CN102598314A - 通过结晶学蚀刻获得的超发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种光电子装置，其包括：有源区域和波导结构，所述波导结构用以提供对从所述有源区域所发射光的光学限制；位于所述装置的相对端上的一对小面，其具有相反表面极性；和已通过结晶学化学蚀刻工艺实施粗糙化的小面中的一者，其中所述装置为基于非极性或半极性(Ga，In，Al，B)N的装置。
Description
相关申请案交叉参考
本申请案在35U.S.C.§119(e)下主张共同待决且共同让与的美国临时专利申请案第61/257,752号(标题为“通过结晶学蚀刻获得的超发光二极管(SUPERLUMINESCENTDIODES BY CRYSTALLOGRAPHIC ETCHING)”，2009年11月3日由马修T.哈迪(Matthew T.Hardy)、林佑达(You-da Lin)、弘昭奥塔(Hiroaki Ohta)、史蒂文P.登巴尔斯(Steven P.DenBaars)、詹姆斯S.斯佩克(James S.Speck)和中村修二(Shuji Nakamura)提出申请，代理档案号：30794.330-US-P1(2010-113))的优先权，所述申请案以引用方式并入本文中。
本申请案涉及下列共同待决且共同让与的美国专利申请案：
美国实用型申请案第10/581,940号，2006年6月7日提出申请，现为美国专利第7,704,763号，2010年4月27日颁布，藤井哲夫(Tetsuo Fujii)、高言(Yan Gao)、胡玲(Evelyn.L.Hu)和中村修二，标题为“通过表面粗糙化获得的基于氮化镓的高效发光二极管(HIGHLY EFFICIENT GALLIUM NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODES VIASURFACE ROUGHENING)”，代理档案号：30794.108-US-WO(2004-063)，所述申请案在35U.S.C第365(c)部分下主张PCT申请案第US2003/039211号(2003年12月9日由藤井哲夫、高言、胡玲和中村修二提出申请，标题为“通过表面粗糙化获得的基于氮化镓的高效发光二极管”，代理档案号：30794.108-WO-01(2004-063))的权利；
美国实用型申请案第12/030,117号，2008年2月12日由丹尼尔F.法泽尔(Daniel F.Feezell)、马修C.施密特(Mathew C.Schmidt)、金光中(Kwang Choong Kim)、罗伯特M.法雷尔(Robert M.Farrell)、丹尼尔A.科恩(Daniel A.Cohen)、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯和中村修二提出申请，标题为“不含Al(x)Ga(1-x)N包层的基于非极性GAN的激光二极管和LED(Al(x)Ga(1-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASEDLASER DIODES AND LEDS)”，代理档案号：30794.222-US-U1(2007-424)，所述申请案在35U.S.C.第119(e)部分下主张美国临时申请案第60/889,510号(2007年2月12日由丹尼尔F.法泽尔、马修C.施密特、金光中、罗伯特M.法雷尔、丹尼尔A.科恩、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯和中村修二提出申请，标题为“不含Al(x)Ga(1-x)N包层的基于非极性GAN的激光二极管和LED”，代理档案号：30794.222-US-P1(2007-424-1))的权利；
美国实用型申请案第12/030,124号，2008年2月12日由罗伯特M.法雷尔、马修C.施密特、金光中、增井久志(Hisashi Masui)、丹尼尔F.法泽尔、丹尼尔A.科恩、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯和中村修二提出申请，标题为“非极性(Ga，Al，In，B)N二极管激光的激光棒定向的优化(OPTIMIZATION OF LASER BAR ORIENTATION FORNONPOLAR(Ga，Al，In，B)N DIODE LASERS)”，代理档案号：30794.223-US-U1(2007-425)，所述申请案在35U.S.C.第119(e)部分下主张美国临时申请案第60/889,516号(2007年2月12日由罗伯特M.法雷尔、马修C.施密特、金光中、增井久志、丹尼尔F.法泽尔、丹尼尔A.科恩、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯和中村修二提出申请，标题为“非极性(Ga，Al，In，B)N二极管激光的激光棒定向的优化”，代理档案号：30794.223-US-P1(2007-425-1))的权利；和
美国实用型申请案第12/833,607号，2010年7月9日由罗伯特M.法雷尔、马修T.哈迪、弘昭奥塔、史蒂文P.登巴尔斯、詹姆斯S.斯佩克和中村修二提出申请，标题为“用于改良生长于非极性或半极性(Ga，Al，In，B)N衬底上的(Ga，Al，In，B)N激光二极管的镜小面劈裂产率的结构(STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVINGYIELD OF(Ga，Al，In，B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR(Ga，Al，In，B)N SUBSTRATES)”，代理档案号：30794.319-US-P1(2009-762-1)，所述申请案在35U.S.C.第119(e)部分下主张美国临时申请案第61/224,368号(2009年7月9日由罗伯特M.法雷尔、马修T.哈迪、弘昭奥塔、史蒂文P.登巴尔斯、詹姆斯S.斯佩克和中村修二提出申请，标题为“用于改良生长于非极性或半极性(Ga，Al，In，B)N衬底上的(Ga，Al，In，B)N激光二极管的镜小面劈裂产率的结构”，代理档案号：30794.319-US-P1(2009-762-1))的权利；
所述申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及制造适于产生基于非极性(Ga，In，Al，B)N的超发光二极管(SLD)的低反射率小面。
背景技术
(注意：本申请案提及多个不同出版物，如在说明书通篇中由括号内的一个或一个以上参考编号所示，例如，(x)。根据这些参考编号编序的这些不同出版物列表可参见下文标题为“参考文献”的部分。这些出版物中的每一者都以引用方式并入本文中。
已使用各种技术来制造各种半导体***、尤其基于GaAs和InP的***中的SLD。SLD需要半导体装置提供增益和一个非反射性小面以防止激光作用。用于制造非反射性小面的技术尤其包含无源吸收体区域、抗反射涂层和成角度或纤维耦合小面(或成角度有源区域)(例如参见(13)-(16))。被动吸收体需要其他晶片空间，有效抗反射涂层需要多个层且制造相对较为昂贵，且成角度小面需要与大量生产的相容性小于(例如)间歇式湿式蚀刻技术的其他处理步骤。
发明内容
本发明已发明从在非极性GaN上生长的(Ga，In，Al，B)N激光二极管(LD)来制造超发光二极管(SLD)的工艺。市售(Ga，In，Al，B)N LD通常在c-平面衬底上生长。极化相关电场需要薄量子阱(通常小于4nm)来避免所述阱内电子和空穴波函数的空间分离。厚AlGaN膜或AlGaN/GaN应变层超晶格形成包层并提供光学限制。
在非极性m-平面和a-平面(Ga，In，Al，B)N上生长的LD没有极化相关效应。此容许生长较宽量子阱(例如，宽于4nm)，所述较宽量子阱可大大有助于光学限制，从而显示不含AlGaN包层的LD(1)，(2)。AlGaN的不存在可通过去除由Al前驱物寄生反应引起的反应器不稳定性来简化制造。另外，非极性(Ga，In，Al，B)N中的不平衡双轴应变导致重空穴价带与轻空穴价带分离，从而相对于双轴应变c-平面(Ga，In，Al，B)N提供较低阈值电流密度(3)。
沿c轴定向的激光条纹的阈值电流密度低于沿a轴的条纹(4)。因此，必须劈裂非极性LD，从而暴露作为腔室镜的极性c-平面小面以将增益、效率和输出功率最大化。
已展示在光电化学(PEC)(4)蚀刻条件和湿式蚀刻化学(例如KOH)(5)下以结晶学方式蚀刻c-平面GaN的N-极性面。此技术通常用于通过形成六角形锥体来增强(Ga，In，Al，B)N发光二极管(LED)的背侧上的光提取(6)。
SLD使用放大的自发发射以与LD类似的数量级来生成单向高功率光学输出。在没有足够强光学腔室的情形下，SLD不能生成展示真实激光作用的足够光学反馈。在没有激光作用的情形下，并无模式选择可得到数量级大于LD的光谱宽度和低相干性。宽光谱宽度大大减小了与LD有关的眼损伤风险，且低相干性减小了相干噪声或“散斑”。强局部化光发射的不存在有助于防止光学灾变损伤(COD)故障(其为LD中的常见故障机制)。这些性质使得SLD可理想地适用于以下应用中：皮科投影机(pico projector)-其中需要定向高功率发射且眼损伤风险和相干噪声是有害的-以及视网膜扫描显示器(无需高功率)。SLD先前已展现于GaAs(7)和尤其使用无源吸收体、波导提取、成角度小面和抗反射涂层来防止装置一端的反馈的其它材料***中。
使用结晶学湿式或PEC蚀刻在非极性(Ga，In，Al，B)N的c-平面小面的氮面(N-面)(c-小面)上制造六角形锥体使得在N-面上获得有效光提取(8)。此提供了形成SLD所需的非反射性小面。使用PEC或湿式蚀刻工艺提供了用于制造SLD的低成本、易于大量生产的技术，且无源吸收体无需浪费晶片空间。通过调节蚀刻时间、PEC照明功率和蚀刻电解质浓度来控制六角形锥体形成的进展使得可控制光学损失的量。此使得所述工艺易于适于确保具有不同光学增益的(Ga，In，Al，B)N SLD、尤其在不同波长下发光的装置的超发光。
因此，为克服先前技术中的限制且克服在阅读和理解本说明书后将变得显而易见的其它限制，本发明揭示基于非极性或半极性III-氮化物的光电子装置(例如，SLD)，其包括有源区域；波导结构，其用以提供从有源区域所发射光的光学限制；和第一小面和第二小面，其位于波导结构的相对端上，其中第一小面和第二小面具有相反表面极性且第一小面具有粗糙化表面。
第一小面可包括III-氮化物装置的粗糙化c-小面、c-平面或N-面，且第二小面可包括III-氮化物装置的c+小面、c+平面、Ga-面或III-面。
举例来说，粗糙化表面可为湿式蚀刻表面、结晶学蚀刻表面或PEC蚀刻表面。粗糙化表面可为粗糙化劈裂表面，且第二小面可具有劈裂表面。
粗糙化表面可防止沿波导结构的平面内c轴的光学反馈。
粗糙化表面可包括直径和高度充分接近光波长的结构(例如，六角形锥体)，从而所述锥体将所述光散射到SLD外部。举例来说，锥体的直径可介于0.1微米与1.6微米之间或介于0.1微米与10微米之间或为10微米或更高。
SLD可具有至少5毫瓦(mW)的输出功率。
粗糙化表面可使得在驱动电流高达315mA时在SLD的发射光谱中观察不到激光作用峰，其中在驱动电流高于100mA时在没有粗糙化表面的相同结构中观察到激光作用。
粗糙化表面可使得在SLD的线性增益机制中SLD的输出功率随着驱动电流增加而以指数方式增加。
粗糙化表面可使得由SLD所发射光的半高全宽(FWHM)至少为没有粗糙化时的10倍。举例来说，SLD可发射蓝光且粗糙化表面可使得光的FWHM大于9nm。
波导结构可利用折射率导向或增益导向来减小内部损失。
本发明进一步揭示制造基于非极性或半极性III-氮化物的光电子装置的方法，其包括获得基于非极性或半极性III-氮化物的第一光电子装置，其包括有源区域、用以提供从有源区域所发射光的光学限制的波导结构和位于波导结构的相对端上的第一小面和第二小面，其中第一小面和第二小面具有相反表面极性；和对第一小面的表面实施粗糙化，由此制造基于非极性或半极性III-氮化物的第二光电子装置。
在粗糙化步骤之前的装置可为LD，且在粗糙化步骤之后的装置可为SLD。
粗糙化可通过湿式蚀刻来达成，且可改变湿式蚀刻中所使用的蚀刻时间和电解质浓度以控制第一小面的特征大小、密度和总小面粗糙度。
本发明可适用于发射在任一波长范围中(从紫外(UV)到红光)发光的SLD(例如，发射波长从280nm或更低到绿光(例如，490-560nm)且直到700nm的光的SLD)。举例来说，发射UV的SLD可使用m-平面GaN SLD。
附图说明
现参照图式，在所有图式中相同参考编号都代表相应部件：
图1为绘示根据本发明的一个或一个以上实施例制造装置的方法的流程图。
图2展示在2.2M KOH中(图2(a))1、(图2(b))4和(图2(c))8小时之后c-小面的扫描电子显微镜(SEM)显微照片，且图2(d)展示在10M KOH中24小时之后的c+小面(对于不同试样来说)，其显示通过改变c+小面的蚀刻条件和稳定性来控制粗糙度。
图3展示如下：图3(a)展示SLD的示意图和III-氮化物的-c、m、a和+c方向，图3(b)展示图3(a)中的SLD的横向截面，且图3(c)中所展示的SEM图像为在KOH处理之前装置的-c小面，图3(d)展示在KOH处理之后的-c小面，且图3(e)展示在KOH处理之后的+c小面，其中图3(c)是在40°角下获取以展示表面形态；还展示粗糙化表面上的圆锥体的示意图(图3(f))。
图4展示光谱(光输出强度(任意单位，arb.unit)对波长(纳米(nm)))，图4(a)展示在KOH处理之前的4μm隆脊LD，图4(b)展示在KOH处理之后的相同装置，图4(c)展示在KOH处理之后但在垂直于波导的衬底下方发射的相同装置。
图5绘制SLD在KOH处理之后对于平面内发射(圆)和背侧发射(正方形，在图5中还称为“下方”)的随驱动电流(毫安)而变化的FWHM(纳米)。
图6展示在KOH处理之前的LD(圆)和在KOH处理之后的SLD(正方形)的发光对电流(L-I)特性(功率输出(mW)对电流(mA))，其中虚线引导观察LD数据且实线为对SLD数据的指数拟合。
图7展示如下：图7(a)展示检测器设置的示意图，且图7(b)展示随在+c小面的平面内和从背侧测量的电流而变化的光谱整合强度，其中还展示将对应于高于100mA的电流值的数据拟合到指数(平面内)和线性(背侧)曲线，根据在平面内和装置下方测量的整合强度分歧(因沿波导的经刺激发射所致)，可估计超发光始于约100mA(4.76kA/cm2)，可将平面内发射良好拟合到R2为0.995的指数曲线，同时可通过线性函数来拟合穿过衬底的发射，且对高于超发光起点(高于100mA)的数据进行两种拟合。
具体实施方式
在下列优选实施例的说明中，参照形成本发明一部分的附图，且其中以阐释方式展示可实践本发明的具体实施例。应理解，可利用其它实施例并且可在不背离本发明范围的情形下作出结构性改变。
概述
在m-平面(In，Al，Ga)N的c-小面上显示形成六角形锥体的结晶学蚀刻，且已显示SLD装置制造。本发明使得可制造适于产生基于非极性(Ga，In，Al，B)N的SLD的低反射率小面。
在本发明一实施例中，通过KOH湿式蚀刻来制造旨在防止沿c轴波导的光学反馈的非反射性-c平面小面。KOH选择性蚀刻劈裂的-c小面从而形成六角形锥体而并不蚀刻+c小面。315mA下的峰波长和FWHM分别为439nm和9nm，其中在+c小面中测量的输出功率为5mW。
技术说明
命名
III-氮化物可称为第III族氮化物、氮化物或例示为(Al，Ga，In)N、AlInGaN或Al(1-x-y)InyGaxN，其中0＜x＜1且0＜y＜1。
这些术语将广泛地视为包含单一物质Al、Ga和In的各种氮化物、以及所述第III族金属物质的二元、三元和四元组合物。因此，所述术语囊括化合物AlN、GaN和InN、以及三元化合物AlGaN、GaInN和AlInN和四元化合物AlGaInN作为包含在所述命名中的物质。在存在(Ga，Al，In)组份物质中的两者或两者以上时，可在本发明的广泛范围内采用包含化学计量比例以及“非化学计量”比例(关于组合物中存在的(Ga，Al，In)组份物质中的每一者的相对摩尔分数存在)的所有可能组合物。因此，应了解，后文主要参照GaN材料的对本发明的论述适用于各种其它(Al，Ga，In)N材料物质的形成。另外，在本发明范围内的(Al，Ga，In)N材料可进一步包含少量掺杂剂和/或其它杂质或可包含材料。III-氮化物合金中还可包含硼。
用于电子和光电子装置的当前氮化物技术采用沿极性c-方向生长的氮化物膜。然而，因存在强烈压电和自发极化，基于III-氮化物的光电子和电子装置中的常规c-平面量子阱结构发生非合意量子局限史塔克效应(quantum-confined Stark effect)(QCSE)。沿c-方向的强烈内建电场会引起电子和空穴的空间分离(继而限制载流子重组效率)、减小的振子强度和红移发射。
消除GaN或III-氮化物光电子装置中的自发和压电极化效应的一种方式为在晶体的非极性平面上生长所述装置。所述平面含有相等数量的Ga和N原子且为电荷中性。另外，后续非极性层彼此等效，从而块状晶体不会沿生长方向发生极化。GaN或III-氮化物中对称-等效非极性平面的两个所述家族为{11-20}家族(统称为a-平面)和{1-100}家族(统称为m-平面)。
减小或可能消除GaN光电子装置中的极化效应的另一方式为在晶体的半极性平面上生长所述装置。术语“半极性平面”可用于指代拥有两个非零h、i或k密勒指数(Millerindices)和一个非零l密勒指数两者的各种平面。因此，半极性平面被定义为在(hkil)密勒-布拉维指数标定惯例(Miller-Bravais indexing convention)中具有非零h或k或i指数和非零l指数的晶体平面。c平面GaN异质外延中的半极性平面的一些常见实例包含(11-22)、(10-11)和(10-13)平面，其存在于凹坑的小面中。这些平面还恰好为发明者以平面膜形式生长的相同平面。纤维锌矿晶体结构中的半极性平面的其它实例包含但不限于(10-12)、(20-21)和(10-14)。氮化物晶体的极化向量既不在所述平面内也不垂直于所述平面伸展，而是相对于平面的表面法线倾斜某一角度伸展。举例来说，(10-11)和(10-13)平面分别与c平面成62.98°和32.06°。
GaN的镓(Ga)面(或III-氮化物的III-面)为+c、c+或(0001)平面，且GaN或III-氮化物层的氮或N-面为-c、c-或(000-1)平面。
工艺步骤
图1绘示根据本发明的一个或一个以上实施例制造装置的方法。
框100代表获得或制造基于非极性或半极性(Ga，In，Al，B)N的光电子装置(例如，LD)，所述装置包括有源区域、用以提供从有源区域所发射光的光学限制的波导结构和一对小面。小面对可包括位于波导结构的相对端上的第一小面和第二小面，从而第一小面与第二小面相对，且第一小面与第二小面具有相反表面极性。
具有相反表面极性的小面对可包括c+和c-小面，从而相反表面极性为c+和c-。
小面可通过劈裂形成以达成关于来自c+小面的光学输出的良好方向性和远场图(FFP)。然而，还可通过干式蚀刻、基于聚焦离子束(FIB)的技术、抛光或其它方法来形成小面。小面中的一者或两者可经涂覆以增加或降低输出小面的反射率或抑制光学灾变损伤(COD)。
针对此点来测试装置，从而可将L-I特性与处理后的值进行比较，且可证实超发光。
框102代表对第一小面的表面实施粗糙化，例如结晶学蚀刻、湿式蚀刻或PEC蚀刻LD小面中的一者。在框100的步骤之后，可使用克里斯塔-邦德(crystal-bond)蜡面朝下安装LD以在KOH处理期间保护顶部侧。可能无需顶部侧保护，但作为预防措施来实施。然后将所安装试样浸渍于2.2M氢氧化钾(KOH)中保持所需时间(通常介于1小时与24小时之间)。
第一小面可包括III-氮化物装置的粗糙化c-平面、c-小面或N-面，且第二小面可包括III-氮化物装置的c+小面、c+平面、Ga-面或III-面。第一小面的粗糙化表面可为粗糙化劈裂表面(随后粗糙化的劈裂表面)，且第二小面可具有劈裂表面。
图2展示分别在KOH中保持1、4和8小时之后(如图2(a)、(b)和(c)中所展示)和并未在c+小面上实施蚀刻时(如图2(d)中所展示)的锥体形态200。可使用PEC蚀刻将蚀刻时间降低多达两个数量级。然后卸下试样并重新测试。c+小面无需保护，这是因为其并不在这些条件下于KOH中进行蚀刻。因此，本发明可制造使用±c小面的不对称化学性质的SLD。锥体200可具有基本直径和高度。
KOH结晶学蚀刻产生在装置的c-小面上包括6个{10-1-1}平面的六角形锥体(5)。因此，粗糙化表面可包括含有六角形基底和6个为{10-1-1}平面的侧壁的六角形锥体。
可使用其它湿式蚀刻方法，例如湿式蚀刻、结晶学化学蚀刻、造成结晶学蚀刻的湿式蚀刻或光电化学(PEC)蚀刻。可改变湿式蚀刻中所使用电解质的蚀刻时间和浓度以控制第一小面的特征大小、密度和总小面粗糙度。
框104代表所述方法的最终结果，其为例如SLD等装置。SLD可包括在非极性GaN上生长的(Ga，In，Al，B)N LD结构，其中所述LD结构的c-小面是以结晶学方式进行蚀刻。举例来说，SLD可为利用±c小面的不对称化学性质的基于m-平面-GaN的蓝SLD。第二小面可为SLD的输出小面。举例来说，装置在粗糙化步骤之前为LD，且装置在粗糙化步骤之后为SLD。
入射到锥体内部小面上的光可通过内部小面或被反射。反射光然后碰撞到锥体的相对小面且同样可离开装置或被反射。考虑到(例如)GaN与空气之间的未涂覆界面，菲涅耳反射(Fresnel reflection)得到0.18的反射概率。因此，在3次反射内，结构中剩余光的量已小于入射光的1％。另一选择为，只需增加小面的粗糙度即可降低反射率并增加镜面损失-此继而增加了阈值电流密度。
此效应通常用于增加c-平面LED的c-小面中的背侧光提取效率(8)。
由于经刺激发射放大了装置中的自发发射，随着LD的有源区域中的载流子密度有所增加，达成粒子数反转(population inversion)，从而沿波导产生增益。为发生激光作用，环路净增益必须大于环路净损失。然而，通过在c-小面中引起大量光提取(损失)来抑制光学反馈。经刺激发射有所放大，从而产生高光学输出功率，但与激光作用有关的发射光相干性得以抑制。因此，粗糙化表面可防止沿波导结构的平面内c轴的光学反馈。
举例来说，粗糙化表面可使得在驱动电流高达315mA时在SLD的发射光谱中观察不到激光作用峰，其中在驱动电流高于100mA时在没有粗糙化表面的相同结构中观察到激光作用峰。然而，超发光和/或激光作用所需的具体电流在很大程度上通过装置的质量和尺寸来设定。举例来说，商业蓝LD可具有低于50mA的激光作用电流。因此，用于超发光和/或激光作用的具体电流并不限于特定值。
装置的粗糙化表面可使得由SLD所发射光的半高全宽(FWHM)至少为没有粗糙化的装置的10倍(举例来说，SLD的FWHM为LD的FWHM的10倍)。举例来说，SLD可发射蓝光且粗糙化表面可使得光的FWHM大于9nm。
SLD可具有至少5毫瓦的输出功率。举例来说，粗糙化表面可使得在SLD的线性增益机制中SLD的输出功率随着驱动电流增加而以指数方式增加。
举例来说，波导结构可利用折射率导向或增益导向来减小内部损失。
装置结构和实验结果
图3(a)展示基于非极性或半极性(Ga，In，Al，B)N或III-氮化物的光电子装置300(例如，SLD)的示意图，其包括：有源区域302；波导结构304a、304b，其用以提供从有源区域302所发射光306的光学限制；和一对小面，其包含第一小面308和第二小面310且位于波导结构304a、304b的相对端上，从而第一小面308与第二小面310相对，其中第一小面308与第二小面310具有相反表面极性，且第一小面308具有粗糙化表面312。粗糙化第一小面308为具有为粗糙化N-极性平面的表面的c-小面，且第二小面为c+小面。
还展示III-氮化物的-c、m、a和+c方向(图3(a)中的直线箭头)，且沿m-方向生长装置300。然而，装置还可沿半极性方向生长。装置300的生长平面(即，每一装置层的顶部表面或最终生长平面)314可为非极性或半极性平面。举例来说，可在III-氮化物的a-平面或III-氮化物中接近III-氮化物的c-平面的半极性平面(例如，20-21或11-21平面)上制造SLD，由此制造非极性或半极性SLD。
图3(b)为图3(a)装置的横向截面，其绘示n-型层316、p-型层318和有源区域302，有源区域302包括夹于第一量子障壁层320b与第二量子阱障壁层320c之间的量子阱320a，其中量子阱层320a的厚度大于4nm。
通过首先使用标准技术生长和制造LD来制造图3(a)的装置，如框100和(21)中所示。具体来说，通过标准金属-有机化学气相沉积在由三菱化学公司(Mitsubishi ChemicalCompany)制造的块状m-平面衬底(例如，m-平面GaN)上生长不含Al GaN包层的LD结构(18)(还参见(22)和美国实用型申请案第12/030,117号(2008年2月12日由丹尼尔F.法泽尔、马修C.施密特、金光中、罗伯特M.法雷尔、丹尼尔A.科恩、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯和中村修二提出申请，标题为“不含Al(x)Ga(1-x)N包层的基于GAN的非极性激光二极管和LED”，代理档案号：30794.222-US-U1(2007-424)))。所述结构包括n-型层316(包含4-μm厚Si掺杂GaN包层，随后为50nm的Si掺杂n-型InGaN波导层304b)。尽管图3(b)展示一个周期，但实际上制得的有源区域302包括三周期InGaN/InGaN多量子阱结构(然而，任一数量的量子阱或任一量子阱组成都有可能，例如，InGaN/GaN量子阱)。在有源区域302的顶部生长故意掺杂GaN层，随后生长10-nm厚Mg掺杂Al0.25Ga0.75N电子阻挡层(EBL)。在EBL之后为p-型层318(包含50nm Mg掺杂p-型InGaN波导层304a、包括约500-nm厚Mg掺杂p-型GaN的顶部包层和包封结构的100nm Mg掺杂p++接触层)。通过沿c-方向对隆脊实施图案化和干式蚀刻来形成4μm宽条纹或隆脊322。
使用标准剥离工艺来获得氧化物绝缘体324，随后实施Pd/Au金属沉积以获得阴极电极326。通过劈裂来形成小面308、310，从而得到500μm的腔室长度，且使用铟来形成背侧阳极电极328。然后，对第一小面308实施粗糙化，如框102中所示。可从c+小面310测量光306的平面内输出功率330。
图3(c)-(e)为装置的SEM图像，图3(c)展示装置在KOH处理之前的-c小面，图3(d)展示在KOH处理之后的-c小面(图3(a)的装置)，且图3(e)展示在KOH处理之后的+c小面(图3(a)的装置)，其中在40°角下获取图3(c)以展示表面形态。
SEM图像展示六角形锥体332仅形成于-c小面上，其中粗糙化表面包括一个或一个以上基本直径介于0.1微米与1.6微米之间的六角形锥体(六角形锥体的基本直径范围为0.3μm到1.6μm(在n-型GaN上)和100nm到150nm(在p-型GaN上))。然而，粗糙化表面并不限于任一特定尺寸或特征(举例来说，包含基本直径为10微米或更大，使用加热或PEC蚀刻)。
举例来说，图3(f)展示，粗糙化表面可包括一个或一个以上具有基本直径334和高度336的结构(例如，圆锥体332)，其中基本直径334可(例如)为10微米或更大。基本直径334和/或高度336可充分接近光波长，从而所述结构将所述光散射到SLD外部。图3(f)还展示所述结构可如何成为具有六角形基底340和{10-1-1}平面侧壁342的六角形锥体338，其中六角形锥体338呈圆锥体形332。如果侧壁342形成{10-1-1}平面，则{10-1-1}平面相对于c-平面的角度为62度。
在一些实施例中，c-小面308的整个表面经圆锥体覆盖，且在一些实施例中，较大圆锥体332较好。
装置性能
图4展示关于不同驱动电流(mA)的光谱(光输出强度(任意单位，arb.unit)对波长(纳米(nm)))，图4(a)展示在KOH处理之前的4μm隆脊LD(底部曲线到顶部曲线分别代表驱动电流为175mA、190mA和210mA)，图4(b)展示在KOH处理之后的相同装置(图3(a)的装置)(底部曲线到顶部曲线分别代表底部驱动电流为15mA、45mA、105mA、180mA、255mA和315mA)，其中图4(a)和图4(b)是针对平面内发射，且图4(c)展示在KOH处理之后的相同装置(图3(a)的装置)但针对在衬底下方且垂直于波导的发射。
在KOH处理之前，在低达190mA的注入电流下观察到激光作用峰(9.05kA/cm2)，其中峰波长为436.8nm，且LD在略高于阈值的190mA下的半高全宽强度(FWHM)为0.3nm。
在KOH处理之后，装置的光谱宽度随着驱动电流增加(因在波导中存在经刺激发射)而变窄，然而，在所呈现电流范围中并未观察到在光谱中具有尖峰(因激光作用)。在315mA下SLD的最小FWHM为9nm，此数量级近乎高于LD，且峰波长为439nm。
图5测量图3(a)的装置的FWHM，且绘示装置的粗糙化表面可使得由SLD所发射光的FWHM至少为没有粗糙化的装置的10倍(举例来说，SLD的FWHM为LD的FWHM的10倍)。在图5中，SLD展示最小FWHM为8nm，而典型LD FWHM为0.2nm。SLD因光学腔室中的共振而并不展现强烈波长选择。
图6展示在KOH处理之前的LD和在KOH处理之后的SLD的L-I特性(图3(a)的装置)，其中虚线引导观察LD数据且实线为对SLD数据的指数拟合。在KOH处理之前，L-I曲线展示极尖锐的激光作用阈值，且在高于阈值时输出功率线性增加。
在+c小面中测量的SLD的输出功率达到约5mW。在KOH处理之后的输出功率随电流变化而以指数方式增加，如对于SLD在线性增益机制中所预期。
图7展示如下：图7(a)展示检测器设置的示意图，且图7(b)展示随针对在+c小面中的平面内700发射和背侧702发射测量的电流而变化的光谱整合强度(使用图3(a)的装置)，其中还展示拟合对应于高于100mA的电流值的数据的指数(平面内)和线性(背侧)曲线。使用耦合到置于+c小面的平面内700(平面内)和垂直于波导的装置下方(背侧702)的检测器的光学纤维来测量整合强度。平面内700发射包括自发和经刺激发射(因波导中的放大)，而背侧702发射仅测量透过衬底的自发发射。
平面内发射与背侧发射的分歧表明超发光始于略低于100mA时。这是由于源于沿波导的经刺激发射的增益引起所测量平面内强度以指数方式增加，同时仅包括自发发射的背侧发射保持线性所致。还应注意，在超发光起点以下时，平面内和背侧发射都因发射机制变化而从拟合处线性转向起点上方。
(Ga，In，Al，B)N SLD最好在块状非极性或半极性衬底(例如，III-氮化物或GaN衬底)上制造，从而利用源于这些衬底上的外延生长的增强的光学和电性质。然而，本发明还可用于在任一衬底上生长的具有c-平面小面的任一装置中。
本发明SLD的应用包含但不限于以下光源：其用于蓝色到绿色光谱区域(且可能超出所述区域)中的皮科投影机和视网膜扫描显示器且具有可调镜面损失、高功率定向固态发光和纤维耦合发光。
可能修改
可使用结晶学化学蚀刻工艺对第一小面(c-小面)实施粗糙化。举例来说，结晶学化学蚀刻工艺可在室温或加热下使用KOH。然而，还可使用造成结晶学蚀刻的其它湿式蚀刻工艺作为结晶学化学蚀刻工艺。可改变电解质的蚀刻时间和浓度以控制第一小面308的特征大小、密度和总小面粗糙度。
因此，造成结晶学蚀刻的任一蚀刻化学涵盖于本发明范围内，包含使用PEC蚀刻技术作为结晶学蚀刻工艺。如果可适当保护顶部侧，则PEC蚀刻速率通常比非照明蚀刻快1到2个数量级且可提供较高通量。
在蚀刻工艺期间(例如，在结晶学化学蚀刻工艺期间)，还可使用一些光致抗蚀剂显影剂，例如AZ 726 MIF。举例来说，还可使用一些光致抗蚀剂显影剂以结晶学方式蚀刻N-面GaN。因N-面GaN的一般化学反应性，其它蚀刻化学可能引起结晶学蚀刻且也可用于形成如上所述的非反射性小面。
因此，本发明的光电子装置可包括有源区域和波导结构(用以提供从有源区域所发射光的光学限制)、小面对(其位于装置的相对端上且具有相反表面极性)。装置可为基于非极性或半极性(Ga，In，Al，B)N的装置(即，装置的生长平面通常为非极性或半极性且小面极性通常对应于c+和c-小面)。
小面可通过劈裂形成以达成关于来自c+小面的光学输出的良好方向性和远场图(FFP)。还可通过干式蚀刻、基于聚焦离子束(FIB)的技术、抛光或其它方法来形成小面。可使用小面涂层来增加或降低输出小面的反射率或抑制任一小面的光学灾变损伤(COD)。
然后可通过结晶学化学蚀刻工艺对一个小面实施粗糙化，其中粗糙化小面为c-氮-极性(N-极性)平面。
举例来说，波导结构可利用折射率导向或增益导向来减小内部损失。
本发明包含选择将抗反射涂层置于+c小面上(如果存在过多反射)。涂覆前侧还可改良装置性能。
另外，条纹322可在小面之间成角度以进一步减小离开两个小面的反射，此可改良性能。
优点和改良
本发明的特征在于用于形成适用于(Ga，In，Al，B)N SLD中的非反射性小面的新颖机构，即以结晶学方式蚀刻的光提取圆锥体。可将此湿式蚀刻步骤添加到标准LD制造工艺中以在最小工艺研发下来制造SLD。举例来说，通过添加仅一个相对便宜且直接的处理步骤，本发明可从具有c-平面劈裂小面的任一非极性(Ga，In，Al，B)N LD工艺来制造SLD。形成低反射小面的此方法无需损失晶片上的任何装置封装密度，且无需任一与正常激光处理不相容的处理步骤。此技术允许任一非极性(Ga，In，Al，B)N激光工艺直接适用于制造SLD而无需重新优化或改变任一处理步骤。因此，此技术作为分批湿式蚀刻步骤的工业应用预计相对于其它制造方法具有较低成本。
因具有相对较大光谱宽度、定向输出和相对较高功率，SLD可用作用于皮科投影机和视网膜扫描显示器中的光源(9)。
本发明提供在制造SLD中提供易于制造和可缩放性的优点。
参考文献
下列参考文献是以引用方式并入本文中。
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(16)美国专利第4,958,355号，1990年9月18日由阿方斯(Alphonse)等人颁布。
(17)“使用选择性化学湿式蚀刻制造的基于m-平面GaN的蓝色超发光二极管(m-plane GaN-based Blue Superluminescent Diodes Fabricated Using Selective ChemicalWet Etching)”，马修T.哈迪、凯思琳M.凯尔克纳(Kathryn M.Kelchner)、林佑达、徐介珊(Po Shan Hsu)、健司藤渡(Kenji Fujito)、弘昭奥塔、詹姆斯S.斯佩克、中村修二和史蒂文P.登巴尔斯。
(18)K.M.凯尔克纳(K.M.Kelchner)、Y.D.林(Y.D.Lin)、M.T.哈迪(M.T.Hardy)、C.Y.黄(C.Y.Huang)、P.S.徐(P.S.Hsu)、R.M.法泽尔(R.M.Farrell)、D.A.黑格尔(D.A.Haeger)、H.C.郭(H.C.Kuo)、F.吴(F.Wu)、K.藤渡(K.Fujito)、D.A.科恩(D.A.Cohen)、A.查克拉布提(A.Chakraborty)、H.奥塔(H.Ohta)、J.S.斯佩克(J.S.Speck)、S.中村(S.Nakamura)和S.P.登巴尔斯(S.P.DenBaars)：应用物理学快报2(2009)071003。
(20).幻灯片展示，由中村修二给出，标题为“SSLEC中对于激光二极管(LD)和发光二极管(LED)研究的概述(An overview of Laser Diodes(LDs)and Light Emitting Diodes(LEDs)Research at SSLEC)”，固态照明和能量中心的2009评论年刊(2009 AnnualReview for the Solid State Lighting and Energy Center)(SSLEC)，加利福尼亚大学(University of California)，圣巴巴拉(Santa Barbara)(2009年11月5日)。
(21).幻灯片展示，由马修T.哈迪给出，标题为“m-平面劈裂小面激光二极管和超发光二极管的背端处理(Backend Processing for m-plane Cleaved Facet Laser Diodes andSuperluminescent Diodes)”，2009评论年刊，SSLEC，加利福尼亚大学，圣巴巴拉(2009年11月6日)。
(22)幻灯片展示，由凯特凯尔克纳(Kate Kelchner)给出，2009评论年刊，SSLEC，标题为“非极性m-平面GaN上的纯蓝色激光二极管的连续波技术(Continuous WaveTechnology for Pure Blue Laser Diodes on Nonpolar m-plane GaN)”，2009年11月6日，加利福尼亚大学，圣巴巴拉。
结论
现在对本发明优选实施例的说明加以总结。出于例示和说明的目的呈现对本发明一个或一个以上实施例的上述说明。本说明并非打算包罗无遗或将本发明限制于所揭示的具体形式。根据上文的教示内容也可作出许多修改和改变。本发明范围并不打算受此详细说明的限制而是受随附权利要求书限制。
Claims (35)
1.一种基于非极性或半极性III-氮化物的光电子装置，其包括：
有源区域；
波导结构，其用以提供对从所述有源区域所发射光的光学限制；和
第一小面和第二小面，其位于所述波导结构的相对端上，其中所述第一小面和所述第二小面具有相反表面极性且所述第一小面具有粗糙化表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一小面包括所述III-氮化物装置的粗糙化c-小面、c-平面或N-面，且所述第二小面为所述III-氮化物装置的c+小面、c+平面、III-面或Ga面。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面为湿式蚀刻表面。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面为结晶学蚀刻表面。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面为光电化学PEC蚀刻表面。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面为粗糙化劈裂表面，且所述第二小面具有劈裂表面。
7.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面防止沿所述波导结构的平面内c轴的光学反馈。
8.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面包括一个或一个以上直径和高度充分接近光波长的结构，从而使得所述结构将所述光散射到所述波导外部。
9.根据权利要求2所述的装置，其中所述粗糙化表面包括一个或一个以上直径介于0.1微米与10微米之间的六角形锥体。
10.根据权利要求2所述的装置，其输出功率至少为5毫瓦。
11.根据权利要求2所述的装置，其中所述装置为超发光二极管SLD。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述粗糙化表面使得在所述SLD的线性增益机制中所述SLD的输出功率随着驱动电流增加而以指数方式增加。
13.根据权利要求11所述的装置，其中所述粗糙化表面使得由所述SLD所发射光的半高全宽至少为没有粗糙化时的10倍。
14.根据权利要求11所述的装置，其中所述SLD发射蓝光且所述粗糙化表面使得所述光的半高全宽大于9nm。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述波导结构利用折射率导向或增益导向来减小内部损失。
16.一种制造基于非极性或半极性III-氮化物的光电子装置的方法，其包括：
获得基于非极性或半极性III-氮化物的第一光电子装置，其包括有源区域、用以提供对从所述有源区域所发射光的光学限制的波导结构和位于所述波导结构的相对端上的第一小面和第二小面，其中所述第一小面和所述第二小面具有相反表面极性；和
对所述第一小面的表面实施粗糙化，由此制造基于非极性或半极性III-氮化物的第二光电子装置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一小面包括所述III-氮化物装置的粗糙化c-平面、c-小面或N-面，且所述第二小面为所述III-氮化物装置的c+小面、c+平面、Ga面或III-面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述粗糙化是通过造成结晶学蚀刻的湿式蚀刻来达成。
19.根据权利要求18所述的方法，其中改变所述湿式蚀刻中所使用电解质的蚀刻时间和浓度以控制所述第一小面的特征大小、密度和总小面粗糙度。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述粗糙化是通过结晶学化学蚀刻工艺来达成。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述结晶学化学蚀刻工艺在室温或加热下使用KOH。
22.根据权利要求20所述的方法，其中在所述结晶学化学蚀刻工艺期间使用包括AZ 726 MIF的光致抗蚀剂显影剂。
23.根据权利要求17所述的方法，所述粗糙化是通过光电化学PEC蚀刻来达成。
24.根据权利要求17所述的方法，其中通过在所述粗糙化之前劈裂来形成所述第一和第二小面，从而使得所述第二小面具有劈裂表面且通过对已经劈裂的所述第一小面实施粗糙化来形成所述粗糙化表面。
25.根据权利要求17所述的方法，其中在所述粗糙化步骤之前通过干式蚀刻、基于聚焦离子束FIB的技术或抛光来形成所述第一小面和第二小面。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面防止沿所述波导结构的平面内c轴的光学反馈。
27.根据权利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面包括一个或一个以上直径和高度充分接近光波长的结构，从而使得所述结构将所述光散射到所述波导外部。
28.根据权利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面包括一个或一个以上直径介于0.1微米与10微米之间的六角形锥体。
29.根据权利要求17所述的方法，其输出功率至少为5毫瓦。
30.根据权利要求17所述的方法，其中在所述粗糙化步骤之前的所述第一装置为激光二极管且在所述粗糙化步骤之后的所述第二装置为超发光二极管SLD。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述粗糙化表面使得在所述SLD的线性增益机制中所述SLD的输出功率随着驱动电流增加而以指数方式增加。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述粗糙化表面使得由所述SLD所发射光的半高全宽至少为没有粗糙化时的10倍。
33.根据权利要求30所述的方法，其中所述SLD发射蓝光且所述粗糙化表面使得所述光的半高全宽大于9nm。
34.根据权利要求17所述的方法，其中所述波导结构利用折射率导向或增益导向来减小内部损失。
35.一种超发光二极管SLD，其包括：
在非极性GaN上生长的(Ga，In，Al，B)N激光二极管LD结构，其中所述LD结构的c-小面是以结晶学方式进行蚀刻。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120718 |