CN102484047A - 在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置 - Google Patents

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武凤
阿努拉格·蒂雅吉
阿尔潘·查克拉伯蒂
詹姆斯·S·斯佩克
斯蒂芬·P·登巴尔斯
中村修二
埃林·C·永
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Abstract

本发明涉及一种通过在空间上限制异质界面周围的错配位错制作的具有驰豫晶格常数的无位错高质量模板。此可用作高In成份装置的模板层。具体来说，本发明制备高质量InGaN模板(In成份约为5％到10％)，且可在这些模板上生长In成份比原本将可能的情况高得多的InGaN量子阱QW(或多量子阱MQW)。

Description

在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置
相关申请案交叉参考
本申请案在35 U.S.C.第119(e)部分下主张以下共同待决并且共同让与的美国临时专利申请案的权益：
2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置(SEMIPOLAR NITRIDE-BASED DEVICES ON PARTIALLY ORFULLY RELAXED ALLOYS WITH MISFIT DISLOCATIONS AT THEHETEROINTERFACE)”、代理人档案号为30794.317-US-P1(2009-742-1)的第61/236,058号美国临时专利申请案；及
2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制(ANISOTROPIC STRAIN CONTROL IN SEMIPOLARNITRIDE QUANTUM WELLS BY PARTIALLY OR FULLY RELAXED ALUMINUMINDIUM GALLIUM NITRIDE LAYERS WITH MISFIT DISLOCATIONS)”、代理人档案号为30794.318-US-P1(2009-743-1)的第61/236,059号美国临时申请案；
所述申请案以引用方式并入本文中。
本申请案涉及以下共同待决并且共同让与的美国专利申请案：
与本申请案在同一天提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制(ANISOTROPIC STRAIN CONTROL IN SEMIPOLARNITRIDE QUANTUM WELLS BY PARTIALLY OR FULLY RELAXED ALUMINUMINDIUM GALLIUM NITRIDE LAYERS WITH MISFIT DISLOCATIONS)”的第xx/xxx,xxx号美国实用新型申请案，所述申请案在35 U.S.C.第119(e)部分下主张以下美国临时申请案的权益：2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(FengWu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(Shuji Nakamura)的标题为“通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制(ANISOTROPIC STRAIN CONTROL INSEMIPOLAR NITRIDE QUANTUM WELLS BY PARTIALLY OR FULLY RELAXEDALUMINUM INDIUM GALLIUM NITRIDE LAYERS WITH MISFITDISLOCATIONS)”、代理人档案号为30794.318-US-P1(2009-743-1)的第61/236,059号美国临时申请案；
所述申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及通过使用异质界面周围的空间限制错配位错(MD)的具有驰豫晶格常数的无位错高质量外延生长模板，其中模板层可用于高In/Al成份装置的外延生长，例如紫外(UV)、绿色、琥珀色或红色发光二极管(LED)及绿色或UV激光二极管(LD)。
背景技术
到目前为止，由于穿过装置层的位错导致拙劣装置性能，因此所有基于氮化物的装置通常是相干生长而来。举例来说，如果InGaN在GaN上相干生长(即，不具有MD)，那么InGaN的平面内晶格常数被约束为与GaN相同的值，此意指InGaN层遭受压缩平面内应变(对于AlGaN在GaN上的相干生长的情况来说，由于相应晶格常数的差异，AlGaN外延层遭受拉伸平面内应变)。
一种减小或可能消除GaN光电子装置中的极化效应的方法是在晶体的半极性平面上生长装置。术语“半极性平面”可用来指代拥有两个非零h、i或k密勒指數及一非零l密勒指數两者的各种平面。因此，半极性平面被定义为在(hkil)密勒-布拉维指数标定惯例中具有非零h或k或i指数及非零l指数的晶体平面。c平面GaN异质外延中的半极性平面的一些常见实例包含(11-22)、(10-11)及(10-13)平面，其存在于凹坑的小面中。所述平面也恰好是发明者以平坦膜形式生长的相同平面。纤维锌矿晶体结构中的半极性平面的其它实例包含(但不限于)(10-12)、(20-21)及(10-14)。氮化物晶体的极化向量既不在此些平面内也不正交于此些平面伸展，而是相对于平面的表面法线倾斜某一角度伸展。举例来说，(10-11)及(10-13)平面分别与c平面成62.98°及32.06°。
发明内容
本发明揭示一种通过在空间上限制异质界面周围的MD的具有驰豫晶格常数的无位错高质量模板。此模板层可用于高In成份装置的后续外延生长。本发明制备高质量InGaN模板(In成份约为5％到10％)，且可在这些模板上生长In成份比原本将可能的情况高得多的InGaN量子阱(QW)(或多量子阱(MQW))。
为克服现有技术中的限制，且克服将在阅读及理解本说明书之后明了的其它限制，本发明揭示沉积在第二层上的第一层，所述第一层为具有部分或完全驰豫的晶格常数的半极性氮化物(AlInGaN)层，其中在所述第一层与所述第二层之间的异质界面处存在一个或一个以上位错。
所述位错可为MD。所述位错可局部化在所述异质界面周围或可不穿透所述异质界面上面的层。
所述第一层的生长平面可为是(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)平面的半极性平面。
举例来说，所述第二层可为块体AlInGaN、GaN衬底、m蓝宝石或尖晶石衬底。
举例来说，所述第一层可为具有至少数个百分比(例如，3％到10％)的In成份的InGaN，且所述第二层为GaN。另一选择为，举例来说，所述第一层可为具有至少数个百分比的Al成份的AlGaN，且所述第二层可为GaN。所述第一层可包括两个以上层，且在每一界面处，存在允许驰豫外延膜的位错
III氮化物光学装置可制作于所述第一层上。所述III氮化物光学装置可包含一个或一个以上AlInxGaN(x＞0)QW，其中x大于20％。所述光学装置可为包括实现在绿色波长范围中具有峰值强度的光发射的高In成份QW的绿色LD。
所述QW可为至少3nm厚。
所述III氮化物光学装置可为包括n型层与p型层之间的发光作用层的LED或LD。
所述III氮化物光学装置在所述装置结构内部尤其在所述光学装置的一个或一个以上作用层周围不包含新位错，或位错距所述作用层至少50nm。所述衬底层中每单位面积螺旋位错的数目(n)可在103/cm2到106/cm2的范围中。
本发明进一步揭示一种制作III氮化物装置的方法，所述方法包括在III氮化物模板上相干地生长所述III氮化物装置，其中所述III氮化物模板不相干地生长于具有不同于所述III氮化物模板的材料成份的衬底上。
附图说明
现在参考图式，在所有图式中相同参考编号都代表对应部件：
图1是在g＝01-10衍射条件下在AlGaN/GaN超晶格(SL)的下部分与GaN的界面周围拍摄的透射电子显微镜(TEM)亮视场图像，其展示界面处的MD，其中比例尺为100纳米(nm)。
图2(a)是[1-100]晶带轴周围的TEM图像，其中可看到包含SL的整个LD装置外延层(从上部到下部)，且比例尺为0.2微米(μm)，且图2(b)描绘对应电子束衍射图案(DP)。
图3(a)至(c)展示前述的装置(图1、2(a)中所描绘)的不同外延层的TEM图像，其中(a)展示100周期p-AlGaN/GaN SL及100nm厚的p-GaN，其中SL中的p-AlGaN为3nm厚，且超晶格中的GaN为2nm厚；(b)具有2周期InGaN QW的作用区；及(c)QW下面的n-AlGaN/GaN SL，其中比例尺为100nm。
图4是图解说明主要在用黑箭头标记的异质界面处产生且稍微在用虚线箭头标记的层中找到的MD的TEM图像，其中比例尺为50nm。
图5(a)是从晶带轴[2-1-10]拍摄的TEM图像，其中比例尺为0.2μm，且图5(b)描绘对应电子束DP[1]。
图6(a)是在g＝01-10的情形下拍摄的TEM亮视场图像，其中由于试样从[1-100]倾斜到[2-1-10]倾斜，可看到MD为段，其中比例尺为50nm，且图6(b)描绘对应电子束DP。
图7是本发明的概念的横截面示意图。
图8是本发明的应用(举例来说，亮绿色LED或绿色LD)的横截面示意图。
图9是本发明的实施例的横截面示意图。
图10是根据本发明的GaN衬底上的InGaN模板的横截面示意图。
图11图解说明根据本发明的制作装置的方法。
图12是使用图9的实施例制作的装置的横截面示意图。
图13是基于(11-22)GaN衬底且包括厚QW的绿色LD的横截面示意图。
图14是具有薄QW的绿色LD的横截面示意图。
图15是具有薄QW及电子阻挡层的绿色LD的横截面示意图。
图16展示来自生长于不同厚度的InGaN模板(分别为50/500nm)上的两个InGaN单QW装置的的标绘强度(任意单位)对波长(nm)的室温(RT)光致发光(PL)光谱。
图17展示图16中的上文所提及的装置的(10-10)横截面TEM图像，其中(a)在50nm厚的n-InGaN模板上的装置(在B-[11-00]的情形下拍摄)，(b)在50nm厚的n-InGaN模板上的装置(在g＝10-10的情形下拍摄)，(c)生长于500nm厚的n-InGaN模板上的装置(在B-[11-00]的情形下拍摄)，及(d)生长于500nm厚的n-InGaN模板上的装置(在g＝10-10的情形下拍摄)，其中在(d)[2]中的InGaN/GaN异质界面处清晰地观察到MD。
具体实施方式
在以下优选实施例的说明中，参考形成本发明一部分的附图，并且其中以说明方式展示可实践本发明的具体实施例。应了解，可利用其它实施例并且可在不背离本发明范围的情况下作出结构性改变。
概述
在另一层(Y)上生长的外延层(X)(其中层Y自身可为外延层或者衬底)可相对于Y是相干的或部分驰豫的或完全驰豫的。对于相干生长的情况来说，X的平面内晶格常数被约束为与下伏层Y相同。如果X为完全驰豫的，那么X的晶格常数呈其自然(即，不存在任何应变)值。如果X相对于Y既不相干也不完全驰豫，那么认为其为部分驰豫的。在一些情况下，衬底可能具有某一残余应变。
本发明发现在半极性(11-22)氮化物中的异质界面处存在MD(参见图1、2(a)到(b)、3(a)到(c)、4、5(a)到(b)及6(a)到(b))。在此新发现中，MD的存在仅限于具有晶格常数失配(具有不同合金及/或合金成份)的层之间的异质界面周围。认为在此界面(具有MD)上生长的层为部分或完全驰豫的。因此，当使用本发明生长InGaN(相对高In成份，例如，5％到10％)时，实现驰豫InGaN模板层(驰豫：晶格常数变成其自然值)。
如果在GaN上相干地生长InGaN(即，不具有MD)，则InGaN的平面内晶格常数被约束为与GaN相同的值，此意指InGaN层遭受压缩平面内应变(对于AlGaN在GaN上的相干生长的情况来说，由于相应晶格常数的差异，AlGaN外延层遭受拉伸平面内应变)。基于初步实验中的TEM图像(参见图1、2(a)到(b)、3(a)到(c)、4、5(a)到(b)及6(a)到(b))，MD上的层没有穿过所述层且朝向生长方向的清晰位错，除界面周期的位错之外。此指示本发明可在衬底上实现具有驰豫晶格常数的无位错合金。
对于驰豫层，本发明可不考虑临界生长厚度而生长厚层。一个应用是GaN上的高质量InGaN模板。此模板可用于生长极高In成份装置结构，例如绿色LED、琥珀色LED、红色LED及绿色LD。
技术说明
命名
打算将本文中所使用的术语(Al，Ga，In)N、III氮化物或AlInGaN广泛地解释为包含单个物质Al、Ga及In的相应氮化物，以及此些III族金属物质的二元、三元及四元组合物。因此，术语(Al，Ga，In)N或AlInGaN或III氮化物囊括化合物AlN、GaN及InN，以及三元化合物AlGaN、GaInN及AlInN及四元化合物AlGaInN作为包含在此命名中的物质。当存在(Ga，Al，In)组份物质中的两者或两者以上时，可在本发明的广泛范围内采用包含计量化学比例以及“非化学计量”比例(关于组合物中存在的(Ga，Al，In)组份物质中的每一者的相对摩尔分数存在)的所有可能组合物。因此，将了解，后文主要参考GaN材料的对本发明的论述适用于各种其它(Al，Ga，In)N材料物质的形成。此外，在本发明范围内的(Al，Ga，In)N材料可进一步包含少量掺杂剂及/或其它杂质或可包含的材料。
装置结构
图1是在g＝01-10衍射条件下在AlGaN/GaN SL 102的下部分与GaN 104的界面100周围拍摄的TEM亮视场图像，其展示所述界面处的MD 106(此与[1]的图3(b)相同)。
图2(a)是[1-100]晶带轴周围的TEM图像，其中可看到包含SL的整个LD装置外延层(从上部到下部)，且图2(b)描绘对应电子束衍射图案(DP)。
图3(a)到(c)展示前述的装置(图1、2(a)中所描绘)的不同外延层的TEM图像，其展示(a)100周期p-AlGaN/GaN SL 300及100nm厚的p-GaN 302，其中SL 300中的p-AlGaN为3nm厚，SL 300中的GaN为2nm厚；(b)具有2周期InGaN QW的作用区304；及(c)QW下面的n-AlGaN/GaN SL 306。
图4是图解说明包括以下各项的外延结构的TEM图像：n-AlGaN/GaN SL 400、SL400上的n-GaN层402、n-GaN层402上的n-InGaN层404、n-InGaN层404上的InGaNQW 406、QW 406上的p-AlGaN电子阻挡层(EBL)408、EBL 408上的p-InGaN层410、p-InGaN层410上的p-GaN层412及p-GaN层412上的p-AlGaN/GaN SL 414。所述TEM图像进一步图解说明主要在用黑箭头418、420、422、424标记的异质界面处产生且稍微在用虚线箭头426标记的层中找到的MD 416。
图5(a)是从晶带轴[2-1-10]拍摄的TEM图像，且图5(b)描绘对应电子束DP[1]。
图6(a)是在g＝01-10的情形下拍摄的TEM亮视场图像，其中由于试样从[1-100]倾斜到[2-1-10]，可看到MD 600为段，且图6(b)描绘对应电子束DP。
本发明可制备高质量InGaN模板(In成份约为5％到10％)且可在此模板上生长In成份高得多的InGaN QW(MQW)。图7图解说明体现本发明的此概念的结构，包括异质外延生长于GaN层702上的厚InGaN模板层700(具有5％到10％In)及同质外延生长于(11-22)GaN衬底704上的GaN层702。GaN层702与InGaN模板层700之间的异质界面706含有局部化(即，局限于界面706附近)MD 708，且InGaN模板700(例如，对于某一装置来说)具有部分或完全驰豫晶格常数。在图7中，标记为[11-22]及[11-23]的箭头分别指示[11-22]及[11-23]方向，且圆圈内的实心圆圈指示[10-10]方向(在纸张的平面之外)。
图8图解说明本发明的应用，明亮绿色LED或LD结构800，其包括InGaN层802a、802b、802c、802d、802e(具有5％到10％铟(In))及在图7中所描述的InGaN模板700上生长的高In含量(例如)In0.3GaN QW层804a、804b、804c、804d。QW是具有充分高In成份以发射绿色光(例如，在绿色波长范围(例如，510nm到540nm)中或在从490nm到560nm的波长范围中具有峰值强度的光)的发光作用层。模板700包括驰豫晶格常数，其中在垂直于MD线方向(由图7中的箭头[11-23]所指示)的方向[10-10]上发生驰豫。层802a为p型层(例如，经Mg掺杂)，层802e为n型层(例如，Si掺杂)且层802b到d为作用区中的势垒层(未经掺杂或经n掺杂)。图8是装置应用的实例，因此是具有MQW的一种pn二极管。
更一般来说，如图9中所展示，本发明揭示外延结构900，其包括在第二层904(层B)上的第一层902(层A)，其中第一层902为包括部分或完全驰豫的晶格常数的氮化物(AlInGaN)层；及在第一层902与第二层904之间的异质界面908处的一个或一个以上位错906(例如，MD)。层A 902不与层B 904相干地生长，以便实现具有驰豫晶格常数的层A 902。层A 902的晶格常数可低于或高于层B 904的晶格常数。为实现此晶格失配，举例来说，层A 902及B 904可由不同合金制成。第二层904自身也可为部分驰豫的。层A的厚度大于临界厚度以产生MD。临界厚度可介于(举例来说)从数个nm到数个微米的范围，且可取决于成份、掺杂及结晶定向(后者相依性是相当重要的)。
因此，根据本发明，第一层902抵靠第二层904驰豫。换句话说，第一层902中在水平方向上的晶格常数与第二层904中的晶格常数不同。
位错906可包含(但不限于)MD。通常，所述位错局部化在异质界面908周围且不穿透异质界面908上面的层。在衬底或第二层B 904中在每单位面积103至106(例如，103/cm2至106/cm2)范围中的每单位面积螺旋位错数目(n)是期望的，因为对于n＞106，装置性能恶化，且对于n＜103，不能有效地产生MD。
图10图解说明其中第一层1002的生长平面(或顶部表面)1000是半极性平面(例如，但不限于(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)平面等)的实例。换句话说，层A 1002的后续装置层(例如，n型、p型及作用层)生长于其上的顶部表面1000为半极性平面。半极性平面被定义为在(hkil)密勒-布拉维指数标定惯例中具有非零h或k或i指数及非零l指数的晶体平面。通常，层A 1002的生长方向1004是半极性生长方向。在图10的情况下，第一层1002是生长于第二层1008的半极性(11-22)平面1006上的InGaN(11-22)模板，其中第二层1008为GaN(11-22)衬底。图10进一步图解说明具有MD 1012的界面1010(第一层1002与第二层1008之间)。朝向[11-23](c轴的平面内投影)的(InGaN模板1002的)晶格常数是驰豫的，而朝向m轴的(InGaN模板1002的)晶格常数不是驰豫的。此指示可抑制由于沿着[11-23]的晶格失配所致的其它MD。
因此，(11-22)半极性模板可沿着[11-23]方向(c轴的平面内投影)驰豫且不沿着m轴驰豫。对于不同平面或晶体学定向来说，驰豫及非驰豫方向可不同且可以推导出来[1]。然而，驰豫通常沿着一个方向且不在垂直方向[1]上驰豫。通常，可针对两个方向计算形成MD的临界厚度。
通常，平行于c投影的平面内晶格常数是驰豫的，但驰豫方向及非驰豫方向确实取决于底层及/或衬底的半极性定向及/或合金成份。对于常用的半极性平面来说，不相干的晶格常数通常是平行于c轴的投影的平面内晶格常数(其不同于a、c两者)
因此，驰豫方向总是沿着c投影且非驰豫方向总是垂直于c投影不是必须的。然而，由于归因于半极性纤维锌矿III氮化物的晶体结构基面滑移是支配应变驰豫机制，因此具有垂直于c投影的线方向的MD将可能首先形成。因此，初始驰豫将沿着c投影(驰豫方向垂直于MD方向)。如果膜中的应变能量足够大，那么垂直于c轴的平面内方向也可经历驰豫。在一个实施例中，本发明可针对两个方向计算形成MD的临界厚度。接着，当层厚度达到对应临界厚度时，将导致MD。因此，一旦针对一个方向，层厚度达到临界厚度，则所述层将在对应方向上驰豫。
驰豫程度可取决于晶格常数，且机械性质取决于定向及晶格方向[1]。
工艺步骤
图11是图解说明制作本发明的外延结构(举例来说，III氮化物装置)的方法的流程图。所述方法包括以下步骤。
框1100表示提供或采用与后续生长的模板层形成异质界面(框1102)的衬底，举例来说，高质量半极性GaN衬底。举例来说，模板层可为第一层且衬底可为第二层。衬底层中每单位面积(例如，每cm2)的螺旋位错的数目(n)可在每单位面积(例如，每cm2)103至106范围中，因为，对于n＞106，装置效能恶化，且对于n＜103，不能有效地产生MD。
框1104表示在衬底上生长模板层，或在第二层上沉积或生长第一层，所述第一层是具有部分或完全驰豫的晶格常数的氮化物(AIInGaN)层，其中在第一层与第二层之间的异质界面处存在一个或一个以上位错。所述模板可在GaN衬底上不相干地生长(即，模板层的平面内晶格常数与衬底层的晶格常数不相同)，从而产生具有驰豫晶格常数的模板层。因此，III氮化物模板可在具有不同于III氮化物模板的材料成份的衬底上不相干地生长。第一层可包括两个以上层，例如In0.1GaN/In0.05GaN/GaN，且在每一界面处，可存在允许驰豫外延膜的位错。
框1106表示以上步骤的最终结果，沉积在第二层(例如，衬底)上的至少包括为具有部分或完全驰豫的晶格常数的半极性氮化物(AlInGaN)的第一层(模板层)的外延结构，其中在第一层与第二层之间的异质界面处存在一个或一个以上位错。所述位错可为MD，所述位错可局部化在异质界面(在第一层包括两个以上层的情况下，为若干异质界面)周围，且所述位错可不穿透异质界面上面的层。
第一层(模板)的生长平面(即，后续层(例如，装置层)沉积于其上的顶部表面)可为例如(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)的半极性平面及其它各种半极性平面。
框1108表示在模板层上生长装置结构(例如，不具有位错)。所述生长可包含在III氮化物模板上相干地生长III氮化物装置。
框1110表示所述方法的最终结果，制作于第一层上的III氮化物光学装置或装置结构。III氮化物光学装置或结构可包含AlInxGaN(x＞0)QW或势垒/作用层。AlInxGaN(x＞0)QW或势垒/作用层可包含大于20％的x(例如，具有或不具有Al)。III氮化物光学装置可为包括n型层与p型层之间的发光作用层的LED或LD。举例来说，光学装置可为包括实现在绿色波长范围中具有峰值强度的光发射的高In成份QW的绿色LD。
QW厚度可为至少3nm。
III氮化物光学装置通常在装置结构内部(尤其在光学装置的一个或一个以上作用层周围)不包含新位错，或举例来说，位错远离作用层(例如，距作用层至少50nm)。
所述结构通常通过(举例来说)常规分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)来生长，但也可使用其它沉积方法。
如所述技术中所已知，可添加额外层、结构、触点或元件以制作光电子装置。
可能的修改
第二层可包括不同材料，例如(但不限于)块体AlInGaN、高质量GaN衬底或异质衬底，例如m蓝宝石或尖晶石衬底。
如以上所述，第一层通常是包括至少数个百分比(例如，至少3％到10％)的In成份的InGaN。在此情况下，举例来说，第二层可为GaN。然而，第一层A可包括其它材料。举例来说，第一层可为包括至少数个百分比的Al成份的AlGaN。在此情况下，举例来说，第二层可为GaN。如果Al成份为小，那么临界厚度为大。但对于此后一情况来说，本发明可通过生长厚层来引入MD。
第一层可包括两个以上层，例如In0.1GaN/In0.05GaN/GaN，其中在所述层之间的每一界面处，存在允许驰豫外延膜的位错。
本发明实现基于半极性生长的超亮绿色LED、绿色LD、琥珀色LED、红色LED及基于半极性GaN的以AlGaN为基础的深UV LED及LD的制作。
图12图解说明第一层902(层A)(例如，如图9中所图解说明)上的光学装置结构1200(例如，但不限于LED或LD)的实例。举例来说，光学装置1200可包含AlInxGaN(x＞0)作用层或QW(具有大于0.2(20％)的In成份x)。作用层的In成份可为足够高以发射对应于较长波长(例如，绿色波长)的光。然而，在光学装置结构中不包含任何新位错是优选的。
归因于InGaN模板902，本发明可生长具有高(例如，15％到30％)In成份的厚(例如，大于3nm厚)且高质量QW。图13图解说明具有为发光作用层的厚(例如，8nm厚度1302)、高In成份(15％到30％)QW 1304a、1304b、1304c、1304d、1304e的绿色LD 1300(例如，发射绿色光或在绿色波长下具有峰值发射强度的光)。充当InGaN模板的第一层1306也是厚的(例如，1000nm厚度1308)，含有5％到10％In且充当包覆层。p型(例如，经Mg掺杂)700nm厚1310 InGaN(5％到10％In成份)层1312在层1304a上。InGaN模板1306外延生长于标准再生长的GaN模板1314上，其生长于(11-22)GaN衬底1316上。装置层进一步包含具有5％到10％In成份(举例来说，充当QW势垒)且具有(例如)8nm的厚度1320的InGaN层1318a、1318b、1318c、1318d。在装置层中，通常将晶格失配保持为小以防止装置层中的MD。还展示在模板1306与标准再生长的GaN 1314之间的界面处的MD 1322。还展示衬底1316的层1314及1306生长于其上的顶部表面1324，其中顶部表面1324为(11-22)半极性平面；及模板1306的作用层1304a到e生长于其上的顶部表面1328，其中顶部表面1328也为(11-22)半极性平面。然而，如所论述，可使用其它半极性或非极性平面。
图14图解说明具有薄(例如，3nm厚度1402)QW 1404a、1404b(发光作用层)的绿色LD 1400(例如，发射绿色光或在绿色波长下具有峰值发射强度的光)，其包括(11-22)GaN衬底1406、在GaN衬底1406上的标准GaN模板1408、标准再生长的层1408上的1000nm厚1410InGaN模板层1412(具有(例如)5％In成份，也充当包覆层)，随后是在InGaN模板1412上的薄QW 1404a、1404b(例如，具有30％In的InGaN)及InGaN分限异质结构(SCH)层1414a、1414b(例如，具有10％In的InGaN)。QW1404a、1404b及SCH 1414a、1414b具有比InGaN模板1412及包层高的In成份。50nm厚度1416InGaN层1418(5％In)在SCH层1414b上。700nm厚1420InGaN层1422(2％In成份、经p型掺杂(例如，用Mg))在层1418上。还展示在模板1412与标准再生长的GaN 1408之间的界面处的MD 1424。作用区1404a、1404b与包覆层1412之间的折射率差Δn为Δn＝0.05。
对于非极性或半极性情况来说，本发明可将QW厚度增加到高达多于3nm，而不具有或具有较少QCSE。
优选地，光学装置1300、1400在装置结构内部(尤其在作用层1304a到e及1404a到b周围)不包含位错。另一选择为，位错远离作用层1304a到e、1404a到b(例如，MD 1322、1424与QW 1304a到e、1404a到b之间的距离多于50nm，或优选地，举例来说多于100nm)，如图13及14中所展示。在图14的装置中，举例来说，晶格常数从底部1426朝向作用区1404a增加。然而，平面内晶格常数在作用层1404a正下方保持恒定，且从QW作用层1404b上面朝向光学装置1400的顶部1428降低，除对于例如电子阻挡层的一些层之外。换句话说，作用区1404a、1404b在下伏层1412上相干地生长，且从作用区1404a到b充分地(50到100nm)移除具有MD 1424的任何异质界面。图14中还展示在模板层1412与SCH层1414a之间的具有5％In的InGaN层1430及QW势垒层1432。
图15图解说明具有一个或一个以上薄QW 1502a、1502b及具有相对低Al含量(例如，10％到15％或5％到15％)(例如，以防止电子溢流)的AlGaN电子阻挡层(EBL)1504的绿色LD结构1500(即，发射绿色光或在一个或一个以上绿色波长下具有峰值发射强度的光)。LD 1500包括(11-22)GaN衬底1506、在GaN衬底1506上的标准GaN模板1508、在GaN模板1508上的InGaN模板层1510(具有(例如)5％In成份且具有1000nm的厚度1512)，随后是InGaN层1516a、1516b、1516c(具有10％In成份)及由InGaN层1516b分离的薄QW 1502a、1502b(具有3nm厚度1514，其中In成份为15％到20％或30％)。具有10％In的InGaN层1516a、1516b、1516c也充当QW势垒，从而提供载流子于QW 1502a、1502b中的量子局限。层1516a及1516c也可以为SCH层。具有20nm的厚度1518的EBL 1504在In0.05GaN层1520(5％In成份且具有50nm的厚度1522)与具有700nm的厚度1526的In0.05GaN(5％In成份、p型(例如，经Mg掺杂))层1524之间。作用区1502a、1502b与包覆层1510之间的折射率差Δn为Δn＝0.05。AlGaN EBL层1504可用Mg掺杂，然而，此并非必须的。
如图15中所展示，对于本发明，抑制EBL 1504的界面处的MD是优选的。因此，通过用低Al成份分级EBL层1504的成份或使用GaN EBL 1504或薄(及/或晶格失配的)AlInN EBL层1504来制作EBL 1504以防止位错是优选的。举例来说，可在Al成份、AlInN或低Al成份方面来分级EBL 1504。
另一选择为或另外，如图15中所展示，EBL 1504应位于远离(例如，至少50nm)作用层1502a、1502b处(以防止导致所述作用层周围的非辐射重组的MD的影响)，由此保持高内部效率。另外，应将任何其它异质界面(除了QW/势垒异质界面外)保持为远离作用层1502a、1502b，也如图15中所展示。图15中还展示在InGaN模板层1510与GaN模板层1508之间的界面处的MD 1528。
如上文所述，本发明的一个应用是用于生长极高In成份装置结构的GaN上高质量InGaN模板，例如绿色LED、琥珀色LED、红色LED及发射绿色光的LD。举例来说，图16及图17展示实验结果。
图16展示从生长于500nm厚的InGaN(5％到7％In)模板(生长于(11-22)GaN上)的高In含量单量子阱(SQW)获得较亮光致发光(PL)(强度增加70％)及较长发射波长。具体来说，来自生长于50nm厚的InGaN层上的QW的PL强度在491nm的波长下达到峰值，其中半峰全宽(FWHM)(Δλ)＝33nm且积分强度为1，而来自生长于500nm厚的InGaN层上的QW的PL强度在503nm的波长下达到峰值，其中FWHM(Δλ)＝35nm且积分强度为1.7。图16中的数据是在室温下获得且由405nm波长下的激发得出。
图17(a)到(d)[2]是在图16中测量的装置的图像。图17(b)展示在50nm厚的InGaN模板上的装置的(10-10)横截面，且图17(d)展示在图16中的500nm厚的n型InGaN层上的样本的TEM成像((10-10)横截面)展露InGaN/GaN异质界面1702处的MD 1700，其充分远离SQW作用区1704。在SQW InGaN作用区1704附近不存在位错。
也可使用非极性模板及衬底。
装置具有与GaN衬底定向相同的定向。举例来说，如果使用m平面衬底，那么将生长m平面装置。如果本发明使用(11-22)GaN衬底，那么将在所述衬底上生长(11-22)半极性装置。
MD或任何种类的缺陷将降低LED功率。由于大晶格失配的存在，在GaN上生长高In％InGaN是相当困难的。在本发明之前，不可生长具有In％＞30％的高质量InGaN。使用本发明的方法，可在GaN上生长具有In％＞30％的InGaN。
优点及改进
到目前为止，尚不存在基于半极性及非极性定向的在绿色光谱区中(或在超过蓝色的较长波长区中)发射的过亮LED及高性能LD的报告。此部分地是由于异质界面处(尤其在势垒层与QW之间的界面处)的MD或堆垛层错(换句话说，材料问题)。尽管如此，先前研究已使用GaN或InGaN势垒(具有低In成份)。因此，当前装置在QW周围具有极大晶格失配。此导致拙劣结晶质量或位错/堆垛层错。可在LD的引导层与包覆层(例如，InGaN引导/AlGaN包覆)之间的界面处观察到相同的现象。
基于先前的结果，可明了使用非极性及半极性定向的原因。小的或消除的QCSE(量子局限斯塔克效应)产生较高内部效率，此使得能够制作在超过蓝色的区中的高功率LED及LD(基于氮化物的绿色/琥珀色/红色LED以及绿色LD)。然而，直到克服以上所提及的材料问题才能实现真正高性能的光学装置。
本发明可通过使用包含MD的异质界面来供应具有驰豫晶格常数的高质量模板层。在驰豫层(例如，驰豫InGaN模板)上，与在GaN上直接生长(即，不使用InGaN模板作为中间层)的情况相比较，本发明可更容易地生长高In成份层(高In成份QW)。此使得本发明能够制作以半极性定向生长的高性能LED及LED，例如，基于或生长于GaN的(11-22)平面上且(举例来说)发射绿色光的LED或LD。然而，如上文所述，可使用其它半极性平面。
然而，可在本发明的模板层上生长光电子装置(包含LED、LD)、太阳能电池及电子装置(举例来说，例如高电子迁移率晶体管的晶体管)。
可在[1]、[2]及[3]中找到关于本发明的进一步信息。
参考文献
以下参考文献以引用方式并入本文中：
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结论
现在对本发明优选实施例的说明加以总结。出于图解说明和说明的目的陈述对本发明一个或一个以上实施例的上述说明。本说明并非打算包罗无遗或将本发明限制于所揭示的具体形式。此外，并非打算将本发明界限于本文中所描述的科学原理或理论中的任一者。根据上文的教示也可作出许多种修改及改变。本发明的范围并不打算受此详细说明的限制而是受所附权利要求书限制。

Claims (21)

1.一种外延结构，其包括：
第一层，其为具有部分或完全驰豫的晶格常数的半极性氮化物(AlInGaN)层，所述第一层沉积在第二层上，其中在所述第一层与所述第二层之间的异质界面处存在一个或一个以上位错。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述位错为错配位错。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述位错局部化在所述异质界面周围。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述位错不穿透所述异质界面上面的层。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第一层的生长平面为是(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)平面的半极性平面。
6.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第二层为块体AlInGaN。
7.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第二层为GaN衬底。
8.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第二层为m蓝宝石或尖晶石衬底。
9.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第一层为具有至少3％到10％的In成份的InGaN，且所述第二层为GaN。
10.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第一层为具有至少数个百分比的Al成份的AlGaN，且所述第二层为GaN。
11.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述第一层包括两个以上层，且在每一界面处，存在允许驰豫外延膜的位错。
12.根据权利要求1所述的外延结构，其中III氮化物光学装置结构制作于所述第一层上。
13.根据权利要求12所述的外延结构，其中所述III氮化物光学装置结构包含一个或一个以上AlInxGaN(x＞0)量子阱。
14.根据权利要求13所述的外延结构，其中x大于20％。
15.根据权利要求13所述的外延结构，其中所述量子阱为至少3nm厚。
16.根据权利要求12所述的外延结构，其中所述III氮化物光学装置结构为包括n型层与p型层之间的发光作用层的发光二极管或激光二极管结构。
17.根据权利要求16所述的外延结构，其中所述光学装置为包括实现在绿色波长范围中具有峰值强度的光发射的高In成份量子阱的绿色激光二极管。
18.根据权利要求12所述的外延结构，其中所述III氮化物光学装置在所述装置结构内部尤其在所述光学装置的一个或一个以上作用层周围不包含新位错，或位错距所述作用层至少50nm。
19.根据权利要求12所述的外延结构，其中所述衬底层中每单位面积螺旋位错的数目(n)在103/cm2到106/cm2的范围中。
20.一种制作III氮化物装置的方法，其包括：
在III氮化物模板上相干地生长所述III氮化物装置，其中所述III氮化物模板不相干地生长于具有不同于所述III氮化物模板的材料成份的衬底上。
21.一种制作外延结构的方法，其包括：
在第二层上沉积或生长第一层，所述第一层为具有部分或完全驰豫的晶格常数的氮化物(AlInGaN)层，其中在所述第一层与所述第二层之间的异质界面处存在一个或一个以上位错。
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