TW201205863A - Aluminum gallium nitride barriers and separate confinement heterostructure (SCH) layers for semipolar plane III-nitride semiconductor-based light emitting diodes and laser diodes - Google Patents

Aluminum gallium nitride barriers and separate confinement heterostructure (SCH) layers for semipolar plane III-nitride semiconductor-based light emitting diodes and laser diodes Download PDF

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Hiroaki Ohta
Shuji Nakamura
Steven P Denbaars
James S Speck
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Description

201205863 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於具有AlGaN障壁及超晶格分離偈限式異構 (SCH)之基於半極性平面三族氮化物半導體雷射二極體 ' (LD)、及其製作方法。 • 本申請案主張 You-Da Lin、Hiroaki Ohta、Shuji
Nakamura、Steven P. DenBaars及 James S. Speck於 2010年 4 月 5日申請之標題為「AlGaN BARRIERS AND SEPARATE O CONFINEMENT HETEROSTRUCTURE (SCH) LAYERS FOR SEMIPOLAR PLANE ΠΙ-NITRIDE SEMICONDUCTOR-BASED LIGHT EMITTING DIODES AND LASER DIODES」之共同 待決且共同受讓美國臨時專利申請案第61/320,954號（代理 人案卷編號 30794.367-US-P1 (2010-544-1))在 35 U.S.C·第 119(e)部分下之權利； 該申請案以引用方式併入本文中。 本申請案涉及以下共同待決且共同受讓美國專利申請 ❹案：
Daniel F. Feezell ' Mathew C. Schmidt ' Kwang Choong Kim ' Robert M. Farrell ' Daniel A. Cohen ' James S. Speck、Steven P. DenBaars 及 Shuji Nakamura 於 2008年 2 月 — 12 曰申請之標題為「Al(x)Ga(l-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS」之 美國實用專利申請案第12/030,1 17號（代理人案卷編號 30794.222-US-U1 (2007-424))，該申請案主張 Daniel F. 155218.doc 201205863
Feezell、Mathew C. Schmidt、Kwang Choong Kim、Robert M. Farrell ' Daniel A. Cohen ' James S. Speck ' Steven P. DenBaars及Shuji Nakamura於2007年2月12日申請之標題為 「Al(x)Ga(l-x)N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS」之美國臨時專利第 60/889,5 10號（代理人案卷編號30794.222-US-P1 (2007-424-1))在35U.S.C.第119(e)下之權利；
Arpan Chakraborty、You-Da Lin、Shuji Nakamura 及 Steven P. DenBaars於2010年6月7日申請之標題為 「ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE」之PCT 國際專利申請案第US2010/37629號（代理人案卷編號 30794.314-US-WO (2009-614-2))，該申請案主張，Arpan Chakraborty、You-Da Lin、Shuji Nakamura 及 Steven P. DenBaars於2009年6月5日申請之標題為「ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DIODE」之美國臨時申請案第61/184,668 號（代理人案卷編號 30794.314-US-P1 (2009-614-1))在 35 U.S.C.第119(e)部分下之權利；
Arpan Chakraborty、You-Da Lin、Shuji Nakamura 及 Steven P. DenBaars於2010年6月7日申請之標題為「LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES」之美國實用申請案第12/795,390 號（代理人案卷編號30794.315-US-U1 (2009-616-2))，該申 請案主張 Arpan Chakraborty、You-Da Lin、Shuji Nakamura 及 Steven P. DenBaars 於 2009年 6月 5 日申請之標 155218.doc 201205863 題為「LONG WAVELENGTH m-PLANE (Al,Ga,In)N BASED LASER DIODES」之共同待決且共同受讓美國臨 時申請案第61/184,729號（代理人案卷編號30794.3 15-US-P1 (2009-616-1))在 3 5 U.S.C·第 119(e)部分下之權利；及 Po Shan Hsu、Kathryn M. Kelchner 、Robert Μ. Farrell、Daniel Haeger、Hiroaki Ohta、Anurag Tyagi、 Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars 及 James S. Speck 於 2011年3月 4日申請之標題為「SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN +/- 15 DEGREES IN THE C-0111丑(：丁101^」之美國實用專利申請案第13/041，120號（代理 人案卷編號30794.366-US-U1 (2010-543-2))，該申請案主 張 Po Shan Hsu、Kathryn M. Kelchner、Robert Μ. Farrell、Daniel Haeger、Hiroaki Ohta、Anurag Tyagi、 Shuji Nakamura、Steven P. DenBaars及 James S. Speck於 2010年 3月 4 日中請之標題為「SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN +/- 15 DEGREES IN THE C-DIRECTION」之共同待決且共同受讓美國臨時專利申請案 第 61/310,638號（代理人案卷編號 30794.366-1；8-?1(2010-543-1))在35 U.S.C.第119(e)部分下之權利； 該等申請案以引用方式併入本文中。 【先前技術】 (注意：本申請案參考多個不同出版物，其在整個說明 155218.doc 201205863 書中表示為括號内之—個啖吝 a夕個參考編號，例如參考文獻 [X]按該等參考編號排列之令笼X；门jj叱 等不同出版物之列表可見於
下文標題為「參考文獻#A 爹可馱」之。Ph。該等出版物中之每一者 均以引用方式併入本文中。） 纖鋅礦(A卜Ga、In)N雷射二極體(ld)係一種用於綠色 雷射應用之有前景的候選者。自從齡⑽則等人⑴展示 基於第—C_平面GaN之雷射二極體（LD)以來，長波長LD已 取得顯著進展。最近，在脈衝作tire平面⑶之最長雷射 波長達到532 nm [2]。儘管已成功展示綠色ld，但生長於 c-平面上之器件因極化相關之電場較大而具有量子侷限史 托克效應（Quantum Confined Stark Effect) (QCSE)，導致 内篁子效率較低，此乃因量子井中電子與電洞波函數之空 間分離所致[3^此亦可引起較高之作業電壓，從而導致插 座效率（wall plug efficiency)較小[2]。由於基於非極性及 半極性GaN器件不展示或展示極小的qcsE，故其亦有望 用於較長波長LD[4-7]。已在理論上預測且已經實驗證實 在非極性及半極性定向上生長之LD之較高增益係因各向 異性帶結構所致[8-9]。此外，在實際LD作業下非極性m_ 平面LD具有比c-平面LD更高之斜率效率[1 〇_ 12]。然而， 本發明研究組藉由使用斜切（miscut) m_平面GaN基板[14] 所獲得之m-平面LD之最長雷射波長為492 nm [13],且所 公開標稱同軸m-平面之最長雷射波長為499.8 nm [15]。因 難以向多量子井（MQW)中納入銦且可能在井中形成基面堆 積缺陷（BPSF)[16]，故m-平面LD之雷射波長迄今仍限制為 155218.doc 201205863 小於500 nm。 與c-平面GaN相比，半極性GaN之平面提供減少極化相 關之電場並可能增加增益之途徑。半極性平面（20-21)在脈 衝作業下已展示531 nm之雷射波長[17]，在CW作業下已展 示523 nm之雷射波長[18]。為達成發射綠光之高In含量量 ' 子井（QW)之高内部量子效率，必須在高銦含量QW中消除 因大的應變所產生之銦隔離及缺陷。Enya等人利用晶格匹 配四元AlInGaN包覆來減少磊晶結構中之應變並實現足夠 〇 之光侷限[17]。Tyagi等人報導具有GaN包覆層之高銦含量
InGaN引導層作為避免四元AlInGaN難以生長之另一方法 [19]。儘管已展示生長於（20-21)體GaN基板上之長波長 LD ’但尚未報導南品質作用區生長之詳細生長研究。 另外，習用（20-21)-平面LD結構包括以下特性： 1.如圖1中所示，在作用區中具有InGaN或GaN障壁之 習用現有技術（20-21)-平面LD生長。圖1圖解說明LD器件 1〇〇結構，其包含（20-21) GaN基板102、在GaN基板102上 〇 或上方之η型GaN (n-GaN)層104、在n-GaN層104上或上方 之n-GaN包覆層106、在n-GaN包覆層106上或上方之n-InGaN體分離偈限式異構（SCH)層108(具有5-10% In組成， 例如，6%)、在n-InGaN體SCH 108上或上方之發光作用層 110(包含一個或多個InGaN量子井及GaN或InGaN障壁）、 在作用層110上或上方之p型AlGaN (p-AlGaN)電子阻擋層 (EBL) 112、在 p-AlGaN EBL 112 上或上方之 p-InGaN 體 SCH層114(具有5-10% In組成，例如6%)、在p-InGaN體 155218.doc 201205863 SCH層114上或上方之p型GaN(p-GaN)包覆層116、及在p-
GaN包覆層116上或上方之p++型GaN接觸層118。 2. 習用現有技術（20-21)-平面LD未使用高In含量InGaN 超晶格SCH層。 3. 習用現有技術（20-21)-平面LD之InGaN SCH層未使用 不對稱InGaN/GaN短週期超晶格（SPSLS)。 因此，業内需要改良之LD結構。本發明可滿足該需 要。本發明揭示生長有AlGaN障壁之高品質作用區（例如， AlGaN/InGaN MQW)且證實半極性（20-21)氮化物在室溫下 之5 16 nm雷射發射。 【發明内容】 為克服上述先前技術中之缺點，且為克服在閱讀及理解 本說明書後將變得顯而易見之缺點，本發明揭示具有 AlGaN障壁及超晶格SCH之基於半極性平面三族氮化物半 導體之LD、及其製作方法。 特定而言，本發明闡述使用基於半極性（20-21)-平面 InGaN/GaN之作用區來製作長波長LD之技術。本發明描述 尤其在綠色光譜範圍内可改良長波長LD之結構、電學及 光學性質之新穎結構及磊晶生長技術。 在此光譜範圍内，自（20-21)-平面InGaN量子井已觀察到 大規模三角形非輻射性缺陷。已證實具有高銦（In)組成引 導層之雷射結構之表面起伏與錯配位錯產生有關。 使用AlGaN障壁作為應變補償層可維持光滑表面形態， 減少三角形非輻射性缺陷數量，且使得本發明能夠增加 155218.doc 201205863 SCH中In組成。使用inGaN超晶格SCH層可提供較高平均 SCH中In組成，從而可達成比InGaN體引導層更高之折射 率差及更高之侷限因子。
舉例而言，本發明揭示基於半極性平面三族氮化物半導 體之光電子器件結構，其包含一個或多個包括作用層之三 族氮化物器件層，其中該作用層包括含鋁（A1)量子井障壁 層，及定位於該等含A1量子井障壁層間之半極性含銦（In) 量子井層，其中該半極性含In量子井層及該等含A1量子井 障壁層係在半極性平面上以半極性定向生長。
AlGaN量子井障壁中A1百分比組成x可為〇<χ<5%。與不 含AlGaN量子井障壁層之器件相比，含“量子井層可具有 更高之In組成。含In量子井層及含A1障壁層可使器件發射 或吸收峰強度在綠色、黃色或紅色光譜範圍内之光，舉例 而言，可使器件發射或吸收峰波長大於515 nm之光。舉例 而言，含In量子井層可具有至少16%之銦組成及大於4奈米 之厚度。 半極性平面可為 20-21、11-22、30-31、30_3_1、 1、（η 0 -η 1)、（η 0 -η _1)平面，且n係整數，使得達成平 坦逐步生長，且三族氮化物器件層及量子井結構具有光滑 平坦表面及介面。 二族氮化物器件層可共格生長而無堆積缺陷或錯配位 錯。三族氮化物器件層可具有小於〇·07 nm之均方根表面 粗糙度。 三族氮化物器件層可形成發光器件，其中作用層發光， 155218.doc 201205863 且該器件在作用層之整個頂部表面、整個底部表面或整個 侧壁中之一者或多者上均勻發光。 三族氮化物器件層可進一步包含定位於作用層之任一側 上之上部含In分離偈限式異構（SCH)或波導層及下部含m SCH或波導層’其中上部及下部含In波導或sch層之匕组 成高於無含A1量子井障壁之類似器件之SCH或波導層中in 組成。 二私氮化物器件層可進一步包含定位於作用層之任一側 上之上部含In SCH或波導層及下部含In sch或波導層，其 中上部及下部含In波導或SCH層均具有大於丨〇%之In組 成。 舉例而言，含A1層可為AlGaN且含In層可為InGaN。 上部含In SCH及下部SCH中之至少一者可為包含變動之
In組成之InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格（SL)結構。 與具有較低A1組成之量子井障壁相比，含A1量子井障壁 之A1組成藉由補償器件結構中由下部及上部含In SCH引起 之應變，可減少或防止三族氮化物器件層中由下部及上部 含In SCH之In組成引起之錯配位錯。與具有較低A1組成之 量子井障壁相比’含A1量子井障壁之A1組成藉由補償因量 子井中之In組成所產生之應變，可減少或防止器件結構中 由量子井中In組成引起之三角形深色缺陷。器件結構中之 深色缺陷可具有小於100微米X 100微米之表面積。 器件結構可為雷射二極體結構，其光侷限因子至少為3 且在驅動電流為20 mA時輸出功率至少為2 mw。該器件可 155218.doc -10- 201205863 進一步包含由兩個鏡界定之雷射腔，其中該等鏡係藉由乾 式蝕刻加以蝕刻或劈裂。 S亥器件可為發射綠光之（20-21)平面雷射二極體。舉例而 言’雷射二極體可包含無AlGaN包覆之雷射二極體（或無含 A1包覆層之雷射二極體）’其中三族氮化物器件層進一步 包含沈積於GaN基板半極性平面上或上方之第一 包覆 層，沈積於該第一 GaN包覆層上或上方之第一 InGaN引導 層；沈積於該第一 InGaN引導層上或上方之作用層；沈積 於該作用層上或上方之第二InGaN引導層；及沈積於該第 二InGaN引導層上或上方之第二GaN包覆層。 本發明進一步揭示基於光電子器件製作半極性平面三族 鼠化物半導體之方法’其包含形成一個或多個三族氮化物 器件層（包括作用層），其中該作用層係藉由以下方式形 成：沈積含A1量子井障壁層；且將半極性含In量子井層定 位以使該半極性含In量子井定位於該等含A1量子井障壁層 之間’其中該半極性含In量子井層及該含A1量子井障壁層 係在半極性平面上以半極性定向生長。 本發明進一步揭示在器件之量子井結構中使用含A1障壁 層之方法，其包含在器件中使用該含A1障壁層來減少或防 止錯配位錯、堆積缺陷或深色不發光缺陷中之一者或多 者。 【實施方式】 現在參照附圖，其中相同參考編號全部代表對應部分。 在以下較佳實施例之說明中將參照本發明附圖，且其中 155218.doc 201205863 以圖解說明方式顯示可實踐本發明之具體實施例，該等附 圖構成本發明之一部分。應瞭解，可使用其它實施例且可 做出結構改變，此並不背離本發明範之範疇。 概述 本發明之目的在於研發在綠色光譜範圍内之高效率半極 性（2(51)-平面LD。目標在於在使用高In含量InGaN井的同 時獲得光滑介面及光滑表面形態並減少非輻射性缺陷，並 獲得高效作用區及均勻且光滑的高In含量InGaN超晶格 SCH 層。 在量子井前面或之間使用AlGaN障壁可在InGaN SCH層 (In%>5%)之雷射結構中產生光滑形態（如在螢光顯微鏡圖 像中所闡述）及光滑介面。舉例而言，在無AlGaN包覆之 LD(InGaN引導/GaN包覆）中，本發明證實AlGaN障壁可有 效防止三角形非輻射性缺陷，如圖13中所示。 藉由使用AlGaN障壁，本發明可增加引導層中之In組 成，從而可增強光偈限。在相同生長條件下，使用InGaN 超晶格SCH層得到高於InGaN體SCH層（約6% In)中之平均 In含量（約 10% In)。 基於此技術，本發明證實在5 13 nm及5 1 6 nm下雷射。 命名 納入铭及銦之GaN及其三元及四元化合物（AlGaN、 InGaN、AlInGaN)通常使用以下術語指代：（A卜Ga、In)N、 三族氮化物、第三族氮化物、氮化物、Al(1_x_y)InyGaxN(其 中0<χ<1且0<y<l)或AlInGaN(如本文所用）。所有該等術語 155218.doc -12- 201205863 均意欲等效且廣泛地理解為包括單一種類A卜（5&及In以及 該等第III族金屬種類之二元、三元及四元組合物之代表性 氮化物。因此，該等術語涵蓋化合物A1N、GaN及ΙπΝ、以 及二元化合物AlGaN、GalnN及AlInN、及四元化合物 AlGalnN作為該命名中所納入之物質。當存在兩種或更多 種（Ga、A卜ΐη)組份種類時，在本發明之寬範疇内可使用 所有可能之組成，包括化學計量比例以及「非化學計量」 比例（相對於組合物中所存在（Ga、A卜In)組份種類中每一 〇 者之所給相對莫耳分數）。因此，應瞭解，本發明下文中 主要涉及GaN材料之論述適於各種其他（Ah Ga、In)N材料 物質之形成。此外，本發明範疇内之（八卜Ga、In)N材料 可進一步包括少量的摻雜劑及/或其他雜質或可納入材 料。亦可納入领（B)。 術語「無AlxGai.xN包覆」係指不存在含有任一莫耳分數 A1之波導包覆層，例如AlxGaixN/GaN超晶格、體ΑΙΧΜΉΝ、 Q 或A1N。不用於光學引導之其他層可含有一定量的A1(例 如，小於10% A1含量）。舉例而言，可存在AlxGaixN電子 阻擋層。 - 消除基於GaN或三族氮化物之光電子器件中自發及壓電 . 極化效應之一種途徑係在晶體非極性平面上生長三族氮化 物器件。該等平面含有相等數量的Ga(或第m族原子）及N 原子且呈電荷中性。此外，後續非極性層彼此等效，故體 晶體將不會沿生長方向極化。GaN中對稱等效非極性平面 之兩個該等家族係{11_2〇}家族(統稱為心平面)及家 155218.doc •13- 201205863 族（統稱為m-平面）。因此，非極性三族氛化物係沿垂直於 三族氮化物晶體（〇〇〇1) c_軸之方向生長。 減少（Ga、Al、In、B)N器件中極化效應之另一途徑係在 晶體之半極性平面上生長器件。術語「半極性平面（semi_ p〇lar Plane)」（亦稱為「半極性平面（semipolar plane)」）可 用於指代任一不能歸類為c-平面、a-平面或m-平面之平 面。在結晶學術語中，半極性平面可包括任一具有至少兩 個非零h、i或k米勒指數（Miller index)及一個非零i米勒指 數之平面。 技術說明 本發明揭示包含半極性GaN層、GaN包覆層、InGaN引 導層及AlGaN障壁之LD。無AlGaN包覆之器件適於大量生 產，此乃因AlGaN生長導致各種困難，且inGaN引導對限 制LD光學模式至關重要。較高之匕組成較佳，但高in會造 成錯配位錯（參見參考文獻Π])。A1GaN障壁藉由補償應變 可防止錯配位錯，使得本發明能夠增加引導層中之比組 成。 製程步驟 圖2係圖解說明製作基於半極性平面三族氮化物半導體 之光電子器件之方法的流程圖。财法包含以下步驟： 方塊200代表獲得適於半極性生長之基板，舉例而言， 由Mitsubishi Chemical公司提供之獨立式（2〇 21) GaN基板。 方塊202代表在該基板上沈積（例如，生長）一個或多個 第-三族氮化物器件層。該等第—三族氮化物層可在該基 155218.doc -14- 201205863 板上包含一個或多個第一極性或第一經換雜（例如’ η型或 ρ型）三族氮化物層。 方塊204代表在方塊202之三族氮化物層上沈積一個或多 個三族氮化物作用層。圖3圖解說明該步驟可包含沈積第 一含鋁（Α1)(例如，AlxGai_xN，其中0<χ<1)量子井障壁層 300(例如，在方塊202之η型或ρ型三族氮化物層上），隨後 在第一含Α1量子井障壁層300上沈積含銦（In)量子井層 302，隨後在含In量子井層302上沈積第二含Al(例如， AlxGa^N，其中0<χ<1)量子井障壁層304。各層可沈積以 存在多量子井（MQW)。舉例而言，圖3圖解說明使用三乙 基鋁（TMA)流306及三乙基鎵（TEG)流308生長之障壁層 300、304，及使用三曱基銦（TMI)流310及TEG流308生長 之量子井層302。在MQW之情形下’至少一個AlGaN障壁 可定位於MQW中各QW之間。 舉例而言，含A1(例如，AUGakN)量子井障壁300、304 中A1百分比組成X可為0<x<5%。與具有較低A1組成之量子 井障壁相比，該等AlGaN量子井障壁之A1組成藉由補償量 子井中之高In組成之應變，可減少或防止LED中由多量子 井之量子井中高In組成引起之三角形深色缺陷。 與不含第一及第二含Al(例如，AlGaN)量子井障壁層 300、304之器件相比，含In(例如，InGaN)量子井層302可 具有較高之銦（In)組成。含In(例如，InGaN)量子井層302 及第一及第二含Al(例如，AlGaN)障壁層300、304可使器 件發射或吸收峰強度在綠色、黃色或紅色光譜範圍内（例 155218.doc -15- 201205863 如，峰波長大於515 nm或528 nm)的光。舉例而言，含 In(例如，InGaN)量子井層302可具有至少16%之銦組成及 大於4奈米之厚度。通常，隨著QW*In納入之增加，來自 QW之發射波長增加至更長波長。 方塊206代表在方塊204之作用層上沈積一個或多個第二 二族氮化物層。該等第二三族氮化物層可包含一個或多個 第二極性或第二經摻雜（n型或p型）三族氮化物層。舉例而 言，該等第二極性或第二經摻雜三族氮化物層可具有與方 塊202中之層相反之極性。舉例而言，若在方塊2〇2中沈積 η型三族氮化物層，則可在方塊2〇6中沈積p型三族氮化物 層。或者，舉例而言，若在方塊2〇2中沈積p型三族氮化物 層’則可在方塊206中沈積p型三族氮化物層。 舉例而言，方塊202及206之三族氮化物層可包括波導層 及包覆層（例如，GaN或AlGaN包覆層）。 在整個本揭示内谷中，術語「在…上」（如用於描述第 一層「在第二層上」）界定為包括第一層上或上方、覆蓋 或接合至第二層。 方塊208代表所得器件結構。 在一個實施例中，如圖4(a)中所圖解說明，所得器件結 構400包含三族氮化物器件層，纟包括_個或多個三族氮 化物作用層402，其定位於第一經摻雜（例如，n型）三族氮 化物器件層404與第二經摻雜三族氮化物器件層4〇6(例 如’ Ρ一型）之間。另一選擇為，層4〇4可為ρ型且層4〇6可為η 型。三族氮化物層係沈積於基板41()(例如，_)之頂部表 155218.doc -16- 201205863 面408上。GaN基板之頂部表面可為半極性平面（例如，20-21 、 11-22 、 30-31 、 30-3-1 、 10-1-1 、 （η 0 -η 1) 、 （η 0 -η - 1)平面），其中η係整數，使得達成平坦逐步生長，且器件 層及量子井結構具有光滑平坦表面。 三族氮化物層不限於特定類型的器件層。舉例而言，光 電子器件之三族氮化物層可為下列之器件層：LD、無 AlGaN包覆之LD、發光二極體（LED)、太陽能電池、光探 測器、光子晶體雷射、垂直腔表面發射射雷射、超發光二 極體、半導體放大器、電晶體（例如，高電子遷移率電晶 體（HEMT))等。 在另一實施例中，圖4(b)顯示所得器件結構包含LD結構 412，其以同質磊晶方式生長於獨立式（20-21) GaN基板410 上、為（20-21)半極性平面之基板410之頂部表面408上。 圖4(b)之結構係無AlGaN包覆且其進一步包含在GaN基 板 410 上之 η 型 GaN (n-GaN)層 414 ;在 n-GaN層 414 上之 n-GaN包覆層416(1 μιη厚經Si摻雜之n-GaN);在n-GaN包覆 層416上具有5-15% In組成之η型InGaN (n-InGaN)超晶格 (SL) SCH或波導層 418(50-nm 厚經Si摻雜之 InxGahNCxs 7%至10%))、包含量子井結構之作用區420，該量子井結 構包括半極性InGaN量子井及位於該等半極性InGaN量子 井間之AlGaN量子井障壁（具有4·5 nm厚InGaN井及10 nm厚 AlGaN障壁之3週期MQW)，其中該量子井結構係在η型 InGaN SL SCH 418上；在作用層420上之ρ型AlGaN電子阻 擋層（EBL)(10 nm厚 Al〇.2〇Ga〇.8〇N)422;在 AlGaN EBL 422 155218.doc -17- 201205863 上具有5-1 5% In組成之p型InGaN (p-InGaN) SL SCH或波導 層（50-nm厚經 Mg摻雜之 InxGabxNCxW% 至 10%))424 ;在 p 型InGaN SCH或波導層424上之p型GaN (p-GaN)包覆層 426(500 nm厚經Mg摻雜之p-GaN);及在p型GaN包覆層426 上之p++型GaN接觸層（100-nm厚經Mg摻雜之p++ GaN接觸 層）428 〇 然而，在另一實施例中，該器件可具有材料不同於GaN 之包覆層416、426，舉例而言，可使用AlGaN包覆層。 器件結構可藉助大氣壓力金屬有機化學氣相沈積 (MOCVD)生長。生長條件闡述於[27](Arpan Chakraborty、 You-Da Lin、Shuji Nakamura 及 Steven P. DenBaars 於 2010 年6月7日申請之標題為「LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al,Ga，In)N BASED LASER DIODES」 之美國實用申請案第12/795,390號，該申請案以引用方式 併入本文中）中。 方塊202及206之η型及p型三族氮化物層可包含下部及上 部含銦（Ιη)(例如，InGaN)波導層或SCH層（418、424)，其 為包含變動之In組成之體結構或InGaN/GaN(或 InGaN/AlGaN)超晶格（SL)結構。可將下部及上部含In(例 如，InGaN)引導層或SCH(418、424)定位（例如，在作用層 420之任一側上，使得作用層係在下部引導層之上且在上 部引導層之下）並使組成可限制雷射二極體在下部及上部 含In引導層或SCH(418、424)間之光學模式。下部及上部 含In波導層或SCH之In組成可高於無含A1(例如，AlGaN)量 155218.doc •18· 201205863 子井障壁之雷射二極體或類似器件之上部及下部波導層中 之In組成。舉例而言，下部及上部含In(例如，InGaN)波導 或SCH層（418、424)之In組成可大於5%或大於10%。波導 層亦可稱為引導層。 圖4(c)係使用圖4(b)結構製作之LD之TEM圖像，其顯示 SCH層418、424係SL結構。圖4(c)亦顯示作用層420之量子 井結構，其包括半極性InGaN量子井430、及位於半極性 InGaN量子井430間之AlGaN量子井障壁432、及AlGaN EBL 422。 因此，方塊204、圖4(a)及圖4(b)圖解說明一個或多個包 括作用層402之三族氮化物器件層，其中該作用層至少包 括第一及第二AlGaN量子井障壁層432 ;及半極性InGaN量 子井層430，其定位於該第一與該第二AlGaN量子井障壁 層432之間，其中該半極性InGaN量子井層及該第一及第 二AlGaN量子井障壁層432係在半極性平面408上以半極性 定向生長。 圖 4(d)顯示具有n-InGaN (7% In)體 SCH 434 及 p-InGaN (7% In)體 SCH 436層（代替 SL層 418、424)之圖 4(b)無 AlGaN 包覆雷射結構之TEM圖像。亦顯示p-GaN層426、EBL層 422、及包含InGaN井430且具有AlGaN障壁432之量子井結 構（在 η型 InGaN(具有 7% In)體 SCH 434上）。在圖 4(d) ΤΈΜ 中未觀察到錯配位錯。 圖4(e)(沿箭頭方向g=0002)及圖4(f)(沿箭頭方向11 _20) 顯示具有η型InGaN (7% In)體SCH層434及p型InGaN (7% 155218.doc -19- 201205863
In)體SCH層436(代替SL層418、424)之圖4(b)LD結構之 TEM圖像，其中作用區420在η型7% InGaN體SCH層434上 包含量子井結構，且量子井結構包含具有AlGaN障壁432 之InGaN井430。圖4(e)及圖4(f)之TEM圖像顯示無缺陷（例 如，無堆積缺陷）且無錯配位錯。然而，在其他實施例 中，該堆積缺陷或錯配位錯密度可小於106cm_2。 與具有較低A1組成之量子井障壁相比，含A1量子井障壁 432之A1組成藉由補償雷射二極體或器件中由下部及上部 含In引導層（418、424)引起之應變，可減少或防止雷射二 極體或器件中由下部及上部含In引導層（418、424)之In組 成引起之錯配位錯。 舉例而言，與具有較低A1組成之量子井障壁相比，含A1 量子井障壁432之A1組成藉由補償量子井430中之高In組成 中之應變，可減少或防止雷射二極體或器件中由量子井中 之高In組成引起之不發光缺陷（例如，三角形深色缺陷）。 圖4(a)及圖4(b)亦圖解說明三族氮化物層402-406可以半 極性定向或方向（例如，20-21方向）438磊晶生長於頂部表 面408上，使得各層402-406之頂部表面或介面440係半極 性平面（例如，表面4 0 8之半極性平面）。 本發明可使用含A1量子障壁層、含In量子井層及含In SCH層。圖4(b)-(f)圖解說明含A1層係AlGaN 432且含In層 係InGaN 430、41 8之特定實例。 方塊210代表將器件結構加工成器件。舉例而言，藉助 習用微影及乾式蝕刻技術沿c-軸之平面内投影可在圖4(a) 155218.doc -20- 201205863 結構中形成2 μιη脊之條形圖案，其中腔長度為1200 μιη。 可藉由劈裂形成小面。藉由習用箭射製程在劈裂小面上沈 積高反射率分佈式布拉格反射器（High reflectivity distributed Bragg reflector) (DBR)(由 Si02(在 520 nm 下 n-1.5)及 Ta2〇5(在 520 nm下 n=2.2)堆疊組成）。在 520 nm下. 前小面及後小面之反射率分別為97%及99〇/〇。 在一個實施例中，器件結構係雷射二極體結構，其光侷 限因子至少為3且驅動電流為20 mA時輸出功率至少為2 mW 〇 如光電子及電子器件製作領域所知，可省略或添加步 驟，或可添加額外層（例如，n-及p_接觸層及電極）。 實驗結果 圖5(a)及5(b)顯示生長於（20-21)平面上之圖1無AlGaN包 覆雷射結構之螢光顯微鏡圖像（觀看自雷射結構之頂侧或 p++ GaN 118側發射之螢光）。然而，圖5(a)係無體inGaN SCH 108、114之圖1雷射結構之圖像，而圖5(b)係具有體 InGaN SCH 108、114之圖1雷射結構之圖像。在圖5⑷及 圖5(b)二者中，作用層no包含生長於（2〇5i)平面上之
InGaN量子井及GaN或InGaN障壁。在具有體inGaN SCH 108、114之情形下顯示黑色線特徵500(圖5(b))，但在無體 InGaN SCH之情形下看不到黑色線特徵（圖5⑷）。 圖6(a)及6(b)顯示圖1無AlGaN包覆之LD結構之螢光顯微 鏡圖像（觀看自雷射結構之頂侧或p++ GaN 118侧發射之螢 光）。圖6(a)及圖6(b)量測生長於（2051)平面上具有5%體 155218.doc -21- 201205863
InGaN SCH 108、114(圖 6(a))及 7.5%體 InGaN SCH 108、 114(圖6(b))之無AlGaN包覆之LD結構。圖6(b)中黑色線特 徵或缺陷600更明顯，此表明黑色線特徵或缺陷600之數量 隨著SCH 108、114中銦組成之增加而增加（如圖6(b)中黑 色線缺陷比圖6(a)更多所顯示）。 較高之SCH中In組成亦意味著在整個結構中聚積了較高 之壓縮應變，從而在作用區中形成黑色線缺陷。AlGaN障 壁可補償作用區中之此應變。 圖7(a)及7(b)顯示圖1無AlGaN包覆之LD結構之螢光顯微 鏡圖像（觀看自雷射結構之頂側或P++ GaN 118側發射之螢 光）。圖7(a)及圖7(b)量測生長於（20-21)平面上具有3週期 MQW之無AlGaN包覆之LD結構，MQW包含3層厚4.5 nm之 InGaN量子井及10 nm厚InGaN障壁。可看到大的黑色三角 區700(具有減少之光輸出）及深色線缺陷702。 圖8(a)及8(b)顯示圖1無AlGaN包覆之LD結構之螢光顯微 鏡圖像（觀看自雷射結構之頂側或p++ GaN 11 8側發射之螢 光）。圖8(a)及圖8(b)量測生長於（20-21)平面上具有5週期 MQW之無AlGaN包覆之LD結構，MQW包含5層厚4.5 nm之 InGaN量子井及10 nm厚InGaN障壁。可看到大的黑色三角 區800(具有減少之光輸出）及深色線缺陷8〇2。
使三個使用圖4(b)結構之雷射樣品（雷射a、雷射B及雷 射C)生長。在雷射A中，用GaN障壁（GaN br)替代AlGaN障 壁 432 ’ 在雷射 B 中，使用 Al0 05Ga0 95N障壁 432 (AlGaN br) 且在雷射C中’用In0.03Ga0.97N障壁（InGaN br)替代AlGaN 155218.doc -22- 201205863 障壁432。 圖9顯示在LD生長後雷射A、雷射B及雷射C頂部之數位 照片。雷射A、B及C之電致發光（EL)自發發射峰波長介於 520 nm至540 nm之間。顯然，在可見比例尺下雷射b(具有 AlGaN障壁）看起來均勻。相反，在可見比例尺下雷射八（耳 有GaN障壁）及雷射C(具有InGaN障壁）中很大區域不均句 (如由深色區域900證實）。因此，三族氮化物器件層可形成 發光器件，其中作用層發光，且該器件在作用層之整個頂 部表面、整個底部表面或整個側壁中之一者或多者上均句 發光。 雷射A同一區域之螢光顯微鏡圖像及光學顯微鏡圖像（觀 看雷射結構之頂侧或p++ GaN 428侧）分別顯示於圖10(心及 10(b)中。本發明注意到，在螢光及光學顯微鏡圖像二者中 均可觀察到不發光三角區域1000。三角區域丨〇〇〇由QW 430中可能具有高密度非輻射性重組中心之缺陷組成，且 該等缺陷團簇導致QW 43 0在綠色光譜範圍（發射波長λ>515 nm)内輸出功率較低。 雷射A(具有GaN障壁）、雷射B(具有AlGaN障壁）及雷射 C(具有InGaN障壁）之更大放大倍數螢光顯微鏡圖像（觀看 雷射結構之頂側或p++ GaN 428側）分別顯示於圖1 i(a)_ 11(c)中。在圖11(b)中，雷射B顯示均勻（^|發射而無不發 光區且EL自發發射峰波長為52? nm。當磊晶生長含有 InGaN引導層418、424時，全部三個LD共同沿方向[^ο] 出現條紋1100。與雷射B相比，雷射A及c之螢光圖像顯示 155218.doc -23- 201205863 大的三角形不發光區1102、1104，此指示該等磊晶晶圓之 量子效率較低。注意，該等三角形缺陷規模相當大（超過 100 μιη) ’使得具有高量子效率之區域顯著減少。具有該 等三角形缺陷之LD具有較低之内部量子效率、不均勻發 射區域及高光學損耗。因此，本發明可獲得其中器件結構 中之深色或不發光缺陷具有小於100微米X 1〇〇微米之表面 積及小於約4.5 xlO3 cm·2之密度的器件。 元整雷射A蟲晶晶圓及完整雷射b蟲晶晶圓之螢光圖像 分別顯示於圖12(a)及圖12(b)中（觀看雷射結構之頂侧或p++
GaN 428側）。在螢光顯微鏡下，本發明鑒定雷射A中之不 發光區’該等區域包括許多小的三角形不發光特徵 12〇0(其中不發光）。雷射B(具有A1GaN障壁）具有遠遠更少 且更小之二角形不發光區12〇〇。在該兩種[1)中，光致發 光（PL)峰波長因承載器上之溫度不均自性而在晶圓上自左 至右逐漸增加（無意地），此指示井43〇中之銦組成在晶圓上 自左至右逐漸增加。在雷射八之情形下，隨著孔峰波長增
加，三角形不發光區12〇〇之數量亦增加。儘管平均雷射B 之PL译波長更長，但雷❹顯示比雷射A更佳之發射均句 性及更少之三角形不發光區丨2〇〇。 所有晶圓中之三角形不私伞p + h， 心小散光£之定向均面向晶圓同 側’此指示三角形不發光區係結晶的。此外，朝向獨立 (2〇-2D GaN基板c_方向之斜切角（I)對作用區在綠色光 範圍内之品質具有有利影塑。合 曰 田9c>0.25〇時，不發光區 數里及尺寸一者均顯著增加。因 作用區中之AlGaN障壁 155218.doc •24· 201205863 即使當q>c>〇.45°時仍可獲得高品質作用區。藉助TEM分析 觀察雷射Α及雷射C中之BPSF及錯配位錯。 圖13(a)-(c)顯示另一具有圖4(a)雷射結構之樣品之螢光 顯微鏡圖像（觀看雷射結構之頂側或p++ GaN 428側），其中 使用GaN障壁（圖13(a))、用InGaN障壁替代GaN障壁（圖 ' 13(b))且用（c) AlGaN 障壁替代 GaN 障壁（圖 13(c))。圖 13(a)- (c)證實AlGaN障壁可有效防止三角形非輻射性缺陷1300。 圖14顯示XRD掃描，且圖15顯示InGaN超晶格SCH層 〇 (In%=10%)之AFM掃描，其中在5 μιηχ 5 μπι區域内圖15中 之均方根（RMS)表面粗糙度為0.07 nm。因此，圖4(a)或圖 4(b)器件結構之三族氮化物器件層402-406中之一者或多 者、或全部可具有RMS粗糙度小於0.07 nm之頂部表面 440。圖15中所示表面1500係層418之頂部表面且係（20-21) 半極性平面。 XRD掃描中之清晰邊緣峰指示SCH膜之良好晶體品質及 共格生長。 ❹ 圖16顯示雷射器件之代表性劈裂小面1600之SEM圖像， 其展示LD可進一步包含由兩個鏡界定之雷射腔。然而， _ 舉例而言，LD不限於劈裂鏡，可對該等鏡進行蝕刻（例 如，藉由乾式钕刻）。 圖17顯示雷射B之倒晶格圖譜，其展示GaN 1700及 InGaN SCH及QW 1702之圖譜，且證實共格生長。在圖 4(c) TEM圖像中觀察到共格生長而無堆積缺陷或錯配位 錯0 155218.doc -25- 201205863 圖1 8顯示EL輸出功率隨雷射磊晶晶圓之波長變化之散點 圖。具有AlGaN障壁432之磊晶晶圓具有更高之EL輸出功 率及更高之最大允許上限（present upper limit) 1 800，高於 使用InGaN或GaN障壁之晶圓之最大允許上限1802。使用 AlGaN障壁432為綠色及黃色光譜區中之發射提供高内部 量子效率之途徑。對波長長於515 nm之PL峰而言，AlGaN 障壁532對非發射區循環消除效果顯著。 藉由習用微影及乾式蝕刻技術沿c-軸之平面内投影使用 圖4(a)結構中所形成之2 μιη脊之條形圖案（其中腔長度為 1200 μιη)將雷射Β加工成器件。藉由劈裂形成小面。藉助 習用濺鍍製程將高反射率分佈式布拉格反射器（DBR)(由 Si〇2(在 520 nm 下 η=1.5)及 Ta2〇5(在 520 nm 下 η=2.2)組成）堆 疊沈積於劈裂小面上。在520 nm下前小面及後小面之反射 率分別為97%及99%。 圖19(a)及19(b)分別顯示在脈衝作業（佔空比為0.01%)及 1200微米之腔長度下，在雷射脊寬度為2 μπι時雷射B的雷 射光譜及光輸出功率-注入電流-電壓（LIV)曲線。圖19(a) 繪製自發發射（驅動電流為2 0 m Α時）及受激發射（驅動電流 I>Ith時）之代表性光譜。在低電流20 mA下之自發發射峰及 雷射波長分別為528及516 nm。圖19(b)顯示臨限電流為 720 mA，對應於30 kA/cm2之臨限電流密度。圖19(a)之自 發發射光譜圖解說明本發明使得能夠自光電子器件發射至 少5 2 8 nm之峰波長。 圖20顯示另一具有圖4(b)結構及AlGaN障壁432之LD樣 155218.doc -26- 201205863 〇〇之雷射。其中達成513 nm雷射。因此，舉例而言，本發 明揭示在大於500 nm之峰波長下（例如，在至少5 13 nm2 波長下）產生雷射之LD。 基於圖21之模擬[21]，使用GaN障壁及5〇 nm η_&ρ_ 1110.1〇30_91^引導層所估計之光侷限因子為3.33〇/〇。當障壁中 A1%自0%變化至10%時，光侷限因子自3 33變化至2 83%。 根據s亥模擬’為進一步改良光偈限，可增加引導層中之姻 含量且可最小化障壁中之鋁含量以獲得高量子效率作用 區。本發明證實改良發射均勻性及内部效率所需八犯心障 壁中最小A1組成為3 %。然而，本發明不限於此八丨組成及 該模擬之結果。 上述實驗結果顯示已達成本發明獲得光滑介面及表面形 態、以及高效作用區及均勻且光滑的引導層之目標。 1. 在各井之間使用AlGaN層（1 -5% A1)作為應變補償層 及P早壁可補償來自愚In組成量子井及SCH層之應變，從而 減少非輻射性缺陷並在綠色發射區中得到均勻量子井發 射。AlGaN障壁使得可在雷射結構中使用較高In組成 SCH。 2. 使用高 In-含量 IrixGahN/GaN 超晶格 sCH(x=5-25%) (在與InGaN體SCH類似之溫度下生長）得到光滑且無缺陷 的波導層。平均In-含量可介於8%至15%之間。 本發明使用GaN包覆層。對於典型ld結構，QW週期之 數量可介於2至6之間，井寬度可介於2 nm至8 nm，且障壁 寬度為6 nm至15 nm。最後一個障壁之典型厚度為5 nm至 155218.doc -27- 201205863 20 nm。最後一個障壁可緊接AlGaN電子阻擋層（EBL)，其 典型厚度及A1濃度範圍分別介於6 nm至20 nm之間及10% 至250/〇之間。通常用Mg摻雜AlGaN EBL。 在一個貫施例中，如圖4(b)中所示，本發明與（2〇_21)_平 面無AlGaN包覆之結構一起使用，尤其對於在綠色光譜區 中發射而言。 可能之修改 可對本發明做出以下可能之修改： 1 _可將本發明應用於極性、非極性及半極性ΕΕ)。 2.可將本發明應用於發射（例如）介於紫外（uv)至綠色 光譜範圍間之任一波長及更長波長之任一發光器件。
3.可將本發明應用於含有InGaN、GaN或AlInGaN SCH 層之L D結構。 4.下部包覆層可為四元合金（AUnGaN)或三元八…⑽層 (代替GaN層）。
間之差異。
InGaN組成之結構。
111〇狂>1超晶枚艿 Tna、 下部及上部SCH層具有不同
1)及（η 0 -η - ’上面生長LD之半極性平面） 20-21 ^ 11-22. 30-31 -1)平面（11係整數）等 ' 30-3-1 ' 10-1-1 ' (η 0 -η 。此乃因在該等平面上可 155218.doc -28· 201205863 能達成逐步生長（例如，平坦生長）、光滑表面及光滑量子 井。因此，半極性平面408可為平坦的。三族氮化物器件 層中之一個或多者可為平坦層。舉例而言，三族氮化物層 中之一個或多者可具有平坦頂部表面。三族氮化物層中之 一個或多者可具有平坦介面（具有其他三族氮化物層）。 ' 9. LD鏡可藉由乾式蝕刻加以蝕刻或劈裂。在半極性
GaN之情形下，經劈裂之鏡較佳用於大量生產，但經蝕刻 之鏡可較好地保證垂直小面。 〇 1〇.障壁中之Al%(%組成）可為0<x<5%。障壁中A1組成 較高不太合適，此乃因AlGaN障壁導致折射指數較小，從 而可減少光侷限。 11. InGaN引導層可為包含變動之In組成之體結構或
InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格（SL)結構。體結構易於 生長且適於大量生產。然而，SL可增加臨界厚度，故本發 明可增加引導層之平均In組成而無錯配位錯，因此增強光 侷限。
Q 12·本發明已闡述LD中之AlGaN障壁層及SCH層。SCH 層（例如，InGaN SCH層）通常（但並非必須）用於LD中，然 . 而，AlGaN障壁層不僅可用於LD中，亦可用於諸如發光二 極體（LED)等其他光電子器件。因此，與LD—樣，可使用 本發明來製作LED。變化形式亦包括其他光電子器件（光子 晶體雷射、太陽能電池、光探測器、超發光二極體 (SLD)、半導體放大器、垂直腔表面發射射雷射（VCSEL) 及電晶體（例如，高電子遷移率電晶體）。本發明不限於特 155218.doc -29- 201205863 定厚度或組成的三族氮化物層。本發明不限於特定數量或 厚度的量子井及障壁，但量子井厚度大於4 nm較佳。 13.舉例而言，可使用不同於MOCVD之生長方法來生 長器件，包括但不限於分子束磊晶（MBE)及氫化物氣相磊 晶（HVPE),。 本發明並非意欲受限於本文所給出之任一特定科學理 論。 優點及改良 與習用（2051)-平面雷射二極體結構相比，本發明具有以 下優點及改良： 1 ·使用AlGaN障壁層來減少綠色發光量子井中之大規 模三角形缺陷。 2.使用AlGaN障壁層與較高In組成體SCH層（In%>7%)以 獲得光滑表面形態及均勻量子發射。 3·使用InGaN超晶格SCH層以允許高含In InGaN層生 長。 4.使用不對稱InGaN SPSLS以允許高含In InGaN層生 長。 參考文獻 以下參考文獻以引用方式併入本文中： [1] S. Nakamura、M. Senoh、S. Nagahama、N. Iwasa、T. Yamada、T. Matsushita、H. Kiyoku 及 Y_ Sugimoto : Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74。 [2] A. Avramescu 、 T. Lermer ' J. Muller ' C. 155218.doc -30- 201205863
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劈裂小面 GaN
InGaN分離侷限式異構層及量子井 155218.doc -40-

Claims (1)

  1. 201205863 七、申請專利範圍： 1. 一種基於半極性平面三族氮化物半導體之光電子器件結 構，其包含： 一個或多個包括作用層之三族氮化物器件層，其中該 作用層包括： ' 至少第一及第二含鋁（A1)量子井障壁層；及 半極性含銦（In)量子井層，其定位於該第一與第二 含A1量子井障壁層之間，其中該半極性含in量子井層 Ο 及該第一及第二含A1量子井障壁層係半極性平面上以 半極性定向生長。 2. 如請求項1之器件結構，其中該等三族氮化物器件層進 一步包含： 上部含In分離侷限式異構（SCH)層及定位於該作用層 之任一侧上的下部含In SCH層，其中該上部及下部SCH 層之In組成高於無該第一及第二含A1量子井障壁層之類 似器件中上部及下部SCH層中之In組成。 ❹ 3·如請求項1之器件結構，其中該等三族氮化物器件層進 一步包含： 上部含In分離偈限式異構（SCH)層及定位於該作用層 之任一側上的下部含In SCH層，其中該上部及下部含化 SCH層具有大於10%之in組成。 4·如請求項1之器件結構，其中該含A1量子井障壁層係 AlGaN且該含in量子井層係inGaN。 5.如請求項2之器件結構，其中該上部及下部含In sch層 155218.doc 201205863 係InGaN層。 6·如請求項2之器件結構，其中該上部含in SCH層及下部 含In SCH層中之至少一者係包含變動之In組成之 InGaN/GaN 或 InGaN/AlGaN超晶格（SL)結構。 7_如請求項2之器件結構，其中與具有較低A1組成之量子 井障壁相比’該第一及第二含A1量子井障壁層之乂組成 藉由補償該器件結構中由該下部及上部含In SCH層引起 之應變’可減少或防止該等三族氮化物器件層中由該下 部及上部SCH層之in組成引起之錯配位錯。 8. 如請求項6之器件結構，其中該器件結構係雷射二極體 結構’其光偈限因子至少為3且驅動電流為20 mA時輸出 功率至少為2 mW。 9. 如凊求項1之器件結構，其中該等三族氮化物器件層係 共格生長而無堆積缺陷或錯配位錯。 1〇·如凊求項1之器件結構，其中該等三族氮化物器件層形 成發光器件，該作用層發光，且該器件在該作用層之整 個員。P表面、整個底部表面或整個側壁中之一者或多者 上均勻發光。 11. 如叫求項i之器件結構，其中與具有較低A1組成之量子 井障壁相比，該第一及第二AlGaN量子井障壁之A1組成 藉由補仏因該等量子井中之In組成所產生之應變，可減 乂或防止該器件結構中由該半極性含In量子井之In組成 引起之三角形深色缺陷。 12. 如明求項丨之器件結構，其中該器件結構中之深色缺陷 155218.doc 201205863 具有小於100微米X 100微米之表面積及小於約4 5χΐ〇3 cm_2之密度。 13. 如睛求項1之器件結構，其中該半極性平面係^:卜⑴ 22 ' 30-31 ' 30-3-1 > 10-1^ - (η 〇 -n 1) > (η Ο -η -1)^ 面且η係整數，使得達成平坦逐步生長，且該等三族 I化物器件層及該量子井結構具有光滑平坦表面及介 面。 14. 如請求項!之器件結構’其進一步包含由兩個鏡界定之 U 雷射腔，其中該等鏡係藉由乾式蝕刻進行蝕刻或劈裂。 15. 如請求項1之器件結構，其中該第一及第二含μ量子井 障壁中之A1百分比組成\為0<父<5%。 > 16. 如請求項丨之器件結構，其中該器件結構形成發射綠光 之（20-21)平面雷射二極體。 17. 如請求項丨之器件結構，進一步包含無AiGaN包覆之雷射 二極體’其包含該ϋ件結構，其中該等三族氮化物器件 層進一步包含： 沈積於GaN基板之半極性平面上或上方之第一 GaN包 覆層； 沈積於該第-GaN包覆層上或上方之第—ΐη&Ν引導 或分離侷限式異構（SCH)層； 沈積於該第-InGaN引導或SCH層上或上方之作用 層； 沈積於該作用層上或上方之第二InGaN引導或sch 層；及 155218.doc 201205863 沈積於該第二InGaN引導或SCH層上或上方之第二GaN 包覆層。 18.如請求項1之器件結構，其中與無該第一及第二含…量 子井障壁層之器件相比’該含銦量子井層具有更高之銦 組成。 19·如請求項1之器件結構’其中該含化量子井層及該第一及 第二含A1障壁層使得該器件發射或吸收峰強度在綠色、 黃色或紅色光譜範圍内之光。 20.如請求項1之器件結構，其中該含Inf子井層及該含…障 壁層使得該器件發射或吸收峰波長大於5丨5 ηιη之光。 21_如請求項1之器件結構，其中該含比量子井層具有至少 16%之銦組成及大於4奈米之厚度。 22. 如請求項丨之器件結構，其中該等三族氮化物器件層具 有均方根表面粗糙度小於〇.〇7nm之頂部表面或介面。 23. —種製作基於半極性平面三族氮化物半導體之光電子器 件之方法，其包含： 形成一個或多個包括作用層之三族氮化物器件層，其 中該作用層係藉由以下方式形成： 沈積第一半極性含鋁（A1)量子井障壁層； 在該第一含A1量子井障壁層上沈積半極性含銦（in) 量子井層；且 在該含In量子井層上沈積第二半極性含以量子井障 土層使得該半極性含In量子井定位於該等AiGaN量 子井障』層之間’其中該半極性InGaN量子井層及該 155218.doc 201205863 等AlGaN量子井障壁層係半極性平面上以半極性定向 生長。 24. 如請求項23之方法，其中沈積該等三族氮化物器件層進 一步包含： 沈積下部含In分離侷限式異構（SCH)層； ' 在該下部含In SCH層上或上方沈積該作用層；及 在該作用層上或上方沈積上部含In SCH層，其中該上 部及下部SCH層之In組成高於無該第一及第二含A1量子 Ο 井障壁層之類似器件中上部及下部SCH層中之In組成。 25. 如請求項23之方法，其中沈積該等三族氮化物器件層進 一步包含： 沈積下部含In分離偈限式異構（SCH)層； 在該下部含In SCH層上或上方沈積該作用層；及 在該作用層上或上方沈積上部含In SCH層，其中該上 部及下部含In SCH層具有大於10%之In組成。 26_如請求項23之方法，其中該含A1量子井障壁層係AlGaN ❹ 且該含In量子井層係InGaN。 27. 如請求項24之方法，其中該上部及下部含In SCH層係 InGaN層。 28. 如請求項24之方法，其中該上部含In SCH層及下部含In SCH層中之至少一者係包含變動之In組成之InGaN/GaN 或InGaN/AlGaN超晶格（SL)結構。 29. 如請求項24之方法，其中與具有較低A1組成之量子井障 壁相比，該第一及第二含A1量子井障壁層之A1組成藉由 155218.doc 201205863 補償該器件結構中由該下部及上部含In SCH層引起之應 變’可減少或防止該等三族氮化物器件層中由該下部及 上部SCH層之In組成引起之錯配位錯。 30 31. 32. 33. 34. 35. •如請求項28之方法，其中該器件結構係光侷限因子至少 為3之雷射二極體結構。 如請求項23之方法，其中該等三族氮化物器件層係共格 生長而無堆積缺陷或錯配位錯。 如請求項23之方法，其中該等三族氮化物器件層形成發 光器件，該作用層發光，且該器件在該作用層之整個頂 邛表面、整個底部表面或整個側壁中之一者或多者上均 勻發光。 如請求項23之方法，其中與具有較低刈組成之量子井障 壁相比，該第一及第二AlGaN量子井障壁之八丨組成藉由 補償因該等量子井中之比組成所產生之應變，可減少或 防止該器件結構中由該半極性含&量子井中之&組成引 起之三角形深色缺陷。 如請求項23之方法，其中該器件結構中之以缺陷具有 小於100微米X 100微米之表面積及小於約4 咖2之 密度。 如叫求項23之方法，其中該半極性平面係2〇_21、11_ 30 31 ^ 30-3-1 > > (n 〇 _n i) . (n 〇 _n 面且n係^數，使得達成平坦逐步生長，且該等三族 氮化物器件層及該I工此# u 量子井、、'°構具有光滑平坦表面及介 面。 155218.doc 201205863 3 6.如請求項23之方法，其進一步包含形成由兩個鏡界定之 雷射腔，其中該等鏡係藉由乾式蝕刻進行蝕刻或劈裂。 37. 如請求項23之方法，其中該第一及第二含A1量子井障壁 中之A1百分比組成X為0<x<5°/〇。 38. 如請求項23之方法，其中該等三族氮化物層形成發射綠 光之（20-21)平面雷射二極體。 39. 如請求項23之方法，其進一步包含自該器件結構形成無 AlGaN包覆之雷射二極體，其中該形成該等三族氮化物 器件層進一步包含： 在GaN基板之半極性平面上或上方沈積第一 GaN包覆 層； 在該第一 GaN包覆層上或上方沈積第一 InGaN引導或 分離侷限式異構（SCH)層； 在該第一 InGaN引導或SCH層上或上方沈積該作用 層； 在該作用層上或上方沈積第二InGaN引導或SCH層；及 在該第二InGaN引導或SCH層上或上方沈積第二GaN包 覆層。 40. 如請求項23之方法，其中與無該第一及第二含A1量子井 障壁層之器件相比，該含銦量子井層具有更高之銦組 成。 41. 如請求項23之方法，其中該含In量子井層及該第一及第 二含A1障壁層使得該器件發射或吸收峰強度在綠色、黃 色或紅色光譜範圍内之光。 155218.doc 201205863 42.如請求項23之方法，其中該含in量子井層及該含A1障壁 層使得該器件發射或吸收峰波長大於5 1 5 nm之光。 43_如請求項23之方法，其中該含In量子井層具有至少16% 之銦組成及大於4奈米之厚度。 44. 如請求項23之方法，其中該等三族氮化物器件層具有均 方根表面粗链度小於0.07 nm之頂部表面或介面。 45. —種在器件之量子井結構中使用含鋁（Ai)障壁層之方 法，其包含： 在該器件中使用該含A1障壁層來減少或防止錯配位 錯、堆積缺陷或深色不發光缺陷中之一者或多者。 155218.doc
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