KR20120055705A - (Ｇａ, Ａｌ, Ｉｎ, Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드에서의 선택적 식각을 위한 구조물 및 방법 - Google Patents

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로버트 엠 파렐
다니엘 에이. 해거
포 샨 수
우메쉬 케이. 미쉬라
스티븐 피. 덴바아스
제임스 에스 스펙
슈지 나카무라
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

(Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조물 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 하나 이상의 Al-함유 식각 정지층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

(Ｇａ, Ａｌ, Ｉｎ, Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드에서의 선택적 식각을 위한 구조물 및 방법{Structure and method for achieving selective etching in (Ga,Al,In,B)N laser diodes}
본 발명은 반도체 물질들, 방법들, 및 소자들에 관한 것이며, 보다 구체적으로, (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드(laser diode, LD)들의 제조에 관한 것으로, (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조 및 방법이 설명되며, 이는 (Ga,Al,In,B)N LD들이 향상된 제조 능력 및 높은 성능을 가지는 것을 가능하게 한다.
관련 출원들의 상호-참조
본 출원은 ＂STRUCTURE AND METHOD FOR ACHIEVING SELECTIVE ETCHING IN (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES＂라는 발명의 명칭으로 Robert M. Farrell, Daniel A. Haeger, Po Shan Hsu, Umesh K. Mishra, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura에 의해 2009년 8월 19일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.320-US-P1 (2009-795-1)인, 공동-계류 중이고 공동 양도된 미국 임시 특허 출원 제61/235,284호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, 상기 출원은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
본 출원은 ＂STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVING YIELD OF (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES＂라는 발명의 명칭으로 Robert M. Farrell, Matthew T. Hardy, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura에 의해 2009년 7월 9일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.319-US-P1 (2009-762-1)인, 공동-계류 중이고 공동 양도된 미국 임시 특허 출원 번호 제61/224,368호의 우선권을 35 U.S.C. Section 119(e)에 따라 주장하며, ＂STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVING YIELD OF (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES＂라는 발명의 명칭으로 Robert M. Farrell, Matthew T. Hardy, Hiroaki Ohta, Steven P. DenBaars, James S. Speck, 및 Shuji Nakamura에 의해 2010년 7월 9일 출원되고, 대리인 문서 번호 30794.319-US-U1 (2009-762-2)인, 공동-계류 중이고 공동 양도된 미국 특허 출원 제12/833,607호와 관련되며, 상기 출원들 모두는 본 명세서에 참조로서 원용된다.
(유의점: 본 출원은 상세한 설명 전체에서 하나 이상의 괄호들 내의 참조 번호들, 예컨대 [참조 x]에 의해 표시되는 것과 같이 다수의 다른 문헌들을 참조한다. 상기 참조 번호들에 따라 배열된 상기 다른 문헌들의 목록은 아래의 ＂참조들＂이라는 이름의 섹션에서 찾을 수 있을 것이다. 상기 문헌들 각각은 본 명세서에 참조로서 원용된다.)
GaN 및 (Ga,Al,In,B)N의 합금들의 유용성은 가시광 및 자외선 광전자 소자들 및 고전력 전자 소자들의 제조에 있어 잘 확립되어 있다. 현재 최첨단의 (Ga,Al,In,B)N 박막들, 이종 구조들(heterostructure), 및 소자들은 [0001] c-축을 따라 성장된다. 상기 막들의 전체 분극(polarization)은 자발적 및 압전 분극 기여들로 이루어지며, 이들 모두는 우르자이트(wrtzite) (Ga,Al,In,B)N 결정 구조의 단일 극성 [0001] c-축으로부터 기인한다. (Ga,Al,In,B)N 이종 구조들이 부정형으로(pseudomorphically) 성장되는 경우, 극성 불연속성들이 결정 내의 표면들 및 계면들에 형성된다. 상기 불연속성들은 표면들 및 계면들에 캐리어들의 축적 또는 공핍을 가져오고, 결과적으로 전기장들을 형성한다. 상기 분극-유도 전기장들의 정렬은 (Ga,Al,In,B)N 박막들 및 이종 구조들의 전형적인 [0001] 성장 방향과 일치하기 때문에, 상기 전기장들은 (Ga,Al,In,B)N 소자들의 에너지 밴드들을 "틸팅(tilting)"하는 효과를 갖는다.
c-면 (Ga,Al,In,B)N 양자 우물들에서, 상기 "틸팅된" 에너지 밴드들은 전자 및 정공 파동 함수들을 공간적으로 분리한다. 상기 공간 전하 분리는 방사 전이(radiative transition)들의 진동 강도(oscillator strength)를 감소시키고, 및 방출 파장을 적색-편이시킨다. 이러한 효과들은 양자 구속 스타크 효과(quantum confined Stark effect, QCSE)의 현상들이며, (Ga,Al,In,B)N 양자 우물(quantum well, QW)들에 대해서 완전하게 분석되었다[참조 1, 2]. 또한, 큰 분극-유도 전기장들은 도펀드들 및 주입된 캐리어들에 의해 부분적으로 차폐될 수 있어[참조 3], 방출 특성들을 정확히 엔지니어링하기 어렵게 한다.
상업적으로-이용가능한 c-면 LD들은, 분극-관련 전기장들의 존재로 인하여 통상적으로 얇은(≤ 4 nm) InGaN QW들을 사용한다. 따라서, AlGaN/GaN 초격자들(superlattice) 또는 벌크 AlGaN과 같은, 두꺼운 Al-함유 도파로 피복층(waveguide cladding layer)들은 c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 충분한 광 모드 한정을 제공할 것이 요구된다.
(Ga,Al,In,B)N 소자들에서 분극 효과들을 감소시키기 위한 한 가지 방법은 결정의 무극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다[참조 4]. 이는 총괄하여 a-면들로 알려진 {11-20}면들, 및 총괄하여 m-면들로 알려진 {10-10}면들을 포함한다. 상기 면들은 면 당 동일한 수의 갈륨 및 질소 원자들을 포함하며 전하-중립적이다. 후속의 무극성 층들은 서로에 대하여 동등하며(equivalent), 따라서 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극되지 않을 것이다.
c-면 GaN 기판들 상에 성장된 통상의 (Ga,Al,In,B)N LD들과 달리, m-면 발광 소자들에서의 분극-관련 전기장들의 부재는, m-면 (Ga,Al,In,B)N LED들 및 LD들에서 방사 수율의 감소 없이 상대적으로 두꺼운(8 nm) InGaN QW들의 적용을 가능하게 한다[참조 6]. 두꺼운 InGaN QW들은 Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구 없이 광 모드의 적절한 횡 도파로(transverse waveguiding)를 제공할 수 있으며, ACF (Ga,Al,In,B)N LD들의 실연을 가능하게 한다[참조 7, 8]. GaN 피복층들과 함께 InGaN-계 분리 구속 이종 구조의 사용을 포함하는 유사한 디자인들도, Al-함유 도파로 피복층들에 대한 요구를 경감시킬 수 있다[참조 9].
(Ga,Al,In,B)N 소자에서 분극 효과들을 감소시키기 위한 다른 방법은 결정의 반극성 면들 상에 소자들을 성장시키는 것이다[참조 5]. "반극성 면(semipolar plane)"의 용어는 c-면, a-면, 또는 m-면과 같이 분류되지 못하는 임의의 면을 지칭하는 데 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 인덱스들 및 0이 아닌 l 밀러 인덱스를 가지는 임의의 면이 될 것이다. 후속의 반극성 층들은 서로에 대하여 동등하며, 따라서 벌크 결정은 성장 방향을 따라 분극이 감소될 것이다.
현재의 통상적인 상업적으로-이용가능한 (Ga,Al,In,B)N LD 구조물들은 우르자이트 (Ga,Al,In,B)N 결정 구조의 c-면 상에 성장된다. 강력한 선택적 식각 공정의 부재로 인하여, 제조자들은 통상적으로 리지(ridge) 도파로 형상 소자들에서 리지 도파로 식각 깊이들을 제어하기 위해 타이밍(timing) 및/또는 레이저 간섭계(laser interferometry) 기술을 이용한다. 상기 기술들은 종종 재현성 및 정확성 문제점들을 가지며, 제조 문제들을 초래하고 전체 소자 수율들을 감소시킨다.
그에 반하여, Ⅲ-아세나이드-계 및 Ⅲ-포스파이드-계 LD들의 제조자들은 통상적으로 식각 공정들의 일관성 및 정확성을 제어하기 위하여 선택적 식각 기술들을 이용한다[참조 10, 11]. 유사한 기술들이 (Ga,Al,In,B)N 이종구조들에 대하여 보고되었으나[참조 12, 13], 아직 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 증명되지는 않았다.
Buttari 외에 의한 연구는, BCl3 및 SF6의 혼합물을 함유하는 플라즈마들이 GaN와 AlGaN 층들 사이의 선택적 식각을 수행하기 위해 사용될 수 있다는 것을 증명하였다[참조 14]. 순수한 BCl3는 GaN를 식각하는 데 있어 실질적으로 효과가 없음이 밝혀졌으며, 이는 아마도 순수한 BCl3 플라즈마 내에서의 낮은 농도의 활성 염소 원자들에 기인한 것으로 생각된다[참조 15]. BCl3 및 SF6의 혼합은 염소 라디칼들(식각제들) 및 불소 라디칼들(억제제들)의 수를 증가시키는 것이 밝혀졌으며, GaN의 식각율이 증가되고 AlGaN의 식각율이 감소된다[참조 14, 15]. AlGaN의 식각율 감소는 AlGaN 표면 상에 AlF3 잔류물들의 형성으로 인한 것으로 밝혀졌으며, GaAs 및 AlGaAs에 대한 종래의 연구들과 유사하다[참조 16]. AlF3의 비휘발성은 염소 라디칼들의 식각 효율을 감소시킨다는 것이 밝혀졌으며, AlGaN에 대한 GaN의 선택적 식각을 가능하게 한다[참조 14].
ACF (Ga,Al,In,B)N LD들의 출현은, 이성분 GaN층들로 둘러싸인 Al-함유 식각 정지층들(etch stop layer, ESL)을 가지는 LD 구조물들의 성장을 가능하게 하였으며, ESL들과 주변층(surrounding layer)들 사이의 고도의 선택적 식각을 가능하게 한다. 이러한 사상에 기초하여, 본 발명은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조 및 방법을 설명한다.
(Ga,Al,In,B)N LD들에서 ESL들의 적용은 식각 공정들의 일관성 및 정확성에서의 중대한 개선들을 가져올 것이다. 상기 개선들은 (Ga,Al,In,B)N LD 제조자들에게 더 높은 전체 소자 수율, 더 낮은 문턱 전류 밀도들, 더 큰 모드 안정성(modal stability), 더 높은 킹크(kink)-없는 출력 전력 수준들, 및 더 긴 소자 수명들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 이점들을 가져올 것이다.
본 발명은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조 및 방법을 개시한다.
상술한 종래 기술에서의 한계점들을 극복하기 위해, 그리고, 본 명세서를 읽고 이해함으로써 분명해질 다른 한계점들을 극복하기 위해, 본 발명은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조 및 방법을 개시한다. 특히, 본 발명은 하나 이상의 Al-함유 식각 정지층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드, 및 결과적인 광전자 소자의 제조 방법을 개시한다. 상기 식각 정지층들은 소자 내에서 하나 이상의 식각된 층들의 식각 깊이를 제어하기 위해 사용되며, 상기 식각된 층들은 소자 내에서 상기 식각 정지층들과 다른 층들 사이에서 선택적으로 식각된 층들을 포함한다. 상기 식각 정지층들은 (Ga,Al,In,B)N의 n-형 도핑된, p-형 도핑된, 또는 도핑되지 않은 합금들로 이루어진 층들과 경계를 이룬다. 마지막으로, 상기 식각 정지층들은 전자 블록킹층들로 기능하거나 기능하지 않을 수 있다.
(Ga,Al,In,B)N LD들에서 ESL들의 적용은 식각 공정들의 일관성 및 정확성에서의 중대한 개선들을 가져올 것이다. 상기 개선들은 (Ga,Al,In,B)N LD 제조자들에게 더 높은 전체 소자 수율, 더 낮은 문턱 전류 밀도들, 더 큰 모드 안정성(modal stability), 더 높은 킹크(kink)-없는 출력 전력 수준들, 및 더 긴 소자 수명들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 이점들을 가져올 것이다.
도면들을 참조하며, 도면들 전체에서 동일한 참조 번호들은 대응되는 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용되는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2a는 샘플 A의 에피텍셜 구조물 및 소자 형상의 개략도이다.
도 2b는 샘플 B의 에피텍셜 구조물 및 소자 형상의 개략도이다.
도 3은 샘플 A의 계산된 1-차원(1-D) 횡 모드 프로파일을 도시한다.
도 4는 샘플 A에 대해 측정된 식각 깊이를 식각 시간의 함수로 도시한다.
도 5는 30분 동안의 건식 식각 및 250 nm의 Ta2O5 절연층 증착 후, 샘플 A 및 샘플 B의 표면 프로파일들을 도시한다.
도 6은 샘플 A로부터 제조된 4.5 ㎛의 폭과 500 ㎛의 길이의 LD에 대한 광-전류-전압(LIV) 특성을 도시한다.
도 7은 샘플 A로부터 제조된 4.5 ㎛의 폭과 500 ㎛의 길이의 LD에 대한 발광 스펙트럼을 도시한다.
바람직한 실시예의 아래의 설명에서, 본 명세서의 일부를 이루는 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어지며, 도면들은 본 발명이 실행될 수 있는 특정 실시예를 설명하는 방식으로 나타난다. 다른 실시예들이 활용될 수 있으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조적 변화들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
기술적 설명
샘플 구조물 및 성장
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 1의 블록(100)은 리지 도파로 식각 공정에 대한 AlGaN ESL의 효과들을 평가하기 위해 제조된 두 개의 다른 샘플들을 나타낸다.
본 발명은 미쓰비시(Mitsubishi) 화학 주식유한회사에 의해 제조된 독립(free-standing) m-면 GaN 기판들 상에 유기 금속 화학기상증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)에 의해 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 상기 효과들을 실험적으로 증명하였다. 상기 기판들은 c-방향으로 수소화물 기상 에피텍시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)에 의해 성장되었으며, m-면 표면이 노출되도록 슬라이싱(slicing)되었다. 상기 m-면 표면은 화학적 및 기계적 표면 처리 기술들에 의해 준비되었다. 상기 기판들은 제조자에 의해 측정된 것과 같이, 5 x 106 cm-2보다 작은 관통 전위(threading dislocation) 밀도, 약 1 x 1017 cm-3의 캐리어 농도, 및 1 nm보다 작은 RMS(root mean square) 표면 거칠기를 가졌다.
m-면 막들을 위해 사용되는 MOCVD 성장 조건들은 c-면 막들에서 통상적으로 사용되는 성장 조건들과 매우 유사하였다. 모든 MOCVD 성장은 대기압(atmospheric pressure, AP)에서, 통상적인 V/Ⅲ 비(> 3000), 및 통상적인 성장 온도(> 1000 ℃)로 수행되었다. 트리메틸갈륨(trimethylgallium, TMGa) 또는 트리에틸갈륨(triethylgallium, TEGa), 트리메틸인듐(trimethylindium, TMIn), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum, TMAl), 암모니아(NH3), 비스시클로펜타디에닐마그네슘(Bis(cyclopentadienyl)magnesium, Cp2Mg), 및 실란(SiH4)이 각각 Ga, In, Al, N, Mg, 및 Si 전구체들로 사용되었다.
도 2a는 샘플 A로 나타나는 제1 샘플의 에피텍셜 구조 및 소자 형상의 개략도이며, 샘플 A는 Al-함유 도파로 피복층들을 포함하지 않았다. 샘플 A는 다른 문헌들에 보고된 ACF LD 구조물들과 유사하였다[참조 7, 8]. 도 2a의 ACF LD 구조물은 10 ㎛의 Si-도핑된 n-GaN 템플레이트층(200), 1 ㎛의 Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N 클리빙 보조층(cleave assistance layer, CAL)(202)[참조 17], 1 ㎛의 Si-도핑된 n-GaN 피복층(204), 8 nm의 In0 .10Ga0 .90N 양자 우물(QW)들과 8 nm GaN 장벽들을 가지는 5기의 도핑되지 않은 In0 .10Ga0 .90N/GaN 다중-양자-우물(multiple-quantum-well, MQW) 구조물(206), 15 nm의 Mg-도핑된 p-Al0 .12Ga0 .88N 전자 블록킹층(electron blocking layer, EBL)(210), 200 nm의 Mg-도핑된 하부 p-GaN 피복층(212), 40 nm의 Mg-도핑된 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL(214), 800 nm의 Mg-도핑된 상부 p-GaN 피복층(216), 및 20 nm의 고농도 Mg-도핑된 p++-GaN 콘택층(218)을 포함한다.
도 2b는 샘플 B로 나타나는 제2 샘플의 에피텍셜 구조 및 소자 형상의 개략도이며, 샘플 B는 하나의 10 ㎛의 Si-도핑된 n-GaN 템플레이트층(220)을 포함한다.
c-면 GaN 기판들 상에 성장된 통상적인 (Ga,Al,In,B)N LD들과 달리, 도 2a에 도시된 샘플 A의 ACF LD 구조물은 상대적으로 두꺼운 8 nm의 In0 .10Ga0 .90N QW들을 포함한다. 샘플 A에 대해 계산된 일-차원(1-D) 횡모드 프로파일이 도 3에 도시된다. 상기 모델은 GaN, Al0 .06Ga0 .94N, In0 .10Ga0 .90N, Al0 .09Ga0 .88N, 및 Al0 .12Ga0 .88N 층들 각각에 대하여 405 nm의 2.522, 2.487, 2.730, 2.469, 및 2.451 굴절율 값들을 사용하였다[참조 18]. 계산된 모드 프로파일에 의해 도시된 것과 같이, 1 ㎛의 Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL 및 40 nm의 Mg-도핑된 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL은 광학 모드에 거의 영향을 미치지 않았으며, 주로 In0 .10Ga0 .90N/GaN MQW에 의해 가이딩되었다. 본 구조에 대해 계산된 횡 구속 인자(transverse confinement factor)(Γ)는 0.147이었다. 따라서, 비록 샘플 A가 1 ㎛의 Si-도핑된 n-Al0 .06Ga0 .94N CAL, 15 nm의 Mg-도핑된 p-Al0.12Ga0.88N EBL, 및 40 nm의 Mg-도핑된 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL을 포함하지만, 샘플 A는 여전히 ACF LD 구조물로 지칭된다.
식각 정지층 특성 평가
MOCVD 성장 후, 식각 깊이를 제어하는 데 있어 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL의 유효성을 평가하기 위해, 샘플 A의 일부가 사용되었다. 이는 도 1의 블록(102)에 나타난다.
포토레지스트가 상기 샘플들 상에 피쳐(feature)들을 패터닝하기 위해 사용되었으며, 상기 포토레지스트는 건식 식각 공정 중에 식각 마스크로 제공되었다. 모든 건식 식각이 Panasonic E620 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 식각 시스템에서 수행되었다.
실제의 건식 식각 전에, 모든 샘플들은 자연 표면 산화물들을 제거하기 위해 BCl3 탈산성 플라즈마로 5분 동안 전처리되었다. 순수한 BCl3는 GaN를 식각하는 데 있어 실질적으로 효과가 없음이 밝혀졌으며, 이는 아마도 순수한 BCl3 플라즈마 내에서의 낮은 농도의 활성 염소 원자들에 기인한 것으로 생각된다[참조 15]. 상기 전처리 단계에서, 챔버 압력은 37.5 mTorr로 세팅되었고, BCl3의 유속은 25 sccm로 세팅되었으며, ICP 전력은 200 W로 세팅되었고, RF 전력은 30 W로 세팅되었다.
상기 전처리 단계 후, 상기 샘플들은 BCl3 및 SF6의 혼합물을 포함하는 플라즈마로 식각되었다. 본 단계에서, 챔버 압력은 37.5 mTorr로 세팅되었고, BCl3 유속은 20 sccm로 세팅되었으며, SF6 유속은 5 sccm으로 세팅되었고, ICP 전력은 200 W로 세팅되었고, RF 전력은 60 W로 세팅되었다. 식각 조건들의 최적화에 관한 상세한 내용 및 선택적 식각에 대한 물리적 메커니즘은 다른 문헌에 설명된다[참조 14].
상기 식각 공정의 완료 후, 잔존하는 포토레지스트 마스크는 상기 샘플들로부터 스트립되며, 상기 피쳐들의 높이는 Dektak VI 조면계(profilometer)를 이용하여 측정되었다. 식각 시간의 함수로서, 측정된 식각 깊이가 도 4에 도시된다. 0과 24분 사이의 식각 시간 동안, 식각 깊이는 31.6 nm/min의 식각율로 시간에 선형적으로 증가하였으며, 식각은 상기 상부 p-GaN 피복층에 대해 진행되었다. 그러나, 24와 38분 사이의 식각 시간 동안, 식각 깊이는 시간에 대해 매우 느리게 변화되었으며, 총 14분 동안 약 800 내지 900 nm의 깊이로 남아 있었다. 상기 깊이는, MOCVD 성장률 교정(calibration)에 의해 결정된 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL의 예상 깊이에 상응한다. 마지막으로, 38분 이후의 식각 시간 동안, 식각 깊이는 다시 한번 시간에 선형적으로 증가하였으며, 이는 식각이 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL에 대해 진행되었으며, 하부 p-GaN 피복층으로 진입하였음을 뜻한다. p-Al0 .09Ga0 .91N ESL에 대한 교정된 40 nm의 두께 및 14분의 총 식각 시간에 기초하여, p-Al0 .09Ga0 .91N ESL에 대하여 계산된 식각율은 2.9 nm/min 이었다. 이는 10.9의 p-GaN/p-Al0 .09Ga0 .91N 식각 선택성을 나타내며, 식각 깊이를 제어하는데 대한 ESL의 유효성을 입증한다.
리지 도파로 제조
BCl3/SF6 식각의 특성 평가에 이어서, 샘플들 A 및 B는 자기-정렬 리지 도파로 공정을 이용하여 리지 도파로 형상 구조들로 형성되었다. 이는 도 1의 블록(104)에 나타난다.
먼저, [0001] c 방향을 따라 배향된 리지 도파로들은 두 개-층 포토레지스트 기술을 이용하여 포토리소그래피에 의해 정의되었다. 리소그래피 조건들은 뒤에 리프트-오프(lift-off) 공정들을 용이하게 하기 위하여 하부 레지스트층이 상부 레지스트층에 비하여 약간의 언더컷(undercut)을 가지도록 조정되었다.
다음으로, 샘플들 A 및 B는 식각 마스크로 작용하는 상기 두-층 포토레지스트로 상술한 BCl3/SF6 식각 조건들을 이용하여 30분 동안 식각되었다.
건식 식각 후에, 리지들의 전기적 분리를 위해 상기 샘플들 상에 이온빔 증착(ion beam deposition, IBD)에 의해 250 nm의 Ta2O5이 증착되었다.
다음으로, 상기 리지들의 상부 상에 잔존하는 Ta2O5는 포토레지스트 스트리퍼(stripper) 내에서 상기 포토레지스트 마스크의 잔존물을 리프트-오프함으로써 제거되었다. 도 2a는 Ta2O5 절연체의 리프트-오프 직후의 샘플 A의 형상을 도시한다.
Ta2O5 리프트-오프가 끝난 후, 두개의 샘플들에서 식각 깊이들을 비교하기 위해 샘플들 A 및 B의 표면 프로파일들을 측정하기 위해 Dektak VI 조면계가 사용되었다. 도 5에 도시된 것과 같이, 샘플들 A 및 B 사이의 식각 깊이는 상당히 달랐다. 250 nm Ta2O5 층을 고려하면, 샘플 A의 총 식각 깊이는 단지 0.86 ㎛이었지만, 샘플 B의 총 식각 깊이는 1.03 ㎛이었으며, 이는 샘플 A에서 p-Al0 .09Ga0 .91N ESL의 식각 정지 효과를 나타낸다.
레이저 다이오드 제조
Ta2O5 절연체의 리프트-오프 후, 샘플 A는 복잡한 리지 도파로 형성 LD 구조물로 형성되었다. 이는 도 1의 블록(106)에 나타난다.
두꺼운 Pd/Au 콘택들이 p-콘택들을 형성하도록 리지 도파로들의 상부에 증착되었다.
상기 p-콘택 증착에 이어, 상기 샘플은 기계적 그라인딩 및 래핑(lapping)에 의해 약 50 ㎛의 두께로 박형화되었다.
다음으로, 패시트 클리빙(facet cleaving)을 위한 샘플을 준비하기 위해 주기적 생략-스크라이빙(periodic skip-scribing) 기술과 함께 다이아몬드-바늘계(diamond-stylus-based) 웨이퍼 스크라이빙 도구가 사용되었다. 상기 생략-스크라이빙 기술은, 웨이퍼에 대하여 주기적인 85 ㎛ 생략 단계들 및 115 ㎛ 스크라이빙 단계들의 동일 선상(colinear)의 세트로 상기 샘플의 에피텍셜 면을 스크라이빙하는 단계로 이루어졌다. 스크라이빙 방향은 결정의 {0001} 면들을 따른 클리빙을 용이하게 하기 위하여 결정의 a-축으로 정렬되었다. 상기 생략 단계들 중에, 다이아몬드 바늘은 웨이퍼의 표면으로부터 들어 올려졌으며, 웨이퍼는 85 ㎛의 거리 동안 스크라이빙되지 않는다. 상기 85 ㎛의 생략 길이는 개개의 리지 도파로들의 위치와 일치하였다.
스크라이빙 공정이 완료된 후, 샘플 A는 500 ㎛의 캐비티 길이를 가지는 레이저 바들로 클리빙되었다.
마지막으로, 패키징되지 않았으며 코팅되지 않은 LD들의 전기적 특성 및 조명 특성 평가를 가능하게 하기 위해, 공통 n-콘택이 각 레이저 바의 n-형 GaN 기판에 형성되었다.
레이저 다이오드의 전기적 특성 및 조명 특성 평가
도 1의 블록(108)은 레이저 다이오드들의 전기적 특성 및 조명 특성 평가가 수행됨을 나타낸다.
도 6은 샘플 A로부터 제조된 4.5 ㎛ 폭과 500 ㎛ 길이의 LD에 대한 통상적인 펄스된 광-전류-전압(L-I-V) 특성을 도시한다. 광 출력 전력은 교정된 Si 광검출기(photodetector)로, 20 ℃의 스테이지 온도에서, 0.1 %의 듀티 사이클(duty cycle)에 상응하는 1 ㎲의 펄스 폭 및 1 kHz의 반복율로, 단일의 코팅되지 않은 거울 패시트로부터 측정되었다. 문턱 전압 및 직렬 저항은 각각 9.7 V 및 20 Ω이었다. 측정된 문턱 전류는 209.5 mA이었으며, 9.3 kA/cm2의 문턱 전류 밀도에 대응된다.
동일한 LD에 대한 발광 스펙트럼이 도 7에 나타난다. 스펙트럼은 문턱 이상의 250 mA의 구동 전류에서 수집되었으며, 399.5 nm의 피크 레이저 파장을 나타낸다.
상술한 설명은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각을 수행하기 위해 이용될 수 있는 구조물 및 방법을 설명한다. 상술한 설명은 독립 무극성 기판들 상에 성장된 ACF (Ga,Al,In,B)N LD들을 설명하지만, 본 발명의 범위는 하나 이상의 Al-함유 도파로 피복층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N LD들 및 모든 가능한 이질적(foreign) 기판들의 모든 가능한 결정학적 배향들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD들도 포함한다.
상기 식각 공정의 일관성 및 정확성에서의 개선들은 현재의 레이저 디자인들 및 식각 기술들에 대한 구조적 또는 방법론적 변경들에 의해서도 이루어질 수 있다.
가능한 변화들 및 변경들
본 발명의 범위에서 벗어남이 없이, 성장 온도, 성장 압력, V/Ⅲ 비, 전구체 유동들, 및 소스 물질들과 같은 MOCVD 성장 조건들의 변화들도 가능하다. 계면 품질의 제어는 공정의 중요한 측면이며, 특정 반응기 디자인들의 유동 스위칭 능력(flow switching capability)들에 직접 관련된다. 성장 조건들의 계속적인 최적화는 상술한 (Ga,Al,In,B)N 박막들의 보다 정확한 조성 및 두께 제어를 가져올 것이다.
상술한 (Ga,Al,In,B)N LD들은 다중 균일층(homogenous layer)들로 이루어졌다. 그러나, 본 발명의 범위는 변화하거나 또는 점진적인 조성들을 가지는 다중 층들로 이루어진 (Ga,Al,In,B)N LD들도 포함한다.
추가의 불순물들 또는 도펀트들이 본 발명에서 설명된 (Ga,Al,In,B)N 박막들 내로 편입(incorporating)될 수도 있다. 예를 들어, Fe, Mg, Si, 및 Zn은 (Ga,Al,In,B)N 층들 및 인접한 층들의 도전 특성을 변화시키기 위해 (Ga,Al,In,B)N 이종구조들 내의 다양한 층들에 종종 첨가된다. 상기 도펀트들 및 본 명세서에서 열거되지 않은 도펀트들의 사용은 본 발명의 범위 내에 속한다.
본 발명의 범위는 상기 기술적 설명에 인용된 하나의 무극성 배향(m-면) 이상을 포함한다. 또한, 이러한 아이디어는 (Ga,Al,In,B)N계 반도체 소자들을 성장시키기 위해 사용될 수 있는 모든 극성, 무극성 및 반극성 면들에 해당한다. "무극성면(nonpolar plane)"의 용어는 총괄적으로 a-면들로 알려진 {11-20} 면들, 및 총괄적으로 m-면으로 알려진 {10-10} 면들을 포함한다. "반극성면(semipolar plane)"의 용어는 c-면, a-면, 또는 m-면과 같이 분류될 수 없는 임의의 면을 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 결정학적 용어들에서, 반극성면은 적어도 두 개의 0이 아닌 h, i, 또는 k 밀러 인덱스들 및 0이 아닌 l 밀러 인덱스를 가지는 임의의 면이 될 것이다.
본 발명은 특정 결정 극성들의 선택을 포함한다. 본 명세서 전체에서 중괄호들()의 사용은 대칭-등가 면들의 패밀리를 나타낸다. 따라서, {10-12} 패밀리는 (10-12), (-1012), (1-102), (-1102), (01-12), 및 (0-112) 면들을 포함한다. 상기 모든 면들은 Ga-극성이며, 결정의 c-축이 기판으로부터 먼 곳을 가리킴을 의미한다. 마찬가지로, {10-1-2} 패밀리는 (10-1-2), (-101-2), (1-10-2), (-110-2), (01-1-2), 및 (0-11-2) 면들을 포함한다. 상기 모든 면들은 N-극성이며, 결정의 c-축이 기판을 가리킬 것을 의미한다. 극성의 선택은 성장 공정의 거동에 영향을 미칠 수 있지만, 단일 결정학적 패밀리 내의 모든 면들은 본 발명의 목적들을 위해 동등하다. 일부 출원들에서, N-극성 면들 상에 성장하는 것이 바람직할 것이며, 다른 경우들에서 Ga-극성 면들 상의 성장이 선호될 것이다. 두 가지 극성들 모두 본 발명의 실행에 있어 허용 가능하다.
또한, 독립 무극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들 이외의 기판들이 (Ga,Al,In,B)N LD 성장을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 이질적 기판들의 모든 가능한 결정학적 배향들 상의 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다. 상기 이질적 기판들은 실리콘 카바이드, 갈륨 질화물, 실리콘, 아연 산화물, 보론 질화물, 리튬 알루미네이트(lithium aluminate), 리튬 니오베이트(lithium niobate), 게르마늄, 알루미늄 질화물, 리튬 갈레이트(lithium gallate), 부분적으로 치환된 스피넬(spinel)들, 및 γ-LiAlO2 구조를 공유하는 4성분 정방정계(tetragonal) 산화물들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
또한, (Ga,Al,In,B)N 핵생성(nucleation)(또는 버퍼) 층들 및 행생성 층 성장 방법들의 변화들은 본 발명의 실행에 있어 허용 가능하다. 성장 온도, 성장 압력, 배향, 및 핵생성 층들의 조성은 후속의 박막들 및 이종구조들의 성장 온도, 성장 압력, 배향, 및 조성과 매치되지 않아도 된다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 핵생성 층들 및 핵생성 층 성장 방법들을 이용한 모든 가능한 기판들 상의 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다.
상술한 무극성 (Ga,Al,In,B)N LD들은 독립 무극성 GaN 기판들 상에 성장되었다. 그러나, 본 발명의 범위는 측면으로 과성장된 에피텍셜(epitaxial laterally overgrown, ELO) (Ga,Al,In,B)N 템플레이트들 상에 성장된 (Ga,Al,In,B)N LD들도 포함한다. 상기 ELO 기술은 후속의 에피텍셜층들에서의 관통 전위(hreading dislocation, TD)들의 밀도를 감소시키는 방법이다. 상기 TD 밀도를 감소시키는 것은 소자 성능의 개선들을 가져올 수 있다. c-면 (Ga,Al,In,B)N LD들에서, 상기 개선들은 증가된 내부 양자 효율들, 감소된 문턱 전류 밀도들, 및 연장된 소자 수명들을 포함할 수 있다[참조 20]. 상기 이점들은 모든 가능한 결정학적 배향들 상의 ELO 템플레이트들 상에 성장된 모든 (Ga,Al,In,B)N LD들에 해당할 것이다.
상술한 기술적 설명은, c-방향으로 HVPE에 의해 성장되었으며 m-면 표면이 노출되도록 슬라이싱된, 독립된 무극성 GaN 기판들 상의 무극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 논의하였다. 독립된 극성, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 기판들은, 벌크 (Ga,Al,In,B)N 잉곳(ingot) 또는 불(boule)을 개개의 극성, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들로 소잉하거나, 또는 다른 가능한 결정 성장 또는 웨이퍼 제조 기술에 의하여, 두꺼운 극성, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N층으로부터 이질적 기판을 제거함으로써 형성될 수도 있다. 본 발명의 범위는, 모든 가능한 결정 성장 방법들 및 웨이퍼 제조 기술들에 의해 형성된 모든 가능한 독립 극성, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N 웨이퍼들 상의 극성, 무극성 또는 반극성 (Ga,Al,In,B)N LD들의 성장을 포함한다.
상술한 기술적 설명은 (Ga,Al,In,B)N LD에서 선택적 건식 식각을 하기 위해 BCl3 및 SF6을 함유하는 플라즈마를 이용하는 것을 논의하였다. 하지만, 상기 플라즈마는 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 건식 식각을 하기 위해 BCl3 및 SF6 이외의 공정 가스들을 함유할 수 있다. 본 발명의 범위는 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 건식 식각을 하기 위한 모든 가능한 공정 가스들의 사용을 포함한다.
상술한 기술적 설명은 (Ga,Al,In,B)N LD에서 선택적 건식 식각을 하기 위해 플라즈마를 이용하는 것을 논의하였다. 하지만, 상기 식각 공정은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 습식 식각을 하기 위해 하나 이상의 용액-계(solution-based) 식각제들을 사용할 수 있다. 본 발명의 범위는 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 습식 식각을 하기 위한 모든 가능한 용액-계 식각제들의 사용을 포함한다.
상술한 기술적 설명은 ESL로서 40 nm의 Mg-도핑된 p-Al0 .09Ga0 .91N층을 사용하는 것을 논의하였다. 그러나, 임의의 조성 또는 두께의 Al-함유층이 ESL로 사용될 수 있다. 모든 가능한 조성들 및 두께들을 가지는 모든 ESL들의 사용이 본 발명의 실행에 적합하다.
상술한 기술적 설명은 ACF (Ga,Al,In,B)N LD에 Al-함유 ESL을 사용하는 것을 논의하였으며, ESL은 n-형 도핑된, p-형 도핑된, 또는 도핑되지 않은 GaN로 이루어진 층들과 경계를 이루었다. 그러나, ESL은 임의의 n-형 도핑된, p-형 도핑된, 또는 도핑되지 않은 (Ga,Al,In,B)N의 합금으로 이루어진 층들과 경계를 이룰 수 있다. 또한, ESL은 Al-함유 도파로 피복층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N LD에 사용될 수 있다. 상기 구조물은 아마도 ESL과 주변층들 사이의 식각 선택성을 감소시킬 것이지만, 상기 구조물을 사용하는 것은 여전히 본 발명의 범위에 속한다. 본 발명의 범위는 모든 가능한 (Ga,Al,In,B)N LD 구조물들에서 모든 가능한 ESL들의 사용을 포함하며, ESL들이 임의의 n-형 도핑된, p-형 도핑된, 또는 도핑되지 않은 (Ga,Al,In,B)N의 합금으로 이루어진 층들과 경계를 이루는 상황을 포함한다.
상술한 기술적 설명은 8 nm의 InGaN QW들 및 8 nm의 GaN 장벽들을 가지는 5 기의 도핑되지 않은 InGaN/GaN MQW 활성 영역을 가지는 ACF (Ga,Al,In,B)N LD를 성장시키는 단계를 논의하였다. 상기 층들은 Al-함유 피복층들이 없이도 소자의 동작을 위한 충분한 광 구속(optical confinement)을 제공하였다. 그러나, 상기 소자들은 GaN보다 큰 굴절율을 가지는 하나 이상의 도파로층들을 포함할 수도 있다. 상기 대안적인 구조물에서, QW 활성 영역 및 도파로층들은 함께 도파로 코어로서 기능할 것이다. GaN보다 큰 굴절율을 가지는 임의의 도파로층들의 사용은 본 발명의 실행에 있어 적절하다.
또한, 본 발명은 (Ga,Al,In,B)N LD에서 InGaN/GaN 활성 영역들의 사용에 한정되지 않는다. 본 발명의 실행을 위해 다른 (Ga,Al,In,B)N의 합금들이 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 활성 영역들로 사용될 수 있다. 마찬가지로, 비록 무극성 및 반극성 QW들에서 QW의 두께가 통상적으로 4 nm보다 크지만, 본 발명은 활성 영역 또는 QW들에 있어 특정 두께에 한정되지 않는다. 임의의 조성 또는 두께의 층들을 가지는 활성 영역의 사용은 본 발명의 실행에 있어 적절하다.
상술한 기술적 설명은 (Ga,Al,In,B)N LD들에서 ESL 및 EBL을 위한 두 개의 구별되는 Al-함유층들을 사용하는 것을 논의하였다. 그러나, 본 발명의 실행을 위해 하나 이상의 ESL들이 EBL로 기능할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 실행을 위해 하나 이상의 EBL들이 ESL로 기능할 수 있다. 본 발명의 범위는, ESL들이 EBL들로도 기능하는지와 무관하게, 모든 가능한 (Ga,Al,In,B)N LD 구조물들에서 모든 가능한 ESL들을 포함한다.
명명( nomenclature )
본 명세서에서 사용되는 것과 같은 "(Ga,Al,In,B)N" 또는 Ⅲ-질화물은 Ⅲ족 금속종들의 2성분, 3성분 및 4성분 조성물들뿐 아니라, 단일종들, Al, Ga, In 및 B 각각의 질화물들을 포함하도록 넓게 해석되도록 의도된다. 따라서, 상기 용어 (Ga,Al,In,B)N은, 상기 명명에 포함되는 종들인 3성분 화합물들 AlGaN, GaInN, 및 AlInN, 및 4성분 화합물 AlGaInN뿐 아니라 화합물들 AlN, GaN, 및 InN을 포괄한다. (Ga, Al, In, B) 성분 종들 중 두 개 이상이 존재하는 경우, 화학양론적(stoichiometric) 비들과 "비-화학양론적(off-stoichiometric)" 비들(조성 내에 존재하는 각각의 (Ga, Al, In, B) 성분 종들의 상대적인 몰분율들에 대한)을 포함하는, 모든 가능한 조성들이 본 발명의 넓은 범위 내에서 사용될 수 있다. 따라서, GaN 물질들을 참조하는 이하의 발명의 논의는 다양한 다른 (Al, Ga, In, B)N 물질 종들의 형성에 적용가능함이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 범위 내의 (Al, Ga, In, B)N 물질들은 미량의 도펀트들 및/또는 다른 불순물 또는 함유된 물질(inclusional material)들을 더 포함할 수 있다.
이점들 및 개선들
현재의 통상적인 상업적으로-이용가능한 (Ga,Al,In,B)N LD 구조물들은 우르자이트 (Ga,Al,In,B)N 결정 구조의 c-면 상에 성장된다. 강력한 선택적 식각 공정의 부재로 인하여, 제조자들은 통상적으로 리지 도파로 식각 깊이들을 제어하기 위해 타이밍 및/또는 레이저 간섭계 기술을 이용한다. 상기 기술들은 종종 재현성 및 정확성 문제점들을 가지며, 제조 문제들을 초래하고 전체 소자 수율들을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 제조 능력 및 높은 성능을 가지는 (Ga,Al,In,B)N LD들을 형성하는 것이다. (Ga,Al,In,B)N LD들에서 선택적 식각의 구현은 (Ga,Al,In,B)N LD들의 제조 능력에 있어 다양한 발전들을 가능하게 할 것이다. 특히, (Ga,Al,In,B)N LD들에서 ESL들의 적용은 식각 공정들의 일관성 및 정확성에서 중대한 개선들을 가져올 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 상기 개선점들, 예를 들어, 식각 공정들의 일관성 및 정확성에 대한 개선들은, (Ga,Al,In,B)N LD 제조자들에게 더 높은 전체 소자 수율, 더 낮은 문턱 전류 밀도들, 더 큰 모드 안정성, 더 높은 킹크-없는 출력 전력 수준들, 및 더 긴 소자 수명들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 이점들을 가져올 것이다.
제안된 소자는 다양한 상업적, 산업적, 또는 과학적 제품들에 대해 광 소스로서 이용될 수 있다. 상기 (Ga,Al,In,B)N LD들은 현재의 상업적으로-이용가능한 (Ga,Al,In,B)N LD들과 동일한 제품들에서 유용성을 찾을 것으로 기대될 수 있다. 상기 제품들은 고체 프로젝션(solid-state projection) 디스플레이들, 고분해능(high resolution) 프린터들, 고밀도 광 데이터 저장 시스템들, 차세대 DVD 플레이어들, 고효율 고체 조명 시스템들, 광 센싱 제품들, 및 의료용 제품들을 포함한다.
참조들
다음의 참조들은 본 명세서에 참조로서 원용된다.
1. T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H. Takeuchi, H. Amano, 및 I. Akasaki, Jpn. J. Appl. Phys., 36, L382 (1997).
2. J.S. Im, H. Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, 및 A. Hangleiter, Phys. Rev. B, 57, R9435 (1998).
3. F. Della Sala, A. Di Carlo, P. Lugli, F. Bernardini, V. Fiorentini, R. Scholz, 및 J.M. Jancu, Appl. Phys. Lett., 74, 2002 (1999).
4. P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menninger, M. Ramsteiner, M. Reiche, 및 K. H. Ploog, Nature, 406, 865 (2000).
5. A. E. Romanov, T. J. Baker, S. Nakamura, 및 J. S. Speck, J. Appl. Phys., 100, 023522 (2006).
6. K. C. Kim, M. C. Schmidt, H. Sato, F. Wu, N. Fellows, Z. Jia, M. Saito, S. Nakamura, S. P. DenBaars, 및 J. S. Speck, Appl. Phys. Lett., 91, 181120 (2007).
7. D. F. Feezell, M. C. Schmidt, R. M. Farrell, K. C. Kim, M. Saito, K. Fujito, D. A. Cohen, J. S. Speck, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L284 (2007).
8. R. M. Farrell, D. F. Feezell, M. C. Schmidt, D. A. Haeger, K. M. Kelchner, K. Iso, H. Yamada, M. Saito, K. Fujito, D. A. Cohen, J. S. Speck, S. P. DenBaars, 및 S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys., 46, L761 (2007).
9. K. M. Kelchner, Y. D. Lin, M. T. Hardy, C. Y. Huang, P. S. Hsu, R. M. Farrell, D. A. Haeger, H. C. Kuo, F. Wu, K. Fujito, D. A. Cohen, A. Chakraborty, H. Ohta, J. S. Speck, S. Nakamura, 및 S. P. DenBaars, "Nonpolar AlGaN-cladding-free Blue Laser Diodes with InGaN Waveguiding," Appl. Phys. Express. 출판 예정.
10. J. Vatus, J. Chevrier, P. Delescluse, 및 J. F. Rochette, IEEE Trans. Electron. Devices, 33, 934 (1986).
11. B. Elman, W. F. Sharfin, F. D. Crawford, W. C. Rideout, J. Lacourse, 및 R. B. Lauer, Electron. Lett., 27, 2032 (1991).
12. Y. Han, S. Xue, W. Guo, Y. Luo, Z. Hao, 및 C. Sun, Jpn. J. Appl. Phys., 42, L1139 (2003).
13. W. K. Wang, Y. J. Li, C. K. Lin, Y. J. Chan, G. T. Chen, 및 J. I. Chyi, IEEE Electron. Device Lett., 25, 52 (2004).
14. D. Buttari, A. Chini, A. Chakraborty, L. McCarthy, H. Xing, T. Palacios, L. Shen, S. Keller, 및 U. K. Mishra, Int. J. High Speed Electron. Syst., 14, 756 (2004).
15. C. S. Oh, T. H. Kim, K. Y. Lim, 및 J. W. Yang, Semicond. Sci. Technol., 19, 172 (2004).
16. S. Salimian 및 C.B. Cooper III, J. Vac. Sci. Technol. B, 6, 1641 (1988).
17. R. M. Farrell, M. T. Hardy, H. Ohta, S. P. DenBaars, J. S. Speck, 및 S. Nakamura, "Structure for Improving the Mirror Facet Cleaving Yield of (Ga,Al,In,B)N Laser Diodes Grown on Nonpolar or Semipolar (Ga,Al,In,B)N Substrates," 발명 형태의 개시 및 기록, University of California, Santa Barbara (2009).
18. M. Hansen: Dr. Thesis, Materials Department, University of California, Santa Barbara (2001).
19. D. Buttari, A. Chini, T. Palacios, R. Coffie, L. Shen, H. Xing, S. Heikman, L. McCarthy, A. Chakraborty, S. Keller, 및 U. K. Mishra, Appl. Phys. Lett., 83, 4779 (2003).
20. S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, Y. Sugimoto, T. Kozaki, H. Umemoto, M. Sano, 및 K. Chocho, Appl. Phys. Lett., 72, 211 (1998).
21. S. Nakamura 및 G. Fasol, The Blue Laser Diode , (Springer, Heidelberg, 1997). 이 책은 c-면 (Ga,Al,In,B)N 광전자 기술의 개관을 제공한다.
22. L. Coldren 및 S. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, (Wiley, New York, 1995). 이 책은 반도체 레이저들의 이론 및 디자인의 개관을 제공한다.
결론
본 발명의 바람직한 실시예의 설명을 결론짓는다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 전술은 도시 및 설명의 목적으로 기술되었다. 이는 총망라하거나 개시된 형식대로 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 많은 변형들 및 변경들이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 제한되지 않으며, 오히려 본 명세서에 첨부된 청구 범위에 의해 제한되는 것이 의도된다.

Claims (18)

  1. 하나 이상의 Al-함유 식각 정지층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 포함하는 광전자 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, 상기 소자 내의 하나 이상의 식각된 층들의 식각 깊이를 제어하기 위해 사용되는 층들인 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 식각된 층들은, 상기 식각 정지층들과 상기 소자 내의 다른 층들 사이에서 선택적으로 식각된 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, n-형 도핑되거나, p-형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 GaN을 포함하는 층들과 경계를 이루는(bordered) 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, n-형 도핑되거나, p-형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 (Ga,Al,In,B)N의 합금들을 포함하는 층들과 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은 전자 블록킹 층들로도 기능하는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은 전자 블록킹 층들로 기능하지 않는 것을 특징으로 하는 광전자 소자.
  8. 하나 이상의 Al-함유 식각 정지층들을 가지는 (Ga,Al,In,B)N 레이저 다이오드를 제조하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, 상기 소자 내의 하나 이상의 식각된 층들의 식각 깊이를 제어하기 위해 사용되는 층들인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 식각된 층들은, 상기 식각 정지층들과 상기 소자 내의 다른 층들 사이에서 선택적으로 식각된 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들과 상기 소자 내의 다른 층들 사이에서 선택적 식각을 수행하기 위해, BCl3 및 SF6을 함유하는 플라즈마가 이용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들과 상기 소자 내의 다른 층들 사이에서 선택적 식각을 수행하기 위해, BCl3 및 SF6 이외의 반응제들을 함유하는 플라즈마가 이용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들과 상기 소자 내의 다른 층들 사이에서 선택적 식각을 수행하기 위해, 하나 이상의 용액-계 식각제들이 이용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, n-형 도핑되거나, p-형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 GaN을 포함하는 층들과 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은, n-형 도핑되거나, p-형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 (Ga,Al,In,B)N의 합금들을 포함하는 층들과 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은 전자 블록킹 층들로도 기능하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  17. 제8 항에 있어서,
    상기 식각 정지층들은 전자 블록킹 층들로 기능하지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
  18. 제8 항의 반도체 소자의 제조 방법을 이용하여 제조된 소자.
KR1020127006877A 2009-08-19 2010-08-19 (Ｇａ, Ａｌ, Ｉｎ, Ｂ)Ｎ 레이저 다이오드에서의 선택적 식각을 위한 구조물 및 방법 KR20120055705A (ko)

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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9488779B2 (en) * 2013-11-11 2016-11-08 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Apparatus and method of forming laser chip package with waveguide for light coupling
JP6748512B2 (ja) * 2016-08-08 2020-09-02 株式会社アルバック 半導体デバイス
TWI606611B (zh) * 2016-08-30 2017-11-21 光磊科技股份有限公司 具亞胺化鋰層的基板、具亞胺化鋰層的ｌｅｄ及其相關製作方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69115808T2 (de) * 1990-09-10 1996-06-20 Sharp Kk Halbleiterlaser mit verteilter Rückkopplung und Verfahren zu seiner Herstellung
EP0619602A3 (en) * 1993-04-07 1995-01-25 Sony Corp Semiconductor device and manufacturing method.
US6614821B1 (en) * 1999-08-04 2003-09-02 Ricoh Company, Ltd. Laser diode and semiconductor light-emitting device producing visible-wavelength radiation
US7233028B2 (en) * 2001-02-23 2007-06-19 Nitronex Corporation Gallium nitride material devices and methods of forming the same
US6611002B2 (en) * 2001-02-23 2003-08-26 Nitronex Corporation Gallium nitride material devices and methods including backside vias
EP1468476A1 (de) * 2002-01-25 2004-10-20 Infineon Technologies AG Laserdiode mit vertikalresonator und verfahren zu siener herstellung
US7429534B2 (en) * 2005-02-22 2008-09-30 Sensor Electronic Technology, Inc. Etching a nitride-based heterostructure
WO2006113443A2 (en) * 2005-04-13 2006-10-26 The Regents Of The University Of California Etching technique for the fabrication of thin (ai, in, ga)n layers
US7273798B2 (en) * 2005-08-01 2007-09-25 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Gallium nitride device substrate containing a lattice parameter altering element
JP4193867B2 (ja) * 2006-05-02 2008-12-10 ソニー株式会社 ＧａＮ系半導体レーザの製造方法
US20110007766A1 (en) * 2009-07-09 2011-01-13 The Regents Of The University Of California STRUCTURE FOR IMPROVING THE MIRROR FACET CLEAVING YIELD OF (Ga,Al,In,B)N LASER DIODES GROWN ON NONPOLAR OR SEMIPOLAR (Ga,Al,In,B)N SUBSTRATES

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