JP2014532612A - 非ｃ面（Ｉｎ，Ａｌ，Ｂ，Ｇａ）Ｎ上の制限領域エピタキシによる緩和の抑制 - Google Patents

非ｃ面（Ｉｎ，Ａｌ，Ｂ，Ｇａ）Ｎ上の制限領域エピタキシによる緩和の抑制 Download PDF

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Abstract

（ＡｌＩｎＧａＮ）系半導体素子であって、（ＡｌＩｎＧａＮ）系半導体素子は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板、またはバッファ層を覆う１つ以上の（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ層であって、基板またはバッファは、基板上に堆積された層における拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、またはそれを制御するためのパターニングを採用する、１つ以上の（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ層と、（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ層の上方および／または下方の１つ以上の（ＡｌＩｎＧａＮ）素子層とを含む、（ＡｌＩｎＧａＮ）系半導体素子。

Description

（関連出願への相互参照）
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、米国仮特許出願第６１／５５０，８２２号（Ｍａｔｔｈｅｗ Ｔ．Ｈａｒｄｙ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋにより２０１１年１０月２４日出願、名称「ＳＵＰＰＲＥＳＳＩＯＮ ＯＦ ＲＥＬＡＸＡＴＩＯＮ ＢＹ ＬＩＭＩＴＥＤ ＡＲＥＡ ＥＰＩＴＡＸＹ ＯＮ ＮＯＮ−Ｃ−ＰＬＡＮＥ （Ｉｎ，Ａｌ，Ｂ，Ｇａ）Ｎ」、代理人事件番号３０７９４．４３１−ＵＳ−Ｐ１ （２０１２−２３７−１））の利益を主張し、その出願は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本願は、同時係属および同一人に譲渡された米国特許出願第１３／２８１，７６７号（Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｌｅｘｅｙ Ｒｏｍａｎｏｖ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓにより２０１１年１０月２６日出願、名称「ＶＩＣＩＮＡＬ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＴＯ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥ ＴＩＬＴ ＦＯ ＲＥＬＡＸＥＤ ＨＥＴＥＲＯ−ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＬＡＹＥＲＳ」代理人事件番号３０７９４．３８６−ＵＳ−Ｕ１ （２０１０−９７３）、この出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）のもと、同時係属および同一人に譲渡された米国仮特許出願第６１／４０６，８９９号（Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｌｅｘｅｙ Ｒｏｍａｎｏｖ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓにより２０１０年１０月２６日出願、名称「ＶＩＣＩＮＡＬ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＴＯ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＥ ＴＩＬＴ ＦＯ ＲＥＬＡＸＥＤ ＨＥＴＥＲＯ−ＥＰＩＴＡＸＩＡＬ ＬＡＹＥＲＳ」、代理人事件番号３０７９４．３８６−ＵＳ−Ｐ１ （２０１０−９７３））の利益を主張する）に関連し、それらの出願は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
（１．発明の背景）
本発明は、非ｃ面（Ｉｎ，Ａｌ，Ｂ，Ｇａ）Ｎ上の制限領域エピタキシによる緩和の抑制によって、素子を製作する方法と、本方法を使用して製作された素子とに関する。
（２．関連技術の説明）
（注：本願は、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［ｘ］によって明細書の全体を通して示されるように、いくつかの異なる刊行物を参照する。これらの参照番号に従った順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
最近の進歩にもかかわらず、緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）の性能は、青色または紫色領域内で放出する同等の素子よりもはるかに低い。緑色領域内で動作する活性領域は、約３０％の、量子井戸（ＱＷ）内におけるインジウム（Ｉｎ）組成を要求する。約１０％のＩｎＮとＧａＮとの間の大きな格子不整合により、そのような構造は、非常に高い歪み（Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎに対して３％）で成長されなければならず、結晶品質を低下させ、量子井戸内における大きな圧電誘導電場につながる。応力緩和はまた、ＬＤ内のＩｎＧａＮ導波層の組成および厚さを制限する［１］。
従来の平面ｃ面および非極性歪みへテロエピタキシに対して、応力緩和は、典型的には、最も好ましいすべり系であるｃ面上の分解剪断応力の不在により、すべりを介して生じない。しかしながら、ｃ面すべりは、（２０−２１）および（１１−２２）半極性方位上で観測され、ｃ面上において有意な分解剪断応力を有する［２］。加えて、角柱ｍ面系上のすべりは、非極性ｍ面ならびに半極性（１１−２２）、（２０−２１）、および（３０−３−１）平面上の成長に対して観測された［３］。これは、非ｃ面方位上に成長された素子に対して重要な結果を有する。
前述の先行技術における制限を克服するために、および本明細書の熟読および理解に応じて明白となる他の制限を克服するために、本発明は、基板、または基板上の１つ以上のＩＩＩ族窒化物層を備えるＩＩＩ族窒化物系半導体素子構造を開示し、基板またはＩＩＩ族窒化物層は、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層内の結晶欠陥を、パターニングされていない基板またはパターニングされていないＩＩＩ族窒化物層上に形成されたＩＩＩ族窒化物層内の結晶欠陥と比較して、低減させるパターニングを含む。ＩＩＩ族窒化物層は、半極性または非極性層であることができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、ＩＩＩ族窒化物層の上方、下方、または上方および下方にあることができる。
パターニングは、１つ以上のエッチングされたメサを含むことができる。
制限領域エピタキシ（ＬＡＥ）基板は、メサをＧａＮ基板またはバッファ層内にパターニングおよびエッチングすることによって準備されることができる。素子は、次いで、表面のエッチングされていない領域上に直接再成長させることができる。メササイズ、形状、および方位は、素子層の緩和の開始に影響を及ぼす。
ＩＩＩ族窒化物層の厚さおよび組成のうちの１つ以上は、ＩＩＩ族窒化物層およびＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上を備える膜が、パターニングなしに、緩和のための膜の臨界厚に近いか、またはそれよりも大きい厚さを有するように十分に高くあることができる。
パターニングの上方のＩＩＩ族窒化物素子層の内の１つ以上は、パターニングなしに基板またはＩＩＩ族窒化物層上に堆積された同様のＩＩＩ族窒化物素子層の厚さよりも大きい厚さを備えることができる。
素子は、通常緩和厚限界より厚いＩＩＩ族窒化物素子層を有する完全にコヒーレントな素子であることができる。
パターニングは、緩和前に、所与の組成におけるＩＩＩ族窒化物素子層の厚さが、少なくとも４倍、増加されるような１つ以上の寸法を有するパターンを形成することができる。パターンは、１つ以上のストライプを備えることができ、パターン内のストライプのそれぞれの幅は、１〜５０μｍである。
パターニングは、パターンを形成することができ、パターンの方位は、緩和前に、所与の組成におけるＩＩＩ族窒化物素子層の厚さが、少なくとも４倍、増加されるようなものである。
パターニングは、パターンを形成することができ、パターンは、基板またはＩＩＩ族窒化物層のｃ−方向の面内投影と平行に向けられる。
パターニングは、ＩＩＩ族窒化物基板またはＩＩＩ族窒化物層上に、続いて成長された層上で行なわれることができる。
パターニングは、ＩＩＩ族窒化物素子層のａ−方向に平行なミスフィット転位線の形成を低減または防止することができる。
パターニングは、ＩＩＩ族窒化物素子層のａ−方向に対して傾いたミスフィット転位線の形成を低減または防止することができる。
パターニングは、ハードマスクを備えることができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層は、ＩＩＩ族窒化物層のパターニングされていない領域上、または基板またはＩＩＩ族窒化物層を備えるウエハのパターニングされていない領域上に成長されることができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層は、クラッド層、導波層、および活性領域を含むレーザダイオードの層であることができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層は、発光ダイオード、太陽電池、またはトランジスタ等の電子素子の層であることができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層は、少なくとも３０％のインジウム組成、または少なくとも緑色光に対応するピーク強度を有する光を放出するために十分なインジウム組成を有する量子井戸活性領域を備えることができる。
基板は、窒化ガリウム基板であることができ、ＩＩＩ族窒化物素子層は、少なくとも１００ナノメートルの厚さおよび少なくとも１０％のインジウム組成を伴って、コヒーレントに成長されているｎ型ＩｎＧａＮ導波層およびｐ型ＩｎＧａＮ導波層と、ＩｎＧａＮ量子井戸を有する、導波層間の多重量子井戸活性領域であって、量子井戸のインジウム組成は、少なくとも１０％である、多重量子井戸活性領域と、ｎ型窒化ガリウム層およびｐ型窒化ガリウム層であって、ｎ型導波層およびｐ型導波層は、ｎ型ＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との間にある、ｎ型窒化ガリウム層およびｐ型窒化ガリウム層とを備えることができる。
基板は、１０６ｃｍ−２またはそれよりも大きい貫通転位密度を有する窒化ガリウムであることができ、パターニングは、ＩＩＩ族窒化物素子層内のミスフィット転位密度が、１０４ｃｍ−２またはそれよりも小さく、素子の活性領域から離れて位置するようなものであることができる。
本発明はさらに、ＩＩＩ族窒化物系半導体素子を製作する方法を開示し、方法は、基板、または基板上の１つ以上のＩＩＩ族窒化物層をパターニングすることにより、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層内の拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、またはそれを制御することと、１つ以上のＩＩＩ族窒化物層を、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層として、パターニングされた基板またはＩＩＩ族窒化物層上に成長させることとを含む。
例えば、本発明は、（２０−２１）半極性自立ＧａＮ基板上のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ層が、いかなる緩和の兆候も伴わずに、１７５ｎｍ厚まで成長されることを実証し、（ｈｃ）は、４５ｎｍであり、実際の緩和は、典型的には、約１００ｎｍで開始する。加えて、本発明は、緩和を伴わずに（ｎ−／ｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎを有する平面構造は、３５ｎｍ厚前に緩和する）、５０ｎｍ厚のｎ−およびｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層を有する完全なＡｌＧａＮクラッドなし（ＡＣＦ）ＬＤ構造を成長させた。これらの効果は、緩和を伴わずに、ｎ−／ｐ−ＡｌＧａＮクラッドの臨界厚を拡大させるＡｌＧａＮ層、ならびに厚い高歪み層、または高い平均歪みを有する超格子型構造を利用する太陽電池および多重量子井戸（ＭＱＷ）ＬＥＤ等の他の素子にも同様であるはずである。
次に、全体を通して同様の参照数字が対応する部分を表す、図面を参照する。
図１は、裸ＧａＮ基板内に１μｍエッチングされ、ａ−方向に垂直に向けられた２０μｍ幅（左）および５μｍ幅（右）のストライプメサ上に成長された１７５ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの（ａ）走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、（ｂ）陰極線発光（ＣＬ）画像を示す。図１は、図１（ａ）〜（ｂ）と同一のサンプルからの（ｃ）ＳＥＭおよび（ｄ）ＣＬ画像を示し、５μｍ幅メサに対する２つの直交面内方向における方位依存性の影響を示す。図１は、２０μｍおよび５μｍストライプを有する３００ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎに対する（ｅ）ＳＥＭおよび（ｆ）ＣＬ画像を示す。図１は、同一の方位試験パターンに対する（ｇ）ＳＥＭおよび（ｈ）ＣＬ画像を示す。図１は、（ｉ）ｃ面すべりの開始を示す１１０厚の平面Ｉｎ０．０６Ｇａ０．９４ＮサンプルのＣＬ画像と、（ｊ）ｃ面およびｍ面すべりの両方を示す２００ｎｍのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎサンプルとを示す。 図２は、方位の影響を示すために、２μｍ幅の試験パターン上に成長された３００ｎｍのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの（ａ）ＳＥＭおよび（ｂ）ＣＬ画像と、ストライプ幅依存性を示す同一のサンプルの（ｃ）ＳＥＭおよび（ｄ）ＣＬ画像とを示し、指状突起部の幅は、（左から右に）１．０μｍ、１．２μｍ、１．４μｍ、１．６μｍ、１．８μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ、および４．０μｍである。 図３は、完全なＡＣＦレーザダイオード（ＬＤ）構造の蛍光顕微鏡写真を示し、（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、標準的な平面サンプルであり、（ｄ）、（ｅ）、および（ｆ）は、２．５μｍ、５μｍ、１０μｍ、および１５μｍのメサを有するＬＡＥ ＬＤ構造であり、（ａ）および（ｄ）は、２５ｎｍのｎ−およびｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層を有し、（ｂ）および（ｅ）は、３５ｎｍ厚のｎ−およびｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層を有し、（ｃ）および（ｆ）は、５０ｎｍ厚のｎ−およびｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層を有する。 図３（ｇ）は、図３（ａ）〜（ｆ）および図４で測定された素子構造を図示する。 図４は、３５ｎｍのｎ−およびｐ−Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層を有するＡＣＦ ＬＤ構造の蛍光顕微鏡写真を示し、ＭＤ形成の証拠がないストライプＬＡＥ領域（底部半分）から、ウエハの平面領域（上部半部）への変わり目を示し、ａ−方向に平行な暗線は、ＭＤ形成を示す。 図５は、（ａ）エッチングされたメサの上部またはその間に再成長された素子層を有するエッチングされたメサＬＡＥ、（ｂ）エッチングされたメサＬＡＥの上部に製作されたリッジ導波ＬＤ、および（ｃ）中間層の上部のＬＡＥの断面概略図である。 図６は、ＬＡＥにつながる、エッチングされたメサ基板の実施例を図示する。 図７は、素子構造の実施例を図示する。 図８は、素子を製作する方法を図示するフローチャートである。
以下の好ましい実施形態の説明において、添付図面への参照がなされ、図面は、本明細書の一部を形成し、図面において、本発明が実践され得る特定の実施形態が例証目的で示される。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
技術説明
既存の貫通転位（ＴＤ）のすべりによる緩和を回避するための技法の１つは、利用可能なＴＤの数を制限することである。これを行なう最も明白な方法は、超低ＴＤ密度を有する基板を使用することである。そのような基板が、利用可能ではない場合、存在するＴＤへのアクセスは、基板上にメサをエッチングし、次いで、制限領域エピタキシ（ＬＡＥ）として知られるものをメサ上に成長させることによって、局所的に制限されることができる。ＴＤは、メサ壁を横断することができず、メサ自体上のＴＤに対するＴＤすべりによって、緩和を制限する。本効果は、メサ側壁ラフネスまたは側壁ファセット上に新しいＴＤの核生成を可能にするほど十分な歪みエネルギーが蓄積すると崩壊する。
一連の異なるメサ構造を、（２０−２１）自立ＧａＮ基板上に製作し、緩和のＬＡＥ抑制に及ぼす幾何学形状および方位の効果を検証した。図１−４は、（２０−２１）基板上の（２０−２１）層の測定を図示する。
図１は、種々のエッチングされたメサを覆って成長された２つのＩｎＧａＮサンプルを比較する。図１（ａ）および（ｂ）は、１７５ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの２０μｍ幅（ｗ）のストライプメサ１００および５μｍ幅（ｗ）のストライプメサ１０２の上面図ＳＥＭおよびＣＬ画像である。図１（ｅ）および（ｆ）は、３００ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎのメサ１００、１０２を有するサンプルに対する同様の画像である。明らかに、より狭いリッジが、暗線欠陥１０４を低減させており、１７５ｎｍ厚５μｍ幅のメサ１０２の大部分は、ミスフィット転位（ＭＤ）が完全にない。
図１（ｃ）および（ｄ）は、ａ−方向に平行に向けられた（１７５ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの）一連の５μｍ幅メサ１０６およびａ−方向に直交に向けられた（１７５ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの）一連の５μｍ幅メサ１０８の上面図ＳＥＭおよびＣＬ画像である。
図１（ｇ）および（ｈ）は、３００ｎｍ厚のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎサンプルに対する同様の上面図画像である。ａ−方向に垂直に向けられたメサは、はるかに少ないミスフィット転位（ＭＤ）線１０４を有する。これは、ｃ面上のすべりが、ａ−方向に平行なＭＤ線を形成することを考慮すると、合理的である。
図１（ｉ）および（ｊ）は、それぞれ、１１０ｎｍおよび２００ｎｍの厚さのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎを有する同一の組成における、平面（制限領域エピタキシもメサもない）基準サンプルの上面図画像である。平面サンプルは、はるかに高いＭＤ密度を有し、図１（ｉ）は、ｃ面すべり１１２の開始を示し、（ｊ）は、進展したｃ面すべり１１２およびｍ面すべり１１４を示す。
図２（ａ）および（ｂ）は、上面図ＳＥＭおよびＣＬ画像であり、それぞれ、２μｍ幅（ｗ）構造に対するメサの方位依存性を示し、ａ−方向に垂直に向けられた構造２００は、最も少ないＭＤ線を有する。
図２（ｃ）および（ｄ）は、上面図ＳＥＭおよびＣＬであり、幅ｗ依存性を示す。指状突起部２０２は、幅ｗの減少に伴うＭＤ密度の減少を示し、２μｍを下回るメサ幅に対して、わずかな疎らのＭＤ線２０４のみ有する。
ａ−方向に垂直に向けられた２．５μｍ、５μｍ、１０μｍ、および１５μｍ幅ストライプでパターニングされた基板上に、完全なＡＣＦ ＬＤ構造を、水平流ＭＯＣＶＤを使用して成長させた。２５μｍ、３５μｍ、および５０μｍの厚さ（各側）を有するＩｎ０．０８−Ｇａ０．９２Ｎ ｎ導波層およびｐ導波層を、成長させ、蛍光顕微鏡検査法で検証した。
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、２５ｎｍ、３５ｎｍ、および５０ｎｍＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を有する平面サンプルの蛍光測定を示し、図３（ｄ）〜（ｆ）は、２５ｎｍ、３５ｎｍ、および５０ｎｍＳＣＨ層を有する対応するＬＡＥサンプルの蛍光測定を示す。識別可能なＭＤ線は、ＬＡＥサンプルのいずれにおいても観測されなかった一方、３５ｎｍおよび５０ｎｍ平面サンプルは、ａ−方向に平行な明らかな暗線３００を有していた。
図３（ｇ）は、図３（ａ）〜（ｆ）で測定された素子構造の断面概略である。素子構造は、量子井戸活性領域３０４の各側に、厚さｔを有するＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ ｐ型導波層３００およびｎ型Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ導波層３０２を備える。構造は、ｐ型ＧａＮ層３０６でキャップされ、層３００〜３０６が、（２０−２１）自立ＧａＮ基板３０８上に形成される。
ＭＤ形成の減少は、メサ４００にだけではなく、その間のエッチングされた領域４０２にも適用されることは、図４から明らかである（図４は、図３（ｇ）に示されるものと同一の構造からの蛍光を測定する）。ＭＤ線４０４は、平面領域内で可視である。
図３（ａ）〜（ｆ）および図４では、蛍光は、ｐ−ＧａＮ３０６の上部表面３１０から測定された。
図３（ｄ）〜（ｆ）および図４の上側部分の場合、（２０−２１）表面３１２は、ＬＡＥに対するパターニングを製作するためにエッチングされた一方、平面構造に対しては、表面３１２は、パターニングされなかった。
標準的なブロードエリアレーザダイオードまたはリッジ導波レーザダイオードが、次いで、製作され、メサの上部またはその間のいずれかに整列されることができる。パターニングはまた、中間層、例えば、緩和されたバッファ層上で行なわれることができる。これは、中間層における緩和を可能にし、次いで、パターニング後、後続の再成長において、ＬＡＥによって成長された層内の緩和を抑制する。それぞれの実施例は、図５に与えられる。
図５（ａ）は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板またはＩＩＩ族窒化物バッファ層５０２（例えば、ヘテロ基板上のＩＩＩ族窒化物バッファ層）を備える、（ＡｌＩｎＧａＮ）またはＩＩＩ族窒化物系半導体素子５００を図示する。基板５０２またはバッファ層は、パターニングを採用することにより、続いて堆積されるＡｌＩｎＧａＮ素子層または制限領域エピタキシ（ＬＡＥ）素子層５０４内における拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、あるいはそれを制御する。パターニングは、基板またはバッファ５０２のエッチング後に残っているパターニングされたメサ５０６を含む。
図５（ｂ）は、クラッド層、導波層、および活性領域を含む、レーザダイオードのエッチングされたリッジ導波レーザ層５０８を形成するようにエッチングされる素子層５０４を図示する。
図５（ｃ）は、半極性または非極性ＩＩＩ族窒化物基板５０２またはバッファ層を覆う１つ以上の（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮまたはＩＩＩ族窒化物層５１０を備える、（ＡｌＩｎＧａＮ）系半導体素子５００を図示する。（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮまたはＩＩＩ族窒化物５１０層は、パターニングを採用することにより、続いて堆積されるＡｌＩｎＧａＮ ＬＡＥ素子層５０４内における拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、あるいはそれを制御する。
図６は、ＬＡＥにつながる、エッチングされたメサ基板の実施例を図示する。第１のステップでは、裸基板６００が、エッチングされることにより、メサまたはストライプ６０２を形成する。第２のステップでは、素子は、メサ６０２の上部表面６０４および／またはメサ６０２間の表面６０６上に再成長される。メサの側方サイズｌ、高さｈ、および方位６０８は、緩和に影響を及ぼす。パターニングは、パターン６１０を形成することができる。本発明を使用して、完全にコヒーレントな素子が、通常の緩和限界を優に超える層とともに作成されることができる。
図７は、基板６００のパターニングされた非極性または半極性表面６０４／６０６上に堆積され得る素子構造の実施例を図示する。図７は、窒化ガリウム基板７００／６００およびその基板７００上またはその上方のｎ型ＧａＮ層７０２（例えば、クラッド層）を図示する。ｎ型ＩｎＧａＮ導波層７０４は、ＧａＮ層７０２上またはその上方にあり、ｎ型ＩｎＧａＮ導波層７０４は、少なくとも１００ナノメートルの厚さｔ１および少なくとも１０％のインジウム組成を伴って、コヒーレントに成長される。多重量子井戸活性領域７０６は、ｎ型導波層７０４上またはその上方にあり、ＩｎＧａＮ量子井戸およびＧａＮ障壁を備え、量子井戸のインジウム組成は、少なくとも１０％である。ｐ型ＩｎＧａＮ導波層７０８は、活性領域７０６上またはその上方にあり、ｐ型ＩｎＧａＮ導波層７０８は、少なくとも１００ナノメートルの厚さｔ２および少なくとも１０％のインジウム組成（これは、緩和された導波層のために使用される組成／厚さである）を伴って、コヒーレントに成長される。平面構造に対して、厚さは、２５ｎｍのＩｎ０．０８Ｇａ０．９２ｚＮに制限される。ＬＡＥレーザダイオードの一実施形態では、厚さは、（ｔ１およびｔ２に対して）５０ｎｍのＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎに制限され得る（ｔ１およびｔ２は、通常、等しいが、そうである必要はない）。
ｐ型窒化ガリウム層７１０（例えば、クラッド）は、ｐ型導波層７０８上またはその上方にある。当技術分野において公知の他の層もまた、追加されることができる（例えば、活性領域７０６とｐ型導波層７０８との間の電子遮断層、接触層等）。
本発明の１つ以上の実施形態に従って製作される素子構造の別の実施例は、［５］に説明される。
プロセスステップ
図８は、以下のステップを含む、ＩＩＩ族窒化物系半導体素子を製作する方法を図示する（図８の方法を使用する素子製作の実施例として、図１、２、５、６、および図７も参照されたい）。
ブロック８００は、基板５０２、６００、７００（例えば、ＩＩＩ族窒化物基板、窒化ガリウム基板、半極性または非極性ＧａＮ基板）、または基板５０２上に１つ以上のＩＩＩ族窒化物層５１０（例えば、テンプレート）をパターニングすることにより、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層５０４、７０２〜７１０内における拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、またはそれを制御することを表す。ＩＩＩ族窒化物層（単数または複数）５１０は、例えば、（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ、例えば、ガリウムおよびアルミニウムまたはガリウムおよびインジウムを備えることができる。ＩＩＩ族窒化物層５１０は、バッファ層を備えることができる。
基板は、１０６ｃｍ−２またはそれより大きい貫通転位密度を有する窒化ガリウムまたはＩＩＩ族窒化物であることができる。基板内の積層欠陥密度は、観測が困難であるほど十分に低くあり得る（例えば、１０ｃｍ−１よりも小さくあり得る）。
拡張欠陥形態を制御するために使用されるパターニングは、１つ以上のエッチングされたメサ５０６（例えば、基板５０２またはＩＩＩ族窒化物層５１０内にメサ５０６をエッチングすることによって形成される）を含むことができる。
拡張欠陥形態を制御するために使用されるパターニングは、制限されないが、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、またはＡｌＮ等のマスク（例えば、ハードマスク）（例えば、マスクを基板またはＩＩＩ族窒化物層上に堆積させることによって形成される）を備えることができる。
パターニングは、拡張欠陥形態を制御するために使用される１つ以上の寸法ｌ、ｈを備えるパターン６１０を形成することができる。例えば、パターンは、１つ以上のストライプ６０２を備えることができ、パターン内のストライプ６０２のそれぞれの幅ｗまたはｌは、１〜５０μｍである。
パターン６１０の方位６０８は、拡張欠陥形態を制御するために使用されることができる。例えば、パターンは、ＩＩＩ族窒化物基板５０２またはＩＩＩ族窒化物層５１０のｃ−方向の面内投影と平行に向けられることができる。例えば、ストライプ６０２の最長寸法は、ｃ−方向の面内投影に垂直に向けられる６０８ことができる。例えば、ストライプ６０２の最長寸法は、（２０−２１方位構造に対して、図１（ｄ）および図２（ａ）によって示されるように）ａ−方向に垂直に向けられる６０８ことができる。
パターニング６１０は、ＩＩＩ族窒化物層７０２〜７１０のａ−方向に平行であるか、またはそれに対して傾いたミスフィット転位線の形成を低減あるいは防止するために使用されることができる。
パターニングは、ＩＩＩ族窒化物基板７００またはバッファ層上に続いて成長される層７０２〜７１０上で行なわれることができる。例えば、以前に堆積された層は、パターニングされないこともある。
ブロック８０２は、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層として、１つ以上のＩＩＩ族窒化物またはＡｌＩｎＧａＮ層７０２〜７１０を、パターニングされた基板６００、７００またはＩＩＩ族窒化物層５１０上に成長させることを表す。ＩＩＩ族窒化物層７０２〜７１０は、半極性または非極性層であることができる。１つ以上の（ＡｌＩｎＧａＮ）素子層は、（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ層５１０の上方（活性領域７０６、導波層７０８、ＧａＮ層７１０）および／または下方（ＧａＮ層７０２）にあることができる。
ＩＩＩ族窒化物層５１０および／またはＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０のうちの１つ以上の厚さｔ１あるいはｔ２および／または組成は、ＩＩＩ族窒化物層５１０のうちの１つ以上またはその全部、および／またはＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０のうちの１つ以上またはその全部を備える膜が、緩和のための膜の臨界厚に近いかまたはそれよりも大きい（例えば、パターニングなしに、緩和のための臨界厚よりも大きい）厚さを有するように十分に高くあり得る。本発明は、層の臨界厚である厚さを有するか、または層の７０２〜７１０臨界厚よりも大きい厚さを有する任意の層７０２〜７１０に適用することができる。
パターニング５０６、６１０は、パターニング５０６、６１０の上方のＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０のうちの１つ以上またはその全部が、パターニング６１０、５０６なしに、基板またはＩＩＩ族窒化物層上に堆積される類似／対応するＩＩＩ族窒化物素子層の厚さをよりも大きい厚さｔ１またはｔ２を備え得るようなものであることができる。素子は、通常の緩和厚限界より厚いＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０を有する完全にコヒーレントな素子であることができる。
パターニング５０６、６１０は、緩和前に、所与の組成におけるＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０のうちの１つ以上またはその全部の厚さを、例えば、少なくとも４倍、増加させることができる。例えば、ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上７０２〜７１０は、コヒーレントであることができ、層７０２〜７１０のうちの１つ以上は、（例えば、パターニング５０６、６１０なしに、定義されるような）ＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０に対するＭａｔｔｈｅｗｓ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚の少なくとも４倍の厚さを有することができる。
ＩＩＩ族窒化物素子層５０４、７０４、７０６、７０８は、例えば、少なくとも７％、少なくとも１０％、少なくとも１６％、または少なくとも３０％のインジウム組成を備えることができる。ＩＩＩ族窒化物素子層７０６は、少なくとも緑色光に対応するピーク強度を有する光を放出するために十分なインジウム組成（例えば、ＩｎＧａＮ）を有する量子井戸活性領域を備えることができる。
量子井戸（例えば、ＩｎＧａＮ）は、４ナノメートルよりも大きい厚さを有することができる（例えば、５ｎｍ、少なくとも５ｎｍ、または少なくとも８ｎｍ）。しかしながら、量子井戸厚はまた、４ｎｍ未満であってもよいが、典型的には、２ｎｍの厚さを上回る。活性領域７０６内の量子井戸の周期の数もまた、変動することができる（例えば、少なくとも２つの周期、少なくとも３つの周期等、または活性領域が臨界厚よりも大きい厚さを有するように十分な数の周期）。緩和は、個々のＱＷ厚／組成が臨界厚を超える場合、またはＭＱＷ積層全体（ＱＷおよび障壁）の総厚／平均組成がその臨界厚を超える場合、（ＬＡＥを伴わずに）生じる。
層７０２〜７１０または活性領域７０６を備える素子は、ミスフィット転位がないこともある。パターニングは、ＩＩＩ族窒化物素子層内のミスフィット転位密度が、１０４ｃｍ−２またはそれより小さくあるようなものであることができる。ミスフィット転位は、活性領域７０６から離れた領域、例えば、基板７００またはクラッド層７０２、７１０との界面に制限されることができる。例えば、素子層７０６のうちのいくつかは、コヒーレントに成長されることができ、層のうちのいくつかは、緩和または部分的に緩和されることができる（例えば、導波層７０４、７０８が、緩和されることができる）。
ＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０は、ＩＩＩ族窒化物層のパターニングされていない領域５１０上、または基板６００、バッファ、およびＩＩＩ族窒化物層５１０を備えるウエハのパターニングされていない領域６０６上に成長されることができる。
素子層５０４は、クラッド層、導波層、および活性領域を含むレーザダイオードの層であることができる。しかしながら、素子層５０４は、発光ダイオード、太陽電池等の任意の光電子素子、またはトランジスタ等の電子素子の層であることができる。
ブロック８０４は、本方法の最終結果であるＩＩＩ族窒化物系半導体素子５００を表し、ＩＩＩ族窒化物系半導体素子５００は、基板５０２、または基板５０２上の１つ以上のＩＩＩ族窒化物層５１０を備え、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層５０４内における拡張欠陥形態に影響を及ぼすか、またはそれを制御する（例えば、貫通転位、積層欠陥、ミスフィット転位等の結晶欠陥を低減させる）ためのパターニング５０６を含み、ＩＩＩ族窒化物素子層５０４は、半極性または非極性層である。結晶欠陥は、基板５０２またはＩＩＩ族窒化物層５１０のパターニングなしに堆積されたＩＩＩ族窒化物層内の結晶欠陥と比較して、あるいはパターニングされていない基板５０２またはパターニングされていないテンプレート５１０上に堆積されたＩＩＩ族窒化物層内の結晶欠陥と比較して、低減されることができる。
一実施例では、基板は、窒化ガリウム基板７００であり、ＩＩＩ族窒化物素子層７０２〜７１０は、（１）少なくとも１００ナノメートルの厚さおよび少なくとも１０％のインジウム組成を伴って、コヒーレントに成長されたｎ型およびｐ型ＩｎＧａＮ導波層７０４、７０８と、（２）ＩｎＧａＮ量子井戸およびＧａＮ障壁またはＡｌＧａＮ障壁を有する導波層７０４、７０８間の多重量子井戸活性領域７０６であって、量子井戸のインジウム組成が、少なくとも１０％である、多重量子井戸活性領域７０６と、（３）ｎ型およびｐ型窒化ガリウム層７０２、７１０であって、ｎ型およびｐ型導波層７０４／７０８が、ｎ型およびｐ型ＧａＮ層７０２、７１０の間にあるｎ型およびｐ型窒化ガリウム層７０２、７１０とを備える。
付加的層（例えば、接触）が、当技術分野において公知のように堆積されることができる。
利点および改良
本発明は、制限領域エピタキシ（ＬＡＥ）を使用して、貫通転位すべりによる緩和を伴わずに、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ平衡厚（ｈｃ）の少なくとも４倍（４ｘ）まで層を成長させることを可能にする。本技法は、特に、クラッド層および導波層の組成および厚さが、緩和によって制限されるレーザダイオードに好適である。
本発明は、より高率の組成および／またはより大きい厚さのクラッド層および／または導波層を有するＬＤを可能にし、より高い閉じ込め係数およびより低い閾値電流密度につながる。導波設計におけるさらなる順応性はまた、遠距離場パターンのさらなる制御を可能にし得る。
ＬＥＤ、太陽電池、およびトランジスタ等の他の歪み層素子もまた、本発明から利点を得ることができる。太陽電池は、特に、太陽スペクトルの緑色領域までの光を捕捉するために、高率の組成ＩｎＧａＮ層を有する厚い吸収領域を要求する。本発明は、素子活性領域内の緩和およびＭＤの形成を防止するのに役立つことができる。
加えて、青色ＬＥＤは、増加した数の量子井戸（ＱＷ）に対して、効率ドループの低下を示す。本発明は、活性領域内のＭＤ形成を防止し、総ＭＱＷ厚限界を増加させるのに役立つことができる。
本発明は、大幅に向上した有効臨界厚を有する単一層および完全なＬＤ構造の両方を実証した。本発明は、非ｃ面素子において利用可能なアクセス可能な厚さ／組成範囲を拡張し、少なくとも４倍、緩和前に、所与の組成における厚さを増加させる。これは、ＬＤ内の導波のための新しい設計空間を切り開き、潜在的に、より高い性能またはより高い効率の素子を可能にする。太陽電池に対する用途は、より厚く、より高率の組成の吸収領域を可能にすることによって、より広い波長範囲にわたって、外部量子効率を改善するはずである。
専門用語
本明細書で使用される場合、用語「（ＡｌＩｎＧａＮ）」、「（Ｉｎ，Ａｌ）ＧａＮ」、または「ＧａＮ」（ならびに、一般的に使用される、用語「ＩＩＩ窒化物」または「ＩＩＩ族窒化物」または「窒化物」）は、化学式ＧａｗＡｌｘＩｎｙＢｚＮ（式中、０≦ｗ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、およびｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を有する、（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ半導体の任意の混合組成を指す。これらの用語は、単一種、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、およびＢの個別の窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二価、三価、および四価組成を含むように広義に解釈されることが意図される。故に、ＧａＮおよびＩｎＧａＮ材料を参照する以下の本発明の議論は、種々の他の（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが理解される。さらに、本発明の範囲内の（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ材料は、微量のドーパントおよび／または他の不純物材料および／または他の含有材料をさらに含んでもよい。
多くの（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ素子は、結晶の極性ｃ面に沿って成長されるが、これは、強圧電分極および自発分極の存在により、望ましくない量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）をもたらす。（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎ素子内の分極効果を低下させるアプローチの１つは、結晶の非極性または半極性平面上に素子を成長させることである。
用語「非極性平面」は、ａ面として集合的に周知の｛１１−２０｝平面と、ｍ面として集合的に周知の｛１０−１０｝平面とを含む。そのような平面は、平面あたり等しい数のＩＩＩ族（例えば、ガリウム）および窒素原子を含み、電荷中性である。後続の非極性層は、相互に均等であり、したがって、バルク結晶は、成長方向に沿って分極されない。
用語「半極性平面」は、ｃ面、ａ面、またはｍ面として分類されることができない任意の平面を指すために使用され得る。結晶学的観点では、半極性平面は、少なくとも２つの非ゼロｈ、ｉ、またはｋミラー指数および非ゼロｌミラー指数を有する任意の平面である。後続の半極性層は、相互に均等であり、したがって、結晶は、成長方向に沿って、分極を減少させる。
層Ｙ上に成長される層Ｘに対して、コヒーレント成長の場合、Ｘの面内格子定数（単数または複数）は、下位層Ｙと同一であるように制約される。Ｘが完全に緩和した場合、Ｘの格子定数は、それらの自然（すなわち、いずれの歪みも存在しない）値をとる。Ｘが、コヒーレントでもなく、Ｙに対して完全に緩和もしていない場合、部分的に緩和していると見なされる。いくつかの場合には、基板は、残留歪みを有し得る。
平衡臨界厚は、層／基板界面に１つのミスフィット転位を形成することがエネルギー的に好ましい場合に対応する。
実験的、すなわち、動的臨界厚は、常時、幾分または有意に、平衡臨界厚よりも大きい。しかしながら、臨界厚が、平衡または動的臨界厚であるかどうかにかかわらず、臨界厚は、層が完全なコヒーレントから部分的な緩和まで変形する厚さに対応する。
臨界厚の別の実施例は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚である。
本開示全体を通して、下位層上にある層は、例えば、下位層の上、下位層の上方、または下位層を覆ってあることができる。
参考文献
以下の参考文献は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
［１］ Ａ． Ｔｙａｇｉ， Ｆ． Ｗｕ， Ｅ． Ｃ． Ｙｏｕｎｇ， Ａ． Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ， Ｈ． Ｏｈｔａ， Ｒ． Ｂｈａｔ， Ｋ． Ｆｕｊｉｔｏ， Ｓ． Ｐ． ＤｅｎＢａａｒｓ， Ｓ． ＮａｋａｍｕｒａおよびＪ． Ｓ． Ｓｐｅｃｋ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９５， ｐ． ２５１９０５ （２００９）．
［２］ Ｅ． Ｃ． Ｙｏｕｎｇ， Ｃ． Ｓ． Ｇａｌｌｉｎａｔ， Ａ． Ｅ． Ｒｏｍａｎｏｖ， Ａ． Ｔｙａｇｉ， Ｆ． ＷｕおよびＪ． Ｓ． Ｓｐｅｃｋ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ３， ｐ． １１１００４ （２０１０）．
［３］ Ｓ． Ｙｏｓｈｉｄａ， Ｔ． Ｙｏｋｏｇａｗａ， Ｙ． Ｉｍａｉ， Ｓ． Ｋｉｍｕｒａ， Ｏ． Ｓａｋａｔａ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９９， ｐ． １３１９０９ （２０１１）．
［４］ Ｊ． ＭａｔｔｈｅｗｓおよびＡ． Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ， Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ ３２ ２６５ （１９７６）．
［５］ Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｅｎｔｉｔｌｅｄ “Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ （２０−２１） ＩｎＧａＮ／ＧａＮ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ａｒｅａ Ｅｐｉｔａｘｙ” ｂｙ Ｍａｔｔｈｅｗ Ｔ． Ｈａｒｄｙ， Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ， Ｊａｍｅｓ Ｓ． Ｓｐｅｃｋ，およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ． ＤｅｎＢａａｒｓ。
結論
これは、本発明の好ましい実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例証および説明のために示したものである。本記述は、網羅的であることも、本発明を開示された正確な形態に制限することも意図されない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって制限されるのではなく、本明細書に添付された特許請求の範囲によって制限されることが意図される。

Claims (21)

  1. ＩＩＩ族窒化物系半導体素子構造であって、前記素子構造は、
    基板、または前記基板上の１つ以上のＩＩＩ族窒化物層を備え、
    前記基板またはＩＩＩ族窒化物層は、パターニングを含み、前記パターニングは、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層内の結晶欠陥を、パターニングされていない基板またはパターニングされていないＩＩＩ族窒化物層上に堆積されたＩＩＩ族窒化物素子層内の結晶欠陥と比較して、低減させ、
    前記ＩＩＩ族窒化物層は、半極性または非極性層である、
    素子構造。
  2. 前記ＩＩＩ族窒化物層の上方、下方、または上方および下方に、１つ以上の前記ＩＩＩ族窒化物素子層をさらに備える、請求項１に記載の素子。
  3. 前記パターニングは、１つ以上のエッチングされたメサを含む、請求項２に記載の素子。
  4. 前記ＩＩＩ族窒化物素子層の厚さおよび組成のうちの１つ以上は、前記ＩＩＩ族窒化物層および前記ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上を備える膜が、前記パターニングなしに、緩和のための膜の臨界厚に近いか、またはそれよりも大きい厚さを有するように十分に高い、請求項２に記載の素子。
  5. 前記パターニングは、ハードマスクを備える、請求項２に記載の素子。
  6. 前記ＩＩＩ族窒化物素子層は、前記ＩＩＩ族窒化物層のパターニングされていない領域上、または前記基板または前記ＩＩＩ族窒化物層を備えるウエハのパターニングされていない領域上に成長されている、請求項５に記載の素子。
  7. 前記パターニングは、緩和前に、所与の組成における前記ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上の厚さが、前記パターニングなしのものと比較して、少なくとも４倍、増加されるような１つ以上の寸法を有するパターンを形成する、請求項１に記載の素子。
  8. 前記パターンは、１つ以上のストライプを備え、前記パターン内のストライプのそれぞれの幅は、１〜５０μｍである、請求項７に記載の素子。
  9. 前記パターニングは、パターンを形成し、前記パターンの方位は、緩和前に、所与の組成における前記ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上の厚さが、少なくとも４倍、増加されるようなものである、請求項２に記載の素子。
  10. 前記パターニングは、パターンを形成し、前記パターンは、前記基板またはＩＩＩ族窒化物層のｃ−方向の面内投影と平行に向けられている、請求項２に記載の素子。
  11. 前記パターニングは、前記基板または前記ＩＩＩ族窒化物層上に、続いて成長された層上に行なわれている、請求項２に記載の素子。
  12. 前記パターニングは、前記ＩＩＩ族窒化物素子層のａ−方向に平行なミスフィット転位線の形成を低減または防止する、請求項２に記載の素子。
  13. 前記パターニングは、前記ＩＩＩ族窒化物素子層のａ−方向に対して傾いたミスフィット転位線の形成を低減または防止する、請求項２に記載の素子。
  14. 前記ＩＩＩ族窒化物素子層は、クラッド層、導波層、および活性領域を含むレーザダイオードの層である、請求項２に記載の素子。
  15. 前記ＩＩＩ族窒化物素子層は、発光ダイオード、太陽電池、またはトランジスタ等の電子素子の層である、請求項２に記載の素子。
  16. 前記パターニングの上方の前記ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上は、前記パターニングなしに堆積された同様のＩＩＩ族窒化物素子層の厚さよりも大きな厚さを備え、
    前記素子は、通常緩和厚限界よりも厚い前記ＩＩＩ族窒化物素子層のうちの１つ以上を有する完全または部分的にコヒーレントな素子である、請求項２に記載の素子。
  17. 前記パターニングは、緩和前に、所与の組成におけるＩＩＩ族窒化物素子層の厚さを少なくとも４倍増加させる、請求項１に記載の素子。
  18. 前記ＩＩＩ族窒化物素子層は、少なくとも３０％のインジウム組成、または少なくとも緑色光に対応するピーク強度を有する光を放出するために十分なインジウム組成を有する量子井戸活性領域を備える、請求項２に記載の素子。
  19. 前記基板は、窒化ガリウム基板であり、
    前記ＩＩＩ族窒化物素子層は、
    少なくとも１００ナノメートルの厚さおよび少なくとも１０％のインジウム組成を伴って、コヒーレントに成長されているｎ型ＩｎＧａＮ導波層およびｐ型ＩｎＧａＮ導波層と、
    ＩｎＧａＮ量子井戸を有する、前記導波層間の多重量子井戸活性領域であって、前記量子井戸のインジウム組成は、少なくとも１０％である、多重量子井戸活性領域と、
    ｎ型窒化ガリウム層およびｐ型窒化ガリウム層であって、前記ｎ型導波層およびｐ型導波層は、前記ｎ型ＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層の間にある、ｎ型窒化ガリウム層およびｐ型窒化ガリウム層と
    を備える、請求項２に記載の素子。
  20. 前記基板は、１０６ｃｍ−２またはそれよりも大きい貫通転位密度を有する窒化ガリウムであり、
    前記パターニングは、前記ＩＩＩ族窒化物素子層内のミスフィット転位密度が、１０４ｃｍ−２またはそれよりも小さく、前記素子の活性領域から離れて位置するようなものである、請求項２に記載の素子。
  21. ＩＩＩ族窒化物系半導体素子を製作する方法であって、前記方法は、
    基板、または前記基板上の１つ以上のＩＩＩ族窒化物層をパターニングすることにより、続いて堆積されるＩＩＩ族窒化物素子層内の結晶欠陥を、パターニングされていない基板またはパターニングされていないＩＩＩ族窒化物層上に堆積されたＩＩＩ族窒化物素子層内の結晶欠陥と比較して、低減させることと、
    前記ＩＩＩ族窒化物素子層を前記パターニングされた基板またはパターニングされたＩＩＩ族窒化物層上に成長させることであって、前記ＩＩＩ族窒化物層は、半極性または非極性層である、ことと
    を含む、方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10199532B1 (en) * 2017-09-08 2019-02-05 Mikro Mesa Technology Co., Ltd. Light-emitting diode and method for manufacturing the same
US10892159B2 (en) 2017-11-20 2021-01-12 Saphlux, Inc. Semipolar or nonpolar group III-nitride substrates
JP2020201081A (ja) * 2019-06-07 2020-12-17 本田技研工業株式会社 リチウムイオン二次電池の微小短絡判定方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100576317B1 (ko) * 2003-12-24 2006-05-03 주식회사 이츠웰 질화물계 반도체 발광다이오드 및 그의 제조방법
US7186626B2 (en) * 2005-07-22 2007-03-06 The Regents Of The University Of California Method for controlling dislocation positions in silicon germanium buffer layers
TWI309481B (en) * 2006-07-28 2009-05-01 Epistar Corp A light emitting device having a patterned substrate and the method thereof
US8362503B2 (en) * 2007-03-09 2013-01-29 Cree, Inc. Thick nitride semiconductor structures with interlayer structures
KR101459754B1 (ko) * 2007-09-06 2014-11-13 엘지이노텍 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
KR101092079B1 (ko) * 2008-04-24 2011-12-12 엘지이노텍 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
JP2009283807A (ja) * 2008-05-26 2009-12-03 Canon Inc 窒化物半導体層を含む構造体、窒化物半導体層を含む複合基板、及びこれらの製造方法
CN102484142A (zh) * 2009-08-21 2012-05-30 加利福尼亚大学董事会 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
US8481991B2 (en) * 2009-08-21 2013-07-09 The Regents Of The University Of California Anisotropic strain control in semipolar nitride quantum wells by partially or fully relaxed aluminum indium gallium nitride layers with misfit dislocations
KR101118268B1 (ko) * 2009-08-27 2012-03-20 한국산업기술대학교산학협력단 요철 패턴 기판 상의 고품질 비극성／반극성 반도체 소자 및 그 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2020017207A1 (ja) * 2018-07-20 2021-08-02 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 半導体発光素子

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