СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ III ГРУППЫ, ВЫРАЩЕННЫХ НА ШАБЛОНАХ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD OF MAKING LIGHT-EMITTING DEVICES BASED ON GROUP III NITRIDES GROWN ON STRESS RELIEF TEMPLATES

Настоящее изобретение относится к технологиям роста и структурам устройства для полупроводниковых светоизлучающих устройств.
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие светоизлучающие диоды (LEDs), светоизлучающие диоды с объемным резонатором (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSELs) и лазеры с торцевым излучением, являются одними из наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Системы материалов, представляющих в настоящее время интерес для производства светоизлучающих устройств повышенной яркости, которые могут работать в ультрафиолетовой, видимой и, возможно, инфракрасной областях спектра, включают полупроводники III и V групп, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, называемые также III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства производят эпитаксиальным выращиванием стека полупроводниковых слоев различного состава и концентраций примеси на сапфировой, карбидокремниевой, III-нитридной или другой подходящей подложке посредством химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии (МВЕ) или других эпитаксиальных технологий. Стек слоев часто включает один или более слой n-типа, легированный, например, кремнием, образованный над подложкой, один или более светоизлучающий слой в активной области, образованный над слоем или слоями n-типа, и один или более слой p-типа, легированный, например, магнием, образованный над активной областью. Электрические контакты образуют в областях n-типа и p-типа. Эти III-нитридные материалы также представляют интерес для других оптоэлектронных, а также электронных устройств, таких как полевые транзисторы (FETs) и детекторы. В воплощениях изобретения слои устройства, включающие светоизлучающий слой III-нитридного устройства, выращивают над шаблоном, предназначенным для уменьшения напряжения в устройстве, в частности в светоизлучающем слое. Это напряжение может быть определено следующим образом: заданный слой имеет "объемную" постоянную решетки (abulk), соответствующую постоянной решетки свободно располагающегося материала того же состава, что и данный слой, и "плоскостную" постоянную решетки (ain-plane), соответствующую постоянной решетки этого слоя, выращенного в структуре. Величина напряжения в слое равна разнице между плоскостной постоянной решетки материала, образующего конкретный слой, и объемной постоянной решетки слоя в устройстве, поделенной на объемную постоянную решетки.
Уменьшение напряжения в светоизлучающем устройстве может улучшить рабочие характеристики устройства. Шаблон может расширить постоянную решетки в светоизлучающем слое за пределы диапазона постоянных решетки, который допускают традиционные ростовые шаблоны. В некоторых воплощениях изобретения напряжение в светоизлучающем слое составляет менее 1%.
В некоторых воплощениях шаблон включает два слоя, выращенных при низкой температуре, затравочный слой, не содержащий индий, такой как GaN, выращенный непосредственно на подложке, и содержащий индий слой, такой как InGaN, выращенный над слоем, не содержащим индий. Оба слоя могут быть неединичными кристаллическими слоями. В некоторых воплощениях единственный кристаллический слой, такой как слой GaN, может быть выращен между затравочным слоем и содержащим индий слоем. В некоторых воплощениях единственный кристаллический слой, такой как GaN, InGaN или AlInGaN, может быть выращен над низкотемпературным содержащим индий слоем.
В некоторых воплощениях шаблон дополнительно включает многослойный стек или градиентную область или образован с помощью процесса, включающего этап термического отжига или термического циклического выращивания.
Фиг.1 является разрезом участка устройства согласно предшествующему уровню техники.
Фиг.2 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный после традиционного низкотемпературного затравочного слоя.
Фиг.3 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный над несколькими низкотемпературными затравочными слоями.
Фиг.4 является разрезом участка устройства, включающего несколько низкотемпературных слоев, выращенных над традиционным низкотемпературным затравочным слоем.
Фиг.5 является разрезом участка устройства, включающего более одного набора из низкотемпературного затравочного слоя и низкотемпературного слоя InGaN.
Фиг.6 является разрезом участка устройства, включающего несколько низкотемпературных слоев InGaN.
Фиг.7 является разрезом структуры по фиг.6 после отжига и выращивания слоев устройства.
Фиг.8 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный после высокотемпературного слоя GaN.
Фиг.9 является разрезом участка устройства, включающего высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя GaN.
Фиг.10 является разрезом участка устройства, включающего высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя InGaN, выращенного после высокотемпературного слоя GaN.
Фиг.11 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, расположенный между двумя высокотемпературными слоями InGaN.
Фиг.12 является разрезом участка устройства, включающего два высокотемпературных слоя InGaN, выращенных над низкотемпературным слоем InGaN.
Фиг.13 является разрезом участка устройства, включающего несколько слоев, обогащенных индием и обедненных индием, выращенных посредством термического циклического выращивания.
Фиг.14 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой и слой градиентного состава.
с
а
Фиг.15 является графиком постоянной решетки  как функции постоянной решетки  для нескольких устройств, включающих затравочный слой GaN и толстый высокотемпературный слой GaN, и для нескольких устройств, включающих низкотемпературный слой InGaN и толстый высокотемпературный слой GaN.
с
а
Фиг.16 является графиком постоянных решетки  и  для нескольких устройств.
Фиг.17 иллюстрирует несколько основных кристаллографических плоскостей структуры вюрцита, например сапфира.
Фиг.18 иллюстрирует участок светоизлучающего устройства перевернутого кристалла, из которого удалена ростовая подложка.
Фиг.19 является покомпонентным видом светоизлучающего устройства в корпусе.
2
2
Рабочие характеристики полупроводникового светоизлучающего устройства можно рассчитать, измеряя внешнюю квантовую эффективность, которая измеряет число фотонов, излученных устройством, на электрон, подаваемый в устройство. Когда плотность тока, подаваемого на традиционное III-нитридное светоизлучающее устройство, возрастает, внешняя квантовая эффективность устройства сначала возрастает, а затем уменьшается. Когда плотность тока возрастает выше нуля, внешняя квантовая эффективность возрастает, достигая максимума при данной плотности тока (например, приблизительно при 10 А/см для некоторых устройств). Когда плотность тока возрастает выше максимума, внешняя квантовая эффективность сначала быстро падает, затем падение замедляется при более высокой плотности тока (например, выше 200 А/см для некоторых устройств). Квантовая эффективность устройства также уменьшается с увеличением содержания InN в светоизлучающей области и с увеличением длины волны излученного света.
Одной из технологий для уменьшения или обращения падения квантовой эффективности при высокой плотности тока является образование более толстых светоизлучающих слоев. Тем не менее вырастить толстые III-нитридные светоизлучающие слои трудно из-за напряжения в III-нитридных слоях устройства. Также для достижения излучения с большими длинами волн желательно включение более высокого содержания InN. Тем не менее вырастить III-нитридные светоизлучающие слои с высоким содержанием InN трудно из-за напряжения в III-нитридных слоях устройства.
2
3
Так как природные III-нитридные ростовые подложки обычно дороги, не являются широкодоступными и непрактичны для выращивания промышленных устройств, III-нитридные устройства часто выращивают на сапфировых (AlO) или карбидокремниевых подложках. Постоянные решетки таких неприродных подложек отличны от объемных постоянных решетки III-нитридных слоев устройства, выращенных на подложке, коэффициенты теплового расширения и различные химические и структурные свойства таких подложек и слоев устройства различны, что приводит к напряжению в слоях устройства и химическому и структурному рассогласованию между слоями устройства и подложками. Примеры этого структурного рассогласования могут включать, например, плоскостный поворот между кристаллической структурой GaN и кристаллической структурой сапфировой подложки, на которой выращен GaN.
Используемый здесь термин «плоскостная» постоянная решетки относится к действительной постоянной решетки слоя в устройстве, а термин «объемная» постоянная решетки относится к постоянной решетки ненапряженного, свободно располагающегося материала данного состава. Величина напряжения в слое определяется уравнением (1).
in-plane
bulk
bulk
напряжение=ε=(a-a)/a(1)
in-plane
bulk
Заметим, что напряжение ε в уравнении (1) может быть как положительным, так и отрицательным, т.е. ε>0 или ε<0. В ненапряженной пленке a=a, поэтому ε=0 в уравнении (1). Считается, что пленка, для которой ε>0, находится под растягивающим напряжением, или под воздействием растяжения, тогда как пленка, для которой ε<0, находится под сжимающим напряжением, или под воздействием сжатия. Примеры растягивающего напряжения включают напряженную пленку AlGaN, выращенную над ненапряженной GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную над ненапряженной InGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, поэтому плоскостная постоянная решетки напряженной пленки растягивается для совпадения с плоскостной постоянной решетки ненапряженного слоя, что дает ε>0 в уравнении (1), в соответствии с чем считают, что пленка находится под воздействием растяжения. Примеры сжимающего напряжения включают напряженную пленку InGaN, выращенную над ненапряженной GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную над ненапряженной AlGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая больше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, поэтому плоскостная постоянная решетки напряженной пленки сжимается для совпадения с плоскостной постоянной решетки ненапряженного слоя, что дает ε<0 в уравнении (1), в соответствии с чем считают, что пленка находится под воздействием сжатия.
В растянутой пленке напряжение действует таким образом, чтобы растащить атомы друг от друга для увеличения плоскостной постоянной решетки. Это растягивающее напряжение часто является нежелательным, так как пленка может растрескаться в ответ на растягивающее напряжение, что уменьшает напряжение в пленке, но подвергает риску структурную и электрическую целостность пленки. В сжатой пленке напряжение действует таким образом, чтобы столкнуть атомы, и этот эффект может уменьшить вхождение больших атомов, таких как индий, в пленку InGaN, например, или может ухудшить качество материала активного слоя InGaN в светодиодах на основе InGaN. Во многих случаях растягивающее и сжимающее напряжение оба нежелательны, и выгодно уменьшить растягивающее и сжимающее напряжение в различных слоях устройства. В таких случаях более удобно ссылаться на абсолютное значение или магнитуду напряжения, определенную в уравнении (2). Используемый здесь термин "напряжение" следует понимать как обозначение абсолютного значения или магнитуды напряжения, определенной в уравнении (2).
in-plane
bulk
bulk
напряжение=|ε|=|(a-a)|/a(2)
2
3
0,16
0,84
Когда III-нитридное устройство традиционным образом выращивают на AlO, первой структурой, выращенной на подложке, обычно является затравочный слой  GaN с плоскостной постоянной решетки а, равной приблизительно 3,189 Å или меньше. Шаблон GaN служит шаблоном постоянной решетки для светоизлучающей области, так как он устанавливает постоянную решетки для всех слоев устройства, выращенных над слоем шаблона, включая светоизлучающий слой InGaN. Так как объемная постоянная решетки InGaN больше, чем плоскостная постоянная решетки традиционного шаблона GaN, светоизлучающий слой подвергается сжимающему напряжению при росте над традиционным шаблоном GaN. Например, светоизлучающий слой, предназначенный для излучения света приблизительно на 450 нм, может иметь состав InGaN, состав с объемной постоянной решетки, равной 3,242 Å, по сравнению с постоянной решетки GaN, равной 3,189 Å. Так как содержание InN в светоизлучающем слое увеличивается, например, в устройствах, предназначенных для излучения света на больших длинах волн, сжимающее напряжение в светоизлучающем слое также увеличивается.
Если толщина напряженного слоя возрастает выше критического значения, в слое образуются дислокации или другие дефекты для уменьшения энергии, связанной с напряжением, как описано в работе Tomiya и др., Proceedings of SPIE, том 6133, стр. 613308-1-613308-10 (2006), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Структурные дефекты могут присоединяться к неизлучающим центрам рекомбинации, которые могут значительно снизить квантовую эффективность устройства. В результате необходимо поддержание значения толщины светоизлучающего слоя, которое меньше этой критической толщины. С увеличением содержания InN и максимальной длины волны напряжение в светоизлучающем слое увеличивается, таким образом, критическая толщина светоизлучающего слоя уменьшается.
Даже если значение толщины светоизлучающего слоя поддерживается ниже критической толщины, сплавы InGaN являются термодинамически нестабильными при определенных составах и температурах, как описано в работе Ponce и др., Physica Status Solidi, том В 240, стр.273-284 (2003), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Например, при температурах, обычно используемых для выращивания InGaN, в InGaN может проявиться спинодальный распад, при котором однородный по своему составу слой InGaN превращается в слой с областями содержания InN выше среднего и областями содержания InN ниже среднего. Спинодальный распад в светоизлучающем слое InGaN создает неизлучающие центры рекомбинации и может увеличить внутреннее поглощение, которое может снизить квантовую эффективность устройства. Проблема спинодального распада усугубляется с увеличением толщины светоизлучающего слоя, с увеличением среднего содержания InN в светоизлучающем слое и/или с увеличением напряжения в светоизлучающем слое. Например, в случае светоизлучающего слоя, выращенного на шаблоне GaN и предназначенного для излучения света на 550 нм, сочетание того, что содержание InN >20%, и того, что предпочтительная толщина >30 Å, выходит за пределы спинодального распада.
Следовательно, как описано выше, желательно увеличение толщины светоизлучающего слоя для уменьшения или исключения падения внешней квантовой эффективности, которое происходит с увеличением плотности тока, или желательно увеличение содержания InN для достижения большей длины волны. В обоих случаях необходимо уменьшить напряжение в светоизлучающем слое для выращивания более толстого светоизлучающего слоя или светоизлучающего слоя с большим содержанием, поддержания количества дефектов в диапазоне приемлемых значений посредством увеличения критической толщины и для увеличения толщины, при которой слой может быть выращен без спинодального распада. Воплощения изобретения предназначены для уменьшения напряжения в слоях устройства III-нитридного устройства, в частности в светоизлучающем слое.
Фиг.1 иллюстрирует устройство с традиционным затравочным слоем 2, выращенным на подложке 1. Один или более высокотемпературный слой, 3 и 5, может быть выращен над затравочным слоем 2, и слои 6 устройства могут быть выращены над высокотемпературными слоями 3 или 5. Ранее применявшиеся способы уменьшения напряжения в III-нитридных светоизлучающих слоях включают выращивание высокотемпературной, по существу монокристаллической, области 5 InGaN над коалесцированной областью 3 GaN, как проиллюстрировано на фиг.1 и описано в патенте США 6489636, или выращивание содержащего индий затравочного слоя 2 непосредственно на сапфировой подложке, как проиллюстрировано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A. Тем не менее область InGaN, выращенная над коалесцированной GaN, обычно не ослабляется эффективно и, таким образом, обеспечивает ограниченное уменьшение напряжения и связанных с ним дефектов, и подход, описанный в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A, который включает содержащий индий затравочный слой, выращенный непосредственно на сапфире, обычно приводит к одной или более проблеме в слоях устройства, включая высокую плотность дислокаций, шероховатые поверхности и высокие концентрации примесей, таких как углерод и кислород. Следовательно, необходимо контролировать не только напряжение в слоях устройства, но также плотность дислокаций и шероховатость поверхности.
а
а
а
Другим способом контроля напряжения в традиционных шаблонах GaN, таких как показанные на фиг.1, является контроль плотности дислокаций в шаблоне GaN, как описано в работе Böttcher и др., Applied Physics Letters, том 78, стр. 1976-1978 (2001), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. При таком подходе постоянная решетки  увеличивается с увеличением плотности прошивающих дислокаций (TDD). Хотя точное соотношение между постоянной решетки  и плотностью прошивающих дислокаций зависит от многих факторов, включая концентрацию Si, температуру роста и толщину шаблона, приближенное соотношение между постоянной решетки  и плотностью прошивающих дислокаций в традиционных шаблонах GaN может быть описано как
in-plane
-13
a=3,1832+9,578×10·TDD(3)
а
а
а
а
9
-2
9
-2
Из уравнения (3) можно заметить, что плоскостная постоянная решетки , равная 3,189 Å, соответствует плотности прошивающих дислокаций, равной приблизительно 6×10 см. Хотя такое значение постоянной решетки  может быть достигнуто при более низких плотностях прошивающих дислокаций с использованием различных концентраций Si, различных температур роста или различных толщин шаблонов, авторы изобретения заметили, что традиционный шаблон GaN с постоянной решетки , большей чем 3,189 Å, обычно имеет плотность прошивающих дислокаций, равную, по меньшей мере, 2×10 см. Изменяя плотность прошивающих дислокаций в традиционных шаблонах GaN, таких как на фиг.1, авторы изобретения изменяли плоскостную постоянную решетки  в традиционных шаблонах GaN в диапазоне от 3,1832 Å приблизительно до 3,1919 Å приблизительно.
а
а
а
а
9
-2
Хотя увеличение плотности прошивающих дислокаций, таким образом, в общем эффективно при увеличении постоянной решетки  в традиционных шаблонах GaN, этот способ имеет несколько недостатков. Например, дефекты, такие как дислокации, выполняют функции неизлучающих центров рекомбинации, которые могут снизить внешнюю квантовую эффективность III-нитридных светоизлучающих устройств, как описано в работе Koleske и др., Applied Physics Letters, том 81, стр. 1940-1942 (2002), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Следовательно, желательно уменьшение плотности дислокаций для увеличения внешней квантовой эффективности. Также, так как плоскостная постоянная решетки  достигает и превышает приблизительно 3,189 Å в традиционных шаблонах GaN, слои GaN имеют склонность к растрескиванию вследствие чрезмерного растягивающего напряжения, как описано в работе Romano и др., Journal of Applied Physics, том 87, стр. 7745-7752 (2000), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Следовательно, желательно нарушить это соотношение между постоянной решетки  и плотностью дислокаций, которое требует бинарный состав шаблонов GaN. В частности, получение активных слоев с небольшим напряжением в сочетании с шаблонами, имеющими низкую плотность прошивающих дислокаций, является важной задачей для увеличения внешней квантовой эффективности и длины волны III-нитридных светодиодов. В некоторых воплощениях изобретения в шаблоне, на котором выращены слои устройства, по существу, отсутствуют трещины при сочетании плоскостной постоянной решетки , равной 3,200 Å, и плотности прошивающих дислокаций, меньшей 2×10 см.
В воплощениях изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращены над структурой, упоминаемой здесь как шаблон, включающей компоненту для контроля постоянной решетки (и, следовательно, напряжения) в слоях устройства. Структуры, которые увеличивают постоянную решетки в устройстве, могут стать причиной нежелательно увеличенной шероховатости поверхности или увеличенной плотности прошивающих дислокаций, таким образом, шаблон может также включать компоненты для контроля плотности прошивающих дислокаций и шероховатости поверхности в слоях устройства, в частности в светоизлучающей области. Шаблон устанавливает плотность прошивающих дислокаций и постоянную решетки полупроводниковых слоев, выращенных над шаблоном. Шаблон служит переходом для постоянных решетки от постоянной решетки GaN к постоянной решетки, более точно совпадающей с объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя. Постоянная решетки, устанавливаемая шаблоном, может точнее совпадать с объемной постоянной решетки слоев устройства, чем постоянная решетки, доступная в устройствах, выращенных на традиционных шаблонах, что приводит к меньшему напряжению при приемлемых значениях плотности прошивающих дислокаций и шероховатости поверхности по сравнению с устройствами, выращенными на традиционных шаблонах GaN.
Слои устройства, упомянутые выше, включают, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, расположенный между одним, по меньшей мере, слоем n-типа и одним, по меньшей мере, слоем p-типа. Дополнительные слои, имеющие другие состав и концентрацию примесей, могут быть включены в каждую из следующих областей: область n-типа, светоизлучающую область и область p-типа. Например, области n-типа и p-типа могут включать слои, противоположные по типу проводимости, или слои, которые не являются специально легированными, разделительные слои, предназначенные для облегчения дальнейшего освобождения ростовой подложки или утончения полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои, предназначенные для конкретных оптических или электрических свойств, требуемых светоизлучающей области для эффективного излучения света. В некоторых воплощениях слой n-типа, формирующий слоистую структуру со светоизлучающим слоем, может быть частью подложки.
В воплощениях, описанных ниже, содержание InN в светоизлучающем слое или слоях может быть невысоким, так что устройство излучает синий или ультрафиолетовый свет, или высоким, так что устройство излучает зеленый свет или свет с большей длиной волны. В некоторых воплощениях устройство включает один или более светоизлучающий слой с квантовой ямой. Несколько квантовых ям могут быть разделены запирающими слоями. Например, каждая квантовая яма может иметь толщину более 15 Å.
9
-2
8
-2
7
-2
6
-2
В некоторых воплощениях светоизлучающей областью устройства является единственный толстый светоизлучающий слой, значение толщины которого находится между 50 и 600 Å, более предпочтительно между 100 и 250 Å. Оптимальная толщина может зависеть от числа дефектов в светоизлучающем слое. Концентрация дефектов в светоизлучающей области предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10 см, более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10 см, более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10 см, и более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10 см.
18
-3
20
-3
а
В некоторых воплощениях, по меньшей мере, один светоизлучающий слой в устройстве легирован примесью, такой как Si, при значении концентрации примеси между 1×10 см и 1×10 см. Легирование Si может влиять на плоскостную постоянную решетки  в светоизлучающем слое с возможным дополнительным уменьшением напряжения в светоизлучающем слое.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
В некоторых воплощениях изобретения шаблон включает, по меньшей мере, один низкотемпературный слой InGaN. Наблюдалось, что H может влиять на вхождение индия в пленки InGaN, как описано в работе Bosi и Fornari, Journal of Crystal Growth, том 265, стр. 434-439 (2004), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Различные другие параметры, такие как температура роста, давление роста, скорость роста и поток NH, также могут влиять на вхождение индия в пленки InGaN, как частично описано в работе Oliver и др., Journal of Applied Physics, том 97, стр. 013707-1-013707-8 (2005), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Таким образом, переменный поток H иногда используют как средство контроля содержания InN в пленках InGaN или AlInGaN. В некоторых воплощениях описанные здесь шаблоны, следовательно, выращивают, используя один или более переменный поток H, переменный поток N или переменный поток NH в реактор во время роста шаблона. В других воплощениях шаблоны выращивают, используя переменную температуру, или переменное давление, или переменную скорость роста во время роста шаблона. В других воплощениях шаблоны выращивают, используя произвольную комбинацию одного или более переменного потока H, переменного потока N, переменного потока NH, переменной температуры, переменного давления или переменной скорости роста во время роста шаблона.
Фиг.2 иллюстрирует первое воплощение изобретения. Традиционный низкотемпературный затравочный слой 22 выращен непосредственно на поверхности сапфировой подложки 20. Затравочным слоем 22 обычно является немонокристаллический слой низкого качества, такой как аморфный, поликристаллический или кубический слой GaN, выращенный при температуре между 400 и 750°C, толщиной, например, до 500 ангстрем.
2
3
2
3
2
2
3
Второй слой 26 также выращен при низкой температуре выше затравочного слоя 22. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, немонокристаллический слой низкого качества, такой как аморфный, поликристаллический или кубический III-нитридный слой, толщиной, например, до 500 ангстрем, выращенный при температуре между 400 и 750°C, более предпочтительно между 450 и 650°C, более предпочтительно между 500 и 600°C. В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 имеет толщину менее 300 ангстрем. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, слой InGaN, содержание InN в котором более 0% и часто менее 20%, более предпочтительно между 3% и 6%, более предпочтительно между 4% и 5%. В некоторых воплощениях содержание InN в низкотемпературном слое 26 является небольшим, например менее 2%. Структура может быть отожжена после выращивания затравочного слоя 22, но до выращивания низкотемпературного слоя 26, после выращивания низкотемпературного слоя 26 или в обоих случаях. Например, структура может отжигаться при температуре между 950 и 1150°C в течение промежутка времени от 30 секунд до 30 минут, обычно в окружении H и NH; N и NH; или H, N и NH. В некоторых воплощениях в течение, по меньшей мере, части процесса отжига могут вводиться прекурсоры Ga, Al или In. Слои 10 устройства затем выращивают над низкотемпературным слоем 26. Низкотемпературный слой 26 может расширить постоянную решетки слоев 10 устройства за пределы диапазона постоянных решетки, достижимых при помощи традиционных затравочных структур, таких как традиционные шаблоны GaN. Расширение постоянной решетки происходит, так как низкотемпературный слой 26 выращивают несоизмеримым с нижележащими слоями, равно как и затравочный слой GaN имеет постоянную решетки, отличную от постоянной решетки сапфира или SiC или другой подложки, на которой от выращен. Таким образом, как описано выше, низкотемпературный слой 26 служит переходником от постоянной решетки затравочного слоя 22 к большей постоянной решетки. Может быть выращено III-нитридное устройство, использующее низкотемпературный слой InGaN 26, как показано на фиг.2, имеющее лучшее качество, чем III-нитридное устройство, использующее содержащий InN затравочный слой 2, выращенный непосредственно на подложке, например, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A.
В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 может состоять из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN, так что низкотемпературные слои 26 уменьшают постоянную решетки, установленную затравочным слоем 22, для уменьшения растягивающего напряжения в светоизлучающей области AlGaN ультрафиолетового устройства. Светоизлучающими активными слоями таких устройств могут быть, например, AlGaN или AlInGaN.
В некоторых воплощениях изобретения устройство, проиллюстрированное на фиг.2, может включать один или более многослойный стек. Примеры многослойных стеков включают несколько затравочных слоев 22 и несколько низкотемпературных слоев 26. Например, один или более дополнительный затравочный слой GaN может быть расположен между подложкой 20 и низкотемпературным слоем InGaN 26, как показано на фиг.3. Альтернативно, несколько низкотемпературных слоев InGaN 26 могут быть выращены после затравочного слоя 22, как показано на фиг.4. В другом примере устройства, которое включает шаблон с многослойными стеками, последовательность из низкотемпературного слоя GaN 22, за которым следует низкотемпературный слой InGaN 26, может повторяться один или более одного раза, как показано на фиг.5. Использование нескольких затравочных или низкотемпературных слоев может уменьшить плотность прошивающих дислокаций и плотность дефектов упаковки в устройстве.
В некоторых воплощениях несколько низкотемпературных слоев 26 на фиг.4 или фиг.5 могут иметь неодинаковое содержание InN или неодинаковую толщину, как проиллюстрировано посредством нескольких низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 на фиг.6. Структура, показанная на фиг.6, может быть выращена непосредственно на традиционной подложке 20 или над затравочным слоем 22, как проиллюстрировано на фиг.2. Низкотемпературный слой, расположенный наиболее близко к подложке 20, слой 32, может иметь самое высокое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, расположенный наиболее удаленно от подложки, слой 36, может иметь самое низкое содержание индия. В другом воплощении низкотемпературный слой, расположенный наиболее близко к подложке 20, слой 32, может иметь самое низкое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, расположенный наиболее удаленно от подложки, слой 36, может иметь самое высокое содержание индия. Альтернативно, может быть использована любая произвольная последовательность низкотемпературных слоев. Верхний защитный слой GaN 38 может быть образован над верхним низкотемпературным слоем. Все низкотемпературные слои необязательно должны иметь одинаковую толщину. Например, слои с более низким содержанием индия могут быть толще, чем слои с более высоким содержанием индия. Может быть использовано больше или меньше трех низкотемпературных слоев, показанных на фиг.6. Дополнительно, несколько стеков низкотемпературных слоев, проиллюстрированных на фиг.6, могут быть включены в устройство. Толщина каждого из этих слоев может лежать в диапазоне от 10 ангстрем до 1000 ангстрем или более.
Структура, показанная на фиг.6, может быть отожжена один или более одного раза после выращивания одного или более слоев 32, 34, 36 или 38. Этот процесс отжига может вызвать смешивание низкотемпературных слоев InGaN 32, 34, 36 и верхнего защитного слоя GaN 38 с образованием одной области InGaN 35, как показано на фиг.7, над которой выращены слои 10 устройства. Верхний защитный слой GaN 38 на фиг.6 может уменьшить количество InN, вытесняемого из низкотемпературных слоев InGaN 32, 34 и 36 в течение отжига. Условия для отжига выбирают так, чтобы конечная структура имела гладкую поверхность и низкую плотность дефектов. В некоторых воплощениях отжиг включает приостановление роста. Например, структура может отжигаться от 30 секунд до 30 минут при температуре между 950 и 1150°С. После выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 температура может быть поднята до температуры роста верхнего защитного слоя 38 или следующего слоя, который необходимо вырастить, тогда имеет место приостановка роста перед выращиванием верхнего защитного слоя 38 или следующего слоя. В других воплощениях отжиг просто увеличивает температуру в ростовом реакторе после выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 до температуры роста верхнего защитного слоя 38. В некоторых воплощениях рост верхнего защитного слоя 38 начинается до того, как температура в ростовом реакторе достигнет требуемой температуры роста верхнего защитного слоя 38. В некоторых воплощениях верхний защитный слой 38 может быть выращен при низкой температуре, близкой к температуре, используемой для выращивания затравочного слоя 22. В структуре низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 верхнего защитного слоя 38 слои с небольшим содержанием InN могут помочь подавить потерю InN из слоев с высоким содержанием InN в течение отжига.
Единственный низкотемпературный слой 26, показанный в каждом описанном здесь воплощении, может быть заменен многослойными стеками по фиг.3, или 4, или 5 или градиентными содержащими InN слоями 32, 34 и 36 по фиг.6 и градиентным содержащим InN слоем 35 по фиг.7. Используемый здесь термин «градиентный» при описании состава или концентрации примеси в слое или слоях в устройстве предназначен для охвата любой структуры, изменение состава и/или концентрации примеси в которой достигается любым способом, отличным от одношагового изменения состава и/или концентрации примеси. Каждый градиентный слой может быть стеком подслоев, причем концентрация примеси или состав различны для каждого подслоя и соседнего с ним подслоя. Если подслои имеют разрешимую толщину, градиентный слой является ступенчатым слоем. В некоторых воплощениях подслои в ступенчатом слое могут иметь толщину, значение которой лежит в диапазоне от нескольких десятков ангстрем до нескольких тысяч ангстрем. В пределе, когда толщина отдельных подслоев достигает нуля, градиентный слой является непрерывно-градиентной областью. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть выполнены с возможностью образования множества профилей состава и/или концентрации примеси в зависимости от толщины, включая линейные профили, параболические профили и степенные профили, но не ограничиваясь ими. Также градиентные слои не ограничены единственным профилем градиента, но могут включать участки с различными профилями градиента и один или более участок с областями постоянного, по существу, состава и/или концентрации примеси.
В одном примере слои 32, 34 и 36 могут состоять из InGaN с содержанием InN, равным 9%, 6% и 3% соответственно. В другом примере содержание InN в слоях 32, 34 и 36 может быть равно 9%, 3% и 9%. После отжига содержание InN в смешанной области 35 по фиг.7 может уменьшаться монотонно снизу вверх, увеличиваться монотонно снизу вверх или изменяться немонотонным образом.
В некоторых воплощениях изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают над шаблоном, включающим, по меньшей мере, один низкотемпературный слой, выращенный над высокотемпературным слоем. Высокотемпературный слой может устанавливать низкую плотность прошивающих дислокаций и гладкую морфологию поверхности, например, тогда как низкотемпературный слой устанавливает расширенную постоянную решетки для слоев, выращенных на шаблоне. Расширение постоянной решетки происходит, так как низкотемпературный слой 26 выращивают несоизмеримым с нижележащими слоями, равно как и затравочный слой GaN имеет постоянную решетки, отличную от постоянной решетки сапфира или SiC или другой подложки, на которой от выращен. Фиг.8 является разрезом участка такого устройства.
В устройстве, показанном на фиг.8, высокотемпературный слой 24 выращен над затравочным слоем 22, который аналогичен затравочному слою 22, описанному выше со ссылкой на фиг.2. Высокотемпературным слоем 24 может быть, например, кристаллический слой GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN высокого качества, выращенный при температуре между 900 и 1150°C, толщиной, по меньшей мере, 500 ангстрем.
После выращивания высокотемпературного слоя 24 температуру снижают и выращивают низкотемпературный слой 26. В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 выращивают при скорости роста от 0,1 до 10 Å/сек, более предпочтительно менее 5 Å/сек, более предпочтительно от 0,5 до 2 Å/сек, чтобы избежать нежелательно шероховатой поверхности. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, немонокристаллический слой низкого качества, такой как аморфный, поликристаллический или кубический слой, выращенный при температуре между 400 и 750°C, более предпочтительно между 450 и 650°C, более предпочтительно между 500 и 600°C, толщиной, например, до 500 ангстрем. При более высоких температурах низкотемпературный слой 26 может воспроизвести постоянную решетки нижележащих слоев, а не уменьшить или установить свою собственную постоянную решетки, как требуется. Низкотемпературный слой 26 выращивают при температуре, достаточно низкой, чтобы он не воспроизводил постоянную решетки высокотемпературного слоя 24; точнее, низкотемпературный слой 26 может иметь постоянную решетки, которая больше постоянной решетки высокотемпературного слоя 24, возможно, из-за плохого качества низкотемпературного слоя 26. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, слой InGaN с содержанием InN от 1% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%. Низкотемпературный слой 26 служит переходником от постоянной решетки затравочного слоя GaN 22 к большей постоянной решетки, которая более точно совпадает с объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя устройства.
В некоторых воплощениях разница между температурой роста высокотемпературного слоя 24 и низкотемпературного слоя 26 равна, по меньшей мере, 300°C, более предпочтительно, по меньшей мере, 450°C и более предпочтительно, по меньшей мере, 500°C. Например, высокотемпературный слой 24 может быть выращен при температуре между 900 и 1150°C, тогда как низкотемпературный слой 26 выращивают при температуре между 450 и 650°C.
18
-3
20
-3
18
-3
19
-3
17
-3
17
-3
16
-3
Вследствие низкой температуры роста, используемой для выращивания слоя 26 в различных воплощениях настоящего изобретения, низкотемпературный слой 26 может иметь высокое содержание углерода. В некоторых воплощениях содержание углерода в низкотемпературном слое 26 составляет от 1×10 см до 1×10 см, часто от 1×10 см до 1×10 см. В отличие от этого, содержание углерода в высокотемпературном слое 24 обычно меньше 5×10 см, более предпочтительно менее 1×10 см, более предпочтительно менее 1×10 см. Из-за высокого содержания углерода низкотемпературный слой 26 может поглощать свет, излучаемый активным слоем. В предпочтительном воплощении толщина низкотемпературного слоя 26, таким образом, ограничена значением, меньшим 1000 Å, более предпочтительно меньшим 500 Å и более предпочтительно меньшим 300 Å.
2
-1
2
-1
3
-1
4
-1
2
-1
7
-1
Также вследствие низкой температуры роста, рассогласования постоянных решетки и рассогласования коэффициентов теплового расширения низкотемпературный слой 26 может иметь высокую концентрацию дефектов, таких как дефекты упаковки, дислокационные петли и дислокационные линии, которые расположены на границе раздела или вблизи границы раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, выращенным непосредственно над низкотемпературным слоем 26, или на границе раздела или вблизи границы раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, на котором выращен низкотемпературный слой 26. Дефекты часто ориентированы почти параллельно поверхности роста между подложкой 20 и затравочным слоем 22. Плотность этих плоскостных дефектов дает вклад в релаксацию напряжений низкотемпературного слоя 26 и слоев, выращенных над низкотемпературным слоем 26. Заметим, что концентрация этих плоскостных дефектов необязательно имеет отношение к плотности прошивающих дислокаций, описанной выше со ссылкой на уравнение (3). В заданном высокотемпературном слое 24 дефекты упаковки или дислокации, параллельные поверхности роста, не наблюдаются под просвечивающим электронным микроскопом (TEM), показывающим плотность дефектов упаковки и дислокаций, параллельных поверхности роста, ниже предела обнаружения TEM, обычно около 1×10 см. Изображения TEM низкотемпературного слоя InGaN 26 обнаруживают множество дислокаций, параллельных поверхности роста, при толщине образца TEM порядка нескольких тысяч ангстрем, показывая плотность дислокаций, которые параллельны поверхности роста, равную, по меньшей мере, 1×10 см, вероятнее 1×10 см и вероятнее, по меньшей мере, 1×10 см. В некоторых воплощениях значение плотности дислокаций, параллельных поверхности роста, находится между 1×10 см и 1×10 см.
В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 может быть выращен таким образом, что он является прерывистым в плоскости роста, т.е. он может обладать намеренно или непреднамеренно приобретенными признаками, которые делают его неплоским или прерывистым. Примеры таких намеренно приобретенных признаков могут включать использование одного или более класса технологий, включая латеральное заращивание. Для этих технологий используют различные термины, включая эпитаксиальное латеральное заращивание (ELO или ELOG), гранеуправляемое эпитаксиальное латеральное заращивание (FACELO) и эпитаксию «Pendeo» (PE), как описано в работе Hiramatsu, Journal of Physics: Condensed Matter, том 13, стр. 6961-6975 (2001), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Примеры таких непреднамеренно приобретенных признаков могут включать присутствие V-образных дефектов (обычно известных как “ямки”), которые пересекают верхнюю поверхность низкотемпературных III-нитридных слоев, больших ступеней на поверхности и других дефектов в низкотемпературном слое 26 или в слое или слоях ниже низкотемпературного слоя 26. Использование одной или более из этих намеренных технологий латерального заращивания или ненамеренных технологий может ограничить латеральную протяженность области дефектов до маленького участка или нескольких маленьких участков на шаблоне, тогда как латеральное заращивание шаблона может сохранить большую постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26.
В некоторых воплощениях слои устройства выращивают непосредственно на низкотемпературном слое 26 по фиг.8. В другом воплощении дополнительный высокотемпературный слой 28 может быть выращен над низкотемпературным слоем 26, повторяя постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26, как показано на фиг.9. Высокотемпературным слоем 28 может быть, например, GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN. В некоторых воплощениях высокотемпературным слоем 28 является InGaN толщиной от 500 до 10 000 ангстрем, выращенный при температуре между 800 и 1000°С. Содержание InN в высокотемпературном слое 28 обычно меньше, чем содержание InN в низкотемпературном слое 26, и может составлять, например, от 0,5% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%.
Низкотемпературный слой 26 предназначен для увеличения постоянной решетки выращенных впоследствии слоев, тогда как высокотемпературный слой 28 предназначен для сглаживания или заполнения ямок, больших ступеней на поверхности и других дефектов в низкотемпературном слое 26. Высокотемпературный слой 28 обеспечивает высококачественное основание, на котором выращивают следующие слои. Содержание InN в низкотемпературном слое 26 является относительно высоким для максимально возможного расширения постоянной решетки, а содержание InN в высокотемпературном слое 28 является относительно низким для выращивания слоя требуемого высокого качества. Устройство, проиллюстрированное на фиг.9, может включать несколько наборов из низкотемпературного слоя 26 и высокотемпературного слоя 28 между подложкой и слоями устройства. Постоянная решетки может быть немного расширена каждым набором посредством увеличения содержания InN в низкотемпературных слоях 26 от самого низкого содержания InN в низкотемпературном слое 26, наиболее близком к подложке, до самого высокого содержания InN в низкотемпературном слое 26, наиболее близком к слоям устройства. Так как постоянная решетки расширяется, содержание InN, при котором возможно выращивание высокотемпературного слоя 28 приемлемого высокого качества, может также увеличиваться. Таким образом, содержание InN в высокотемпературных слоях 28 может увеличиваться от самого низкого содержания InN в высокотемпературном слое 28, наиболее близком к подложке, до самого высокого содержания InN в высокотемпературном слое 28, наиболее близком к слоям устройства. Хотя увеличение содержания InN в слоях 26 является одним из способов увеличения содержания InN в слоях 28, содержание слоев 28 может быть увеличено другими способами, без увеличения содержания InN в слоях 26. В другом воплощении, показанном на фиг.10, высокотемпературный слой 24 по фиг.8 может быть использован вместе с высокотемпературным слоем 28 по фиг.9.
В другом воплощении, показанном на фиг.11, сначала выращивают низкотемпературный затравочный слой 22, за которым следует высокотемпературный слой 24, как описано выше со ссылкой на фиг.8. Второй высокотемпературный слой 30 выращивают над высокотемпературным слоем 24 и низкотемпературный слой InGaN 26 выращивают над слоем 30. Высокотемпературный слой 28 затем выращивают над низкотемпературным слоем 26 и слои 10 устройства выращивают над высокотемпературным слоем 28. Альтернативно, высокотемпературный слой 28 может быть опущен на фиг.11, и слои 10 устройства могут быть выращены непосредственно поверх низкотемпературного слоя InGaN 26.
Высокотемпературным слоем 30 может быть, например, слой InGaN, имеющий низкое содержание InN, например менее 5%, толщиной от 500 до 10000 ангстрем, выращенный при температуре между 900 и 1000°С. Высокотемпературным слоем 30 обычно является материал, объемная постоянная решетки которого больше объемной постоянной решетки высокотемпературного слоя 24. В результате плоскостная постоянная решетки в низкотемпературном слое 26 и выращенном впоследствии высокотемпературном слое 28 может быть больше, чем плоскостная постоянная решетки, достижимая, если бы низкотемпературный слой 26 был выращен непосредственно на высокотемпературном слое 24.
2
2
В некоторых воплощениях высокотемпературные слои 30 и 28 по фиг.11 состоят из InGaN. В одном таком воплощении высокотемпературный слой 28 может быть выращен с меньшим количеством H в окружающем пространстве или при более низкой температуре, чем высокотемпературный слой 30, и в таком случае высокотемпературный слой 28 может иметь более высокое содержание InN, чем высокотемпературный слой 30. Например, разница между температурой роста высокотемпературного слоя 30 и низкотемпературного слоя 26 может быть равна, по меньшей мере, 350°С, более предпочтительно, по меньшей мере, 400°С и более предпочтительно, по меньшей мере, 450°С. В отличие от этого, разница между температурой роста низкотемпературного слоя 26 и высокотемпературного слоя 28 может быть равна, по меньшей мере, 250°С, более предпочтительно, по меньшей мере, 300°С и более предпочтительно, по меньшей мере, 350°С. В другом воплощении высокотемпературный слой 28 может быть выращен с большим количеством H или при более высокой температуре, чем высокотемпературный слой 30, и в таком случае высокотемпературный слой 28 может иметь более низкое содержание InN, чем высокотемпературный слой 30. В другом воплощении высокотемпературный слой 28 и высокотемпературный слой 30 могут быть выращены, по существу, при одинаковых условиях, или высокотемпературный слой 28 и высокотемпературный слой 30 могут иметь, по существу, одинаковый состав. В каждом из этих воплощений низкотемпературный слой InGaN 26 прерывает постоянную решетки высокотемпературного слоя 24 и расширяет постоянную решетки выращенных впоследствии слоев, поэтому плоскостная постоянная решетки высокотемпературного слоя 28 будет больше, чем плоскостная постоянная решетки высокотемпературного слоя 30.
В некоторых воплощениях структуры низкотемпературный слой 26 может устанавливать большую постоянную решетки, тогда как высокотемпературный слой 28 может устанавливать гладкую поверхность. Если плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26, по существу, больше объемной постоянной решетки высокотемпературного слоя 28, тогда высокотемпературный слой 28 может находиться под существенным растягивающим напряжением, как определено в уравнении (1), и это растягивающее напряжение может частично ослабляться образованием трещин и других дефектов в высокотемпературном слое 28 или вблизи него. Этот эффект является нежелательным, так как трещины ухудшат электрическую и структурную целостность устройства и трещины или другие структурные дефекты в слое 28 могут уменьшить постоянную решетки в слое 28 и увеличить сжимающее напряжение в активной области. В некоторых воплощениях устройства, следовательно, предпочтительно выращивание дополнительных слоев между подложкой 20 и слоями 10 устройства. В одном таком воплощении высокотемпературный слой 31 может быть расположен между низкотемпературным слоем 26 и высокотемпературным слоем 28, как показано на фиг.12. В этом воплощении высокотемпературный слой 31 может быть выращен при температуре, которая выше температуры выращивания низкотемпературного слоя 26, но ниже температуры выращивания высокотемпературного слоя 28. Каждым из высокотемпературных слоев 28 и 31 может быть, например, InGaN толщиной от 500 до 10000 ангстрем, выращенный при температуре между 800 и 1000°С. Содержание InN в каждом высокотемпературном слое может составлять, например, от 0,5% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%.
2
2
2
Альтернативно, высокотемпературные слои 28 и 31 могут быть выращены при одинаковой, по существу, температуре, но высокотемпературный слой 31 может быть выращен с меньшим количеством H в окружающем пространстве по сравнению с количеством H, используемым для выращивания высокотемпературного слоя 28. В этом случае высокотемпературный слой 31 может иметь более высокое содержание InN, чем высокотемпературный слой 28. Альтернативно, высокотемпературный слой 31 может быть выращен при более высокой температуре или с большим количеством H, чем высокотемпературный слой 28, и в этом случае высокотемпературный слой 31 может иметь более низкое содержание InN, чем высокотемпературный слой 28.
В другом воплощении более двух различных слоев могут быть выращены между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства. Один пример этого воплощения показан на фиг.13, где чередующиеся слои из обогащенного InN и обедненного InN материала включены в многослойный стек между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства. Заметим, что многослойный стек по фиг.13 мог быть выращен над затравочным слоем 22 по фиг.2 или над высокотемпературным слоем 24 по фиг.10. Хотя на фиг.13 проиллюстрированы три набора из обогащенных InN слоев и обедненных InN слоев, может быть использовано большее или меньшее количество наборов. Обогащенными индием слоями 60, 62 и 64 могут быть, например, InGaN или AlInGaN. Обедненными индием слоями 61, 63 и 65 могут быть, например, GaN, InGaN или AlInGaN. Содержание InN в слоях 60, 62 и 64 может быть равно 3%, тогда как содержание InN в слоях 61, 63 и 65 может быть равно 0,5%.
Необязательный верхний защитный слой 67 может быть выращен над верхним обедненным InN слоем 65, затем слои 10 устройства выращивают над верхним защитным слоем 67 или верхним обедненным InN слоем 65. Верхним защитным слоем 67 может быть, например, GaN или InGaN. В другом воплощении верхний обеденный индием слой может быть пропущен, и слои устройства могут быть выращены непосредственно над верхним обогащенным индием слоем, таким как слой 60, 62 или 64.
а
а
В другом воплощении устройства многослойный стек по фиг.13 мог быть образован с использованием термического циклического выращивания или отжига, как описано в работе Itoh и др., Applied Physics Letters, том 52, стр. 1617-1618 (1988), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Термическое циклическое выращивание используют для выращивания устройств, имеющих хорошую морфологию поверхности и постоянные решетки  в слоях устройства, которые больше постоянных решетки , достижимых при выращивании на традиционных шаблонах GaN. Процессы термического циклического выращивания включают выращивание эпитаксиального слоя, такого как InGaN, за которым следует этап высокотемпературного выращивания или отжига.
3
2
3
2
2
а
а
После выращивания каждого из слоев 60, 61, 62, 63, 64 и 65 рост может быть приостановлен остановкой потока некоторых газов-прекурсоров, таких как прекурсоры Ga, Al и In, затем структура может быть отожжена возобновлением потока прекурсора N, часто NH, наряду с поддержанием или возрастанием температуры в течение заданного промежутка времени. Выращивание следующего слоя начинается, когда температура установлена на температуру роста следующего слоя, если необходимо, и введены подходящие прекурсоры. Обычные условия отжига состоят из 1100°С в течение 5 минут в окружении H или NH. В окружение может быть также добавлен N или из окружения может быть удален H для предотвращения чрезмерного разложения слоев InGaN. Альтернативно, рост может продолжаться в течение этих высокотемпературных этапов или линейных изменений температуры. Отжиг после выращивания каждого слоя может дать в результате улучшенную морфологию поверхности по сравнению с устройством, которое не отжигается после выращивания каждого слоя, но отжиг после выращивания обедненных InN слоев 61, 63 и 65 может привести к образованию дополнительных дислокаций или дислокационных петель, которые могут несколько ослабить напряжение в обедненных InN слоях, так что эти слои более не находятся под напряжением, связанным с большей постоянной решетки  обогащенных InN слоев, что дает в результате шаблон с меньшей, чем требуется, постоянной решетки .
Альтернативно, структуру отжигают только после выращивания некоторых или всех обогащенных InN слоев 60, 62 и 64 или только после выращивания некоторых или всех обедненных InN слоев 61, 63 и 65. Отжиг только после выращивания обедненных InN слоев 61, 63 и 65 может привести к более высокому среднему содержанию InN в шаблоне, так как обедненные InN слои захватывают большее количество InN из обогащенных InN слоев в устройстве в течение любых этапов отжига. В другом воплощении структура может быть отожжена после выращивания каждого слоя, когда условия отжига, используемого после выращивания обогащенных InN слоев, отличны от условий отжига, используемого после выращивая обедненных InN слоев. Заметим, что необязательно, чтобы все обогащенные индием слои 60, 62 и 64 имели одинаковые состав или толщину. Подобным образом, необязательно, чтобы все обедненные индием слои 61, 63 и 65 имели одинаковые состав или толщину.
В другом воплощении градиентный слой InGaN 59 может быть расположен между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства, как показано на фиг.14. Градиентный слой 59 может включать, например, один или более двойной, тройной или четверной III-нитридный слой с переменным содержанием InN. Необязательный верхний защитный слой (не показан на фиг.14), как описано выше, может быть расположен между градиентным слоем 59 и слоями 10 устройства. Например, градиентным слоем 59 может быть слой InGaN, состав которого линейно изменяется от самого высокого содержания InN, равного 11%, рядом с низкотемпературным слоем 26, до самого низкого содержания InN, равного 3%, рядом со слоями 10 устройства. В другом примере градиентный слой 59 может включать постепенное изменение от высокого содержания InN, равного 10%, рядом с низкотемпературным слоем 26, вплоть до низкого содержания InN, равного 0%, рядом со слоями 10 устройства. В еще одном другом воплощении градиентный слой 59 может включать постепенное изменение или один шаг от высокого содержания InN, равного 8%, рядом с низкотемпературным слоем 26, вплоть до низкого содержания InN, равного 0%, в некотором промежуточном положении, за которым следует постепенное изменение или один шаг обратно до более высокого содержания InN, равного 3%, рядом со слоями 10 устройства.
В некоторых воплощениях слои 24 и 30 по фиг.11 могут быть использованы вместе со слоями 28 и 31 по фиг.12. В другом воплощении низкотемпературный слой 26 может быть расположен между двумя градиентными слоями InGaN 59, показанными на фиг.14. В другом воплощении произвольный стек из низкотемпературных слоев 26 может быть вкраплен в произвольный стек из высокотемпературных слоев или произвольный стек из высокотемпературных слоев и низкотемпературных GaN слоев. Каждое из воплощений, показанных на фиг.2, 8, 9 и 10, может включать градиентные слои, многослойные стеки и отожженные слои или слои, выращенные с помощью термического циклического выращивания, как обсуждалось со ссылкой на фиг.3-7 и фиг.11-14.
В некоторых воплощениях характеристики слоев, таких как высокотемпературные слои 31 по фиг.12, выбирают для сохранения постоянной решетки, установленной низкотемпературным слоем 26. В некоторых воплощениях характеристики слоя, такого как высокотемпературные слои 28 по фиг.12, выбирают для улучшения морфологии поверхности в устройстве.
с
а
с
а
а
а
с
а
с
с
с
а
а
а
а
Фиг.15 и 16 являются графиками зависимости постоянной решетки  от постоянной решетки  для нескольких устройств. Фиг.15 демонстрирует, что шаблоны согласно воплощениям изобретения в действительности вызывают, по меньшей мере, частичное уменьшение напряжения наложенных слоев. Напряженное состояние структуры может быть измерено с помощью определения постоянных решетки  и  структуры. В структурах, представленных ромбами на фиг.15, толстый высокотемпературный слой GaN 3 был выращен над затравочным слоем GaN 2, как проиллюстрировано на фиг.1, причем условия роста затравочного слоя 2 и высокотемпературного слоя GaN 3 меняли для изменения плотности прошивающих дислокаций и, следовательно, плоскостной постоянной решетки  в шаблоне GaN, как обсуждалось ранее в отношении уравнения (3). Такие способы изменения плотности прошивающих дислокаций описаны в работе Figge и др., Journal of Crystal Growth, том 221, стр. 262-266 (2000), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Структуры, представленные ромбами на фиг.15, следовательно, имеют переменную плотность прошивающих дислокаций и постоянную решетки , что согласуется с уравнением (3). В структурах, представленных кружками, толстый высокотемпературный слой GaN был выращен над низкотемпературным слоем InGaN, приготовленным согласно воплощениям изобретения. Согласно теории упругости постоянные решетки  и  в III-нитридных материалах связаны обратной зависимостью, что продемонстрировано структурами, представленными ромбами, которые все лежат близко к диагональной линии, проиллюстрированной на фиг.15. В отличие от структур, представленных ромбами, каждая из структур, представленных кружками, лежит ниже диагональной линии, означая, что постоянная решетки  этих структур меньше, чем постоянная решетки  структур, представленных ромбами. Более маленькая постоянная решетки  структур, представленных ромбами, говорит о том, что толстые высокотемпературные слои GaN в этих структурах выращены под растягивающим напряжением, означая, что постоянная решетки  высокотемпературного слоя GaN растянута для совпадения с постоянной решетки  нижележащего низкотемпературного слоя InGaN 26, в котором, по меньшей мере, частично уменьшено напряжение. Структуры, представленные кружками, также обладают меньшей плотностью прошивающих дислокаций для заданной постоянной решетки , чем структуры, представленные ромбами, означая, что изобретение нарушает соотношение между постоянной решетки  и плотностью прошивающих дислокаций, наблюдаемое в традиционных шаблонах GaN, количественно определенное ранее в уравнении (3).
с
а
а
с
а
с
а
а
а
а
а
Фиг.16 является графиком постоянных решетки  и , наблюдаемых для нескольких слоев в одном или более воплощении изобретения. Заштрихованные кружки на фиг.16 представляют слой 28 по фиг.9, тогда как незаштрихованные кружки на фиг.16 представляют один или более обогащенный индием слой по фиг.13, а ромбы представляют один или более обедненный индием слой или верхние защитные слои по фиг.13. Сплошная диагональная линия на фиг.16 соответствует сплошной диагональной линии, показанной ранее на фиг.15, и представляет экспериментальные данные для шаблонов GaN, такие как структура, проиллюстрированная на фиг.1, тогда как пунктирная диагональная линия является экстраполяцией сплошной линии до больших значений постоянной решетки . Как проиллюстрировано на фиг.16, обе постоянные решетки  и  обогащенного индием слоя 60 являются довольно большими по сравнению с данными для традиционных шаблонов GaN, показанными ромбами на фиг.15. Постоянные решетки  и  обедненного индием слоя 61 или верхнего защитного слоя 67, образованного над обогащенным индием слоем 60, меньше, чем постоянные решетки обогащенного индием слоя 60, но намного больше, чем самые большие постоянные решетки , наблюдаемые для традиционных шаблонов GaN по фиг.15, что говорит о том, что обедненные индием слои 61 и верхние защитные слои 67, выращенные согласно воплощению, проиллюстрированному на фиг.13, по меньшей мере, частично напряжены из-за большей постоянной решетки обогащенных индием слоев 60. Заметим, что обедненные индием слои 61 и верхние защитные слои 67 обычно поддерживают достаточно тонкими или выращивают с достаточно высоким содержанием InN, чтобы избежать растрескивания. Слои 10 устройства, выращенные напряженными над обедненными индием слоями 61 и верхними защитными слоями 67, повторяют эту постоянную решетки , которая больше, чем постоянная решетки GaN, что уменьшает напряжение в светоизлучающем слое. Шаблоны, описанные в вышеприведенных воплощениях, следовательно, могут иметь большие постоянные решетки , чем традиционные шаблоны GaN, постоянная решетки  которых обычно не превышает 3,189 Å.
0,12
0,88
in-plane
bulk
bulk
0,12
0,88
0,16
0,84
0,2
0,8
Выращивание слоев устройства, включающих один или более светоизлучающий слой, над шаблонами, плоскостная постоянная решетки которых больше 3,189 Å, таких как структуры в некоторых из описанных выше воплощений, может достаточно уменьшить напряжение в светоизлучающем слое, чтобы сделать возможным выращивание более толстых светоизлучающих слоев с приемлемыми плотностями дефектов и уменьшенным спинодальным распадом. Например, слой InGaN, который излучает синий свет, может иметь состав InGaN, состав с объемной постоянной решетки, равной 3,23 Å. Напряжение в светоизлучающем слое определяется разницей между плоскостной постоянной решетки в светоизлучающем слое (около 3,189 Å для светоизлучающего слоя, выращенного на традиционном буферном слое GaN) и объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя, таким образом, напряжение может быть выражено как |(a-a)|/a, как определено в уравнении (2). В случае традиционного слоя InGaN напряжение равно |3,189 Å-3,23 Å |/3,23 Å, приблизительно 1,23%. Если светоизлучающий слой того же состава выращивают на шаблоне с большей постоянной решетки, таком как описанные выше структуры, напряжение может быть уменьшено или аннулировано. В некоторых воплощениях изобретения напряжение в светоизлучающем слое устройства, излучающего свет между 430 и 480 нм, может быть уменьшено до значения, равного менее 1%, и более предпочтительно до значения, равного менее 0,5%. Слой InGaN, который излучает голубой свет, может иметь состав InGaN, состав с объемной постоянной решетки, равной 3,24 Å, и напряжением около 1,7% при выращивании на традиционном буферном слое GaN. В некоторых воплощениях изобретения напряжение в светоизлучающем слое устройства, излучающего свет между 480 и 520 нм, может быть уменьшено до значения, равного менее 1,5%, и более предпочтительно до значения, равного менее 1%. Слой InGaN, который излучает зеленый свет, может иметь состав InGaN, состав с объемной постоянной решетки, равной 3,26 Å, что приводит к напряжению, равному приблизительно 2,1% при выращивании на традиционном буферном слое GaN. В некоторых воплощениях изобретения напряжение в светоизлучающем слое устройства, излучающего свет между 520 и 560 нм, может быть уменьшено до значения, равного менее 2%, и более предпочтительно до значения, равного менее 1,5%.
а
а
а
а
а
9
-2
9
-2
9
-2
9
-2
Для устройства, проиллюстрированного на фиг.2, авторы настоящего изобретения вырастили структуры с постоянной решетки , равной 3,212 Å, и плотностью прошивающих дислокаций, равной 4×10 см. Напряжение светоизлучающего слоя, выращенного над такой структурой, может быть равным 0,55% для синего светоизлучающего слоя, 0,87% для голубого светоизлучающего слоя и 1,5% для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, проиллюстрированных на фиг.8 и 10, авторы настоящего изобретения вырастили структуры с постоянной решетки , равной 3,196 Å, и плотностью прошивающих дислокаций, равной 1,5×10 см. Напряжение светоизлучающего слоя, выращенного над такой структурой, может быть равным 1,1% для синего светоизлучающего слоя, 1,4% для голубого светоизлучающего слоя и 2,0% для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, проиллюстрированных на фиг.9 и 13, авторы настоящего изобретения вырастили структуры с постоянной решетки , равной 3,202 Å, и плотностью прошивающих дислокаций, равной 1,5×10 см, как проиллюстрировано на фиг.16. Напряжение светоизлучающего слоя, выращенного над такой структурой, может быть равным 0,87% для синего светоизлучающего слоя, 1,2% для голубого светоизлучающего слоя и 1,8% для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, проиллюстрированных на фиг.11, авторы настоящего изобретения вырастили структуры с постоянной решетки , равной 3,204 Å, и плотностью прошивающих дислокаций, равной 1,5×10 см. Напряжение светоизлучающего слоя, выращенного над такой структурой, может быть равным 0,8% для синего светоизлучающего слоя, 1,1% для голубого светоизлучающего слоя и 1,7% для зеленого светоизлучающего слоя. Каждый из этих примеров, следовательно, нарушает соотношение между плоскостной постоянной решетки  и плотностью прошивающих дислокаций, описанное ранее в уравнении (3).
с
m
а
с
r
m
а
с
r
m
а
Описанные выше ростовые шаблоны и слои устройства могут быть выращены на поверхности сапфира или ростовой подложке SiC, которая отклонена от основной кристаллографической плоскости сапфира, согласно воплощениям изобретения. Фиг.17 иллюстрирует плоскость , плоскость  и плоскость  сапфира. III-нитридные устройства часто выращивают над плоскостью , плоскостью , плоскостью  или плоскостью  сапфира. В воплощениях изобретения сапфировая подложка может быть срезана и отполирована, так чтобы поверхность роста, над которой выращивают III-нитридные слои устройства, была отклонена в направлении 12 от плоскости , плоскости , плоскости  или плоскости , например, более чем на 0,1°. В светоизлучающем слое, выращенном над такой подложкой, может уменьшаться спинодальный распад и напряжение в светоизлучающих слоях. Такая подложка может быть использована для выращивания любого из описанных выше шаблонов.
Полупроводниковые структуры, проиллюстрированные и описанные выше, могут быть включены в любую подходящую конфигурацию светоизлучающего устройства, такого как устройство, контакты которого образованы на противоположных сторонах устройства, или устройство, оба контакта которого образованы на одной стороне устройства. Когда оба контакта расположены на одной стороне, устройство может быть образовано либо с прозрачными контактами и установлено так, что свет выделяется через сторону, на которой образованы контакты, либо с отражательными контактами и установлено так же, как перевернутый кристалл, когда свет выделяется со стороны, противоположной стороне, на которой образованы контакты.
Фиг.18 иллюстрирует участок одного примера подходящей конфигурации, устройство перевернутого кристалла, из которого удалена ростовая подложка. Как описано выше, слои 10 устройства включают светоизлучающую область 72, включающую, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, расположенный между областью 71 n-типа, включающей, по меньшей мере, один слой n-типа, и областью 73 p-типа, включающей, по меньшей мере, один слой p-типа. Областью 71 n-типа может быть участок ростового шаблона или отдельная структура. Участок области 73 p-типа и светоизлучающую область 72 удаляют для образования меза-области, которая открывает участок области 71 n-типа. Хотя на фиг.18 показано одно межслойное отверстие, открывающее участок области 71 n-типа, следует понимать, что в одном устройстве может быть образовано несколько межслойных отверстий. N-контакты и p-контакты 78 и 76 образуют на открытых частях области 71 n-типа и области 73 p-типа, например, выпариванием или металлизацией. Контакты 78 и 76 могут быть электрически изолированы друг от друга воздухом или слоем диэлектрика. После образования контактных металлов 78 и 76 пластина устройств может быть разрезана на отдельные устройства, затем каждое устройство переворачивают относительно направления роста и устанавливают на опору 84, и в этом случае латеральная протяженность опоры 84 может быть больше, чем латеральная протяженность устройства, как проиллюстрировано на фиг.18. Альтернативно, пластина устройств может быть соединена с пластиной опор, затем разрезана на отдельные устройства. Опора 84 может быть, например, полупроводником, таким как Si, металлом или керамикой, такой как AlN, и может иметь, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку 80, которая электрически соединена с p-контактами 76, и, по меньшей мере, одну металлическую контактную площадку 82, которая электрически соединена с n-контактами 78. Межсоединения (не показаны на фиг.18), расположенные между контактами 76 и 78 и контактными площадками 80 и 82, соединяют полупроводниковое устройство с опорой 84. Межсоединениями могут быть, например, элементарные металлы, такие как золото, или припой.
После установки ростовую подложку (не показана) удаляют с помощью процесса, подходящего для материала подложки, такого как травление или лазерное плавление. Жесткий недоливок может быть обеспечен между устройством и опорой 84 до или после установки для поддержания полупроводниковых слоев и предотвращения растрескивания во время удаления подложки. Шаблон 75, на котором выращены слои 10 устройства, может быть оставлен нетронутым, полностью удален или частично удален, например, с помощью травления. Поверхности, которая открывается после удаления ростовой подложки или любого полупроводникового материала, можно придать шероховатость, например, с помощью процесса травления, такого как фотоэлектрохимическое травление, или механического процесса, такого как шлифовка. Придание шероховатости поверхности, с которой выделяется свет, может улучшить выделение света из устройства. Альтернативно, в поверхности может быть образована структура фотонного кристалла. Структура 85, такая как слой люминофора, или вторичная оптика, известная в данной области техники, такая как дихроичные зеркала или поляризаторы, могут быть применены к излучающей поверхности.
Фиг.19 является покомпонентным видом светоизлучающего устройства в корпусе, как более подробно описано в патенте США 6,274,924. Теплоотводящую заготовку 100 помещают в фиксирующую формованную рамку с выводами. Фиксирующей формованной рамкой с выводами, например, является наполненный пластичный материал 105, отформованный вокруг металлической рамки 106, которая обеспечивает электрический путь. Заготовка 100 может включать необязательную чашу 102 отражателя. Кристалл 104 светоизлучающего устройства, которым может быть любое из устройств, описанных в воплощениях выше, устанавливают непосредственно в заготовку 100 или посредством термически проводящей дополнительной опоры 103. Может быть добавлена крышка 108, которой может являться оптическая линза.
Имея подробное описание изобретения, специалисты в данной области техники оценят, что, принимая во внимание настоящее раскрытие, могут быть сделаны модификации изобретения без отклонения от сущности идеи изобретения, описанной здесь. Следовательно, подразумевается, что объем изобретения не ограничен конкретными воплощениями, проиллюстрированными и описанными. В частности, низкотемпературный слой 26 может состоять из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN. Для воплощения, в котором низкотемпературный слой 26 состоит из AlGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 меньше, чем плоскостная постоянная решетки затравочного слоя 22, что уменьшает напряжение в слоях AlGaN или AlInGaN, используемых для коротковолновых ультрафиолетовых излучателей. Для воплощений, в которых низкотемпературный слой 26 состоит из AlInGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 может быть как больше, так и меньше плоскостной постоянной решетки слоя 22, в зависимости от соотношения индия и алюминия в низкотемпературном слое 26. Также раскрытое здесь изобретение может быть применено к электронным или оптоэлектронным устройствам, так же как и светоизлучающим устройствам, например, включающим транзисторы, такие как полевые транзисторы (FETs) или детекторы.