专利名称：半极性平面iii-氮化物半导体基发光二极管和激光二极管的氮化铝镓阻挡层和分离限制 ...的利记博彩app
半极性平面111-氮化物半导体基发光二极管和激光二极管的氮化铝镓阻挡层和分离限制异质结构(SCH)层相关_请的交叉参考本申请根据美国法典第35条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 日提交的名称为“半极性平面III-氮化物半导体基发光二极管和激光二极管的AlGaN阻挡层和分离限制异质结构(SCH)层(AlGaN BARRIERS AND SEPARATE CONFINEMENT HETEROSTRUCTURE (SCH) LAYERSFOR SEMIPOLAR PLANE III-NITRIDE SEMICONDUCTOR-BASED LIGHT EMITTING DIODES ANDLASER DIODES)”，代理人案号为30794. 367-US-P1 (2010-544-1)的共同未决和共同受让的美国临时专利申请序列号61/320，954的权益；在此将该申请引入作为參考。本申请涉及下列共同未决和共同受让的美国专利申请由 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日提交的名称为“无Al (x)Ga (1-x) N包层的非极性GaN基激光二极管和LED (Al (x)Ga(I-X)N-CLADDING-FREE NON POLAR GAN-BASED LASER DIODES AND LEDS)”，代理人案号为30794. 222-US-U1 (2007-424)的美国实用新型专利申请序列号12/030，117，该申请根据美国法典第 35 条 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日提交的名称为“无Al (x) Ga (l_x) N包层的非极性GaN基激光ニ极管和 LED (Al (x) Ga (1-x) N-CLADDING-FREE NONPOLAR GAN-BASED LASER DIODES ANDLEDS)”，代理人案号为30794. 222-US-P1 (2007-424-1)的美国临时专利序列号60/889，510的权益；由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars在2010年6月7日提交的名称为“不对称包层的激光二极管(ASYMMETRICALLY CLADDEDLASER DI0DE)”，代理人案号 30794. 314-US-W0 (2009-614-2)的 PCT 国际专利申请序列号US2010/37629，该申请根据美国法典第35条119(e)款要求由Arpan Chakraborty,You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在 2009 年6 月 5 日提交的名称为“不对称包层的激光二极管(ASYMMETRICALLY CLADDED LASER DI0DE)”，代理人案号为30794. 314-US-P1 (2009-614-1)的美国临时申请序列号61/184，668的权益；由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin> Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在2010年6月7日提交的名称为“长波长非极性和半极性(Al，Ga，In) N基激光二极管(LONGWAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In) N BASED LASER DIODES)”，代理人案号为30794. 315-US-U1 (2009-616-2)的美国实用新型申请序列号12/795，390，该申请根据美国法典第 35 条 119 (e)款要求由 Arpan Chakraborty、You-Da Lin > Shuji Nakamura和Steven P. DenBaars在2009年6月5日提交的名称为“长波长m_平面(Al, Ga, In)N 基激光二极管(LONG WAVELENGTH m-PLANE (Al, Ga, In)N BASED LASER DIODES)”，代理人案号为30794. 315-US-P1 (2009-616-1)的共同未决且共同受让的美国临时申请序列号61/184，729的权益；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日提交的名称为“在c方向错切小于+/-15度的m平面衬底上的半极性III-氮化物光电子器件(SEMI-POLAR III-NITRIDE OPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANESUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN+/-15 DEGREES IN THE C-DIRECTI ON )^ ,代理人案号为30794. 366-US-U1 (2010-543-2)的美国实用新型专利申请序列号13/041，120，该申请根据美国法典第35条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日提交的名称为“在c方向错切小于+/-15度的m平面衬底上的半极性III-氮化物光电子器件(SEMI-POLAR III-NITRIDEOPTOELECTRONIC DEVICES ON M-PLANE SUBSTRATES WITH MISCUTS LESS THAN+/-15DEGREESIN THE C-DIRECTI0N)”，代理案号 30794. 366-US-P1 (2010-543-1)的共同未决和共同受让 的美国临时专利申请序列号61/310，638的权益；在此将这些申请引入作为參考。
背景技术：
1.发明领域本发明涉及具有AlGaN阻挡层和超晶格分离限制异质结构(SCH)的半极性平面III-氮化物半导体基激光二极管(LD)及其制造方法。2.相关技术描述(注意本申请參考多个不同的出版物，贯穿说明书用括号中的一个或多个參考文献号表示，例如，參考文献[X]。按照这些參考文献号排序的这些不同出版物的列表可在下文标题“參考文献”的章节中找到。这些出版物均被引入本文作为參考。)纤维锌矿(Al，Ga, In)N激光二极管(LD)是绿色激光器应用具有前景的备选之一。由于第一个C-平面GaN基激光二极管(LD)被Nakamura等[I]证实，已经存在向长波长LD的明显发展。近来，在脉冲作用下C-平面LD最长的激光波长达到532nm[2]。尽管成功证实了绿色LD，但由于大极化(polarization)相关电场，在C-平面上生成的器件遭受量子限制斯塔克效应(QCSE)，这导致内部量子效率降低，因为量子阱中电子和空穴波函数(holewave function)的空间分离[3]。这还可导致运行电压升高,造成小的电光转换效率(wallplug efficiency) [2]。非极性和半极性GaN基器件对于较长波长LD也是有前景的，因为其不表现或表现非常少的QCSE[4-7]。在非极性和半极性取向上生成的LD由于各向异性带结构得到的较高增益已得到理论预期和实验证实[8-9]。同样，在实际LD运行下，非极性m-平面LD的斜度效率高于C-平面LD [10-12]。但是，本发明研究组得到的m_平面LD的最长激光波长为492nm[13]——通过利用错切m_平面GaN衬底[14]，而名义上同轴m_平面上的最长公开激光波长为499.8nm[15]。实现铟掺入多量子阱(MQW)的难度和阱中基面堆垛层错(BPSF)形成的可能性[16]，目前使m-平面LD的激光波长限制为小于500nm。GaN半极性平面相对于c-平面GaN提供减少极化相关电场并有可能增加增益的途径。半极性平面(20-21)已被证实在脉冲作用下激光波长为531nm[17]，在CW作用下激光波长为523nm[18]。为实现发射绿色光的高In含量量子阱(QW)的高内部量子效率，高铟含量QW中必须消除由于大的应变引起的铟分离和缺陷(segregation and defect)。Enya等利用晶格匹配的四元AlInGaN包层减少外延结构中的应变，并实现足够的光学限制[17]。Tyagi等报道具有GaN包层的高铟含量InGaN波导层作为避免四元AlInGaN生成困难的另一方法[19]。虽然在(20-21)大块(bulk) GaN衬底上生成的长波长LD已被证实，但高质量活性区生成的具体生成研究还未被报道。此外，常规(20-21)-平面LD结构包括下列特征I.本领域常规水平的(20-21)-平面LD在活性区中生成，带有InGaN或GaN阻挡层，如图I所示。图I示例了 LD器件100结构，其包括(20-21)GaN衬底102、在GaN衬底102上或上方的η型GaN(n-GaN)层104、在n_GaN层104上或上方的n_GaN包层106、在n-GaN包层106上或上方的n-InGaN大块分离限制异质结构(SCH)层108 (In组成为5_10%，例如，6%)、在n-InGaN大块SCH 108上或上方的包含ー个或多个具有GaN或InGaN 阻挡层的InGaN量子阱的发光活性层110、在活性层110上或上方的p型AlGaN(p-AlGaN)电子阻挡层(EBL)112、在p-AlGaNEBL112上或上方的p-InGaN大块SCH层 114(In 组成为 5_10%，例如，6%)、在p-InGaN大块SCH层114上或上方的p型GaN(p-GaN)包层116和在ρ-GaN包层116上或上方的p++型GaN接触层118。2.本领域常规水平的(20-21)-平面LD不采用高In含量的InGaN超晶格SCH层。3.本领域常规水平的(20-21)-平面LD的InGaNSCH层不采用不对称的InGaN/GaN短期超晶格(SPSLS)。因此，本领域需要改进的LD结构。本发明满足了该需要。本发明公开了具有AlGaN阻挡层(例如，AlGaN/InGaN MQffs)的高质量活性区生成，并证实了室温下半极性(20-21)氮化物的516nm激光发射。发明概述为克服上述现有技术中的限制和克服将在阅读和理解本说明书后明显的其他限制，本发明公开了具有AlGaN阻挡层和超晶格SCH的半极性平面III-氮化物半导体基LD及其制造方法。具体地，本发明描述了利用半极性(20-21)-平面InGaN/GaN基活性区制造长波长LD的技木。本发明的特征在于提高长波长LD的结构、电学和光学性质——特别是在緑色光谱范围内——的新型结构和外延生成技术。在该光谱范围内，已从(20-21)-平面InGaN量子阱观察到大規模三角形无辐射缺陷。具有高铟(In)组成波导层的激光器结构中已显示表面起伏，这与失配位错产生有夫。将AlGaN阻挡层用作应变补偿层可保持平滑的表面形态，減少三角形无辐射缺陷的数量和使本发明增加SCH中的In组成。采用InGaN超晶格SCH层提供了 SCH中较高的平均In组成,从而可实现折射率差(index difference)和限制因子高于InGaN大块波导层。例如，本发明公开了半极性平面III-氮化物半导体基光电子器件结构，其包含一个或多个包括活性层的III-氮化物器件层，其中所述活性层包括含铝(Al)量子阱阻挡层；和位于含Al量子阱阻挡层之间的半极性含铟(In)量子阱层，其中所述半极性含In量子阱层和含Al量子阱阻挡层在半极性平面上以半极性取向生成。Al在AlGaN量子阱阻挡层中的百分比组成x可以是0〈x〈5%。含In量子阱层与没有AlGaN量子阱阻挡层的器件相比可具有较高的In组成。含In量子阱层和含Al阻挡层可使器件发射或吸收在绿色、黄色或红色光谱范围内具有峰值强度的光，例如，使器件发射或吸收峰值波长大于515nm的光。含In量子阱层可例如具有至少16%的铟组成和大于4纳米的厚度。半极性平面可以是20-21、11-22、30-31、30-3-1、10-1-1、(n0_nl)、(nO-n-l)平面，η是整数，从而实现平面阶梯式生成，并且III-氮化物器件层和量子阱结构具有平滑的平面表面和界面。III-氮化物器件层可一致地生成，而没有堆垛层错(stacking fault)或失配位错。III-氮化物器件层的均方根表面粗糙度可小于O. 07nm。III-氮化物器件层可形成发光器件，其中所述活性层发射光，并且器件发射均匀 穿过活性层全部顶部表面、全部底部表面或全部侧壁中ー个或多个的光。III-氮化物器件层可进一歩包含位于活性层任ー侧上的上含In分离限制异质结构(SCH)或波导层和下含In SCH或波导层，其中上和下含In波导或SCH层的In组成高于没有含Al量子阱阻挡层的类似器件的SCH或波导层中的In组成。III-氮化物器件层可进一歩包含位于活性层任ー侧上的上含In SCH或波导层和下含In SCH或波导层，其中所述上和下含In波导或SCH层的In组成大于10%。例如,含Al层可以是AlGaN，含In层可以是InGaN。上含In SCH和下SCH中至少ー个可以是包含不同In组成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)结构。与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，含Al量子阱阻挡层的Al组成可通过补偿器件结构中下和上含In SCH引起的应变而減少或防止III-氮化物器件层中下和上含InSCH的In组成引起的失配位错。与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，含Al量子阱阻挡层的Al组成可通过补偿由于量子阱的In组成引起的应变而減少或防止器件结构中由量子讲的In组成引起的三角形暗色缺陷(dark defect)。器件结构中暗色缺陷的表面积可小于100微米XlOO微米。器件结构可以是激光二极管结构，其光学限制因子为至少3，对于20mA的驱动电流，输出功率为至少2mW。器件可进ー步包含被两个反射镜界定的激光器腔，其中反射镜通过干蚀刻进行蚀刻或被切割。器件可以是发射緑色光的(20-21)平面激光二极管。例如，激光二极管可包括无AlGaN包层的激光二极管(或不具有含Al包层的激光二极管)，其中III-氮化物器件层进一歩包含沉积在GaN衬底半极性平面上或上方的第一 GaN包层；沉积在第一 GaN包层上或上方的第一 InGaN波导层；沉积在第一 InGaN波导层上或上方的活性层；沉积在活性层上或上方的第二 InGaN波导层；和沉积在第二 InGaN波导层上或上方的第二 GaN包层。本发明进一步公开了制造半极性平面III-氮化物半导体基光电子器件的方法，包括形成ー个或多个包含活性层的III-氮化物器件层，其中所述活性层通过沉积含Al量子阱阻挡层而形成；和布置半极性含In量子阱层，使得半极性含In量子阱位于含Al量子阱阻挡层之间，其中半极性含In量子阱层和含Al量子阱阻挡层在半极性平面上以半极性取向生成。本发明进一步公开了在器件的量子阱结构中应用含Al阻挡层的方法，包括使用含Al阻挡层減少、防止器件中失配位错、堆垛层错或暗色、不发光缺陷中的ー个或多个。附图简述现參考附图，贯穿其中相似的參考号表示相应的部件图I显示根据现有技术的LD结构的示意图横截面，其中箭头表示GaN的10_10和0001方向，环形表示GaN的11-20方向(向纸平面外)。图2是示例本发明方法的流程图。图3示例了制造根据本发明所述量子阱的方法。 图4(a)是根据本发明实施方式所述器件结构的示意性横截面。图4(b)是根据本发明另ー实施方式所述器件结构的示意性横截面，其中所述箭头表示GaN的10-10和0001方向，环形表示GaN的11-20方向(向纸平面外)。图4(c)是图4(b)所示结构的器件层的透射电子显微镜(TEM)图像。图4 (d)显示具有AlGaN阻挡层和7%InGaN SCH层的LD结构的TEM图像，其中尺度(scale)为 50nm。图4 (e)和图4 (f)显示具有AlGaN阻挡层和7%InGaN SCH的无AlGaN包层的激光器结构的TEM图像，其中图4(e)为g=0002(箭头所示)和图4(f)为g=ll_20 (箭头所示)，两图中尺度均为50nm。图5(a)和图 5(b)显示不具有 InGaN SCH (图 5(a))和具有 InGaN SCH (图 5(b))的激光器结构的荧光显微镜图像，其中黒线特征在具有InGaN SCH的情况下显示，并且在图5(a)和图5(b)中尺度为100微米(μ m)，激光器结构中III-氮化物的c_投影方向和a_方
向由箭头表示。图 6 (a)和图 6 (b)显示具有 5%InGaN SCH (图 6 (a))和 7. 5%InGaN SCH (图 6 (b))的激光器结构的荧光显微镜图像，其中在图6 (a)和图6 (b)中尺度为100 μ m,并且激光器结构中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭头表示。图7(a)和图7(b)显示在< 20il)平面上生成的图I的无AlGaN包层的LD结构的荧光显微镜图像，LD活性区包含3周期MQW，包括3个具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻挡层，所述图显示了黑色大三角区(具有減少的光输出)和暗色线形缺陷，其中激光器结构中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭头表示，并且在图7 (a)中尺度为100微米，在图7(b)中为20微米。图8 (a)和图8(b)显示在(2011)平面上生成的图I的无AlGaN包层的LD结构的荧光显微镜图像，LD活性区包含5周期MQW，所述5周期MQW包括5个具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻挡层，所述图显示了黑色大三角区(具有減少的光输出)和暗色线形缺陷，其中激光器结构中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭头表示，并且在图8(a)中尺度为100微米，在图8(b)中为20微米。图9显示包含GaN阻挡层的激光器A的外延晶片，包含AlGaN阻挡层的激光器B的外延晶片和包含InGaN阻挡层的激光器C的外延晶片的照片。
图10(a)和图10(b)显示激光器A相同区域的荧光显微镜(FLOM)图像(图10(a))和光学显微镜(OM)图像(图10(b))，其中激光器结构中III-氮化物的C-投影方向和a-方向由箭头表示。图11 (a)、图11(b)和图11(c)分别是激光器A、激光器B和激光器C的突光显微
镜图像。图12显示激光器A的整个外延晶片(a)和激光器B的整个外延晶片(b)的荧光显微镜图像，其中随着图12(a)和(b)中激光器A和激光器B的量子阱活性区中的In%组成从左至右由低到高(无意地)増加，光致发光(PL)峰值波长穿过晶片从左至右逐渐增加。图13显示具有(a) GaN阻挡层、(b) InGaN阻挡层和(C)AlGaN阻挡层的激光器结构的荧光显微镜图像，其中在(a)、(b)和(C)中尺度为100 μπι。图14显示InGaN超晶格SCH层(Ιη%=10%)的X射线衍射(XRD)扫描，绘制了计数(lk=1000, IM=IO6)对 Ω/2 Θ。
图15显示InGaN超晶格SCH层(Ιη%=10%)的原子力显微镜(AFM)扫描，其中灰度(grayscale)单位为皮米(pm)。图16显示激光器器件的代表性切割面的扫描电子显微镜(SEM)图像。图17 显不激光器 B 的倒格图(reciprocal lattice mapping)。图18显示具有InGaN阻挡层、GaN阻挡层和AlGaN阻挡层的激光器外延晶片的电致发光输出功率对发射峰值波长(纳米，nm)的依赖性。图19(a)显示作为20mA驱动电流的函数的自发发射，以及驱动电流I>Ith的516nm受激发射的代表性光谱(对于具有AlGaN阻挡层的激光器，绘制了作为发射波长(纳米，nm)的函数的发射强度(任意单位，a. u),其中插入的(inset)是516nm激光二极管(LD)的远场发射谱图。图19(b)显示在面涂布后和在脉冲作用(工作循环=0.01%)下脊宽2μπι且腔长1200 μ m的LD的光输出功率-注入电流-电压(light output power-injectedcurrent-voltage) (LIV)曲线,绘制了作为供给LD的驱动电流(毫安，mA)的函数的输出功率(晕瓦，mff)和电压(V)。图20显示通过应用本发明的实施方式实现513nm激光，显示以任意単位(a. u)表示的激光器输出强度作为以nm表示的波长的函数，插入的是发光的激光器结构的照片。图21是绘制图4(b)的LD的限制因子作为AlGaN阻挡层中Al%组成的函数的计算图。发明详述在下文对优选实施方式的描述中，參考构成本文一部分的附图，其中作为示例显示了本发明可实践的具体实施方式
。要理解的是，可以采用其他实施方式，并且可进行结构改变，而不脱离本发明的范围。本发明的目的是发展緑色光谱范围内的高效半极性(2厄i )平面LD。目标是实现平滑的界面和平滑的表面形态并减少无辐射缺陷同时使用高In含量InGaN阱，以及高效活性区和均匀且平滑的高In含量InGaN超晶格SCH层。在量子阱前和其间应用AlGaN阻挡层导致具有InGaN SCH层(In%>5%)的激光器结构的平滑形态(如荧光显微镜图像所示)和平滑界面。在无AlGaN包层的LD (InGaN波导层/GaN包层)中，本发明确定AlGaN阻挡层有效防止三角形无辐射缺陷，例如如图13所/Jn ο通过应用AlGaN阻挡层，本发明可増加波导层中的In组成，其可增强光学限制。InGaN超晶格SCH层的应用导致平均In含量Γ 0%1η)在相同生成条件下高于InGaN大块SCH 层( 6%Ιη)。基于该技术，本发明确定在513nm和516nm处的激光。命名法掺入铝和铟的GaN及其三元和四元化合物(AlGaN、InGaN、AlInGaN)通常用术语(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。所有这些术语均意为等同于和广泛解释为包括单独种类Al、Ga和In各自的氮化物以及该第III族金属种类的ニ元、三元和四元组成。因此，这些术语包括化合物AIN、GaN和InN ;和三元化合物AlGaN、GaInN和AlInN ;和四元化 合物AlGaInN,如这种命名法中包括的种类。当两个或更多个(Ga、Al、In)组分种类存在吋，所有可能的组成，包括化学计量比和“非化学计量”比(相对于组成中存在的各(Ga，Al，In)组分种类存在的相对摩尔分数)，均可被采用，而处于本发明广泛的范围内。因此，要理解的是，下文本发明主要參考GaN材料的讨论可用于多种其他(Al、Ga、In) N材料种类的形成。进ー步，本发明范围内的(Al，Ga，In) N材料可进ー步包括少量掺杂剂和/或其他杂质或内含物。硼(B)也可被包含在内。术语“无AlxGahN包层”指不存在含有任何摩尔分数Al的波导包层如AlxGai_xN/GaN超晶格、大块AlxGahN-AlN15其他不用于光导的层可含有一定量的Al(例如，小于10%的Al含量)。例如，可存在AlxGa1J电子阻挡层。消除GaN或III-氮化物基光电子器件中的自发和压电极化效应的ー个途径是使III-氮化物器件在晶体的非极性平面上生成。这种平面含有等量的Ga(或第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等同，因此大块晶体将不会沿生成方向极化。GaN中这两类对称等同的非极性平面是{11-20}类——总称为a_平面；和{1-100}类——总称为m-平面。因此，非极性III-氮化物沿垂直于III-氮化物晶体(0001) C-轴的方向生成。減少(Ga，Al，In，B) N器件中的极化效应的另一途径是使器件在晶体的半极性平面上生成。术语“半极性平面(semi-polarplane)”(也被称为“半极性平面(semipolarplane)”)可用于指代不能归类为c_平面、a_平面或m_平面的任何平面。在晶体学术语中，半极性平面可包括具有至少两个非零h、i或k密勒指数和非零I密勒指数的任何平面。技术描沭本发明公开了 LD,其包含半极性GaN、GaN包层、InGaN波导层和AlGaN阻挡层。无AlGaN包层的器件适于大規模生产，因为AlGaN生成造成各种困难，并且InGaN波导层对于限制LD的光学模式是必不可少的。优选较高的In组成，但高In造成失配位错(參见參考文献[I])。AlGaN阻挡层可通过补偿应变防止失配位错，这使本发明能够增加波导层中的In组成。方法步骤图2是示例制造半极性平面III-氮化物半导体基光电子器件的方法的流程图。该方法包括下列步骤。
方框200表示得到适于半极性生成的衬底，例如，Mitsubishi ChemicalCorporation 提供的自支撑(free standing) (20-21)GaN 衬底。方框202表不在衬底上沉积(例如，生成)ー个或多个第一 III-氮化物器件层。第一 III-氮化物层可包含在衬底上的ー个或多个第一极性或第一掺杂(例如，η型或P型)III-氮化物层。方框204表示在方框202的III-氮化物层上沉积ー个或多个III-氮化物活性层。图3示例该步骤可包括沉积第一含铝(Al)(例如，AlxGai_xN，其中0〈χ〈1)量子阱阻挡层300 (例如，在方框202的η型或P型III-氮化物层上)，然后在第一含Al量子阱阻挡层300上沉积含铟(In)量子阱层302，然后在含In量子阱层302上沉积第二含Al (例如，AlxGai_xN，其中0〈χ〈1)量子阱阻挡层304。可沉积层，以便存在多量子阱(MQW)。图3示例了例如利用三こ基铝(TMA)流306和三こ基镓(TEG)流308生成的阻挡层300、304 ;和利用三甲基铟(TMI)流310和TEG流308生成的量子阱层302。在MQW的情况下，至少ー个AlGaN阻挡层可位于MQW中各QW之间。 含Al (例如，AlxGa1J)量子阱阻挡层300、304中的Al百分比组成x可以是例如0〈x〈5%。与具有较低Al组成的量子阱阻挡层(ー个或多个)相比，AlGaN量子阱阻挡层的Al组成可通过补偿量子阱中高In组成的应变減少或防止LED中由多量子阱的量子阱中高In组成造成的三角形暗色缺陷。含In (例如，InGaN)量子阱层302与不具有第一和第二含Al (例如，AlGaN)量子阱阻挡层300、304的器件相比可具有较高的铟(In)组成。含In(例如，InGaN)量子阱层302以及第一和第二含Al (例如，AlGaN)阻挡层300、304可使器件发射或吸收在绿色、黄色或红色光谱范围具有峰值强度，例如峰值波长大于515nm或528nm的光。例如，含In (例如，InGaN)量子阱层302的铟组成可为至少16%，厚度可大于4纳米。一般，随掺入QW的In增カロ，QW的发射波长向较长波长增加。方框206表示在方框204的活性层上沉积ー个或多个第二 III-氮化物层。第二III-氮化物层可包含ー个或多个第二极性或第二掺杂(η型或P型)III-氮化物层。第二极性或第二掺杂III-氮化物层可具有例如与方框202的层相反的极性。例如，如果在方框202中沉积η型III-氮化物层，则可方框206中沉积P型III-氮化物层。或者,例如,如果在框202中沉积P型III-氮化物层，则可在方框206中沉积ρ型III-氮化物层。方框202和206的III-氮化物层可包括例如波导层和包层(例如，GaN或AlGaN包层)。贯穿本公开中，定义术语“在……上”(如用于描述在第二层“上”的第一层)包括在第二层上或上方、上面或与第二层结合的第一层。方框208表示所得器件结构。在一个实施方式中，如图4(a)所示，所得器件结构400包含III-氮化物器件层，该III-氮化物器件层包括ー个或多个III-氮化物活性层402，该III-氮化物活性层402位于第一掺杂(例如，η型)III-氮化物器件层404与第二掺杂III-氮化物器件层406 (例如，P型)之间。可选地，层404可以是ρ型，层406可以是η型。III-氮化物层沉积在衬底410 (例如，GaN)的顶部表面408上。GaN衬底的顶部表面可以是半极性平面(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 是整数，从而实现平面阶梯式生成，并且器件的层和量子阱结构具有平滑的平面表面。III-氮化物层不限于具体类型的器件层。例如，光电子器件的III-氮化物层可以是用于LD、无AlGaN包层的LD、发光二极管(LED)、太阳能电池、光检测器、光子晶体激光器、垂直腔表面发射激光器、超发光二极管、半导体放大器、晶体管(例如，高电子迁移率晶体管(HEMT))等的器件层。在另ー实施方式中，图4(b)显示所得器件结构包含LD结构412，该LD结构412在自支撑(20-21)GaN衬底410上，在为(20-21)半极性平面的衬底410的顶部表面408上同质外延地生成。
图4(b)的结构是无AlGaN包层的，并且进ー步包含在GaN衬底410上的η型GaN(n-GaN)层 414、在 η-GaN层 414 上的 η-GaN包层 416 (Iym厚的掺 Sin-GaN);在 η-GaN包层 416 上的具有 5-15%In 组成(50_nm 厚的掺 Si InxGa^xN (x=7 10%))的 η 型 InGaN (n-InGaN)超晶格(SL) SCH或波导层418;包含量子阱结构的活性区420，，量子阱结构包括半极性InGaN量子阱和在半极性InGaN量子阱之间的AlGaN量子阱阻挡层(具有4. 5nm厚的InGaN阱和IOnm厚的AlGaN阻挡层的3周期MQW)，其中量子阱结构在η型InGaN SL SCH 418上；在活性层420上的ρ型AlGaN电子阻挡层(EBL) (IOnm厚的Ala2tlGaa8tlN) 422 ;在AlGaN EBL422 上的具有 5-15%Ιη组成(50_nm厚的掺Mg InxGa^xN(x=7 10%))的ρ 型 InGaN(p-InGaN) SLSCH或波导层424 ;在ρ型InGaN SCH或波导层424上的ρ型GaN(p-GaN)包层426 (500nm厚的掺Mg p-GaN)，以及在ρ型GaN包层426上的p++型GaN接触层(100-nm厚的掺Mg p++GaN接触层)428。然而，在另ー实施方式中，器件可具有材料不同于GaN的包层416、426，例如,可米用AlGaN包层。器件结构可通过大气压金属有机化学气相沉积(MOCVD)生成。生成条件如[27]中所还由 Arpan Chakraborty> You-Da Lin、Shuji Nakamura 和 Steven P. DenBaars 在2010年6月7日提交的美国实用新型申请序列号12/795，390，名称为“长波长非极性和半极性(Al, Ga, In) N 基激光二极管(LONG WAVELENGTH NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In)N BASED LASER DIODES)”，在此将其引入作为參考)。方框202和206的η型和ρ型III-氮化物层可包含下和上含铟(In)(例如，InGaN)波导层或SCH层，其为包含不同In组成的大块结构或InGaN/GaN(或InGaN/AlGaN)超晶格(SL)结构418、424。下和上含In(例如，InGaN)波导层或SCH 418、424可被布置(例如，在活性层420的任ー侧，使得活性层在下波导层上且在上波导层下面)，并且具有限制下和上含In波导层或SCH 418,424之间的激光二极管的光学模式这样的组成。下和上含In波导层或SCH的In组成可高于不具有含Al (例如，AlGaN)量子阱阻挡层的激光二极管或类似器件的上和下波导层中的In组成。下和上含In(例如，InGaN)波导或SCH层418、424的In组成可例如大于5%或大于10%。波导层(waveguiding layers)也可被称为波导层lguidmg layers;ο图4 (C)是用图4(b)的结构制造的LD的TEM图像，其显示SCH层418、424是SL结构。图4(c)还显示活性层420的量子阱结构包括半极性InGaN量子阱430、半极性InGaN量子阱430之间的AlGaN量子阱阻挡层432，以及AlGaN EBL 422。因此，方框204、图4(a)和图4(b)示例了ー个或多个包含活性层402的III-氮化物器件层，其中活性层至少包括第一和第二 AlGaN量子阱阻挡层432 ;和位于第一与第二AlGaN量子阱阻挡层432之间的半极性InGaN量子阱层430，其中半极性InGaN量子阱层以及第一和第二 AlGaN量子阱阻挡层432在半极性平面408上以半极性取向生成。图4(d)显示根据图4(b)的无AlGaN包层的激光器结构的TEM图像，其具有n-InGaN (7%In)大块 SCH 434 和 ρ-InGaN (7%In)大块 SCH 436 层(而不是 SL 层 418、424)。还显示了 P-GaN层426、EBL层422和量子阱结构(在η型InGaN(具有7%Ιη)大块SCH 434上)，所述量子阱结构包含具有AlGaN阻挡层432的InGaN阱430。图4 (d)的TEM中没有观察到失配位错。图4 (e)(沿箭头g=0002)和图4 (f)(沿箭头g=l 1-20)显示根据图4 (b)的LD结构的TEM图像，其具有η型InGaN(7%Ιη)大块SCH层434和ρ型InGaN (7%Ιη)大块SCH层436 (而不是SL层418、424)，其中活性区420包含在η型7%InGaN大块SCH层434上的量子阱结构，并且量子阱结构包含具有AlGaN阻挡层432的InGaN阱430。图4(e)和图4(f)
的TEM图像显示无缺陷(例如，无堆垛层错)且无失配位错。然而，在其他实施方式中，堆垛层错或失配位错密度可小于106cm_2。与具有较低Al组成的量子阱阻挡层(ー个或多个)相比，含Al量子阱阻挡层432的Al组成可通过补偿由下和上含In波导层418、424引起的激光二极管或器件中的应变而减少或防止由下和上含In波导层418、424的In组成引起的激光二极管或器件中的失配位错。例如，与具有较低Al组成的量子阱阻挡层(ー个或多个)相比，含Al量子阱阻挡层432的Al组成可通过补偿量子阱430中高In组成的应变而減少或防止由量子阱的高In组成引起的激光二极管或器件中不发光的缺陷(例如，三角形暗色缺陷)。图4(a)和图4(b)还示例了 III-氮化物层402-406可在顶部表面408上以半极性取向或方向(例如，20-21方向)438外延生成，使得各层402-406的顶部表面或其之间的界面440是半极性平面(例如，表面408的半极性平面)。本发明可应用含Al量子阱阻挡层、含In量子阱层和含In SCH层。图4(b)-(f)示例了具体实例，其中含Al层是AlGaN 432，含In层是InGaN 430、418。方框210表不将器件结构处理成为器件。例如,可通过常规的光刻和干蚀刻技术沿C-轴的平面内投影在图4(a)的结构中形成具有1200 μ m腔长的2 μ m脊的线纹图案。可通过切割形成面。由Si02 (在520nm下η=1· 5)和Ta205 (在520nm下η=2· 2)叠层组成的高反射率分布式布拉格反射器(DBR)通过常规的溅射エ艺沉积在切割面上。前面和后面在520nm下的反射率分别为97和99%。在一个实施方式中，器件结构是激光二极管结构，其光学限制因子为至少3，对于20mA的驱动电流，输出功率为至少2mW。可省略或增加步骤，或可增加另外的层(例如，η-和ρ-接触层和电极)，这在光电子和电子器件制造领域中是已知的。实验结果图5(a)和5(b)显示在(20_21)平面上生成的图I的无AlGaN包层的激光器结构的荧光显微镜图像(观察从激光器结构顶侧或P++GaN 118侧发射的荧光)。然而，图5 (a)是不具有大块InGaN SCH 108、114的图I的激光器结构的图像，而图5 (b)是具有大块InGaNSCH 108,114的图I的激光器结构的图像。在图5(a)和图5(b)中，活性层110包含InGaN量子阱，其具有在丨t平面上生成的GaN或InGaN阻挡层。黑线特征500在具有大块InGaNSCH 108、114(图5(b))的情况下显示，但黑线特征在不具有大块InGaN SCH(图5(a))的情况下不可见。图6(a)和6(b)显示图I的无AlGaN包层的LD结构的荧光显微镜图像(观察从激光器结构的顶侧或P++GaN 118侧发射的荧光)。图6(a)和图6(b)測量了具有5%大块InGaN SCH 108、114 (图 6 (a))和 7. 5% 大块 InGaN SCH 108、114 (图 6 (b))、在(2021)平面上生成的无AlGaN包层的LD结构。黑线特征或缺陷600在图6 (b)中更加显著，表明黑线特征或缺陷600的数量随SCH 108、114中铟组成的增加而增加(如图6(b)相对于图6(a) 更多的黑线缺陷所示)。SCH中较高的In组成还意味着在整个结构中构成较高的压缩应变，导致黑线缺陷在活性区中形成。AlGaN阻挡层可补偿活性区中的这种应变。图7(a)和7(b)显示图I的无AlGaN包层的LD结构的荧光显微镜图像(观察从激光器结构的顶侧或P++GaN 118侧发射的荧光)。图7(a)和图7(b)測量了具有3周期MQW、在(20-21)平面上生成的无AlGaN包层的LD结构，该3周期MQW包含3个具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻挡层。可见大的黒色三角区700 (具有减少的光输出)和暗色线形缺陷702。图8(a)和8(b)显示图I的无AlGaN包层的LD结构的荧光显微镜图像(观察从激光器结构的顶侧或P++GaN 118侧发射的荧光)。图8(a)和图8(b)測量了具有5周期MQW、在(20-21)平面上生成的无AlGaN包层的LD结构，该5周期MQW包含5个具有4. 5nm厚度的InGaN量子阱和IOnm厚的InGaN阻挡层。可见大的黒色三角区800 (具有减少的光输出)和暗色线形缺陷802。生成了三种应用图4(b)结构的激光器样品(激光器A、激光器B和激光器C)。在激光器A中，AlGaN阻挡层432被GaN阻挡层(GaNbr)替代，在激光器B中，应用Ala05Ga0.95N阻挡层432 (AlGaN br)，在激光器C中，AlGaN阻挡层432被Inatl3Gaa97N阻挡层(InGaN br)替代。图9显示LD生成后激光器A、激光器B和激光器C顶部的数字照片。激光器A、B和C的电致发光(EL)自发发射峰值波长在520 - 540nm的范围内。明确的是，激光器B (具有AlGaN阻挡层)在视觉范围内呈现均匀。相反，大面积的激光器A (具有GaN阻挡层)和激光器C (具有InGaN阻挡层)在视觉范围内是不均匀的(如暗色区域900所证明)。因此，III-氮化物器件层可形成发光器件，其中活性层发射光，并且器件穿过活性层整个顶部表面、整个底部表面或整个侧壁中的一个或多个均匀地发射光。激光器A相同区域的荧光显微镜图像和光学显微镜图像(观察激光器结构的顶侧或p++GaN 428侧)分别显示在图10(a)和10(b)中。本发明注意到，非发光三角形区域1000在荧光和光学显微镜图像中均可观察到。三角形区域1000由据推测在QW 430中具有高密度无福射复合中心(recombination center)的缺陷组成,并且这些缺陷簇造成QW 430在绿色光谱范围(发射波长λ>515ηπι)内的低输出功率。以较大放大倍数观察激光器A (具有GaN阻挡层)、激光器B (具有AlGaN阻挡层)和激光器C (具有InGaN阻挡层)的激光器结构顶侧或p++GaN 428侧的荧光显微镜图像分别显示在图ll(a)-ll(c)中。在图11(b)中，激光器B显示均匀的QW发射，且无非发光区，并且EL自发发射峰值波长为527nm。沿方向条纹1100——三种LD均共有——在外延生成包含InGaN波导层418、424时出现。与激光器B相比，激光器A和C的荧光图像显示大的三角形非发光区1102、1104，这表明这些外延晶片的较低量子效率。注意，这些三角形缺陷的尺度相当大(大于100 μπι)，使得高量子效率区域明显減少。具有这些三角形缺陷的LD具有较低的内部量子效率、不均匀的发射区和高光损失。因此，本发明实现了这样的器件其中器件结构中的暗色或不发光缺陷的表面积小于100微米X 100微米,密度小于 4. 5X 103cm 2O整个激光器A外延晶片和整个激光器B外延晶片的荧光图像分别显示在图12(a)和图12(b)中(观察激光器结构的顶侧或p++GaN 428侧)。在荧光显微镜下，本发明鉴定了激光器A中的由许多小三角形非发光特征1200组成的非发光区，其中无光发射。激光器B(具有AlGaN阻挡层)具有少得多且更小的三角形非发光区1200。在这两种LD中，光致发光(PL)峰值波长由于基座上温度的不均匀性而无意地穿过晶片从左至右逐渐增加，这 表明阱430中的铟组成穿过晶片从左至右逐渐增加。在激光器A的情况下，随着PL峰值波长的增加，三角形非发光区1200的数量也増加。激光器B显示比激光器A较好的发射均匀性和较少的三角形非发光区1200，即使激光器B的平均PL峰值波长更长。所有晶片之间的三角形非发光区的取向均面向晶片的相同侧，这表明三角形非发光区是结晶的。同样，自支撑(20-21)GaN衬底朝向c_方向(fc )的错切角对活性区在绿色光谱范围内的质量具有不利影响。当恥>0· 25。时，非发光区的数量和尺寸均显著增加。活性区中具有AlGaN阻挡层的情况下，甚至在>0.45°时仍可得到高质量活性区。通过TEM分析在激光器A和激光器C中观察到BPSF和失配位错。图13(a)_(c)显示具有图4(a)的激光器结构的另ー样品的荧光显微镜图像(观察激光器结构的顶侧或P++GaN 428侧)，其中所述图4(a)的激光器结构具有GaN阻挡层(图13 (a))、其GaN阻挡层被InGaN阻挡层替代(图13 (b))以及其GaN阻挡层被(C)AlGaN阻挡层替代(图13(c))。图13 (a)-(c)确定AlGaN阻挡层有效防止三角形无福射缺陷1300。图14显示InGaN超晶格SCH层(In%=10%)的XRD扫描，图15显示InGaN超晶格SCH层(In%=10%)的AFM扫描，其中图15中的均方根(RMS)表面粗糙度在5 μ m χ 5μπι面积上为O. 07nm。因此，图4(a)或图4(b)器件结构的ー个或多个或全部III-氮化物器件层402-406可具有RMS粗糙度小于O. 07nm的顶部表面440。图15所示表面1500是层418的顶部表面，并且是(20-21)半极性平面。XRD扫描中清晰的指状峰(fringe peak)表明SCH膜良好的晶体质量和一致的生成。图16显示激光器器件的代表性切割面1600的SEM图像，显示了 LD可进ー步包含被两个反射镜界定的激光器腔。但是，LD并不限于切割的反射镜，例如反射镜可被蚀刻(例如，通过干蚀刻)。图17显示激光器B的倒格图，显示了 GaN 1700和InGaN SCH以及QW 1702的图，并且确定了一致的生成。在图4(c)的TEM图像中观察到一致的生成，而无堆垛层错或失配位错。图18显示激光器外延晶片的EL输出功率作为波长的函数的散点图。具有AlGaN阻挡层432的外延晶片具有较高的EL输出功率和比具有InGaN或GaN阻挡层的晶片的目前上限1802更高的目前上限1800。AlGaN阻挡层432的应用提供了在緑色和黄色光谱区发射的高内部量子效率的途径。对于大于515nm的PL峰值波长，AlGaN阻挡层532对消除非发射区的影响是明显的。使用通过常规的光刻和干蚀刻技术沿C-轴的平面内投影在图4(a)的结构中形成具有1200μπι腔长的2μπι脊的线纹图将激光器B处理成为器件。通过切割形成面。由SiO2 (在520nm下η=1· 5)和Ta2O5 (在520nm下η=2· 2)叠层组成的高反射率分布式布拉格反射器(DBR)通过常规的溅射エ艺沉积在切割面上。前面和后面在520nm下的反射率分别为97和99%ο图19 (a)和19 (b)分别显示在脉冲作用(O. 01%工作循环)下2 μ m激光器脊宽和1200微米腔长的激光器B的激光光谱和光输出功率-注入电流-电压(LIV)曲线。图19(a)绘制了 20mA驱动电流的自发发射和驱动电流I>Ith的受激发射的代表性光谱。在低电流20mA下的自发发射峰值和激光波长分别为528和516nm。图19(b)显示阈值电流为720mA，相应于30kA/cm2的阈值电流密度。图19(a)的自发发射光谱示例本发明实现了从 光电子器件具有至少528nm峰值波长的发射。图20显不另一 LD样品的激光发射,该LD样品具有图4 (b)的结构和AlGaN阻挡层432，其中实现了 513nm的激光发射。因此，本发明公开了例如产生峰值波长大于500nm的激光的LD，例如波长为至少513nm。基于图21的模拟[21],对于GaN阻挡层和50nmn_和p_InQ. ^aa9N波导层，估定的光学限制因子为3. 33%。光学限制因子随阻挡层中的Al%从O变至10%而从3. 33变至2.83%。根据模拟，为进一步提高光学限制，可増加波导层中的铟含量并可最小化阻挡层中的铝含量，从而得到高量子效率活性区。本发明确定AlGaN阻挡层中所需的最小量的Al组成为3%，以提高发射均匀性和内部效率。但是，本发明不限于该Al组成和该模拟結果。上述实验结果显示本发明的目标——为实现平滑的界面和表面形态，以及高效活性区和均匀且平滑的波导层——已经实现。I. AlGaN层(1_5%Α1)用作应变补偿层和阱间的阻挡层ー补偿来自高In组成量子阱和SCH层的应变——导致绿色发射区中无辐射缺陷減少和量子阱发射均匀。由于AlGaN阻挡层，较高In组成的SCH可用于激光器结构。2.在与InGaN大块SCH相似温度下生成的高In-含量InxGa^NAiaN超晶格SCH(x=5-25%)的应用，导致平滑和无缺陷的波导层。平均In含量可在8-15%的范围内。本发明应用GaN包层。对于一般LD结构，QW周期数可在2至6的范围内，阱宽可在2至Snm的范围内，以及阻挡层宽可在6至15nm的范围内。最后阻挡层的一般厚度为5至20nm。最后阻挡层之后可以是AlGaN电子阻挡层(EBL)，其一般厚度和Al浓度分别在6-20nm 和 10-25% 的范围内。AlGaN EBL 一般掺有 Mg。在一个实施方式中，如图4(b)所示，本发明与(20-21)-平面无AlGaN包层结构一起使用，特别是用于在绿色光谱区中的发射。可能的修改可对本发明进行下列可能的修改I.本发明可用于极性、非极性和半极性LD。
2.本发明可用于发射例如紫外(UV)至緑色光谱范围内任何波长以及较长波长的任何发光器件。3.本发明可用于包含InGaN、GaN或AlInGaN SCH层的LD结构。4.下包层可以是四元合金(AlInGaN)或三元AlGaN层，而不是GaN层。5.不对称设计可利用下和上包层之间AlGaN组成的差异。6.不对称设计还可包括下和上SCH层的InGaN组成不同的结构。7.不对称设计还可包括下和上SCH层的InGaN超晶格和InGaN大块层不同的结构。8.其他半极性取向(例如，生成LD的半极性平面)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是整数)等。这是因为阶梯式生成 (例如，平面生成)、平滑表面和平滑量子阱可能在这些平面上。因此，半极性平面408可以是平面的。ー个或多个III-氮化物器件层可以是平面层。例如，ー个或多个III-氮化物层可具有平面的顶部表面。ー个或多个III-氮化物层可具有平面的界面(与其他in-氮化物层)。9. LD反射镜可通过干蚀刻进行蚀刻或被切割。切割的反射镜优选用于大量生产，但蚀刻的反射镜优选在半极性GaN的情况下确保垂直的面。10.阻挡层中的Al%(%组成)可以是0〈χ〈5%。阻挡层中较高的Al组成较不适合，因为AlGaN阻挡层导致较小的折射率，这降低光学限制。11. InGaN波导层可以是包含不同In组成的大块或InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)结构。大块容易生成，并且适于大量生产。但是，SL可増加临界厚度，因此本发明可増加波导层的平均In组成，而无失配位错，从而增强光学限制。12.本发明已描述了 LD中的AlGaN阻挡层和SCH层。SCH层(例如，InGaNSCH层)一般(虽不一定)用于LD中，但是，AlGaN阻挡层不仅可用于LD中，而且可用于其他光电子器件如发光二极管(LED)中。因此，如同LD，可应用本发明制造LED。变型还包括其他光电子器件(光子晶体激光器、太阳能电池、光检测器、超发光二极管(SLD)、半导体放大器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和晶体管(例如，高电子迁移率晶体管)。本发明并不受限于III-氮化物层的具体厚度或组成。本发明并不受限于量子阱和阻挡层的具体数量或厚度，虽然优选量子阱的厚度大于4nm。13.器件可应用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)和氢化物气相外延(HVPE)。本发明并不意图受本文所示的任何具体科学理论约束。优势和改讲本发明与常规(2021)-平面激光二极管结构相比具有下列优势和改进I. AlGaN阻挡层的应用导致緑色光发射量子阱中大規模三角形缺陷的減少。2.对于较高In组成的大块SCH层(In%>7%)，AlGaN阻挡层的应用导致平滑的表面形态和均勻的量子发射。3. InGaN超晶格SCH层的应用允许高含In InGaN层的生成。4.不对称InGaN SPSLS的应用允许高含In InGaN层的生成。參考文献
本文引入下列参考文献作为参考。[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.
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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. ”结论这总结了对本发明优选实施方式的描述。上文对本发明一个或多个实施方式的描述已经被呈现，用于示例和描述的目的。其不意为是穷尽的或将本发明限于确切的公开形式。根据上文的教导，可以进行许多修正和改变。其意为本发明的范围不受限于这种详细描述，而由所附权利要求限定。
权利要求
1.半极性平面III-氮化物半导体基光电子器件结构，包含 一个或多个III-氮化物器件层，所述一个或多个III-氮化物器件层包含活性层，其中所述活性层包含 至少第一和第二含铝(Al)量子阱阻挡层；和 半极性含铟(In)量子阱层，所述半极性含铟(In)量子阱层位于所述第一与第二含Al量子阱阻挡层之间，其中所述半极性含In量子阱层以及所述第一和第二含Al量子阱阻挡层在半极性平面上以半极性取向生成。
2.权利要求I所述的器件结构，其中所述III-氮化物器件层进一步包含 位于所述活性层任一侧上的上含In分离限制异质结构(SCH)层和下含In SCH层，其中所述上和下SCH层的In组成高于不具有所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的类似器件中的上和下SCH层的In组成。
3.权利要求I所述的器件结构，其中所述III-氮化物器件层进一步包含 位于所述活性层任一侧上的上含In分离限制异质结构(SCH)层和下含In SCH层，其中所述上和下含In SCH层的In组成大于10%。
4.权利要求I所述的器件结构，其中所述含Al量子阱阻挡层是AlGaN，所述含In量子阱层是InGaN。
5.权利要求2所述的器件结构，其中所述上和下含InSCH层是InGaN层。
6.权利要求2所述的器件结构，其中所述上含InSCH层和下含In SCH层中的至少一个是包含不同In组成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)结构。
7.权利要求2所述的器件结构，其中与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的Al组成通过补偿由所述下和上含In SCH层引起的所述器件结构中的应变而减少或防止由所述下和上SCH层的In组成引起的所述III-氮化物器件层中的失配位错。
8.权利要求6所述的器件结构，其中所述器件结构是激光二极管结构，其光学限制因子为至少3，对于20mA的驱动电流，输出功率为至少2mW。
9.权利要求I所述的器件结构，其中所述III-氮化物器件层一致生成，而无堆垛层错或失配位错。
10.权利要求I所述的器件结构，其中所述III-氮化物器件层形成发光器件，所述活性层发射光，并且所述器件穿过所述活性层的整个顶部表面、整个底部表面或整个侧壁中的一个或多个均匀地发射所述光。
11.权利要求I所述的器件结构，其中与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，所述第一和第二 AlGaN量子阱阻挡层的Al组成通过补偿由于所述量子阱中的In组成引起的应变而减少或防止由所述半极性含In量子阱中的In组成引起的所述器件结构中的三角形暗色缺陷。
12.权利要求I所述的器件结构，其中所述器件结构中暗色缺陷的表面积小于100微米\100微米，密度小于 4.5父103011-2。
13.权利要求I所述的器件结构，其中所述半极性平面是20-21、11-22、30-31、30-3-1、10-1-1、(nO-nl)、(nO-n-1)平面，且η是整数，以便实现平面阶梯式生成，并且所述III-氮化物器件层和所述量子阱结构具有平滑的平面表面和界面。
14.权利要求I所述的器件结构，进一步包含由两个反射镜界定的激光器腔，其中所述反射镜通过干蚀刻进行蚀刻或被切割.
15.权利要求I所述的器件结构，其中所述第一和第二含Al量子阱阻挡层中的Al百分比组成X为0〈x〈5%。
16.权利要求I所述的器件结构，其中所述器件结构形成发射绿色光的(20-21)平面激光二极管。
17.权利要求I所述的器件结构，进一步包含无AlGaN包层的激光二极管，所述激光二极管包含所述器件结构，其中所述III-氮化物器件层进一步包含 第一 GaN包层，沉积在GaN衬底的所述半极性平面上或上方； 第一 InGaN波导或分离限制异质结构(SCH)层，沉积在所述第一 GaN包层上或上方； 所述活性层，沉积在所述第一 InGaN波导或SCH层上或上方； 第二 InGaN波导或SCH层，沉积在所述活性层上或上方；和 第二 GaN包层，沉积在所述第二 InGaN波导或SCH层上或上方。
18.权利要求I所述的器件结构，其中与不具有所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的器件相比，所述含铟量子阱层具有较高的铟组成。
19.权利要求I所述的器件结构，其中所述含In量子阱层和所述第一和第二含Al阻挡层使得所述器件发射或吸收在绿色、黄色或红色光谱范围内具有峰值强度的光。
20.权利要求I所述的器件结构，其中所述含In量子阱层和所述含Al阻挡层使得所述器件发射或吸收峰值波长大于515nm的光。
21.权利要求I所述的器件结构，其中所述含In量子阱层的铟组成为至少16%，厚度大于4纳米。
22.权利要求I所述的器件结构，其中所述III-氮化物器件层具有均方根表面粗糙度小于O. 07nm的顶部表面或界面。
23.制造半极性平面III-氮化物半导体基光电子器件的方法，包括 形成一个或多个包含活性层的III-氮化物器件层，其中所述活性层通过如下形成 沉积第一半极性含铝(Al)量子阱阻挡层； 在所述第一含Al量子阱阻挡层上沉积半极性含铟(In)量子阱层；和在所述含In量子阱层上沉积第二半极性含Al量子阱阻挡层，使得所述半极性含In量子阱位于所述AlGaN量子阱阻挡层之间，其中所述半极性InGaN量子阱层和所述AlGaN量子阱阻挡层在半极性平面上以半极性取向生成。
24.权利要求23所述的方法，其中沉积所述III-氮化物器件层进一步包括 沉积下含In分离限制异质结构(SCH)层； 在所述下含In SCH层上或上方沉积所述活性层；和 在所述活性层上或上方沉积上含In SCH层，其中所述上和下SCH层的In组成高于不具有所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的类似器件中的上和下SCH层的In组成。
25.权利要求23所述的方法，其中沉积所述III-氮化物器件层进一步包括 沉积下含In分离限制异质结构(SCH)层； 在所述下含In SCH层上或上方沉积所述活性层；和 在所述活性层上或上方沉积上含In SCH层，其中所述上和下含In SCH层的In组成大于 10% 。
26.权利要求23所述的方法，其中所述含Al量子阱阻挡层是AlGaN，所述含In量子阱层是InGaN。
27.权利要求24所述的方法，其中所述上和下含InSCH层是InGaN层。
28.权利要求24所述的方法，其中所述上含InSCH层和下含In SCH层中的至少一个是包含不同In组成的InGaN/GaN或InGaN/AlGaN超晶格(SL)结构。
29.权利要求24所述的方法，其中与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的Al组成通过补偿由所述下和上含In SCH层引起的所述器件结构中的应变而减少或防止由所述下和上SCH层的In组成引起的所述III-氮化物器件层中的失配位错。
30.权利要求28所述的方法，其中所述器件结构是光学限制因子至少为3的激光二极管结构。
31.权利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件层一致生成，而无堆垛层错或失配位错。
32.权利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件层形成发光器件，所述活性层发射光，并且所述器件穿过所述活性层的整个顶部表面、整个底部表面或整个侧壁中的一个或多个均匀地发射所述光。
33.权利要求23所述的方法，其中与具有较低Al组成的量子阱阻挡层相比，所述第一和第二 AlGaN量子阱阻挡层的Al组成通过补偿由于所述量子阱中的In组成引起的应变而减少或防止由所述半极性含In量子阱中的In组成引起的所述器件结构中的三角形暗色缺陷。
34.权利要求23所述的方法，其中所述器件结构中暗色缺陷的表面积小于100微米\100微米，密度小于 4.5父103011-2。
35.权利要求23所述的方法，其中所述半极性平面是20-21、11-22,30-31,30-3-1、10-1-1、(nO-nl)、(nO-n-1)平面，且η是整数，以便实现平面阶梯式生成，并且所述III-氮化物器件层和所述量子阱结构具有平滑的平面表面和界面。
36.权利要求23所述的方法，进一步包括形成由两个反射镜界定的激光器腔，其中所述反射镜通过干蚀刻进行蚀刻或被切割。
37.权利要求23所述的方法，其中所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的Al百分比组成 X 为 0〈χ〈5%。
38.权利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物层形成发射绿色光的(20-21)平面激光二极管。
39.权利要求23所述的方法，进一步包括由所述器件结构形成无AlGaN包层的激光二极管，其中所述形成III-氮化物器件层进一步包括 在GaN衬底的所述半极性平面上或上方沉积第一 GaN包层； 在所述第一 GaN包层上或上方沉积第一 InGaN波导或分离限制异质结构(SCH)层； 在所述第一 InGaN波导或SCH层上或上方沉积所述活性层； 在所述活性层上或上方沉积第二 InGaN波导或SCH层；和 在所述第二 InGaN波导或SCH层上或上方沉积第二 GaN包层。
40.权利要求23所述的方法，其中与不具有所述第一和第二含Al量子阱阻挡层的器件相比，所述含铟量子阱层具有较高的铟组成。
41.权利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱层以及所述第一和第二含Al阻挡层使得所述器件发射或吸收在绿色、黄色或红色光谱范围内具有峰值强度的光。
42.权利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱层和所述含Al阻挡层使得所述器件发射或吸收峰值波长大于515nm的光。
43.权利要求23所述的方法，其中所述含In量子阱层的铟组成为至少16%，厚度大于4纳米。
44.权利要求23所述的方法，其中所述III-氮化物器件层具有均方根表面粗糙度小于O.07nm的顶部表面或界面。
45.在器件的量子阱结构中应用含铝(Al)阻挡层的方法，包括 应用所述含Al阻挡层以减少或防止所述器件中失配位错、堆垛层错或暗色、不发光缺陷中的一个或多个。
全文摘要
半极性平面III-氮化物半导体基激光二极管或发光二极管，其包含用于发射光的半极性含铟多量子阱，具有含铝量子阱阻挡层，其中所述含铟多个量子阱和含铝阻挡层在半极性平面上以半极性取向生成。
文档编号H01S5/34GK102823088SQ201180017281
公开日2012年12月12日 申请日期2011年4月5日 优先权日2010年4月5日
发明者Y-D·林, H·太田, S·纳卡姆拉, S·P·德恩巴拉斯, J·S·斯派克 申请人:加利福尼亚大学董事会