DE112010003697B4

DE112010003697B4 - Niedrigspannungs-laserdioden auf {20-21} gallium- und stickstoffhaltigen substraten

Info

Publication number: DE112010003697B4
Application number: DE112010003697.7T
Authority: DE
Inventors: James W. RARING; Christiane Poblenz; Mathew Schmidt
Original assignee: Soraa Laser Diode Inc
Current assignee: Kyocera SLD Laser Inc
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: WO2011035060A1; US20160013620A9; US10424900B2; US9543738B2; US20110064101A1; DE112010003697T8; US11070031B2; CN102792447A; US8355418B2; US9853420B2; US20110064102A1; US20110064100A1; JP5608753B2; US20200091684A1; IN2012DN03277A; JP2013505586A; CN102792447B; US10090644B2; US20170331255A1; US8351478B2

Abstract

Optisches Bauelement, das Folgendes aufweist: ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21} Orientierung aufweist; ein das gallium- und stickstoffhaltige Substrat überdeckendes n-leitendes Mantelmaterial, wobei das n-leitende Mantelmaterial frei von einem aluminiumhaltigen Material ist; eine aktive Zone, die zumindest drei Quantentöpfe (MQW), wobei jeder der Quantentöpfe eine Dicke aus dem Bereich von 2 nm bis 20 nm aufweist, und zwei oder mehr Sperrschichten umfasst, wobei jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von 2 nm bis weniger als 4 nm aufweist und wobei jede der zumindest zwei Sperrschichten zwischen einem Quantentopfpaar angeordnet ist; ein die aktive Zone überdeckendes p-leitendes Mantelmaterial, wobei das p-leitende Mantelmaterial frei von einem aluminiumhaltigen Material ist; einen den kristallinen Oberflächenbereich überdeckenden Laserstreifenbereich, wobei der Laserstreifenbereich in eine Projektion der c-Richtung ausgerichtet ist und der Laserstreifenbereich ein erstes und ein zweites Ende aufweist; sodass die aktive Zone bei einer Ausgangsleistung von 60 mW und mehr zum Betrieb bei einer Vorwärtsspannung von weniger als 7 Volt ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf optische Bauelemente. Die vorliegende Erfindung gibt insbesondere ein Bauelement zur Emission elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung unpolaren und semipolaren galliumenthaltenden Substraten, wie beispielsweise GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN und AlInGaN und anderen an. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Besonderen auf die Angabe eines Bauelements unter Verwendung eines gallium- und stickstoffhaltigen Substrates, das auf der {20-21} Ebenenfamilie oder eines Off-cuts der {20-21}-Ebenenfamilie in Richtung der c-Ebene und/oder in Richtung der a-Ebene ausgebildet ist. Des weiteren gibt die vorliegende Erfindung insbesondere ein Niederspannungslaserbauelement unter Verwendung einer gallium- und stickstoffhaltigen Spezies an. Die Erfindung kann, um lediglich ein Beispiel zu geben, neben anderen Vorrichtungen auf optische Bauelemente, Laser, lichtemittierende Dioden, Solarzellen, fotoelektrochemische Wasseraufspaltung und Wasserstofferzeugung, Photodetektoren, integrierte Schaltkreise und Transistoren angewandt werden.
Im Ausgang des 19. Jahrhunderts erfand Thomas Edison die Glühbirne. Die üblicherweise ”Edison-Glühlampe” genannte herkömmliche Glühbirne wurde für eine Reihe von Anwendungen einschließlich Beleuchtung und Anzeigen über mehr als einhundert Jahre verwendet. Die herkömmliche Glühbirne verwendet einen Wolframfaden, der in einem am Sockel abgedichteten Glaskolben eingeschlossen ist, wobei der Sockel in eine Fassung geschraubt wird. Die Fassung wird mit einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle verbunden. Die herkömmliche Glühbirne ist gewöhnlich in Häusern, Gebäuden, Außenbeleuchtungen sowie anderen Bereichen, die Licht oder Anzeigen benötigen, aufzufinden. Die herkömmliche Edison Glühbirne weist leider Nachteile auf. Die herkömmliche Glühbirne führt mehr als 90% der ihr zugeführten elektrischen Energie als thermische Energie ab. Da die herkömmliche Glühbirne regelmäßig aufgrund der thermischen Expansion und Kontraktion des Fadenelements ausfällt, stellt die Zuverlässigkeit ferner ein Problem dar. Außerdem emittieren Glühbirnen Licht über ein breites Spektrum, von dem ein großer Teil aufgrund der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges keine helle Beleuchtung bewirkt. Außerdem emittieren Glühbirnen in alle Richtungen und sind daher für Anwendungen, die eine starke Bündelung oder Fokussierung erfordern, wie zum Beispiel Projektionsanzeigen, optische Datenspeicher oder spezialisierte gerichtete Beleuchtungen, nicht ideal.
1960 stellte Theodore H. Maiman an den Hughes Research Laboratories in Malibu als erster einen Laser vor. Dieser Laser verwendete einen blitzlichtgepumpten synthetischen Festkörperrubinkristall, um das rote Laserlicht bei 694 nm zu erzeugen. Um 1964 stellte William Bridges bei Hughes Aircraft Laser mit blauem und grünem Licht vor, die ein Argonionenlaser genanntes Gaslaserdesign verwendeten. Der Ar-Ionenlaser verwendete ein Edelgas als aktives Medium, um Laserlicht mit Wellenlängen im UV, blauen und grünen Bereich zu erzeugen, einschließlich 351 nm, 454,6 nm, 457,9 nm, 465,8 nm, 476,5 nm, 488,0 nm, 496,5 nm, 501,7 nm, 514,5 nm und 528,7 nm. Der Ar-Ionenlaserr erzeugte vorteilhaft stark gebündeltes und fokussierbares Licht mit einem schmalen Spektralbereich, aber die Energieeffizienz war geringer als 0,1 und auch Größe, Gewicht und Kosten der Laser waren unvorteilhaft.
Mit dem Fortschreiten der Lasertechnologie wurden effizientere lampengepumpte Festkörperlaserdesigns für rote und infrarote Wellenlängen entwickelt, für blaue und grüne sowie blaue Laser stellten diese Technologien jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Im Ergebnis wurden lampengepumpte Festkörperlaser für das Infrarot entwickelt, bei denen die ausgegebene Wellenlänge unter Verwendung spezialisierter Kristalle mit nichtlinearen optischen Eigenschaften in das sichtbare Spektrum konvertiert wurde. Ein grüner lampengepumpter Festkörperlaser wies drei Stufen auf: Elektrizität zum Betreiben der Lampe, Anregen des aktiven Kristalls, der Laserlicht bei 1064 nm abgibt, durch die Lampe, die 1064 nm-Strahlung geht in einen Frequenzumwandlungskristall, der sie in die sichtbare Wellenlänge von 532 nm konvertiert. Die resultierenden grünen und blauen Laser wurden ”lampengepumpte Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung (LPSS mit SHG; englisch: lamped pumped solid state lasers with second harmonic generation)” genannt, hatten einen Wirkungsgrad von ~1% und waren effizienter als Ar-Ionengaslaser aber immer noch zu ineffizient, groß, teuer und anfällig für eine breite Verwendung außerhalb von spezialisierten wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen. Außerdem wiesen die bei Festkörperlasern verwendeten aktiven Kristalle typischerweise Energiespeichereigenschaften auf, die eine hochfrequente Modulation der Laser erschwerten und eine weitergehende Verbreitung einschränkten.
Zur Verbesserung der Effizienz dieser im sichtbaren Bereich emittierenden Laser wurden Hochleistungsdioden- (oder Halbleiter-)-laser verwendet. Diese ”diodengepumpten Festkörperlaser mit Frequenzverdopplung (DPSS mit SHG; englisch: diode pumped solid state lasers with SHG)” wiesen drei Stufen auf: ein 808 nm Diodenlaser wird elektrisch gespeist, die 808 nm regen einen aktiven Kristall an, der Laserlicht von 1064 nm emittiert, die 1064 nm Strahlung tritt in einen Frequenzumwandlungskristall ein, der sie in sichtbare Strahlung mit 532 nm konvertiert. Die DPSS Lasertechnologie erweiterte die Lebensdauer und verbesserte den Wirkungsgrad von LPSS Lasern auf 5 bis 10% und eine weitere Vermarktung in hochwertigen spezialisierten industriellen, medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen folgte. Der Wechsel zum Diodenpumpen vergrößerte jedoch die Systemkosten und erforderte eine präzise Temperatursteuerung, die zu Lasern von signifikanter Größe und Energieaufnahme führten, ohne die Energiespeichereigenschaften anzugehen, die ein hochfrequentes Modulieren der Laser erschwerten.
Mit dem Aufkommen von Hochleistungslaserdioden und der Entwicklung von neuen spezialisierten Frequenzverdopplungskristallen wurde ein direktes Umwandeln der von den Infrarotdiodenlasern abgegebenen Strahlung zum Erzeugen von blauer und grüner Laserlichtstrahlung möglich. Diese ”Direktfrequenzverdoppelten Diodenlaser” oder ”SHG-Diodenlaser” wiesen zwei Stufen auf: einen elektrischen Betrieb des bei 1064 nm emittierenden Halbleiterlasers, ein Konvertieren der in einen frequenzumwandelnden Kristall eintretenden Strahlung von 1064 nm in sichtbares grünes Licht von 532 nm. Diese Laser waren dazu gedacht, im Vergleich zu DPSS-SHG Lasern den Wirkungsgrad, die Kosten und die Größe zu verbessern, aber die erforderlichen spezialisierten Dioden und Kristalle stellen bis heute eine Herausforderung dar. Auch wenn die Dioden-SHG Laser den Vorteil aufweisen, dass sie direkt modulierbar sind, leiden sie außerdem an einer starken Temperaturempfindlichkeit, die ihre Anwendung begrenzt.
In Yushizumi et al., Continuous-Wave Operation of 520 nm Green InGaN-Based Laser Diodes an Semi-Polar {20-21} GaN Substrates, Applied Physics Express 2 (2009), S. 092101-1-092101-3, wird ein Dauerstrichbetrieb einer grünen Laserdiode auf InGaN-Basis beschrieben. Mit der vorgestellten, auf einem {20-21}-GaN-Epitaxiesubstrat aufgebrachten Multiquantentopfstrukturen enthaltenden Kantenlaserstruktur werden eine Schwellwertstromdichte von 7.9 kA/cm² und eine Schwellwertspannung von 9,4 Volt erzielt. In der offengelegten Patentanmeldung US 2006/0126688 A1 wird eine InGaN-Laserdiode beschrieben, bei der in den Wellenleiterschichten und/oder Mantelschichten Indium eingesetzt wird, da solche Schichten einen optischen Einschluss bei geringen Verlusten begünstigen und die strukturelle Integrität der aktiven Zone aufgrund einer geringeren Fehlanpassung zwischen den Gittern der aktiven Zone und den Wellenleiterschichten verbessern.
Aus dem oben angeführten ist ersichtlich, dass ein starkes Interesse an Techniken zur Verbesserung optischer Vorrichtungen besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche definiert. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Diese Erfindung betrifft optische Bauelemente und umfasst keine mit diesen in Beziehung stehende Verfahren. Die vorliegende Erfindung gibt insbesondere ein Bauelement zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung unpolarer oder semipolarer galliumenthaltender Substrate an, wie beispielsweise GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN und AlInGaN und weitere. Weiterhin werden ein nicht von der Erfindung umfasstes Verfahren und ein von der Erfindung umfasstes Bauelement unter Verwendung eines gallium- und stickstoffhaltigen Substrates angegeben, das auf der {20-21}-Ebenenfamilie oder einem Off-cut der {20-21}-Ebenenfamilie in Richtung der c-Ebene und/oder in Richtung der a-Ebene ausgebildet ist. Weiterhin gibt die vorliegende Erfindung insbesondere ein Niedrigspannungslaserbauelement an, das eine gallium- und stickstoffhaltige Spezies verwendet. Die Erfindung kann, um lediglich Beispiele anzugeben, neben anderen Vorrichtungen auf optische Bauelemente, Laser, lichtemittierende Dioden, Solarzellen, fotoelektrochemische Wasserspaltung und Wasserstofferzeugung, Photodetektoren, integrierte Schaltkreise und Transistoren angewandt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sieht die Erfindung eine Laserstruktur ohne einen aluminiumhaltigen Mantelbereich vor. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Laserbauelement eine aktive Multiquantentopfzone mit dünnen Sperrschichten auf, wobei die aktive Zone drei oder mehr Quantentopfstrukturen umfasst. Zwischen den Quantentopfstrukturen befindet sich jeweils eine dünne Sperrschicht von zum Beispiel 8 nm und weniger, 7 nm und weniger, 6 nm und weniger, 5 nm und weniger, 4 nm und weniger, 3 nm und weniger, 2 nm und weniger, 1,5 nm und weniger. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die Kombination von in den Multiquantentopfstrukturen ausgebildeten dünnen Sperrschichten eine Niedrigspannungslaserdiode (zum Beispiel 7 Volt und weniger, 6 Volt und weniger), ohne Verwendung von aluminiumhaltigen Mantelbereichen.
Bei einer Ausführungsform weist das optische Bauelement ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat auf, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung, die off-cut sein kann, umfasst. Entsprechend einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement ein über dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Material liegendes n-leitendes Mantelmaterial auf. Das n-leitende Mantelmaterial ist im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Die Vorrichtung weist auch eine aktive Zone auf, die zumindest drei Quantentöpfe umfasst. Jeder der Quantentöpfe besitzt eine Dicke von 2,5 nm und mehr oder von 3,5 nm und mehr, und eine oder mehrere Sperrschichten. Jede der Sperrschichten weist eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 4 nm oder von etwa 3 nm bis etwa 6,5 nm auf und ist nach einer besonderen Ausführungsform zwischen einem Quantentopfpaar ausgebildet. Nach einer besonderen Ausführungsform weist zumindest eine der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 4 nm auf und ist zwischen einem Quantentopfpaar oder an einen Quantentopf angrenzend ausgebildet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist zumindest eine oder jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 6,5 nm auf und ist zwischen einem Quantentopfpaar oder benachbart zu einem Quantentopf angeordnet. Vorzugsweise weist das Bauelement ein p-leitendes Mantelmaterial auf, das über der aktiven Zone liegt. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das p-leitende Mantelmaterial vorzugsweise im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Zone so ausgebildet, dass sie für eine Ausgangsleistung von 60 mW oder mehr mit einer an das Bauelement angelegten Vorwärtsspannung von weniger als etwa 7 V oder weniger als etwa 6 V betrieben werden kann.
Weiterhin wird eine nicht von der Erfindung umfasste Ausführungsform eines optischen Bauelements angegeben. Das Bauelement weist ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat auf, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung aufweist. Das Bauelement weist auch ein n-leitendes Mantelmaterial auf, das über dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Material liegt. Das n-leitende Mantelmaterial ist im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Das Bauelement weist ferner eine aktive Zone auf, die zumindest zwei Quantentöpfe umfasst. Bei einer besonderen Ausführungsform weist jeder der Quantentöpfe eine Dicke von 2,5 nm oder mehr oder von 3,5 nm oder mehr, und eine oder mehrere Sperrschichten auf. Bei einer besonderen Ausführungsform weist jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 5 nm, oder von etwa 3 nm bis etwa 8 nm auf. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen ist jede der Sperrschichten zwischen einem Quantentopfpaar angeordnet. Bei einer besonderen Ausführungsform weist zumindest eine oder jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 5 nm auf, und ist zwischen einem Quantentopfpaar oder benachbart zu einem Quantentopf angeordnet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist zumindest eine oder jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 8 nm auf und ist zwischen einem Quantentopfpaar oder benachbart zu einem Quantentopf angeordnet. Das Bauelement weist außerdem ein p-leitendes Mantelmaterial auf, das über der aktiven Zone liegt. Das p-leitende Mantelmaterial ist bei einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Fakultativ weist das Bauelement ein p-leitendes Material auf, das über der p-leitenden Mantelschicht liegt.
Bei anderen nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsformen wird weiterhin ein alternatives optisches Bauelement angegeben, das ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat umfasst, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung aufweist. Ein n-leitendes Mantelmaterial liegt über dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Material. Vorzugsweise ist das n-leitende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Die Vorrichtung weist eine aktive Zone auf, die zumindest zwei Quantentöpfe umfasst, von denen jeder eine Dicke von 2,5 nm oder mehr aufweist. Das Bauelement weist eine oder mehrere Sperrschichten auf, von denen bei einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen jede eine n-leitende Störstellencharakteristik und eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 5 nm oder von etwa 3 nm bis etwa 8 nm aufweist. Vorzugsweise ist jede der Sperrschichten bei einer besonderen Ausführungsform zwischen einem Quantentopfpaar angeordnet. Die Vorrichtung weist gemäß einer besonderen Ausführungsform auch ein p-leitendes Mantelmaterial auf, das über der aktiven Zone liegt. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das p-leitende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Das Bauelement weist auch ein p-leitendes Material auf, das auf dem p-leitenden Mantelmaterial aufliegt.
Bei anderen nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements angegeben, die ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat umfasst, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung aufweist. Ein n-leitendes Mantelmaterial liegt über dem n-leitenden gallium- und stickstoffenthaltenden Material. Vorzugsweise ist das n-leitende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer aktiven Zone, die zumindest zwei Quantentöpfe umfasst, von denen jeder eine Dicke von 2,5 nm oder mehr aufweist. Bei einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen weist die Vorrichtung eine oder mehrere Sperrschichten auf, von denen jede eine n-leitende Störstellencharakteristik und eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 5 nm, oder von etwa 3 nm bis etwa 8 nm aufweist. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist jede der Sperrschichten vorzugsweise zwischen einem Quantentopfpaar ausgebildet. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden eines p-leitenden Mantelmaterials, das über der aktiven Zone liegt. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das p-leitende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Das Verfahren umfasst auch die Ausbildung eines p-leitenden Materials, das auf dem p-leitenden Mantelmaterial aufliegt.
Bei einer besonderen nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform wird ein optisches Bauelement bereitgestellt, beispielsweise eine Laserdiode. Das Bauelement weist ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat auf, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung umfasst, der gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen off-cut sein kann. Das Bauelement weist ein n-leitendes Mantelmaterial auf, das auf dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Material aufliegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das n-leitende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Das Bauelement weist auch eine aktive Zone mit zumindest zwei Quantentöpfen auf. Bei einer besonderen Ausführungsform weist jede der Quantentöpfe eine Dicke von 2,5 nm oder mehr und entsprechend einer besonderen Ausführungsform eine oder mehrere Sperrschichten auf. Jede der Sperrschichten weist bei einer besonderen Ausführungsform eine p-leitende Eigenschaft und eine Dicke aus dem Bereich von etwa 2 nm bis etwa 3,5 nm auf. Bei einer besonderen alternativen Ausführungsform weist die jede der Sperrschichten eine p-leitende Eigenschaft und eine Dicke aus dem Bereich von etwa 3,5 nm bis etwa 7 nm auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jede der Sperrschichten zwischen einem Quantentopfpaar ausgebildet. Die Vorrichtung weist auch ein p-leitendes Mantelmaterial auf, das auf der aktiven Zone aufliegt. Das p-leitende Mantelmaterial ist vorzugsweise im wesentlichen frei von einem aluminiumhaltigen Material. Außerdem ist ein aufliegendes p-leitendes Material umfasst. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Zone so ausgebildet, dass bei einer Ausgangsleistung von 60 mW und mehr die an der Vorrichtung anliegende Vorwärtsspannung weniger als 6 V oder weniger als 7 V beträgt.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die vorliegende Erfindung eine Laserdiode, die im wesentlichen frei von einem aluminiumenthaltenden Mantelbereich ist. Zum Ausbilden der Laserdiode ohne einen aluminiumhaltigen Mantelbereich weist die vorliegende Laserdiode drei oder mehr Quantentöpfe auf, um einen zum Erzielen des Laserns ausreichenden Einschluss des optischen Modus' zu erreichen. Im Gegenzug kann die Vorwärtsspannung der Diode mit zunehmender Anzahl der Quantentöpfe in der aktiven Zone jedoch zunehmen. Wir haben festgestellt, dass die Vorwärtsspannung der Diode bei aktiven Multiquantentopfzonen durch die Verwendung von dünnen Sperrschichten in der Größenordnung von 5 nm herabgesetzt werden kann, die viel dünner als bei herkömmlichen Lasern sind, beispielsweise solchen, wie sie in Yoshizumi et al., ”Continouous-Wave operation of 520 nm Green InGaN-Based Laser Diodes an Semi-Polar {20-21} GaN Substrates”, Applied Physics Express 2 (2009) 092101 beschrieben sind. Wir haben ferner festgestellt, dass die Vorwärtsspannung bei aktiven Multiquantentopfzonen durch das Hinzufügen von p- oder n-leitenden Dotierstoffspezien zur aktiven Zone gemäß einer oder mehrerer weiterer Ausführungsformen herabgesetzt werden kann. Auch wenn jeder der Ansätze oder eine Kombination dieser verwendet werden kann, glauben wir, dass es vorteilhaft wäre, den Ansatz mit den dünnen Sperrschichten zu verwenden, um das Hinzufügen von Fremdatomen zur aktiven Zone zu vermeiden. Die Fremdatome können bei einer oder mehreren Ausführungsformen die optischen Verluste ändern und die Lage des elektrischen Übergangs verändern. Entsprechend gibt die vorliegende Erfindung ein Laserbauelement frei von aluminiumenthaltenden Mantelregionen, für niedrige Spannungen und auf {20-21}-Substraten an.
Darüber hinaus wird ein optisches Bauelement angegeben, das im wesentlichen frei von aluminiumhaltigen Mantelmaterialien ist. Das Bauelement weist ein gallium- und stickstoffhaltiges Substratelement auf, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21}-Orientierung umfasst. Das Bauelement weist ein n-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Mantelmaterial auf. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das n-leitende, gallium- und stickstoffhaltige Mantelmaterial im wesentlichen frei von einer Aluminiumspezies, die zu Unregelmäßigkeiten, Defekten und anderen Beschränkungen führt. Das Bauelement weist auch eine aktive Zone mit mehreren Quantentopfstrukturen auf, die auf dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Mantelmaterial aufliegen. Bei einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsform weist das Bauelement auch dünne Sperrschichten auf, die mit den mehreren Topfstrukturen ausgebildet sind. Das Bauelement weist ein p-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Mantelmaterial auf, das auf der aktiven Zone aufliegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das p-leitende, gallium- und stickstoffhaltige Mantelmaterial im wesentlichen frei von einer Aluminiumspezies. Das Bauelement weist vorzugsweise einen Laserstreifenbereich auf, der zumindest durch die aktive Zone gebildet und durch eine im wesentlichen parallel zu einer Projektion in eine c-Richtung verlaufenden Resonatororientierung gekennzeichnet ist. Der Laserstreifenbereich weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das Bauelement weist an dem ersten Ende des Laserstreifenbereichs ferner eine erste gespaltene Facette auf und an dem zweiten Ende der Laserstreifenzone eine zweite gespaltene Facette. Bei anderen, weiteren Ausführungsformen umfasst das vorliegende Bauelement eine gallium- und stickstoffenthaltende Elektronen sperrende Zone, die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien ist. In anderen weiteren Ausführungsformen umfasst das Bauelement keine Elektronensperrschicht oder bei anderen weiteren Ausführungsformen gibt es in den Mantelschichten und/oder der Elektronsperrschicht kein Aluminium, auch wenn andere Ausführungsformen aluminiumenthaltende Sperrschichten umfassen. Bei weiteren anderen Ausführungsformen sind das optische Bauelement und das Verfahren frei von jeglichem Aluminiummaterial, das zu Defekten, Unregelmäßigkeiten und dergleichen führt.
In bevorzugten Ausführungsformen sind das vorliegende Verfahren und die vorliegende Struktur in den Mantelschichten im wesentlichen frei von InAlGaN oder aluminiumenthaltenden Spezien, wie es bei herkömmlichen Techniken ist, beispielsweise solchen, in Yoshizumi et al., ”Continouous-Wave operation of 520 nm Green InGaN-Based Laser Diodes an Semi-Polar {20-21} GaN Substrates”, Applied Physics Express 2 (2009) 092101 beschriebenen. Das bedeutet, dass die vorliegende Laserstruktur und das Verfahren im Mantelbereich im wesentlichen frei von jeglichen Aluminiumspezien sind. Aluminium ist generell schädlich. Aluminium führt oft zum Einschleppen von Sauerstoff in den Reaktor, der als nichtstrahlendes Rekombinationszentrum fungieren kann und dadurch die Strahlungseffizienz reduziert und weitere Nachteile mit sich bringt. Wir haben ferner festgestellt, dass Sauerstoff p-leitende Dotierstoffe im p-leitenden Mantel kompensiert und in dem optischen Bauteil hierdurch einen zusätzlichen. Widerstand bewirkt. Weiterhin haben wir festgestellt, dass Aluminium für den MOCVD Reaktor schädlich ist und mit anderen Abscheideprecursoren reagieren oder vorreagieren kann. Die Verwendung von Aluminiummantelschichten ist ferner umständlich und kann zusätzliche die Abscheidezeit verlängern. Außerdem wird angenommen, dass Verfahren und Strukturen für Laser ohne Aluminiummantel generell effizienter abzuscheiden sind als herkömmliche Laserstrukturen.
Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung werden gegenüber bereits existierenden Techniken zusätzliche Vorteile erzielt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere ein kostengünstiges optisches Bauelement für Laseranwendungen. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das vorliegenden optische Bauelement auf relativ einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Abhängig von der jeweiligen Ausführungsform können die vorliegende Vorrichtung und das Verfahren unter Verwendung von für den Durchschnittsfachmann üblichen Materialien und/oder Verfahren hergestellt werden. Das vorliegende Laserbauelement verwendet ein semipolares Galliumnitrid-Material, das unter anderem zum Verwirklichen eines grünen Laserbauelements geeignet ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen eignet sich das Laserbauelement zur Emission langer Wellenlängen wie solcher aus einem Bereich von etwa 500 nm bis mehr als etwa 540 nm, aber es können auch andere sein. Bei einer anderen Ausführungsform eignet sich das Laserbauelement zum Betrieb im blauen Bereich von 430 nm bis 480 nm oder im zyanfarbigen Bereich von 480 nm bis etwa 500 nm. Bei einer anderen weiteren Ausführungsform eignet sich das Laserbauelement zum Betrieb im violetten Bereich von 390 nm bis 430 nm. Bei einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen gibt die vorliegende Erfindung eine Laserdiode auf einem in {20-21} gallium- und stickstoffenthaltenden Material an, die zur Emission bei etwa 522 nm oder darüber, wobei auch andere in Frage kommen, ausgebildet ist. Bei einer besonderen Ausführungsform verwenden das vorliegende Verfahren und die Struktur eine oberseitige Skip-and-Scribe Technik für verbesserte Spaltflächen der Laserbauelementstruktur. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren angegeben, das eine oberseitige Skip-and-Scribe Technik für gute Facetten in Projektion der c-Richtung verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt das vorliegende Bauelement und das Verfahren ein Laserbauelement bereit, das auf einem gallium- und stickstoffenthaltenden Substrat mit dünnen Sperrbereichen innerhalb der aktiven Zone ausgebildet ist und eine wünschenswerte Vorwärtsspannung von 7 V oder weniger aufweist.
Die vorliegende Erfindung erreicht diese Vorzüge und anderes im Zusammenhang mit bekannten Verfahrenstechnologien. Ein besseres Verständnis des Wesens und der Vorteile der vorliegenden Erfindung können unter Bezugnahme auf die letzteren Abschnitte der Beschreibung und auf die beigefügten Zeichnungen erhalten werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine vereinfachte Perspektivansicht eines Laserbauelements dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der {20-21}-Ebene eines gallium- und stickstoffenthaltenden Substrats hergestellt ist.
2 stellte eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines auf der {20-21}-Ebene eines gallium- und stickstoffhaltigen Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellten Laserbauelements dar.
3 stellt ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung einer epitaktischen Laserstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
3A bis 3C stellen vereinfachte Diagramme zur Veranschaulichung epitaktischer Laserstrukturen gemäß anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
4 und 5 sind Fotografien von gespaltenen Facetten für das Bauelement von 1 nach einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 stellt eine vereinfachte Perspektivansicht eines alternativen Laserbauelements dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem gallium- und stickstoffenthaltenden Substrat hergestellt ist.
7 ist eine Fotografie von gespaltenen Facetten für das Bauelement von 6 entsprechend einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
8 bis 15 veranschaulichen ein vereinfachtes nachgestelltes Bearbeitungsverfahren für ein Laserbauelement nach einem oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
16 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Ausgangslichtleistung und der Spannung für Laserstreifen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
17 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Lichtausgangsleistung und der Spannung für Laserstreifen nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
18 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und Lichtcharakteristiken eines 522 nm Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
19 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und Lichtcharakteristik eines 525 nm Dauerstrich-Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
20 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und Lichtcharakteristik eines bei 45 mW betreibbaren 520 nm Dauerstrich-Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
21 stellt ein vereinfachtes Diagramm der Vorwärtsspannung bei drei verschiedenen Stromdichten für Mikro-LED Bauelemente dar, die aus epitaktischen Laserdiodenstrukturen mit fünf Quantentöpfen und unterschiedlichen Sperrschichtdicken hergestellt wurden.
22 stellt ein vereinfachtes Diagramm eines Stromspannungsverlaufs einer grünen Einzellateralmodenlaserdiode mit ~600 Mikrometer Resonatorlänge nach einer besonderen Ausführungsform dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden generell Techniken angegeben, die sich auf optische Bauelemente beziehen. Die vorliegende Erfindung gibt insbesondere ein Bauelement zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung unpolarer und semipolarer, galliumenthaltender Substrate an, wie zum Beispiel GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN und AlInGaN sowie weitere. Des weiteren gibt die vorliegende Erfindung insbesondere ein Bauelement unter Verwendung eines gallium- und stickstoffenthaltenden {20-21} Substrats an, das in Richtung der c-Ebene oder in Richtung der a-Ebene entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen fehlgeschnitten sein kann, wobei auch andere Ausgestaltungen, möglich sind. Des weiteren gibt die vorliegende Erfindung insbesondre ein Niedrigspannungslaserbauelement an, bei dem ein gallium- und stickstoffhaltiges Species verwendet wird. Die Erfindung kann, um lediglich Beispiele zu nennen, neben anderen Vorrichtungen auf optische Bauelemente, Laser, lichtemittierende Dioden, Solarzellen, photoelektrochemische Wasseraufspaltung und Wasserstoffgewinnung, Fotodetektoren, integrierte Schaltungen und Transistoren angewendet werden. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das vorliegende Laserbauelement wie unten ausgeführt entweder in einem semipolaren oder unpolaren galliumenthaltenden Substrat erstellt werden.
Wir haben das epitaktische Wachstum und die Spalteigenschaften von semipolaren Kristallebenen untersucht, die zwischen der unpolaren m-Ebene und der polaren c-Ebene angeordnet sind. Im vorliegenden Fall haben wir auf den {30-31} und {20-21}-Familien der Kristallebenen abgeschieden. Wir erzielen erfolgversprechende epitaktische Strukturen und Spaltungen, die einen Weg für effiziente Laserdioden eröffnen, die bei Wellenlängen von etwa 400 nm bis ins Grüne, zum Beispiel 500 nm bis 540 nm, betrieben werden können. Die Ergebnisse umfassen eine hellblaue Epitaxie im 450 nm-Bereich, eine hellgrüne Epitaxie im 520 nm-Bereich und glatte, natürlich erfolgende Spaltebenen orthogonal zur Projektion der c-Richtung. Für eine maximale Verstärkung bei dieser Familie von Kristallebenen ist es wünschenswert die Laserresonatoren parallel zur Projektion der c-Richtung auszurichten. Wir haben ein unter der Verwendung dieser Technologien auf {20-21} erstelltes Laserbauelement vorgestellt, das bei einem in der Projektion der c-Richtung ausgerichteten Resonator bei 522 nm arbeitet, aber es sind auch andere möglich.
Auch wenn angenommen wird, dass in Projektion der c-Richtung eine höhere Verstärkung möglich ist als sie in a-Richtung verfügbar wäre, ist es dennoch wünschenswert eine qualitativ hochwertige Spaltebene orthogonal zu einem in Projektion der c-Richtung ausgerichteten Streifen auszubilden. Ein Beispiel für ein solches Laserbauelement ist in der U.S. Anmeldung Nr. 61/243,502, angemeldet am 17. September 2009 mit dem Titel ”Growth Structures and Methods for Forming Laser Diodes an {20-21} or Off Cut Gallium and Nitrogen Containing Substrates”, und in der U.S. Anmeldung mit dem Titel ”Growth Structures and Methods for Forming Laser Diodes an {20-21} or Off Cut Gallium and Nitrogen Containing Substrates” beschrieben. Genauer gesagt wollten wir eine qualitativ hochwertige Spaltebene orthogonal zu der [10-1-7]-Richtung für einen auf der {20-21}-Ebene ausgebildeten Laserstreifen. Bei einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen untersuchten wir eine qualitativ hochwertige Spaltebene, die im wesentlichen orthogonal zur Projektion der c-Richtung [10-1-7] verlief. Insbesondere stellten wir fest, dass, wenn ein oberseitig ausgeführtes Skip-Scribe-Verfahren, gefolgt von einem Schritt zum Brechen verwendet wird, eine gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen hochqualitative glatte und senkrecht gespaltene Facette am oberen Bereich der Spaltfläche ausgebildet wird. Unterhalb des oberen Bereichs der Spaltfläche wird die Facette schräg, was für einen Laserdiodenspiegel gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen nicht optimal sein mag. Bei anderen Ausführungsformen ist eine solche abgeschrägte Spaltcharakteristik wünschenswert für die Laserherstellung, da der Laserspiegel oben auf dem Substrat angeordnet ist, wo die Spaltfläche vertikal verläuft. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine schräge aber glatte Spaltfläche ausgebildet, wenn die Probe auf der Rückseite mit einem Laser geritzt und dann gebrochen wird. Eine solche glatte Spaltfläche kann für Laser erstrebenswert sein, gehört jedoch nicht zu den am meisten bevorzugten, da der Laserspiegel verkippt sein wird. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen scheint das Verfahren zum Ritzen der Oberseite mit Unterbrechungen (Skip-and-Scribe) mehr Vorzüge aufzuweisen. Weitere Einzelheiten bezüglich des Verfahrens zum Ritzen und Brechen können der vorliegenden Beschreibung als Ganzes und insbesondere dem Nachfolgenden entnommen werden.
1 stellt eine vereinfachte Perspektivansicht eines Laserbauelements dar, das auf einer off-cut m-Ebenen {20-21}-Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Die Grafik stellt lediglich ein Beispiel dar, das den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen einschränken sollte. Ein Durchschnittsfachmann würde erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen oder Alternativen möglich sind. Wie gezeigt, umfasst das optische Bauelement ein GaN Substratelement, das einen kristallinen off-cut m-Ebenen-Oberflächenbereich aufweist. Bei einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Galliumnitrid-Substratelement um ein GaN Grundsubstrat, das durch einen semipolaren oder unpolaren kristallinen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist, es kann aber auch ein anderes sein. Das GaN-Nitridgrundsubstrat umfasst bei einer besonderen Ausführungsform Stickstoff und weist eine Oberflächenversetzungsdichte von weniger als 10⁵ cm^–2 auf. Der Nitridkristall oder Wafer kann Al_xIn_yGa_1-x-yN umfassen, wobei 0 ≤ x, y, x + y ≤ 1 ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Nitridkristall GaN, kann aber auch anders sein. Bei einer oder mehrerer Ausführungsformen weist das GAN Substrat in eine Richtung, die im wesentlichen orthogonal oder geneigt zur Oberfläche ist, Schraubenversetzungen mit einer Konzentration von zwischen etwa 10⁵ cm^–2 und etwa 10⁸ cm^–2 auf. Als Folge der orthogonalen oder geneigten Orientierung der Versetzungen beträgt die Oberflächenversetzungsdichte zwischen etwa 10⁵ cm^–2 und 10⁷ cm^–2 oder weniger als etwa 10⁵ cm^–2. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das Bauelement auf einem leicht off-cut semipolaren Substrat, wie in der US 8 422 525 B1 , die am 29. März 2010 angemeldet wurde und die Priorität der provisorischen U.S. Anmeldung Nr. 61/164,409 in Anspruch nimmt, die am 28. März 2009 angemeldet wurde, und die übertragenen wurde und hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird, beschrieben ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist auch die zweite Spaltfacette eine zweite Spiegelfläche auf. Die zweite Spiegelfläche wird bei einer besonderen Ausführungsform mittels eines oberseitigen Skip-Scribe-Ritz- und Brechverfahrens erstellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ritzen um Diamantritzen oder Laserritzen oder dergleichen. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die zweite Spiegelfläche eine reflektierende Beschichtung wie zum Beispiel Siliciumdioxid, Hafniumoxid und Titanoxid, Tantalpentoxid, Zirkoniumoxid, Kombinationen und dergleichen auf. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Spiegelfläche eine Antireflexbeschichtung auf.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist der Laserstreifen eine Länge und eine Breite auf. Der Längenbereich erstreckt sich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 3000 Mikrometer oder vorzugsweise von etwa 400 Mikrometer bis etwa 650 Mikrometer oder 650 Mikrometer bis etwa 1200 Mikrometer. Der Streifen weist ferner eine Breite im Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer oder vorzugsweise von zwischen 1 Mikrometer bis 1,5 Mikrometer, etwa 1,5 Mikrometer bis etwa 2,0 Mikrometer oder von etwa 2,0 Mikrometer bis etwa 4 Mikrometer auf, kann aber auch andere Abmessungen besitzen. Bei einer besonderen Ausführungsform ist die Breite in ihrer Ausdehnung im wesentlichen konstant, obwohl es hiervon leichte Abweichungen geben kann. Die Breite und Länge werden häufig unter Verwendung eines Masken- und Ätzprozesses ausgebildet, wie sie im Stand der Technik gewöhnlich verwendet werden.
Bei einer besonderen nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform wird eine alternative Bauelementstruktur angegeben, die eine Emission von Licht mit 501 nm oder darüber bei einer Fabry-Pérot-Laser-Ausführungsform (ridge laser) ermöglicht. Das Bauelement wird mit einer oder mehr der folgenden epitaktisch abgeschiedenen Elemente erstellt, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
eine n-GaN Mantelschicht mit einer Schichtdicke von 100 nm bis 3000 nm mit einer Siliciumdotierkonzentration von 5·10¹⁷ bis 3·10⁸ cm^–3
eine InGaN enthaltende n-Seiten-SCH-Schicht mit einem molaren Anteil des Indiums von zwischen 3% und 10% und einer Dicke von 20 bis 150 nm
Multiquantentopfschichten der aktiven Zone, die zumindest zwei InGaN-Quantentöpfe von 2,0 bis 5,5 nm aufweisen, die durch dünne GaN-Sperrschichten von 2,5 nm und mehr und fakultativ von bis etwa 8 nm Dicke gebildet sind
eine InGaN aufweisende p-Seiten-SCH-Schicht mit einem molaren Anteil des Indiums von zwischen 1% und 10% und einer Dicke von 15 bis 100 nm
eine Elektronensperrschicht, die AlGaN mit einem molaren Anteil des Aluminiums von zwischen 5 und 20% und eine Dicke von 5 bis 20 nm aufweist und mit Mg dotiert ist
eine p-GaN Mantelschicht mit einer Dicke von 400 bis 1000 nm mit einer Mg Dotierkonzentration von 2·10¹⁷ cm^–3 bis 2·10¹⁹ cm^–3
eine p++-GaN Kontaktschicht mit einer Dicke von 20 bis 40 nm mit einer Mg-Dotierkonzentration von 1·10¹⁹ cm^–3 bis 1·10²¹ cm^–3
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen möglich, beispielsweise solche die eine p-SeitenGaN-Führungsschicht anstelle der p-SCH-Schicht verwenden, mehrere verschiedene Schichten in dem SCH Bereich verwenden, oder die EBL Schicht auslassen. Erneut sei darauf hingewiesen, dass es weitere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben kann.
2 stellt eine detaillierte Querschnittsansicht eines Laserbauelements dar, das auf einem {20-21} Substrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Dieses Diagramm stellt lediglich ein Beispiel dar, und soll den Schutzbereich der Ansprüche hier nicht unnötig einschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass es andere Variationen, Modifikationen und Alternativen gibt. Wie gezeigt, umfasst das Laserbauelement ein Galliumnitridsubstrat 203, das auf einen n-leitenden rückwärtigen Metallkontaktbereich 201 aufliegt. Bei einer besonderen Ausführungsform ist der Rückseitenkontaktbereich aus einem geeigneten Material wie zum Beispiel die unten angeführten oder aus anderen hergestellt. Weitere Einzelheiten über den Kontaktbereich können der vorliegenden Beschreibung als Ganzes und insbesondere dem Untenstehenden entnommen werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement auch eine aufliegende n-leitende Galliumnitridschicht 205, eine aktive Zone 207 und eine aufliegende p-leitende Galliumnitridschicht auf, die als Laserstreifenbereich 209 strukturiert ist. Bei einer besonderen Ausführungsform wird jeder dieser Bereiche unter Verwendung von zumindest einem epitaktischen Abscheideverfahren ausgebildet, das unter der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), der Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder anderen für die Abscheidung auf GaN geeigneten epitaktischen Abscheideverfahren ausgewählt ist. Bei einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei der epitaktischen Schicht um eine qualitativ hochwertige epitaktische Schicht, die auf der n-leitenden Galliumnitridschicht aufliegt. Bei einigen Ausführungsformen ist die qualitativ hochwertige Schicht dotiert, zum Beispiel mit Si oder O, um ein n-leitendes Material mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen etwa 10¹⁶ cm^–3 und 10²⁰ cm^–3 auszubilden.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird eine n-leitende Al_uIn_vGa_1-v-uN Schicht auf dem Substrat abgeschieden, wobei 0 ≤ u, v, u + v ≤ 1 ist. Bei einer besonderen Ausführungsform kann die Ladungsträgerkonzentration im Bereich von etwa 10¹⁶ cm^–3 bis 10²⁰ cm^–3 liegen. Die Abscheidung kann unter Verwendung der metallorganischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) oder der Molekularstrahlepitaxie (MBE) ausgeführt werden.
Zum Beispiel wird das GaN Grundsubstrat in einem MOCVD Reaktor auf einen Suszeptor platziert. Nach dem Schließen, Evakuieren und Befüllen des Reaktors (oder Verwenden einer Schleusenanordnung) auf Atmosphärendruck, wird der Suszeptor unter Anwesenheit eines stickstoffhaltigen Gases auf eine Temperatur von etwa 1000 bis etwa 1200 Grad Celsius aufgeheizt. Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Suszeptor im Ammoniakfluss auf etwa 900 bis 1100 Grad Celsius geheizt. Ein Durchfluss eines galliumenthaltenden metallorganischen Precursors, wie zum Beispiel Trimethylgallium (TMG) oder Triethylgallium (TEG) wird in einem Trägergas mit einem Gesamtfluss von etwa 1 bis 50 Standartkubikzentimeter pro Minute (sccm) eingeleitet. Das Trägergas kann Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Argon aufweisen. Das Verhältnis der Flussrate eines Gruppe V Precursors (Ammoniak) zu dem eines Gruppe III Precursors (Trimethylgallium, Triethylgallium, Trimethylindium, Trimethylaluminium) während des Abscheidens beträgt etwa 2000 bis 12000. Ein Durchfluss von Disilan in einem Trägergas mit einer Gesamtflussrate von etwa 0,1 bis 10 sccm wird eingeleitet.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Laserstreifenbereich aus der p-leitenden Galliumnitridschicht 209 gefertigt. Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Laserstreifen durch ein unter Trockenätzen und Nassätzen ausgewähltes Ätzverfahren erstellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Trockenätzprozess, es kann jedoch auch ein anderer verwendet werden. Es handelt sich bei dem Trockenätzprozess, um ein Beispiel zu geben, um einen induktiv gekoppelten Prozess, bei dem chlorhaltige Spezien verwendet werden oder um ein Plasmaätzverfahren unter Verwendung einer ähnlichen Chemie. Die chlorhaltigen Spezien sind um ein Beispiel zu geben gewöhnlich von Chlorgas oder dergleichen abgeleitet. Das Bauelement weist auch einen aufliegenden dielektrischen Bereich auf, der den Kontaktbereich 213 freilegt. Bei einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem dielektrischen Bereich um ein Oxid, wie beispielsweise Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, es kann aber auch etwas anderes sein. Der Kontaktbereich ist mit einer aufliegenden Metallschicht 215 verbunden. Bei der aufliegenden Metallschicht handelt es sich um eine Mehrschichtstruktur, die Gold und Platin (Pt/Au), Nickel-Gold (Ni/Au), enthält, aber auch anders ausgebildet sein kann.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Laserbauelement einen aktiven Bereich 207 auf. Der aktive Bereich kann gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen ein bis zwanzig Quantentopfbereiche aufweisen. Beispielswiese wird nach dem Abscheiden der n-leitenden Al_uIn_vGa_l-u-vN Schicht über eine vorgegebene Zeitspanne, um eine bestimmte Dicke zu erreichen, eine aktive Schicht abgeschieden. Die aktive Schicht kann mit zwei bis zehn Quantentöpfen und mehr Quantentöpfe gebildet sein. Die Quantentöpfe können mit InGaN und mit sie trennenden GaN Sperrschichten ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen weisen die Topfschichten und Sperrschichten Al_wIn_xGa_l-w-xN und Al_yIn_zGa_l-y-zN auf, wobei 0 ≤ w, x, y, z, w + x, y + z ≤ 1 mit w < u, y und/oder x > v, z ist, so dass der Bandabstand der Topfschicht(en) kleiner als der der Sperrschicht(en) und der n-leitenden Schicht ist. Jede der Topfschichten und Sperrschichten kann eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 20 nm aufweisen. Zusammensetzung und Struktur der aktiven Schicht werden so gewählt, dass eine Lichtemission bei einer vorgewählten Wellenlänge ermöglicht wird. Die aktive Schicht kann umdotiert (oder unbeabsichtigt dotiert) belassen werden oder n-leitendend oder p-leitendend dotiert sein.
Bei einer besonderen Ausführungsform kann die aktive Zone auch einen Elektronensperrbereich und eine gesonderte Einfassungsheterostruktur umfassen. Bei einigen Ausführungsformen wird vorzugsweise eine Elektronensperrschicht abgeschieden. Die Elektronensperrschicht kann Al_sIn_tGa_1-s-tN, wobei 0 ≤ s, t, s + t ≤ 1 ist, je einen höheren Bandabstand als die aktive Schicht aufweisen und p-dotiert sein. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Elektronensperrschicht AlGaN auf. Bei einer anderen Ausführungsform weist die Elektronensperrschicht eine AlGaN/GaN-Übergitterstruktur auf, die einander abwechselnde Schichten aus AlGaN und GaN aufweist, wobei jede eine Dicke zwischen etwa 0,2 nm und etwa 5 nm besitzt.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist die aktive Zonenstruktur keine AlGaN-EBL Schicht auf. Das bedeutet, dass das Laserbauelement keinerlei Elektronensperrschicht aufweist, die bei einer solchen Ausführungsform fakultativ ist.
Wie bereits angeführt, wird die p-leitende Galliumnitridstruktur oberhalb der Elektronensperrschicht und der aktiven Schicht(en) abgeschieden. Die p-leitende Schicht kann mit Mg bis zu einer Konzentration von etwa 10¹⁶ cm^–3 und 10²² cm^–3 dotiert sein und eine Dicke von etwa 5 nm bis etwa 1000 nm aufweisen. Die äußersten 1 bis 50 nm der p-leitenden Schicht können, um eine verbesserte elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, stärker dotiert sein als die übrige Schicht. Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Laserstreifen mittels eines unter Trockenätzen oder Nassätzen ausgewählten Ätzverfahrens erstellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Trockenätzprozess, es kann jedoch auch anders sein. Das Bauelement weist auch einen aufliegenden dielektrischen Bereich auf, der den Kontaktbereich 213 hervorhebt. Bei einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem dielektrischen Bereich um ein Oxid, wie beispielsweise Siliciumdioxid.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Metallkontakt aus einem geeigneten Material gefertigt. Der reflektierende elektrische Kontakt kann eines der folgenden Materialien aufweisen: Silber, Gold, Aluminium, Nickel, Platin, Rhodium, Palladium, Chrom oder dergleichen. Der elektrische Kontakt kann durch thermische Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, galvanisch, Kathodenstrahlzerstäuben oder andere geeignete Verfahren abgeschieden werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dient der elektrische Kontakt als p-leitende Elektrode für das optische Bauelement. Bei einer anderen Ausführungsform dient der elektrische Kontakt als n-leitende Elektrode für das optische Bauelement.
3 stellt ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung einer Laserstruktur nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Diagramm stellt lediglich ein Beispiel dar und sollte den Umfang der Ansprüche hier nicht ungebührlich einschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird andere Variationen, Modifikationen und Alternativen erkennen. Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement ein Ausgangsmaterial wie beispielsweise ein unpolares oder semipolares GaN-Grundsubstrat auf, kann aber auch ein anderes aufweisen. Bei einer besonderen Ausführungsform, ist das Bauelement so ausgebildet, dass es eine Emission im Wellenlängenbereich von 390 nm bis 420 nm, 420 nm bis 440 nm, 440 nm bis 470 nm, 470 nm bis 490 nm, 490 nm bis 510 nm und 510 nm bis 530 nm aufweist, es kann jedoch auch anders sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abscheidestruktur so ausgebildet, dass zwischen 3 und 5 oder 5 und 7 Quantentöpfe verwendet werden, die zwischen n-leitenden GaN- und p-leitenden GaN-Mantelschichten angeordnet sind. Bei einer besonderen Ausführungsform bewegt sich die Dicke der GaN-Mantelschicht im Bereich von 500 nm bis 2000 nm und weist einen n-leitende Dotierstoff wie zum Beispiel Si in einer Dotierkonzentration von zwischen 10¹⁸ cm^–3 bis 3·10¹⁸ cm^–3 auf. Bei einer besonderen Ausführungsform bewegt sich die Dicke der p-leitenden GaN-Mantelschicht im Bereich von 500 nm bis 1000 nm und weist einen p-leitenden Dotierstoff wie beispielsweise Mg in einer Dotierkonzentration von 10¹⁷ cm^–3 bis 7·10¹⁹ cm^–3 auf. Bei einer besonderen Ausführungsform verläuft die Mg-Dotierkonzentration so gestuft, dass die Konzentration in dem näher an den Quantentöpfen liegenden Bereich geringer ist.
Bei einer besonderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Quantentöpfe eine Dicke von zwischen 2,5 nm und 4 nm, 4 nm und 5,5 nm oder 5,5 nm und 8 nm auf, können jedoch auch anders sein. Bei einer besonderen Ausführungsform können die Quantentöpfe durch Sperrschichten mit Dicken von zwischen 2 nm und 3,5 nm oder 3,5 nm und 6 nm oder 6 nm und 8 nm getrennt sein. Zusammen bilden die Quantentöpfe und die Sperrschichten einen Multiquantentopfbereich (MQW).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Sperrschichten des Bauelements aus GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN gebildet. Bei einer besonderen Ausführungsform, die InGaN Sperrschichten verwendet, bewegt sich der Indiumanteil von 0% bis 5% (mol%), kann jedoch auch anders sein. Ferner ist anzumerken, dass % Indium oder Aluminium einen molaren Anteil und keine Gewichtsprozente bedeuten.
Eine gesonderte InGaN Einfassungsheterostrukturschicht (SCH; englisch: separate confinement heterostructure) kann gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zwischen dem n-leitenden GaN-Mantel und dem MQW-Bereich angeordnet sein. Typischerweise wird eine solche gesonderte Einfassungsschicht üblicherweise als n-Seiten-SCH bezeichnet. Die n-Seiten-SCH-Schicht weist Dicken im Bereich von 10 nm bis 60 nm, oder von 60 nm bis 150 nm und eine Indiumzusammensetzung im Bereich von 1% bis 12% (mol%) auf, kann jedoch auch anders sein. Bei einer besonderen Ausführungsform kann die n-Seiten-SCH-Schicht mit einem n-leitenden Dotierstoff wie beispielsweise Silicium dotiert sein.
In einer weiterhin bevorzugten anderen Ausführungsform ist eine gesonderte InGaN-Einfassungsheterostrukturschicht (SCH) zwischen dem p-leitenden GaN-Mantel und dem MQW-Bereich angeordnet und wird als p-Seiten SCH bezeichnet. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die p-Seiten-SCH-Schicht Dicken im Bereich von 10 nm bis 40 nm, oder von 40 nm bis 150 nm und eine Indiumzusammensetzung von 0% bis 10% (mol%) auf, kann jedoch auch anders sein. Die p-Seiten-SCH-Schicht kann mit einem p-leitenden Dotierstoff wie beispielsweise Mg dotiert sein.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Struktur sowohl eine n-Seiten-SCH als auch eine p-Seiten-SCH aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die p-Seiten-SCH durch eine p-Seiten-GaN-Führungsschicht ersetzt sein. Bei einer anderen Ausführungsform können die n-Seiten- und/oder p-Seiten-SCH-Bereiche mehrere Schichten aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Struktur eine GaN-Führungsschicht auf der p-Seite aufweisen, die zwischen der n-leitenden GaN-Mantelschicht und dem MQW-Bereich angeordnet ist. Diese GaN-Führungsschicht kann eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 60 nm aufweisen und kann mit einer p-leitenden Spezies wie beispielsweise Mg dotiert sein oder auch nicht.
Bei einer besonderen bevorzugten Ausführungsform ist eine AlGaN Elektronensperrschicht mit einem Aluminiumanteil von 5% bis 20% (mol%) zwischen der MQW- und der n-leitenden GaN-Mantelschicht entweder zwischen der MQW und der p-Seiten-SCH, innerhalb der p-Seiten-SCH oder zwischen der p-Seiten-SCH und der n-leitenden GaN-Mantelschicht angeordnet. Die AlGaN Elektronensperrschicht weist entsprechend einer besonderen Ausführungsform eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 20 nm auf und ist mit einem p-leitenden Dotierstoff wie beispielweise Mg in einer Konzentration von 1·10¹⁷ cm^–3 bis 1·10²¹ cm^–3 dotiert. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Elektronensperrschicht frei von jeglichen Aluminiumspezien und/oder es kann insgesamt auf sie verzichtet sein. Bei einer weiteren anderen Ausführungsform kann das Bauelement im wesentlichen frei von einer Elektronensperrschicht sein.
Vorzugsweise wird eine p-leitende Mantelschicht ausgebildet, die auf der p-Kontaktschicht und diese abdeckend angeordnet ist. Die p-Kontaktschicht kann GaN aufweisen, das einen p-Dotierstoff wie beispielsweise Mg in einer Konzentration aus dem Bereich mit 1·10²⁰ cm^–3 bis 1·10²² cm^–3 aufweist.
Die 3A bis 3C stellen vereinfachte Grafiken zur Veranschaulichung epitaktischer Laserstrukuren gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gibt die vorliegende Erfindung ein optisches Bauelement an, das im wesentlichen frei von aluminiumhaltigen Mantelmaterialien ist. Das Substrat weist ein gallium- und stickstoffenthaltendes Substratelement (zum Beispiel Galliumnitridgrundmaterial) auf, das einen kristallinen {20-21}-Oberflächenbereich oder eine andere Oberflächenkonfiguration aufweist. Das Bauelement weist ein n-leitendes gallium- und stickstoffenthaltendes Mantelmaterial auf. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das n-leitende gallium- und stickstoffenthaltende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einer Aluminiumspezies, die zu Unvollkommenheiten, Störstellen und anderen Nachteilen führt. Bei einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsform weist das Mantelmaterial keine Aluminiumspezies auf und ist aus einem gallium- und stickstoffenthaltenden Material erstellt.
Selbstverständlich sind andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement eine aktive Zone auf, die Multiquantentopfstrukturen umfasst, die auf dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Mantelmaterial aufliegen. Bei einer oder mehreren Ausführungsform kann die aktive Zone die angeführten sowie andere aufweisen. Das heißt, das Bauelement kann unter anderem aktive Zonen aus InGaN/InGaN und/oder InGaN/GaN aufweisen. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das optische Bauelement sieben MQWs, sechs MQWs, fünf MQWs, vier MQWs, drei MQWs, mehr MQWs oder, nicht von der Erfindung umfasst, weniger oder dergleichen aufweisen. Selbstverständlich sind hiervon andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement ein p-leitendes gallium- und stickstoffenthaltendes Mantelmaterial auf, das auf der aktiven Zone aufliegt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das p-leitende gallium- und stickstoffenthaltende Mantelmaterial im wesentlichen frei von einer Aluminiumspezies, die zu Unvollkommenheiten, Defekten und anderen Nachteilen führt. Bei einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen weist das Mantelmaterial keine Aluminiumspezies auf und ist aus einem gallium- und stickstoffenthaltenden Material gefertigt.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement vorzugsweise einen Laserstreifenbereich auf, der zumindest aus der aktiven Zone ausgebildet und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ausrichtung des Resonators im wesentlichen parallel zu einer Projektion in eine c-Richtung verläuft. Abhängig von der jeweiligen besonderen Ausführungsform können auch andere Konfigurationen vorliegen. Der Laserstreifenbereich weist ein erstes Ende und ein zweites Ende oder andere Konfigurationen auf. Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement ferner eine erste Spaltfacette auf, die an dem ersten Ende des Laserstreifenbereichs vorgesehen ist und eine zweite Spaltfacette, die an dem zweiten Ende des Laserstreifenbereichs vorgesehen ist.
In anderen weiteren Ausführungsformen umfasst das vorliegende Bauelement einen gallium- und stickstoffenthaltenden, elektronensperrenden Bereich, der im wesentlichen frei von Aluminiumspezien ist. In weiteren anderen Ausführungsformen weist das Bauelement keinerlei Elektronensperrschicht auf, bzw. in weiterhin anderen Ausführungsformen gibt es in den Mantelschichten und/oder der Elektronensperrschichten kein Aluminium.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das vorliegende Verfahren und die Struktur in der Mantelschicht im Vergleich zu konventionellen Techniken, wie zum Beispiel solchen die in Yoshizumi et al., ”Continouous-Wave operation of 520 nm Green InGaN-Based Laser Diodes an SemiPolar {20-21} GaN Substrates”, Applied Physics Express 2 (2009) 092101 beschrieben sind, im wesentlichen frei von InAlGaN oder aluminiumhaltigen Spezien. Das heißt, dass die vorliegende Laserstruktur und das Verfahren im wesentlichen frei von jeglichen Aluminiumspezien im Mantelbereich sind. Aluminium ist generell schädlich. Aluminium führt oft zum Einschleppen von Sauerstoff in den Reaktor, der als nichtstrahlendes Rekombinationszentrum fungieren kann und die Strahleneffizienz dadurch herabsetzt und weitere Nachteile mit sich bringt. Wir haben ferner festgestellt, dass Sauerstoff p-leitende Dotierstoffe im p-leitenden Mantel kompensiert und in dem optischen Bauelement hierdurch einen zusätzlichen Widerstand bewirkt. Weiterhin haben wir festgestellt, dass Aluminium für den MOCVD Reaktor schädlich ist und mit anderen Abscheideprecursoren reagieren oder vorreagieren kann. Die Verwendung von Aluminiummantelschichten ist ferner umständlich und kann die Abscheidezeit verlängern. Außerdem wird angenommen, dass Verfahren und Strukturen für Laser frei von Aluminiummänteln generell effizienter abzuscheiden sind als herkömmliche Laserstrukturen.
Die 4 und 5 stellen Fotografien von gespaltenen Facetten für das Bauelement von 1 entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Bei den Fotografien handelt es sich um bloße Beispiele und sie sollten den Umfang der Ansprüche hier nicht über Gebühr beschränken.
6 stellt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines alternativen Laserbauelements dar, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf einem gallium- und stickstoffenthaltenden Substrat hergestellt wurde. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen oder Alternativen möglich sind. Wie gezeigt, umfasst das optische Bauelement ein gallium- und stickstoffenthaltendes Substratelement 601, das entsprechend der einen oder mehreren Ausführungsformen einen Off-cut kristallinen m-Ebenen Oberflächenbereich aufweist. Bei einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Galliumnitridsubstratelement um ein GaN-Grundsubstrat, das durch das Aufweisen eines semipolaren oder unpolaren kristallinen Oberflächenbereichs gekennzeichnet ist, aber auch anders sein kann. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das GaN Grundsubstrat Stickstoff und weist eine Oberflächenversetzungsdichte von zwischen 10⁵ cm^–2 und 10⁷ cm^–2 oder von weniger als 105 cm^–2 auf. Der Nitridkristall oder Wafer kann Al_xIn_yGa_1-x-yN aufweisen, wobei 0 ≤ x, y, x + y ≤ 1 ist. Bei einer besonderen Ausführungsform weist der Nitridkristall GaN auf. Bei einer oder mehrerer Ausführungsformen weist das GaN-Substrat Schraubversetzungen in einer Konzentration von etwa 10⁵ cm^–2 bis 10⁸ cm^–2 in eine Richtung auf, die in Bezug auf die Oberfläche im wesentlichen orthogonal oder schräg verläuft. In Folge der orthogonalen oder schrägen Ausrichtung der Versetzungen liegt die Oberflächenversetzungsdichte zwischen 10⁵ cm^–2 und 10⁷ cm^–2 oder unterhalb von etwa 10⁵ cm^–2.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist das Bauelement auf dem off-cut GaN einen Laserstreifenbereich auf, der so ausgebildet ist, dass er auf einem Teil des kristallinen Oberflächenbereichs mit der Off-cut-Orientierung aufliegt. Bei einer besonderen Ausführungsform ist der Laserstreifenbereich durch einen im wesentlichen in Projektion einer c-Richtung ausgerichteten Resonator gekennzeichnet, wobei die c-Richtung im wesentlichen senkrecht zu einer a-Richtung liegt. Bei einer besonderen Ausführungsform weist der Laserstreifenbereich ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement auf einem {30-31} gallium- und stickstoffenthaltenden Substrat auf einer Projektion der c-Richtung ausgebildet und weist ein Paar von Spaltflächenspiegelstrukturen auf, die einander gegenüber angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Spaltfacette auf, die an dem ersten Ende des Laserstreifenbereichs vorgesehen ist und eine zweite Spaltfacette, die an dem zweiten Ende des Laserstreifenbereichs vorgesehen ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die erste Spaltfläche im wesentlichen parallel zur zweiten Spaltfläche angeordnet. An jeder der Spaltoberflächen sind Spiegelflächen ausgebildet. Die erste Spaltfacette weist eine erste Spiegeloberfläche auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Spiegelfläche mit Hilfe eines Ritz- und Brechverfahrens erstellt. Das Ritzverfahren kann jedes geeignete Verfahren verwenden, wie beispielsweise ein Diamantenritzen oder ein Laserritzen oder Kombinationen. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die erste Spiegeloberfläche eine reflektierende Beschichtung auf. Die reflektierende Beschichtung ist unter Siliciumdioxid, Hafniumoxid und Titanoxid, Tantalpentoxid, Zirkoniumoxid, einschließlich Kombinationen und dergleichen ausgewählt. Abhängig von der Ausführungsform kann die erste Spiegelfläche auch eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
Auch bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Spaltfacette eine zweite Spiegeloberfläche auf. Die zweite Spiegeloberfläche wird gemäß einer besonderen Ausführungsform mittels eines Ritz- und Brechverfahrens erstellt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ritzen um ein Diamantritzen oder ein Laserritzen oder dergleichen. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die zweite Spiegelfläche eine reflektierende Beschichtung wie beispielsweise Siliciumdioxid, Hafniumoxid und Titanoxid, Tantalpentoxid, Zirkoniumoxid, Kombinationen und dergleichen auf. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die zweite Spiegeloberfläche eine Antireflexbeschichtung auf.
Bei einer besonderen Ausführungsform weist der Laserstreifen eine Länge und eine Breite auf. Die Länge erstreckt sich über einen Bereich von etwa 50 Mikrometer bis etwa 3000 Mikrometer. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Laserstreifen über eine Länge von 400 Mikrometer bis etwa 650 Mikrometer oder von etwa 650 Mikrometer bis etwa 1200 Mikrometer. Der Streifen hat ferner eine Breite aus dem Bereich von etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 1,5 Mikrometer, 1,5 Mikrometer bis etwa 3 Mikrometer oder etwa 3 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer, aber kann auch andere Abmessungen aufweisen. Bei einer besonderen Ausführungsform sind die Abmessungen der Breite im wesentlichen konstant, obwohl hiervon geringe Abweichungen möglich sind. Breite und Länge werden häufig unter Verwendung von Masken- und Ätzverfahren ausgebildet, wie sie im Stand der Technik üblicherweise verwendet werden. Weitere Einzelheiten des vorliegenden Bauelements können der vorliegenden Beschreibung als Ganzes und insbesondere dem Nachstehenden entnommen werden.
7 stellt eine Fotografie von Spaltfacetten für das Bauelement von 5 dar.
Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Laserbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann wie folgt kurz zusammengefasst werden, wobei auch auf 8 verwiesen wird:

1. Beginn;
2. Bereitstellen eines bearbeiteten Substrats, das Laserbauelemente mit Fabry-Pérot-Resonatoren aufweist;
3. Dünnen des Substrats an der Rückseite;
4. Ausbilden eines n-Rückseitenkontakts;
5. Ritzen eines zum Vereinzeln der Laserbauelemente in riegelförmigen Strukturen ausgebildeten Musters;
6. Brechen des geritzten Musters zur Ausbildung von mehreren riegelförmigen Strukturen;
7. Stapeln der riegelförmigen Strukturen;
8. Beschichten der riegelförmigen Strukturen;
9. Vereinzeln der riegelförmigen Strukturen in einzelne Laserbauelemente aufweisende Chips; und
10. Ausführen von anderen Schritten, falls erforderlich.

Die oben angegebene Reihenfolge der Schritte wird zur Ausbildung einzelner Laserbauelemente auf Chips einer Substratstruktur gemäß einer oder mehrerer Ausführungen der vorliegenden Erfindung verwendet. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren Spaltfacetten, die im wesentlichen parallel zueinander und in einem Fabry-Pérot-Laserbauelement einander gegenüberstehend angeordnet sind, das auf einem unpolaren Galliumnitridsubstratmaterial ausgebildet ist. Abhängig von der Ausführungsform können eine oder mehrere dieser Schritte kombiniert oder entfernt werden, oder es können andere Schritte hinzugefügt werden ohne von dem Umfang der Ansprüche hier abzuweichen.
9 stellt eine vereinfachte Veranschaulichung eines Substratdünnungsverfahrens dar. Die grafische Darstellung dient lediglich zur Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Bei einer besonderen Ausführungsform beginnt das Verfahren mit einem Galliumnitridsubstratmaterial, das ein Laserbauelement und vorzugsweise ein Fabry-Pérot-Laserbauelement aufweist, aber auch anders sein kann. Das Substrat wurde gemäß einer besonderen Ausführungsform einer vorderseitigen Bearbeitung unterzogen. Nach Abschluss der Bearbeitung der Vorderseite werden ein oder mehrere GaN-Substrate auf einen Saphir-Trägerwafer oder einem anderen geeigneten Element angebracht. Das Verfahren verwendet beispielsweise Crystalbond 909, das einen herkömmlichen thermoplastischen Kunststoff zur Befestigung darstellt. Der thermoplastische Kunststoff kann in Aceton oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel gelöst werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Trägerwafer auf einer Aufspannvorrichtung zum Läppen angebracht. Ein Beispiel für eine solche Läppaufspannvorrichtung ist durch Logitech Ltd. aus dem Vereinten Königreich oder einem anderen Verkäufer gegeben. Die Läppaufspannvorrichtung bewahrt gemäß einer besonderen Ausführungsform die Planarität des Substrats während der Läppbearbeitung. Die anfängliche Dicke des Substrats ist bei einem Beispiel ~325 μm +/– 20 μm, kann aber auch anders sein. Bei einer besonderen Ausführungsform läppt oder dünnt das Verfahren das Substrat bis herunter auf eine Dicke von 60–80 μm, kann aber auch dünner oder geringfügig dicker läppen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Läppaufspannvorrichtung mit einer Läppplatte ausgestattet, die häufig aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Gusseisen gebildet ist, das eine Planheit von unter 5 μm aufweist, aber auch anders sein kann. Vorzugsweise verwendet das Verfahren eine Läppschlemme aus einem Teil Siliciumcarbid (SiC) und zehn Teilen Wasser, kann jedoch auch eine andere Variante sein. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die SiC-Körnung eine Abmessung von etwa 5 μm auf. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen beträgt die geeignete Geschwindigkeit der Läppplatte etwa 10 Umdrehungen pro Minute. Außerdem kann das Verfahren den Auflagedruck der Lapaufspannvorrichtung einstellen, um entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsformen die gewünschte Läpprate von beispielsweise 2 bis 3 μm/min oder mehr oder geringfügig weniger zu erzielen.
Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das vorliegende Verfahren einen Läppvorgang, der in dem GaN-Material unterhalb der Oberfläche einen Schaden erzeugt, der eine Erzeugung von Haftstellen mittlerer Niveaus oder dergleichen bewirkt. Die Haftstellen mittlerer Niveaus können zu Kontakten mit einer Schottkycharakteristik führen. Entsprechend umfasst das vorliegende Verfahren eine oder mehrere Poliervorgänge, bei denen gemäß einer besonderen Ausführungsform ~10 μm des schadhaften Materials entfernt werden. Um ein Beispiel anzugeben, verwendet das Verfahren eine Politex^TM Polierscheibe von Rohm und Haas, aber es können auch andere sein, die auf eine Edelstahlplatte geklebt wird. Als Polierlösung kann Ultrasol 300K verwendet werden, das von Eminess Technologies hergestellt wird, es kann aber auch eine andere sein. Das Ultra-Sol 300K ist eine hochreine, kolloidale Silicaschlemme mit einer besonders designten basischen Dispersion. Es enthält 70 nm kolloidales Silica und weist einen pH-Wert von 10,6 auf. Der Feststoffanteil beträgt 30% (Gewicht). Bei einer besonderen Ausführungsform beträgt die Umdrehungsgeschwindigkeit der Läppplatte 70 Upm und das ganze Gewicht der Läppaufnahmevorrichtung wird angewandt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren eine Polierrate von etwa ~2 μm/h.
Bei anderen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Erzielen eines n-leitenden Kontakts hoher Qualität für ein m-Ebenen-GaN-Substratmaterial angegeben. Bei einer besonderen Ausführungsform erstellt das Verfahren Kontakte, die ausreichend rau zum Erzielen eines geeigneten ohmschen Kontaktes sind. Bei einer besonderen Ausführungsform führt die Rauheit zur Freilegung anderer Kristallebenen, wodurch ein guter Kontakt erzielt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren eine geläppte Oberfläche, deren Textur zum Freilegen von mehr als einer oder mehreren verschiedenen Kristallebenen rau ist. Bei anderen Ausführungsformen kann dem Läppen ein Ätzen wie zum Beispiel Trockenätzen und/oder Nassätzen nachfolgen. Bei einer besonderen Ausführungsform entfernt das Ätzen die Beschädigungen unterhalb der Oberfläche, jedoch ist es wahrscheinlich, dass die Oberfläche nicht wie beim Polieren planarisiert wird.
10 ist eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens für einen n-Rückseitenendkontakt gemäß einen oder mehreren Ausführungsformen. Die Grafik dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Nach Abschluss der Bearbeitung zum Dünnen bildet das Verfahren auf der Rückseite des Substrats gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen n-Kontakte aus. Zu diesem Zeitpunkte sind die gedünnten Substrate immer noch auf dem Saphirwafer befestigt und werden von diesem gehalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die gedünnten Substrate aus Gründen der Effizienz und Handhabung in ”Chargen bearbeitet”. Bei einer besonderen Ausführungsform hilft das die Chargenverarbeitung verwendende Verfahren jeglichen mit der Handhabung sehr dünner (60–80 μm) Substrate verbundenen Schaden zu vermeiden.
Der Rückseitenkontakt umfasst, um ein Beispiel zu geben, etwa 300 Å Al/3000 Å Au oder andere geeignete Materialien wie beispielsweise Al/Ni/Au. Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Kontakt von einem Stapel aus Metallen gebildet, die mittels Elektronenstrahlverdampfung oder anderen geeigneten Techniken abgeschieden werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren vor der Abscheidung des Metallstapes den Einsatz einer Nassätze wie zum Beispiel eine Fluorwasserstoffsäure-Nassätze zum Entfernen jeglicher Oxide von der Oberfläche. Bei einer besonderen Ausführungsform wird der Metallstapel vorzugsweise nicht ausgeheilt oder nach seiner Bildung einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen. Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktbereichs ist in der U.S. Anmeldung Nr. 61/257,449, eingereicht am 2. November 2009 mit dem Titel ”Method of Fabricating Optical Devices Using Laser Treatment” im Namen von Nicholas J. Pfister, James W. Raring und Mathew Schmidt aufzufinden, die hierbei durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist.
11 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung eines Ritz- und Brechvorgangs gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen dar. Die Grafik stellt lediglich eine Veranschaulichung dar und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Nach der Ausbildung des n-Kontakts wurden die Substrate von dem Saphir-Trägerwafer abgenommen und gemäß einer besonderen Ausführungsform in Aceton und Isopropylalkohol gereinigt. Die Substrate werden dann abhängig von der Ausführungsform für den Ritz- und Brechprozess auf einem Vinylband aufgebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hinterlässt das Band keinerlei Rückstände auf den Laserriegeln, die im Wesentlichen frei von solchen häufig eine polymere oder partikuläre Beschaffenheit aufweisenden Rückständen sind.
Als nächstes umfasst das Verfahren einen oder mehrere Ritzvorgänge. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass das Substrat einem Laser zur Musterausbildung ausgesetzt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Muster für die Ausbildung eines Facettenpaars für einen oder mehrere Fabry-Pérot-Laser ausgebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Facettenpaare einander gegenüber und parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Verfahren einen UV-Laser (355 nm) zum Ritzen der Laserriegel. Bei einer besonderen Ausführungsform ist der Laser an einem System ausgebildet, das exakte Ritzlinien ermöglicht, die in einem oder mehreren unterschiedlichen Mustern und Profilern ausgebildet sind. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ritzen abhängig von der Anwendung an der Rückseite, Frontseite oder an beiden erfolgen.
Bei einer besonderen Ausführungsform verwendet das Verfahren ein Ritzen an der Rückseite oder dergleichen. Beim rückseitigen Ritzen bildet das Verfahren vorzugsweise eine durchgehende Ritzlinie, die auf der Rückseite des GaN-Substrats senkrecht zu den Laserriegeln verläuft. Bei einer besonderen Ausführungsform ist die Ritzung im allgemeinen 15 bis 20 μm tief oder weist eine andere geeignete Tiefe auf. Das Ritzen der Rückseite kann vorzugsweise vorteilhaft sein. D. h. dass der Ritzvorgang nicht vom Abstand der Laserriegel oder ähnlichen Mustern abhängt. Entsprechend kann das Ritzen an der Rückseite gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an jedem der Substrate zu einer höheren Laserriegeldichte führen. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das rückwärtige Ritzen auf einer oder mehreren der Facetten jedoch zu Rückständen von dem Band führen. Bei einer besonderen Ausführungsform erfordert das rückwärtige Ritzen häufig, dass das Substrat mit der Frontseite nach unten auf dem Band angebracht ist. Beim frontseitigen Ritzen kontaktiert die Rückseite des Substrats das Band.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das vorliegenden Verfahren ein frontseitiges Ritzen, wodurch die Ausbildung sauberer Facetten begünstigt wird. Bei einer besonderen Ausführungsform wird vorzugsweise eine frontseitige Ritzbearbeitung verwendet. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Ritzmuster, das gerade Spaltflächen mit minimaler Facettenrauheit oder anderen Unvollkommenheiten erzeugt.
Ritzmuster: Der Abstand der Lasermarkierung beträgt etwa 200 μm, kann aber auch anders sein. Das Verfahren verwendet für den 200 μm Abstand eine 170 μm Ritzung mit einem 30 μm Strich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ritzlänge maximiert oder erhöht während die von der Wärme betroffene Zone des Lasers von dem wärmeempfindlichen Fabry-Pérot-Laser weggehalten wird.
Ritzprofil: Ein Sägezahnprofil erzeugt im Allgemeinen minimale Facettenrauhigkeiten. Es wird angenommen, dass die Sägezahnprofilform eine hohe Belastungskonzentration in dem Material erzeugt, wodurch sich die Spaltfläche viel leichter und/oder effizienter ausbreitet.
Bei einer besonderen Ausführungsform gibt das vorliegende Verfahren eine Ritzung an, die zur Herstellung der vorliegenden Laserbauelemente geeignet ist. 12 veranschaulicht, um ein Beispiel anzugeben, Querschnitte des Substratmaterials, die (1) mit einem rückseitigen Ritzprozess und (2) einen vorderseitigen Ritzprozess verknüpft sind.
Um nun auf die 13 zu verweisen, umfasst das Verfahren einen Brechvorgang zur Ausbildung von mehreren Riegelstrukturen. Die Grafik dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Nach dem Ritzen der GaN Substrate verwendet das Verfahren eine Brecheinrichtung, um die Substrate in Riegel zu spalten. Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Brecheinrichtung einen metallenen Halter auf, der einen Fugenabstand von 900 μm aufweist. Das Substrat ist auf dem Halter so angeordnet, dass die Ritzlinie zentriert ist. Anschließend übt eine entsprechend scharfe Keramikschneide einen Druck direkt auf die Ritzlinien aus, wodurch das Substrat entlang der Ritzlinie gespalten wird.
14 stellt eine vereinfachte Grafik zur Veranschaulichung eines Stapel- und Beschichtungsverfahrens nach einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Auch diese Grafik dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Nach dem Spalten werden die Riegel in einer Halterung aufgenommen, die ein Beschichten der vorderen Facette und der rückwärtigen Facette ermöglicht, die einander gegenüber und parallel zueinander angeordnet sind. Die Beschichtung der vorderen Facette kann unter jedem geeigneten Niedrigreflektionsaufbau (AR-Aufbau) oder hochreflektierenden Beschichtungen (HR-Aufbau) ausgewählt werden. Der AR-Aufbau umfasst gemäß einer besonderen Ausführungsform eine λ/4-Beschichtung aus Al₂O₃, das mit einer dünnen Lage aus HfO₂ abgedeckt ist. Die Al₂O₃-Beschichtung stellt ein robustes Dielektrikum dar und HfO₂ ist dicht, wodurch eine umweltverträgliche Passivierung und Einstellung des Reflektionsgrades der vorderen Facette begünstigt wird. Bei einer besonderen Ausführungsform ist die vordere Facette mit einem HR-Aufbau beschichtet. Der HR Aufbau umfasst mehrere λ/4-Paare aus SiO₂/HfO₂ oder SiO₂/Ta₂O₅. Bei einer besonderen Ausführungsform können in etwa drei bis fünf Paare verwendet werden, um einen Reflektionsgrad von mehr als 80% zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden ein bis zwei Paare verwendet, um einen niedrigeren Reflektionsgrad für eine höhere Ausgangsleistung und einen höheren Wirkungsgrad des Bauelements zu erreichen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird auf dem Frontspiegel keine Facettenbeschichtung verwendet. Die Beschichtungen werden vorzugsweise mittels Elektronenstrahlaufdampfen abgeschieden. Bei einer besonderen Ausführungsform ist die rückwärtige Facette mit einer hochreflektierenden HR-Anordnung beschichtet. Die HR-Anordnung umfasst mehrere λ/4-Paare aus SiO₂/Ta₂O₅ oder SiO₂/HfO₂. Bei einer besonderen Ausführungsform werden in etwa sechs bis acht Paare verwendet, um einen Reflektionsgrad von über 99% zu erhalten. Bei anderen Ausführungsformen kann die Facette einen vorderseitigen Facettenbereich aus frei liegenden Gallium und Stickstoff enthaltendem Material bestehen, das frei von einer Beschichtung oder einem aufliegenden Material ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Verfahren ein geeignetes Abscheidesystem, das zur Abscheidung auf jeder der Facetten ohne Unterbrechung des Vakuums ausgebildet ist. Das Abscheidesystem umfasst eine Haubenstruktur mit ausreichender Höhe und ausreichendem räumlichen Volumen. Bei einer besonderen Ausführungsform ermöglicht das System, dass die in einer Halterung angeordneten mehreren Riegel von einer zur anderen Seite umgedreht werden können, um die rückwärtige Facette und die vordere Facette bloßzulegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht das Verfahren eine erste Abscheidung auf der rückwärtigen Facette, ein Ändern der Anordnung des Riegelhalters zum Freilegen der vorderen Facette und ein zweites Abscheiden auf der vorderen Facette, ohne das Vakuum zu unterbrechen. Zur Zeitersparnis und zur Verbesserung der Effizienz ermöglicht das Verfahren bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Abscheidung von einer oder mehreren Schichten auf der Vorder- und Rückseite ohne das Vakuum zu unterbrechen. Andere Ausführungsformen können das Vakuum unterbrechen.
Die 15 veranschaulicht ein Verfahren nach einer besonderen Ausführungsform, das auf die Vereinzelung von Riegeln in mehrere Chips gerichtet ist. Das Diagramm dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Nachdem die Facetten der Riegel beschichtet wurden und vor der Vereinzelung in Chips, umfasst das Verfahren ein Testen der Laserbauelemente in Riegelform. Bei einer besonderen Ausführungsform vereinzelt das Verfahren die Riegel durch Ausführen eines Ritz- und Brechverfahrens (ähnlich dem Facettenspalten). Das Verfahren bildet gemäß einer besonderen Ausführungsform auf der Oberseite des Laserriegels vorzugsweise eine durchgehende flache Ritzlinie aus. Die Breite eines jeden Chips ist etwa 200 μm, wodurch die Halterfuge auf etwa 300 μm reduziert werden kann. Nach dem Spalten der Riegel in einzelne Chips wird das Band gedehnt und jeder der Chips wird von dem Band abgenommen. Anschließend führt das Verfahren bei einer oder mehreren Ausführungsformen für jeden der Chips einen Verpackungsvorgang aus.
16 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung von Ausgangslichtleistung und Spannung für Laserstreifen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Gezeigt werden Spannung und Ausgangslichtleistungen für Laser mit 1200 μm Länge und 1,4 bis 2,0 μm Breite, die auf {20-21} mit einer epitaktischen Struktur hergestellt wurden, die in Projektion der c-Richtung und der a-Richtung ausgerichtet ist. Die höhere optische Ausgangsleistung und die Demonstration eines Laserbauelements mit in Projektion der c-Richtung ausgerichteten Lasern gibt einen Hinweis darauf, dass in Projektion der c-Richtung ausgerichtete Laser eine höhere Verstärkung aufweisen. Bei diesem Beispiel umfasste das Bauelement gallium- und stickstoffenthaltende Mantelschichten, die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien waren.
17 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung zur Veranschaulichung von Lichtausgangsleistung und Spannung für Laserstreifen nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Gezeigt sind der Verlauf der Spannung und der Lichtausgangsleistung für HR-beschichtete Laser von 1200 μm Länge und 1,4 bis 2,0 μm Breite, die auf {20-21} mit einer epitaktischen Struktur hergestellt wurden, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Projektion der c-Richtung und der a-Richtung ausgerichtet ist. Die niedrigeren Schwellströme und höhere Slope-Efficiency der Laser in Projektion der c-Richtung gibt einen Hinweis darauf, dass die Verstärkungscharakteristik bei in Projektion der c-Richtung ausgerichteten Lasern günstig ist. Bei diesem Beispiel umfasste das Bauelement gallium- und stickstoffenthaltende Mantelschichten, die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien waren.
18 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und der Lichtcharakteristik eines 522 nm Dauerstrich-Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Gezeigt sind die Spannung und die Ausgangslichtleistung eines HR-beschichteten Lasers einer Länge von 1200 μm und einer Breite von 1,8 μm, der auf {20-21} mit der vorliegenden in Projektion der c-Richtung orientierten epitaktischen Struktur gefertigt wurde. Ebenfalls gezeigt ist das Laserspektrum des Laserbauelements, das mit einer Peak-Wellenlänge von 522 nm betrieben wird und damit deutlich im grünen Spektralbereich liegt. Bei diesem Beispiel wies das Bauelement gallium- und stickstoffenthaltende Mantelschichten auf, die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien und dünnen Sperrbereichen waren.
19 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und der Lichtcharakteristik eines 525 nm Dauerstrich-Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die grafische Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Gezeigt ist eine vereinfachte grafische Darstellung der Abhängigkeit von Spannung und Strom eines auf {20-21} erstellten Dauerstrich-Laserbauelements (CW), das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Peak-Wellenlänge von 525 nm mit einer maximalen Ausgangsleistung von über 6,5 mW betrieben wird, von der Lichtleistung. Gezeigt sind Spannung und Lichtausgangsleistung eines HR-beschichteten Laserbauelements mit einem Resonator von etwa 600 μm Länge und ungefähr 1,6 μm Breite, der gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in die Projektion der c-Richtung ausgerichtet ist. Bei diesem Beispiel umfasste das Bauelement gallium- und stickstoffenthaltende Mantelschichten, die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien waren.
20 stellt eine vereinfachte grafische Darstellung der Spannungs- und der Lichtcharakteristik eines bei 45 mW betreibbaren 520 nm Dauerstrich-Laserbauelements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Umfang der Ansprüche hier nicht unangemessen beschränken. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Gezeigt ist eine vereinfachte grafische Darstellung der Abhängigkeit der Spannung und des Strom von der Lichtleistung für ein auf {20-21} hergestelltes Dauerstrich-Laserbauelement (CW), das mit einer Peak-Wellenlänge von 520 nm und mit einer maximalen Ausgangsleistung von 60 mV bei einem Gesamtwirkungsgrad von 1,7% entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben wird. Gezeigt sind Spannung und Ausgangslichtleistung eines HR-beschichteten Laserbauelements mit einem Resonator von ungefähr 600 μm Länge und ungefähr 1,6 μm Breite, der entsprechend einer oder mehrerer Ausführungsform in die Projektion der c-Richtung ausrichtet ist. In diesem Beispiel umfasste das Bauelement gallium- und stickstoffenthaltende Mantelschichten die im wesentlichen frei von Aluminiumspezien waren.
21 stellt ein vereinfachtes Diagramm der Vorwärtsspannung bei drei verschiedenen Stromdichten für Mikro LED Bauelemente dar, die aus epitaktischen Laserdiodenstrukturen mit fünf Quantentöpfen und unterschiedlichen Sperrschichtdicken hergestellt wurden. So wie hier verwendet, wurden die Mikro-LED Bauelemente lediglich zu experimentellen und zu Anschauungszwecken verwendet. Wie gezeigt, lässt sich eine deutliche Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von den verschiedenen Sperrschichtdicken beobachten, wobei Sperrschichten im 2 nm bis 3 nm Bereich zu signifikant niedrigeren Spannungen führen als dickere Sperrschichten. Entsprechend wurde eine Demonstration der Vorwärtsspannung für Sperrschichtdicken erreicht.
22 stellt ein vereinfachtes Diagramm eines Stromspannungsverlaufs einer grünen Einzellateralmoden-Laserdiode mit ~600 μm Resonatorlänge nach einer besonderen Ausführungsform dar. Wie gezeigt, baut die epitaktische Struktur auf einer aktiven Multiquantentopfzone mit mehr als vier Quantentöpfen auf und verwendet dünne Sperrschichten im 3 nm-Bereich. Wie gezeigt, verbleibt die Vorwärtsspannung im für eine Ausgangsleistung von 60 mW oder mehr erwarteten Betriebsstrombereich unterhalb von 7 V. Entsprechend wurde eine Demonstration einer Vorwärtsspannung von 7 V im Strombereich erreicht.
So wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck GaN Substrat auf Gruppe-III-Nitrid basierende Materialien einschließlich GaN, InGaN, AlGaN, oder andere Gruppe-III enthaltende Legierungen oder Zusammensetzungen, die als Ausgangsmaterialien verwendet werden. Solche Ausgangsmaterialien umfassen polare GaN-Substrate (d. h. ein Grundmaterial, bei dem die größte Oberfläche nominell eine (h k l)-Ebene ist mit h = k = 0 und l von Null verschieden), unpolare GaN Substrate (d. h. ein Grundmaterial, bei dem die größte Oberfläche in einem Winkel von etwa 80 bis 100 Grad für oben beschriebenen polaren Orientierung in Richtung einer (h k l)-Ebene orientiert ist, worin l = 0 und worin zumindest ein Index h und k von Null verschieden ist), oder semipolare GaN Substrate (d. h. ein Grundmaterial, bei dem die größte Oberfläche in einem Winkel von etwa +0,1 bis 80 Grad oder 110 bis 179,9 Grad von der oben beschriebenen polaren Orientierung in Richtung einer (h k l)-Ebene orientiert ist, wobei l = 0 und worin zumindest einer der Indizes h und k von Null verschieden ist).
Wie gezeigt, kann das vorliegende Bauelement von einem geeigneten Gehäuse umschlossen sein. Solche Gehäuse können beispielsweise TO-38 und TO-56 Sockel umfassen. Es kann auch andere geeignete Gehäusedesigns und Verfahren geben, beispielsweise TO-9 und sogar nicht standardisierte Gehäuse. Bei einer besonderen Ausführungsform kann das vorliegende Bauelement in einer Gemeinschaftsgehäuseanordnung angesetzt werden, wie sie beispielsweise in der übertragenen provisorischen U. S. Anmeldung Nr. 61/347,800 beschrieben ist, die hierbei für alle Zwecke durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Bei anderen Ausführungsformen kann das vorliegende Laserbauelement für eine Vielzahl von Anwendungen ausgebildet sein. Solche Anwendungen umfassen Laseranzeigen, Messtechnik, Nachrichtentechnik, Gesundheitswesen und Chirurgie, Informationstechnologie sowie weitere. Das vorliegende Laserbauelement kann, um ein Beispiel zu geben, in eine Laseranzeige verwendet werden, wie sie beispielsweise in der am 27. Mai 2010 eingereichten U.S. Anmeldung Nr. US 2010/0302464 A1 beschrieben ist, die die Priorität der provisorischen U.S. Anmeldungen Nr. 61/182,105, eingereicht am 29. Mai 2009, und Nr. 61/182,106, eingereicht am 29. Mai 2009 in Anspruch nimmt, und wobei diese hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen sind. Ein alternativer Ansatz wird in der U.S. Anmeldung Nr. US 2010/0316075 A1 beschrieben, die mit dem Titel ”Optical Device Structure Using GAN Substrates for Laser Applications” am 13. April 2010 eingereicht wurde und hierbei ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Auch wenn das oben Ausgeführte eine vollständige Beschreibung bestimmter Ausführungsformen darstellt, können davon verschiedene Modifikationen, alternative Ausführungen und Äquivalente verwendet werden. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das vorliegende Bauelement und das Verfahren eine Mantelschicht, die frei von einem AlGaN-Mantel ist, oder andere Mantelschichten, die im wesentlichen frei von einer aluminiumhaltigen Spezies sind, die bei einigen Ausführungsform 2% Aluminium oder weniger oder kein Aluminium betragen kann. Bei anderen Ausführungsformen kann das vorliegende Verfahren und das Bauelement Sperrschichten mit Dicken aus dem Bereich von 3 nm bis 6,5 nm und 8 nm aufweisen, obwohl dünnere Sperrschichtmaterialien bevorzugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sperrschichtmaterial eine Dicke aus dem Bereich von 1,5 nm bis 5 oder 6 nm auf, besonders bevorzugt aber von zwischen 1,5 nm und 3,5 nm oder 4 nm. Bei bevorzugteren Ausführungsformen beträgt die Dicke des Sperrschichtmaterials weniger als etwa 5 nm, weniger als etwa 4 nm, weniger als etwa 3 nm, oder weniger als etwa 2 nm. Bei einer besonderen Ausführungsform umfassen das Bauelement und das Verfahren auch Quantentöpfe mit Dicken aus den Bereichen von etwa 2,5 nm bis 3,5 nm, 3,5 nm bis 4,5 nm und andere. Bei einer besonderen Ausführungsform kann die Dicke der Quantentöpfe auch einen Bereich von 3 bis 4 nm oder von 4 bis 6 nm umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bauelement bei 60 mW oder darüber eine Betriebsspannung auf von, bzw. ist gekennzeichnet durch einen Spannungsabfall von, weniger als etwa 7 V, weniger als etwa 6,5 V oder weniger als etwa 6 V. Daher sind die obige Beschreibung und die Illustrationen nicht so zu verstehen, dass sie den durch die beiliegenden Ansprüche bestimmten Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken.

Claims

Optisches Bauelement, das Folgendes aufweist: ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat, das einen kristallinen Oberflächenbereich mit einer {20-21} Orientierung aufweist; ein das gallium- und stickstoffhaltige Substrat überdeckendes n-leitendes Mantelmaterial, wobei das n-leitende Mantelmaterial frei von einem aluminiumhaltigen Material ist; eine aktive Zone, die zumindest drei Quantentöpfe (MQW), wobei jeder der Quantentöpfe eine Dicke aus dem Bereich von 2 nm bis 20 nm aufweist, und zwei oder mehr Sperrschichten umfasst, wobei jede der Sperrschichten eine Dicke aus dem Bereich von 2 nm bis weniger als 4 nm aufweist und wobei jede der zumindest zwei Sperrschichten zwischen einem Quantentopfpaar angeordnet ist; ein die aktive Zone überdeckendes p-leitendes Mantelmaterial, wobei das p-leitende Mantelmaterial frei von einem aluminiumhaltigen Material ist; einen den kristallinen Oberflächenbereich überdeckenden Laserstreifenbereich, wobei der Laserstreifenbereich in eine Projektion der c-Richtung ausgerichtet ist und der Laserstreifenbereich ein erstes und ein zweites Ende aufweist; sodass die aktive Zone bei einer Ausgangsleistung von 60 mW und mehr zum Betrieb bei einer Vorwärtsspannung von weniger als 7 Volt ausgebildet ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die aktive Zone zumindest drei Quantentöpfe aufweist und ferner einen das p-leitende Mantelmaterial überdeckenden p++-Kontaktbereich umfasst, und wobei das p leitende Mantelmaterial mit 2% und weniger Atomgewicht frei von einem aluminiumhaltigen Material ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das ferner eine Einfassungsheterostruktur(SCH)-Schicht aufweist, die zwischen der n-leitenden Mantelschicht und der aktiven Zone, oder zwischen der p-leitenden Mantelschicht und der aktiven Zone, oder sowohl zwischen der n-leitenden Mantelschicht und der aktiven Zone als auch zwischen der p-leitenden Mantelschicht und der aktiven Zone InGaN aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Sperrschichten eine Dicke von zumindest etwa 2,5 bis etwa 3,5 nm aufweisen.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Quantentöpfe zumindest 2,5 nm dick sind.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der kristalline {20-21}-Oberflächenbereich einen Off-cut von weniger als ±0,5 Grad zu einer c-Ebene und/oder zu einer a-Ebene aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der kristalline {20-21}-Oberflächenbereich einen Off-cut von weniger als ±1 Grad zu einer c-Ebene und/oder zu einer a-Ebene aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der kristalline {20-21}-Oberflächenbereich einen Off-cut von weniger als ±3 Grad zu einer c-Ebene und/oder zu einer a-Ebene aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei der kristalline {20-21}-Oberflächenbereich einen Off-cut von weniger als ±5 Grad zu einer c-Ebene und/oder zu einer a-Ebene aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das zwischen der aktiven Zone und dem p-leitenden Mantelmaterial ferner einen Elektronensperrbereich aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere Sperrschichten aus einem Material gebildet sind, das unter GaN, InGaN, AlGaN und InAlGaN ausgewählt ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei jeder der Quantentöpfe zumindest InGaN aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei das optische Bauelement eine Laserdiode mit einem 600 Mikrometer langen Resonator ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Orientierung des kristallinen Oberflächenbereichs Off-cut ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das ferner eine separate n-Seiten-Einfassungsheterostruktur(SCH)-Schicht aufweist, die InGaN mit einem molaren Indiumanteil von zwischen 3% und 10% umfasst und eine Dicke von 20 bis 150 nm aufweist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das ferner eine separate InGaN-Einfassungsheterostruktur(SCH)-Schicht aufweist, die zwischen dem n-leitenden GaN-Mantelmaterial und den Quantentöpfen angeordnet ist, wobei die SCH eine Dicke von 10 bis 150 nm und eine Indiumzusammensetzung von 1 bis 12% (Molprozent) aufweist, wobei die Einfassungsheterostruktur (SCH) optional mit einem n-leitenden Dotierstoff, einschließlich eines Siliciumdotierstoffes, dotiert ist.
Optisches Bauelement nach Anspruch 1, das ferner eine separate InGaN-Einfassungsheterostruktur(SCH)-Schicht aufweist, die zwischen dem p-leitenden GaN-Mantelmaterial und den MQW angeordnet ist, wobei die SCH-Schicht eine Dicke von 10 bis 150 nm und eine Indiumzusammensetzung von 0 bis 10% (Molprozent) aufweist, wobei die Einfassungsheterostruktur (SCH) optional mit einem p-leitenden Dotierstoff, einschließlich eines Magnesiumdotierstoffes, dotiert ist.
Vorrichtung, die ein optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–17 aufweist, wobei die Vorrichtung zur Verwendung in Laseranzeigen, in der Messtechnik, in der Nachrichtentechnik, im Gesundheitswesen und der Chirurgie, oder in der Informationstechnologie ausgebildet ist.