Iii-нитридные светоизлучающие устройства, выращенные на структуре для уменьшения деформации

Iii-нитридные светоизлучающие устройства, выращенные на структуре для уменьшения деформации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается технологий выращивания и структур устройств для полупроводниковых светоизлучающих устройств.

Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие в себя светоизлучающие диоды (СИД), резонаторные светоизлучающие диоды (РСИД), вертикальные резонаторные лазерные диоды (ВРЛД) и лазеры с торцевым излучением, находятся среди наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Системы материалов, рассматриваемые в настоящее время при изготовлении светоизлучающих устройств высокой яркости, способные функционировать в УФ, видимом и, возможно, инфракрасном спектре, включают в себя полупроводники группы III-V, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства изготавливают путем эпитаксиального выращивания пакета полупроводниковых слоев с разными композициями и концентрациями легирующих примесей на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или другой подходящей подложке с помощью химического осаждения из металлоорганической газовой фазы (MOCVD), эпитаксии из молекулярного пучка (ЭМП) или других эпитаксиальных технологий. Данный пакет часто включает в себя один или несколько слоев n-типа, легированных, например, Si, образованных на подложке, один или несколько светоизлучающих слоев в активной области, образованных на данном слое или слоях n-типа, и один или несколько слоев р-типа, легированных, например, Mg, образованных поверх активной области. Электрические контакты формируют на областях n-типа. Эти III-нитридные материалы также интересны для оптоэлектронных, а также электронных устройств, таких как полевые транзисторы (ПТ) и детекторы.

В вариантах осуществления данного изобретения слои данных устройств, включая светоизлучающий слой III-нитридного устройства, выращивают на шаблоне, сконструированном для уменьшения деформации в устройстве, в частности в светоизлучающем слое. Эта деформация может быть определена следующим образом: заданный слой имеет объемную постоянную решетки a_bulk, соответствующую постоянной решетки свободно находящегося материала такой же композиции, как данный слой, и плоскостную постоянную решетки a_in-plane, соответствующую постоянной решетки данного слоя, выращенного в данной структуре. Величина деформации в слое представляет собой разность между плоскостной постоянной решетки материала, образующего конкретный слой, и объемной постоянной решетки данного слоя в устройстве, деленную на объемную постоянную решетки.

Уменьшение деформации в светоизлучающем устройстве может улучшить производительность данного устройства. Шаблон может расширять постоянную решетки в светоизлучающем слое на диапазон постоянных решетки, доступных среди обычных шаблонов роста. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения деформация светоизлучающего слоя составляет меньше чем 1%.

В некоторых вариантах осуществления шаблон включает в себя два слоя, выращенных при низкой температуре, слой зародышеобразования без индия, такой как GaN, выращенный непосредственно на подложке, и индийсодержащий слой, такой как InGaN, выращенный на слое без индия. Оба слоя могут быть не монокристаллическими слоями. В некоторых вариантах осуществления монокристаллический слой, такой как GaN слой, может быть выращен между слоем зародышеобразования и индийсодержащим слоем. В некоторых вариантах осуществления монокристаллический слой, такой как GaN, InGaN или AlInGaN, может быть выращен поверх низкотемпературного индийсодержащего слоя.

В некоторых вариантах осуществления шаблон дополнительно включает в себя пакет множества слоев или градиентную область, или формируется с помощью способа, включающего в себя термический отжиг или этап термического циклического роста.

Фиг.1 представляет собой вид в разрезе части устройства согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный после обычного низкотемпературного слоя зародышеобразования.

Фиг.3 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный поверх множества низкотемпературных слоев зародышеобразования.

Фиг.4 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество низкотемпературных слоев, выращенных поверх обычного низкотемпературного слоя зародышеобразования.

Фиг.5 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя больше чем один набор из низкотемпературного слоя зародышеобразования и низкотемпературного InGaN слоя.

Фиг.6 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество низкотемпературных InGaN слоев.

Фиг.7 представляет собой вид в разрезе структуры с фиг.6 после отжига и выращивания слоев устройства.

Фиг.8 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, выращенный после высокотемпературного GaN слоя.

Фиг.9 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя высокотемпературный InGaN слой, выращенный после низкотемпературного InGaN слоя.

Фиг.10 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя высокотемпературный InGaN слой, выращенный после низкотемпературного InGaN слоя, выращенного после высокотемпературного GaN слоя.

Фиг.11 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный InGaN слой, расположенный между двумя высокотемпературными InGaN слоями.

Фиг.12 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя два высокотемпературных InGaN слоя, выращенных поверх низкотемпературного InGaN слоя.

Фиг.13 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя множество богатых индием и бедных индием слоев, выращенных путем термического циклического роста.

Фиг.14 представляет собой вид в разрезе части устройства, включающего в себя низкотемпературный слой и градиентный композиционный слой.

Фиг.15 представляет собой график с-постоянной решетки как функции а-постоянной решетки для нескольких устройств, включающих в себя GaN слой зародышеобразования и толстый высокотемпературный GaN слой, и для нескольких устройств, включающих в себя низкотемпературный InGaN слой и толстый высокотемпературный GaN слой.

Фиг.16 представляет собой график с- и а-постоянных решетки для нескольких устройств.

Фиг.17 показывает несколько основных кристаллографических плоскостей структуры вюрцита, такой как сапфир.

Фиг.18 показывает часть светоизлучающего устройства с перевернутым кристаллом, из которого удалили подложку роста.

Фиг.19 представляет собой покомпонентный вид собранного светоизлучающего устройства.

Производительность полупроводникового светоизлучающего устройства может быть определена путем измерения внешней квантовой эффективности, которая измеряет число фотонов, излученных устройством, на электрон, поданный в данное устройство. Когда плотность тока, подаваемого на обычное III-нитридное светоизлучающее устройство, увеличивается, внешняя квантовая эффективность данного устройства сначала увеличивается, затем снижается. Когда плотность тока увеличивается от нуля, внешняя квантовая эффективность увеличивается, достигая пика при заданной плотности тока (например, при приблизительно 10 А/см² для некоторых устройств). Когда плотность тока увеличивается выше данного пика, внешняя квантовая эффективность сначала быстро падает, затем снижается медленнее при более высокой плотности тока (например, выше 200 А/см² для некоторых устройств). Квантовая эффективность устройства также снижается, когда содержание InN в светоизлучающей области увеличивается и когда длина волны излучаемого света увеличивается.

Одна технология уменьшения или обращения падения квантовой эффективности при высокой плотности тока представляет собой формирование более толстых светоизлучающих слоев. Однако выращивание толстых III-нитридных светоизлучающих слоев затруднительно из-за деформации слоев III-нитридного устройства. Также, чтобы достичь излучения при больших длинах волн, желательно введение более высокого содержания InN. Однако выращивание III-нитридных светоизлучающих слоев с высоким содержанием InN затруднительно из-за деформации слоев III-нитридного устройства.

Так как натуральные III-нитридные подложки роста обычно дороги, не широко доступны и непрактичны для выращивания коммерческих устройств, III-нитридные устройства часто выращивают на сапфирных (Al₂O₃) или SiC подложках. Такие ненатуральные подложки имеют иные постоянные решетки, чем объемные постоянные решетки слоев III-нитридных устройств, выращенных на подложке, иные коэффициенты теплового расширения и иные химические и структурные свойства, чем слои устройства, приводя к деформации в слоях устройства и плохому химическому и структурному сочетанию между слоями устройства и подложками. Примеры этих плохих структурных сочетаний могут включать в себя, например, плоскостной поворот между кристаллической структурой GaN и кристаллической структурой сапфировой подложки, на которой растет GaN.

Применяемый здесь термин "плоскостная" постоянная решетки относится к действительной постоянной решетки слоя внутри устройства, а "объемная" постоянная решетки относится к постоянной решетки отрелаксированного, свободно расположенного материала данной композиции. Величина деформации в слое задается уравнением (1).

деформация=ε=(ain-plain - abulk)/abulk

(1)

Заметим, что деформация ε в уравнении (1) может быть положительной или отрицательной, т.е. ε>0 или ε<0. В нерастянутой пленке a_in-plain=a_bulk, то есть ε=0 в ур.(1). Пленка, где ε>0, считается находящейся под деформацией растяжения, или под растяжением, тогда как, когда ε<0, говорят о деформации сжатия или сжатии. Примеры деформации растяжения включают в себя деформированную AlGaN пленку, выращенную на недеформированном GaN, или деформированную GaN пленку, выращенную на недеформированном InGaN. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки увеличивается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε>0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под растяжением. Примеры деформации сжатия включают в себя деформированную InGaN пленку, выращенную на недеформированном GaN, или деформированную GaN пленку, выращенную на недеформированном AlGaN. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая больше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки сжимается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε<0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под сжатием. В обоих случаях деформированная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки недеформированного слоя, на котором она растет, поэтому плоскостная постоянная решетки деформированной пленки увеличивается, чтобы соответствовать постоянной решетки недеформированного слоя, давая ε>0 в ур.(1), согласно чему пленку называют находящейся под растяжением.

В растянутой пленке деформация действует, растягивая атомы один от другого, чтобы увеличить плоскостную постоянную решетки. Эта растягивающая деформация часто нежелательна, так как пленка может отзываться на растяжение образованием трещин, которые уменьшают деформацию в пленке, но нарушают структурную и электрическую целостность пленки. В сжатой пленке деформация действует, сдвигая атомы вместе, и этот эффект может уменьшать внедрение больших атомов, таких как индий, в InGaN пленку, например, или может уменьшать качество материала активного InGaN слоя в InGaN СИД. Во многих случаях и растягивающая, и сжимающая деформация нежелательны, и предпочтительно уменьшать растягивающую или сжимающую деформацию в различных слоях устройства. В таких случаях более удобно говорить об абсолютном значении или величине деформации, определяемой в уравнении (2). Применяемый здесь термин "деформация" следует понимать как означающий абсолютное значение или величину деформации, определяемая в ур.(2).

деформация = |ε| = |(ain-plain - abulk)|/abulk

(2)

Когда III-нитридное устройство обычно выращивают на Al₂O₃, первая структура, выращенная на подложке, обычно представляет собой GaN шаблонный слой с плоскостной а-постоянной решетки приблизительно 3,189 Å или меньше. GaN шаблон служит в качестве шаблона постоянной решетки для светоизлучающей области, в которой он устанавливает постоянную решетки для всех слоев устройства, выращенных поверх шаблонного слоя, включая InGaN светоизлучающий слой. Так как объемная постоянная решетки InGaN больше, чем плоскостная постоянная решетки обычного GaN шаблона, светоизлучающий слой деформируется со сжатием, когда растет на обычном GaN шаблоне. Например, светоизлучающий слой, сформированный так, чтобы излучать свет при приблизительно 450 нм, имеет композицию In_0,16Ga_0,84N, композицию с объемной постоянной решетки 3,242 Å по сравнению с постоянной решетки GaN 3,189 Å. Когда InN содержание в светоизлучающем слое увеличивается, как в устройствах, сконструированных для излучения света при больших длинах волн, сжимающая деформация в светоизлучающем слое также увеличивается.

Если толщина деформированного слоя увеличивается свыше критического значения, дислокации или другие дефекты образуются внутри слоя, снижая энергию, связанную с деформацией, как описано в Tomiya et al., Proceedings of SPIE, volume 6133, pages 613308-1-613308-10 (2006), которая включена сюда посредством ссылки. Структурные дефекты могут ассоциироваться с центрами неизлучательной рекомбинации, которые могут существенно снижать квантовую эффективность устройства. В результате, толщина светоизлучающего слоя должна сохраняться ниже этой критической толщины. Когда содержание InN и пиковая длина волны увеличиваются, деформация в светоизлучающем слое увеличивается, поэтому критическая толщина светоизлучающего слоя снижается.

Даже если толщина светоизлучающего слоя поддерживается ниже критической толщины, InGaN сплавы термодинамически неустойчивы при определенных композициях и температурах, как описано в Ponce et al., Physica Status Solidi, volume B 240, pages 273-284 (2003), которая включена сюда посредством ссылки. Например, при температурах, обычно применяемых для роста InGaN, InGaN может демонстрировать спинодальное разложение, когда композиционно однородный слой InGaN превращается в слой с областями с содержанием InN, более высоким, чем среднее, и областями с содержанием InN, более низким, чем среднее. Спинодальное разложение в InGaN светоизлучающем слое создает центры неизлучательной рекомбинации и может увеличивать внутреннее поглощение, что может снижать квантовую эффективность устройства. Проблема спинодального разложения усугубляется, когда толщина светоизлучающего слоя увеличивается, когда среднее содержание InN в светоизлучающем слое увеличивается и/или когда деформация светоизлучающего слоя увеличивается. Например, в случае светоизлучающего слоя, выращенного на GaN шаблоне и сформированного для излучения света при 550 нм, комбинация содержания InN >20% и предпочтительной толщины >30Å превышает предел спинодального разложения.

Соответственно, как описано выше, желательно увеличить толщину светоизлучающего слоя, чтобы снизить или устранить падение внешней квантовой эффективности, которое происходит, когда плотность тока увеличивается, или желательно увеличить содержание InN, чтобы достичь больших длин волн излучения. В обоих случаях необходимо снижать деформацию в светоизлучающем слое, чтобы выращивать более толстый светоизлучающий слой или слой с более высоким содержанием, сохранять число дефектов в приемлемом диапазоне путем увеличения критической толщины и увеличивать толщину, при которой слой может расти без спинодального разложения. Варианты осуществления данного изобретения разработаны снижать деформацию слоев устройства III-нитридного устройства, в частности в светоизлучающем слое.

Фиг.1 показывает устройство с обычным слоем 2 зародышеобразования, выращенным на подложке 1. Один или несколько высокотемпературных слоев 3 и 5 могут быть выращены поверх слоя 2 зародышеобразования, и слои 6 устройства могут быть выращены поверх высокотемпературных слоев 3 или 5. Предшествующие способы снижения деформации III-нитридных светоизлучающих слоев включают в себя выращивание высокотемпературной, по существу монокристаллической InGaN области 5 поверх сросшейся GaN области 3, как показано на фиг.1 и описано в патенте США 6489636, или выращивание индийсодержащего слоя 2 зародышеобразования непосредственно на сапфировой подложке, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107А. Однако InGaN область, выращенная поверх сросшегося GaN, обычно не релаксирует эффективно и, таким образом, обеспечивает ограниченное снижение деформации и соответствующих дефектов, и подход, описанный в патентной заявке Великобритании GB 2338107А, который включает в себя индийсодержащий слой зародышеобразования, выращенный непосредственно на сапфировой подложке, обычно приводит к одной или нескольким проблемам в слоях устройства, включая высокие плотности дислокаций, шероховатые поверхности и высокие концентрации примесей, таких как углерод и кислород. Соответственно, необходимо контролировать не только деформацию в слоях устройства, но также плотность дислокаций и поверхностную шероховатость.

Другой способ регулирования деформации в обычных GaN шаблонах, таких как показанный на фиг.1, представляет собой регулирование плотности дислокаций в GaN шаблоне, как описано в Bottcher et al., Applied Physics Letters, volume 78, pages 1976-1978 (2001), которая включена сюда посредством ссылки. В этом подходе а-постоянная решетки увеличивается с увеличением плотности введенных дислокаций (ПВД). Хотя точное соотношение между а-постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций зависит от многих факторов, включая концентрацию Si, температуру роста и толщину шаблона, приблизительное соотношение между а-постоянной решетки и плотностью введенных дислокаций в обычных GaN шаблонах может быть описано в виде

ain-plain = 3,1832 + 9,578×10-13*ПВД

(3)

Из ур.(3) видно, что плоскостная а-постоянная решетки 3,189 Å соответствует плотности введенных дислокаций приблизительно 6×10⁹ см^-2. Хотя эта а-постоянная решетки может быть достигнута при меньших плотностях введенных дислокаций, используя разные концентрации Si, разные температуры роста или разные толщины шаблона, изобретатели обнаружили, что обычный GaN шаблон с а-постоянной решетки, большей чем 3,189 Å, обычно имеет плотность введенных дислокаций, по меньшей мере, 2×10⁹ см^-2. Изменяя плотность введенных дислокаций в обычных GaN шаблонах, таких как шаблон на фиг.1, изобретатели меняли плоскостную а-постоянную решетки в обычных GaN шаблонах в диапазоне от приблизительно 3,1832 Å до приблизительно 3,1919 Å.

Хотя увеличение плотности введенных дислокаций, таким образом, обычно эффективно при увеличении а-постоянной решетки в обычных GaN шаблонах, этот способ имеет несколько недостатков. Например, дефекты, такие как дислокации, действуют в качестве центров неизлучательной рекомбинации, что может снижать внешнюю квантовую эффективность III-нитридных светоизлучающих устройств, как описано в Koleske et al., Applied Physics Letters, volume 81, pages 1940-1942 (2002), которая включена сюда посредством ссылки. Следовательно, желательно снижать плотность дислокаций, чтобы увеличить внешнюю квантовую эффективность. Также, когда плоскостная а-постоянная решетки достигает или превышает приблизительно 3,189 Å в обычных GaN шаблонах, GaN слои имеют тенденцию образовывать трещины из-за избыточной деформации растяжения, как описано в Romano et al., Journal of Applied Physics, volume 87, pages 7745-7752 (2000), которая включена сюда посредством ссылки. Следовательно, желательно нарушить это соотношение между а-постоянной решетки и плотностью дислокаций, которое диктуется бинарной композицией GaN шаблонов. В частности, получение слабодеформированных активных слоев в комбинации с шаблонами с низкой плотностью введенных дислокаций является важной задачей для увеличения внешней квантовой эффективности и длины волны III-нитридных СИД. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения шаблон, на котором выращивают слои устройства, является, по существу, свободным от трещин с комбинацией такой большой плоскостной а-постоянной решетки, как 3,200 Å, и плотности введенных дислокаций ниже 2×10⁹ см^-2.

В вариантах осуществления данного изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают поверх структуры, называемой здесь шаблоном, внедряя компонент для регулирования постоянной решетки (и, следовательно, деформации) в слоях устройства. Структуры, которые увеличивают постоянную решетки в устройстве, могут вызывать нежелательно увеличенную поверхностную шероховатость или увеличенную плотность введенных дислокаций, поэтому шаблон может также включать в себя компоненты для регулирования плотности введенных дислокаций и поверхностной шероховатости в слоях устройства, в частности в светоизлучающей области. Шаблон устанавливает плотность введенных дислокаций и постоянную решетки полупроводниковых слоев, выращенных на данном шаблоне. Шаблон служит в качестве перехода постоянной решетки от постоянной решетки GaN к постоянной решетки, более близко соответствующей объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя. Постоянная решетки, установленная данным шаблоном, может ближе соответствовать объемной постоянной решетки слоев устройства, чем постоянная решетки, доступная в устройствах, выращенных на обычных шаблонах, обеспечивая меньшую деформацию при приемлемой плотности введенных дислокаций и поверхностной шероховатости по сравнению с устройствами, выращенными на обычных GaN шаблонах.

Слои устройства, упомянутые выше, включают в себя, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, промежуточный между, по меньшей мере, одним слоем n-типа и, по меньшей мере, одним слоем р-типа. Дополнительные слои с другими композициями и концентрациями легирующих примесей могут быть включены в каждую из области n-типа, светоизлучающей области и области р-типа. Например, области n- и р-типа могут включать в себя слои противоположного типа проводимости или слои, которые не легировали намеренно, освобождающие слои, приспособленные для облегчения позднейшего освобождения подложки роста или утонения полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои, предназначенные для особых оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области для эффективного излучения света. В некоторых вариантах осуществления слой n-типа, промежуточный к светоизлучающему слою, может быть частью шаблона.

В описанных ниже вариантах осуществления содержание InN в светоизлучающем слое или слоях может быть низким, так что данное устройство излучает синий или УФ свет, или высоким, так что данное устройство излучает зеленый свет или свет с большей длиной волны. В некоторых вариантах осуществления устройство включает в себя один или несколько светоизлучающих слоев с квантовой ямой. Множественные квантовые ямы могут быть разделены барьерными слоями. Например, каждая квантовая яма может иметь толщину больше чем 15 Å.

В некоторых вариантах осуществления светоизлучающая область устройства представляет собой один толстый светоизлучающий слой с толщиной от 50 до 600 Å, более предпочтительно от 100 до 250 Å. Оптимальная толщина может зависеть от количества дефектов внутри светоизлучающего слоя. Концентрация дефектов в светоизлучающей области предпочтительно ограничена менее чем 10⁹ см^-2, более предпочтительно ограничена менее чем 10⁸ см^-2, более предпочтительно ограничена менее чем 10⁷ см^-2 и более предпочтительно ограничена менее чем 10⁶ см^-2.

В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один светоизлучающий слой в устройстве легируют легирующей добавкой, такой как Si, до легирующей концентрации от 1×10¹⁸ см^-3 до 1×10²⁰ см^-3. Si легирование может влиять на плоскостную а-постоянную решетки в светоизлучающем слое, потенциально дополнительно снижая деформацию в светоизлучающем слое.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения шаблон включает в себя, по меньшей мере, один низкотемпературный InGaN слой. Было обнаружено, что Н₂ может влиять на внедрение индия в InGaN пленки, как описано в Bosi and Fornari, Journal of Crystal Growth, volume 265, pages 434-439 (2004), которая включена сюда посредством ссылки. Различные другие параметры, такие как температура выращивания, давление выращивания, скорость выращивания и поток NH₃, также могут влиять на внедрение индия в InGaN пленки, как описано отчасти в Oliver et al., Journal of Applied Physics, volume 97, pages 013707-1-013707-8 (2005), которая включена сюда посредством ссылки. Изменяемый поток Н₂, таким образом, иногда используют в качестве средства регулирования содержания InN в InGaN или AlInGaN пленках. В некоторых вариантах осуществления описанные здесь шаблоны, поэтому, выращивают, используя один или несколько параметров из изменяемого потока Н₂, изменяемого потока N₂ или изменяемого потока NH₃ в реактор во время роста шаблона. В других вариантах осуществления шаблоны выращивают, используя изменяемую температуру или изменяемое давление, или изменяемую скорость выращивания во время роста шаблона. В других вариантах осуществления шаблоны выращивают, используя произвольную комбинацию одного или нескольких параметров из изменяемого потока Н₂, изменяемого потока N₂ или изменяемого потока NH₃, изменяемой температуры, изменяемого давления или изменяемой скорости роста во время роста шаблона.

Фиг.2 иллюстрирует первый вариант осуществления данного изобретения. Обычный низкотемпературный слой 22 зародышеобразования выращивают непосредственно на поверхности сапфировой подложки 20. Слой 22 зародышеобразования обычно представляет собой низкокачественный, не монокристаллический слой, такой как аморфный, поликристаллический слой или слой кубической фазы GaN, выращенный до толщины, например, до 500 ангстрем при температуре от 400 до 750°С.

Второй слой 26 также выращивают при низкой температуре поверх слоя 22 зародышеобразования. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, низкокачественным, не монокристаллическим слоем, таким как аморфный, поликристаллический III-нитридный слой или III-нитридный слой кубической фазы, выращенный до толщины, например, до 500 ангстрем при температуре от 400 до 750°С, более предпочтительно от 450 до 650°С, более предпочтительно от 500 до 600°С. В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 имеет менее чем 300 ангстрем толщины. Низкотемпературный слой 26 может быть, например, InGaN слоем с содержанием InN больше чем 0% и часто меньше чем 20%, более предпочтительно от 3% до 6%, более предпочтительно от 4% до 5%. В некоторых вариантах осуществления содержание InN в низкотемпературном слое 26 меньше, например меньше чем 2%. Данная структура может отжигаться после выращивания слоя 22 зародышеобразования, но перед выращиванием низкотемпературного слоя 26, после выращивания низкотемпературного слоя 26 или оба раза. Например, структура может отжигаться при температуре от 950 до 1150°С в течение от 30 секунд до 30 минут, обычно в окружении Н₂ и NH₃; N₂ и NH₃; или Н₂, N₂ и NH₃. В некоторых вариантах осуществления Ga, Al или In предшественники могут вводиться во время, по меньшей мере, части процесса отжига. Слои 10 устройства затем выращивают поверх низкотемпературного слоя 26. Низкотемпературный слой 26 может увеличивать постоянную решетки слоев 10 устройства за диапазон постоянных решетки, достижимых с обычными структурами зародышеобразования, такими как GaN шаблоны. Увеличение постоянной решетки происходит потому, что низкотемпературный слой 26 не выращивается соразмерно с нижележащими слоями, хотя GaN слой зародышеобразования имеет другую постоянную решетки, чем сапфир или SiC, или другая подложка, на которой он растет. Таким образом, как описано выше, низкотемпературный слой 26 служит переходом от постоянной решетки слоя 22 зародышеобразования к большей постоянной решетки. III-нитридное устройство, использующее низкотемпературный InGaN слой 26, как показано на фиг.2, может быть выращено более высокого качества, чем III-нитридное устройство, использующее InN-содержащий слой 2 зародышеобразования, выращенный непосредственно на подложке, например, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107А.

В некоторых вариантах осуществления низкотемпературный слой 26 может быть образован из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN, так что низкотемпературные слои 26 снижают постоянную решетки, установленную слоем 22 зародышеобразования, чтобы уменьшить растягивающую деформацию в AlGaN светоизлучающей области УФ устройства. Светоизлучающие активные слои таких устройств могут представлять собой, например, AlGaN или AlInGaN.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения устройство, показанное на фиг.2, может включать в себя один или несколько пакетов множества слоев. Примеры пакетов множества слоев включают в себя множество слоев 22 зародышеобразования или множество низкотемпературных слоев 26. Например, один или несколько дополнительных GaN слоев зародышеобразования могут быть расположены между подложкой 20 и InGaN низкотемпературным слоем 26, как показано на фиг.3. Альтернативно, множество InGaN низкотемпературных слоев 26 может быть выращено после слоя 22 зародышеобразования, как показано на фиг.4. В другом примере устройства, которое включает в себя шаблон с пакетами множества слоев, последовательность из GaN низкотемпературного слоя 22 и последующего InGaN низкотемпературного слоя 26 может повторяться один или несколько раз, как показано на фиг.5. Использование множества слоев зародышеобразования и низкотемпературных слоев может снижать плотность введенных дислокаций и плотность дефектов упаковки в устройстве.

В некоторых вариантах осуществления множество низкотемпературных слоев 26 на фиг.4 и фиг.5 может иметь неодинаковое InN содержание или неодинаковую толщину, как иллюстрируется множественными низкотемпературными слоями 32, 34 и 36 на фиг.6. Структура, показанная на фиг.6, может быть выращена непосредственно на обычной подложке 20 или поверх слоя 22 зародышеобразования, как показано на фиг.2. Низкотемпературный слой, ближайший к подложке, слой 32, может иметь самое высокое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, самый дальний от подложки, слой 36, может иметь самое низкое содержание индия. В другом варианте осуществления низкотемпературный слой, ближайший к подложке, слой 32, может иметь самое низкое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, самый дальний от подложки, слой 36, может иметь самое высокое содержание индия. Альтернативно, любая произвольная последовательность низкотемпературных слоев может быть использована. GaN верхний слой 38 может быть образован над верхним низкотемпературным слоем. Каждый из этих низкотемпературных слоев не обязан иметь одинаковую толщину. Например, слои с меньшим содержанием индия могут быть толще, чем слои с более высоким содержанием индия. Больше или меньше чем три низкотемпературных слоя, показанных на фиг.6, могут использоваться. Кроме того, множественные пакеты низкотемпературных слоев, показанных на фиг.6, могут быть включены в данное устройство. Каждый из этих слоев может меняться по толщине от 10 ангстрем до 1000 ангстрем или больше.

Структура, показанная на фиг.6, может отжигаться один или несколько раз после выращивания одного или нескольких слоев 32, 34, 36 или 38. Этот процесс отжига может заставлять InGaN низкотемпературные слои 32, 34, 36 и GaN верхний слой 38 смешиваться, образуя единую InGaN область 36, как показано на фиг.7, над которой выращивают слои 10 устройства. Верхний GaN слой 38 на фиг.6 может уменьшать количество InN, покидающего InGaN низкотемпературные слои 32, 34 и 36 во время отжига. Условия отжига выбирают так, что конечная структура имеет гладкую поверхность и низкую плотность дефектов. В некоторых вариантах осуществления отжиг включает в себя паузу роста. Например, структура может отжигаться в течение от 30 секунд до 30 минут при температуре от 950 до 1150°С. После выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 температура может быть повышена до температуры выращивания верхнего слоя 38 или следующего выращиваемого слоя, затем присутствует пауза роста перед ростом верхнего слоя 38 или следующего слоя. В других вариантах осуществления отжиг представляет собой просто увеличение температуры в реакторе выращивания после выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 до температуры выращивания верхнего слоя 38. В некоторых вариантах осуществления выращивание верхнего слоя 38 начинается до того, как температура в реакторе выращивания достигает желаемой температуры выращивания верхнего слоя 38. В некоторых вариантах осуществления верхний слой 38 может выращиваться при низкой температуре, подобной температуре, используемой для выращивания слоя 22 зародышеобразования. В структуре из низкотемпературных слоев 32, 34 и 36, и верхнего слоя 38 слои с низким содержанием InN могут помогать подавлять потери InN из слоев с высоким содержанием InN во время отжига.

Пакеты множества слоев на фиг.3 или 4, или 5, или градиентные InN-содержащие слои 32, 34 и 36 на фиг.6, и градиентный InN-содержащий слой 35 на фиг.7 могут замещать единственный низкотемпературный слой 26, показанный в любом из вариантов осуществления, описанных здесь. Применяемый здесь термин "градиентный", когда описывает композицию или концентрацию легирующей примеси в слое или слоях в устройстве, подразумевает охват любой структуры, которая достигает изменения композиции и/или концентрации легирующей добавки любым образом, кроме единственной ступени в композиции и/или концентрации легирующей добавки. Каждый градиентный слой может быть пакетом подслоев, где каждый из подслоев имеет другую концентрацию легирующей добавки или композицию, чем любой соседний к нему подслой. Если подслои имеют разрешимую толщину, градиентный слой является ступенчато-градиентным слоем. В некоторых вариантах осуществления подслои в ступенчато-градиентном слое могут иметь толщину, меняющуюся от нескольких десятков ангстрем до нескольких тысяч ангстрем. В пределе, когда толщина отдельных подслоев приближается к нулю, градиентный слой представляет собой непрерывно-градиентный слой. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть расположены, образуя множество профилей композиции и/или концентрации легирующей добавки от толщины, включая линейные профили, параболические профили и степенные профили, но не ограничиваясь ими. Также, градиентные слои не ограничиваются единственным профилем градиента, а могут включать в себя части с разными профилями градиента и одну или несколько частей с областями, по существу, постоянной композиции и/или концентрации легирующих добавок.

В одном примере слои 32, 34 и 36 могут быть образованы из InGaN с содержанием InN 9%, 6% и 3%, соответственно. В другом примере слои 32, 34 и 36 могут иметь содержания InN 9%, 3% и 9%. После отжига перемешанная область 35 на фиг.7 может иметь содержание InN, которое монотонно снижается снизу вверх, монотонно увеличивается снизу вверх или меняется немонотонным образом.

В некоторых вариантах осуществления данного изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают поверх шаблона, включающего, по меньшей мере, один низкотемпературный слой, выращенный поверх высокотемпературного слоя. Высокотемпературный слой может устанавливать низкую плотность