长波长非极性及半极性(Al,Ga,In)N基激光二极管的制作方法

专利名称：长波长非极性及半极性(Al,Ga,In)N基激光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光二极管(LD)，具体来说涉及研发在长波长下(例如，在蓝-绿光谱范围中)发光的高效非极性及半极性LD。
背景技术：
由于首次证实基于纤锌矿(Al，In, ( )N材料的C-平面的紫色LD[1]，因此C-平面技术在商业上已应用于紫色、蓝色及蓝-绿色LD。最近，报导非极性m-平面GaN基紫色 LD[2-3]且基于m-平面的LD技术已迅速发展。由于非极性平面的性质，在生长方向上不存在自发及压电极化相关性电场可在InGaN多量子阱(MQW)中实现电子及电洞波函數完全重叠以及高辐射复合速率，尤其在高铟组成量子阱中(在蓝色及绿色光谱区域中发光) [4]0对于LD来说，帕克(Park)等人从理论上预测因可忽略量子局限史塔克效应OiCSE) 产生的非极性及半极性定向的较高增益及各向异性带结构[5-6]。实际上，在实际LD操作中证实在激射前的较低蓝移及高于C-平面LD的斜率效率[7-10]。还基于C-平面技术报导在蓝色光谱区域外发光的LD，但斜率效率因QCSE相关性低内效率及高镜反射率而较低 [11-12]。因此，为达成高功率蓝色、蓝-绿色及绿色发光LD，将非极性氮化物视为理想材料 [2,3,7-9,13-15]。斜切(或离轴)衬底广泛用于其它材料系统中以改进材料质量及激光性能。迄今为止，极少团体报导基于斜切m-平面GaN衬底的装置结果。平井(Hirai)等人[16]及法莱尔等人[17]报导，在标称同轴m-平面GaN衬底上生长的Si掺杂GaN及LED结构上观察到锥形凸丘。法莱尔等人[17]报导，通过使用相邻衬底可有效减小锥形凸丘的数量。山田 (Yamada)等人还报导在斜衬底上生长的LED结构的较平滑表面[18]。然而，迄今所报导的所有m-平面GaN LD都是在标称同轴m_平面衬底上生长[2_3，7-9,13-15]。因此，在标称同轴m-平面GaN衬底上生长常规先前技术非极性GaN基LD [7，9，13， 19]。此外(a)使用氢作为载气生长常规先前技术m-平面GaN基LD中的η型GaN接触层及 η 型 AlGaN 包覆层[7,9,13,19]；(b)常规先前技术m-平面GaN基LD并不使用高铟(In)含量hGaN分限异质结构 (SCH)层；(c)常规先前技术m-平面GaN基LD并不使用不对称AWaN/GaN短周期超晶格结构(SPSLS)；且(d)常规先前技术m-平面GaN基LD并不使用金属有机化学蒸气沉积(MOCVD)生长的Mg-Ga-N接触层来减小接触电阻。因此，业内需要改进的LD结构。本发明可满足此需要。

发明内容
为克服先前技术中的上述限制，且为克服在阅读及了解本说明书后将明了的其它限制，本发明阐述使用非极性及半极性hGaN/GaN基有源区域制造长波长激光二极管(LD) 的技术。本发明描述改进长波长LD、尤其在蓝-绿光谱范围中的结构、电及光学性质的新颖结构及外延生长技术。一些主要特征包含使用斜切衬底及非常规生长条件来维持平滑表面形态、减小波导散射，及使用新颖生长技术来降低P-GaN接触电阻。
举例来说，本发明揭示制造III族氮化物激光二极管(LD)结构的方法，其包括在 m-平面III族氮化物衬底的离轴表面上生长LD的一个或一个以上III族氮化物装置层。 表面可相对于衬底的m-平面离轴-1度或+1度且朝向所述衬底的c方向。表面可相对于衬底的m-平面离轴-1度或+1度以上且朝向所述衬底的c方向。这些表面的半极性高于非极性。所述方法可进一步包括使用100%氮载气在大气压下于衬底的离轴表面上生长一个或一个以上装置层，从而使得所述装置层具有不含锥形凸丘的平滑表面形态，所述锥形凸丘是在标称同轴m-平面GaN衬底上生长的装置层中所观察。使用氮载气在大气压下生长的装置层可包括LD结构的所有η型层，包含硅掺杂η型AWaN/GaN超晶格，从而与未使用100%氮载气生长的装置层相比产生所述LD结构的平滑界面及优异结构性质。所述方法可进一步包括以高于0. 3埃/秒且小于0. 7埃/秒且慢于LD结构中其它层所使用的生长速率的第一生长速率生长一个或一个以上量子阱。所述方法可进一步包括在第一温度下且以使量子阱发射绿光的铟含量生长量子阱，其中与以不同生长速率生长的量子阱相比第一生长速率维持平滑界面并防止小面化。量子阱中的每一者可位于量子阱障壁之间以形成发光有源区域，且所述方法可进一步包括以慢于第一生长速率的第二生长速率生长所述量子阱障壁，从而(例如)与以不同较快生长速率生长的障壁相比产生装置层的平滑表面形态及界面，所述装置层包含在所述量子阱障壁上生长的所述量子阱。所述方法可进一步包括在有源区域上生长高铝含量AWaN电子阻挡层；且在高于第一温度的第二温度下且与无高Al含量MGaN电子阻挡层相比在所述有源区域上生长后续层。高铟含量IrixGai_xN分限异质结构(SCH)层可位于有源区域及电子阻挡层的任一侧上且χ > 7 %，且所述方法可进一步包括在以下条件下生长SCH层(1)在高于生长LD结构中的其它层所用温度的第三温度下，(2)以高于0.3埃/秒且小于0.7埃/秒的较慢生长速率，及⑶以大于1. 1的高三甲基铟/三乙基镓(TEG)比率，从而产生平滑及无缺陷波导层。所述方法可进一步包括在有源区域的任一侧上形成AWaN/GaN不对称超晶格作为包覆层，包含交替的AWaN及GaN层，其中所述AlGaN层厚于所述GaN层。所述方法可进一步包括以lX1018cm_3到hl019cm_3的镁浓度范围在有源区域的一侧上形成及掺杂P波导层及P包覆层。所述方法可进一步包括以小于15nm的厚度及介于7xl019到3xl(f°之间的镁掺杂将p-GaN接触层沉积于ρ包覆层上。在沉积p-GaN接触层后，所述方法可进一步包括在氮及氨气氛中冷却LD结构，并流入少量双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)直到温度降到700°C以下为止，由此形成与所述LD 结构具有较低接触电阻的Mg-Ga-N层。因此，本发明进一步揭示基于III族氮化物的激光二极管(LD)结构中的III族氮化物装置层，包括在m-平面III族氮化物衬底的离轴表面上生长的LD的III族氮化物装置层。III族氮化物装置层的顶部表面在25 μ m2面积上的均方根(RMS)表面粗糙度为Inm 或更小，和/或不含锥形凸丘，和/或平滑性高于在标称同轴m-平面衬底上生长的III族
6氮化物装置层的顶部表面，和/或平滑性高于图4(a)中所展示的表面。多个装置层可具有以下特征顶部表面是在彼此的顶部所生长的所述装置层中的两者之间的界面；且所述界面位于下列中的一或多者之间量子阱与量子阱障壁、在波导层与包覆层之间或在波导层与发光有源层之间。装置层可位于加工成所述LD的LD结构中，从而在具有小面涂层的情况下，LD具有18kA/cm2或更小的阈值电流密度。装置层是包含hGaN量子阱层的发光有源层，与在同轴m-平面衬底上生长的发光 InGaN量子阱中的h组成及^！波动相比或与图5(a)中所展示的h组成及h波动相比， 所述InGaN量子阱层具有较高^组成及跨越所述InGaN量子阱层的较小^波动。装置层可为厚度小于15nm的Mg-Ga-N接触层。与所述Mg-Ga-N接触层的接触电阻可小于4E-4欧姆-cm2。在将LD结构加工成LD时，所述LD发射具有至少对应于蓝-绿光或绿光的波长处的峰强度的光。


现在参照图式，其中相同参考编号都代表相应部件图1(a)为LD结构的示意性横截面，图1(b)为量子阱结构的示意性横截面，图 1(c)为(20-21)LD装置结构的第一实施例的示意性横截面，且图1(d)为(20-21)LD装置结构的第二实施例的示意性横截面。图2 (a)展示使用氮载气生长的η型AlGaN/GaN超晶格的X射线衍射(XRD)扫描， 且图2 (b)展示使用氢载气生长的η型AlGaN/GaN超晶格的XRD扫描，其绘制计数/秒(计数/s)对2 θ，其中k代表1000个计数且M代表1百万个计数(例如，IOOk为100000且IM 为 1000000)。图3(a)绘制位于-1度(deg)斜切(朝向c方向)m_平面衬底上的LD结构(例如图1 (a)中所展示的结构)的L-I (光输出-电流)特性，其绘制随光波长(纳米，nm)而变化的发射强度(任意单位)，其中装置具有阈值电流Ith = 652毫安(mA)(电流密度Jth = 43kA/cm2) ,478. 6nm的峰发射波长，且不同曲线(从顶部到底部)是关于大于Ith( > Ith)、 小于Ith( < Ith)的正向驱动电流If400mA及IOOmA0图3 (b)绘制从-1度斜切(朝向c方向)m-平面GaN衬底上的LD结构(例如， 包括图1(a)中所展示及图3(a)中所测量的结构)所发射光的功率(以毫瓦mW表示)和所述LD结构两端的正向电压Vf(V)随正向驱动电流If(mA)的变化，其中装置具有Ith = 520mA(Jth = 34kA/cm2)且不同曲线A、B、C、D及E是关于来自一个试样的不同装置，由此展示性能分布及良率。图3 (c)绘制标称同轴m-平面GaN衬底上的LD结构的L-I特性，其绘制随光波长 (nm)而变化的发射强度(任意单位)，其中装置具有阈值电流Ith= 684mA(电流密度Jth = 45. 6kA/Cm2)、471.9nm的峰发射波长，且不同曲线(从顶部到底部)是关于大于Ith (> Ith)、 小于Ith( < Ith)的正向驱动电流If 500mA、300mA及100mA。图3 (d)绘制从标称同轴m-平面衬底上的LD结构(例如图3 (c)中所展示及测量的装置)所发射光的功率(mW)和所述LD结构两端的Vf(V)随正向驱动电流If的变化，其中所述结构具有2 μ m隆脊、Ith = 684mA及Jth = 45. 6kA/cm2,且不同曲线A、B是关于来自一个试样的不同装置，由此展示性能分布及良率。图3 (e)绘制随LD空腔长度(以微米pm表示)而变化的电流密度Jth (kA/cm2)，且图3(f)绘制对于(20-21) LD、脉冲0.01%工作循环随LD空腔长度(μ m)而变化的激射波长(nm)。图3(g)为发射516nm的光半极性Q0-21)绿色LD的展示剪切小面的图像，且图 3(h)为发射绿光的半极性00-21)绿色LD的图像。图3 (i)绘制对于半极性Q0-21)绿色LD随波长(以nm表示)而变化的发射强度(以任意单位a. u表示)。图3 (j)绘制半极性Q0-21)绿色LD的输出功率(以毫瓦mW表示)随驱动电流 (以毫安HiA表示)的变化及电压随驱动电流的变化(IV曲线)(L-1-ν曲线)。图3(k)绘制对于不同驱动电流(从顶部到底部曲线为1100mA、1000mA、800mA、 600mA、400mA、200mA、100mA、50mA、20mA、IOmA 及 5mA)、半极性(30-31) GaN LD 随发射波长而变化的电发光强度(EL)(以a. u.(任意单位)表示)。图3(1)绘制随电流密度(kA/cm2)而变化的峰发光波长(nm)及随电流密度而变化的发光半峰全宽(FWHM)，其中圆为展示(30-31)LD电发光FWHM的数据，暗正方形为展示 (30-31) LD EL波长(λ)的数据，且较亮正方形为展示c_平面LD EL波长(λ)的数据(对于半极性(30-31) GaN LD)。图3 (m)绘制对于半极性(30-31) GaN LD随电流密度(kA/cm2)及电流(mA)而变化的输出功率(mW)及电压(V)，其展示IV曲线，其中插图绘制随波长(nm)而变化的EL强度 (任意单位(arb.单位))且展示峰发射λ = 447. 7nm的波长(也是对于半极性(30-31) GaN LD)ο图4 (a)展示在标称同轴m-平面GaN衬底上生长的LD (例如，如图3 (c)及图3(d) 中所测量)的诺马尔斯基(Nomarski)光学显微图像，且图4(b)展示在1度斜切[朝向 (000-1)方向]m-平面GaN衬底上生长的LD(例如，包括图1(a)中所展示及图3(a)与图 3(b)中所测量的结构)的诺马尔斯基光学显微图像，其中图4(a)及图4(b)中的标度为100 微米(ym)且在垂直及水平方向上相同。图5 (a)展示在标称同轴m-平面GaN衬底上生长的LD (例如，如图3 (c)及图3(d) 中所测量)的荧光光学显微图像，且图5(b)展示在1度斜切[朝向(000-1)方向]m-平面 GaN衬底上生长的LD (包括图1(a)中所展示及图3 (a)与3 (b)中所测量的结构)的荧光光学显微图像，其中图5(a)及图5(b)中的标度为100微米(μπι)且标度在水平及垂直方向上相同。图5(c)为在O0_21)GaN衬底上生长的LD的荧光显微镜图像，其中标度为 100 μ m0图6为绘示制造本发明LD结构的方法的流程图。图7(a)为位于离轴衬底上的一个或一个以上装置层的横截面示意图，且图7(b) 为在同轴m-平面衬底上生长的装置层表面上的凸丘的横截面示意图。图8为展示随冷却期间的Cp2Mg流量(sccm)而变化的接触电阻率(欧姆_cm2)的 P-触点矩阵。
具体实施例方式在以下优选实施例的说明中参照本文的附图部分，并且其中以说明方式展示可实践本发明的具体实施例。应理解，可使用其它实施例并且可在不背离本发明范围的情况下实施结构性改变。侖名法如本文所使用，纳入铝及铟的GaN及其三元及四元化合物(AlGaN、InGaN, AlInGaN)通常提及使用术语(Al，fell，η)N、III族氮化物、第III族氮化物、氮化物、Al(1_x_y) ^iyGiixN(其中0<χ<1且p<y<l)或AlInGaN。所有这些术语意欲具有等效意义且广泛地视为包含单一物质Al、( 及h的相应氮化物以及所述第III族金属物质的二元、 三元及四元组合物。因此，在所述命名法中包含这些物质时，这些术语包含化合物AlN、GaN 及hN以及三元化合物AlGaN、GaInN及AlInN及四元化合物AlfeJnN。在存在两种或两种以上(Ga，Al，In)组份物质时，所有可能组合物(包含化学计量部分以及“非化学计量”部分(相对于组合物中所存在每一(Ga，Al，In)组份物质的相对存在摩尔份数))可用于本发明的宽范围内。因此，应了解，下文主要参考GaN材料的论述适用于形成各种其它(Al，fe， In)N材料物质。另外，本发明范围内的(Al，Gadn)N材料可进一步包含少量掺杂剂和/或其它杂质或纳入材料。另外，在本揭示内容通篇中，在层材料之前的前缀n-、p-及p++-表示层材料分别为 η型、ρ型或重ρ型掺杂。举例来说，n-GaN表明GaN为η型掺杂。消除GaN或III族氮化物基光电装置中的自发及压电极化效应的一种方式为在晶体的非极性平面上生长III族氮化物装置。所述平面含有相等数量的Ga(或第III族原子)及N原子且为电中性。另外，后续非极性层彼此相当，因此体晶将不会在生长方向上发生极化。GaN中对称-等效非极性平面的两个所述家族为{11-20}家族(统称为a_平面) 及{1-100}家族(统称为m-平面)。因此，非极性III族氮化物沿垂直于III族氮化物晶体的(OOOl)c轴的方向生长。减小(Ga，Al，In, B)N装置中的极化效应的另一方式为在晶体的半极性平面上生长装置。术语“半极性平面”可用于提及不能归类为C-平面、平面或m-平面的任一平面。 在晶体学术语中，半极性平面为具有至少两个非零h、i或k米勒指数(Miller indices)及非零1米勒指数的任一平面。技术性阐述装置结构图1 (a)为根据本发明生长的LD结构(优化的长波长m_平面LD设计)的横截面
示意图。图1(a)及图1(b)绘示III族氮化物激光二极管(LD)结构100，其包括衬底 102(例如，具有离轴表面104的m-平面GaN衬底)；nSGaN层106，其以外延方式沉积于 m-平面衬底102的离轴表面104上；η型III族氮化物包覆层108 (例如，AlGaN/GaN)，其以外延方式沉积于η型层106上；n-GaN间隔层110，其以外延方式沉积于η包覆层108上； η型^iGaN SCH层112，其以外延方式沉积于η型GaN间隔层110上；有源区域114(包括以外延方式沉积于η型InGaN SCH层112上的第一 InGaN量子阱障壁层114a、以外延方式沉积于第一量子阱障壁层114上的InGaN量子阱层114b、以外延方式沉积于InGaN量子阱层114b上的第二 hGaN量子阱障壁层114c，其中InGaN量子阱层114b包含至少20%铟 (In))；非故意掺杂(UID)GaN层116，其以外延方式沉积于有源区域114(例如，第二障壁层 114c)上；AlGaN电子阻挡层(EBL) 118，其以外延方式沉积于UID层116上；ρ型InGaN SCH 层120，其以外延方式沉积于^L 118上，其中11型hGaN SCH层112及ρ型hGaN SCH层 120都具有大于7%的h组成(例如，约7. 5% ) ；p-GaN间隔层122，其以外延方式沉积于 P-InGaN SCH 120上；ρ型III族氮化物(例如，AlGaN/GaN)包覆层124，其以外延方式沉积于P型GaN间隔层122上；及ρ型GaN(p++GaN)接触层126，其以外延方式沉积于ρ型III 族氮化物包覆层1 上。在图1(a)中，n-GaN层106包括4μπι厚度128，，η包覆层108包括Iym厚度 130(对于5%的平均铝(Al)含量，包含交替的3纳米(nm)厚AlGaN及3nm厚GaN层)，n-GaN 间隔层110包括50nm厚度132，n-InGaN SCH层112包括50nm厚度134，有源层114包括 3. 5nm厚度136的InGaN量子阱及IOnm厚度138、140的InGaN量子阱障壁且h组成分别为 26%及 3%，UID 层 116 包括 IOnm 厚度 142，EBL 118 包括 IOnm 厚度 144，p-InGaN SCH 120包括50nm厚度146，p-GaN间隔层122包括50nm厚度148，ρ包覆层124包括0. 5 μ m 厚度150 (对于5 %的平均Al组成，包含交替的3nm厚AlGaN层及3nm厚GaN层)，且p++GaN 层1 包括IOOnm厚度152 (然而，p++GaN接触层1 优选地具有小于15nm的厚度152)。图1 (a)中所绘示的LD结构进一步包括(a)第一界面154，其位于η型III族氮化物包覆层108与η型GaN层106之间，(b)第二界面156，其位于η型包覆层108与η型 GaN间隔层110之间，(c)第三界面158，其位于n-GaN间隔层110与η型hGaNSCH层112 之间；(d)第四界面160，其位于第一量子阱障壁层114a与η型InGaN SCH层112之间，(e) 第五界面162，其位于InGaN量子阱层114b与第一量子阱障壁层11 之间，(f)第六界面 164，其位于第二量子阱障壁层IHc与hGaN量子阱层114b之间；(g)第七界面166，其位于UID GaN层116与第二量子阱障壁IHc之间；(h)第八界面168，其位于UID层116与 EBL 118之间；⑴第九界面170，其位于EBL 118与pdnGaN SCH 120之间；(j)第十界面 172，其位于ρ型^iGaN SCH层120与p-GaN间隔层122之间；(h) Mi^一界面174，其位于 P型III族氮化物包覆层124与ρ型GaN间隔件层122之间；(i)第十二界面176，其位于 P型GaN接触层126与ρ型III族氮化物包覆层IM之间；及(j)p型GaN接触层126的顶部表面178。图1 (a)还绘示可涂覆并用作LD空腔的镜的小面180、182。图1 (c)绘示本发明另一实施例中在(20-21)衬底102上生长的LD外延晶片装置结构，其包括n-GaN层106、n_GaN包覆层108、n-InGaN本体SCH层112(具有5-10% In)、 有源层114(包括具有GaN或hfeiN障壁的InGaN阱)、p-AlGaN EBL 118、p_InGaN本体SCH 层120(具有5-10% In)、p-GaN包覆层IM及p++GaN接触层126。图1(d)绘示包括半极性00-21)绿色发光(516nm)LD装置结构的本发明又一实施例，其具有位于(20-21)衬底102(即顶部表面104为20-21平面的衬底)上的InGaN波导及GaN包覆层、n-GaN包覆层108,n-InGaN SCH 112(具有5-10% In)、有源层114(包括具有 AlGaN 障壁的 3 个 hfeiN 阱)、p-AlGaN EBL 118、p-InGaN SCH 层 120 (具有 5-10% In)、p-GaN包覆层IM及p++GaN接触层。
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本发明目标为达成平滑界面(例如，154-176)及表面(例如178)形态、以及高效有源区域114、均勻及平滑引导层(例如，112、120)、具有低折射率的低电阻包覆层(例如， 108,124)及低电阻接触层(例如，1沈)。例如1.使用斜切(-1度，朝向C-方向)m-平面GaN衬底、以及使用100%氮载气的模板生长在大气压下产生平滑表面形态，所述平滑表面形态不含通常在常规标称同轴m-平面GaN模板中在金属有机化学蒸气沉积(MOCVD)再生长后观察的锥形凸丘。2.使用100%氮载气生长Si掺杂η型AlGaN/GaN超晶格(例如，如η包覆层108 中所使用)以产生平滑界面及优异结构性质，如图2(a)中所展示。与图2(b)中所展示的超晶格(使用氢载气生长)相比，图2(a)中的超晶格具有改进的结构性质。图2 (a)展示包括不对称AlGaN/GaN SPSLS的III族氮化物包覆装置层，其中在超晶格中AWaN层厚于 GaN层，且超晶格结构具有较平滑界面，所述界面与图2(b)中所展示的结构质量相比具有增加的结构质量。3.所有层(^ p-InGaN SCH (例如 120)、p_GaN (例如，122)或 p-AlGaN 包覆层(例如，124)及P-GaN接触层(例如，126)外)都是使用100%氮载气生长。4.使用在相对较高温度下(与有源区域生长温度相比)、使用缓慢生长速率 (<0.7埃/秒(人/3))及高三甲基铟/三乙基镓(TMI/TEG)比率(>1.1)生长的高h 含量hx(iai_xN SCHs (χ > 7% )(例如，112、120)来产生平滑及无缺陷波导层。然而，使生长速率保持高于0.3 A /S，这是因为较低生长速率在相同生长温度下产生较低h纳入。因此， 优化hGaN SCH的生长速率(0.3 A/s <生长速率< 0.7 A/s)，从而hGaN层平滑且在最高可能温度下生长以获得较好结构及电特性。5.在相对较慢生长速率(< 0.7 A /s)下生长量子阱(例如，H4b)以维持平滑界面 (例如，162、164)并防止在绿色发光有源区域所需的较低生长温度下发生小面化。因此，优化InGaN阱的生长速率(0.3 A /s <生长速率< 0.7 A/s)，从而量子阱(QW)界面平滑且在用于所需发射波长的最高可能温度下生长QW以获得较好结构及光学特性。调节阱生长期间的TMI/TEG比率从而其并不属于设定温度的h饱和区域中。6.以远慢于阱114b的生长速率(< 0.3 A/s)来生长障壁(例如，114a、114c)，从
而产生用于后续阱生长的平滑表面形态。较慢阱及障壁生长速率产生平滑界面及平坦界面 (例如 162、164、166)。7.使用不对称AlGaN/GaN SPSLS (例如，108、124)来增加AlGaN包覆层中的铝 (Al)含量并防止预反应，尤其是在使用氢载气生长ρ型AlGaN期间。AKiaN中的Al组成因预反应与TMA/TMG流量并非以线性方式按比例缩放。不对称超晶格涉及较厚AlGaN层及较薄GaN层，从而使得与在AWaN层中具有较高AlGaN组成的对称超晶格结构具有相同平均 Al组成。8.在温度斜坡期间使用TEG作为镓源来生长AlGaN电子阻挡层(例如，118)。9. ρ波导层(例如，120)及ρ包覆层(例如，124)中的镁(Mg)掺杂浓度在范围 lE18-2E19cnT3 中。10.使用Mg掺杂介于7E19-3E20enT3之间的薄IOnm p-GaN接触层(例如，126)代替厚接触层(通常> 15nm)。1
11.在生长p-GaN接触层后，将试样在氮及氨气氛中冷却，且流入少量双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)直到温度达到700摄氏度(°C)为止。此使得形成Mg-Ga-N层(例如， 1 )，从而产生较低接触电阻。本发明使用MGaN包覆层108、124，其中典型Al组成可介于2-10%之间。对于典型LD结构来说，有源层MQW的周期数可介于2到6之间，阱宽度136可介于Inm到8nm之间，且障壁宽度138、140为6歷到1511111。最后障壁(例如，114c)的典型厚度140为5nm到 20nm。在最后障壁之后为MGaN EBL 118，AlGaN EBL 118的典型厚度144及Al浓度范围分别为6-20nm及10-30%。AWaN EBL 118通常掺杂有Mg。实践本发明的最好方式为将其与尤其用于蓝-绿光谱区域发光的非极性AlGaN无包覆结构(例如，参见美国实用申请案第xx/xxx，XXX号，在与本申请案同一时间的时间由阿潘查克拉博蒂、林佑达、中村修二及史蒂文P.登巴尔斯提出申请，标题为“不对称包覆的激光二极管”，代理档案号30794. 314-US-W0(2009-614-2)，所述申请案并入本文中)一起使用。装置件能图3(a)绘示LD结构(例如，如图1(a)中所绘示)，其中在将LD结构加工成LD 时，LD发射具有蓝-绿光谱范围波长(例如，440-520nm)处的峰强度的光。然而，发射还可具有绿色光谱范围中的峰强度。图3(b)绘示LD结构(例如，如图1(a)中所绘示)，其中在将LD结构加工成LD 时，在具有小面180、182涂层的情形下，达成34kA/cm2的阈值电流密度；然而，阈值电流密度还可为18kA/cm2或更小[20]。在图3(()、3((1)、4(幻及5(幻中测量的装置具有图1 (a)中所展示的结构，但在标称同轴m-平面衬底上生长。这些装置是使用氮载气来生长η-层、高铟(In)含量hGaN SCH 层、不对称AlGaN/GaN短周期超晶格结构(SPSLQ、及MOCVD生长Mg-Ga-N接触层以减小接触电阻。然而，其仍具有较高阈值电流密度及较短激射波长，这是因为其在标称同轴m-平面衬底上生长。生长技术及斜切衬底都很重要。因此，上述技术达成与图3(c)及图3(d)中的LD结构相比具有低得多的阈值电流密度(图3(b))及较长受激发射波长(图3(a))的LD。图3(e)及图3(f)展示(20_21)LD装置性能，其中长空腔可减小镜面损失并产生低阈值电流密度(图3(e))，且低阈值电流密度产生较长激射波长(图3(f))。图3 (g)及3 (h)展示从图1 (d)结构制得的LD，且图3⑴及图3 (j)为从图1 (d)结构制得的装置的测量，其中图3(g)展示LD装置的剪切小面，且图3(h)展示在操作下发射绿光的LD，图3⑴展示LD的516nm波长发射，且图3 (j)展示对于2 μ m隆脊宽度、1200 μ m 空腔长度及97/99%的DBR面涂层Jth约为30. 4kA/cm2。图 3(k)_(m)绘示(30-31) GaN LD 性能[20]。图4(a)展示在标称同轴m-平面衬底上生长的LD的顶部表面400，其展示锥形凸丘402(例如具有锥形形状的凸丘(例如，4-面椎体，其中侧面为小面，或例如如美国实用专利申请案第12/716，176号中所述，所述申请案是在2010年3月2日由罗伯特M.法莱尔、 迈克尔 伊扎、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯、及中村修二提出申请，标题为“改进在非极性或半极性(GhAl，h，B)N衬底上生长的(GhAl，In，B)N薄膜及装置的表面形态的方法”，代理档案号30794. 306-US-U1 (2009-429-1)) 图4(b)展示达成与(例如)图4 (a)中所展示装置相比具有无锥形凸丘及较平滑表面形态的LD装置层的本发明技术。举例来说，图4(b)绘示III族氮化物基LD结构(例如图1(a)中的结构)中的III族氮化物装置层的顶部表面404，其中LD的III族氮化物装置层120在m-平面III族氮化物衬底的(例如，标称)离轴表面上生长，且顶部表面404不含锥形凸丘402和/或平滑性高于在同轴m-平面衬底上生长的III族氮化物装置层的顶部表面400(例如，如图4(a)中所展示。图4(b)还展示，顶部表面404可能平滑性高于使用含氢载气或小于100%氮的载气生长的III族氮化物装置层的顶部表面400(如图4(a) 中所展示)。图5(a)展示在标称同轴m-平面衬底上生长的LD的荧光光学显微图像。荧光源于LD的有源层且不均勻(即，荧光在跨越表面500的一些位置502与其它位置504相比较壳)O图5(b)展示具有(例如)图1(a)中所展示结构且在1度斜切[朝向(000_1)方向]m-平面GaN衬底上生长的LD的荧光光学显微图像。图5(b)展示与(例如)图5 (a) 中所展示LD结构相比本发明在有源区域114中达成较高h组成(以及较小h波动)，这是因为跨越表面506荧光508的分布更均勻。图5(b)还展示与在同轴m-平面衬底上生长的发光有源层(例如，如图5(a)中所展示)中的h组成及h波动相比发光有源量子阱装置层114b具有较高h组成(以及较小h波动)。较高h组成也由与图5(a)相比在图 5(b)中的较大面积中具有较亮荧光来证实。图5 (c)为从图1(c)结构制得的LD的荧光显微镜图像。图4(b)及5(b)绘示LD的顶部表面404、506，在多个装置层的情形下，本发明还能够获得图4(b)及图5(b)中所绘示关于在彼此的顶部所生长的两个装置层之间一个或一个以上界面140-170的结构及性质。举例来说，量子阱114b与量子阱障壁114a、IHc之间的界面156、158、波导层112与包覆层108或间隔层110之间的界面150、152或波导层112 与发光有源层114之间的界面巧4可具有由图4(b)及5(b)所证实的结构及性质。工艺步骤图6为绘示制造LD结构的方法的流程图，其包括在m-平面III族氮化物衬底的离轴表面上生长LD的一个或一个以上III族氮化物装置层。所述方法可包括下列步骤。方块600代表提供具有(例如，标称)离轴表面的m-平面GaN衬底。举例来说，表面可为斜切表面。图7(a)展示表面104，表面104相对于m-平面衬底102的m_平面702 离轴角度700(例如标称+/-1度)，且朝向衬底102的c方向704。+Ideg及-Ideg斜切都有可能，且不为+/-1度的其它斜切角度也有可能，例如20-21及30-31。(20-21)为真正意义上的斜切m-平面。因此，表面104可相对于衬底的m-平面离轴-1度或+1度以上，且朝向衬底的c方向。.方块602代表以外延方式在离轴表面104上沉积III族氮化物层(例如，η型GaN层)。方块604代表以外延方式在η型层上沉积η型III族氮化物包覆层。方块606代表以外延方式在η型包覆层上沉积η型GaN间隔层。方块608代表以外延方式在η型GaN间隔层上沉积η型InGaN SCH层，其中η型InGaN SCH层具有大于7%的h组成。方块610代表以外延方式在η型InGaN SCH层上沉积第一量子阱障壁层。沉积可包括以慢于量子阱的生长速率(方块612中)的第二生长速率生长量子阱障壁，与(例如) 以不同较快生长速率生长的障壁相比，此产生装置层的平滑表面形态及界面，所述装置层包含在量子阱障壁上生长的量子阱。方块612代表以外延方式在第一量子阱障壁层上沉积hGaN量子阱层，其中hGaN 量子阱层包含至少20%的铟。沉积可为以小于0. 7埃/秒(还可大于0. 3埃/秒)、且慢于用于LD结构中其它层的第一生长速率的生长速率生长量子阱。量子阱的生长可在第一温度下及使用使量子阱发射绿光的铟含量进行，其中与(例如)以不同生长速率生长的量子阱相比第一生长速率维持平滑界面并防止小面化。方块614代表以外延方式在hGaN量子阱层上沉积第二量子阱障壁层。沉积可包括以慢于量子阱的第一生长速率的第二生长速率生长量子阱障壁，与(例如)以不同较快生长速率生长的障壁相比，此产生装置层的平滑表面形态及界面，所述装置层包含在量子阱障壁上生长的量子阱。可重复方块610-614以形成包括多个量子阱的MQW结构，从而量子阱位于量子阱障壁之间以形成发光有源区域。方块616代表在第二障壁层上沉积UID层。方块618代表以外延方式在UID层及有源区域/层上沉积EBL。沉积可包括在有源区域上生长高(例如，2-10% )铝含量AlGaN EBL ；及以高于第一温度(在此温度下生长量子阱)的第二温度且与无高Al含量AlGaN EBL相比在有源区域上生长后续层(例如，方块 620-626)。方块620代表以外延方式在EBL上沉积ρ型hGaN SCH层，其中ρ型hfeiN SCH 层具有大于的h组成。通过此方式，高铟含量^ifahN SCH层(例如，χ > 0. 07)位于在方块610-614中形成的有源区域及在方块618中形成的EBL的任一侧上。方块620及 608中InGaN SCH层的沉积可包括在以下条件下生长(1)在高于生长LD结构中的其它层所用温度的第三温度下，(2)以小于0. 7埃/秒(还可大于0. 3埃/秒)的较慢生长速率， 及(3)以大于1. 1的高三甲基铟/三乙基镓(TEG)比率，从而产生平滑及无缺陷波导层。方块622代表以外延方式在ρ型InGaN SCH上沉积ρ型GaN间隔层。方块6 代表以外延方式在ρ型GaN间隔层上沉积ρ型III族氮化物包覆层。方块604及6 的η型和/或ρ型包覆层可包括位于有源区域任一侧上的AlGaN/GaN不对称超晶格，所述AlGaN/GaN不对称超晶格包含交替的AWaN及GaN层，其中AWaN层厚于GaN 层。方块620及6M可进一步包括以lxl018CnT3到&1019αιΓ3范围的镁浓度分别在有源区域的一侧上形成及掺杂P波导层及P包覆层。方块6 代表以外延方式在ρ型III族氮化物包覆层上沉积P型GaN接触层。 P-GaN接触层可以小于15nm的厚度及介于7xl019-3xl02°之间的镁掺杂沉积于包覆层(例如，P包覆层)中的一者上。方块6 代表在沉积P-GaN接触层后将LD结构在氮及氨气氛中冷却，并流入少量双(戊二烯基)镁(Cp2Mg)直到温度降到700°C以下为止，由此形成与LD结构具有较低接触电阻的Mg-Ga-N层。方块630代表所述方法的最终结果，其为例如III族氮化物LD结构等装置，其包括一个或一个以上III族氮化物装置层704、706，其中在m-平面III族氮化物衬底102的离轴表面104(例如但不限于斜切表面)(例如但不限于相对于衬底102的m-平面702离轴-1度的角度700、且朝向衬底102的c方向704的表面104)上生长LD的III族氮化物装置704、706，如图7(a)中所绘示。III族氮化物装置层704可具有在25 μ m2面积上的均方根(RMS)表面粗糙度为Inm或更小的顶部表面708。顶部表面708可不含锥形凸丘，例如，不含具有高度h及宽度w的凸丘710，如在图7 (b)中所绘示的装置层表面712上所发现 (在标称同轴m-平面衬底上生长)。顶部表面708的平滑性可高于在标称同轴m-平面衬底上生长的III族氮化物装置层的顶部表面712。图7还绘示多个装置层704、706，其中(1)顶部表面为在彼此的顶部所生长的两个装置层704、706之间的界面714。举例来说，界面714可位于量子阱与量子阱障壁之间、位于波导层与包覆层之间或位于波导层与发光有源层之间。层704及706还可包括多个装置层。顶部表面708或界面714的平滑性可高于图4(a)中所展示的表面。装置层704、706可为包含InGaN量子阱层的发光有源层，与在同轴m_平面衬底上生长的发光InGaN量子阱中的h组成及h波动相比和/或与图5 (a)中所展示的h组成及h波动相比，所述InGaN量子阱层具有较高h组成、跨越InGaN量子阱层的较小h波动。装置层704、706可为厚度716小于15nm的Mg-Ga-N接触层。与Mg-Ga-N接触层的接触电阻可小于4E-4欧姆-cm2。另外，方块630中的最终结果可为如图1(a)中所展示且具有下列中的一或多者的 LD结构100 (a)在将LD结构加工成包含小面180、182涂层的LD时阈值电流密度为18kA/ cm2, (b)平滑性高于图4(a)中所展示表面的顶部表面；(c)在25 μ m2面积上的RMS表面粗糙度不高于Inm和/或不含锥形凸丘的顶部表面178和/或界面154-176 ； (d)与图5(a) 中所展示的h组成及h波动相比具有较高h组成(以及较小h波动)的有源区域(例如，包括InGaN量子阱114b)；及(e)小于4E-4欧姆-cm2的与LD结构的接触电阻；可将LD结构加工成发射具有以下波长处的峰强度的光的LD 蓝光、蓝-绿光、绿光波长 ’大于480nm的波长(例如，或在波长范围440-550nm内)；或长于从同轴m_平面衬底上的结构发出的峰波长的波长。在方块602-626的一或多者中沉积可包括(例如)使用MOCVD进行生长。另外， 在方块602-6 的一或多者中生长可包括使用几乎100%氮载气在(例如，标称)大气压下进行，从而产生方块602-6 中具有不含在常规标称同轴m-平面GaN衬底中所观察的锥形凸丘的平滑表面形态的装置层。100%氮载气可代表标称值，这是由于还可使用介于95%与 100%之间的氮载气。使用100%氮载气在大气压下生长的装置层可包括LD结构的所有η 型层(例如，包含硅掺杂η型AKiaN/GaN超晶格)，从而与未使用100 %氮载气生长的装置层相比产生LD结构的平滑界面及优异结构性质。可能修改1.本发明可应用于极性、非极性及半极性LD。本发明包含增加范围的可能不再处
15理成非极性的斜切或离轴(不限于+/-Ideg内，但还可高于所述范围)，且由此术语半极性更符合常理。本发明涵盖新半极性平面，例如(20-21)及(30-31)。2.本发明可应用于介于紫外(UV)到绿色光谱范围发光的任一波长(及可能的更长波长)。3.本发明可应用于含有InGaN、GaN或AlInGaN波导层的LD结构。4.本发明可应用于在有源区域中含有InGaN、GaN或AlInGaN障壁的LD结构。5.本发明可应用于在有源区域中含有hGaN、GaN或AUnGaN障壁的LD结构，其中障壁的一部分是在与阱相比的较高温度下生长。6.较低包覆层可为四元合金(AlInGaN)以代替三元AlGaN基合金。7.不对称设计还可表明下包覆层与上包覆层的AlGaN组成差异。可(例如)使用 GaN包覆层代替AlGaN包覆层。8.不对称设计可还包含下波导层与上波导层具有不同InGaN组成的结构。9.本发明可应用于对于所有斜切角度位于非极性及半极性衬底上的LD结构。10.所述生长速率及温度是用于MOCVD。还可为其它生长方法，例如MBE。还可为其它生长速率，例如用于SCH及量子阱者。举例来说，<0.3 A /s及>0.7 A /s都有可能。生长通常但不限于尽可能接近大气压。11.小面涂层可包含DBR涂层，DBR涂层使用两种具有不同折射率的材料。在本发明中，将S^2及τ ο5用于小面涂层。其它材料是可能的。12.未必一定使用特定隆脊波导。本发明中的隆脊宽度介于2μπι到ΙΟμπι之间， 但不限于此范围。13.例如间隔层、AWaN包覆层等层为任选地且可根据需要删去。可增加其它层。优点及改进与常规m-平面GaN基LD结构相比，本发明具有下列优点1.使用斜切衬底、以及在氮载气中生长η型层产生无锥形凸丘且平滑的表面形态及较平滑界面。2.使用用于阱及障壁的较慢生长速率产生平滑量子阱界面并减小阱中的波动，由此改进InGaN阱的稳定性，从而使得可在高于使用较快阱及障壁生长速率时的温度下生长P型层。举例来说，P-GaN层可在约900-1000°C的温度Tg下生长。3.使用高Al含量(例如，高于15% ) AlGaN EBL允许有源区域上方的层使用较高生长温度(例如，P-GaN生长温度Tg为约900-1000°C )。4.使用不对称AWaN SPSLS允许以较高平均Al组成(例如，高于5% Al)生长 P-AlGaN 层。5.新颖接触方案显著减小接触电阻。6.所有上述变化产生与常规LD结构相比具有低得多的阈值电流密度(例如， 18kA/cm2)及较长受激发射波长(例如，492nm)的LD。根据原子力显微镜(AFM)测量，在25 μ m2上的均方根(RMS)表面粗糙度小于lnm， 且根据输电线路测量(TLM)，接触电阻为4E-4欧姆-em2，如图8中所展示。本发明的其它信息可参见[20-24]。参考文献
下列参考文献是以引用方式并入本文中[1]S.狮童(S. Nakamura)、M.健(M. Senoh)、S.长滨(S. Nagahama)、N.岩佐 (N. Iwasa)、Τ·山田(Τ. Yamada)、Τ·玛蒂尔德(Τ. Matsushita)、Η·清久(H. Kiyoku)及 Y.杉本哲太(Y. Sugimoto)，日本应用物理学期刊(Jpn. J. App 1. Phys. )35, L74(1996)。[2]Μ. C 施密特(Μ. C. Schmidt)、K-C 金(K-C Kim)、R. Μ.法雷尔(R. Μ. Farrel 1)、 D. F.法泽尔(D.F.Feezell)、D.A.科恩(D. A. Cohen)、M.赛托(M. Saito)、K.藤渡 (K. Fujito)、J. S.斯佩克(J. S. Speck)、S. P.登巴尔斯(S. P. DenBaars)及 S.狮童，日本应用物理学期刊46，L190(2007)。[3]K.冈本(K. Okamoto)、H.奥塔(H. Ohta)、S. F.秩父(S. F. Chichibu)、J.市原 (J. Ichihara)及 H.高须(H. Takasu)，日本应用物理学期刊 46，LI87(2007)。[4] J. S.斯佩克及 S. F.秩父，MRS 公报 34，304 (2009)。[5] S. H.帕克(S. H. Park)、D.安(D. Ahn)，应用物理学通讯(App 1. Phys. Lett.) 90， 013505(2007)。[6]S. H.巾白克、D.安，IEEE 量子电子学期刊(IEEE J. Quantum Electron.)43, 1175(2007)。[7]久保田(Kubota)等人，应用物理学快报(Applied Physics Express)1(2008)011102ο[8] K.冈本、Τ.田中(Τ. Tanaka)及Μ.久保田(Μ. Kubota)，应用物理学快报1， 072201(2008)。[9]津田(Tsuda)等人，应用物理学快报1 (2008)011104。[10]H.奥塔及 K.冈本，MRS 公报 34，324Q009)。[11]Τ·三好(T.Miyoshi)、T.梁元(Τ· Yanamoto)、Τ·小崎(Τ· Kozaki)、S.长滨、 Y.鸣川(Y. Narukawa)、Μ·佐野(M.Sano)、T.山田(Τ. Yamada)及 Τ.向井(Τ. Mukai)，SPIE 会议记录(Proc. SPIE) 6894,689414 (2008)。[12] D.琨(D. Queren)、A.阿夫拉梅斯库(A. Avramescu)、G.布鲁德尔 (G. Bruderl)、A.布赖德纳塞尔(A. Breidenassel)、M.西尔卡利斯(M. Schillgalies)、S.鲁根(S. Lutgen)及U.斯特劳勃(U. StrauB)，应用物理学通讯94，081119 (2009)。[13]法泽尔等人，日本应用物理学期刊，第46卷，第13期，2007，第L284-L286页。[14]K.冈本、Τ.田中、Μ.久保田及H.奥塔，日本应用物理学期刊46，L820 (2007)。[15]K. Μ.凯尔克纳(K. Μ. Kelchner)、Y. D.林(Y. D. Lin)、Μ· Τ.哈迪(Μ. Τ. Hardy)、 C. Y.黄(C. Y. Huang)、P. S.许(P. S. Hsu)、R. Μ.法瑞尔(R. M. Farrelll)、D. Α.黑格尔 (D. A. Haeger)、Η· C.郭(H. C. Kuo)、F.吴(F. Wu)、Κ·藤渡、D. Α.科恩、阿潘查克拉博蒂、H.奥塔、J.S.斯佩克、S.狮童及S.P.登巴尔斯，应用物理学快报0009)(评论中)。[16]A.平井(A. Hirai),Z.贾(Z. Jia)、M. C 施密特、R. M.法雷尔、S. P.登巴尔斯、 S.狮童及J.S.斯佩克，应用物理学通讯91，191906(2007)[17] “衬底错向对于m-平面hGaN/GaN发光二极管的结构及光学性质的效应 (Effect of Substrate Misorientation on the Structural and Optical Properties of m-plane InGaN/GaN Light Emitting Diodes)，，，R. M.法雷尔、D. A.黑格尔、X.陈(X. Chen)、 迈克尔·伊扎、Α.平井、K. Μ.凯尔克纳、K.藤渡、阿潘查克拉博蒂、S.凯勒(S.Keller)、H.奥塔、S. P.登巴尔斯、J. S.斯佩克及S.狮童(审稿中的原稿)。[18]H.山田(H. Yamada)、K.矶(K. Iso)、M.斋藤(M. Saito)、K.藤渡、S. P.登巴尔斯、J.S.斯佩克及S.狮童，日本应用物理学期刊46，L1117 (2007)。[19]法雷尔等人，日本应用物理学期刊，第46卷，第32期，2007，第L761-L763页。[20]徐介珊(Po Shan Hsu)、凯思琳 M.凯尔克纳(Kathryn M. Kelchner)、阿努拉格提雅吉(Anurag Tyagi)、罗伯特M.法莱尔、丹尼尔A.黑格尔(Daniel A. Haeger)、健司藤渡(Kenji Fujito)、弘昭奥塔(Hiroaki Ohta)、史蒂文P.登巴尔斯、詹姆斯S.斯佩克及中村修二，“在半极性(30-31)独立式GaN衬底上生长的hGaN/GaN蓝色激光二极管(InGaN/ GaN Blue Laser Diode Grown on Semipolar(30-31)Free-Standing GaN Substrates)，，， 应用物理学快报3 (2010) 052702。[21]林佑达、马修Τ.哈迪(Matthew Τ. Hardy)、徐介珊、凯思琳Μ.凯尔克纳、罗伯特Μ.法莱尔、阿潘查克拉博蒂、弘昭奥塔、詹姆斯S.斯佩克、史蒂文P.登巴尔斯及中村修二，标题为“斜切m-平面GaN衬底上的蓝-绿hGaN/GaN激光二极管(Blue-Green InGaN/GaN Laser Diodes on Miscut m-plane GaN Substrate)，，，应用物理学快报 2(2009)082102ο[22]幻灯片展示(Presentation Slides),中村修二，固态发光及能源中心 (SSLEC)的 2009 年评(2009Annual Review for Solid State Lighting and Energy Center (SSLEC))，加利福尼亚大学(University of California)，圣巴巴拉(Santa Barbara)(2009 年 11 月)。[23]幻灯片展示，林佑达，SSLEC的2009年评，加利福尼亚大学，圣巴巴拉Q009 年11月)。[24]幻灯片展示，凯特凯尔克纳(Kate Ke 1 chner)，SSLEC的2009年评，加利福尼亚大学，圣巴巴拉。Mrk现在对本发明优选实施例的说明加以总结。出于阐述和说明性目的陈述对本发明一个或一个以上实施例的上述说明。本说明并非想包罗无遗或将本发明限制于所揭示的具体形式。根据上文的教示内容也可作出许多种修改及改变。本发明范围不会受此详细说明限制，而是受随附权利要求书限制。
权利要求
1.一种制造III族氮化物激光二极管LD结构的方法，其包括在非极性或半极性III族氮化物衬底的离轴表面上生长LD的一个或一个以上III族氮化物装置层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面相对于所述衬底的m-平面离轴-1度或 +1度，且朝向所述衬底的c方向。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面相对于所述衬底的m-平面离轴-1度或 +1度以上，且朝向所述衬底的c方向。
4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括使用100%氮载气在大气压下在所述衬底的所述离轴表面上生长所述一个或一个以上装置层，从而使得所述装置层具有平滑表面形态，其没有在标称同轴m-平面GaN衬底上生长的装置层中所观察到的锥形凸丘。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置层包括LD结构的所有η型层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述η型层进一步包括硅掺杂η型AlGaN/GaN超晶格，从而与未使用100%氮载气所生长的装置层相比，产生所述LD结构的平滑界面及优良结构性质。
7.根据权利要求1所述的方法，其中生长所述装置层进一步包括以高于0.3埃/秒且小于0. 7埃/秒且比所述LD结构中其它层所使用的生长速率慢的第一生长速率，生长一个或一个以上量子阱。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括在第一温度下且以使所述量子阱发射绿光的铟含量生长所述量子阱，其中与在不同生长速率下所生长的所述量子阱相比，所述第一生长速率维持平滑界面并防止小面化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述量子阱中的每一者位于量子阱障壁之间以形成发光有源区域，且所述方法进一步包括以比所述第一生长速率慢的第二生长速率生长所述量子阱障壁，从而与以不同的较快生长速率所生长的所述障壁相比，产生所述装置层的平滑表面形态及界面，所述装置层包含在所述量子阱障壁上生长的所述量子阱。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述有源区域上生长高铝含量AlGaN电子阻挡层；及在高于所述第一温度的第二温度下且与无所述高Al含量MGaN电子阻挡层相比在所述有源区域上生长后续层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中高铟含量IrixGai_xN分限异质结构SCH层位于所述有源区域及所述电子阻挡层的任一侧上，其中χ > 7%，且所述方法进一步包括在以下条件下生长所述SCH层(1)高于生长所述LD结构中的其它层所用温度的第三温度，(2)高于0.3埃/秒且小于0. 7埃/秒的较慢生长速率，和(3)大于1.1的高三甲基铟/三乙基镓(TEG)比率，从而产生平滑且无缺陷波导层。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括在所述有源区域的任一侧上形成 AlGaN/GaN不对称超晶格作为包覆层，其包含交替的AWaN及GaN层，其中所述AlGaN层比所述GaN层厚。
13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括以lX1018cm_3到hl019cm_3的镁浓度范围在所述有源区域的一侧上形成并掺杂P波导层和P包覆层。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括以小于15nm的厚度和介于7xl019到 3xl020之间的镁掺杂将P-GaN接触层沉积于ρ包覆层上。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括在沉积所述P-GaN接触层后，在氮及氨气氛中冷却所述LD结构，并流入少量双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)直到温度降到700°C以下为止，由此形成与所述LD结构具有较低接触电阻的Mg-Ga-N层。
16.一种基于III族氮化物的激光二极管LD结构中的III族氮化物装置层，其包括 (a)在m-平面III族氮化物衬底的离轴表面上所生长的LD的III族氮化物装置层。
17.根据权利要求16所述的装置层，其中所述III族氮化物装置层的顶部表面在 25 μ m2面积上的均方根RMS表面粗糙度为Inm或更小。
18.根据权利要求16所述的装置层，其中所述顶部表面没有锥形凸丘。
19.根据权利要求18所述的装置层，其中所述顶部表面比在标称同轴m-平面衬底上所生长的所述III族氮化物装置层的顶部表面平滑。
20.根据权利要求16所述的装置层，其中所述III族氮化物装置层是在相对于所述衬底的所述m-平面离轴-1度或+1度且朝向所述衬底的c方向的表面上生长。
21.根据权利要求16所述的装置层，其进一步包括多个所述装置层，其中(1)所述顶部表面是在彼此的顶部所生长的所述装置层中的两者之间的界面；且(2)所述界面位于下列中的一者或一者以上之间量子阱与量子阱障壁、在波导层与包覆层之间或在波导层与发光有源层之间。
22.根据权利要求16所述的装置层，其中所述装置层位于加工成所述LD的所述LD结构中，从而在具有小面涂层的情况下，所述LD具有18kA/cm2或更小的阈值电流密度。
23.根据权利要求16所述的装置层，其中所述顶部表面比图4(a)中所展示的表面平滑。
24.根据权利要求16所述的装置层，其中所述装置层是包含InGaN量子阱层的发光有源层，与在同轴m-平面衬底上所生长的发光InGaN量子阱中的h组成及h波动相比，所述InGaN量子阱层具有较高^组成及跨越所述InGaN量子阱层的较小^波动。
25.根据权利要求16所述的装置层，其中所述装置层是包含^GaN量子阱层的发光有源层，与图5 (a)中所展示的h组成及h波动相比，所述InGaN量子阱层具有较高h组成及跨越所述InGaN量子阱层的较小^波动。
26.根据权利要求16所述的装置层，其中所述装置层是厚度小于15nm的Mg-Ga-N接触层。
27.根据权利要求25所述的装置层，其中与所述Mg-Ga-N接触层的接触电阻小于4E-4 欧姆-cm2。
28.根据权利要求16所述的装置层，其中在将所述LD结构加工成LD时，所述LD发射具有至少对应于蓝-绿光或绿光的波长处的峰强度的光。
全文摘要
本文揭示生长于斜切非极性或半极性衬底上的激光二极管，其与常规激光二极管结构相比具有较低阈值电流密度和较长的受激发射波长，其中对于所述激光二极管(1)n型层是在氮载气中生长，(2)量子阱层和障壁层与其它装置层相比以较慢生长速率生长(此使得p型层能够在较高温度下生长)，(3)高Al含量电子阻挡层使得在有源区域上方的层能够在较高温度下生长，且(4)不对称AlGaN SPSLS允许高Al含量p-AlGaN层的生长。使用各种其它技术来改进所述p型层的电导率并将接触层的接触电阻降到最低。
文档编号H01L33/00GK102460739SQ201080031130
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月7日 优先权日2009年6月5日
发明者中村修二, 史蒂文·P·登巴尔斯, 林佑达, 阿尔潘·查克拉伯蒂 申请人:加利福尼亚大学董事会