Способ изготовления светоизлучающих устройств на основе нитридов iii группы, выращенных на шаблонах для уменьшения напряжения

Способ изготовления светоизлучающих устройств на основе нитридов iii группы, выращенных на шаблонах для уменьшения напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к технологиям роста и структурам устройства для полупроводниковых светоизлучающих устройств.

Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие светоизлучающие диоды (LEDs), светоизлучающие диоды с объемным резонатором (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSELs) и лазеры с торцевым излучением, являются одними из наиболее эффективных источников света, доступных в настоящее время. Системы материалов, представляющих в настоящее время интерес для производства светоизлучающих устройств повышенной яркости, которые могут работать в ультрафиолетовой, видимой и, возможно, инфракрасной областях спектра, включают полупроводники III и V групп, в частности двойные, тройные и четверные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, называемые также III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства производят эпитаксиальным выращиванием стека полупроводниковых слоев различного состава и концентраций примеси на сапфировой, карбидокремниевой, III-нитридной или другой подходящей подложке посредством химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии (МВЕ) или других эпитаксиальных технологий. Стек слоев часто включает один или более слой n-типа, легированный, например, кремнием, образованный над подложкой, один или более светоизлучающий слой в активной области, образованный над слоем или слоями n-типа, и один или более слой p-типа, легированный, например, магнием, образованный над активной областью. Электрические контакты образуют в областях n-типа и p-типа. Эти III-нитридные материалы также представляют интерес для других оптоэлектронных, а также электронных устройств, таких как полевые транзисторы (FETs) и детекторы. В воплощениях изобретения слои устройства, включающие светоизлучающий слой III-нитридного устройства, выращивают над шаблоном, предназначенным для уменьшения напряжения в устройстве, в частности в светоизлучающем слое. Это напряжение может быть определено следующим образом: заданный слой имеет "объемную" постоянную решетки (abulk), соответствующую постоянной решетки свободно располагающегося материала того же состава, что и данный слой, и "плоскостную" постоянную решетки (ain-plane), соответствующую постоянной решетки этого слоя, выращенного в структуре. Величина напряжения в слое равна разнице между плоскостной постоянной решетки материала, образующего конкретный слой, и объемной постоянной решетки слоя в устройстве, поделенной на объемную постоянную решетки.

Уменьшение напряжения в светоизлучающем устройстве может улучшить рабочие характеристики устройства. Шаблон может расширить постоянную решетки в светоизлучающем слое за пределы диапазона постоянных решетки, который допускают традиционные ростовые шаблоны. В некоторых воплощениях изобретения напряжение в светоизлучающем слое составляет менее 1%.

В некоторых воплощениях шаблон включает два слоя, выращенных при низкой температуре, затравочный слой, не содержащий индий, такой как GaN, выращенный непосредственно на подложке, и содержащий индий слой, такой как InGaN, выращенный над слоем, не содержащим индий. Оба слоя могут быть неединичными кристаллическими слоями. В некоторых воплощениях единственный кристаллический слой, такой как слой GaN, может быть выращен между затравочным слоем и содержащим индий слоем. В некоторых воплощениях единственный кристаллический слой, такой как GaN, InGaN или AlInGaN, может быть выращен над низкотемпературным содержащим индий слоем.

В некоторых воплощениях шаблон дополнительно включает многослойный стек или градиентную область или образован с помощью процесса, включающего этап термического отжига или термического циклического выращивания.

Фиг.1 является разрезом участка устройства согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный после традиционного низкотемпературного затравочного слоя.

Фиг.3 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный над несколькими низкотемпературными затравочными слоями.

Фиг.4 является разрезом участка устройства, включающего несколько низкотемпературных слоев, выращенных над традиционным низкотемпературным затравочным слоем.

Фиг.5 является разрезом участка устройства, включающего более одного набора из низкотемпературного затравочного слоя и низкотемпературного слоя InGaN.

Фиг.6 является разрезом участка устройства, включающего несколько низкотемпературных слоев InGaN.

Фиг.7 является разрезом структуры по фиг.6 после отжига и выращивания слоев устройства.

Фиг.8 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, выращенный после высокотемпературного слоя GaN.

Фиг.9 является разрезом участка устройства, включающего высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя GaN.

Фиг.10 является разрезом участка устройства, включающего высокотемпературный слой InGaN, выращенный после низкотемпературного слоя InGaN, выращенного после высокотемпературного слоя GaN.

Фиг.11 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой InGaN, расположенный между двумя высокотемпературными слоями InGaN.

Фиг.12 является разрезом участка устройства, включающего два высокотемпературных слоя InGaN, выращенных над низкотемпературным слоем InGaN.

Фиг.13 является разрезом участка устройства, включающего несколько слоев, обогащенных индием и обедненных индием, выращенных посредством термического циклического выращивания.

Фиг.14 является разрезом участка устройства, включающего низкотемпературный слой и слой градиентного состава.

Фиг.15 является графиком постоянной решетки с как функции постоянной решетки а для нескольких устройств, включающих затравочный слой GaN и толстый высокотемпературный слой GaN, и для нескольких устройств, включающих низкотемпературный слой InGaN и толстый высокотемпературный слой GaN.

Фиг.16 является графиком постоянных решетки с и а для нескольких устройств.

Фиг.17 иллюстрирует несколько основных кристаллографических плоскостей структуры вюрцита, например сапфира.

Фиг.18 иллюстрирует участок светоизлучающего устройства перевернутого кристалла, из которого удалена ростовая подложка.

Фиг.19 является покомпонентным видом светоизлучающего устройства в корпусе.

Рабочие характеристики полупроводникового светоизлучающего устройства можно рассчитать, измеряя внешнюю квантовую эффективность, которая измеряет число фотонов, излученных устройством, на электрон, подаваемый в устройство. Когда плотность тока, подаваемого на традиционное III-нитридное светоизлучающее устройство, возрастает, внешняя квантовая эффективность устройства сначала возрастает, а затем уменьшается. Когда плотность тока возрастает выше нуля, внешняя квантовая эффективность возрастает, достигая максимума при данной плотности тока (например, приблизительно при 10 А/см² для некоторых устройств). Когда плотность тока возрастает выше максимума, внешняя квантовая эффективность сначала быстро падает, затем падение замедляется при более высокой плотности тока (например, выше 200 А/см² для некоторых устройств). Квантовая эффективность устройства также уменьшается с увеличением содержания InN в светоизлучающей области и с увеличением длины волны излученного света.

Одной из технологий для уменьшения или обращения падения квантовой эффективности при высокой плотности тока является образование более толстых светоизлучающих слоев. Тем не менее вырастить толстые III-нитридные светоизлучающие слои трудно из-за напряжения в III-нитридных слоях устройства. Также для достижения излучения с большими длинами волн желательно включение более высокого содержания InN. Тем не менее вырастить III-нитридные светоизлучающие слои с высоким содержанием InN трудно из-за напряжения в III-нитридных слоях устройства.

Так как природные III-нитридные ростовые подложки обычно дороги, не являются широкодоступными и непрактичны для выращивания промышленных устройств, III-нитридные устройства часто выращивают на сапфировых (Al₂O₃) или карбидокремниевых подложках. Постоянные решетки таких неприродных подложек отличны от объемных постоянных решетки III-нитридных слоев устройства, выращенных на подложке, коэффициенты теплового расширения и различные химические и структурные свойства таких подложек и слоев устройства различны, что приводит к напряжению в слоях устройства и химическому и структурному рассогласованию между слоями устройства и подложками. Примеры этого структурного рассогласования могут включать, например, плоскостный поворот между кристаллической структурой GaN и кристаллической структурой сапфировой подложки, на которой выращен GaN.

Используемый здесь термин «плоскостная» постоянная решетки относится к действительной постоянной решетки слоя в устройстве, а термин «объемная» постоянная решетки относится к постоянной решетки ненапряженного, свободно располагающегося материала данного состава. Величина напряжения в слое определяется уравнением (1).

напряжение=ε=(a_in-plane-a_bulk)/a_bulk (1)

Заметим, что напряжение ε в уравнении (1) может быть как положительным, так и отрицательным, т.е. ε>0 или ε<0. В ненапряженной пленке a_in-plane=a_bulk, поэтому ε=0 в уравнении (1). Считается, что пленка, для которой ε>0, находится под растягивающим напряжением, или под воздействием растяжения, тогда как пленка, для которой ε<0, находится под сжимающим напряжением, или под воздействием сжатия. Примеры растягивающего напряжения включают напряженную пленку AlGaN, выращенную над ненапряженной GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную над ненапряженной InGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая меньше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, поэтому плоскостная постоянная решетки напряженной пленки растягивается для совпадения с плоскостной постоянной решетки ненапряженного слоя, что дает ε>0 в уравнении (1), в соответствии с чем считают, что пленка находится под воздействием растяжения. Примеры сжимающего напряжения включают напряженную пленку InGaN, выращенную над ненапряженной GaN, или напряженную пленку GaN, выращенную над ненапряженной AlGaN. В обоих случаях напряженная пленка имеет объемную постоянную решетки, которая больше, чем объемная постоянная решетки ненапряженного слоя, на котором она выращена, поэтому плоскостная постоянная решетки напряженной пленки сжимается для совпадения с плоскостной постоянной решетки ненапряженного слоя, что дает ε<0 в уравнении (1), в соответствии с чем считают, что пленка находится под воздействием сжатия.

В растянутой пленке напряжение действует таким образом, чтобы растащить атомы друг от друга для увеличения плоскостной постоянной решетки. Это растягивающее напряжение часто является нежелательным, так как пленка может растрескаться в ответ на растягивающее напряжение, что уменьшает напряжение в пленке, но подвергает риску структурную и электрическую целостность пленки. В сжатой пленке напряжение действует таким образом, чтобы столкнуть атомы, и этот эффект может уменьшить вхождение больших атомов, таких как индий, в пленку InGaN, например, или может ухудшить качество материала активного слоя InGaN в светодиодах на основе InGaN. Во многих случаях растягивающее и сжимающее напряжение оба нежелательны, и выгодно уменьшить растягивающее и сжимающее напряжение в различных слоях устройства. В таких случаях более удобно ссылаться на абсолютное значение или магнитуду напряжения, определенную в уравнении (2). Используемый здесь термин "напряжение" следует понимать как обозначение абсолютного значения или магнитуды напряжения, определенной в уравнении (2).

напряжение=|ε|=|(a_in-plane-a_bulk)|/a_bulk (2)

Когда III-нитридное устройство традиционным образом выращивают на Al₂O₃, первой структурой, выращенной на подложке, обычно является затравочный слой GaN с плоскостной постоянной решетки а, равной приблизительно 3,189 Å или меньше. Шаблон GaN служит шаблоном постоянной решетки для светоизлучающей области, так как он устанавливает постоянную решетки для всех слоев устройства, выращенных над слоем шаблона, включая светоизлучающий слой InGaN. Так как объемная постоянная решетки InGaN больше, чем плоскостная постоянная решетки традиционного шаблона GaN, светоизлучающий слой подвергается сжимающему напряжению при росте над традиционным шаблоном GaN. Например, светоизлучающий слой, предназначенный для излучения света приблизительно на 450 нм, может иметь состав In_0,16Ga_0,84N, состав с объемной постоянной решетки, равной 3,242 Å, по сравнению с постоянной решетки GaN, равной 3,189 Å. Так как содержание InN в светоизлучающем слое увеличивается, например, в устройствах, предназначенных для излучения света на больших длинах волн, сжимающее напряжение в светоизлучающем слое также увеличивается.

Если толщина напряженного слоя возрастает выше критического значения, в слое образуются дислокации или другие дефекты для уменьшения энергии, связанной с напряжением, как описано в работе Tomiya и др., Proceedings of SPIE, том 6133, стр. 613308-1-613308-10 (2006), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Структурные дефекты могут присоединяться к неизлучающим центрам рекомбинации, которые могут значительно снизить квантовую эффективность устройства. В результате необходимо поддержание значения толщины светоизлучающего слоя, которое меньше этой критической толщины. С увеличением содержания InN и максимальной длины волны напряжение в светоизлучающем слое увеличивается, таким образом, критическая толщина светоизлучающего слоя уменьшается.

Даже если значение толщины светоизлучающего слоя поддерживается ниже критической толщины, сплавы InGaN являются термодинамически нестабильными при определенных составах и температурах, как описано в работе Ponce и др., Physica Status Solidi, том В 240, стр.273-284 (2003), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Например, при температурах, обычно используемых для выращивания InGaN, в InGaN может проявиться спинодальный распад, при котором однородный по своему составу слой InGaN превращается в слой с областями содержания InN выше среднего и областями содержания InN ниже среднего. Спинодальный распад в светоизлучающем слое InGaN создает неизлучающие центры рекомбинации и может увеличить внутреннее поглощение, которое может снизить квантовую эффективность устройства. Проблема спинодального распада усугубляется с увеличением толщины светоизлучающего слоя, с увеличением среднего содержания InN в светоизлучающем слое и/или с увеличением напряжения в светоизлучающем слое. Например, в случае светоизлучающего слоя, выращенного на шаблоне GaN и предназначенного для излучения света на 550 нм, сочетание того, что содержание InN >20%, и того, что предпочтительная толщина >30 Å, выходит за пределы спинодального распада.

Следовательно, как описано выше, желательно увеличение толщины светоизлучающего слоя для уменьшения или исключения падения внешней квантовой эффективности, которое происходит с увеличением плотности тока, или желательно увеличение содержания InN для достижения большей длины волны. В обоих случаях необходимо уменьшить напряжение в светоизлучающем слое для выращивания более толстого светоизлучающего слоя или светоизлучающего слоя с большим содержанием, поддержания количества дефектов в диапазоне приемлемых значений посредством увеличения критической толщины и для увеличения толщины, при которой слой может быть выращен без спинодального распада. Воплощения изобретения предназначены для уменьшения напряжения в слоях устройства III-нитридного устройства, в частности в светоизлучающем слое.

Фиг.1 иллюстрирует устройство с традиционным затравочным слоем 2, выращенным на подложке 1. Один или более высокотемпературный слой, 3 и 5, может быть выращен над затравочным слоем 2, и слои 6 устройства могут быть выращены над высокотемпературными слоями 3 или 5. Ранее применявшиеся способы уменьшения напряжения в III-нитридных светоизлучающих слоях включают выращивание высокотемпературной, по существу монокристаллической, области 5 InGaN над коалесцированной областью 3 GaN, как проиллюстрировано на фиг.1 и описано в патенте США 6489636, или выращивание содержащего индий затравочного слоя 2 непосредственно на сапфировой подложке, как проиллюстрировано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A. Тем не менее область InGaN, выращенная над коалесцированной GaN, обычно не ослабляется эффективно и, таким образом, обеспечивает ограниченное уменьшение напряжения и связанных с ним дефектов, и подход, описанный в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A, который включает содержащий индий затравочный слой, выращенный непосредственно на сапфире, обычно приводит к одной или более проблеме в слоях устройства, включая высокую плотность дислокаций, шероховатые поверхности и высокие концентрации примесей, таких как углерод и кислород. Следовательно, необходимо контролировать не только напряжение в слоях устройства, но также плотность дислокаций и шероховатость поверхности.

Другим способом контроля напряжения в традиционных шаблонах GaN, таких как показанные на фиг.1, является контроль плотности дислокаций в шаблоне GaN, как описано в работе Böttcher и др., Applied Physics Letters, том 78, стр. 1976-1978 (2001), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. При таком подходе постоянная решетки а увеличивается с увеличением плотности прошивающих дислокаций (TDD). Хотя точное соотношение между постоянной решетки а и плотностью прошивающих дислокаций зависит от многих факторов, включая концентрацию Si, температуру роста и толщину шаблона, приближенное соотношение между постоянной решетки а и плотностью прошивающих дислокаций в традиционных шаблонах GaN может быть описано как

a_in-plane=3,1832+9,578×10^-13·TDD(3)

Из уравнения (3) можно заметить, что плоскостная постоянная решетки а , равная 3,189 Å, соответствует плотности прошивающих дислокаций, равной приблизительно 6×10⁹ см^-2. Хотя такое значение постоянной решетки а может быть достигнуто при более низких плотностях прошивающих дислокаций с использованием различных концентраций Si, различных температур роста или различных толщин шаблонов, авторы изобретения заметили, что традиционный шаблон GaN с постоянной решетки а , большей чем 3,189 Å, обычно имеет плотность прошивающих дислокаций, равную, по меньшей мере, 2×10⁹ см^-2. Изменяя плотность прошивающих дислокаций в традиционных шаблонах GaN, таких как на фиг.1, авторы изобретения изменяли плоскостную постоянную решетки а в традиционных шаблонах GaN в диапазоне от 3,1832 Å приблизительно до 3,1919 Å приблизительно.

Хотя увеличение плотности прошивающих дислокаций, таким образом, в общем эффективно при увеличении постоянной решетки а в традиционных шаблонах GaN, этот способ имеет несколько недостатков. Например, дефекты, такие как дислокации, выполняют функции неизлучающих центров рекомбинации, которые могут снизить внешнюю квантовую эффективность III-нитридных светоизлучающих устройств, как описано в работе Koleske и др., Applied Physics Letters, том 81, стр. 1940-1942 (2002), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Следовательно, желательно уменьшение плотности дислокаций для увеличения внешней квантовой эффективности. Также, так как плоскостная постоянная решетки а достигает и превышает приблизительно 3,189 Å в традиционных шаблонах GaN, слои GaN имеют склонность к растрескиванию вследствие чрезмерного растягивающего напряжения, как описано в работе Romano и др., Journal of Applied Physics, том 87, стр. 7745-7752 (2000), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Следовательно, желательно нарушить это соотношение между постоянной решетки а и плотностью дислокаций, которое требует бинарный состав шаблонов GaN. В частности, получение активных слоев с небольшим напряжением в сочетании с шаблонами, имеющими низкую плотность прошивающих дислокаций, является важной задачей для увеличения внешней квантовой эффективности и длины волны III-нитридных светодиодов. В некоторых воплощениях изобретения в шаблоне, на котором выращены слои устройства, по существу, отсутствуют трещины при сочетании плоскостной постоянной решетки а , равной 3,200 Å, и плотности прошивающих дислокаций, меньшей 2×10⁹ см^-2.

В воплощениях изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращены над структурой, упоминаемой здесь как шаблон, включающей компоненту для контроля постоянной решетки (и, следовательно, напряжения) в слоях устройства. Структуры, которые увеличивают постоянную решетки в устройстве, могут стать причиной нежелательно увеличенной шероховатости поверхности или увеличенной плотности прошивающих дислокаций, таким образом, шаблон может также включать компоненты для контроля плотности прошивающих дислокаций и шероховатости поверхности в слоях устройства, в частности в светоизлучающей области. Шаблон устанавливает плотность прошивающих дислокаций и постоянную решетки полупроводниковых слоев, выращенных над шаблоном. Шаблон служит переходом для постоянных решетки от постоянной решетки GaN к постоянной решетки, более точно совпадающей с объемной постоянной решетки светоизлучающего слоя. Постоянная решетки, устанавливаемая шаблоном, может точнее совпадать с объемной постоянной решетки слоев устройства, чем постоянная решетки, доступная в устройствах, выращенных на традиционных шаблонах, что приводит к меньшему напряжению при приемлемых значениях плотности прошивающих дислокаций и шероховатости поверхности по сравнению с устройствами, выращенными на традиционных шаблонах GaN.

Слои устройства, упомянутые выше, включают, по меньшей мере, один светоизлучающий слой, расположенный между одним, по меньшей мере, слоем n-типа и одним, по меньшей мере, слоем p-типа. Дополнительные слои, имеющие другие состав и концентрацию примесей, могут быть включены в каждую из следующих областей: область n-типа, светоизлучающую область и область p-типа. Например, области n-типа и p-типа могут включать слои, противоположные по типу проводимости, или слои, которые не являются специально легированными, разделительные слои, предназначенные для облегчения дальнейшего освобождения ростовой подложки или утончения полупроводниковой структуры после удаления подложки, и слои, предназначенные для конкретных оптических или электрических свойств, требуемых светоизлучающей области для эффективного излучения света. В некоторых воплощениях слой n-типа, формирующий слоистую структуру со светоизлучающим слоем, может быть частью подложки.

В воплощениях, описанных ниже, содержание InN в светоизлучающем слое или слоях может быть невысоким, так что устройство излучает синий или ультрафиолетовый свет, или высоким, так что устройство излучает зеленый свет или свет с большей длиной волны. В некоторых воплощениях устройство включает один или более светоизлучающий слой с квантовой ямой. Несколько квантовых ям могут быть разделены запирающими слоями. Например, каждая квантовая яма может иметь толщину более 15 Å.

В некоторых воплощениях светоизлучающей областью устройства является единственный толстый светоизлучающий слой, значение толщины которого находится между 50 и 600 Å, более предпочтительно между 100 и 250 Å. Оптимальная толщина может зависеть от числа дефектов в светоизлучающем слое. Концентрация дефектов в светоизлучающей области предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10⁹ см^-2, более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10⁸ см^-2, более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10⁷ см^-2, и более предпочтительно ограничена значением, меньшим чем 10⁶ см^-2.

В некоторых воплощениях, по меньшей мере, один светоизлучающий слой в устройстве легирован примесью, такой как Si, при значении концентрации примеси между 1×10¹⁸ см^-3 и 1×10²⁰ см^-3. Легирование Si может влиять на плоскостную постоянную решетки а в светоизлучающем слое с возможным дополнительным уменьшением напряжения в светоизлучающем слое.

В некоторых воплощениях изобретения шаблон включает, по меньшей мере, один низкотемпературный слой InGaN. Наблюдалось, что H₂ может влиять на вхождение индия в пленки InGaN, как описано в работе Bosi и Fornari, Journal of Crystal Growth, том 265, стр. 434-439 (2004), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Различные другие параметры, такие как температура роста, давление роста, скорость роста и поток NH₃, также могут влиять на вхождение индия в пленки InGaN, как частично описано в работе Oliver и др., Journal of Applied Physics, том 97, стр. 013707-1-013707-8 (2005), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Таким образом, переменный поток H₂ иногда используют как средство контроля содержания InN в пленках InGaN или AlInGaN. В некоторых воплощениях описанные здесь шаблоны, следовательно, выращивают, используя один или более переменный поток H₂, переменный поток N₂ или переменный поток NH₃ в реактор во время роста шаблона. В других воплощениях шаблоны выращивают, используя переменную температуру, или переменное давление, или переменную скорость роста во время роста шаблона. В других воплощениях шаблоны выращивают, используя произвольную комбинацию одного или более переменного потока H₂, переменного потока N₂, переменного потока NH₃, переменной температуры, переменного давления или переменной скорости роста во время роста шаблона.

Фиг.2 иллюстрирует первое воплощение изобретения. Традиционный низкотемпературный затравочный слой 22 выращен непосредственно на поверхности сапфировой подложки 20. Затравочным слоем 22 обычно является немонокристаллический слой низкого качества, такой как аморфный, поликристаллический или кубический слой GaN, выращенный при температуре между 400 и 750°C, толщиной, например, до 500 ангстрем.

Второй слой 26 также выращен при низкой температуре выше затравочного слоя 22. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, немонокристаллический слой низкого качества, такой как аморфный, поликристаллический или кубический III-нитридный слой, толщиной, например, до 500 ангстрем, выращенный при температуре между 400 и 750°C, более предпочтительно между 450 и 650°C, более предпочтительно между 500 и 600°C. В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 имеет толщину менее 300 ангстрем. Низкотемпературным слоем 26 может быть, например, слой InGaN, содержание InN в котором более 0% и часто менее 20%, более предпочтительно между 3% и 6%, более предпочтительно между 4% и 5%. В некоторых воплощениях содержание InN в низкотемпературном слое 26 является небольшим, например менее 2%. Структура может быть отожжена после выращивания затравочного слоя 22, но до выращивания низкотемпературного слоя 26, после выращивания низкотемпературного слоя 26 или в обоих случаях. Например, структура может отжигаться при температуре между 950 и 1150°C в течение промежутка времени от 30 секунд до 30 минут, обычно в окружении H₂ и NH₃; N₂ и NH₃; или H₂, N₂ и NH₃. В некоторых воплощениях в течение, по меньшей мере, части процесса отжига могут вводиться прекурсоры Ga, Al или In. Слои 10 устройства затем выращивают над низкотемпературным слоем 26. Низкотемпературный слой 26 может расширить постоянную решетки слоев 10 устройства за пределы диапазона постоянных решетки, достижимых при помощи традиционных затравочных структур, таких как традиционные шаблоны GaN. Расширение постоянной решетки происходит, так как низкотемпературный слой 26 выращивают несоизмеримым с нижележащими слоями, равно как и затравочный слой GaN имеет постоянную решетки, отличную от постоянной решетки сапфира или SiC или другой подложки, на которой от выращен. Таким образом, как описано выше, низкотемпературный слой 26 служит переходником от постоянной решетки затравочного слоя 22 к большей постоянной решетки. Может быть выращено III-нитридное устройство, использующее низкотемпературный слой InGaN 26, как показано на фиг.2, имеющее лучшее качество, чем III-нитридное устройство, использующее содержащий InN затравочный слой 2, выращенный непосредственно на подложке, например, как показано на фиг.1 и описано в патентной заявке Великобритании GB 2338107 A.

В некоторых воплощениях низкотемпературный слой 26 может состоять из AlGaN или AlInGaN вместо InGaN, так что низкотемпературные слои 26 уменьшают постоянную решетки, установленную затравочным слоем 22, для уменьшения растягивающего напряжения в светоизлучающей области AlGaN ультрафиолетового устройства. Светоизлучающими активными слоями таких устройств могут быть, например, AlGaN или AlInGaN.

В некоторых воплощениях изобретения устройство, проиллюстрированное на фиг.2, может включать один или более многослойный стек. Примеры многослойных стеков включают несколько затравочных слоев 22 и несколько низкотемпературных слоев 26. Например, один или более дополнительный затравочный слой GaN может быть расположен между подложкой 20 и низкотемпературным слоем InGaN 26, как показано на фиг.3. Альтернативно, несколько низкотемпературных слоев InGaN 26 могут быть выращены после затравочного слоя 22, как показано на фиг.4. В другом примере устройства, которое включает шаблон с многослойными стеками, последовательность из низкотемпературного слоя GaN 22, за которым следует низкотемпературный слой InGaN 26, может повторяться один или более одного раза, как показано на фиг.5. Использование нескольких затравочных или низкотемпературных слоев может уменьшить плотность прошивающих дислокаций и плотность дефектов упаковки в устройстве.

В некоторых воплощениях несколько низкотемпературных слоев 26 на фиг.4 или фиг.5 могут иметь неодинаковое содержание InN или неодинаковую толщину, как проиллюстрировано посредством нескольких низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 на фиг.6. Структура, показанная на фиг.6, может быть выращена непосредственно на традиционной подложке 20 или над затравочным слоем 22, как проиллюстрировано на фиг.2. Низкотемпературный слой, расположенный наиболее близко к подложке 20, слой 32, может иметь самое высокое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, расположенный наиболее удаленно от подложки, слой 36, может иметь самое низкое содержание индия. В другом воплощении низкотемпературный слой, расположенный наиболее близко к подложке 20, слой 32, может иметь самое низкое содержание индия, тогда как низкотемпературный слой, расположенный наиболее удаленно от подложки, слой 36, может иметь самое высокое содержание индия. Альтернативно, может быть использована любая произвольная последовательность низкотемпературных слоев. Верхний защитный слой GaN 38 может быть образован над верхним низкотемпературным слоем. Все низкотемпературные слои необязательно должны иметь одинаковую толщину. Например, слои с более низким содержанием индия могут быть толще, чем слои с более высоким содержанием индия. Может быть использовано больше или меньше трех низкотемпературных слоев, показанных на фиг.6. Дополнительно, несколько стеков низкотемпературных слоев, проиллюстрированных на фиг.6, могут быть включены в устройство. Толщина каждого из этих слоев может лежать в диапазоне от 10 ангстрем до 1000 ангстрем или более.

Структура, показанная на фиг.6, может быть отожжена один или более одного раза после выращивания одного или более слоев 32, 34, 36 или 38. Этот процесс отжига может вызвать смешивание низкотемпературных слоев InGaN 32, 34, 36 и верхнего защитного слоя GaN 38 с образованием одной области InGaN 35, как показано на фиг.7, над которой выращены слои 10 устройства. Верхний защитный слой GaN 38 на фиг.6 может уменьшить количество InN, вытесняемого из низкотемпературных слоев InGaN 32, 34 и 36 в течение отжига. Условия для отжига выбирают так, чтобы конечная структура имела гладкую поверхность и низкую плотность дефектов. В некоторых воплощениях отжиг включает приостановление роста. Например, структура может отжигаться от 30 секунд до 30 минут при температуре между 950 и 1150°С. После выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 температура может быть поднята до температуры роста верхнего защитного слоя 38 или следующего слоя, который необходимо вырастить, тогда имеет место приостановка роста перед выращиванием верхнего защитного слоя 38 или следующего слоя. В других воплощениях отжиг просто увеличивает температуру в ростовом реакторе после выращивания низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 до температуры роста верхнего защитного слоя 38. В некоторых воплощениях рост верхнего защитного слоя 38 начинается до того, как температура в ростовом реакторе достигнет требуемой температуры роста верхнего защитного слоя 38. В некоторых воплощениях верхний защитный слой 38 может быть выращен при низкой температуре, близкой к температуре, используемой для выращивания затравочного слоя 22. В структуре низкотемпературных слоев 32, 34 и 36 верхнего защитного слоя 38 слои с небольшим содержанием InN могут помочь подавить потерю InN из слоев с высоким содержанием InN в течение отжига.

Единственный низкотемпературный слой 26, показанный в каждом описанном здесь воплощении, может быть заменен многослойными стеками по фиг.3, или 4, или 5 или градиентными содержащими InN слоями 32, 34 и 36 по фиг.6 и градиентным содержащим InN слоем 35 по фиг.7. Используемый здесь термин «градиентный» при описании состава или концентрации примеси в слое или слоях в устройстве предназначен для охвата любой структуры, изменение состава и/или концентрации примеси в которой достигается любым способом, отличным от одношагового изменения состава и/или концентрации примеси. Каждый градиентный слой может быть стеком подслоев, причем концентрация примеси или состав различны для каждого подслоя и соседнего с ним подслоя. Если подслои имеют разрешимую толщину, градиентный слой является ступенчатым слоем. В некоторых воплощениях подслои в ступенчатом слое могут иметь толщину, значение которой лежит в диапазоне от нескольких десятков ангстрем до нескольких тысяч ангстрем. В пределе, когда толщина отдельных подслоев достигает нуля, градиентный слой является непрерывно-градиентной областью. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть выполнены с возможностью образования множества профилей состава и/или концентрации примеси в зависимости от толщины, включая линейные профили, параболические профили и степенные профили, но не ограничиваясь ими. Также градиентные слои не ограничены единственным профилем градиента, но могут включать участки с различными профилями градиента и один или более участок с областями постоянного, по существу, состава и/или концентрации примеси.

В одном примере слои 32, 34 и 36 могут состоять из InGaN с содержанием InN, равным 9%, 6% и 3% соответственно. В другом примере содержание InN в слоях 32, 34 и 36 может быть равно 9%, 3% и 9%. После отжига содержание InN в смешанной области 35 по фиг.7 может уменьшаться монотонно снизу вверх, увеличиваться монотонно снизу вверх или изменяться немонотонным образом.

В некоторых воплощениях изобретения слои устройства полупроводникового светоизлучающего устройства выращивают над шаблоном, включающим, по меньшей мере, один низкотемпературный слой, выращенный над высокотемпературным слоем. Высокотемпературный слой может устанавливать низкую плотность прошивающих дислокаций и гладкую морфологию поверхности, например, тогда как низкотемпературный слой устанавливает расширенную постоянную решетки для слоев, выращенных на шаблоне. Расширение постоянной решетки происходит, так как низкотемпературный слой 26 выращивают несоизмеримым с нижележащими слоями, равно как и затравочный слой GaN имеет постоянную решетки, отличную от постоянной решетки сапфира или SiC или другой подложки, на которой от выращен. Фиг.8 является разрезом участка такого устройства.

В устройстве,