III-НИТРИДНЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА, ВЫРАЩЕННЫЕ НА СТРУКТУРЕ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ
III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICES, GROWN ON STRUCTURE FOR REDUCING DEFORMATION

Настоящее изобретение касается технологий выращивания и структур устройств для полупроводниковых светоизлучающих устройств.
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие в себя светоизлучающие диоды (СИД), резонаторные светоизлучающие диоды (РСИД), вертикальные резонаторные лазерные диоды (ВРЛД) и лазеры с торцевым излучением, находятся среди наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Системы материалов, рассматриваемые в настоящее время при изготовлении светоизлучающих устройств высокой яркости, способные функционировать в УФ, видимом и, возможно, инфракрасном спектре, включают в себя полупроводники группы III-V, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства изготавливают путем эпитаксиального выращивания пакета полупроводниковых слоев с разными композициями и концентрациями легирующих примесей на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или другой подходящей подложке с помощью химического осаждения из металлоорганической газовой фазы (MOCVD), эпитаксии из молекулярного пучка (ЭМП) или других эпитаксиальных технологий. Данный пакет часто включает в себя один или несколько слоев n-типа, легированных, например, Si, образованных на подложке, один или несколько светоизлучающих слоев в активной области, образованных на данном слое или слоях n-типа, и один или несколько слоев р-типа, легированных, например, Mg, образованных поверх активной области. Электрические контакты формируют на областях n-типа. Эти III-нитридные материалы также интересны для оптоэлектронных, а также электронных устройств, таких как полевые транзисторы (ПТ) и детекторы.
bulk
in-plane
В вариантах осуществления данного изобретения слои данных устройств, включая светоизлучающий слой III-нитридного устройства, выращивают на шаблоне, сконструированном для уменьшения деформации в устройстве, в частности в светоизлучающем слое. Эта деформация может быть определена следующим образом: заданный слой имеет объемную постоянную решетки a, соответствующую постоянной решетки свободно находящегося материала такой же композиции, как данный слой, и плоскостную постоянную решетки a, соответствующую постоянной решетки данного слоя, выращенного в данной структуре. Величина деформации в слое представляет собой разность между плоскостной постоянной решетки материала, образующего конкретный слой, и объемной постоянной решетки данного слоя в устройстве, деленную на объемную постоянную решетки.
Уменьшение деформации в светоизлучающем устройстве может улучшить производительность данного устройства. Шаблон может расширять постоянную решетки в светоизлучающем слое на диапазон постоянных решетки, доступных среди обычных шаблонов роста. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения деформация светоизлучающего слоя составляет меньше чем 1%.
В некоторых вариантах осуществления шаблон включает в себя два слоя, выращенных при низкой температуре, слой зародышеобразования без индия, такой как GaN, выращенный непосредственно на подложке, и индийсодержащий слой, такой как InGaN, выращенный на слое без индия. Оба слоя могут быть не монокристаллическими слоями. В некоторых вариантах осуществления монокристаллический слой, такой как GaN слой, может быть выращен между слоем зародышеобразования и индийсодержащим слоем. В некоторых вариантах осуществления монокристаллический слой, такой как GaN, InGaN или AlInGaN, может быть выращен поверх низкотемпературного индийсодержащего слоя.
В некоторых вариантах осуществления шаблон дополнительно включает в себя пакет множества слоев или градиентную область, или формируется с помощью способа, включающего в себя термический отжиг или этап термического циклического роста.
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе части устройства согласно предшествующему уровню техники.
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный после обычного низкотемпературного слоя зародышеобразования.
Фиг.3 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный поверх множества низкотемпературных слоев зародышеобразования.
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество низкотемпературных слоев, выращенных поверх обычного низкотемпературного слоя зародышеобразования.
Фиг.5 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя больше чем один набор из низкотемпературного слоя зародышеобразования и низкотемпературного InGaN слоя.
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество низкотемпературных InGaN слоев.
Фиг.7 представляет собой вид в разрезе структуры с фиг.6 после отжига и выращивания слоев устройства.
Фиг.8 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный после высокотемпературного GaN слоя.
Фиг.9 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя высокотемпературный InGaN слой, выращенный после низкотемпературного InGaN слоя.
Фиг.10 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя высокотемпературный InGaN слой, выращенный после низкотемпературного InGaN слоя, выращенного после высокотемпературного GaN слоя.
Фиг.11 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, расположенный между двумя высокотемпературными InGaN слоями.
Фиг.12 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя два высокотемпературных InGaN слоя, выращенных поверх низкотемпературного InGaN слоя.
Фиг.13 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество богатых индием и бедных индием слоев, выращенных путем термического циклического роста.
Фиг.14 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный слой и градиентный композиционный слой.
Фиг.15 представляет собой график с-постоянной решетки как функции а-постоянной решетки для нескольких устройств, включающих в себя GaN слой зародышеобразования и толстый высокотемпературный GaN слой, и для нескольких устройств, включающих в себя низкотемпературный InGaN слой и толстый высокотемпературный GaN слой.
Фиг.16 представляет собой график с- и а-постоянных решетки для нескольких устройств.
Фиг.17 показывает несколько основных кристаллографических плоскостей структуры вюрцита, такой как сапфир.
Фиг.18 показывает часть светоизлучающего устройства с перевернутым кристаллом, из которого удалили подложку роста.
Фиг.19 представляет собой покомпонентный вид собранного светоизлучающего устройства.
2
2
Производительность полупроводникового светоизлучающего устройства может быть определена путем измерения внешней квантовой эффективности, которая измеряет число фотонов, излученных устройством, на электрон, поданный в данное устройство. Когда плотность тока, подаваемого на обычное III-нитридное светоизлучающее устройство, увеличивается, внешняя квантовая эффективность данного устройства сначала увеличивается, затем снижается. Когда плотность тока увеличивается от нуля, внешняя квантовая эффективность увеличивается, достигая пика при заданной плотности тока (например, при приблизительно 10 А/см для некоторых устройств). Когда плотность тока увеличивается выше данного пика, внешняя квантовая эффективность сначала быстро падает, затем снижается медленнее при более высокой плотности тока (например, выше 200 А/см для некоторых устройств). Квантовая эффективность устройства также снижается, когда содержание InN в светоизлучающей области увеличивается и когда длина волны излучаемого света увеличивается.
Одна технология уменьшения или обращения падения квантовой эффективности при высокой плотности тока представляет собой формирование более толстых светоизлучающих слоев. Однако выращивание толстых III-нитридных светоизлучающих слоев затруднительно из-за деформации слоев III-нитридного устройства. Также, чтобы достичь излучения при больших длинах волн, желательно введение более высокого содержания InN. Однако выращивание III-нитридных светоизлучающих слоев с высоким содержанием InN затруднительно из-за деформации слоев III-нитридного устройства.
2
3
Так как натуральные III-нитридные подложки роста обычно дороги, не широко доступны и непрактичны для выращивания коммерческих устройств, III-нитридные устройства часто выращивают на сапфирных (AlO) или SiC подложках. Такие ненатуральные подложки имеют иные постоянные решетки, чем объемные постоянные решетки слоев III-нитридных устройств, выращенных на подложке, иные коэффициенты теплового расширения и иные химические и структурные свойства, чем слои устройства, приводя к деформации в слоях устройства и плохому химическому и структурному сочетанию между слоями устройства и подложками. Примеры этих плохих структурных сочетаний могут включать в себя, например, плоскостной поворот между кристаллической структурой GaN и кристаллической структурой сапфировой подложки, на которой растет GaN.
Применяемый здесь термин "плоскостная" постоянная решетки относится к действительной постоянной решетки слоя внутри устройства, а "объемная" постоянная решетки относится к постоянной решетки отрелаксированного, свободно расположенного материала данной композиции. Величина деформации в слое задается уравнением (1).
деформация=ε=(a<sub>in-plain</sub> - a<sub>bulk</sub>)/a<sub>bulk</sub>
(1)
in-plain
bulk
Заметим, что деформация ε в уравнении (1) может быть положительной или отрицательной, т.е. ε>0 или ε<0. В нерастянутой пленке a=a, то есть ε=0 в ур.(1). Пленка, где ε>0, считается находящейся под деформацией растяжения, или под растяжением, тогда как, когда ε<0, говорят о деформации сжатия или сжатии. Примеры деформации растяжения включают в себя деформированную AlGaN пленку, выращенную на недеформированном GaN, или деформированную GaN пленку, выращенную на недеформированном InGaN. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки увеличивается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε>0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под растяжением. Примеры деформации сжатия включают в себя деформированную InGaN пленку, выращенную на недеформированном GaN, или деформированную GaN пленку, выращенную на недеформированном AlGaN. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая больше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки сжимается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε<0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под сжатием. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки увеличивается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε>0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под растяжением.
В растянутой пленке деформация действует, растягивая атомы один от другого, чтобы увеличить плоскостную постоянную решетки. Эта растягивающая деформация часто нежелательна, так как пленка может отзываться на растяжение образованием трещин, которые уменьшают деформацию в пленке, но нарушают структурную и электрическую целостность пленки. В сжатой пленке деформация действует, сдвигая атомы вместе, и этот эффект может уменьшать внедрение больших атомов, таких как индий, в InGaN пленку, например, или может уменьшать качество материала активного InGaN слоя в InGaN СИД. Во многих случаях и растягивающая, и сжимающая деформация нежелательны, и предпочтительно уменьшать растягивающую или сжимающую деформацию в различных слоях устройства. В таких случаях более удобно говорить об абсолютном значении или величине деформации, определяемой в уравнении (2). Применяемый здесь термин "деформация" следует понимать как означающий абсолютное значение или величину деформации, определяемая в ур.(2).
деформация = |ε| = |(a<sub>in-plain</sub> - a<sub>bulk</sub>)|/a<sub>bulk</sub>
(2)
2
3
0,16
0,84
Когда III-нитридное устройство обычно выращивают на AlO, первая структура, выращенная на подложке, обычно представляет собой GaN шаблонный слой с плоскостной а-постоянной решетки приблизительно 3,189 Å или меньше. GaN шаблон служит в качестве шаблона постоянной решетки для светоизлучающей области, в которой он устанавливает постоянную решетки для всех слоев устройства, выращенных поверх шаблонного слоя, включая InGaN светоизлучающий слой. Так как объемная постоянная решетки InGaN больше, чем плоскостная постоянная решетки обычного GaN шаблона, светоизлучающий слой деформируется со сжатием, когда растет на обычном GaN шаблоне. Например, светоизлучающий слой, сформированный так, чтобы излучать свет при приблизительно 450 нм, имеет композицию InGaN, композицию с объемной постоянной решетки 3,242 Å по сравнению с постоянной решетки GaN 3,189 Å. Когда InN содержание в светоизлучающем слое увеличивается, как в устройствах, сконструированных для излучения света при больших длинах волн, сжимающая деформация в светоизлучающем слое также увеличивается.
Proceedings of SPIE
Если толщина деформированного слоя увеличивается свыше критического значения, дислокации или другие дефекты образуются внутри слоя, снижая энергию, связанную с деформацией, как описано в Tomiya et al., , volume 6133, pages 613308-1-613308-10 (2006), которая включена сюда посредством ссылки. Структурные дефекты могут ассоциироваться с центрами неизлучательной рекомбинации, которые могут существенно снижать квантовую эффективность устройства. В результате, толщина светоизлучающего слоя должна сохраняться ниже этой критической толщины. Когда содержание InN и пиковая длина волны увеличиваются, деформация в светоизлучающем слое увеличивается, поэтому критическая толщина светоизлучающего слоя снижается.
Physica Status Solidi,
Даже если толщина светоизлучающего слоя поддерживается ниже критической толщины, InGaN сплавы термодинамически неустойчивы при определенных композициях и температурах, как описано в Ponce et al., volume B 240, pages 273-284 (2003), которая включена сюда посредством ссылки. Например, при температурах, обычно применяемых для роста InGaN, InGaN может демонстрировать спинодальное разложение, когда композиционно однородный слой InGaN превращается в слой с областями с содержанием InN, более высоким, чем среднее, и областями с содержанием InN, более низким, чем среднее. Спинодальное разложение в InGaN светоизлучающем слое создает центры неизлучательной рекомбинации и может увеличивать внутреннее поглощение, что может снижать квантовую эффективность устройства. Проблема спинодального разложения усугубляется, когда толщина светоизлучающего слоя увеличивается, когда среднее содержание InN в светоизлучающем слое увеличивается и/или когда деформация светоизлучающего слоя увеличивается. Например, в случае светоизлучающего слоя, выращенного на GaN шаблоне и сформированного для излучения света при 550 нм, комбинация содержания InN >20% и предпочтительной толщины >30Å превышает предел спинодального разложения.
Соответственно, как описано выше, желательно увеличить толщину светоизлучающего слоя, чтобы снизить или устранить падение внешней квантовой эффективности, которое происходит, когда плотность тока увеличивается, или желательно увеличить содержание InN, чтобы достичь больших длин волн излучения. В обоих случаях необходимо снижать деформацию в светоизлучающем слое, чтобы выращивать более толстый светоизлучающий слой или слой с более высоким содержанием, сохранять число дефектов в приемлемом диапазоне путем увеличения критической толщины и увеличивать толщину, при которой слой может расти без спинодального разложения. Варианты осуществления данного изобретения разработаны снижать деформацию слоев устройства III-нитридного устройства, в частности в светоизлучающем слое.
Фиг.1 показывает устройство с обычным слоем 2 зародышеобразования, выращенным на подложке 1. Один или несколько высокотемпературных слоев 3 и 5 могут быть выращены поверх слоя 2 зародышеобразования, и слои 6 устройства могут быть выращены поверх высокотемпературных слоев 3 или 5. Предшествующие способы снижения деформации III-нитридных светоизлучающих слоев включают в себя выращивание высокотемпературной, по существу монокристаллической InGaN области 5 поверх сросшейся GaN области 3, как показано на фиг.1 и описано в патенте США 6489636, или выращивание индийсодержащего слоя 2 зародышеобразования непосредственно на сапфировой подложке, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107А. Однако InGaN область, выращенная поверх сросшегося GaN, обычно не релаксирует эффективно и, таким образом, обеспечивает ограниченное снижение деформации и соответствующих дефектов, и подход, описанный в патентной заявке Великобритании GB 2338107А, который включает в себя индийсодержащий слой зародышеобразования, выращенный непосредственно на сапфировой подложке, обычно приводит к одной или нескольким проблемам в слоях устройства, включая высокие плотности дислокаций, шероховатые поверхности и высокие концентрации примесей, таких как углерод и кислород. Соответственно, необходимо контролировать не только деформацию в слоях устройства, но также плотность дислокаций и поверхностную шероховатость.
Applied Physics Letters
Другой способ регулирования деформации в обычных GaN шаблонах, таких как показанный на фиг.1, представляет собой регулирование плотности дислокаций в GaN шаблоне, как описано в Bottcher et al., , volume 78, pages 1976-1978 (2001), которая включена сюда посредством ссылки. В этом подходе а-постоянная решетки увеличивается с увеличением плотности введенных дислокаций (ПВД). Хотя точное соотношение между а-постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций зависит от многих факторов, включая концентрацию Si, температуру роста и толщину шаблона, приблизительное соотношение между а-постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций в обычных GaN шаблонах может быть описано в виде
a<sub>in-plain</sub> = 3,1832 + 9,578×10<sup>-13</sup>*ПВД
(3)
9
-2
9
-2
Из ур.(3) видно, что плоскостная а-постоянная решетки 3,189 Å соответствует плотности введенных дислокаций приблизительно 6×10 см. Хотя эта а-постоянная решетки может быть достигнута при меньших плотностях введенных дислокаций, используя разные концентрации Si, разные температуры роста или разные толщины шаблона, изобретатели обнаружили, что обычный GaN шаблон с а-постоянной решетки, большей чем 3,189 Å, обычно имеет плотность введенных дислокаций, по меньшей мере, 2×10 см. Изменяя плотность введенных дислокаций в обычных GaN шаблонах, таких как шаблон на фиг.1, изобретатели меняли плоскостную а-постоянную решетки в обычных GaN шаблонах в диапазоне от приблизительно 3,1832 Å до приблизительно 3,1919 Å.
Applied Physics Letters
Journal of Applied Physics
9
-2
Хотя увеличение плотности введенных дислокаций, таким образом, обычно эффективно при увеличении а-постоянной решетки в обычных GaN шаблонах, этот способ имеет несколько недостатков. Например, дефекты, такие как дислокации, действуют в качестве центров неизлучательной рекомбинации, что может снижать внешнюю квантовую эффективность III-нитридных светоизлучающих устройств, как описано в Koleske et al., , volume 81, pages 1940-1942 (2002), которая включена сюда посредством ссылки. Следовательно, желательно снижать плотность дислокаций, чтобы увеличить внешнюю квантовую эффективность. Также, когда плоскостная а-постоянная решетки достигает или превышает приблизительно 3,189 Å в обычных GaN шаблонах, GaN слои имеют тенденцию образовывать трещины из-за избыточной деформации растяжения, как описано в Romano et al., , volume 87, pages 7745-7752 (2000), которая включена сюда посредством ссылки. Следовательно, желательно нарушить это соотношение между а-постоянной решетки и плотностью дислокаций, которое диктуется бинарной композицией GaN шаблонов. В частности, получение слабодеформированных активных слоев в комбинации с шаблонами с низкой плотностью введенных дислокаций является важной задачей для увеличения внешней квантовой эффективности и длины волны III-нитридных СИД. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения шаблон, на котором выращивают слои устройства, является, по существу, свободным от трещин с комбинацией такой большой плоскостной а-постоянной решетки, как 3,200 Å, и плотности введенных дислокаций ниже 2×10 см.
В вариантах осуществления данного изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают поверх структуры, называемой здесь шаблоном, внедряя компонент для регулирования постоянной решетки (и, следовательно, деформации) в слоях устройства. Структуры, которые увеличивают постоянную решетки в устройстве, могут вызывать нежелательно увеличенную поверхностную шероховатость или увеличенную плотность введенных дислокаций, поэтому шаблон может также включать в себя компоненты для регулирования плотности введенных дислокаций и поверхностной шероховатости в слоях устройства, в частности в светоизлучающей области. Шаблон устанавливает плотность введенных дислокаций и постоянную решетки полупроводниковых слоев, выращенных на данном шаблоне. Шаблон служит в качестве перехода постоянной решетки от постоянной решетки GaN к постоянной решетки, более близко соответствующей объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя. Постоянная решетки, установленная данным шаблоном, может ближе соответствовать объемной постоянной решетки слоев устройства, чем постоянная решетки, доступная в устройствах, выращенных на обычных шаблонах, обеспечивая меньшую деформацию при приемлемой плотности введенных дислокаций и поверхностной шероховатости по сравнению с устройствами, выращенными на обычных GaN шаблонах.
Слои устройства, упомянутые выше, включают в себя, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, промежуточный между, по меньшей мере, одним слоем n-типа и, по меньшей мере, одним слоем р-типа. Дополнительные слои с другими композициями и концентрациями легирующих примесей могут быть включены в каждую из области n-типа, светоизлучающей области и области р-типа. Например, области n- и р-типа могут включать в себя слои противоположного типа проводимости или слои, которые не легировали намеренно, освобождающие слои, приспособленные для облегчения позднейшего освобождения подложки роста или утонения полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои, предназначенные для особых оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области для эффективного излучения света. В некоторых вариантах осуществления слой n-типа, промежуточный к светоизлучающему слою, может быть частью шаблона.
В описанных ниже вариантах осуществления содержание InN в светоизлучающем слое или слоях может быть низким, так что данное устройство излучает синий или УФ свет, или высоким, так что данное устройство излучает зеленый свет или свет с большей длиной волны. В некоторых вариантах осуществления устройство включает в себя один или несколько светоизлучающих слоев с квантовой ямой. Множественные квантовые ямы могут быть разделены барьерными слоями. Например, каждая квантовая яма может иметь толщину больше чем 15 Å.
9
-2
8
-2
7
-2
6
-2
В некоторых вариантах осуществления светоизлучающая область устройства представляет собой один толстый светоизлучающий слой с толщиной от 50 до 600 Å, более предпочтительно от 100 до 250 Å. Оптимальная толщина может зависеть от количества дефектов внутри светоизлучающего слоя. Концентрация дефектов в светоизлучающей области предпочтительно ограничена менее чем 10 см, более предпочтительно ограничена менее чем 10 см, более предпочтительно ограничена менее чем 10 см и более предпочтительно ограничена менее чем 10 см.
18
-3
20
-3
В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один светоизлучающий слой в устройстве легируют легирующей добавкой, такой как Si, до легирующей концентрации от 1×10 см до 1×10 см. Si легирование может влиять на плоскостную а-постоянную решетки в светоизлучающем слое, потенциально дополнительно снижая деформацию в светоизлучающем слое.
2
3
2
2
2
3
2
2
3
Journal of Crystal Growth
Journal of Applied Physics
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения шаблон включает в себя, по меньшей мере, один низкотемпературный InGaN слой. Было обнаружено, что Н может влиять на внедрение индия в InGaN пленки, как описано в Bosi and Fornari, , volume 265, pages 434-439 (2004), которая включена сюда посредством ссылки. Различные другие параметры, такие как температура выращивания, давление выращивания, скорость выращивания и поток NH, также могут влиять на внедрение индия в InGaN пленки, как описано отчасти в Oliver et al., , volume 97, pages 013707-1-013707-8 (2005), которая включена сюда посредством ссылки. Изменяемый поток Н, таким образом, иногда используют в качестве средства регулирования содержания InN в InGaN или AlInGaN пленках. В некоторых вариантах осуществления описанные здесь шаблоны, поэтому, выращивают, используя один или несколько параметров из изменяемого потока Н, изменяемого потока N или изменяемого потока NH в реактор во время роста шаблона. В других вариантах осуществления шаблоны выращивают, используя изменяемую температуру или изменяемое давление, или изменяемую скорость выращивания во время роста шаблона. В других вариантах осуществления шаблоны выращивают, используя произвольную комбинацию одного или нескольких параметров из изменяемого потока Н, изменяемого потока N или изменяемого потока NH, изменяемой температуры, изменяемого давления или изменяемой скорости роста во время роста шаблона.
Фиг.2 иллюстрирует первый вариант осуществления данного изобретения. Обычный низкотемпературный слой 22 зародышеобразования выращивают непосредственно на поверхности сапфировой подложки 20. Слой 22 зародышеобразования обычно представляет собой низкокачественный, не монокристаллический слой, такой как аморфный, поликристаллический слой или слой кубической фазы GaN, выращенный до толщины, например, до 500 ангстрем при температуре от 400 до 750°С.
2
3
2
3
2
2
3
Второй слой 26 также выращивают при низкой температуре поверх слоя 22 зародышеобразования. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, низкокачественным, не монокристаллическим слоем, таким как аморфный, поликристаллический III-нитридный слой или III-нитридный слой кубической фазы, выращенный до толщины, например, до 500 ангстрем при температуре от 400 до 750°С, более предпочтительно от 450 до 650°С, более предпочтительно от 500 до 600°С. В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 имеет менее чем 300 ангстрем толщины. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, InGaN слоем с содержанием InN больше чем 0% и часто меньше чем 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%. В некоторых вариантах осуществления содержание InN в низкотемпературном слое 26 меньше, например меньше чем 2%. Данная структура может отжигаться после выращивания слоя 22 зародышеобразования, но перед выращиванием низкотемпературного слоя 26, после выращивания низкотемпературного слоя 26 или оба раза. Например, структура может отжигаться при температуре от 950 до 1150°С в течение от 30 секунд до 30 минут, обычно в окружении Н и NH; N и NH; или Н, N и NH. В некоторых вариантах осуществления Ga, Al или In предшественники могут вводиться во время, по меньшей мере, части процесса отжига. Слои 10 устройства затем выращивают поверх низкотемпературного слоя 26. Низкотемпературный слой 26 может увеличивать постоянную решетки слоев 10 устройства за диапазон постоянных решетки, достижимых с обычными структурами зародышеобразования, такими как GaN шаблоны. Увеличение постоянной решетки происходит потому, что низкотемпературный слой 26 не выращивается соразмерно с нижележащими слоями, хотя GaN слой зародышеобразования имеет другую постоянную решетки, чем сапфир или SiC, или другая подложка, на которой он растет. Таким образом, как описано выше, низкотемпературный слой 26 служит переходом от постоянной решетки слоя 22 зародышеобразования к большей постоянной решетки. III-нитридное устройство, использующее низкотемпературный InGaN слой 26, как показано на фиг.2, может быть выращено более высокого качества, чем III-нитридное устройство, использующее InN-содержащий слой 2 зародышеобразования, выращенный непосредственно на подложке, например, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107А.
В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 может быть образован из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN, так что низкотемпературные слои 26 снижают постоянную решетки, установленную слоем 22 зародышеобразования, чтобы уменьшить растягивающую деформацию в AlGaN светоизлучающей области УФ устройства. Светоизлучающие активные слои таких устройств могут представлять собой, например, AlGaN или AlInGaN.
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения устройство, показанное на фиг.2, может включать в себя один или несколько пакетов множества слоев. Примеры пакетов множества слоев включают в себя множество слоев 22 зародышеобразования или множество низкотемпературных слоев 26. Например, один или несколько дополнительных GaN слоев зародышеобразования могут быть расположены между подложкой 20 и InGaN низкотемпературным слоем 26, как показано на фиг.3. Альтернативно, множество InGaN низкотемпературных слоев 26 может быть выращено после слоя 22 зародышеобразования, как показано на фиг.4. В другом примере устройства, которое включает в себя шаблон с пакетами множества слоев, последовательность из GaN низкотемпературного слоя 22 и последующего InGaN низкотемпературного слоя 26 может повторяться один или несколько раз, как показано на фиг.5. Использование множества слоев зародышеобразования и низкотемпературных слоев может снижать плотность введенных дислокаций и плотность дефектов упаковки в устройстве.
В некоторых вариантах осуществления множество низкотемпературных слоев 26 на фиг.4 и фиг.5 может иметь неодинаковое InN содержание или неодинаковую толщину, как иллюстрируется 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 слоя 22 зародышеобразования, как показано на фиг.2. Низкотемпературный слой, ближайший к подложке, слой 32, может иметь самое высокое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, самый дальний от подложки, слой 36, может иметь самое низкое содержание индия. В другом варианте осуществления низкотемпературный слой, ближайший к подложке, слой 32, может иметь самое низкое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, самый дальний от подложки, слой 36, может иметь самое высокое содержание индия. Альтернативно, любая произвольная последовательность низкотемпературных слоев может быть использована. GaN верхний слой 38 может быть образован над верхним низкотемпературным слоем. Каждый из этих низкотемпературных слоев не обязан иметь одинаковую толщину. Например, слои с меньшим содержанием индия могут быть толще, чем слои с более высоким содержанием индия. Больше или меньше чем три низкотемпературных слоя, показанных на фиг.6, могут использоваться. Кроме того, множественные пакеты низкотемпературных слоев, показанных на фиг.6, могут быть включены в данное устройство. Каждый из этих слоев может меняться по толщине от 10 ангстрем до 1000 ангстрем или больше.
Структура, показанная на фиг.6, может отжигаться один или несколько раз после выращивания одного или нескольких слоев 32, 34, 36 или 38. Этот процесс отжига может заставлять InGaN низкотемпературные слои 32, 34, 36 и GaN верхний слой 38 смешиваться, образуя единую InGaN область 36, как показано на фиг.7, над которой выращивают слои 10 устройства. Верхний GaN слой 38 на фиг.6 может уменьшать количество InN, покидающего InGaN низкотемпературные слои 32, 34 и 36 во время отжига. Условия отжига выбирают так, что конечная структура имеет гладкую поверхность и низкую плотность дефектов. В некоторых вариантах осуществления отжиг включает в себя паузу роста. Например, структура может отжигаться в течение от 30 секунд до 30 минут при температуре от 950 до 1150°С. После выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 температура может быть повышена до температуры выращивания верхнего слоя 38 или следующего выращиваемого слоя, затем присутствует пауза роста перед ростом верхнего слоя 38 или следующего слоя. В других вариантах осуществления 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 осуществления выращивание верхнего слоя 38 начинается до того, как температура в реакторе выращивания достигает желаемой температуры выращивания верхнего слоя 38. В некоторых вариантах осуществления верхний слой 38 может выращиваться при низкой температуре, подобной температуре, используемой для выращивания слоя 22 зародышеобразования. В структуре из низкотемпературных слоев 32, 34 и 36, и верхнего слоя 38 слои с низким содержанием InN могут помогать подавлять потери InN из слоев с высоким содержанием InN во время отжига.
Пакеты множества слоев 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 замещать единственный низкотемпературный слой 26, показанный в любом из вариантов осуществления, описанных здесь. Применяемый здесь термин "градиентный", когда описывает композицию или концентрацию легирующей примеси в слое или слоях в устройстве, подразумевает охват любой структуры, которая достигает изменения композиции и/или концентрации легирующей добавки любым образом, кроме единственной ступени в композиции и/или концентрации легирующей добавки. Каждый градиентный слой может быть пакетом подслоев, где каждый из подслоев имеет другую концентрацию легирующей добавки или композицию, чем любой соседний к нему подслой. Если подслои имеют разрешимую толщину, градиентный слой является ступенчато-градиентным слоем. В некоторых вариантах осуществления подслои в ступенчато-градиентном слое могут иметь толщину, меняющуюся от нескольких десятков ангстрем до нескольких тысяч ангстрем. В пределе, когда толщина отдельных подслоев приближается к нулю, градиентный слой представляет собой непрерывно-градиентный слой. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть расположены, образуя множество профилей композиции и/или концентрации легирующей добавки от толщины, включая линейные профили, параболические профили и степенные профили, но не ограничиваясь ими. Также, градиентные слои не ограничиваются единственным профилем градиента, а могут включать в себя части с разными профилями градиента и одну или несколько частей с областями, по существу, постоянной композиции и/или концентрации легирующих добавок.
В одном примере слои 32, 34 и 36 могут быть образованы из InGaN с содержанием InN 9%, 6% и 3%, соответственно. В другом примере слои 32, 34 и 36 могут иметь содержания InN 9%, 3% и 9%. После отжига перемешанная область 35 на фиг.7 может иметь содержание InN, которое монотонно снижается снизу вверх, монотонно увеличивается снизу вверх или меняется немонотонным образом.
В некоторых вариантах осуществления данного изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают поверх шаблона, включающего, по меньшей мере, один низкотемпературный слой, выращенный поверх высокотемпературного слоя. Высокотемпературный слой может устанавливать низкую плотность введенных дислокаций и гладкую морфологию поверхности, например, тогда как низкотемпературный слой устанавливает увеличенные постоянные решетки для слоев, выращиваемых на данном шаблоне. Увеличение постоянной решетки происходит потому, что низкотемпературный слой 26 не выращивается соразмерно нижележащим слоям, так GaN слой зародышеобразования имеет иную постоянную решетки, чем сапфир или SiC или другая подложка, на которой он выращивается. Фиг.8 представляет собой вид в разрезе части такого устройства.
В устройстве, показанном на фиг.8, высокотемпературный слой 24 выращивают на слое 22 зародышеобразования, который такой же, как слой 22 зародышеобразования, описанный выше относительно фиг.2. Высокотемпературный слой 24 может быть, например, высококачественным кристаллическим GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN слоем, выращенным до толщины, по меньшей мере, 500 ангстрем при температуре от 900 до 1150°С.
После выращивания высокотемпературного слоя 24 температуру сбрасывают и выращивают низкотемпературный слой 26. В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 выращивают при скорости роста от 0,1 до 10 Å/с, более предпочтительно меньше чем 5 Å/с, более предпочтительно от 0,5 до 2 Å/с, чтобы избежать нежелательно грубой поверхности. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, низкокачественным, не монокристаллическим слоем, таким как аморфный, поликристаллический слой или слой кубической структуры, выращенный до толщины, например, 500 ангстрем при температуре от 400 до 750°С, более предпочтительно от 450 до 650°С, более предпочтительно от 500 до 600°С. При более высоких температурах низкотемпературный слой 26 может повторять постоянную решетки нижележащих слоев, а не релаксировать или устанавливать свою собственную постоянную решетки, как желательно. Низкотемпературный слой 26 выращивают при температуре достаточно низкой, чтобы он не повторял постоянную решетки высокотемпературного слоя 24; скорее низкотемпературный слой 26 может иметь постоянную решетки, большую, чем постоянная решетки высокотемпературного слоя 24, возможно из-за плохого качества низкотемпературного слоя 26. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, InGaN слоем с содержанием InN от 1% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%. Низкотемпературный слой 26 служит в качестве перехода от постоянной решетки GaN слоя 22 зародышеобразования к большей постоянной решетки, ближе соответствующей объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя данного устройства.
В некоторых вариантах осуществления разница между температурой роста высокотемпературного слоя 24 и низкотемпературного слоя 26 составляет, по меньшей мере, 300°С, более предпочтительно, по меньшей мере, 450°С и более предпочтительно, по меньшей мере, 500°С. Например, высокотемпературный слой 24 может выращиваться при температуре от 900 до 1150°С, тогда как низкотемпературный слой 26 выращивается при температуре от 450 до 650°С.
18
-3
20
-3
18
-3
19
-3
17
-3
17
-3
16
-3
Благодаря низкой температуре роста, применяемой для выращивания слоя 26 в различных вариантах осуществления данного изобретения, низкотемпературный слой 26 может иметь высокое содержание углерода. В некоторых вариантах осуществления содержание углерода в низкотемпературном слое 26 составляет от 1×10 см до 1×10 см, часто от 1×10 см до 1×10 см. Напротив, содержание углерода в высокотемпературном слое 24 обычно меньше чем 5×10 см, более предпочтительно меньше чем 1×10 см, более предпочтительно меньше чем 1×10 см. Вследствие высокого содержания углерода низкотемпературный слой 26 может поглощать свет, излучаемый активным слоем. В предпочтительном варианте осуществления толщина низкотемпературного слоя 26 поэтому ограничивается менее чем 1000 Å, более предпочтительно менее чем 500 Å и более предпочтительно менее чем 300 Å.
2
-1
2
-1
3
-1
4
-1
2
-1
7
-1
Также из-за низкой температуры роста, плохого сочетания решетки и плохого сочетания теплового расширения низкотемпературный слой 26 может иметь высокую концентрацию дефектов, таких как дефекты упаковки, петли дислокации и линии дислокации, которые находятся у или вблизи поверхности раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, выращенным непосредственно на низкотемпературном слое 26, или у или вблизи поверхности раздела между низкотемпературным слоем 26 и слоем, на котором выращен низкотемпературный слой 26. Дефекты часто ориентированы приблизительно параллельно поверхности роста между подложкой 20 и слоем 22 зародышеобразования. Плотность этих плоскостных дефектов способствует релаксации деформации низкотемпературного слоя 26 и слоев, выращенных над низкотемпературным слоем 26. Заметим, что концентрация этих плоскостных дефектов не обязательно соответствует плотности введенных дислокаций, описанной выше со ссылкой на ур.(3). В данном высокотемпературном слое 24 никаких дефектов упаковки или дислокаций, параллельных поверхности роста, не наблюдается с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), указывая, что плотность дефектов упаковки или дислокаций, параллельных поверхности роста, ниже, чем предел обнаружения ПЭМ, обычно приблизительно 1×10 см. ПЭМ изображения InGaN низкотемпературного слоя 26 открывают много дислокаций, параллельных поверхности роста, для ПЭМ образца толщиной порядка несколько тысяч ангстрем, указывая на плотность дислокаций, параллельных поверхности роста, по меньшей мере, 1×10 см, более вероятно 1×10 см, и более вероятно, по меньшей мере, 1×10 см. В некоторых вариантах осуществления плотность дислокаций, параллельных поверхности роста, составляет от 1×10 см до 1×10 см.
Journal of Physics: Condensed Matter
В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 может быть выращен так, что он является прерывистым в плоскости роста, т.е. может иметь преднамеренные или непреднамеренные признаки, которые делают его неплоским или прерывистым. Примеры таких преднамеренных признаков могут включать в себя применение одного или нескольких классов технологий, включающих боковой чрезмерный рост. Эти технологии называют, используя различные термины, включая эпитаксиальный боковой чрезмерный рост (ЭБЧ или ЭБЧР), гранерегулируемый эпитаксиальный боковой чрезмерный рост (ГРЭБЧ) и Pendeo эпитаксия (РЭ), как описано в Hiramatsu, , volume 13, pages 6961-6975 (2001), которая включена сюда посредством ссылки. Примеры таких непреднамеренных признаков могут включать в себя присутствие V-образных дефектов (обычно называемых "ямами"), которые пересекают верхнюю поверхность низкотемпературных III-нитриднных слоев, большие поверхностные ступени и другие дефекты в низкотемпературном слое 26, или в слое или слоях ниже низкотемпературного слоя 26. Применение одной или нескольких из этих преднамеренных технологий бокового чрезмерного роста или непреднамеренных технологий может ограничивать боковую протяженность дефектной области небольшим участком или некоторым числом небольших участков шаблона, тогда как боковой чрезмерный рост шаблона может поддерживать большую постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26.
В некоторых вариантах осуществления слои устройства выращивают непосредственно на низкотемпературном слое 26 с фиг.8. В другом варианте осуществления дополнительный высокотемпературный слой 28 может выращиваться над низкотемпературным слоем 26, повторяя постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26, как показано на фиг.9. Высокотемпературный слой 28 может быть, например, из GaN, InGaN, AlGaN или AlInGaN. В некоторых вариантах осуществления высокотемпературный слой 28 представляет собой InGaN, выращенный до толщины от 500 до 10000 ангстрем при температуре от 800 до 1000°С. Содержание InN в высокотемпературном слое 28 обычно меньше, чем содержание InN в низкотемпературном слое 26, и может быть, например, от 0,5% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%.
Низкотемпературный слой 26 предназначен увеличивать постоянную решетки последовательно выращиваемых слоев, тогда как высокотемпературный слой 28 предназначен сглаживать или заполнять ямы, большие поверхностные ступени и другие дефекты низкотемпературного слоя 26. Высокотемпературный слой 28 обеспечивает высококачественную основу, на которой выращивают последующие слои. Содержание InN в низкотемпературном слое 26 относительно высокое, чтобы увеличить постоянную решетки, как можно больше, а содержание InN в высокотемпературном слое 28 относительно низкое, чтобы вырастить слой желаемого высокого качества. Устройство, показанное на фиг.9, может включать в себя множество наборов из низкотемпературных слоев 26 и высокотемпературных слоев 28 между подложкой и слоями устройства. Постоянная решетки может увеличиваться на небольшую величину с каждым набором путем увеличения содержания InN в низкотемпературных слоях 26 от самого низкого содержания InN в низкотемпературном слое 26, ближайшем к подложке, до самого высокого содержания InN в низкотемпературном слое 26, ближайшем к слоям устройства. По мере увеличения постоянной решетки, содержание InN, при котором она, возможно, вырастает до приемлемо высококачественного высокотемпературного слоя 28, также может увеличиваться. Таким образом, содержание InN в высокотемпературных слоях 28 может увеличиваться от самого низкого содержания InN в высокотемпературном слое 28, ближайшем к подложке, до самого высокого содержания InN в высокотемпературном слое 28, ближайшем к слоям устройства. Хотя увеличение содержания InN в слоях 26 является одним способом увеличения содержания InN слоев 28, композиция слоев 28 может быть увеличена другими способами без увеличения содержания InN слоев 16. В другом варианте осуществления, показанном на фиг.10, высокотемпературный слой 24 с фиг.8 может быть использован в комбинации с высокотемпературным слоем 28 на фиг.9.
В другом варианте осуществления, показанном на фиг.11, низкотемпературный слой 22 зародышеобразования выращивают первым с последующим высокотемпературным слоем 24, как описано выше в отношении фиг.8. Второй высокотемпературный слой 30 выращивают над высокотемпературным слоем 24 и низкотемпературный InGaN слой 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 пропущен на фиг.11 и слои 10 устройства могут выращиваться непосредственно наверху низкотемпературного InGaN слоя 26.
Высокотемпературный слой 30 может представлять собой, например, InGaN слой, имеющий низкое содержание InN, например меньше чем 5%, выращенный до толщины от 500 до 10000 ангстрем при температуре от 900 до 1000°С. Высокотемпературный слой 30 обычно представляет собой материал с объемной постоянной решетки, большей, чем постоянная решетки высокотемпературного слоя 24. В результате, плоскостная постоянная решетки в низкотемпературном слое 26 и впоследствии выращенном высокотемпературном слое 28 может быть больше, чем плоскостная постоянная решетки, достижимая, если низкотемпературный слой 26 выращивают непосредственно на высокотемпературном слое 24.
2
2
В некоторых вариантах осуществления высокотемпературные слои 30 и 28 на фиг.11 образованы из InGaN. В одном таком варианте осуществления высокотемпературный слой 28 может быть выращен с меньшим Н в окружении или при меньшей температуре, чем высокотемпературный слой 30, и в этом случае высокотемпературный слой 28 может иметь более высокое содержание InN, чем высокотемпературный слой 30. Например, разница между температурой выращивания высокотемпературного слоя 30 и низкотемпературного слоя 26 может быть, по меньшей мере, 350°С, более предпочтительно, по меньшей мере, 400°С, и более предпочтительно, по меньшей мере, 450°С. Напротив, разница между температурой выращивания низкотемпературного слоя 26 и высокотемпературного слоя 28 может быть, по меньшей мере, 250°С, более предпочтительно, по меньшей мере, 300°С и более предпочтительно, по меньшей мере, 350°С. В другом варианте осуществления высокотемпературный слой 28 может быть выращен с большим Н или при более высокой температуре, чем высокотемпературный слой 30, и в этом случае высокотемпературный слой 28 может иметь меньшее содержание InN, чем высокотемпературный слой 30. В другом варианте осуществления высокотемпературный слой 28 может быть выращен при, по существу, идентичных условиях с высокотемпературным слоем 30, или высокотемпературный слой 28 может иметь, по существу, идентичную композицию с высокотемпературным слоем 30. В каждом из этих вариантов осуществления низкотемпературный InGaN слой 26 будет прерывать постоянную решетки высокотемпературного слоя 24 и увеличивать постоянную решетки последующих выращиваемых слоев, поэтому высокотемпературный слой 28 будет иметь большую плоскостную постоянную решетки, чем высокотемпературный слой 30.
В некоторых вариантах осуществления данной 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 существенно больше, чем объемная постоянная решетки высокотемпературного слоя 28, то высокотемпературный слой 28 может находиться при значительной растягивающей деформации, как определяется в ур.(1), и эта растягивающая деформация может частично релаксировать путем образования трещин или других дефектов в или вблизи высокотемпературного слоя 28. Данный эффект является нежелательным, так как трещины будут нарушать электрическую и структурную целостность устройства, и трещины или другие структурные дефекты в слое 28 могут снижать постоянную решетки в слое 28 и увеличивать деформацию сжатия в активной области. В некоторых вариантах осуществления данного устройства поэтому предпочтительно выращивать дополнительные слои между подложкой 20 и слоями 10 устройства. В одном таком варианте осуществления высокотемпературный слой 31 может быть расположен между низкотемпературным слоем 26 и высокотемпературным слоем 28, как показано на фиг.12. В этом варианте осуществления высокотемпературный слой 31 может быть выращен при температуре, более высокой, чем температура низкотемпературного слоя 26, но более низкой, чем температура высокотемпературного слоя 28. Каждый из высокотемпературных слоев 28 и 31 может представлять собой, например, InGaN, выращенный до толщины от 500 до 10000 ангстрем при температуре от 800 до 1000°С. Содержание InN в каждом высокотемпературном слое может быть, например, от 0,5% до 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%.
2
2
Альтернативно, высокотемпературные слои 28 и 31 могут быть выращены при, по существу, одинаковой температуре, но высокотемпературный слой 31 может быть выращен с меньшим Н в окружении, чем используется 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 Н, чем высокотемпературный слой 28, и в этом случае высокотемпературный слой 31 может иметь меньшее содержание InN, чем высокотемпературный слой 28.
В другом варианте осуществления больше чем два раздельных слоя могут быть выращены между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства. Один пример этого варианта осуществления показан на фиг.13, где попеременные слои богатого InN и бедного InN материала включены в пакет множественных слоев между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства. Заметим, что пакет множественных слоев на фиг.13 может быть выращен над слоем 22 зародышеобразования с фиг.2 или над высокотемпературным слоем 24 с фиг.10. Хотя на фиг.13 показаны три набора из богатых InN слоев и бедных InN слоев, больше или меньше слоев может использоваться. Богатые индием слои 60, 62 и 64 могут представлять собой, например, InGaN или AlInGaN. Бедные индием слои 61, 63 и 65 могут представлять собой, например, GaN, InGaN или AlInGaN. Слои 60, 62 и 64 могут иметь содержание 3% InN, тогда как слои 61, 63 и 65 могут иметь содержание 0,5% InN.
Возможный верхний слой 67 может быть выращен над верхним, бедным InN слоем 65, затем слои 10 устройства выращивают над верхним слоем 67 или бедным InN слоем 65. Верхний слой 67 может представлять собой, например, GaN или InGaN. В другом варианте осуществления верхний бедный индием слой может быть пропущен, и слои устройства могут выращиваться непосредственно над верхним богатым индием слоем, таким как слой 60, 62 или 64.
Applied Physics Letters
В другом варианте осуществления данного устройства пакет множественных слоев на фиг.13 может быть образован, используя термическое циклическое выращивание или отжиг, как описано в Itoh et al., , volume 52, pages 1617-1618 (1988), которая включена сюда посредством ссылки. Термическое циклическое выращивание используют для выращивания устройств с хорошей морфологией поверхности и с а-постоянными решетки в слоях устройства, большими, чем а-постоянные решетки, доступные при выращивании на обычных GaN шаблонах. Способы термического циклического выращивания включают в себя выращивание эпитаксиального слоя, такого как InGaN, с последующим этапом высокотемпературного роста или отжига.
3
2
3
2
2
После выращивания каждого из слоев 60, 61, 62, 63, 64 и 65 выращивание может быть приостановлено путем остановки потока некоторых газов предшественников, таких как Ga, Al и In предшественники, затем структура может отжигаться с помощью непрерывного потока N предшественника, часто NH, при поддержании или повышении температуры в течение заданного количества времени. Выращивание следующих слоев начинается, когда температуру доводят до температуры роста следующего слоя, если необходимо, и вводят соответствующие предшественники. Типичные условия отжига представляют собой 1100°С в течение 5 минут в окружении Н и NH. N также может добавляться в данное окружение, или Н может быть удален из окружения, чтобы предотвратить избыточное разложение InGaN слоев. Альтернативно, выращивание может продолжаться во время этих высокотемпературных этапов или изменений температуры. Отжиг после выращивания каждого слоя может давать улучшенную морфологию поверхности по сравнению с устройством, которое не отжигали после выращивания каждого слоя, но отжиг после выращивания бедных InN слоев 61, 63 и 65 может приводит к образованию дополнительных дислокаций и петель дислокаций, которые могут снимать часть деформации в бедных InN слоях, так что эти слои не являются более деформированными к большей а-постоянной решетки богатых InN слоев, приводя к шаблону с меньшей, чем желаемая, а-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 давать более высокое среднее содержание InN в шаблоне, так как бедные InN слои захватывают больше InN в богатых InN слоях в данном устройстве во время этапов отжига. В другом варианте осуществления структура может отжигаться после выращивания каждого слоя, причем условия отжига, используемые после выращивания богатых индием слоев, иные, чем условия отжига, используемые после выращивания бедных индием слоев. Заметим, что каждый из богатых индием слоев 60, 62 и 64 не обязан быть идентичным по композиции или толщине. Аналогично, каждый из бедных индием слоев 61, 63 и 65 не обязан быть идентичным по композиции или толщине.
В другом варианте осуществления градиентный InGaN слой 59 может располагаться между низкотемпературным слоем 26 и слоями 10 устройства, как показано на фиг.14. Градиентный слой 59 может включать в себя, например, один или несколько двойных, тройных или четверных III-нитридных слоев с переменным InN содержанием. Возможный верхний слой (не показан на фиг.14), как описано выше, может быть расположен между градиентным слоем 59 и слоями 10 устройства. Например, градиентный слой 59 может представлять собой InGaN слой с композицией, линейно градиентной от самого высокого содержания InN 11% возле низкотемпературного слоя 26 до самого низкого содержания InN 3% возле слоев 10 устройства. В другом примере, градиентный слой 59 может включать в себя градиент от высокого содержания InN 10% возле низкотемпературного слоя 26 до низкого содержания InN 0% возле слоев 10 устройства. В еще одном примере, градиентный слой 59 может включать в себя градиент или одну ступень от высокого содержания InN 8% возле низкотемпературного слоя 26 до низкого содержания InN 0% в некотором промежуточном положении с последующим градиентом или одной ступенью обратно к более высокому содержанию InN 3% возле слоев 10 устройства.
В некоторых вариантах осуществления слои 24 и 30 на фиг.11 могут использоваться в объединении со слоями 28 и 31 на фиг.12. В другом варианте осуществления низкотемпературный слой 26 может располагаться между двумя градиентными InGaN слоями 59, показанными на фиг.14. В другом варианте осуществления произвольный пакет низкотемпературных слоев 26 может выращиваться вразброс среди произвольного пакета высокотемпературных слоев или произвольного пакета высокотемпературных слоев и низкотемпературных GaN слоев. Каждый из вариантов осуществления, показанных на фиг.2, 8, 9 и 10, может включать в себя градиентные слои, пакеты множественных слоев и отожженные слои или слои, выращенные с помощью термического циклического выращивания, как обсуждается на фиг.3-7 и фиг.11-14.
В некоторых вариантах осуществления характеристики слоев, таких как высокотемпературные слои 31 на фиг.12, выбирают, чтобы запереть постоянную решетки, установленную низкотемпературным слоем 26. В некоторых вариантах осуществления характеристики слоев, таких как высокотемпературные слои 28 на фиг.12, выбирают, чтобы улучшить морфологию поверхности в устройстве.
Journal of Crystal Growth
Фиг.15 и 16 представляют собой графики с-постоянных решетки как функций а-постоянной решетки для нескольких устройств. Фиг.15 демонстрирует, что шаблоны согласно вариантам осуществления данного изобретения действительно заставляют вышележащие слои, по меньшей мере, частично релаксировать. Состояние деформации структуры может быть измерено путем определения с- и а-постоянных решетки структуры. В структурах, обозначенных ромбами на фиг.15, толстый высокотемпературный GaN слой 3 выращивали над GaN слоем 2 зародышеобразования, как показано на фиг.1, причем условия выращивания слоя 2 зародышеобразования и высокотемпературного GaN слоя 3 изменяли, чтобы варьировать плотность введенных дислокаций и, следовательно, плоскостную а-постоянную решетки в GaN шаблоне, как ранее обсуждается в отношении ур.(3). Такие способы изменения плотности введенных дислокаций обсуждаются в Figge et al., , volume 221, pages 262-266 (2000), которая включена сюда посредством ссылки. Структуры, обозначенные ромбами на фиг.15, следовательно, имеют переменную плотность введенных дислокаций и а-постоянную решетки соответственно ур.(3). В структурах, обозначенных кружками, толстый высокотемпературный GaN слой выращивали над низкотемпературным InGaN слоем, приготовленным согласно вариантам осуществления данного изобретения. Согласно теории упругости с- и а-постоянные решетки III-нитридных материалов связаны обратным образом, что демонстрируется структурами, обозначенными ромбами, которые все попадают близко к диагональной линии, показанной на фиг.15. В противоположность структурам, обозначенным ромбами, каждая из структур, обозначенных кружками, лежит ниже диагональной линии, показывая, что с-постоянная решетки этих структур меньше, чем с-постоянная решетки структур, обозначенных ромбами. Меньшая с-постоянная решетки структур, обозначенных кружками, позволяет предположить, что толстые высокотемпературные GaN слои в этих структурах выращены при растягивающей деформации, показывающей, что а-постоянная решетки высокотемпературного GaN слоя растянута, чтобы соответствовать а-постоянной решетки нижележащего, по меньшей мере, частично релаксированного низкотемпературного InGaN слоя 26. Структуры, обозначенные кружками, также демонстрировали меньшие плотности введенных дислокаций для данной а-постоянной решетки, чем структуры, обозначенные ромбами, показывая, что данное изобретение разрывает зависимость между а-постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций, наблюдаемую в обычных GaN шаблонах, количественно выраженную ранее в ур.(3).
Фиг.16 представляет собой график с- и а-постояных решетки, наблюдаемых для нескольких слоев в одном или нескольких вариантах осуществления данного изобретения. Заполненные кружки на фиг.16 обозначают слой 28 на фиг.9, тогда как пустые кружки на фиг.16 обозначают один или несколько богатых индием слоев на фиг.13, а символы ромба обозначают один или несколько бедных индием слоев или верхних слоев на фиг.13. Сплошная диагональная линия на фиг.16 соответствует сплошной диагональной линии, ранее показанной на фиг.15, и представляющей экспериментальные данные на GaN шаблонах, таких как структура, показанная на фиг.1, тогда как пунктирная диагональная линия представляет собой экстраполяцию сплошной линии к большим величинам а-постоянной. Как показано на фиг.16, и с-, и а-постоянные решетки богатого индием слоя 60 вполне хорошо сравнимы с данными для обычных GaN шаблонов, показанных символами ромбов на фиг.15. С- и а-постоянные решетки бедного индием слоя 61 или верхнего слоя 67, образованные над богатым индием слоем 60, меньше, чем постоянные решетки богатого индием слоя 60, но гораздо больше, чем самые большие а-постоянные решетки, наблюдаемые для обычных GaN шаблонов на фиг.15, позволяя предположить, что бедные индием слои 61 и верхние слои 67, выращенные согласно варианту осуществления, показанному на фиг.13, по меньшей мере, частично деформированы к большей постоянной решетки богатых индием слоев 60. Заметим, что бедные индием слои 61 и верхние слои 67 обычно сохраняют достаточно тонкими или выращивают при достаточном высоком содержании InN, чтобы избежать образования трещин. Слои 10 устройства, выращенные деформированными над бедными индием слоями 61 и верхними слоями 67, повторяют эту большую, чем у GaN а-постоянную решетки, что снижает деформацию светоизлучающего слоя. Шаблоны, описанные в вариантах осуществления выше, могут, следовательно, иметь большие а-постоянные решетки, чем обычные GaN шаблоны, которые обычно имеют а-постоянные решетки не больше, чем 3,189 Å.
0,12
0,88
in-plain
bulk
bulk
0,12
0,88
0,16
0,84
0,2
0,8
Выращивание слоев устройства, включая один или несколько светоизлучающих слоев, на шаблонах с плоскостными постоянными решетки, большими, чем 3,189 Å, таких как структуры в некоторых из описанных выше вариантах осуществления, может существенно снижать деформацию в светоизлучающем слое, позволяя выращивать более толстые светоизлучающие слои с приемлемыми плотностями дефектов и с пониженным спинодальным разложением. Например, InGaN слой, который излучает синий свет, может иметь композицию InGaN, композицию с объемной постоянной решетки 3,23 Å. Деформация в светоизлучающем слое определяется разницей между плоскостной постоянной решетки в светоизлучающем слое (приблизительно 3,189 Å для светоизлучающего слоя, выращенного на обычном GaN буферном слое) и объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя, таким образом деформация может быть выражена в виде |(a-a)|/a, как задается в ур.(2). В случае обычного InGaN слоя деформация составляет |(3,189 Å - 3,23 Å)|/3,23 Å, приблизительно 1,23%. Если светоизлучающий слой такой же композиции выращивают на шаблоне с большей постоянной решетки, таком как структуры, описанные выше, деформация может быть уменьшена или устранена. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения деформация светоизлучающего слоя устройства, излучающего свет между 430 и 480 нм, может быть снижена до менее чем 1% и более предпочтительно до менее чем 0,5%. InGaN слой, который излучает голубой свет, может иметь композицию InGaN, композицию с объемной постоянной решетки 3,24 Å и деформацией приблизительно 1,7% при выращивании на обычном GaN буферном слое. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения деформация светоизлучающего слоя устройства, излучающего свет между 480 и 520 нм, может быть снижена до менее чем 1,5% и более предпочтительно до менее чем 1%. InGaN слой, который излучает зеленый свет, может иметь композицию InGaN, композицию с объемной постоянной решетки 3,26 Å, приводящей к деформации приблизительно 2,1% при выращивании на обычном GaN буферном слое. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения деформация светоизлучающего слоя устройства, излучающего свет между 520 и 560 нм, может быть снижена до менее чем 2% и более предпочтительно до менее чем 1,5%.
9
-2
9
-2
9
-2
9
-2
Для устройства, показанного на фиг.2, настоящие изобретатели вырастили структуры с такими большими а-постоянными решетки, как 3,212 Å, и такими низкими плотностями введенных дислокаций, как 4×10 см. Светоизлучающий слой, выращенный на такой структуре, может быть 0,55% деформированным для синего светоизлучающего слоя, 0,87% деформированным для голубого светоизлучающего слоя и 1,5% деформированным для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, показанных на фиг.8 и 10, настоящие изобретатели вырастили структуры с такими большими а-постоянными решетки, как 3,196 Å, и такими низкими плотностями введенных дислокаций, как 1,5×10 см. Светоизлучающий слой, выращенный на такой структуре, может быть 1,1% деформированным для синего светоизлучающего слоя, 1,4% деформированным для голубого светоизлучающего слоя и 2,0% деформированным для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, показанных на фиг.9 и 13, настоящие изобретатели вырастили структуры с такими большими а-постоянными решетки, как 3,202 Å, и такими низкими плотностями введенных дислокаций, как 1,5×10 см, как показано на фиг.16. Светоизлучающий слой, выращенный на такой структуре, может быть 0,87% деформированным для синего светоизлучающего слоя, 1,2% деформированным для голубого светоизлучающего слоя и 1,8% деформированным для зеленого светоизлучающего слоя. Для устройств, показанных на фиг.11, настоящие изобретатели вырастили структуры с такими большими а-постоянными решетки, как 3,204 Å, и такими низкими плотностями введенных дислокаций, как 1,5×10 см. Светоизлучающий слой, выращенный на такой структуре, может быть 0,8% деформированным для синего светоизлучающего слоя, 1,1% деформированным для голубого светоизлучающего слоя и 1,7% деформированным для зеленого светоизлучающего слоя. Каждый из этих примеров, следовательно, нарушает соотношение между плоскостной постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций, описанное ранее в ур.(3).
Шаблоны выращивания, описанные выше, и слои устройства могут быть выращены на поверхности подложки роста из сапфира или SiC, которая отклоняется от основной кристаллографической плоскости сапфира, согласно вариантам осуществления данного изобретения. Фиг.17 показывает с-плоскость, m-плоскость и а-плоскость сапфира. III-нитридные устройства часто выращивают на с-поскости, r-плоскости, m-плоскости или а-плоскости сапфира. В вариантах осуществления данного изобретения сапфировая подложка может быть обрезана и отполирована так, что поверхность выращивания, на которой выращивают слои III-нитридного устройства, наклонена в направлении 12 от с-поскости, r-плоскости, m-плоскости или а-плоскости, например, больше чем на более чем 0,1°. Светоизлучающее устройство, выращенное на такой подложке, может демонстрировать пониженное спинодальное разложение и пониженную деформацию в светоизлучающих слоях. Такая подложка может быть использована для выращивания любых шаблонов, описанных выше.
Полупроводниковые структуры, показанные и описанные выше, могут быть включены в любые подходящие конфигурации светоизлучающего устройства, такого как устройство с контактами, образованными на противоположных сторонах устройства, или устройство с обоими контактами, образованными на одной стороне устройства. Когда оба контакта находятся на одной стороне, устройство может быть образовано либо с прозрачными контактами и установлено так, что свет выходит из устройства через ту же сторону, на которой образованы контакты, либо с отражающими контактами и установлено в виде перевернутого кристалла, когда свет выходит со стороны, противоположной стороне, на которой образованы контакты.
Фиг.18 показывает часть одного примера подходящей конфигурации, устройство с перевернутым кристаллом, с которого удалили подложку выращивания. Как описано выше, слои 10 устройства включают в себя светоизлучающую область 72, включающую в себя, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, расположенный между областью 71 n-типа, включающей в себя, по меньшей мере, один слой n-типа, и областью 73 р-типа, включающей в себя, по меньшей мере, один слой р-типа. Область 71 n-типа может быть частью шаблона выращивания или отдельной структурой. Часть области 73 р-типа и светоизлучающей области 72 удалены, чтобы образовать меза-область, которая обнажает часть области 71 n-типа. Хотя на фиг.18 показано одно отверстие, обнажающее часть области 71 n-типа, следует понимать, что множество отверстий может быть образовано в одном устройстве. N- и р-контакты 78 и 76 образованы на обнаженных частях области 71 n-типа и области 73 р-типа, например, путем испарения или электроосаждения. Контакты 78 и 76 могут быть электрически изолированы друг от друга с помощью воздуха или диэлектрического слоя. После образования металлических контактов 78 и 76 пластина устройств может быть разрезана на отдельные устройства, затем каждое устройство переворачивают относительно направления выращивания и устанавливают на опоре 84, и в этом случае опора 84 может иметь боковую протяженность, большую, чем протяженность данного устройства, как показано на фиг.18. Альтернативно, платина устройств может быть соединена с пластиной опор, затем разрезана на отдельные устройства. Опора 84 может представлять собой, например, полупроводник, такой как Si, металл или керамику, такую как AlN, и может иметь, по меньшей мере, одну металлическую прокладку 80, которая электрически соединяется с р-контактами 76, и, по меньшей мере, одну металлическую прокладку 82, которая электрически соединяется с n-контактами 78. Соединения (не показаны на фиг.18), расположенные между контактами 76 и 78 и прокладками 80 и 82, соединяют полупроводниковое устройство с опорой 84. Данные соединения могут быть, например, элементарными металлами, такими как золото, или припоем.
После установки подложку выращивания (не показана) удаляют с помощью способа, подходящего для материала подложки, такого как травление или лазерное плавление. Жесткая незаполненная штамповка может обеспечиваться между данным устройством и опорой 84 до или после установки для поддержки полупроводниковых слоев и предотвращения образования трещин во время удаления подложки. Шаблон 75, на котором выращивают слои 10 устройства, может оставаться нетронутым, полностью удаляться или частично удаляться, например, путем травления. Поверхность, обнаженная путем удаления подложки выращивания и любого полупроводникового материала, может огрубляться, например, с помощью способа травления, такого как фотоэлектрохимическое травление, или с помощью механического способа, такого как измельчение. Огрубление поверхности, с которой выходит свет, может улучшать выход света из устройства. Альтернативно, фотонная кристаллическая структура может быть образована на поверхности. Структура 85, такая как люминофорный слой или вторичная оптика, известная в данной области техники как дихроичные фильтры или поляризаторы, может наноситься на излучающую поверхность.
Фиг.19 представляет собой покомпонентный вид собранного светоизлучающего устройства, как описано более подробно в патенте США 6274924. Теплоотводящая гильза 100 помещается в рамку с формованной выемкой. Рамка с формованной выемкой представляет собой, например, заполненный пластический материал 105, сформованный вокруг металлической рамки 106, которая обеспечивает электрическое соединение. Гильза 100 может включать в себя необязательную чашку 102 отражателя. Кристалл 104 светоизлучающего устройства, который может быть любым из устройств, описанных в вариантах осуществления выше, устанавливают непосредственно или опосредованно через теплопроводящую подопору 103 в гильзу 100. Может быть добавлена крышка, которая может быть оптической линзой.
Имея подробно описанное изобретение, специалистам в данной области техники будет понятно, что, имея настоящее описание, модификации могут быть сделаны к данному изобретению без отклонения от сущности предложенной концепции, описанной здесь. Следовательно, не предполагается, что объем данного изобретения ограничивается конкретными вариантами осуществления, показанными и описанными. В частности, низкотемпературный слой 26 может быть образован из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN. Для варианта осуществления, когда низкотемпературный слой 26 образован из AlGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 меньше, чем плоскостная постоянная решетки слоя 22 зародышеобразования, что будет уменьшать деформацию в AlGaN или AlInGaN слоях, применяемых для коротковолновых УФ излучателей. Для варианта осуществления, когда низкотемпературный слой 26 образован из AlInGaN, плоскостная постоянная решетки низкотемпературного слоя 26 может быть или больше, или меньше, чем плоскостная постоянная решетки слоя 22 в зависимости от отношения индия к алюминию в низкотемпературном слое 26. Также, описанное здесь изобретение может применяться к электронным или оптоэлектронным устройствам, а также светоизлучающим устройствам, например, включая транзисторы, такие как ПТ, или детекторы.