JP2014090169A

JP2014090169A - 窒化インジウムガリウム発光デバイス

Info

Publication number: JP2014090169A
Application number: JP2013215853A
Authority: JP
Inventors: Reagan Krames Michael; レーガンクラメスマイケル; D'evelyn Mark; デヴェリンマーク; Akinori Koukitsu; アキノリコウキツ; Yoshinao Kumagai; ヨシナオクマガイ; Murakami Hisashi; ヒサシムラカミ
Original assignee: Soraa Inc
Current assignee: Soraa Inc
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-05-15
Also published as: US20180269351A1; US20140103356A1; US9978904B2

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ系発光デバイス製作のためのＩｎＧａＮテンプレートを提供する。
【解決手段】グレーディング構造を用いて成長させた新規な構造１０００は、ＧａＮ基板１００４上にＨＶＰＥリアクタを用いて成長させる。ＩｎＧａＮの成長速度が極めて高速であり、１μｍ厚さの多工程層を容易に成長させることができる。
【選択図】図１０

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、米国仮出願第６１／７１４，６９３号（出願日：２０１２年１０月１６日）の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下における恩恵を主張する。

本出願のある実施形態は、米国特許第８，４８２，１０４号および米国公開第２０１２／００９１４６５号中に開示の内容に関連する。これらの文献それぞれ全体を参考のため援用する。

［技術分野］
本開示は、ＩｎＧａＮテンプレート層上に作製されたＩｎＧａＮ系の発光デバイスに関連する。

今日の現行技術による可視スペクトル発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）は、紫外〜緑色（３８０ｎｍ〜５５０ｎｍ）領域において、ウルツ鉱ＧａＮに対して異なる組成で成長したＩｎＧａＮ活性層に基づいている。これは、成長基板がＧａＮそのものであるかまたは外来基板（例えば、サファイアまたはＳｉＣ）であるかに関係無く当てはまる。なぜならば、後者の場合、ＧａＮベースのテンプレート層が用いられるからである。ＧａＮおよびＩｎＮの格子定数は大きく異なるため、ＧａＮ基板または層上に異なる組成で成長したＩｎＧａＮに大きなストレスが発生し、その大きさは、ＩｎＧａＮ層中のＩｎ／Ｇａ比の増加と共に増加する。

このようにＩｎＧａＮ活性層中に内在的に発生するストレスに起因して、高品質材料および良好なデバイス動作の達成が困難になり得る。高品質材料および良好なデバイス動作を得ることは、より長波長のデバイスへの要求であるＩｎＮモル分率の増加と共により困難となる。加えて、ｃ面成長デバイスの場合、ＩｎＮモル分率が増加すると、自発的圧電分極場に起因して活性層上の内在的電界も増加し、その結果、電子および正孔間の重複が低減し、放射効率も低下する。さらに、ストレスレベルが高すぎると、材料分解が発生し、その結果いわゆる「相分離」が発生することも判明している（以下を参照：N.A.El-Masry,E.L.Piner,S.X.Liu, and S.M.Bedair,「Phase separation
in InGaN grown by
Metalorganic chemical vapor deposition」（Appl. Phys. Lett.,
vol. 72, pp. 40-42, 1998）。相分離は、特定の層厚さにおいて特定のＩｎＮモル分率の臨界値を超えた場合において発生する。このような制限は、約１０％ＩｎＮのＩｎＧａＮ層の成長が厚さ０．２μｍを超えた場合にみられることが多く、その結果例えば、「黒色」または「灰色」のウェーハが発生する。

ＧａＮの無極性（１−１００）、（１１−２０）および半極性面を含む基板を用いた場合、上記した問題のうちいくつかを解消することができる。詳細には、特定の成長面の場合、自発的および圧電分極ベクトルの組み合わせをゼロまたは約ゼロまで低減することができ、これにより、ｃ面ベースのデバイスにおいて広く発生する電子−正孔重複の問題が無くなる。また、より高いＩｎＮモル分率を有する材料品質の向上（例えば、半極性材料にみられるようなもの）もみられ、その結果、連続波（ｃｗ）の真の緑色レーザダイオード（ＬＤ）をもたらす（以下を参照：Enya et al., 「531nm green lasing of InGaN based laser diodes on semi-polar {20-21} independent GaN substrates」(Appl. Phys.
Express 2, 082101, 2009、J. W. Raring et
al.「High-efficiency
blue and true-green-emitting laser diodes based on non-c-plane oriented GaN substrates」（Appl. Phys.
Express 3, 112101 (2010)）。しかし、これらの構造上において成長されたより長い波長のデバイスの性能は、より短波長のものに比べて大幅に低くなる。また、歪みと関連する材料品質問題を成長面配向によって解消できるのかは不明である。実際、最近行われた半極性（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎヘテロ構造の特徴付けによれば、例えば、ＡｌＧａＮおよびＧａＮ間のヘテロ界面において高密度のミスフィット転位が形成さることが分かっている（以下を参照：A. Tyagi et al., 「Partial strain
relaxation via misfit dislocation generation at heterointerfaces
in (Al, In)GaN epitaxial
layers grown on semipolar (11-22) GaN
free standing substrates」（Appl. Phys. Lett. 95, 251905, 2009））。これらの転位は、非放射再結合中心として機能する可能性が高く、これらの転位から劣化機構が発生し得、その結果、（例えば、固体照明などの用途に必要な）長寿命動作が失われる。さらに、外部量子効率対ＬＥＤ波長についての報告によれば、ＩｎＮモル分率の増加と共に外部量子効率の大幅な低下が主にみられている。このような現象は、成長面配向に関係無く「緑色ギャップ」と呼ばれることが多い。

本明細書では、発光デバイスが開示される。一実施形態において、前記発光デバイスは、ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板上に形成され、前記基板上に設けられるｎ型層、前記ｎ型層上に設けられる活性層、前記活性層上に設けられるｐ型層を、それぞれ有する。この特定の実施形態において、前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、４μｍを超える厚さを含み、０．５％を超えるＩｎＮ組成を有する。

別の実施形態において、発光デバイスは、基板と、前記基板上に設けられるｎ型層と、前記ｎ型層上に設けられる活性層と、前記活性層上に設けられるｐ型層とによって形成される。これらの層はそれぞれ、同様に配向されたＧａＮよりも少なくとも１％だけ面内格子定数が大きい点において特徴付けられる。

ある局面において、発光デバイスが提供される。この発光デバイスは、ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板と、前記基板上に設けられるｎ型層と、前記ｎ型層上に設けられる活性層と、前記活性層上に設けられるｐ型層とを含む。前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、４μｍを超える厚さを含み、０．５％を超えるＩｎＮ組成を有する。

ある局面において、発光デバイスが提供される。これらの発光デバイスは、基板と、前記基板上に設けられるｎ型層と、前記ｎ型層上に設けられる活性層と、前記活性層上に設けられるｐ型層とを含む。前記ｎ型層、前記活性層および前記ｐ型層はそれぞれ面内格子定数によって特徴付けられ、前記面内格子定数はそれぞれ、同様に配向されたＧａＮの面内格子定数よりも少なくとも１％だけ大きい。

ある局面において、発光デバイスの作製方法が提供される。これらの方法は、基板を提供することと、ＩｎＮ組成を選択することと、前記選択されたＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮエピタキシャル層を前記基板上にハイドライド気相成長法によって成長させることによってＩｎＧａＮテンプレートを作製することと、前記ＩｎＧａＮテンプレート上に光電デバイス構造を成長させることを含む。

本開示の局面、目的および利点のさらなる詳細については、以下の記載、図面および特許請求の範囲中に記載されている。以下の詳細な説明の一般的記載はどちらとも例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲を限定することを意図していない。

エネルギーバンドギャップ対材料面の格子定数の変化を示す図１００である。

ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＰ活性層に基づいたいくつかの発光ダイオードについての外部量子効率対発光波長の変化を示す図２００である（Denbaars、「Fundamental Limits to Efficiency of LEDs」（DOE Solid State Lighting Workshop、Raleigh、North Carolina、February2-4, 2010）による）。

いくつかの実施形態によるＩｎＧａＮのＨＶＰＥリアクタの模式図３００で、ソースゾーンおよび堆積ゾーンからなっている。

ＨＶＰＥによるＩｎＧａＮ成長後の（０００−１）ＧａＮ基板を示すサセプタの写真４００である。

ある実施形態による、ＩｎＧａＮの固体組成を成長温度の関数として示すグラフ５００である。

ある実施形態による、成長速度および固体組成（％）をグループIII(III族元素)のソースＧａＣｌ_３およびＩｎＣｌ_３の導入分圧の関数として示す図６００である。

ある実施形態による、（０００−１）ＧａＮ基板上に成長されたＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎエピタキシャル層のＳＥＭ画像７００を示す。

ある実施形態による、（０００−１）ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮのエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ）データを示す断面図８００である。

ある実施形態による、ＨＶＰＥによって成長された（０００−１）ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮについての、（−１−１４）回折のＸ線逆格子空間マップ（ＲＳＭ）のプロット９００である。

ある実施形態による、ＧａＮ上に成長した肉厚のＩｎＧａＮの構造１０００を示す。

ある実施形態による、ＩｎＧａＮテンプレート上の光電デバイスの層構造の相対的歪みと比較した場合の、ＧａＮテンプレート上の光電デバイスの層構造の相対的歪みを示す比較図１１００である。

今日の現行技術による可視スペクトル発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）は、紫外〜緑色（３８０ｎｍ〜５５０ｎｍ）領域において、ウルツ鉱ＧａＮに対して異なる組成で成長したＩｎＧａＮ活性層に基づいている。図１は、この状況を例示する。チャート１００は、エネルギーバンドギャップ対材料面格子定数の変化を示す。図中、ＧａＮに対する異なる組成の歪みの曲線１０２が、緩和されたＩｎＧａＮ曲線１０４に対して並置して示されている。さらに、成長面配向に関係無く、ＬＥＤの外部量子効率がＩｎＮモル分率の増加と共に低下している。これを、図２のチャート２００に示す。図２は、いくつかの発光ダイオードについて、外部量子効率対発光波長の変動を示す。

本開示において、ＩｎＧａＮ系の発光デバイスを（格子定数がＧａＮに類似している層上にではなく）ＩｎＧａＮテンプレート層上に作製することにより、上記問題が回避される。この技術を用いて作製されたデバイスは、テンプレート層およびデバイス層間の歪み不整合が少ないため、（例えば分極場の低減による）向上した光学性能および（例えば、結晶品質の向上による）向上した信頼性が可能となる。さらに、本開示によれば、高性能発光デバイスの長波長範囲の拡大が可能となる。

本開示のある実施形態の実行において、ＩｎＧａＮのハイドライド気相成長法堆積のための反応室中へ種基板を配置して、ＩｎＧａＮテンプレートを形成する。図３は、ＩｎＧａＮのＨＶＰＥリアクタの模式図３００を示す。ＩｎＧａＮのＨＶＰＥリアクタは、ソースゾーンおよび堆積ゾーンからなる（K.Hanaoka、H.Murakami、Y.KumagaiおよびA.Koukitu、「Thermodynamic analysis on HVPE growth of
InGaN ternary alloy」、Journal Crystal Growth、vol. 318 (2011) 441-445）。ソースゾーンにおいて、ガリウム金属およびインジウム金属の２つのボートを配置し、Ｃｌ_２およびＩＧ（窒素、ヘリウムおよびアルゴンのような不活性ガス）の混合ガスまたはＣｌ_２、ＩＧおよび水素の混合ガスをソースボート中へと送る。グループIII前駆体であるＧａＣｌ_３およびＩｎＣｌ_３を反応（１）および（２）（以下）によって生成し、堆積ゾーン中へと移送する。上記反応の代わりに、固体ＧａＣｌ_３およびＩｎＣｌ_３ソースから気化された蒸気圧力をグループIII前駆体として用いることができる。よって、以下のような関連反応が得られる。
Ｇａ（単数または複数）＋１．５Ｃｌ_２→ＧａＣｌ_３（１）
Ｉｎ（単数または複数）＋１．５Ｃｌ_２→ＩｎＣｌ_３（２）

堆積ゾーンにおいて、グループIII前駆体と、グループＶ前駆体としてのＮＨ_３とを混合して、ＩｎＧａＮアロイを基板上に堆積させる。堆積ゾーンにおける反応を反応（３）および（４）によって表す。ここで、ＩｎＧａＮアロイは、ＧａＮ（アロイ）およびＩｎＮ（アロイ）を含む。これらの反応は、以下のようになる。
ＧａＣｌ_３＋ＮＨ_３→ＧａＮ（アロイ）＋３ＨＣｌ（３）
ＩｎＣｌ_３＋ＮＨ_３→ＩｎＮ（アロイ）＋３ＨＣｌ（４）

インジウムを実質的に含まない種基板が提供され得る。この基板は、以下のうち１つを含み得る：サファイア、炭化ケイ素、ガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４スピネル、ＺｎＯ、ＢＰ、ＳｃＡｌＭｇＯ_４、ＹＦｅＺｎＯ_４、ＭｇＯ、Ｆ_ｅ２ＮｉＯ_４、ＬｉＧａ_５Ｏ_８、Ｎａ_２ＭｏＯ_４、Ｎａ_２ＷＯ_４、Ｉｎ_２ＣｄＯ_４、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、Ｃａ_８Ｌａ_２（ＰＯ_４）_６Ｏ_２、アルミン酸リチウム、ガリウム窒化物、インジウム窒化物またはアルミニウム窒化物。この基板はウルツ鉱結晶構造を持ち得、表面配向は、（０００１）＋ｃ面、（０００−１）−ｃ面、｛１０−１０｝ｍ面、｛１１−２０｝ａ面またはｌおよびｈとｋのうち少なくとも１つはゼロではなく、ｉ＝−（ｈ＋ｋ）である（ｈｋｉｌ）半極性面の、５度以内、２度以内、１度以内、０．５度以内、０．２度以内、０．１度以内、０．０５度以内、０．０２度以内または０．０１度以内であり得る。ある実施形態において、基板の結晶配向は、｛１０−１±１｝、｛１０−１±２｝、｛１０−１±３｝、｛１１−２±２｝、｛２０−２±１｝、｛３０−３±１｝、｛３０−３±２｝、｛２１−３±１｝または｛３０−３±４｝の５度以内、２度以内、１度以内、０．５度以内、０．２度以内、０．１度以内、０．０５度以内、０．０２度以内、または０．０１度以内である。基板は立方結晶構造を持ち得、表面配向は、（１１１）、（−１−１−１）、｛００１｝または｛１１０｝の５度以内、２度以内、１度以内、０．５度以内、０．２度以内、０．１度以内、０．０５度以内、０．０２度以内または０．０１度以内であり得る。基板の直径は、約５ｍｍよりも大きいか、約１０ｍｍよりも大きいか、約１５ｍｍよりも大きいか、約２５ｍｍよりも大きいか、約４０ｍｍよりも大きいか、約７０ｍｍよりも大きいか、約９０ｍｍよりも大きいか、約１４０ｍｍよりも大きいか、または約１９０ｍｍよりも大きい。

ある実施形態において、種基板はウルツ鉱ＧａＮであり、成長表面は、実質的にＮ面ＧａＮである。種基板の転位密度は、１０^７ｃｍ^−２を下回るか、１０^６ｃｍ^−２を下回るか、１０^５ｃｍ^−２を下回るか、１０^４ｃｍ^−２を下回るか、１０^３ｃｍ^−２を下回るか、または１０^２ｃｍ^−２を下回る。種基板の積層欠陥濃度は、１０^３ｃｍ^−１を下回るか、１０^２ｃｍ^−１を下回るか、１０ｃｍ^−１を下回るか、または１ｃｍ^−１を下回る。種基板の約３９０ｎｍ〜約７００ｎｍの波長における光吸収係数は、１００ｃｍ^−１を下回るか、５０ｃｍ^−１を下回るか、５ｃｍ^−１を下回るか、２ｃｍ^−１を下回るか、１ｃｍ^−１を下回るか、または０．３ｃｍ^−１を下回る。種基板の約７００ｎｍ〜約３０７７ｎｍの波長および約３３３３ｎｍ〜約６６６７ｎｍの波長におけるに光吸収係数は、１００ｃｍ^−１を下回るか、５０ｃｍ^−１を下回るか、５ｃｍ^−１を下回るか、２ｃｍ^−１を下回るか、１ｃｍ^−１を下回るかまたは０．３ｃｍ^−１を下回る。種基板の上面のＸ線回折ω走査ロッキング曲線半値全幅（ＦＷＨＭ）は、最低次対称反射および非対称反射において、約３００秒（arc sec：角度）未満、約２００秒（arc sec）未満、約１００秒（arc sec）未満、約５０秒（arc sec）未満、約４０秒（arc sec）未満、約３０秒（arc sec）未満、約２０秒（arc sec）未満または約１０秒（arc sec）未満であり得る。種基板の上面は、化学機械研磨によって作製され得、その二乗平均平方根表面粗さを例えば少なくとも１０μｍ×１０μｍの面積にわたって原子間力顕微鏡によって測定した場合、１ｎｍ未満、０．５ｎｍ未満、０．２ｎｍ未満、または０．１ｎｍ未満であり得る。ある実施形態において、上（成長）面の結晶配向は、（０００−１）Ｎ面の約０．１度以内である。ある実施形態において、上面の結晶配向は、（０００−１）Ｎ面から｛１０−１０｝ｍ面に向かって約０．１〜約１０度でミスカットされ、直交する｛１１−２０｝ａ面に向かっては約０．５度未満でミスカットされる。ある実施形態において、上面の結晶配向は、（０００−１）Ｎ面から｛１１−２０｝ａ面に向かって約０．１〜約１０度でミスカットされ、直交する｛１０−１０｝ｍ面に向かっては約０．５度未満でミスカットされる。ある実施形態において、上面の結晶配向は、（０００−１）Ｎ面から｛１０−１０｝ｍ面に向かって約０．１〜約１０度でミスカットされ、直交する｛１１−２０｝ａ面に向かっては約０．１〜約１０度でミスカットされる。

ある実施形態において、インジウム含有窒化物層を基板上に堆積させた後、基板上においてＨＶＰＥバルク成長を開始する。分子線エピタキシー、ハイドライド気相成長法、有機金属化学気相成長法および原子層エピタキシーのうち少なくとも１つを用いて、インジウム含有窒化物層を比較的低温で堆積させることができる。ある実施形態において、高インジウム組成および低インジウム組成の交互の層を堆積させる。これら交互の組成の堆積は、固定基板上の気相組成の周期的変化または高インジウム成長環境および低インジウム成長環境を提供するリアクタの領域間への基板の物理的移送により、行うことができる。１つ以上の熱線（hot wire）の提供によりプラズマまたは類似の手段によって気相前駆体種の分解を支援することにより、低温における高結晶性層の堆積を促進することができる。さらなる詳細について、米国公開第２１２／０１９９９５２中に記載がある。同文献全体を参考のため援用する。ある実施形態において、基板上のインジウム含有窒化物層の部分的または全体的弛緩を行った後、基板上のＨＶＰＥバルク成長を開始する。ある実施形態において、基板またはその上の堆積層をパターニングして、グライド面に沿った原子移動を促進して、ミスフィット転位を形成する。所望であれば、例えばストライプ、下柱、穴またはグリッドを提供するためのパターンを、従来のフォトリソグラフィーまたはナノインプリントリソグラフィーにより基板または基板上のエピタキシャル層上に形成する。例えば、ナノドット堆積、アイランド、イオン衝撃、イオン注入または光エッチングにより、堆積前の成長表面を粗化することにより、ミスフィット転位の生成を促進することができる。プロセス（例えば、原子拡散、原子ドーピング、イオン注入、および／または基板への機械的歪み付加）によってエピタキシャル層近隣の基板の格子定数を変更することにより、ミスフィット転位を選好的に形成することも可能である。例えば約１０ｎｍ〜１００ｎｍよりも肉薄であるＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎの肉薄層の堆積の後に、高濃度アンモニア雰囲気中におけるアニーリングを約１０００℃〜約１４００℃の温度で行うことにより、ミスフィット転位の生成を促進することもできる。さらなる詳細について、米国公開第２０１２／００９１４６５号中に記載がある。同文献全体を参考のため援用する。ある実施形態において、インジウム含有窒化物層を弛緩（歪みを緩和）させる。インジウム含有窒化物層のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数は、特定のインジウム含有窒化物組成の平衡格子定数の０．１％以内、０．０１％以内、または０．００１％以内である。

Ｎ面（０００−１）ＧａＮ基板を用いた近年の結果を開示する。鏡面表面を得ることができる。しかし、いくつかの場合において、膨張ストレスに起因して、ＩｎＧａＮ層の表面に亀裂が発生する場合がある。ＩｎＧａＮ成長後の（０００−１）ＧａＮ基板を示すサセプタの写真４００を以下に図４に示す。

図５は、ＩｎＧａＮ中のＩｎＮの固体組成を成長温度の関数として示すグラフ５００を示す。ＩｎＧａＮ中のＩｎＮの固体組成は、温度の増加と共に低下する。図５において、固体ソースであるＧａＣｌ_３およびＩｎＣｌ_３を用いて成長されたＩｎＧａＮについての上記データも示す（N. Takahashi、R. Matsumoto、A. KoukituおよびH. Seki、「Vapor phase epitaxy of InGaN using InCl₃、GaCl₃ and NH₃ sources」、（Jpn. Appl. Phys. 36
(1997) pp. L601-L603）。これらのサンプルの固体組成は、上記サンプルのものと類似している。しかし、上記サンプルのフォトルミネセンスは、固体ソース中の高不純物濃度に起因して観察されなかった。図中、Ｐ_IIIおよびＰｖは、グループIIIソース（Ｐ_Ｉｎ＋Ｐ_Ｇａ）およびグループＶソース（Ｐ_ＮＨ３）の入力部の分圧を示す。

図６は、成長速度（６０２）および固体組成（６０４）をグループIIIソースの入力部の分圧の関数として示す図６００である。成長速度は入力圧力の増加と共に直線状に増加し、ＩｎＧａＮ中の固体組成ＩｎＮは、約０．１６において一定である。

図７は、本開示の方法の（０００−１）ＧａＮ基板上に成長したＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎエピタキシャル層の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像７００である。エピタキシャル層の厚さは約８００ｎｍであり、成長速度は約８．５μｍ／ｈである。ＩｎＧａＮ層の厚さは厚い（約８００ｎｍ）ため、膨張ストレスに起因してＩｎＧａＮ表面上に亀裂が発生し得る。亀裂形成を回避するためのいくつかの方法により、高品質の肉厚のＩｎＧａＮ層が得られる。このような１つの方法として、「多工程グレーディング方法」がある。例えば、亀裂の無いＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ膜の成長のためには、ｘは約０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９または１．０よりも大きく、グレーディングされた組成の一連の層を成長させることが望ましい。例えば、グレーディングされた層は、連続する１μｍ厚さのＩｎ_０．２ｘＧａ_{１−０．２ｘ}Ｎ、Ｉｎ_０．４ｘＧａ_{１−０．４ｘ}Ｎ、Ｉｎ_０．６ｘＧａ_{１−０．６ｘ}Ｎ、Ｉｎ_０．８ｘＧａ_{１−０．８ｘ}Ｎからなり得、その後より肉厚のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ膜が形成される。ある実施形態において、中間組成層の厚さは、１０ｎｍ〜５μｍである。ある実施形態において、各層が固定ＩｎＧａＮ組成を有する別個の層を用いるのではなく、前記組成を連続的にグレーディングする。

図８は、断面図８００を示し、図７に示すものと同じサンプルを用いた場合の−ＣＧａＮ上のＩｎＧａＮのエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ）データを示す。測定条件を以下に示す：加速電圧：２０ｋＶ、発光電流：２０μＡ、スポットサイズ：７、ＷＤ：１５ｍｍ、波長分解能：１３０ｅＶ〜１４０ｅＶ。マッピングデータから、ＩｎＧａＮ層は相対的に均質の固体組成を示すことが分かる。

図９に示すプロット９００は、ＨＶＰＥ法によって成長された−ＣＧａＮ上のＩｎＧａＮ（図７に示す同一サンプル）についての（−１−１４）回折の逆格子空間マップ（ＲＳＭ）を示す。図９は、ＩｎＧａＮの成長厚さが約８００ｎｍであるので、ＩｎＧａＮ層が前記ＧａＮ基板に対して完全弛緩している様子を示している。ＩｎＧａＮ層の格子定数は、ａ＝０．３２６５７ｎｍおよびｃ＝０．５２７１２ｎｍと推定される。ＩｎＧａＮの格子定数がＩｎＮおよびＧａＮ間の線形関数のヴェガード則に従うと仮定すると、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ中の固体組成ｘは、０．２１６となるはずである（ａ軸格子定数から推定）。この値はＩｎＧａＮのｃ軸格子定数（ｘ＝０．１５２）と若干異なるため、残留歪みおよび／または一定の不純物が層中に含まれると考えられる。

図１０は、上記したようなグレーディング構造を用いて成長された亀裂の無い肉厚のＩｎＧａＮ成長の新規な構造１０００である。この構造は、本開示中に記載されるＨＶＰＥリアクタを用いて成長させることができる。ＩｎＧａＮの成長速度は極めて高速であるため、１μｍ厚さの多工程層（層を参照）を容易に成長させることができる。ある実施形態において、この構造を基板１００４上に堆積させる。基板上に堆積されたＧａＮ層１００２をパターニングすることにより、グライド面に沿った原子移動を促進して、ミスフィット転位を形成することができる（例えば、米国特許出願公開第２０１２／００９１４６５を参照）。同文献全体を参考のため援用する。

後続のエピタキシャル成長およびデバイス作製に適した最終ＩｎＧａＮテンプレートを提供する方法がいくつかある。一実施形態において、前記ＩｎＧａＮ層を種基板上に残す。必要であれば、研磨工程（例えば、化学機械研磨）を用いて、エピタキシャル成長のために表面を作製することができる。別の実施形態において、Ｎ面ＩｎＧａＮ材料を極めて肉厚に数百ミクロン以上まで成長させて、独立型（free-standing）ＩｎＧａＮ結晶またはブール（boule）を提供する。ある実施形態において、インジウム含有窒化物結晶またはブールを弛緩させ、ａ軸およびｃ軸の格子定数を特定のインジウム含有窒化物組成の平衡格子定数の０．１％以内、０．０１％以内または０．００１％以内にする。ＩｎＧａＮブールを周知のウェーハ加工技術によって機械加工することにより、１つ以上のＩｎＧａＮウェーハを得ることができる。ウェーハ加工のための工程は、ワイヤ製材（wire-sawing）、ラップ仕上げ、研磨および化学清浄工程を含み得る。典型的なウェーハ厚さは、１００〜７５０μｍであり得、より典型的には２５０〜３５０μｍであり得る。ある実施形態において、ＩｎＧａＮブールまたはウェーハを（例えばＨＶＰＥ、アモノサーマル（ammonothermal）技術、フラックス技術または液相成長技術による）さらなるバルク成長の種として用いる。極性配向または半極性配向の場合、エピタキシャル成長の最終作製のために＋ｃ配向表面または−ｃ配向表面を選好的に選択することができる（すなわち、「後部」に対しては、同じ研磨工程および／または清浄工程を行わなくてよい）。ある実施形態において、プロセスにおける一定の時点においてオリジナルの種基板を除去することが好適である。

ＩｎＧａＮテンプレートを、デバイス作製のために以下のように提供する。典型的には、デバイス品質層堆積のための有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）リアクタ中に、テンプレートを配置する。これは、トリ−メチル（−エチル）インジウム、トリ−メチル（−エチル）ガリウムおよび／またはトリ−メチル（−エチル）アルミニウムの反応を、窒素および／または水素の搬送ガス中のアンモニア（ＮＨ_３）の存在下において高温（５００℃〜１０００℃）で行うことにより、達成される。前駆体比は、ＩｎＧａＮテンプレートに対する近密な格子整合が得られるように選択され、また、質量流量制御器（ＭＦＣ）または成長温度の監視あるいはｉｎｓｉｔｕウェーハバウ（bow）測定によって制御することができる。典型的には、ｎ型ＩｎＧａＮ層を先ず堆積させる。ｎ型特性は、非意図的に達成（すなわち、バックグラウンド酸素）することもできるし、あるいは、ドナー種（例えば、シランを介したＳｉ）の導入により意図的に達成することもできる。その後、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮ活性層構造を堆積させる。一般的な活性層構造として、多重量子井戸構造がある。テンプレートよりも高いＩｎＮモル分率および発光層を分離するバリア層（ただし、存在する場合）と共に、発光層を成長させる。活性領域は、非ドープ、ｎ型ドープまたはｐ型ドープされ得る。ｐ型特性は典型的には、アクセプタ種（例えば、Ｃｐ_２Ｍｇを介したＭｇ）を導入することにより達成される。活性層の堆積後、スペーサ層を提供し、その後ｐ型層を成長させる。ｐ型層は、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＧａＩｎＮの「電子ブロッキング」層を含み得、これにより、デバイス動作時における活性層中へのキャリア閉じ込めを支援する。電子ブロッキング層の後、ｐ型ＩｎＧａＮ層を成長させ、その後、ＩｎＧａＮまたはＧａＮのｐ＋コンタクト層が続く。典型的には、ＭＯＣＶＤ成長後、構造全体を高温でアニーリングして、結晶形態で成長している水素を再分配（分離放出）することにより、ｐ型層を活性化させる。

図１１の比較図１１００で、デバイス構造を模式的に示す。上方の図示（フィーチャ１１０２、１１０４および１１０６を参照）に示すデバイス構造において、成長テンプレートは、（例えば、サファイア、炭化ケイ素またはシリコン上の）ＧａＮテンプレートであるかまたはＧａＮ基板である。面内方向に沿った格子定数はＧａＮの格子定数であり、エピタキシャル層をＧａＮテンプレートまたは基板と同様に成長させる。基板上に成長されたデバイス層は、ＩｎＧａＮ活性（例えば、量子井戸）層およびＡｌＧａＮ（例えば、電子ブロッキング）層を含む。これらの３元アロイの本来の面内格子定数は、ＧａＮのものよりも大きい（ＩｎＧａＮ）かまたは小さい（ＡｌＧａＮ）ため、これらの異なる組成の成長層中に強い圧縮または引張応力が発生する。長波長のデバイスの場合、大量のＩｎＮが必要となるため、高圧縮応力が発生して、低品質の結晶成長およびその結果デバイス性能および信頼性の低下に繋がる。

下方の図示（フィーチャ１１０８、１１１０および１１１２を参照）を参照して、本開示によれば、ＧａＮよりも高い面内格子定数が得られるようにＩｎＧａＮテンプレートを選択し、これにより歪み補償設計を提供する。この歪み補償設計において、圧縮および引張応力間のバランスをとることで、結晶構造全体の機械的完全性を高める。その結果、設計自由度が高まり、結晶品質が高まり、また、デバイスの性能および信頼性も高まる。

ある実施形態において、活性層から発光された光の波長（単数または複数）に対してＩｎＧａＮテンプレートが実質的に透過性となるように、活性層を設計する。例えば、ＩｎＧａＮ基板の組成がＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．０５≦ｙ≦１）によって指定される場合、活性層の組成はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦１）によって指定され、ｘは、ｙよりも少なくとも約０．０１だけ、少なくとも約０．０２だけまたは少なくとも約０．０５だけ大きくなるように、選択される。その結果得られた圧縮歪みを、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮまたはＩｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．０≦ｚ≦ｙ）、バリア層、電子ブロッキング層、ｐ型層などと関連付けられた引っ張り歪みによって補償することが可能になる。もちろん、デバイス層スタックのための所望のバンドギャップ技術を提供しつつ歪み状態を選択するための適切な４元（ＡｌＩｎＧａＮ）組成が多数存在する。

ある実施形態において、ＩｎＧａＮテンプレートは導電性であり、垂直発光デバイスが作製され得る。この場合、ＩｎＧａＮテンプレートの後側にオーム接触電極を作製する。横方向またはフリップチップデバイスが所望される場合、エッチング後にｎ型電極をｐ型層および活性層を通じて下方方向にｎ型エピタキシャルまたはｎ型ＩｎＧａＮテンプレート層へと提供する。適切なｎ型オーム接触メタライゼーションを挙げると、ＴｉおよびＡｌならびにその組み合わせがある。ｐ型電極をｐ＋コンタクト層上に設ける。適切なｐ型オーム接触メタライゼーションを挙げると、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＡｇならびにその組み合わせがある。発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、反射メタライゼーションが好適である場合がある。

ＬＥＤの場合、ウェーハの１つ以上の露出表面中に光取出しフィーチャを用いることができる。光取出しフィーチャは、粗化局面および系統立ったテクスチャリング（例えば、光結晶構造）を含み得る。金属パターニングおよび光取出しフィーチャ実行の後、手段（例えば、レーザスクライブおよびブレーキング、ダイヤモンドツールスクライブおよびブレーキング、切断）によりウェーハをダイスカットして複数のＬＥＤチップとする。ダイシングの後、化学エッチングなどの手段により、さらなる光取出しフィーチャをチップ側面内に用いることが可能になる。

レーザダイオードの場合、ウェーハに対してレーザスクライブおよびブレークを行って棒状にすることで、複数のレーザストライプのための鏡面を得る。これらの鏡面をコーティングすることで、高反射特性または反射防止特性が得られ、総レーザ光出力が最適化される。その後、個々のレーザダイオードチップをさらなる単一化工程により得ることができる。このさらなる単一化工程は、別のスクライブおよびブレーク工程を含み得る。

ダイシング後、発光デバイスを適切なハウジング中にパッケージし、ｎオーム接触電極およびｐオーム接触電極に対して電気接続を行う。活性層からパッケージハウジングへ熱伝導経路を提供することにより、熱管理が行われる。例えば透明な材料（例えば、シリコンまたはガラス）を含む基本的光学系により、光学封入および／またはレンズ効果が可能となる。その後、最終パッケージデバイスを固体照明製品（例えば、ランプ、照明器具またはディスプレイのための光源）に組み込まれることができる。

本開示は、多様な結晶配向に適用することが可能である。例えば、成長基板は、極性（＋ｃ面または−ｃ面）であってもよいし、無極性（ａ面またはｍ面）であってもよいし、あるいは半極性（例えば、１１−２±２、１０−１±１、２０−２±１、３０−３±１、３０−３±２等）であってもよく、類似の配向のＩｎＧａＮテンプレートが得られる。その結果、選択された面の恩恵（例えば、分極場低減）をＩｎＧａＮデバイスにおいて利用することが可能になる。

上記の明細書および開示について、ある実施形態を挙げながら説明してきた。しかし、本開示のより広範な意図および範囲から逸脱することなく多様な改変および変更が可能であることが明らかである。例えば、上記したプロセスフローについて、特定の順序のプロセス動作を元に説明しているが、本開示のより広範な意図および範囲から逸脱することなく、上記したプロセス動作の多くの順序は変更することが可能である。よって、本明細書および図面は、限定的なものとしてではなく例示的なものとしてみなされるべきである。上記の明細書において、本開示について、ある実施形態を挙げながら説明してきた。

Claims

ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板と、
前記基板上に設けられるｎ型層と、
前記ｎ型層上に設けられる活性層と、
前記活性層上に設けられるｐ型層と、
を備え、
前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、４μｍを超える厚さを含み、０．５％を超えるＩｎＮ組成を有する、
発光デバイス。
前記基板は、ウルツ鉱結晶構造であって、大面積の表面の結晶配向は、（０００１）＋ｃ面および（０００−１）−ｃ面のうちの１つの約５度以内であることによって特徴付けられる、請求項１記載の発光デバイス。
前記基板は、実質的にクラックを含まない、請求項１記載の発光デバイス。
前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、特定のインジウム含有窒化物組成について平衡格子定数の０．１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和されている、請求項１記載の発光デバイス。
前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、特定のインジウム含有窒化物組成について平衡格子定数の０．０１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和されている、請求項１記載の発光デバイス。
前記ガリウムおよびインジウムを含有する窒化物基板は、特定のインジウム含有窒化物組成について平衡格子定数の０．００１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和されている、請求項１記載の発光デバイス。
ランプ、照明器具および照明システムのうち少なくとも１つをさらに含み、前記発光デバイスは、前記ランプ、前記照明器具または前記照明システムに組み込まれている、請求項１記載の発光デバイス。
基板と、
前記基板上に設けられるｎ型層と、
前記ｎ型層上に設けられる活性層と、
前記活性層上に設けられるｐ型層と、
を備え、
前記ｎ型層、前記活性層および前記ｐ型層はそれぞれ面内格子定数によって特徴付けられ、前記面内格子定数のそれぞれは、同様に配向されたＧａＮの面内格子定数よりも少なくとも１％だけ大きい発光デバイス。
前記基板は、ウルツ鉱結晶構造であって、大面積の表面の結晶配向は、（０００１）＋ｃ面および（０００−１）−ｃ面のうちの１つの約５度以内であることによって特徴付けられる、請求項８記載の発光デバイス。
前記基板は実質的にクラックを含まない、請求項８記載の発光デバイス。
前記基板はガリウムおよびインジウムを含有する窒化物を含み、特定のインジウム含有窒化物組成について各平衡格子定数の０．１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和されている、請求項８記載の発光デバイス。
前記基板はガリウムおよびインジウムを含有する窒化物を含み、特定のインジウム含有窒化物組成について各平衡格子定数の０．０１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和されている、請求項８記載の発光デバイス。
前記基板はガリウムおよびインジウムを含有する窒化物を含み、特定のインジウム含有窒化物組成について各平衡格子定数の０．００１％以内のａ軸格子定数およびｃ軸格子定数を有することで歪みが緩和れている、請求項８記載の発光デバイス。
ランプ、照明器具および照明システムのうち少なくとも１つをさらに含み、前記発光デバイスは、前記ランプ、前記照明器具または前記照明システム内に組み込まれている、請求項８記載の発光デバイス。