III-НИТРИДНЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПРИБОРЫ, ВЫРАЩЕННЫЕ НА ШАБЛОНАХ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ
III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES, GROWN ON TEMPLATES TO REDUCE STRAIN

Настоящее изобретение относится к технологиям выращивания и приборным структурам для полупроводниковых светоизлучающих приборов.
Полупроводниковые светоизлучающие приборы, включая светоизлучающие диоды (LED или СИД), светоизлучающие диоды с объемным резонатором (RCLED), лазерные диоды с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) и лазеры с торцевым излучением находятся среди самых эффективных источников света, доступных в настоящее время. Материальные системы, представляющие в настоящее время интерес при изготовлении светоизлучающих приборов с высокой яркостью, способных к работе по всему ультрафиолетовому (УФ), видимому и возможно инфракрасному, спектру включают в себя полупроводники на основе элементов III-V групп, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые «III-нитридными» материалами. Как правило, III-нитридные светоизлучающие приборы изготавливают эпитаксиальным выращиванием пакета полупроводниковых слоев с различными составами и концентрациями легирующих примесей на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или другой подходящей подложке с помощью химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE или МЛЭ) или других технологий эпитаксиального выращивания. Пакет часто включает в себя один или более слоев n-типа, легированных, например, кремнием (Si) и сформированных поверх подложки, один или более светоизлучающих слоев в активной области, сформированных поверх слоя или слоев n-типа, и один или более слоев p-типа, легированных, например, магнием (Mg) и сформированных поверх активной области. На областях n- и p-типа сформированы электрические контакты. Эти III-нитридные материалы также представляют интерес для других оптоэлектронных, а также электронных приборов, таких как полевые транзисторы (FET) и детекторы.
объем
плоскост
В вариантах реализации изобретения приборные слои, включая светоизлучающий слой III-нитридного прибора, выращивают поверх шаблона, рассчитанного для уменьшения деформации в приборе, в частности, в его светоизлучающем слое. Эта деформация может быть определена следующим образом: некий данный слой имеет объемную постоянную решетки a, соответствующую постоянной решетки свободностоящего материала с таким же составом, как и у этого слоя, и плоскостную постоянную решетки a, соответствующую постоянной решетки этого слоя, выращенного в структуре. Степень деформации в слое представляет собой разницу между плоскостной постоянной решетки материала, образующего какой-либо конкретный слой, и объемной постоянной решетки этого слоя в приборе, деленную на объемную постоянную решетки.
Уменьшение деформации в светоизлучающем приборе может улучшить рабочие характеристики прибора. Шаблон может «растянуть» постоянную решетки в светоизлучающем слое за диапазон значений постоянной решетки, доступных для обычных шаблонов выращивания. В некоторых вариантах реализации изобретения деформация в светоизлучающем слое составляет менее чем 1%.
В некоторых вариантах реализации шаблон включает в себя два слоя, выращенных при низкой температуре - безиндиевый зародышевый слой, такой как GaN, выращенный непосредственно на подложке, и индийсодержащий слой, такой как InGaN, выращенный на безиндиевом слое. Оба слоя могут быть немонокристаллическими слоями. В некоторых вариантах реализации между зародышевым слоем и индийсодержащим слоем может быть выращен монокристаллический слой, такой как слой GaN. В некоторых вариантах реализации монокристаллический слой, такой как GaN, InGaN или AlInGaN, может быть выращен поверх низкотемпературного индийсодержащего слоя.
В некоторых вариантах реализации шаблон дополнительно включает в себя многослойный пакет или градиентную область или сформирован способом, включающим в себя стадию термического отжига или термоциклированного выращивания.
Фиг. 1 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора согласно уровню техники.
Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя низкотемпературный слой InGaN, выращенный после обычного низкотемпературного зародышевого слоя.
Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя низкотемпературный слой InGaN, выращенный поверх множественных низкотемпературных зародышевых слоев.
Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя множественные низкотемпературные слои, выращенные поверх обычного низкотемпературного зародышевого слоя.
Фиг. 5 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя более чем один набор из низкотемпературного зародышевого слоя и низкотемпературного слоя InGaN.
Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя множественные низкотемпературные слои InGaN.
Фиг. 7 представляет собой вид в поперечном сечении структуры по фиг. 6 после отжига и выращивания приборных слоев.
Фиг. 8 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя низкотемпературный слой InGaN, выращенный после высокотемпературного слоя GaN.
Фиг. 9 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя InGaN.
Фиг. 10 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя InGaN, выращенного после высокотемпературного слоя GaN.
Фиг. 11 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя низкотемпературный слой InGaN, расположенный между двумя высокотемпературными слоями InGaN.
Фиг. 12 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя два высокотемпературных слоя InGaN, выращенных поверх низкотемпературного слоя InGaN.
Фиг. 13 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя множественные богатые индием и бедные индием слои, выращенные с помощью термоциклированного выращивания.
Фиг. 14 представляет собой вид в поперечном сечении части прибора, включающего в себя низкотемпературный слой и слой градиентного состава.
Фиг. 15 представляет собой график c-постоянной решетки как функции от a-постоянной решетки для нескольких приборов, включающих в себя зародышевый слой GaN и толстый высокотемпературный слой GaN, и для нескольких приборов, включающих в себя низкотемпературный слой InGaN и толстый высокотемпературный слой GaN.
Фиг. 16 представляет собой график c- и a-постоянных решетки для нескольких приборов.
Фиг. 17 иллюстрирует несколько основных кристаллографических плоскостей в структуре вюрцита, такой как сапфир.
Фиг. 18 иллюстрирует часть смонтированного методом перевёрнутого кристалла светоизлучающего прибора, с которого подложка для выращивания была удалена.
Фиг. 19 представляет собой изображение в разобранном виде светоизлучающего прибора в корпусе.
2
2
Рабочие характеристики полупроводникового светоизлучающего прибора могут быть откалиброваны измерением внешнего квантового выхода, который измеряется числом вышедших из прибора фотонов, приходящихся на поданный в прибор электрон. По мере того как увеличивается плотность тока, подаваемая на обычный III-нитридный светоизлучающий прибор, внешний квантовый выход прибора первоначально увеличивается, а затем уменьшается. По мере того как плотность тока увеличивается с нулевого значения, внешний квантовый выход увеличивается, достигая пика при некоторой данной плотности тока (например, при примерно 10 A/см для некоторых приборов). По мере того как плотность тока увеличивается за пределы этого пика, внешний квантовый выход первоначально быстро падает, затем уменьшение замедляется при более высокой плотности тока (например, свыше 200 A/см для некоторых приборов). Квантовый выход прибора также уменьшается по мере увеличения содержания InN в светоизлучающей области и по мере увеличения длины волны излучаемого света.
Один способ уменьшения или полного прекращения падения квантового выхода при высокой плотности тока заключается в формировании более толстых светоизлучающих слоев. Однако выращивание толстых III-нитридных светоизлучающих слоев затруднено вследствие деформации в этих III-нитридных приборных слоях. Кроме того, чтобы достигнуть эмиссии на более длинных длинах волн, желательно введение большего содержания InN. Однако выращивание III-нитридных светоизлучающих слоев с высоким содержанием InN затруднено вследствие деформации в III-нитридных приборных слоях.
2
3
Так как «родные» III-нитридные подложки для выращивания являются обычно дорогостоящими, малодоступными и непрактичными для выращивания коммерческих приборов, III-нитридные приборы часто выращивают на подложках из сапфира (AlO) или карбида кремния (SiC). Такие «неродные» подложки имеют иные постоянные решеток, чем объемные постоянные решеток III-нитридных приборных слоев, выращенных на этой подложке, иные коэффициенты теплового расширения и иные химические и структурные свойства, чем приборные слои, что приводит в результате к деформации в приборных слоях и химическому и структурному несоответствию между приборными слоями и подложками. Примеры этого структурному несоответствия могут включать, например, вращение «в плоскости» между кристаллической структурой GaN и кристаллической структурой сапфировой подложки, на которой выращен GaN.
Используемый здесь термин «плоскостная» постоянная решетки (от англ. “in-plane” lattice constant) относится к фактической постоянной решетки некоторого слоя внутри прибора, а термин «объемная» постоянная решетки (от англ. “bulk” lattice constant) относится к постоянной решетки релаксированного, свободностоящего материала данного состава. Степень деформации в слое определяют по Уравнению (1).
деформация=ε=(а<sub>плоскост</sub>-a<sub>объем</sub>)/a<sub>объем</sub>
(1)
плоскост
объем
Следует отметить, что деформация ε в Уравнении (1) может быть или положительной или отрицательной, то есть ε>0 или ε<0. В ненапряженной пленке а=a, так что ε=0 в Уравнении (1) (недеформированная пленка). Пленку, у которой ε>0, называют находящейся под деформацией растяжения, или под растяжением, в то время как пленку, у которой ε<0, называют находящейся под деформацией сжатия, или под сжатием. Примеры деформации растяжения включают в себя напряженную пленку AlGaN, выращенную на ненапряженном GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную на ненапряженном InGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, так что плоскостная постоянная решетки ненапряженной пленки растягивается, чтобы соответствовать постоянной решетки ненапряженного слоя, давая ε>0 в Уравнении (1), согласно чему такую пленку называют находящейся под растяжением. Примеры деформации сжатия включают в себя напряженную пленку InGaN, выращенную поверх ненапряженного GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную поверх ненапряженного AlGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая больше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, так что плоскостная постоянная решетки напряженной пленки сжимается, чтобы соответствовать постоянной решетки ненапряженного слоя, давая ε<0 в Уравнении (1), согласно чему такую пленку называют находящейся под сжатием.
В растягиваемой пленке деформация работает на удаление атомов друг от друга, чтобы увеличилась плоскостная постоянная решетки. Такая деформация растяжения часто нежелательна, потому что пленка может реагировать на деформацию растяжения растрескиванием, чтобы уменьшить деформацию в пленке, а это ставит под угрозу структурную и электрическую целостность пленки. В сжимаемой пленке деформация работает на сближение атомов, и этот эффект может уменьшить внедрение больших атомов, таких как, например, индий в пленке InGaN, или может уменьшить качество материала активного слоя InGaN в СИД на InGaN. Во многих случаях деформации растяжения и сжатия обе являются нежелательными, и выгодно уменьшать деформацию растяжения и сжатия в различных слоях прибора. В таких случаях более целесообразно принимать во внимание абсолютное значение, или величину деформации, как она определена в Уравнении (2). Используемый здесь термин «деформация» следует понимать означающим абсолютное значение, или величину деформации, как она определена в Уравнении (2).
деформация=|ε|=|(а<sub>плоскост</sub>-a<sub>объем</sub>)|/a<sub>объем</sub>
(2)
2
3
0,16
0,84
Когда III-нитридный прибор традиционно выращивают на AlO, то первой выращенной на подложке структурой является обычно слой GaN шаблона с плоскостной a-постоянной решетки примерно 3,189 Å или менее. Шаблон GaN служит в качестве шаблона постоянной решетки для светоизлучающей области потому, что он задает постоянную решетки для всех приборных слоев, выращенных поверх слоя шаблона, включая светоизлучающий слой InGaN. Так как объемная постоянная решетки InGaN является большей, чем плоскостная постоянная решетки обычного шаблона GaN, светоизлучающий слой оказывается под деформацией сжатия, когда его выращивают на обычном шаблоне GaN. Например, светоизлучающий слой, выполненный с возможностью излучать свет на примерно 450 нм, может иметь состав InGaN, т.е. состав с объемной постоянной решетки 3,242 Å, по сравнению с постоянной решетки GaN, равной 3,189 Å. По мере того как содержание InN в светоизлучающем слое увеличивается, как это имеет место в приборах, предназначенных для излучения света на более длинных длинах волн, деформация сжатия в светоизлучающем слое также увеличивается.
Если толщина напряженного слоя превышает критическое значение, то внутри слоя образуются дислокации или другие дефекты, снижая энергию, связанную с этой деформацией, как описано в работе Томия и др. (Tomiya et al.), Proceedings of SPIE, том 6133, страницы 613308-1-613308-10 (2006), которая включена сюда путем ссылки. Структурные дефекты могут ассоциироваться с центрами безызлучательной рекомбинации, которые могут значительно уменьшить квантовый выход прибора. В результате толщина светоизлучающего слоя должна поддерживаться ниже этой критической толщины. По мере того как увеличиваются содержание InN и длина волны пика, деформация в светоизлучающем слое увеличивается, а значит, уменьшается критическая толщина светоизлучающего слоя.
Даже если толщину светоизлучающего слоя поддерживают ниже критической толщины, сплавы InGaN термодинамически нестабильны при определенных составах и температурах, как описано в работе Понсе и др. (Ponce et al.), Physica Status Solidi, том B 240, страницы 273-284 (2003), которая включена сюда путем ссылки. Например, при температурах, обычно используемых для выращивания InGaN, InGaN может претерпевать спинодальный распад, при котором однородный по составу слой InGaN преобразовывается в слой с областями большего чем среднее содержания InN и областями меньшего чем среднее содержания InN. Спинодальный распад в светоизлучающем слое InGaN создает центры безызлучательной рекомбинации и может увеличить внутреннее поглощение, что может уменьшить квантовый выход прибора. Проблема спинодального распада усугубляется по мере того, как увеличивается толщина светоизлучающего слоя, по мере того, как увеличивается среднее содержание InN в светоизлучающем слое, и/или по мере того, как увеличивается деформация в светоизлучающем слое. Например, в случае светоизлучающего слоя, выращенного на шаблоне GaN и выполненного с возможностью излучения света на 550 нм, сочетание содержания InN>20% и предпочтительной толщины >30 Å превышает предел спинодального распада.
Соответственно, как описано выше, желательно увеличить толщину светоизлучающего слоя, чтобы уменьшить или устранить падение внешнего квантового выхода, которое происходит по мере того, как увеличивается плотность тока, или желательно увеличить содержание InN, чтобы достигнуть более длинной длины волны излучения. В обоих случаях необходимо уменьшить деформацию в светоизлучающем слое для того, чтобы вырастить более толстый или обладающий более высоким содержанием светоизлучающий слой, удержать число дефектов в пределах приемлемого диапазона при увеличении критической толщины и увеличить ту толщину, при которой слой может быть выращен без спинодального распада. Варианты реализации изобретения разработаны с целью уменьшения деформации в приборных слоях III-нитридного прибора, в частности, в светоизлучающем слое.
Фиг. 1 иллюстрирует прибор с обычным зародышевым слоем 2, выращенным на подложке 1. Поверх зародышевого слоя 2 могут быть выращены один или более высокотемпературных слоев 3 и 5, а поверх высокотемпературного слоя 3 или 5 могут быть выращены приборные слои 6. Предыдущие способы уменьшения деформации в III-нитридных светоизлучающих слоях включали в себя выращивание высокотемпературной, практически монокристаллической области 5 InGaN поверх коалесцированной области 3 GaN, как показано на фиг. 1 и описано в патенте США 6489636, или выращивание индийсодержащего зародышевого слоя 2 непосредственно на сапфировой подложке, как показано на фиг. 1 и описано в заявке на патент Великобритании GB 2338107 А. Однако область InGaN, выращенная поверх коалесцированного GaN, обычно фактически не релаксируется и тем самым обеспечивает ограниченное уменьшение деформации и связанных с ней дефектов, и поэтому подход, описанный в заявке на патент Великобритании GB 2338107 A, который включает индийсодержащий зародышевый слой, выращенный непосредственно на сапфире, обычно приводит в результате к одной или нескольким проблемам в приборных слоях, включая высокие плотности дислокаций, неровные поверхности и высокие концентрации примесей, таких как углерод и кислород. Соответственно, необходимо контролировать не только деформацию в приборных слоях, но также и плотность дислокаций и шероховатость поверхности.
Другой способ управления деформацией в обычных шаблонах GaN, таких как показанные на фиг. 1, заключается в контроле за плотностью дислокаций в шаблоне GaN, как описано в работе Бётчера и др. (Böttcher et al.), Applied Physics Letters, том 78, страницы 1976-1978 (2001), которая включена сюда путем ссылки. При этом подходе a-постоянная решетки увеличивается с увеличением плотности пронизывающих дислокаций (TDD, от англ. threading dislocation density). И хотя точное соотношение между a-постоянной решетки и плотностью пронизывающих дислокаций зависит от многих факторов, включая концентрацию Si, температуру выращивания и толщину шаблона, приблизительное соотношение между a-постоянной решетки и плотностью пронизывающих дислокаций в обычных шаблонах GaN может быть описано как
а<sub>плоскост</sub>=3,1832+9,578×10<sup>-13</sup>*TDD
(3)
9
-2
9
-2
Из Уравнения (3) видим, что плоскостная a-постоянная решетки в 3,189 Å соответствует плотности пронизывающих дислокаций в приблизительно 6×10см. Хотя этой a-постоянной решетки можно добиться при более низких плотностях пронизывающих дислокаций, используя различные концентрации Si, различные температуры выращивания или различные толщины шаблона, авторы изобретения установили, что обычный шаблон GaN с a-постоянной решетки, большей чем 3,189 Å, обычно имеет плотность пронизывающих дислокаций по меньшей мере 2×10см. Варьируя плотность пронизывающих дислокаций в обычных шаблонах GaN, таких как шаблон на фиг. 1, авторы изобретения варьировали плоскостную a-постоянную решетки в обычных шаблонах GaN по диапазону значений от приблизительно 3,1832 Å до приблизительно 3,1919 Å.
9
-2
Хотя увеличение плотности пронизывающих дислокаций таким образом обычно эффективно при увеличении a-постоянной решетки в обычных шаблонах GaN, этот способ имеет несколько недостатков. Например, дефекты, такие как дислокации, действуют как центры безызлучательной рекомбинации, которые могут уменьшить внешний квантовый выход III-нитридных светоизлучающих приборов, как описано в работе Колески и др. (Koleske et al.), Applied Physics Letters, том 81, страницы 1940-1942 (2002), которая включена сюда путем ссылки. Поэтому желательно уменьшить плотность дислокаций с целью увеличения внешнего квантового выхода. Кроме того, по мере того, как плоскостная a-постоянная решетки приближается к и превосходит приблизительно 3,189 Å в обычных шаблонах GaN, слои GaN имеют тенденцию растрескиваться из-за чрезмерной деформации растяжения, как описано в работе Романо и др. (Romano et al.), Journal of Applied Physics, том 87, страницы 7745-7752 (2000), которая включена сюда путем ссылки. Поэтому желательно нарушить это соотношение между a-постоянной решетки и плотностью дислокаций, которое стало обязательным при шаблонах двойного состава GaN. В частности, получение активных слоев с низкой деформацией в сочетании с шаблонами с низкой плотностью пронизывающих дислокаций является важной целью при увеличении внешнего квантового выхода и длины волны III-нитридных СИД. В некоторых вариантах реализации изобретения шаблон, на котором выращивают приборные слои, является практически не имеющим трещин в сочетании со столь высокой плоскостной a-постоянной решетки, как 3,200 Å, и плотностью пронизывающих дислокаций ниже 2×10см.
В вариантах реализации изобретения приборные слои полупроводникового светоизлучающего прибора выращивают на структуре, называемой здесь «шаблоном», содержащей компонент для управления постоянной решетки (и, следовательно, деформацией) в приборных слоях. Структуры, которые увеличивают постоянную решетки в приборе, могут вызвать нежелательно увеличенную шероховатость поверхности или увеличенную плотность пронизывающих дислокаций, таким образом, шаблон может также включать в себя компоненты для управления плотностью пронизывающих дислокаций и шероховатостью поверхности в приборных слоях, особенно в светоизлучающей области. Шаблон задает плотность пронизывающих дислокаций и постоянную решетки выращенных поверх шаблона полупроводниковых слоев. Шаблон служит переходом постоянной решетки от постоянной решетки GaN к постоянной решетки, более близко согласованной с объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя. Заданная шаблоном постоянная решетки может быть более близко согласована с объемной постоянной решетки приборных слоев, чем постоянная решетки, имеющаяся в приборах, выращенных на обычных шаблонах, что приводит в результате к меньшей деформации при приемлемой плотности пронизывающих дислокаций и шероховатости поверхности по сравнению с приборами, выращенными на обычных шаблонах GaN.
Упомянутые выше приборные слои включают в себя по меньшей мере один светоизлучающий слой, проложенный между по меньшей мере одним слоем n-типа и по меньшей мере одним слоем р-типа. В каждую из области n-типа, светоизлучающей области и области р-типа могут быть включены дополнительные слои с различными составами и концентрацией легирующих примесей. Например, области n- и р-типа могут включать в себя слои с противоположным типом проводимости или слои, которые специально не легируются, разделительные слои, предназначенные для того, чтобы облегчить потом отделение подложки для выращивания или утонение полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои, предназначенные для обеспечения конкретных оптических или электрических свойств, желательных для того, чтобы светоизлучающая область эффективно излучала свет. В некоторых вариантах реализации слой n-типа, прослаивающий светоизлучающий слой, может быть частью шаблона.
В описанных ниже вариантах реализации содержание InN в светоизлучающем слое или слоях может быть низким, так что прибор излучает синий или ультрафиолетовый (УФ) свет, или высоким, так что прибор излучает зеленый или более длинноволновый свет. В некоторых вариантах реализации прибор включает в себя светоизлучающий слой с одной или более квантовыми ямами. Множественные квантовые ямы могут быть разделены барьерными (запирающими) слоями. Например, каждая квантовая яма может иметь толщину, большую чем 15 Å.
9
-2
8
-2
7
-2
6
-2
В некоторых вариантах реализации светоизлучающая область прибора представляет собой единственный толстый светоизлучающий слой с толщиной между 50 и 600 Å, более предпочтительно - между 100 и 250 Å. Оптимальная толщина может зависеть от числа дефектов внутри светоизлучающего слоя. Концентрация дефектов в светоизлучающей области предпочтительно ограничена менее чем 10см, более предпочтительно ограничена менее чем 10см, более предпочтительно ограничена менее чем 10см и более предпочтительно ограничена менее чем 10см.
18
-3
20
-3
В некоторых вариантах реализации по меньшей мере один светоизлучающий слой в приборе легирован легирующей примесью, такой как Si, до концентрации легирующей примеси между 1×10см и 1×10см. Легирование Si может влиять на плоскостную a-постоянную решетки в светоизлучающем слое, потенциально еще более уменьшая деформацию в светоизлучающем слое.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
В некоторых вариантах реализации изобретения шаблон включает в себя по меньшей мере один низкотемпературный слой InGaN. Было установлено, что H может оказать влияние на внедрение индия в пленки InGaN, как описано в работе Боси и Форнари (Bosi and Fornari), Journal of Crystal Growth, том 265, страницы 434-439 (2004), которая включена сюда путем ссылки. Различные другие параметры, такие как температура выращивания, давления при выращивании, скорость роста и поток NH, могут также оказать влияние на внедрение индия в пленки InGaN, как описано отчасти в работе Оливера и др. (Oliver et al.), Journal of Applied Physics, том 97, страницы 013707-1-013707-8 (2005), которая включена сюда путем ссылки. Переменный поток H, таким образом, иногда используют в качестве средства управления содержанием InN в пленках InGaN или AlInGaN. Поэтому в некоторых вариантах реализации описанные здесь шаблоны выращивают, используя в реакторе во время выращивания шаблона один или более из переменного потока H, переменного потока N или переменного потока NH. В других вариантах реализации шаблоны выращивают, используя переменную температуру или переменное давление или переменную скорость роста во время выращивания шаблона. В других вариантах реализации шаблоны выращивают, используя произвольную комбинацию одного или более из переменного потока H, переменного потока N, переменного потока NH, переменной температуры, переменного давления или переменной скорости роста во время выращивания шаблона.
Фиг. 2 иллюстрирует первый вариант реализации изобретения. Обычный низкотемпературный зародышевый слой 22 выращивают непосредственно на поверхности сапфировой подложки 20. Зародышевый слой 22 представляет собой обычно низкокачественный, немонокристаллический слой, такой как аморфный, поликристаллический или относящийся к кубической фазе слой GaN, выращенный до толщины, например, вплоть до 500 ангстрем при температуре между 400 и 750°C.
2
3
2
3
2
2
3
Второй слой 26 также выращивают при низкой температуре над зародышевым слоем 22. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, низкокачественным, немонокристаллическим слоем, таким как аморфный, поликристаллический или относящийся к кубической фазе слой III-нитрида, выращенный до толщины, например, вплоть до 500 ангстрем при температуре между 400 и 750°C, более предпочтительно между 450 и 650 °C, более предпочтительно между 500 и 600°C. В некоторых вариантах реализации низкотемпературный слой 26 имеет толщину менее чем 300 ангстрем. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, слоем InGaN с содержанием InN более чем 0% и часто менее чем 20%, более предпочтительно - между 3% и 6%, более предпочтительно - между 4% и 5%. В некоторых вариантах реализации содержание InN в низкотемпературном слое 26 является небольшим, например менее чем 2%. Структура может быть отожжена после выращивания зародышевого слоя 22, но перед выращиванием низкотемпературного слоя 26, после выращивания низкотемпературного слоя 26 или их обоих. Например, структура может быть отожжена при температуре между 950 и 1150°C в течение между 30 секундами и 30 минутами, обычно в окружающей среде из H и NH; N и NH; или H, N и NH. В некоторых вариантах реализации во время по меньшей мере части процесса отжига могут быть введены предшественники Ga, Al или In. Приборные слои 10 затем выращивают над низкотемпературным слоем 26. Низкотемпературный слой 26 может «растянуть» постоянную решетки приборных слоев 10 за диапазон значений постоянной решетки, достижимых с обычными зародышевыми структурами, такими как обычные шаблоны GaN. Растягивание постоянной решетки происходит потому, что низкотемпературный слой 26 не выращивают соразмерным с нижележащими слоями во многом потому, что зародышевый слой GaN имеет другую постоянную решетки, чем сапфир, или SiC, или другая подложка, на которой его выращивают. Таким образом, как описано выше, низкотемпературный слой 26 служит переходом от постоянной решетки зародышевого слоя 22 к большей постоянной решетке. III-нитридный прибор с использованием низкотемпературного слоя 26 InGaN, как показано на фиг. 2, может быть выращен с более высоким качеством, чем III-нитридный прибор с использованием InN-содержащего зародышевого слоя 2, выращенного непосредственно на подложке, например, как показано на фиг. 1 и описано в заявке на патент Великобритании GB 2338107 A.
В некоторых вариантах реализации низкотемпературный слой 26 может состоять из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN, так что низкотемпературные слои 26 уменьшают постоянную решетки, установленную зародышевым слоем 22, с целью уменьшить деформацию растяжения в светоизлучающей области AlGaN УФ-го прибора. Светоизлучающими активными слоями таких приборов могут быть, например, AlGaN или AlInGaN.
В некоторых вариантах реализации изобретения проиллюстрированный на фиг. 2 прибор может включать в себя один или более многослойных пакетов. Примеры многослойных пакетов включают в себя множественные зародышевые слои 22 или множественные низкотемпературные слои 26. Например, один или более дополнительных зародышевых слоев GaN могут быть расположены между подложкой 20 и низкотемпературным слоем 26 InGaN, как показано на фиг. 3. Альтернативно множественные низкотемпературные слои 26 InGaN могут быть выращены после зародышевого слоя 22, как показано на фиг. 4. В другом примере прибора, который включает в себя шаблон с многослойными пакетами, последовательность из низкотемпературного слоя 22 GaN, за которым следует низкотемпературный слой 26 InGaN, может повторяться один или более раз, как показано на фиг. 5. Использование множественных зародышевых или низкотемпературных слоев может уменьшить плотность пронизывающих дислокаций и плотность дефектов упаковки в приборе.
В некоторых вариантах реализации множественные низкотемпературные слои 26 на фиг. 4 или фиг. 5 могут иметь неравное содержание InN, или неравную толщину, как проиллюстрировано множественными низкотемпературными слоями 32, 34 и 36 на фиг. 6. Структура, показанная на фиг. 6, может быть выращена непосредственно на обычной подложке 20 или поверх зародышевого слоя 22, как показано на фиг. 2. Низкотемпературный слой, самый близкий к подложке, т.е. слой 32, может иметь самое высокое содержание индия, в то время как низкотемпературный слой, наиболее удаленный от подложки, т.е. слой 36, может иметь самое низкое содержание индия. В другом варианте реализации низкотемпературный слой, самый близкий к подложке, т.е. слой 32, может иметь самое низкое содержание индия, в то время как низкотемпературный слой, наиболее удаленный от подложки, т.е. слой 36, может иметь самое высокое содержание индия. Альтернативно может использоваться любая произвольная последовательность низкотемпературных слоев. Поверх внешнего низкотемпературного слоя может быть сформирован верхний слой 38 GaN. Каждый из низкотемпературных слоев не обязательно должен иметь одну и ту же толщину. Например, слои с более низким содержанием индия могут быть более толстыми, чем слои с более высоким содержанием индия. Может быть использовано больше или меньше чем три низкотемпературных слоя, показанных на фиг. 6. Кроме того, в прибор могут быть включены многослойные пакеты низкотемпературных слоев, проиллюстрированные на фиг. 6. Каждый из этих слоев может составлять в толщину в диапазоне от 10 ангстрем до 1000 ангстрем или больше по толщине.
Структура, показанная на фиг. 6, может быть отожжена один или более раз после выращивания одного или более слоев 32, 34, 36 или 38. Этот процесс отжига может заставить низкотемпературные слои InGaN 32, 34, 36 и верхний слой GaN 38 перемешиваться с образованием единственной области InGaN 35, как показано на фиг. 7, поверх которой выращивают приборные слои 10. Верхний слой GaN 38 на фиг. 6 может уменьшить количество InN, выделенного из низкотемпературных слоев InGaN 32, 34 и 36 во время отжига. Условия для отжига выбирают так, что конечная структура имеет гладкую поверхность и низкую плотность дефектов. В некоторых вариантах реализации отжиг включает в себя временное прекращение (паузу) выращивания. Например, структура может быть отожжена в течение между 30 секундами и 30 минутами при температуре между 950 и 1150°C. После выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36, температура может быть повышена до температуры выращивания верхнего слоя 38 или следующего выращиваемого слоя, затем имеет место пауза выращивания перед выращиванием верхнего слоя 38 или следующего слоя. В других вариантах реализации отжиг представляет собой просто увеличение температуры в реакторе выращивания после выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 до температуры выращивания верхнего слоя 38. В некоторых вариантах реализации выращивание верхнего слоя 38 начинается прежде, чем температура в реакторе выращивания достигает желательной температуры выращивания верхнего слоя 38. В некоторых вариантах реализации верхний слой 38 может быть выращен при низкой температуре, подобной температуре, использованной для выращивания зародышевого слоя 22. В структуре из низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 и верхнего слоя 38 слои с низким содержанием InN могут способствовать подавлению потерь InN из слоев с высоким содержанием InN во время отжига.
Многослойные пакеты на фиг. 3 или 4 или 5 или градиентные InN-содержащие слои 32, 34 и 36 на фиг. 6 и градиентный InN-содержащий слой 35 на фиг. 7 могут заменить единственный низкотемпературный слой 26, показанный в любом из описанных здесь вариантов реализации. Используемый здесь термин «градиентный» при описании состава или концентрации легирующей примеси в каком-либо слое или слоях в приборе предназначен охватить любую структуру, которая достигается изменением состава и/или концентрации легирующей примеси любым образом, кроме единственной ступеньки в составе и/или концентрации легирующей примеси. Каждый градиентный слой может быть пакетом подслоев, причем каждый из этих подслоев имеет иную концентрацию легирующей примеси или иной состав, чем любой подслой, смежный с ним. Если подслои имеют разрешимую толщину, то градиентный слой представляет собой ступенчато-градиентный слой. В некоторых вариантах реализации подслои в ступенчато-градиентном слое могут иметь толщину в диапазоне от нескольких десятков ангстрем до нескольких тысяч ангстрем. В пределе, когда толщина индивидуальных подслоев приближается к нолю, градиентный слой представляет собой непрерывно-градиентную область. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть размещены с образованием множества разнообразных профилей по составу и/или концентрации легирующей примеси в зависимости от толщины, включая, но не ограничиваясь этим, линейные градиенты, параболические градиенты и степенные градиенты. Кроме того, градиентные слои не ограничены единственным градиентным профилем, но могут включать в себя части с различными градиентными профилями и одну или более частей с практически постоянным составом и/или областями концентрации легирующей примеси.
В одном примере слои 32, 34 и 36 могут состоять из InGaN с содержаниями InN в 9%, 6% и 3% соответственно. В другом примере слои 32, 34 и 36 могут иметь содержания InN в 9%, 3% и 9%. После отжига перемешанная область 35 на фиг. 7 может иметь содержание InN, которое уменьшается монотонно снизу вверх, увеличивается монотонно снизу вверх или изменяется по немонотонному закону.
В некоторых вариантах реализации изобретения приборные слои полупроводникового светоизлучающего прибора выращивают поверх шаблона, включающего в себя по меньшей мере один низкотемпературный слой, выращенный поверх высокотемпературного слоя. Высокотемпературный слой может устанавливать, например, низкую плотность пронизывающих дислокаций и гладкую морфологию поверхности, в то время как низкотемпературный слой устанавливает растянутую постоянную решетки для слоев, выращенных на этом шаблоне. Растягивание постоянной решетки происходит потому, что низкотемпературный слой 26 не выращивают соразмерным с нижележащими слоями во многом потому, что зародышевый слой GaN имеет иную постоянную решетки, чем сапфир, или SiC, или другая подложка, на которой его выращивают. На фиг. 8 приведен вид в поперечном сечении части такого прибора.
В приборе, показанном на фиг. 8, высокотемпературный слой 24 выращивают поверх зародышевого слоя 22, который является тем же самым, что и зародышевый слой 22, описанный выше со ссылкой на фиг. 2. Высокотемпературный слой 24 может быть, например, высококачественным кристаллическим слоем GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN, выращенным до толщины по меньшей мере 500 ангстрем при температуре между 900 и 1150°C.
После выращивания высокотемпературного слоя 24 температуру понижают и выращивают низкотемпературный слой 26. В некоторых вариантах реализации низкотемпературный слой 26 выращивают со скоростью роста между 0,1 и 10 Å/с, более предпочтительно менее чем 5 Å/с, более предпочтительно между 0,5 и 2 Å/с, чтобы избежать нежелательно шероховатой поверхности. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, низкокачественным, немонокристаллическим слоем, таким как аморфный, поликристаллический или кубический слой, выращенный до толщины, например, вплоть до 500 ангстрем при температуре между 400 и 750°C, более предпочтительно между 450 и 650°C, более предпочтительно между 500 и 600°C. При более высоких температурах низкотемпературный слой 26 может воспроизвести постоянную решетки нижележащих слоев, вместо того чтобы релаксировать или установить свою собственную постоянную решетки, как это желательно. Низкотемпературный слой 26 выращивают при температуре достаточно низкой, чтобы он не воспроизводил постоянную решетки высокотемпературного слоя 24; вместо этого низкотемпературный слой 26 может иметь постоянную решетки, большую, чем постоянная решетки высокотемпературного слоя 24, возможно, из-за низкого качества низкотемпературного слоя 26. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, слоем InGaN с содержанием InN между 1% и 20%, более предпочтительно между 3% и 6%, более предпочтительно между 4% и 5%. Низкотемпературный слой 26 служит в качестве перехода от постоянной решетки зародышевого слоя GaN 22 к большей постоянной решетки, более близко согласованной с объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя прибора.
В некоторых вариантах реализации различие между температурой выращивания высокотемпературного слоя 24 и низкотемпературного слоя 26 составляет по меньшей мере 300°C, более предпочтительно - по меньшей мере 450°C, а более предпочтительно - по меньшей мере 500°C. Например, высокотемпературный слой 24 может быть выращен при температуре между 900 и 1150°C, в то время 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 выращивания, использованной для выращивания слоя 26 в различных вариантах реализации этого изобретения, низкотемпературный слой 26 может иметь высокое содержание углерода. В некоторых вариантах реализации содержание углерода в низкотемпературном слое 26 составляет между 1×10 см и 1×10 см, часто между 1×10 см и 1×10 см. Напротив, содержание углерода в высокотемпературном слое 24 обычно составляет менее чем 5×10 см, более предпочтительно - менее чем 1×10 см, более предпочтительно - менее чем 1×10 см. Из-за высокого содержания углерода низкотемпературный слой 26 может поглощать свет, излучаемый активным слоем. Поэтому в предпочтительном варианте реализации толщина низкотемпературного слоя 26 ограничена значением менее чем 1000 Å, более предпочтительно - менее чем 500 Å, а более предпочтительно - менее чем 300 Å.
2
-1
2
-1
3
-1
4
-1
2
-1
7
-1
Также вследствие низкой температуры выращивания, несоответствия решеток и несоответствия теплового расширения низкотемпературный слой 26 может иметь высокую концентрацию дефектов, таких как дефекты упаковки, дислокационные петли и дислокационные линии, которые расположены на или вблизи поверхности раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, выращенным непосредственно поверх низкотемпературного слоя 26, или же на или вблизи поверхности раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, на котором выращен низкотемпературный слой 26. Эти дефекты часто ориентированы примерно параллельно поверхности роста между подложкой 20 и зародышевым слоем 22. Плотность этих плоскостных дефектов вносит свой вклад в релаксацию деформации низкотемпературного слоя 26 и слоев, выращенных поверх низкотемпературного слоя 26. Отмечается, что концентрация этих плоскостных дефектов не обязательно связана с плотностью пронизывающих дислокаций, описанной выше со ссылкой на Уравнение (3). В данном высокотемпературном слое 24 никаких параллельных поверхности роста дефектов упаковки или дислокаций с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) не наблюдается, указывая на то, что плотность параллельных поверхности роста дефектов упаковки и дислокаций ниже предела обнаружения ПЭМ, обычно примерно равного 1×10см. ПЭМ-изображения низкотемпературного слоя InGaN 26 выявили многочисленные дислокации, параллельные поверхности роста, для толщины образца ПЭМ порядка нескольких тысяч ангстрем, указывая на то, что плотность параллельных поверхности роста дислокаций составляет по меньшей мере 1×10см, более вероятно 1×10см, а более вероятно по меньшей мере 1×10см. В некоторых вариантах реализации плотность параллельных поверхности роста дислокаций составляет между 1×10см и 1×10см.
В некоторых вариантах реализации низкотемпературный слой 26 может быть выращен таким образом, что он является прерывистым в плоскости роста, то есть он может иметь преднамеренные или непреднамеренные поверхностные особенности, которые делают его неплоским или прерывистым. Примеры таких преднамеренных поверхностных особенностей могут включать использование одной или более из класса технологий, использующих боковое наращивание. Эти технологии называют, используя различные термины, включая эпитаксиальное боковое наращивание (ELO или ELOG), поверхностно-контролируемое эпитаксиальное боковое наращивание (FACELO), и эпитаксию по Pendeo (PE), как описано в работе Хираматсу (Hiramatsu), Journal of Physics: Condensed Matter, том 13, страницы 6961-6975 (2001), которая включена сюда путем ссылки. Примеры таких непреднамеренных поверхностных особенностей могут включать присутствие дефектов V-образной формы (обычно известных как "ямы"), которые пересекают верхнюю поверхность низкотемпературных III-нитридных слоев, большие поверхностные ступеньки и другие дефекты в низкотемпературном слое 26, или в слое или слоях ниже низкотемпературного слоя 26. Использование одной или более из этих технологий преднамеренного бокового наращивания или непреднамеренных технологий может ограничить боковую протяженность дефектной области до небольшого участка или ряда небольших участков шаблона, в то время как боковое выращивание шаблона может поддерживать большую постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26.
В некоторых вариантах реализации приборные слои выращивают непосредственно на низкотемпературном слое 26 по фиг. 8. В другом варианте реализации выше низкотемпературного слоя 26 может быть выращен дополнительный высокотемпературный слой 28, воспроизводящий постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26, как показано на фиг. 9. Высокотемпературным слоем 28 может быть, например, GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN. В некоторых вариантах реализации высокотемпературный слой 28 представляет собой InGaN, выращенный до толщины между 500 и 10000 ангстрем при температуре между 800 и 1000°C. Содержание InN в высокотемпературном слое 28 обычно меньше, чем содержание InN в низкотемпературном слое 26, и может составлять, например, между 0,5% и 20%, более предпочтительно - между 3% и 6%, более предпочтительно - между 4% и 5%.
Низкотемпературный слой 26 предназначен для увеличения постоянной решетки выращиваемых впоследствии слоев, в то время как высокотемпературный слой 28 предназначен для сглаживания или заполнения ямок, больших поверхностных ступенек и других дефектов в низкотемпературном слое 26. Высокотемпературный слой 28 обеспечивает высококачественную основу, на которой можно выращивать последующие слои. Содержание InN в низкотемпературном слое 26 является достаточно высоким для того, чтобы как можно больше растянуть постоянную решетки, а содержание InN в высокотемпературном слое 28 является относительно низким для того, чтобы вырастить слой с желательно высоким качеством. Проиллюстрированный на фиг. 9 прибор может включать в себя множественные наборы из низкотемпературного слоя 26 и высокотемпературного слоя 28 между подложкой и приборными слоями. Постоянная решетки может быть увеличена на небольшую величину с каждым набором за счет увеличения содержания InN в низкотемпературных слоях 26 от самого низкого содержания InN в низкотемпературном слое 26, самом близком к подложке, до самого высокого содержания InN в низкотемпературном слое 26, самом близком к приборным слоям. По мере того как постоянная решетки увеличивается, то содержание InN, при котором возможно вырастить приемлемо высококачественный высокотемпературный слой 28, может также увеличиться. Таким образом, содержание InN в высокотемпературных слоях 28 может увеличиться от самого низкого содержания InN в высокотемпературном слое 28, самом близком к подложке, до самого высокого содержания InN в высокотемпературном слое 28, самом близком к приборным слоям. Хотя увеличение содержания InN в слоях 26 является одним способом увеличения содержания InN в слоях 28, его содержание в слоях 28 может быть увеличено другими способами, без увеличения содержания InN в слоях 26. В другом варианте реализации, показанном на фиг. 10, высокотемпературный слой 24 с фиг. 8 может использоваться в комбинации с высокотемпературным слоем 28 на фиг. 9.
В другом варианте реализации, показанном на фиг. 11, первым выращивают низкотемпературный зародышевый слой 22, с последующим выращиванием высокотемпературного слоя 24, как описано выше со ссылкой на фиг. 8. Поверх высокотемпературного слоя 24 выращивают второй высокотемпературный слой 30, а поверх слоя 30 выращивают низкотемпературный слой InGaN 26. Поверх низкотемпературного слоя 26 затем выращивают высокотемпературный слой 28, а поверх высокотемпературного слоя 28 выращивают приборные слои 10. Альтернативно высокотемпературный слой 28 может отсутствовать, как показано на фиг. 11, а приборные слои 10 могут быть выращены непосредственно поверху низкотемпературного слоя InGaN 26.
Высокотемпературный слой 30 может быть, например, слоем InGaN с низким содержанием InN, например, менее чем 5%, выращенным до толщины между 500 и 10000 ангстрем при температуре между 900 и 1000°C. Высокотемпературный слой 30 обычно представляет собой материал с объемной постоянной решетки, большей, чем у высокотемпературного слоя 24. Как результат, плоскостная постоянная решетки в низкотемпературном слое 26 и впоследствии выращенном высокотемпературном слое 28 может быть большей, чем плоскостная постоянная решетки, достижимая в том случае, если низкотемпературный слой 26 выращивают непосредственно на высокотемпературном слое 24.
2
2
В некоторых вариантах реализации высокотемпературные слои 30 и 28 на фиг. 11 состоят из InGaN. В одном таком варианте реализации высокотемпературный слой 28 может быть выращен с меньшим количеством H в окружающей среде 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, различие между температурой выращивания высокотемпературного слоя 30 и низкотемпературного слоя 26 может составить по меньшей мере 350°C, более предпочтительно - по меньшей мере 400°C, а более предпочтительно - по меньшей мере 450°C. Напротив, различие между температурой выращивания низкотемпературного слоя 26 и высокотемпературного слоя 28 может составить по меньшей мере 250°C, более предпочтительно - по меньшей мере 300°C, а более предпочтительно - по меньшей мере 350°C. В другом варианте реализации 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 варианте реализации высокотемпературный слой 28 может быть выращен при практически идентичных условиях с высокотемпературным слоем 30, или высокотемпературный слой 28 может иметь практически идентичный состав с высокотемпературным слоем 30. В каждом из этих вариантов реализации низкотемпературный слой InGaN 26 будет «прерывать» постоянную решетки высокотемпературного слоя 24 и увеличивать постоянную решетки выращиваемых в дальнейшем слоев, так что высокотемпературный слой 28 будет иметь большую плоскостную постоянную решетки, чем высокотемпературный слой 30.
В некоторых вариантах реализации структуры низкотемпературный слой 26 может устанавливать большую постоянную решетки, в то время как высокотемпературный слой 28 может устанавливать гладкую поверхность. Если плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 существенно больше, чем объемная постоянная решетки высокотемпературного слоя 28, то высокотемпературный слой 28 может находится под действием значительной деформации растяжения, как определено в Уравнении (1), и эта деформация растяжения может быть частично релаксирована в результате образования трещин или других дефектов в высокотемпературном слое 28 или вблизи него. Этот эффект нежелателен, поскольку трещины ухудшат электрическую и структурную целостность прибора, а трещины или другие структурные дефекты в слое 28 могут уменьшить постоянную решетки в слое 28 и увеличить деформацию сжатия в активной области. Поэтому в некоторых вариантах реализации прибора предпочтительно выращивать дополнительные слои между подложкой 20 и приборными слоями 10. В одном таком варианте реализации высокотемпературный слой 31 может быть расположен между низкотемпературным слоем 26 и высокотемпературным слоем 28, как показано на фиг. 12. В этом варианте реализации высокотемпературный слой 31 может быть выращен при температуре более высокой, чем температура выращивания низкотемпературного слоя 26, но более низкой, чем температура выращивания высокотемпературного слоя 28. Каждый из высокотемпературных слоев 28 и 31 может представлять собой, например, InGaN, выращенный до толщины между 500 и 10000 ангстрем при температуре между 800 и 1000°C. Содержание InN в каждом высокотемпературном слое может составлять, например, между 0,5% и 20%, более предпочтительно - между 3% и 6%, более предпочтительно - между 4% и 5%.
2
2
Альтернативно высокотемпературные слои 28 и 31 могут быть выращены при практически той же самой температуре, но высокотемпературный слой 31 может быть выращен с меньшим количеством H в окружающей среде, чем использованное 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 варианте реализации более чем два различных слоя могут быть выращены между низкотемпературным слоем 26 и приборными слоями 10. Один пример этого варианта реализации показан на фиг. 13, где чередующиеся слои богатого InN и бедного InN материала включены в многослойный пакет между низкотемпературным слоем 26 и приборными слоями 10. Отмечается, что многослойный пакет на фиг. 13 мог быть выращен поверх зародышевого слоя 22 по фиг. 2 или поверх высокотемпературного слоя 24 по фиг. 10. Хотя на фиг. 13 показаны три набора богатых InN слоев и бедных InN слоев, могут быть использованы больше или меньше наборов. Богатые индием слои 60, 62 и 64 могут быть, например, InGaN или AlInGaN. Бедные индием слои 61, 63 и 65 могут быть, например, GaN, InGaN или AlInGaN. Слои 60, 62 и 64 могут иметь содержание в 3% InN, в то время как слои 61, 63 и 65 могут иметь содержание в 0,5% InN.
Поверх внешнего бедного InN слоя 65 может быть выращен необязательный верхний слой 67, затем поверх верхнего слоя 67 или внешнего бедного InN слоя 65 выращивают приборные слои 10. Верхний слой 67 может быть, например, GaN или InGaN. В другом варианте реализации внешний богатый индием слой может отсутствовать и приборные слои могут быть выращены непосредственно поверх внешнего богатого индием слоя, такого как слой 60, 62 или 64.
В другом варианте реализации прибора многослойный пакет на фиг. 13 мог быть сформирован, используя термоциклированное выращивание или отжиг, как описано в работе Ито и др. (Itoh et al.), Applied Physics Letters, том 52, страницы 1617-1618 (1988), которая включена сюда путем ссылки. Термоциклированное выращивание используется для выращивания приборов с хорошей морфологией поверхности и с a-постоянными решетки в приборных слоях, большими, чем a-постоянные решетки, достижимые при выращивании на обычных шаблонах GaN. Процессы термоциклированного выращивания включают в себя выращивание эпитаксиального слоя, такого как InGaN, с последующей стадией высокотемпературного выращивания или отжига.
3
2
3
2
2
После выращивания каждого из слоев 60, 61, 62, 63, 64 и 65 выращивание можно временно прекратить, останавливая поток некоторых газов-предшественников, таких как предшественники Ga, Al и In, затем структуру можно отжечь при продолжающемся потоке предшественника N, часто NH, при этом поддерживая или повышая температуру на заранее определенный период времени. Выращивание следующего слоя начинается, когда температура отрегулирована до температуры выращивания следующего слоя, если это необходимо, и введены соответствующие предшественники. Обычные условия отжига заключаются в 1100°C на 5 минут в окружающей среде из Н и NH. N может также быть добавлен в окружающую среду или H может быть удален из окружающей среды для того, чтобы предотвратить чрезмерное разложение слоев InGaN. Альтернативно выращивание может продолжаться во время таких высокотемпературных стадий или температурных скачков. Отжиг после выращивания каждого слоя может привести к улучшенной морфологии поверхности по сравнению с прибором, который не отжигают после выращивания каждого слоя, но отжиг после выращивания бедных InN слоев 61, 63 и 65 может привести к образованию дополнительных дислокаций или дислокационных петель, которые могут релаксировать часть деформации в бедных InN слоях, так что эти слои больше не будут деформированными до большей a-постоянной решетки богатых InN слоев, приводя в результате к шаблону с меньшей чем желательная a-постоянной решетки.
Альтернативно структуру отжигают только после выращивания некоторых или всех богатых InN слоев 60, 62 и 64 или только после выращивания некоторых или всех бедных InN слоев 61, 63 и 65. Отжиг только после выращивания бедных InN слоев 61, 63 и 65 может привести к более высокому среднему содержанию InN в шаблоне, поскольку бедные InN слои захватывают больше InN в богатых InN слоях в прибор во время любых стадий отжига. В другом варианте реализации структура может быть отожжена после выращивания каждого слоя, причем условия отжига, используемые после выращивания богатых индием слоев, являются иными, чем условия отжига, используемые после выращивания бедных индием слоев. Отмечается, что каждый из богатых индием слоев 60, 62 и 64 не должен быть идентичным по составу или толщине. Точно так же каждый из бедных индием слоев 61, 63 и 65 не должен быть идентичным по составу или толщине.
В другом варианте реализации между низкотемпературным слоем 26 и приборными слоями 10 может быть расположен градиентный слой InGaN 59, как показано на фиг. 14. Градиентный слой 59 может включать в себя, например, один или более двойных, тройных или четверных III-нитридных слоев с переменным содержанием InN. Необязательный верхний слой (не показанный на фиг. 14), как описано выше, может быть расположен между градиентным слоем 59 и приборными слоями 10. Например, градиентный слой 59 может быть слоем InGaN с составом, линейно градиентным от самого высокого содержания InN в 11% рядом с низкотемпературным слоем 26 до самого низкого содержания InN в 3% рядом с приборными слоями 10. В другом примере градиентный слой 59 может включать в себя градиент от высокого содержания InN в 10% рядом с низкотемпературным слоем 26 до низкого содержания InN в 0% рядом с приборными слоями 10. В еще одном примере градиентный слой 59 может включать в себя градиент или единственную ступеньку от высокого содержания InN в 8% рядом с низкотемпературным слоем 26 до низкого содержания InN в 0% в некотором промежуточном месте, за которым следует градиент или единственная ступенька обратно к более высокому содержанию InN в 3% рядом с приборными слоями 10.
В некоторых вариантах реализации слои 24 и 30 на фиг. 11 могут использоваться в комбинации со слоями 28 и 31 на фиг. 12. В другом варианте реализации низкотемпературный слой 26 может быть проложен между двумя градиентными слоями InGaN 59, показанными на фиг. 14. В другом варианте реализации произвольный пакет низкотемпературных слоев 26 может быть выращен внедренным среди произвольного пакета высокотемпературных слоев или произвольного пакета высокотемпературных слоев и низкотемпературных слоев GaN. Каждый из вариантов реализации, показанных на фиг. 2, 8, 9 и 10, может включать в себя градиентные слои, многослойные пакеты и отожженные слои или слои, выращенные с помощью термоциклированного выращивания, как обсуждалось при описании фиг. 3-7 и фиг. 11-14.
В некоторых вариантах реализации характеристики слоев, таких как высокотемпературные слои 31 на фиг. 12, выбирают такими, чтобы зафиксировать постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26. В некоторых вариантах реализации характеристики слоев, таких как высокотемпературные слои 28 на фиг. 12, выбирают такими, чтобы улучшить поверхностную морфологию в приборе.
Фиг. 15 и 16 представляют собой графики c-постоянной решетки как функции от a-постоянной решетки для нескольких приборов. Фиг. 15 демонстрирует, что шаблоны согласно вариантам реализации изобретения фактически вызывают в вышележащих слоях по меньшей мере частичную релаксацию. Деформированное состояние структуры может быть измерено с помощью определения a- и c-постоянных решетки структуры. В структурах, представленных ромбами на фиг. 15, толстый высокотемпературный слой GaN 3 выращивали поверх зародышевого слоя GaN 2, как показано на фиг. 1, причем условия выращивания зародышевого слоя 2 и высокотемпературного слоя GaN 3 варьировали с той целью, чтобы изменить плотность пронизывающих дислокаций и, следовательно, плоскостную a-постоянную решетки в шаблоне GaN, что ранее обсуждалось в связи с Уравнением (3). Такие способы изменения плотности пронизывающих дислокаций описаны в работе Фигге и др. (Figge et al.), Journal of Crystal Growth, том 221, страницы 262-266 (2000), которая включена сюда путем ссылки. Поэтому структуры, представленные ромбами на фиг. 15, имеют варьируемую плотность пронизывающих дислокаций и a-постоянную решетки, согласующуюся с Уравнением (3). В структурах, представленных кружками, толстый высокотемпературный слой GaN выращивали поверх низкотемпературного слоя InGaN, приготовленного согласно вариантам реализации изобретения. Согласно теории упругости, a- и c-постоянные решеток в III-нитридных материалах связаны обратно пропорционально, что продемонстрировано структурами, представленными ромбами, которые все попадают близко к диагональной линии, приведенной на фиг. 15. В отличие от структур, представленных ромбами, каждая из структур, представленных кружками, находится ниже диагональной линии, и это означает, что c-постоянная решетки этих структур является меньшей, чем у структур, представленных ромбами. Меньшая c-постоянная решетки структур, представленных кружками, предполагает, что толстые высокотемпературные слои GaN в этих структурах выращены под деформацией растяжения, тем самым указывая, что a-постоянная решетки высокотемпературного слоя GaN была увеличена для согласования с a-постоянной решетки нижележащего по меньшей мере частично релаксированного низкотемпературного слоя InGaN 26. Структуры, представленные кружками, также показали более низкие плотности пронизывающих дислокаций для некоторой данной a-постоянной решетки, чем структуры, представленные ромбами, тем самым указывая, что изобретение разрушает компромиссный выбор между a-постоянной решетки и плотностью пронизывающих дислокаций, наблюдаемый в обычных шаблонах GaN, как это ранее определено количественно в Уравнении (3).
Фиг. 16 представляет собой график a- и c-постоянных решеток, наблюдаемых для нескольких слоев в одном или более вариантах реализации изобретения. Затемненные кружки на фиг. 16 представляют слой 28 на фиг. 9, в то время как незатемненные кружки на фиг. 16 представляют один или более богатых индием слоев на фиг. 13, а символы в виде ромбов представляют один или более бедных индием слоев или верхние слои на фиг. 13. Сплошная диагональная линия на фиг. 16 соответствует сплошной диагональной линии, ранее показанной на фиг. 15, и представляет собой экспериментальные данные на шаблонах GaN, таких как структура, проиллюстрированная на фиг. 1, в то время как пунктирная диагональная линия является результатом экстраполяции сплошной линии на большие значения a-постоянной. Как показано на фиг. 16, обе c- и a-постоянные решетки богатого индием слоя 60 являются довольно большими по сравнению с данными для обычных шаблонов GaN, показанных символами в виде ромбов на фиг. 15. Эти c- и a-постоянные решетки бедного индием слоя 61 или верхнего слоя 67, сформированного поверх богатого индием слоя 60, являются меньшими, чем постоянные решетки богатого индием слоя 60, но намного большими, чем наибольшие a-постоянные решетки, наблюдаемые для обычных шаблонов GaN на фиг. 15, предполагая, что бедные индием слои 61 и верхние слои 67, выращенные согласно проиллюстрированному на фиг. 13 варианту реализации, являются по меньшей мере частично деформированными до большей постоянной решетки богатых индием слоев 60. Отмечается, что бедные индием слои 61 и верхние слои 67 обычно поддерживают достаточно тонким или выращивают с достаточно высоким содержанием InN, чтобы избежать раскалывания. Приборные слои 10, выращиваемые деформированными на бедных индием слоях 61 и верхних слоях 67, воспроизводят эту большую чем у GaN a-постоянную решетки, что уменьшает деформацию в светоизлучающем слое. Поэтому шаблоны, описанные в вышеприведенных вариантах реализации, могут иметь большие a-постоянные решетки, чем обычные шаблоны GaN, которые обычно имеют a-постоянных решетки, не большие чем 3,189 Å.
0,12
0,88
плоскост
объем
объем
0,12
0,88
0,16
0,84
0,2
0,8
Выращивание приборных слоев, включая один или более светоизлучающих слоев, поверх шаблонов с большей плоскостной постоянной решетки чем 3,189 Å, таких как структуры в некоторых из описанных выше вариантов реализации, могут значительно уменьшить деформацию в светоизлучающем слое, давая возможность более толстым светоизлучающим слоям быть выращенными с приемлемыми плотностями дефектов и с уменьшенным спинодальным распадом. Например, слой InGaN, который излучает синий свет, может иметь состав InGaN, т.е. состав с объемной постоянной решетки 3,23 Å. Деформацию в светоизлучающем слое определяют по различию между плоскостной постоянной решетки в светоизлучающем слое (примерно 3,189 Å для светоизлучающего слоя, выращенного на обычном буферном слое GaN) и объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя, таким образом деформация может быть выражена в виде |(а-a)|/a, как это определено в Уравнении (2). В случае обычного слоя InGaN, деформация составляет |(3,189 Å-3,23 Å)|/3,23 Å), т.е. примерно 1,23%. Если светоизлучающий слой того же самого состава выращивают на шаблоне с большей постоянной решетки, таком как описанные выше структуры, деформация может быть уменьшена или устранена. В некоторых вариантах реализации изобретения деформация в светоизлучающем слое прибора, излучающего свет в диапазоне между 430 и 480 нм, может быть уменьшена до менее чем 1%, а более предпочтительно - до менее чем 0,5%. Слой InGaN, который излучает голубой свет, может иметь состав InGaN, т.е. состав с объемной постоянной решетки 3,24 Å, и деформацию в примерно 1,7% при его выращивании на обычном буферном слое GaN. В некоторых вариантах реализации изобретения деформация в светоизлучающем слое прибора, излучающего свет в диапазоне между 480 и 520 нм, может быть уменьшена до менее чем 1,5%, а более предпочтительно - до менее чем 1%. Слой InGaN, который излучает зеленый свет, может иметь состав InGaN, т.е. состав с объемной постоянной решетки 3,26 Å, что приводит к деформации примерно 2,1% при его выращивании на обычном буферном слое GaN. В некоторых вариантах реализации изобретения деформация в светоизлучающем слое прибора, излучающего свет в диапазоне между 520 и 560 нм, может быть уменьшена до менее чем 2%, а более предпочтительно - до менее чем 1,5%.
9
-2
9
-2
9
-2
9
-2
Для прибора, проиллюстрированного на фиг. 2, авторы изобретения вырастили структуры со столь большими a-постоянными решетки, как 3,212 Å, и столь малыми плотностями пронизывающих дислокаций, как 4×10см. Светоизлучающий слой, выращенный поверх такой структуры, может быть деформированным на 0,55% в случае слоя, излучающего синий свет, деформированным на 0,87% в случае слоя, излучающего голубой свет, и деформированным на 1,5% в случае слоя, излучающего зеленый свет. Для приборов, проиллюстрированных на фиг. 8 и 10, авторы изобретения вырастили структуры со столь большими a-постоянными решетки, как 3,196 Å, и столь малыми плотностями пронизывающих дислокаций, как 1,5×10см. Светоизлучающий слой, выращенный поверх такой структуры, может быть деформированным на 1,1% в случае слоя, излучающего синий свет, деформированным на 1,4% в случае слоя, излучающего голубой свет, и деформированным на 2,0% в случае слоя, излучающего зеленый свет. Для приборов, проиллюстрированных на фиг. 9 и 13, авторы изобретения вырастили структуры со столь большими a-постоянными решетки, как 3,202 Å, и столь малыми плотностями пронизывающих дислокаций, как 1,5×10см, как показано на фиг. 16. Светоизлучающий слой, выращенный поверх такой структуры, может быть деформированным на 0,87% в случае слоя, излучающего синий свет, деформированным на 1,2% в случае слоя, излучающего голубой свет, и деформированным на 1,8% в случае слоя, излучающего зеленый свет. Для приборов, проиллюстрированных на фиг. 11, авторы изобретения вырастили структуры со столь большими a-постоянными решетки, как 3,204 Å, и столь малыми плотностями пронизывающих дислокаций, как 1,5×10см. Светоизлучающий слой, выращенный поверх такой структуры, может быть деформированным на 0,8% в случае слоя, излучающего синий свет, деформированным на 1,1% в случае слоя, излучающего голубой свет, и деформированным на 1,7% в случае слоя, излучающего зеленый свет. Таким образом, каждый из этих примеров нарушает соотношение между плоскостной a-постоянной решетки и плотностью пронизывающих дислокаций, ранее описанное в Уравнении (3).
Описанные выше шаблоны выращивания и приборные слои могут быть выращены на поверхности подложки для выращивания из сапфира или SiC, которая наклонена относительно основной кристаллографической плоскости сапфира, согласно вариантам реализации изобретения. На фиг. 17 показана c-плоскость, m-плоскость и a-плоскость сапфира. III-нитридные приборы часто выращивают поверх c-плоскости, r-плоскости, m-плоскости или a-плоскости сапфира. В вариантах реализации изобретения сапфировая подложка может быть вырезана и отполирована так, что поверхность роста, поверх которой выращивали слои III-нитридного прибора, наклонена в направлении 12 относительно c-плоскости, r-плоскости, m-плоскости или a-плоскости, например, больше чем на 0,1°. Светоизлучающий слой, выращенный поверх такой подложки, может подвергаться уменьшенному спинодальному распаду и уменьшенной деформации в светоизлучающих слоях. Такая подложка может использоваться для выращивания любых описанных выше шаблонов.
Полупроводниковые структуры, иллюстрированные и описанные выше, могут быть включены в любую подходящую конфигурацию светоизлучающего прибора, такого как прибор с контактами, сформированными на противоположных сторонах прибора, или прибор с обоими контактами, сформированными на одной и той же стороне прибора. Когда оба контакта расположены на одной и той же стороне, прибор может быть сформирован либо с прозрачными контактами и смонтирован так, что свет испускается через ту же сторону, на которой сформированы контакты, либо с отражающими контактами и смонтирован в виде перевёрнутого кристалла (чипа), в котором свет испускается со стороне, противоположной той стороны, на которой сформированы контакты.
Фиг. 18 показывает часть одного из примеров подходящей конфигурации, смонтированного методом перевернутого кристалла прибора, из которого была удалена подложка для выращивания. Как описано выше, приборные слои 10 включают в себя светоизлучающую область 72, содержащую по меньшей мере один светоизлучающий слой, проложенный между областью n-типа 71, содержащей по меньшей мере один слой n-типа, и областью р-типа 73, содержащей по меньшей мере один слой р-типа. Область n-типа 71 может быть частью шаблона выращивания или отдельной структурой. Часть области р-типа 73 и светоизлучающей области 72 удаляют, образуя мезаструктуру, которая обнажает часть области n-типа 71. Хотя на фиг. 18 показано одно сквозное отверстие, обнажающее часть области n-типа 71, следует понимать, что в одном отдельном приборе может быть сформировано множество сквозных отверстий. На обнаженных частях области n-типа 71 и области р-типа 73 формируют n- и p-контакты 78 и 76, например, с помощью напыления или электролитического осаждения. Контакты 78 и 76 могут быть электрически изолированы друг от друга воздухом или диэлектрическим слоем. После того как металлические контакты 78 и 76 сформированы, пластина с приборами может быть разрезана на отдельные приборы, затем каждый прибор переворачивают относительно направления выращивания и монтируют на монтажном компоненте 84, в таком случае монтажный компонент 84 может иметь боковую протяженность, большую, чем боковая протяженность прибора, как показано на фиг. 18. Альтернативно пластина с приборами может быть соединена с пластиной с монтажными компонентами, а затем разрезана на отдельные приборы. Монтажный компонент 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 соединяется с p-контактами 76, и по меньшей мере одну металлическую контактную площадку 82, которая электрически соединяется с n-контактами 78. Межсоединения (не показанные на фиг. 18), расположенные между контактами 76 и 78 и контактными площадками 80 и 82, соединяют полупроводниковый прибор с монтажным компонентом 84. Межсоединения могут быть, например, элементарными металлами, таким как золото, или припоем.
После монтажа подложку для выращивания (не показанную) удаляют способом, подходящим для материала подложки, таким как травление или лазерное плавление. До или после монтажа между прибором и монтажным компонентом 84 может быть предусмотрен подкристальный заполнитель для поддержки полупроводниковых слоев и предотвращения разламывания во время удаления подложки. Шаблон 75, на котором выращивали приборные слои 10, может быть сохранен неповрежденным, полностью удален или частично удален, например, травлением. Поверхность, обнаженная при удалении подложки для выращивания, и любой полупроводниковый материал могут быть сделаны шероховатыми, например, в результате процесса травления, такого как фотоэлектрохимическое травление, или в результате механического процесса, такого как шлифование. Придание шероховатости той поверхности, из которой испускается свет, может улучшить светоиспускание из прибора. Альтернативно на этой поверхности может быть сформирована фотонная кристаллическая структура. На излучающую поверхность может быть нанесена структура 85, такая как известные в данной области техники слой люминофора или вторичная оптика, такая как дихроичные зеркала или поляризаторы.
Фиг. 19 представляет собой изображение в разобранном виде светоизлучающего прибора в корпусе, как описано более подробно в патенте США 6274924. Теплоотводящий брусок 100 помещают в формованную со вставкой рамку с выводами. Формованная со вставкой рамка с выводами представляет собой, к примеру, наполненный пластмассовый материал 105, сформованный вокруг металлической рамки 106, которая обеспечивает электрический путь. Брусок 100 может содержать необязательную чашку-отражатель 102. Кристалл 104 светоизлучающего прибора, который может быть любым из приборов, описанных в вышеприведенных вариантах реализации, монтируют непосредственно или опосредованно через теплопроводящий вспомогательный монтажный компонент 103 на бруске 100. Может быть добавлена крышка 108, которой может быть оптическая линза.
Имея подробное описание изобретения, специалисты в данной области техники смогут оценить, что на основе настоящего раскрытия в изобретение могут быть внесены модификации без отступления от сущности описанного здесь изобретательского замысла. Поэтому не предполагается, что объем изобретения ограничен проиллюстрированными и описанными конкретными вариантами реализации. В частности, низкотемпературный слой 26 может состоять из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN. Для того варианта реализации, в котором низкотемпературный слой 26 состоит из AlGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 является меньшей, чем у зародышевого слоя 22, что будет уменьшать деформацию в слоях AlGaN или AlInGaN, используемых для коротковолновых УФ-излучателей. Для вариантов реализации, в которых низкотемпературный слой 26 состоит из AlInGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 может быть либо большей, либо меньшей, чем у слоя 22, в зависимости от отношения индия к алюминию в низкотемпературном слое 26. Кроме того, раскрытое здесь изобретение может быть применено в электронных или оптоэлектронных приборах, а также в светоизлучающих приборах, например, включая транзисторы, такие как полевые транзисторы (FET) или детекторы.