JP2017216484A - Ｃ方向において＋／−１５度より少ないミスカットを有するｍ面基板上の半極性ｉｉｉ族窒化物光電子デバイス - Google Patents

Ｃ方向において＋／−１５度より少ないミスカットを有するｍ面基板上の半極性ｉｉｉ族窒化物光電子デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】Ｃ方向において＋／−１５度より少ないミスカットを有するＭ面基板上の半極性ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスの提供。
【解決手段】ＧａＮのミスカット上に成長された光電子デバイスであって、ミスカットは、ＧａＮのｍ面から、ＧａＮのｃ方向に、ｘ度でミスカットされた（ＧａＮの）半極性ＧａＮ結晶面を含み、ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５である、光電子デバイス。半極性結晶面は、｛３０−３１｝面、｛３０−３−１｝面、｛４０−４１｝面、または｛４０−４−１｝面である。半極性結晶面は、微斜面、ミスカット、または軸外フリースタンディングＧａＮ基板の上表面である。
【選択図】図２

Description

（関連出願の引用）
本願は、同時係属および同一人に譲渡されたＰｏ Ｓｈａｎ Ｈｓｕ、Ｋａｔｈｒｙｎ Ｍ．Ｋｅｌｃｈｎｅｒ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｄａｎｉｅｌ Ｈａｅｇｅｒ、Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＪａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋによる米国仮特許出願第６１／３１０，６３８号（名称「ＳＥＭＩ−ＰＯＬＡＲ ＩＩＩ−ＮＩＴＲＩＤＥ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＶＩＣＥＳ ＯＮ Ｍ−ＰＬＡＮＥ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＣＵＴＳ ＬＥＳＳ ＴＨＡＮ ＋／− １５ ＤＥＧＲＥＥＳ ＩＮ ＴＨＥ Ｃ−ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ」、２０１０年３月４日出願、代理人整理番号３０７９４．３６６−ＵＳ−Ｐ１（２０１０−５４３−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張する。上記出願は、本明細書に参照することによって援用される。
本願は、下記の同時係属および同一人に譲渡された米国特許出願に関する：
Ｄａｎｉｅｌ Ｆ．Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｋｗａｎｇ Ｃｈｏｏｎｇ Ｋｉｍ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｄａｎｉｅｌ Ａ．Ｃｏｈｅｎ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ，およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国特許出願第１２／０３０，１１７号（名称「Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ−ＣＬＡＤＤＩＮＧ−ＦＲＥＥ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＧＡＮ−ＢＡＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥＳ ＡＮＤ ＬＥＤＳ」、２００８年２月１２日出願、代理人整理番号３０７９４．２２２−ＵＳ−Ｕ１（２００７−４２４））。この出願は、Ｄａｎｉｅｌ Ｆ．Ｆｅｅｚｅｌｌ、Ｍａｔｈｅｗ Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｋｗａｎｇ Ｃｈｏｏｎｇ Ｋｉｍ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｍ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｄａｎｉｅｌ Ａ．Ｃｏｈｅｎ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６０／８８９，５１０号（名称「Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ−ＣＬＡＤＤＩＮＧ−ＦＲＥＥ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＧＡＮ−ＢＡＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥＳ ＡＮＤ ＬＥＤＳ」、２００７年２月１２日出願、代理人整理番号３０７９４．２２２−ＵＳ−Ｐ１（２００７−４２４−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張する；
Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｙｏｕ−Ｄａ Ｌｉｎ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓよるＰＣＴ国際特許出願第ＵＳ２０１０／３７６２９号（名称「ＡＳＹＭＭＥＴＲＩＣＡＬＬＹ ＣＬＡＤＤＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥ」、２０１０年６月７日出願、代理人整理番号３０７９４．３１４−ＵＳ−ＷＯ（２００９−６１４−２））。この出願は、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｙｏｕ−Ｄａ Ｌｉｎ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／１８４，６６８号（名称「ＡＳＹＭＭＥＴＲＩＣＡＬＬＹ ＣＬＡＤＤＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥ」、２００９年６月５日出願、代理人整理番号３０７９４．３１４−ＵＳ−Ｐ１（２００９−６１４−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張する；
および、 Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｙｏｕ−Ｄａ Ｌｉｎ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国特許出願第１２／７９５，３９０号（名称「ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＮＯＮＰＯＬＡＲ ＡＮＤ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ （Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥＳ」、２０１０年６月７日出願、代理人整理番号３０７９４．３１５−ＵＳ−Ｕ１（２００９−６１６−２））。この出願は、同時係属および同一人に譲渡されたＡｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｙｏｕ−Ｄａ Ｌｉｎ、Ｓｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国仮特許出願第６１／１８４，７２９号（名称「ＬＯＮＧ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ｍ−ＰＬＡＮＥ （Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ ＢＡＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＤＩＯＤＥＳ」、２００９年６月５日出願、代理人整理番号３０７９４．３１５−ＵＳ−Ｐ１（２００９−６１６−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項に基づく利益を主張する。
上記出願は、本明細書に参照することによって援用される。
（１．発明の分野）
本発明は、半極性光電子デバイスおよびそれらの製造方法に関し、より具体的に、ｃ方向において＋／−１５度より少ないミスカットを有するｍ面基板上の半極性ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスに関する。
（２．関連技術の記述）
（注記：本願は、括弧内の１つ以上の参照番号（例えば、［ｘ］）によって、本明細書を通して指示されるように、いくつかの異なる刊行物を参照する。このような参照番号に従って順序付けられたこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」の項に列挙される。これらの刊行物はそれぞれ、参照することによって本明細書に組み込まれる。）
次世代ディスプレイテクノロジー（例えば、ミニチュアモバイルプロジェクターおよび高精細度飛点ディスプレイ）に対して期待された高い市販需要は、直接放射の緑色レーザーダイオード（ＬＤ）の開発を著しく加速させた。このような用途に対する技術基準は、ＬＤが高効率、信頼性、コンパクト、および変調応答能力を有することを要求する［１］。ウルツ鉱（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎベースの材料システムは、緑色光電子デバイスの先行候補として広く賛同されているが、その結晶面のエピタキシー成長に対する最適化が依然達成されていないことが一般的な合意である。
緑色スペクトル領域におけるＬＤの連続波（ＣＷ）動作は、ＧａＮの従来のｃ面上に成長されたデバイスに対して実証された［２〜４］。しかしながら、これらのデバイスは、非励振内部電場という欠点があり、非励振内部電場は、量子井戸（ＱＷ）の放射再結合率を低減させ、そして増加するキャリアの注入で放射波長におけるブルーシフトを引き起こす量子閉じ込みシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を引き起こす［５］。加えて、Ｉｎの多いＩｎＧａＮ ＱＷと障壁層との間の増大した格子ミスマッチのために、ＱＣＳＥは、長波長光電子デバイスに対してより顕著になる［２］。
偏光効果を回避するために、研究者は、ウルツ鉱結晶の無極性ｍ面の配向で成長されたＬＤの動作を実証した［６］。ハイパワーブルーＬＤに対する有望な候補であるが、活性領域における積層欠陥の形成のために、ｍ面ＬＤは、今のところでは５００ｎｍレージング放射に制限されている［７〜１１］。
さまざまな半極性平面（例えば、（１０−１１）および（１１−２２））も、代替的な成長面として調査された［１２〜１３］。最近、研究者は、半極性の（２０−２１）面上に成長された高品質ＩｎＧａＮ ＱＷから緑色スペクトル範囲内のレージングを報告した［１４〜１５］。さらなるの研究は、（２０−２１）上に成長された緑色放射のＱＷが、ｃ面に対して報告された緑色放射より低い局在エネルギー値を有する高い組成均一性を示している［１６］。しかしながら、歪み誘起によるミスフィット転位（ＭＤ）を生成することなしに、十分なモーダル閉じ込めを達成するために、４元のＡｌＩｎＧａＮのクラッド層が（２０−２１）ＬＤ内に必要とされる［１７］。４元のＡｌＩｎＧａＮのクラッド層の使用は、低臨界厚さを有する半極性面に対する解決策を示したが、高組成ＩｎＧａＮ波導管を有する単純なＡｌＩｎＧａＮのクラッドフリー構造は、大量生産の観点から大いにより魅力的であり得る［７，１５，１８］。
光電子デバイス成長に対して向上された方法が必要されている。本発明は、上記ニーズを満たす。
（本発明の要約）
本発明は、ｍ面から、ｃ方向にｘ度のミスカットを有するＧａＮ基板上に成長された半極性（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎベースの光電子デバイスを開示する（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。
ｃ方向に向う＋／−１５度以上のミスカットと比較されると、ｃ方向に向うｘ度（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）のミスカットを有するｍ面上のこのような光電子は、より低いＱＣＳＥ誘起された注入電流依存のブルーシフト、より高い材料のゲインを引き起こす増大された振動子強度等を提供する。
ｍ面からより低く離れたミスカットは、ミスカット上に生成されたより大きな臨界厚さの層を提供する。より低い臨界厚さを提供する半極性面上に生成された層と比較されると、これは、ミスカット上に生成された層内のミスフィット欠陥の数を減少させ得る。次に、層内の欠陥密度は、層が蒸着されている半極性面に依存し得る。
例えば、光電子デバイスは、ＧａＮの半極性面または結晶面上に成長された１つ以上の半導体ＩＩＩ族窒化物層を含み得、半極性面または半極性結晶面は、｛３０−３−１｝面、｛３０−３１｝面、｛４０−４１｝面、または｛４０−４−１｝面であり、ＧａＮの半極性面または半極性結晶面は、例えば、微斜面、ミスカット、または軸外フリースタンディングＧａＮ基板の上表面である。
半極性ＧａＮ面が、原子的特定面を含み得ることにより、平坦なエピタキシー成長が達成される。
方法は、半極性結晶面上に成長されたＩＩＩ族窒化物層の臨界厚さを増大させるために、半極性結晶面を選択することを含み得る。例えば、光電子デバイスのＩＩＩ族窒化物層は、Ｍａｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚さ以上の厚さを有する１つ以上のＩｎＧａＮ層を含み得、臨界厚さは、ＧａＮのｍ面から、ＧａＮのｃ方向に、１５度以上で配向されたＧａＮの半極性結晶面上に蒸着されたＩｎＧａＮ層に対するものである。ＩｎＧａＮ層は、少なくとも７％のインジウム組成を有し得る。
光電子デバイスは、ＬＤであり得、１つ以上のＩｎＧａＮ層は、モーダル閉じ込めをＬＤに提供するＩｎＧａＮ導波管を含み得、ＬＤは、例えば、少なくとも４６０ｎｍの波長でのレージングピークを有する。
光電子デバイスは、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を含む光を放射するＩｎＧａＮ活性層をさらに含み得、量子井戸のうちの１つ以上は、少なくとも１６％のインジウム組成（および４ナノメートル（ｎｍ）より大きい厚さ）を有する。
光電子デバイスは、１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と、１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と、ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層との間の１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含むＩｎＧａＮ活性層とをさらに含み得、ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、ｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、およびＩｎＧａＮ量子井戸層は、半極性ＧａＮ結晶面の半極性配向を有し、ＩｎＧａＮ量子井戸層は、少なくとも４７７ｎｍの波長においてピーク光放射またはピーク光吸収を有する。
光電子デバイスは、ＬＤであり得、ＬＤは、半極性結晶面の上または上方のｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層の上または上方のｎ型ＩｎＧａＮ導波管層であって、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層と、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方のＩｎＧａＮ活性層であって、ＩｎＧａＮ活性層は、少なくとも７％のインジウム組成と、４ｎｍより大きい厚さとを有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む、ＩｎＧａＮ活性層と、ＩｎＧａＮ活性層の上または上方のｐ型ＩｎＧａＮ導波管層と、ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方のｐ型ＧａＮ層であって、ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ｐ型ＧａＮ層とを含み、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＩｎＧａＮ層およびｐ型ＩｎＧａＮ導波管層は、半極性結晶面の半極性配向を有する。
半極性結晶面および蒸着する状態は、例えば、ＩＩＩ族窒化物層のうちの１つ以上が０．７５ｎｍ以下の表面ラフネスを有するようなものであり得る。
ＬＤは、より高いゲインのために、ＬＤのｃ投影方向に配向された導波管を含み得る。
半極性ＧａＮ結晶面上に蒸着されたデバイスは、例えば、ＬＤ、レーザー放射ダイオード（ＬＥＤ）、超放射ダイオード（ＳＬＤ）、半導体増幅器、フォトニック結晶レーザー、ＶＣＳＥＬレーザー、太陽電池、または光検出器を含むが、それらに限定されない。
本発明は、光電子デバイスを製造する方法をさらに開示し、方法は、ＧａＮのｍ面から、ＧａＮのｃ方向に、ｘ度で配向された半極性ＧａＮ結晶面上にＩＩＩ族窒化物層をエピタキシー蒸着することを含み、ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５である。方法は、半極性結晶面上に成長されたＩＩＩ族窒化物層の臨界厚さを増大させるために、半極性結晶面を選択することをさらに含み得る。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
光電子デバイスであって、該光電子デバイスは、
ＧａＮの半極性結晶面上にエピタキシー成長された１つ以上のＩＩＩ族窒化物層を含み、
該半極性結晶面は、該ＧａＮのｍ面から、該ＧａＮのｃ方向に、ｘ度で配向されており、ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５である、デバイス。
（項目２）
前記半極性結晶面は、｛３０−３１｝面、｛３０−３−１｝面、｛４０−４１｝面、または｛４０−４−１｝面である、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
前記半極性結晶面は、微斜面、ミスカット、または軸外フリースタンディングＧａＮ基板の上表面である、項目１に記載のデバイス。
（項目４）
前記ＩＩＩ族窒化物層は、Ｍａｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚さ以上の厚さを有する１つ以上のＩｎＧａＮ層を含み、該臨界厚さは、ＧａＮのｍ面から、該ＧａＮのｃ方向に、１５度以上で配向された該ＧａＮの半極性結晶面上に蒸着されたＩｎＧａＮ層に対するものである、項目１に記載のデバイス。
（項目５）
前記光電子デバイスは、レーザーダイオードであり、前記１つ以上のＩｎＧａＮ層は、モーダル閉じ込めを該レーザーダイオードに提供するＩｎＧａＮ導波管を含む、項目４に記載のデバイス。
（項目６）
前記ＩＩＩ族窒化物は、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を含む光を放射するＩｎＧａＮ活性層をさらに含み、該量子井戸のうちの１つ以上は、少なくとも１６％のインジウム組成と、４ｎｍより大きい厚さとを有する、項目５に記載のデバイス。
（項目７）
前記ＩｎＧａＮ層は、少なくとも７％のインジウム組成を有する、項目４に記載のデバイス。
（項目８）
前記光電子デバイスは、ＧａＮ基板のミスカットまたは微斜面の表面上に成長され、該ミスカットまたは微斜面の表面は、前記半極性結晶面を含み、前記ＩＩＩ族窒化物層は、
１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と、
１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と、
該ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層と該１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層との間の１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含むＩｎＧａＮ活性層と
をさらに含み、
該ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、該ｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、および該ＩｎＧａＮ量子井戸層は、該半極性結晶面の半極性配向を有し、該ＩｎＧａＮ量子井戸層は、少なくとも４７７ｎｍの波長においてピーク光放射またはピーク光吸収を有している、項目１に記載のデバイス。
（項目９）
前記光電子デバイスは、レーザーダイオードであり、前記ＩＩＩ族窒化物層は、
前記半極性結晶面の上または上方のｎ型ＧａＮ層と、
該ｎ型ＧａＮ層の上または上方のｎ型ＩｎＧａＮ導波管層であって、該ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層と、
該ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方のＩｎＧａＮ活性層であって、該ＩｎＧａＮ活性層は、少なくとも７％のインジウム組成と、４ｎｍより大きい厚さとを有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む、ＩｎＧａＮ活性層と、
該ＩｎＧａＮ活性層の上または上方のｐ型ＩｎＧａＮ導波管層と、
該ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方のｐ型ＧａＮ層であって、該ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ｐ型ＧａＮ層と
を含み、
該ＩＩＩ族窒化物層は、該半極性結晶面の半極性配向を有する、項目１に記載のデバイス。
（項目１０）
前記半極性結晶面が、原子的特定面を含むことにより、前記ＩＩＩ族窒化物層の平坦なエピタキシー成長が達成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１１）
前記半極性結晶面上に成長された前記デバイスは、レーザーダイオード、レーザー放射ダイオード、超放射ダイオード、半導体増幅器、フォトニック結晶レーザー、ＶＣＳＥＬレーザー、太陽電池、または光検出器を含む、項目１に記載のデバイス。
（項目１２）
前記デバイスは、前記半極性結晶面上に成長されたレーザーダイオードであり、該レーザーダイオードは、より高いゲインのために、該レーザーダイオードのｃ投影方向に配向された導波管を含む、項目１に記載のデバイス。
（項目１３）
前記ＩＩＩ族窒化物層のうちの１つ以上は、０．７５ｎｍ以下の表面ラフネスを有する、項目１に記載のデバイス。
（項目１４）
光電子デバイスを製造する方法であって、該方法は、
半極性結晶面上にＩＩＩ族窒化物層をエピタキシー蒸着することを含み、
該半極性結晶面は、ＧａＮのｍ面から、該ＧａＮのｃ方向に、ｘ度で配向されており、ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５である、方法。
（項目１５）
前記半極性結晶面は、｛３０−３１｝面、｛３０−３−１｝面、｛４０−４１｝面、または｛４０−４−１｝面である、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記半極性結晶面は、微斜面、ミスカット、または軸外フリースタンディングＧａＮ基板の上表面である、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記ＩＩＩ族窒化物層を蒸着することは、Ｍａｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚さ以上の厚さを有する１つ以上のＩｎＧａＮ層を蒸着することを含み、該臨界厚さは、ＧａＮのｍ面から、該ＧａＮのｃ方向に、１５度以上で配向された該ＧａＮの半極性結晶面上に蒸着されたＩｎＧａＮ層に対するものである、項目１４に記載の方法。
（項目１８）
前記光電子デバイスは、レーザーダイオードであり、前記１つ以上のＩｎＧａＮ層は、モーダル閉じ込めを該レーザーダイオードに提供するＩｎＧａＮ導波管を含み、該レーザーダイオードは、少なくとも４６０ｎｍの波長においてレージングピークを有している、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記ＩＩＩ族窒化物を蒸着することは、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を含む光を放射するＩｎＧａＮ活性層を蒸着することをさらに含み、該量子井戸のうちの１つ以上は、少なくとも１６％のインジウム組成と、４ｎｍより大きい厚さとを有する、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記ＩｎＧａＮ層は、少なくとも７％のインジウム組成を有する、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記光電子デバイスは、ＧａＮ基板のミスカットまたは微斜面の表面上に蒸着され、該ミスカットまたは微斜面の表面は、前記半極性ＧａＮ結晶面を含み、前記ＩＩＩ族窒化物層を蒸着することは、
該半極性結晶面上に１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層を蒸着することと、
該１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層の上または上方に、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含むＩｎＧａＮ活性層を蒸着することと、
該ＩｎＧａＮ量子井戸層上に１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層を蒸着することと
をさらに含み、
該ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、該ｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、および該ＩｎＧａＮ量子井戸層は、該半極性結晶面の半極性配向を有し、該ＩｎＧａＮ量子井戸層は、少なくとも４７７ｎｍの波長においてピーク光放射またはピーク光吸収を有している、項目１４に記載の方法。
（項目２２）
前記光電子デバイスは、レーザーダイオードであり、前記ＩＩＩ族窒化物層を蒸着することは、
前記半極性結晶面の上または上方にｎ型ＧａＮ層を蒸着することと、
該ｎ型ＧａＮ層の上または上方にｎ型ＩｎＧａＮ導波管層を蒸着することであって、該ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ことと、
該ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方にＩｎＧａＮ活性層を蒸着することであって、該ＩｎＧａＮ活性層は、少なくとも７％のインジウム組成と、４ｎｍより大きい厚さとを有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含む、ことと、
該ＩｎＧａＮ活性層の上または上方にｐ型ＩｎＧａＮ導波管層を蒸着することと、
該ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方にｐ型ＧａＮ層を蒸着することであって、該ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、ことと
を含み、
該ＩＩＩ族窒化物層は、該半極性結晶面の半極性配向を有する、項目１４に記載の方法。
（項目２３）
前記半極性結晶面が、原子的特定面を含むことにより、前記ＩＩＩ族窒化物層の平坦なエピタキシー成長が達成される、項目１４に記載の方法。
（項目２４）
前記半極性ＧａＮ結晶面上に蒸着された前記光電子デバイスは、レーザーダイオード、レーザー放射ダイオード、超放射ダイオード、半導体増幅器、フォトニック結晶レーザー、ＶＣＳＥＬレーザー、太陽電池、または光検出器を含む、項目１４に記載の方法。
（項目２５）
前記光電子デバイスは、前記半極性結晶面上に成長されたレーザーダイオードであり、該レーザーダイオードは、より高いゲインのために、該レーザーダイオードのｃ投影方向に配向された導波管を含む、項目１４に記載の方法。
（項目２６）
前記半極性結晶面上に成長された前記ＩＩＩ族窒化物層の臨界厚さを増大させるために、該半極性結晶面を選択することをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目２７）
前記半極性結晶面および前記蒸着する状態は、前記ＩＩＩ族窒化物層のうちの１つ以上が０．７５ｎｍ以下の表面ラフネスを有するようなものである、項目１４に記載の方法。
次に、図面を参照する（同一参照番号は、全体を通して、対応する部分を表す）。
図１（ａ）は、｛１０−１０｝面、｛３０−３１｝面、｛２０−２１｝面および｛０００１｝面を示すウルツ鉱ＧａＮ結晶構造の概略図である。 図１（ｂ）は、Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ方程式を用いて計算されたフリースタンディング半極性ＧａＮ基板上の半極性ＩｎＧａＮのＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚さをプロットしたグラフである。 図２は、本発明の方法を例示するフローチャートである。 図３（ａ）は、プロトタイプレーザーデバイス構造の断面を例示する。 図３（ｂ）は、デバイス構造の別の実施形態の断面を例示する。 図３（ｃ）は、エッチングされたファセットを有する完成されたレーザーデバイス構造の断面図である。 図４（ａ）は、（３０−３１）半極性結晶面上に成長された図３（ａ）の構造の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。 図４（ｂ）および図４（ｃ）は、（３０−３１）成長表面の形態を示す５倍（図４（ｂ））および１０倍（図４（ｃ））で撮られたノマルスキー画像を示す。 図４（ｄ）および図４（ｅ）は、Ｎ２雰囲気（図４（ｄ））およびＨ２雰囲気（図４（ｅ））を用いて、（３０−３１）半極性結晶面上に、ＭＯＣＶＤよって成長された図３（ａ）の構造における層の上表面のノマルスキー画像である。図４（ｆ）および図４（ｇ）は、Ｎ２雰囲気（図４（ｆ））およびＨ２雰囲気（図４（ｇ））を用いて、（３０−３−１）半極性結晶面上に、ＭＯＣＶＤよって成長された図３（ａ）の構造における層の上表面のノマルスキー画像である。 図５は、（３０−３１）ＬＤ構造の非対称（２０−２５）回折の周りの逆格子空間マップ（ＲＳＭ）である。 図６（ａ）は、｛３０−３−１｝ＧａＮ基板上に成長された、エッチングされたファセットレーザーダイオードのライト電流電圧（Ｌｉｇｈｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｖｏｌｔａｇｅ）（Ｌ−Ｉ−Ｖ）特性を示す。 図６（ｂ）は、｛３０−３−１｝ＧａＮ基板上に成長された、エッチングされたファセットレーザーダイオードのレージングスペクトルを示す。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、｛３０−３１｝ＧａＮ基板上に成長された、エッチングされたファセット１０μｍ×１８００μｍ ＬＤのＬ−Ｉ−Ｖ特性およびレージングスペクトルを示し、測定は、最小のデバイス自己加熱効果を確保するために、１μｓパルスおよび０．１％デューティサイクルを用いて２０℃で行われ、図７（ｂ）は、４４４．７ｎｍにおいて明確なレージングピークを示す。図７（ｃ）は、図７（ａ）のデバイスの場合、最大閾値までの低い電流注入に対する電界発光（ＥＬ）を示し、ＥＬ強度（任意単位ａ．ｕ．）は、電流注入（ミリアンペア、ｍＡ）の増加につれて増大する。 図７（（ｄ））は、図７（ａ）のデバイスの場合、電流密度依存のピーク波長および半値全幅を示し、ｃ面ＬＤの５０ｎｍに対するピーク波長データが、比較［２２］のために含まれている。図７（ｅ）は、図７（ａ）のデバイスの場合、閾値電流密度およびレージング波長のステージ温度の依存性を示す。
好ましい実施形態についての以下の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明が実践され得る特定の実施形態の一例として示される添付図面が参照される。他の実施形態が利用されてもよく、構造的変更は、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解されたい。
（概要）
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光電子デバイスは、極性｛０００１｝、非極性｛１１−２０｝および｛１０−１０｝、並びに半極性｛１０−１−１｝、｛１１−２２｝および｛２０−２１｝のＧａＮ結晶面上に成長される。
極性面および半極性面上に成長されたレ−ザーは、デバイス性能を劣化させる量子井戸内の分極関連の電場という欠点を有する。
非極性の｛１０−１０｝および｛１１−２０｝のデバイスは、分極関連の効果に捉われていないが、｛１０−１０｝に高インジウム濃度の取り込みおよび｛１１−２０｝の高品質結晶成長は、達成することが難しいと見られている。
例えば、ｍ面上に十分な長波長を放射する光電子デバイスは、高いインジウム組成で欠陥の生成のために達成することが難しい。半極性面がより容易にインジウムを取り込むことと確信されるので、半極性面（例えば、｛２０−２１｝）は、長波長においてより良い性能を示す。しかしながら、＋／−１５度以上のミスカットを有する半極性面は、低い臨界厚さを有し、従ってレーザーのための十分な導波管構造を成長させるのは非常に難しい。｛２０−２１｝上のＳｕｍiｔｏｍｏの緑色レーザー［１４］は、成長することが非常
に難しい格子整合されたＡｌＩｎＧａＮクラッド層を使用する。
（命名法）
ＧａＮ、アルミニウムおよびインジウムを取り込むその３元および４元化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）が、本明細書に使用される場合、共通に用語（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ、ＩＩＩ族窒化物、ＩＩＩ族窒化物のグループ、窒化物、Ａｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、またはＡｌＩｎＧａＮを使用することを言う。これらの用語のすべては、単一種（Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ）のそれぞれの窒化物も、このＩＩＩ族の金属種の２元、３元および４元組成も含むように等価的かつ広く構成されることが意図されている。従って、これらの用語は、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮも、この命名法に含まれる種のように、３元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、並びに４元族化合物ＡｌＧａＩｎＮも含む。（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）構成種のうちの２つ以上が存在する場合に、（組成に存在する（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）構成種の各々の相対的モル比の表示に対して）化学量論比も「非化学量論」比も含む可能な組成のすべては、本発明の広い範囲内に使用されることが可能である。従って、ＧａＮ材料への主要な参照において、本明細書の後の本発明の議論は、さまざまな他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが認識される。さらに、本発明の範囲内の（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎ材料は、微粒のドーパントおよび／または他の不純物または包括的な材料をさらに含み得る。ホウ素（Ｂ）も含まれ得る。
用語「ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッドフリー」は、任意のＡｌモル比を含む導波管クラッド層（例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ超格子、バルクＡｌｘＧａ１−ｘＮ、またはＡｌＮ）がないことを指す。光導波管のために使用されない他の層は、ある量のＡｌ（例えば、１０％Ａｌ含有率より少ない）を含み得る。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子ブロッキング層が存在し得る。
ＧａＮまたはＩＩＩ族窒化物ベースの光電子デバイス内の自然および圧電の分極効果を消すための１つのアプローチは、結晶の非極性面上にＩＩＩ族窒化物デバイスを成長させることである。このような面は、同等の数のＧａ（またはＩＩＩ族の原子）とＮ原子とを含み、電荷中性である。さらに、その後の非極性層は、互いに対して等価であり、従ってバルク結晶は、成長方向に沿って分極化されない。ＧａＮの対称等価の非極性面の２つの族は、ａ面として集合的に知られる｛１１−２０｝族と、ｍ面として集合的に知られる｛１−１００｝族とである。従って、非極性ＩＩＩ族窒化物は、ＩＩＩ族結晶の（０００１）ｃ軸に垂直な方向に沿って成長させられる。
（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｂ）Ｎデバイスの分極効果を低減するための別のアプローチは、結晶の半極性面上にデバイスを成長させることである。用語「半極性面」（半極性の面とも呼ばれる）は、ｃ面、ａ面、またはｍ面に分類されることができない任意の面を指すように使用され得る。結晶学的用語において、半極性面は、少なくとも２つの非ゼロのｈ、ｉ、またはｋミラー指数と、１つの非ゼロのｌミラー指数とを有する任意の面を含み得る。
（技術的説明）
基底（０００１）面上の事前に存在するスレッディング転移（ＴＤ）のすべりによるヘテロ界面における応力解放のミスフィット転移（ＭＤ）の形成の可能性のために、半極性ＧａＮ結晶面上のＬＤ構造の設計は、特有である［１９］。このようなＴＤすべりのための駆動力は、基底面上の分解せん断応力に起因し、その大きさは、基底（０００１）面から離れる半極性面の傾斜角の増加につれて減少する［２０］。それ故、（ｃ面に対して）８０度と９０度との間の傾斜角を有する半極性面上の歪（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層のヘテロエピタキシー成長は、基底面上の分解せん断応力の急減な減少と、エピタキシー層の臨界厚さの同時の増加につながるはずである。
図１（ａ）に示されるように、｛３０−３１｝ＧａＮ半極性面は、半極性ＧａＮ｛２０−２１｝面および非極性ＧａＮ｛１０−１０｝ｍ面から、それぞれ、ｃ方向に離れて５度および１０度で傾斜されている。｛０００１｝面、ＧａＮ［１０−１０］方向、ＧａＮ［０００１］方向、ＧａＮ［１１−２０］方向、Ｇａ原子およびＮ原子も図１（ａ）に示されている。図１（ｂ）に示されるように、（１１−２２）、（２０−２１）、および（３０−３１）ＧａＮ半極性面上にエピタキシー成長されたＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎに対する（等方弾性の仮定の下で計算された）Ｍａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ平衡臨界厚さｈｃ値は、それぞれ、１７ｎｍ、４６ｎｍおよび７４ｎｍである［２１］。（３０−３１）上のより大きな臨界厚さは、他のこれまでに調査された半極性面と比較して相当なエピタキシー層ＬＤ導波管の設計空間まで自由にする。半極性（ＳＰ）フリースタンディングＧａＮ基板上の半極性（ＳＰ）ＩｎＧａＮ層に対する、図１（ｂ）の臨界厚さｈｃは、ｈｃに対するＭａｔｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ方程式［２１］

を用いて計算される。
ここで、ｂは、バーガースベクトルであり、υは、ポアッソン比であり、λは、バーガースベクトルと、転移線に垂直であり、かつ界面の面内にある方向との間の角度であり、βは、バーガースベクトルと転移線との間の角度であり、ｒ０およびＲは、それぞれ、まっすぐな転移コアを囲む円筒形リングの内径および外径である。
本発明は、ｃ方向において＋／−１５度より少ないミスカットを有するｍ面基板上の半極性ＩＩＩ族窒化物光電子デバイスを開示している。例えば、本発明は、ｃ方向においてｘ度（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）でミスカットされるｍ面基板上にレーザー構造を成長することによる優れたレーザー性能の可能性を実証する。
（プロセスステップ）
図２は、デバイスを製造する方法を例示する。方法は、以下のステップを含み得る。
ブロック２００は、ＧａＮのｍ面からＧａＮのｃ方向にｘ度で配向され、またはミスカットされた半極性ＧａＮ結晶面を提供することを示す（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。ＧａＮ結晶面は、ＧａＮ基板（例えば、フリースタンディング基板）上にあり得る。半極性ＧａＮ結晶面は、ＧａＮ基板をミスカットし、カットし、またはソーすること、または他にミスカットされた表面または近接表面は、半極性ＧａＮ結晶面を含み得るように、ミスカットされたＧａＮ基板または微斜面の基板を得ることによって提供され得る。例えば、三菱化学コーポレーションによって提供された低欠陥密度のフリースタンディングＧａＮ基板が使用され得る。ステップは、半極性結晶面上に成長されたＩＩＩ族窒化物の臨界厚さを増大するために、半極性結晶面を選択することをさらに含み得る。
ブロック２０２は、半極性ＧａＮ結晶面上、ＧａＮまたはＧａＮ基板のミスカット上、またはＧａＮまたはＧａＮ基板の微斜面の表面（ミスカットされた表面または微斜面の表面は、半極性ＧａＮ結晶面を含む）上にデバイス（例えば、１つ以上のＩＩＩ族窒化物層を含む光電子デバイス）を蒸着し、または例えば、エピタキシー成長させることを示す。半極性ＧａＮ結晶面は、ＧａＮのｍ面からｃ方向にｘ度でミスカットされ、または配向され得る（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。
光電子デバイスは、Ｍａｔｈｅｗｓ−Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ臨界厚さ以上の厚さを有する１つ以上のＩＩＩ族窒化物層または（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ（例えば、ＩｎＧａＮ）層を含み得る。臨界厚さは、ＧａＮのｍ面からＧａＮのｃ方向に１５度で配向されたＧａＮの半極性結晶面上に蒸着された（同じインジウム組成を有する）ＩｎＧａＮ層に対するものである。（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層またはＩｎＧａＮ層は、少なくとも７％のインジウム組成を有し得る。（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層は、光電子デバイスの全エピタキシー層の厚さを含み得る。ＩｎＧａＮ層は、導波管層、活性層、またはその両方を含み得る。ＩｎＧａＮ活性層は、１つ以上の光放射量子井戸層または光吸収量子井戸層（例えば、多重量子井戸層）を含み得る。活性層の全厚さ（例えば、多重量子井戸の全厚さ）は、ＧａＮのｍ面からｃ方向に１５度以上で配向された半極性面に対する臨界厚さより厚い厚さを有する。
光電子デバイスは、ＬＤを含み得、１つ以上のＩｎＧａＮ層は、ＩｎＧａＮ導波管を含み得、ＩｎＧａＮ導波管は、ＬＤにモーダル閉じ込めを提供し、ＬＤは、例えば、少なくとも４４５ｎｍ、少なくとも４６０ｎｍ、または少なくとも４７８ｎｍの波長においてレージングピークを有する。
ＩＩＩ族窒化物は、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸を含む光放射ＩｎＧａＮ活性層をさらに含み得、量子井戸のうちの１つ以上は、例えば、少なくとも７％、少なくとも１０％、または少なくとも１６％のインジウム組成と、４ナノメートルより厚い厚さ（例えば、５ｎｍ）、少なくとも５ｎｍ、または少なくとも８ｎｍの厚さを有する。しかしながら、量子井戸の厚さは、４ｎｍより薄い場合もあり得るが、それは一般的に２ｎｍより厚い厚さである。
ＩＩＩ族窒化物の蒸着は、半極性ＧａＮ結晶面上に１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層を蒸着すること、１つ以上のｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層の上または上方に、（障壁層の間に）１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層を含むＩｎＧａＮ活性層を蒸着すること、およびＩｎＧａＮ量子井戸層の上に１つ以上のｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層を蒸着することをさらに含み得る。ＩＩＩ族窒化物層（例えば、ｎ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、ｐ型（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層、およびＩｎＧａＮ量子井戸層）は、半極性ＧａＮ結晶面の半極性配向を有し、ＩｎＧａＮ量子井戸層は、少なくとも４７７ｎｍの波長においてピーク光放射またはピーク光吸収を有する。しかしながら、層が反対の順序で蒸着され得、その結果、ｐ型層は、半極性結晶面の上、かつ活性層の下にあり、ｎ型層は、活性層の上にある。
光電子デバイスは、半極性結晶面の上または上方にｎ型ＧａＮ層を蒸着することと、ｎ型ＧａＮ層の上または上方にｎ型ＩｎＧａＮ導波管層を蒸着することであって、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと７％以上のインジウム組成とを有する、ことと、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方にＩｎＧａＮ活性層を蒸着することであって、活性層は、障壁層と、少なくとも７％のインジウム組成および４ｎｍ以上の厚さを有する１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸層とを含む（ＩｎＧａＮ量子井戸層が障壁層の間にある）、ことと、ＩｎＧａＮ量子井戸層の上または上方にｐ型ＩｎＧａＮ導波管層を蒸着することと、ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層の上または上方にｐ型ＧａＮ層を蒸着することであって、ｐ型ＩｎＧａＮ導波管層は、少なくとも５０ｎｍの厚さと、７％以上のインジウム組成とを有する、こととによって製造されたＬＤであり得る。ＩＩＩ族窒化物層（例えば、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＧａＮ層、およびｐ型ＩｎＧａＮ導波管層）は、半極性結晶面の半極性配向を有する。
１つの実施形態において、ＬＤは、ＡｌＧａＮクラッド層フリーであり得、言い換えると、レーザーダイオードは、任意のＡｌＧａＮクラッド層を含まない場合もあり、またはデバイス内の任意のＡｌＧａＮ層は、デバイスの光学モードを制限しない（例えば、デバイス内のＡｌＧａＮ層は、１０％以下のＡｌ含有率を有し得る）。
図３（ａ）は、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）（例えば、大気圧ＭＯＣＶＤ（ＡＰ−ＭＯＣＶＤ））を用いて、｛３０−３１｝ＧａＮ基板３０２（ここで、ｘ＝−１０度）または｛３０−３−１｝ＧａＮ基板３０２（ここで、ｘ＝−１０度）上にエピタキシー成長されたプロトタイプレーザー構造３００を例示する。デバイス構造３００は、ＧａＮ基板３０２の上表面３０４上に成長される。上表面３０４は、ＧａＮ基板３００のｍ面３０６に対してｘ度で配向される。例えば、表面３０４は、｛３０−３１｝面または｛３０−３−１｝面であり得る。デバイス３００は、ＡｌＧａＮクラッドフリーであり、｛３０−３１｝ＬＤを成長させるために利用されたＭＯＶＣＤ成長状態は、ｃ面、ｍ面および（２０−２１）の成長のために一般的に使用される状態に類似している。
構造３００は、厚い下部ＧａＮクラッド層３０８（例えば、半極性ＧａＮ結晶面３０４の上または上方のｎ型ＧａＮ層）、ＳｉドープのＩｎＧａＮ導波管層３１０（ｎ型ＧａＮ層３０８上または上方の５０ｎｍ厚ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層３１０）、ｎ型ＩｎＧａＮ導波管層３１０上または上方の活性層であって、ＧａＮ障壁層３１４ａ、３１４ｂ（例えば、１０ｎｍ厚）の間に挟まれた３周期のノンドープのＩｎＧａＮ量子井戸３１２（例えば、５ｎｍ厚）を含む活性層、ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）３１６、ＭｇドープのＩｎＧａＮ上部導波管層３１８（例えば、量子井戸３１２の上または上方の５０ｎｍ厚ｐ型ＩｎＧａＮ上部導波管層）、Ｍｇドープの上部ＧａＮクラッド層３２０（例えば、ｐ型ＧａＮ層）、およびＭｇドープのＧａＮｐ＋＋接触層３２２を含む［７］。ｎ型ＧａＮ３０８、ｎ型ＩｎＧａＮ３１０、活性領域３１２、３１４ａ、３１４ｂ、およびｐ型ＩｎＧａＮ３１８が、Ｎ２雰囲気の下で成長された。ｐ型ＧａＮ３２０が、Ｈ２雰囲気の下で成長された。全デバイスは、高Ｖ／ＩＩＩ（＞１５０）比率の下で成長された。構造および成長状態は、［７］に記載されたそれらに類似している。
１つ以上の例において、半極性結晶面３０４および蒸着状態は、ＩＩＩ族窒化物層３０８〜３２２のうちの１つ以上が０．７５ｎｍ以下の表面ラフネスを有するようなものであり得る。
図３（ｂ）は、ブロック２００中に、ブロック２００の半極性平面３０４上に成長されたデバイス構造３２４の別の実施形態を例示する。デバイス構造は、１つ以上のｎ型ＩＩＩ族窒化物または（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層３２８と１つ以上のｐ型ＩＩＩ族窒化物または（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層３３０との間の１つ以上のＩＩＩ族窒化物または（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ活性層３２６（例えば、１つ以上のＩｎＧａＮ量子井戸）を含む。例えば、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層３２８は、半極性ＧａＮ結晶面３０４の上または上方にあり得る。ＩＩＩ族窒化物活性３２６は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物層３２８の上または上方にあり得る。ｐ型ＩＩＩ族窒化物層３３０は、ＩＩＩ族窒化物活性層３２６の上または上方にあり得る。１つの実施形態において、ｎ型層３２８およびｐ型層３３０が逆にされ得る。また、ＧａＮ基板３０２のｃ方向も図３（ａ）および図３（ｂ）に示されている。
半極性結晶面３０４は、例えば、｛３０−３１｝、｛３０−３−１｝、｛４０−４１｝、または｛４０−４−１｝面であり得る。ブロック２００において提供される半極性ＧａＮ結晶面３０４は、例えば、微斜面、ミスカット、または軸外フリースタンディング半極性ＧａＮ基板３０２の上表面であり得る。半極性ＧａＮ面３０４が原子的特定面であることにより、ＩＩＩ族窒化物層（例えば、３０８〜３２２、３２６、３２８、３３０）の平坦なエピタキシー成長が達成される。例えば、１つ以上のＩＩＩ族窒化物層３０８〜３２２、３２６、３２８、３３０は、０．７５ｎｍ以下の表面ラフネスを有する。本発明は、ＩＩＩ族窒化物層の特定の厚さに限定されず、ＩＩＩ族窒化物活性層３２６は、量子井戸または特定種類の活性層に限定されない。例えば、光電子デバイスのＩＩＩ族窒化物層は、太陽電池、光検出器等のためのデバイス層であり得る。活性層３２６は、太陽電池、光検出器等のための活性層であり得る。
ブロック２０４は、デバイスを処理する（例えば、ミラーファセットを形成することを含む）ことを表す。リッジ導波管レーザー構造は、従来のフォトリソグラフィ、ドライエッチング、およびリフトオフの技術を用いて製造される。例えば、一実施形態において、ブロック２０２のレーザーデバイス構造は、フォトリソグラフィおよびドライエッチングの技術を用いて１０μｍ×１８００μｍのリッジ導波管ＬＤに処理された。自己整列されたドライエッチおよびレフトオフの処理が、リッジ導波管および酸化物絶縁体を規定するために使用され、その後、ｐ接触のための５０／１０００ｎｍＰｄ／Ａｕ金属化がなされた。ミラーファセットは、標準Ｃｌ２ベースの反応イオンエッチングによって、ｃ軸の面内投影に垂直に形成された。後側面Ａｌ／Ａｕ ｎ接触が、バルク基板上に直接に蒸着された。
ブロック２０６は、方法の最終結果、（例えば、ミスカットされたＧａＮ基板３０２上の）半極性面３０４または半極性ＧａＮ結晶面３０４上に成長されたデバイスまたは光電子デバイス（例えば、レーザーダイオードまたはＬＥＤ）を表す。半極性面３０４または半極性ＧａＮ結晶面３０４は、ＧａＮのｍ面３０６からＧａＮのｃ方向にｘ度でミスカットされ、または配向される（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。例えば、光電子デバイスがＧａＮのミスカットの上に成長され得る。ミスカットは、ＧａＮのｍ面３０６からＧａＮのｃ方向にｘ度でミスカットされた半極性ＧａＮ結晶面３０４を含む（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。
図３（ｃ）は、エッチングされたファセット３３４（エッチングされたファセットミラー）、リッジ絶縁体３３６、およびｐ接触パッド３３８を有する、ブロック２０６の完成されたレーザーデバイス構造３３２の断面概略図である。ＬＤは、例えば、｛３０−３１｝上にあり得る。光電子デバイスは、モーダル閉じ込めを提供するのに十分に厚いＩｎＧａＮ導波管を含むＡｌＧａＮクラッド層フリーＬＤであり得る。
（実験結果）
（形態品質および構造品質）
ＬＤ構造の形態的品質および構造的品質は、別個の（３０−３１）ＧａＮ基板上で同じ成長状態を反復することによって特徴付けられた。別個のＭＯＣＶＤ成長の間の不一致は、光ルミネセンス測定を介して最小限度まで示された。
図４（ａ）は、（３０−３１）半極性結晶面３０４上に成長された図３（ａ）の構造のＴＥＭ画像を示し、明確な欠陥を有しない高品質な界面を示す。図４（ａ）は、ｎ型ＧａＮ層３０８（ｎ−ＧａＮ）、ｎ型ＩｎＧａＮ層３１０（ｎ−ＩｎＧａＮ）、ＧａＮ障壁層３１４ａ、３１４ｂを有するＩｎＧａＮ量子井戸３１２（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）、ｐ型ＡｌＧａＮ ＥＢＬ（ｐ−ＡｌＧａＮ）、ｐ型ＩｎＧａＮ層３１８（ｐ−ＩｎＧａＮ）、およびｐ型層３２０（ｐ−ＧａＮ）を示す。
図４（ｂ）および図４（ｃ）は、本発明が、最適化ではない成長状態と見なす「１１−２２」方向に沿って延在する明確な条線を有する図３（ａ）のデバイス構造のｎ型ＧａＮ層３０８の（３０−３１）上表面３４０（表面３０４の反対側または表面３０４に平行）のノマルスキー画像を示す。
図４（ｄ）〜図４（ｇ）は、表面形態が成長状態によってどのように最適化され得るかを示す。図４（ｄ）および図４（ｅ）は、Ｎ２雰囲気（図４（ｄ））およびＨ２雰囲気（図４（ｅ））を用いて（３０−３１）半極性結晶面３０４上にＭＯＶＣＤによって成長された、図３（ａ）のデバイス構造のｎ型ＧａＮ層３０８の上表面３４０のノマルスキー画像である。
図４（ｆ）および図４（ｇ）は、Ｎ２雰囲気（図４（ｆ））およびＨ２雰囲気（図４（ｇ））を用いて（３０−３−１）半極性結晶面３０４上にＭＯＶＣＤによって成長された、図３（ａ）のデバイス構造のｎ型ＧａＮ層３０８の上表面３４０のノマルスキー画像である。
（３０−３１）面３０４上の５０ｎｍ厚ＩｎＧａＮ層（例えば、層３１０）は、上部（３０−３−１）面の表面３４２を有し、上表面３４２は、０．７５ｎｍの平方自乗平均（ＲＭＳ）ラフネスを有する。しかしながら、ＲＭＳラフネスは、より高くもより低くもあり得る。５０ｎｍ厚ＩｎＧａＮ層３１０は、Ｎ２雰囲気の下に、ＧａＮ３０８上に成長された。ＧａＮ３０８は、高温（例えば、約９００℃）でＮ２雰囲気の下に成長された。
図５は、（３０−３１）面の非対称（２０−２５）回折の周りの、図３（ａ）のＬＤ構造３００のｘ線逆格子空間マッピング（ＲＳＭ）を示す。ＲＳＭにおいて理解されるように、ＬＤ構造の層のすべてに対するＢｒａｇｇピークは、Ｑｘ軸上に垂直に並んでおり、ＬＤがコヒーレントに的歪んでいることを示す。
（出力特性）
電気測定およびルミネセンス測定のすべては、コーティングされていないミラーファセットを有するデバイスについてなされた。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、｛３０−３−１｝ＧａＮ基板上に成長された（そして図２に従って処理された）図３（ａ）の構造を有するエッチングされたファセットＬＤのＬ−Ｉ−Ｖ特性およびレージングスペクトルを示す。図６（ｂ）は、０．４ｎｍのＦＷＨＭと４７７．５ｎｍでのレージングピークを示す。
図７（ａ）〜７（ｅ）は、（３０−３１）ＧａＮ基板上に成長され、そして図２のステップに従って処理された図３（ａ）のエッチングされたファセットＡｌＧａＮクラッドフリーＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＬＤの測定である。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、エッチングされたファセットＡｌＧａＮクラッドフリーＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＬＤのＬ−Ｉ−Ｖ特性およびレージングスペクトルを示す。すべての測定は、最小のデバイス自己加熱効果を確保するために、１μｓパルスおよび０．１％デューティサイクルを用いて２０℃で行われた。図７（ｂ）のレージングスペクトルは、４４４．７ｎｍにおいて明確なレージングピークを示す。推定された閾値電流（Ｉｔｈ）は、５．６ｋＡ／ｃｍ２のＪｔｈに対応する１０２２ｍＡである。本発明において、９．９Ｖの比較的高い閾値電圧は、最適化されていないｐ接触およびドーピングプロフィールに起因する。
図７（ｃ）は、電流の関数として測定された一連のＥＬスペクトルを示す。
図７（ｄ）は、ピークＥＬ波長が、０．０３ｋＡ／ｃｍ２での約４４８ｎｍから６．０ｋＡ／ｃｍ２で閾値のちょうど上の４４０ｎｍにシフトすることを示す。ＥＬブルーシフトのこの値は、ｍ面ＬＤに匹敵し、同様な波長で放射するｃ面ＬＤよりかなり低い（ｃ面データが、比較のために示されている）［２２，８］。図７ｄはまた、スペクトルの幅またはレーザーピークのＦＷＨＭの電流密度の依存性を示し、スペクトル幅が、０．０３ｋＡ／ｃｍ２での１６ｎｍから閾値のちょうど上の２．５ｎｍまで狭められた。
図７（ｅ）は、ステージ温度の関数として（約３５ｍＷの出力電力での）Ｊｔｈおよびピーク波長を示す。約１３５Ｋの特性温度（Ｔ０）値は、温度に対し閾値電流の自然対数をプロットし、そして勾配の逆数を計算することによって推定された。この値は、同じ波長領域で放射するｃ面でビアスに対して報告された値［２３〜２４］に充分に匹敵する。ピーク波長の温度依存性は、約０．０６ｎｍ／Ｋであると計算された。これもｍ面、ｃ面、および（２０−２１）面上に成長されたＬＤに対して報告された値［９，２，２５，１５］によく対応する。
本発明は、図３（ａ）のＬＤ構造に対して約４．９％の閉じ込め因子を推定する。しかしながら、より低い閉じ込め因子を有するレージングが可能であり、図３（ａ）のＬＤ構造もより高い閉じ込め因子を有し得る。
本発明は、向上されたレーザーの性能を可能にする。高い理論臨界厚さと、低い量子閉じ込みシュタルク効果（ＱＣＳＥ）とに連結されたこの初めてのＬＤ性能は、半極性（３０−３１）面が長波ＬＤ応用に対して優れたポテンシャルを有することを示す。半極性ＧａＮ基板上にエピタキシー成長された歪（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ合金層は、本発明がコヒーレントレーザーダイオード導波管層に対してモーダル閉じ込めを向上させることを可能にする。より厚い量子井戸は、量子井戸内の有効キャリア密度を減少することを助け（オージェ型損失を減少させ）、低透過キャリア密度を容易にし得る。
（可能な改変）
バリエーションは、さまざまな可能なエピタキシー成長技術、レーザーデバイス構造、異なるドライエッチング技術を含み、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）、集光イオンビーム（ＦＩＢ）、ＣＭＰ、化学的補助イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）、劈開によるファセットミラーの形成、レーザー切断によるファセットミラーの形成、導波管構造のバリエーション、２種類のエッチング技術または異なる角度によって作られたファセット（超放射ダイオード（ＳＬＤ））、および同じ／２種類の誘電体を用いてコーディングされたファセットミラー等を含む。
例えば：
・ミスカットは、｛３０−３１｝、｛３０−３−１｝、｛４０−４１｝および｛４０−４−１｝面等を含むが、それらに限定しない。他のミラー指数を有する数多くの半極性面が可能である。（３０−３１）、（３０−３−１）、（４０−４１）、および（４０−４−１）は、例として列挙されることに過ぎない。原子的特定面を用いて、平坦なエピタキシー成長が可能である。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、劈開されたファセットミラーが可能でない場合に、エッチングされたファセットミラー、またはレーザー切断されたファセットミラーを有し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、傾斜されたファセット（例えば、ＬＤの成長面３０４に対して傾斜されたファセット）、または成長面３０４に垂直なファセットを有する劈開されたファセットミラーを有し得る。例えば、前述の｛３０−３１｝レーザーは、劈開されたファセットを有し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、より高いゲインのために、ｃ投影方向で配向された導波管を有し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、キャビティミラーおよび／またはファセットおよび／または分散型Ｂｒａｇｇ反射器（ＤＢＲ）および／または回折格子等からの光学フィードバックを使用し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、光学ゲイン（例えば、ＳＬＤまたは半導体光学増幅器）を使用し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、異なる導波管構造を使用し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、フィードバックを抑制するために、１つまたは２つの角度のあるファセットまたは（ウェット化学エッチングによって形成された）粗いファセットを有し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、受動キャビティまたは可飽和吸収体を有し得る。
・このようなミスカット上のＬＤデバイスは、連続波動作のレーザー、増大されたレージングおよび自発波長を有するデバイスを含み得る。
デバイスが、ＧａＮ以外の他のＩＩＩ族窒化物基板上に成長され得る。半極性結晶面３０４は、半極性ＧａＮ結晶面または半極性ＩＩＩ族窒化物結晶面であり得る。代替的には、半極性結晶面は、ＧａＮ（例えば、ＧａＮ基板）またはＩＩＩ族窒化物（例えば、ＩＩＩ族窒化物基板）の半極性結晶面３０４であり得る。半極性結晶面３０４は、ＩＩＩ族窒化物のｍ面からＩＩＩ族窒化物のｃ方向にｘ度で配向され、またはミスカットされ得る（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）。半極性結晶面３０４は、平面であり得る。ＩＩＩ族窒化物層３０８〜３２２のうちの１つ以上は、平面層であり得る。例えば、ＩＩＩ族窒化物層３０８〜３２２、３２６、３２８、３３０のうちの１つ以上は、平面である上表面（例えば、３４０、３４２）を有し得る。ＩＩＩ族窒化物層３０８〜３２２、３２６、３２８、３３０のうちの１つ以上は、平面である（他のＩＩＩ族窒化物層との）界面を有し得る。
・デバイスは、ＭＯＣＶＤ以外の成長方法（例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハイブリッド蒸気層エピタキシー（ＨＶＰＥ）を含むが、それらに限定されない）を用いて成長され得る。
バリエーションは、ｃ方向にｘ度（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）でミスカットされたｍ面基板上に成長された他の光電子デバイス（ＬＥＤ、フォトニック結晶レーザー、太陽電池、光検出器等）も含む。例えば、このようなミスカット上のデバイスは、レーザーダイオード、ＳＬＤ、半導体増幅器、およびＶＣＳＥＬレーザーを含み得る。
（利点および改善点）
現存の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎレーザーは、一般的に極性｛０００１｝面、非極性｛１０−１０｝および｛１１−２０｝面、または半極性｛１１−２２｝および｛２０−２１｝面上に成長される。極性面および非極性面上に成長されたレーザーは、デバイス性能を劣化させる量子井戸内の分極関連電場という欠点を有する。非極性｛１０−１０｝デバイスおよび｛１１−２０｝デバイスには、分極関連効果がないが、｛１０−１０｝における高インジウム濃度の組込み、および｛１１−２０｝デバイスの高品質結晶成長が難しいことが知られている。
従来の半極性面（すなわち、｛１１−２２｝、｛２０−２１｝等）と比較されると、ｍ面からｃ方向にｘ度（ここで、−１５＜ｘ＜−１および１＜ｘ＜１５）でのミスカットを有する半極性面上に成長されたデバイスは、最小の量子井戸内の分極関連電場を有する。このようなＧａＮミスカットされたｍ面基板上の、歪エピタキシー（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ合金層の臨界厚さはまた、ｍ面からｃ方向に＋／−１５度より大きなミスカットを有する他の半極性（すなわち、｛１１−２２｝、｛１０−１−１｝、および｛２０−２１｝）結晶面より大きくあり得る。これは、導波管層のためにより大きい厚さおよび組成を可能にし、従ってモーダルゲインを向上させる。本発明の｛３０−３１｝および｛３０−３−１｝面上の動作するプロトタイプレーザーデバイスは、このｍ面ミスカット基板上のデバイスのポテンシャルを実証する。
本発明のデバイスの用途は、表示、照明、生体医用イメージング、照明用途等のための光電子デバイス（レーザー、ＬＥＤ等）を含むが、それらに限定されない。
（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。

（結論）
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を結論付ける。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されている。本発明を包括的または開示される正確な形態に制限することを意図するものではない。多くの修正例および変形例が、上述の教示に照らして可能である。本発明の範囲は、本発明を実施するための形態によってではなく、本明細書に添付の請求項によって制限されることが意図される。

Claims (1)

  1. 明細書に記載された発明。
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