通過結晶學蝕刻獲得的超發光二極體的製作方法

2023-09-10 03:28:15 5

專利名稱：通過結晶學蝕刻獲得的超發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明涉及製造適於產生基於非極性(Ga，In, Al，B)N的超發光二極體(SLD)的低反射率小面。
背景技術：
(注意本申請案提及多個不同出版物，如在說明書通篇中由括號內的一個或一個以上參考編號所示，例如，(X)。根據這些參考編號編序的這些不同出版物列表可參見下文標題為「參考文獻」的部分。這些出版物中的每一者都以引用方式併入本文中。已使用各種技術來製造各種半導體系統、尤其基於GaAs和MP的系統中的SLD。SLD需要半導體裝置提供增益和一個非反射性小面以防止雷射作用。用於製造非反射性小面的技術尤其包含無源吸收體區域、抗反射塗層和成角度或纖維耦合小面(或成角度有源區域)(例如參見(13)-(16))。被動吸收體需要其他晶片空間，有效抗反射塗層需要多個層且製造相對較為昂貴，且成角度小面需要與大量生產的相容性小於(例如)間歇式溼式蝕刻技術的其他處理步驟。

發明內容
本發明已發明從在非極性GaN上生長的(Ga，h，Al，B)N雷射二極體(LD)來製造超發光二極體(SLD)的工藝。市售(Ga，h，Al，B)N LD通常在c_平面襯底上生長。極化相關電場需要薄量子阱(通常小於4nm)來避免所述阱內電子和空穴波函數的空間分離。厚AlGaN膜或AlGaN/GaN應變層超晶格形成包層並提供光學限制。在非極性m-平面和a-平面(Ga，In, Al，B)N上生長的LD沒有極化相關效應。此容許生長較寬量子阱(例如，寬於4nm)，所述較寬量子阱可大大有助於光學限制，從而顯示不含AlGaN包層的LD(I) 「2)。AKiaN的不存在可通過去除由Al前驅物寄生反應引起的反應器不穩定性來簡化製造。另外，非極性(Ga，^1，Al，B)N中的不平衡雙軸應變導致重空穴價帶與輕空穴價帶分離，從而相對於雙軸應變C-平面(Ga，In, Al，B)N提供較低閾值電流密度(3)。沿c軸定向的雷射條紋的閾值電流密度低於沿a軸的條紋0)。因此，必須劈裂非極性LD，從而暴露作為腔室鏡的極性C-平面小面以將增益、效率和輸出功率最大化。已展示在光電化學(PEC) (4)蝕刻條件和溼式蝕刻化學(例如Κ0Η) (5)下以結晶學方式蝕刻C-平面GaN的N-極性面。此技術通常用於通過形成六角形錐體來增強(Ga，In，Al，B)N發光二極體(LED)的背側上的光提取(6)。SLD使用放大的自發發射以與LD類似的數量級來生成單向高功率光學輸出。在沒有足夠強光學腔室的情形下，SLD不能生成展示真實雷射作用的足夠光學反饋。在沒有雷射作用的情形下，並無模式選擇可得到數量級大於LD的光譜寬度和低相干性。寬光譜寬度大大減小了與LD有關的眼損傷風險，且低相干性減小了相干噪聲或「散斑」。強局部化光發射的不存在有助於防止光學災變損傷(COD)故障(其為LD中的常見故障機制)。這些性質使得SLD可理想地適用於以下應用中皮科投影機(pico projector)-其中需要定向高功率發射且眼損傷風險和相干噪聲是有害的-以及視網膜掃描顯示器(無需高功率)。SLD先前已展現於GaAs (7)和尤其使用無源吸收體、波導提取、成角度小面和抗反射塗層來防止裝置一端的反饋的其它材料系統中。使用結晶學溼式或PEC蝕刻在非極性(Ga，In, Al，B)N的c_平面小面的氮面(N-面)(C—小面)上製造六角形錐體使得在N-面上獲得有效光提取(8)。此提供了形成SLD所需的非反射性小面。使用PEC或溼式蝕刻工藝提供了用於製造SLD的低成本、易於大量生產的技術，且無源吸收體無需浪費晶片空間。通過調節蝕刻時間、PEC照明功率和蝕刻電解質濃度來控制六角形錐體形成的進展使得可控制光學損失的量。此使得所述工藝易於適於確保具有不同光學增益的(Ga，In,Al,B)N SLD、尤其在不同波長下發光的裝置的超發光。因此，為克服先前技術中的限制且克服在閱讀和理解本說明書後將變得顯而易見的其它限制，本發明揭示基於非極性或半極性III-氮化物的光電子裝置(例如，SLD)，其包括有源區域；波導結構，其用以提供從有源區域所發射光的光學限制；和第一小面和第二小面，其位于波導結構的相對端上，其中第一小面和第二小面具有相反表面極性且第一小面具有粗糙化表面。第一小面可包括III-氮化物裝置的粗糙化c_小面、c_平面或N-面，且第二小面可包括III-氮化物裝置的C+小面、C+平面、Ga-面或III-面。舉例來說，粗糙化表面可為溼式蝕刻表面、結晶學蝕刻表面或PEC蝕刻表面。粗糙化表面可為粗糙化劈裂表面，且第二小面可具有劈裂表面。粗糙化表面可防止沿波導結構的平面內c軸的光學反饋。粗糙化表面可包括直徑和高度充分接近光波長的結構(例如，六角形錐體)，從而所述錐體將所述光散射到SLD外部。舉例來說，錐體的直徑可介於0. 1微米與1. 6微米之間或介於0. 1微米與10微米之間或為10微米或更高。SLD可具有至少5毫瓦(mW)的輸出功率。粗糙化表面可使得在驅動電流高達315mA時在SLD的發射光譜中觀察不到雷射作用峰，其中在驅動電流高於IOOmA時在沒有粗糙化表面的相同結構中觀察到雷射作用。粗糙化表面可使得在SLD的線性增益機制中SLD的輸出功率隨著驅動電流增加而以指數方式增加。粗糙化表面可使得由SLD所發射光的半高全寬(FWHM)至少為沒有粗糙化時的10倍。舉例來說，SLD可發射藍光且粗糙化表面可使得光的FWHM大於9nm。波導結構可利用折射率導向或增益導向來減小內部損失。本發明進一步揭示製造基於非極性或半極性III-氮化物的光電子裝置的方法，其包括獲得基於非極性或半極性III-氮化物的第一光電子裝置，其包括有源區域、用以提供從有源區域所發射光的光學限制的波導結構和位于波導結構的相對端上的第一小面和第二小面，其中第一小面和第二小面具有相反表面極性；和對第一小面的表面實施粗糙化，由此製造基於非極性或半極性III-氮化物的第二光電子裝置。在粗糙化步驟之前的裝置可為LD，且在粗糙化步驟之後的裝置可為SLD。粗糙化可通過溼式蝕刻來達成，且可改變溼式蝕刻中所使用的蝕刻時間和電解質濃度以控制第一小面的特徵大小、密度和總小面粗糙度。本發明可適用於發射在任一波長範圍中(從紫外(UV)到紅光)發光的SLD(例如，發射波長從^Onm或更低到綠光(例如，490-560nm)且直到700nm的光的SLD)。舉例來說，發射UV的SLD可使用m-平面GaN SLD。


現參照圖式，在所有圖式中相同參考編號都代表相應部件圖1為繪示根據本發明的一個或一個以上實施例製造裝置的方法的流程圖。圖2展示在2. 2M KOH中(圖2(a)) 1、(圖2(b))4和(圖2(c))8小時之後c_小面的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片，且圖2(d)展示在IOM KOH中M小時之後的C+小面(對於不同試樣來說)，其顯示通過改變C+小面的蝕刻條件和穩定性來控制粗糙度。圖3展示如下圖3(a)展示SLD的示意圖和III-氮化物的_c、m、a和+c方向，圖3(b)展示圖3(a)中的SLD的橫向截面，且圖3(c)中所展示的SEM圖像為在KOH處理之前裝置的-C小面，圖3 (d)展示在KOH處理之後的-C小面，且圖3 (e)展示在KOH處理之後的+c小面，其中圖3(c)是在40°角下獲取以展示表面形態；還展示粗糙化表面上的圓錐體的示意圖(圖3(f))。圖4展示光譜(光輸出強度(任意單位，arb. unit)對波長(納米(nm)))，圖4 (a)展示在KOH處理之前的4μπι隆脊LD，圖4(b)展示在KOH處理之後的相同裝置，圖4(c)展示在KOH處理之後但在垂直于波導的襯底下方發射的相同裝置。圖5繪製SLD在KOH處理之後對於平面內發射(圓)和背側發射(正方形，在圖5中還稱為「下方」)的隨驅動電流(毫安)而變化的FWHM(納米)。圖6展示在KOH處理之前的LD (圓)和在KOH處理之後的SLD (正方形)的發光對電流(L-I)特性(功率輸出(mW)對電流(mA))，其中虛線引導觀察LD數據且實線為對SLD數據的指數擬合。圖7展示如下圖7(a)展示檢測器設置的示意圖，且圖7 (b)展示隨在+c小面的平面內和從背側測量的電流而變化的光譜整合強度，其中還展示將對應於高於IOOmA的電流值的數據擬合到指數(平面內)和線性(背側)曲線，根據在平面內和裝置下方測量的整合強度分歧(因沿波導的經刺激發射所致)，可估計超發光始於約IOOmA (4. 76kA/cm2)，可將平面內發射良好擬合到R2為0. 995的指數曲線，同時可通過線性函數來擬合穿過襯底的發射，且對高於超發光起點(高於IOOmA)的數據進行兩種擬合。
具體實施例方式在下列優選實施例的說明中，參照形成本發明一部分的附圖，且其中以闡釋方式展示可實踐本發明的具體實施例。應理解，可利用其它實施例並且可在不背離本發明範圍的情形下作出結構性改變。鍵在m-平面(In，Al，的c_小面上顯示形成六角形錐體的結晶學蝕刻，且已顯示SLD裝置製造。本發明使得可製造適於產生基於非極性(Ga，In, Al，B)N的SLD的低反
射率小面。在本發明一實施例中，通過KOH溼式蝕刻來製造旨在防止沿c軸波導的光學反饋的非反射性-C平面小面。KOH選擇性蝕刻劈裂的-C小面從而形成六角形錐體而並不蝕刻+c小面。315mA下的峰波長和FWHM分別為439nm和9nm，其中在+c小面中測量的輸出功率為 5mff0技術說明侖名III-氮化物可稱為第III族氮化物、氮化物或例示為(Al，Ga，In)N、AlInGaN或Al (1_x_y JnyGiixN,其中 0<χ<1 且 0<y<l。這些術語將廣泛地視為包含單一物質Al、Ga和h的各種氮化物、以及所述第III族金屬物質的二元、三元和四元組合物。因此，所述術語囊括化合物AlN、GaN和hN、以及三元化合物AWaN、GaInN和AlInN和四元化合物AlGaInN作為包含在所述命名中的物質。在存在(Ga，Al，In)組份物質中的兩者或兩者以上時，可在本發明的廣泛範圍內採用包含化學計量比例以及「非化學計量」比例(關於組合物中存在的(Ga，Al，In)組份物質中的每一者的相對摩爾分數存在)的所有可能組合物。因此，應了解，後文主要參照GaN材料的對本發明的論述適用於各種其它(Al，fe，In)N材料物質的形成。另外，在本發明範圍內的(Al，Ga, h)N材料可進一步包含少量摻雜劑和/或其它雜質或可包含材料。III-氮化物合金中還可包含硼。用於電子和光電子裝置的當前氮化物技術採用沿極性C-方向生長的氮化物膜。然而，因存在強烈壓電和自發極化，基於III-氮化物的光電子和電子裝置中的常規C-平面量子阱結構發生非合意量子局限史塔克效應(quantum-confined Stark effect) (QCSE) 0沿c-方向的強烈內建電場會引起電子和空穴的空間分離(繼而限制載流子重組效率)、減小的振子強度和紅移發射。消除GaN或III-氮化物光電子裝置中的自發和壓電極化效應的一種方式為在晶體的非極性平面上生長所述裝置。所述平面含有相等數量的( 和N原子且為電荷中性。另外，後續非極性層彼此等效，從而塊狀晶體不會沿生長方向發生極化。GaN或III-氮化物中對稱-等效非極性平面的兩個所述家族為{11-20}家族(統稱為a_平面)和{1-100}家族(統稱為m-平面)。減小或可能消除GaN光電子裝置中的極化效應的另一方式為在晶體的半極性平面上生長所述裝置。術語「半極性平面」可用於指代擁有兩個非零h、i或k密勒指數(Millerindices)和一個非零1密勒指數兩者的各種平面。因此，半極性平面被定義為在(hkil)密勒-布拉維指數標定慣例(Miller-Bravais indexing convention)中具有非零h或k或i指數和非零1指數的晶體平面。c平面GaN異質外延中的半極性平面的一些常見實例包含(11-22)、(10-11)和(10-13)平面，其存在於凹坑的小面中。這些平面還恰好為發明者以平面膜形式生長的相同平面。纖維鋅礦晶體結構中的半極性平面的其它實例包含但不限於(10-12)、(20-21)和(10-14)。氮化物晶體的極化向量既不在所述平面內也不垂直於所述平面伸展，而是相對於平面的表面法線傾斜某一角度伸展。舉例來說，(10-11)和(10-13)平面分別與c平面成62. 98°和32. 06°。GaN的鎵(Ga)面(或III-氮化物的III-面)為+c、c+或(0001)平面，且GaN或III-氮化物層的氮或N-面為-C、c_或(000-1)平面。工藝步驟圖1繪示根據本發明的一個或一個以上實施例製造裝置的方法。框100代表獲得或製造基於非極性或半極性(Ga，In, Al，B)N的光電子裝置(例如，LD)，所述裝置包括有源區域、用以提供從有源區域所發射光的光學限制的波導結構和一對小面。小面對可包括位于波導結構的相對端上的第一小面和第二小面，從而第一小面與第二小面相對，且第一小面與第二小面具有相反表面極性。具有相反表面極性的小面對可包括C+和C—小面，從而相反表面極性為C+和c_。小面可通過劈裂形成以達成關於來自C+小面的光學輸出的良好方向性和遠場圖(FFP)。然而，還可通過乾式蝕刻、基於聚焦離子束(FIB)的技術、拋光或其它方法來形成小面。小面中的一者或兩者可經塗覆以增加或降低輸出小面的反射率或抑制光學災變損傷(COD)。針對此點來測試裝置，從而可將L-I特性與處理後的值進行比較，且可證實超發光。框102代表對第一小面的表面實施粗糙化，例如結晶學蝕刻、溼式蝕刻或PEC蝕刻LD小面中的一者。在框100的步驟之後，可使用克裡斯塔-邦德(crystal-bond)蠟面朝下安裝LD以在KOH處理期間保護頂部側。可能無需頂部側保護，但作為預防措施來實施。然後將所安裝試樣浸漬於2. 2M氫氧化鉀(KOH)中保持所需時間(通常介於1小時與M小時之間)。第一小面可包括III-氮化物裝置的粗糙化c_平面、c小面或N-面，且第二小面可包括III-氮化物裝置的C+小面、C+平面、Ga-面或III-面。第一小面的粗糙化表面可為粗糙化劈裂表面(隨後粗糙化的劈裂表面)，且第二小面可具有劈裂表面。圖2展示分別在KOH中保持1、4和8小時之後(如圖2 (a)、(b)和(c)中所展示)和並未在C+小面上實施蝕刻時(如圖2(d)中所展示)的錐體形態200。可使用PEC蝕刻將蝕刻時間降低多達兩個數量級。然後卸下試樣並重新測試。C+小面無需保護，這是因為其並不在這些條件下於KOH中進行蝕刻。因此，本發明可製造使用士c小面的不對稱化學性質的SLD。錐體200可具有基本直徑和高度。KOH結晶學蝕刻產生在裝置的c_小面上包括6個{10-1-1}平面的六角形錐體(5)。因此，粗糙化表面可包括含有六角形基底和6個為{10-1-1}平面的側壁的六角形錐體。可使用其它溼式蝕刻方法，例如溼式蝕刻、結晶學化學蝕刻、造成結晶學蝕刻的溼式蝕刻或光電化學(PEC)蝕刻。可改變溼式蝕刻中所使用電解質的蝕刻時間和濃度以控制第一小面的特徵大小、密度和總小面粗糙度。框104代表所述方法的最終結果，其為例如SLD等裝置。SLD可包括在非極性GaN上生長的(Ga，In, Al，B)N LD結構，其中所述LD結構的c_小面是以結晶學方式進行蝕刻。舉例來說，SLD可為利用士 c小面的不對稱化學性質的基於m-平面-GaN的藍SLD。第二小面可為SLD的輸出小面。舉例來說，裝置在粗糙化步驟之前為LD，且裝置在粗糙化步驟之後為 SLD。入射到錐體內部小面上的光可通過內部小面或被反射。反射光然後碰撞到錐體的相對小面且同樣可離開裝置或被反射。考慮到(例如)GaN與空氣之間的未塗覆界面，菲涅耳反射(Fresnel reflection)得到0. 18的反射概率。因此，在3次反射內，結構中剩餘光的量已小於入射光的1 %。另一選擇為，只需增加小面的粗糙度即可降低反射率並增加鏡面損失-此繼而增加了閾值電流密度。此效應通常用於增加C-平面LED的c_小面中的背側光提取效率(8)。由於經刺激發射放大了裝置中的自發發射，隨著LD的有源區域中的載流子密度有所增加，達成粒子數反轉(population inversion)，從而沿波導產生增益。為發生雷射作用，環路淨增益必須大於環路淨損失。然而，通過在C—小面中引起大量光提取(損失)來抑制光學反饋。經刺激發射有所放大，從而產生高光學輸出功率，但與雷射作用有關的發射光相干性得以抑制。因此，粗糙化表面可防止沿波導結構的平面內c軸的光學反饋。舉例來說，粗糙化表面可使得在驅動電流高達315mA時在SLD的發射光譜中觀察不到雷射作用峰，其中在驅動電流高於IOOmA時在沒有粗糙化表面的相同結構中觀察到雷射作用峰。然而，超發光和/或雷射作用所需的具體電流在很大程度上通過裝置的質量和尺寸來設定。舉例來說，商業藍LD可具有低於50mA的雷射作用電流。因此，用於超發光和/或雷射作用的具體電流並不限於特定值。裝置的粗糙化表面可使得由SLD所發射光的半高全寬(FWHM)至少為沒有粗糙化的裝置的10倍(舉例來說，SLD的FWHM為LD的FWHM的10倍)。舉例來說，SLD可發射藍光且粗糙化表面可使得光的FWHM大於9nm。SLD可具有至少5毫瓦的輸出功率。舉例來說，粗糙化表面可使得在SLD的線性增益機制中SLD的輸出功率隨著驅動電流增加而以指數方式增加。舉例來說，波導結構可利用折射率導向或增益導向來減小內部損失。裝置結構和實驗結果圖3(a)展示基於非極性或半極性(Ga，In, Al，B)N或III-氮化物的光電子裝置300(例如，SLD)的示意圖，其包括有源區域302 ；波導結構3(Ma、304b，其用以提供從有源區域302所發射光306的光學限制；和一對小面，其包含第一小面308和第二小面310且位于波導結構3(Ma、304b的相對端上，從而第一小面308與第二小面310相對，其中第一小面308與第二小面310具有相反表面極性，且第一小面308具有粗糙化表面312。粗糙化第一小面308為具有為粗糙化N-極性平面的表面的c_小面，且第二小面為C+小面。還展示III-氮化物的-c、m、a和+c方向(圖3 (a)中的直線箭頭)，且沿m_方向生長裝置300。然而，裝置還可沿半極性方向生長。裝置300的生長平面(即，每一裝置層的頂部表面或最終生長平面)314可為非極性或半極性平面。舉例來說，可在III-氮化物的a-平面或III-氮化物中接近III-氮化物的C-平面的半極性平面(例如，20-21或11-21 平面)上製造SLD，由此製造非極性或半極性SLD。圖3(b)為圖3(a)裝置的橫向截面，其繪示n_型層316、ρ-型層318和有源區域 302，有源區域302包括夾於第一量子障壁層320b與第二量子阱障壁層320c之間的量子阱 320a，其中量子阱層320a的厚度大於4nm。通過首先使用標準技術生長和製造LD來製造圖3(a)的裝置，如框100和Ql) 中所示。具體來說，通過標準金屬-有機化學氣相沉積在由三菱化學公司(Mitsubishi Chemical Company)製造的塊狀m_平面襯底(例如，m_平面GaN)上生長不含Al GaN包層的LD結構(18)(還參見02)和美國實用型申請案第12/030，117號(2008年2月12日由丹尼爾F.法澤爾、馬修C.施密特、金光中、羅伯特M.法雷爾、丹尼爾A.科恩、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴爾斯和中村修二提出申請，標題為「不含Al (X)Ga(I-X)N包層的基於 GAN的非極性雷射二極體和LED」，代理檔案號30794. 222-US-U1 (2007-424)))。所述結構包括η-型層316 (包含4- μ m厚Si摻雜GaN包層，隨後為50nm的Si摻雜η-型InGaN波導層304b)。儘管圖3(b)展示一個周期，但實際上製得的有源區域302包括三周期hGaN/ InGaN多量子阱結構(然而，任一數量的量子阱或任一量子阱組成都有可能，例如，InGaN/ GaN量子阱)。在有源區域302的頂部生長故意摻雜GaN層，隨後生長10-nm厚Mg摻雜 Al0.25Ga0.75N電子阻擋層(EBL)。在EBL之後為ρ-型層318 (包含50nm Mg摻雜ρ-型InGaN 波導層3(Ma、包括約500-nm厚Mg摻雜ρ-型GaN的頂部包層和包封結構的IOOnm Mg摻雜 P++接觸層)。通過沿C-方向對隆脊實施圖案化和乾式蝕刻來形成4 μ m寬條紋或隆脊322。使用標準剝離工藝來獲得氧化物絕緣體324，隨後實施Pd/Au金屬沉積以獲得陰極電極326。通過劈裂來形成小面308、310，從而得到500 μ m的腔室長度，且使用銦來形成背側陽極電極328。然後，對第一小面308實施粗糙化，如框102中所示。可從c+小面310 測量光306的平面內輸出功率330。圖3 (c)-(e)為裝置的SEM圖像，圖3 (c)展示裝置在KOH處理之前的_c小面，圖 3 (d)展示在KOH處理之後的-C小面(圖3 (a)的裝置)，且圖3 (e)展示在KOH處理之後的 +c小面(圖3(a)的裝置)，其中在40°角下獲取圖3(c)以展示表面形態。SEM圖像展示六角形錐體332僅形成於_c小面上，其中粗糙化表面包括一個或一個以上基本直徑介於0. 1微米與1. 6微米之間的六角形錐體(六角形錐體的基本直徑範圍為0. 3 μ m到1. 6 μ m(在η-型GaN上)和IOOnm到150nm(在ρ-型GaN上))。然而，粗糙化表面並不限於任一特定尺寸或特徵(舉例來說，包含基本直徑為10微米或更大，使用加熱或PEC蝕刻)。舉例來說，圖3 (f)展示，粗糙化表面可包括一個或一個以上具有基本直徑334和高度336的結構(例如，圓錐體332)，其中基本直徑334可(例如)為10微米或更大。基本直徑334和/或高度336可充分接近光波長，從而所述結構將所述光散射到SLD外部。 圖3(f)還展示所述結構可如何成為具有六角形基底340和{10-1-1}平面側壁342的六角形錐體338，其中六角形錐體338呈圓錐體形332。如果側壁342形成{10_1_1}平面，則 {10-1-1}平面相對於C-平面的角度為62度。在一些實施例中，c_小面308的整個表面經圓錐體覆蓋，且在一些實施例中，較大圓錐體332較好。
裝置件能圖4展示關於不同驅動電流(mA)的光譜(光輸出強度(任意單位，arb. unit)對波長(納米(nm)))，圖4(a)展示在KOH處理之前的4 μ m隆脊LD(底部曲線到頂部曲線分別代表驅動電流為175mA、190mA和210mA)，圖4(b)展示在KOH處理之後的相同裝置(圖 3(a)的裝置)(底部曲線到頂部曲線分別代表底部驅動電流為15mA、45mA、105mA、180mA、 255mA和315mA)，其中圖4(a)和圖4(b)是針對平面內發射，且圖4(c)展示在KOH處理之後的相同裝置(圖3(a)的裝置)但針對在襯底下方且垂直于波導的發射。在KOH處理之前，在低達190mA的注入電流下觀察到雷射作用峰(9. 05kA/cm2)，其中峰波長為436. 8nm,且LD在略高於閾值的190mA下的半高全寬強度(FWHM)為0. 3nm。在KOH處理之後，裝置的光譜寬度隨著驅動電流增加(因在波導中存在經刺激發射)而變窄，然而，在所呈現電流範圍中並未觀察到在光譜中具有尖峰(因雷射作用)。在 315mA下SLD的最小FWHM為9nm，此數量級近乎高於LD，且峰波長為439nm。圖5測量圖3 (a)的裝置的FWHM，且繪示裝置的粗糙化表面可使得由SLD所發射光的FWHM至少為沒有粗糙化的裝置的10倍(舉例來說，SLD的FWHM為LD的FWHM的10倍)。 在圖5中，SLD展示最小FWHM為8nm，而典型LD FffHM為0. 2nm。SLD因光學腔室中的共振而並不展現強烈波長選擇。圖6展示在KOH處理之前的LD和在KOH處理之後的SLD的L-I特性(圖3 (a)的裝置)，其中虛線引導觀察LD數據且實線為對SLD數據的指數擬合。在KOH處理之前，L-I 曲線展示極尖銳的雷射作用閾值，且在高於閾值時輸出功率線性增加。在+c小面中測量的SLD的輸出功率達到約5mW。在KOH處理之後的輸出功率隨電流變化而以指數方式增加，如對於SLD在線性增益機制中所預期。圖7展示如下圖7(a)展示檢測器設置的示意圖，且圖7 (b)展示隨針對在+c小面中的平面內700發射和背側702發射測量的電流而變化的光譜整合強度(使用圖3(a) 的裝置)，其中還展示擬合對應於高於IOOmA的電流值的數據的指數(平面內)和線性(背側)曲線。使用耦合到置於+c小面的平面內700(平面內)和垂直于波導的裝置下方(背側70 的檢測器的光學纖維來測量整合強度。平面內700發射包括自發和經刺激發射(因波導中的放大)，而背側702發射僅測量透過襯底的自發發射。平面內發射與背側發射的分歧表明超發光始於略低於IOOmA時。這是由於源於沿波導的經刺激發射的增益引起所測量平面內強度以指數方式增加，同時僅包括自發發射的背側發射保持線性所致。還應注意，在超發光起點以下時，平面內和背側發射都因發射機制變化而從擬合處線性轉向起點上方。(Ga, In, Al，B)N SLD最好在塊狀非極性或半極性襯底(例如，III-氮化物或GaN 襯底)上製造，從而利用源於這些襯底上的外延生長的增強的光學和電性質。然而，本發明還可用於在任一襯底上生長的具有C-平面小面的任一裝置中。本發明SLD的應用包含但不限於以下光源其用於藍色到綠色光譜區域(且可能超出所述區域)中的皮科投影機和視網膜掃描顯示器且具有可調鏡面損失、高功率定向固態發光和纖維耦合發光。可能修改可使用結晶學化學蝕刻工藝對第一小面(C-小面)實施粗糙化。舉例來說，結晶學化學蝕刻工藝可在室溫或加熱下使用Κ0Η。然而，還可使用造成結晶學蝕刻的其它溼式蝕刻工藝作為結晶學化學蝕刻工藝。可改變電解質的蝕刻時間和濃度以控制第一小面308的特徵大小、密度和總小面粗糙度。因此，造成結晶學蝕刻的任一蝕刻化學涵蓋於本發明範圍內，包含使用PEC蝕刻技術作為結晶學蝕刻工藝。如果可適當保護頂部側，則PEC蝕刻速率通常比非照明蝕刻快 1到2個數量級且可提供較高通量。在蝕刻工藝期間(例如，在結晶學化學蝕刻工藝期間)，還可使用一些光致抗蝕劑顯影劑，例如AZ 726 MIF0舉例來說，還可使用一些光致抗蝕劑顯影劑以結晶學方式蝕刻 N-面GaN。因N-面GaN的一般化學反應性，其它蝕刻化學可能引起結晶學蝕刻且也可用於形成如上所述的非反射性小面。因此，本發明的光電子裝置可包括有源區域和波導結構(用以提供從有源區域所發射光的光學限制)、小面對(其位於裝置的相對端上且具有相反表面極性)。裝置可為基於非極性或半極性(Ga，h，Al，B)N的裝置(即，裝置的生長平面通常為非極性或半極性且小面極性通常對應於C+和C—小面)。小面可通過劈裂形成以達成關於來自C+小面的光學輸出的良好方向性和遠場圖 (FFP)。還可通過乾式蝕刻、基於聚焦離子束(FIB)的技術、拋光或其它方法來形成小面。可使用小面塗層來增加或降低輸出小面的反射率或抑制任一小面的光學災變損傷(COD)。然後可通過結晶學化學蝕刻工藝對一個小面實施粗糙化，其中粗糙化小面為 c_氮-極性(N-極性)平面。舉例來說，波導結構可利用折射率導向或增益導向來減小內部損失。本發明包含選擇將抗反射塗層置於+C小面上(如果存在過多反射)。塗覆前側還可改良裝置性能。另外，條紋322可在小面之間成角度以進一步減小離開兩個小面的反射，此可改良性能。優點和改良本發明的特徵在於用於形成適用於0 ，In, Al，B)N SLD中的非反射性小面的新穎機構，即以結晶學方式蝕刻的光提取圓錐體。可將此溼式蝕刻步驟添加到標準LD製造工藝中以在最小工藝研發下來製造SLD。舉例來說，通過添加僅一個相對便宜且直接的處理步驟，本發明可從具有C-平面劈裂小面的任一非極性(Ga，h，Al，B)N LD工藝來製造SLD。 形成低反射小面的此方法無需損失晶片上的任何裝置封裝密度，且無需任一與正常雷射處理不相容的處理步驟。此技術允許任一非極性(Ga，In, Al，B)N雷射工藝直接適用於製造 SLD而無需重新優化或改變任一處理步驟。因此，此技術作為分批溼式蝕刻步驟的工業應用預計相對於其它製造方法具有較低成本。因具有相對較大光譜寬度、定向輸出和相對較高功率，SLD可用作用於皮科投影機和視網膜掃描顯示器中的光源(9)。本發明提供在製造SLD中提供易於製造和可縮放性的優點。參考文獻下列參考文獻是以引用方式併入本文中。(1) 「不含 AlGaN 包層的非極性 InGaN/GaN 雷射二極體(AlGaN-Cladding-FreeNonpolar InGaN/GaN Laser Diodes) 」，法澤爾D. 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Kuo)、F.吳(F. Wu)、K.藤渡(K. Fu jito)、D. Α.科恩(D. A. Cohen)、Α.查克拉布提(A. Chakraborty)、H.奧塔(H. Ohta)、J. S.斯佩克 (J. S. Speck)、S.中村(S. Nakamura)和 S. P.登巴爾斯(S. P. DenBaars)應用物理學快報 2(2009)071003。(20).幻燈片展示，由中村修二給出，標題為「SSLEC中對於雷射二極體(LD)和發光二極體(LED)研究的才既述(An overview of Laser Diodes (LDs) and Light Emitting Diodes(LEDs)Research at SSLEC) 」，固態照明和能量中心的 2009 評論年刊(2009 Annual Review for the Solid State Lighting and Energy Center) (SSLEC)，加利福尼亞大學 (University of California)，聖巴巴拉(Santa Barbara) (2009 年 11 月 5 日)。(21).幻燈片展示，由馬修Τ.哈迪給出，標題為「m-平面劈裂小面雷射二極體和超發光二極體的背端處理(Backend Processing for m-plane Cleaved Facet Laser Diodes and Superluminescent Diodes) 」，2009評論年刊，SSLEC，加利福尼亞大學，聖巴巴拉(2009 年11月6日)。(22)幻燈片展示，由凱特凱爾克納(Kate Kelchner)給出，2009評論年刊，SSLEC， 標題為「非極性m-平面GaN上的純藍色雷射二極體的連續波技術(Continuous Wave Technology for Pure Blue Laser Diodes on Nonpolar m-plane GaN)，，, 2009 年 11 月 6 日，加利福尼亞大學，聖巴巴拉。Mrk現在對本發明優選實施例的說明加以總結。出於例示和說明的目的呈現對本發明一個或一個以上實施例的上述說明。本說明並非打算包羅無遺或將本發明限制於所揭示的具體形式。根據上文的教示內容也可作出許多修改和改變。本發明範圍並不打算受此詳細說明的限制而是受隨附權利要求書限制。
權利要求
1.一種基於非極性或半極性III-氮化物的光電子裝置，其包括有源區域；波導結構，其用以提供對從所述有源區域所發射光的光學限制；和第一小面和第二小面，其位於所述波導結構的相對端上，其中所述第一小面和所述第二小面具有相反表面極性且所述第一小面具有粗糙化表面。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一小面包括所述III-氮化物裝置的粗糙化c_小面、c平面或N-面，且所述第二小面為所述III-氮化物裝置的C+小面、c+平面、III-面或Ga面。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面為溼式蝕刻表面。
4.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面為結晶學蝕刻表面。
5.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面為光電化學PEC蝕刻表面。
6.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面為粗糙化劈裂表面，且所述第二小面具有劈裂表面。
7.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面防止沿所述波導結構的平面內c軸的光學反饋。
8.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面包括一個或一個以上直徑和高度充分接近光波長的結構，從而使得所述結構將所述光散射到所述波導外部。
9.根據權利要求2所述的裝置，其中所述粗糙化表面包括一個或一個以上直徑介於0. 1微米與10微米之間的六角形錐體。
10.根據權利要求2所述的裝置，其輸出功率至少為5毫瓦。
11.根據權利要求2所述的裝置，其中所述裝置為超發光二極體SLD。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中所述粗糙化表面使得在所述SLD的線性增益機制中所述SLD的輸出功率隨著驅動電流增加而以指數方式增加。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中所述粗糙化表面使得由所述SLD所發射光的半高全寬至少為沒有粗糙化時的10倍。
14.根據權利要求11所述的裝置，其中所述SLD發射藍光且所述粗糙化表面使得所述光的半高全寬大於9nm。
15.根據權利要求1所述的裝置，其中所述波導結構利用折射率導向或增益導向來減小內部損失。
16.一種製造基於非極性或半極性III-氮化物的光電子裝置的方法，其包括獲得基於非極性或半極性III-氮化物的第一光電子裝置，其包括有源區域、用以提供對從所述有源區域所發射光的光學限制的波導結構和位於所述波導結構的相對端上的第一小面和第二小面，其中所述第一小面和所述第二小面具有相反表面極性；和對所述第一小面的表面實施粗糙化，由此製造基於非極性或半極性III-氮化物的第二光電子裝置。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述第一小面包括所述III-氮化物裝置的粗糙化c_平面、C—小面或N-面，且所述第二小面為所述III-氮化物裝置的C+小面、C+平面、Ga面或III-面。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述粗糙化是通過造成結晶學蝕刻的溼式蝕刻來達成。
19.根據權利要求18所述的方法，其中改變所述溼式蝕刻中所使用電解質的蝕刻時間和濃度以控制所述第一小面的特徵大小、密度和總小面粗糙度。
20.根據權利要求17所述的方法，其中所述粗糙化是通過結晶學化學蝕刻工藝來達成。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述結晶學化學蝕刻工藝在室溫或加熱下使用KOH。
22.根據權利要求20所述的方法，其中在所述結晶學化學蝕刻工藝期間使用包括AZ726 MIF的光致抗蝕劑顯影劑。
23.根據權利要求17所述的方法，所述粗糙化是通過光電化學PEC蝕刻來達成。
24.根據權利要求17所述的方法，其中通過在所述粗糙化之前劈裂來形成所述第一和第二小面，從而使得所述第二小面具有劈裂表面且通過對已經劈裂的所述第一小面實施粗糙化來形成所述粗糙化表面。
25.根據權利要求17所述的方法，其中在所述粗糙化步驟之前通過乾式蝕刻、基於聚焦離子束FIB的技術或拋光來形成所述第一小面和第二小面。
26.根據權利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面防止沿所述波導結構的平面內c軸的光學反饋。
27.根據權利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面包括一個或一個以上直徑和高度充分接近光波長的結構，從而使得所述結構將所述光散射到所述波導外部。
28.根據權利要求17所述的方法，其中所述粗糙化表面包括一個或一個以上直徑介於0. 1微米與10微米之間的六角形錐體。
29.根據權利要求17所述的方法，其輸出功率至少為5毫瓦。
30.根據權利要求17所述的方法，其中在所述粗糙化步驟之前的所述第一裝置為雷射二極體且在所述粗糙化步驟之後的所述第二裝置為超發光二極體SLD。
31.根據權利要求30所述的方法，其中所述粗糙化表面使得在所述SLD的線性增益機制中所述SLD的輸出功率隨著驅動電流增加而以指數方式增加。
32.根據權利要求30所述的方法，其中所述粗糙化表面使得由所述SLD所發射光的半高全寬至少為沒有粗糙化時的10倍。
33.根據權利要求30所述的方法，其中所述SLD發射藍光且所述粗糙化表面使得所述光的半高全寬大於9nm。
34.根據權利要求17所述的方法，其中所述波導結構利用折射率導向或增益導向來減小內部損失。
35.一種超發光二極體SLD，其包括在非極性GaN上生長的(Ga，h，Al，B)N雷射二極體LD結構，其中所述LD結構的c_小面是以結晶學方式進行蝕刻。
全文摘要
一種光電子裝置，其包括有源區域和波導結構，所述波導結構用以提供對從所述有源區域所發射光的光學限制；位於所述裝置的相對端上的一對小面，其具有相反表面極性；和已通過結晶學化學蝕刻工藝實施粗糙化的小面中的一者，其中所述裝置為基於非極性或半極性(Ga，In，Al，B)N的裝置。
文檔編號H01L33/00GK102598314SQ201080049856
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月27日 優先權日2009年11月3日
發明者凱薩琳·M·凱爾克納, 史蒂文·P·登巴爾斯, 周司·中村, 太田　裕朗, 林佑達, 詹姆斯·S·斯佩克, 馬修·T·哈迪 申請人:加利福尼亞大學董事會