PL216522B1 - Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe oraz sposób wytwarzania półprzewodnikowego urządzenia laserowego - Google Patents

Abstract

Wynalazek obecny dotyczy azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego zawierającego dodatkową warstwę na emitującym promieniowanie zwierciadle rezonatora z obszarem czynnym z półprzewodnika azotkowego pomiędzy azotkową warstwą półprzewodnikową typu n i azotkową warstwą półprzewodnikową typu p, w którym przynajmniej zwierciadło emitujące promieniowanie tego rezonatora jest pokryte wskazaną warstwą dodatkową zawierającą monokrystaliczny azotek o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, gdzie 0≤x+y≤1, 0≤x≤1 i 0≤y≤1, posiadającą przerwę energetyczną szerszą niż przerwa energetyczna obszaru czynnego i wytworzoną w niskiej temperaturze niepowodującej uszkodzenia obszaru czynnego. Uformowanie takiego okna poprawia znacznie działanie azotowego urządzenia laserowego według wynalazku.

Description

Opis wynalazku

Obecny wynalazek dotyczy azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego oraz sposobu wytwarzania półprzewodnikowego urządzenia laserowego, o lepszym działaniu, pozwalającym na wydłużenie jego żywotności. W szczególności sposób według wynalazku dotyczy zapewnienia warstwy okna na zwierciadle rezonatora emitującym promieniowanie. Taka warstwa zwiększa trwałość azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według wynalazku.

Żywotność półprzewodnikowych urządzeń laserowych zależy przede wszystkim od jakości warstw optycznie czynnych, a zwłaszcza od jakości zwierciadeł rezonatora tych warstw. W dotychczas stosowanych półprzewodnikowych diodach laserowych, wytwarzanych na bazie półprzewodników z grupy GaAs, wydłużenie żywotności diody laserowej osiąga się dzięki wytwarzaniu na zwierciadłach rezonatora specjalnych warstw. Warstwy te pełnią rolę warstw przeciwodbiciowych lub tworzą strukturę okna. Struktura taka została ujawniona w japońskim zgłoszeniu patentowym nr 10-251577, opublikowanym za numerem 2000-08286.

Przerwa energetyczna w warstwach okien półprzewodnikowych musi być szersza niż przerwa energetyczna warstwy aktywnej w półprzewodnikowych strukturach laserowych, aby wydłużyć żywotność i trwałość tak zabezpieczonych struktur laserowych.

W azotkowych laserach półprzewodnikowych zwierciadła rezonatora są wytwarzane w wyniku trawienia jonowego RIE (Reactive Ion Etching) lub przełamania (cleavage) i - z uwagi na zwężenie przerwy energetycznej - absorbują emitowane promieniowanie, w wyniku czego wydziela się ciepło powodujące pogorszenie trwałości diod laserowych o mocy ponad 100 mW. Dlatego też proponowano, by w azotkowych laserach półprzewodnikowych strukturę okna wytworzyć poprzez pokrycie zwierciadeł rezonatora warstwą z półprzewodnika o wzorze AlGaInN (japońska nie poddana badaniu publikacja patentowa nr 249830/1995) lub inną warstwą, taką jak warstwa z AlN (japońska nie poddana badaniu publikacja patentowa nr 26442/2002).

Zgodnie z technologią znaną ze stanu techniki, konieczne jest stosowanie temperatur wyższych niż 1000°C, aby wytworzyć warstwę stanowiącą okno z monokrystalicznego azotku zawierającego gal metodami wzrostu z fazy gazowej, przykładowo najpowszechniej stosowaną metodą MOCVD (Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition). Jednakże, tak wysokie temperatury powodują uszkodzenie obszaru czynnego wytworzonego z półprzewodnika azotkowego zawierającego ind, stosowanego dotychczas w półprzewodnikowych laserach azotkowych. Z drugiej strony, gdy warstwę azotkową wytwarza się znanymi dotychczasowymi sposobami w temperaturze nie powodującej uszkodzenia obszaru czynnego, tak uzyskiwana warstwa jest amorficzna. Gdy do wytworzenia struktury okna zastosuje się warstwę amorficzną, powoduje ona rozpraszanie emitowanego światła, przez co wiązka laserowa staje się niejednorodna. Ponadto, na skutek zabarwienia wywołanego amorficznością, następuje absorpcja światła i nagrzewanie zwierciadła, co w konsekwencji prowadzi do jego przyśpieszonej degradacji.

Po wtóre, znane urządzenia opto-elektroniczne oparte na azotkach wytwarzane są na podłożach z szafiru lub z węglika krzemu, które różnią się od warstw nanoszonych następnie na te podłoża (heteroepitaksja). Istnieją istotne różnice w chemicznych, fizycznych, krystalograficznych i elektrycznych własnościach wskazanych podłoży oraz półprzewodnikowych warstw azotkowych osadzonych na nich metodą heteroepitaksji, co powoduje raczej wysoką gęstość dyslokacji w epitaksjalnych warstwach półprzewodnikowych. Aby obniżyć powierzchniową gęstość dyslokacji i tym samym zwiększyć stabilność półprzewodnikowych struktur laserowych, na podłoża z szafiru lub SiC nanosi się najpierw warstwę buforową. Jednakże, uzyskiwane obniżenie powierzchniowej gęstości dyslokacji jest nie większe niż do około 10⁸/cm².

Dotychczas, obniżenie powierzchniowej gęstości dyslokacji było możliwe w wyniku stosowania metody ELOG (Epitaxial Lateral Overgrowth). Zgodnie z tą metodą, na podłożu szafirowym osadza się najpierw warstwę GaN, a na nią z kolei nanosi się SiO2 w formie pasków lub kraty. Tak przygotowane podłoże może być następnie wykorzystane do prowadzenia bocznego wzrostu GaN, obniżając gęstość defektów do około 10⁶/cm².

Dalsze udoskonalenie podłoża do epitaksjalnego formowania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego, uzyskano stosując sposób wytwarzania objętościowej warstwy monokrystalicznego azotku zawierającego gal ujawniony w publikacji WO 02/101120.

PL 216 522 B1

Celem obecnego wynalazku jest opracowanie azotkowego lasera półprzewodnikowego ze zwierciadłem emitującym promieniowanie pokrytym azotkową warstwą stanowiącą okno, bez pogorszenia parametrów eksploatacyjnych lasera.

Innym celem obecnego wynalazku jest opracowanie azotkowej półprzewodnikowej struktury laserowej na nowym podłożu posiadającym niską powierzchniową gęstość dyslokacji, korzystnie niższą niż 10⁶/cm².

Dalszym celem obecnego wynalazku jest zapewnienie sposobu wytwarzania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego, obejmującego wytwarzanie lasera azotkowego z zadowalającą azotkową warstwą okna, gwarantującego poprawę działania wytworzonego urządzenia.

Cele te osiągnięto dzięki opracowaniu azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego oraz sposobu wytwarzania takiego lasera według wynalazku, opartego na wykorzystaniu azotków pierwiastków Grupy XIII (numeracja Grup w całej dokumentacji jest zgodna z konwencją IUPAC z 1989 r.), korzystnie azotków zawierających gal o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN, gdzie 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, zwłaszcza azotków o wzorze ogólnym Al_xGa_1-xN (0<x<1).

Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według obecnego wynalazku ma cechy wyróżniające określone w niezależnym zastrzeżeniu 1, a korzystne cechy tego urządzenia są zdefiniowane w odnośnych zastrzeżeniach zależnych 2 do 11. Sposób według obecnego wynalazku zdefiniowany został w zastrzeżeniach 12 do 16.

Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe z warstwą okna na emitującym promieniowanie zwierciadle rezonatora, obejmujące warstwę aktywną z półprzewodnika azotkowego pomiędzy azotkową warstwą półprzewodnikową typu n oraz azotkową warstwą półprzewodnikową typu p, według obecnego wynalazku cechuje się tym, że:

przynajmniej emitujące promieniowanie zwierciadło rezonatora pokryte jest warstwą okna zawierającą monokrystaliczny azotek o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, gdzie 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, zwłaszcza azotek o wzorze ogólnym AlxGa1-xN (0<x<1) o przerwie energetycznej szerszej niż przerwa energetyczna warstwy aktywnej oraz wytworzony w niskiej temperaturze, tak aby nie nastąpiło uszkodzenie tej warstwy aktywnej. W obecnym wynalazku określenie „warstwa okna” oznacza warstwę posiadającą przerwę energetyczną szerszą niż przerwa energetyczna warstwy aktywnej lub warstwy studni kwantowej, wytworzoną bezpośrednio na emitującym promieniowanie zwierciadle rezonatora w celu uniknięcia problemów powodowanych zwężeniem przerwy energetycznej zwierciadła tego rezonatora.

Grubość warstwy okna na zwierciadle rezonatora jest korzystnie większa niż 50 A, a korzystniej jest równa całkowitej wielokrotności długości fali emitowanego promieniowania ^λ).

Zgodnie z wynalazkiem warstwa okna na zwierciadle rezonatora z monokrystalicznego AlxGa1-xN (0<x<1) jest korzystnie wytworzona w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego.

Korzystnie, przynajmniej warstwa kontaktowa typu p rezonatora jest pokryta maską, gdy w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego formowana jest monokrystaliczna warstwa okna z AlxGa1-x-yN (0<x<1) na zwierciadle rezonatora.

Warstwa okna na zwierciadle rezonatora zawiera przynajmniej jeden spośród pierwiastków Grupy I, korzystnie Li lub Na.

Korzystnie, warstwa aktywna rezonatora ma strukturę (wielo)studni kwantowej i zawiera co najmniej jedną warstwę studni z InGaN lub InAlGaN.

Zgodnie z obecnym wynalazkiem struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest korzystnie wytworzona na podłożu wybranym z grupy, którą tworzą podłoże GaN, korzystnie monokrystaliczne podłoże GaN, podłoże z szafiru, spinelu, ZnO, SiC, podłoże typu ELOG oraz podłoże z azotkowym półprzewodnikiem, posiadające powierzchnię wklęsło-wypukłą. W obecnym wynalazku określenie “podłoże typu ELOG” oznacza podłoże posiadające warstwę lub warstwy azotkowe osadzone tak zwaną metodą ELOG (Epitaxial Lateral Over-Growth).

Korzystnie, struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego wytworzona jest na płaszczyźnie C, A lub M monokrystalicznego podłoża GaN.

Struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest wytworzona na płaszczyźnie C monokrystalicznego podłoża GaN, a warstwa okna na zwierciadle rezonatora jest osadzona na płaszczyźnie M lub A.

Struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego może być również wytworzona na płaszczyźnie A monokrystalicznego podłoża GaN, a warstwa okna jest osadzona na płaszczyźnie C lub M emitującego promieniowanie zwierciadła rezonatora.

PL 216 522 B1

Alternatywnie, struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego wytworzona jest na płaszczyźnie M monokrystalicznego podłoża GaN, a warstwa okna jest ukształtowana na płaszczyźnie C lub A emitującego światło zwierciadła rezonatora.

Obecny wynalazek dotyczy także sposobu wytwarzania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego posiadającego rezonator obejmujący warstwę aktywną z półprzewodnika azotkowego pomiędzy warstwą półprzewodnika azotkowego typu n oraz warstwą półprzewodnika azotkowego typu p, w którym w pierwszym procesie odsłania się parę przeciwległych zwierciadeł rezonatora prowadząc wytrawianie lub przełamanie struktury urządzenia laserowego - sposobu cechującego się tym, że

- w drugim procesie pokrywa się emitujące promieniowanie zwierciadło rezonatora warstwą okna z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, zwłaszcza azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-xN (0<x<1), o przerwie energetycznej szerszej niż przerwa energetyczna obszaru czynnego, w niskiej temperaturze tak aby nie spowodować uszkodzenia tego obszaru czynnego.

Zgodnie z wynalazkiem, podczas drugiego procesu na zwierciadle rezonatora korzystnie osadza się warstwę okna w nadkrytycznym roztworze amoniakalnym.

W sposobie według obecnego wynalazku, podczas drugiego procesu warstwę okna na zwierciadle rezonatora formuje się po pokryciu co najmniej górnej powierzchni warstwy kontaktowej typu p rezonatora maską posiadającą wyższą lub taką samą chemiczną odporność w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, jak odporność chemiczna materiału warstwy okna na zwierciadle rezonatora.

Korzystnie, maska wybrana jest z grupy, w skład której wchodzą SiO, SiN, AlN oraz Ag.

W sposobie według wynalazku, warstwę okna na zwierciadle rezonatora formuje się przez osadzanie monokrystalicznej warstwy azotku o wyżej podanym składzie w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, w temperaturze 800°C lub niższej, korzystnie w temperaturze 600°C lub niższej.

Obecny wynalazek wprowadza doniosły postęp w opto-elektronice opartej na wykorzystaniu azotków.

Wynalazek jest zilustrowany na załączonym rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny azotkowego lasera półprzewodnikowego według wynalazku, Fig. 2 ilustruje kolejne etapy sposobu według wynalazku, Fig. 3 przedstawia w przekroju strukturę azotkowego lasera półprzewodnikowego według wynalazku z usuniętymi wszystkimi warstwami innymi niż warstwy azotkowe, Fig. 4 - 6 ilustrują w przekroju struktury azotkowego lasera półprzewodnikowego, z wybranymi powierzchniami pokrytymi warstwami maskującymi, Fig. 7 przedstawia zmiany temperatury w funkcji czasu, dla procesu przedstawionego w przykładzie 1, Fig. 8 przedstawia zmiany temperatury w funkcji czasu, dla procesu przedstawionego w przykładzie 7, zaś Fig. 9-11 przedstawiają kolejne fazy formowania trzech przykładowych typów podłoży do wytwarzania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według wynalazku, posiadającego warstwę monokrystalicznego azotku wytworzonego w wyniku bocznego narastania.

Do obecnego wynalazku mają zastosowanie następujące definicje:

Warstwa aktywna rezonatora oznacza warstwę rezonatora, w której powstaje promieniowanie w wyniku rekombinacji nośników elektryczności.

Zwierciadło rezonatora oznacza powierzchnię graniczną rezonatora, zasadniczo prostopadłą do kierunku emitowanej wiązki światła. Światło jest przynajmniej częściowo odbijane od tej powierzchni, ponieważ współczynnik refrakcji monokrystalicznych azotków, tworzących rezonator, jest wyższy niż współczynnik refrakcji środowiska, w którym laser jest umieszczony (zwykle jest to powietrze lub polimer). Zwierciadła rezonatora z warstwami okien lub bez takich warstw, mogą być pokryte warstwami odbijającymi. Zwykle jedna z takich warstw odbijających odbija znacznie więcej światła niż druga. W takim przypadku promieniowanie wytwarzane przez laser emitowane jest zasadniczo w jednym kierunku, wyznaczonym przez warstwę odbijającą o niższej zdolności odbijania. Zatem, odnosząc się do zwierciadła rezonatora odpowiadającego warstwie o niższej zdolności odbijania używamy określenia zwierciadło rezonatora emitujące światło lub promieniowanie, podczas gdy drugie zwierciadło rezonatora jest określane terminem zwierciadło rezonatora odbijające światło.

Warstwa okna oznacza warstwę o przerwie energetycznej szerszej niż przerwa energetyczna warstwy aktywnej lub warstwy (wielo)studni kwantowej, osadzoną bezpośrednio na zwierciadle rezonatora emitującym światło w celu uniknięcia problemów wywoływanych węższą przerwą energetyczną

PL 216 522 B1 zwierciadła rezonatora. Grubość warstwy okna jest korzystnie równa całkowitej wielokrotności długości fali emitowanego światła (ηλ). Warstwa okna może być dodatkowo pokryta warstwą ochronną.

Azotek zawierający gal oznacza azotek galu oraz ewentualnie innego pierwiastka lub innych pierwiastków Grupy XIII. Określenie to obejmuje - lecz niewyłącznie: związek dwuskładnikowy GaN, związek trójskładnikowy taki jak AlGaN, InGaN, a także AlInGaN, w których stosunek innych pierwiastków Grupy XIII do galu może zmieniać się w szerokich granicach.

Płaszczyzny C, A lub M odpowiadają i odnoszą się do powierzchni płaszczyzn C, A lub M heksagonalnych kryształów azotków pierwiastków Grupy XIII.

Nadkrytyczny rozpuszczalnik amoniakalny oznacza płyn w stanie nadkrytycznym. składający się zasadniczo z amoniaku oraz jonów jednego lub więcej niż jednego pierwiastka Grupy I, służący do rozpuszczenia materiału źródłowego zawierającego gal.

Określenie roztwór nadkrytyczny stosowane jest w odniesieniu do rozpuszczalnika nadkrytycznego gdy zawiera on pierwiastek lub pierwiastki Grupy XIII, zwłaszcza gal - w postaci rozpuszczalnej, powstałej w wyniku rozpuszczenia materiału źródłowego zawierającego pierwiastek lub pierwiastki Grupy XIII, w szczególności gal.

Związki kompleksowe pierwiastka lub pierwiastków Grupy XIII, w szczególności związki kompleksowe galu są związkami kompleksowymi, w których atom pierwiastka lub pierwiastków Grupy XIII, zwłaszcza galu stanowi centrum koordynacyjne, otoczone przez Iigandy takie jak cząsteczki NH3 lub - -2 ugrupowania pochodne takie jak NH2^-, NH^-2 i tym podobne.

Autoklaw oznacza zamknięty pojemnik z komorą reakcyjną, w której przeprowadzony jest amonozasadowy proces osadzania warstwy okna sposobem według wynalazku.

Zgodnie z wynalazkiem monokrystaliczna warstwa okna z azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yIn_yN, gdzie 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, jest wytwarzana w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. Zastosowanie tej technologii pozwala uniknąć powyższych problemów znanych w stanie techniki, gdyż temperatura osadzania warstwy okna jest dostatecznie niska, aby nie powodować uszkodzenia warstwy aktywnej (obszaru czynnego) azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego.

W przypadku warstwy aktywnej z półprzewodnika azotkowego zawierającego ind, temperatura formowania tegoż obszaru czynnego typowo wynosi około 900°C. Azotek zawierający ind rozkłada się w temperaturze około 950°C. Osadzanie monokrystalicznych warstw azotkowych metodą MOCVD lub innymi metodami epitaksji z fazy gazowej zachodzi w temperaturach wyższych niż 1000°C. W takich warunkach temperaturowych obszar czynny z azotku zawierającego ind ulega uszkodzeniu. Temperatura wytwarzania monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego jest niższa od 800°C i typowo jest niższa niż 600°C, korzystnie jest niższa niż 550°C w przypadku GaN. Tak niska temperatura pozwala uniknąć termicznej degradacji obszaru aktywnego zawierającego ind. Jednocześnie, jakość krystaliczna warstwy okna osadzonej w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego jest bardzo dobra, w świetle oceny prowadzonej z zastosowaniem metod znanych w stanie techniki.

W azotkowych półprzewodnikowych urządzeniach laserowych, rezonator z obszarem czynnym z półprzewodnika azotkowego zawierającego ind, zwany falowodem optycznym, składa się z obszaru czynnego i warstwy falowodowej.

Obszar czynny powinien mieć strukturę pojedynczej studni lub wielostudni kwantowej, obejmując przynajmniej jedną warstwę studniową: InGaN lub InAlGaN.

Monokrystaliczna warstwa azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, osadzona na zwierciadle rezonatora emitującym promieniowanie, zgodnie z wynalazkiem ma skład dobrany stosownie do funkcji, jaką ma pełnić ta warstwa.

Przykładowo, w azotkowych laserach półprzewodnikowych na zwierciadłach rezonatora następuje zwężenie przerwy energetycznej i - co za tym idzie - zwiększa się absorpcja promieniowania przez te zwierciadła. Skład warstwy monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, ustala się zatem tak, aby rozszerzyć przerwę energetyczną w celu istotnego stłumienia absorpcji promieniowania w rejonie pokrytego taką warstwą zwierciadła rezonatora.

Także w przypadku azotkowych laserów półprzewodnikowych, z obszarem czynnym rezonatora wykonanym z półprzewodnika azotkowego nie zawierającego indu, korzystne jest nakładanie na zwierciadła rezonatora monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, w warunkach niskotemperaturowych, w środowisku nadkrytycznego roz6

PL 216 522 B1 tworu amoniakalnego, dobierając szerokość przerwy energetycznej materiału tej warstwy tak. aby była szersza niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika azotkowego tworzącego obszar czynny rezonatora. Wybór korzystnej budowy (wzoru) dla półprzewodnika azotkowego stanowiącego materiał warstwy okna dokonywany jest zatem w oparciu o pożądaną wartość szerokości przerwy energetycznej. Szerokość przerwy energetycznej w półprzewodnikach azotkowych rośnie w szeregu: InGaN < < GaN < GaAlN < AlN. W azotkowych laserach półprzewodnikowych według wynalazku grubość monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, powinna wynosić ponad 50 A (angstremów) i powinna być równa ηλ, gdzie λ oznacza długość fali promieniowania emitowanego przez obszar czynny urządzenia laserowego, a n oznacza liczbę całkowitą.

Zgodnie z wynalazkiem zwierciadło rezonatora pokryte monokrystaliczną azotkową warstwą okna z azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, może być pokryte dodatkowymi warstwami ochronnymi, przykładowo, warstwami zwiększającymi wytrzymałość mechaniczną lub odporność chemiczną.

Aby uzyskać na zwierciadle rezonatora monokrystaliczną warstwę okna z azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, w odpowiednio niskiej temperaturze, zgodnie z wynalazkiem stosuje się środowisko nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, zgodnie z metodą szczegółowo ujawnioną w publikacji WO 02/101120. którego pełną treść przywołuje się na zasadzie odnośnika literaturowego. Jest to metoda wytwarzania monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, na powierzchni zarodka. Zgodnie z obecnym wynalazkiem co najmniej powierzchnia zwierciadła rezonatora urządzenia laserowego według obecnego wynalazku odpowiada zarodkowi z procesu ujawnionego w publikacji WO 02/101120.

Dzięki zastosowaniu metody krystalizacji w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego możliwe jest wytworzenie monokrystalicznej azotkowej warstwy okna na zwierciadle rezonatora w temperaturze niższej niż 800°C, korzystnie niższej niż 600°C, a najkorzystniej niższej niż 550°C. Metoda ta jest realizowana w autoklawach wysokociśnieniowych zrobionych typowo ze stopów niklu. Dlatego też, na skutek przechodzenia składników stopu do nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, wytworzona monokrystaliczna warstwa azotkowa zawiera również pierwiastki takie jak Ni, Cr, Co, Ti, Fe, Al, Si lub Mn.

Azotkowe półprzewodnikowe urządzenia laserowe mogą być produkowane na podłożu azotkowym. Mogą być również wytwarzane na podłożach wieloskładnikowych, na przykład takich, w których na płytce wykonanej z szafiru, spinelu. ZnO, SiC lub Si - po odpowiedniej obróbce - przynajmniej na jednej stronie takiej płytki wytworzona została monokrystaliczna warstwa azotkowa. W przypadku każdego z tych materiałów, monokrystaliczna warstwa azotkowa może być wytworzona w wyniku bocznego narastania. Z uwagi na zastosowanie metody krystalizacji w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, zaleca się użycie podłoża z półprzewodnika azotkowego. W przypadku azotkowych półprzewodnikowych urządzeń laserowych, w których zastosowano podłoże innego rodzaju (o składzie odmiennym od składu warstwy pokrywającej zwierciadło rezonatora), w trakcie procesu materiał podłoża może ulegać reakcji z nadkrytycznym roztworem amoniakalnym. Składniki podłoża zostaną wtedy wprowadzone do środowiska nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, doprowadzając do zanieczyszczenia wytwarzanej monokrystalicznej azotkowej warstwy okna.

Dlatego też zaleca się, aby przed przystąpieniem do pokrywania zwierciadła rezonatora monokrystaliczną warstwą okna z azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, pokryć pozostałe powierzchnie odpowiednią warstwą maskującą.

Szczególnie dobre wyniki osiąga się, gdy jako podłoże pierwotne 1 (Fig. 1) zamiast szafiru stosuje się płytkę GaN posiadającą powierzchnie podatne na boczne narastanie krystalicznego azotku galu - CiaN (struktury ELOG).

Kolejne fazy wytwarzania trzech przykładowych rodzajów podłoży (do wytwarzania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według wynalazku metodami epitaksjalnymi) z monokrystaliczną warstwą azotkową wytworzoną w wyniku bocznego narastania, przedstawione zostały na rysunku Fig. 9 do 11.

Jak to przedstawiono na rysunku Fig. 9, powierzchnie 206 podatne na boczne narastanie można utworzyć poprzez częściowe pokrycie azotkowego podłoża pierwotnego 203 warstwą maskującą 204. Nad tą warstwą maskującą 204 wytwarzana jest w wyniku bocznego narastania monokrystaliczna warPL 216 522 B1 stwa azotkowa 207. Dlatego też wskazane jest, by warstw a maskująca 204 nie rozpuszczała się lub ewentualnie bardzo słabo rozpuszczała się w nadkrytycznym roztworze amoniakalnym. Może ona być wykonana na przykład z metalicznego srebra - Ag. Warstwą maskującą można zabezpieczyć także pozostałe - wszystkie lub niektóre - powierzchnie podłoża pierwotnego.

Jak pokazano na rysunku Fig. 10, monokrystaliczna warstwa azotkowa 207 otrzymana w wyniku bocznego narastania, może być też wytworzona na podłożu pierwotnym 203 o powierzchni ukształtowanej w formie pasków 205. W tym przypadku została ona wytworzona na bocznych ścianach 206 pasków 205. Można również prowadzić boczne narastanie tej warstwy na wybranych ścianach bocznych 206.

Jak przedstawiono na Fig. 11, monokrystaliczna warstwa azotkowa 207 może być wytworzona tylko na części podłoża pierwotnego 203. W efekcie, powierzchniowa gęstość dyslokacji warstwy 207 jest istotnie niższa niż gęstość dyslokacji podłoża pierwotnego 203. W tym przypadku podłoże pierwotne 203 zastało częściowo pokryte warstwą maskującą 204, a monokrystaliczna warstwa azotkowa 205 wzrastała od otworów warstwy maskującej 204 w górę i na boki. W rezultacie uzyskano paski z półprzewodnika azotkowego o przekroju poprzecznym przypominającym słupki w kształcie litery T. Po usunięciu warstwy maskującej 204 pozostają wyłącznie owe słupki w kształcie litery T, na których w wyniku bocznego narastania wytworzona zostaje dalsza monokrystaliczna warstwa azotkowa 207.

Aby na podłożu pierwotnym uzyskać warstwę z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym Al_xGa₁._x._yIn_yN, w którym 0<x+y<1,0<x<1 oraz 0<y<1, która mogłaby być wykorzystana do epitaksja lnego wytworzenia azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według wynalazku, zaleca się wytwarzanie w stosunkowo niskiej temperaturze. Jest to możliwe przy zastosowaniu metody krystalizacji w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego opisanej w publikacji nr WO 02/101120. W przypadku wytwarzania korzystnego podłoża dla azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według niniejszego wynalazku - krystalizację pożądanego azotku pierwiastków grupy XIII prowadzi się na powierzchniach rozmieszczonych na podłożu pierwotnym, podatnych na boczne narastanie azotków. W tych warunkach możliwe jest wytworzenie - w wyniku bocznego narastania, na odpowiednio ukształtowanym, opisanym wyżej podłożu pierwotnym monokrystalicznej warstwy azotkowej w temperaturze niższej niż 600°C, a korzystnie niższej niż 550°C. Realizacja metody krystalizacji w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, w typowym autoklawie wysokociśnieniowym powoduje, że uzyskana w wyniku bocznego narastania monokrystaliczna warstwa azotkowa zawiera również pierwiastki takie jak Ni, Cr, Co, Ti, Fe, Al, Si oraz Mn. Zaleca się, by grubość monokrystalicznej warstwy azotkowej otrzymanej w wyniku bocznego narastania była wyższa niż 1 μm.

Warstwy okna osadzone zgodnie z obecnym wynalazkiem mają zarówno wysoką jakość, jak i pożądaną grubość. Takie warstwy mogą mieć powierzchniową gęstość dyslokacji niższą niż 10⁶/cm² oraz szerokość połówkową (FWHM) refleksu rentgenowskiego od płaszczyzny (0002) równą 50 arcsec lub mniej.

Na skutek warunków sposobu formowania, warstwa okna z monokrystalicznego azotku zawierającego gal może zawierać pierwiastki (metale) alkaliczne, zwykle w ilości wyższej niż około 0,1 ppm. Zwykle pożądane jest utrzymanie zawartości pierwiastków alkalicznych poniżej 10 ppm.

Warstwa okna z monokrystalicznego azotku zawierającego gal może dodatkowo zawierać śladowe ilości Ti, Fe, Co, Cr oraz Ni wprowadzone podczas procesu wytwarzania, na skutek korozji autoklawu w warunkach procesu. Takie śladowe zanieczyszczenia nie wpływają niekorzystnie na właściwości otrzymanej warstwy okna.

Generalnie, chlorowce nie są składnikami wprowadzanymi specjalnie do warstwy okna z monokrystalicznego azotku zawierającego gal według obecnego wynalazku. Jednakże, jest również możliwe, że chlorowce występują w tej warstwie. Zwykle pożądane jest aby poziom zawartości chlorowców w azotku zawierającym gal utrzymać na poziomie około 0,1 ppm lub poniżej tej wartości.

Warstwę okna na emitującym promieniowanie zwierciadle rezonatora azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego według wynalazku osadza się w sposób obejmujący rozpuszczanie materiału źródłowego zawierającego pierwiastki Grupy XIII w nadkrytycznym rozpuszczalniku oraz krystalizację azotku zawierającego gal na powierzchni zwierciadła rezonatora, gdzie przesycenie nadkrytycznego roztworu względem azotku zawierającego gal osiąga się przez zmiany warunków temperatury i/lub ciśnienia. W korzystnym przykładzie realizacji, warstwę taką osadza się w sposób obejmujący rozpuszczanie galowego materiału źródłowego w nadkrytycznym rozpuszczalniku oraz krystaliza8

PL 216 522 B1 cję azotku galu na powierzchni zwierciadła rezonatora w temperaturze wyższej i/lub pod ciśnieniem niższym niż w procesie rozpuszczania.

Typowo, rozpuszczalnik nadkrytyczny zawiera amoniak i/lub jego pochodne oraz zawiera jony pierwiastków Grupy I - co najmniej jony litu lub sodu, materiał źródłowy składa się zasadniczo z azotku zawierającego gal i/lub jego prekursorów wybranych z grupy obejmującej azydki, imidki, amido-imidki, amidki, wodorki, związki metaliczne i stopy zawierające gal, jak również metaliczne pierwiastki Grupy XIII, zwłaszcza metaliczny gal.

W obecnym sposobie, w którym osadzana jest warstwa okna według wynalazku z monokrystalicznego azotku, krystalizacja azotku zawierającego gal zachodzi w autoklawie, w temperaturach w zakresie od 100°C do 800°C oraz pod ciśnieniem od 10 MPa do 1000 MPa i przy stosunku molowym jonów pierwiastków Grupy I do rozpuszczalnika wynoszącym zwykle nie więcej niż 1 : 2, w przeliczeniu moli jonów tych metali na ilość moli rozpuszczalnika (stosunek molowy). W korzystnym przykładzie realizacji stężenie to jest nie wyższe niż 1 : 5, korzystnie nie wyższe niż 1 : 20 (moli jonów metalu alkalicznego do moli użytego rozpuszczalnika).

Jako źródło jonów metali alkalicznych stosuje się metale alkaliczne lub związki metali alkalicznych, z wyłączeniem związków zawierających chlorowce. Wzrost warstwy okna z monokrystalicznego azotku zawierającego gal kontrolowany jest poprzez regulację temperatury i ciśnienia w etapie rozpuszczania oraz temperatury i ciśnienia etapu krystalizacji. Etap krystalizacji wymaga temperatury w zakresie 400°C do 600°C.

Zgodnie z obecnym wynalazkiem warstwa okna z monokrystalicznego azotku zawierającego gal podlega wykrystalizowaniu w autoklawie z dwoma odrębnymi strefami - strefą rozpuszczania oraz strefą krystalizacji, z różnicą temperatur pomiędzy tymi dwoma strefami podczas krystalizacji nie większą niż 150°C, korzystnie nie większą niż 100°C. Regulację przesycenia roztworu nadkrytycznego w stosunku do azotku zawierającego gal w strefie krystalizacji autoklawu z dwoma odrębnymi strefami oraz uprzednio ustaloną różnicę temperatur pomiędzy tymi dwoma strefami osiąga się regulując transport chemiczny (masy) pomiędzy obu strefami poprzez zastosowanie przegrody lub przegród rozdzielających obie strefy i/lub poprzez wykorzystanie materiału źródłowego zawierającego gal w formie kryształów azotku zawierającego gal o większym polu powierzchni całkowitej niż całkowite pole powierzchni zwierciadła rezonatora, na którym osadzana jest warstwa okna.

Korzystnie, etap rozpuszczania oraz etap krystalizacji są prowadzone - przynajmniej częściowo - jednocześnie w tym samym autoklawie. W takim przykładzie realizacji ciśnienie jest praktycznie jednolite w całym reaktorze, podczas gdy różnica temperatur pomiędzy strefą rozpuszczania i strefą krystalizacji powinna wynosić co najmniej 1 °C, a korzystnie od 5°C do 150°C. Ponadto, różnicę temperatur pomiędzy strefą rozpuszczania i strefą krystalizacji należy regulować tak aby zapewnić w autoklawie transport chemiczny w roztworze nadkrytycznym, który zachodzi przez konwekcję.

W obecnym wynalazku w charakterze materiału źródłowego można stosować wiele materiałów zawierających pierwiastek lub pierwiastki Grupy XIII, zwłaszcza gal, rozpuszczalnych w rozpuszczalniku nadkrytycznym w warunkach zgodnych z obecnym wynalazkiem. Typowo, materiałem zawierającym gal będzie substancja lub mieszanina substancji zawierających co najmniej gal oraz ewentualnie metale alkaliczne, inny pierwiastek lub inne pierwiastki Grupy XIII, azot i/lub wodór, takie jak pierwiastki Grupy XIIl i związki międzymetaliczne, wodorki, amidki, imidki, amido-imidki, azydki. Odpowiedni materiał źródłowy zawierający gal może być wybrany z grupy, którą stanowi azotek galu - GaN, azydki takie jak Ga(N3)3, imidki takie jak Ga2(NH)3, amido-imidki takie jak Ga(NH)NH2, amidki takie jak Ga(NH2)3, wodorki takie jak GaH3, stopy zawierające gal, gal metaliczny oraz ich mieszaniny. Korzystny materiałem źródłowym jest metaliczny gal, azotek galu oraz ich mieszaniny. Najkorzystniej, materiałem źródłowym jest gal metaliczny lub azotek galu. Jeśli do kryształów azotku zawierającego gal mają być włączone inne pierwiastki z Grupy XIII, można stosować odpowiednie związki lub związki mieszane zawierające Ga oraz inne pierwiastki z Grupy XIII. Jeśli podłoże ma zawierać substancje domieszkujące lub inne dodatki, ich prekursory można dodać do materiału źródłowego.

Postać materiału źródłowego nie ma szczególnego znaczenia i materiał ten może być w formie jednego lub kilku kawałków lub w postaci proszku. Jeśli materiał źródłowy ma postać proszku należy zadbać aby poszczególne jego cząstki nie były transportowane ze strefy rozpuszczania do strefy krystalizacji, gdzie mogą powodować niekontrolowaną krystalizację. Korzystnie, materiał źródłowy ma postać jednego lub kilku kawałków, a pole powierzchni materiału źródłowego jest większe niż pole powierzchni zarodka krystalizacyjnego.

PL 216 522 B1

Rozpuszczalnik zawierający azot wykorzystywany w obecnym wynalazku musi być zdolny do tworzenia nadkrytycznego płynu, w którym gal może ulegać rozpuszczeniu w obecności jonów metali alkalicznych. Korzystnie rozpuszczalnikiem takim jest amoniak, jego pochodne lub ich mieszaniny.

Przykładem odpowiedniej pochodnej amoniaku jest hydrazyna. Najkorzystniej rozpuszczalnikiem jest amoniak. Aby obniżyć ryzyko korozji reaktora i uniknąć reakcji ubocznych, korzystnie do reaktora nie wprowadza się w sposób celowy chlorowców, przykładowo w postaci halogenków. Chociaż ślady chlorowców można wprowadzić do układu w postaci nieuniknionych zanieczyszczeń materiałów wyjściowych, należy dbać o utrzymanie ilości chlorowców na możliwie najniższym poziomie. Dzięki wykorzystaniu rozpuszczalnika zawierającego azot, takiego jak amoniak, nie jest konieczne wprowadzanie związków azotkowych jako materiału źródłowego.

Okazało się, że także inne związki galu, a nawet metaliczny gal mogą stanowić źródło kompleksów galu z amoniakiem. Przykładowo, kompleksy galu można wprowadzić do rozpuszczalnika o wyżej podanym składzie wychodząc z najprostszej substancji wyjściowej, to znaczy z metalicznego galu. Dzięki wykorzystaniu właściwej zmiany warunków (przykładowo podwyższenie temperatury) uzyskuje się wytwarzenie przesyconego roztworu azotku galu i może zachodzić krystalizacja na zarodku.

Rozpuszczalność materiału źródłowego, to znaczy galu i odpowiednich pierwiastków Grupy XIII i/lub ich związków, można istotnie poprawić przez obecność co najmniej jednego rodzaju składnika zawierającego metal alkaliczny jako środek wspomagający rozpuszczanie (mineralizator). Lit lub mieszanina litu i sodu stanowią korzystne źródło metali alkalicznych. Mineralizator można dodać do rozpuszczalnika nadkrytycznego w postaci pierwiastkowej lub w postaci związku metalu alkalicznego. Generalnie, wybór mineralizatora zależny jest od rozpuszczalnika wykorzystywanego w procesie.

Jeśli mineralizator ma postać związku, korzystnie związkiem tym jest wodorek metalu alkalicznego taki jak MH, azotek metalu alkalicznego taki jak M3N, amidek metalu alkalicznego taki jak MNH2, imidek metalu alkalicznego taki jak M2NH lub azydek metalu alkalicznego taki jak MN3 (gdzie M oznacza metal alkaliczny). Stężenie mineralizatora nie jest w szczególny sposób ograniczone i może być dobrane tak aby zapewnić właściwe poziomy rozpuszczalności materiału źródłowego (materiału wyjściowego), zarodka krystalizacyjnego i azotku zawierającego gal (uzyskiwanego produktu). Zwykle nie przekracza ono wartości 1 : 2, wyrażającej ilość moli jonów metalu alkalicznego na ilość moli rozpuszczalnika (stosunek molowy). W korzystnym przykładzie realizacji stężenie mineralizatora nie przekracza 1 : 5. korzystniej wynosi nie więcej niż 1 : 20 (moli jonów metali alkalicznych na ilość moli rozpuszczalnika).

Obecność metalu alkalicznego w procesie może prowadzić do obecności pierwiastków z grupy metali alkalicznych w otrzymywanej w tym procesie warstwie okna z monokrystalicznego azotku. Możliwe jest, że ilość pierwiastków z grupy metali alkalicznych będzie wyższa niż około 0,1 ppm, a nawet wyższa niż 10 ppm. Jednakże, w takich ilościach metale alkaliczne nie wpływają negatywnie na właściwości monokryształów. Stwierdzono, że nawet przy zawartości metali alkalicznych na poziomie 500 ppm, eksploatacyjne parametry uzyskanej warstwy okna według wynalazku z monokrystalicznego azotku są nadal zadowalające.

Rozpuszczony materiał źródłowy krystalizuje w etapie krystalizacji w warunkach niskiej rozpuszczalności na emitującym promieniowanie zwierciadle rezonatora azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego umieszczonego w autoklawie.

Korzystnie, warstwa okna z azotku zawierającego gal składa się zasadniczo z GaN, GaAlN lub AlN.

Staranne dobranie kombinacji wyżej omówionych parametrów sposobu pozwala na uzyskanie dobrej jakości warstwy okna z azotku zawierającego gal. W zależności od czasu trwania procesu i wymiarów stosowanego autoklawu można osiągnąć pożądaną grubość warstwy okna, przekraczającą 50 A.

Dzięki dobrej jakości krystalicznej, uzyskana warstwa okna według wynalazku, z azotku zawierającego gal, wyraźnie poprawia żywotność i trwałość azotkowych półprzewodnikowych urządzeń laserowych, zwłaszcza laserów azotkowych oraz azotkowych diod laserowych.

W dalszej części przedstawiony zostanie szczegółowy opis przykładów realizacji obecnego wynalazku.

Azotkowy laser półprzewodnikowy według wynalazku uwidoczniony został w przekroju na załączonym rysunku Fig. 1. Na podłożu w formie płytki szafirowej lub podłożu z azotki zawierającego gal 1 osadzono azotkowe warstwy półprzewodnikowe typu n 2 i azotkowe warstwy półprzewodnikowe typu p 4. Między nimi znajduje się obszar czynny 3 w formie wielostudni kwantowej z półprzewodnika azotkowego

PL 216 522 B1 zawierającego In. Azotkowe warstwy półprzewodnikowe typu n 2 składają się z warstwy podkontaktowej typu n 21, warstwy zapobiegającej pęknięciom 22, warstwy okładkowej (emitera) typu n 23 oraz warstwy falowodowej typu n 24. Azotkowe warstwy półprzewodnikowe typu p 4 składają się z warstwy ograniczającej 41, warstwy falowodowej typu p 42, warstwy okładkowej (emitera) typu p 43 oraz warstwy podkontaktowej typu p 44.

W powyższej strukturze, rezonator lasera azotkowego zbudowany jest z wyżej wymienionego obszaru czynnego 3. warstw falowodowych typu n 24 i typu p 42 oraz z warstwy ograniczającej 41. Zwierciadło rezonatora emitujące promieniowanie pokryte jest monokrystaliczną warstwą 5 z azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN. Nałożenie analogicznej warstwy również na zwierciadło rezonatora od strony odbijającej promieniowanie umożliwia ograniczenie jej uszkodzeń wywołanych absorpcją odbijanego promieniowania.

Kolejne fazy produkcji azotkowego lasera półprzewodnikowego zilustrowane zostały na schematycznym rysunku Fig. 2. I tak, na podłożu w formie płytki szafirowej 1 osadzona jest wytwarzana w niskich temperaturach warstwa buforowa 11, na której następnie osadzane są kolejno jedna po drugiej: azotkowa warstwa półprzewodnikowa typu n 2, obszar czynny 3 i azotkowa warstwa półprzewodnikowa typu p 4.

Uzyskaną azotkową strukturę półprzewodnikową poddaje się trawieniu, w wyniku którego odsłonięte zostają zwierciadła rezonatora (Fig. 2-B). Odsłonięte zwierciadła rezonatora pokrywa się monokrystaliczną warstwą azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. W tym celu podłoże ze strukturą laserową umieszcza się w autoklawie wysokociśnieniowym wraz z materiałem źródłowym, niezbędnym do wytworzenia monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN i z mineralizatorem. Autoklaw zamyka się i wypełnia ciekłym amoniakiem. Roztwór wprowadza się w stan nadkrytyczny poprzez odpowiednią regulację temperatury i ciśnienia.

W tym przypadku krystalizacja monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN następuje na strukturze laserowej (Fig. 2-B) uzyskanej przez naniesienie na podłoże 1 kolejno: azotkowej warstwy półprzewodnikowej typu n 2, obszaru czynnego 3 i azotkowej warstwy półprzewodnikowej typu p 4. Struktura ta stanowi odpowiednik zarodka krystalizacyjnego, o którym mowa w cytowanej publikacji nr WO 02/101120. Zamiast niej stosować można też struktury, z których usunięto wszystkie warstwy inne niż azotkowe, jak przykładowo szafir (Fig. 3). Można zastosować również struktury laserowe z rezonatorem, w którym tylko zwierciadło odbijające promieniowanie pokryte zostało warstwą maskującą 6 (Fig. 4) lub też struktury z rezonatorem, których wszystkie powierzchnie oprócz zwierciadła emitującego promieniowanie pokryte zostały warstwą maskującą 6 (Fig. 5), czy wreszcie struktury, w których warstwą maskującą 6 pokryto wyłącznie odsłonięte powierzchnie warstwy szafirowej 1 (Fig. 6). Wyżej wymieniona warstwa maskująca 6 może być wytworzona z materiału, który albo nie ulega trawieniu w nadkrytycznym roztworze amoniakalnym albo też - jeśli ulega trawieniu - nie stanowi on niepożądanej domieszki w osadzanej warstwie okna z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN. Przykładowo metaliczne srebro Ag, może być wykorzystane jako materiał tego typu.

W wyniku wysokociśnieniowej reakcji w autoklawie, na odsłoniętych powierzchniach półprzewodnikowej azotkowej struktury laserowej następuje osadzanie monokrystalicznej warstwy azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN (Fig. 2-C).

Wskazana wyżej metoda wytwarzania monokrystalicznej warstwy azotkowej w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego oparta jest na wykorzystaniu ujemnego temperaturowego współczynnika rozpuszczalności związków o wyżej określonym wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN w nadkrytycznym rozpuszczalniku amoniakalnym oraz jony metali alkalicznych.

Ujemny temperaturowy współczynnik rozpuszczalności oznacza, że określony azotek wykazuje niższą rozpuszczalność w zakresie wysokich temperatur, a wyższą - w niskich temperaturach. Gdy więc wytworzy się w autoklawie strefy wyższych i niższych temperatur, to w strefie niższych temperatur wystąpi rozpuszczanie azotku, zaś w strefie wyższych temperatur - jego krystalizacja. W wyniku wytworzonej konwekcji pomiędzy strefą niższych oraz strefą wyższych temperatur, w komorze reakcyjnej w strefie wyższych temperatur utrzymywane jest odpowiednie przesycenie roztworu, przez co dokonuje się selektywny wzrost azotków na zarodkach.

Struktura laserowa zostaje zatem umieszczona w strefie wyższych temperatur (w strefie krystalizacji), a materiał źródłowy w strefie niższych temperatur autoklawu (w strefie rozpuszczania). W strefie rozpuszczania następuje rozpuszczanie materiału źródłowego. W całym układzie, na skutek różnicy temperatur wytwarzany jest konwekcyjny przepływ masy. w wyniku którego rozpuszczony materiał

PL 216 522 B1 źródłowy jest transportowany do strefy wyższych temperatur. Z uwagi na niższą rozpuszczalność w wyższych temperaturach, nadkrytyczny roztwór staje się przesycony w strefie krystalizacji, w rezultacie czego rozpuszczony materiał źródłowy ulega krystalizacji na umieszczonej w tej strefie strukturze laserowej. W wyniku tak rozumianej krystalizacji powstaje warstwa okna z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, będąca istotnym elementem niniejszego wynalazku. Ponadto, cechą charakterystyczną tej metody w porównaniu z metodami wytwarzania warstw azotkowych z fazy gazowej w temperaturze ponad 900°C, jest fakt, iż pozwala ona na wytwarzanie monokrystalicznych warstw azotkowych w temperaturach znacząco niższych niż 800°C, korzystnie w temperaturach niższych niż 600°C, a najkorzystniej niższych niż 550°C. Dzięki temu w strukturze laserowej umieszczonej w strefie wyższych temperatur nie dochodzi do termicznej degradacji obszaru czynnego z półprzewodnika azotkowego zawierającego In.

W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, jako materiał źródłowy można stosować GaN lub jego prekursor. GaN może być stosowany w formie płytek uzyskanych metodami wzrostu z fazy gazowej, jak przykładowo HVPE (Halide Vopor Phase Epitaxy) czy MOCVD (Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition), lub też metodą krystalizacji na zarodkach w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. Jako prekursor azotku galu można stosować związki wybrane spośród azydku galu, amidku galu, metalicznego galu lub ich mieszanin.

W metodzie krystalizacji w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, jako mineralizator stosowane mogą być metale alkaliczne, jak Li, Na, K, Rb, Cs lub związki metali alkalicznych, takie jak wodorki, amidki, imidki, amido-imidki, azotki lub azydki.

Zgodnie z wynalazkiem zaleca się, by grubość warstwy okna 5 z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN była większa niż 50 angstremów. Jeśli jej grubość jest mniejsza niż 50 angstremów, mniejszy będzie także efekt wyrównywania wytrawionej powierzchni. Z kolei z drugiej strony, górny limit grubości zależy od zdolności produkcyjnych wytwórcy.

Ponadto, zgodnie z obecnym wynalazkiem, warstwa okna 5 z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym Al_xGa_1-x-yIn_yN wytwarzana jest korzystnie na powierzchni pasków i zwierciadeł oraz na powierzchni warstwy podkontaktowej typu n 21, przy czym zaleca się powstrzymać przyrost warstwy 5 powstającej na powierzchni warstwy podkontaktowej typu n 21 na poziomie poniżej 2 μm, aby nie wypełniła ona paskowego obszaru czynnego.

Dla poprawy efektu wyrównania zapewnianego przez warstwę okna 5, zaleca się zgodnie z obecnym wynalazkiem niższą zawartość Al w monokrystalicznej warstwie azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN. Tym niemniej, aby poprawić działanie struktury okna, niewielka zawartość Al jest pożądana. Dlatego też zawartość Al nie powinna być zerowa, a warstwę okna 5 powinien korzystnie stanowić azotek o wzorze Al_xGa_1-xN.

Wytwarzając warstwę okna 5 na wytrawionych bocznych powierzchniach pasków i na zwierciadłach rezonatora, można doprowadzić je do stanu wysokiej gładkości. Innymi słowy, bezpośrednio po wytrawieniu powierzchnie pasków i zwierciadła mają powierzchnie o stosunkowo dużych nierównościach, a wytworzenie na nich warstwy okna 5 powoduje wypełnienie nierówności i wygładzenie powierzchni. Ponadto, warstwa okna 5 może być powłoką jednorodną, ale może się też składać z kilku warstw różniących się składem, zwłaszcza zawartością Al.

Po wytworzeniu warstwy okna 5, podzespół poddawany jest dalszej typowej obróbce mającej na celu utworzenie grzbietów (ridge), które następnie pokrywane są warstwą wypełniającą 70 z ZrO₂. W szczytowej części grzbietów osadza się elektrodę typu p 80 tak, aby stykała się z warstwą podkontaktową typu p 43 z zapewnieniem kontaktu omowego. Następnie, na powierzchni warstwy podkontaktowej typu n 21 tworzy się elektrody typu n 90, ułożone równolegle do elektrod typu p. W dalszej kolejności wytwarzane są pola kontaktowe typu p 110 i typu n 120. Ponadto tworzy się powłokę izolacyjną z SiO₂/TiO₂, która pokrywa cały element oprócz elektrody typu p i elektrody typu n - i dzięki naprzemiennemu ułożeniu warstw z SiO2 i TiO2 pełni przy pobudzaniu lasera funkcję warstwy odbijającej promieniowanie 100. Na koniec, z płytki wycinane są poszczególne laserowe diody półprzewodnikowe. Tak otrzymuje się gotowe azotkowe laserowe urządzenie półprzewodnikowe (Fig. 1).

Zwierciadła emitujące promieniowanie azotkowych półprzewodnikowych urządzeń laserowych innych typów niż rodzaje opisane wyżej mogą być pokryte w taki sam sposób warstwami okien z monokrystalicznych azotków w taki sam sposób.

Obecny wynalazek jest dodatkowo bliżej objaśniony w poniższych przykładach. służących jedynie ilustracji. Wynalazek nie jest jednak ograniczony wyłącznie do poniższych przykładów.

PL 216 522 B1

P r z y k ł a d 1

Najpierw w komorze reaktora MOCVD umieszcza się płytkę szafirową 1 o średnicy 5,08 cm (2 cale) i o powierzchni zorientowanej zasadniczo prostopadle do osi c. Temperaturę ustala się na 510°C. W charakterze gazu nośnego stosuje się wodór, a gazowymi substratami reakcji są: amoniak i TMG (trimetylogal). Na płytce szafirowej, w warunkach wzrostu niskotemperaturowego, formuje się warstwę buforową 11 z GaN o grubości 200 angstremów.

Na warstwie buforowej, osadza się kolejno następujące warstwy:

(1) warstwę kontaktową o grubości 4 μm z GaN typu n, domieszkowanego Si na poziomie

3x10¹⁸/cm³, (2) warstwę zapobiegającą pęknięciom o grubości 1,5 μm z niedomieszkowanego In_0]06Ga_0]94N, (3) warstwę okładkową typu n, w formie supersieci o łącznej grubości 1,2 μm. utworzoną przez naprzemienne osadzanie warstw z niedomieszkowanego Inl0,1Ga0,9N o grubości 25 angstremów oraz 19 3 warstw z GaN typu n, domieszkowanego Si na poziomie 1 x 10¹⁹/cm³, (4) warstwę falowodową typu n o grubości 0,2 μm z niedomieszkowanego GaN, (5) obszar czynny o łącznej grubości 380 angstremów w formie studni kwantowej o strukturze naprzemiennie osadzonych warstw barierowej i studniowej, przy czym warstwę barierową stanowi warstwa In0,05Ga0,95N o grubości 100 angstremów, a warstwę studniową - warstwa z niedomieszkowanego In0,1Ga0,9N o grubości 40 angstremów, (6) warstwę ograniczającą typu p o grubości 300 angstremów z Al0,3Ga0,7N typu p, domieszko20 3 wanego Mg na poziomie 1 x 10²⁰/cm³, (7) warstwę falowodową o grubości 0,2 μm z niedomieszkowanego GaN typu p, (8) warstwę okładkową typu p w formie supersieci o łącznej grubości 0,6 μm, utworzoną przez naprzemienne osadzanie warstw niedomieszkowanego In0,16Ga0,84N o grubości 25 angstremów oraz warstw niedomieszkowanego GaN o grubości 25 angstremów, (9) warstwę podkontaktową typu p o grubości 150 angstremów, z GaN typu p, domieszkowane20 3 go Mg na poziomie 1 x 10²⁰/cm³.

Po osadzeniu powyższych warstw, uzyskane podłoże z azotkową strukturą półprzewodnikową poddaje się wygrzewaniu w urządzeniu MOCVD w atmosferze azotu, w temperaturze 700°C, co dodatkowo obniża oporność azotkowej warstwy półprzewodnikowej typu p.

Po wygrzewaniu, wyjmuje się podłoże z reaktora i wytwarza się na powierzchni najwyżej położonej warstwy podkontaktowej typu p warstwę maskującą w postaci pasków z SiO2. Następnie metodą trawienia jonowego (RIE) wytwarza się równoległe struktury laserowe w formie pasków, odsłaniając przez to zwierciadła rezonatora oraz powierzchnię warstwy podkontaktowej typu n. Utworzoną na powierzchni najwyżej położonej warstwy podkontaktowej typu p warstwę maskującą z SiO2 usuwa się metodą mokrego trawienia.

Następnie, podłoże z osadzoną na nim strukturą laserową umieszcza się w autoklawie wysoko₃ ciśnieniowym o objętości około 36 cm³ wraz z materiałem źródłowym w postaci płytek z GaN (około 0,5 g) otrzymanych metodą HVPE oraz z mineralizatorem w postaci metalicznego Li (około 0,036 g) o czystości 3 N.

Po napełnieniu amoniakiem (około 14,7 g), następuje szczelne zamknięcie autoklawu wysokociśnieniowego i jego rozgrzanie w piecu dwustrefowym, przy czym maksymalna temperatura wewnątrz autoklawu nie przekracza 550°C. Komora reakcyjna autoklawu podzielona jest na dwie strefy: strefę krystalizacji i strefę rozpuszczania. W strefie krystalizacji (o temperaturze około 550°C) umiejscowione jest podłoże z naniesioną strukturą laserową, zaś w strefie rozpuszczania (o temperaturze około 450°C) znajduje się materiał źródłowy w postaci płytek z GaN. Szczelnie zamknięty autoklaw utrzymywany jest w niezmiennych warunkach termicznych przez 3 dni (Fig. 7).

W podanych warunkach, w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, na bocznych ścianach pasków oraz na odkrytych powierzchniach warstwy podkontaktowej typu n i warstwy podkontaktowej typu p osadzana jest pożądana monokrystaliczna warstwa azotku galu GaN 5 o grubości około 1 μm.

Po utworzeniu na zwierciadle rezonatora warstwy 5 z monokrystalicznego GaN, usuwa się przez trawienie monokrystaliczny GaN osadzony na powierzchni najwyżej położonej warstwy podkontaktowej typu p. Następnie, odsłoniętą powierzchnię warstwy podkontaktowej typu p pokrywa się warstwą maskującą w formie pasków z SiO₂ o szerokości 1,5 μm i - kontynuuje się trawienie w głąb warstwy okładkowej typu p aż do utworzenia grzbietów (ridge) na części paskowej. Trawienie prowadzi się do momentu, aż po obu stronach grzbietów grubość warstwy okładkowej typu p wyniesie 0,1 μm.

PL 216 522 B1

W ten sposób powstaje część grzbietowa o szerokości 1,5 μm.

Następnie, stosując metodę rozpylania jonowego (sputtering), tworzy się powłokę z ZrO2 o grubości 0,5 μm tak, by pokrywała powierzchnie pasków od górnej powierzchni warstwy maskującej z SiO2.

W wyniku tej obróbki cieplnej, na górnej powierzchni pasków, na bocznych ścianach grzbietów i na powierzchni warstwy okładkowej typu p położonej po obu stronach grzbietów, wytworzona zostaje wypełniająca warstwa ochronna 70 w postaci powłoki z ZrO₂. Powłoka ta pozwala ustabilizować mod boczny w chwili w zbudzania lasera.

Następnie, na warstwie podkontaktowej typu p wytwarzana jest elektroda typu p 80 w postaci Ni/Au tak, by powstał kontakt omowy, a na warstwie podkontaktowej typu n - elektroda typu n 90 w postaci Ti/Al. Potem płytka półprzewodnikowa z tak przygotowanymi strukturami laserowymi poddawana jest obróbce cieplnej w temperaturze 600°C. Następnie, na elektrody typu p 80 i typu n 90 nakładane są odpowiednie pola kontaktowe w postaci Ni(1000 A)-Ti(1000 A)-Au(8000A). Po utworzeniu powierzchni odbijającej promieniowanie 100 w postaci warstw z SiO₂ i TiO₂, z płytki podłożowej wycina się gotowe azotkowe lasery półprzewodnikowe.

Tak uzyskane azotkowe lasery półprzewodnikowe wyposażane są w ciepłowód (heat sink). Dzięki podniesieniu progu wystąpienia COD (Catastrophic Optical Damage) w wyniku pokrycia zwierciadła rezonatora monokrystaliczną warstwą azotkową 5 obserwuje się, że po wzbudzeniu lasera w trybie pracy ciągłej - przy gęstości prądu progowego 2,0 kA/cm², mocy wyjściowej 100 mW i długości fali światła 405 nm - średni czas życia lasera ulega znacznemu wydłużeniu w porównaniu z analogicznymi laserami bez takiej warstwy monokrystalicznej.

P r z y k ł a d 2

W obecnym przykładzie 2, warstwą z monokrystalicznego GaN pokrywa się wyłącznie zwierciadło rezonatora emitujące promieniowanie. Natomiast pozostałe etapy produkcji lasera przeprowadza się tak jak w przykładzie 1. Tak wytworzony element laserowy również wyposażono w ciepłowód. Po₂ dobnie jak w przykładzie 1, średni czas życia lasera przy gęstości prądu progowego 2,0 kA/cm² mocy wyjściowej 100 mW i długości fali światła 405 nm uległ wydłużeniu.

P r z y k ł a d 3

W obecnym przykładzie 3, po utworzeniu warstwy buforowej na płytce szafirowej, metodą HVPE osadzono warstwę GaN o grubości 100 μm. Następnie, tak samo jak w przykładzie 1, utworzono azotkową warstwę półprzewodnikową typu n, obszar czynny i azotkową warstwę półprzewodnikową typu p. Następnie usunięto szafir, uzyskując w ten sposób jednorodne podłoże z GaN. W kolejnych etapach, tak jak w przykładzie 1, odsłonięto zwierciadła rezonatora i pokryto je warstwą z monokrystalicznego GaN o grubości 0,5 μm wykrystalizowaną w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. W przypadku tak zbudowanego azotkowego lasera półprzewodnikowego można oczekiwać takiej samej poprawy parametrów, jak w przykładzie 1.

P r z y k ł a d 4

Postępowano jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że płytkę szafirową pokryto powłoką z metalicznego srebra - Ag. W pozostałych punktach produkcja lasera przebiegała analogicznie jak w przykładzie 1.

P r z y k ł a d 5

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że stosuje się inny mineralizator aby otrzymać warstwę okna 5 z monokrystalicznego azotku galu (GaN), osadzaną na drodze rekrystalizacji z nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. Zamiast metalicznego litu, do autoklawu wprowadza się azydek litu (LiN₃) w ilości 0,13 g. Warstwa okna 5 z azotku galu wytworzona w tym procesie ma grubość około 1 μm.

P r z y k ł a d 6

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że podczas osadzania warstwy okna 5 z monokrystalicznego azotku galu (GaN) jako mineralizator stosuje się mieszaninę metalicznego litu oraz metalicznego sodu metodą rekrystalizacji z nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. Do autoklawu wprowadza się 0,016 g metalicznego litu oraz 0,016 g metalicznego sodu, co daje stosunek molowy Li : Na = 9:1. Warstwa okna 5 z azotku galu osadzona w tym procesie ma grubość około 1 μm.

PL 216 522 B1

P r z y k ł a d 7

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że przy osadzaniu warstwy okna 5 z monokrystalicznego azotku galu (GaN) metodą rekrystalizacji z nadkrytycznego roztworu amoniakalnego stosuje się inny materiał źródłowy. Mianowicie, podłoże z osadzoną na nim strukturą lasero₃ wą umieszcza się w autoklawie wysokociśnieniowym o objętości około 36 cm³ wraz z materiałem źródłowym w postaci metalicznego galu (około 0,6 g) oraz mineralizatorem w postaci metalicznego litu (około 0,018 g) o czystości 3 N.

Po napełnieniu amoniakiem (około 14,5 g) następuje szczelne zamknięcie autoklawu wysokociśnieniowego i jego rozgrzanie w piecu dwustrefowym. Komora reakcyjna autoklawu podzielona jest na dwie strefy: strefę krystalizacji i strefę rozpuszczania. Strefa rozpuszczania zawierająca gal jako materiał źródłowy ogrzewana jest do temperatury około 450°C (z szybkością 2°C/min), podczas gdy strefa krystalizacji, w której umiejscowione jest podłoże z naniesioną strukturą laserową nie jest ogrzewana i temperatura w tej strefie nie jest dużo wyższa niż temperatura pokojowa. W autoklawie utrzymywana jest taka temperatura przez następne 2 dni (Fig. 8), w czasie których materiał źródłowy w postaci metalicznego galu przereagowuje całkowicie do polikrystalicznego GaN. Następnie podwyższa się temperaturę w strefie krystalizacji do 550°C (z szybkością 2°C/min). Autoklaw utrzymuje się w takich warunkach termicznych przez 3 dni (Fig. 8).

Warstwa okna 5 z azotku galu osadzona w tym procesie na bocznych powierzchniach grzbietu i na niezabezpieczonych powierzchniach warstw kontaktowych typu n oraz typu p, ma grubość około 0,8 μm.

P r z y k ł a d 8

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że na drodze rekrystalizacji z nadkrytycznego roztworu amoniakalnego osadza się warstwę okna 5 z monokrystalicznego AlGaN.

W obecnym przykładzie 8, podłoże z osadzoną na nim strukturą laserową umieszcza się w au₃ toklawie wysokociśnieniowym o objętości około 36 cm³ wraz z materiałem źródłowym w postaci płytek z GaN (około 0,25 g) otrzymanych metodą HVPE, jak również czterech kawałków polikrystalicznego AlN (0,83 g) oraz z mineralizatorem w postaci metalicznego Li (około 0,018 g) o czystości 3 N.

Po napełnieniu amoniakiem (około 14,5 g) następuje szczelne zamknięcie autoklawu wysokociśnieniowego i jego rozgrzanie w piecu dwustrefowym, przy czym maksymalna temperatura wewnątrz autoklawu nie przekracza 550°C. Komora reakcyjna autoklawu podzielona jest na dwie strefy: strefę krystalizacji i strefę rozpuszczania. W strefie krystalizacji (o temperaturze około 550°C) umiejscowione jest podłoże z naniesioną strukturą laserową, zaś w strefie rozpuszczania (o temperaturze około 450°C) znajduje się materiał źródłowy. Szczelnie zamknięty autoklaw utrzymywany jest w niezmiennych warunkach termicznych przez 3 dni (Fig. 7).

Monokrystaliczna warstwa okna 5 ma skład Al_0]03Ga_0]97N osadzona w tym procesie została na bocznych powierzchniach grzbietu i na niezabezpieczonych powierzchniach warstw kontaktowych typu n oraz typu p. Warstwa okna 5 ma grubość około 0,9 μm.

P r z y k ł a d 9

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że zamiast płytki szafirowej 1 stosuje się podłoże z azotku zawierającego gal otrzymane w sposób podany niżej, co powoduje lepsze funkcjonowanie epitaksjalnych azotkowych warstw półprzewodnikowych osadzonych w sposób podany w przykładzie 1.

Najpierw na płytce szafirowej 201 o powierzchni zorientowanej prostopadle do osi c, w temperaturze 500°C, z wykorzystaniem wodoru w charakterze gazu nośnego, stosując jako gazowe substraty reakcji amoniak i TMG (trimetylogal) osadza się warstwę buforową 202, a na niej w zwykłej temperaturze wzrostu osadza się metodą MOCVD azotkową warstwę półprzewodnikową typu n 203 (Fig. 10-A). Grubość warstwy buforowej 202 zawiera się w granicach od 50 do 500 angstremów. Nie ma jednakże, żadnych ograniczeń co do grubości kolejnej azotkowej warstwy półprzewodnikowej 203, innych niż wynikające z zastosowanej metody osadzania tej warstwy.

Następnie wskazaną azotkową warstwę półprzewodnikową 203 poddaje się trawieniu aby uzyskać powierzchnię o strukturze równoległych pasków 205 (Fig. 10-B). Z uwagi na fakt, że w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego płytka szafirowa 201 reaguje z tym roztworem wypływając niekorzystnie na jakość monokrystalicznej warstwy azotkowej formowanej w tym środowisku, odsłonięte powierzchnie szafiru 201 powinny być pokryte ochronną warstwą maskującą 204 z materiału, który nie ulega rozpuszczeniu w nadkrytycznym roztworze amoniakalnym, albo - jeśli rozpuszcza się PL 216 522 B1 nie powoduje wprowadzenia niepożądanych domieszek do wytwarzanej monokrystalicznej warstwy azotkowej. Metaliczne srebro stanowi przykład materiału tego rodzaju.

W następnym etapie, na tak przygotowanym podłożu pierwotnym, osadza się monokrystaliczną azotkową warstwę 207 w wyniku bocznego narastania metodą krystalizacji ze środowiska nadkrytycznego roztworu amoniakalnego. W tym celu podłoże pierwotne wprowadza się do wysokociśnieniowego autoklawu, tego samego rodzaju jak stosowany w procesie osadzania warstwy okna 5 w przykładzie 1. Poza podłożem, wprowadza się materiał źródłowy oraz mineralizator do autoklawu, który ma być wykorzystany do wytworzenia monokrystalicznej warstwy azotkowej. Po wprowadzeniu amoniaku do autoklawu, następuje jego szczelne zamknięcie i roztwór przeprowadza się w stan nadkrytyczny poprzez właściwą kontrolę temperatury.

Płytkę azotkową uformowaną w wyniku bocznego narastania krystalicznych azotków stosuje się następnie jako podłoże 1 zamiast płytki szafirowej.

P r z y k ł a d 10

Postępuje się jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że jako podłoże pierwotne stosuje się zamiast szafiru - płytkę z SiC posiadającą powierzchnie podatne na boczne narastanie krystalicznego GaN (struktury ELOG-owe). Struktury ELOG-owe formuje się w sposób opisany w przykładzie 9. Wyniki są porównywalne z wynikami z przykładu 1.

Jak już wyjaśniono i zgodnie z przedstawionymi wyżej przykładami realizacji wynalazku, szczególnie istotną zaletą azotkowych laserów półprzewodnikowych według wynalazku jest poprawa parametrów eksploatacyjnych tych laserów. Zgodnie z wynalazkiem, z przeciwlegle położonych zwierciadeł rezonatora przynajmniej zwierciadło emitujące promieniowanie pokryte jest warstwą okna z monokrystalicznego azotku o wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, osadzoną w temperaturze na tyle niskiej, że nie powoduje uszkodzenia obszaru czynnego z półprzewodnika azotkowego zawierającego In. Dzięki temu możliwe jest poszerzenie przerwy energetycznej w obszarze zwierciadła emitującego promieniowanie. Pozwala to na ograniczenie absorpcji promieniowania przez to zwierciadło i podniesienie progu wystąpienia COD. Dzięki temu wynalazkowi można wytworzyć azotkowe lasery półprzewodnikowe o mocy ponad 100 mW, które cechuje wyższa niezawodność i trwałość.

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe z warstwą okna na emitującym światło zwierciadle rezonatora, posiadające obszar czynny z półprzewodnika azotkowego pomiędzy azotkowymi warstwami półprzewodnikowymi typu n oraz typu p, znamienne tym, że:

   co najmniej emitujące promieniowanie zwierciadło wskazanego rezonatora pokryte jest wskazaną warstwą okna z monokrystalicznego azotku wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, gdzie 0<x+y<1, 0<x<1, a 0<y<1, zwłaszcza azotków o wzorze ogólnym AlxGa1-xN (0<x<1), posiadającego szerszą przerwę energetyczną niż przerwa energetyczna wskazanego obszaru czynnego oraz osadzoną w niskiej temperaturze, tak aby nie spowodować uszkodzenia tego obszaru czynnego.
2. 2. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że grubość warstwy okna na zwierciadle jest większa niż 50 A, oraz jest równa całkowitej wielokrotności długości fali emitowanego światła (πλ).
3. 3. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że warstwa okna z monokrystalicznego AlxGa1-xN (0<x<1) uformowana jest na zwierciadle rezonatora w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego.
4. 4. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 3, znamienne tym, że co najmniej warstwa kontaktowa typu p rezonatora pokryta jest maską.
5. 5. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 3, znamienne tym, że warstwa okna na zwierciadle rezonatora zawiera co najmniej jeden spośród pierwiastków Grupy I.
6. 6. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że obszar czynny rezonatora ma strukturę warstwy (wielo)studni kwantowej, zawierającej co najmniej jedną warstwę studni z InGaN lub warstwę studni z InAlGaN.
7. 7. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według dowolnego jednego zastrzeżenia spośród zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5 albo 6, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na podłożu wybranym z grupy w skład której

   PL 216 522 B1 wchodzą podłoże z GaN, korzystnie podłoże z monokrystalicznego GaN, podłoże szafirowe, podłoże spinelowe, podłoże z ZnO, podłoże z SiC, podłoże typu ELOG oraz podłoże z półprzewodnikiem azotkowym o powierzchni wklęsło-wypukłej.
8. 8. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na płaszczyźnie C, A lub M podłoża z monokrystalicznego azotku galu (GaN).

   8a. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 7, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na płaszczyźnie C, A lub M podłoża z monokrystalicznego azotku galu (GaN).
9. 9. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na płaszczyźnie C podłoża z monokrystalicznego azotku galu (GaN), a warstwa okna na zwierciadle rezonatora osadzona jest na płaszczyźnie M lub A.
10. 10. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na płaszczyźnie A podłoża z monokrystalicznego azotku galu (GaN), a warstwa okna jest osadzona na płaszczyźnie C lub M emitującego promieniowanie zwierciadła rezonatora.
11. 11. Azotkowe półprzewodnikowe urządzenie laserowe według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego jest osadzona na płaszczyźnie M podłoża z monokrystalicznego GaN, a warstwa okna jest osadzona na płaszczyźnie C lub A emitującego promieniowanie zwierciadła rezonatora.
12. 12. Sposób wytwarzania azotkowego półprzewodnikowego urządzenia laserowego posiadającego rezonator obejmujący warstwę aktywną z półprzewodnika azotkowego pomiędzy warstwą półprzewodnika azotkowego typu n oraz warstwą półprzewodnika azotkowego typu p, w którym w pierwszym procesie odsłania się parę przeciwległych zwierciadeł rezonatora prowadząc wytrawianie lub przełamanie struktury urządzenia laserowego, znamienny tym, że

    - w drugim procesie pokrywa się emitujące promieniowanie zwierciadło rezonatora warstwą okna z monokrystalicznego azotku wzorze ogólnym AlxGa1-x-yInyN, w którym 0<x+y<1, 0<x<1 oraz 0<y<1, zwłaszcza azotków o wzorze ogólnym AlxGa1-xN (0<x<1), o przerwie energetycznej szerszej niż przerwa energetyczna obszaru czynnego, w niskiej temperaturze tak aby nie spowodować uszkodzenia tego obszaru czynnego.
13. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że podczas drugiego procesu warstwę okna na zwierciadle rezonatora osadza się w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego.
14. 14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że podczas drugiego procesu warstwę okna na zwierciadle rezonatora osadza się po pokryciu co najmniej górnej powierzchni warstwy podkontaktowej typu p rezonatora warstwą maskującą posiadającą wyższą lub taką samą chemiczną odporność w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego jak materiał warstwy okna na zwierciadle rezonatora podczas drugiego procesu warstwę okna na zwierciadle rezonatora.
15. 15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że maskę wybiera się z grup, którą tworzą SiO2, Si3N4, AlN oraz Ag.
16. 16. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwę okna na zwierciadle rezonatora formuje się przez osadzanie warstwy monokrystalicznego azotku w środowisku nadkrytycznego roztworu amoniakalnego, w temperaturze 800°C lub niższej, korzystnie 600°C lub niższej.