TW201138149A - Anisotropic strain control in semipolar nitride quantum wells by partially or fully relaxed aluminum indium gallium nitride layers with misfit dislocations - Google Patents

Anisotropic strain control in semipolar nitride quantum wells by partially or fully relaxed aluminum indium gallium nitride layers with misfit dislocations Download PDF

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TW201138149A
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TW99128117A
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Hiroaki Ohta
Feng Wu
Anurag Tyagi
Arpan Chakraborty
James S Speck
Steven P Denbaars
Shuji Nakamura
Erin C Young
Original Assignee
Univ California
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Description

201138149 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於生長在樣板上之光學裝置，諸如發光二極 體（LED)及雷射二極體（LD)，該等樣板調變作用層中之應 變，由此調變作用層之頻帶結構及所發光之極化。 本申請案主張以下共同待審及共同讓渡之美國臨時專利 申請案之美國專利法第35篇第119章（e)項所賦予之權利：
Hiroaki Ohta、Feng Wu、Anurag Tyagi、Arpan Chakraborty、 James S. Speck、Steven P. DenBaars及 Shuji Nakamura 於 2009 年8月21日申請之美國臨時專利申請案第61/236,059號，題 為「藉由部分或完全鬆弛具有參差差排之氮化鋁銦鎵層之 半極性氮化物量子井中各向異性應變控制」，代理檔案號 30794.318-US-Pl(2009-743-l);及
Hiroaki Ohta、Feng Wu、Anurag Tyagi、Arpan Chakraborty、 James S. Speck、Steven P. DenBaars及 Shuji Nakamura 於 2009 年8月21曰申請之美國臨時申請案第6 1/236,058號，題為 「在異質界面處具有參差差排之部分或完全鬆弛合金上之 基於半極性氮化物之裝置」，代理檔案號30794.317-US-Pl(2009-742-l)； 該等申請案以引用方式併入本文中。 本申請案係關於以下共同待審及共同讓渡之美國專利申 請案：
Hiroaki Ohta ' Feng Wu ' Anurag Tyagi > Arpan Chakraborty ' James S. Speck、Steven P. DenBaars 及 Shuji Nakamura 於與本 15033I.doc 201138149 申請案同曰申請之美國實用申請案第χχ/χχχ，χχχ號，題為 「在異質界面處具有參差差排之部分或完全鬆弛合金上之 基於半極性氮化物之裝置」，代理檔案號30794.3 17-US-Ul(2009-742-2)，該申請案主張Hiroaki Ohta、Feng Wu、 Anurag Tyagi、Arpan Chakraborty、James S. Speck、 Steven P. DenBaars及 Shuji Nakamura 於 2009 年 8 月 21 曰申 請之美國臨時申請案第61/236,058號（題為「在異質界面處 具有參差差排之部分或完全鬆弛合金上之基於半極性氮化 物之裝置」，代理檔案號30794.317-US-Pl(2009-742-l))之 美國專利法第35篇第119章（e)項所賦予之權利； 該申請案以引用方式併入本文中。 【先前技術】 (注意：本申請案涉及大量不同公開案，如整個說明書 中括弧（例如[X])内之一或多個參考號所指示。可在以下題 為「參考」之部分中找到根據此等參考號所排序之此等不 同公開案清單。此等公開案之各者以引用方式併入本文 中。） 在參考[1至3]中顯示量子井（QW)中之應變存在可調變 QW之頻帶結構（自發發射及增益之極化）。此為一熟知現 象（參閱（例如）[4])。由於不同晶格參數&及c(晶格各向異 性）’具有六邊形纖辞礦晶體結構之半極性氮化物磊晶層 中之應變為各向異性。參考[5]記錄以下晶格常數值： a(AlN)-3.ii2 埃，a(GaN)=3.189 埃，a(inN) = 3.54 埃， c(A1N)=4.982埃，c(GaN)=5.185埃及 c(InN)=5.705 埃。 150331.doc 201138149 然而，此應變各向異性係自動取決於—相關磊晶層與基 板（該相關層係一致性生長在該基板上）之間之晶格常數之 差異。因此，在本發明之前，無法控制QW中之應變各向 異性。 圖1繪示用在Yamaguchi之研究[1]中之座標系統，其中 X2係c軸投影且0指示基板之定向（例如，θ=〇對應於—c面 基板）。圖2(a)至圖2(c)繪示對於具有各向異性平面内雙軸 應變之無應變QW、厚應變GaN薄膜及壓縮應變Qw的平面 内發光極化度之基板定向相依性。由薄QW引起之量子侷 限效應導致平行於X2之發光極化，如圖2(a)中所示。另一 方面，壓縮應變導致平行於乂丨之發光極化，如圖2(b)中所 示。圖3繪示對於一致性生長在GaN基板上之Ιη"^Ν qw 的平面内發光極化度之基板定向相依性。因此，圖2及圖3 繪示由不同應變（例如各向異性應變）情形引起之不同發光 極化或頻帶結構。在圖2及圖3所示之此等計算中，假定對 於晶格參數&及(：的晶格常數之差異分別為3 3%與3 〇%。 因此，若可調變應變各向異性，如本發明中所示，則可 利用一高自由度來改變LED/LD之光學性。 【發明内容】 本發明提供一種方法以控制光學/電子裝置之基於半極 性氮化物之作用層中應變之各向異性。迄今為止，所有基 於氮化物之裝置通常均係一致性生長’因為穿過裝置層之 差排導致較差的裝置效能。基於本發明之發現，參差差排 (MD)可受限於位於該等裝置層遠處之區域/界面。因此， 150331.doc 201138149 · 本發明實現裝置層中之應變控制，同時維持高裝置效能/ 效率。 為克服先前技術巾之限制，且為克絲Μ並理解本說 明書之後將明白之其他限制，用於一基於m族氮化物之光 學裝置的-遙晶結構包括形成於_m族氣化物下伏層（在 整個揭示内容中亦稱為底層）上之具有各向異性應變之一 職氮化物作用層，其中該下伏層中之―晶格常數及應變 由於該底層下之一異質界面處之參差差排之存在而抵靠一 基板沿至少-方向部分或完全鬆他，使得該作用層中之各 向異性應變係藉由該下伏層而調變。 底層通常係沿第-方向而鬆弛且底層通常係非沿垂直於 第一方向之第二方向而鬆弛。 在-實施例中’基板係半極性GaN基板，底層係沈積 或生長在該GaN基板之一頂面上，該頂面係一半極性平 面，底層係沿平行於底層之一平面内c投影之方向鬆弛， 底層係非沿底層之m軸方向鬆他，且作用層係沈積或生長 在底層之一頂面上，該頂面係一半極性平面。 基板可為非極性或半極性以生產（例如）非極性或半極性 裝置。 MD可經定位以調變各向異性應變，使得作用層中之應 變具有於作用層中沿-第一方向之一第一應變及於作用： 中沿一第二方向之一第二應變。 第一方向可平行於一平面内c投影（χ2)，第二方向（例如 沿m軸方向）可垂直於第一方向，且MD可沿第一方向。 150331.doc 201138149 底層可生長在基板上，且底層中之晶格常數及應變可抵 罪基板而部分或完全鬆弛，使得底層中之晶格常數變為其 自然值而非受限於與基板之一晶格常數相同之一值且底層 無應變。 作用層可為一 AlInGaN QW或多量子井（MQW)(例如非極 性或半極性QW)。例如，下伏層可為InA1GaN，其中化組 成>0’且作用層可包括InGaN，其中In組成>20%。該等 QW可具有一 In組成及厚度，使得該等Qw發出具有一綠光 譜區内之一峰值波長的光。 作用層可包括一或多個具有大於3奈米之一厚度的Qw, 且MD可經疋位以調變各向異性應變，使得由該等qw發出 之光具有一淨X2極化。 本發明進一步揭示一種製造用於一基於m族氮化物之光 學裝置的一磊晶結構之方法’其包括：在一基板上形成— III族氮化物底層’使得該下伏層中之一晶格常數及應變由 於該底層下之一異質界面處之MD之存在而抵靠該基板沿 至少一方向部分或完全鬆弛；及在該下伏層上形成一 ΠΙ族 氮化物作用層’使得該作用層中之各向異性應變係藉由該 下伏層而調變或控制。 該方法可進一步包括藉由於底層與基板或底層下方之層 之間形成異質界面而形成MD，其中底層與基板或底層與 該層各具有一不同HI族氮化物合金組份，且在異質界面周 圍使參差差排局域化，由此消除作用層周圍之層中的參差 差排。 150331.doc 201138149 該方法可進一步包括藉由使底層非一致性生長在基板上 而形成底層及藉由使作用層一致性生長在底層上而形成作 用層。底層下方之一額外層可為一致性生長在基板上之另 一底層。 各向異性應變可藉由根據底層之方向而變的底層中之一 變動鬆弛度而調變，使得（例如）底層之頻帶結構受控制且 作用層之頻帶結構受控制。 【實施方式】 現參考圖式，其中相同元件符號表示所有對應部件。 在較佳實施例之以下描述中，參考構成本發明之一部分 的附圖，且其中以說明方式顯示其中可實踐本發明之一特 定實施例。應瞭解在不背離本發明之範圍之情況下可利用 其他實施例且可作出結構改變。 概述 曰生長在另一層⑺上之-磊晶層(x)(其中層γ本身可為磊 晶的’否則為一基板）可相對於γ為一致性、或部分鬆他、 或完全鬆他。就-致性生長而言，^(若干）平面内晶格 :數受限於與下伏層γ相同。若χ係完全鬆弛，則X之晶格 节數表現為其等之自然（即，不存在任何應變）值。若X相 對於γ既非-致性亦非完全鬆弛，則應視為部分鬆弛。在 某些情況下，該基板可具有某些殘留應變。 因此’就部分鬆弛而言，底層中之晶格常數與自然值並 非完全相同。另外，基板有時亦具有小應變1而，此應 150331.doc 201138149 可使用具有不同合金組份之AlInGaN薄膜來製造由異質 界面處之晶格常數失配引起之MD。結果是MD可在空間上 受限於緊密接近之（若干）異質界面，由此消除QW周圍之裝 置層中的MD並維持高裝置效能。 技術描述 專門用語 如本文中所用，術語（Al，Ga,In)N、III族氮化物或 AlInGaN意欲被廣泛解释為包含單一物種Al、Ga及In之各 自氮化物以及此等ΙΠ族金屬物種之二元、三元及四元組合 物。因此，如此專門用語中所包含之物種，術語 (Al，Ga，In)N或AlInGaN或III族氮化物包括化合物A1N ' GaN及InN，以及三元化合物AlGaN、GalnN及AlInN與四 元化合物AlGalnN。當存在（Ga,Al,In)組份物種之兩者或兩 者以上時，可在本發明之廣範圍内採用所有可能組合，其 等包含化學計量比以及「非化學計量」比（相對於存在於 組合物中之（Ga,Al,In)組份物種之各者之存在相對莫耳分 率）。因此，應暸解下文中主要參考GaN材料之本發明之論 述可適用於各種其他（Al,Ga，In)N材料物種之構成。此外， 本發明之範圍内之（Al,Ga，In)N材料可進一步包含少量摻雜 物及/或其他雜質或夾雜材料。 以一類似方式，AlGalnBN亦可用在本發明中。 裝置結構 圖4、圖5(a)、圖6(a)至圖6(c)、圖7、圖8(a)及圖9(a)係 繪示發現存在於基於半極性（11-22)氮化物之磊晶層404、 150331.doc 201138149 406中（若干）異質界面402處之MD 400的TEM影像。在此新 發現中，MD 400之存在係受限於僅在具有晶格常數失配 之層404、406(具有不同合金及/或合金組份）之間之異質界 面周圍。換言之，具有受限於異質界面402之MD 400的磊 晶層沒有穿過層404並朝向生長方向（垂直於異質界面402) 之清楚差排。此指示本發明提供一種方法以在原基板406 上獲得具有鬆弛晶格常數之一無差排合金樣板。 由於MD，晶格常數係沿一平面内方向（垂直於差排線方 向）而鬆弛。沿垂直平面内方向未發生鬆弛（即，維持一致 性）。 圖4係當在生長在（U-22)GaN 406上之一 GaN/AlGaN SL 404之下部分之界面402周圍的繞射狀況g=〇l-1〇時所取得 的一TEM明視場影像’其顯示異質界面402處之MD 400。 圖5(a)係圍繞[1-100]晶帶軸之一TEM影像，其中可看見 整個半極性（11-22)LD裝置磊晶層（自上至下）（包含SL)，及 圖5(b)描繪對應電子束繞射圖案（DP)[6]。 圖6(a)至圖6(c)顯示前面提及裝置之不同磊晶層之TEM 影像，其等顯示：（a)100週期p型AlGaN/GaN超晶格600且 亦顯示100 nm厚p型GaN 602，其中超晶格600中之p型 AlGaN為3 nm厚，超晶格600中之GaN為2 nm厚；（b)具有 一 2週期InGaN QW之一作用區604 ; (c)QW 604下之一 η型 AlGaN/GaN SL 606。 圖7係繪示一磊晶結構之一 TEM影像，該磊晶結構包括 一 η 型 AlGaN/GaN SL 700、該 SL 700 上之一 η 型 GaN 層 150331.doc •10· 201138149 702、該n型GaN層 702上之一n型InGaN層 704、該n型InGaN 層704上之若干InGaN QW 706、該等QW 706上之一 p型 AlGaN電子阻擋層（EBL)708、該EBL 708上之一 p型InGaN 層71 〇、該p型InGaN層710上之一 p型GaN層712及該p型 GaN 層 712上之一 p型 AlGaN/GaN SL 714。該 TEM影像進一 步繪示主要產生於標記有實黑線箭頭718a至718d之異質界 面處及少量發現在標記有虛線箭頭720之層中的MD 7 1 6.。 圖8(a)係取自晶帶軸[2-1-1〇]之一TEM影像，及圖8(b)描 繪對應電子束DP。 圖9(a)係在g=〇l-i〇時取得的一 TEM明視場影像，其中 MD 900係由於自[Ι-loo]至[2-1-ίο]之樣品傾斜而被視為一 片段，及圖9(b)描繪對應電子束DP。 圖10繪示用於一基於III族氮化物之光學裝置的一磊晶結 構1000，其包括在一下伏層1〇06(亦稱為層„或層B，例如 含5%至10% In之一 lnGaN層）上具有各向異性應變之一或多 個作用層1002、1004(亦稱為層！或層A，例如含3〇%比之 - InGaN層），其中該下伏層1006中之晶格常數及應變係由 於MD画之存在而沿至少—方向部分或完全鬆他。在圖 10中，該底層1006係沿[U-23]方向而鬆弛但非沿爪方向 [10-10]而鬆弛。該底層1006可藉由該底層1〇〇6下之異質界 面1010處之MD 1008而鬆他。結果是該作用層1〇们、w⑽ 中之應變(尤其是應變各向異性)係藉由該下伏層屬而調 變。以此-方式，可調變頻帶結構、光學矩陣元件、自發 發射極化及增益…1〇〇2、1〇〇4中之應變可被部分釋放 150331.doc -11 · 201138149 且層I 1002、1004中之總應變可比不具有層II 1006之情況 時小。應變量可取決於所用實際組份及鬆弛度。在一實施 例中，應變之鬆弛可高達〜50%。在圖10之實例中，層 1006係生長在標準再生GaN層1012(或層III或層C)上。層 III係生長在一（ll-22)GaN基板1014上，且含5%至10% In之 InGaN層1016、1018係生長在層1002之任一側上。層1016 為介於QW之間之一阻障，層1〇 18係一 p型層，且層1006係 一 η型層。 更具體言之’ QW 1002、1004(例如層Α)中之應變各向 異性可藉由具有局域化MD 1008之部分或完全鬆弛下伏層 1006(層B)而控制（亦參閱圖4、圖5(a)至圖5(b)、圖6(a)至 圖6(c)、圖7、圖8(a)至圖8(b)及圖9(a)至圖9(b))，使得可 任意調變QW 1002、1004之頻帶結構。以丨.23(沿平面内c投 影之應變）係取決於層A與層B之間之晶格常數差異。ειο_10 (沿m軸之應變）係取決於層a與層C之間之晶格常數差異。 以圖10中之箭頭指示[11-22]方向及[11-23]方向（平行（|| )於 平面内c投影）’且圖1〇中亦顯示[1〇_1〇]方向（垂直於圖式 平面，以實心圈指示）。 作用層A可為（例如）_A1InGaN QW4MQW。結果為由 QW侷限效應[1 -3]引起之一高輻射複合率、更高增益及額 外頻帶結構調變。 在另一貫例中’層II係inAiGaN(In組成>〇),且層j係 InGaN(In組成>20%)。結果是可在藍、綠、琥珀lED/ld中 控制一發光極化比。本發明可修改光學矩陣元件及用於此 150331.doc -12· 201138149 光譜區之增益。 圖11繪示在一（1 1-22)定向In〇.丨GaN底層1104上之一光學 裝置11 〇〇(例如LED或LD)(其包括作為作用層之In〇 3GaN QW 1102)之一貫例。該inuGaN底層11 〇4係沿標示為「鬆 弛」之箭頭方向而鬆弛，但非沿m軸方向而鬆弛（因此，鬆 弛沿一個方向發生）。圖中亦顯示MD 11〇6、[11_22]方向 (以標示為[11 -22]之箭頭指示）及[11 _23]方向（其係平行（丨丨） 於平面内c投影方向並以標示為[U-23K ||平面内c投影}之 箭頭指示）。 圖12係圖11中之底層ιι〇4(例如含範圍在1〇%至3〇%内之 一In組成的In0.丨GaN或InGaN)之一俯視圖。以圖12中之箭 頭指示所有m軸方向、[11-23]方向、沿InGaN之m軸方向之 曰曰格失配（Διη)及沿InGaN之平面内c轴投影方向之失配 (△c)。沿m軸之應變“係大於沿平面内c軸投影之應變％， 此能夠控制InGaN底層之頻帶結構，該頻帶結構影響作用 層之頻帶結構（[1]、[2]及[4])。 圖13係一結構1300之一m平面（10_10)橫截面，該結構包 括在一 InuGaN層1304上之作為作用層之In〇 3GaN QW 1302。該Ino.1GaN層 1304係生長在磊晶生長在（l1_22)GaN 基板13 12之一頂面（其中該頂面係一（丨丨_22)半極性平面）上 的一 InwGaN底層1306上，由此於GaN基板1308與該 In〇.3GaN底層1306之間形成異質界面丨31〇具有MD 1312。該 InwGaN底層1306係沿平面内c投影[11-23](以標示為[11-23] { ||平面内c投影}之箭頭指示）而鬆弛（無應變）。 150331.doc •13- 201138149 111〇.丨0&1^/111〇.30&>^界面1314亦可具有]\40。亦以標示為[11-22]之一箭頭指示[ii_22]方向。 圖14係圖13中之結構（但沿（11 _23)平面）之一橫截面，其 顯示III族氮化物之m軸之方向（標示為[1〇_1〇]之箭頭）。 InGaN底層1306(包括In〇.3GaN)係非沿爪轴而鬆他，以不具 有MD證明。在此情況下，由in〇3GaN 13〇6與GaN 1308之 間之晶格常數差異導致應變επι ’從而導致εη 23(或％) = 〇及 em<0(即，壓縮應變）。亦以標示為[丨丨_22]之一箭頭指示 [11-22]方向。 處理步驟 圖1 5係繪示製造本發明之一蟲晶結構（例如一基於出族 氮化物之光學裝置結構）之一方法的一流程圖。該方法包 括以下步驟。 方塊1 500表示提供一高品質半極性GaN基板，其與一隨 後生長樣板層一起形成一異質界面（方塊15〇2) ^該基板可 為（例如）一半極性GaN基板，諸如一（11_22)基板，雖然其 他定向亦可行，諸如（但不限於）（11_22)面、OO—U)面或 (10-1-3)面等等。可使用其他基板，諸如（但不限於）塊狀 AlInGaN、一高品質GaN基板、m藍寶石基板或一尖晶石基 板。亦可使用非極性基板。 方塊1504表示在基板上（例如在基板之頂面上（其中頂面 可為（例如）一半極性平面））形成（例如生長或沈積）一或多個 層、底層或樣板層。該形成可包括在基板上非一致性生長 樣板或下伏層，由此導致具有一鬆弛晶格常數之樣板層。 150331.doc -14· 201138149 之一晶格常數及
應變。 例如，底層可形成於基板上使得下伏層中之一晶格常數 應變由於底層下之異質界面處（方塊15〇2)之助之存在而 靠基板沿至少一方向部公忐空人勒；^ _ ....... .. 可由底層與基板或底層下方之層之間之異質界面導致 MD，其中底層與基板或底層與底層下方之層各具有一不 同in族氮化物合金組份，且在異質界面周圍使md局域 化’由此消除作用層周圍之層中的Md。 底層通常係沿第一方向鬆弛而非沿第二方向鬆弛。第一 方向可平行於底層之一平面内〇投影（χ2)，且第二方向可 垂直於第一方向（例如m轴方向）。 MD係沿鬆弛之第一方向。MD可經定位以調變各向異性 應變使得作用層中之應變具有沿第一方向之一第一應變及 沿第二方向之一第二應變。沿平行於一平面内c投影（χ2) 之第一方向的底層中之一第一應變可小於沿第二方向的底 層中之一第二應變。 因此’可藉由根據底層中之方向而變的底層中一變動鬆 他度而調變各向異性應變。以此方式，可（例如）控制底層 之頻帶結構與作用層之頻帶結構（及如整個揭示内容中所 論述之其他參數）兩者。 通常’平行於C投影之平面内晶格常數係鬆弛，但鬆弛 方向與非鬆弛方向取決於底層及/或基板之半極性定向及/ 150331.doc •15· 201138149 或合金組份。對於共用半極性平面，非一 致〖生晶格常數通 常為平行於C軸之投影的平面内晶格常數 巾双（具4不同於a、c 兩者）。 因此’鬆他方向不必總是沿c投影且 松TO万向不必總 是垂直於C投影。然而’因為基底平面滑移係主要應變鬆 弛機制（歸因於半極性纖鋅礦m族氮化物之晶體結才籌/ 可首先形成具有垂直於C投影之線方向的助。因此，起^ 鬆弛將沿C投影（鬆弛方向係垂直MMD方向）。若薄臈中σ 應變能量足夠大，貝，j垂直於c軸之平面内方向亦可經受： 弛。在-實施例中，本發明可計算用於形成針對兩方^ MD的-臨界厚度。接著，#層厚度達到對應臨界厚卢時 將導致MD。因此，在層厚度達到針對—方向之臨界厚度 之後’層將沿對應方向而鬆弛。 鬆他度可取決於晶格常數及取決於定向及晶袼 械性[6]。 底層下方之（若干）額外層可包含_致性生長在基板上之 (若干)其他底層。「底層」上之層係-致性生長在具有不同 於基板之晶格常數的「底層上， 」 因為「底層」導致晶格 常數之鬆他。只要層厚度小於臨界厚度，材料 長。 方塊15〇6表示在下伏層或樣板層上生長一裝置結構（例 如作用層）。該作用層可係沈積在底層之一頂面上其中 底層之該頂面係—半極性平面。該裝置結構可無差排地生 長在樣板層上。該作用層可形成於下伏層上，使得該作用 150331.doc 201138149 層中之各向異性應變係藉由下伏層而調變或控制。 下伏層可為InAlGaN，其中In組成>0，且作用層可包括 InGaN，其中In組成>2()%。作用層可包括—或多個具有大 於3 nm之—厚度的QW，且勘可經定位以調變各向異性應 變，使得由卩貨發出之光具有一淨χ2極化。 ”… ^ QW可具有—匕組成及厚度使得qw發出具有—綠光譜 區内之-峰值波長的光。該等Qw可為半極性或非極性 作用層之形成可包含在底層上一致性地生長作用層。 與方塊1508表示方法之最後結果，用於一裝置（諸如-光 干，置）之-蟲晶結構包括在具有md之—異質界面上或在 一部分鬆弛或完全鬆弛樣板層上之-作用層。用於基於該 III族氮化物之光學裝置的該蟲晶結構可包括具有形成於一 :伙層上之各向異性應變的一作用層’其中該下伏層中之 :晶格常數及應變由於底層下之一異質界面處之MD之存 在而抵靠一某；y 5 ,丨、, Λ σ ν —方向。卩分或完全鬆弛，使得該作 用層中之各向異性應變藉由該下伏層而調變。 :常使用習知之(例如)分子束磊晶法(臟)或有機金屬 :予氣相沈積(M0C，來使結構生長，雖然其他沈積方法 亦可行。 。頂刀戍 曰=置結構可為（例如）一光學裝置或一電子.裝置（例如一電 =:如此項技術中已知，可增加其他層、觸點或特徵 以裂k光電子/電子裝置。 亦可在非極性基板上製造非極性裝置。 150331.doc 201138149 優點及改良 在Yamaguchi論文[1]中，藉由使用InGaN或另一四元基 板而改變X1、X2及X3中之最強分量，如圖16中所示（取自 [1 ])。在此情況下’假定一基板上之生長為一致性。 本發明可打斷沿一方向之一致性以調變QW中之應變並 另外調變頻帶結構（即’發光極化、增益等等）。從另一方 面看，本發明實現一基於鬆弛晶格常數合金之樣板（基 板）。 用於半極性（11 -22)QW之應變鬆弛使本發明能夠：（丨）容 易獲得具有厚QW之X2極化（其能夠製造具有切割m平面刻 面之m軸腔LD);及（2)自具有相同In組成之LD或LED獲得 更長波長發射（即，對於一給定In組成，本發明可自一光學 裝置獲得之波長發射比自非根據本發明製造之一裝置獲得 之波長發射長）。本發明相當有效地實現發出對應於（例如） 綠光之波長的LD或LED。 如圖17中所繪示，先前技術[5]生長GaN 1700及一致性 生長1706在該GaN 1700上之裝置層1702(包含一 InGaN QW 1 704) 〇在一致性生長中’（晶格常數之）晶格失配△導致應 變（例如就InGaN而言之壓縮應變卜此導致InGaN作用層 (例如1704)中之大壓縮應變ε。換言之，晶格失配△(其中△ 係GaN基板1700之晶格常數減InGaN QW 17〇4之晶格常數） 為負的’對應於InGaN層1704中之壓縮或壓縮性應變ε。在 以上計算中，可使用GaN之晶格常數a=3 · 1 89埃且GaN之晶 格常數c=5.185埃[5]。 I50331.doc • 18 · 201138149 本發明可實現比先前技術小之壓縮應變，如圖丨8中所繪 示。在圖18中’一 GaN基板1800或樣板係一致性生長 1802,且一樣板A(諸如InGaN 1804)係非一致性生長18〇6 在該GaN基板1800或樣板上。接著，裝置層18〇8(包含
InGaN QW 1810)可一致性生長1812在該樣板A 18〇4上。壓 縮應變係小於圖17中所繪示之情況。具體言之，在具有 ^4〇1814之界面上的層八1804中，沿垂直於]^1)線方向之方 向18 16的晶格常數係鬆弛。晶格常數失配△,(其中△，係該樣 板層1804之晶格常數減InGaN QW 1810之晶格常數）係小於 圖π中之△。另外，InGaN QW 181〇中之應變£，係小於作用 層17〇4中之ε。在以上計算中，可使用GaN之晶格常數 a=3.189埃、GaN之晶格常數c=5185埃、InN之晶格常數 a=3.54埃及InN之晶矽常數(：=5 7〇5埃[5卜沿鬆弛方向i8i6 6十算△’、△、ε’及 ε。 減少或可消除GaN光電子裝置中之極化效應的一解決方 案為在半極性晶體平面上生長該等裝置。術語「半極性平 .面」可用以意指處理兩個非零h、丨或k米勒指數與一非零^ 米勒心數兩者之各種平面。因&，在（hkil)MiUe卜 數a、，々中，半極性平面被界定為具有非零h或让或丨指數 與非零1指數之晶體平面。⑽GaN異質磊晶中之半極性 平面之某些共同觀察實例包含在訊坑之刻面中發現之⑴_ )面（1G-11)面及（1(M3)面。此等平面亦出現在發明者 已生長之呈平面薄膜形式之相同平面上。纖鋅礦晶體結構 之半極性平面之其他實例包含（但不限於）（10-12) ' (20-150331.doc 19 201138149 21)及（HM4)。氮化物晶體之極化向量既不位於此等平面 亦未垂直於此等平面，但位於相對於平面之曲面法線傾斜 之某-角度處。例如，（1(M1)面與〇〇_13)面相對c面分別 成 62.98。與 32.06。。 圖18繪示：生長在基板18〇〇之頂面18〇6上之樣板層 刚4,其中頂面刪可為—半極性平面；及生長在樣板或 底層1804之一頂面1808上之作用層181〇，其中頂面^⑽亦 可為一半極性平面。 本發明可用以製造發紫外光（uv)(例如藉由採用鬆弛 AlGaN半極性樣板）、綠光、琥珀光或紅光之LED或。 本發明尤其用於發綠光或UV光之LD。LED或LD通常係基 於（11-22)半極性平面（或其他半極性平面），例如基於半極 性GaN ’使付裝置係沿減少發光作用層中之量子侷限斯達 克效應（stark effect)的半極性定向而生長。 再者’壓縮應變總體可導致更高躍遷能量。因此，若本 發明減小對生長在本發明之樣板或底層上之一高I n組成 InGaN作用層的壓縮應變，則可獲得具有相同In組成之— 更長波長發射。 圖19(a)繪示具有m平面反射刻面之一（11_22)面LD，其 顯示m軸、11-22方向及所發光之方向19〇〇，及圖19(b)% 示具有（11-23)面反射刻面之一半極性（U_22)LD，其顯示 11-23軸（c投影）、11-22轴方向及所發光之方向1902。在具 有m平面刻面之該LD中，若發射係利用χ2極化，則沿（11 _ 23)之極化係更強。在具有（11-23)反射刻面之該LD中，若 150331.doc •20· 201138149 發射係利用XI極化，則沿（1-100)之極化係更強。 對於一（11-22)面LD，其中使自切割刻面發出之光1902 X2極化，某些光子（非所有）具有X2極化。較佳為更高之極 化比（利用X2之光子與利用XI之光子之比率）。本發明能夠 製造此等（11-22)面LD。 然而，光電子裝置（包含LED、LD)、太陽能電池及電子 裝置（例如電晶體，諸如高電子移動率電晶體）可生長在本 發明之樣板層上。 可在[6-8]中找到有關本發明之進一步資訊。 參考 以下參考以引用方式併入本文中。 [1] A. A. Yamaguchi，Phys. Stat. Sol (c) 5, 2329 (2008)。 [2] A. A. Yamaguchi，Appl· Phys. Lett. 94, 201104 (2009)。 [3] A. A. Yamaguchi，Jpn· J. Appl. Phys. 46, L789 (2007) e [4] 光學裝置之物理學，S. L. Chuang P149。 [5] I. Vurgaftman 與 J. Meyer，JL Appl. Phys. 94，3675 (2003)。 [6] Anruag Tyagi、Feng Wu、Erin C. Young、Arpan Chakraborty、Hiroaki Ohta、Rajaram Bhat、Kenji Fujito、 Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura及James S. Speck於Applied Physics Letters 95, 251905 (2009)中發表之「產生於生長在半 極性（ll-22)GaN自支撐基板上之(Al，In)GaN磊晶層中之異 質界面處經由參差差排之部分應變鬆弛」。 [7] 在加州大學Santa Barbara分校之固體照明與能量中 150331.doc -21 - 201138149 心（SSLEC)之2009年度評審（2009年11月5曰）中，James S. Speck給出之簡報幻燈片，題為「非極性材料及裝置之進 [8] Erin C. Young、Feng Wu、Alexey E· Romanov、Anurag Tyagi、Chad S. Gallinat、Steven P. DenBaars、Shuji Nakamura 及 James S. Speck於 Applied Physics Epress 3 (2010) 011004 中發 表之「（11-22)半極性GaN異質磊晶中之晶格傾斜與參差差排」。 結論 此總結本發明之較佳實施例之描述。為說明及描述之目 的，已呈現本發明之一或多個實施例之先前描述。非意欲 排他性或將本發明限制於所揭示之精確形式。再者，非意 欲本發明受限於本文中所述之任何科學原理或理論。可鑒 於以上教示而進行許多修改及變動。意欲本發明之範圍不 限於此詳細描述，但受限於隨附於本發明之申請專利範 圍。 【圖式簡單說明】 圖1繪不用在Yamaguchi之研究[丨]中之座標系統； 圖2繪示對於具有各向異性平面内雙軸應變之（a)無應變 QW、（b)厚應變GaN薄膜及（c)壓縮應變卩臀的平面内發光 極化度之基板定向相依性’其中〇。對應於極性c面（〇〇〇1)定 向’而90。對應於非極性a(l 1-20)及m(l 〇-1〇)面定向，且中 間角度對應於半極性定向； 圖3繪示對於一致性生長在GaN基板上之inGaN QW的平 面内發光極化度之基板定向相依性； I50331.doc -22· 201138149 圖4係當在生長在（ll-22)GaN上之一 GaN/AlGaN超晶格 (SL)之下部分之界面周圍的繞射狀況g=0 1 -1 0時所取得的 一穿透式電子顯微鏡（TEM)明視場影像，其顯示異質界面 處之MD，其中尺度為100奈米（nm); 圖5(a)係圍繞[1-100]晶帶軸之一 TEM影像，其中可看見 整個半極性（11-22)LD裝置磊晶層（自上至下）（包含SL)，且 尺度為0.2微米（μηι)，及圖5(b)描繪對應電子束繞射圖案 (DP)[6]； 圖6(a)至圖6(c)顯示前面提及裝置（圖4及圖5(a))之不同 磊晶層之TEM影像，其等針對：（a) — 100週期p型 AlGaN/GaN超晶格且亦顯示100 nm厚p型GaN，其中超晶 格中之該p型AlGaN為3 nm厚，超晶格中之該GaN為2 nm 厚；（b)具有一 2週期InGaN QW之一作用區；及（c)QW下之 一 η型 AlGaN/GaNSL，其中尺度為 100nm; 圖7係一 TEM影像，其繪示主要產生於標記有實線箭頭 之異質界面處及少量發現在標記有虛線箭頭之層中的 MD，其中尺度為50 nm ; 圖8(a)係取自晶帶軸[2-1-10]之一TEM影像，其中尺度為 0.2 μιη，及圖8(b)描繪對應電子束DP ; 圖9(a)係在g=01-10時所取得的一ΤΕΜ明視場影像，其中 MD係由於自[1-100]至[2-1-10]之樣品傾斜而被視為一片 段，其中尺度為50 nm，及圖9(b)描繪對應電子束DP ; 圖10係對應於本發明之一實施例之生長在（11-22)GaN上 之一蠢晶結構之一橫截面示意圖； 150331.doc -23- 201138149 圖11係根據本發明之一實施例之生長在（11 _22)GaN上之 一光學裝置結構之一橫截面示意圖； 圖12係圖11之光學裝置中之一層之一俯視圖； 圖13係沿根據本發明之生長在（11 _22)GaN上之一裝置之 沿（10-10)面之一橫截面示意圖； 圖14係圖13之裝置之沿（h_23)面之一橫截面示意圖； 圖1 5係繪示本發明之一方法的一流程圖； 圖16繪示根據丫3则层11(^[1]之在（11-22)定向八1111〇&1^四 元合金基板上產生（a)2 nm、（b)3 nm及（c)10 nm厚In〇.3GaN QW中之最大光學矩陣元件的極化之合金組份相依性； 圖1 7繪示採用一致性生長磊晶層之一裝置； 圖1 8繪示使用一非一致性生長樣板所生長之一裝置，如 本發明中所述；及 圖19(a)繪示顯示m軸方向、11-22軸方向及所發光之方 向的一m平面LD，及圖19(b)繪示顯示11-23軸（c投影）、11-22軸方向及所發光之方向的一半極性（1 i_23)LD。 【主要元件符號說明】 400 參差差排（MD) 402 異質界面 404 GaN/AlGaN SL 406 GaN 600 超晶格（S L) 602 P型 GaN 604 作用區 150331.doc -24- 201138149 606 η型 AlGaN/GaN SL 700 n型 AlGaN/GaN SL 702 n型GaN層 704 n型InGaN層 706 InGaN QW 708 p型AlGaN電子阻擋層（EBL) 710 p型InGaN層 712 p型GaN層 714 p型 AlGaN/GaN SL 716 參差差排（MD) 900 參差差排（MD) 1000 蟲晶結構 1002 作用層 1004 作用層 1006 下伏層 1008 參差差排（MD) 1010 異質界面 1012 標準再生GaN層 1014 (ll-22)GaN 基板 1016 InGaN層 1018 InGaN層 1100 光學裝置 1102 In〇.3GaN QW 1104 InuGaN底層 150331.doc -25- 201138149 1106 參差差排 1300 結構 1302 In〇.3GaN QW 1304 InojGaN 層 1306 In〇.3GaN 底層 1308 GaN基板 1310 異質界面 1312 參差差排（MD) 1314 InuGaN/InojGaN 界面 1700 GaN基板 1702 裝置層 1704 InGaN QW 1706 一致性生長 1800 GaN基板 1802 一致性生長 1804 InGaN 1806 非一致性生長 1808 裝置層 1810 InGaN QW 1812 一致性生長 1814 參差差排（MD) 1900 光 1902 光 150331.doc •26-

Claims (1)

  1. 201138149 七、申請專利範圍： 1 · 一種用於一基於in族氮化物之光學裝置的磊晶結構，其 包括： 形成於一 III族氮化物底層上之具有各向異性應變之— III族氮化物作用層，其中該底層中之一晶格常數及應變 由於该底層下之一異質界面處之參差差排之存在而抵靠 一基板沿至少一方向部分或完全鬆弛，使得該作用層中 之該各向異性應變係藉由該底層而調變。 2·如凊求項1之磊晶結構，其中該基板係一半極性GaN基 板，該底層係沈積在該GaN基板之一頂面上，該頂面係
    一半極性平面。
    一第二方向之一第二應變。
    中該底層係生長在該基板 150331.doc 201138149 ’且該底層中之該晶格常數及應變係抵靠該基板而部 为或完全鬆弛’使得該底層中之該晶格常數變為其自然 值而非受限於與該基板之一晶格常數相同之一值且該底 層無應變。 7_如求項1之磊晶結構’其中該作用層係一 AlInGaN量子 井或多量子井。 8·如咕求項1之磊晶結構，其中該底層係InAlGaN，其中In ’且成>〇 ’且該作用層包括InGaN，其中In組成>20%。 9·如$求項8之磊晶結構，其中作用層包括一或多個具有 大於3奈米之一厚度的量子井，且該等參差差排係經定 位以調變該各向異性應變，使得由該等量子井發出之光 具有一淨Χ2極化。 10.如請求項9之H结構，其中料量子井具有—Ιη組成及 厚度，使得該等量子井發出具有一綠光譜區内之一峰值 波長的光D 如請求項9之蠢晶結構，纟中該等量子井係半極性或非 極性量子井。 12.如明求項i之磊晶結構，纟中該底層係非一致性地生長 在一基板上。 13. 如凊求項1之磊晶結構’其中該等參差差排係由該底層 與該基板或該底層下方之層之間之異質界面所導致，該 底層與該基板或該底層下方夕爲夂百士 卜万之層各具有一不同III族氮化 物合金組合物，且該等參差 π >產差排在§亥異質界面周圍局域 化，由此消除該作用層周 圍之層中的該等參差差排。 150331.doc 201138149 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 如請求項13之磊晶結構，其中該底層下方之該層係一致 性地生長在該基板上之另一底層。 如請求項1之磊晶結構，其中該基板為非極性或半極 性0 一種製造用於一基於ΙΠ族氮化物之光學裝置的一磊晶結 構之方法，其包括： 在一基板上形成一 III族氮化物底層，使得該底層中之 一晶格常數及應變由於該底層下之一異質界面處之參差 差排之存在而抵靠該基板沿至少一方向部分或完全鬆 弛；及 在该底層上形成一 III族氮化物作用層，使得該作用層 中之各向異性應變係藉由該底層而調變或控制。 如明求項16之方法，其進一步包括藉由於該底層與該基 板或該底層下方之層之間形成該異質界面而形成該等參 差差排，其中該底層與該基板或該底層與該層各具有一 不同ΠΙ族氣化物合金組合物，且該等參差差排在該異質 界面周圍局域化，由此消除該作用層周圍之層中的該等 參差差排。 如請求項1 6之方法，其中ώ Α| Τ猎由在該基板上非一致性地生 長該底層而形成該底層。 如δ月求項16之方法，其中a ^ r错由在6亥底層上一致性地生長 該作用層而形成該作用層。 如請求項16之方法，其中寸宓届及 ^ 底層係形成於該基板上，使 得該底層係沿一第一方向载 π私弛且4底層未沿一第二方向 150331.doc 201138149 鬆弛。 21.如請求項16之方法，其中該各向異性應變係藉由根據該 底層中之方向而變的該底層中之一變動鬆弛度而調變， 使得該底層之頻帶結構受控制且該作用層之頻帶結構受 控制。 150331.doc
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