專利名稱：半極性平面iii-氮化物半導(dǎo)體基發(fā)光二極管和激光二極管的氮化鋁鎵阻擋層和分離限制 ...的制作方法
半極性平面111-氮化物半導(dǎo)體基發(fā)光二極管和激光二極管的氮化鋁鎵阻擋層和分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層相關(guān)_請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條119 (e)款要求由You-Da Lin、Hiroaki 0hta>ShujiNakamura、Steven P. DenBaars 和 James S. Speck 在 2010 年 4 月 5 日提交的名稱為“半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基發(fā)光二極管和激光二極管的AlGaN阻擋層和分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層(AlGaN BARRIERS AND SEPARATE CONFINEMENT HETEROSTRUCTURE (SCH) LAYERSFOR SEMIPOLAR PLANE III-NITRIDE SEMICONDUCTOR-BASED LIGHT EMITTING DIODES ANDLASER DIODES)”，代理人案號(hào)為30794. 367-US-P1 (2010-544-1)的共同未決和共同受讓的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/320，954的權(quán)益；在此將該申請(qǐng)引入作為參考。本申請(qǐng)涉及下列共同未決和共同受讓的美國(guó)專利申請(qǐng)由 DanielF. Feezell、Mathew C. Schmidt、Kwang Choong Kim、Robert M. Farrell、Daniel A. Cohen、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和 Shuji Nakamura 在 2008 年 2月12日提交的名稱為“無Al (x)Ga (1-x) N包層的非極性GaN基激光二極管和LED (Al (x)Ga(I-X)N-CLADDING-FREE NON POLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS)”，代理人案號(hào)為30794. 222-US-U1 (2007-424)的美國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)序列號(hào)12/030，117，該申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第 35 條 119(e)款要求由 Daniel F. Feezell、Mathew C. Schmidt、Kwang ChoongKim、Robert M. Farrell、Daniel A. Cohen、James S. Speck、Steven P. DenBaars 和 ShujiNakamura在2007年2月12日提交的名稱為“無Al (x) Ga (l_x) N包層的非極性GaN基激光ニ極管和 LED (Al (x) Ga (1-x) N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES ANDLEDS)”，代理人案號(hào)為30794. 222-US-P1 (2007-424-1)的美國(guó)臨時(shí)專利序列號(hào)60/889，510的權(quán)益；由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars在2010年6月7日提交的名稱為“不對(duì)稱包層的激光二極管(ASYMMETRICALLY CLADDEDLASER DI0DE)”，代理人案號(hào) 30794. 314-US-W0 (2009-614-2)的 PCT 國(guó)際專利申請(qǐng)序列號(hào)US2010/37629，該申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條119(e)款要求由Arpan Chakraborty,You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在 2009 年6 月 5 日提交的名稱為“不對(duì)稱包層的激光二極管(ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DI0DE)”，代理人案號(hào)為30794. 314-US-P1 (2009-614-1)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/184，668的權(quán)益；由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin> Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在2010年6月7日提交的名稱為“長(zhǎng)波長(zhǎng)非極性和半極性(Al，Ga，In) N基激光二極管(LONGWAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In) N BASED LASER DIODES)”，代理人案號(hào)為30794. 315-US-U1 (2009-616-2)的美國(guó)實(shí)用新型申請(qǐng)序列號(hào)12/795，390，該申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第 35 條 119 (e)款要求由 Arpan Chakraborty、You-Da Lin > Shuji Nakamura和Steven P. DenBaars在2009年6月5日提交的名稱為“長(zhǎng)波長(zhǎng)m_平面(Al, Ga, In)N 基激光二極管(LONG WAVELENGTH m-PLANE (Al, Ga, In)N BASED LASER DIODES)”，代理人案號(hào)為30794. 315-US-P1 (2009-616-1)的共同未決且共同受讓的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/184，729的權(quán)益；和由 Po Shan Hsu> Kathryn Μ· KeIchner、Robert M. Farrell、Daniel Haeger>Hiroaki Ohta、Anurag Tyagi、Shuji Nakamura, Steven P. DenBaars 和 James S. Speck在2011年3月4日提交的名稱為“在c方向錯(cuò)切小于+/-15度的m平面襯底上的半極性III-氮化物光電子器件(SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANESUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN+/-15 DEGREES IN THE C-DIRECTI ON )^ ,代理人案號(hào)為30794. 366-US-U1 (2010-543-2)的美國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)序列號(hào)13/041，120，該申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條119(e)款要求由Po Shan Hsu> Kathryn M. Kelchner、RobertM. Farrell、Daniel Haeger> Hiroaki Ohta、Anurag Tyagi> Shuji Nakamura、StevenP. DenBaars和James S. Speck在2010年3月4日提交的名稱為“在c方向錯(cuò)切小于+/-15度的m平面襯底上的半極性III-氮化物光電子器件(SEMI-POLAR III-NITRIDEOPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN+/-15DEGREESIN THE C-DIRECTI0N)”，代理案號(hào) 30794. 366-US-P1 (2010-543-1)的共同未決和共同受讓 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/310，638的權(quán)益；在此將這些申請(qǐng)引入作為參考。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及具有AlGaN阻擋層和超晶格分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)的半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基激光二極管(LD)及其制造方法。2.相關(guān)技術(shù)描述(注意本申請(qǐng)參考多個(gè)不同的出版物，貫穿說明書用括號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)參考文獻(xiàn)號(hào)表示，例如，參考文獻(xiàn)[X]。按照這些參考文獻(xiàn)號(hào)排序的這些不同出版物的列表可在下文標(biāo)題“參考文獻(xiàn)”的章節(jié)中找到。這些出版物均被引入本文作為參考。)纖維鋅礦(Al，Ga, In)N激光二極管(LD)是綠色激光器應(yīng)用具有前景的備選之一。由于第一個(gè)C-平面GaN基激光二極管(LD)被Nakamura等[I]證實(shí)，已經(jīng)存在向長(zhǎng)波長(zhǎng)LD的明顯發(fā)展。近來，在脈沖作用下C-平面LD最長(zhǎng)的激光波長(zhǎng)達(dá)到532nm[2]。盡管成功證實(shí)了綠色LD，但由于大極化(polarization)相關(guān)電場(chǎng)，在C-平面上生成的器件遭受量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)，這導(dǎo)致內(nèi)部量子效率降低，因?yàn)榱孔于逯须娮雍涂昭úê瘮?shù)(holewave function)的空間分離[3]。這還可導(dǎo)致運(yùn)行電壓升高,造成小的電光轉(zhuǎn)換效率(wallplug efficiency) [2]。非極性和半極性GaN基器件對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)LD也是有前景的，因?yàn)槠洳槐憩F(xiàn)或表現(xiàn)非常少的QCSE[4-7]。在非極性和半極性取向上生成的LD由于各向異性帶結(jié)構(gòu)得到的較高增益已得到理論預(yù)期和實(shí)驗(yàn)證實(shí)[8-9]。同樣，在實(shí)際LD運(yùn)行下，非極性m-平面LD的斜度效率高于C-平面LD [10-12]。但是，本發(fā)明研究組得到的m_平面LD的最長(zhǎng)激光波長(zhǎng)為492nm[13]——通過利用錯(cuò)切m_平面GaN襯底[14]，而名義上同軸m_平面上的最長(zhǎng)公開激光波長(zhǎng)為499.8nm[15]。實(shí)現(xiàn)銦摻入多量子阱(MQW)的難度和阱中基面堆垛層錯(cuò)(BPSF)形成的可能性[16]，目前使m-平面LD的激光波長(zhǎng)限制為小于500nm。GaN半極性平面相對(duì)于c-平面GaN提供減少極化相關(guān)電場(chǎng)并有可能增加增益的途徑。半極性平面(20-21)已被證實(shí)在脈沖作用下激光波長(zhǎng)為531nm[17]，在CW作用下激光波長(zhǎng)為523nm[18]。為實(shí)現(xiàn)發(fā)射綠色光的高In含量量子阱(QW)的高內(nèi)部量子效率，高銦含量QW中必須消除由于大的應(yīng)變引起的銦分離和缺陷(segregation and defect)。Enya等利用晶格匹配的四元AlInGaN包層減少外延結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變，并實(shí)現(xiàn)足夠的光學(xué)限制[17]。Tyagi等報(bào)道具有GaN包層的高銦含量InGaN波導(dǎo)層作為避免四元AlInGaN生成困難的另一方法[19]。雖然在(20-21)大塊(bulk) GaN襯底上生成的長(zhǎng)波長(zhǎng)LD已被證實(shí)，但高質(zhì)量活性區(qū)生成的具體生成研究還未被報(bào)道。此外，常規(guī)(20-21)-平面LD結(jié)構(gòu)包括下列特征I.本領(lǐng)域常規(guī)水平的(20-21)-平面LD在活性區(qū)中生成，帶有InGaN或GaN阻擋層，如圖I所示。圖I示例了 LD器件100結(jié)構(gòu)，其包括(20-21)GaN襯底102、在GaN襯底102上或上方的η型GaN(n-GaN)層104、在n_GaN層104上或上方的n_GaN包層106、在n-GaN包層106上或上方的n-InGaN大塊分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層108 (In組成為5_10%，例如，6%)、在n-InGaN大塊SCH 108上或上方的包含ー個(gè)或多個(gè)具有GaN或InGaN 阻擋層的InGaN量子阱的發(fā)光活性層110、在活性層110上或上方的p型AlGaN(p-AlGaN)電子阻擋層(EBL)112、在p-AlGaNEBL112上或上方的p-InGaN大塊SCH層 114(In 組成為 5_10%，例如，6%)、在p-InGaN大塊SCH層114上或上方的p型GaN(p-GaN)包層116和在ρ-GaN包層116上或上方的p++型GaN接觸層118。2.本領(lǐng)域常規(guī)水平的(20-21)-平面LD不采用高In含量的InGaN超晶格SCH層。3.本領(lǐng)域常規(guī)水平的(20-21)-平面LD的InGaNSCH層不采用不對(duì)稱的InGaN/GaN短期超晶格(SPSLS)。因此，本領(lǐng)域需要改進(jìn)的LD結(jié)構(gòu)。本發(fā)明滿足了該需要。本發(fā)明公開了具有AlGaN阻擋層(例如，AlGaN/InGaN MQffs)的高質(zhì)量活性區(qū)生成，并證實(shí)了室溫下半極性(20-21)氮化物的516nm激光發(fā)射。發(fā)明概述為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的限制和克服將在閱讀和理解本說明書后明顯的其他限制，本發(fā)明公開了具有AlGaN阻擋層和超晶格SCH的半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基LD及其制造方法。具體地，本發(fā)明描述了利用半極性(20-21)-平面InGaN/GaN基活性區(qū)制造長(zhǎng)波長(zhǎng)LD的技木。本發(fā)明的特征在于提高長(zhǎng)波長(zhǎng)LD的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)——特別是在緑色光譜范圍內(nèi)——的新型結(jié)構(gòu)和外延生成技術(shù)。在該光譜范圍內(nèi)，已從(20-21)-平面InGaN量子阱觀察到大規(guī)模三角形無輻射缺陷。具有高銦(In)組成波導(dǎo)層的激光器結(jié)構(gòu)中已顯示表面起伏，這與失配位錯(cuò)產(chǎn)生有夫。將AlGaN阻擋層用作應(yīng)變補(bǔ)償層可保持平滑的表面形態(tài)，減少三角形無輻射缺陷的數(shù)量和使本發(fā)明增加SCH中的In組成。采用InGaN超晶格SCH層提供了 SCH中較高的平均In組成,從而可實(shí)現(xiàn)折射率差(index difference)和限制因子高于InGaN大塊波導(dǎo)層。例如，本發(fā)明公開了半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基光電子器件結(jié)構(gòu)，其包含一個(gè)或多個(gè)包括活性層的III-氮化物器件層，其中所述活性層包括含鋁(Al)量子阱阻擋層；和位于含Al量子阱阻擋層之間的半極性含銦(In)量子阱層，其中所述半極性含In量子阱層和含Al量子阱阻擋層在半極性平面上以半極性取向生成。Al在AlGaN量子阱阻擋層中的百分比組成x可以是0〈x〈5%。含In量子阱層與沒有AlGaN量子阱阻擋層的器件相比可具有較高的In組成。含In量子阱層和含Al阻擋層可使器件發(fā)射或吸收在綠色、黃色或紅色光譜范圍內(nèi)具有峰值強(qiáng)度的光，例如，使器件發(fā)射或吸收峰值波長(zhǎng)大于515nm的光。含In量子阱層可例如具有至少16%的銦組成和大于4納米的厚度。半極性平面可以是20-21、11-22、30-31、30-3-1、10-1-1、(n0_nl)、(nO-n-l)平面，η是整數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)平面階梯式生成，并且III-氮化物器件層和量子阱結(jié)構(gòu)具有平滑的平面表面和界面。III-氮化物器件層可一致地生成，而沒有堆垛層錯(cuò)(stacking fault)或失配位錯(cuò)。III-氮化物器件層的均方根表面粗糙度可小于O. 07nm。III-氮化物器件層可形成發(fā)光器件，其中所述活性層發(fā)射光，并且器件發(fā)射均勻 穿過活性層全部頂部表面、全部底部表面或全部側(cè)壁中ー個(gè)或多個(gè)的光。III-氮化物器件層可進(jìn)一歩包含位于活性層任ー側(cè)上的上含In分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)或波導(dǎo)層和下含In SCH或波導(dǎo)層，其中上和下含In波導(dǎo)或SCH層的In組成高于沒有含Al量子阱阻擋層的類似器件的SCH或波導(dǎo)層中的In組成。III-氮化物器件層可進(jìn)一歩包含位于活性層任ー側(cè)上的上含In SCH或波導(dǎo)層和下含In SCH或波導(dǎo)層，其中所述上和下含In波導(dǎo)或SCH層的In組成大于10%。例如,含Al層可以是AlGaN，含In層可以是InGaN。上含In SCH和下SCH中至少ー個(gè)可以是包含不同In組成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)結(jié)構(gòu)。與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，含Al量子阱阻擋層的Al組成可通過補(bǔ)償器件結(jié)構(gòu)中下和上含In SCH引起的應(yīng)變而減少或防止III-氮化物器件層中下和上含InSCH的In組成引起的失配位錯(cuò)。與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，含Al量子阱阻擋層的Al組成可通過補(bǔ)償由于量子阱的In組成引起的應(yīng)變而減少或防止器件結(jié)構(gòu)中由量子講的In組成引起的三角形暗色缺陷(dark defect)。器件結(jié)構(gòu)中暗色缺陷的表面積可小于100微米XlOO微米。器件結(jié)構(gòu)可以是激光二極管結(jié)構(gòu)，其光學(xué)限制因子為至少3，對(duì)于20mA的驅(qū)動(dòng)電流，輸出功率為至少2mW。器件可進(jìn)ー步包含被兩個(gè)反射鏡界定的激光器腔，其中反射鏡通過干蝕刻進(jìn)行蝕刻或被切割。器件可以是發(fā)射緑色光的(20-21)平面激光二極管。例如，激光二極管可包括無AlGaN包層的激光二極管(或不具有含Al包層的激光二極管)，其中III-氮化物器件層進(jìn)一歩包含沉積在GaN襯底半極性平面上或上方的第一 GaN包層；沉積在第一 GaN包層上或上方的第一 InGaN波導(dǎo)層；沉積在第一 InGaN波導(dǎo)層上或上方的活性層；沉積在活性層上或上方的第二 InGaN波導(dǎo)層；和沉積在第二 InGaN波導(dǎo)層上或上方的第二 GaN包層。本發(fā)明進(jìn)一步公開了制造半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基光電子器件的方法，包括形成ー個(gè)或多個(gè)包含活性層的III-氮化物器件層，其中所述活性層通過沉積含Al量子阱阻擋層而形成；和布置半極性含In量子阱層，使得半極性含In量子阱位于含Al量子阱阻擋層之間，其中半極性含In量子阱層和含Al量子阱阻擋層在半極性平面上以半極性取向生成。本發(fā)明進(jìn)一步公開了在器件的量子阱結(jié)構(gòu)中應(yīng)用含Al阻擋層的方法，包括使用含Al阻擋層減少、防止器件中失配位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)或暗色、不發(fā)光缺陷中的ー個(gè)或多個(gè)。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)參考附圖，貫穿其中相似的參考號(hào)表示相應(yīng)的部件圖I顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的LD結(jié)構(gòu)的示意圖橫截面，其中箭頭表示GaN的10_10和0001方向，環(huán)形表示GaN的11-20方向(向紙平面外)。圖2是示例本發(fā)明方法的流程圖。圖3示例了制造根據(jù)本發(fā)明所述量子阱的方法。 圖4(a)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式所述器件結(jié)構(gòu)的示意性橫截面。圖4(b)是根據(jù)本發(fā)明另ー實(shí)施方式所述器件結(jié)構(gòu)的示意性橫截面，其中所述箭頭表示GaN的10-10和0001方向，環(huán)形表示GaN的11-20方向(向紙平面外)。圖4(c)是圖4(b)所示結(jié)構(gòu)的器件層的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖4 (d)顯示具有AlGaN阻擋層和7%InGaN SCH層的LD結(jié)構(gòu)的TEM圖像，其中尺度(scale)為 50nm。圖4 (e)和圖4 (f)顯示具有AlGaN阻擋層和7%InGaN SCH的無AlGaN包層的激光器結(jié)構(gòu)的TEM圖像，其中圖4(e)為g=0002(箭頭所示)和圖4(f)為g=ll_20 (箭頭所示)，兩圖中尺度均為50nm。圖5(a)和圖 5(b)顯示不具有 InGaN SCH (圖 5(a))和具有 InGaN SCH (圖 5(b))的激光器結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像，其中黒線特征在具有InGaN SCH的情況下顯示，并且在圖5(a)和圖5(b)中尺度為100微米(μ m)，激光器結(jié)構(gòu)中III-氮化物的c_投影方向和a_方
向由箭頭表示。圖 6 (a)和圖 6 (b)顯示具有 5%InGaN SCH (圖 6 (a))和 7. 5%InGaN SCH (圖 6 (b))的激光器結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像，其中在圖6 (a)和圖6 (b)中尺度為100 μ m,并且激光器結(jié)構(gòu)中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭頭表示。圖7(a)和圖7(b)顯示在< 20il)平面上生成的圖I的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像，LD活性區(qū)包含3周期MQW，包括3個(gè)具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻擋層，所述圖顯示了黑色大三角區(qū)(具有減少的光輸出)和暗色線形缺陷，其中激光器結(jié)構(gòu)中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭頭表示，并且在圖7 (a)中尺度為100微米，在圖7(b)中為20微米。圖8 (a)和圖8(b)顯示在(2011)平面上生成的圖I的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像，LD活性區(qū)包含5周期MQW，所述5周期MQW包括5個(gè)具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻擋層，所述圖顯示了黑色大三角區(qū)(具有減少的光輸出)和暗色線形缺陷，其中激光器結(jié)構(gòu)中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭頭表示，并且在圖8(a)中尺度為100微米，在圖8(b)中為20微米。圖9顯示包含GaN阻擋層的激光器A的外延晶片，包含AlGaN阻擋層的激光器B的外延晶片和包含InGaN阻擋層的激光器C的外延晶片的照片。

圖10(a)和圖10(b)顯示激光器A相同區(qū)域的熒光顯微鏡(FLOM)圖像(圖10(a))和光學(xué)顯微鏡(OM)圖像(圖10(b))，其中激光器結(jié)構(gòu)中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭頭表示。圖11 (a)、圖11(b)和圖11(c)分別是激光器A、激光器B和激光器C的突光顯微
鏡圖像。圖12顯示激光器A的整個(gè)外延晶片(a)和激光器B的整個(gè)外延晶片(b)的熒光顯微鏡圖像，其中隨著圖12(a)和(b)中激光器A和激光器B的量子阱活性區(qū)中的In%組成從左至右由低到高(無意地)増加，光致發(fā)光(PL)峰值波長(zhǎng)穿過晶片從左至右逐漸增加。圖13顯示具有(a) GaN阻擋層、(b) InGaN阻擋層和(C)AlGaN阻擋層的激光器結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像，其中在(a)、(b)和(C)中尺度為100 μπι。圖14顯示InGaN超晶格SCH層(Ιη%=10%)的X射線衍射(XRD)掃描，繪制了計(jì)數(shù)(lk=1000, IM=IO6)對(duì) Ω/2 Θ。
圖15顯示InGaN超晶格SCH層(Ιη%=10%)的原子力顯微鏡(AFM)掃描，其中灰度(grayscale)單位為皮米(pm)。圖16顯示激光器器件的代表性切割面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖17 顯不激光器 B 的倒格圖(reciprocal lattice mapping)。圖18顯示具有InGaN阻擋層、GaN阻擋層和AlGaN阻擋層的激光器外延晶片的電致發(fā)光輸出功率對(duì)發(fā)射峰值波長(zhǎng)(納米，nm)的依賴性。圖19(a)顯示作為20mA驅(qū)動(dòng)電流的函數(shù)的自發(fā)發(fā)射，以及驅(qū)動(dòng)電流I>Ith的516nm受激發(fā)射的代表性光譜(對(duì)于具有AlGaN阻擋層的激光器，繪制了作為發(fā)射波長(zhǎng)(納米，nm)的函數(shù)的發(fā)射強(qiáng)度(任意單位，a. u),其中插入的(inset)是516nm激光二極管(LD)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射譜圖。圖19(b)顯示在面涂布后和在脈沖作用(工作循環(huán)=0.01%)下脊寬2μπι且腔長(zhǎng)1200 μ m的LD的光輸出功率-注入電流-電壓(light output power-injectedcurrent-voltage) (LIV)曲線,繪制了作為供給LD的驅(qū)動(dòng)電流(毫安，mA)的函數(shù)的輸出功率(暈瓦，mff)和電壓(V)。圖20顯示通過應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)513nm激光，顯示以任意単位(a. u)表示的激光器輸出強(qiáng)度作為以nm表示的波長(zhǎng)的函數(shù)，插入的是發(fā)光的激光器結(jié)構(gòu)的照片。圖21是繪制圖4(b)的LD的限制因子作為AlGaN阻擋層中Al%組成的函數(shù)的計(jì)算圖。發(fā)明詳述在下文對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述中，參考構(gòu)成本文一部分的附圖，其中作為示例顯示了本發(fā)明可實(shí)踐的具體實(shí)施方式
。要理解的是，可以采用其他實(shí)施方式，并且可進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變，而不脫離本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的目的是發(fā)展緑色光譜范圍內(nèi)的高效半極性(2厄i )平面LD。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)平滑的界面和平滑的表面形態(tài)并減少無輻射缺陷同時(shí)使用高In含量InGaN阱，以及高效活性區(qū)和均勻且平滑的高In含量InGaN超晶格SCH層。在量子阱前和其間應(yīng)用AlGaN阻擋層導(dǎo)致具有InGaN SCH層(In%>5%)的激光器結(jié)構(gòu)的平滑形態(tài)(如熒光顯微鏡圖像所示)和平滑界面。在無AlGaN包層的LD (InGaN波導(dǎo)層/GaN包層)中，本發(fā)明確定AlGaN阻擋層有效防止三角形無輻射缺陷，例如如圖13所/Jn ο通過應(yīng)用AlGaN阻擋層，本發(fā)明可増加波導(dǎo)層中的In組成，其可增強(qiáng)光學(xué)限制。InGaN超晶格SCH層的應(yīng)用導(dǎo)致平均In含量Γ 0%1η)在相同生成條件下高于InGaN大塊SCH 層( 6%Ιη)?；谠摷夹g(shù)，本發(fā)明確定在513nm和516nm處的激光。命名法摻入鋁和銦的GaN及其三元和四元化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)通常用術(shù)語(Al, Ga, In)N、III-氮化物、第III族-氮化物、氮化物、Al(1_x_y)InyGaxN——其中0〈χ〈1和0〈y〈l——或AlInGaN命名，如本文所用。所有這些術(shù)語均意為等同于和廣泛解釋為包括單獨(dú)種類Al、Ga和In各自的氮化物以及該第III族金屬種類的ニ元、三元和四元組成。因此，這些術(shù)語包括化合物AIN、GaN和InN ;和三元化合物AlGaN、GaInN和AlInN ;和四元化 合物AlGaInN,如這種命名法中包括的種類。當(dāng)兩個(gè)或更多個(gè)(Ga、Al、In)組分種類存在吋，所有可能的組成，包括化學(xué)計(jì)量比和“非化學(xué)計(jì)量”比(相對(duì)于組成中存在的各(Ga，Al，In)組分種類存在的相對(duì)摩爾分?jǐn)?shù))，均可被采用，而處于本發(fā)明廣泛的范圍內(nèi)。因此，要理解的是，下文本發(fā)明主要參考GaN材料的討論可用于多種其他(Al、Ga、In) N材料種類的形成。進(jìn)ー步，本發(fā)明范圍內(nèi)的(Al，Ga，In) N材料可進(jìn)ー步包括少量摻雜劑和/或其他雜質(zhì)或內(nèi)含物。硼(B)也可被包含在內(nèi)。術(shù)語“無AlxGahN包層”指不存在含有任何摩爾分?jǐn)?shù)Al的波導(dǎo)包層如AlxGai_xN/GaN超晶格、大塊AlxGahN-AlN15其他不用于光導(dǎo)的層可含有一定量的Al(例如，小于10%的Al含量)。例如，可存在AlxGa1J電子阻擋層。消除GaN或III-氮化物基光電子器件中的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)的ー個(gè)途徑是使III-氮化物器件在晶體的非極性平面上生成。這種平面含有等量的Ga(或第III族原子)和N原子，并且是電中性的。此外，隨后的非極性層彼此等同，因此大塊晶體將不會(huì)沿生成方向極化。GaN中這兩類對(duì)稱等同的非極性平面是{11-20}類——總稱為a_平面；和{1-100}類——總稱為m-平面。因此，非極性III-氮化物沿垂直于III-氮化物晶體(0001) C-軸的方向生成。減少(Ga，Al，In，B) N器件中的極化效應(yīng)的另一途徑是使器件在晶體的半極性平面上生成。術(shù)語“半極性平面(semi-polarplane)”(也被稱為“半極性平面(semipolarplane)”)可用于指代不能歸類為c_平面、a_平面或m_平面的任何平面。在晶體學(xué)術(shù)語中，半極性平面可包括具有至少兩個(gè)非零h、i或k密勒指數(shù)和非零I密勒指數(shù)的任何平面。技術(shù)描沭本發(fā)明公開了 LD,其包含半極性GaN、GaN包層、InGaN波導(dǎo)層和AlGaN阻擋層。無AlGaN包層的器件適于大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)锳lGaN生成造成各種困難，并且InGaN波導(dǎo)層對(duì)于限制LD的光學(xué)模式是必不可少的。優(yōu)選較高的In組成，但高In造成失配位錯(cuò)(參見參考文獻(xiàn)[I])。AlGaN阻擋層可通過補(bǔ)償應(yīng)變防止失配位錯(cuò)，這使本發(fā)明能夠增加波導(dǎo)層中的In組成。方法步驟圖2是示例制造半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基光電子器件的方法的流程圖。該方法包括下列步驟。
方框200表示得到適于半極性生成的襯底，例如，Mitsubishi ChemicalCorporation 提供的自支撐(free standing) (20-21)GaN 襯底。方框202表不在襯底上沉積(例如，生成)ー個(gè)或多個(gè)第一 III-氮化物器件層。第一 III-氮化物層可包含在襯底上的ー個(gè)或多個(gè)第一極性或第一摻雜(例如，η型或P型)III-氮化物層。方框204表示在方框202的III-氮化物層上沉積ー個(gè)或多個(gè)III-氮化物活性層。圖3示例該步驟可包括沉積第一含鋁(Al)(例如，AlxGai_xN，其中0〈χ〈1)量子阱阻擋層300 (例如，在方框202的η型或P型III-氮化物層上)，然后在第一含Al量子阱阻擋層300上沉積含銦(In)量子阱層302，然后在含In量子阱層302上沉積第二含Al (例如，AlxGai_xN，其中0〈χ〈1)量子阱阻擋層304?？沙练e層，以便存在多量子阱(MQW)。圖3示例了例如利用三こ基鋁(TMA)流306和三こ基鎵(TEG)流308生成的阻擋層300、304 ;和利用三甲基銦(TMI)流310和TEG流308生成的量子阱層302。在MQW的情況下，至少ー個(gè)AlGaN阻擋層可位于MQW中各QW之間。 含Al (例如，AlxGa1J)量子阱阻擋層300、304中的Al百分比組成x可以是例如0〈x〈5%。與具有較低Al組成的量子阱阻擋層(ー個(gè)或多個(gè))相比，AlGaN量子阱阻擋層的Al組成可通過補(bǔ)償量子阱中高In組成的應(yīng)變減少或防止LED中由多量子阱的量子阱中高In組成造成的三角形暗色缺陷。含In (例如，InGaN)量子阱層302與不具有第一和第二含Al (例如，AlGaN)量子阱阻擋層300、304的器件相比可具有較高的銦(In)組成。含In(例如，InGaN)量子阱層302以及第一和第二含Al (例如，AlGaN)阻擋層300、304可使器件發(fā)射或吸收在綠色、黃色或紅色光譜范圍具有峰值強(qiáng)度，例如峰值波長(zhǎng)大于515nm或528nm的光。例如，含In (例如，InGaN)量子阱層302的銦組成可為至少16%，厚度可大于4納米。一般，隨摻入QW的In增カロ，QW的發(fā)射波長(zhǎng)向較長(zhǎng)波長(zhǎng)增加。方框206表示在方框204的活性層上沉積ー個(gè)或多個(gè)第二 III-氮化物層。第二III-氮化物層可包含ー個(gè)或多個(gè)第二極性或第二摻雜(η型或P型)III-氮化物層。第二極性或第二摻雜III-氮化物層可具有例如與方框202的層相反的極性。例如，如果在方框202中沉積η型III-氮化物層，則可方框206中沉積P型III-氮化物層?；蛘?例如,如果在框202中沉積P型III-氮化物層，則可在方框206中沉積ρ型III-氮化物層。方框202和206的III-氮化物層可包括例如波導(dǎo)層和包層(例如，GaN或AlGaN包層)。貫穿本公開中，定義術(shù)語“在……上”(如用于描述在第二層“上”的第一層)包括在第二層上或上方、上面或與第二層結(jié)合的第一層。方框208表示所得器件結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖4(a)所示，所得器件結(jié)構(gòu)400包含III-氮化物器件層，該III-氮化物器件層包括ー個(gè)或多個(gè)III-氮化物活性層402，該III-氮化物活性層402位于第一摻雜(例如，η型)III-氮化物器件層404與第二摻雜III-氮化物器件層406 (例如，P型)之間。可選地，層404可以是ρ型，層406可以是η型。III-氮化物層沉積在襯底410 (例如，GaN)的頂部表面408上。GaN襯底的頂部表面可以是半極性平面(例如，20-21、11-22、30-31、30-3-1、10-1-1、(η 0_η I)、(η O-n-l)平面)，其中 n 是整數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)平面階梯式生成，并且器件的層和量子阱結(jié)構(gòu)具有平滑的平面表面。III-氮化物層不限于具體類型的器件層。例如，光電子器件的III-氮化物層可以是用于LD、無AlGaN包層的LD、發(fā)光二極管(LED)、太陽能電池、光檢測(cè)器、光子晶體激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器、超發(fā)光二極管、半導(dǎo)體放大器、晶體管(例如，高電子遷移率晶體管(HEMT))等的器件層。在另ー實(shí)施方式中，圖4(b)顯示所得器件結(jié)構(gòu)包含LD結(jié)構(gòu)412，該LD結(jié)構(gòu)412在自支撐(20-21)GaN襯底410上，在為(20-21)半極性平面的襯底410的頂部表面408上同質(zhì)外延地生成。
圖4(b)的結(jié)構(gòu)是無AlGaN包層的，并且進(jìn)ー步包含在GaN襯底410上的η型GaN(n-GaN)層 414、在 η-GaN層 414 上的 η-GaN包層 416 (Iym厚的摻 Sin-GaN);在 η-GaN包層 416 上的具有 5-15%In 組成(50_nm 厚的摻 Si InxGa^xN (x=7 10%))的 η 型 InGaN (n-InGaN)超晶格(SL) SCH或波導(dǎo)層418;包含量子阱結(jié)構(gòu)的活性區(qū)420，，量子阱結(jié)構(gòu)包括半極性InGaN量子阱和在半極性InGaN量子阱之間的AlGaN量子阱阻擋層(具有4. 5nm厚的InGaN阱和IOnm厚的AlGaN阻擋層的3周期MQW)，其中量子阱結(jié)構(gòu)在η型InGaN SL SCH 418上；在活性層420上的ρ型AlGaN電子阻擋層(EBL) (IOnm厚的Ala2tlGaa8tlN) 422 ;在AlGaN EBL422 上的具有 5-15%Ιη組成(50_nm厚的摻Mg InxGa^xN(x=7 10%))的ρ 型 InGaN(p-InGaN) SLSCH或波導(dǎo)層424 ;在ρ型InGaN SCH或波導(dǎo)層424上的ρ型GaN(p-GaN)包層426 (500nm厚的摻Mg p-GaN)，以及在ρ型GaN包層426上的p++型GaN接觸層(100-nm厚的摻Mg p++GaN接觸層)428。然而，在另ー實(shí)施方式中，器件可具有材料不同于GaN的包層416、426，例如,可米用AlGaN包層。器件結(jié)構(gòu)可通過大氣壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生成。生成條件如[27]中所還由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在2010年6月7日提交的美國(guó)實(shí)用新型申請(qǐng)序列號(hào)12/795，390，名稱為“長(zhǎng)波長(zhǎng)非極性和半極性(Al, Ga, In) N 基激光二極管(LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In)N BASED LASER DIODES)”，在此將其引入作為參考)。方框202和206的η型和ρ型III-氮化物層可包含下和上含銦(In)(例如，InGaN)波導(dǎo)層或SCH層，其為包含不同In組成的大塊結(jié)構(gòu)或InGaN/GaN(或InGaN/AlGaN)超晶格(SL)結(jié)構(gòu)418、424。下和上含In(例如，InGaN)波導(dǎo)層或SCH 418、424可被布置(例如，在活性層420的任ー側(cè)，使得活性層在下波導(dǎo)層上且在上波導(dǎo)層下面)，并且具有限制下和上含In波導(dǎo)層或SCH 418,424之間的激光二極管的光學(xué)模式這樣的組成。下和上含In波導(dǎo)層或SCH的In組成可高于不具有含Al (例如，AlGaN)量子阱阻擋層的激光二極管或類似器件的上和下波導(dǎo)層中的In組成。下和上含In(例如，InGaN)波導(dǎo)或SCH層418、424的In組成可例如大于5%或大于10%。波導(dǎo)層(waveguiding layers)也可被稱為波導(dǎo)層lguidmg layers;ο圖4 (C)是用圖4(b)的結(jié)構(gòu)制造的LD的TEM圖像，其顯示SCH層418、424是SL結(jié)構(gòu)。圖4(c)還顯示活性層420的量子阱結(jié)構(gòu)包括半極性InGaN量子阱430、半極性InGaN量子阱430之間的AlGaN量子阱阻擋層432，以及AlGaN EBL 422。因此，方框204、圖4(a)和圖4(b)示例了ー個(gè)或多個(gè)包含活性層402的III-氮化物器件層，其中活性層至少包括第一和第二 AlGaN量子阱阻擋層432 ;和位于第一與第二AlGaN量子阱阻擋層432之間的半極性InGaN量子阱層430，其中半極性InGaN量子阱層以及第一和第二 AlGaN量子阱阻擋層432在半極性平面408上以半極性取向生成。圖4(d)顯示根據(jù)圖4(b)的無AlGaN包層的激光器結(jié)構(gòu)的TEM圖像，其具有n-InGaN (7%In)大塊 SCH 434 和 ρ-InGaN (7%In)大塊 SCH 436 層(而不是 SL 層 418、424)。還顯示了 P-GaN層426、EBL層422和量子阱結(jié)構(gòu)(在η型InGaN(具有7%Ιη)大塊SCH 434上)，所述量子阱結(jié)構(gòu)包含具有AlGaN阻擋層432的InGaN阱430。圖4 (d)的TEM中沒有觀察到失配位錯(cuò)。圖4 (e)(沿箭頭g=0002)和圖4 (f)(沿箭頭g=l 1-20)顯示根據(jù)圖4 (b)的LD結(jié)構(gòu)的TEM圖像，其具有η型InGaN(7%Ιη)大塊SCH層434和ρ型InGaN (7%Ιη)大塊SCH層436 (而不是SL層418、424)，其中活性區(qū)420包含在η型7%InGaN大塊SCH層434上的量子阱結(jié)構(gòu)，并且量子阱結(jié)構(gòu)包含具有AlGaN阻擋層432的InGaN阱430。圖4(e)和圖4(f)
的TEM圖像顯示無缺陷(例如，無堆垛層錯(cuò))且無失配位錯(cuò)。然而，在其他實(shí)施方式中，堆垛層錯(cuò)或失配位錯(cuò)密度可小于106cm_2。與具有較低Al組成的量子阱阻擋層(ー個(gè)或多個(gè))相比，含Al量子阱阻擋層432的Al組成可通過補(bǔ)償由下和上含In波導(dǎo)層418、424引起的激光二極管或器件中的應(yīng)變而減少或防止由下和上含In波導(dǎo)層418、424的In組成引起的激光二極管或器件中的失配位錯(cuò)。例如，與具有較低Al組成的量子阱阻擋層(ー個(gè)或多個(gè))相比，含Al量子阱阻擋層432的Al組成可通過補(bǔ)償量子阱430中高In組成的應(yīng)變而減少或防止由量子阱的高In組成引起的激光二極管或器件中不發(fā)光的缺陷(例如，三角形暗色缺陷)。圖4(a)和圖4(b)還示例了 III-氮化物層402-406可在頂部表面408上以半極性取向或方向(例如，20-21方向)438外延生成，使得各層402-406的頂部表面或其之間的界面440是半極性平面(例如，表面408的半極性平面)。本發(fā)明可應(yīng)用含Al量子阱阻擋層、含In量子阱層和含In SCH層。圖4(b)-(f)示例了具體實(shí)例，其中含Al層是AlGaN 432，含In層是InGaN 430、418。方框210表不將器件結(jié)構(gòu)處理成為器件。例如,可通過常規(guī)的光刻和干蝕刻技術(shù)沿C-軸的平面內(nèi)投影在圖4(a)的結(jié)構(gòu)中形成具有1200 μ m腔長(zhǎng)的2 μ m脊的線紋圖案?？赏ㄟ^切割形成面。由Si02 (在520nm下η=1· 5)和Ta205 (在520nm下η=2· 2)疊層組成的高反射率分布式布拉格反射器(DBR)通過常規(guī)的濺射エ藝沉積在切割面上。前面和后面在520nm下的反射率分別為97和99%。在一個(gè)實(shí)施方式中，器件結(jié)構(gòu)是激光二極管結(jié)構(gòu)，其光學(xué)限制因子為至少3，對(duì)于20mA的驅(qū)動(dòng)電流，輸出功率為至少2mW?？墒÷曰蛟黾硬襟E，或可增加另外的層(例如，η-和ρ-接觸層和電極)，這在光電子和電子器件制造領(lǐng)域中是已知的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5(a)和5(b)顯示在(20_21)平面上生成的圖I的無AlGaN包層的激光器結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像(觀察從激光器結(jié)構(gòu)頂側(cè)或P++GaN 118側(cè)發(fā)射的熒光)。然而，圖5 (a)是不具有大塊InGaN SCH 108、114的圖I的激光器結(jié)構(gòu)的圖像，而圖5 (b)是具有大塊InGaNSCH 108,114的圖I的激光器結(jié)構(gòu)的圖像。在圖5(a)和圖5(b)中，活性層110包含InGaN量子阱，其具有在丨t平面上生成的GaN或InGaN阻擋層。黑線特征500在具有大塊InGaNSCH 108、114(圖5(b))的情況下顯示，但黑線特征在不具有大塊InGaN SCH(圖5(a))的情況下不可見。圖6(a)和6(b)顯示圖I的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像(觀察從激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或P++GaN 118側(cè)發(fā)射的熒光)。圖6(a)和圖6(b)測(cè)量了具有5%大塊InGaN SCH 108、114 (圖 6 (a))和 7. 5% 大塊 InGaN SCH 108、114 (圖 6 (b))、在(2021)平面上生成的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)。黑線特征或缺陷600在圖6 (b)中更加顯著，表明黑線特征或缺陷600的數(shù)量隨SCH 108、114中銦組成的增加而增加(如圖6(b)相對(duì)于圖6(a) 更多的黑線缺陷所示)。SCH中較高的In組成還意味著在整個(gè)結(jié)構(gòu)中構(gòu)成較高的壓縮應(yīng)變，導(dǎo)致黑線缺陷在活性區(qū)中形成。AlGaN阻擋層可補(bǔ)償活性區(qū)中的這種應(yīng)變。圖7(a)和7(b)顯示圖I的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像(觀察從激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或P++GaN 118側(cè)發(fā)射的熒光)。圖7(a)和圖7(b)測(cè)量了具有3周期MQW、在(20-21)平面上生成的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)，該3周期MQW包含3個(gè)具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻擋層?？梢姶蟮狞\色三角區(qū)700 (具有減少的光輸出)和暗色線形缺陷702。圖8(a)和8(b)顯示圖I的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡圖像(觀察從激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或P++GaN 118側(cè)發(fā)射的熒光)。圖8(a)和圖8(b)測(cè)量了具有5周期MQW、在(20-21)平面上生成的無AlGaN包層的LD結(jié)構(gòu)，該5周期MQW包含5個(gè)具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻擋層?？梢姶蟮狞\色三角區(qū)800 (具有減少的光輸出)和暗色線形缺陷802。生成了三種應(yīng)用圖4(b)結(jié)構(gòu)的激光器樣品(激光器A、激光器B和激光器C)。在激光器A中，AlGaN阻擋層432被GaN阻擋層(GaNbr)替代，在激光器B中，應(yīng)用Ala05Ga0.95N阻擋層432 (AlGaN br)，在激光器C中，AlGaN阻擋層432被Inatl3Gaa97N阻擋層(InGaN br)替代。圖9顯示LD生成后激光器A、激光器B和激光器C頂部的數(shù)字照片。激光器A、B和C的電致發(fā)光(EL)自發(fā)發(fā)射峰值波長(zhǎng)在520 - 540nm的范圍內(nèi)。明確的是，激光器B (具有AlGaN阻擋層)在視覺范圍內(nèi)呈現(xiàn)均勻。相反，大面積的激光器A (具有GaN阻擋層)和激光器C (具有InGaN阻擋層)在視覺范圍內(nèi)是不均勻的(如暗色區(qū)域900所證明)。因此，III-氮化物器件層可形成發(fā)光器件，其中活性層發(fā)射光，并且器件穿過活性層整個(gè)頂部表面、整個(gè)底部表面或整個(gè)側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)均勻地發(fā)射光。激光器A相同區(qū)域的熒光顯微鏡圖像和光學(xué)顯微鏡圖像(觀察激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或p++GaN 428側(cè))分別顯示在圖10(a)和10(b)中。本發(fā)明注意到，非發(fā)光三角形區(qū)域1000在熒光和光學(xué)顯微鏡圖像中均可觀察到。三角形區(qū)域1000由據(jù)推測(cè)在QW 430中具有高密度無福射復(fù)合中心(recombination center)的缺陷組成,并且這些缺陷簇造成QW 430在綠色光譜范圍(發(fā)射波長(zhǎng)λ>515ηπι)內(nèi)的低輸出功率。以較大放大倍數(shù)觀察激光器A (具有GaN阻擋層)、激光器B (具有AlGaN阻擋層)和激光器C (具有InGaN阻擋層)的激光器結(jié)構(gòu)頂側(cè)或p++GaN 428側(cè)的熒光顯微鏡圖像分別顯示在圖ll(a)-ll(c)中。在圖11(b)中，激光器B顯示均勻的QW發(fā)射，且無非發(fā)光區(qū)，并且EL自發(fā)發(fā)射峰值波長(zhǎng)為527nm。沿方向條紋1100——三種LD均共有——在外延生成包含InGaN波導(dǎo)層418、424時(shí)出現(xiàn)。與激光器B相比，激光器A和C的熒光圖像顯示大的三角形非發(fā)光區(qū)1102、1104，這表明這些外延晶片的較低量子效率。注意，這些三角形缺陷的尺度相當(dāng)大(大于100 μπι)，使得高量子效率區(qū)域明顯減少。具有這些三角形缺陷的LD具有較低的內(nèi)部量子效率、不均勻的發(fā)射區(qū)和高光損失。因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這樣的器件其中器件結(jié)構(gòu)中的暗色或不發(fā)光缺陷的表面積小于100微米X 100微米,密度小于 4. 5X 103cm 2O整個(gè)激光器A外延晶片和整個(gè)激光器B外延晶片的熒光圖像分別顯示在圖12(a)和圖12(b)中(觀察激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或p++GaN 428側(cè))。在熒光顯微鏡下，本發(fā)明鑒定了激光器A中的由許多小三角形非發(fā)光特征1200組成的非發(fā)光區(qū)，其中無光發(fā)射。激光器B(具有AlGaN阻擋層)具有少得多且更小的三角形非發(fā)光區(qū)1200。在這兩種LD中，光致發(fā)光(PL)峰值波長(zhǎng)由于基座上溫度的不均勻性而無意地穿過晶片從左至右逐漸增加，這 表明阱430中的銦組成穿過晶片從左至右逐漸增加。在激光器A的情況下，隨著PL峰值波長(zhǎng)的增加，三角形非發(fā)光區(qū)1200的數(shù)量也増加。激光器B顯示比激光器A較好的發(fā)射均勻性和較少的三角形非發(fā)光區(qū)1200，即使激光器B的平均PL峰值波長(zhǎng)更長(zhǎng)。所有晶片之間的三角形非發(fā)光區(qū)的取向均面向晶片的相同側(cè)，這表明三角形非發(fā)光區(qū)是結(jié)晶的。同樣，自支撐(20-21)GaN襯底朝向c_方向(fc )的錯(cuò)切角對(duì)活性區(qū)在綠色光譜范圍內(nèi)的質(zhì)量具有不利影響。當(dāng)恥>0· 25。時(shí)，非發(fā)光區(qū)的數(shù)量和尺寸均顯著增加?；钚詤^(qū)中具有AlGaN阻擋層的情況下，甚至在>0.45°時(shí)仍可得到高質(zhì)量活性區(qū)。通過TEM分析在激光器A和激光器C中觀察到BPSF和失配位錯(cuò)。圖13(a)_(c)顯示具有圖4(a)的激光器結(jié)構(gòu)的另ー樣品的熒光顯微鏡圖像(觀察激光器結(jié)構(gòu)的頂側(cè)或P++GaN 428側(cè))，其中所述圖4(a)的激光器結(jié)構(gòu)具有GaN阻擋層(圖13 (a))、其GaN阻擋層被InGaN阻擋層替代(圖13 (b))以及其GaN阻擋層被(C)AlGaN阻擋層替代(圖13(c))。圖13 (a)-(c)確定AlGaN阻擋層有效防止三角形無福射缺陷1300。圖14顯示InGaN超晶格SCH層(In%=10%)的XRD掃描，圖15顯示InGaN超晶格SCH層(In%=10%)的AFM掃描，其中圖15中的均方根(RMS)表面粗糙度在5 μ m χ 5μπι面積上為O. 07nm。因此，圖4(a)或圖4(b)器件結(jié)構(gòu)的ー個(gè)或多個(gè)或全部III-氮化物器件層402-406可具有RMS粗糙度小于O. 07nm的頂部表面440。圖15所示表面1500是層418的頂部表面，并且是(20-21)半極性平面。XRD掃描中清晰的指狀峰(fringe peak)表明SCH膜良好的晶體質(zhì)量和一致的生成。圖16顯示激光器器件的代表性切割面1600的SEM圖像，顯示了 LD可進(jìn)ー步包含被兩個(gè)反射鏡界定的激光器腔。但是，LD并不限于切割的反射鏡，例如反射鏡可被蝕刻(例如，通過干蝕刻)。圖17顯示激光器B的倒格圖，顯示了 GaN 1700和InGaN SCH以及QW 1702的圖，并且確定了一致的生成。在圖4(c)的TEM圖像中觀察到一致的生成，而無堆垛層錯(cuò)或失配位錯(cuò)。圖18顯示激光器外延晶片的EL輸出功率作為波長(zhǎng)的函數(shù)的散點(diǎn)圖。具有AlGaN阻擋層432的外延晶片具有較高的EL輸出功率和比具有InGaN或GaN阻擋層的晶片的目前上限1802更高的目前上限1800。AlGaN阻擋層432的應(yīng)用提供了在緑色和黃色光譜區(qū)發(fā)射的高內(nèi)部量子效率的途徑。對(duì)于大于515nm的PL峰值波長(zhǎng)，AlGaN阻擋層532對(duì)消除非發(fā)射區(qū)的影響是明顯的。使用通過常規(guī)的光刻和干蝕刻技術(shù)沿C-軸的平面內(nèi)投影在圖4(a)的結(jié)構(gòu)中形成具有1200μπι腔長(zhǎng)的2μπι脊的線紋圖將激光器B處理成為器件。通過切割形成面。由SiO2 (在520nm下η=1· 5)和Ta2O5 (在520nm下η=2· 2)疊層組成的高反射率分布式布拉格反射器(DBR)通過常規(guī)的濺射エ藝沉積在切割面上。前面和后面在520nm下的反射率分別為97和99%ο圖19 (a)和19 (b)分別顯示在脈沖作用(O. 01%工作循環(huán))下2 μ m激光器脊寬和1200微米腔長(zhǎng)的激光器B的激光光譜和光輸出功率-注入電流-電壓(LIV)曲線。圖19(a)繪制了 20mA驅(qū)動(dòng)電流的自發(fā)發(fā)射和驅(qū)動(dòng)電流I>Ith的受激發(fā)射的代表性光譜。在低電流20mA下的自發(fā)發(fā)射峰值和激光波長(zhǎng)分別為528和516nm。圖19(b)顯示閾值電流為720mA，相應(yīng)于30kA/cm2的閾值電流密度。圖19(a)的自發(fā)發(fā)射光譜示例本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了從 光電子器件具有至少528nm峰值波長(zhǎng)的發(fā)射。圖20顯不另一 LD樣品的激光發(fā)射,該LD樣品具有圖4 (b)的結(jié)構(gòu)和AlGaN阻擋層432，其中實(shí)現(xiàn)了 513nm的激光發(fā)射。因此，本發(fā)明公開了例如產(chǎn)生峰值波長(zhǎng)大于500nm的激光的LD，例如波長(zhǎng)為至少513nm?；趫D21的模擬[21],對(duì)于GaN阻擋層和50nmn_和p_InQ. ^aa9N波導(dǎo)層，估定的光學(xué)限制因子為3. 33%。光學(xué)限制因子隨阻擋層中的Al%從O變至10%而從3. 33變至2.83%。根據(jù)模擬，為進(jìn)一步提高光學(xué)限制，可増加波導(dǎo)層中的銦含量并可最小化阻擋層中的鋁含量，從而得到高量子效率活性區(qū)。本發(fā)明確定AlGaN阻擋層中所需的最小量的Al組成為3%，以提高發(fā)射均勻性和內(nèi)部效率。但是，本發(fā)明不限于該Al組成和該模擬結(jié)果。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本發(fā)明的目標(biāo)——為實(shí)現(xiàn)平滑的界面和表面形態(tài)，以及高效活性區(qū)和均勻且平滑的波導(dǎo)層——已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。I. AlGaN層(1_5%Α1)用作應(yīng)變補(bǔ)償層和阱間的阻擋層ー補(bǔ)償來自高In組成量子阱和SCH層的應(yīng)變——導(dǎo)致綠色發(fā)射區(qū)中無輻射缺陷減少和量子阱發(fā)射均勻。由于AlGaN阻擋層，較高In組成的SCH可用于激光器結(jié)構(gòu)。2.在與InGaN大塊SCH相似溫度下生成的高In-含量InxGa^NAiaN超晶格SCH(x=5-25%)的應(yīng)用，導(dǎo)致平滑和無缺陷的波導(dǎo)層。平均In含量可在8-15%的范圍內(nèi)。本發(fā)明應(yīng)用GaN包層。對(duì)于一般LD結(jié)構(gòu)，QW周期數(shù)可在2至6的范圍內(nèi)，阱寬可在2至Snm的范圍內(nèi)，以及阻擋層寬可在6至15nm的范圍內(nèi)。最后阻擋層的一般厚度為5至20nm。最后阻擋層之后可以是AlGaN電子阻擋層(EBL)，其一般厚度和Al濃度分別在6-20nm 和 10-25% 的范圍內(nèi)。AlGaN EBL 一般摻有 Mg。在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖4(b)所示，本發(fā)明與(20-21)-平面無AlGaN包層結(jié)構(gòu)一起使用，特別是用于在綠色光譜區(qū)中的發(fā)射?？赡艿男薷目蓪?duì)本發(fā)明進(jìn)行下列可能的修改I.本發(fā)明可用于極性、非極性和半極性LD。
2.本發(fā)明可用于發(fā)射例如紫外(UV)至緑色光譜范圍內(nèi)任何波長(zhǎng)以及較長(zhǎng)波長(zhǎng)的任何發(fā)光器件。3.本發(fā)明可用于包含InGaN、GaN或AlInGaN SCH層的LD結(jié)構(gòu)。4.下包層可以是四元合金(AlInGaN)或三元AlGaN層，而不是GaN層。5.不對(duì)稱設(shè)計(jì)可利用下和上包層之間AlGaN組成的差異。6.不對(duì)稱設(shè)計(jì)還可包括下和上SCH層的InGaN組成不同的結(jié)構(gòu)。7.不對(duì)稱設(shè)計(jì)還可包括下和上SCH層的InGaN超晶格和InGaN大塊層不同的結(jié)構(gòu)。8.其他半極性取向(例如，生成LD的半極性平面)包括但不限于20-21、11_22、30-31、30-3-1、10-1-1、(η O - η I)和(η Οη-l)平面(η是整數(shù))等。這是因?yàn)殡A梯式生成 (例如，平面生成)、平滑表面和平滑量子阱可能在這些平面上。因此，半極性平面408可以是平面的。ー個(gè)或多個(gè)III-氮化物器件層可以是平面層。例如，ー個(gè)或多個(gè)III-氮化物層可具有平面的頂部表面。ー個(gè)或多個(gè)III-氮化物層可具有平面的界面(與其他in-氮化物層)。9. LD反射鏡可通過干蝕刻進(jìn)行蝕刻或被切割。切割的反射鏡優(yōu)選用于大量生產(chǎn)，但蝕刻的反射鏡優(yōu)選在半極性GaN的情況下確保垂直的面。10.阻擋層中的Al%(%組成)可以是0〈χ〈5%。阻擋層中較高的Al組成較不適合，因?yàn)锳lGaN阻擋層導(dǎo)致較小的折射率，這降低光學(xué)限制。11. InGaN波導(dǎo)層可以是包含不同In組成的大塊或InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)結(jié)構(gòu)。大塊容易生成，并且適于大量生產(chǎn)。但是，SL可増加臨界厚度，因此本發(fā)明可増加波導(dǎo)層的平均In組成，而無失配位錯(cuò)，從而增強(qiáng)光學(xué)限制。12.本發(fā)明已描述了 LD中的AlGaN阻擋層和SCH層。SCH層(例如，InGaNSCH層)一般(雖不一定)用于LD中，但是，AlGaN阻擋層不僅可用于LD中，而且可用于其他光電子器件如發(fā)光二極管(LED)中。因此，如同LD，可應(yīng)用本發(fā)明制造LED。變型還包括其他光電子器件(光子晶體激光器、太陽能電池、光檢測(cè)器、超發(fā)光二極管(SLD)、半導(dǎo)體放大器、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和晶體管(例如，高電子遷移率晶體管)。本發(fā)明并不受限于III-氮化物層的具體厚度或組成。本發(fā)明并不受限于量子阱和阻擋層的具體數(shù)量或厚度，雖然優(yōu)選量子阱的厚度大于4nm。13.器件可應(yīng)用MOCVD以外的其他生成方法生成，包括但不限于，例如分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)。本發(fā)明并不意圖受本文所示的任何具體科學(xué)理論約束。優(yōu)勢(shì)和改講本發(fā)明與常規(guī)(2021)-平面激光二極管結(jié)構(gòu)相比具有下列優(yōu)勢(shì)和改進(jìn)I. AlGaN阻擋層的應(yīng)用導(dǎo)致緑色光發(fā)射量子阱中大規(guī)模三角形缺陷的減少。2.對(duì)于較高In組成的大塊SCH層(In%>7%)，AlGaN阻擋層的應(yīng)用導(dǎo)致平滑的表面形態(tài)和均勻的量子發(fā)射。3. InGaN超晶格SCH層的應(yīng)用允許高含In InGaN層的生成。4.不對(duì)稱InGaN SPSLS的應(yīng)用允許高含In InGaN層的生成。參考文獻(xiàn)
本文引入下列參考文獻(xiàn)作為參考。[I] S. Nakamura, M. Senohj S. Nagahamaj N. Iwasaj T. Yamadaj Τ. Matsushita, H.Kiyokuj and Y. Sugimoto: Jpn. J. AppI. Phys. 35 (1996) L74.[2] A. Avramescuj T. Lermerj J. Miillerj C. Eichlerj G. Bruederlj M. Sabathilj S.Lutgenj and U. Strauss :Appl. Phys. Express 3 (2010) 061003.[3]J. S. Speck and S. F. Chichibu:MRS Bull. 34 (2009) 304.[4]H. Ohta and K. Okamoto:MRS Bull. 34(2009)324.[5]K. M. Kelchnerj Y. D. Linj Μ. T. Hardy, C. Y. Huang, P. S. Hsuj R. M. Farrelllj D.A. Haegerj H. C. Kuoj F. Wuj K. Fuji to，D. A. Cohen, A. Chakraborty，H. Ohtaj J. S. Speck, S.Nakamura, and S. P. DenBaars: AppI. Phys. Express 2 (2009) 071003. [7] K. C. Kimj M. C. Schmidt, H. Sato, F. Wuj N. Fellows, Z. Jiaj M. Saitoj K.Fujitoj S. Nakamura, S. P. DenBaarsj and J. S. Speck:Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 181120.[8] Y. D. Linj A. Chakraborty, S. Brinkley, H. C. Kuoj T. Meloj K. Fu j ito, J.S. Speck, S. P. DenBaarsj and S. Nakamura: Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 261108.[9] S. H. Park and D. Ahn: Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 013505.[10] S. H. Park and D. Ahn: IEEE J. Quantum Electron. 43 (2007) 1175.[11]M. Kubota, K. Okamotoj T. Tanaka, and H. Ohta : Appl. Phys. Express1 (2008)011102.[12]K. Okamotoj T. Tanaka, and M. Kubota:Appl. Phys. Express I (2008) 072201.[13] Y. Tsudaj M. Ohtaj P. 0. Vaccaroj S. Itoj S. Hirukawaj Y. Kawaguchi, Y.Fujishiro，Y.TakahirajY.UetajT.Takakuraj and T.Yuasa:Appl.Phys.Express1(2008)011104.[14] Y. D. Lin: Dr. Thesis, Electrical and Computer EngineeringDepartment, University of California, Santa Barbara (2010).[15] Y. D. Linj Μ. T. Hardy, P. S. Hsuj K. M. Kelchnerj C. Y. Huang, D. A. Haegerj R.M. Farrell，K. Fujitoj A. Chakraborty, H. Ohtaj J. S. Speck, S. P. DenBaarsj andS. Nakamura: Appl. Phys. Express 2 (2009) 082102.[ 16] K. Okamoto，J. Kashiwagi，T. Tanaka, and M. Kuboto : App I. Phys.Lett. 94(2009)071105.[17] F. Wuj Y. D. Linj A. Chakraborty, H. Ohtaj S. P. DenBaarsj S. Nakamura, andJ. S. Speck: Appl. Phys. Lett. 96 (2010) 231912.[18] Y. Enyaj Y. Yoshizumij T. Kyonoj K. Akita, M. Uenoj M. Adachij T. Sumitomo, S.Tokuyamaj T. Ikegamij K. Katayamaj and T. Nakamura: Appl. Phys. Express 2 (2009) 082101.[19] J. W. Raring, E. M. Hall, M. C. Schmidt, C. Poblenzj B. Li, N. Pfisterj D.F. Feezell, R. Craig, J. S. Speck, S. P. DenBaarsj and S. Nakamura : Proc. SPIE7602(2010)760218.[20] A. Tyagij R. M. Farrell, K. M. Kelchnerj C. Y. Huang, P. S. Hsuj D. A. Haegerj M.T. Hardy, C. Holder, K. Fuj i to, D. Cohen, H. Ohtaj J. S. Speck, S. P. DenBaarsj andS. Nakamura : Appl. Phys. Express 3 (2009) 011002.
[21] A. Tyagij F. Wuj E. C. Young, A. Chakraborty, H. Ohtaj R. Bhatj K. Fujitoj S.P. DenBaarsj S. Nakamura, and J. S. Speck: Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 251905.[22] C. Y. Huang, Y. D. Linj A. Tyagi，A. Chakraborty, H. Ohtaj J. S. Speck, S.P. DenBaarsj and S. Nakamura: J. Appl. Phys. 107 (2010) 023101.[23] Yoshizumi et al·，Applied Physics Express 2 (2009) 092101.[24]Powerpoint slides by You-Da Lin，entitled “Development of 516nmgreen LDs for m-plane and semipolar GaN，，Solid State Lighting and Energy CenterAnnual Review, University of California, Santa Barbara, November 5,2010.[25]You-Da Lin et.al.，“High Quality InGaN/AlGaN Multiple Quantum Wells
for Semipolar InGaN Green Laser Diodes，’’Applied Physics Express 3 (2010) 082001.[26] Tyagi et al·，Applied Physics Express 3 (2010) 011002.[27] Chakraborty et. al. , U. S. Patent Publication No. US2010/0309943，published December 9，2010，entitled “Long Wavelength Nonpolar andSemipolar (Al，Ga，In) N based laser diodes. ”結(jié)論這總結(jié)了對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的描述。上文對(duì)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的描述已經(jīng)被呈現(xiàn)，用于示例和描述的目的。其不意為是窮盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于確切的公開形式。根據(jù)上文的教導(dǎo)，可以進(jìn)行許多修正和改變。其意為本發(fā)明的范圍不受限于這種詳細(xì)描述，而由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基光電子器件結(jié)構(gòu)，包含 一個(gè)或多個(gè)III-氮化物器件層，所述一個(gè)或多個(gè)III-氮化物器件層包含活性層，其中所述活性層包含 至少第一和第二含鋁(Al)量子阱阻擋層；和 半極性含銦(In)量子阱層，所述半極性含銦(In)量子阱層位于所述第一與第二含Al量子阱阻擋層之間，其中所述半極性含In量子阱層以及所述第一和第二含Al量子阱阻擋層在半極性平面上以半極性取向生成。
2.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層進(jìn)一步包含 位于所述活性層任一側(cè)上的上含In分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層和下含In SCH層，其中所述上和下SCH層的In組成高于不具有所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的類似器件中的上和下SCH層的In組成。
3.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層進(jìn)一步包含 位于所述活性層任一側(cè)上的上含In分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層和下含In SCH層，其中所述上和下含In SCH層的In組成大于10%。
4.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述含Al量子阱阻擋層是AlGaN，所述含In量子阱層是InGaN。
5.權(quán)利要求2所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述上和下含InSCH層是InGaN層。
6.權(quán)利要求2所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述上含InSCH層和下含In SCH層中的至少一個(gè)是包含不同In組成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)結(jié)構(gòu)。
7.權(quán)利要求2所述的器件結(jié)構(gòu)，其中與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的Al組成通過補(bǔ)償由所述下和上含In SCH層引起的所述器件結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變而減少或防止由所述下和上SCH層的In組成引起的所述III-氮化物器件層中的失配位錯(cuò)。
8.權(quán)利要求6所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述器件結(jié)構(gòu)是激光二極管結(jié)構(gòu)，其光學(xué)限制因子為至少3，對(duì)于20mA的驅(qū)動(dòng)電流，輸出功率為至少2mW。
9.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層一致生成，而無堆垛層錯(cuò)或失配位錯(cuò)。
10.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層形成發(fā)光器件，所述活性層發(fā)射光，并且所述器件穿過所述活性層的整個(gè)頂部表面、整個(gè)底部表面或整個(gè)側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)均勻地發(fā)射所述光。
11.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，所述第一和第二 AlGaN量子阱阻擋層的Al組成通過補(bǔ)償由于所述量子阱中的In組成引起的應(yīng)變而減少或防止由所述半極性含In量子阱中的In組成引起的所述器件結(jié)構(gòu)中的三角形暗色缺陷。
12.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述器件結(jié)構(gòu)中暗色缺陷的表面積小于100微米\100微米，密度小于 4.5父103011-2。
13.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述半極性平面是20-21、11-22、30-31、30-3-1、10-1-1、(nO-nl)、(nO-n-1)平面，且η是整數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)平面階梯式生成，并且所述III-氮化物器件層和所述量子阱結(jié)構(gòu)具有平滑的平面表面和界面。
14.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含由兩個(gè)反射鏡界定的激光器腔，其中所述反射鏡通過干蝕刻進(jìn)行蝕刻或被切割.
15.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二含Al量子阱阻擋層中的Al百分比組成X為0〈x〈5%。
16.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述器件結(jié)構(gòu)形成發(fā)射綠色光的(20-21)平面激光二極管。
17.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包含無AlGaN包層的激光二極管，所述激光二極管包含所述器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層進(jìn)一步包含 第一 GaN包層，沉積在GaN襯底的所述半極性平面上或上方； 第一 InGaN波導(dǎo)或分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層，沉積在所述第一 GaN包層上或上方； 所述活性層，沉積在所述第一 InGaN波導(dǎo)或SCH層上或上方； 第二 InGaN波導(dǎo)或SCH層，沉積在所述活性層上或上方；和 第二 GaN包層，沉積在所述第二 InGaN波導(dǎo)或SCH層上或上方。
18.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中與不具有所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的器件相比，所述含銦量子阱層具有較高的銦組成。
19.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述含In量子阱層和所述第一和第二含Al阻擋層使得所述器件發(fā)射或吸收在綠色、黃色或紅色光譜范圍內(nèi)具有峰值強(qiáng)度的光。
20.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述含In量子阱層和所述含Al阻擋層使得所述器件發(fā)射或吸收峰值波長(zhǎng)大于515nm的光。
21.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述含In量子阱層的銦組成為至少16%，厚度大于4納米。
22.權(quán)利要求I所述的器件結(jié)構(gòu)，其中所述III-氮化物器件層具有均方根表面粗糙度小于O. 07nm的頂部表面或界面。
23.制造半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基光電子器件的方法，包括 形成一個(gè)或多個(gè)包含活性層的III-氮化物器件層，其中所述活性層通過如下形成 沉積第一半極性含鋁(Al)量子阱阻擋層； 在所述第一含Al量子阱阻擋層上沉積半極性含銦(In)量子阱層；和在所述含In量子阱層上沉積第二半極性含Al量子阱阻擋層，使得所述半極性含In量子阱位于所述AlGaN量子阱阻擋層之間，其中所述半極性InGaN量子阱層和所述AlGaN量子阱阻擋層在半極性平面上以半極性取向生成。
24.權(quán)利要求23所述的方法，其中沉積所述III-氮化物器件層進(jìn)一步包括 沉積下含In分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層； 在所述下含In SCH層上或上方沉積所述活性層；和 在所述活性層上或上方沉積上含In SCH層，其中所述上和下SCH層的In組成高于不具有所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的類似器件中的上和下SCH層的In組成。
25.權(quán)利要求23所述的方法，其中沉積所述III-氮化物器件層進(jìn)一步包括 沉積下含In分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層； 在所述下含In SCH層上或上方沉積所述活性層；和 在所述活性層上或上方沉積上含In SCH層，其中所述上和下含In SCH層的In組成大于 10% 。
26.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含Al量子阱阻擋層是AlGaN，所述含In量子阱層是InGaN。
27.權(quán)利要求24所述的方法，其中所述上和下含InSCH層是InGaN層。
28.權(quán)利要求24所述的方法，其中所述上含InSCH層和下含In SCH層中的至少一個(gè)是包含不同In組成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)結(jié)構(gòu)。
29.權(quán)利要求24所述的方法，其中與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的Al組成通過補(bǔ)償由所述下和上含In SCH層引起的所述器件結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變而減少或防止由所述下和上SCH層的In組成引起的所述III-氮化物器件層中的失配位錯(cuò)。
30.權(quán)利要求28所述的方法，其中所述器件結(jié)構(gòu)是光學(xué)限制因子至少為3的激光二極管結(jié)構(gòu)。
31.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件層一致生成，而無堆垛層錯(cuò)或失配位錯(cuò)。
32.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件層形成發(fā)光器件，所述活性層發(fā)射光，并且所述器件穿過所述活性層的整個(gè)頂部表面、整個(gè)底部表面或整個(gè)側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)均勻地發(fā)射所述光。
33.權(quán)利要求23所述的方法，其中與具有較低Al組成的量子阱阻擋層相比，所述第一和第二 AlGaN量子阱阻擋層的Al組成通過補(bǔ)償由于所述量子阱中的In組成引起的應(yīng)變而減少或防止由所述半極性含In量子阱中的In組成引起的所述器件結(jié)構(gòu)中的三角形暗色缺陷。
34.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述器件結(jié)構(gòu)中暗色缺陷的表面積小于100微米\100微米，密度小于 4.5父103011-2。
35.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述半極性平面是20-21、11-22,30-31,30-3-1、10-1-1、(nO-nl)、(nO-n-1)平面，且η是整數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)平面階梯式生成，并且所述III-氮化物器件層和所述量子阱結(jié)構(gòu)具有平滑的平面表面和界面。
36.權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括形成由兩個(gè)反射鏡界定的激光器腔，其中所述反射鏡通過干蝕刻進(jìn)行蝕刻或被切割。
37.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的Al百分比組成 X 為 0〈χ〈5%。
38.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物層形成發(fā)射綠色光的(20-21)平面激光二極管。
39.權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括由所述器件結(jié)構(gòu)形成無AlGaN包層的激光二極管，其中所述形成III-氮化物器件層進(jìn)一步包括 在GaN襯底的所述半極性平面上或上方沉積第一 GaN包層； 在所述第一 GaN包層上或上方沉積第一 InGaN波導(dǎo)或分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)層； 在所述第一 InGaN波導(dǎo)或SCH層上或上方沉積所述活性層； 在所述活性層上或上方沉積第二 InGaN波導(dǎo)或SCH層；和 在所述第二 InGaN波導(dǎo)或SCH層上或上方沉積第二 GaN包層。
40.權(quán)利要求23所述的方法，其中與不具有所述第一和第二含Al量子阱阻擋層的器件相比，所述含銦量子阱層具有較高的銦組成。
41.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱層以及所述第一和第二含Al阻擋層使得所述器件發(fā)射或吸收在綠色、黃色或紅色光譜范圍內(nèi)具有峰值強(qiáng)度的光。
42.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱層和所述含Al阻擋層使得所述器件發(fā)射或吸收峰值波長(zhǎng)大于515nm的光。
43.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱層的銦組成為至少16%，厚度大于4納米。
44.權(quán)利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件層具有均方根表面粗糙度小于O.07nm的頂部表面或界面。
45.在器件的量子阱結(jié)構(gòu)中應(yīng)用含鋁(Al)阻擋層的方法，包括 應(yīng)用所述含Al阻擋層以減少或防止所述器件中失配位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)或暗色、不發(fā)光缺陷中的一個(gè)或多個(gè)。
全文摘要
半極性平面III-氮化物半導(dǎo)體基激光二極管或發(fā)光二極管，其包含用于發(fā)射光的半極性含銦多量子阱，具有含鋁量子阱阻擋層，其中所述含銦多個(gè)量子阱和含鋁阻擋層在半極性平面上以半極性取向生成。
文檔編號(hào)H01S5/34GK102823088SQ201180017281
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月5日
發(fā)明者Y-D·林, H·太田, S·納卡姆拉, S·P·德恩巴拉斯, J·S·斯派克 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)