(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩＩＩ−窒化物構造体を成長させるステップを含む方法であって、
前記ＩＩＩ−窒化物構造体は、テンプレートと、前記テンプレートの上に成長させたデバイス層とを含み、
前記テンプレートは、
前記基板上に直接成長させた実質的にインジウムを含まない第１層と、
前記第１層の上に成長させた第１の実質的に単結晶の層と、
前記第１の実質的に単結晶の層の上に成長させた、インジウムを含む非単結晶層である第２層と、
前記第１の実質的に単結晶の層と前記第２層との間に配置された第２の実質的に単結晶の層とを含み、前記第２の実質的に単結晶の層と同じ組成の材料のバルク格子定数が、前記第１の実質的に単結晶の層と同じ組成の材料のバルク格子定数よりも大きく、
前記デバイス層は、ｎ型領域とｐ型領域との間に配置されたＩＩＩ−窒化物発光層を含み、
前記テンプレートが、前記第２層の上に成長させた第３の実質的に単結晶の層をさらに含み、
前記第１の実質的に単結晶の層がＧａＮ層であり、前記第３の実質的に単結晶の層が、ＩｎＮ組成が０．５％〜２０％のＩｎＧａＮ層であり、前記第３の実質的に単結晶の層内のＩｎＮ組成が、前記第２の実質的に単結晶の層内のＩｎＮ組成よりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記テンプレートが、前記第３の実質的に単結晶の層の上に成長させた、インジウムを含む非単結晶層である第３層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の実質的に単結晶の層の成長温度と前記第２層の成長温度との間の差が少なくとも２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２層が、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3の炭素含有量を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−窒化物構造体をマウントに接続し、前記基板を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板の除去の後、前記テンプレートの一部を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記発光層が、前記発光層と同じ組成の自立した材料の格子定数に対応するバルク格子定数ａバルクを有し、前記発光層が、前記構造体中で成長したときの前記発光層の格子定数に対応する面内格子定数ａ面内を有し、前記発光層における｜（ａ面内−ａバルク）｜／ａバルクが１％未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記発光層のａ格子定数が３．１８９オングストロームを上回ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記構造体を、前記基板の主要結晶面から少なくとも１°傾いた基板の面上に成長させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記発光層が１５オングストロームを上回る厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記発光層が、シリコンで１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3のドーパント濃度までドープされていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１層が５００オングストローム未満の厚さを有する非単結晶ＧａＮ層であり、前記第１の実質的に単結晶の層がＧａＮであり、５００オングストロームを上回る厚さを有し、前記第２層が５００オングストローム未満の厚さの非単結晶ＩｎＧａＮ層であり、０より多く２０％より少ないＩｎＮ組成を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の実質的に単結晶の層の成長温度と前記第２層の成長温度との間の差が少なくとも３００℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記発光層のスレッディング転位密度が３×１０9ｃｍ-2未満であり、前記発光層におけるａ格子定数が３．２００Åより大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイスのための成長技術及びデバイス構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直共振器レーザ・ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び端面発光型レーザを含む半導体発光デバイスは、現在利用可能な光源の中でもとりわけ効率的である。ＵＶ、可視、及び可能であれば赤外スペクトルにわたって作動可能な高輝度発光デバイスの製造において現在注目されている材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ−窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２成分系、３成分系、及び４成分系の合金を含む。典型的には、ＩＩＩ−窒化物発光デバイスは、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックを金属・有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又はその他のエピタキシャル技術によってサファイア、炭化シリコン、ＩＩＩ−窒化物、又はその他の適切な基板上にエピタキシャル成長させることによって製造される。スタックはしばしば、基板の上に形成された、例えばＳｉでドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、ｎ型層（単層又は複層）の上に形成された活性領域の中の１つ又はそれ以上の発光層と、活性領域の上に形成された、例えばＭｇでドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む。電気コンタクトがｎ型及びｐ型領域の上に形成される。これらのＩＩＩ−窒化物材料はまた、他のオプトエレクトロニック、並びに及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、及び検出器のような電子デバイスのためにも注目される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，４８９，６３６号明細書
【特許文献２】英国特許出願公開第２  ３３８  １０７Ａ号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２７４，９２４号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｔｏｍｉｙａ他、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ、第６１３３巻、ｐｐ．６１３３０８−１−６１３３０８−１０（２００６年）
【非特許文献２】Ｐｏｎｃｅ他、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｓｔａｔｕｓ  Ｓｏｌｉｄｉ、第Ｂ２４０巻、ｐｐ．２７３−２８４（２００３年）
【非特許文献３】Ｂｏｅｔｔｃｈｅｒ他、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７８巻、ｐｐ．１９６７−１９７８（２００１年）
【非特許文献４】Ｋｏｌｅｓｋｅ他、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第８１巻、ｐｐ．１９４０−１９４２（２００２年）
【非特許文献５】Ｒｏｍａｎｏ他、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第８７巻、ｐｐ．７７４５−７７５２（２０００年）
【非特許文献６】Ｂｏｓｉ及びＦｏｒｎａｒｉ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２６５巻、ｐｐ．４３４−４３９（２００４年）
【非特許文献７】Ｏｌｉｖｅｒ他、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、第９７巻、ｐｐ．０１３７０７−１−０１３７０７−８（２００５年）
【非特許文献８】Ｈｉｒａｍａｔｓｕ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ  Ｍａｔｔｅｒ、第１３巻、ｐｐ．６９６１−６９７５（２００１年）
【非特許文献９】Ｉｔｏｈ他、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５２巻、ｐｐ．１６１７−１６１８（１９８８年）
【非特許文献１０】Ｆｉｇｇｅ他、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、第２２１巻、ｐｐ．２６２−２６６（２０００年）
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態において、ＩＩＩ−窒化物デバイスの発光層を含むデバイス層を、デバイス内の、特に発光層内の歪みを減らすように設計されたテンプレートの上で成長させる。この歪みは、以下のように定義される。所与の層は、その層と同じ組成の自立した材料の格子定数に対応するバルク格子定数ａbulkと、構造体の中で成長したときのその層の格子定数に対応する面内格子定数ａ面内とを有する。層内の歪みの量は、デバイス内の特定の層を形成する材料の面内格子定数とその層のバルク格子定数との差をバルク格子定数で除したものである。
【０００６】
発光デバイス内の歪みを低減させることで、デバイスの性能を向上させることができる。テンプレートは、従来の成長テンプレートから得られる格子定数の範囲を超えて発光層における格子定数を拡張することができる。本発明の幾つかの実施形態において、発光層内の歪みは１％未満である。
【０００７】
幾つかの実施形態において、テンプレートは低温で成長させた２つの層、すなわち、基板上で直接成長させたＧａＮのようなインジウムを含まない核形成層と、インジウムを含まない層の上で成長させたＩｎＧａＮのようなインジウム含有層とを含む。両層とも非単結晶層とすることができる。幾つかの実施形態において、ＧａＮ層のような単結晶層を核形成層とインジウム含有層との間に成長させることができる。幾つかの実施形態において、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮのような単結晶層を低温インジウム含有層の上に成長させることができる。
【０００８】
幾つかの実施形態において、テンプレートは、多層スタック又はグレーデッド領域をさらに含み、又は熱アニール若しくは熱サイクル成長ステップを含むプロセスによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術によるデバイスの部分の断面図である。
【図２】従来の低温核形成層の後に成長させた低温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図３】多重低温核形成層の上に成長させた低温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図４】従来の低温核形成層の上に成長させた多重低温層を含むデバイスの部分断面図である。
【図５】低温核形成層及び低温ＩｎＧａＮ層の１つより多い組を含むデバイスの部分断面図である。
【図６】多重低温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図７】アニール及びデバイス層の成長の後の図６の構造体の断面図である。
【図８】高温ＧａＮ層の後に成長させた低温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図９】低温ＩｎＧａＮ層の後に成長させた高温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図１０】高温ＧａＮ層の後に成長させた低温ＩｎＧａＮ層の後に成長させた高温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図１１】２つの高温ＩｎＧａＮ層の間に配置された低温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分の断面図である。
【図１２】低温ＩｎＧａＮ層の上に成長させた２つの高温ＩｎＧａＮ層を含むデバイスの部分断面図である。
【図１３】熱サイクル成長によって成長させた多重インジウム・リッチ層及びインジウム・プア層を含むデバイスの部分断面図である。
【図１４】低温層及びグレーデッド組成層を含むデバイスの部分断面図である。
【図１５】ＧａＮ核形成層及び厚い高温ＧａＮ層を含む幾つかのデバイスについて、及び低温ＩｎＧａＮ層及び厚い高温ＧａＮ層を含む幾つかのデバイスについて、ａ格子定数の関数としてｃ格子定数をプロットしたものである。
【図１６】幾つかのデバイスについて、ｃ格子定数及びａ格子定数のプロットである。
【図１７】サファイアのようなウルツ鉱型構造の幾つかの主要結晶面を示す。
【図１８】成長基板が除去されたフリップチップ発光デバイスの部分を示す。
【図１９】パッケージングされた発光デバイスの組立分解図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
半導体発光デバイスの性能は、デバイスに供給される１電子当たりデバイスから抽出される光子の数を測る外部量子効率を測定することによって評価される。従来のＩＩＩ−窒化物発光デバイスに対して印加される電流密度が増大するにつれ、デバイスの外部量子効率は最初に増大し、その後、減少する。電流密度が増大してゼロを越えると、外部量子効率は増大して、所与の電流密度（例えば、あるデバイスでは約１０Ａ／ｃｍ2）でピークに達する。電流密度がピークを越えて増大すると、外部量子効率は最初に急速に降下し、次にもっと高い電流密度において（例えば、あるデバイスでは２００Ａ／ｃｍ2を越えると）緩やかに減少する。デバイスの量子効率はまた、発光領域内のＩｎＮ組成が増加するにつれて、及び発光波長が増大するにつれて、減少する。
【００１１】
高電流密度における量子効率の降下を減少又は反転させるための１つの技術は、より厚い発光層を形成することである。しかしながら、厚いＩＩＩ−窒化物発光層の成長は、ＩＩＩ−窒化物デバイス層内の歪みのせいで困難である。また、より長波長での発光を達成するためには、より高いＩｎＮ組成を取り込むことが望ましい。しかしながら、高ＩｎＮ組成のＩＩＩ−窒化物発光層の成長は、ＩＩＩ−窒化物デバイス層内の歪みのせいで困難である。
【００１２】
天然の（ｎａｔｉｖｅ）ＩＩＩ−窒化物成長基板は一般に高価であり、広く入手可能ではなく、商用のデバイスの成長のためには実際的ではないので、ＩＩＩ−窒化物デバイスはしばしばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）又はＳｉＣ基板の上で成長させる。このような非天然の基板は、基板上で成長させたＩＩＩ−窒化物デバイス層のバルク格子定数とは異なる格子定数、デバイス層とは異なる熱膨張係数、及び異なる化学的及び構造的特性を有するので、その結果、デバイス層内の歪み、並びにデバイス層と基板との間の化学的及び構造的不適合が生じる。この構造的不適合の例は、例えば、ＧａＮの結晶構造と、ＧａＮがその上で成長したサファイア基板の結晶構造との間の面内回転を含むことができる。
【００１３】
ここで用いられる場合、「面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）」格子定数は、デバイス内の層の実際の格子定数のことを指し、「バルク」格子定数は、所与の組成の、緩和した、自立した（ｆｒｅｅ  ｓｔａｎｄｉｎｇ）材料の格子定数のことを指す。歪みの量は式（１）で定義される。
歪み＝ε＝（ａ面内−ａバルク）／ａバルク            （１）
【００１４】
式（１）における歪みεは正又は負のいずれであってもよく、すなわちε＞０又はε＜０であることに留意のこと。歪みのない膜において、ａ面内＝ａバルクであり、それゆえ式（１）においてε＝０である。ε＞０の場合の膜は、引張り歪みの下にある、又は張力下にあるといわれ、他方、ε＜０の場合の膜は、圧縮歪みの下にある、又は圧縮下にあるといわれる。引張り歪みの例は、歪みのないＧａＮの上で成長させた歪みＡｌＧａＮ膜、又は歪みのないＩｎＧａＮの上で成長させた歪みＧａＮ膜を含む。どちらの場合も、歪み膜はそれがその上で成長した歪みのない層のバルク格子定数よりも小さいバルク格子定数を有するので、歪み膜の面内格子定数は、歪みのない層の格子定数に適合するために引き延ばされ、式（１）においてε＞０を与え、これによって膜は張力下にあるといわれる。圧縮歪みの例は、歪みのないＧａＮの上で成長させた歪みＩｎＧａＮ膜、又は歪みのないＡｌＧａＮの上で成長させた歪みＧａＮ膜を含む。どちらの場合も、歪み膜はそれがその上で成長した歪みのない層のバルク格子定数よりも大きいバルク格子定数を有するので、歪み膜の面内格子定数は、歪みのない層の格子定数に適合するために圧縮され、式（１）においてε＜０を与え、これによって膜は圧縮下にあるといわれる。
【００１５】
引張り膜において、歪みは、面内格子定数を大きくするために、原子を互いに離れる方向に引くように働く。膜は引張り歪みに対して亀裂で応答することがあり、これは膜内の歪みを減少させるが、膜の構造的及び電気的一体性を損なうので、この引張り歪みは、しばしば望ましくない。圧縮膜において、歪みは、原子を互いに押しつけあうように働き、この効果は、例えばＩｎＧａＮ膜内へのインジウムのような大きい原子の取り込みを減少させることがあり、又はＩｎＧａＮ  ＬＥＤにおけるＩｎＧａＮ活性層の材料品質を低下させることがある。多くの場合、引張り歪み及び圧縮歪みは両方とも望ましくないので、デバイスの種々の層内の引張り歪み又は圧縮歪みを減少させることは有益である。このような場合、式（２）で定義されるような歪みの絶対値又は等級を基準とするほうがより便利である。ここで用いられる「歪み」という用語は、式（２）で定義されるような歪みの絶対値又は等級を意味することを理解すべきである。
歪み＝｜ε｜＝｜（ａ面内−ａバルク）｜／ａバルク          （２）
【００１６】
ＩＩＩ−窒化物デバイスを従来通りＡｌ2Ｏ3上で成長させる場合、基板上で最初に成長させる構造体は通常、面内ａ格子定数が約３．１８９Å又はそれ以下のＧａＮテンプレート層である。ＧａＮテンプレートは、ＩｎＧａＮ発光層を含めてテンプレート層の上で成長する全てのデバイス層の格子定数を設定するという点で、発光領域のための格子定数のテンプレートとして働く。ＩｎＧａＮのバルク格子定数は従来のＧａＮテンプレートの面内格子定数よりも大きいので、従来のＧａＮテンプレートの上に成長する場合、発光層は圧縮的に歪むことになる。例えば、約４５０ｎｍの光を放出するように構成される発光層は、組成Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎを有することができ、この組成のバルク格子定数は、ＧａＮの格子定数の３．１８９Åと比べて、３．３４２Åである。より長波長の光を放出するように設計されたデバイスの場合のように、発光層におけるＩｎＮ組成が増大するにつれて、発光層内の圧縮歪みも増大する。
【００１７】
歪み層の厚さが臨界値を超えると、転位又は他の欠陥が層内に形成され、引用によりここに組み入れられる非特許文献１に記載されているように、歪みに関連したエネルギーを減少させる。構造的欠陥は非発光再結合中心に関連することがあり、これはデバイスの量子効率をかなり低下させることがある。結果として、発光層の厚さはこの臨界厚さを下回るように保持されなければならない。ＩｎＮ組成及びピーク波長が増大するにつれて発光層内の歪みは増大するので、そのため発光層の臨界厚さは減少する。
【００１８】
発光層の厚さを臨界厚さ未満に維持したとしても、ＩｎＧａＮ合金は、引用によりここに組み入れられる非特許文献２に記載されているように、特定の組成及び温度において熱力学的に不安定である。例えば、ＩｎＧａＮ成長のために典型的に用いられる温度において、ＩｎＧａＮはスピノーダル分解を呈することがあり、その場合、均一な組成のＩｎＧａＮは、平均より高いＩｎＮ組成の領域と平均より低いＩｎＮ組成の領域とを有する層へと変質する。ＩｎＧａＮ発光層におけるスピノーダル分解は、非発光再結合中心を生じさせ、内部吸収を増大させることがあり、これはデバイスの量子効率を低下させることがある。スピノーダル分解の問題は、発光層の厚さが増大するにつれて、発光層内の平均ＩｎＮ組成が増大するにつれて、及び／又は発光層内の歪みが増大するにつれて、悪化する。例えば、発光層をＧａＮテンプレート上で成長させて、５５０ｎｍの光を放出するように構成する場合、＞２０％のＩｎＮ組成と＞３０Åの好ましい厚さとの組合せは、スピノーダル分解の限界を超える。
【００１９】
従って、上記のように、電流密度が増大したときに生じる外部量子効率の降下を低減又は排除するためには発光層の厚さを増大することが望ましく、又は、より長い発光波長を達成するためにＩｎＮ組成を高めることが望ましい。どちらの場合も、より厚い又はより高い組成の発光層を成長させるために、臨界厚さを増大させることによって許容範囲内に欠陥数を維持するために、及びスピノーダル分解なしに層が成長することができる厚さを増大させるために、発光層内の歪みを低減させることが必要である。本発明の実施形態は、ＩＩＩ−窒化物デバイスのデバイス層内の、特に発光層内の歪みを減らすように設計される。
【００２０】
図１は、基板１の上で成長させた従来の核形成層２を有するデバイスを示す。１つ又はそれ以上の高温層３及び５を核形成層２の上で成長させることができ、デバイス層６は高温層３又は５の上で成長させることができる。ＩＩＩ−窒化物発光層内の歪みを低減させる従前の方法は、図１に示され特許文献１に記載されているように、高温の実質的に単結晶のＩｎＧａＮ領域５を、合体した（ｃｏａｌｅｓｃｅｄ）ＧａＮ領域３の上に成長させること、又は図１に示され特許文献２に記載されているように、インジウム含有核形成層２をサファイア基板上に直接成長させることを含む。しかしながら、合体したＧａＮの上に成長させたＩｎＧａＮ領域は典型的には効率的に緩和しないので、提供される歪みとそれに伴う欠陥の低減は限定的なものであり、またインジウム含有核形成層をサファイアの上に直接成長させることを含む特許文献２に記載のアプローチは、典型的には、高い転位密度、粗い表面、及び炭素及び酸素のような不純物の高い濃度を含む１つ又はそれ以上の問題をデバイス層にもたらす。従って、デバイス層内の歪みのみならず、転位密度及び表面粗さも制御することが必要である。
【００２１】
図１に示されるような従来のＧａＮテンプレート内の歪みを制御する別の方法は、引用により組み入れられる非特許文献３に記載のように、ＧａＮテンプレート内の転位密度を制御することである。このアプローチにおいて、ａ格子定数はスレッディング（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ）転位密度（ＴＤＤ）が増大するにつれて大きくなる。ａ格子定数とスレッディング転位密度との間の正確な関係は、Ｓｉ濃度、成長温度、及びテンプレート厚さを含む多くの因子に依存するが、従来のＧａＮテンプレートにおけるａ格子定数とスレッディング転位密度との間のおおよその関係は、
ａ面内＝３．１８３２＋９．５７８×１０-13＊ＴＤＤ          （３）
として記述することができる。
式（３）から、面内ａ格子定数３．１８９Åはおよそ６×１０9ｃｍ-2のスレッディング転位に対応することに留意されたい。このａ格子定数は、異なるＳｉ濃度、異なる成長温度、又は異なるテンプレート厚さを用いて、より低いスレッディング転位密度で達成することができるが、発明者らは、３．１８９Åより大きいａ格子定数を有する従来のＧａＮテンプレートは通常、少なくとも２×１０9ｃｍ-2のスレッディング転位密度を有することを観察した。図１におけるような従来のＧａＮ内のスレッディング転位密度を変化させることによって、発明者らは、従来のＧａＮテンプレートにおける面内ａ格子定数を約３．１８３２Åから約３．１９１９Åまでの範囲にわたって変化させた。
【００２２】
スレッディング転位密度を増大させることは、このように従来のＧａＮテンプレートにおけるａ格子定数の増大において概ね効果的であるが、この方法は幾つかの欠点を有する。例えば、転位のような欠陥は非発光再結合中心として働き、これは、引用により組み入れられる非特許文献４に記載のように、ＩＩＩ−窒化物発光デバイスの外部量子効率を低下させることがある。従って、外部量子効率を高めるためには、転位密度を低減させることが望ましい。また、従来のＧａＮテンプレートにおいて、面内ａ格子定数が３．１８９Åに達し、それを超えるにつれて、引用によりここに組み入れられる非特許文献５に記載されているように、ＧａＮ層は、過剰な引張り歪みのため亀裂を生じる傾向がある。従って、二成分系組成ＧａＮテンプレートによって要求されるａ格子定数と転位密度との間のこの関係を打破することが望まれる。特に、低スレッディング転位密度テンプレートと組み合わされた低歪み活性層を達成することは、ＩＩＩ−窒化物ＬＥＤの外部量子効率及び波長を高めるための重要な目標である。本発明の幾つかの実施形態において、その上でデバイス層を成長させるテンプレートは、実質的に亀裂が無く、３．２００Åという大きい面内ａ格子定数と２×１０9ｃｍ-2を下回るスレッディング転移密度との組み合わせを有する。
【００２３】
本発明の実施形態において、半導体発光デバイスのデバイス層は、デバイス層内の格子定数を（従って歪みを）制御するための成分を組み込んだ、ここではテンプレートと呼ばれる構造体の上で成長させる。デバイス内の格子定数を増大させる構造体は、望ましくない表面粗さの増大又はスレッディング転位密度の増大を引き起こすことがあるので、テンプレートは、デバイス層における、特に発光領域におけるスレッディング転位密度及び表面粗さを制御するための成分もまた含むことができる。テンプレートは、テンプレートの上で成長する半導体層のスレッディング転位密度及び格子定数を設定する。テンプレートは、ＧａＮの格子定数から発光層のバルク格子定数により近く適合する格子定数への格子定数遷移部として働く。テンプレートによって設定された格子定数は、従来のテンプレート上で成長させたデバイス内で得られる格子定数よりも、デバイス層のバルク格子定数により近く適合することができ、その結果、従来のＧａＮテンプレート上で成長させたデバイスと比べて、許容可能なスレッディング転移密度及び表面粗さで、より少ない歪みをもたらす。
【００２４】
上で言及されたデバイス層は、少なくとも１つのｎ型層と少なくとも１つのｐ型層とで挟持された少なくとも１つの発光層を含む。異なる組成及びドーパント濃度の追加の層を、ｎ型領域、発光領域、及びｐ型領域の各々の中に含めることができる。例えば、ｎ型領域及びｐ型領域は、反対の導電型の層又は意図的に非ドープの層、後で成長基板を剥離すること又は基板を除去した後で半導体構造体を薄くすることを容易にするように設計された剥離層、及び発光領域が効率的に光を放出するために望ましい特定の光学的又は電気的特性に対して設計された層を含むことができる。幾つかの実施形態において、発光層を挟持するｎ型層は、テンプレートの一部とすることができる。
【００２５】
以下で説明される実施形態において、発光層（単層又は多層）内のＩｎＮ組成は、デバイスが青色又はＵＶ光を放出するように低くすることができ、又はデバイスが緑色又はそれより長波長の光を放出するように高くすることができる。幾つかの実施形態において、デバイスは１つ又はそれ以上の量子井戸発光層を含む。多重量子井戸は障壁層によって分離されることができる。例えば、各量子井戸は１５Åを上回る厚さを有することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態において、デバイスの発光領域は、厚さが５０Å〜６００Å、より好ましくは１００Å〜２５０Åの単一の厚い発光層である。最適な厚さは、発光層内の欠陥の数に依存し得る。発光層における欠陥の濃度は、好ましくは１０9ｃｍ-2未満に制限され、より好ましくは１０8ｃｍ-2未満に制限され、より好ましくは１０7ｃｍ-2未満に制限され、より好ましくは１０6ｃｍ-2未満に制限される。
【００２７】
幾つかの実施形態において、デバイス内の少なくとも１つの発光層は、Ｓｉのようなドーパントで１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3のドーパント濃度までドープされる。Ｓｉドーピングは発光層における面内ａ格子定数に影響を与えることがあり、潜在的に発光層における歪みをさらに低減させる。
【００２８】
本発明の幾つかの実施形態において、テンプレートは少なくとも１つの低温ＩｎＧａＮ層を含む。引用によりここに組み入れられる非特許文献６に記載されているように、Ｈ2がＩｎＧａＮ膜内へのインジウムの取り込みに影響を与えることがあることが観察されている。成長温度、成長圧力、成長速度、及びＮＨ3フローといった種々のその他のパラメータもまた、引用によりここに組み入れられる非特許文献７に一部は記載のように、ＩｎＧａＮ膜内へのインジウムの取り込みに影響を与えることがある。それゆえ、可変Ｈ2フローが、ときにはＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ膜内のＩｎＮ組成の制御の手段として用いられる。従って、いくつかの実施形態において、ここで説明されるテンプレートは、テンプレートの成長の間に反応器の中に流入する可変Ｈ2フロー、可変Ｎ2フロー、又は可変ＮＨ3フローのうちの１つ又はそれ以上を用いて成長させる。他の実施形態において、テンプレートは、テンプレートの成長の間の可変温度若しくは可変圧力、又は可変成長速度を用いて成長させる。他の実施形態において、テンプレートは、テンプレート成長の間の、可変Ｈ2フロー、可変Ｎ2フロー、可変ＮＨ3フロー、可変温度、可変圧力、又は可変成長速度のうちの１つ又はそれ以上の任意の組合せを用いて成長させる。
【００２９】
図２は、本発明の第１の実施形態を示す。従来の低温核形成層２２をサファイア基板２０の上に直接成長させる。核形成層２２は、典型的には、例えば５００オングストロームまでの厚さまで４００℃〜７５０℃の温度で成長させたアモルファス、多結晶、又は立方晶ＧａＮ層のような低品質の非単結晶層である。
【００３０】
第２層２６もまた、核形成層２２の上に低温で成長させる。低温層２６は、例えば５００オングストロームまでの厚さまで、４００℃〜７５０℃の温度で、より好ましくは４５０℃〜６５０℃の温度で、より好ましくは５００℃〜６００℃の温度で成長させた、例えば、アモルファス、多結晶、又は立方晶ＩＩＩ−窒化物層のような、低品質の非単結晶層とすることができる。幾つかの実施形態において、低温層２６は３００オングストローム未満の厚さである。低温層２６は、例えば、ＩｎＮ組成が０％より多く、しばしば２０％より少ない、より好ましくは３％〜６％の、より好ましくは４％〜５％の、ＩｎＧａＮ層とすることができる。幾つかの実施形態において、低温そう２６の中のＩｎＮ組成は例えば２％未満と少ない。構造体は、核形成層２２の成長後であるが低温層２６の成長の前に、低温層２６の成長後に、又はその両方でアニールされることができる。例えば、構造体は、９５０℃〜１１５０℃の温度で、３０秒間〜３０分間にわたって、一般にＨ2及びＮＨ3の雰囲気、Ｎ2及びＮＨ3の雰囲気、又はＨ2、Ｎ2、及びＮＨ3の雰囲気中でアニールされることができる。幾つかの実施形態において、Ｇａ、Ａｌ、又はＩｎ前駆体をアニール・プロセスの少なくとも一部の間に導入することができる。次にデバイス層１０を低温層２６の上で成長させる。低温層２６は、デバイス層１０の格子定数を、従来のＧａＮテンプレートのような従来の核形成構造体によって達成可能な格子定数の範囲を超えて拡げることができる。格子定数の拡大は、ＧａＮ核形成層がサファイア若しくはＳｉＣ又はそれをその上で成長させるその他の基板とは異なる格子定数を有するのと同じように、低温層２６が下にある層と同じに成長しないことによって、生じる。それゆえ、上記のように、低温層２６は、核形成層の格子定数からより大きい格子定数への遷移部として働く。図２に示されるような低温ＩｎＧａＮ層２６を用いるＩＩＩ−窒化物デバイスは、例えば図１に示され特許文献２に記載されているような基板上に直接成長させたＩｎＮ含有核形成層２を用いたＩＩＩ−窒化物デバイスよりも、高い品質まで成長させることができる。
【００３１】
幾つかの実施形態において、低温層２６は、ＵＶデバイスのＡｌＧａＮ発光領域内の引張り歪みを減少させるために、低温層２６が核形成層２２で確立された格子定数を減少させるように、ＩｎＧａＮの代わりにＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮで構成されることができる。そのようなデバイスの発光活性層は、例えばＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮとすることができる。
【００３２】
本発明の幾つかの実施形態において、図２に示されるデバイスは、１つ又はそれ以上の多層スタックを含むことができる。多層スタックの例は、多重核形成層２２又は多重低温層２６を含む。例えば、図３に示されるように、１つ又はそれ以上の追加のＧａＮ核形成層を基板２０とＩｎＧａＮ低温層２６との間に配置することができる。あるいは、図４に示されるように、核形成層２２の後で、多重ＩｎＧａＮ低温層２６を成長させることができる。多層スタックを有するテンプレートを含むデバイスの別の例において、図５に示されるように、ＧａＮ低温層２２とその後のＩｎＧａＮ低温層２６との配列を１回又はそれ以上の回数、繰り返すことができる。多重核形成又は低温層の使用により、デバイスにおけるスレッディング転移密度及びスタッキング欠陥密度を減らすことができる。
【００３３】
幾つかの実施形態において、図４又は図５における多重低温層２６は、図６の多重低温層３２、３４、及び３６で示されるように、同等ではないＩｎＮ組成、又は同等ではない厚さを有することができる。図６に示される構造体は、従来の基板２０の上に直接成長させることもでき、又は図２に示されるように、核形成層２２の上に成長させることもできる。基板に最も近い低温層である層３２は、最も高いインジウム組成を有することができ、一方、基板から最も遠い低温層である層３６は、最も低いインジウム組成を有することができる。他の実施形態において、基板に最も近い低温層である層３２は、最も低いインジウム組成を有することができ、一方、基板から最も遠い低温層である層３６は、最も高いインジウム組成を有することができる。あるいは、どのような任意の配列の低温層を用いることもできる。ＧａＮキャップ層３８を一番上の低温層の上に形成することができる。低温層の各々は同じ厚さである必要はない。例えば、インジウム組成が低い層をインジウム組成が高い層よりも厚くすることができる。図６に示される３つの低温層よりも多い又は少ない層を用いることができる。さらに、図６に示される低温層の複数のスタックをデバイス内に含めることができる。これらの層の各々は、１０オングストロームから１０００オングストロームまでの厚さ、又はそれ以上の厚さの範囲とすることができる。
【００３４】
図６に示される構造体は、層３２、３４、３６、又は３８の内の１つ又はそれ以上の成長の後で、１回又はそれ以上の回数、アニールされてもよい。このアニール・プロセスは、ＩｎＧａＮ低温層３２、３４、３６とＧａＮキャップ層３８とを混ぜ合わせて、図７に示されるように単一のＩｎＧａＮ領域３５を形成させることがある。図６のＧａＮキャップ層３８は、アニールの間にＩｎＧａＮ低温層３２、３４、及び３６から追い出されるＩｎＮの量を減らすことができる。アニールのための条件は、最終構造体が平滑な表面及び低い欠陥密度を有するように選択される。幾つかの実施形態において、アニールは、成長中断期間（ｇｒｏｗｔｈ  ｐａｕｓｅ）を含む。例えば、構造体を３０秒間〜３０分間にわたって９５０℃〜１１５０℃の温度でアニールすることができる。低温層３２、３４、及び３６の成長の後、温度をキャップ層３８又は次に成長させるべき層の成長温度まで上昇させることができ、次にキャップ層３８又は次の層の成長の前に成長中断期間が置かれる。他の実施形態において、アニールは、低温層３２、３４、及び３６の成長の後の、成長反応器内の温度のキャップ層３８の成長温度までの単なる上昇である。幾つかの実施形態において、キャップ層３８の成長は、成長反応器内の汚温度がキャップ層３８の所望の成長温度まで到達する前に始まる。幾つかの実施形態において、キャップ層３８は、核形成層２２を成長させるために用いられたのと同様の低い温度で成長させることができる。低温層３２、３４、及び３６並びにキャップ層３８の構造体において、低ＩｎＮ組成層は、アニールの間の高ＩｎＮ組成層からのＩｎＮの損失を抑制する助けとなり得る。
【００３５】
図３又は図４又は図５における多層スタック、あるいは図６におけるグレーデッドＩｎＮ含有層３２、３４、及び３６、及び図７におけるグレーデッドＩｎＮ含有層３５は、ここで説明されるいずれかの実施形態において示される単一の低温層２６を置き換えることができる。ここで用いられる「グレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）」という用語は、デバイス内の単層又は多層における組成又はドーパント濃度を記述する場合、一段階の組成及び／又はドーパント濃度以外のいずれかの方式で組成及び／又はドーパント濃度における変化を達成する、いかなる構造も包含することを意味する。各々のグレーデッド層は、サブ層のスタックとすることができ、サブ層の各々はそれに隣接するいずれのサブ層とも異なるドーパント濃度又は組成を有する。サブ層が分解可能な厚さである場合、グレーデッド層は段階的グレーデッド層である。幾つかの実施形態において、段階的グレーデッド層内のサブ層は、数十オングストロームから数千オングストロームまでの範囲の厚さを有することができる。個別のサブ層の厚さがゼロに達する限界において、グレーデッド層は連続的グレーデッド領域である。各グレーデッド層を作り上げるサブ層は、厚さに対する組成及び／又はドーパント濃度の、線形グレード、放物線型グレード、及びべき乗則グレードを含むがこれらに限定されない多様なプロファイルを形成するように配置されることができる。グレーデッド層は単一のグレーデッド・プロファイルに限られず、異なるグレーデッド・プロファイルを有する部分と、実質的に一定の組成及び／又はドーパント濃度領域を有する１つ又はそれ以上の部分とを含むことができる。
【００３６】
一例において、層３２、３４、及び３６は、それぞれ９％、６％、及び３％のＩｎＮ組成のＩｎＧａＮから構成されることができる。他の例において、層３２、３４、及び３６は、９％、３％、及び９％のＩｎＮ組成を有することができる。アニールの後、図７の混ざり合った領域３５は、底部から上部に向かって単調に減少するＩｎＮ組成、底部から上部に向かって単調に増加するＩｎＮ組成、又は非単調な方式で変化するＩｎＮ組成を有することができる。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態において、半導体発光デバイスのデバイス層は、高温層の上に成長させた少なくとも１つの低温層を含むテンプレートの上で成長する。高温層は、例えば、低いスレッディング転移密度及び平滑な表面モルフォロジを確立することができ、一方、低温層は、テンプレート上で成長させる層のための拡大された格子定数を確立する。格子定数の拡大は、ＧａＮ核形成層がサファイア若しくはＳｉＣ又はＧａＮ核形成層をその上で成長させるその他の基板とは異なる格子定数を有するのと同様に、低温層２６がその下にある層と相応に成長しないことによって、生じる。図８は、このようなデバイスの部分断面図である。
【００３８】
図８に示されるデバイスにおいて、高温層２４は、図２を参照して上で説明された核形成層２２と同じである核形成層２２の上で成長する。高温層２４は、例えば、９００℃〜１１５０℃の温度で少なくとも５００オングストロームの厚さまで成長させた、高品質の結晶性ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮ層とすることができる。
【００３９】
高温層２４の成長の後、温度を降下させて低温層２６を成長させる。幾つかの実施形態において、低温層２６は、望ましくない粗い表面を避けるために、０．１〜１０Å／ｓ、より好ましくは５Å／ｓ未満、より好ましくは０．５〜２Å／ｓの成長速度で成長させる。低温層２６は、４００℃〜７５０℃の温度で、より好ましくは４５０℃〜６５０℃の温度で、より好ましくは５００℃〜６００℃の温度で例えば５００オングストロームまでの厚さまで成長させた、例えば、アモルファス、多結晶、又は立方晶のような、低品質の非単結晶層とすることができる。もっと高い温度では、低温層２６は、所望されるように緩和するか又はそれ自身の格子定数を確立するよりもむしろ、下にある層の格子定数を複製することがある。低温層２６は、高温層２４の格子定数を複製せずに、むしろ低温層２６が、おそらくは低温層２６の低品質のため、高温層２４の格子定数よりも大きい格子定数を有することができるように、十分低い温度で成長させる。低温層２６は、例えば、ＩｎＮ組成が１％〜２０％、より好ましくは３％〜６％、より好ましくは４％〜５％のＩｎＧａＮ層とすることができる。低温層２６は、ＧａＮ核形成層２２の格子定数から、デバイスの発光層のバルク格子定数により近く適合するもっと大きい格子定数への遷移部として働く。
【００４０】
幾つかの実施形態において、高温層２４と低温層２６との成長温度の差は、少なくとも３００℃、より好ましくは少なくとも４５０℃、より好ましくは少なくとも５００℃である。例えば、高温層２４を９００℃〜１１５０℃の温度で成長させることができ、一方、低温層２６を４５０℃〜６５０℃の温度で成長させることができる。
【００４１】
本発明の種々の実施形態において層２６を成長させるために用いられる低い成長温度のため、低温層２６は高い炭素含有量を有することがある。幾つかの実施形態において、低温層２６の炭素含有量は、１×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3、しばしば１×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3である。対照的に、高温層２４の炭素含有量は、一般に５×１０17ｃｍ-3未満であり、より好ましくは１×１０17ｃｍ-3未満であり、より好ましくは１×１０16ｃｍ-3未満である。高い炭素含有量のため、低温層２６は活性層によって放出される光を吸収することがある。それゆえ、好ましい実施形態において、低温層２６の厚さは１０００Å未満、より好ましくは５００Å未満、より好ましくは３００Å未満に制限される。
【００４２】
これもまた低い成長温度、格子の不適合、及び熱膨張の不適合のため、低温層２６は、低温層２６と低温層２６の上に直接成長させた層との間の界面又はその付近に、又は低温層２６と低温層２６をその上に成長させた層との間の界面又はその付近に位置するスタッキング欠陥、転位ループ、及び転位ラインのような欠陥を高濃度で有することがある。欠陥はしばしば、基板２０と核形成層２２との間の成長界面に対しておおよそ平行に配向する。これらの面内欠陥の濃度は、低温層２６及び低温層２６の上に成長した層の歪み緩和に寄与する。これらの面内欠陥濃度は、式（３）を参照して上記で説明したスレッディング転位濃度には必ずしも関連しないことに留意されたい。所与の高温層２４において、成長界面に対して平行なスタッキング欠陥及び転位は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察されず、これは、成長界面に対して平行なスタッキング欠陥及び転位の濃度が、ＴＥＭの検出限界、典型的には約１×１０2ｃｍ-1を下回ることを示している。ＩｎＧａＮ低温層２６のＴＥＭ画像は、数千オングストロームのオーダーのＴＥＭ試料厚さについて、成長界面に対して平行な多くの転位を現し、これは、成長界面に対して平行な転位の密度が少なくとも１×１０2ｃｍ-1、より多くの場合１×１０3ｃｍ-1、より多くの場合１×１０4ｃｍ-1であることを示している。幾つかの実施形態において、成長界面に対して平行な転位の密度は、１×１０2ｃｍ-1〜１×１０7ｃｍ-1である。
【００４３】
幾つかの実施形態において、低温層２６は成長平面に対して不連続な方式で成長させることができる。すなわち、低温層２６は、それ自身を非平面的又は不連続とさせるような意図的又は偶発的な特徴を有することができる。そのような意図的な特徴の例は、横方向被覆成長（ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）を伴う１つ又はそれ以上の技術のクラスの使用を含むことができる。これらの技術は、引用によりここに組み入れられる非特許文献８に記載されているように、エピタキシャル横方向被覆成長（ＥＬＯ又はＥＬＯＧ）、ファセット制御エピタキシャル横方向被覆成長（ＦＡＣＥＬＯ）、及びペンデオ（Ｐｅｎｄｅｏ）エピタキシ（ＰＥ）を含む種々の用語を用いて呼ばれている。そのような偶発的な特徴の例は、低温ＩＩＩ−窒化物層の上面と交差するＶ字形欠陥（一般に「ピット」として知られる）、大きな表面段差、及び低温層２６内又は低温層２６の下の単層若しくは多層内のその他の欠陥の存在を含むことができる。これらの意図的な横方向被覆成長技術又は偶発的な技術の内の１つ又はそれ以上を使用することで、欠陥領域の横方向範囲をテンプレートの小部分又は幾つかの小部分に制限することができ、その一方で、テンプレートの横方向被覆成長は、低温層２６によって確立される大きい格子定数を維持することができる。
【００４４】
幾つかの実施形態において、デバイス層は図８の低温層２６の上に直接成長させる。他の実施形態において、図９に示されるように、低温層２６によって確立された格子定数を複製する追加の高温層２８を低温層２６の上に成長させることができる。高温層２８は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮとすることができる。幾つかの実施形態において、高温層２８は、８００℃〜１０００℃の温度で５００オングストローム〜１０，０００オングストロームの厚さまで成長させたＩｎＧａＮである。高温層２８内のＩｎＮ組成は、一般に低温層２６内のＩｎＮ組成よりも低く、例えば、０．５％〜２０％、より好ましくは３％〜６％、より好ましくは４％〜５％とすることができる。
【００４５】
低温層２６はその次に成長させる層の格子定数を大きくすることが意図されており、一方、高温層２８は、低温層２６内のピット、大きな表面段差、及びその他の欠陥の上を平滑にする又は充填することが意図されている。高温層２８は、その後の層をその上に成長させる高品質な土台を提供する。低温層２６のＩｎＮ組成は、格子定数を可能な限り拡げるために比較的高く、高温層２８のＩｎＮ組成は、望ましい高品質の層を成長させるために比較的低い。図９に示されるデバイスは、基板とデバイス層との間に低温層２６と高温層２８の複数の組を含むことができる。格子定数は、低温層２６内のＩｎＮ組成を、基板に最も近い低温層２６における最低ＩｎＮ組成からデバイス層に最も近い低温層２６における最高ＩｎＮ組成まで高めることによって、各々の組毎に少量ずつ拡大させることができる。格子定数が拡大するにつれて、許容できる高品質の高温層２８を成長させることができるＩｎＮ組成もまた高まる。それゆえ、高温層２８内のＩｎＮ組成は、基板に最も近い高温層２８における最低ＩｎＮ組成からデバイス層に最も近い高温層２８における最高ＩｎＮ組成まで高めることができる。層２６内のＩｎＮ組成を高めることは層２８内のＩｎＮ組成を高める１つの方法であるが、層２８の組成は、層２６のＩｎＮ組成を高めることなく他の方法によって高めることができる。図１０に示される他の実施形態において、図８の高温層２４を図９の高温層２８と組み合わせて用いることができる。
【００４６】
図１１に示されるその他の実施形態において、最初に低温核形成層２２を成長させ、次に図８を参照して上記で説明されたように高温層２４を成長させる。第２の高温層３０を高温層２４の上に成長させ、次に低温ＩｎＧａＮ層２６を層３０の上に成長させる。次に高温層２８を低温層２６の上に成長させ、デバイス層１０を高温層２８の上に成長させる。あるいは、図１１において高温層２８は省略することができ、デバイス層１０を低温ＩｎＧａＮ層２６の上に直接成長させることができる。
【００４７】
高温層３０は例えば、９００℃〜１０００℃の温度で５００オングストローム〜１０，０００オングストロームの厚さまで成長させた、例えば５％未満の低いＩｎＮ組成を有するＩｎＧａＮ層とすることができる。高温層３０は、一般に、高温層２４よりも大きいバルク格子定数を有する材料である。その結果、低温層２６とその次に成長させる高温層２８の面内格子定数は、低温層２６を高温層２４の上に直接成長させた場合に達成できる面内格子定数よりも大きくなることができる。
【００４８】
幾つかの実施形態において、図１１の高温層３０及び２８はＩｎＧａＮで構成される。そのような実施形態の１つにおいて、高温層２８は、高温層３０よりも雰囲気中のＨ2が少ない状態で、又はより低い温度で成長させることができ、この場合、高温層２８は高温層３０よりも高いＩｎＮ組成を有することができる。例えば、高温層３０と低温層２６との間の成長温度の差は、少なくとも３５０℃、より好ましくは少なくとも４００℃、より好ましくは少なくとも４５０℃とすることができる。対照的に、低温層２６と高温層３８との間の成長温度の差は、少なくとも２５０℃、より好ましくは少なくとも３００℃、より好ましくは少なくとも３５０℃とすることができる。他の実施形態において、高温層２８は、高温層３０よりもＨ2が多い状態で、又はより高い温度で成長させることができ、この場合、高温層２８は高温層３０よりも低いＩｎＮ組成を有することができる。他の実施形態において、高温層２８を高温層３０と実質的に同じ条件下で成長させることができ、又は高温層２８は高温層３０と実質的に同じ組成を有することができる。これらの実施形態の各々において、低温ＩｎＧａＮ層２６は高温層２４の格子定数を中断させ、その次に成長させる層の格子定数を拡大させることになるので、そのため、高温層２８は、高温層３０よりも大きい面内格子定数を有することになる。
【００４９】
構造体の幾つかの実施形態において、低温層２６は大きい格子定数を確立することができ、一方、高温層２８は平滑な表面を確立することができる。低温層２６の面内格子定数が高温層２８のバルク格子定数よりも実質的に大きい場合、高温層２８は、式（１）で定義されるように実質的な引張り歪みの下にあり得、この引張り歪みは高温層２８の中又はその近くに亀裂又は他の欠陥が形成されることによって部分的に緩和されることができる。亀裂はデバイスの電気的及び構造的一体性を損なうことになるので、この効果は望ましくなく、また層２８内の亀裂又は他の構造的欠陥は層２８内の格子定数を低減させ、活性領域内の圧縮歪みを高めることがある。従って、デバイスの幾つかの実施形態において、基板２０とデバイス層１０との間に追加の層を成長させることが好ましい。そのような実施形態の１つにおいて、図１２に示されるように、高温層３１を低温層２６と高温層２８の間に配置することができる。この実施形態において、高温層３１は低温層２６よりは高いが高温層２８よりは低い温度で成長させることができる。高温層２８及び３１の各々は、例えば、８００℃〜１０００℃の温度で５００オングストローム〜１０，０００オングストロームの厚さまで成長させたＩｎＧａＮとすることができる。各高温層内のＩｎＮ組成は、例えば、０．５％〜２０％、より好ましくは３％〜６％、より好ましくは４％〜５％とすることができる。
【００５０】
あるいは、高温層２８と３１は実質的に同じ温度で成長させることができるが、高温層３１を、高温層２８を成長させるのに用いるよりも少ない雰囲気中のＨ2で成長させることができる。この場合、高温層３１は低温層２８よりも高いＩｎＮ組成を有することができる。あるいは、高温層３１を高温層２８よりも高い温度で又はより多いＨ2で成長させることができ、この場合、高温層３１は、低温層２８よりも低いＩｎＮ組成を有することができる。
【００５１】
他の実施形態において、低温層２６とデバイス層１０との間で２つより多い異なる層を成長させることができる。この実施形態の１つの例を図１３に示し、ここでＩｎＮリッチ材料及びＩｎＮプア材料の交互層が、低温層２６とデバイス層１０との間の多層スタックの中に含められる。図１３の多層スタックは、図２の核形成層２２の上、又は図１０の高温層２４の上に成長させることができることに留意されたい。図１３にはＩｎＮリッチ層及びＩｎＮプア層の３つの組が示されているが、それより多い又はそれより少ない組を用いることができる。インジウム・リッチ層６０、６２、及び６４は、例えばＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮとすることができる。インジウム・プア層６１、６３、及び６５は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＩｎＧａＮとすることができる。層６０、６２、及び６４は３％ＩｎＮの組成を有することができ、一方、層６１、６３、及び６５は０．５％ＩｎＮの組成を有することができる。
【００５２】
任意のキャップ層６７を上部ＩｎＮプア層６５の上に成長させることができ、次にデバイス層１０をキャップ層６７又は上部ＩｎＮプア層６５の上に成長させることができる。キャップ層６７は、例えば、ＧａＮ又はＩｎＧａＮとすることができる。他の実施形態において最上部インジウム・プア層は省略することができ、デバイス層を層６０、６２、又は６４のような上部インジウム・リッチ層の上に直接成長させることができる。
【００５３】
デバイスのその他の実施形態において、図１３の多層スタックは、引用によりここに組み入れる非特許文献９に記載のように、熱サイクル成長又はアニールを用いて形成することができる。熱サイクル成長を用いて、良好な表面モルフォロジを有し、デバイス層内のａ格子定数が従来のＧａＮテンプレート上での成長から得られるａ格子定数よりも大きいデバイスを成長させる。熱サイクル成長プロセスは、ＩｎＧａＮのようなエピタキシャル層の成長と、その後の高温成長又はアニール・ステップとを伴う。
【００５４】
層６０、６１、６２、６３、６４、及び６５の各々の成長の後、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎ前駆体のような幾つかの前駆体ガスのフローを停止させることによって成長を中断させることができ、次に、所定量の時間にわたって温度を維持又は上昇させると同時に、Ｎ前駆体、しばしばＮＨ3のフローを続けることによって構造体をアニールすることができる。次の層の成長は、必要であれば温度が次の層の成長温度に調節され、適切な前駆体が導入されたときに開始する。典型的なアニール条件は、Ｈ2及びＮＨ3の雰囲気下、１１００℃で５分間から成り立っている。Ｎ2を雰囲気に加えることもでき、又はＩｎＧａＮ層の過剰の分解を防ぐためにＨ2を雰囲気から除去することができる。あるいは、これらの高温ステップ又は温度傾斜の間中、成長を続けることもできる。各層の成長の後のアニールは、各層の成長後にアニールされていないデバイスよりも改善された表面モルフォロジをもたらすが、ＩｎＮプア層６１、６３、及び６５の成長の後のアニールは過剰の転位又は転位ループをもたらすことがあり、これはＩｎＮプア層内の歪みの幾らかを緩和させて、これらの層がより大きいＩｎＮリッチ層のａ格子定数に対する歪みをもたないようにしてしまうことがあり、その結果、所望のａ格子定数よりも小さいテンプレートがもたらされる。
【００５５】
あるいは、構造体は、ＩｎＮリッチ層６０、６２、及び６４のうちの幾つか又は全ての成長の後にのみ、又はＩｎＮプア層６１、６３、及び６５の幾つか又は全ての成長の後にのみアニールされる。ＩｎＮプア層６１、６３、及び６５の成長の後にのみアニールすると、ＩｎＮプア層がいずれかのアニール・ステップの間にデバイス内のＩｎＮリッチ層内のＩｎＮをより多く捕捉するので、その結果、テンプレートにおけるより高い平均ＩｎＮ組成をもたらすことができる。他の実施形態において、インジウム・リッチ層の成長後のアニール条件がインジウム・プア層の成長後のアニール条件とは異なるように、構造体を各層の成長の後でアニールすることができる。インジウム・リッチ層６０、６２、及び６４の各々は、組成又は厚さが必ずしも同一である必要はないことに留意されたい。同様に、インジウム・プア層６１、６３、及び６５の各々は、組成又は厚さが必ずしも同一である必要はない。
【００５６】
他の実施形態において、図１４に示されるように、グレーデッドＩｎＧａＮ層５９を低温層２６とデバイス層１０との間に配置することができる。グレーデッド層５９は、例えば、ＩｎＮ組成を変化させた１つ又はそれ以上の二成分系、三成分系、又は四成分系ＩＩＩ−窒化物層を含むことができる。上記のような任意のキャップ層（図１４には図示せず）をグレーデッド層５９とデバイス層１０との間に配置することができる。例えば、グレーデッド層５９は、低温層２６に隣接する最高ＩｎＮ組成１１％からデバイス層１０に隣接する最低ＩｎＮ組成３％までの線形勾配の組成を有するＩｎＧａＮ層とすることができる。他の例において、グレーデッド層５９は、低温層２６に隣接する高ＩｎＮ組成１０％からデバイス層１０に隣接する低ＩｎＮ組成０％まで降下する勾配を含むことができる。さらに他の例において、グレーデッド層５９は、低温層２６に隣接する高ＩｎＮ組成８％からどこかの中間位置の低ＩｎＮ組成０％まで降下する勾配又は単一段階と、その次に、デバイス層１０に隣接する高いＩｎＮ組成３％まで再度上昇する勾配又は単一段階とを含むことができる。
【００５７】
幾つかの実施形態において、図１１の層２４及び３０を図１２の層２８及び３１と組み合わせて用いることができる。他の実施形態において、低温層２６は、図１４に示される２つのグレーデッドＩｎＧａＮ層５９の間に挟持されることができる。別の実施形態において、低温層２６の任意のスタックを高温層の任意のスタック又は高温層と低温ＧａＮ層の任意のスタックの間に散在させて成長させることができる。図２、図８、図９、及び図１０に示される実施形態の各々は、図３から図７及び図１１から図１４で検討されたように、グレーデッド層、多層スタック、及びアニールされた単層又は多層を含むことができる。
【００５８】
幾つかの実施形態において、図１２の高温層３１の様な層の性質は、低温層２６によって確立された格子定数を閉じこめるように選択される。幾つかの実施形態において、図１２の高温層２８のような層の性質は、デバイスの表面モルフォロジを向上させるように選択される。
【００５９】
図１５及び図１６は、幾つかのデバイスについてｃ格子定数をａ格子定数の関数としてプロットしたものである。図１５は、本発明の実施形態によるテンプレートが実際にその上の層の少なくとも部分的な緩和を引き起こすことを実証する。構造体の歪み状態は、ｃ格子定数及びａ格子定数を求めることによって測定することができる。図１５の菱形で表される構造体において、図１に示されるように厚い高温ＧａＮ層３をＧａＮ核形成層２の上に成長させ、ここで、核形成層２及び高温ＧａＮ層３の成長条件を、式（３）に関して先に検討されたように、スレッディング転位密度を変化させるために、従ってＧａＮテンプレート内の面内ａ格子定数を変化させるために変更した。このようなスレッディング転位密度の変更方法は、引用によりここに組み入れられる非特許文献１０に記載されている。従って、図１５において菱形で表される構造体は、式（３）と一致する様々なスレッディング転位密度及びａ格子定数を有する。丸で表される構造体において、厚い高温ＧａＮ層を本発明の実施形態に従って調製された低温ＩｎＧａＮ層の上に成長させた。弾性理論によればＩＩＩ−窒化物材料におけるｃ格子定数とａ格子定数は反比例し、このことは、全てが図１５に示される斜線の近くにある、菱形で表される構造体で実証される。菱形で示される構造体とは対照的に、丸で表される構造体の各々は斜線の下に位置し、これらの構造体のｃ格子定数が菱形で表される構造体のｃ格子定数よりも小さいことを意味する。丸で表される構造体のより小さいｃ格子定数は、これらの構造体の厚い高温ＧａＮ層が引張り歪みの下で成長することを示唆しており、このことは、高温ＧａＮ層のａ格子定数がその下の少なくとも部分的に緩和した低温ＩｎＧａＮ層２６のａ格子定数に適合するように引き延ばされていることを示している。丸で表される構造体はまた、所与のａ格子定数に対して菱形で表される構造体よりも低いスレッディング転位密度を示し、このことは、本発明が、先に式（３）で定量化したような従来のＧａＮテンプレートにおいて観察されるａ格子定数とスレッディング転位密度との間のトレードオフを打破することを示している。
【００６０】
図１６は、本発明の１つ又はそれ以上の実施形態の幾つかの層について観察されるｃ格子定数及びａ格子定数のプロットである。図１６の黒丸は図９の層２８を表し、一方、図１６の白丸は図１３の１つ又はそれ以上のインジウム・リッチ層を表し、菱形の符号は図１３の１つ又はそれ以上のインジウム・プア層又はキャップ層を表す。図１６における実線の斜線は先に図１５で示した実線の斜線に対応し、図１で示される構造体のようなＧａＮテンプレート上の実験データを表し、一方、破線の斜線はより大きいａ格子定数値まで外側に実線を外挿したものである。図１６に示されるように、インジウム・リッチ層６０のｃ格子定数及びａ格子定数は両方とも、図１５の菱形符号で示される従来のＧａＮテンプレートについてのデータと比べて非常に大きい。インジウム・リッチ層６０の上に形成されるインジウム・プア層６１又はキャップ層６７のｃ格子定数及びａ格子定数は、インジウム・リッチ層６０の格子定数よりも小さいが、図１５の従来のＧａＮテンプレートに対して観察される最大ａ格子定数よりもずっと大きく、このことは、図１３に示される実施形態に従って成長させたインジウム・プア層６１及びキャップ層６７が、より大きいインジウム・リッチ層６０の格子定数に対して少なくとも部分的に歪んでいることを示唆している。インジウム・プア層６１及びキャップ層６７は、亀裂を避けるために、一般に十分薄く保持されるか、又は十分高いＩｎＮ組成で成長させることに留意されたい。インジウム・プア層及びキャップ層６７の上に歪んで成長させたデバイス層１０は、ＧａＮより大きい、このａ格子定数を複製し、そのことにより発光層内の歪みを低減する。上記の実施形態において説明されたテンプレートは、従って、典型的には３．１８９オングストロームを超えないａ格子定数を有する従来のＧａＮテンプレートよりも大きいａ格子定数を有することができる。
【００６１】
上記の実施形態の幾つかにおける構造体のような、３．１８９Åよりも大きい面内格子定数を有するテンプレートの上での１つ又はそれ以上の発光層を含むデバイス層の成長は、欠陥密度が許容可能でスピノーダル分解が低減されたより厚い発光層を成長させるのに十分なほど発光層内の歪みを減少させることができる。例えば、青色光を放出するＩｎＧａＮ層は組成Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎを有することができ、この組成のバルク格子定数は３．２３Åである。発光層内の歪みは、発光層における面内格子定数（従来のＧａＮ緩衝層上で成長させた発光層について約３．１８９Å）と発光層のバルク格子定数との差によって決定され、従って、歪みは式（２）で定義されるように、｜（ａ面内−ａバルク）｜／ａバルクとして表すことができる。従来のＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ層の場合、歪みは｜（３．１８９Å−３．２３Å）｜／３．２３Åであり、約１．２３％である。同じ組成の発光層を上記の構造体のような格子定数がより大きいテンプレート上で成長させた場合、歪みを低減又は排除することができる。本発明の幾つかの実施形態において、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの光を放出するデバイスの発光層内の歪みは、１％未満まで、より好ましくは０．５％未満まで減らすことができる。シアン光を放出するＩｎＧａＮ層は、Ｉｎ0.16Ｇａ0.84Ｎの組成を有することができ、この組成のバルク格子定数は３．２４Åであり、従来のＧａＮ緩衝層の上で成長させた場合、歪みは約１．７％である。本発明の幾つかの実施形態において、４８０ｎｍ〜５２０ｎｍの光を放出するデバイスの発光層内の歪みは、１．５％未満まで、より好ましくは１％未満まで減らすことができる。緑色光を放出するＩｎＧａＮ層はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎの組成を有することができ、この組成のバルク格子定数は３．２６Åであり、従来のＧａＮ緩衝層の上で成長させた場合、約２．１％の歪みを生じる。本発明の幾つかの実施形態において、５２０ｎｍ〜５６０ｎｍの光を放出するデバイスの発光層内の歪みは、２％未満まで、より好ましくは１．５％未満まで減らすことができる。
【００６２】
図２に示されるデバイスについて、本発明者らは、ａ格子定数が３．２１２Åと大きく、スレッディング転位密度が４×１０9ｃｍ-2と低い構造体を成長させた。このような構造体の上で成長させた発光層は、青色発光層については０．５５％の歪みとすることができ、シアン光発光層については０．８７％の歪みとすることができ、緑色発光層については１．５％の歪みとすることができる。図８及び図１０に示されるデバイスについて、本発明者らは、ａ格子定数が３．１９６Åと大きく、スレッディング転位密度が１．５×１０9ｃｍ-2と低い構造体を成長させた。このような構造体の上で成長させた発光層は、青色発光層については１．１％の歪みとすることができ、シアン光発光層については１．４％の歪みとすることができ、緑色発光層については２．０％の歪みとすることができる。図９及び図１３に示されるデバイスについて、本発明者らは、図１６に示されるように、ａ格子定数が３．２０２Åと大きく、スレッディング転位密度が１．５×１０9ｃｍ-2と低い構造体を成長させた。このような構造体の上で成長させた発光層は、青色発光層については０．８７％の歪みとすることができ、シアン光発光層については１．２％の歪みとすることができ、緑色発光層については１．８％の歪みとすることができる。図１１に示されるデバイスについて、本発明者らは、ａ格子定数が３．２０４Åと大きく、スレッディング転位密度が１．５×１０9ｃｍ-2と低い構造体を成長させた。このような構造体の上で成長させた発光層は、青色発光層については０．８％の歪みとすることができ、シアン光発光層については１．１％の歪みとすることができ、緑色発光層については１．７％の歪みとすることができる。従って、これらの実施例の各々は、先に式（３）で記載した面内ａ格子定数とスレッディング転位密度との間の関係を打破する。
【００６３】
上記の成長テンプレートとデバイス層は、本発明によれば、サファイアの主要結晶面から傾いたサファイア又はＳｉＣ成長基板の面上に成長させることができる。図１７は、サファイアのｃ面、ｍ面、及びａ面を示す。ＩＩＩ−窒化物デバイスはしばしば、サファイアのｃ面、ｒ面、ｍ面、又はａ面の上に成長させる。本発明の実施形態において、サファイア基板は、ＩＩＩ−窒化物デバイス層をその上に成長させる成長面がｃ面、ｒ面、ｍ面、又はａ面から方位１２に例えば０．１°よりも大きく傾くようにスライスされ、研磨される。そのような基板上で成長する発光層は、スピノーダル分解の低減及び発光層内の歪みの低減を経験することができる。そのような基板は、上記のいずれのテンプレートを成長させるために用いることもできる。
【００６４】
上記で図示及び説明した半導体構造体は、デバイスの対向する側にコンタクトが形成されたデバイス又はデバイスの同じ側に両方のコンタクトが形成されたデバイスのような、どのような適切な構成の発光デバイスにも含めることができる。両方のコンタクトが同じ側に配置される場合、デバイスは、透明なコンタクトを用いて形成され、コンタクトが形成されている同じ側を通って光がいずれも抽出されるようにマウントされるか、又は反射コンタクトを用いて形成されてフリップチップとしてマウントされ、光はコンタクトが形成されている側の反対側から抽出されるかの、いずれかである。
【００６５】
図１８は、成長基板が除去されたフリップチップである適切な構成の一例の一部を示す。上記のように、デバイス層１０は、少なくとも１つのｎ型層を含むｎ型領域７１と少なくとも１つのｐ型層を含むｐ型領域７３との間に挟持された少なくとも１つの発光層を含む発光領域７２を含む。ｎ型領域７１は成長テンプレートの一部とすることができ、又は分離した構造体とすることもできる。ｐ型領域７３及び発光領域７２の一部が除去されて、ｎ型領域７１を露出するメサを形成する。図１８にはｎ型領域７１の一部を露出する１つのビアを図示しているが、単一のデバイス内に複数のビアを形成することができることを理解されたい。ｎ−コンタクト７８及びｐ−コンタクト７６は、ｎ型領域７１及びｐ型領域７３の露出された部分の上に、例えば蒸着又はめっきによって形成される。コンタクト７８及び７６は、空気又は誘電体層によって互いに電気的に隔離されてもよい。コンタクト金属７８及び７６が形成された後で、デバイスのウェファをダイシングして個別のデバイスにすることができ、次に各デバイスは成長方向に対して裏返されてマウント８４の上にマウントされ、この場合マウント８４は、図１８に示されるようにデバイスよりも横方向に大きい範囲を有することができる。あるいは、デバイスのウェファをマウントのウェファに接続して、次にダイシングして個別のデバイスとすることができる。マウント８４は、Ｓｉのような半導体、金属、又はＡｌＮのようなセラミックとすることができ、ｐ−コンタクト７６に電気的に接続する少なくとも１つの金属パッド８０及びｎ−コンタクト７８に電気的に接続する少なくとも１つの金属パッド８２を有することができる。コンタクト７６及び７８とパッド８０及び８２との間に配置される相互接続（図１８に図示せず）が、半導体デバイスをマウント８４に接続する。相互接続は、例えば、金のような元素金属、又ははんだとすることができる。
【００６６】
マウントした後、成長基板（図示せず）をエッチング又はレーザ溶融のような基板材料に適したプロセスによって除去する。半導体層を支持し、基板の除去の間のひび割れを防止するために、マウントの前又は後にデバイスとマウント８４との間に剛直なアンダーフィルを設けることができる。その上にデバイス層１０を成長させたテンプレート７５は、無傷のまま残すこともでき、例えばエッチングによって、完全に除去することもでき、部分的に除去することもできる。成長基板の除去によって露出された表面及びいずれの半導体材料も、例えば光電気化学的エッチングのようなエッチングプロセスによって、又は研削のような機械的プロセスによって粗面化することができる。光が抽出される面の粗面化は、デバイスからの光抽出を向上させることができる。あるいは、フォトニック結晶構造体を表面に形成することができる。蛍光体層又はダイクロイック若しくは偏光子のような当該分野で公知の二次光学素子などの構造体８５を、発光面に取り付けることができる。
【００６７】
図１９は、より詳細には特許文献３に記載されているようなパッケージングされた発光デバイスの組立分解図である。放熱スラグ１００が、インサート成形されたリードフレームの中に配置される。インサート成形されたリードフレームは、例えば、電気パスを提供する金属フレーム１０６の周囲の充填されたプラスチック材料１０５である。スラグ１００は、任意に反射カップ１０２を含むことができる。発光デバイスのダイ１０４は上記の実施形態で説明されたいずれのデバイスとすることもでき、これが直接、又は熱伝導性サブマウント１０３を介して間接的に、スラグ１００にマウントされる。カバー１０８を追加することができ、これは光学レンズとすることができる。
【００６８】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本開示が与えられれば、ここに記載された発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に対して改変を行うことができることを認識するであろう。従って、本発明の範囲は、図示され説明された特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。特に、低温層２６はＩｎＧａＮの代わりにＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮで構成することができる。低温層２６がＡｌＧａＮで構成される実施形態の場合、低温層２６の面内格子定数は核形成層２２の格子定数よりも小さく、このことは、より短波長のＵＶ発光体のために用いられるＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮ層内の歪みを減少させることになる。低温層２６がＡｌＩｎＧａＮで構成される実施形態の場合、低温層２６の面内格子定数は、低温層２６内のインジウムのアルミニウムに対する比率に応じて、層２２の格子定数より大きいか又は小さいかのいずれかとすることができる。また、ここで開示される本発明は、例えばＦＥＴ又は検出器のようなトランジスタを含む電子デバイス又はオプトエレクトロニック・デバイスにも、発光層と同様に応用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１、２０：基板
２、２２：核形成層
３、５、２４、２８、３０、３１：高温層
６、１０：デバイス層
２６、３２、３４、３６：低温層
３８、６７：キャップ層
５９：グレーデッド層
６０、６２、６４：インジウム・リッチ層
６１、６３、６５：インジウム・プア層
７１：ｎ型領域
７２：発光層
７３：ｐ型領域
７６、７８：コンタクト
８０、８２：パッド
８４：マウント
１００：放熱シンク
１０４：発光デバイス・ダイ
１０８：カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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