의 구동 전류들에 대해 레이징 피크들이 관측된다. 그러나, 초발광 및/또는 레이징에 필요한 특정 전류들은 소자의 차수들(dimensions) 및 품질에 의해 주로 설정된다. 예를 들어, 상용 청색 레이저 다이오드들(LDs)은 50 mA 미만의 레이징 전류들을 가질 수 있다. 따라서, 초발광 및/또는 레이징을 위한 특정 전류들은 특정 값들에 제한되지 않는다.

소자의 거칠어진 표면은, SLD에 의해 방사되는 빛의 반값 전폭(Full Width and Half Maximum, 이하 'FWHM'으로 지칭함)이 거칠게 하는 단계를 수행하지 않는 소자의 경우보다 적어도 10배 더 크도록 할 수 있다(예를 들어, LD의 FWHM보다 10배 큰 SLD의 FWHM). 예를 들어, SLD는 청색광을 방사할 수 있고, 거칠어진 표면은 상기 빛의 FWHM이 9 nm 이상이 되도록 할 수 있다.

SLD는 적어도 5 밀리와트의 출력 전력을 가질 수 있다. 예를 들어, 거칠어진 표면은, SLD의 선형 이득 구간(linear gain regime)에서, SLD의 출력 전력이 증가하는 구동 전류에 따라 기하급수적으로(exponentially) 증가하도록 할 수 있다.

예를 들어, 광도파로 구조물은 내부 손실을 감소시키기 위해 굴절률 가이드(index guiding) 또는 이득 가이드(gain guiding)를 활용할 수 있다.

소자 구조물들 및 실험 결과들

도 3a는 무극성 또는 반극성 (Ga,In,Al,B)N 또는 III-질화물 기반 광전자 소자(300)(예를 들어, 초발광 다이오드(SLD))의 개략도를 나타내며, 상기 광전자 소자는 활성 영역(302); 상기 활성 영역(302)으로부터 방사된 빛(306)의 광 가둠을 제공하는 광도파로 구조물(304a, 304b); 및 상기 광도파로 구조물(304a, 304b)의 반대 단부들 상의 제1 파세트(308) 및 제2 파세트(310)를 포함하는 한 쌍의 파세트들을 포함하고, 그에 따라 상기 제1 파세트(308)가 상기 제2 파세트(310)와 반대되며, 상기 제1 파세트(308) 및 상기 제2 파세트(310)는 반대 표면 극성을 갖고, 상기 제1 파세트(308)는 거칠어진 표면(312)을 갖는다. 거칠어진 제1 파세트(308)는 거칠어진 N-극성 면(N-polar plane)인 표면을 갖는 c^- 파세트이고, 상기 제2 파세트는 c⁺ 파세트이다.

III-질화물의 -c, m, a, 및 +c 방향들이 또한 나타나고(도 3a의 직선들), 소자(300)는 m-방향을 따라 성장된다. 그러나, 상기 소자는 반극성 방향을 따라서 성장될 수도 있다. 상기 소자(300)의 성장면(314)(즉, 각각의 소자 층의 최종 성장면 또는 상부 표면)은 무극성 또는 반극성 면일 수 있다. 예를 들어, SLD들은 III-질화물의 a-면들 또는 III-질화물의 c-면과 인접한 III-질화물의 반-극성 면들(예를 들어, 20-21 또는 11-21 면들) 상에 제조될 수 있고, 그에 따라 무-극성 또는 반-극성 SLD들이 제조된다.

도 3b는 도 3a의 소자의 가로축 단면으로서, n-타입 층들(316), p-타입 층들(318), 및 제1 양자 배리어 층(320b)과 제2 양자 우물 배리어 층(320c) 사이에 개재된 양자 우물(320a)을 포함하는 활성 영역(302)을 도시하며, 양자 우물 층(320a)의 두께는 4 nm 이상이다.

도 3a의 소자는, 블록(100) 및 (21)에 나타난 바와 같은, 표준 기술들을 사용하여 레이저 다이오드(LD)를 먼저 성장시키고 제조함으로써 제조된다. 구체적으로, AlGaN-클래딩-없는 LD 구조물이, 표준 유기-금속 화학 증착(metal-organic chemical vapor deposition)에 의해, 미츠비시 화학 회사에 의해 제조된 벌크 m-면 기판(예를 들어, m-면 GaN) 상에 성장된다(18) (또한 (22) 및 Daniel F. Feezell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Robert M. Farrell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars, and Shuji Nakamura에 의해 208년 2월 12일 출원된 "Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS,"라는 제목의, 대리인 사건 번호 30794.222-US-U1 (2007-424)인 미국 실용 출원 일련번호 제12/030,117호 참조). 상기 구조물은 (4-μm-두께의 Si-도핑된 GaN 클래딩 층, 이후 50 nm의 Si-도핑된 n-타입 InGaN 광도파로 층(304b)을 포함하는) n-타입 층들(316)로 구성된다. 비록 도 3b가 일 피리어드(period)를 나타내지만, 활성 영역(302)은 실제로 3 피리어드 InGaN/InGaN 다수 양자 우물 구조물로 구성되도록 제조된다(그러나, 임의의 수의 양자 우물들 또는 임의의 양자 우물 합성물, 예를 들어, InGaN/GaN 양자 우물들이 가능하다). 비의도적으로 도핑된 GaN 층이 활성 영역(302)의 상부 상에 성장되고, 이후 10-nm-두께의 Mg-도핑된 Al₀ _.25Ga₀ _.75N 전자 블로킹 층(electron blocking layer, 이라 'EBL'로 지칭함)이 뒤따른다. 상기 EBL 이후 (50 nm Mg-도핑된 p-타입 InGaN 광도파로 층(304a), 약 500-nm-두께의 Mg-도핑된 p-타입 GaN으로 구성된 상부 클래딩, 및 상기 구조물을 캡핑(capping)하는 100 nm Mg-도핑된 p++ 콘택 층을 포함하는) p-타입 층들(318)이 뒤따른다. c-방향을 따라 리지들(ridges)을 패터닝 및 건식 식각함으로써 4 μm 폭의 스트라이프 또는 리지(322)가 형성된다.

산화물 절연체(324)를 위해 표준 리프트오프(liftoff) 공정이 사용되었고, 이후 캐소드 전극들(326) 용 Pd/Au 금속 퇴적이 뒤따른다. 파세트들(308, 310)은 클리빙(cleaving)에 의해 형성되며, 그에 따라 500 μm의 캐비티 길이(cavity length)가 생기고, 인듐이 후면 애노드 전극(328)을 형성하는데 사용되었다. 이후, 블록(102)에 나타난 것처럼 제1 파세트(308)가 거칠게 된다. 빛(306)의 면-정렬 출력 전력(330)은 c+ 파세트(310)으로부터 측정될 수 있다.

도 3c 내지 도 3e는 소자의 SEM 이미지들로서, 도 3c는 KOH 처리 이전 소자의 -c 파세트를 나타내고, 도 3d는 KOH 처리 이후 -c 파세트를 나타내며(도 3a의 소자), 도 3e는 KOH 처리 이후 +c 파세트를 나타내고(도 3a의 소자), 도 3c는 표면 형태구조(surface morphology)를 나타내기 위해 40°각도에서 촬영되었다.

상기 SEM 이미지들은 육각형 피라미드들(332)의 -c 파세트 상에서만의 형성을 나타내고, 거칠어진 표면은 0.1 내지 1.6 마이크로미터 사이의 베이스 지름(base diameter)를 갖는 육각형 피라미드들을 1개 이상 포함한다(육각형 피라미드의 베이스 지름은, n-타입 GaN 상에서 0.3 내지 1.6 μm, p-타입 GaN 상에서 100 내지 150 nm의 범위를 갖는다). 그러나, 거칠어진 표면은 (예를 들어, 가열 또는 PEC 식각을 사용한, 10 마이크로미터 이상의 베이스 지름을 포함하는) 임의의 특정 차수들 또는 모습들에 제한되지 않는다.

예를 들어, 도 3f는 거칠어진 표면이 베이스 지름(334) 및 높이(336)를 갖는 1개 이상의 구조물들(예를 들어, 원뿔들(332))을 가질 수 있음을 나타내고, 예를 들어 상기 베이스 지름(334)은 10 마이크로미터 이상일 수 있다. 상기 베이스 지름(334) 및/또는 높이(336)는, 구조물들이 SLD의 외부 빛을 산란시키는 빛의 파장과 충분히 근접할 수 있다. 도 3f는 또한 어떻게 구조물들이 육각형 베이스(340) 및 {10-1-1} 면 측벽들(342)을 갖는 육각형 피라미드들(338)일 수 있는지를 나타내고, 육각형 피라미드들(338)은 원뿔-형상(332)이다. 만일 측벽(342)이 {10-1-1} 면을 형성할 경우, {10-1-1} 면의 각도는 c-면에 대해 62도이다.

일부 실시예들에서, c^-파세트(308)의 전체 표면은 원뿔들로 덮이고, 일부 실시예들에서, 더욱 큰 원뿔들(332)이 더 바람직하다.

소자 성능

도 4는 다른 구동 전류들(mA)에 대한 스펙트럼들을 나타내고(나노미터(nm)의 파장 대비 광 출력 강도, 임의 단위들(arbitrary units (arb. units)), 도 4a는 KOH 처리 이전의 4 μm 리지 레이저 다이오드(LD)를 나타내고(각각 175 mA, 190 mA, 및 210 mA의 구동 전류들에 대한 하부 커브로부터 상부 커브), 도 4b는, 면-정렬 방사에 대해, KOH 처리 이후의 동일한 소자(도 3a의 소자)를 나타내며(각각 15 mA, 45 mA, 105 mA, 180 mA, 255 mA, 및 315 mA의 구동 전류들에 대한 하부 커브로부터 상부 커브), 도 4c는 광도파로와 수직하고 기판 하부에서의 방사라는 점을 제외하고는 KOH 처리 이후의 동일한 소자(도 3a의 소자)를 나타낸다.

KOH 처리 이전, 레이징 피크들은 436.8 nm의 피크 파장과 함께, 190 mA 로 낮은 주입 전류들에서 관측되었고(9.05 kA/cm²), 레이저 다이오드(LD)에 대한 반값 전폭(full width at half maximum intensity, 이하 'FWHM'으로 지칭함)은 임계(threshold) 바로 위 190 mA에서 0.3 nm 이다.

광도파로 내 유도된 방사의 존재 때문에, KOH 처리 이후 소자에 대한 스펙트럼 폭은 구동 전류의 증가에 따라 좁아지지만, 나타난 전류 범위에서는 레이징에 기인한 스펙트럼들 내 가파른 피크가 관측되지 않는다. SLD의 최소 FWHM은 315 mA에서 9 nm 이고, 이는 LD의 그것보다 한 오더의 크기 정도로 높으며, 피크 파장은 439 nm 이다.

도 5는 도 3a의 소자의 FWHM을 측정하고, 소자의 거칠어진 표면이, SLD에 의해 방사된 빛의 FWHM이 거칠게 하는 단계를 수행하지 않는 소자보다 적어도 10배 더 크도록(예를 들어, LD의 FWHM보다 10배 큰 SLD의 FWHM) 할 수 있다는 것을 도시한다. 도 5에서, SLD는 8 nm의 최소 FWHM을 나타내고, 반면에 전형적인 LD FWHM은 0.2 nm 이다. SLD는 광 캐비티(optical cavity) 내 공진으로 인해 강한 파장 선택을 보증하지 않는다.

도 6은 KOH 처리 이전의 LD, 및 이후의 SLD의 L-I 특성들을 나타내고(도 3a의 소자), 점선은 LD 데이터에 대한 시각적 안내이고 실선은 SLD 데이터에 일치하는 지수 함수이다. KOH 처리 이전, 상기 L-I 커브는 임계 이상에서 출력 전력에서의 선형 증가와 함께 매우 가파른 레이징 임계(lasing threshold)를 나타냈다.

+c 파세트 외부에서 출력된 SLD의 출력 전력은 약 5 mW에 달했다. KOH 처리 이후의 출력 전력은 선형 이득 영역(linear gain regime) 내의 SLD로 예상한 바와 같이 전류의 함수로서 지수적으로 증가하였다.

도 7에서, 도 7a는 배치된 검출기의 개략적인 도면을 나타내고, 도 7b는 (도 3a의 소자를 사용한) SLD 방사의 전류의 함수로서의 스펙트럼 통합 강도(spectrally integrated intensity)를 나타내고, +c 파세트에서의 면-정렬(700) 방사, 후면(702)으로부터의 방사가 측정되며, 100 mA 이상의 전류 값들과 상응하는 데이터에 일치하는 지수(면-정렬) 및 선형(후면) 커브도 나타난다. 상기 통합 강도는, 광도파로와 수직인 소자 하부(후면(70)) 및 c+ 파세트(면-정렬)에서 면-정렬(700)로 위치된 검출기에 연결된 광섬유를 사용하여 측정되었다. 상기 면-정렬(700) 방사는 광도파로 내 증폭으로 인한 유도 및 자연 방사 모두를 포함하고, 반면에 후면(702) 방사는 기판을 통해 전달된 유도 방사만을 측정한다.

후면 방사로부터의 면-정렬 방사의 전환(divergence)은 100 mA 바로 미만에서의 초발광의 개시를 의미한다. 이는 이득으로 인해 일어나고, 광도파로를 따른 유도 방사로부터 발생되어, 측정된 면-정렬 강도가 기하급수적으로 증가하게 되고, 반면에 자연 방사만으로 구성된 후면 방사는 선형을 유지한다. 상기 초발광의 개시 하부에서, 면-정렬 및 후면 방사 모두가, 방사 메커니즘의 변화로 인해, 상기 개시 상부의 상기 데이터 일치들(fits)로부터 선형적으로 전환됨에 또한 유의한다.

(Ga,In,Al,B)N SLD들은 벌크 무극성 또는 반극성 기판들(예를 들어, III-질화물 또는 GaN 기판들) 상에서 가장 잘 제조될 것인데, 이러한 기판들 상에서의 에피택셜 성장으로 인해 강화된 광 및 전기 특성들의 이점이 달성된다. 그러나, 본 발명은 임의의 기판 상에 성장된 c-면 파세트들을 갖는 임의의 소자에 대해서도 사용될 수도 있다.

본 발명의 SLD들의 응용분야들은, 고전력 방향성 고상 조명, 조명과 연결된 섬유, 및 조절가능한 미러 손실을 갖는 청색에서의 녹색의(혹은 가능하다면 이를 넘는) 스펙트럼 영역에서의 피코 프로젝터들(pico projectors) 및 레티날 스캐닝 디스플레이들(retinal scanning displays)의 광원들을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

가능한 수정들

결정 화학 식각 공정은 제1 파세트(c- 파세트)를 거칠게 하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 결정 화학 식각 공정은, 가열되거나 상온인 상태에서 KOH를 사용할 수 있다. 그러나, 결정 식각을 일으키는 다른 습식 식각 공정들도 또한 결정 화학 식각 공정으로서 사용될 수 있다. 전해질의 농도 및 식각 시간은 제1 파세트(308)의 총 파세트 거칠기, 밀도, 및 피쳐 크기를 제어하도록 변화될 수 있다.

따라서, 결정 식각 공정으로서의 PEC 식각 기술들의 사용을 포함하는, 결정 식각을 일으키는 임의의 식각 화학 반응은 본 발명의 범위에 포함된다. PEC 식각 속도들은 상부면이 적절하게 보호되는 경우 전형적으로 비-조명 식각(non-illuminated etching)보다 1 내지 2 오더의 크기만큼 더 빠르고 더욱 높은 처리량을 제공할 수 있다.

AZ 726 MIF와 같은 일부 포토레지스트 현상액들도 상기 식각 공정 동안(예를 들어, 결정 화학 식각 공정 동안) 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 포토레지스트 현상액들은 N-표면(face) GaN을 결정 식각하는데도 또한 사용될 수 있다. N-표면 GaN의 일반적인 화학 반응성 때문에, 결정 식각을 일으킬 다른 식각 화학반응들이 존재할 것이고, 상기 다른 식각 화학반응들은 전술한 바와 같이 비-반사 파세트를 형성하는데 또한 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 광전자 소자는, 활성 영역, 상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠을 제공하는 광도파로 구조물; 반대되는 표면 극성을 갖는, 상기 소자의 반대 단부들 상의 한 쌍의 파세트들을 포함할 수 있다. 상기 소자는 무극성 또는 반극성 (Ga,In,Al,B)N 기반 소자일 수 있다(즉, 상기 소자의 성장면은 전형적으로 무극성 또는 반극성이고 표면 극성들은 전형적으로 c⁺ 및 c^- 파세트와 상응한다).

상기 파세트들은, c⁺ 파세트로부터의 광 출력에 대한 양호한 방향성 및 원 전계 패턴(far field pattern, FFP)을 달성하도록 클리빙(cleaving)함으로써 형성될 수 있다. 상기 파세트들은 건식 식각, 집속 이온빔(focussed ion beam, FIB) 기반 기술들, 연마 또는 다른 방법들에 의해 형성될 수도 있다. 파세트 일방에 대해 출력 파세트의 반사도를 증가시키거나 또는 감소시키기 위해 또는 카타스트로픽 광손상(catastrophic optical damage, COD)을 억제하기 위해, 파세트 코팅이 사용될 수 있다.

이후, 파세트들 중 하나는 결정 화학 식각 공정에 의해 거칠게 될 수 있고, 여기서 상기 거칠게된 파세트는 c^- 질소-극성 (N-극성) 면이다.

예를 들어, 광도파로 구조물은 내부 손실을 감소시키기 위해 굴절률 가이드 또는 이득 가이드를 활용할 수 있다.

본 발명은 너무 많은 반사들이 있는 경우 +c 파세트 상에 비-반사 코팅을 놓도록 하는 선택예를 포함한다. 전면(front side)을 코팅하는 것 또한 소자 성능을 개선시킬 수 있다.

또한, 스트라이프(332)는 양 파세트들의 반사들을 더욱 감소시기 위해 파세트들 사이에서 각도를 갖도록 놓여질 수 있고, 이는 성능을 개선시킬 수 있다.

이점들 및 개선들

SLD들은 그것들의 상대적으로 큰 스펙트럼 폭, 방향성을 갖는 출력 및 상대적으로 높은 전력으로 인해 피코 프로젝터들 및 레티날 스캐닝 디스플레이들의 광원으로서 동작할 수 있다(9).

본 발명은 제조의 용이성 및 확장성(scalability)과 같은 SLD들의 제조의 이점을 제공한다.

참조들

이하의 참조들은 전체로서 본원에 참조 병합된다.

(1) "AlGaN-Cladding-Free Nonpolar InGaN/GaN Laser Diodes," by Feezell, D. F., et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, pp. L284-L286 (2007).

(2) "Continuous-wave Operation of AlGaN-cladding-free Nonpolar m-Plane InGaN/GaN Laser Diodes," by Farrell, R. M., et al., Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, pp. L761-L763 (2007).

(3) "Reduction of Threshold Current Density of Wurtzite GaN/AlGaN Quantum Well Lasers by Uniaxial Strain in (0001) Plane," by Suzuki, Masakatsu and Uenoyama, Takeshi.: The Japan Society of Applied Physics, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 35, pp. L953-L955 (1996).

(4) "Continuous-Wave Operation of m-Plane InGaN Multiple Quantum Well Laser Diodes," by Okamoto, Kuniyoshi, et al.: The Japan Society of Applied Physics, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, pp. L187-L189 (2007).

(5) "Roughening Hexagonal Surface Morphology on Laser Lift-Off (LLO) N-Face GaN with Simple Photo-Enhanced Chemical Wet Etching," by Gao, Yan, et al., Jap. J. Appl. Phys., Vol. 43, p. L637 (2004).

(6) "Dislocation- and crystallographic-dependent photoelectrochemical wet etching of gallium nitride," by Gao, Y., et al.: AIP, Applied Physics Letters, Vol. 84, pp. 3322-3324 (2004).

(7) "A stripe-geometry double-heterostructure amplified-spontaneous-emission (superluminescent) diode," by Lee, Tien-Pei, Burrus, C. and Miller, B., IEEE J. Quantum. Electron., Vol. 9, pp. 820-828 (1973).

(8) "Cone-shaped surface GaN-based light-emitting diodes," Fujii, T., et al., physica status solidi (c), Vol. 2, pp. 2836-2840 (2005).

(9) "Development of a commercial retinal scanning display," by Johnston, Richard S. and Willey, Stephen R.: SPIE, Proc. SPIE, Vol. 2465, pp. 2-13 (1995).

(10) "High-Efficiency Continuous-Wave Operation of Blue-Green Laser Diodes Based on Nonpolar m-Plane Gallium Nitride," by Okamoto, Kuniyoshi, Tanaka, Taketoshi and Kubota, Masashi., Appl. Phys. Express, Vol. 1, p. 072201 (2008).

(11) "Nonpolar m-plane InGaN multiple quantum well laser diodes with a lasing wavelength of 499.8 nm," by Okamoto, Kuniyoshi, et al. s.l., AIP, Appl. Phys. Lett., Vol. 94, p. 071105 (2009).

(12) "Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening," Fujii, T., et al., AIP, Applied Physics Letters, Vol. 84, pp. 855-857 (2004).

(13) 미국 특허 일련번호 제4,901,123호, 1990년 2월 13일 등록됨, by Noguchi et. al.

(14) 미국 특허 일련번호 제5,223,722 호, 1993년 6월 29일 등록됨, by Nagai et. al.

(15) 미국 특허 일련번호 제4,896,195호, 1990년 1월 23일 등록됨, by Jansen et. al.

(16) 미국 특허 일련번호 제4,958,355호, 1990년 9월 18일 등록됨, by Alphonse et. al.

(17)"m-plane GaN-based Blue Superluminescent Diodes Fabricated Using Selective Chemical Wet Etching," by Matthew T. Hardy, Kathryn M. Kelchner, You-Da Lin, Po Shan Hsu, Kenji Fujito, Hiroaki Ohta, James S. Speck, Shuji Nakamura, and Steven P. DenBaars.

(18) K. M. Kelchner, Y. D. Lin, M. T. Hardy, C. Y. Huang, P. S. Hsu, R. M. Farrell, D. A. Haeger, H. C. Kuo, F. Wu, K. Fujito, D. A. Cohen, A. Chakraborty, H. Ohta, J. S. Speck, S. Nakamura and S. P. DenBaars: Appl. Phys. Express 2 (2009) 071003.

(20). Shuji Nakamura에 의해 제공된 프리젠테이션 슬라이드들, 제목 "An overview of Laser Diodes (LDs) and Light Emitting Diodes (LEDs) Research at SSLEC," at the 2009 Annual Review for Solid State Lighting and Energy Center (SSLEC), University of California, Santa Barbara (2009년 11월 5일).

(21). Matthew T. Hardy에 의해 제공된 프리젠테이션 슬라이드들, 제목 "Backend Processing for m-plane Cleaved Facet Laser Diodes and Superluminescent Diodes," at the 2009 Annual Review for SSLEC, University of California, Santa Barbara (2009년 11월 6일).

(22) Kate Kelchner에 의해 제공된 프리젠테이션 슬라이드들, at the 2009 Annual Review for SSLEC, 제목 "Continuous Wave Technology for Pure Blue Laser Diodes on Nonpolar m-plane GaN", 2009년 11월 6일, University of California, Santa Barbara.

결론

이 부분에서는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 결론짓기로 한다. 전술한 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 설명은 도시 및 설명의 목적으로 나타난 것이다. 배타적이거나 개시된 정확한 형태로 반 발명의 제한하려는 의도가 아니다. 전술한 교시들에 비추어 많은 수정들 및 변화들이 가능하다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 제한되는 것이 아니고, 오히려 여기에 첨부된 청구항들에 의해 발명의 범위가 제한되는 것으로 의도된다.

Claims

무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자로서,
활성 영역;
상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠(optical confinement)을 제공하는 광도파로 구조물; 및
상기 광도파로 구조물의 반대 단부들 상의 제1 파세트(facet) 및 제2 파세트를 포함하고,
상기 제1 파세트 및 상기 제2 파세트는 반대되는 표면 극성을 갖고,
상기 제1 파세트는 거칠어진 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 파세트는 상기 III-질화물 소자의 거칠어진 c^- 파세트, c^- 면(plane), 또는 N-표면(face)을 포함하고,
상기 제2 파세트는 상기 III-질화물 소자의 c⁺ 파세트, c⁺ 면, III-표면, 또는 Ga 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 습식 식각된 표면인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 결정 식각된 표면인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 광전화학(PEC) 식각된 표면인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 거칠어진 클리빙된 표면이고,
상기 제2 파세트는 클리빙된 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 상기 광도파로 구조물의 평면-정렬(in-plane) c-축을 따른 광 귀환을 억제하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 지름 및 높이를 갖는 하나 이상의 구조물들을 포함하고,
상기 지름 및 상기 높이는 상기 구조물들이 상기 광도파로의 외부 빛을 산란시키는 빛의 파장과 충분히 근접한 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 0.1 내지 10 마이크로미터들 사이의 지름을 갖는 하나 이상의 육각형 피라미드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
출력 젼력은 적어도 5 밀리와트인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제2항에 있어서,
상기 소자는 초발광 다이오드(superluminescent diode, SLD)인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제11항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드의 선형 이득 구간(linear gain regime)에서, 상기 초발광 다이오드의 출력 전력이 증가하는 구동 전류에 따라 기하급수적으로 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제11항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드에 의해 방사된 빛의 반값 전폭(full width at half maximum)이 거칠게 하는 단계를 수행하지 않는 소자의 경우보다 적어도 10배 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제11항에 있어서,
상기 초발광 다이오드는 청색광을 방사하고,
상기 거칠어진 표면은 상기 빛의 반값 전폭이 9 nm 보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
제1항에 있어서,
상기 광도파로 구조물은 내부 손실을 감소시키기 위해 굴절률 가이드(index guiding) 또는 이득 가이드(gain guiding)를 활용하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자의 제조 방법으로서,
제1 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자를 얻는 단계로서, 상기 광전자 소자는 활성 영역, 상기 활성 영역으로부터 방사된 빛의 광 가둠(optical confinement)을 제공하는 광도파로 구조물, 및 상기 광도파로 구조물의 반대 단부들 상의 제1 파세트(facet) 및 제2 파세트를 포함하고, 상기 제1 파세트 및 상기 제2 파세트는 반대되는 표면 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 단계; 및
상기 제1 파세트의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하고,
상기 거칠게 하는 단계로 인해, 제2 무극성 또는 반극성 III-질화물 기반 광전자 소자가 제조되는 것을 특징으로 광전자 소자의 제조 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 파세트는 상기 III-질화물 소자의 거칠어진 c^- 면(plane), c^- 파세트(facet), 또는 N-표면(face)을 포함하고,
상기 제2 파세트는 상기 III-질화물 소자의 c⁺ 파세트, c⁺ 면, Ga 표면, 또는 III-표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠게 하는 단계는 결정 식각을 일으키는 습식 식각에 의한 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제18항에 있어서,
식각 시간 및 상기 습식 식각에서 사용되는 전해액의 농도는, 상기 제1 파세트의 총 파세트 거칠기, 밀도, 및 피쳐 크기(feature size)를 제어하도록 변화되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠게 하는 단계는 결정 화학 식각 공정에 의한 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 결정 화학 식각 공정은 가열되거나 상온인 상태에서 KOH를 사용하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 결정 화학 식각 공정 동안 AZ 726 MIF를 포함하는 포토레지스트 현상액이 사용되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠게 하는 단계는 광전화학(PEC) 식각에 의한 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 제1 및 제2 파세트들은 상기 거칠게 하는 단계 전에 클리빙(cleaving)함으로써 형성되고, 그에 따라 상기 제2 파세트는 클리빙된 표면을 가지며 상기 거칠어진 표면은 클리빙된 상기 제1 파세트를 거칠게 함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠게 하는 단계 이전에, 상기 제1 파세트 및 제2 파세트는 건식 식각, 집속 이온빔(focussed ion beam, FIB) 기반 기술들, 또는 연마에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 상기 광도파로 구조물의 면-정렬 c-축을 따른 광 귀환을 억제하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 지름 및 높이를 갖는 하나 이상의 구조물들을 포함하고,
상기 지름 및 상기 높이는 상기 구조물들이 상기 광도파로의 외부 빛을 산란시키는 빛의 파장과 충분히 근접한 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은 0.1 내지 10 마이크로미터 사이의 지름을 갖는 하나 이상의 육각형 피라미드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
출력 젼력은 적어도 5 밀리와트인 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제17항에 있어서,
상기 거칠게 하는 단계 이전의 상기 제1 소자는 레이저 다이오드이고,
상기 거칠게 하는 단계 이후의 상기 제2 소자는 초발광 다이오드(SLD)인 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드의 선형 이득 구간(linear gain regime)에서, 상기 초발광 다이오드의 출력 전력이 증가하는 구동 전류에 따라 기하급수적으로 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 거칠어진 표면은, 상기 초발광 다이오드에 의해 방사된 빛의 반값 전폭(full width at half maximum)이 거칠게 하는 단계를 수행하지 않는 소자의 경우보다 적어도 10배 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제30항에 있어서,
상기 초발광 다이오드는 청색광을 방사하고,
상기 거칠어진 표면은 상기 빛의 반값 전폭이 9 nm 보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 광도파로 구조물은 내부 손실을 감소시키기 위해 굴절률 가이드(index guiding) 또는 이득 가이드(gain guiding)를 활용하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자의 제조 방법.
무극성 GaN 상에 성장된 (Ga,In,Al,B)N 레이저 다이오드(LD) 구조물을 포함하고,
상기 레이저 다이오드 구조물의 c^- 파세트(facet)는 결정 식각된 것을 특징으로 하는 초발광 다이오드.