专利名称：通过基底和外延层图案化限制在iii-氮化物异质结构中的应变松弛的制作方法
通过基底和外延层图案化限制在11卜氮化物异质结构中的应变松弛相关申请的交叉参考本申请根据35U.S.C.Sectionl 19 (e)要求由 James S.Speck、Anurag Tyag1、Steven P.DenBaars 和 Shuji Nakamura 在 2010 年 10 月 26 日提交的发明名称为“UMITINGSTRAIN RELAXATION IN II1-NITRIDE HETEROSTRUCTURES BY SUBSTRATE AND EPITAXIALLAYER PATTERNING”，代理人案卷号为30794.387-US-P1 (2010-804)的共同未决和共同转让的美国临时申请序列号61/406，876的权益，该申请通过引用并入本文。本申请涉及由James S.Speck、Anurag Tyag1、Alexey Romanov、Shuji Nakamura和 Steven P.DenBaars 同日与其一起提交的发明名称 “VICINAL SEMIPOLAR II1-NITRIDESUBSTRATES TO COMPENSATE TILT FO RELAXED HETERO-EPITAXIAL LAYERS”，代理人案卷号为30794.386-US-U1 (2010-973)的共同未决和共同转让的美国实用新型专利申请序列号xx/xxx, XXX,该申请根据 35U.S.C.Sectionll9 (e)要求由 James S.Speck、Anurag Tyagi>Alexey Romanov>Shuji Nakamura 和 Steven P.DenBaars 在 2010 年 10 月 26 日提交的发明名称为 “VICINAL SEMIPOLAR II1-NITRIDE SUBSTRATES TO COMPENSATE TILT FO RELAXEDHETERO-EPITAXIAL LAYERS”，代理人案卷号为 30794.386-US-P1 (2010-973)的共同未决和共同转让的临时专利申请序列号61/406，899的权益，该申请通过引用并入本文。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及限制在II1-氮化物基底/外延层上生长的异质外延II1-氮化物层的应变松弛的方法，这是通过图案化所述基底/外延层实现的。2.相关技术的描述(注意:本申请参考了许多不同的出版物，如在整个说明书中通过括号内的一个或多个参考编号所示，例如[X]。根据这些参考编号排序的这些不同出版物的列表可在下面标题为“参考文献”的部分中找到。这些出版物每一篇均通过引用并入本文。)不管通过光电子装置生长在非极性/半极性II1-氮化物基底上提供的许多优势，在失配异质界面(异质结面，heterointerface)上的失配位错(MD)形成[1,2]可使得装置制造厂商难以完全实现预期的固有优势。对于半极性II1-氮化物基装置，经由预先存在的穿透位错(threading dislocation)的滑移的应力松弛可以限制可在下面的基底/膜上共格生长的应变异质外延膜的组成/厚度。这反过来可限制装置设计空间，例如发光二级管(LEDs)/激光二极管(LDs)的发射波长范围。此外，由于由较薄/较低组成波导(通常InGaN)和包覆层(通常AlGaN)提供的差的光学波导，LD的性能可受到影响。本发明提供通过上面提及的滑移过程限制应力-松弛的方式，因此减少了对装置设计空间的约束，允许应用较厚/较高组成应变的II1-氮化物合金外延层。所提议的装置可被用作各种商业、工业或科学应用的光源。这些非极性或半极性氮化物LEDs和二极管激光器可期望在与C-平面氮化物LEDs和二极管激光器相同的应用中找到实用性。这些应用包括固态投影显示器、高分辨率印刷机、高密度光学数据存储系统、下一代DVD播放器、高效固态照明、光学感测应用和医疗应用。发明概述所公开的发明提供了通过图案化II1-氮化物基底/外延层，限制在所述基底/外延层上生长的异质外延II1-氮化物层的应变松弛(strain relaxation)的方法。本发明进一步包括装置在图案化的II1-氮化物基底上的生长和制造。为克服上述现有技术中的限制，以及克服阅读和理解本说明书后将变得明显的其他限制，本发明描述了半极性或非极性II1-氮化物装置，包括半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层，其具有IO6CnT2或更大的穿透失配密度；和异质结构，其包括在基底或外延层上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层，其中异质结构具有IO4CnT2或更大的失配位错密度。半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层可包括沿着穿透位错滑移的方向具有尺寸I的一个或多个台面，因此形成半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的图案化表面，其中异质结构在图案化表面上异质外延和共格生长。尺寸I可以在10微米和I毫米之间。至少一个异质结构的层可具有与半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层不同的II1-氮化物组成。异质结构和图案化表面之间的异质界面可包括与由在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上异质外延和共格生长的半极性或非极性II1-氮化物异质结构产生的失配位错密度相比，降低至少10倍或至少1000倍的失配位错密度。半极性或非极性II1-氮化物装置层的一层或多层，与(I)在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层相t匕，或与(2)在半极性或非极性II1-氮化物基底的不同图案化表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层相比，可更厚，并具有更高的合金组成。装置可包括非极性或半极性II1-氮化物发光二级管(LED)或激光二级管(LD)的装置结构，其中装置结构包括异质结构和一个或多个活性层，其发射在与绿光波长或更长的波长相应的一个或多个波长处具有峰值强度的光，或者在500nm或更长的波长处具有峰值强度的光。活性层可包括II1-氮化物含铟层，其足够厚并且具有足够高的铟组成，以便LED或LD发射具有所述波长的光。 装置结构可包括波导和/或包覆层，其包括足够厚且具有一定组成的II1-氮化物层，以发挥作为LD或LED的波导和/或包覆层的功能。活性层和波导层可包括一个或多个具有GaN阻挡层的InGaN量子阱(quantumwell),包覆层可包括一个或多个循环的交替AlGaN和GaN层。一个或多个半极性或非极性II1-氮化物装置层的厚度可比半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上沉积的一个或多个半极性或非极性II1-氮化物层的(例如Matthews Blakeslee)临界厚度大。本发明进一步公开了制备半极性或非极性II1-氮化物装置的基底的方法，包括图案化半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的表面并在其上形成一个或多个台面，由此形成半极性II1-氮化物基底或外延层的图案化表面，其中各台面沿着穿透位错滑移的方向具有尺寸1，其中穿透位错滑移由半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上异质外延和共格沉积的II1-氮化物层产生。II1-氮化物基底预先存在的穿透位错密度可以是至少105cm_2或在IO5和107cm_2之间。附图简述现在参考附图，其中相似的参考编号表示相应的部分:
图1是对于在半极性(I 1-22) GaN基底上生长的应变异质外延(Al，In) GaN层的示例性情况通过TD滑移的MD形成的示意性透视图，得自[I]。图2图解根据本发明的一个或多个实施方式，在基底或外延层上图案化的台面的顶视图(a)和侧视图(b)。图3是图解根据本发明的一个或多个实施方式，制造装置的方法的流程图。图4是根据本发明的一个或多个实施方式，II1-氮化物基底或外延层上装置异质结构层的示意性横截面图。图5是根据本发明的一个或多个实施方式，非极性II1-氮化物基底或外延层上装置异质结构层的示意性横截面图。图6是根据本发明的一个或多个实施方式，图案化基底上生长的装置结构的示意性横截面图。发明详述在优选实施方式的下列描述中，参考形成其部分的附图，附图中通过示例显示了可以实施本发明的具体实施方式
。应当理解，可以利用其它实施方式并且可以进行结构变化，而不背离本发明的范围。综述现有技术的商业化II1-氮化物装置基于II1-氮化物基底上异质外延膜的共格生长。如上所提及，这限制了应变的in-氮化物膜的厚度/组成并且限制了装置设计空间。利用较高组成的应变外延层导致在异质界面形成MDs，其可降低装置性能[I]。本发明提供了通过限制预先存在的穿透位错(TDs)的滑移长度的MD形成过程的工作区。术语如本文所用，通常使用术语(Al，Ga，In)N、II1-氮化物、III族-氮化物、氮化物、Al (lTy) InyGaxN,其中0〈x〈I并且0〈y〈I，或者Al InGaN,指代GaN及其掺有铝和铟的三元和四元化合物(AlGaN，InGaN, AlInGaN)。所有这些术语意图是等同的并且广义地解释为包括单一种类Al、Ga和In的各自氮化合物，以及这些III族金属种类的二元、三元和四元组合物。因此，这些术语包括化合物AIN、GaN和InN，以及三元化合物AlGaN、GaInN和AlInN，和四元化合物AlGalnN，作为该术语中包括的种类。当(Ga，Al，In)成分种类的两种或更多种存在时，所有可能的组合物，包括化学计量比例以及“非化学计量”比例(相对于组合物中存在的各(Ga，Al，In)组分种类的相对摩尔分数)，可在本发明的宽范围内使用。因此，应当理解，下文初步参考GaN物质的发明讨论可适用于各种其它(Al，Ga，In)N物质种类的形成。此外，本发明范围内的(Al，Ga，In)N物质可进一步包括微小量的掺杂剂和/或其它杂质或夹杂物。还可包括硼(B)。术语“无AlxGal-xN包覆”是指不存在包含任何摩尔分数Al的波导包覆层，诸如AlxGa1J^GaN超晶格、整块AlxGa1J^或A1N。不用于光学波导的其它层可包含一些量的Al (例如，小于10%A1含量)。例如，AlxGahN电子阻挡层可存在。消除GaN或II1-氮化物基光电子装置中的自发和压电极化效应的一种方法是在晶体的非极性平面上生长II1-氮化物装置。这样的平面包含相等数目的Ga(或III族原子)和N原子并且是电中性的。此外，随后的非极性层彼此是等同的，所以整块晶体沿着生长方向将不被极化。GaN中两个这种系列的对称等同非极性平面是{11-20}系列，被总称为a-平面，和{1-100}系列，被总称为m-平面。因此，非极性II1-氮化物沿着与II1-氮化物晶体的(0001) C-轴垂直的方向生长。降低(Ga，Al，In，B)N装置中的极化效应的另一方法是在晶体的半极性平面上生长装置。术语“半-极性平面”(也称为“半极性平面”)可用于指不能被归为C-平面、a-平面或m-平面的任何平面。在晶体学术语中，半极性平面可包括任何平面，其具有至少两个非零h、i或k Miller指数和非零IMiller指数。技术描述对于半极性II1-氮化物异质外延的情况，显著的应力松弛可通过预先存在的TD的滑移实现。图1是图解对于在半极性(ll_22)GaN基底102上生长的应变异质外延(Al, In) GaN层100的示例性情况通过TD滑移的MD形成的示意性透视图。MD线方向对应于滑移平面104(其是基础平面滑移的(0001))和生长平面106的交叉(intersection)，对于图1其对应于平面中m-轴[1-100]。还显示了(Al，In)GaN层100和GaN基底102之间的异质界面108，层100所沉积的基底102的非图案化表面110，以及(11-22)和(1_1_23)方向。作为简单的估计，最大MD密度给出为
权利要求
1.半极性或非极性II1-氮化物装置，其包括: 半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层，其具有IO6CnT2或更大的穿透位错密度；和 异质结构，其包括半极性或非极性II 1-氮化物装置层，生长在半极性或非极性II 1-氮化物基底或外延层上，其中所述异质结构的失配位错密度为IO4CnT2或更小。
2.权利要求1的装置，其中: 所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层包括一个或多个台面，所述台面沿着穿透位错滑移的方向具有尺寸1，由此形成所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的图案化表面；并且 所述异质结构异质外延地且共格地生长在所述图案化表面上。
3.权利要求2的装置，其中I在10微米和I毫米之间。
4.权利要求2的装置，其中至少一个异质结构的层具有与所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层不同的II1-氮化物组成。
5.权利要求2的装置，其中所述异质结构和所述图案化表面之间的异质界面包括，相比在所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上异质外延地且共格地生长的半极性或非极性II1-氮化 物异质结构所产生的失配位错密度，降低至少10倍的失配位错密度。
6.权利要求2的装置，其中所述异质结构和所述图案化表面之间的异质界面包括，相比在所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上异质外延地且共格地生长的半极性或非极性II1-氮化物异质结构所产生的失配位错密度，降低至少1000倍的失配位错密度。
7.权利要求1的装置，其中所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的一层或多层，与下列相比，更厚，并具有更高的合金组成: 在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层，或 在半极性或非极性II1-氮化物基底的不同图案化表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层。
8.权利要求1的装置，其进一步包括在所述图案化表面上的装置结构，其中: 所述装置结构用于非极性或半极性II1-氮化物发光二级管(LED)或激光二级管(LD)，并且 所述装置结构包括所述异质结构，以及一个或多个活性层，其发射在与绿光波长或更长的波长对应的一个或多个波长处具有峰值强度的光，或者在500nm或更长的波长处具有峰值强度的光。
9.权利要求8的装置，其中所述活性层包括II1-氮化物含铟层，其足够厚并且具有足够高的铟组成，以便所述LED或LD发射具有所述波长的光。
10.权利要求9的装置，其中: 所述装置结构包括波导层，其包括足够厚且具有一定组成的II1-氮化物层，以发挥作为所述LD或LED的波导层的功能，或 所述装置结构包括波导和包覆层，其包括足够厚且具有一定组成的II1-氮化物层，以发挥作为所述LD或LED的波导和包覆层的功能。
11.权利要求11的装置，其中所述活性层和所述波导层包括一个或多个具有GaN阻挡层的InGaN量子阱，所述包覆层包括一个或多个循环的交替AlGaN和GaN层。
12.权利要求1的装置，其中: 一个或多个所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的厚度和组成足够高，以使包括所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的膜具有与对于松弛的膜临界厚度接近或更大的厚度，并且 所述临界厚度是针对沉积在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上的一个或多个半极性或非极性II1-氮化物装置层。
13.制造半极性或非极性II1-氮化物装置的基底的方法，包括: 图案化半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的表面并在其上形成一个或多个台面，由此形成所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的图案化表面，其中: 各所述台面沿着穿透位错滑移的方向具有尺寸1，其中所述穿透位错滑移由异质外延地且共格地沉积在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上的半极性或非极性II1-氮化物层产生。
14.权利要求13的方法，其中所述非极性或半极性II1-氮化物基底的预先存在的穿透失错密度为至少105cm_2，或者在IO5和107cm_2之间。
15.权利要求13的方法，其中I在ΙΟμπι和Imm之间。
16.权利要求13的方法，其进一步包括在所述图案化表面上共格地生长包括半极性或非极性II1-氮化物装置层的异质结构，其中所述半极性或非极性II1-氮化物层的至少一个具有与所述非极性或半极性II1-氮化物基底或外延层不同的II1-氮化物组成。
17.权利要求16的方法，其所述异质结构和所述图案化表面之间的异质界面包括，相比异质外延地且共格地生长在所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上的半极性或非极性II1-氮化物异质结构所产生的失配位错密度，降低至少10倍的失配位错密度。
18.权利要求16的方法，其中所述异质结构和所述图案化表面之间的异质界面包括，相比异质外延地且共格地生长在所述半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上的半极性或非极性II1-氮化物异质结构所产生的失配位错密度，降低至少1000倍的失配位错密度。
19.权利要求16的方法，其中所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的一层或多层，与下列相比，更厚，并具有更高的合金组成: 在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的同轴表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层，或 在所述半极性或非极性II1-氮化物基底的不同邻近表面上生长的半极性或非极性II1-氮化物装置层。
20.权利要求16的方法，其进一步包括在所述图案化表面上生长装置结构，所述装置结构包括非极性或半极性II1-氮化物发光二级管(LED)或激光二级管(LD)的非极性或半极性II1-氮化物层， 其中: 所述装置结构包括所述异质结构，以及一个或多个活性层，其发射在与绿光波长或更长的波长相应的一个或多个波长处具有峰值强度的光，或者在500nm或更长的波长处具有峰值强度的光。
21.权利要求20的方法，其中所述活性层包括II1-氮化物含铟层，其足够厚并且具有足够高的铟组成，以使所述LED或LD发射具有所述波长的光。
22.权利要求21的方法，其中: 所述装置结构包括波导层，其包括足够厚且具有一定组成的II1-氮化物层，以发挥作为所述LD或LED的波导层的功能，或 所述装置结构包括波导和包覆层，其包括足够厚且具有一定组成的II1-氮化物层，以发挥作为所述LD或LED的波导和包覆层的功能。
23.权利要求22的方法，其中所述活性层和所述波导层包括一个或多个具有GaN阻挡层的InGaN量子阱，所述包覆层包括一个或多个循环的交替AlGaN和GaN层。
24.权利要求13的方法，其中: 一个或多个所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的厚度和组成足够高，以使包括所述半极性或非极性II1-氮化物装置层的膜具有与对于松弛的膜临界厚度接近或更大的厚度，并且 所述临界厚度是针对在半极性或非极性II1-氮化物基底或外延层的非图案化表面上沉积的一个或多个半极性或非极性II1-氮化物装置层。
25.半极性II1-氮化物装置的基底，其包括: 半极性II1-氮化物基底或外延层的表面上的一个或多个台面，形成所述半极性II1-氮化物基底或外延层的图案化表面，其中: 各所述台面沿着穿透位错滑移的方向包括尺寸I。
全文摘要
制造半极性III-氮化物装置的基底的方法，包括图案化半极性III-氮化物基底或外延层的表面并在其上形成一个或多个台面，由此形成包括各台面的半极性III-氮化物基底或外延层的图案表面，各台面沿着穿透位错滑移的方向具有尺寸l，其中穿透位错滑移由基底或外延层的非图案表面上异质外延地和共格地沉积的III-氮化物层产生。
文档编号H01S5/00GK103190041SQ201180051842
公开日2013年7月3日 申请日期2011年10月26日 优先权日2010年10月26日
发明者J·S·斯派克, A·泰亚吉, S·P·德恩巴阿斯, S·纳卡姆拉 申请人:加利福尼亚大学董事会