JP7837482B2 - Surface-emitting laser - Google Patents
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Description
本発明は、ナノ多孔質GaN DBRを有するIII族窒化物垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)に関する。 This invention relates to a Group III nitride vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL) having a nanoporous GaN DBR.
本出願は、本明細書全体を通して示されるように、括弧、すなわち[]内の参照番号によって、多数の特許又は非特許刊行物を参照する。これらの参照番号に従って並べられた刊行物のリストは、「非特許文献」又は「特許文献」と題するセクションにおいて以下に見出すことができる。
「引用リスト」
「非特許文献」
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"List of citations"
"Non-patent literature"
[NPL1]
Appl.Phys.Lett.92巻、141102頁(2008年)
[NPL2]
Appl.Phys.Express 12巻、044004頁(2019年)
[NPL3]
Sci.Rep.8巻、10350頁(2018年)
[NPL4]
Jpn.J.Appl.Phys.58巻、SC0806(2019年)
[NPL5]
Appl.Phys.Express 11巻、112101頁(2018年)
[NPL6]
Appl.Phys.Lett.101巻、151113頁(2012年)
[NPL7]
ACS Photonics、2巻、980~986頁(2015年)
[NPL8]
Sci.Rep.7巻、45344頁(2017年)
[NPL9]
Appl.Phys.Lett.112巻、041109頁(2018年)
[NPL10]
Scr.Mater、156巻、10~13頁(2018年)
[NPL11]
Appl.Phys.Express 2012年、5巻、092104頁
[NPL12]
Optics Express、27巻、24717頁(2019年)
[NPL13]
Appl.Phys.Express、13巻、041003頁(2020年)
[NPL14]
Appl.Phys.Express、14巻、031002頁(2021年)
[NPL15]
Applied Phys.Lett.119巻、142103頁(2021年)
[NPL16]
Crystals、11巻12号1563、(2021年)
[NPL17]
M.B.Stern及びT.R.Jayによる「Dry etching for coherent refractive microlens arrays」、Opt.Eng.33巻、3547~3551頁(1994年)
[NPL1]
Appl. Phys. Lett. Volume 92, page 141102 (2008)
[NPL2]
Appl. Phys. Express, Vol. 12, p. 44004 (2019)
[NPL3]
Sci. Rep. Vol. 8, p. 10350 (2018)
[NPL4]
Jpn. J. Appl. Phys. Volume 58, SC0806 (2019)
[NPL5]
Appl. Phys. Express, Vol. 11, p. 112101 (2018)
[NPL6]
Appl. Phys. Lett. Volume 101, page 151113 (2012)
[NPL7]
ACS Photonics, Volume 2, Pages 980-986 (2015)
[NPL8]
Sci. Rep. Vol. 7, p. 45344 (2017)
[NPL9]
Appl. Phys. Lett. Volume 112, page 041109 (2018)
[NPL10]
Scr. Mater, Vol. 156, pp. 10-13 (2018)
[NPL11]
Appl. Phys. Express, 2012, Vol. 5, p. 92104 [NPL12]
Optics Express, Volume 27, Page 24717 (2019)
[NPL13]
Appl. Phys. Express, Volume 13, Page 041003 (2020)
[NPL14]
Appl. Phys. Express, Volume 14, Page 031002 (2021)
[NPL15]
Applied Phys. Lett. Volume 119, page 142103 (2021)
[NPL16]
Crystals, Vol. 11, No. 12, pp. 1563, (2021)
[NPL17]
"Dry Etching for Coherent Reflective Microlens Arrays" by M. B. Stern and T. R. Jay, Opt. Eng. Vol. 33, pp. 3547-3551 (1994).
面発光レーザは、垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)として知られている。VCSELは、n側半導体領域とp側半導体領域との間に配置された半導体活性領域と、高反射ミラーとして機能する2つの分布ブラッグ反射器、DBRとを備えている。利得媒質としても知られる半導体活性領域は、光共振器を形成するために2つのDBRの間に配置される。n側及びp側の領域は、活性領域にそれぞれのキャリア、すなわち電子及び正孔を注入し、活性領域においてこれらのキャリアが再結合され、光を発生させる。このようにして生成された光又は電磁放射は、DBRによって何度も反射されて光共振器内を移動し、それによってレーザ発振する。VCSELが備えているDBRの内の1つはより反射率の低いミラーであり、レーザビームを放射するために使用される。 Surface-emitting lasers are also known as vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). A VCSEL comprises a semiconductor active region positioned between an n-side semiconductor region and a p-side semiconductor region, and two distributed Bragg reflectors (DBRs) that function as high-reflectivity mirrors. The semiconductor active region, also known as the gain medium, is positioned between the two DBRs to form an optical resonator. The n-side and p-side regions inject their respective carriers, electrons and holes, into the active region. These carriers recombine within the active region, generating light. The resulting light or electromagnetic radiation is reflected repeatedly by the DBRs and travels through the optical resonator, thereby causing laser oscillation. One of the DBRs in a VCSEL is a less reflective mirror used to emit the laser beam.
窒化ガリウム(GaN)VCSELは、可視及び紫外(UV)領域で発光するその能力のために、最近ますます研究の注目を集めている。これにより、ディスプレイ、自動車照明及び住宅照明を含むソリッドステート照明、検知並びに通信における様々な新しい応用空間が開かれる。VCSELはエネルギー消費がより少なく、変調速度が速いため、最も心躍る用途の1つは、蛍光体デバイスと結合された青色発光GaN VCSELが自然発光源及びデータ伝送デバイスとして集合的に機能する場合である。この用途は、各発光画素に通信機能を加えることによって、AR/VR利用、スマートフォン、及び通常のディスプレイを新たな観点で扱うことになるだろう。 Gallium nitride (GaN) VCSELs have recently attracted increasing research attention due to their ability to emit light in the visible and ultraviolet (UV) regions. This opens up a variety of new application spaces in solid-state lighting, including displays, automotive and residential lighting, sensing, and communications. Because VCSELs consume less energy and have faster modulation speeds, one of the most exciting applications is when blue-emitting GaN VCSELs, coupled with phosphor devices, function collectively as spontaneous light sources and data transmission devices. This application, by adding communication capabilities to each light-emitting pixel, will approach AR/VR applications, smartphones, and conventional displays from a new perspective.
GaAs系赤外線VCSELは成熟した製造技術を取り入れたが、III族窒化物系VCSELは依然として工業的利用可能性がない。電気注入型GaN VCSELの462nmでの連続波(CW)レーザ発振は、2008年に77Kの温度で最初に実証された[NPL1]。その後、出力、効率、閾値電流、レーザ発振波長、室温安定性の点でかなりの進歩があった。しかしながら、工業的利用可能性はまだ達成されていない。問題の1つはn側のDBRミラーであり、これは一般に、デバイス動作において熱不安定性を引き起こす誘電体DBRである。従来、ホスト基板を慎重に研磨した後、VCSELのn側に誘電体DBRが堆積される。ホスト基板の上で、エピタキシャルDBR、ナノ多孔質GaN DBRなどの代替手法が成長してきており、より良好な熱安定性のために長い光GaN共振器のVCSELが文献で提案されている。 While GaAs-based infrared VCSELs have incorporated mature manufacturing techniques, Group III nitride-based VCSELs still lack industrial applicability. Continuous-wave (CW) laser oscillation at 462 nm for electro-injected GaN VCSELs was first demonstrated in 2008 at a temperature of 77 K [NPL1]. Since then, considerable progress has been made in terms of power, efficiency, threshold current, laser oscillation wavelength, and room-temperature stability. However, industrial applicability has not yet been achieved. One problem is the n-side DBR mirror, which is generally a dielectric DBR that causes thermal instability in device operation. Traditionally, after careful polishing of the host substrate, the dielectric DBR is deposited on the n-side of the VCSEL. On the host substrate, alternative methods such as epitaxial DBRs and nanoporous GaN DBRs are developing, and VCSELs with long optical GaN resonators have been proposed in the literature for better thermal stability.
これらの手法はある程度すぐれていたが、長い共振器及びナノ多孔質GaN DBR共振器であっても、高価なGaN基板、デバイス層の品質を維持しながらのエピタキシャルDBRの成長時間の増加、及び高価なGaN基板の剥離方法などの問題に対処する必要がある。 While these methods were somewhat effective, even with long resonators and nanoporous GaN DBR resonators, it is necessary to address issues such as the high cost of GaN substrates, the increased growth time of epitaxial DBRs while maintaining device layer quality, and the costly delamination methods for GaN substrates.
長い光共振器及び湾曲レンズを有するVCSELが、利得媒質へ電場をリフォーカスし、それにより長い共振器長に由来する回折損失を低減している[NPL2~NPL4]。2022年まで、Sonyの長い共振器設計は、15.8mWのCW出力、閾値電流0.25mA、及びウォールプラグ効率(WPE)9.5%の性能記録を保持していた。長い光GaN共振器VCSEL設計は、共振器設計においてホスト基板のかなりの部分を利用することによって、すぐれた結果を達成している。基板は、不要な部分を研削した後に曲面ミラーに再設計され、これもまた面倒で時間と費用の両方を要するプロセスである。長い光共振器設計では曲面ミラーが必要である。それが回折損失及び散乱損失を防ぐからである。窒化物VCSELの活性領域の典型的な利得は~1%であるため、長い光GaN共振器では、回折損失が10マイクロメートルより大きい共振器のデバイス性能を急速に悪化させる可能性がある。Sonyの曲面ミラーVCSEL共振器は~28マイクロメートルである。これは要するに、共振器が活性領域に近づくにつれて研磨に関する困難の量が最大になることをもたらすだろう。 VCSELs with long optical resonators and curved lenses refocus the electric field to the gain medium, thereby reducing diffraction losses due to the long resonator length [NPL2-NPL4]. Until 2022, Sony's long resonator designs held performance records of 15.8 mW CW output, a threshold current of 0.25 mA, and a wall-plug efficiency (WPE) of 9.5%. Long optical GaN resonator VCSEL designs achieve superior results by utilizing a significant portion of the host substrate in the resonator design. The substrate is redesigned into a curved mirror after grinding off unnecessary portions, which is also a cumbersome, time-consuming, and costly process. Curved mirrors are necessary in long optical resonator designs because they prevent diffraction and scattering losses. Since the typical gain in the active region of nitride VCSELs is ~1%, in long optical GaN resonators, diffraction losses greater than 10 micrometers can rapidly degrade the device performance of the resonator. Sony's curved mirror VCSEL resonator is approximately 28 micrometers in diameter. This essentially means that the amount of polishing difficulty will be greatest as the resonator approaches the active region.
一方、AlGaN/GaN又はAlInN/GaNミラー対を利用したエピタキシャル設計も最近特に注目されており[NPL5~NPL6]、後者はGaNに対するAlInNの格子整合の能力によって優れた性能を示している。しかしながら、適度な反射率(発光側で>99.5%)に達するために~40以上の周期のAlInN/GaN層を必要とし、より良好な品質及び改善された歩留まりのために繊細な成長条件を均一に維持することは、エピタキシャルDBR設計の実現を困難にする可能性がある。 On the other hand, epitaxial designs using AlGaN/GaN or AlInN/GaN mirror pairs have recently attracted particular attention [NPL5-NPL6], the latter demonstrating superior performance due to the lattice matching capability of AlInN to GaN. However, achieving a suitable reflectivity (>99.5% on the emitting side) requires AlInN/GaN layers with more than 40 periods, and maintaining uniform, delicate growth conditions for better quality and improved yield can make the realization of epitaxial DBR designs difficult.
ごく最近では、ナノ多孔質GaN DBR(NP-GaN DBR)設計[NPL7~NPL10]もまた、それらの製造の比較的容易さ、それらのGaNに対する格子整合、及びそれらの高く実現可能な屈折率の差異のために、引きつける力を得ている。この高い率の差異により、36%という現実的な多孔率で、99.5%の反射率をわずか17周期で達成することができる。最初のNP-GaN DBRが2015年に最初に実証されて以来、複数のグループがNP-GaN DBR設計によるレーザ発振に成功している。NP-GaN DBR層は、誘電体DBRミラーよりも良好な熱安定性を提供する。しかしながら、基板上にNP-GaN DBR層を実現した後の高価なホストGaN基板の薄化及び研削についての共通の問題が残っている。 More recently, nanoporous GaN DBR (NP-GaN DBR) designs [NPL7–NPL10] have also gained appeal due to their relatively easy fabrication, lattice matching to GaN, and their highly achievable refractive index differences. This high refractive index difference allows for a realistic porosity of 36% and a reflectivity of 99.5% in just 17 cycles. Since the first NP-GaN DBR was demonstrated in 2015, several groups have successfully achieved laser oscillation using NP-GaN DBR designs. NP-GaN DBR layers offer better thermal stability than dielectric DBR mirrors. However, a common problem remains: thinning and grinding of the expensive host GaN substrate after implementing the NP-GaN DBR layer on the substrate.
理想的なVCSELは、効果的な方法で以下の懸念に対処することができるべきである。
1)より良好な結晶品質のIII族窒化物層
現在、ほとんどの企業は、バルクGaN基板上にIII族窒化物VCSELを作製することに関心を集中させている。利用可能な最良のIII族窒化物バルク基板は、106欠陥/cm2を有している。
VCSELの活性体積は小さく、従来の端面発光レーザと比較して約10倍小さい。したがって、既存のバルク基板品質よりも良好な結晶品質であるほうが好ましい。さらに、バルクGaN基板は、現在の既存の品質であってさえ非常に高価であり、したがって、より良好な品質に対する需要は、価格を上昇させ、III族窒化物VCSELの市場への参入をさらに遅らせる。
2)より良好な歩留まりのために必要な大型ウェハ。
一般に、VCSELは、ほぼLED製造のコピーである。LEDのほとんどは、6インチ又はそれよりも大きなサイズの基板上に製造された。また、製造業者にとって、より良好な歩留まり及び競争力のある価格を可能にするために大型基板を選択することは自然な選択である。
3)熱伝導DBRミラーを設けることによる熱安定性
また、VCSELを市場から遠ざけていた技術的問題の1つは、n側DBRミラーの配置である。VCSELは面発光レーザであるため、基板表面に沿って薄くなっている。高価なバルクIII族窒化物基板が薄いVCSELデバイス層を形成するために最初に使用されたとしても、高価なIII族窒化物基板は、n側誘電体DBRミラーを配置するためにVCSELデバイスから取り除かれなければならず、あるいは基板材料を傷めないDBR層がVCSELデバイス層を形成する前に配置されなければならない。VCSEL製造上の問題を回避するための手法がいくつかある。
長い共振器のVCSEL:歩留まりを低下させるレベルまで基板を取り除く必要性を回避するために、Sonyは、VCSELの光共振器内にかなりの量の基板をなお保持している長い共振器のVCSELを考案した。この設計は、長い共振器のIII族窒化物材料に起因してより良好な熱安定性を提供するが、この設計は、共振器の長さ及び共振器の発光モードの量にいくつかの実際的な制限を有する。
エピタキシャルDBR:前述のように、InGaN/GaN又はAlN/GaNエピタキシャルDBRが文献で提案されている。低い屈折率差異のため、99%を超える反射率を得るために、このような~40対のIn0.82Ga0.18N/GaN格子整合DBRミラー層が必要である。長い成長時間、In及びAlの合成物の難しい制御が、依然として懸念事項である。また、放熱及び垂直注入の問題が残存する。反射率の低さのため、発光側はエピタキシャルDBR側であり、そのためエピタキシャルDBRミラーの下の基板領域は、いくらかの表面処理を必要とし、また時には吸収損失及び散乱損失を低減するために研削を必要とすることがある。
ナノ多孔質(NP)DBR:通常、ナノ多孔質DBRは、高い反射率>99%及びGaNに対して単純格子整合した成長を有している。GaNのすべての結晶方位に適用可能。さらに、層の反射率は調整可能である。しかしながら、NP層はデバイスの活性層と平行に構成されているため、熱を取り出し、また垂直キャリア注入をするために、申し分なく最良な構成ではない。
4)p側の共振器内電流拡散層
VCSELデバイスは、標準では、p型の導電性に必要なより高い活性化エネルギーに起因して、p側で問題に直面する。p-GaN層の抵抗の増加である。研究者らは、ジュール加熱並びに光吸収を排除するために、VCSELデバイスのp-GaN層の厚さを最小化している。p-GaN層の厚さを減少させ、酸化インジウムスズのような透明導電性酸化物(TCO)、又はより多くのトンネル接合などの電流拡散層を配置することが、設計の助けとなるが、光吸収が依然として問題になっている。研究者らは、デバイスの最小電磁場に共振器内導電層を巧妙に配置したが、そのような微細な要件は歩留まりを低下させ、コストを増加させる。
上記の問題の内のほんの少数は、光電気化学(PEC)[NPL11]及びエピタキシャル横方向過成長(ELO)支援熱剥離[NPL12~NPL16]などの基板除去技術によって対処できるが、すべてではない。
An ideal VCSEL should be able to address the following concerns in an effective manner:
1) Better crystal quality of Group III nitride layers Currently, most companies are focusing their attention on fabricating Group III nitride VCSELs on bulk GaN substrates. The best available Group III nitride bulk substrates have 10⁶ defects/ cm² .
The active volume of VCSELs is small, about 10 times smaller than that of conventional edge-emitting lasers. Therefore, it is preferable to have a crystal quality that is better than the existing bulk substrate quality. Furthermore, bulk GaN substrates are very expensive even at their current quality, and therefore, the demand for better quality will drive up prices, further delaying the market entry of Group III nitride VCSELs.
2) Larger wafers required for better yield.
Generally speaking, VCSELs are almost a copy of LED manufacturing. Most LEDs were manufactured on 6-inch or larger substrates. Also, for manufacturers, choosing larger substrates is a natural choice to enable better yield and competitive pricing.
3) Thermal stability through the provision of thermally conductive DBR mirrors Another technical problem that has kept VCSELs from the market is the placement of the n-side DBR mirror. Because VCSELs are surface-emitting lasers, they are thin along the substrate surface. Even if expensive bulk Group III nitride substrates are initially used to form the thin VCSEL device layer, the expensive Group III nitride substrate must be removed from the VCSEL device to accommodate the n-side dielectric DBR mirror, or a DBR layer that does not damage the substrate material must be placed before the VCSEL device layer is formed. There are several methods to avoid the problems in VCSEL manufacturing.
Long-resonator VCSELs: To avoid the need to remove substrate to a yield-reducing level, Sony has devised long-resonator VCSELs that retain a significant amount of substrate within the optical resonator of the VCSEL. This design offers better thermal stability due to the long-resonator Group III nitride material, but this design has some practical limitations on the length of the resonator and the amount of emission modes in the resonator.
Epitaxial DBR: As mentioned above, InGaN/GaN or AlN/GaN epitaxial DBRs have been proposed in the literature. Due to the low refractive index difference, approximately 40 pairs of such In 0.82 Ga 0.18 N/GaN lattice-matched DBR mirror layers are required to obtain reflectivity exceeding 99%. Long growth times and the difficulty in controlling the In and Al composites remain concerns. Furthermore, problems with heat dissipation and vertical injection persist. Due to the low reflectivity, the light-emitting side is the epitaxial DBR side, and therefore the substrate region beneath the epitaxial DBR mirror requires some surface treatment, and sometimes grinding may be necessary to reduce absorption and scattering losses.
Nanoporous (NP) DBR: Typically, nanoporous DBRs have high reflectivity >99% and simple lattice-matched growth for GaN. They are applicable to all crystal orientations of GaN. Furthermore, the reflectivity of the layer is tunable. However, because the NP layer is configured parallel to the active layer of the device, it is not the ideal configuration for heat extraction and vertical carrier injection.
4) Current Diffusion Layer in the Resonator on the p-side VCSEL devices typically face problems on the p-side due to the higher activation energy required for p-type conductivity. This is the increased resistance of the p-GaN layer. Researchers have minimized the thickness of the p-GaN layer in VCSEL devices to eliminate Joule heating and light absorption. Reducing the thickness of the p-GaN layer and adding current diffusion layers such as transparent conductive oxides (TCOs) like indium tin oxide, or more tunnel junctions helps in the design, but light absorption remains a problem. Researchers have cleverly positioned the conductive layer in the resonator to the minimum electromagnetic field of the device, but such fine requirements reduce yield and increase cost.
While only a few of the above problems can be addressed by substrate removal techniques such as photoelectrochemical (PEC) [NPL11] and epitaxial lateral overgrowth (ELO)-assisted thermal delamination [NPL12-NPL16], not all of them can be addressed.
これらすべての欠点を考慮して、本発明の目的は、ナノ多孔質GaN DBRを有するIII族窒化物VCSELを提供し、熱特性及び光学特性に関してデバイス性能を改善するためにナノ多孔質GaN DBRをより機能的にすることである。 Considering all these drawbacks, the object of the present invention is to provide a group III nitride VCSEL having nanoporous GaN DBR, and to make the nanoporous GaN DBR more functional to improve device performance with respect to thermal and optical properties.
上述の従来技術の制限を克服するために、本発明は、p型(正孔注入)III族窒化物層とn型(電子注入)III族窒化物層との間にIII族窒化物活性領域と、角度を付けたp型III族窒化物層の上又は上方に設計された平坦な誘電体ミラーとを含む、III族窒化物系VCSELを開示する。 To overcome the limitations of the prior art described above, the present invention discloses a Group III nitride-based VCSEL comprising a Group III nitride active region between a p-type (hole-injection) Group III nitride layer and an n-type (electron-injection) Group III nitride layer, and a flat dielectric mirror designed above or above an angled p-type Group III nitride layer.
ELO成長は、III族窒化物結晶面の段階的な形成によって始まり、最適化されたパラメータを有する適切な成長モードを適用することによって、その面を常に保つことができる。その上で、供給源を周期的に調整し、次いで必要に応じて層をドーピングすることにより、エピタキシャル横方向過成長において成長面をより精密に変えることができる。ELO技術を、設計されたドーピングレベルを有する、成長が調整された傾斜した(半極性)III族窒化物層と組み合わせることにより、誘電体マスク上に高結晶品質の結晶面が得られる。選択的なドーピングを受けたこれらの層は、後に多孔質III族窒化物層を形成し、結果として傾斜したNP-GaN DBRミラーをもたらす。 ELO growth begins with the stepwise formation of Group III nitride crystal planes, and these planes can be maintained by applying appropriate growth modes with optimized parameters. Furthermore, by periodically adjusting the supply source and then doping the layers as needed, the growth planes can be more precisely modified in epitaxial lateral overgrowth. By combining ELO technology with a controlled-growth, tilted (semipolar) Group III nitride layer with designed doping levels, high-crystal-quality crystal planes can be obtained on a dielectric mask. These selectively doped layers subsequently form porous Group III nitride layers, resulting in a tilted NP-GaN DBR mirror.
デバイス層、n-GaN層、活性領域、p-AlGaN電子ブロック層及びp-GaN層(及び場合によっては電流拡散トンネル接合(p++/n++GaN))を含む光共振器厚さは、エピタキシャル成長中に制御することができる。 The optical resonator thickness, including the device layer, n-GaN layer, active region, p-AlGaN electron blocking layer, and p-GaN layer (and optionally a current-diffusion tunnel junction (p++/n++GaN)), can be controlled during epitaxial growth.
VCSELは、電流注入のためのp側III族窒化物層上の1又は複数のトンネル接合層をさらに含み、誘電体DBRミラーは、ある角度でトンネル接合から離れて配置される。 The VCSEL further includes one or more tunnel junction layers on the p-side group III nitride layer for current injection, and a dielectric DBR mirror is positioned away from the tunnel junction at a certain angle.
VCSELは、トンネル接合の代わりに、共振器内コンタクト層としての、p型III族窒化物層上の1又は複数の透明導電性酸化物(TCO)層をさらに含む。TCO層は、酸化インジウムスズ、ZnOから構成されてもよい。 The VCSEL further includes one or more transparent conductive oxide (TCO) layers on a p-type group III nitride layer as an in-resonator contact layer, instead of a tunnel junction. The TCO layers may be composed of indium tin oxide, ZnO.
VCSELは、p型III族窒化物領域上又はその上方に誘電体DBRミラーを配置するための領域をさらに含み、p型III族窒化物層は、活性層平面と角度を作るように形成された。 The VCSEL further includes a region for positioning a dielectric DBR mirror on or above the p-type Group III nitride region, the p-type Group III nitride layer being formed to form an angle with the active layer plane.
VCSELは、物理的又は化学的エッチングのいずれかによって得られたIII族窒化物材料の半極性面のうちの1つである、角度を付けたp型III族窒化物層をさらに含む。好ましくは、物理的及び化学的の組み合わせであり、誘電体DBRミラー層を配置するための表面を平滑化する。p-GaN層上のエッチングされた半極性面の表面形態は、H3PO4、KOHなどのエッチング液を使用することによって制御することができる。あるいは、5M NaOHによるc面Ga極性エッチングと同様の酸性又は塩基性エッチング方法。あるいは、98%H2SO4に浸すことは、誘電体DBRミラー層を配置するための半極性平面を準備するのに役立つ。 VCSEL further comprises an angled p-type Group III nitride layer, which is one of the semipolar surfaces of a Group III nitride material obtained by either physical or chemical etching. Preferably, a combination of physical and chemical etching is used to smooth the surface for arranging the dielectric DBR mirror layer. The surface morphology of the etched semipolar surface on the p-GaN layer can be controlled by using an etching solution such as H₃PO₄ , KOH , or an acidic or basic etching method similar to c-plane Ga polar etching with 5M NaOH . Alternatively, immersion in 98% H₂SO₄ helps to prepare a semipolar plane for arranging the dielectric DBR mirror layer.
VCSELは、誘電体マスクの上又は上方に、周期的な選択的ドーピングをされたIII族窒化物層をさらに含む。選択的にドーピングされたIII族窒化物層は、後にナノ多孔質層として形成され、選択的にドーピングされた間に挿入されたドーピングされていないバルクIII族窒化物層は、非多孔質のままである。VCSELは、非多孔質バルクIII族窒化物層と比較して高ドーピングn型である、交互に配置されたナノ多孔質層からさらに構成される。 The VCSEL further comprises a periodically selectively doped Group III nitride layer on or above the dielectric mask. The selectively doped Group III nitride layer is subsequently formed as a nanoporous layer, while the undoped bulk Group III nitride layer inserted between the selectively doped layers remains nonporous. The VCSEL further consists of alternating nanoporous layers, which are highly doped n-type compared to the nonporous bulk Group III nitride layer.
VCSELは、交互に配置されたナノ多孔質及び非多孔質III族窒化物層からさらに構成され、その組み合わせが傾斜したn型DBRミラーを構成し、層がIII族窒化物半極性面の1つであるように方向付けられている。 VCSEL is further composed of alternately arranged nanoporous and nonporous Group III nitride layers, the combination of which forms a tilted n-type DBR mirror, with the layers oriented so that they form one of the Group III nitride semipolar planes.
VCSELは、選択的にドーピングされた半極性層の調整において、周期的に調整された層成長からさらに構成される。ここで、NH3、Ga金属及びn型ドーピング源は、周期的に変化/交代して、ナノ多孔質III族窒化物層と非多孔質III族窒化物層との境界に、くっきりした界面をつくる。 VCSEL further comprises periodically controlled layer growth in the preparation of selectively doped semipolar layers. Here, NH3 , Ga metal, and n-type doping sources periodically change/alternate to create a distinct interface at the boundary between the nanoporous group III nitride layer and the nonporous group III nitride layer.
非多孔質バルクIII族窒化物層及びナノ多孔質III族窒化物層からさらに構成されるVCSELは、誘電体マスクと同一の界面を有し、このマスクは後にデバイス製造プロセス中に溶解された。この界面は、垂直電流注入及び熱排出のための出入口を提供することができる。 The VCSEL, further composed of a non-porous bulk Group III nitride layer and a nanoporous Group III nitride layer, has the same interface as the dielectric mask, which was later dissolved during the device manufacturing process. This interface can provide inlets and outlets for vertical current injection and heat dissipation.
VCSELは、傾斜したIII族窒化物n型DBRミラーと誘電体マスクとの間に滑らかな(ナノメートル以下)界面を有するようにさらに設計されている。III族窒化物層成長における誘電体マスク材料は、SiO2又はSiN、好ましくは両方の組み合わせを使用して、スパッタ、原子層堆積又はプラズマ励起化学気相堆積(PECDV)又はイオンビーム蒸着のような手段を使用して調製される。 VCSELs are further designed to have a smooth (sub-nanometer) interface between the tilted Group III nitride n-type DBR mirror and the dielectric mask. The dielectric mask material in the Group III nitride layer growth is prepared using SiO2 or SiN, preferably a combination of both, by means such as sputtering, atomic layer deposition, or plasma-excited chemical vapor deposition (PECDV) or ion beam deposition.
VCSELは、電気化学エッチングで使用される化学物質が接近しやすくするような、分離した島状III族窒化物ELOベース層をさらに含み、細孔形成は、電気化学エッチングによって、選択的にドーピングされたGaN層で実現される。 VCSEL further includes a separated, island-like group III nitride ELO base layer that facilitates access for chemicals used in electrochemical etching, and pore formation is achieved by electrochemical etching in a selectively doped GaN layer.
DBRミラーのバルク非多孔質III族窒化物層は、ナノ多孔質III族窒化物層と比較してより良好な熱伝導性及び電気伝導性を有する。したがって、交替の周期的配置でこれらの層を組み合わせると、装置は、DBRミラーとして、並びに熱ヒートシンク及び電気注入器として機能することに最も適している。好ましい本発明のためのホスト基板の結晶方位は、c面、半極性又は非極性とし得るが、好ましくはc面とし得る。 The bulk non-porous Group III nitride layer of the DBR mirror exhibits better thermal and electrical conductivity compared to the nanoporous Group III nitride layer. Therefore, when these layers are combined in an alternating periodic arrangement, the device is best suited to function as a DBR mirror, as well as a thermal heat sink and electrical injector. The preferred crystal orientation of the host substrate for the present invention may be c-plane, semipolar, or nonpolar, but is preferably c-plane.
本発明の教示は、例として示される添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解することができる。添付図面を参照して、本開示に係る垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)及びVCSELの製造方法を示す概略の考えが以下に説明される。理解を容易にするために、可能なところでは、図に共通する同一の要素を示すために同一の符号が使用される。 The teachings of this invention can be readily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Referring to the accompanying drawings, a schematic concept illustrating the vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and the method for manufacturing the VCSEL according to this disclosure is described below. For ease of understanding, where possible, the same reference numerals are used to indicate the same elements common to the figures.
以下の実施形態では、参照される図面に対して説明が提供される。
ELOベース層の上の非多孔質の傾斜したDBRミラー及びナノ多孔質の傾斜したDBRミラー、並びにIII族窒化物VCSELのp側の角度を付けたDBRミラーの使用は、熱的、光学的及び電気的なことに関してデバイス性能を改善する実行可能な方法であるとして提案されている。
技術開示:
In the following embodiments, an explanation is provided with reference to the drawings.
The use of non-porous tilted DBR mirrors and nanoporous tilted DBR mirrors on an ELO base layer, as well as p-side angled DBR mirrors of group III nitride VCSELs, has been proposed as a viable method for improving device performance in terms of thermal, optical, and electrical aspects.
Technical disclosure:
以下の開示は、4つのセクションに分割される。第1のセクションでは、ELOベース層の調整について説明する。第2のセクションは、多孔質層及び非多孔質層の成長に関する情報を提供する。第3のセクションは、VCSELデバイス製造手順及び利点を示す。 The following disclosure is divided into four sections. The first section describes the preparation of the ELO base layer. The second section provides information regarding the growth of porous and non-porous layers. The third section presents the VCSEL device manufacturing procedure and its advantages.
セクション1:ELOベースの調製
島状のIII族窒化物半導体層を形成するためのELO法は、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、ハイドライド気相成長法(HVPE)などによる成長を含んでもよい。III族窒化物半導体層は、島状のIII族窒化物半導体層の1又は複数を形成するように寸法決めされる。あるいは、ELO III族窒化物層は、後で個々のデバイスに分割することができるように、最初は合体していてもよい。
Section 1: Preparation of ELO base The ELO method for forming island-like group III nitride semiconductor layers may include growth by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), hydride vapor deposition (HVPE), etc. The group III nitride semiconductor layers are sized to form one or more island-like group III nitride semiconductor layers. Alternatively, the ELO group III nitride layers may be initially coalesced so that they can later be separated into individual devices.
ELO層は、2つの部分を有し、1つは開口領域であり、一般に、ELOマスク上に延在するその対照領域と比較してより多くの欠陥を有している。対照領域は、開口領域からELOマスク上へ双方向に延びており、ELOウィングと呼ばれる。VCSEL発光開口部は、ELOウイング上に形成される。さらに、本発明は、バーを形成する島状III族窒化物半導体層を成長させるためにヘテロ基板を使用してもよい。例えば本発明では、サファイア、Si、SiC、SiN、GaAs、Ga2O3、LiAlO2、ScAlMgO4(SAM)などのヘテロ基板上に成長させたGaNテンプレートを使用してもよい。 The ELO layer has two parts, one of which is an aperture region, which generally has more defects than its control region that extends onto the ELO mask. The control region extends bidirectionally from the aperture region onto the ELO mask and is called the ELO wing. The VCSEL light-emitting aperture is formed on the ELO wing. Furthermore, the present invention may use heterosubstrates to grow island-like group III nitride semiconductor layers that form bars. For example, the present invention may use a GaN template grown on a heterosubstrate such as sapphire, Si, SiC, SiN, GaAs , Ga₂O₃ , LiAlO₂ , or ScAlMgO₄ (SAM).
さらに、ELOの方法は、ヘテロ基板を使用する場合の重要な問題である、非Basel GaN結晶面を使用した場合の転位密度及び積層欠陥密度を大幅に低減することができる。したがって、本発明は、ヘテロ基板の使用に伴う多くの種類の問題を同時に解決することができる。例えば、レーザデバイスにおいて、ELOマスクとIII族窒化物テンプレート層との間の界面は、界面側からの発光が起こらないように滑らかにされていてもよい。 Furthermore, the ELO method can significantly reduce dislocation density and stacking fault density when using non-Basel GaN crystal planes, which are important issues when using heterosubstrates. Therefore, the present invention can simultaneously solve many types of problems associated with the use of heterosubstrates. For example, in a laser device, the interface between the ELO mask and the Group III nitride template layer may be smoothed to prevent light emission from the interface side.
図1A、図1B、及び図1Cは、Si上のGaN、サファイア上のGaN、又はバルクGaN基板、ScAlMgO4(SAM)上のGaNなどのIII族窒化物系基板10を提供することを含む方法を図解する概略図である。異種基板10の場合、III族窒化物テンプレート11を基板10上に堆積させてもよく、III族窒化物テンプレート11をホスト異種基板10上の均一な層としてもよく、又はテンプレート11を開口エリアストライプ12に配置してもよい。基板10を含むIII族窒化物ストライプ設計は、図1Cの概略図に示されるストライプなどである。開口エリアストライプ12は、その長さを短くすることによって単一のデバイスとして、又はその長さを長くすることによって複数のデバイスとして設計することができる。あるいは、図1Dに図示されるように、円形の開口部の斑点の三角格子を誘電体マスク13上に設計してもよく、開口部は下地のIII族窒化物層を露出させる。 Figures 1A, 1B, and 1C are schematic diagrams illustrating a method for providing a group III nitride substrate 10, such as GaN on Si, GaN on sapphire, or a bulk GaN substrate, or GaN on ScAlMgO4 (SAM). In the case of a dissimilar substrate 10, the group III nitride template 11 may be deposited on the substrate 10, the group III nitride template 11 may be a uniform layer on the host dissimilar substrate 10, or the template 11 may be arranged in an aperture area stripe 12. The group III nitride stripe design including the substrate 10 is the stripe shown in the schematic diagram of Figure 1C. The aperture area stripe 12 can be designed as a single device by shortening its length, or as multiple devices by lengthening its length. Alternatively, as shown in Figure 1D, a triangular grid of circular aperture spots may be designed on the dielectric mask 13, with the apertures exposing the underlying group III nitride layer.
図1C及び図1Dの概略図に示されるように、基板10を含むIII族窒化物テンプレート11の上又は上方に誘電体マスク13が形成される。具体的には、誘電体マスク13は、基板10に接して直接配置されているか、MOCVDなどで成長させたテンプレート層を介して間接的に配置されている。 As shown in the schematic diagrams of Figures 1C and 1D, a dielectric mask 13 is formed on or above the Group III nitride template 11, which includes the substrate 10. Specifically, the dielectric mask 13 is either directly placed in contact with the substrate 10 or indirectly placed via a template layer grown using MOCVD or the like.
誘電体マスク13は、例えばプラズマ化学気相堆積(CVD)、スパッタ、イオンビーム蒸着(IBD)等によって基板10上に堆積された絶縁体膜、例えばSiO2膜から形成してもよく、その後、SiO2膜は、図1B及び図1Cに示されるような開口エリアを含むように、所定のフォトマスクを使用するフォトリソグラフィ及びエッチングによってパターニングされる。この誘電体膜の設計は、後のデバイス処理及び動作に深く関係する効果を有している。 The dielectric mask 13 may be formed from an insulating film, such as an SiO2 film, deposited on the substrate 10 by methods such as plasma chemical vapor deposition (CVD), sputtering, or ion beam deposition (IBD). Subsequently, the SiO2 film is patterned by photolithography and etching using a predetermined photomask to include aperture areas as shown in Figures 1B and 1C. The design of this dielectric film has effects that are deeply related to subsequent device processing and operation.
代替的な手法では、基板上のIII族窒化物テンプレート層11が最初に矩形ストライプ又は三角形をなす円の斑点として設計され、次いで、上部及び側壁を部分的に露出させながら上記誘電体マスクでそれらを埋める。図1Fの露出したIII族窒化物領域又は図1Bの下地の成長支援III族窒化物領域は、図1A又は図1Eに示されるようにELOベース層を形成する。 In an alternative method, the Group III nitride template layer 11 on the substrate is initially designed as rectangular stripes or triangular circular spots, which are then filled with the dielectric mask, partially exposing the top and side walls. The exposed Group III nitride regions in Figure 1F or the growth-supported Group III nitride regions in the substrate in Figure 1B form the ELO base layer as shown in Figure 1A or Figure 1E.
図2A~図2Dの概略図に示されるように、GaN系層などのエピタキシャルIII族窒化物層14が、ELOによってGaN系基板及び誘電体マスク13上に成長する。ELO III族窒化物層14の成長は、最初にGaN系基板上の開口エリア内で起こり、次に誘電体マスク13上へ開口エリアから横方向に起こる。ELO III族窒化物層の成長は、隣接する開口エリア12からのELO III族窒化物層が誘電体マスク13の上で合体し得る前に停止又は中断される。 As shown in the schematic diagrams of Figures 2A to 2D, an epitaxial group III nitride layer 14, such as a GaN-based layer, grows on the GaN-based substrate and dielectric mask 13 using ELO. The growth of the ELO group III nitride layer 14 first occurs within the opening area on the GaN-based substrate, and then laterally from the opening area onto the dielectric mask 13. The growth of the ELO group III nitride layer is stopped or interrupted before the ELO group III nitride layers from adjacent opening areas 12 can coalesce on the dielectric mask 13.
あるいは、ELO III族窒化物層の成長は継続され、隣接するELO III族窒化物層と合体してもよい。ELO III族窒化物層のウィング15は、開口エリアの両側の欠陥密度が低減された領域である。ELO成長方法では、図2Cに示されるように、開口エリアと誘電体マスクとの間の比であるフィルファクタが1から著しく逸脱し、結果としてIII族窒化物原子が、層の中央部分と比較してIII族窒化物層の縁部に多く蓄積する可能性がある。縁部の成長として見られるこのことは、デバイス層の成長の間も存続される場合、不都合に働くことがある。図2Dにおいて、このようにして堆積されたIII族窒化物ELOベース層は、平坦な表面を得るために研磨されている。これらの層の表面はエピタキシャル成長を使用して獲得されるため、平坦化された層を得るには、わずかな化学機械研磨、又はドライエッチング若しくはウェットエッチングで十分であるはずである。 Alternatively, the growth of the ELO III nitride layer may continue and merge with adjacent ELO III nitride layers. The wings 15 of the ELO III nitride layer are regions with reduced defect density on either side of the opening area. In the ELO growth method, as shown in Figure 2C, the fill factor, which is the ratio between the opening area and the dielectric mask, can deviate significantly from 1, resulting in a greater accumulation of III nitride atoms at the edges of the III nitride layer compared to the central portion of the layer. This, observed as edge growth, can be detrimental if it persists during the growth of the device layer. In Figure 2D, the thus deposited III nitride ELO base layer is polished to obtain a flat surface. Since the surfaces of these layers are obtained using epitaxial growth, a small amount of chemical mechanical polishing, or dry or wet etching, should suffice to obtain a planarized layer.
セクション2:ELOベースとしてのナノ多孔質層及び非DBR層の成長
VCSELのn側のDBRミラーとしてのナノ多孔質層と非多孔質層の組み合わせは、誘電体DBRと比較してより良好な熱安定性を提供することができ、GaNに対するそれらの格子整合能力が成長及び製造のための望ましい条件であり、さらにナノ&非多孔質GaN DBRは高い屈折率の差異を与えるので、GaN系VCSELの有望な解決策であることがわかっている。例えば、多孔率が10%~75%の範囲内であるナノ多孔質DBR層は、0.1~0.9の屈折率の差異を提供することができるが、誘電体DBRの差異は約0.7にとどまっており、エピタキシャルDBRの差異は0.2未満にとどまっている。
Section 2: Growth of Nanoporous and Non-DBR Layers as ELO Bases The combination of nanoporous and non-porous layers as n-side DBR mirrors for VCSELs has been shown to be a promising solution for GaN-based VCSELs because they can provide better thermal stability compared to dielectric DBRs, their lattice matching ability to GaN is a desirable condition for growth and fabrication, and furthermore, nano and non-porous GaN DBRs provide a high refractive index difference. For example, a nanoporous DBR layer with a porosity in the range of 10% to 75% can provide a refractive index difference of 0.1 to 0.9, compared to approximately 0.7 for dielectric DBRs and less than 0.2 for epitaxial DBRs.
さらに、ナノ多孔質層及び非多孔質層が活性領域に平行な平面内に配置されたとき、記載の多孔率で10~1W/(m・K)の熱伝導率を提供する。これらの層がデバイス活性領域平面と平行配置構成にあるときに、多孔率が増加すると熱伝導率が減少することは複雑なことではない。同様に、電気伝導率は、多孔率が増加すると電気抵抗が増加するため、1000(S/m)~100S/m低下する。しかしながら、熱伝導性及び電気伝導性が主に非多孔質層のバルク-界面に依存するように、ナノ多孔質層及び非多孔質層が傾斜して配置された場合、熱伝導性及び電気伝導性を大幅に改善し、その結果、VCSELの働き、歩留まり及び寿命を大幅に改善することができる。ナノ多孔質III族窒化物層の形成は広く研究され、エッチングの手順はよく理解された[NPL7]。一定の印加バイアスにおいて、細孔のサイズ及び形状は、n型のドーピング及び電気化学エッチング(EC)におけるシュウ酸溶液へ露出する層の結晶方位によって制御される。エッチングが進行するにつれて、第1に、印加負バイアスは電解液/n-GaN界面に正孔反転層を生成し、第2に、反転表面の正孔の存在のためにn-GaN表面が酸化され、第3に、酸化されたGaNはGa3+及び窒素ガスに分解し、最終的に、それは電解液中へと自由に移動し、ナノ多孔質と呼ばれる空隙を残す。本発明では、多孔質の形成は、VCSELデバイスの後の処理で行われるが、しかしながら最初は、ELOベース層の成長中に、ナノ多孔質層及び非多孔質層の交互の配置を異なる成長手順で慎重に成長させていた。 Furthermore, when the nanoporous and nonporous layers are arranged in a plane parallel to the active region, they provide a thermal conductivity of 10 to 1 W/(m · K) at the described porosity. It is not complicated that as porosity increases, thermal conductivity decreases when these layers are arranged in a configuration parallel to the device active region plane. Similarly, electrical conductivity decreases by 1000 (S/m) to 100 S/m as electrical resistance increases with increasing porosity. However, if the nanoporous and nonporous layers are arranged at an angle such that thermal and electrical conductivity mainly depends on the bulk-interface of the nonporous layer, thermal and electrical conductivity can be greatly improved, and as a result, the function, yield, and lifespan of the VCSEL can be greatly improved. The formation of nanoporous group III nitride layers has been widely studied, and the etching procedure is well understood [NPL7]. Under a constant applied bias, the size and shape of the pores are controlled by n-type doping and the crystal orientation of the layer exposed to the oxalic acid solution in electrochemical etching (EC). As etching progresses, firstly, the applied negative bias generates a hole inversion layer at the electrolyte/n-GaN interface; secondly, the n-GaN surface is oxidized due to the presence of holes on the inversion surface; and thirdly, the oxidized GaN decomposes into Ga³⁺ and nitrogen gas, which eventually migrate freely into the electrolyte, leaving voids called nanoporous layers. In this invention, the formation of porous layers is carried out in a post-processing of the VCSEL device; however, initially, alternating arrangements of nanoporous and non-porous layers were carefully grown using different growth procedures during the growth of the ELO base layer.
図3Aは、成長の状況を単純化する、可能なすべての面を有するGaN結晶構造を示す。(10-10)(m面)及び(11-20)(a面)などのc面に垂直な面は無極性の面であり、(20-21)(r面)などのc面と無極性の面の間に向けられた結晶面は半極性の面である。 Figure 3A shows a GaN crystal structure with all possible faces, simplifying the growth process. Faces perpendicular to the c-faces, such as the (10-10)(m-face) and (11-20)(a-face), are nonpolar faces, while crystal faces oriented between the c-faces and nonpolar faces, such as the (20-21)(r-face), are semipolar faces.
ELO成長の初期段階で、誘電体マスク13の開口エリア12から、図3Bに示すr面及びc面を有するベースシード30が形成される。あるいは、基板10上のIII族窒化物テンプレート11を、r面及びc面が露出するようにエッチングする。 In the initial stage of ELO growth, a base seed 30 having r-planes and c-planes, as shown in Figure 3B, is formed from the opening area 12 of the dielectric mask 13. Alternatively, the group III nitride template 11 on the substrate 10 is etched so that the r-plane and c-plane are exposed.
ベースシード30を形成した後、成長供給パラメータのNH3-源、Ga-源が、r面及びc面の結晶方位がより良好な速度でちょうど良い時間で成長し、望ましくない結晶面方位成長を抑制するように最適化される。時間が経過し、シリコン-Siのようなドーパントを特定の時間間隔だけ添加すると、これらの結晶方位のドーピング層と非ドーピング層との間に界面を形成することができる。 After forming the base seed 30, the growth supply parameters NH3 -source and Ga-source are optimized so that the r-plane and c-plane crystal orientations grow at a better rate and in just the right amount of time, while suppressing the growth of undesirable crystal orientations. As time passes, by adding a dopant such as silicon-Si at specific time intervals, an interface can be formed between the doped and undoped layers of these crystal orientations.
次いで、ドーピングされた結晶方位は、DBRミラーを形成するために多孔質III族窒化物層に変えられる。見て分かるように、結晶面方位制御はいくつかの方法で実行することができる。図3Cは、バルキーなIII族窒化物ELOベース層をもたらすc面及びr面の均一な成長を示す。他の態様では、図3Dは、r面成長を横方向に維持することによって大きなウィング成長を維持しながら、不純物のあるc面結晶成長をもたらしている。c面の結晶面成長は、少量の窒素源を供給することによって抑制することができ、このように、低いV/III比の成長様式をもたらす。 Next, the doped crystal orientation is transformed into a porous group III nitride layer to form a DBR mirror. As can be seen, crystal plane orientation control can be performed in several ways. Figure 3C shows uniform growth of the c and r planes, resulting in a bulky group III nitride ELO base layer. In another embodiment, Figure 3D shows impure c-plane crystal growth while maintaining large wing growth by keeping r-plane growth lateral. C-plane crystal growth can be suppressed by supplying a small amount of nitrogen source, thus resulting in a growth mode with a low V/III ratio.
先のセクションで述べた縁部の成長と同様に、図3Eは、不均一なELOベース層を見ることができ、着色又は不純物のあるc面結晶方位は、炭素のような不純物の吸収に起因する可能性がある。 Similar to the edge growth described in the previous section, Figure 3E shows a non-uniform ELO base layer, and the colored or impure c-plane crystal orientations may be due to absorption by impurities such as carbon.
図3Gは、異なるベースシード30の説明図であり、ここでr面は、図3Bの相補面である。成長パラメータは、r面が誘電体マスク上で横方向へと増大し、より良好なELOウィングを形成することができるように制御された。c面結晶方位成長は制御することができ、不純物は対応される。最適化されたELOベース層の条件は重要である。 Figure 3G is an explanatory diagram of a different base seed 30, where the r-plane is the complementary plane to that in Figure 3B. The growth parameters were controlled so that the r-plane increased laterally on the dielectric mask, allowing for the formation of better ELO wings. C-plane crystal orientation growth can be controlled, and impurities are addressed. The conditions for the optimized ELO base layer are crucial.
図3B~図3Kは、通常の及び調節されたELO成長方法を示す。大きな違いは、V/III比にあり、すなわち、TMGa流量を同一に保ちながらNH 3 流量を変化させるか、又はV/IIIを可能な限り低く保つことにより、c面成長を等しく抑制しながらr面成長の1つを促進することにある。高いV/III比、及び低いV/III比は、成長異方性を調整し、横方向成長を促進することができる。もちろん、平坦化は、VCSELデバイス層をELOベースの上に配置する前の表面調整のための最後の手段である。 Figures 3B to 3K show normal and modified ELO growth methods. The main difference lies in the V/III ratio, which involves either varying the NH3 flow rate while keeping the TMGa flow rate constant, or keeping the V/III ratio as low as possible, thereby promoting one of the r-plane growths while equally suppressing the c-plane growth. High and low V/III ratios can adjust growth anisotropy and promote lateral growth. Of course, planarization is a last resort for surface preparation before placing the VCSEL device layer on the ELO base.
図3F及び図3Kは、平坦化されたベースの図を示す。周期的超格子のR面半導体結晶面方位の非多孔質及びナノ多孔質III族窒化物層は、意図しないドーピング(UID)をしたGaN及びn+-GaN([Si]~1019/cm3)を有する。 Figures 3F and 3K show the planarized base. The nonporous and nanoporous Group III nitride layers in the R-plane semiconductor crystal orientation of the periodic superlattice have unintentionally doped (UID) GaN and n+-GaN ([Si] ~ 10¹⁹ / cm³ ).
図4A及び図4Bは、平坦化後のELOバー構造、及び六方最密充填(HCP)構造のELOウィング上のr面の図をそれぞれ示す。次いで、デバイス層は、図5Aに示されるように、III族窒化物n-GaN層17、III族窒化物活性層18、III族窒化物p型電子ブロック層(EBL)19、p型III族窒化物層20、及びp++GaN層21を含んでいる。本発明のVCSEL設計物は、電流を注入するためにいくつかの電流注入方法を利用することができる。p++GaN層21で成長を単に停止してもよく、又は酸化インジウムスズを電流拡散層として使用してもよく、又はトンネル接合を利用するために何らかの表面処理の後にp++GaN層21の上にn++GaN層を成長させてもよい。 Figures 4A and 4B show the planarized ELO bar structure and the r-plane on the ELO wing of the hexagonal close-packed (HCP) structure, respectively. The device layer then includes a Group III nitride n-GaN layer 17, a Group III nitride active layer 18, a Group III nitride p-type electron blocking layer (EBL) 19, a p-type Group III nitride layer 20, and a p++GaN layer 21, as shown in Figure 5A. Several current injection methods can be utilized for current injection in the VCSEL design of the present invention. Growth may simply be stopped at the p++GaN layer 21, or an indium tin oxide may be used as a current diffusion layer, or an n++GaN layer may be grown on the p++GaN layer 21 after some surface treatment to utilize a tunnel junction.
本発明は電流注入のために共振器内層を利用するが、活性領域からの放射光は共振器内コンタクト層から離れる方向に向けられる。このため、選択肢として、共振器内コンタクト層を含んでも含まなくてもよい。 This invention utilizes the inner layer of the resonator for current injection, but the radiation emitted from the active region is directed away from the contact layer within the resonator. Therefore, the invention may or may not include the contact layer within the resonator.
セクション3:VCSEL製造手順
NP DBR16の超格子を有するELOベースを含むデバイス層の成長後、電流注入が用意される。電流注入開口部31は、トンネル接合が使用される場合、トンネル接合の埋め込みプロセス中に形式的に画定され、そうでなければ、電流注入領域31は、フォトリソグラフィによって、ELOウィング上に好ましくは円形の別個のパターンを画定することによって光共振器領域32から分離される。その後、注入領域31及び光共振器領域32を覆うように保護層が配置される。次に、コンタクトパッドを配置するために、注入領域31及び光共振器領域32を除く領域上に、わずかに大きなメサが用意される。底部ナノ多孔質DBRミラーの偏向の位置合わせの要件を満たすために、VCSELの光共振器領域32のp型層に対して角度エッチングが実行される。エッチングの角度は底部のナノ多孔質GaN DBR16から偏向された光がエッチングされたp層に正常に当たるように予め定められている。エッチングされた領域がr面の表面を露出するので、誘電体DBRミラー24を配置する前に化学エッチング液を使用して表面を滑らかにし、SiO2/Ta2O5の周期からなる16周期の誘電体DBR24をこの用意された表面上に堆積させた。
Section 3: VCSEL Fabrication Procedure After growing the device layer containing the ELO base having a superlattice of NP DBR16, current injection is prepared. The current injection opening 31 is formally defined during the tunnel junction filling process if a tunnel junction is used; otherwise, the current injection region 31 is separated from the optical resonator region 32 by photolithography, preferably by defining a separate circular pattern on the ELO wing. A protective layer is then placed to cover the injection region 31 and the optical resonator region 32. Next, a slightly larger mesa is prepared on the area excluding the injection region 31 and the optical resonator region 32 for placing contact pads. Angle etching is performed on the p-type layer of the VCSEL's optical resonator region 32 to satisfy the requirements for alignment of the deflection of the bottom nanoporous DBR mirror. The etching angle is predetermined so that light deflected from the bottom nanoporous GaN DBR16 strikes the etched p-layer correctly. Since the etched region exposes the surface of the r-plane, the surface was smoothed using a chemical etching solution before placing the dielectric DBR mirror 24, and a 16 -period dielectric DBR 24 consisting of SiO₂ / Ta₂O₅ periods was deposited on this prepared surface.
次に、デバイスをナノ多孔質エッチングから保護し、電気的絶縁24を提供するために、SiO2又は保護膜を堆積させた(図示せず)。次に、サンプルをバイアス電圧にかけてシュウ酸に浸漬することによってECエッチングを行い、底部ELOベース層内のドーピングされたn+GaN層をDBRにエッチングした。次に、電流注入領域31を接続するp-コンタクトパッド33を、フォトリソグラフィを用いて選択的にパターニングした後、金属コンタクトTi/Auを堆積させた。得られたデバイスを図5Aに示す。 Next, a protective film (not shown) or SiO2 was deposited to protect the device from nanoporous etching and provide electrical insulation 24. Then, EC etching was performed by immersing the sample in oxalic acid under a bias voltage, etching the doped n+GaN layer in the bottom ELO base layer to DBR. Next, the p-contact pads 33 connecting the current injection regions 31 were selectively patterned using photolithography, and then metal contacts Ti/Au were deposited. The resulting device is shown in Figure 5A.
次に、VCSELデバイスは、剥離又はレーザリフトオフ法若しくは化学リフトオフ法のいずれかによってホスト基板から分離され、n-コンタクト金属34をブランケット堆積し、図5Bに示す全体像が得られる。ナノ多孔質GaN DBR領域は、光放出側又は角度を付けたp型層側のいずれかとすることができる。本発明では、n-コンタクトパッド34とn-DBR16との間の界面は、ELO成長を使用して調製され、したがって結晶的に純粋であり、界面表面粗さは、CMP又はいかなる研磨技術も導入せずにナノメートル以下の値(例えば2nm)に設計されている。使用される誘電体マスク13は、~300nmの厚さであり、好ましくはSiO2とSiNとの多層の組み合わせである。誘電体マスク13の表面粗さは、同じ物をリフトオフ界面上で複製できるように、サブナノメートル未満になるように設計されている。全体像から分かるように、n側DBRミラー16は、バルク非多孔質III族窒化物層及びナノ多孔質GaN層がn-コンタクトパッド34との界面を形成して平坦に見える。したがって、デバイスの熱排出は、より良好な熱伝導性のバルク非多孔質GaN層によって主に支配されることを示唆している。同様に、電気伝導抵抗は主にバルク非多孔質GaN層によって支配され、したがって、記載された構成は垂直電流注入を可能にする。 Next, the VCSEL device is separated from the host substrate by exfoliation or by either laser lift-off or chemical lift-off, and the n-contact metal 34 is blanket-deposited to obtain the overall image shown in Figure 5B. The nanoporous GaN DBR region can be either on the light-emitting side or on the angled p-type layer side. In this invention, the interface between the n-contact pad 34 and the n-DBR 16 is prepared using ELO growth and is therefore crystalline pure, and the interface surface roughness is designed to be sub-nanometer (e.g., 2 nm) without introducing CMP or any polishing technique. The dielectric mask 13 used is ~300 nm thick and preferably a multilayer combination of SiO2 and SiN. The surface roughness of the dielectric mask 13 is designed to be sub-nanometer so that the same can be replicated on the lift-off interface. As can be seen from the overall image, the n-side DBR mirror 16 appears flat with the bulk nonporous group III nitride layer and nanoporous GaN layer forming the interface with the n-contact pad 34. Therefore, it is suggested that the heat dissipation of the device is primarily governed by the bulk nonporous GaN layer with better thermal conductivity. Similarly, the electrical conductivity resistance is primarily governed by the bulk nonporous GaN layer, and thus the described configuration allows for vertical current injection.
図5Cに、電流注入領域31のトンネル接合構成を示す。
デバイス層の成長は、p++GaNまで継続され、その後、電流開口を画定するために円形区画35が画定される。必要に応じて、活性領域18への電流注入を高めるためにイオン注入が加えられる。トンネル接合注入におけるデバイスの切断された領域が図5Cに示されており、影付き領域36は、電流注入領域と直接重ならない光共振器領域を示している。
Figure 5C shows the tunnel junction configuration of the current injection region 31.
Device layer growth continues up to p++GaN, after which a circular section 35 is defined to define the current aperture. If necessary, ion implantation is added to enhance current injection into the active region 18. The cut-off region of the device in tunnel junction implantation is shown in Figure 5C, and the shaded region 36 indicates the optical resonator region that does not directly overlap with the current injection region.
図5Dは、上述のトンネル接合デバイス図5Cに熱伝導層を追加することに焦点をあてている。DBRミラー配置のための角度を付けたp-GaN24を用意し、電流注入領域31及びコンタクトパッド配置領域を用意した後、AlN熱拡散層37がスパッタリングされる。次に、前述のように、p-コンタクトパッド33及び誘電体DBRミラー24、SiO2/Ta2O5の周期からなる16周期の誘電体DBRがデバイスの上面に堆積される。次に、VCSELデバイスは、熱剥離又はレーザリフトオフ法若しくは化学リフトオフ法のいずれかによってホスト基板から分離され、n-コンタクト金属34をブランケット堆積し、図5Dに示す全体像が得られる。 Figure 5D focuses on adding a thermal conductive layer to the tunnel junction device Figure 5C described above. After preparing p-GaN 24 with an angle for DBR mirror placement, and preparing the current injection region 31 and contact pad placement region, the AlN thermal diffusion layer 37 is sputtered. Next, as described above, the p-contact pad 33, dielectric DBR mirror 24, and a 16-period dielectric DBR consisting of a period of SiO₂ / Ta₂O₅ are deposited on the upper surface of the device. Next, the VCSEL device is separated from the host substrate by thermal delamination, laser lift-off method, or chemical lift-off method, and the n-contact metal 34 is blanket-deposited to obtain the overall structure shown in Figure 5D.
図6A~図6Dは、図5A及び図5Bでふれられたデバイスの平易な変形例を示し、少なくとも2つ以上のELOウィングが電流注入領域の配置に使用される。ELOバーの場合、開口エリア12の両側に2つの電流注入領域を配置することによって2つの発光を達成することができ、同様に、六方晶パターンの場合、図6Cに見られる6つの発光38、又は図6Dのような連続的なリング状発光が可能である。図6Cに見られるように、ベースELO層はn型DBRミラーであるが、光の向きを開口領域の方へと変えている。同様に、図6Dでは、電流注入をリングのように配置してもよく、その時、発光はリングのように見えるが、開口領域の方へわずかに内側に移動している。p-コンタクトパッド33は、示されているように外側の円上に配置され、n-コンタクトパッド34は、ホスト基板からVCSELデバイスを取り外した後にn側に配置された。 Figures 6A to 6D show simplified modifications of the device described in Figures 5A and 5B, where at least two ELO wings are used to arrange the current injection regions. In the case of the ELO bar, two light emission can be achieved by arranging two current injection regions on either side of the aperture area 12. Similarly, in the case of the hexagonal pattern, six light emission 38 as seen in Figure 6C, or a continuous ring-shaped light emission as shown in Figure 6D, is possible. As seen in Figure 6C, the base ELO layer is an n-type DBR mirror, but the direction of the light is changed toward the aperture region. Similarly, in Figure 6D, the current injection may be arranged in a ring shape, in which case the light emission appears ring-shaped, but is shifted slightly inward toward the aperture region. The p-contact pad 33 is arranged on the outer circle as shown, and the n-contact pad 34 is placed on the n side after the VCSEL device was removed from the host substrate.
図7Aは、単一のELOバーに対する典型的なチップ寸法を説明し、図7Bは、ELOバーの集積化したいくつかのVCSELデバイス及びウェハの六方細密充填のVCSELユニットを示す。 Figure 7A illustrates typical chip dimensions for a single ELO bar, and Figure 7B shows several VCSEL devices with integrated ELO bars and hexagonal close-packed VCSEL units on wafers.
利点:
1.共振器内コンタクト層は光共振器と重ならない。
2.より良好なヒートシンクのために使用されるナノ多孔質DBR層。
3.ナノ多孔質DBRの傾斜した配列は、デバイスの電気抵抗を低減する。
4.角度放出が可能である。
5.より良好な熱管理。
6.サファイア上のGaNなどのより安価な大型テンプレート基板を使用して、利益を得ることができる。
7.高品質でより大きなサイズのGaN基板は非常に高価である。本ELO技術は、VCSELの製造における異種基板の使用を可能にすることができる。
8.本発明は、性能及び製造コストの削減における大幅な改善、並びに複雑な手順の排除を提供することが期待される。
advantage:
1. The contact layer inside the resonator does not overlap with the optical resonator.
2. A nanoporous DBR layer used for a better heat sink.
3. The tilted arrangement of nanoporous DBRs reduces the electrical resistance of the device.
4. Angular emission is possible.
5. Better thermal management.
6. It is possible to profit by using cheaper, larger template substrates such as GaN on sapphire.
7. High-quality, larger-sized GaN substrates are very expensive. This ELO technology can enable the use of heterogeneous substrates in the manufacturing of VCSELs.
8. The present invention is expected to provide significant improvements in performance and reduction of manufacturing costs, as well as the elimination of complex procedures.
用途
照明:
GaN系LEDは、住宅用及び自動車用照明の劇的な変化をもたらした。通信サービスと組み合わせた照明は、将来のスマートシティ及びスマートインフラにおいて強く望まれている。VCSELは、LED及び端面発光レーザダイオードのより良い代替物である。しかしながら、適切な収益性のある大量生産技術を有していないことが、GaN VCSELの市場への参入を阻止している。上記の実施形態で開発された手順は、照明用途に適用可能なVCSELユニットを大量生産するために使用することができる。
可視光通信:
Application Lighting:
GaN-based LEDs have brought about a dramatic transformation in residential and automotive lighting. Lighting combined with communication services is highly desired in future smart cities and smart infrastructure. VCSELs are a better alternative to LEDs and end-face emitting laser diodes. However, the lack of suitable and profitable mass production technology is preventing GaN VCSELs from entering the market. The procedure developed in the above embodiment can be used to mass-produce VCSEL units applicable to lighting applications.
Visible light communication:
ライトフィデリティ(LiFi)による将来の可能性のあるデータ転送及び通信用途のためのレーザ光。IoTデバイスの急速な増加に伴い、データの伝送に対する需要は拡大し続けている。RFスペクトルは飽和してきており、継続的に増加する需要に追いつくために新しい周波数が必要である。既存のLED構成にGaN VCSELを適用することは、端面発光レーザに置き換えるよりも簡単である。それゆえに、上記の実施形態で説明したデバイスは目的を果たすことができる。
ニアアイディスプレイ:
Laser light for future potential data transfer and communication applications using Light Fidelity (LiFi). With the rapid increase in IoT devices, the demand for data transmission continues to expand. The RF spectrum is becoming saturated, and new frequencies are needed to keep up with the continuously increasing demand. Applying GaN VCSELs to existing LED configurations is simpler than replacing them with end-emitting lasers. Therefore, the devices described in the embodiments above can serve their purpose.
Near-eye display:
ニアアイディスプレイは、家電製品の次の大きな波を代表している。これらは、仮想現実(VR)及び拡張現実(AR)技術の主要素である。現在、マイクロLEDがディスプレイの主な選択肢である。しかしながら、VCSEL研究の進歩は限られているが、VCSELが小型ディスプレイ及びニアアイディスプレイとして導入されることは間違いないだろう。比較的低い光パワーは、眼の安全性を維持するのに有益である。低い発散及び円対称性は、追加の光学素子を減少させ、したがってコンパクトさをもたらす。VCSELの2次元配列集積化能力は、端面発光レーザよりも込み入っていない。したがって、発明を使用して製造されたVCSEL製品は、これらの用途に適用することができる。 Near-eye displays represent the next big wave in consumer electronics. These are key components of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) technologies. Currently, micro-LEDs are the primary display choice. However, while progress in VCSEL research is limited, VCSELs will undoubtedly be introduced as miniature and near-eye displays. Relatively low light power is beneficial for maintaining eye safety. Low divergence and circular symmetry reduce the need for additional optical elements, thus resulting in compactness. The two-dimensional array integration capability of VCSELs is less complex than that of edge-emitting lasers. Therefore, VCSEL products manufactured using the invention can be applied to these applications.
本発明の原理をその好ましい実施形態において説明及び例示してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更することができることが当業者によって理解される。したがって、本発明者らは、以下の請求項の精神及び範囲内に入るすべての修正及び変形を請求している。 While the principles of the present invention have been described and illustrated in preferred embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. Accordingly, the inventors request all modifications and variations that fall within the spirit and scope of the following claims.
10 III族窒化物系基板
11 III族窒化物テンプレート
12 開口エリアストライプ
13 誘電体マスク
14 III族窒化物層
15 ウィング
16 ナノ多孔質GaN DBR
17 n-GaN層
18 III族窒化物活性層
19 III族窒化物p型電子ブロック層(EBL)
20 p型III族窒化物層
21 p++GaN層
23 絶縁層
24 誘電体DBR
30 ベースシード
31 電流注入領域
32 光共振器領域
33 p-コンタクトパッド
34 n-コンタクトパッド
35 円形区画
36 影付き領域
37 熱拡散層
38 発光
10 Group III nitride substrate 11 Group III nitride template 12 Aperture area stripe 13 Dielectric mask 14 Group III nitride layer 15 Wing 16 Nanoporous GaN DBR
17 n-GaN layer 18 Group III nitride active layer 19 Group III nitride p-type electron blocking layer (EBL)
20 p-type Group III nitride layer 21 p ++ GaN layer 23 insulating layer 24 dielectric DBR
30 Base seed 31 Current injection region 32 Optical resonator region 33 p-contact pad 34 n-contact pad 35 Circular section 36 Shaded region 37 Thermal diffusion layer 38 Light emission
Claims (17)
正孔注入側の角度を付けたp型ミラー、及び
前記III族窒化物活性領域に対して角度を付けた、電子注入側にナノ多孔質層を含み、n側に非多孔質層を含む、平面ミラー、
を含む、拡張された垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)。 An epitaxially laterally overgrown semiconductor region, composed of a group III nitride active region between a hole-injection group III nitride layer and an electron-injection group III nitride layer.
A p-type mirror with an angled hole injection side, and a planar mirror angled with respect to the group III nitride active region, having a nanoporous layer on the electron injection side and a nonporous layer on the n side.
This includes an extended vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL).
The VCSEL according to claim 2, wherein the group III nitride-based DBR directs light to the angled p-type layer-side mirror.
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