專利名稱：通過具有錯配位錯的部分或完全馳豫氮化鋁銦鎵層的半極性氮化物量子阱中的各向異性 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及生長于調制作用層中的應變由此調制作用層的能帶結構及所發射光的偏振的模板上的光學裝置，例如發光二極管(LED)及激光二極管(LD)。
背景技術：
(注意，本申請案參考如在整個說明書中由括號內的一個或一個以上參考編號 (例如，[X])所指示的若干不同出版物。可在下文標題為“參考文獻”的章節中找到根據所述參考編號排序的所述不同出版物的列表。所述出版物中的每一者以引用方式并入本文中。)在參考文獻[1到3]中，展示出量子阱(QW)中應變的存在可調制QW的能帶結構 (自發發射的偏振及增益)。此是眾所周知的現象(舉例來說，參見W])。通常，具有六方纖維鋅礦晶體結構的半極性氮化物外延層中的應變由于不同的晶格參數a及c (晶格各向異性)而為各向異性的。參考文獻[5]報告以下晶格常數值a(AlN) =3. 112埃，a(GaN) =3. 189 埃，a (InN) = 3. 54 埃，c (AlN) = 4. 982 埃，c (GaN) = 5. 185 埃且 c (InN) = 5. 705 埃。然而，此應變各向異性是由所考慮的外延層與所述所考慮的層相干地生長于其上的襯底之間的晶格常數的差自動確定。因此，在本發明之前，沒有方法控制QW中應變的各向異性。圖1圖解說明在山口(Yamaguchi)的研究[1]中所使用的坐標系，其中X2為c軸投影且θ指示襯底的定向(例如，θ =0對應于c平面襯底)。圖2 (a)到(c)圖解說明未應變QW、厚的應變GaN膜及具有各向同性平面內雙軸應變的壓縮應變QW的平面內發光偏振度的襯底定向相依性。由于薄QW所致的量子局限效應導致平行于X2的發光偏振，如圖 2(a)中所展示。另一方面，壓縮應變導致平行于Xl的發光偏振，如圖2(b)中所展示。圖 3圖解說明GaN襯底上的相干生長的Ina3GaN Qff的平面內發光偏振度的襯底定向相依性。 因此，圖2及3圖解說明由不同應變(例如，各向異性應變)情形產生的不同發光偏振或能帶結構。在圖2及3中所展示的這些計算中，假設晶格常數的差針對a及c晶格參數分別為 3. 3%及 3. 0%。因此，如果可調制應變各向異性，如本發明中所展示，那么LED/LD中的光學特性可高度自由地改變。
發明內容
本發明提供一種用以控制光學/電子裝置的基于半極性氮化物的作用層中應變的各向異性的方法。到目前為止，由于穿過裝置層的位錯導致拙劣裝置性能，因此所有基于氮化物的裝置通常是相干生長而來。基于本發明的發現，錯配位錯(MD)可限于位于遠離裝置層處的區/界面。因此，本發明實現裝置層中的應變控制同時維持高裝置性能/效率。為克服現有技術中的限制，且克服將在閱讀及理解本說明書之后明了的其它限制，本發明揭示用于基于III氮化物的光學裝置的外延結構，其包括形成于111氮化物下伏層(貫穿本揭示內容也稱作底層)上的具有各向異性應變的III氮化物作用層，其中所述下伏層中的晶格常數及應變由于在所述底層下面的異質界面處存在錯配位錯而抵靠襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫，以使得通過所述下伏層調制所述作用層中的所述各向異性應變。所述底層通常沿著所述第一方向馳豫且所述底層通常不沿著垂直于所述第一方向的第二方向馳豫。在一個實施例中，所述襯底為半極性GaN襯底，所述底層沉積或生長在所述GaN襯底的為半極性平面的頂部表面上，所述底層沿著平行于所述底層的平面內c投影的方向馳豫，所述底層不沿著所述底層的m軸方向馳豫，且所述作用層沉積或生長在所述底層的為半極性平面的頂部表面上。舉例來說，所述襯底可為非極性或半極性的，從而產生非極性或半極性裝置。所述MD可經定位以調制所述各向異性應變，以使得所述作用層中的應變具有在所述作用層中的第一方向上的第一應變及所述作用層中的第二方向上的第二應變。所述第一方向可平行于平面內c投影(X2)，所述第二方向可垂直于所述第一方向 (例如，在m軸方向上)，且所述MD可沿著所述第一方向。所述底層可生長于所述襯底上且所述底層中的所述晶格常數及應變可抵靠所述襯底部分或完全馳豫，以使得所述底層中的所述晶格常數變成其自然值而非被約束為與所述襯底的晶格常數相同的值，且所述底層無應變。所述作用層可為AlInGaN Qff或多量子阱(MQW)(例如，非極性或半極性QW)。舉例來說，所述下伏層可為其中h成份> 0的InAKiaN，且所述作用層可包括其中h成份> 20%的InGaN。所述QW可具有一 h成份及厚度使得所述QW發射在綠色光譜區中具有峰值波長的光。所述作用層可包括具有大于3納米的厚度的一個或一個以上QW，且所述MD可經定位以調制所述各向異性應變，以使得由所述QW發射的光具有凈X2偏振。本發明進一步揭示一種制作用于基于III氮化物的光學裝置的外延結構的方法， 其包括在襯底上形成III氮化物底層，以使得下伏層中的晶格常數及應變由于在所述底層下面的異質界面處存在錯配位錯而抵靠所述襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫；及在所述下伏層上形成III氮化物作用層，以使得通過所述下伏層調制或控制所述作用層中的各向異性應變。所述方法可進一步包括通過在所述底層與所述襯底或所述底層下方的層之間形成所述異質界面來形成所述MD，其中所述底層及所述襯底或所述底層及所述層各自具有不同的III氮化物合金成份，且所述錯配位錯局部化在所述異質界面周圍，由此消除所述作用層周圍的層中的所述錯配位錯。所述方法可進一步包括通過在所述襯底上不相干地生長所述底層來形成所述底層，及通過在所述底層上相干地生長所述作用層來形成所述作用層。所述底層下方的額外層可為相干地生長于所述襯底上的另一底層。通過所述底層中的依據所述底層中的方向變化的馳豫度來調制所述各向異性應變，以便(舉例來說)控制所述底層的能帶結構且控制所述作用層的能帶結構。
現在參考圖式，在所有圖式中相同參考編號都代表對應部件圖1圖解說明山口的研究[1]中所使用的坐標系。圖2圖解說明(a)未應變QW、(b)厚應變GaN膜及(c)具有各向同性平面內雙軸應變的壓縮應變QW的平面內發光偏振度的襯底定向相依性，其中0度對應于極性c平面 (0001)定向，而90度對應于非極性a (11-20)及m (10-10)平面定向，且中間角度對應于半極性定向。圖3圖解說明GaN襯底上相干生長的InGaN Qff的平面內發光偏振度的襯底定向相依性。圖4是在g = 01-10衍射條件下在生長于(ll_22)GaN上的GaN/AWaN超晶格(SL) 的下部分的界面周圍拍攝的透射電子顯微鏡(TEM)亮視場圖像，其展示異質界面處的MD， 其中比例尺為100納米(nm)。圖5(a)是[1-100]晶帶軸周圍的TEM圖像，其中可看到包含SL的整個半極性 (11-2 LD裝置外延層(從上部到下部)，且比例尺為0.2微米(ym)，且圖5(b)描繪對應電子束衍射圖案(DP) [6]0圖6(a)到(c)展示前述裝置(圖4、及圖5(a))的不同外延層的TEM圖像，其中 (a)展示100周期p-AWaN/GaN超晶格且還展示IOOnm厚的ρ-GaN，其中超晶格中的p_AWaN 為3nm厚，超晶格中的GaN為2nm厚；(b)具有2周期^iGaN QW的作用區；及(C)QW下面的 n-AlGaN/GaN SL，其中比例尺為 lOOnm。圖7是圖解說明主要在用黑箭頭標記的異質界面處產生且稍微在用虛線箭頭標記的層中找到的MD的TEM圖像，其中比例尺為50nm。圖8(a)是從晶帶軸[2-1-10]拍攝的TEM圖像，其中比例尺為0. 2 μ m，且圖8(b) 描繪對應電子束DP。圖9 (a)是在g = 01-10的情形下拍攝的TEM亮視場圖像，其中由于試樣從[1-100] 傾斜到[2-1-10]，可看到MD為段，其中比例尺為50nm，且圖9(b)描繪對應電子束DP。圖10是對應于本發明實施例的生長于(ll_22)GaN上的外延結構的橫截面示意圖。圖11是根據本發明實施例的生長于(ll_22)GaN上的光學裝置結構的橫截面示意圖。圖12是圖11的光學裝置中的層的俯視圖。圖13是根據本發明的生長于(ll_22)GaN上的裝置的沿著(10-10)平面的橫截面示意圖。圖14是圖13中的裝置的沿著(11-23)平面的橫截面示意圖。圖15是圖解說明本發明的方法的流程圖。圖16圖解說明根據山口 [1]在(11-22)定向的AlInGaN四元合金襯底上的 (a) 2nm、(b) 3nm及(c) IOnrn厚的Ina3GaN Qff中產生最大光學矩陣元素的偏振的合金成份相依性。圖17圖解說明采用相干生長的外延層的裝置。圖18圖解說明如本發明中所描述的使用非相干生長的模板生長的裝置。
圖19(a)圖解說明m平面LD，其展示m軸方向、11_22軸方向及所發射光的方向， 且圖19(b)圖解說明半極性(11-2 LD，其展示11-23軸(c投影)、11_22軸方向及所發射光的方向。
具體實施例方式在以下優選實施例的說明中，參考形成本發明一部分的附圖，并且其中以說明方式展示可實踐本發明的具體實施例。應了解，可利用其它實施例并且可在不背離本發明范圍的情況下作出結構性改變。MM在另一層(Y)上生長的外延層(X)(其中層Y自身可為外延層或者襯底)可相對于Y是相干的或部分馳豫的或完全馳豫的。對于相干生長的情況來說，X的平面內晶格常數被約束為與下伏層Y相同。如果X為完全馳豫的，那么X的晶格常數呈其自然(即，不存在任何應變)值。如果X相對于Y既不相干也不完全馳豫，那么認為其為部分馳豫的。在一些情況下，襯底可能具有某一殘余應變。因此，對于部分馳豫的情況來說，底層中的晶格常數不完全與自然值相同。另外， 有時，襯底也具有小應變，然而，此應變相當小。可使用具有不同合金成份的AlInGaN膜制作在異質界面處由晶格常數失配導致的MD。效應是可將MD在空間上局限于異質界面的緊密附近，由此消除裝置層中QW周圍的 MD，且維持高裝置性能。技術說明^^打算將本文中所使用的術語(Al，Ga, In)N、III氮化物或AlhGaN廣泛地解釋為包含單個物質Al、( 及h的相應氮化物，以及此些III族金屬物質的二元、三元及四元成合物。因此，措詞(Al，( ，In)N或Al GaN或III氮化物囊括化合物AlN、GaN及 N，以及三元化合物AlGaN、GaInN及AlInN及四元化合物AlGaInN作為包含在此命名中的物質。當存在(Ga，Al，In)組份物質中的兩者或兩者以上時，可在本發明的廣泛范圍內采用包含計量化學比例以及“非化學計量”比例(關于組合物中存在的(Ga，Al，In)組份物質中的每一者的相對摩爾分數存在)的所有可能組合物。因此，將了解，后文主要參考GaN材料的對本發明的論述適用于各種其它(Al，fe，In)N材料物質的形成。此外，在本發明范圍內的(Al， Ga, h) N材料可進一步包含少量摻雜劑及/或其它雜質或可包含的材料。以類似方式，本發明中也可使用AWalnBN。裝置結構圖4、5(a)、6(a)到(c)、7、8(a)及9 (a)是圖解說明MD 400存在于基于半極性 (11-22)氮化物的外延層404、406中的異質界面402處的發現的TEM圖像。在此新發現中， MD 400的存在僅限于具有晶格常數失配(具有不同合金及/或合金成份)的層404、406 之間的異質界面周圍。換句話說，具有限于異質界面402的MD 400的外延層不具有穿過層 404且朝向生長方向(垂直于異質界面40 的清晰位錯。此指示本發明提供用以在原始襯底406上獲得具有馳豫晶格常數的無位錯合金模板的方法。由于MD，沿著一個平面內方向(垂直于位錯線方向)的晶格常數是馳豫的。在垂直平面內方向上不發生馳豫(即，維持相干性)。圖4是在g = 01-10衍射條件下在生長于(ll-22)GaN 406上的feiN/AlfeiN SL 404 的下部分的界面402周圍拍攝的TEM亮視場圖像，其展示異質界面402處的MD 400。圖5(a)是[1-100]晶帶軸周圍的TEM圖像，其中可看到包含SL的整個半極性 (11-2 LD裝置外延層(從上部到下部)，且圖5(b)描繪對應電子束衍射圖案(DP) [6]0圖6(a)到(c)展示前述的裝置的不同外延層的TEM圖像，其展示(a)100周期 p-AWaN/GaN超晶格600且還展示IOOnm厚的p_GaN 602，其中超晶格600中的p-AWaN為 3nm厚，超晶格600中的GaN為2nm厚；(b)具有2周期InGaN Qff的作用區604 ；及(C)QW 604 下面的 n-AlGaN/feiN SL 606。圖7是圖解說明包括以下各項的外延結構的TEM圖像n-AlGaN/GaN SL 700、 SL700 上的 n-GaN 層 702、n-GaN 層 702 上的 n-InGaN 層 704、n-InGaN 層 704 上的 InGaNQW 706,Qff 706 上的 p-AlGaN 電子阻擋層(EBL) 708,EBL 708 上的 p-InGaN 層 710、p_InGaN 層 710上的p-GaN層712及ρ-GaN層712上的p-AlGaN/feiN SL 714。所述TEM圖像進一步圖解說明主要在用實線黑箭頭718a到d標記的異質界面處產生且稍微在用虛線箭頭720標記的層中找到的MD 716。圖8(a)是從晶帶軸[2-1-10]拍攝的TEM圖像，且圖8(b)描繪對應電子束DP。圖9 (a)是在g = 01-10的情形下拍攝的TEM亮視場圖像，其中由于試樣從[1-100] 傾斜到[2-1-10]，可看到MD 900為段，且圖9(b)描繪對應電子束DP。圖10圖解說明基于III氮化物的光學裝置1000的外延結構，其包括在下伏層 1006(也稱作層II或B，例如，具有5%到10% In的InGaN層)上的具有各向異性應變的一個或一個以上作用層1002、1004 (也稱作層I或層A，例如，具有30 % In的InGaN層)，其中下伏層1006中的晶格常數及應變由于MD 1008的存在在至少一個方向上是部分或完全馳豫的。在圖10中，底層1006沿著[11-23]方向馳豫，但不沿著m方向[10-10]馳豫。底層1006可通過底層1006下面的異質界面1010處的MD 1008來馳豫。效應是通過下伏層 1006調制作用層1002、1004中的應變(特定來說，應變各向異性)。以此方式，可調制能帶結構、光學矩陣元素、自發發射偏振及增益。層I 1002、1004中的應變可部分釋放且與不具有層II 1006的情況相比較，在層I 1002、1004中總應變可變小。應變量可取決于所使用的實際成份及馳豫度。在一個實施例中，可馳豫高達 50%的應變。在圖10的實例中，層 1006生長于為標準再生長的GaN的層1012(或層III或C)上。層III生長于(ll_22)GaN 襯底1014上，且具有5%到10%化的InGaN層1016、1018生長于層1002的任一側上。層 1016為QW之間的勢壘，層1018為ρ型層且層1006為η型層。更具體來說，可通過具有局部化MD 1008(也參見圖4、5 (a)到(b)、6(a)到(c)、7、 8(a)到(b)及9 (a)到(b))的部分或完全馳豫下伏層1006(層B)控制QW 1002、1004(例如，層A)中的應變各向異性，以使得可任意地調制QW 1002、1004的能帶結構。εη_23(沿著平面內c投影的應變)是由層A與B之間的晶格常數差確定。ε1(ι_1(ι (沿著m軸的應變)是由層A與C之間的晶格常數差確定。[11-22]方向及[11-23]方向(平行(| )于平面內c 投影)在圖10中由箭頭指示，且[10-10]方向(垂直于圖的平面，由實心圓圈指示)也展示于圖10中。舉例來說，作用層A可為AlInGaN QW或MQW。效應是高輻射重組速率、較高增益及由于QW局限效應所致的額外能帶結構調制[1到3]。在另一實例中，層II為InAlGaNan成份> 0)且層I為InGaNan成份> 20% )。 效應是可在藍色、綠色、琥珀色LED/LD中控制發光偏振比。本發明可修改此光譜區的光學矩陣元素及增益。圖11圖解說明光學裝置1100(例如，LED或LD)的實例，所述光學裝置包括在 (11-22)定向的InaiGaN底層1104上的作為作用層的Qff 1102。Ina^aN底層1104 在標記為“馳豫的”的箭頭的方向上馳豫，但不沿著m軸方向馳豫(因此，在一個方向上發生馳豫)。還展示MD 1106、[11-22]方向(由標記為[11-22]的箭頭指示)及[11-23]方向(其平行(I I)于平面內c投影方向且由標記為[11-23] {I I平面內c投影的箭頭指示)。圖12是圖11中的底層1104(例如，Ina AaN或具有在10%到30%范圍中的h成份的^iGaN)的俯視圖。m軸方向、[11-23]方向、InGaN的沿著m軸方向的晶格失配(Am) 及^6鄉的沿著平面內c軸投影方向的失配都在圖12中由箭頭指示。沿著m軸的應變εω 大于沿著平面內c軸投影的應變ε。，此實現對^iGaN底層的能帶結構的控制，所述底層的能帶結構影響作用層的能帶結構([1]、[2]及[4])。圖13是結構1300的m平面(10-10)橫截面，其包括在1% ^aN層1304上的作為作用層的Ina3GaN Qff 1302。InaiGaN層1304生長于Ina3GaN底層1306(其外延生長于 (ll-22)GaN襯底1308的頂部表面上(其中所述頂部表面為(11_22)半極性平面))上，由此形成GaN襯底1308與Ina3GaN底層1306之間具有MD 1312的異質界面1310。Ina3GaN 底層1306在平面內c投影[11-23]方向(由標記為[11-23] (I |平面內c投影的箭頭指示)上是馳豫的(無應變)。InaiGaNAna3GaN界面1314也可能具有MD。[11-22]方向也由標記為[11-22]的箭頭指示。圖14是圖13中的結構的橫截面，但是沿著(11-23)平面的橫截面，其展示III氮化物的m軸的方向(標記為[10-10]的箭頭)。包括Ina3GaN的InGaN下層1306不沿著m 軸馳豫，此由無MD證明。此情況下的是由Ina3GaN 1306與GaN 1308之間的晶格常數差引起，從而導致(或ε。)=0且em<0(g卩，壓縮應變)。[11_22]方向也由標記為[11-22]的箭頭指示。工藝步驟圖15是圖解說明制作本發明的外延結構(例如，基于III氮化物的光學裝置)的方法的流程圖。所述方法包括以下步驟。框1500表示提供與后續生長的模板層形成異質界面(框1502)的高質量半極性 GaN襯底。所述襯底可為半極性GaN襯底，舉例來說，例如(11-2 襯底，但也可能是其它定向，例如(但不限于)(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)平面等。可使用其它襯底，例如(但不限于)塊體AlhGaN、高質量GaN襯底、m藍寶石襯底或尖晶石襯底。也可使用非極性襯底。框1504表示在襯底上(舉例來說，在襯底的頂部表面上)形成(例如，生長或沉積)一個或一個以上層、底層或模板層(其中，舉例來說，所述頂部層可為半極性平面)。 所述形成可包括在襯底上不相干地生長模板或下伏層，由此產生具有馳豫晶格常數的模板層。舉例來說，可在襯底上形成底層，以使得下伏層中的晶格常數及應變由于在底層下面的異質界面1502處存在MD而抵靠襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫。以此方式，底
10層中在至少一個方向上的晶格常數變成其自然值，而非被約束為與襯底的晶格常數相同的值，且所述底層在至少一個方向上無應變。MD可由底層與襯底或底層下方的層之間的異質界面引起，其中底層及襯底或底層及底層下方的層各自具有不同的III氮化物合金成份，且MD局部化在異質界面周圍，由此消除作用層周圍的層中的MD。底層通常沿著第一方向馳豫，但不沿著第二方向馳豫。第一方向可平行于底層的平面內c投影(X2)且第二方向可垂直于第一方向(例如，m軸方向)。MD是沿著馳豫的第一方向。MD可經定位以調制各向異性應變，以使得作用層中的應變具有在第一方向上的第一應變及在第二方向上的第二應變。底層中沿著平行于平面內 c投影、\1、的第一方向的第一應變可比底層中沿著第二方向的第二應變小。因此，可通過底層中的依據底層中的方向變化的馳豫度來調制各向異性應變。以此方式，舉例來說，可控制底層及作用層兩者的能帶結構(及貫穿本揭示內容所論述的其它參數)。通常，平行于c投影的平面內晶格常數是馳豫的，但馳豫方向及非馳豫方向確實取決于底層及/或襯底的半極性定向及/或合金成份。對于常用的半極性平面來說，不相干的晶格常數通常是平行于c軸的投影的平面內晶格常數(其不同于a、c兩者)因此，馳豫方向總是沿著c投影且非馳豫方向總是垂直于c投影不是必須的。然而，由于歸因于半極性纖維鋅礦III氮化物的晶體結構基面滑移是支配應變馳豫機制，因此具有垂直于C投影的線方向的MD將可能首先形成。因此，初始馳豫將沿著C投影(馳豫方向垂直于MD方向)。如果膜中的應變能量足夠大，那么垂直于c軸的平面內方向也可經歷馳豫。在一個實施例中，本發明可針對兩個方向計算形成MD的臨界厚度。接著，當層厚度達到對應臨界厚度時，將導致MD。因此，一旦針對一個方向，層厚度達到臨界厚度，則所述層將在對應方向上馳豫。馳豫程度可取決于晶格常數且機械性質取決于定向及晶格方向W]。底層下方的額外層可包含相干地生長于襯底上的其它底層。“底層”上面的層相干地生長于具有不同于底層的晶格常數的“底層”上，因為“底層”導致晶格常數的馳豫。只要層厚度小于臨界厚度，那么材料就相干地生長。框1506表示在下伏層或模板層上生長裝置結構(例如，作用層)。可將作用層沉積在底層的頂部表面上，其中底層的頂部表面為半極性平面。可在模板層上無位錯地生長裝置結構。可在下伏層上形成作用層，以使得通過下伏層調制或控制作用層中的各向異性應變。下伏層可為其中^1成份> 0的InAlGaN,且作用層可包括其中h成份> 20%的 InGaN。作用層可包括具有大于3nm的厚度的一個或一個以上QW，且MD可經定位以調制各向異性應變，以使得由QW發射的光具有凈X2偏振。QW可具有一 h成份及厚度使得QW發射在綠色光譜區中具有峰值波長的光。QW 可為半極性或非極性QW。形成作用層可包含在底層上相干地生長作用層。框1508表示所述方法的最終結果，即用于例如光學裝置的裝置的外延結構，其包括在具有MD的異質界面上或在部分馳豫或完全馳豫模板層上的作用層。基于III氮化物的光學裝置的外延結構可包括形成在下伏層上的具有各向異性應變的作用層，其中因此下伏層中的晶格常數及應變由于在底層下面的異質界面處存在MD而抵靠襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫，以使得通過下伏層調制作用層中的各向異性應變。所述結構通常使用(舉例來說)常規分子束外延(MBE)或金屬有機氣相沉積 (MOCVD)來生長，但也可使用其它沉積方法。舉例來說，裝置結構可為光學裝置或電子裝置(例如，晶體管)。如所述技術中已知，可添加其它層、觸點或特征以制作光電子/電子裝置。也可制作非極性襯底上的非極性裝置。優點及改講在山口論文[1]中，通過使用InGaN或另一四元襯底來改變X1、X2及X3當中的最強分量，如圖16中所展示(取從[1])。在此情況下，采取襯底上的相干生長。本發明可打破在一個方向上的相干性以便調制QW中的應變且另外調制能帶結構 (即，發光偏振、增益等)。從另一觀點來看，本發明實現基于馳豫晶格常數合金的模板(襯底)。半極性(11-22) QW的應變馳豫使得本發明能夠(1)借助薄QW容易地獲得X2偏振 (其實現制作具有裂開的m平面小面的m軸腔LD)，及(2)從具有相同h成份的LD或LED 獲得較長波長發射(即，針對既定^成份，本發明可從光學裝置獲得比不根據本發明制作的裝置長的波長發射)。舉例來說，本發明相當有效地實現發射對應于綠色光的波長的LD 或 LED。如圖17中所圖解說明，先前技術[5]相干地1706生長GaN 1700及GaN 1700上的裝置層1702(包含hGaN Qff 1704)。在相干生長中，(晶格常數的)晶格失配Δ導致應變(例如，對于hGaN情況，導致壓縮應變)。此導致^iGaN作用層(例如，1704)中的大的壓縮應變ε。換句話說，晶格失配Δ (其中Δ為GaN襯底1700的晶格常數減去InGaN Qff 1704的晶格常數)為負，對應于hGaN層1704中的壓縮或受壓應變ε。在以上計算中，可使用GaN的晶格常數a=3.189 A及GaN的晶格常數c=5.185 A[5]。如圖18中所圖解說明，與先前技術相比較，本發明可實現較小壓縮應變。在圖18 中，相干地1802生長GaN襯底1800或模板，且在GaN襯底1800或模板上不相干地1806生長模板A(例如，InGaN 1804)。接著，可在模板A 1804上相干地1812生長裝置層1808(包含hGaN Qff 1810)。壓縮應變小于圖17中所圖解說明的情況。具體來說，在具有MD 1814 的界面上面的層A 1804中，沿著垂直于MD線方向的方向1816的晶格常數是馳豫的。晶格失配Δ ‘(其中Δ ‘為模板層1804的晶格常數減去InGaN QW1810的晶格常數)小于圖 17中的Δ。另夕卜，InGaN Qff 1810中的應變ε ‘小于作用層1704中的ε。在以上計算中，可使用GaN的晶格常數a=3.189 A, GaN的晶格常數c=5.185 A, InN 的晶格常數a=3.54 A及hN的晶格常數c=5.705 A[5]。沿著馳豫方向1816計算Δ ‘、Δ、ε ‘及ε。一種減小或可能消除GaN光電子裝置中的極化效應的方法是在晶體的半極性平面上生長裝置。術語“半極性平面”可用來指代擁有兩個非零h、i或k密勒指數及一非零1 密勒指數兩者的各種平面。因此，半極性平面被定義為在(hkil)密勒-布拉維指數標定慣例中具有非零h或k或i指數及非零1指數的晶體平面。C平面GaN異質外延中的半極性平面的一些常見實例包含(11-22)、(10-11)及(10-13)平面，其存在于凹坑的小面中。所述平面也恰好是發明者以平坦膜形式生長的相同平面。纖維鋅礦晶體結構中的半極性平面的其它實例包含(但不限于)(10-12)、(20-21)及(10-14)。氮化物晶體的極化向量既不在此些平面內也不正交于此些平面伸展，而是相對于平面的表面法線傾斜某一角度伸展。舉例來說，(10-11)及(10-13)平面分別與c平面成62. 98°及32. 06°。圖18圖解說明生長于襯底1800的頂部表面1806上的模板層1804，其中頂部表面 1808可為半極性平面；及生長于模板或底層1804的頂部表面1810上的作用層1810，其中頂部表面1808也可為半極性平面。本發明可用于制作發射紫外(UV)(例如，通過采用馳豫AlGaN半極性模板)、綠色、 琥珀色或紅色光的LED或LD。本發明可特別用于發射綠色或UV光的LD。LED或LD通常基于(11-2 半極性平面(或其它半極性平面)，例如基于半極性GaN，以使得裝置以減小發光作用層中的量子局限斯塔克效應的半極性定向生長。此外，一般來說，壓縮應變可產生較高躍遷能量。因此，如果本發明減小生長于本發明的模板或底層上的高^成份InGaN作用層的壓縮應變，那么可獲得在相同成份下的較長波長發射。圖19(a)圖解說明具有m平面鏡像小面的(11_22)平面LD，其展示m軸及11_22 方向以及所發射光的方向1900，且圖19(b)圖解說明具有(11-2 平面鏡像小面的半極性 (11-2 LD，其展示11-23軸(c投影)、11-22軸方向及所發射光1902的方向。在具有m平面小面的LD中，如果發射具有X2偏振，那么沿著(11-2 的偏振較強。在具有(11-23)鏡像小面的LD中，如果發射具有Xl偏振，那么沿著(1-100)的偏振較強。對于(11-2 平面LD來說，在從裂開小面發射的光1902為經偏振的X2的情形下， 某些光子(并非所有)具有X2偏振。較高的偏振比(具有X2的光子對具有Xl的光子的比)是優選的。本發明能夠制作此類(11-2 平面LD。然而，可在本發明的模板層上生長光電子裝置(包含LED、LD)、太陽能電池及電子裝置(舉例來說，例如高電子遷移率晶體管的晶體管)。可在W到8]中找到關于本發明的其它信息。參考文獻以下參考文獻以引用方式并入本文中[1]Α·Α·山口(A.A.Yamaguchi)，Phys.Stat.Sol(c)5，2329O008)。[2] Α. Α.山口 (八.八.丫311^811吐丨)，應用物理學報，94，201104 0009)。[3] Α. Α.山口 (Α.Α. Yamaguchi)，日本，J.應用物理 46，L789 Q007)。[4] S. L.陳(S. L. Chuang)的“光學裝置的物理學(Physics of Optical Devices)”，P149。[5] I.沃革福特曼(I. Vurgaftman)及 J.邁耶(J. Meyer)，J.應用物理.94， 3675(2003)。[6]阿努拉格·泰亞吉(Anurag Tyagi)、吳峰(Feng脅)、艾瑞尹，C.楊(Erin C. Young)、阿爾班 查克拉波爾迪(Arpan Chakraborty)、太田博明(Hiroaki Ohta)、拉扎瑞姆·卜海特(Rajaram Bhat)、健二 藤田(Kenji Fujito)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P. DenBaars)、中村修二 (Shuji Nakamura)及詹姆士，S.斯班克(James S. Speck)的“生長于半極性(ll_22)GaN自立襯底上的(Al，^OGaN外延層中的經由異質界面處的錯配位錯產生的部分應變馳豫(Partial strain relaxation via錯配位錯generation at heterointerfaces in (Al, In)GaN epitaxial layers grown on semipolar(11-22)GaN free standing substrates)，，，應用物理學報 95，251905 (2009)。[7]在2009年固態發光及能量中心(SSLEC)的年度綜評時由詹姆士，S.斯班克(JamesS. Speck)給出的標題為“非極性材料及裝置的進步(Progress in Nonpolar Materials andDevices)，，的演示幻燈片，加利福尼亞大學，圣塔芭芭拉(2009年11月5曰)。[8]艾瑞尹，C.楊(Erin C. Young)、吳峰(Feng脅)、艾麗斯科瑞，E.羅曼諾夫(Alexey E. Romanov)、阿努拉格·泰亞吉(Anurag Tyagi)、查德，S.高禮彥(Chad S. Gallinat)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P. DenBaars)、中村修二(Shuji Nakamura) 及詹姆士，S.斯班克(James S. Speck)的“(11-22)半極性GaN異質外延中的晶格傾斜及錯配位錯(Lattice Tilt and Misfit Dislocations in(11-22)Semipolar GaNHeteroepitaxy) ”，應用物理快報期刊 3(2010)011004。Mrk現在對本發明優選實施例的說明加以總結。出于圖解說明和說明的目的陳述對本發明一個或一個以上實施例的上述說明。本說明并非打算包羅無遺或將本發明限制于所揭示的具體形式。此外，并非打算將本發明界限于本文中所描述的科學原理或理論中的任一者。根據上文的教示也可作出許多種修改及改變。本發明的范圍并不打算受此詳細說明的限制而是受所附權利要求書限制。
1權利要求
1.一種用于基于III氮化物的光學裝置的外延結構，其包括形成于III氮化物底層上的具有各向異性應變的III氮化物作用層，其中所述底層中的晶格常數及應變由于在所述底層下面的異質界面處存在錯配位錯而抵靠襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫，以便通過所述底層調制所述作用層中的所述各向異性應變。
2.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述襯底為半極性GaN襯底，所述底層沉積在所述GaN襯底的為半極性平面的頂部表面上，所述底層沿著平行于所述底層的平面內c投影的方向馳豫，所述底層不沿著所述底層的m軸方向馳豫，且所述作用層沉積在所述底層的為半極性平面的頂部表面上。
3.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述錯配位錯經定位以調制所述各向異性應變，以使得所述作用層中的應變具有在所述作用層中的第一方向上的第一應變及所述作用層中的第二方向上的第二應變。
4.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述底層沿著所述第一方向馳豫，且所述底層不沿著所述第二方向馳豫。
5.根據權利要求4所述的外延結構，其中所述第一方向平行于平面內c投影(X2)，所述第二方向垂直于所述第一方向，且所述錯配位錯沿著所述第一方向。
6.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述底層生長于所述襯底上且所述底層中的所述晶格常數及應變抵靠所述襯底部分或完全馳豫，以使得所述底層中的所述晶格常數變成其自然值而非被約束為與所述襯底的晶格常數相同的值，且所述底層無應變。
7.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述作用層為AlInGaN量子阱或多量子阱。
8.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述底層為其中^成份>0的InAKiaN，且所述作用層包括其中h成份> 20%的InGaN。
9.根據權利要求8所述的外延結構，其中作用層包括具有大于3納米的厚度的一個或一個以上量子阱，且所述錯配位錯經定位以調制所述各向異性應變，以使得由所述量子阱發射的光具有凈X2偏振。
10.根據權利要求9所述的外延結構，其中所述量子阱具有一成份及厚度使得所述量子阱發射在綠色光譜區中具有峰值波長的光。
11.根據權利要求9所述的外延結構，其中所述量子阱為半極性或非極性量子阱。
12.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述底層不相干地生長于襯底上。
13.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述錯配位錯是由各自具有不同的III氮化物合金成份的所述底層與所述襯底或所述底層下方的層之間的所述異質界面引起，且所述錯配位錯局部化在所述異質界面周圍，由此消除所述作用層周圍的層中的所述錯配位錯。
14.根據權利要求13所述的外延結構，其中所述底層下方的所述層為相干地生長于所述襯底上的另一底層。
15.根據權利要求1所述的外延結構，其中所述襯底為非極性或半極性的。
16.一種制作用于基于III氮化物的光學裝置的外延結構的方法，其包括在襯底上形成III氮化物底層，以使得所述底層中的晶格常數及應變由于在所述底層下面的異質界面處存在錯配位錯而抵靠所述襯底在至少一個方向上部分或完全馳豫；及在所述底層上形成III氮化物作用層，以使得通過所述底層調制或控制所述作用層中的各向異性應變。
17.根據權利要求16所述的方法，其進一步包括通過在所述底層與所述襯底或所述底層下方的層之間形成所述異質界面來形成所述錯配位錯，其中所述底層及所述襯底或所述底層及所述層各自具有不同的III氮化物合金成份，且所述錯配位錯局部化在所述異質界面周圍，由此消除所述作用層周圍的層中的所述錯配位錯。
18.根據權利要求16所述的方法，其中所述形成所述底層是通過在所述襯底上不相干地生長所述底層。
19.根據權利要求16所述的方法，其中所述形成所述作用層是通過在所述底層上相干地生長所述作用層。
20.根據權利要求16所述的方法，其中在所述襯底上形成所述底層，以使得所述底層沿著第一方向馳豫且所述底層不沿著第二方向馳豫。
21.根據權利要求16所述的方法，其中通過所述底層中的依據所述底層中的方向變化的馳豫度來調制所述各向異性應變，以便控制所述底層的能帶結構且控制所述作用層的能帶結構。
全文摘要
本發明涉及一種用于基于III氮化物的光學裝置的外延結構，其包括在下伏層上的具有各向異性應變的作用層，其中所述下伏層中的晶格常數及應變由于存在錯配位錯而在至少一個方向上部分或完全馳豫，以便通過所述下伏層調制所述作用層中的所述各向異性應變。
文檔編號H01L31/00GK102484142SQ201080037329
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月23日 優先權日2009年8月21日
發明者中村修二, 埃林·C·永, 太田裕朗, 斯蒂芬·P·登巴爾斯, 武鳳, 詹姆斯·S·斯佩克, 阿努拉格·蒂雅吉, 阿爾潘·查克拉伯蒂 申請人:加利福尼亞大學董事會