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CN102484142A - 通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制 - Google Patents

通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制 Download PDF

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CN102484142A
CN102484142A CN2010800373295A CN201080037329A CN102484142A CN 102484142 A CN102484142 A CN 102484142A CN 2010800373295 A CN2010800373295 A CN 2010800373295A CN 201080037329 A CN201080037329 A CN 201080037329A CN 102484142 A CN102484142 A CN 102484142A
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CN
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substrate
bottom layer
strain
epitaxial structure
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CN2010800373295A
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太田裕朗
武凤
阿努拉格·蒂雅吉
阿尔潘·查克拉伯蒂
詹姆斯·S·斯佩克
斯蒂芬·P·登巴尔斯
中村修二
埃林·C·永
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University of California San Diego UCSD
Original Assignee
University of California San Diego UCSD
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Abstract

本发明涉及一种用于基于III氮化物的光学装置的外延结构，其包括在下伏层上的具有各向异性应变的作用层，其中所述下伏层中的晶格常数及应变由于存在错配位错而在至少一个方向上部分或完全驰豫，以便通过所述下伏层调制所述作用层中的所述各向异性应变。

Description

通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制
相关申请案交叉参考
本申请案在35U.S.C.第119(e)部分下主张以下共同待决并且共同让与的美国临时专利申请案的权益：
2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“通过具有错配位错的部分或完全驰豫氮化铝铟镓层的半极性氮化物量子阱中的各向异性应变控制(ANISOTROPIC STRAIN CONTROL IN SEMIPOLARNITRIDE QUANTUM WELLS BY PARTIALLY OR FULLY RELAXED ALUMINUMINDIUM GALLIUM NITRIDE LAYERS WITH MISFIT DISLOCATIONS)”、代理人档案号为30794.318-US-P1(2009-743-1)的第61/236,059号美国临时专利申请案；及
2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置(SEMIPOLAR NITRIDE-BASED DEVICES ON PARTIALLY ORFULLY RELAXED ALLOYS WITH MISFIT DISLOCATIONS AT THEHETEROINTERFACE)”、代理人档案号为30794.317-US-P1(2009-742-1)的第61/236,058号美国临时申请案；
所述申请案以引用方式并入本文中。
本申请案涉及以下共同待决并且共同让与的美国专利申请案：
与本申请案在同一天提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(ShujiNakamura)的标题为“在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置(SEMIPOLAR NITRIDE-BASED DEVICES ON PARTIALLY ORFULLY RELAXED ALLOYS WITH MISFIT DISLOCATIONS AT THEHETEROINTERFACE)”、代理人档案号为30794.317-US-U1(2009-742-2)的第xx/xxx,xxx号美国实用新型申请案，所述申请案在35U.S.C.第119(e)部分下主张以下美国临时申请案的权益：2009年8月21日提出申请的太田博明(Hiroaki Ohta)、吴峰(Feng Wu)、阿努拉格·泰亚吉(Anurag Tyagi)、阿尔班·查克拉波尔迪(Arpan Chakraborty)、詹姆士，S.斯班克(James S.Speck)、史蒂文，P.德巴拉斯(Steven P.DenBaars)及中村修二(Shuji Nakamura)的标题为“在异质界面处具有错配位错的部分或完全驰豫合金上的基于半极性氮化物的装置(SEMIPOLAR NITRIDE-BASED DEVICES ON PARTIALLYOR FULLY RELAXED ALLOYS WITH MISFIT DISLOCATIONS AT THEHETEROINTERFACE)”、代理人档案号为30794.317-US-P1(2009-742-1)的第61/236,058号美国临时申请案；
所述申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及生长于调制作用层中的应变由此调制作用层的能带结构及所发射光的偏振的模板上的光学装置，例如发光二极管(LED)及激光二极管(LD)。
背景技术
(注意，本申请案参考如在整个说明书中由括号内的一个或一个以上参考编号(例如，[x])所指示的若干不同出版物。可在下文标题为“参考文献”的章节中找到根据所述参考编号排序的所述不同出版物的列表。所述出版物中的每一者以引用方式并入本文中。)
在参考文献[1到3]中，展示出量子阱(QW)中应变的存在可调制QW的能带结构(自发发射的偏振及增益)。此是众所周知的现象(举例来说，参见[4])。通常，具有六方纤维锌矿晶体结构的半极性氮化物外延层中的应变由于不同的晶格参数a及c(晶格各向异性)而为各向异性的。参考文献[5]报告以下晶格常数值：a(AlN)＝3.112埃，a(GaN)＝3.189埃，a(InN)＝3.54埃，c(AlN)＝4.982埃，c(GaN)＝5.185埃且c(InN)＝5.705埃。
然而，此应变各向异性是由所考虑的外延层与所述所考虑的层相干地生长于其上的衬底之间的晶格常数的差自动确定。因此，在本发明之前，没有方法控制QW中应变的各向异性。
图1图解说明在山口(Yamaguchi)的研究[1]中所使用的坐标系，其中X2为c轴投影且θ指示衬底的定向(例如，θ＝0对应于c平面衬底)。图2(a)到(c)图解说明未应变QW、厚的应变GaN膜及具有各向同性平面内双轴应变的压缩应变QW的平面内发光偏振度的衬底定向相依性。由于薄QW所致的量子局限效应导致平行于X2的发光偏振，如图2(a)中所展示。另一方面，压缩应变导致平行于X1的发光偏振，如图2(b)中所展示。图3图解说明GaN衬底上的相干生长的In0.3GaN QW的平面内发光偏振度的衬底定向相依性。因此，图2及3图解说明由不同应变(例如，各向异性应变)情形产生的不同发光偏振或能带结构。在图2及3中所展示的这些计算中，假设晶格常数的差针对a及c晶格参数分别为3.3％及3.0％。
因此，如果可调制应变各向异性，如本发明中所展示，那么LED/LD中的光学特性可高度自由地改变。
发明内容
本发明提供一种用以控制光学/电子装置的基于半极性氮化物的作用层中应变的各向异性的方法。到目前为止，由于穿过装置层的位错导致拙劣装置性能，因此所有基于氮化物的装置通常是相干生长而来。基于本发明的发现，错配位错(MD)可限于位于远离装置层处的区/界面。因此，本发明实现装置层中的应变控制同时维持高装置性能/效率。
为克服现有技术中的限制，且克服将在阅读及理解本说明书之后明了的其它限制，本发明揭示用于基于III氮化物的光学装置的外延结构，其包括形成于III氮化物下伏层(贯穿本揭示内容也称作底层)上的具有各向异性应变的III氮化物作用层，其中所述下伏层中的晶格常数及应变由于在所述底层下面的异质界面处存在错配位错而抵靠衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫，以使得通过所述下伏层调制所述作用层中的所述各向异性应变。
所述底层通常沿着所述第一方向驰豫且所述底层通常不沿着垂直于所述第一方向的第二方向驰豫。
在一个实施例中，所述衬底为半极性GaN衬底，所述底层沉积或生长在所述GaN衬底的为半极性平面的顶部表面上，所述底层沿着平行于所述底层的平面内c投影的方向驰豫，所述底层不沿着所述底层的m轴方向驰豫，且所述作用层沉积或生长在所述底层的为半极性平面的顶部表面上。
举例来说，所述衬底可为非极性或半极性的，从而产生非极性或半极性装置。
所述MD可经定位以调制所述各向异性应变，以使得所述作用层中的应变具有在所述作用层中的第一方向上的第一应变及所述作用层中的第二方向上的第二应变。
所述第一方向可平行于平面内c投影(X2)，所述第二方向可垂直于所述第一方向(例如，在m轴方向上)，且所述MD可沿着所述第一方向。
所述底层可生长于所述衬底上且所述底层中的所述晶格常数及应变可抵靠所述衬底部分或完全驰豫，以使得所述底层中的所述晶格常数变成其自然值而非被约束为与所述衬底的晶格常数相同的值，且所述底层无应变。
所述作用层可为AlInGaN QW或多量子阱(MQW)(例如，非极性或半极性QW)。举例来说，所述下伏层可为其中In成份＞0的InAlGaN，且所述作用层可包括其中In成份＞20％的InGaN。所述QW可具有一In成份及厚度使得所述QW发射在绿色光谱区中具有峰值波长的光。
所述作用层可包括具有大于3纳米的厚度的一个或一个以上QW，且所述MD可经定位以调制所述各向异性应变，以使得由所述QW发射的光具有净X2偏振。
本发明进一步揭示一种制作用于基于III氮化物的光学装置的外延结构的方法，其包括：在衬底上形成III氮化物底层，以使得下伏层中的晶格常数及应变由于在所述底层下面的异质界面处存在错配位错而抵靠所述衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫；及在所述下伏层上形成III氮化物作用层，以使得通过所述下伏层调制或控制所述作用层中的各向异性应变。
所述方法可进一步包括通过在所述底层与所述衬底或所述底层下方的层之间形成所述异质界面来形成所述MD，其中所述底层及所述衬底或所述底层及所述层各自具有不同的III氮化物合金成份，且所述错配位错局部化在所述异质界面周围，由此消除所述作用层周围的层中的所述错配位错。
所述方法可进一步包括通过在所述衬底上不相干地生长所述底层来形成所述底层，及通过在所述底层上相干地生长所述作用层来形成所述作用层。所述底层下方的额外层可为相干地生长于所述衬底上的另一底层。
通过所述底层中的依据所述底层中的方向变化的驰豫度来调制所述各向异性应变，以便(举例来说)控制所述底层的能带结构且控制所述作用层的能带结构。
附图说明
现在参考图式，在所有图式中相同参考编号都代表对应部件：
图1图解说明山口的研究[1]中所使用的坐标系。
图2图解说明(a)未应变QW、(b)厚应变GaN膜及(c)具有各向同性平面内双轴应变的压缩应变QW的平面内发光偏振度的衬底定向相依性，其中0度对应于极性c平面(0001)定向，而90度对应于非极性a(11-20)及m(10-10)平面定向，且中间角度对应于半极性定向。
图3图解说明GaN衬底上相干生长的InGaN QW的平面内发光偏振度的衬底定向相依性。
图4是在g＝01-10衍射条件下在生长于(11-22)GaN上的GaN/AlGaN超晶格(SL)的下部分的界面周围拍摄的透射电子显微镜(TEM)亮视场图像，其展示异质界面处的MD，其中比例尺为100纳米(nm)。
图5(a)是[1-100]晶带轴周围的TEM图像，其中可看到包含SL的整个半极性(11-22)LD装置外延层(从上部到下部)，且比例尺为0.2微米(μm)，且图5(b)描绘对应电子束衍射图案(DP)[6]。
图6(a)到(c)展示前述装置(图4、及图5(a))的不同外延层的TEM图像，其中(a)展示100周期p-AlGaN/GaN超晶格且还展示100nm厚的p-GaN，其中超晶格中的p-AlGaN为3nm厚，超晶格中的GaN为2nm厚；(b)具有2周期InGaN QW的作用区；及(c)QW下面的n-AlGaN/GaN SL，其中比例尺为100nm。
图7是图解说明主要在用黑箭头标记的异质界面处产生且稍微在用虚线箭头标记的层中找到的MD的TEM图像，其中比例尺为50nm。
图8(a)是从晶带轴[2-1-10]拍摄的TEM图像，其中比例尺为0.2μm，且图8(b)描绘对应电子束DP。
图9(a)是在g＝01-10的情形下拍摄的TEM亮视场图像，其中由于试样从[1-100]倾斜到[2-1-10]，可看到MD为段，其中比例尺为50nm，且图9(b)描绘对应电子束DP。
图10是对应于本发明实施例的生长于(11-22)GaN上的外延结构的横截面示意图。
图11是根据本发明实施例的生长于(11-22)GaN上的光学装置结构的横截面示意图。
图12是图11的光学装置中的层的俯视图。
图13是根据本发明的生长于(11-22)GaN上的装置的沿着(10-10)平面的横截面示意图。
图14是图13中的装置的沿着(11-23)平面的横截面示意图。
图15是图解说明本发明的方法的流程图。
图16图解说明根据山口[1]在(11-22)定向的AlInGaN四元合金衬底上的(a)2nm、(b)3nm及(c)10nm厚的In0.3GaN QW中产生最大光学矩阵元素的偏振的合金成份相依性。
图17图解说明采用相干生长的外延层的装置。
图18图解说明如本发明中所描述的使用非相干生长的模板生长的装置。
图19(a)图解说明m平面LD，其展示m轴方向、11-22轴方向及所发射光的方向，且图19(b)图解说明半极性(11-23)LD，其展示11-23轴(c投影)、11-22轴方向及所发射光的方向。
具体实施方式
在以下优选实施例的说明中，参考形成本发明一部分的附图，并且其中以说明方式展示可实践本发明的具体实施例。应了解，可利用其它实施例并且可在不背离本发明范围的情况下作出结构性改变。
概述
在另一层(Y)上生长的外延层(X)(其中层Y自身可为外延层或者衬底)可相对于Y是相干的或部分驰豫的或完全驰豫的。对于相干生长的情况来说，X的平面内晶格常数被约束为与下伏层Y相同。如果X为完全驰豫的，那么X的晶格常数呈其自然(即，不存在任何应变)值。如果X相对于Y既不相干也不完全驰豫，那么认为其为部分驰豫的。在一些情况下，衬底可能具有某一残余应变。
因此，对于部分驰豫的情况来说，底层中的晶格常数不完全与自然值相同。另外，有时，衬底也具有小应变，然而，此应变相当小。
可使用具有不同合金成份的AlInGaN膜制作在异质界面处由晶格常数失配导致的MD。效应是可将MD在空间上局限于异质界面的紧密附近，由此消除装置层中QW周围的MD，且维持高装置性能。
技术说明
命名
打算将本文中所使用的术语(Al，Ga，In)N、III氮化物或AlInGaN广泛地解释为包含单个物质Al、Ga及In的相应氮化物，以及此些III族金属物质的二元、三元及四元成合物。因此，措词(Al，Ga，In)N或AlInGaN或III氮化物囊括化合物AlN、GaN及InN，以及三元化合物AlGaN、GaInN及AlInN及四元化合物AlGaInN作为包含在此命名中的物质。当存在(Ga，Al，In)组份物质中的两者或两者以上时，可在本发明的广泛范围内采用包含计量化学比例以及“非化学计量”比例(关于组合物中存在的(Ga，Al，In)组份物质中的每一者的相对摩尔分数存在)的所有可能组合物。因此，将了解，后文主要参考GaN材料的对本发明的论述适用于各种其它(Al，Ga，In)N材料物质的形成。此外，在本发明范围内的(Al，Ga，In)N材料可进一步包含少量掺杂剂及/或其它杂质或可包含的材料。
以类似方式，本发明中也可使用AlGaInBN。
装置结构
图4、5(a)、6(a)到(c)、7、8(a)及9(a)是图解说明MD 400存在于基于半极性(11-22)氮化物的外延层404、406中的异质界面402处的发现的TEM图像。在此新发现中，MD 400的存在仅限于具有晶格常数失配(具有不同合金及/或合金成份)的层404、406之间的异质界面周围。换句话说，具有限于异质界面402的MD 400的外延层不具有穿过层404且朝向生长方向(垂直于异质界面402)的清晰位错。此指示本发明提供用以在原始衬底406上获得具有驰豫晶格常数的无位错合金模板的方法。
由于MD，沿着一个平面内方向(垂直于位错线方向)的晶格常数是驰豫的。在垂直平面内方向上不发生驰豫(即，维持相干性)。
图4是在g＝01-10衍射条件下在生长于(11-22)GaN 406上的GaN/AlGaN SL 404的下部分的界面402周围拍摄的TEM亮视场图像，其展示异质界面402处的MD 400。
图5(a)是[1-100]晶带轴周围的TEM图像，其中可看到包含SL的整个半极性(11-22)LD装置外延层(从上部到下部)，且图5(b)描绘对应电子束衍射图案(DP)[6]。
图6(a)到(c)展示前述的装置的不同外延层的TEM图像，其展示(a)100周期p-AlGaN/GaN超晶格600且还展示100nm厚的p-GaN 602，其中超晶格600中的p-AlGaN为3nm厚，超晶格600中的GaN为2nm厚；(b)具有2周期InGaN QW的作用区604；及(c)QW 604下面的n-AlGaN/GaN SL 606。
图7是图解说明包括以下各项的外延结构的TEM图像：n-AlGaN/GaN SL 700、SL700上的n-GaN层702、n-GaN层702上的n-InGaN层704、n-InGaN层704上的InGaNQW 706、QW 706上的p-AlGaN电子阻挡层(EBL)708、EBL 708上的p-InGaN层710、p-InGaN层710上的p-GaN层712及p-GaN层712上的p-AlGaN/GaN SL 714。所述TEM图像进一步图解说明主要在用实线黑箭头718a到d标记的异质界面处产生且稍微在用虚线箭头720标记的层中找到的MD 716。
图8(a)是从晶带轴[2-1-10]拍摄的TEM图像，且图8(b)描绘对应电子束DP。
图9(a)是在g＝01-10的情形下拍摄的TEM亮视场图像，其中由于试样从[1-100]倾斜到[2-1-10]，可看到MD 900为段，且图9(b)描绘对应电子束DP。
图10图解说明基于III氮化物的光学装置1000的外延结构，其包括在下伏层1006(也称作层II或B，例如，具有5％到10％In的InGaN层)上的具有各向异性应变的一个或一个以上作用层1002、1004(也称作层I或层A，例如，具有30％In的InGaN层)，其中下伏层1006中的晶格常数及应变由于MD 1008的存在在至少一个方向上是部分或完全驰豫的。在图10中，底层1006沿着[11-23]方向驰豫，但不沿着m方向[10-10]驰豫。底层1006可通过底层1006下面的异质界面1010处的MD 1008来驰豫。效应是通过下伏层1006调制作用层1002、1004中的应变(特定来说，应变各向异性)。以此方式，可调制能带结构、光学矩阵元素、自发发射偏振及增益。层I 1002、1004中的应变可部分释放且与不具有层II 1006的情况相比较，在层I 1002、1004中总应变可变小。应变量可取决于所使用的实际成份及驰豫度。在一个实施例中，可驰豫高达～50％的应变。在图10的实例中，层1006生长于为标准再生长的GaN的层1012(或层III或C)上。层III生长于(11-22)GaN衬底1014上，且具有5％到10％In的InGaN层1016、1018生长于层1002的任一侧上。层1016为QW之间的势垒，层1018为p型层且层1006为n型层。
更具体来说，可通过具有局部化MD 1008(也参见图4、5(a)到(b)、6(a)到(c)、7、8(a)到(b)及9(a)到(b))的部分或完全驰豫下伏层1006(层B)控制QW 1002、1004(例如，层A)中的应变各向异性，以使得可任意地调制QW 1002、1004的能带结构。ε11-23(沿着平面内c投影的应变)是由层A与B之间的晶格常数差确定。ε10-10(沿着m轴的应变)是由层A与C之间的晶格常数差确定。[11-22]方向及[11-23]方向(平行(||)于平面内c投影)在图10中由箭头指示，且[10-10]方向(垂直于图的平面，由实心圆圈指示)也展示于图10中。
举例来说，作用层A可为AlInGaN QW或MQW。效应是高辐射重组速率、较高增益及由于QW局限效应所致的额外能带结构调制[1到3]。
在另一实例中，层II为InAlGaN(In成份＞0)且层I为InGaN(In成份＞20％)。效应是可在蓝色、绿色、琥珀色LED/LD中控制发光偏振比。本发明可修改此光谱区的光学矩阵元素及增益。
图11图解说明光学装置1100(例如，LED或LD)的实例，所述光学装置包括在(11-22)定向的In0.1GaN底层1104上的作为作用层的In0.3GaN QW 1102。In0.1GaN底层1104在标记为“驰豫的”的箭头的方向上驰豫，但不沿着m轴方向驰豫(因此，在一个方向上发生驰豫)。还展示MD 1106、[11-22]方向(由标记为[11-22]的箭头指示)及[11-23]方向(其平行(||)于平面内c投影方向且由标记为[11-23]{||平面内c投影的箭头指示)。
图12是图11中的底层1104(例如，In0.1GaN或具有在10％到30％范围中的In成份的InGaN)的俯视图。m轴方向、[11-23]方向、InGaN的沿着m轴方向的晶格失配(Δm)及InGaN的沿着平面内c轴投影方向的失配都在图12中由箭头指示。沿着m轴的应变εm大于沿着平面内c轴投影的应变εc，此实现对InGaN底层的能带结构的控制，所述底层的能带结构影响作用层的能带结构([1]、[2]及[4])。
图13是结构1300的m平面(10-10)横截面，其包括在In0.1GaN层1304上的作为作用层的In0.3GaN QW 1302。In0.1GaN层1304生长于In0.3GaN底层1306(其外延生长于(11-22)GaN衬底1308的顶部表面上(其中所述顶部表面为(11-22)半极性平面))上，由此形成GaN衬底1308与In0.3GaN底层1306之间具有MD 1312的异质界面1310。In0.3GaN底层1306在平面内c投影[11-23]方向(由标记为[11-23](||平面内c投影的箭头指示)上是驰豫的(无应变)。In0.1GaN/In0.3GaN界面1314也可能具有MD。[11-22]方向也由标记为[11-22]的箭头指示。
图14是图13中的结构的横截面，但是沿着(11-23)平面的横截面，其展示III氮化物的m轴的方向(标记为[10-10]的箭头)。包括In0.3GaN的InGaN下层1306不沿着m轴驰豫，此由无MD证明。此情况下的εm是由In0.3GaN 1306与GaN 1308之间的晶格常数差引起，从而导致ε11-23(或εc)＝0且εm＜0(即，压缩应变)。[11-22]方向也由标记为[11-22]的箭头指示。
工艺步骤
图15是图解说明制作本发明的外延结构(例如，基于III氮化物的光学装置)的方法的流程图。所述方法包括以下步骤。
框1500表示提供与后续生长的模板层形成异质界面(框1502)的高质量半极性GaN衬底。所述衬底可为半极性GaN衬底，举例来说，例如(11-22)衬底，但也可能是其它定向，例如(但不限于)(11-22)、(10-1-1)或(10-1-3)平面等。可使用其它衬底，例如(但不限于)块体AlInGaN、高质量GaN衬底、m蓝宝石衬底或尖晶石衬底。也可使用非极性衬底。
框1504表示在衬底上(举例来说，在衬底的顶部表面上)形成(例如，生长或沉积)一个或一个以上层、底层或模板层(其中，举例来说，所述顶部层可为半极性平面)。所述形成可包括在衬底上不相干地生长模板或下伏层，由此产生具有驰豫晶格常数的模板层。举例来说，可在衬底上形成底层，以使得下伏层中的晶格常数及应变由于在底层下面的异质界面1502处存在MD而抵靠衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫。以此方式，底层中在至少一个方向上的晶格常数变成其自然值，而非被约束为与衬底的晶格常数相同的值，且所述底层在至少一个方向上无应变。
MD可由底层与衬底或底层下方的层之间的异质界面引起，其中底层及衬底或底层及底层下方的层各自具有不同的III氮化物合金成份，且MD局部化在异质界面周围，由此消除作用层周围的层中的MD。
底层通常沿着第一方向驰豫，但不沿着第二方向驰豫。第一方向可平行于底层的平面内c投影(X2)且第二方向可垂直于第一方向(例如，m轴方向)。
MD是沿着驰豫的第一方向。MD可经定位以调制各向异性应变，以使得作用层中的应变具有在第一方向上的第一应变及在第二方向上的第二应变。底层中沿着平行于平面内c投影(X2)的第一方向的第一应变可比底层中沿着第二方向的第二应变小。
因此，可通过底层中的依据底层中的方向变化的驰豫度来调制各向异性应变。以此方式，举例来说，可控制底层及作用层两者的能带结构(及贯穿本揭示内容所论述的其它参数)。
通常，平行于c投影的平面内晶格常数是驰豫的，但驰豫方向及非驰豫方向确实取决于底层及/或衬底的半极性定向及/或合金成份。对于常用的半极性平面来说，不相干的晶格常数通常是平行于c轴的投影的平面内晶格常数(其不同于a、c两者)
因此，驰豫方向总是沿着c投影且非驰豫方向总是垂直于c投影不是必须的。然而，由于归因于半极性纤维锌矿III氮化物的晶体结构基面滑移是支配应变驰豫机制，因此具有垂直于c投影的线方向的MD将可能首先形成。因此，初始驰豫将沿着c投影(驰豫方向垂直于MD方向)。如果膜中的应变能量足够大，那么垂直于c轴的平面内方向也可经历驰豫。在一个实施例中，本发明可针对两个方向计算形成MD的临界厚度。接着，当层厚度达到对应临界厚度时，将导致MD。因此，一旦针对一个方向，层厚度达到临界厚度，则所述层将在对应方向上驰豫。
驰豫程度可取决于晶格常数且机械性质取决于定向及晶格方向[6]。
底层下方的额外层可包含相干地生长于衬底上的其它底层。“底层”上面的层相干地生长于具有不同于底层的晶格常数的“底层”上，因为“底层”导致晶格常数的驰豫。只要层厚度小于临界厚度，那么材料就相干地生长。
框1506表示在下伏层或模板层上生长装置结构(例如，作用层)。可将作用层沉积在底层的顶部表面上，其中底层的顶部表面为半极性平面。可在模板层上无位错地生长装置结构。可在下伏层上形成作用层，以使得通过下伏层调制或控制作用层中的各向异性应变。
下伏层可为其中In成份＞0的InAlGaN，且作用层可包括其中In成份＞20％的InGaN。作用层可包括具有大于3nm的厚度的一个或一个以上QW，且MD可经定位以调制各向异性应变，以使得由QW发射的光具有净X2偏振。
QW可具有一In成份及厚度使得QW发射在绿色光谱区中具有峰值波长的光。QW可为半极性或非极性QW。
形成作用层可包含在底层上相干地生长作用层。
框1508表示所述方法的最终结果，即用于例如光学装置的装置的外延结构，其包括在具有MD的异质界面上或在部分驰豫或完全驰豫模板层上的作用层。基于III氮化物的光学装置的外延结构可包括形成在下伏层上的具有各向异性应变的作用层，其中因此下伏层中的晶格常数及应变由于在底层下面的异质界面处存在MD而抵靠衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫，以使得通过下伏层调制作用层中的各向异性应变。
所述结构通常使用(举例来说)常规分子束外延(MBE)或金属有机气相沉积(MOCVD)来生长，但也可使用其它沉积方法。
举例来说，装置结构可为光学装置或电子装置(例如，晶体管)。如所述技术中已知，可添加其它层、触点或特征以制作光电子/电子装置。
也可制作非极性衬底上的非极性装置。
优点及改进
在山口论文[1]中，通过使用InGaN或另一四元衬底来改变X1、X2及X3当中的最强分量，如图16中所展示(取从[1])。在此情况下，采取衬底上的相干生长。
本发明可打破在一个方向上的相干性以便调制QW中的应变且另外调制能带结构(即，发光偏振、增益等)。从另一观点来看，本发明实现基于驰豫晶格常数合金的模板(衬底)。
半极性(11-22)QW的应变驰豫使得本发明能够：(1)借助薄QW容易地获得X2偏振(其实现制作具有裂开的m平面小面的m轴腔LD)，及(2)从具有相同In成份的LD或LED获得较长波长发射(即，针对既定In成份，本发明可从光学装置获得比不根据本发明制作的装置长的波长发射)。举例来说，本发明相当有效地实现发射对应于绿色光的波长的LD或LED。
如图17中所图解说明，先前技术[5]相干地1706生长GaN 1700及GaN 1700上的装置层1702(包含InGaN QW 1704)。在相干生长中，(晶格常数的)晶格失配Δ导致应变(例如，对于InGaN情况，导致压缩应变)。此导致InGaN作用层(例如，1704)中的大的压缩应变ε。换句话说，晶格失配Δ(其中Δ为GaN衬底1700的晶格常数减去InGaN QW 1704的晶格常数)为负，对应于InGaN层1704中的压缩或受压应变ε。在以上计算中，可使用GaN的晶格常数及GaN的晶格常数
Figure BPA00001514932800122
如图18中所图解说明，与先前技术相比较，本发明可实现较小压缩应变。在图18中，相干地1802生长GaN衬底1800或模板，且在GaN衬底1800或模板上不相干地1806生长模板A(例如，InGaN 1804)。接着，可在模板A 1804上相干地1812生长装置层1808(包含InGaN QW 1810)。压缩应变小于图17中所图解说明的情况。具体来说，在具有MD 1814的界面上面的层A 1804中，沿着垂直于MD线方向的方向1816的晶格常数是驰豫的。晶格失配Δ′(其中Δ′为模板层1804的晶格常数减去InGaN QW1810的晶格常数)小于图17中的Δ。另外，InGaN QW 1810中的应变ε′小于作用层1704中的ε。
在以上计算中，可使用GaN的晶格常数
Figure BPA00001514932800123
GaN的晶格常数
Figure BPA00001514932800124
InN的晶格常数
Figure BPA00001514932800125
及InN的晶格常数
Figure BPA00001514932800126
沿着驰豫方向1816计算Δ′、Δ、ε′及ε。
一种减小或可能消除GaN光电子装置中的极化效应的方法是在晶体的半极性平面上生长装置。术语“半极性平面”可用来指代拥有两个非零h、i或k密勒指數及一非零l密勒指數两者的各种平面。因此，半极性平面被定义为在(hkil)密勒-布拉维指数标定惯例中具有非零h或k或i指数及非零l指数的晶体平面。c平面GaN异质外延中的半极性平面的一些常见实例包含(11-22)、(10-11)及(10-13)平面，其存在于凹坑的小面中。所述平面也恰好是发明者以平坦膜形式生长的相同平面。纤维锌矿晶体结构中的半极性平面的其它实例包含(但不限于)(10-12)、(20-21)及(10-14)。氮化物晶体的极化向量既不在此些平面内也不正交于此些平面伸展，而是相对于平面的表面法线倾斜某一角度伸展。举例来说，(10-11)及(10-13)平面分别与c平面成62.98°及32.06°。
图18图解说明生长于衬底1800的顶部表面1806上的模板层1804，其中顶部表面1808可为半极性平面；及生长于模板或底层1804的顶部表面1810上的作用层1810，其中顶部表面1808也可为半极性平面。
本发明可用于制作发射紫外(UV)(例如，通过采用驰豫AlGaN半极性模板)、绿色、琥珀色或红色光的LED或LD。本发明可特别用于发射绿色或UV光的LD。LED或LD通常基于(11-22)半极性平面(或其它半极性平面)，例如基于半极性GaN，以使得装置以减小发光作用层中的量子局限斯塔克效应的半极性定向生长。
此外，一般来说，压缩应变可产生较高跃迁能量。因此，如果本发明减小生长于本发明的模板或底层上的高In成份InGaN作用层的压缩应变，那么可获得在相同In成份下的较长波长发射。
图19(a)图解说明具有m平面镜像小面的(11-22)平面LD，其展示m轴及11-22方向以及所发射光的方向1900，且图19(b)图解说明具有(11-23)平面镜像小面的半极性(11-22)LD，其展示11-23轴(c投影)、11-22轴方向及所发射光1902的方向。在具有m平面小面的LD中，如果发射具有X2偏振，那么沿着(11-23)的偏振较强。在具有(11-23)镜像小面的LD中，如果发射具有X1偏振，那么沿着(1-100)的偏振较强。
对于(11-22)平面LD来说，在从裂开小面发射的光1902为经偏振的X2的情形下，某些光子(并非所有)具有X2偏振。较高的偏振比(具有X2的光子对具有X1的光子的比)是优选的。本发明能够制作此类(11-22)平面LD。
然而，可在本发明的模板层上生长光电子装置(包含LED、LD)、太阳能电池及电子装置(举例来说，例如高电子迁移率晶体管的晶体管)。
可在[6到8]中找到关于本发明的其它信息。
参考文献
以下参考文献以引用方式并入本文中：
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结论
现在对本发明优选实施例的说明加以总结。出于图解说明和说明的目的陈述对本发明一个或一个以上实施例的上述说明。本说明并非打算包罗无遗或将本发明限制于所揭示的具体形式。此外，并非打算将本发明界限于本文中所描述的科学原理或理论中的任一者。根据上文的教示也可作出许多种修改及改变。本发明的范围并不打算受此详细说明的限制而是受所附权利要求书限制。

Claims (21)

1.一种用于基于III氮化物的光学装置的外延结构，其包括：
形成于III氮化物底层上的具有各向异性应变的III氮化物作用层，其中所述底层中的晶格常数及应变由于在所述底层下面的异质界面处存在错配位错而抵靠衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫，以便通过所述底层调制所述作用层中的所述各向异性应变。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述衬底为半极性GaN衬底，所述底层沉积在所述GaN衬底的为半极性平面的顶部表面上，所述底层沿着平行于所述底层的平面内c投影的方向驰豫，所述底层不沿着所述底层的m轴方向驰豫，且所述作用层沉积在所述底层的为半极性平面的顶部表面上。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述错配位错经定位以调制所述各向异性应变，以使得所述作用层中的应变具有在所述作用层中的第一方向上的第一应变及所述作用层中的第二方向上的第二应变。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述底层沿着所述第一方向驰豫，且所述底层不沿着所述第二方向驰豫。
5.根据权利要求4所述的外延结构，其中所述第一方向平行于平面内c投影(X2)，所述第二方向垂直于所述第一方向，且所述错配位错沿着所述第一方向。
6.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述底层生长于所述衬底上且所述底层中的所述晶格常数及应变抵靠所述衬底部分或完全驰豫，以使得所述底层中的所述晶格常数变成其自然值而非被约束为与所述衬底的晶格常数相同的值，且所述底层无应变。
7.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述作用层为AlInGaN量子阱或多量子阱。
8.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述底层为其中In成份＞0的InAlGaN，且所述作用层包括其中In成份＞20％的InGaN。
9.根据权利要求8所述的外延结构，其中作用层包括具有大于3纳米的厚度的一个或一个以上量子阱，且所述错配位错经定位以调制所述各向异性应变，以使得由所述量子阱发射的光具有净X2偏振。
10.根据权利要求9所述的外延结构，其中所述量子阱具有一In成份及厚度使得所述量子阱发射在绿色光谱区中具有峰值波长的光。
11.根据权利要求9所述的外延结构，其中所述量子阱为半极性或非极性量子阱。
12.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述底层不相干地生长于衬底上。
13.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述错配位错是由各自具有不同的III氮化物合金成份的所述底层与所述衬底或所述底层下方的层之间的所述异质界面引起，且所述错配位错局部化在所述异质界面周围，由此消除所述作用层周围的层中的所述错配位错。
14.根据权利要求13所述的外延结构，其中所述底层下方的所述层为相干地生长于所述衬底上的另一底层。
15.根据权利要求1所述的外延结构，其中所述衬底为非极性或半极性的。
16.一种制作用于基于III氮化物的光学装置的外延结构的方法，其包括：
在衬底上形成III氮化物底层，以使得所述底层中的晶格常数及应变由于在所述底层下面的异质界面处存在错配位错而抵靠所述衬底在至少一个方向上部分或完全驰豫；及
在所述底层上形成III氮化物作用层，以使得通过所述底层调制或控制所述作用层中的各向异性应变。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括通过在所述底层与所述衬底或所述底层下方的层之间形成所述异质界面来形成所述错配位错，其中所述底层及所述衬底或所述底层及所述层各自具有不同的III氮化物合金成份，且所述错配位错局部化在所述异质界面周围，由此消除所述作用层周围的层中的所述错配位错。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述形成所述底层是通过在所述衬底上不相干地生长所述底层。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述形成所述作用层是通过在所述底层上相干地生长所述作用层。
20.根据权利要求16所述的方法，其中在所述衬底上形成所述底层，以使得所述底层沿着第一方向驰豫且所述底层不沿着第二方向驰豫。
21.根据权利要求16所述的方法，其中通过所述底层中的依据所述底层中的方向变化的驰豫度来调制所述各向异性应变，以便控制所述底层的能带结构且控制所述作用层的能带结构。
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