权利要求

반극성 면 Ⅲ-족 질화물 반도체-계 발광 다이오드들 및 레이저 다이오드들을 위한 알루미늄 갈륨 질화물 배리어들 및 분리 구속 헤테로구조 층들{Aluminum gallium nitride barriers and separate confinement heterostructure (SCH) layers for semipolar plane III-nitride semiconductor-based light emitting diodes and laser diodes}

본 발명은 AlGaN 배리어들 및 초격자(superlattice) 분리 구속 헤테로구조(separate confinement heterostructure (SCH)) 반극성 면 III-족 질화물 반도체-계 레이저 다이오드들(laser diodes, LDs) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 출원은 다음의 공동-계류 중이고 공동으로 양도된 “AlGaN BARRIERS AND SEPARATE CONFINEMENT HETEROSTRUCTURE (SCH) LAYERS FOR SEMIPOLAR PLANE III-NITRIDE SEMICONDUCTOR-BASED LIGHT EMITTING DIODES AND LASER DIODES”라는 발명의 명칭으로 You-Da Lin, Hiroaki Ohta, Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars 및 James S. Speck에 의해 2010년 4월 5일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.367-US-P1 (2010-544-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/320,954호의 우선권을 35 USC Section 119(e)에 따라 주장하며, 이들은 그 전체로서 본 명세서에 인용되어 포함된다.

본 출원은 다음의 공동-계류 중이고 공동으로 양도된 미국 특허 출원들과 관련된다:

“Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS”라는 발명의 명칭으로 Daniel F. Feezell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Robert M. Farrell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars 및 Shuji Nakamura 에 의해 2007년 2월 12일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.222-US-P1 (2007-424-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제60/889,510호의 우선권을 35 USC Section 119(e)에 따라 주장하는, “Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS”라는 발명의 명칭으로 Daniel F. Feezell, Mathew C. Schmidt, Kwang Choong Kim, Robert M. Farrell, Daniel A. Cohen, James S. Speck, Steven P. DenBaars 및 Shuji Nakamura 에 의해 2008년 2월 12일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.222-US-U1 (2007-424)인 미국 실용 특허 출원 번호 제12/030,117호;

“A SYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE”라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura 및 Steven P. DenBaars 에 의해 2009년 6월 5일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.314-US-P1 (2009-614-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/184,668호의 우선권을 35 USC Section 119(e)에 따라 주장하는, “A SYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE”라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura 및 Steven P. DenBaars 에 의해 2010년 6월 7일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.314-US-WO (2009-614-2)인 PCT 국제 특허 출원 번호 제US2010/37629호;

공동-계류 중이고 공동으로 양도된, “LONG WAVELENGTH m-PLANE (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES”라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura 및 Steven P. DenBaars 에 의해 2009년 6월 5일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.315-US-P1 (2009-616-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/184,729호의 우선권을 35 USC Section 119(e)에 따라 주장하는, “LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES”라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura 및 Steven P. DenBaars 에 의해 2010년 6월 7일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.315-US-U1 (2009-616-2)인 미국 실용 출원 번호 제12/795,390호; 및

공동-계류 중이고 공동으로 양도된, “SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN +/- 15 DEGREES IN THE C-DIRECTION”라는 발명의 명칭으로 Po Shan Hsu, Kathryn M. Kelchner, Robert M. Farrell, Daniel Haeger, Hiroaki Ohta, Anurag Tyagi, Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars 및 James S. Speck 에 의해 2010년 3월 4일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.366 -US-P1 (2010-543-1)인 미국 임시 특허 출원 번호 제61/310,638호의 우선권을 35 USC Section 119(e)에 따라 주장하는, “SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN +/- 15 DEGREES IN THE C-DIRECTION”라는 발명의 명칭으로 Po Shan Hsu, Kathryn M. Kelchner, Robert M. Farrell, Daniel Haeger, Hiroaki Ohta, Anurag Tyagi, Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars 및 James S. Speck 에 의해 2011년 3월 4일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.366-US-U1 (2010-543-2)인 미국 실용 특� � 출원 번호 제13/041,120호;

그리고 이들은 그 전체로서 본 명세서에 인용되어 포함된다.

(주의: 본 출원은 괄호들, 예를 들어 참조문헌 [x] 내의 하나 또는 그 이상의 참조문헌 번호들을 통해 표시되는 다수의 다른 공개문헌들을 참조한다. 이러한 참조문헌 번호들에 따라 순서 지어진 이러한 다른 공개문헌들의 리스트는 아래의 "참조문헌들"로 명명된 섹션 내에서 찾을 수 있다. 이러한 공개문헌들 각각은 그 전체로서 본 명세서에 참조로서 원용된다.)

우르자이트(wurtzite) (Al, Gl, In)N 레이저 다이오드들(LDs)은 녹색 레이저 어플리케이션들을 위한 유망한 후보들 중 하나이다. 최초의 c-면 GaN-계 LD가 Nakamura et al.에 의해 발표된 이래[1], 장파장 LD들을 향한 중요한 개발들이 있어 왔다. 최근에, c-면 LD의 가장 긴 레이저 파장은 펄스 구동 하에서 532 nm에 도달했다[2]. 녹색 LD들의 성공적인 발표에도 불구하고, c-면 상에 성장한 소자들은 큰 분극-관련한 전기장들에 기인하여 양자 구속 스타크 효과(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)를 겪으며, 이는 퀀텀 웰들(quantum wells) 내의 전자 및 정공(hole) 파동 함수들의 공간적 분리(spatial separation)에 기인하여 더 낮은 내부 양자 효율들을 유발한다[3]. 이는 또한 더 높은 구동 전압을 유발할 수 있고, 이는 작은 월 플러그 효율(wall plug efficiency)의 결과를 가져온다[2]. 비극성 및 반극성 GaN-계 소자들은 QCSE를 보이지 않거나 거의 보이지 않으므로, 더 긴 파장의 LD들을 위해 또한 유망하다[4-7]. 비등방성(anisotropic) 밴드 구조들(band structures)에 기인하여 비극성 및 반극성 방위들 상에 성장한 LD들에서 더 높은 이득(gain)이 이론적으로 예측되어 왔고, 실험적으로 보여져 왔다[8-9]. 또한, 비극성 m-면 LD들은 실제 LD 구동 하에서 c-면 LD들보다 더 높은 슬로프 효율(slope efficiency)을 갖는다[10-12]. 그러나, 미스컷(miscut) m-면 GaN 기판들을 사용하여[14] 본 발명의 연구 그룹에 의해 얻어진 m-면 LD들을 위한 가장 긴 레이저 파장들은 492 nm이고[13], 발표된 가장 긴 공칭(nominally) 온-축(on-axis) m-면 상에서의 레이저 파장은 499.8 nm였다[15]. 다중 퀀텀 웰들(multiple quantum wells, MQWs) 내에서 인듐 병합(indium incorporation)을 얻는 것의 어려움 및 웰들 내에서의 기저면 적층 결함(basal plane stacking fault, BPSF) 형성의 가능성이 지금까지 m-면 LD들의 레이저 파장을 500 nm보다 작게 제한해 왔다.

GaN의 반극성 면들은 c-면 GaN과 비교할 때 분극-관련 전기장들을 감소시키고 가능하면 이득을 증가시키는 접근법을 제공한다. 반극성 면 (20-21)은 펄스 구동 하에서 531 nm의 레이저 파장들[17], CW 구동 하에서 523 nm의 레이저 파장들을 보여 왔다[18]. 녹색광을 발산하는 높은 In 함량의 퀀텀 웰(quantum well, QW)로부터 높은 내부 퀀텀 효율(internal quantum efficiency)을 얻기 위하여, 인듐 분리(indium segregation) 및 큰 스트레인들(strains)에 기인하여 생성되는 결함들(defects)은 높은 인듐 조성의 QW 내에서 제거되어야 한다. Enya et al.은 에피택셜(epitaxial) 구조 내에서 스트레인을 감소시키고 충분한 광학 구속(optical confinement)을 실현하기 위하여 격자-매치된(lattice-matched) 4원계 AlInGaN 클래딩(cladding)을 사용하였다[17]. Tyagi et al.은 4원계 AlInGaN 성장의 어려움을 방지하기 위하여 다른 방법과 같이 GaN 클래딩 층들을 갖는 높은 인듐 함량의 InGaN 가이딩 층들(guiding layers)을 보고하였다[19]. (20-21) 벌크 GaN 기판들 상에 성장한 장파장 LD들이 보여졌음에도 불구하고, 고품질 활성 영역 성장들을 위한 상세한 성장 연구는 보고되지 않았다.

게다가, 통상의 (20-21)-면 LD 구조물들은 다음의 특성들을 포함한다:

1. 통상의 최신(state-of-the-art) (20-21)-면 LD들은 도 1에 도시된 것과 같이 활성 영역 내에서 InGaN 또는 GaN 배리어들과 함께 성장한다. 도 1은 (20-21) GaN 기판(102), GaN 기판(102) 상에 또는 그 위에 배치되는 n-형 GaN(n-GaN) 층(104), n-GaN 층(104) 상에 또는 그 위에 배치되는 n-GaN 클래딩 층(106), n-GaN 클래딩 층(106) 상에 또는 그 위에 배치되는(5-10%의 인듐 조성, 예를 들어, 6%를 갖는) n-InGaN 벌크 분리 구속 헤테로구조(SCH) 층(108), n-InGaN 벌크 SCH(108) 상에 또는 그 위에 배치되며, GaN 또는 InGaN 배리어들을 갖는 하나 또는 그 이상의 InGaN 퀀텀 웰들을 포함하는 발광 활성층(active layer)(110), 활성층(110) 상에 또는 그 위에 배치되는 p-형 AlGaN(p-AlGaN) 전자 블로킹 층(electron blocking layer, EBL)(112), p-AlGaN EBL(112) 상에 또는 그 위에 배치되는(5-10%의 인듐 조성, 예를 들어, 6%를 갖는) p-InGaN 벌크 SCH 층(114), p-InGaN 벌크 SCH 층(114) 상에 또는 그 위에 배치되는 p-형 GaN (p-GaN) 클래딩 층(116), 및 p-GaN 클래딩 층(116) 상에 또는 그 위에 배치되는 p ⁺⁺ -형 GaN 컨택 층(118)을 포함한다.

2. 통상의 최신 (20-21)-면 LD들은 높은 In 함량의 InGaN 초격자 SCH 층들을 사용하지 않는다.

3. 통상의 최신 (20-21)-면 LD들은 InGaN SCH 층들을 위하여 비대칭(asymmetric) InGaN/GaN 단기 초격자(short period superlattice, SPSLS)를 사용하지 않는다.

그 결과, 본 기술분야에서 향상된 LD 구조물들의 필요성이 존재한다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족시킨다. 본 발명은 AlGaN 배리어(예를 들어, AlGaN/InGaN MQW들)를 구비한 고품질 활성 영역 성장을 개시하며, 반극성 (20-21) 질화물에 대하여 상온 하에서 516 nm의 레이저 발산을 보여준다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 한계들을 극복하고, 본 발명을 읽고 이해함에 있어 명백해질 다른 한계들을 극복하기 위하여, AlGaN 배리어들 및 초격자 SCH를 갖는 반극성 III-족 질화물 반도체-계 LD들 및 그 제조 방법을 개시한다.

특히, 본 발명은 반극성 (20-21)-면 InGaN/GaN 계 활성 영역을 채용하는 장파장 LD들을 제조하는 기술을 설명한다. 본 발명은 장파장 LD들의, 특히 녹색 스펙트럼 영역 내에서의 구조적, 전기적 및 광학적 특성들을 향상시키기 위한 신규한 구조 및 에피택셜 성장 기술들을 특징으로 한다.

이러한 스펙트럼 영역 내에서, (20-21)-면 InGaN 퀀텀 웰들로부터 대규모 삼각형 비방사 결함들(triangular nonradiative defects)이 발견되었다. 높은 인듐(In) 조성의 가이딩 층을 갖는 레이저 구조물 내에서 표면 기복들(surface undulations)이 나타나고, 이는 미스핏 전위(misfit dislocation) 생성과 관련이 있다.

스트레인 보상 층(strain compensation layer)으로서 AlGaN 배리어들을 사용하는 것은 매끄러운 표면 모폴로지(surface morphology)를 유지하고, 삼각형 비방사 결함들의 수를 감소시키며, 본 발명이 SCH 내의 In 조성을 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있다. InGaN 초격자 SCH 층들을 사용하는 것은 SCH 내에서 더 높은 평균 In 조성을 제공하며, 이에 따라 InGaN 벌크 가이딩 층들보다 더 높은 지수 차이(index difference) 및 더 높은 구속 인자(confinement factor)가 얻어질 수 있게 한다.

예를 들어, 본 발명은 활성층을 포함하는 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 소자 층들을 포함하는 반극성 면 III-족 질화물 반도체-계 광학전자 소자를 개시하며, 상기 활성층은 알루미늄(Al) 함유 퀀텀 웰 배리어 층들; 및 상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층들 사이에 위치하는 반극성 인듐(In) 함유 퀀텀 웰 층을 포함하고, 상기 반극성 In 함유 퀀텀 웰 층 및 상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층들은 반극성 면 상에서 반극성 방위로 성장한다.

상기 AlGaN 퀀텀 웰 배리어들 내의 Al 조성 퍼센트 x는 0 < x < 5 %일 수 있다. 상기 In 함유 퀀텀 웰 층은 AlGaN 퀀텀 웰 배리어 층들이 구비되지 않은 소자와 비교할 때 더 높은 In 조성을 가질 수 있다. 상기 In 함유 퀀텀 웰 층 및 상기 Al 함유 배리어 층들은 상기 소자가 녹색, 황색 또는 적색 스펙트럼 영역 내의 피크 강도를 갖는 빛을 발산하거나 흡수하도록 할 수 있고, 예를 들어, 상기 소자가 515 nm보다 큰 피크 파장을 갖는 빛을 발산하거나 흡수하도록 할 수 있다. 상기 In 함유 퀀텀 웰 층은, 예를 들어 적어도 16%의 In 조성 및 4 nm보다 큰 두께를 가질 수 있다.

평면 스텝 성장(planar step growth)이 얻어지도록 상기 반극성 면은 20-21, 11-22, 30-31, 30-3-1, 10-1-1, (n 0 -n 1), (n 0 -n -1) 면일 수 있고, 이 때 n은 정수이며, 상기 III-족 질화물 소자 층들 및 상기 퀀텀 웰 구조물은 매끄러운 평면 표면들 및 계면들(interfaces)을 가질 수 있다.

상기 III-족 질화물 소자 층들은 적층 결함들 또는 미스핏 전위들이 없이 코히런트 성장(coherently grown)할 수 있다. 상기 III-족 질화물 소자 층들은 0.07 nm보다 적은 RMS 표면 거칠기(root mean square surface roughness)를 가질 수 있다.

상기 III-족 질화물 소자 층들은 발광 소자를 형성할 수 있고, 상기 활성층이 빛을 발산하고, 상기 소자는 상기 활성층의 상면 전체, 바닥면의 전체 또는 측벽 전체 중 하나 또는 그 이상을 가로질러 균일하게 빛을 발산한다.

상기 III-족 질화물 소자 층들은 상기 활성층의 어느 하나의 면 상에 위치한 상부 In 함유 분리 구속 헤테로구조(SCH) 또는 웨이브가이딩 층 및 하부 In 함유 SCH 층 또는 웨이브가이딩 층을 더 포함할 수 있고, 상기 상부 및 하부 In 함유 웨이브가이딩 또는 SCH 층들의 In 조성은 Al 함유 퀀텀 웰 배리어들이 구비되지 않은 유사한 소자의 SCH 또는 웨이브가이딩 층들의 In 조성보다 더 높다.

상기 III-족 질화물 소자 층들은 상기 활성층의 어느 하나의 면 상에 위치한 상부 In 함유 SCH 또는 웨이브가이딩 층 및 하부 In 함유 SCH 또는 웨이브가이딩 층을 더 포함할 수 있고, 상기 상부 및 하부 In 함유 웨이브가이딩 또는 SCH 층들은 10%보다 큰 In 조성을 가진다.

예를 들어, 상기 Al 함유 층들은 AlGaN일 수 있고, 상기 In 함유 층들은 InGaN일 수 있다.

상기 상부 In 함유 SCH 및 하부 SCH 중 적어도 하나가 다양한 In 조성을 포함하는 InGaN/GaN 또는 InGaN/AlGaN 초격자(super-lattice, SL) 구조물일 수 있다.

상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어들의 Al 조성은, 더 낮은 Al 조성을 갖는 퀀텀 웰 배리어들과 비교할 때, 상기 하부 및 상부 In 함유 SCH들에 의해 유발되는 상기 소자 구조물 내의 스트레인을 보상함에 의해 상기 하부 및 상부 SCH 층들의 In 조성에 의해 유발되는 상기 III-족 질화물 소자 층들 내의 미스핏 전위들을 감소시키거나 방지할 수 있다. 상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어들의 Al 조성은, 더 낮은 Al 조성을 갖는 퀀텀 웰 배리어들과 비교할 때, 상기 퀀텀 웰들 내의 In 조성에 기인한 스트레인을 보상함에 의해 상기 퀀텀 웰들 내의 상기 In 조성에 의해 유발되는 상기 소자 구조물 내의 삼각형 암점들(triangular dark defects)을 감소시키거나 방지할 수 있다. 상기 소자 구조물 내의 암점들은 100 마이크로미터 × 100 마이크로미터보다 작은 표면적을 가질 수 있다.

상기 소자 구조물은 적어도 3의 광학 구속 인자(optical confinement factor) 및 20 mA의 구동 전류에서 적어도 2 mW의 아웃풋 파워(output power)를 갖는 레이저 다이오드 구조물일 수 있다. 상기 소자는 두 개의 거울들에 의해 구속되는 레이저 캐비티(laser cavity)를 더 포함할 수 있고, 상기 거울들은 건식 식각(dry etching)에 의해 식각되거나 쪼개질(cleaved) 수 있다.

상기 소자는 녹색광을 발산하는 (20-21) 면 레이저 다이오드일 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 다이오드는 AlGaN-클래딩 프리 레이저 다이오드(Al을 함유하는 클래딩 층들이 없는 레이저 다이오드)를 포함할 수 있고, 상기 III-족 질화물 소자 층들은 GaN 기판의 상기 반극성 면 상에 또는 그 위에 퇴적되는 제1 GaN 클래딩 층; 상기 제1 GaN 클래딩 층 상에 또는 그 위에 퇴적되는 제1 InGaN 가이딩 층; 상기 제1 InGaN 가이딩 층 상에 또는 그 위에 퇴적되는 상기 활성층; 상기 활성층 상에 또는 그 위에 퇴적되는 제2 InGaN 가이딩 층; 및 상기 제2 InGaN 가이딩 층 상에 또는 그 위에 퇴적되는 제2 GaN 클래딩 층을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 활성층을 포함하는 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 소자 층들을 형성하는 단계를 포함하는 반극성 면 III-족 질화물 반도체-계 광학전자 소자의 제조 방법을 더 개시하며, 상기 활성층은, Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층들을 퇴적하는 단계; 및 반극성 In 함유 퀀텀 웰이 상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층들 사이에 위치하도록 상기 반극성 In 함유 퀀텀 웰 층을 배치하는 단계에 의해 형성되며, 상기 반극성 In 함유 퀀텀 웰 층 및 상기 Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층들은 반극성 면 상에서 반극성 방위로 성장한다.

본 발명은 소자의 퀀텀 웰 구조물 내의 Al 함유 배리어 층의 사용 방법을 더 개시하며, 상기 방법은 상기 소자 내에서 하나 또는 그 이상의 미스핏 전위들, 적층 결함들 또는 어두운 비발광 결함들(dark, non luminescent defects)을 감소시키거나 방지하도록 상기 Al 함유 배리어 층을 사용하는 단계를 포함한다.

본 발명은 AlGaN 배리어(예를 들어, AlGaN/InGaN MQW들)를 구비한 고품질 활성 영역 성장을 개시하며, 반극성 (20-21) 질화물에 대하여 상온 하에서 516 nm의 레이저 발산을 보여준다.

도면들에서 유사한 참조 부호들은 명세서 전체에 걸쳐 상응하는 부분들을 지칭한다:
도 1은 종래의 기술에 따른 LD 구조물의 개략적인 단면을 나타내며, 화살표들은 GaN의 10-10 및 0001 방향들을 표시하고, 원은 GaN의 11-20 방향(종이 면 바깥 방향)을 표시한다.
도 2는 본 발명의 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 퀀텀 웰들의 제조 방법을 나타낸다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 구조물의 개략적인 단면이다.
도 4(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소자 구조물의 개략적인 단면이며, 화살표는 GaN의 10-10 및 0001 방향들을 표시하고, 원은 GaN의 11-20 방향을 표시한다.
도 4(c)는 도 4(b)의 구조물의 소자 층들을 통한 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지이다.
도 4(d)는 AlGaN 배리어 및 7% InGaN SCH 층들을 갖는 LD 구조물의 TEM 이미지이며, 스케일은 50 nm이다.
도 4(e) 및 도 4(f)는 AlGaN 배리어 및 7% InGaN SCH를 갖는 AlGaN-클래딩 프리 레이저 구조물의 TEM 이미지를 나타내며, 도 4(e)에서 g = 0002 (화살표로 표시)이고, 도 4(f)에서 g = 11-20 (화살표로 표시)이며, 두 도면들에서 스케일은 50 nm이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 InGaN SCH를 구비하지 않은(도 5(a)), 그리고 InGaN SCH를 구비한(도 5(b)) 레이저 구조물의 형광 현미경(fluorescence microscope) 이미지들을 나타내며, 검은 라인 피쳐들은 InGaN SCH를 구비한 경우에 도시되고, 도 5(a) 및 도 5(b)에서 스케일은 100 ㎛이다. 상기 레이저 구조물 내의 상기 III-족 질화물의 c-프로젝션 방향 및 a-방향이 화살표들에 의해 표시된다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 5% InGaN SCH(도 6(a)) 및 7.5% InGaN SCH(도 6(b))를 구비한 레이저 구조물들의 형광 현미경 이미지들을 나타내고, 도 6(a) 및 도 6(b)에서 스케일은 100 ㎛이며, 상기 레이저 구조물 내의 상기 III-족 질화물의 c-프로젝션 방향 및 a-방향이 화살표들에 의해 표시된다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 (

) 면 상에 성장한 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 LD 구조물의 형광 현미경 이미지들을 나타내고, 상기 LD의 활성 영역은 4.5 nm 두께를 갖는 3 개의 InGaN 퀀텀 웰들 및 10 nm 두께의 InGaN 배리어들을 포함하는 3-기(3 period) MQW를 포함하며, 크고 검은 삼각형 영역들(감소된 광 출력을 갖는) 및 어두운 라인 결함들(line defects)이 보인다. 상기 레이저 구조물 내의 상기 III-족 질화물의 c-프로젝션 방향 및 a-방향이 화살표들에 의해 표시되고, 도 7(a)에서 스케일은 100 ㎛이며, 도 7(b)에서 스케일은 20 ㎛이다.

도 8(a) 및 도 8(b)는 ( ) 면 상에 성장한 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 LD 구조물의 형광 현미경 이미지들을 나타내고, 상기 LD의 활성 영역은 4.5 nm 두께를 갖는 5 개의 InGaN 퀀텀 웰들 및 10 nm 두께의 InGaN 배리어들을 포함하는 5-기 MQW를 포함하며, 크고 검은 삼각형 영역들(감소된 광 출력을 갖는) 및 어두운 라인 결함들이 보인다. 상기 레이저 구조물 내의 상기 III-족 질화물의 c-프로젝션 방향 및 a-방향이 화살표들에 의해 표시되고, 도 8(a)에서 스케일은 100 ㎛이며, 도 8(b)에서 스케일은 20 ㎛이다.

도 9는 GaN 배리어를 포함하는 레이저 A의 에피택셜 웨이퍼, AlGaN 배리어를 포함하는 레이저 B의 에피택셜 웨이퍼 및 InGaN 배리어를 포함하는 레이저 C의 에피택셜 웨이퍼의 사진들을 나타낸다.

도 10(a) 및 도 10(b)는 레이저 A의 동일 면적의 형광 현미경(FLOM) 이미지(도 10(a)) 및 광학 현미경(OM) 이미지(도 10(b))를 나타내고, 상기 레이저 구조물 내의 상기 III-족 질화물의 c-프로젝션 방향 및 a-방향이 화살표들에 의해 표시된다.

도 11(a), 도 11(b) 및 도 11(c)는 각각 레이저 A, 레이저 B 및 레이저 C의 형광 현미경 이미지들이다.

도 12는 (a) 레이저 A의 전체 에피택셜 웨이퍼 및 (b) 레이저 B의 전체 에피택셜 웨이퍼의 형광 현미경 이미지들을 나타내며, 도 12(a) 및 도 12(b)의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 레이저 A 및 레이저 B의 퀀텀 웰 활성 영역들 내의 In 조성 퍼센트가 (의도치 않게) 낮은 조성에서 높은 조성으로 증가함에 따라 상기 웨이퍼를 가로질러 왼쪽으로부터 오른쪽까지 포토루미네선스(photoluminescence, PL) 피크 파장이 점진적으로 증가한다.

도 13은 (a) GaN 배리어, (b) InGaN 배리어 및 (c) AlGaN 배리어를 구비한 레이저 구조물들의 형광 현미경 이미지들이며, (a), (b) 및 (c)에서 스케일은 100 ㎛이다.

도 14는 카운트(1k = 1000, 1M = 10

⁶ ) 대비(vs.) 오메가/2Θ(Omega/2Thera)로 도시한 InGaN 초격자 SCH 층(In % = 10%)의 X-선 회절(XRD) 스캔을 나타낸다.

도 15는 InGaN 초격자 SCH 층(In % = 10%)의 원자간 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 스캔을 나타내며, 그레이스케일 단위들은 피코미터(pm)이다.

도 16은 레이저 소자들의 대표적인 쪼개진 패싯들(cleaved facets)의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지를 나타낸다.

도 17은 레이저 B의 역 격자 맵핑(reciprocal lattice mapping)을 나타낸다.

도 18은 InGaN 배리어, GaN 배리어 및 AlGaN 배리어를 구비한 레이저 에피택셜 웨이퍼들의 발산 피크 파장(나노미터, nm) 대비(vs.) 일렉트로루미네선스 아웃풋 파워(electroluminescent output power) 의존성을 나타낸다.

도 19(a)는 발산 파장의 함수로서 발산 강도(임의 단위, au)를 도시한, 구동 전류 20 mA에서의 자발 발산의 대표적인 스펙트럼들 및 구동 전류

I >

I

_th 에서의 516 nm 유도 발산(stimulated emission)을 나타내며, 삽입된 것은 516 nm 레이저 다이오드(LD)로부터의 원거리 장(far field) 발산 패턴의 사진이다.

도 19(b)는 LD에 공급한 구동 전류(밀리암페어, mA)의 함수로서 아웃풋 파워(밀리와트, mW) 및 전압(V)을 도시한, 패싯 코팅 이후에 펄스 구동 하에서(듀티 사이클(duty cycle)=0.01%) 리지 폭 2 ㎛ 및 캐비티 길이 1200 ㎛의 경우의 광 아웃풋 파워-주입 전류(injected current)-전압(LIV) 커브들을 나타낸다.

도 20은 본 발명의 일 실시예를 사용하여 513 nm의 레이저가 획득된 것을 나타내며, 파장(nm)의 함수로서 상기 레이저의 아웃풋 강도(임의 단위, au)를 나타내며, 삽입된 것은 빛을 발산하는 상기 레이저 구조물의 사진이다.

도 21은 AlGaN 배리어 층 내의 Al 조성 %의 함수로서 도 4(b)의 LD의 구속 인자를 도시한 계산값이다.

하기의 바람직한 실시예의 설명에 있어서, 본 명세서의 부분을 구성하는 첨부된 도면들을 참조하기로 한다. 이러한 도면들은 본 발명이 구현될 수 있는 특정한 실시예를 도시하는 방식으로 도시되어 있다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다른 실시예들도 구현 가능하며, 구조적 변화들이 가능함을 이해할 수 있다.

개요

본 발명의 목적은 녹색 스펙트럼 영역에서 고효율 반극성 (

)-면 LD들을 개발하는 것이었다. 목표는 높은 효율의 활성 영역 및 균일하고 매끄러운, 높은 In 함량의 InGaN 초격자 SCH 층들과 함께, 높은 In 함량의 InGaN 웰들을 사용하면서도 매끄러운 계면들, 매끄러운 표면 모폴로지를 얻고 비방사성 결함들을 감소시키는 것이었다.

AlGaN 배리어들을 퀀텀 웰들 이전에, 그리고 사이에 사용하는 것은 매끄러운 모폴로지(형광 현미경 이미지들에 나타난 것과 같이), 및 InGaN SCH 층들(In 퍼센트 > 5%)을 갖는 레이저 구조물 내에서 매끄러운 계면들을 유발한다. AlGaN-클래딩 프리(cladding free) LD(InGaN 가이딩/GaN 클래딩)에서, 본 발명은 예를 들어 도 13에 도시된 것처럼 AlGaN-배리어들이 삼각형 비방사 결함들을 방지하는 데 효과적이었음을 확인하였다.

AlGaN 배리어들을 사용함에 의해, 본 발명은 광학 구속을 향상시킬 수 있는 가이딩 층들 내에서의 In 조성을 증가시킬 수 있다. InGaN 초격자 SCH 층들의 사용은 동일한 성장 조건들 하에서 InGaN 벌크 SCH 층들(~6% In) 내에서보다 더 높은 평균 In 함량(~10% In)을 유발하였다.

이러한 기술에 기초하여, 본 발명은 513 nm 및 516 nm에서의 레이저를 확인하였다.

명명법

GaN 및 알루미늄 및 인듐을 병합한 3원계(ternary) 및 4원계(quarternary) 화합물들(AlGaN, InGaN, AlInGaN)은 여기에 사용된 것과 같이 (Al, Ga, In)N, III족-질화물, III족 그룹-질화물, 질화물, Al _(1-xy) In _y Ga _x N (0 < x < 1 및 0 < y < 1), 또는 AlInGaN의 용어들을 사용하여 일반적으로 지칭된다. 이러한 모든 용어들은 Al, Ga 및 In의 단일 원소들 및 이러한 III-족 금속 원소들의 2원(binary), 3원 및 4원 조성들의 개별적인 질화물들을 포함하도록 넓은 범위로 이해될 것이 의도된다. 따라서, 이러한 용어들은, 이러한 명명법에 포함된 종들과 같이, 화합물들인 AlN, GaN 및 InN, 3원 화합물들인 AlGaN, GaInN, 및 AlInN, 4원 화합물인 AlGaInN을 내포한다. 두 가지 또는 그 이상의 (Ga, Al, In) 성분 원소들이 존재할 때, 화학양론비적 조성(stoichiometric proportions) 뿐만 아니라 "비-화학양론비적(off-stoichiometric)" 조성(조성 내에 존재하는 각각의 (Al, Ga, In) 조성 원소들이 상대적인 몰분율(mole fraction)로 존재하는)도 포함하는 모든 가능한 조성들이 본 발명의 넓은 범위 내에서 채용될 수 있다. 따라서, 일차적으로 GaN 재료들을 참조한 본 발명의 논의를 이러한 (Al, Ga, In)N 재료들의 다른 다양한 원소들의 형성에 적용 가능함이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 범위 내에서 (Al, Ga, In)N 재료들은 소량의 도펀트들(dopants) 및/또는 다른 불순물(impurity) 또는 함유 재료들(inclusional materials)을 더 포함할 수 있다. 붕소(B) 또한 포함될 수 있다.

용어 "Al _x Ga _{1 - x} N-클래딩 프리"는 Al _x Ga _{1 - x} N/GaN 초격자들, 벌크 Al _x Ga _{1 - x} N 또는 AlN과 같이 Al의 어떠한 몰분율을 함유하는 웨이브 가이드 클래딩 층들의 부재(absence)를 나타낸다. 광학 가이딩으로 사용되지 않는 다른 층들은 Al을 소정량(예를 들어, 10% Al 함량보다 적게) 함유할 수 있다. 예를 들면, Al _x Ga _{1 - x} N 전자 블로킹 층이 존재할 수 있다.

GaN 또는 III-질화물 계 광학전자 소자들 내에서 자발 및 압전 분극 효과들(spontaneous and piezoelectric polarization effects)을 제거하는 한가지 접근은 결정의 비극성 면들 상에 상기 III-족 질화물 소자들을 성장시키는 것이다. 이러한 면들은 동일한 수의 Ga(또는 III-족 원자들) 및 N 원자들을 함유할 수 있고, 중성 전하를 띤다(charge-neutral). 게다가, 후속적인 비극성 층들은 서로 등가이므로, 벌크 결정이 성장 방향을 따라 분극되지 않을 것이다. GaN 내의 대칭-등가 비극성 면들의 이러한 두 가지 패밀리들은 집합적으로 a-면들로 알려진 {11-20} 패밀리 및 집합적으로 m-면들로 알려진 {1-100} 패밀리이다. 따라서, 비극성 III-족 질화물은 III-족 질화물 결정의 (0001) c-축에 대하여 수직한 방향을 따라 성장한다.

(Ga,Al,In,B)N 소자들 내의 분극 효과들을 감소시키는 다른 접근은 결정의 반극성 면들 상에 상기 소자들을 성장시키는 것이다. 용어 "반-극성 면"(또는 "반극성 면"으로도 지칭됨)은 c-면, a-면 또는 m-면으로 분류될 수 없는 어느 면들이라도 지칭하는데 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성 면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i 또는 k 밀러 지수들(Miller indices) 및 0이 아닌 l 밀러 지수를 갖는 어느 면이라도 포함할 수 있다.

기술적 설명

본 발명은 반극성 GaN, GaN 클래딩, InGaN 가이딩 층들 및 AlGaN 배리어들을 포함하는 LD를 개시한다. AlGaN 성장이 다양한 어려움들을 유발하기 때문에 AlGaN-클래딩 프리 소자들은 대량 생산에 적합하고, InGaN 가이딩이 LD의 광학 모드(optical mode)를 구속하는 데 필수적이다. 더 높은 In 조성이 바람직하나, 높은 In은 미스핏 전위들을 유발한다(참조문헌 [1]을 참조). AlGaN 배리어들은 스트레인을 보상함에 의해 미스핏 전위를 방지할 수 있고, 이는 본 발명이 가이딩 층 내의 In 조성을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

공정 단계들

도 2는 반극성 면 III-족 질화물-계 광학전자 소자의 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다. 이러한 방법은 다음의 단계들을 포함한다.

블록(200)은 반극성 성장을 위하여 적합한 기판, 예를 들어 Mitsubishi Chemical Corporation에 의해 제공되는 프리 스탠딩(free standing) (20-21) GaN 기판을 얻는 단계를 나타낸다.

블록(202)은 상기 기판 상에 하나 또는 그 이상의 제1 III-족 질화물 소자 층들을 퇴적(예를 들어, 성장)시키는 단계를 나타낸다. 상기 제1 III-족 질화물 층들은 상기 기판 상의 하나 또는 그 이상의 제1 극성(polarity) 또는 제1 도핑된(예를 들어, n-형 또는 p-형) III-족 질화물 층들을 포함할 수 있다.

블록(204)은 블록(202)의 상기 III-족 질화물 층들 상에 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 활성층들을 퇴적하는 단계를 나타낸다. 도 3은 이러한 단계가 제1 알루미늄(Al) 함유(예를 들어, Al _x Ga _{1 - x} N, 0 < x < 1) 퀀텀 웰 배리어 층(300)을(예를 들어, 블록(202)의 상기 n-형 또는 p-형 III-족 질화물 층들 상에) 퇴적하고, 이후 인듐(In) 함유 퀀텀 웰 층(302)을 제1 Al 함유 퀀텀 웰 배리어 층(300) 상에 퇴적하며, 그 이후 제2 Al 함유(예를 들어, Al _x Ga _{1 -x} N, 0 < x < 1) 퀀텀 웰 배리어 층(304)을 In 함유 퀀텀 웰 층(302) 상에 퇴적하는 단계를 포함할 수 있다. 다중 퀀텀 웰들(multiple quantum wells, MQWs)이 존재하도록 층들이 퇴적될 수 있다. 도 3은 예를 들어 트리메틸알루미늄(Trimethlyaluminum, TMA) 플로우들(flows)(306) 및 트리에틸갈륨(Triethlylgallium, TEG) 플로우들(308)을 사용하여 성장한 배리어 층들(300, 304) 및 트리메틸인듐(trimethylindium, TMI) 플로우(310) 및 TEG 플로우(308)를 사용하여 성장한 퀀텀 웰 층(302)을 나타낸다. MQW들의 경우, 적어도 하나의 AlGaN 배리어가 MQW 내의 각각의 QW 사이에 위치할 수 있다.

Al 함유(예를 들어, Al _x Ga _{1 - x} N) 퀀텀 웰 배리어들(300, 304) 내의 Al 조성 퍼센트 x는, 예를 들어 0 < x < 5 %일 수 있다. AlGaN 퀀텀 웰 배리어들의 Al 조성은 더 낮은 Al 조성을 갖는 퀀텀 웰 배리어(들)과 비교할 때, 상기 퀀텀 웰들 내의 높은 In 조성에 의한 스트레인을 보상함에 의해, 상기 MQW 내의 퀀텀 웰들 내의 높은 In 조성에 의해 유발되는 LED 내의 삼각형 암점들(triangular dark defects)을 감소시키거나 방지할 수 있다.

In 함유(예를 들어, InGaN) 퀀텀 웰 층(302)은 제1 및 제2 Al 함유(예를 들어, AlGaN) 퀀텀 웰 배리어 층들(300, 304)이 없는 소자와 비교할 때 더 높은 인듐(In) 조성을 가질 수 있다. In 함유(예를 들어, InGaN) 퀀텀 웰 층(302) 및 제1 및 제2 Al 함유(예를 들어, AlGaN) 배리어 층들(300, 304)은 상기 소자가 녹색, 황색 또는 적색 스펙트럼 영역에서 피크 강도, 예를 들어 515 nm 또는 528 nm보다 큰 피크 파장을 갖는 빛을 발산하거나 흡수하도록 할 수 있다. In 함유(예를 들어, InGaN) 퀀텀 웰 층(302)은 예를 들어 적어도 16%의 In 조성 및 4 nm보다 큰 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, QW 내의 In 병합(incorporation)이 증가할수록, QW로부터의 발산 파장이 더 긴 파장들을 향해 증가한다.

블록(206)은 블록(204)의 상기 활성층 상에 하나 또는 그 이상의 제2 III-족 질화물 층들을 퇴적하는 단계를 나타낸다. 상기 제2 III-족 질화물 층들은 하나 또는 그 이상의 제2 극성 또는 제2 도핑된(n-형 또는 p-형) III-족 질화물 층들을 포함할 수 있다. 상기 제2 극성 또는 제2 도핑된 III-족 질화물 층들은 예를 들어, 블록(202)에서의 층들과 반대의 극성을 가질 수 있다. 예를 들면, 블록(202)에서 n-형 III-족 질화물 층들이 퇴적된다면, 블록(206)에서 p-형 III-족 질화물 층들이 퇴적될 수 있다. 또는, 예를 들어, 블록(202)에서 p-형 III-족 질화물 층들이 퇴적된다면, 블록(206)에서 n-형 III-족 질화물 층들이 퇴적될 수 있다.

블록(202) 및 블록(206)의 상기 III-족 질화물 층들은 예를 들어 웨이브가이딩 층들 및 클래딩 층들(예를 들면, GaN 또는 AlGaN 클래딩 층들)을 포함할 수 있다.

이러한 개시 전체에 걸쳐, 용어 "상의(on)"(제2 층 "상의" 제1 층을 설명하는 데 사용되는 것과 같이)는 제2 층 상에 또는 그 위에, 위에 가로놓인, 또는 제2 층에 결합된 제1 층을 포함하도록 정의된다.

블록(208)은 결과 소자 구조물을 나타낸다.

일 실시예에 있어서, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 결과 소자 구조물(400)은 제1 도핑된(예를 들어, n-형) III-족 질화물 소자 층(404) 및 제2 도핑된(예를 들어, p-형) III-족 질화물 소자 층(406) 사이에 위치한 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 활성층들(402)을 포함하는 III-족 질화물 소자 층들을 포함한다. 이와는 달리, 층(404)은 p-형이고, 층(406)은 n-형일 수 있다. 기판(410)(예를 들어, GaN)의 상면(408) 상에 상기 III-족 질화물 층들이 퇴적된다. 평면 스텝 성장(planar step growth)이 얻어지고, 상기 소자의 층들 및 퀀텀 웰 구조가 매끄러운 평면 표면들을 갖도록 GaN 기판의 상면이 반극성 면(예를 들어, 20-21, 11-22, 30-31, 30-3-1, 10-1-1, (n 0 -n 1), (n 0 -n -1) 면)일 수 있고, 이 때 n은 정수이다.

III-족 질화물 층들은 특정한 타입의 소자 층으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 광학전자 소자의 III-족 질화물 층들은 LD, AlGaN 클래딩 프리 LD, 발광 다이오드(LED), 솔라셀(solar cell), 수광소자(photodetector), 광자 결정 레이저(photonic crystal laser), 수직형 캐비티 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 초발광 다이오드(superluminescent diode), 반도체 증폭기(semiconductor amplifier), 트랜지스터(예를 들어, HEMT(High Electron Mobility Transistor)), 등을 위한 소자 층들일 수 있다.

다른 실시예들에 있어서, 도 4(b)는 프리 스탠딩 (20-21) GaN 기판(410) 상에, (20-21) 반극성 면인 기판(410)의 상면(408) 상에, 호모에피택셜하게(homoepitaxially) 성장한 LD 구조물(412)을 포함하는 결과 소자 구조물을 나타낸다.

도 4(b)의 구조물은 AlGaN-클래딩 프리이며, GaN 기판(410) 상의 n-형 GaN(n-GaN) 층(414), n-GaN 층(414) 상의 n-GaN 클래딩 층(416)(1 ㎛ 두께의 Si-도핑된 n-GaN); n-GaN 클래딩 층(416) 상의 5-15%의 In 조성을 갖는 n-형 InGaN(n-InGaN) 초격자(superlattice, SL) SCH 또는 웨이브가이딩 층(418) (50 nm 두께의 Si-도핑된 In _x Ga _{1 - x} N (x= 7~10%)), 반극성 InGaN 퀀텀 웰들 및 상기 반극성 InGaN 퀀텀 웰들 사이의 AlGaN 퀀텀 웰 배리어들을 포함하는 퀀텀 웰 구조(4.5 nm 두께의 InGaN 웰 및 10 nm 두께의 AlGaN 배리어를 갖는 3-기 MQW(3-period MQW))를 포함하며, 상기 퀀텀 웰 구조가 n-형 InGaN SL SCH(418) 상에 위치하는 활성 영역(420); 상기 활성층(420) 상의 p-형 AlGaN 전자 블로킹 층(EBL)(422)(10 nm 두께의 Al _{0 .20} Ga _{0 .80} N); AlGaN EBL (422) 상의 5-15%의 In 조성을 갖는 p-형 InGaN(p-InGaN) SL SCH 또는 웨이브가이딩 층(424)(50 nm 두께의 Mg-도핑된 In _x Ga _{1 - x} N (x= 7~10%)); p-형 InGaN SCH 또는 웨이브가이딩 층(424) 상의 p-형 GaN(p-GaN) 클래딩 층(426)(500 nm 두께의 Mg-도핑된 p-GaN), 및 p-형 GaN 클래딩 층(426) 상의 p ⁺⁺ -형 GaN 컨택 층(428)(100 nm 두께의 Mg-도핑된 p ⁺⁺ GaN 컨택 층)을 더 포함할 수 있다.

그러나, 다른 실시예에서, 상기 소자는 GaN과는 다른 재료의 클래딩 층들(416, 426)을 구비할 수 있고, 예를 들어 AlGaN 클래딩 층들이 사용될 수 있다.

상기 소자 구조물은 대기압(atmospheric pressure) 유기금속 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)에 의해 성장될 수 있다. 성장 조건들은 참조문헌 [27]("LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES"라는 발명의 명칭으로 Arpan Chakraborty, You-Da Lin, Shuji Nakamura 및 Steven P. DenBaars 에 의해 2010년 6월 7일 출원된 미국 실용 출원 번호 제12/795,390호이며, 이들은 그 전체로서 본 명세서에 참조로서 원용됨)에 기술된 것과 같을 수 있다.

블록(202) 및 블록(206)의 n-형 및 p-형 III-족 질화물 층들은 하부 및 상부 인듐(In) 함유(예를 들어, InGaN) 웨이브 가이딩 층들 또는 SCH 층들을 포함할 수 있고, 이들은 다양한 In 조성을 포함하는 벌크 구조 또는 InGaN/GaN (또는 InGaN/AlGaN) 초격자(SL) 구조들(418, 424)일 수 있다. 하부 및 상부 In 함유(예를 들어, InGaN) 가이딩 층들 및 SCH(418, 424)는(활성층(420)의 어느 면 상에라도 위치하여 상기 활성층이 상기 하부 가이딩 층 상에 그리고 상기 상부 가이딩 층 아래에 있도록) 위치할 수 있고, 하부 및 상부 In 함유 가이딩 층들 또는 SCH(418, 424) 사이에 상기 레이저 다이오드의 광학 모드를 구속하기 위한 조성을 가질 수 있다. 하부 및 상부 In 함유 웨이브가이딩 층들 또는 SCH의 In 조성은 Al 함유(예를 들어, AlGaN) 퀀텀 웰 배리어들이 구비되지 않은 레이저 다이오드 또는 유사한 소자의 상부 및 하부 웨이브가이딩 층들 내의 In 조성보다 높을 수 있다. 하부 및 상부 In 함유(예를 들어, InGaN) 웨이브가이딩 또는 SCH 층들(418, 424)의 In 조성은 예를 들어 5%보다 크거나, 또는 10%보다 클 수 있다. 웨이브가이딩 층들은 또한 가이딩 층들로 지칭될 수도 있다.

도 4(c)는 SCH 층들(418, 424)이 SL 구조들인 것을 나타내는, 도 4(b)의 구조를 갖도록 제조된 LD의 TEM 이미지이다. 도 4(c)는 또한 반극성 InGaN 퀀텀 웰들(430), 반극성 InGaN 퀀텀 웰들(430) 사이의 AlGaN 퀀텀 웰 배리어들(432)을 포함하는 활성층(420)의 퀀텀 웰 구조, 및 AlGaN EBL(422)를 나타낸다.

따라서, 블록(204), 도 4(a) 및 도 4(b)는 활성층(420)을 포함하는 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 소자 층들을 나타내며, 상기 활성층은 적어도 제1 및 제2 AlGaN 퀀텀 웰 배리어 층들(432); 및 제1 및 제2 AlGaN 퀀텀 웰 배리어 층들(432) 사이에 위치한 반극성 InGaN 퀀텀 웰 층(430)을 포함하고, 반극성 InGaN 퀀텀 웰 층 및 제1 및 제2 AlGaN 퀀텀 웰 배리어 층들(432)이 반극성 면(408) 상에서 반극성 방위로 성장한다.

도 4(d)는 n-InGaN (7% In) 벌크 SCH(434) 및 p-InGaN (7% In) 벌크 SCH(436) 층들(SL 층들(418, 424) 대신에)을 갖는 도 4(b)에 따른 AlGaN-클래딩 프리 레이저 구조물의 TEM 이미지를 나타낸다. 또한, 도시된 것은 p-GaN 층(426), EBL 층(422) 및 AlGaN 배리어들(432)을 구비하는 InGaN 웰들(430)을 포함하는(n-형 InGaN(7% In 함유) 벌크 SCH(434) 상의) 퀀텀 웰 구조이다. 미스핏 전위들이 도 4(d)의 TEM에서는 관찰되지 않는다.

도 4(e)(화살표를 따라 g = 0002) 및 도 4(f)(화살표를 따라 g = 11-20)는 n-형 InGaN(7% In) 벌크 SCH 층(434) 및 p-형 InGaN(7% In) 벌크 SCH 층(436)(SL 층들(418, 424) 대신에)을 갖는 LD 구조물의 TEM 이미지들을 나타내며, 활성 영역(420)이 n-형 7% InGaN 벌크 SCH 층(434) 상의 퀀텀 웰 구조를 포함하고, 상기 퀀텀 웰 구조는 AlGaN 배리어들(432)를 구비하는 InGaN 웰들(430)을 포함한다. 도 4(e) 및 도 4(f)의 TEM 이미지들은 결함들을 보이지 않고(예를 들어, 적층 결함들이 보이지 않음) 미스핏 전위들을 보이지 않는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 적층 결함 또는 미스핏 전위 밀도는 10 ⁶ cm ^-2 보다 작을 수 있다.

Al 함유 퀀텀 웰 배리어들(432)의 Al 조성은, 더 낮은 Al 조성을 갖는 퀀텀 웰 배리어(들)과 비교할 때 하부 및 상부 In 함유 가이딩 층들(418, 424)에 의해 유발되는 상기 레이저 다이오드 또는 소자 내의 스트레인을 보상함에 의해, 하부 및 상부 In 함유 가이딩 층들(418, 424)의 In 조성에 의해 유발되는 상기 레이저 다이오드 또는 소자 내의 미스핏 전위들을 감소시키거나 방지할 수 있다.

예를 들어, Al 함유 퀀텀 웰 배리어들(432)의 Al 조성은 더 낮은 Al 조성을 갖는 퀀텀 웰 배리어(들)과 비교할 때 퀀텀 웰들(430) 내의 높은 In 조성 내의 스트레인을 보상함에 의해 높은 퀀텀 웰들 내의 높은 In 조성에 의해 유발되는 레이저 다이오드 또는 소자 내의 비발광 결함들(예를 들어, 삼각형 암점들)을 감소시키거나 방지할 수 있다.

도 4(a) 및 도 4(b)는 또한 III-족 질화물 층들(402-406)이 상면(408) 상에 반극성 방위 또는 방향(예를 들어 20-21 방향)(438)으로 에피택셜하게 성장할 수 있어, 각각의 층(402-406)의 상면 또는 그 사이의 계면(440)이 반극성 면(예를 들어, 표면(408)의 반극성 면)인 것을 나타낸다.

본 발명은 Al 함유 퀀텀 배리어 층들, In 함유 퀀텀 웰 층들 및 In 함유 SCH 층들을 사용할 수 있다. 도 4(b) 내지 도 4(f)는 Al 함유 층들이 AlGaN(432)이고, In 함유 층들이 InGaN(430, 418)인 특정한 예시들을 나타낸다.

블록(210)은 상기 소자 구조물을 소자로 공정하는 단계를 나타낸다. 예를 들어, 1200 ㎛의 캐비티(cavity) 길이들을 갖는 2 ㎛ 리지들(ridges)의 스트라이프 패턴들(stripe patterns)이 통상의 리소그래피(lithography) 및 건식 식각(dry etching) 기술에 의해 c-축의 면내 프로젝션(in-plane projection)을 따라 도 4(a)의 구조물 내에 형성될 수 있다. 패싯들(facets)은 쪼갬(cleaving)에 의해 형성될 수 있다. SiO ₂ (520 nm에서 n = 1.5) 및 Ta ₂ O ₅ (520 nm에서 n = 2.2) 스택들로 구성된 고반사 DBR(distributed Bragg reflectors)이 통상의 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 쪼개진 패싯들 상에 퇴적되었다. 520 nm에서의 전면(front) 및 배면(rear) 패싯들의 반사율은 각각 97 및 99%였다.

일 실시예에 있어서, 상기 소자 구조물은 적어도 3의 광학 구속 인자(optical confinement factor) 및 20 mA의 구동 전류에서 적어도 2 mW의 아웃풋 파워를 갖는 레이저 다이오드 구조물이다.

광학전자 및 전자 소자들의 제조 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 단계들은 생략되거나 첨가될 수 있고, 또는 부가적인 층들(예를 들어, n- 및 p-컨택들 및 전극들)이 추가될 수 있다.

실험 결과들

도 5(a) 및 도 5(b)는 (20-21) 면 상에 성장한 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 레이저 구조물의 형광 현미경 이미지들(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(118) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는)을 나타낸다. 그러나, 도 5(a)는 벌크 InGaN SCH(108, 114)가 없는 도 1의 레이저 구조물 이미지인 반면, 도 5(b)는 벌크 InGaN SCH(108, 114)가 있는 도 1의 레이저 구조물 이미지이다. 도 5(a) 및 도 5(b) 모두에서 활성층(110)은 (

) 면 상에 성장한 GaN 또는 InGaN 배리어들을 갖는 InGaN 퀀텀 웰을 포함한다. 검은 라인 피쳐(500)는 벌크 InGaN SCH(108, 114)를 갖는 경우(도 5(b))에서 보여지나, 검은 라인 피쳐는 벌크 InGaN SCH(108, 114)를 갖지 않는 경우(도 5(a))에서는 보이지 않는다.

도 6(a) 및 도 6(b)는 (20-21) 면 상에 성장한 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 LD 구조물의 형광 현미경 이미지들(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(118) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는)을 나타낸다. 도 6(a) 및 도 6(b)는 5%의 벌크 InGaN SCH(108, 114)(도 6(a)) 및 7.5%의 벌크 InGaN SCH(108, 114)(도 6(b))을 갖고, (

) 면 상에 성장한 AlGaN 클래딩 프리 LD 구조물에 대하여 측정된다. 검은 라인 피쳐들 또는 결함들(600)은 도 6(b)에서 더 우세하며, (도 6(a)와 비교할 때 도 6(b) 내의 더 많은 검은 라인 결함들에 의해 나타나듯이) 이는 SCH(108, 114) 내의 In 조성이 증가함에 따라 검은 라인 피쳐들 또는 결함들(600)의 수가 증가함을 나타낸다.

SCH 내의 더 높은 In 조성은 또한 전체 구조 내에 더 높은 압축 스트레인(compressive strain)이 축적되는(build up) 것을 의미하고, 이에 따라 활성 영역 내에 검은 라인 결함 형성을 유발한다.

도 7(a) 및 도 7(b)는 (20-21) 면 상에 성장한 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 LD 구조물의 형광 현미경 이미지들(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(118) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는)을 나타낸다. 도 7(a) 및 도 7(b)는 4.5 nm 두께를 갖는 3 개의 InGaN 퀀텀 웰들 및 10 nm 두께의 InGaN 배리어들을 포함하는 3-기 MQW를 갖는 (20-21) 면 상에 성장한 AlGaN 클래딩 프리 LD 구조물에 대하여 측정된다. 크고 검은 삼각형 영역들(700)(감소된 광 출력을 갖는) 및 어두운 라인 결함들(702)이 보인다.

도 8(a) 및 도 8(b)는 도 1의 AlGaN-클래딩 프리 LD 구조물의 형광 현미경 이미지들(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(118) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는)을 나타낸다. 도 8(a) 및 도 8(b)는 4.5 nm 두께를 갖는 5 개의 InGaN 퀀텀 웰들 및 10 nm 두께의 InGaN 배리어들을 포함하는 5-기 MQW를 갖는 (20-21) 면 상에 성장한 AlGaN 클래딩 프리 LD 구조물에 대하여 측정된다. 크고 검은 삼각형 영역들(800)(감소된 광 출력을 갖는) 및 어두운 라인 결함들(802)이 보인다.

도 4(b)의 구조를 사용하여 세 개의 레이저 샘플들(레이저 A, 레이저 B 및 레이저 C)이 성장하였다. 레이저 A에서, AlGaN 배리어들(432)은 GaN 배리어들(GaN br)로 대체되었고, 레이저 B에서, Al _{0 .05} Ga _{0 .95} N 배리어들(432)이 사용되었고(AlGaN br), 레이저 C에서, AlGaN 배리어들(432)은 In _{0 .03} Ga _{0 .97} N 배리어들(InGaN br)로 대체되었다.

도 9는 LD 성장 이후의 레이저 A, 레이저 B 및 레이저 C의 상부의 디지털 사진들이다. 레이저들 A, B 및 C의 일렉트로루미너센스(EL) 자발 발산 피크 파장은 520-540 nm 사이의 범위였다. 레이저 B(AlGaN 배리어들을 갖는)는 가시 범위(visual scale)에서 균일해 보이는 것이 명백하다. 반대로, 레이저 A(GaN 배리어들을 갖는) 및 레이저 C(InGaN 배리어들을 갖는)의 넓은 면적들은 가시 범위에서(어두운 영역들(900)에 의해 확인되듯이) 불균질(inhomogeneous)했다. 따라서, 상기 III-족 질화물 소자 층들은 상기 활성층이 빛을 발산하는 발광 소자를 형성할 수 있고, 상기 소자는 상기 활성층의 상면 전체, 저면 전체 또는 측벽 전체 중 하나 또는 그 이상을 가로질러 균일하게 상기 빛을 발산한다.

도 10(a) 및 도 10(b)에, 동일한 면적의 레이저 A의 형광 현미경 이미지 및 광학 현미경 이미지(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(428) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는)가 각각 도시된다. 본 발명은 비발광 삼각형 영역들(1000)이 형광 및 광학 현미경 이미지들 모두에서 관찰될 수 있음을 주목한다. 삼각형 영역들(1000)은 아마도 QW들(430) 내에 높은 밀도의 비방사 재결합 센터들(nonradiative recombination centers)을 갖는 결함들을 포함하고, 이러한 결함 클러스터들(defect clusters)은 녹색 스펙트럼 영역(발산 파장 λ > 515 nm) 내에서 QW들(430)로부터의 낮은 아웃풋 파워를 유발한다.

도 11(a) 내지 도 11(c)에 각각 레이저 A(GaN 배리어들을 갖는), 레이저 B(AlGaN 배리어들을 갖는) 및 레이저 C(InGaN 배리어들을 갖는)의, 더 큰 배율(magnification)로 상기 레이저 구조물의 상면 또는 p ⁺⁺ GaN(428) 면을 보는, 형광 현미경 이미지들을 나타낸다. 도 11(b)에서, 레이저 B는 비발광 영역들이 없는 균일한 QW 발산을 나타내며, EL 자발 발산 피크 파장은 527 nm였다. 에피택셜 성장이 InGaN 가이딩 층들(418, 424)을 포함할 때, 세 가지 LD들 모두에 공통으로, [

] 방향을 따른 홈들(striations)(1100)이 보인다. 레이저 B와 비교하여, 레이저들 A 및 C의 형광 이미지들은 이러한 에피택셜 웨이퍼들의 더 낮은 퀀텀 효율을 나타내는 넓은 삼각형 비발광 영역들(1102, 1104)을 보인다. 이러한 삼각형 결함들의 스케일이 상당히 커서(100 ㎛ 이상), 높은 퀀텀 효율을 갖는 영역은 현저히 감소한다는 점에 주목한다. 이러한 삼각형 결함들을 갖는 LD들은 더 낮은 내부 퀀텀 효율, 불균일 발산 영역 및 높은 광학 손실(optical loss)을 갖는다. 따라서, 본 발명은 상기 소자 구조물 내의 어두운 또는 비발광 결함들이 100 ㎛ × 100 ㎛ 보다 작은 표면적 및 ~4.5×10

³ cm

^-2 보다 작은 밀도를 가지는 소자를 가능하게 할 수 있다.

도 12(a) 및 도 12(b)에, 레이저 A 에피택셜 웨이퍼 전체 및 레이저 B 에피택셜 웨이퍼 전체의 형광 이미지들이(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(428) 면으로부터 발산되는 형광 발광을 보는) 각각 나타난다. 형광 현미경 하에서, 본 발명은 빛이 발산되지 않는 다수의 작은 삼각형 비발광 피쳐들(1200)을 포함하는 레이저 A 내의 비발광 영역들을 확인한다. 레이저 B(AlGaN 배리어들을 갖는)는 훨썬 적고 작은 삼각형 비발광 영역들(1200)을 갖는다. 양 LD들에서, 포토루미네선스(PL) 피크 파장은, 의도치 않게, 서셉터(susceptor) 상에서의 온도 불균일함에 기인하여 웨이퍼들을 가로질러 왼쪽으로부터 오른쪽으로 점진적으로 증가하고, 이는 웰들(430) 내의 인듐 조성이 상기 웨이퍼들을 가로질러 왼쪽으로부터 오른쪽으로 점진적으로 증가함을 가리킨다. 레이저 A의 경우에, PL 피크 파장들이 증가함에 따라 삼각형 형상의 비발광 영역들(1200)의 수 또한 증가하였다. 레이저 B의 평균 PL 피크 파장이 더 길었음에도 불구하고, 레이저 B는 레이저 A보다 더 나은 발산 균일성 및 더 적은 삼각형 비발광 영역들(1200)을 보여준다.

모든 웨이퍼들 중 삼각형 비발광 영역들의 방위는 상기 웨이퍼의 동일한 면을 바라보며, 이는 삼각형 비발광 영역들이 결정학적(crystallographic)인 것을 의미한다. 또한, 프리스탠딩 (20-21) GaN 기판들의 c-축 방향을 향한 미스컷 앵글(miscut angle)(φ _c )은 녹색 스펙트럼 영역 내의 활성 영역들의 품질에 악영향을 미친다. φ _c > 0.25˚일 때, 비발광 영역들의 숫자 및 크기 모두 현저하게 증가한다. 상기 활성 영역 내에 AlGaN 배리어들을 가진 경우, φ _c > 0.45˚일 때조차 고품질 활성 영역이 얻어질 수 있다. BPSF 및 미스핏 전위들이 TEM 분석에 의해 레이저 A 및 레이저 C에서 관찰되었다.

도 13(a) 내지 도 13(c)는 GaN 배리어를 갖는 도 4(a)의 레이저 구조물(도 13(a)), 상기 GaN 배리어가 InGaN 배리어로 대체된 레이저 구조물(도 13(b)) 및 GaN 배리어가 AlGaN 배리어로 대체된 레이저 구조물(도 13(c))를 갖는 다른 샘플의 형광 현미경 이미지들이(상기 레이저 구조물의 상부 면, 또는 p ⁺⁺ GaN(428) 면을 보는) 나타난다. 도 13(a) 내지 도 13(c)는 AlGaN 배리어들이 삼각형 비방사 결함들(1300)을 방지하는 데 효과적이었음을 확인한다.

도 14는 InGaN 초격자 SCH 층(In 퍼센트 = 10%)의 XRD 스캔을 나타내고, 도 15는 AFM 스캔을 나타내며, 도 15의 RMS 표면 거칠기는 5 ㎛ x 5 ㎛ 의 영역 상에서 0.07 nm이다. 또한, 도 4(a) 또는 도 4(b)의 소자 구조물의 하나 또는 그 이상의, 또는 모든 III-족 질화물 소자 층들(402-406)이 0.07 nm 보다 작은 RMS 거칠기를 갖는 상면(440)을 구비할 수 있다. 도 15에 나타난 표면(1500)은 층(418)의 상면이고, (20-21) 반극성 면이다.

XRD 스캔 내의 선명한 프린지(fringe) 피크들은 SCH 막의 우수한 결정 품질 및 코히런트 성장을 나타낸다.

도 16은 레이저 소자들의 대표적인 쪼개진 패싯들(1600)의 SEM 이미지를 나타내며, 상기 LD는 두 개의 미러들(mirrors)에 의해 구속된 레이저 캐비티(laser cavity)를 더 포함할 수 있음을 보여준다. 그러나, 상기 LD는 쪼개진 미러들에 한정되는 것은 아니고, 상기 미러들은 예를 들어 식각될 수도 있다(예를 들면, 건식 식각에 의하여).

도 17은 레이저 B의 역격자(reciprocal lattice) 맵핑(mapping)을 나타내며, GaN(1700) 및 InGaN SCH 및 QW들(1702)의 맵핑을 나타내고, 코히런트 성장을 입증한다. 적층 결함들 또는 미스핏 전위들이 없는 코히런트 성장이 도 4(c)의 TEM 이미지에서 관찰되었다.

도 18은 레이저 에피택셜 웨이퍼들의 파장의 함수로서의 EL 아웃풋 파워의 스캐터 플롯(scatter plot)을 나타낸다. AlGaN 배리어들을 갖는 에피택셜 웨이퍼들은 더 높은 EL 아웃풋 파워를 가지고, InGaN 또는 GaN 배리어들을 갖는 웨이퍼들의 현재 상한(present upper limit)(1802)보다 더 높은 현재 상한(1800)을 가진다. AlGaN 배리어들(432)의 사용은 녹색 및 황색 스펙트럼 영역들 내의 발산을 위한 높은 내부 광자 효율로의 경로(pathway)를 제공한다. 비발산 영역들의 제거(elimination)에 대한 AlGaN 배리어들(432)의 영향은 515 nm보다 긴 PL 피크 파장들에서 현저하다.

레이저 B는 도 4(a)의 구조물 내에서 통상의 리소그래피 및 건식 식각 기술에 의하여 c-축의 면내 프로젝션을 따라 형성된, 캐비티 길이 1200 ㎛를 갖는 2 ㎛ 리지들의 스트라이프 패턴들을 사용하여 소자들로 공정되었다. 패싯들은 쪼개짐에 의해 형성되었다. SiO ₂ (520 nm에서 n = 1.5) 및 Ta ₂ O ₅ (520 nm에서 n = 2.2) 스택들을 포함하는 고반사 DBR이 상기 쪼개진 패싯들 상에 통상의 스퍼터링 공정에 의해 퇴적되었다. 전면 및 후면 패싯들의 반사율은 520 nm에서 각각 97 및 99%였다.

도 19(a) 및 도 19(b)는 펄스 구동 하에서(0.01% 듀티 사이클(duty cycle)) 레이저 리지 폭 2 ㎛ 및 캐비티 길이 1200 ㎛의 경우에, 레이저 B의 레이저 스펙트럼 및 광 아웃풋 파워-주입 전류(injected current)-전압(LIV) 커브들을 각각 나타낸다. 도 19(a)는 구동 전류 20 mA에서의 자발 발산의 대표적인 스펙트럼들, 및 구동 전류 I > I _th 에서의 유도 발산(stimulated emission)을 도시한다. 낮은 전류 20 mA에서의 자발 발산 피크 및 레이저 파장은 각각 528 nm 및 516 nm였다. 도 19(b)는 문턱 전류 밀도 30 kA/cm ² 에 대응하여 문턱 전류가 720 mA였음을 나타낸다. 도 19(a)의 자발 발산 스펙트럼은 본 발명이 적어도 528 nm의 피크 파장을 갖는 광학전자 소자로부터의 발산을 가능케 함을 보여준다.

도 20은 도 4(b)의 구조 및 AlGaN 배리어(432)를 갖는 다른 LD 샘플로부터의 레이저를 나타내며, 513 nm의 레이저가 얻어졌다. 따라서, 본 발명은 500 nm 보다 큰 피크 파장, 예를 들어 적어도 513 nm의 파장에서 레이저를 생성하는 LD를 개시한다.

도 21의 시뮬레이션(simulation)에 기초할 때[21], GaN 배리어 및 50 nm의 n- 및 p- In _0.1 Ga _0.9 N 가이딩 층들을 가질 때의 계산된 광학 구속 인자는 3.33%였다. 상기 배리어들 내의 Al 퍼센트가 0에서 10%까지 변화할 때, 상기 광학 구속 인자들은 3.33에서 2.83%로 변화하였다. 이러한 시뮬레이션에 따르면, 광학 구속을 더 향상시키기 위하여, 상기 가이딩 층들 내의 인듐 함량이 증가될 수 있고, 높은 퀀텀 효율의 활성 영역을 얻기 위하여 배리어들 내의 알루미늄 함량이 최소화될 수 있다. 본 발명은 발산 균일성 및 내부 효율을 향상시키기 위하여 AlGaN 배리어 내에 요구되는 최소의 Al 조성이 3%이었음을 확인하였다. 그러나, 본 발명은 이러한 Al 조성 및 이러한 시뮬레이션 결과들에 한정되는 것은 아니다.

전술한 실험 결과들은 고효율 활성 영역 및 균일하고 매끄러운 가이딩 층들과 함께 매끄러운 계면들 및 표면 모폴로지를 얻기 위한 본 발명의 목표가 달성되었음을 나타낸다.

1. 스트레인 보상 층 및 웰들 사이의 배리어들로서의 AlGaN 층들(1-5% Al)의 사용은, 그리고 이들이 높은 In 조성의 퀀텀 웰들 및 SCH 층들로부터의 스트레인들을 보상하고, 비방사 결함 감소 및 녹색 발산 영역 내의 균일한 퀀텀 웰 발산을 유발한다. AlGaN 배리어와 함께, 더 높은 In 조성의 SCH가 상기 레이저 구조물 내에 사용될 수 있다.

2. InGaN 벌크 SCH들과 비교할 때 유사한 온도들에서 성장한 높은 In-함량의 In _x Ga _1-x N/GaN 초격자 SCH들(x = 5-25%)의 사용은 매끄럽고 결함 없는 웨이브-가이딩 층들을 유발할 수 있다. 평균 In 함량은 8 내지 15% 범위일 수 있다.

본 발명은 GaN 클래딩 층들을 채용하였다. 전형적인 LD 구조물들에서, QW 주기들의 수는 2 내지 6의 범위일 수 있고, 웰 폭은 2 내지 8 nm 범위일 수 있고, 배리어 폭은 6 내지 15 nm 범위일 수 있다. 최종 배리어(last barrier)의 일반적인 두께는 5 내지 20 nm일 수 있다. 최종 배리어 이후에 AlGaN 전자 블로킹 층(EBL)이 따라올 수 있고, 이를 위한 일반적인 두께 및 Al 조성은 각각 6 내지 20 nm 및 10 내지 25%일 수 있다. AlGaN EBL은 일반적으로 Mg로 도핑된다.

일 실시예에 있어서, 도 4(b)에 도시된 것처럼, 본 발명은 (20-21)-면 AlGaN 클래딩 프리 구조와 함께, 특히 녹색 스펙트럼 영역 내의 발산을 위하여 사용된다.

가능한 개선들

본 발명에 대해 아래의 가능한 개선들이 행해질 수 있다:

1. 본 발명은 극성, 비극성 및 반극성 LD들에 적용될 수 있다.

2. 본 발명은 예를 들어 자외선(ultraviolet, UV)으로부터 녹색 스펙트럼 영역까지, 그리고 더 긴 파장들까지의 범위를 갖는, 어느 파장을 발산하는 어떠한 발광 소자에도 적용될 수 있다.

3. 본 발명은 InGaN, GaN 또는 AlInGaN SCH 층들을 함유하는 LD 구조물들에 적용될 수 있다.

4. 하부 클래딩 층은 GaN 층 대신에 4원계 합금(AlInGaN) 또는 3원계 AlGaN 층일 수 있다.

5. 비대칭 설계(asymmetric design)는 하부 및 상부 클래딩 사이의 AlGaN 조성 차이를 사용할 수 있다.

6. 비대칭 설계는 또한 하부 및 상부 SCH 층들이 상이한 InGaN 조성을 갖는 구조를 포함할 수 있다.

7. 비대칭 설계는 또한 하부 및 상부 SCH 층들이 상이한 InGaN 초격자 및 InGaN 벌크 층들을 갖는 구조를 포함할 수 있다.

8. 다른 반극성 방위들(예를 들어, 상부에 LD가 성장한 반극성 면들)은 20-21, 11-22, 30-31, 30-3-1, 10-1-1, (n 0 -n 1), 및 (n 0 -n -1) 면들(n이 정수일 때), 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이는 스텝 성장(예를 들어, 평면 성장), 매끄러운 표면들 및 매끄러운 퀀텀 웰들이 이러한 면들 상에서 가능하기 때문이다. 따라서, 이러한 반극성 면(408)은 편평할(planar) 수 있다. 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 소자 층들은 편평한 층들일 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 층들은 편평한 상면을 구비할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 III-족 질화물 층들은 편평한 계면(다른 III-족 질화물 층들과의)을 구비할 수 있다.

9. LD 미러들은 건식 식각 또는 쪼개짐에 의해 식각될 수 있다. 대량 생산을 위하여 쪼개진 미러들이 선호되나, 반극성 GaN의 경우에 수직한 패싯들(vertical facets)을 보장하기 위하여 식각된 미러들이 선호된다.

10. 배리어 내의 Al 퍼센트(조성 %)는 0 < x < 5 %일 수 있다. AlGaN 배리어들은 더 작은 굴절률(refractive index)을 유발하며, 이는 광학 구속을 감소시키기 때문에, 배리어 내의 더 높은 Al 조성은 덜 적합하다.

11. InGaN 가이딩 층들은 다양한 In 조성을 포함하는 벌크 또는 InGaN/GaN 또는 InGaN/AlGaN 초격자(SL) 구조일 수 있다. 벌크가 성장시키기 용이하며 대량 생산을 위하여 적합하다. 그러나, SL은 임계 두께(critical thickness)를 증가시킬 수 있고, 따라서 본 발명은 미스핏 전위들 없이 가이딩 층의 평균 In 조성을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 광학 구속을 향상시킨다.

12. 본 발명은 LD들 내의 AlGaN 배리어 층들 및 SCH 층들을 설명하였다. SCH 층들(예를 들어, InGaN SCH 층들)은 일반적으로(필수적이지는 않지만) LD들 내에 사용되나, AlGaN 배리어 층들은 LD들 뿐만 아니라 발광 다이오드들(LEDs)과 같은 다른 광학전자 소자들 내에도 사용될 수 있다. 따라서, LD들 뿐만 아니라, LED들이 본 발명을 사용하여 제조될 수 있다. 변형들은 또한 다른 광학전자 소자들(광자 결정 레이저들, 솔라 셀들, 수광소자들, 초발광 다이오드들(SLDs), 반도체 증폭기들, 수직형 캐비티 표면 발광 레이저들(VCSEL) 및 트랜지스터들(예를 들어, HEMT)을 포함할 수 있다. 본 발명은 특정한 III-족 질화물 층들 또는 그 두께 또는 조성에 한정되는 것은 아니다. 4 nm보다 큰 퀀텀 웰 두께가 바람직하기는 하지만, 본 발명이 퀀텀 웰들 및 배리어들의 특정 수 또는 두께에 한정되는 것은 아니다.

13. 소자들은 예를 들어 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE) 및 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)를 포함하는, MOCVD 이외의 성장 방법을 사용하여 성장될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명이 여기 개시된 어느 특정 과학적 이론에 구속되도록 의도되지는 않는다.

장점들 및 개선점들

본 발명은 통상의 (

)-면 레이저 다이오드 구조물들과 비교할 때 다음의 장점들 및 개선점들을 갖는다:

1. AlGaN 배리어 층들의 사용이 녹색 발광 퀀텀 웰들 내에서 대규모 삼각형 결함들의 감소를 가져왔다.

2. AlGaN 배리어 층들의 사용이 더 높은 In 조성의 벌크 SCH 층들(In 퍼센트 > 7%)과 함께 매끄러운 표면 모폴로지 및 균일한 퀀텀 발산을 가져왔다.

3. InGaN 초격자 SCH 층들의 사용은 높은 In 함유 InGaN 층들의 성장을 가능하게 하였다.

4. 비대칭 InGaN SPSLS의 사용은 높은 In 함유 InGaN 층들의 성장을 가능하게 하였다.

참조문헌들

하기의 참조문헌들이 본 명세서에 참조로서 원용된다.

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[17] F. Wu, YD Lin, A. Chakraborty, H. Ohta, SP DenBaars, S. Nakamura 및 JS Speck: Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 231912.

[18] Y. Enya, Y. Yoshizumi, T. Kyono, K. Akita, M. Ueno, M. Adachi, T. Sumitomo, S. Tokuyama, T. Ikegami, K. Katayama 및 T. Nakamura: Appl. Phys. Express 2 (2009) 082101.

[19] JW Raring, EM Hall, MC Schmidt, C. Poblenz, B. Li, N. Pfister, DF Feezell, R. Craig, JS Speck, SP DenBaars 및 S. Nakamura: Proc. SPIE 7602 (2010) 760218.

[20] A. Tyagi, RM Farrell, KM Kelchner, CY Huang, PS Hsu, DA Haeger, MT Hardy, C. Holder, K. Fujito, D. Cohen, H. Ohta, JS Speck, SP DenBaars 및 S. Nakamura: Appl. Phys. Express 3 (2009) 011002.

[21] A. Tyagi, F. Wu, EC Young, A. Chakraborty, H. Ohta, R. Bhat, K. Fujito, SP DenBaars, S. Nakamura 및 JS Speck: Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 251905.

[22] CY Huang, YD Lin, A. Tyagi, A. Chakraborty, H. Ohta, JS Speck, SP DenBaars 및 S. Nakamura: J. Appl. Phys. 107 (2010) 023101.

[23] Yoshizumi et al., Applied Physics Express 2 (2009) 092101.

[24] You-Da Lin: 파워포인트 슬라이드, "Development of 516 nm green LDs for m-plane and semipolar GaN" Solid State Lighting and Energy Center Annual Review, University of California, Santa Barbara, 2010년 11월 5일.

[25] You-Da Lin et. al., "High Quality InGaN/AlGaN Multiple Quantum Wells for Semipolar InGaN Green Laser Diodes," Applied Physics Express 3 (2010) 082001.

[26] Tyagi et al., Applied Physics Express 3 (2010) 011002.

[27] Chakraborty et. al., 미국특허공개공보 제US 2010/0309943호, 2010년 12월 9일 공개, "Long Wavelength Nonpolar and Semipolar (Al,Ga,In)N based laser diodes."

결론

이는 본 발명의 바람직한 실시예의 설명에 대한 결론이다. 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들의 상술한 설명은 이해와 설명을 위한 목적으로서 개시되어 있다. 개시된 정확한 형상으로 본 발명을 배제하거나 한정하려는 목적이 아님을 유의한다. 많은 변형들과 변화들이 상술한 가르침 내에서 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 상세한 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 하기에 첨부된 청구항들에 의하여 한정된다.