在C?方向錯切小于+/?15度的m?平面基底上的半極性III?氮化物光電子裝置的制作方法

本申請是分案申請，原申請的申請日為2011年3月4日、申請?zhí)枮?01180012048.9(pct/us2011/027267)、發(fā)明名稱為“在c-方向錯切小于+/-15度的m-平面基底上的半極性iii-氮化物光電子裝置”。

相關(guān)申請的交叉參考

本申請在35u.s.c.第119(e)章的規(guī)定下要求享有由poshanhsu、kathrynm.kelchner、robertm.farrell、danielhaeger、hiroakiohta、anuragtyagi、shujinakamura、stevenp.denbaars和jamess.speck在2010年3月4日提交的共同未決且共同轉(zhuǎn)讓的美國臨時專利申請序號61/310,638的權(quán)益，其名稱為“在c-方向錯切小于+/-15度的m-平面基底上的半極性iii-氮化物光電子裝置(semi-polariii-nitrideoptoelectronicdevicesonm-planesubstrateswithmiscutslessthan+/-15degreesinthec-direction)”，代理人案號30794.366-us-p1(2010-543-1)；

在此將該申請引入作為參考。

本申請涉及下列共同未決且共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請：

由danielf.feezell、mathewc.schmidt、kwangchoongkim、robertm.farrell、daniela.cohen、jamess.speck、stevenp.denbaars和shujinakamura在2008年2月12日提交的美國實用新型專利申請序號12/030,117，其名稱為“al(x)ga(1-x)n-cladding-freenonpolargan-basedlaserdiodesandleds”，代理人案號30794.222-us-u1(2007-424)，該申請在35u.s.c.第119(e)章的規(guī)定下要求享有由danielf.feezell、mathewc.schmidt、kwangchoongkim、robertm.farrell、daniela.cohen、jamess.speck、stevenp.denbaars和shujinakamura在2007年2月12日提交的美國臨時專利序號60/889,510的權(quán)益，其名稱為“al(x)ga(1-x)n-cladding-freenonpolargan-basedlaserdiodesandleds”，代理人案號30794.222-us-p1(2007-424-1)；

由arpanchakraborty、you-dalin、shujinakamura和stevenp.denbaars在2010年6月7日提交的pct國際專利申請序號us2010/37629，其名稱為“asymmetricallycladdedlaserdiode”，代理人案號30794.314-us-wo(2009-614-2)，該申請在35u.s.c.第119(e)章的規(guī)定下要求享有由arpanchakraborty、you-dalin、shujinakamura和stevenp.denbaars在2009年6月5日提交的美國臨時申請序號61/184,668的權(quán)益，其名稱為“asymmetricallycladdedlaserdiode”，代理人案號30794.314-us-p1(2009-614-1)；和

由arpanchakraborty、you-dalin、shujinakamura和stevenp.denbaars在2010年6月7日提交的美國實用新型申請序號12/795,390，其名稱為“l(fā)ongwavelengthnonpolarandsemipolar(al,ga,in)nbasedlaserdiodes”，代理人案號30794.315-us-u1(2009-616-2)，該申請在35u.s.c.第119(e)章的規(guī)定下要求享有共同未決且共同歸屬的由arpanchakraborty、you-dalin、shujinakamura和stevenp.denbaars在2009年6月5日提交的美國臨時申請序號61/184,729的權(quán)益，其名稱為“l(fā)ongwavelengthm-plane(al,ga,in)nbasedlaserdiodes”，代理人案號30794.315-us-p1(2009-616-1)；

在此將這些申請引入作為參考。

發(fā)明背景

1.發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半極性光電子裝置及其制造方法，并具體涉及在c-方向錯切(miscut)小于+/-15度的m-平面基底上的半極性iii-氮化物光電子裝置。

2.相關(guān)領(lǐng)域描述

(注意：本申請參考多個不同的出版物，貫穿說明書用括號中一個或多個的參考文獻(xiàn)編號表示，例如，[x]。按照這些參考文獻(xiàn)編號排列的這些不同出版物的列表可在下文標(biāo)題“參考文獻(xiàn)”的章節(jié)找到。這些出版物每一篇均被引入本文作為參考。)

下一代顯示技術(shù)如微型移動投影機和高清晰度飛點顯示器的預(yù)期高商業(yè)需求已顯著推動直接發(fā)射綠色激光二極管(ld)的發(fā)展。這種應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要ld具有高的效率、可靠性、緊湊性和調(diào)制響應(yīng)能力[1]。雖然纖鋅礦(algain)n基材料系統(tǒng)在很大程度上被認(rèn)可作為綠色光電子裝置的主要候選者，但卻必須達(dá)成晶體平面最適于外延生成(外延生長，epitaxialgrowth)的普遍共識。

在常規(guī)的gan的c-平面上生成(grown)的裝置已證實ld在綠色光譜區(qū)的連續(xù)波(cw)運行[2-4]。然而，這些裝置遭受寄生的內(nèi)部電場，該寄生內(nèi)部電場引起量子限制斯塔克效應(yīng)(qcse)，其降低量子阱(qw)輻射復(fù)合率(radiativerecombinationrate)，并造成發(fā)射波長隨載體注入增加而藍(lán)移(blue-shift)[5]。此外，qcse對于長波長光電子裝置更加顯著，這是因為富in的inganqw與阻擋層(barrier)之間的晶格失配(latticemismatch)增加[2]。

為避免極化效應(yīng)，研究人員已證實在纖鋅礦晶體的非極性m-平面定向上生成的ld的運行[6]。雖然是用于高功率藍(lán)色ld的期望候選物，但由于活性區(qū)中形成堆垛層錯(stackingfault)，m-平面ld目前還限于500nm激光發(fā)射[7-11]。

不同半極性(semi-polar或semipolar)平面，如(10-11)和(11-22)也已被考察作為可選的生成平面[12-13]。近來，研究人員已報告綠色光譜區(qū)激光從在半極性(20-21)平面上生成的優(yōu)質(zhì)inganqw發(fā)射[14-15]。進(jìn)一步的研究已經(jīng)顯示，在(20-21)上生成的綠色發(fā)射qw呈現(xiàn)高組成同質(zhì)性，且局部化能量值低于c-平面的報告值[16]。但是，ld(20-21)需要四元alingan包層以實現(xiàn)充分的模態(tài)限制，而不引起應(yīng)變引起的失配位錯(md)[17]。雖然四元alingan包層的應(yīng)用呈現(xiàn)對于低臨界厚度的半極性平面的解決方案，但從大規(guī)模生產(chǎn)的角度而言，具有高組成ingan波導(dǎo)的簡單無algan包層結(jié)構(gòu)更具吸引力[7，15，18]。

需要改進(jìn)的光電子裝置生成方法。本發(fā)明滿足該需要。

發(fā)明概述

本發(fā)明公開了在gan基底上生成的半極性(algain)n基光電子裝置，所述gan基底在c-方向與m-平面的錯切為x度(在此-15<x<-1和1<x<15度)。

這種朝向c-方向錯切x度(在此-15<x<-1和1<x<15度)的m-平面上的光電子裝置，與朝向c-方向大于或等于+/-15度的錯切相比，提供較低的qcse引起的注入流依賴性藍(lán)移，導(dǎo)致更高材料增益的增加的振子強度，等。

距m-平面較低的錯切提供錯切生成層較大的臨界厚度。這與提供較低臨界厚度的半極性平面生成層相比，可減少錯切生成層中的失配(misfit)缺陷數(shù)。因此，層中的缺陷密度可取決于層所沉積的半極性平面。

例如，光電子裝置可包含一個或多個半導(dǎo)體iii-氮化物層，其生成在gan的半極性(semi-polar或semipolar)平面或半極性晶體平面上，即{30-3-1}、{30-31}、{40-41}或{40-4-1}平面，其中g(shù)an的半極性平面或半極性晶體平面例如是鄰接的、錯切的或離軸的獨立(freestanding)gan基底的頂部表面。

半極性gan平面可包含原子確定的平面(anatomicallyspecificplane)，從而實現(xiàn)平滑的外延生成。

本方法可包括選擇半極性晶體平面以增加半極性晶體平面上生成的iii-氮化物層的臨界厚度。例如，光電子裝置的iii-氮化物層可包含一個或多個ingan層，該ingan層的厚度大于或等于mathews-blakeslee臨界厚度，其中臨界厚度是沉積在gan的半極性晶體平面上的ingan層的厚度，所述gan的半極性晶體平面在gan的c-方向且與gan的m-平面15度或以上定向。ingan層的銦組成可以為至少7％。

光電子裝置可以是ld，并且一個或多個ingan層可包含ingan波導(dǎo)，其提供ld的模態(tài)限制，例如ld在至少460nm的波長具有激光發(fā)射峰。

光電子裝置可進(jìn)一步包括光發(fā)射ingan活性層，所述光發(fā)射ingan活性層包括一個或多個ingan量子阱，一個或多個量子阱的銦組成為至少16％(并且厚度大于4納米(nm))。

光電子裝置可進(jìn)一步包含一個或多個n型(al,in,ga)n層；一個或多個p型(al,in,ga)n層；和在n型(al,in,ga)n層與一個或多個p型(al,in,ga)n層之間、包含一個或多個ingan量子阱層的ingan活性層，其中n型(al,in,ga)n層、p型(al,in,ga)n層、ingan量子阱層具有半極性gan晶體平面的半極性定向，并且ingan量子阱層在至少477nm的波長處具有光發(fā)射峰或光吸收峰。

光電子裝置可以是這樣的ld，其包括：在半極性晶體平面上或上方的n型gan層；在n型gan層上或上方的n型ingan波導(dǎo)層，所述n型ingan波導(dǎo)層的厚度為至少50nm，且銦組成為7％或以上；在n型ingan波導(dǎo)層上或上方的ingan活性層，其包括銦組成為至少7％且厚度大于4nm的一個或多個ingan量子阱層；在ingan活性層上或上方的p型ingan波導(dǎo)層；和在p型ingan波導(dǎo)層上或上方的p型gan層，所述p型ingan波導(dǎo)層的厚度為至少50nm，且銦組成為7％或以上，其中n型gan層、n型ingan波導(dǎo)層、ingan活性層、p型gan層和p型ingan波導(dǎo)層具有半極性晶體平面的半極性定向。

半極性晶體平面和沉積條件可使一個或多個iii-氮化物層的表面粗糙度為例如0.75nm或以下。

ld可包含定向在ld的c-投影方向的波導(dǎo)，用于更高的增益。

在半極性gan晶體平面上生成的裝置包括但不限于，例如ld、發(fā)光二極管(led)、超發(fā)光二極管(sld)、半導(dǎo)體放大器、光子晶體激光器、vcsel激光器、太陽能電池或光檢測器。

本發(fā)明進(jìn)一步公開了制造光電子裝置的方法，包括在半極性gan晶體平面上外延沉積iii-氮化物層，所述半極性gan晶體平面在gan的c-方向且與gan的m-平面x度定向，其中-15<x<-1和1<x<15度。本方法可進(jìn)一步包括選擇半極性晶體平面，從而增加在半極性晶體平面上生成的iii-氮化物層的臨界厚度。

附圖簡述

先參考附圖，貫穿其中相同的參考編號表示相應(yīng)的部件：

圖1(a)是纖鋅礦gan晶體結(jié)構(gòu)的示意圖，顯示{10-10}、{30-31}、{20-21}和{0001}平面。

圖1(b)是繪制利用matthews-blakeslee等式計算的獨立半極性gan基底上的半極性ingan層的matthews-blakeslee臨界厚度的圖。

圖2是示例本發(fā)明方法的流程圖。

圖3(a)示例了原型激光器裝置結(jié)構(gòu)的橫截面。

圖3(b)示例了裝置結(jié)構(gòu)另一實施方式的橫截面。

圖3(c)是具有蝕刻面的完成的激光器裝置結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。

圖4(a)顯示了在(30-31)半極性晶體平面上生成的圖3(a)結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡(tem)圖像。

圖4(b)和圖4(c)顯示在5x(圖4(b))和10x(圖4(c))下截取的nomarski圖像，顯示(30-31)生成表面的形態(tài)。

圖4(d)和圖4(e)是利用n2環(huán)境(圖4(d))和h2環(huán)境(圖4(e))在(30-31)半極性晶體平面通過mocvd生成的圖3(a)結(jié)構(gòu)中的層頂部表面的nomarski圖像。

圖4(f)和圖4(g)是利用n2環(huán)境(圖4(f))和h2環(huán)境(圖4(g))在(30-3-1)半極性晶體平面上通過mocvd生成的圖3(a)結(jié)構(gòu)中的層頂部表面的nomarski圖像。

圖5是(30-31)ld結(jié)構(gòu)的不對稱(20-25)衍射周圍的倒易空間圖(rsm)。

圖6(a)顯示了光-電流-電壓(l-i-v)特征，圖6(b)顯示了{(lán)30-3-1}gan基底上生成的蝕刻面激光器二極管的激光發(fā)射光譜。

圖7(a)顯示了l-i-v特征；圖7(b)顯示了{(lán)30-31}gan基底上生成的蝕刻面10μmx1800μmld的激光發(fā)射光譜，其中測量在20℃利用1μs脈沖和0.1％工作循環(huán)進(jìn)行，以確保最低限度的裝置自加熱效應(yīng)；圖7(b)顯示了444.7nm處清晰的激光發(fā)射峰。

圖7(c)顯示了圖7(a)裝置的低電流注入上至閾值的電致發(fā)光(el)光譜，其中el強度(任意單位，a.u.)隨電流注入(毫安，ma)增加而增加。

圖7(d)顯示了峰波長和半峰全寬(fhwm)對電流密度的依賴性，其中圖7(a)裝置的450nmc-平面ld的峰波長數(shù)據(jù)被包括在內(nèi)，用于比較[22]。

圖7(e)顯示圖7(a)裝置的閾值電流密度和激光發(fā)射波長對階段溫度的依賴性。

發(fā)明詳述

在下文對優(yōu)選實施方式的描述中，參考構(gòu)成本文部分的附圖，其中作為示例顯示了本發(fā)明可實踐的具體實施方式。要理解的是，可以采用其他實施方式，并且可進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，而沒有脫離本發(fā)明的范圍。

概述

(al,ga,in)n光電子裝置生成在極性{0001}、非極性{11-20}和{10-10}以及半極性{10-1-1}、{11-22}和{20-21}gan晶體平面上。

極性和半極性平面上生成的激光器遭受量子阱中極化相關(guān)的電場，其使裝置性能退化。

雖然非極性{10-10}和{11-20}裝置無極化相關(guān)的效應(yīng)，但高銦濃度摻入{10-10}和{11-20}裝置的優(yōu)質(zhì)晶體生成已顯示難以實現(xiàn)。

例如，由于在高銦組成下產(chǎn)生缺陷，m-平面上發(fā)射足夠長波長的光電子裝置難以實現(xiàn)。半極性平面如{20-21}在長波長處顯示出更好的性能，這是因為半極性平面被認(rèn)為更容易摻入銦。但是，錯切大于或等于+/-15度的半極性平面具有低臨界厚度，因此造成充分的激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)生成非常困難。{20-21}上的sumitomo綠色激光器[14]采用晶格匹配的alingan包層，其極難生成。

命名法

摻入鋁和銦的gan及其三元和四元化合物(algan、ingan、alingan)通常用術(shù)語(al,ga,in)n,iii-氮化物、第iii族-氮化物，氮化物、al(1-x-y)inygaxn——其中0<x<1和0<y<1——或alingan命名，如本文所用。所有這些術(shù)語均意為等同于和廣泛解釋為包括單獨種類al、ga和in各自的氮化物以及該第iii族金屬種類的二元、三元和四元組成。因此，這些術(shù)語包括化合物aln、gan和inn；和三元化合物algan、gainn和alinn；和四元化合物algainn，如這種命名法包括的種類。當(dāng)兩個或更多個(ga、al、in)組分種類存在時，所有可能的組成，包括化學(xué)計量比和“非化學(xué)計量”比(相對于組成中存在的各(ga，al，in)組分種類存在的相對摩爾分?jǐn)?shù))，均可被采用，而處于本發(fā)明廣泛的范圍內(nèi)。因此，要理解的是，下文本發(fā)明主要參考gan材料的討論可用于多種其他(al、ga、in)n材料種類的形成。進(jìn)一步，本發(fā)明范圍內(nèi)的(algain)n材料可進(jìn)一步包括少量摻雜劑和/或其他雜質(zhì)或內(nèi)含物。硼(b)也可被包含在內(nèi)。

術(shù)語“無alxga1-xn包層”指不存在含有任何摩爾分?jǐn)?shù)al的波導(dǎo)包層如alxga1-xn/gan超晶格、大塊alxga1-xn或aln。其他不用于光導(dǎo)的層可含有一定量的al(例如，小于10％的al含量)。例如，可存在alxga1-xn電子阻擋層。

消除gan或iii-氮化物基光電子裝置的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)的一個途徑是使iii-氮化物裝置在晶體的非極性平面上生成。這種平面含有等量的ga(或第iii族原子)和n原子，并且是電中性的。此外，隨后的非極性層彼此等同，因此大塊晶體將不會沿生成方向極化。gan中這兩類對稱等同的非極性平面是{11-20}類——總稱為a-平面；和{1-100}類——總稱為m-平面。因此，非極性iii-氮化物沿垂直于iii-氮化物晶體(0001)c-軸的方向生成。

減少(ga,al,in,b)n裝置的極化效應(yīng)的另一途徑是使裝置在晶體的半極性平面上生成。術(shù)語“半極性平面(semi-polarplane)”(也被稱為“半極性平面(semipolarplane)”)可用于指代不能歸類為c-平面、a-平面或m-平面的任何平面。在晶體學(xué)術(shù)語中，半極性平面可包括具有至少兩個非零h、i或k密勒指數(shù)和非零l密勒指數(shù)的任何平面。

技術(shù)描述

半極性gan晶體平面上ld結(jié)構(gòu)的設(shè)計是獨特的，因為經(jīng)由基礎(chǔ)(0001)平面上預(yù)先存在的穿透位錯(tds)的滑動能夠在異質(zhì)界面(一個或多個)形成應(yīng)力消除失配位錯(mds)[19]。這種td滑動的驅(qū)動力源自基礎(chǔ)平面上的分解剪切應(yīng)力，其量級隨半極性平面距基礎(chǔ)(0001)平面的傾斜角增加而減少[20]。因此，半極性平面上傾斜角在80與90度之間(相對于c-平面)的應(yīng)變的(algain)n層的異質(zhì)外延生成應(yīng)導(dǎo)致基礎(chǔ)平面上的分解剪切應(yīng)力急劇減少，隨之外延層臨界厚度增加。

如圖1(a)所示，{30-31}gan半極性平面以c-方向分別距半極性gan{20-21}平面和非極性gan{10-10}m-平面傾斜5和10度。圖1(a)還顯示{0001}平面、gan[10-10]方向、gan[0001]方向、gan[11-20]方向、ga原子和n原子。在(11-22)、(20-21)和(30-31)gan半極性平面上外延生成的in0.06ga0.94n的matthews-blakeslee平衡臨界厚度hc[21]值(在假設(shè)各向同性彈性下計算得出)分別為17、46和74nm，如圖1(b)所示。相對于其他之前考察的半極性平面，(30-31)上較大的臨界厚度釋放相當(dāng)大的外延層ld波導(dǎo)設(shè)計空間。圖1(b)中半極性(sp)獨立的gan基底上半極性(sp)ingan層的臨界厚度hc用hc的matthew-blakeslee等式計算[21]：

其中b是burgers矢量，υ是poisson比，λ是burger矢量與位錯線法線方向且位于界面平面內(nèi)的方向之間的角，β是burger矢量與位錯線之間的角，r0和r分別為直位錯核心周圍圓柱環(huán)的內(nèi)半徑和外半徑。

本發(fā)明公開了在c-方向錯切小于+/-15度的m-平面基底上的半極性iii-氮化物光電子裝置。例如，本發(fā)明證實了優(yōu)越的激光器性能的可能性，這通過使激光器結(jié)構(gòu)在c-方向錯切x度(其中-15<x<-1和1<x<15度)的m-平面基底上生成實現(xiàn)。。

方法步驟

圖2示例了制造裝置的方法。方法可包括下列步驟。

方框200表示提供半極性gan晶體平面，其在gan的c-方向且與gan的m-平面x度定向或錯切，其中-15<x<-1和1<x<15度。gan晶體平面可以在gan基底(例如，獨立基底)上。半極性gan晶體平面可通過如下提供：錯切、切割或鋸切g(shù)an基底或以其他方式得到錯切或鄰接的gan基底，使得錯切或鄰接的表面可包括半極性gan晶體平面。例如，可采用mitsubishichemicalcorporation提供的低缺陷密度獨立gan基底。步驟可進(jìn)一步包括選擇半極性晶體平面以增加半極性晶體平面上生成的iii-氮化物層的臨界厚度。

方框202表示在半極性gan晶體平面上、在gan或gan基底的錯切上或在gan或gan基底的鄰接表面上(其中錯切或鄰接表面包括半極性gan晶體平面)沉積或生成(例如，外延地)裝置，如光電子裝置，其包含一個或多個iii-氮化物層。半極性gan晶體平面可在c-方向且與gan的m-平面x度錯切或定向，其中

-15<x<-1和1<x<15度。

光電子裝置可包含一個或多個iii-氮化物或(al,in,ga)n(例如，ingan)層，其厚度大于或等于mathews-blakeslee臨界厚度，其中臨界厚度是沉積在gan的半極性晶體平面上、定向在距gan的m-平面15度或以上和gan的c-方向的ingan層(一個或多個)(具有相同銦組成)的臨界厚度。(al,in,ga)n層或ingan層可具有至少7％的銦組成。(al,in,ga)n層可包括光電子裝置的整個外延層厚度。ingan層可包括波導(dǎo)層、活性層或二者。ingan活性層可包括一個或多個光發(fā)射或吸收量子阱層(例如，多量子阱層)，其中活性層的總厚度(例如，多量子阱的總厚度)具有大于定向在距gan的m-平面15度或以上、c-方向的半極性平面的臨界厚度的厚度。

光電子裝置可包含ld，一個或多個ingan層可包含ingan波導(dǎo)，其提供ld的模態(tài)限制，ld在例如至少445nm、至少460nm或至少478nm的波長處具有激光發(fā)射峰。

iii-氮化物層可進(jìn)一步包括光發(fā)射ingan活性層，其包括一個或多個ingan量子阱，例如一個或多個量子阱的銦組成為至少7％、至少10％或至少16％，厚度大于4納米(例如，5nm)、至少5nm或至少8nm。但是，量子阱厚度也可小于4nm，但其一般在2nm厚度以上。

沉積iii-氮化物層可進(jìn)一步包括在半極性gan晶體平面上沉積一個或多個n型(al,in,ga)n層，在一個或多個n型(al,in,ga)n層上或上方沉積包含一個或多個ingan量子阱層(在阻擋層之間)的ingan活性層，和在ingan量子阱層上沉積一個或多個p型(al,in,ga)n層，其中iii-氮化物層(例如，n型(al,in,ga)n層、p型(al,in,ga)n層和ingan量子阱層)具有半極性gan晶體平面的半極性定向，ingan量子阱層在至少477nm的波長處具有光發(fā)射峰或光吸收峰。但是，層可以相反順序沉積，使得p型層位于半極性晶體平面上和活性層下，n型層位于活性層上。

光電子裝置可以是通過如下制造的ld：在半極性gan晶體平面上或上方沉積n型gan層；在n型gan層上或上方沉積n型ingan波導(dǎo)層，n型ingan波導(dǎo)層的厚度為至少50nm，銦組成為7％或以上；在n型ingan波導(dǎo)層上或上方沉積ingan活性層，該活性層包括阻擋層和一個或多個ingan量子阱層，其銦組成為至少7％，厚度大于4nm(ingan量子阱層在阻擋層之間)；在ingan量子阱上或上方沉積p型ingan波導(dǎo)層；和在p型ingan波導(dǎo)層上或上方沉積p型gan層，p型ingan波導(dǎo)層的厚度為至少50nm，銦組成為7％或以上，其中iii-氮化物層(例如，n型gan層、n型ingan波導(dǎo)層、ingan活性層、p型gan層和p型ingan波導(dǎo)層)具有半極性晶體平面的半極性定向。

在一個實施方式中，ld可以無algan包層，換句話說，激光器二極管可不含有任何algan包層，或其中裝置的任何algan層不限制裝置的光學(xué)模式(例如，裝置中的algan層可具有小于或等于10％的al含量)。

圖3(a)示例了原型激光器裝置結(jié)構(gòu)300，其利用有機金屬化學(xué)氣相沉積(mocvd)，例如，大氣壓mocvd(ap-mocvd)在{30-31}gan基底302(其中x＝10度)或{30-3-1}gan基底302(其中x＝-10度)上外延生成。裝置結(jié)構(gòu)300在gan基底302的頂部表面304上生成，其中頂部表面304相對于gan基底300的m-平面306x度定向。例如，表面304可以是{30-31}平面或{30-3-1}平面。裝置300無algan包層，并且用于生成ld結(jié)構(gòu)的(30-31)的mocvd生成條件類似于一般用于c-平面、m-平面和(20-21)生成的條件。

結(jié)構(gòu)300包括厚度低的gan包層308(例如，在半極性gan晶體平面304上或上方的n型gan層)、摻si的ingan波導(dǎo)層310(例如，在n型gan層308上或上方的50nm厚的n型ingan波導(dǎo)層310)、在n型ingan波導(dǎo)層310上或上方的活性層——該活性層包括三重?zé)o摻雜的ingan量子阱(例如，5nm厚)312，該無摻雜的ingan量子阱夾在gan阻擋層314a、314b(例如，10nm厚)之間、algan電子阻擋層(ebl)316、摻mg的ingan上波導(dǎo)層318(例如，在量子阱312上或上方的50nm厚的p型ingan波導(dǎo)層)、摻mg的上gan包層320(例如，p型gan層)和摻mg的ganp⁺⁺接觸層322[7]。n型gan308、n型ingan310、活性區(qū)312、314a、314b和p型ingan318在n2環(huán)境下生成。p型gan320在h2環(huán)境下生成。完整裝置在高v/iii比(>150)下生成。結(jié)構(gòu)和生成條件類似于[7]所述。

在一個或多個實例中，半極性晶體平面304和沉積條件可使一個或多個iii-氮化物層308-322具有表面粗糙度0.75nm或以下。

圖3(b)示例了裝置結(jié)構(gòu)324的另一實施方式，其在方框202期間于方框200的半極性平面304上生成，其中裝置結(jié)構(gòu)在一個或多個n型iii-氮化物或(algain)n層328與一個或多個p型iii-氮化物或(algain)n層330之間包含一個或多個iii-氮化物或(algain)n活性層326(例如，一個或多個ingan量子阱)。例如，n型iii-氮化物層328可在半極性gan晶體平面304上或上方，iii-氮化物活性層326可在n型iii-氮化物層328上或上方，p型iii-氮化物層330可在iii-氮化物活性層326上或上方。在一個實施方式中，n型328和p型330層的位置可顛倒。圖3(a)和圖3(b)還顯示gan基底302的c-方向。

半極性晶體平面304可以是例如{30-31}、{30-3-1}、{40-41}或{40-4-1}平面。方框200中提供的半極性gan晶體平面304可以是例如鄰接的、錯切的或離軸獨立的gan基底302的頂部表面，半極性gan平面304可包括原子確定的平面，從而實現(xiàn)iii-氮化物層(例如，308-322、326、328、330)的平滑外延生成。例如，iii-氮化物層308-322、326、328、330中的一個或多個可具有0.75nm或以下的表面粗糙度。本發(fā)明不限于iii-氮化物層的具體厚度。iii-氮化物層不限于裝置層的具體類型，iii-氮化物活性層326不限于量子阱或活性層的具體類型。例如，光電子裝置的iii-氮化物層可以是太陽能電池、光檢測器等的的裝置層，活性層326可以是太陽能電池、光檢測器等的活性層。

方框204表示處理裝置(例如，包括形成鏡面)。利用常規(guī)的光刻、干蝕刻和剝離(lift-off)技術(shù)制造脊形波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)。例如，在一個實施方式中，方框202的激光器裝置結(jié)構(gòu)利用常規(guī)的光刻和干蝕刻技術(shù)通過1800μm脊形波導(dǎo)ld被處理為10μm。自對齊的干蝕刻和剝離處理用于限定脊形波導(dǎo)和氧化物絕緣體，然后50/1000nmpd/au金屬化用于p-接觸。鏡面通過基于標(biāo)準(zhǔn)cl2的反應(yīng)性離子蝕刻與c-軸的平面內(nèi)投影成直角形成。背側(cè)al/aun-接觸直接沉積在大塊基底上。

方框206表示方法的最終結(jié)果，裝置或光電子裝置如激光器二極管或led，其在半極性平面304或半極性gan晶體平面304(例如，在錯切g(shù)an基底302)上生成，其中半極性平面304或半極性gan晶體平面304在gan的c-方向且與gan的m-平面306x度錯切或定向，其中-15<x<-1和1<x<15度。例如，光電子裝置可在gan的錯切上生成，其中錯切包括在gan的c-方向且與gan的m-平面306錯切x度的半極性gan晶體平面304，其中-15<x<-1和1<x<15度。

圖3(c)是方框206的完成的激光器裝置結(jié)構(gòu)332的橫截面示意圖，其具有蝕刻面334(例如，蝕刻面鏡)、脊形絕緣體336和p-接觸墊338。ld可位于例如{30-31}上。光電子裝置可以是無algan包層的ld，其包含厚度足以提供模態(tài)限制的ingan波導(dǎo)。

實驗結(jié)果

形態(tài)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量

ld結(jié)構(gòu)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量通過對單獨(30-31)gan基底重復(fù)相同的生成條件進(jìn)行表征。通過光致發(fā)光測量，單獨mocvd生成之間的區(qū)別顯示為最小。

圖4(a)顯示在(30-31)半極性晶體平面304上生成的圖3(a)結(jié)構(gòu)的tem圖像，顯示出無明顯缺陷的優(yōu)質(zhì)界面。圖4(a)顯示n型gan層308(n-gan)、n型ingan層310(n-ingan)、具有g(shù)an阻擋層314a、314b的ingan量子阱312(ingan/gan)、p型alganebl(p-algan)、p型ingan層318(p-ingan)和p型層320(p-gan)。

圖4(b)和圖4(c)顯示圖3(a)裝置結(jié)構(gòu)中的n型gan層308的(30-31)頂部表面340(相對或平行于表面304)的nomarski圖像，具有沿[11-22]方向明顯的條紋，其被本發(fā)明歸因于未優(yōu)化的生成條件。

圖4(d)-圖4(g)顯示如何可通過生成條件優(yōu)化表面形態(tài)。圖4(d)和圖4(e)是圖3(a)裝置結(jié)構(gòu)中n型gan層308的頂部表面340的nomarski圖像，其采用n2環(huán)境(圖4(d))和h2環(huán)境(圖4(e))通過mocvd在(30-31)半極性晶體平面304上生成。

圖4(f)和圖4(g)是圖3(a)中的n型gan層308的頂部表面340的nomarski圖像，其采用n2環(huán)境(圖4(f))和h2環(huán)境(圖4(g))通過mocvd在(30-3-1)半極性晶體平面304上生成。

(30-3-1)平面304上50nm厚的ingan層(例如，層310)具有頂部(30-3-1)平面表面342，其中頂部表面342的均方根(rms)粗糙度為0.75nm。但是，rms粗糙度可更高或更低。50nm厚的ingan層310在n2環(huán)境下于gan308上生成，gan308在n2環(huán)境、高溫(例如，約900℃)下生成。

圖5顯示(30-31)平面的不對稱(20-25)衍射周圍的圖3(a)的ld結(jié)構(gòu)300的x射線倒易空間映射(rsm)。如rsm所示，ld結(jié)構(gòu)中所有層的布拉格(bragg)峰關(guān)于qx軸垂直對齊，表明ld結(jié)構(gòu)是一致應(yīng)變的。

輸出特征

對具有未覆蓋鏡面的裝置進(jìn)行所有電測量和發(fā)光測量。

圖6(a)顯示蝕刻面ld的l-i-v特征，圖6(b)顯示蝕刻面ld的激光發(fā)射光譜，該蝕刻面ld具有圖3(a)結(jié)構(gòu)，在{30-3-1}gan基底上生成(并根據(jù)圖2處理)，顯示fwhm為0.4nm，且激光發(fā)射峰位于477.5nm。

圖7(a)-7(e)是對圖3(a)蝕刻面無algan包層的ingan/ganld的測量，其在半極性(30-31)gan基底上生成，并根據(jù)圖2步驟進(jìn)行處理。

圖7(a)顯示蝕刻面無algan包層的ingan/ganld的l-i-v特征，圖7(b)顯示蝕刻面無algan包層的ingan/ganld的激光發(fā)射光譜。所有測量均在20℃下利用1μs脈沖和0.1％的工作循環(huán)進(jìn)行，以確保最低限度的裝置自加熱效應(yīng)。圖7(b)的激光發(fā)射光譜顯示在444.7nm處清晰的激光發(fā)射峰。估定的閾值電流(ith)為1022ma，其相應(yīng)于jth為5.6ka/cm²。本發(fā)明將相對較高的閾值電壓9.9v歸因于未優(yōu)化的p-接觸和摻雜性。

圖7(c)顯示一系列el光譜，測量作為電流的函數(shù)。

圖7(d)顯示峰el波長從0.03ka/cm²處約448nm移至444nm——剛好在6.0ka/cm²處的閾值以上。該el藍(lán)移值相當(dāng)于相似波長處發(fā)射的m-平面ld，并明顯低于c-平面ld(顯示c-平面數(shù)據(jù)以進(jìn)行比較)[22，8]。圖7(d)還顯示譜寬或激光器峰fwhm對電流密度的依賴性，其從0.03ka/cm²處的16.3nm縮窄至2.5nm——剛好在閾值以上。

圖7(e)顯示作為階段溫度函數(shù)的jth和峰波長(在輸出功率為～35mw時)。通過將閾值電流的固有l(wèi)og相對于溫度作圖和計算斜率的倒數(shù)估定特征溫度(to)值為～135k。該值相對于在相同波長范圍下發(fā)射的c-平面裝置的報告值是比較好的[23-24]。峰波長對溫度的依賴性經(jīng)計算為～0.06nm/k，其相對于m-平面、c-平面和(20-21)平面上生成的ld的報告值也是比較好的[9，2，25，15]。

本發(fā)明估定了圖3(a)的ld結(jié)構(gòu)的限制因子(confinementfactor)為～4.9％。但是，限制因子較低的激光發(fā)射是可能的，圖3(a)的ld結(jié)構(gòu)也可具有較高的限制因子。

本發(fā)明能夠提高激光器性能。配有高理論臨界厚度和低量子限制斯塔克效應(yīng)(qcse)的這種原始ld性能表明半極性(30-31)平面對于長波長ld應(yīng)用具有很大的潛力。在半極性gan基底上外延生成的應(yīng)變(al,ga,in)n合金層較高的臨界厚度使本發(fā)明能夠提高對于粘附的激光器二極管波導(dǎo)層的模態(tài)限制。較厚的量子阱有助于減少量子阱中的有效載體密度(減少auger型損失)，并可促進(jìn)低透明度載體密度。

可能的改變

改變包括各種可能的外延生成技術(shù)、激光器裝置結(jié)構(gòu)、不同的干蝕刻技術(shù)，包括電感耦合等離子體(icp)、反應(yīng)性離子蝕刻(rie)、聚焦離子束(fib)、cmp、化學(xué)輔助離子束蝕刻(caibe)、通過切割形成面鏡(facetmirror)、通過激光器燒蝕形成面鏡、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的改變、通過兩種類型的蝕刻技術(shù)或不同的角制成的面(超發(fā)光二極管(sld))和用相同/兩種不同類型的電介質(zhì)涂布的面鏡，等。

例如：

·錯切包括但不限于，{30-31}、{30-3-1}、{40-41}和{40-4-1}平面等。多個具有其他密勒指數(shù)的半極性平面是可能的。(30-31)、(30-3-1)、(40-41)和(40-4-1)只被列舉作為實例。利用原子確定的平面，可以得到平滑的外延生成。

·在這種錯切上的ld裝置可具有蝕刻面鏡或激光器燒蝕面鏡——只要切割面鏡不可用。

·在這種錯切上的ld裝置可具有切割面鏡，該切割面鏡具有斜面(例如，相對于ld的生成平面304傾斜的面)或垂直于生成平面304的面。例如，上述{30-31}激光器可具有切割面。

·在這種錯切上的ld裝置可具有定向在c-投影方向的波導(dǎo)，用于更高的增益。

·在這種錯切上的ld裝置可利用來自腔鏡和/或面和/或分布式布拉格反射器(dbr)和/或光柵等的光反饋。

·在這種錯切上的ld裝置可利用光增益(例如，sld或半導(dǎo)體光學(xué)放大器)。

·在這種錯切上的ld裝置可利用不同的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

·在這種錯切上的ld裝置可具有一個或兩個成角面或粗糙面(通過濕化學(xué)蝕刻形成)，以抑制反饋(sld)。

·在這種錯切上的ld裝置可具有被動腔或可飽和的吸收劑。

·裝置可包括連續(xù)波運行的激光器和激光發(fā)射和自發(fā)波長增加的裝置。

裝置可在除gan外的其他iii-氮化物基底上生成。半極性晶體平面304可以是半極性gan晶體平面或半極性iii-氮化物晶體平面?；蛘?，半極性晶體平面可以是gan(例如，gan基底)或iii-氮化物(例如，iii-氮化物基底)的半極性平面304。然后，半極性平面304可在iii-氮化物的c-方向且與iii-氮化物的m-平面x度定向或錯切，其中-15<x<-1和1<x<15度。半極性平面304可以是平面的。iii-氮化物層308-322中的一個或多個可以是平面層。例如，iii-氮化物層308-322、326、328、330中的一個或多個可具有平面頂部表面(例如340、342)。iii-氮化物層308-322、326、328、330中的一個或多個可具有平面界面(與其他iii-氮化物層的界面)。

·裝置可利用除mocvd外的生成方法生成，包括但不限于，例如分子束外延(mbe)和氫化物氣相外延(hvpe)。

改變還包括在c-方向錯切x度(其中-15<x<-1和1<x<15度)的m-平面基底上生成的其他光電子裝置(led、光子晶體激光器、太陽能電池、光檢測器等)，。例如，在這種錯切上的裝置可包括激光器二極管、sld、半導(dǎo)體放大器和vcsel激光器。

優(yōu)勢和改進(jìn)

現(xiàn)有的(al,ga,in)n激光器一般在極性{0001}、非極性{10-10}和{11-20}或半極性{11-22}和{20-21}平面上生成。在極性和半極性平面上生成的激光器遭受量子阱中極化相關(guān)的電場，其使裝置性能退化。雖然非極性{10-10}和{11-20}裝置無極化相關(guān)的效應(yīng)，但高銦濃度摻入{10-10}和{11-20}裝置的優(yōu)質(zhì)晶體生成顯示出難以實現(xiàn)。

在c-方向與m-平面錯切x度(其中-15<x<-1和1<x<15度)的半極性平面上生成的裝置，與常規(guī)的半極性平面(即，{11-22}、{20-21}等)相比，量子阱中具有最低限度的極化相關(guān)電場。在這種gan錯切m-平面基底上的應(yīng)變外延(al,ga,in)n合金層的臨界厚度也可大于在c-方向與m-平面錯切大于+/-15度的其他半極性(即，{11-22}、{10-1-1}和{20-21})晶體平面。這能夠提高波導(dǎo)層的厚度和組成——因此提高模態(tài)增益。本發(fā)明研究的{30-31}和{30-3-1}平面上的原型激光器裝置證實了裝置在這種m-平面錯切基底上的可能性。

本發(fā)明裝置的應(yīng)用包括但不限于光電子裝置(激光器、led等)，用于顯示、照明、生物醫(yī)學(xué)成像、發(fā)光應(yīng)用等。

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結(jié)論

這總結(jié)了對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的描述。上文對本發(fā)明一個或多個實施方式的描述呈現(xiàn)的目的是示例和描述。其不意為是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于確切的公開形式。通過上文指導(dǎo)，可以進(jìn)行多種修正和改變。其意為本發(fā)明的范圍不受限于詳細(xì)描述，而由所附權(quán)利要求限定。