ヘテロ界面にミスフィット転位を有する部分的または完全に緩和された合金上の半極性窒化物ベースの素子
ヘテロ界面周辺のミスフィット転位を空間的に制限することによって、緩和された格子定数を有する、転位のない高品質テンプレート。これは、高Ｉｎ組成の素子のためのテンプレート層として使用することができる。具体的には、本発明は、高品質ＩｎＧａＮテンプレート（Ｉｎ組成は、約５〜１０％である）を調製し、別様に可能であるよりも非常に高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）（または多重量子井戸（ＭＱＷ））を、これらのテンプレート上に成長させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の同時係属の同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、これらの出願の開示は、本明細書に参照により援用される：Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５８号（名称「ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＯＮ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ ＡＴ ＴＨＥ ＨＥＴＥＲＯＩＮＴＥＲＦＡＣＥ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１７−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４２−１））、ならびにＨｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５９号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４３−１））。
【０００２】
本願は、次の同時係属の同一人に譲渡された米国実用特許出願に関連し、この出願は、本明細書に参照により援用される：Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国実用特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、本願と同日の出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｕ１（２００９−７４３−２））であって、この出願は、Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５９号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４３−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張する出願。
【０００３】
（１．発明の分野）
本発明は、ヘテロ界面周辺の空間的に制限されたミスフィット転位（ＭＤ）を使用することによって、緩和された格子定数を有する、転位のない高品質なエピタキシャルに成長させたテンプレートに関し、テンプレート層は、紫外線（ＵＶ）、緑色、琥珀色、または赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）、および緑色またはＵＶレーザダイオード（ＬＤ）等の、高Ｉｎ／Ａｌ組成の素子のエピタキシャル成長のために使用することができる。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の記述）
従来、全ての窒化物ベースの素子は、素子層を通過する転位が、不十分な素子性能を引き起こすので、一般的にコヒーレントに成長させている。例えば、ＩｎＧａＮをコヒーレントにＧａＮ上に成長させた（すなわち、ＭＤを有しない）場合、ＩｎＧａＮの面内格子定数は、ＧａＮと同じ値に拘束されるが、これは、ＩｎＧａＮ層が面内圧縮歪みを受けることを意味する（ＧａＮ上でのＡｌＧａＮのコヒーレントな成長の場合、ＡｌＧａＮエピタキシャル層は、それぞれの格子定数の差のために面内引張歪みを受ける）。
【０００５】
ＧａＮ光電子素子の中の分極効果を低減または可能な限り除去するアプローチは、結晶の半極性平面上で素子を成長させるものである。「半極性平面」という用語は、非ゼロｈ、ｉ、またはｋミラー指数および非ゼロｌミラー指数の２つをどちらも有する、あらゆる平面を指すために使用することができる。したがって、半極性平面は、（ｈｋｉｌ）ミラー−ブラベ指数定義則において、非ゼロのｈ、ｋ、またはｉ指数および非ゼロのｌ指数を有する結晶平面として定義される。ｃ平面ＧａＮヘテロエピタキシにおける半極性平面のいくつかの一般的に観察される例は、（１１−２２）、（１０−１１）、および（１０−１３）平面を含み、これらは、ピットの面の中に見出される。これらの平面はまた、偶然に発明者らが平面膜の形態で成長させた平面と同じものである。ウルツ鉱型結晶構造の半極性平面の他の例は、（１０−１２）、（２０−２１）、および（１０−１４）であるが、それらに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルは、そのような平面内にも、そのような平面に対する法線にもなく、むしろ平面の表面垂線に対してある角度傾いている。例えば、（１０−１１）および（１０−１３）平面は、それぞれ、ｃ平面に対して６２．９８°および３２．０６°である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ヘテロ界面周辺でＭＤを空間的に制限することによる、緩和された格子定数を有する、転位のない高品質テンプレートを開示する。このテンプレート層は、以降の高Ｉｎ組成の素子のエピタキシャル成長のために使用することができる。本発明は、高品質ＩｎＧａＮテンプレート（Ｉｎ組成は、約５〜１０％である）を調製し、別様に可能であるよりも非常に高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）（または多重量子井戸（ＭＱＷ））を、これらのテンプレート上に成長させることができる。
【０００７】
先行技術の制限を克服するために、および本明細書を読み、理解することにより明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層であり、第２の層上に蒸着される第１の層を開示し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。
【０００８】
転位は、ＭＤであり得る。転位は、ヘテロ界面周辺に局所化されてもよく、またはヘテロ界面の上側の層を貫通しなくてもよい。
【０００９】
第１の層の成長平面は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面である半極性平面であってもよい。
【００１０】
第２の層は、例えば、バルクＡｌＩｎＧａＮ、ＧａＮ基板、ｍ−サファイヤ、またはスピネル基板であってもよい。
【００１１】
例えば、第１の層は、少なくとも数パーセント（例えば、３〜１０％）のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮであってもよく、第２の層は、ＧａＮである。代替として、例えば、第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであってもよく、第２の層は、ＧａＮであってもよい。第１の層は、２つを超える層を備えていてもよく、各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位が存在する。
【００１２】
第１の層上でＩＩＩ族窒化物光学素子が製造されてもよい。ＩＩＩ族窒化物光学素子は、１つ以上のＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷを含んでもよく、ｘは、２０％を超える。光学素子は、緑色の波長範囲でピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成のＱＷを備える、緑色ＬＤであってもよい。
【００１３】
ＱＷは、厚さが少なくとも３ｎｍであってもよい。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物光学素子は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備える、ＬＥＤまたはＬＤであってもよい。
【００１５】
ＩＩＩ族窒化物光学素子は、素子構造内部、特に光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まなくてもよく、または転位は、活性層から少なくとも５０ｎｍであってもよい。基板層の中の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、１０３〜１０６／ｃｍ２の範囲であってもよい。
【００１６】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物素子をＩＩＩ族窒化物テンプレート上でコヒーレントに成長させるステップを含む、ＩＩＩ族窒化物素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上で非コヒーレントに成長させる方法をさらに開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す図面を参照する。
【図１】図１は、ＧａＮを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子（ＳＬ）の下方部分の界面の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、界面のＭＤを示す、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の明視野画像であり、目盛りは１００ナノメートル（ｎｍ）である。
【図２】図２（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含むＬＤ素子エピタキシャル層（上から下まで）を見ることができ、目盛りは０．２マイクロメートル（μｍ）であり、図２（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す。
【図３】図３（ａ）−（ｃ）は、前述の素子（図１、図２（ａ）に記載）の異なるエピタキシャル層のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、１００周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬおよび厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮを示し、ＳＬの中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、超格子の中のＧａＮは厚さ２ｎｍであり、（ｂ）は、２周期のＩｎＧａＮのＱＷを有する活性領域であり、（ｃ）は、ＱＷの下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬであり、目盛りは１００ｎｍである。
【図４】図４は、黒色矢印が付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤを示すＴＥＭ画像であり、目盛りは５０ｎｍである。
【図５】図５（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、目盛りは０．２μｍであり、図５（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す［１］。
【図６】図６（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤは、［１−１００］から［２−１−１０］への試料の傾斜に起因するセグメントとみなされ、目盛りは５０ｎｍであり、図６（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図７】図７は、本発明の概念の概略断面図である。
【図８】図８は、本発明の応用例（例えば、高輝度緑色ＬＥＤまたは緑色ＬＤ）の概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮテンプレートの概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明による、素子を製造する方法を示す。
【図１２】図１２は、図９の実施形態を使用して製造される素子の概略断面図である。
【図１３】図１３は、（１１−２２）ＧａＮ基板に基づき、厚いＱＷを備える、緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１４】図１４は、薄いＱＷを有する緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１５】図１５は、薄いＱＷおよび電子ブロッキング層を有する緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１６】図１６は、異なる厚さ（それぞれ、５０／５００ｎｍ）のＩｎＧａＮテンプレート上で成長させた２つのＩｎＧａＮ単一ＱＷ素子からの、室温（ＲＴ）フォト発光（ＰＬ）スペクトルを示し、強度（任意単位）対波長（ｎｍ）をプロットしている。
【図１７】図１７は、前述の図１６の素子の（１０−１０）切断面のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、厚さ５０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（Ｂ−［１１−００］で撮影）、（ｂ）は、厚さ５０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（ｇ＝１０−１０で撮影）、（ｃ）は、厚さ５００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（Ｂ−［１１−００］で撮影）、（ｄ）は、厚さ５００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（ｇ＝１０−１０で撮影）であり、ＭＤは、（ｄ）のＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面で明確に観察される［２］。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実践され得る特定の実施形態を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００１９】
（概要）
別の層（Ｙ）（層Ｙは、それ自体がエピタキシャル、または基板であり得る）上に成長させたエピタキシャル層（Ｘ）は、Ｙに対して、コヒーレントであること、部分的に緩和、または完全に緩和されることができる。コヒーレントな成長の場合、Ｘの面内格子定数は、下側にある層Ｙと同一に拘束される。Ｘが完全に緩和された場合、Ｘの格子定数は、それらの自然の（すなわち、いかなる歪みもない）値を取る。ＸがＹに対してコヒーレントでもなく、完全に緩和されていない場合、部分的に緩和されたと考えられる。いくつかの場合では、基板は、いくつかの残存歪みを有し得る。
【００２０】
本発明は、半極性（１１−２２）窒化物の中のヘテロ界面においてＭＤの存在を発見した（図１、図２（ａ）〜図２（ｂ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４、図５（ａ）〜図５（ｂ）、および図６（ａ）〜図６（ｂ）を参照）。この新しい発見では、ＭＤの存在は、格子定数不整合を有する（異なる合金および／または合金組成を有する）層の間のヘテロ界面周辺だけに制限された。この界面（ＭＤを有する）上で成長させた層は、部分的または完全に緩和されていると考えられた。結果として、本発明を使用してＩｎＧａＮ（比較的に高いＩｎ組成（例えば、５〜１０％））を成長させたとき、緩和されたＩｎＧａＮテンプレート層（緩和される：格子定数がその自然値になる）が達成される。
【００２１】
ＩｎＧａＮをコヒーレントにＧａＮ上に成長させた（すなわち、ＭＤを伴わない）場合、ＩｎＧａＮの面内格子定数は、ＧａＮと同じ値に拘束されるが、これは、ＩｎＧａＮ層が面内圧縮歪みを受けることを意味する（ＧａＮ上でのＡｌＧａＮのコヒーレントな成長の場合、ＡｌＧａＮエピタキシャル層は、それぞれの格子定数の差のために、面内引張歪みを有する）。予備実験におけるＴＥＭ画像に基づいて（図１、図２（ａ）〜図２（ｂ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４、図５（ａ）〜図５（ｂ）、および図６（ａ）〜図６（ｂ）を参照）、ＭＤ上の層は、界面周辺の転位を除いて、層を通る、および成長方向に向かういかなる明らかな転位も有しなかった。これは、本発明が、基板上に、緩和された格子定数を有する、転位のない合金を達成できることを示す。
【００２２】
緩和された層について、本発明は、臨界成長厚さに関係なく、厚い層を成長させることができる。１つの応用例は、ＧａＮ上の高品質ＩｎＧａＮテンプレートである。このテンプレートは、緑色ＬＥＤ、琥珀色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、および緑色ＬＤ等の、極めて高いＩｎ組成の素子構造を成長させるために使用することができる。
【００２３】
（技術的説明）
（命名法）
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、ＩＩＩ族窒化物、またはＡｌＩｎＧａＮという用語は、本明細書で使用される場合、単一の種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二元、三元、および四元組成を含むと広義に解釈される。したがって、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、ＡｌＩｎＧａＮ、またはＩＩＩ族窒化物という用語は、そのような命名法に含まれる種として、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮ、ならびに三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、および四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを包含する。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のうちの２つ以上が存在するとき、（組成に存在する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のそれぞれを表す相対モル分率に関して）化学量論的割合ならびに「化学量論外の」割合を含む、全ての可能な組成を本発明の広義の範囲内に採用することができる。したがって、主にＧａＮ材料に関する、以降の本発明の論議は、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが理解されるであろう。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料は、軽微な数量のドーパントおよび／または他の不純物あるいは包含物質をさらに含んでもよい。
【００２４】
（素子構造）
図１は、ＧａＮ１０４を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ１０２の下方部分の界面１００の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、界面のＭＤ１０６を示す、ＴＥＭの明視野画像である（これは、［１］の図３（ｂ）と同じである）。
【００２５】
図２（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含むＬＤ素子エピタキシャル層（上から下まで）を見ることができ、図２（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子（図１、図２（ａ）に記載）の異なるエピタキシャル層のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、１００周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ３００および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ３０２を示し、ＳＬ３００の中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、ＳＬ３００の中のＧａＮは厚さ２ｎｍであり、（ｂ）は、２周期のＩｎＧａＮのＱＷを有する活性領域３０４であり、（ｃ）は、ＱＷの下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ３０６である。
【００２７】
図４は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ４００と、ＳＬ４００上のｎ−ＧａＮ層４０２と、ｎ−ＧａＮ層４０２上のｎ−ＩｎＧａＮ層４０４と、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４上のＩｎＧａＮのＱＷ４０６と、ＱＷ４０６上のｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）４０８と、ＥＢＬ４０８上のｐ−ＩｎＧａＮ層４１０と、ｐ−ＩｎＧａＮ層４１０上のｐ−ＧａＮ層４１２と、ｐ−ＧａＮ層４１２上のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ４１４とを備える、エピタキシャル構造を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ画像は、黒色矢印４１８、４２０、４２２、４２４が付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印４２６が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤ４１６をさらに示す。
【００２８】
図５（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、図５（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す［１］。
【００２９】
図６（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤ６００は、［１−１００］から［２−１−１０］への試料の傾斜に起因するセグメントとみなされ、図６（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３０】
本発明は、高品質ＩｎＧａＮテンプレート（Ｉｎ組成は、約５〜１０％）を調製することができ、そして、このテンプレート上に非常高いＩｎ組成のＩｎＧａＮのＱＷ（ＭＱＷ）を成長させることができる。図７は、ＧａＮ層７０２上にヘテロエピタキシャルに成長させた厚いＩｎＧａＮテンプレート層７００（５〜１０％のＩｎを有する）と、（１１−２２）ＧａＮ基板７０４上にホモエピタキシャルに成長させたＧａＮ層７０２とを備える、この本発明の概念を具現化する構造を示す。ＧａＮ層７０２とＩｎＧａＮテンプレート層７００との間のヘテロ界面７０６は、局所化された（すなわち、界面７０６付近に閉じ込められた）ＭＤ７０８を含有し、ＩｎＧａＮテンプレート７００（例えば、素子のための）は、部分的または完全に緩和された格子定数を有する。図７において、［１１−２２］および［１１−２３］と付された矢印は、それぞれ、［１１−２３］および［１１−２３］方向を示し、円内の黒丸は［１０−１０］方向（紙の平面から外に）を示す。
【００３１】
図８は、図７に示されるＩｎＧａＮテンプレート７００上に成長させたＩｎＧａＮ層８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ、８０２ｄ、８０２ｅ（５〜１０％のインジウム（Ｉｎ）を有する）と、高Ｉｎ含有量（例えば、Ｉｎ０．３ＧａＮ）のＱＷ層８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ、８０４ｄとを備える本発明の応用例である、高輝度緑色ＬＥＤまたはＬＤ構造８００を示す。ＱＷは、緑色光（例えば、緑色の波長範囲（例えば、５１０ｎｍ〜５４０ｎｍ）、または波長範囲４９０ｎｍ〜５６０ｎｍにピーク強度を有する光）を放出することに十分な高いＩｎ組成を有する発光活性層である。テンプレート７００は、緩和された格子定数を備え、この緩和は、ＭＤの線の方向（図７で矢印［１１−２３］で示される）に直角な方向［１０−１０］に生じる。層８０２ａは、ｐ型層（例えば、Ｍｇドープ）であり、層８０２ｅは、ｎ型層（例えば、Ｓｉドープ）であり、層８０２ｂ〜８０２ｄは、活性領域（非ドープまたはｎドープ）の中のバリア層である。図８は、ＭＱＷを有するｐｎダイオードのような、素子の応用例である。
【００３２】
より一般には、本発明は、図９に示されるように、第２の層９０４（層Ｂ）上に第１の層９０２（層Ａ）を備えるエピタキシャル構造９００を開示し、第１の層９０２は、部分的または完全に緩和された格子定数と、第１の層９０２と第２の層９０４との間のヘテロ界面９０８での１つ以上の転位９０６（例えば、ＭＤ）とを備える、窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である。層Ａ９０２は、緩和された格子定数を有する層Ａ９０２を達成するために、層Ｂ９０４に対してコヒーレントに成長させられない。層Ａ９０２の格子定数は、層Ｂ９０４の格子定数よりも低く、または高くすることができる。この格子不整合を達成するために、層Ａ９０２とＢ９０４とは、異なる合金で作製されてもよい。第２の層９０４はまた、それ自体が部分的に緩和されてもよい。層Ａの厚さは、ＭＤを生成するために、臨界膜厚よりも大きい。臨界膜厚は、例えば、数ｎｍから数マイクロメートルまでの範囲であり得、組成、ドーピング、および結晶配向に依存し得る（後者の依存性が、非常に重要である）。
【００３３】
よって、本発明によれば、第１の層９０２は、第２の層９０４に対して緩和される。換言すれば、水平方向の第１の層９０２の格子定数は、第２の層９０４の格子定数と同じではない。
【００３４】
転位９０６は、ＭＤを含み得るが、それに限定されない。一般的に、転位は、ヘテロ界面９０８周辺に局所化され、ヘテロ界面９０８の上側の層を貫通しない。基板または第２の層Ｂ９０４の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、単位面積当たり１０３〜１０６（例えば、１０３〜１０６／ｃｍ２）の範囲であることが望ましいが、これは、ｎ＞１０６に対して素子性能が悪化し、ｎ＜１０３に対してＭＤを有効に生成できないからである。
【００３５】
図１０は、第１の層１００２の成長平面（または頂面）１０００が、それらに限定されないが、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面等のような半極性平面である実施例を示す。換言すれば、以降の素子層（例えば、ｎ型、ｐ型、および活性層）をその上に成長させる層Ａ１００２の頂面１０００は、半極性平面である。半極性平面は、（ｈｋｉｌ）ミラー−ブラベ指数定義則において、非ゼロのｈ、ｋ、またはｉ指数および非ゼロのｌ指数を有する結晶平面として定義される。一般的に、層Ａ１００２の成長方向１００４は、半極性成長方向である。図１０の場合、第１の層１００２は、第２の層１００８の半極性（１１−２２）平面１００６上に成長させたＩｎＧａＮ（１１−２２）テンプレートであり、第２の層１００８は、ＧａＮ（１１−２２）基板である。図１０は、ＭＤ１０１２を有する（第１の層１００２と第２の層１００８との間の）界面１０１０をさらに示す。［１１−２３］（ｃ軸の面内投影）に向かう（ＩｎＧａＮテンプレート１００２の）格子定数は緩和される一方で、ｍ軸に向かう（ＩｎＧａＮテンプレート１００２の）格子定数は緩和されない。これは、［１１−２３］に沿った格子不整合のため、ＭＤをさらに拘束できることを示す。
【００３６】
したがって、（１１−２２）半極性テンプレートは、［１１−２３］方向（ｃ軸の平面投影方向）に沿って緩和されて、ｍ軸に沿って緩和されなくてもよく。異なる平面または結晶配向について、緩和される方向と緩和されない方向とは、異なっていてもよく、導出することができる［１］。しかしながら、緩和は、一般的に、一方向に沿ったものであり、直角な方向には緩和されない［１］。一般に、ＭＤの形成のための臨界膜厚は、両方向に対して計算することができる。
【００３７】
一般的に、ｃ投影に平行な面内格子定数は緩和されるが、緩和される方向および緩和されない方向は、下層および／または基板の半極性配向および／または合金組成に依存する。一般に使用される半極性平面について、コヒーレントでない格子定数は、一般的に、ｃ軸の投影（ａ、ｃのどちらとも異なる）に平行な面内格子定数である。
【００３８】
このように、緩和される方向は、常時ｃ投影に沿っているとは限らず、また、緩和されない方向は、常時ｃ投影に対して直角であるとは限らない。しかしながら、基底面スリップは、半極性ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物の結晶構造のため、支配的な歪み緩和機構であるので、おそらくは、ｃ投影に対して直角である線方向を有するＭＤが最初に形成される。結果的に、初期の緩和は、ｃ投影に沿ったものである（緩和方向は、ＭＤ方向に対して直角である）。膜の歪みエネルギーが十分に大きい場合、ｃ軸に直角な面内方向も、緩和を受けることができる。一実施形態では、本発明は、両方向に対して、ＭＤの形成のための臨界膜厚を計算してもよい。次いで、層厚さが対応する臨界膜厚に到達したときにＭＤが生じる。したがって、ある方向に対して層厚さが臨界膜厚に到達すると、層は、対応する方向に緩和される。
【００３９】
緩和の程度は、格子定数および配向および格子の方向による機械的性質に依存してもよい［１］。
【００４０】
（プロセスステップ）
図１１は、本発明（例えば、ＩＩＩ族窒化物素子）のエピタキシャル構造を製造する方法を示すフローチャートである。方法は、以下のステップを含む。
【００４１】
ブロック１１００は、例えば、後に成長させたテンプレート層を有するヘテロ界面を形成する基板、すなわち高品質半極性ＧａＮ基板を提供または用いることを表す（ブロック１１０２）。例えば、テンプレート層が第１の層であってもよく、基板が第２の層であってもよい。基板層の単位面積当たり（例えば、ｃｍ２当たり）の貫通転位の数（ｎ）は、単位面積当たり（例えば、ｃｍ２当たり）１０３〜１０６の範囲であってもよいが、これは、これは、ｎ＞１０６に対して素子性能が悪化し、ｎ＜１０３に対してＭＤを有効に生成できないからである。
【００４２】
ブロック１１０４は、基板上にテンプレート層を成長させるステップ、すなわち、部分的または完全に緩和された格子定数を有する窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を、第２に層上に蒸着または成長させるステップを表し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。テンプレートは、ＧａＮ基板上に非コヒーレントに成長させてもよく（すなわち、テンプレート層の面内格子定数が、基板層の格子定数と同じではない）、その結果、テンプレート層は、緩和された格子定数を有する。したがって、ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上で非コヒーレントに成長させてもよい。第１の層は、Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．０５ＧａＮ／ＧａＮ等の、２つを超える層を備えてもよく、各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位があってもよい。
【００４３】
ブロック１１０６は、前述のステップの最終結果、すなわち、部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層であり、第２の層（例えば、基板）上に蒸着される、少なくとも第１の層（テンプレート層）を備えるエピタキシャル構造を表し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。転位は、ＭＤであってもよく、転位は、ヘテロ界面（第１の層が２つを超える層を備える場合は、複数のヘテロ界面）周辺に局所化されてもよく、また、転位は、ヘテロ界面の上側の層を貫通しなくてもよい。
【００４４】
第１の層（テンプレート）の成長平面（すなわち、素子層等の以降の層をその上で成長させる、頂面）は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）等の半極性平面、および他の種々の半極性平面であってもよい。
【００４５】
ブロック１１０８は、例えばテンプレート層上に転位を伴わずに、素子構造を成長させるステップを表す。成長ステップは、ＩＩＩ族窒化物テンプレート上でＩＩＩ族窒化物素子をコヒーレントに成長させるステップを含んでもよい。
【００４６】
ブロック１１１０は、方法の最終結果、すなわち、第１の層上に製造されるＩＩＩ族窒化物光学素子または素子構造を表す。ＩＩＩ族窒化物光学素子または構造は、ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷまたは障壁／活性を含んでもよい。ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷまたは障壁／活性層は、（例えば、Ａｌの有無に関わらず）２０％を超えるｘを含んでもよい。ＩＩＩ族窒化物光学素子は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備えるＬＥＤまたはＬＤであってもよい。例えば、光学素子は、緑色の波長範囲のピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成のＱＷを備える、緑色ＬＤであってもよい。
【００４７】
ＱＷは、厚さが少なくとも３ｎｍであってもよい。
【００４８】
例えば、ＩＩＩ族窒化物光学素子は、一般的に、素子構造内部、特に光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まなくてもよく、または転位が活性層から離れている（例えば、活性層から少なくとも５０ｎｍ）。
【００４９】
構造は、例えば、一般的に、従来の分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）または有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させられるが、他の蒸着方法も可能である。
【００５０】
光電子素子を製造するために、当技術分野において周知であるような、付加的な層、構造、接点、または要素を加えてもよい。
【００５１】
（可能な修正例）
第２の層は、それらに限定されないが、バルクＡｌＩｎＧａＮ、高品質ＧａＮ基板、またはｍ−サファイヤもしくはスピネル基板等の異種基板等の、異なる材料を含んでもよい。
【００５２】
前述のように、第１の層は、一般的に、少なくとも数パーセント（例えば、少なくとも３〜１０％）のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮである。この場合、第２の層は、例えばＧａＮであり得る。しかしながら、第１の層Ａは、他の材料を含んでもよい。例えば、第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を含むＡｌＧａＮであってもよい。この場合、第２の層は、例えばＧａＮであり得る。Ａｌ組成が小さければ、臨界膜厚は大きい。しかし、この後者の場合、本発明は、厚い層を成長させることによってＭＤを導入してもよい。
【００５３】
第１の層は、Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．０５ＧａＮ／ＧａＮ等の、２つを超える層を備えてもよく、層間の各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位がある。
【００５４】
本発明は、半極性成長に基づく超高輝度緑色ＬＥＤ、緑色ＬＤ、琥珀色色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、およびＡｌＧａＮベースの深ＵＶ ＬＥＤおよびＧａＮに基づくＬＤの製造を可能にする。
【００５５】
図１２は、（例えば、図９に示されるような）第１の層９０２（層Ａ）上の光学素子構造１２００（例えば、それに限定されないが、ＬＥＤまたはＬＤ）の実施例を示す。光学素子１２００は、例えば、ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）活性層、またはＱＷ（０．２（２０％）を超えるＩｎ組成ｘを有する）を含んでもよい。活性層のＩｎ組成は、より長い波長（例えば、緑色の波長）に対応する光を放出するために十分高くてもよい。しかしながら、光学素子構造にはいかなる新しい転位も含まないことが好ましい。
【００５６】
ＩｎＧａＮテンプレート９０２により、本発明は、高い（例えば、１５％〜３０％）Ｉｎ組成を有する、厚い（厚さ３ｎｍを超える）、高品質のＱＷを成長させることができる。図１３は、厚い（例えば、厚さ１３０２が８ｎｍ）、高Ｉｎ組成（１５〜３０％）の、発光活性層であるＱＷ１３０４ａ、１３０４ｂ、１３０４ｃ、１３０４ｄ、１３０４ｅを有する、緑色ＬＤ１３００（緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示す。ＩｎＧａＮテンプレートの役割を果たす第１の層１３０６はまた、厚く（例えば、厚さ１３０８が１０００ｎｍ）、５％〜１０％のＩｎを含有し、クラッディング層の役割を果たす。層１３０４ａ上には、ｐ型（例えば、Ｍｇドープ）で、厚さ１３１０が７００ｎｍである、ＩｎＧａＮ（５〜１０％のＩｎ組成）層１３１２がある。ＩｎＧａＮテンプレート１３０６は、（１１−２２）ＧａＮ基板１３１６上で成長させた標準的な再成長ＧａＮテンプレート１３１４上でエピタキシャルに成長させる。素子層は、５〜１０％のＩｎ組成（例えば、ＱＷ障壁として機能する）を伴い、例えば８ｎｍの厚さ１３２０を有する、ＩｎＧａＮ層１３１８ａ、１３１８ｂ、１３１８ｃ、１３１８ｄをさらに含む。素子層では、格子不整合は、一般的に、素子層のＭＤを防止するために小さく保たれる。また、テンプレート１３０６と標準的な再成長ＧａＮ１３１４との間の界面には、ＭＤ１３２２が示されている。また、層１３１４および１３１６をその上に成長させる頂面１３２４（頂面１３２４は、（１１−２２）半極性平面である）、および活性層１３０４ａ〜１３０４ｅをその上に成長させるテンプレート１３０６の頂面１３２８（頂面１３２８も同様に、（１１−２２）半極性平面である）も示されている。しかしながら、論議されているように、他の半極性または無極性平面が使用されてもよい。
【００５７】
図１４は、薄い（例えば、厚さ１４０２が３ｎｍ）ＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂ（発光活性層）を有する緑色ＬＤ１４００（例えば、緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示し、（１１−２２）ＧａＮ基板１４０６と、ＧａＮ基板１４０６上の標準的なＧａＮテンプレート１４０８と、標準的な再成長層１４０８上の厚さ１４１０が１０００ｎｍのＩｎＧａＮテンプレート層１４１２（例えば、５％のＩｎ組成を伴い、クラッディング層の役割も果たす）と、その後の、薄いＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂ（例えば、３０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ）と、ＩｎＧａｎテンプレート１４１２上のＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１４１４ａ、１４１４ｂ（例えば、１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ）とを備える。ＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂおよびＳＣＨ１４１４ａ、１４１４ｂは、ＩｎＧａＮテンプレート１４１２およびクラッディングよりも高Ｉｎ組成を有する。ＳＣＨ層１４１４ｂの上には、厚さ１４１６が５０ｎｍのＩｎＧａＮ層１４１８（５％のＩｎ）がある。層１４１８の上には、厚さ１４２０が７００ｎｍのＩｎＧａＮ層１４２２（２％のＩｎ組成、ｐ型、例えばＭｇドープ）がある。また、テンプレート１４１２と標準的な再成長ＧａＮ１４０８との間の界面には、ＭＤ１４２４も示されている。活性領域１４０４ａ、１４０４ｂとクラッディング層１４１２との間の屈折率差Δｎは、Δｎ＝０．０５である。
【００５８】
無極性または半極性の場合について、本発明は、ＱＣＳＥを伴わずに、またはより少ないＱＣＳＥで、ＱＷの厚さを３ｎｍを超えるまで増大させることができる。
【００５９】
好ましくは、光学素子１３００、１４００は、素子構造内部、特に活性層１３０４ａ〜１３０４ｅおよび１４０４ａ〜１４０４ｂの周辺に、いかなる転位も含まない。代替として、図１３および図１４に示されるように、転位は、活性層１３０４ａ〜１３０４ｅ、１４０４ａ〜１４０４ｂから離れている（例えば、ＭＤ１３２２、１４２４とＱＷ１３０４ａ〜１３０４ｅ、１４０４ａ〜１４０４ｂとの間の距離は、５０ｎｍ、好ましくは１００ｎｍを超える）。図１４の素子では、例えば、格子定数は、底部１４２６から活性領域１４０４ａに向かって増加する。しかしながら、面内の格子定数は、活性層１４０４ａの直下では一定のままであり、電子ブロッキング層等のいくつかの層を除いて、ＱＷ活性層１４０４ｂの上側から光学素子１４００の頂部１４２８に向かって減少する。換言すれば、活性領域１４０４ａ、１４０４ｂを、下側にある層１４１２上でコヒーレントに成長させて、ＭＤ１４２４を有する任意のヘテロ界面を、活性領域１４０４ａ〜１４０４ｂから十分に（５０〜１００ｎｍ）除去する。図１４には、テンプレート層１４１２とＳＣＨ層１４１４ａとの間の、５％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１４３０、およびＱＷ障壁層１４３２も示されている。
【００６０】
図１５は、１つ以上の薄いＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂと、（例えば、電子オーバーフローを防止するために）比較的に低いＡｌ含有量（例えば１０〜１５％または５〜１５％）を有するＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）１５０４とを有する、緑色ＬＤ構造１５００（すなわち、緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示す。ＬＤ１５００は、（１１−２２）ＧａＮ基板１５０６と、ＧａＮ基板１５０６上の標準的なＧａＮテンプレート１５０８と、ＧａＮテンプレート１５０８上のＩｎＧａＮテンプレート層１５１０（例えば５％のＩｎ組成を伴い、１０００ｎｍの厚さ１５１２を有する）と、その後の、ＩｎＧａＮ層１５１６ａ、１５１６ｂ、１５１６ｃ（１０％のＩｎ組成を有する）と、ＩｎＧａＮ層１５１６ｂによって分離された薄いＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂ（３ｎｍの厚さ１５１４を有し、１５〜２０％または３０％のＩｎ組成を有する）とを備える。１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１５１６ａ、１５１６ｂ、１５１６ｃはまた、ＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂにおけるキャリアの量子閉じ込めを提供する、ＱＷ障壁の役割も果たす。層１５１６ａおよび１５１６ｃはまた、ＳＣＨ層であってもよい。２０ｎｍの厚さ１５１８を有するＥＢＬ１５０４は、Ｉｎ０．０５ＧａＮ層１５２０（５％のＩｎ組成で、５０ｎｍの厚さ１５２２を有する）と、７００ｎｍの厚さ１５２６を有するＩｎ０．０５ＧａＮ（５％のＩｎ組成、ｐ型、例えばＭｇドープ）層１５２４との間にある。活性領域１５０２ａ、１５０２ｂとクラッディング層１５１０との間の屈折率差Δｎは、Δｎ＝０．０５である。ＡｌＧａＮのＥＢＬ層１５０４は、Ｍｇでドープしてもよいが、これは、必須ではない。
【００６１】
図１５に示されるように、本発明については、ＥＢＬ１５０４の界面でＭＤを拘束することが好ましい。したがって、転位を防止するために、低Ａｌ組成を有するＥＢＬ層１５０４の組成を勾配させることによってＥＢＬ１５０４を製造すること、またはＧａＮのＥＢＬ１５０４もしくは薄い（および／または格子整合された）ＡｌＩｎＮのＥＢＬ層１５０４を使用することが好ましい。ＥＢＬ１５０４は、例えば、Ａｌ組成、ＡｌＩｎＮまたは低Ａｌ組成で勾配させてもよい。
【００６２】
代替として、または加えて、図１５に示されるように、ＥＢＬ１５０４は、（それらの周囲で非発光性再結合を引き起こす、ＭＤの影響を防止するために）活性層１５０２ａ、１５０２ｂから離して（例えば、少なくとも５０ｎｍ）位置付けるべきであり、それによって、高い内部効率を保つ。加えて、同じく図１５に示されるように、任意の他のヘテロ界面（加えて、ＱＷ／障壁ヘテロ界面）は、活性層１５０２ａ、１５０２ｂから離しておくべきである。図１５にはまた、ＩｎＧａＮテンプレート層１５１０とＧａＮテンプレート層１５０８との間の界面に、ＭＤ１５２８も示されている。
【００６３】
前述のように、本発明の１つの応用例は、緑色ＬＥＤ、琥珀色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、および緑色発光ＬＤ等の、非常に高いＩｎ組成の素子構造を成長させるために使用される、ＧａＮ上の高品質ＩｎＧａＮテンプレートである。例えば、図１６および図１７は、実験結果を示す。
【００６４】
図１６は、（１１−２２）ＧａＮ上で成長させた厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＮ（５〜７％のＩｎ）上で成長させた高Ｉｎ含有量の単一量子井戸（ＳＱＷ）から得られる、より明るいフォト発光（ＰＬ）（７０％の強度増大）、およびより長い放出波長を示す。具体的には、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮ層上で成長させたＱＷからのＰＬ強度は、４９１ｎｍの波長でピークに達し、半値全幅（ＦＷＨＭ）（Δλ）＝３３ｎｍおよび１の積分強度を有するが、厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＮ層上で成長させたＱＷからのＰＬ強度は、５０３ｎｍの波長でピークに達し、ＦＷＨＭ（Δλ）＝３５ｎｍおよび１．７の積分強度を有する。図１６のデータは、室温で取得し、４０５ｎｍの波長での励起により生じたものである。
【００６５】
図１７（ａ）〜（ｄ）［２］は、図１６で測定した素子の画像である。図１７（ｂ）は、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮテンプレート上の素子の（１０−１０）断面を示し、図１７（ｄ）は、図１６の厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ層上の試料のＴＥＭ画像（（１０−１０）断面）が、ＳＱＷの活性領域１７０４から十分に離れた、ＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面１７０２でのＭＤ１７００が認められることを示す。ＳＱＷのＩｎＧａＮ活性領域１７０４付近にはいかなる転位もない。
【００６６】
また、無極性テンプレートおよび基板が使用されてもよい。
【００６７】
素子は、ＧａＮ基板の配向と同じ配向を有する。例えば、ｍ平面基板を使用した場合、ｍ平面素子が成長する。本発明が（１１−２２）ＧａＮ基板を使用する場合は、（１１−２２）半極性素子を基板上で成長させる。
【００６８】
ＭＤまたは任意の種類の欠陥は、ＬＥＤの出力を下げることになる。ＧａＮ上での高Ｉｎ％のＩｎＧａＮの成長は、大きい格子不整合が存在するので、非常に困難である。本発明より前には、３０％を超えるＩｎ％を有する高品質のＩｎＧａＮを成長させることはできなかった。本発明の方法を使用することで、３０％を超えるＩｎ％を有するＩｎＧａＮを、ＧａＮ上で成長させることができる。
【００６９】
（利点および改良点）
これまで、半極性および無極性配向に基づいた、緑色スペクトル領域（または青色を超えるより長い波長領域）で放出する、いかなる超高輝度ＬＥＤおよび高性能ＬＤも報告されていなかった。これは、部分的には、ヘテロ界面、特に障壁層とＱＷとの間の界面でのＭＤまたは積層不良が原因（換言すれば、材料の問題）である。さらに、以前の研究は、（低Ｉｎ組成を有する）ＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁を使用していた。したがって、現在の素子は、ＱＷ周辺で極めて大きい格子不整合を有する。これは、不十分な結晶品質または転位／積層不良を引き起こす。同じ現象は、ＬＤの導波層とクラッディング層（例えば、ＩｎＧａＮ導波とＡｌＧａＮクラッディング）との間で観察することができる。
【００７０】
無極性および半極性配向を使用する理由は、以前の結果に基づいて明らかである。小さい、または削減されたＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）は、より高い内部効率をもたらし、青色を超える領域における高出力ＬＥＤおよびＬＤ（窒化物に基づく緑色／琥珀色／赤色ＬＥＤ、および緑色ＬＤ）の製造を可能にする。しかしながら、実際には、高性能光学素子は、前述の材料の問題が解決されるまで達成することはできない。
【００７１】
本発明は、ＭＤを含むヘテロ界面を使用することによって、緩和された格子定数を有する高品質テンプレート層を供給することができる。本発明は、ＧａＮ上で直接的に成長させる（すなわち、中間層としてのＩｎＧａＮテンプレートの使用を伴わない）場合と比較して、緩和された層（例えば、緩和されたＩｎＧａＮテンプレート）上で高Ｉｎ組成の層（高Ｉｎ組成のＱＷ）をより容易に成長させることができる。これは、本発明が、半極性配向で成長させた高性能ＬＥＤおよびＬＤ（例えば、ＧａＮの（１１−２２）平面に基づいて、またはその上で成長させて、例えば緑色光を放出する、ＬＥＤまたはＬＤ）を製造することを可能にする。しかしながら、前述のように、他の半極性平面が使用されてもよい。
【００７２】
しかしながら、光電子素子（ＬＥＤ、ＬＤを含むこと）、太陽電池、および電子素子（例えば、高電子移動度トランジスタ等のトランジスタ）を、本発明のテンプレート層上で成長させてもよい。
【００７３】
本発明についてのさらなる情報を［１］，［２］および［３］に見出すことができる。
【００７４】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が援用される。
【００７５】
【表１】
【００７６】
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。この記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。さらに、本発明が本明細書に記載される科学法則または理論のうちのいずれかに拘束されることを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の同時係属の同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張し、これらの出願の開示は、本明細書に参照により援用される：Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５８号（名称「ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＯＮ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ ＡＴ ＴＨＥ ＨＥＴＥＲＯＩＮＴＥＲＦＡＣＥ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１７−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４２−１））、ならびにＨｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５９号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４３−１））。
【０００２】
本願は、次の同時係属の同一人に譲渡された米国実用特許出願に関連し、この出願は、本明細書に参照により援用される：Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国実用特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、本願と同日の出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｕ１（２００９−７４３−２））であって、この出願は、Ｈｉｒｏａｋｉ Ｏｈｔａ、Ｆｅｎｇ Ｗｕ、Ａｎｕｒａｇ Ｔｙａｇｉ、Ａｒｐａｎ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａによる米国仮特許出願第６１／２３６，０５９号（名称「ＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ ＳＴＲＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＩＮ ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ ＢＹ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＩＮＤＩＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＬＡＹＥＲＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ」、２００９年８月２１日出願、代理人整理番号３０７９４．３１８−ＵＳ−Ｐ１（２００９−７４３−１））の米国特許法第１１９条第（ｅ）項の利益を主張する出願。
【０００３】
（１．発明の分野）
本発明は、ヘテロ界面周辺の空間的に制限されたミスフィット転位（ＭＤ）を使用することによって、緩和された格子定数を有する、転位のない高品質なエピタキシャルに成長させたテンプレートに関し、テンプレート層は、紫外線（ＵＶ）、緑色、琥珀色、または赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）、および緑色またはＵＶレーザダイオード（ＬＤ）等の、高Ｉｎ／Ａｌ組成の素子のエピタキシャル成長のために使用することができる。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の記述）
従来、全ての窒化物ベースの素子は、素子層を通過する転位が、不十分な素子性能を引き起こすので、一般的にコヒーレントに成長させている。例えば、ＩｎＧａＮをコヒーレントにＧａＮ上に成長させた（すなわち、ＭＤを有しない）場合、ＩｎＧａＮの面内格子定数は、ＧａＮと同じ値に拘束されるが、これは、ＩｎＧａＮ層が面内圧縮歪みを受けることを意味する（ＧａＮ上でのＡｌＧａＮのコヒーレントな成長の場合、ＡｌＧａＮエピタキシャル層は、それぞれの格子定数の差のために面内引張歪みを受ける）。
【０００５】
ＧａＮ光電子素子の中の分極効果を低減または可能な限り除去するアプローチは、結晶の半極性平面上で素子を成長させるものである。「半極性平面」という用語は、非ゼロｈ、ｉ、またはｋミラー指数および非ゼロｌミラー指数の２つをどちらも有する、あらゆる平面を指すために使用することができる。したがって、半極性平面は、（ｈｋｉｌ）ミラー−ブラベ指数定義則において、非ゼロのｈ、ｋ、またはｉ指数および非ゼロのｌ指数を有する結晶平面として定義される。ｃ平面ＧａＮヘテロエピタキシにおける半極性平面のいくつかの一般的に観察される例は、（１１−２２）、（１０−１１）、および（１０−１３）平面を含み、これらは、ピットの面の中に見出される。これらの平面はまた、偶然に発明者らが平面膜の形態で成長させた平面と同じものである。ウルツ鉱型結晶構造の半極性平面の他の例は、（１０−１２）、（２０−２１）、および（１０−１４）であるが、それらに限定されない。窒化物結晶の分極ベクトルは、そのような平面内にも、そのような平面に対する法線にもなく、むしろ平面の表面垂線に対してある角度傾いている。例えば、（１０−１１）および（１０−１３）平面は、それぞれ、ｃ平面に対して６２．９８°および３２．０６°である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ヘテロ界面周辺でＭＤを空間的に制限することによる、緩和された格子定数を有する、転位のない高品質テンプレートを開示する。このテンプレート層は、以降の高Ｉｎ組成の素子のエピタキシャル成長のために使用することができる。本発明は、高品質ＩｎＧａＮテンプレート（Ｉｎ組成は、約５〜１０％である）を調製し、別様に可能であるよりも非常に高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）（または多重量子井戸（ＭＱＷ））を、これらのテンプレート上に成長させることができる。
【０００７】
先行技術の制限を克服するために、および本明細書を読み、理解することにより明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層であり、第２の層上に蒸着される第１の層を開示し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。
【０００８】
転位は、ＭＤであり得る。転位は、ヘテロ界面周辺に局所化されてもよく、またはヘテロ界面の上側の層を貫通しなくてもよい。
【０００９】
第１の層の成長平面は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面である半極性平面であってもよい。
【００１０】
第２の層は、例えば、バルクＡｌＩｎＧａＮ、ＧａＮ基板、ｍ−サファイヤ、またはスピネル基板であってもよい。
【００１１】
例えば、第１の層は、少なくとも数パーセント（例えば、３〜１０％）のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮであってもよく、第２の層は、ＧａＮである。代替として、例えば、第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであってもよく、第２の層は、ＧａＮであってもよい。第１の層は、２つを超える層を備えていてもよく、各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位が存在する。
【００１２】
第１の層上でＩＩＩ族窒化物光学素子が製造されてもよい。ＩＩＩ族窒化物光学素子は、１つ以上のＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷを含んでもよく、ｘは、２０％を超える。光学素子は、緑色の波長範囲でピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成のＱＷを備える、緑色ＬＤであってもよい。
【００１３】
ＱＷは、厚さが少なくとも３ｎｍであってもよい。
【００１４】
ＩＩＩ族窒化物光学素子は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備える、ＬＥＤまたはＬＤであってもよい。
【００１５】
ＩＩＩ族窒化物光学素子は、素子構造内部、特に光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まなくてもよく、または転位は、活性層から少なくとも５０ｎｍであってもよい。基板層の中の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、１０３〜１０６／ｃｍ２の範囲であってもよい。
【００１６】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物素子をＩＩＩ族窒化物テンプレート上でコヒーレントに成長させるステップを含む、ＩＩＩ族窒化物素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上で非コヒーレントに成長させる方法をさらに開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
全体を通して類似参照数字が対応する部品を表す図面を参照する。
【図１】図１は、ＧａＮを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子（ＳＬ）の下方部分の界面の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、界面のＭＤを示す、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の明視野画像であり、目盛りは１００ナノメートル（ｎｍ）である。
【図２】図２（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含むＬＤ素子エピタキシャル層（上から下まで）を見ることができ、目盛りは０．２マイクロメートル（μｍ）であり、図２（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す。
【図３】図３（ａ）−（ｃ）は、前述の素子（図１、図２（ａ）に記載）の異なるエピタキシャル層のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、１００周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬおよび厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮを示し、ＳＬの中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、超格子の中のＧａＮは厚さ２ｎｍであり、（ｂ）は、２周期のＩｎＧａＮのＱＷを有する活性領域であり、（ｃ）は、ＱＷの下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬであり、目盛りは１００ｎｍである。
【図４】図４は、黒色矢印が付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤを示すＴＥＭ画像であり、目盛りは５０ｎｍである。
【図５】図５（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、目盛りは０．２μｍであり、図５（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す［１］。
【図６】図６（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤは、［１−１００］から［２−１−１０］への試料の傾斜に起因するセグメントとみなされ、目盛りは５０ｎｍであり、図６（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図７】図７は、本発明の概念の概略断面図である。
【図８】図８は、本発明の応用例（例えば、高輝度緑色ＬＥＤまたは緑色ＬＤ）の概略断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態の概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮテンプレートの概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明による、素子を製造する方法を示す。
【図１２】図１２は、図９の実施形態を使用して製造される素子の概略断面図である。
【図１３】図１３は、（１１−２２）ＧａＮ基板に基づき、厚いＱＷを備える、緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１４】図１４は、薄いＱＷを有する緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１５】図１５は、薄いＱＷおよび電子ブロッキング層を有する緑色ＬＤの概略断面図である。
【図１６】図１６は、異なる厚さ（それぞれ、５０／５００ｎｍ）のＩｎＧａＮテンプレート上で成長させた２つのＩｎＧａＮ単一ＱＷ素子からの、室温（ＲＴ）フォト発光（ＰＬ）スペクトルを示し、強度（任意単位）対波長（ｎｍ）をプロットしている。
【図１７】図１７は、前述の図１６の素子の（１０−１０）切断面のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、厚さ５０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（Ｂ−［１１−００］で撮影）、（ｂ）は、厚さ５０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（ｇ＝１０−１０で撮影）、（ｃ）は、厚さ５００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（Ｂ−［１１−００］で撮影）、（ｄ）は、厚さ５００ｎｍのｎ−ＩｎＧａＮテンプレート上の素子（ｇ＝１０−１０で撮影）であり、ＭＤは、（ｄ）のＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面で明確に観察される［２］。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の発明を実施するための形態において、本明細書の一部を形成し、かつ本発明が実践され得る特定の実施形態を例示目的で示す添付図面を参照する。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられてもよく、また、構造的な変更が行われてもよいことを理解されたい。
【００１９】
（概要）
別の層（Ｙ）（層Ｙは、それ自体がエピタキシャル、または基板であり得る）上に成長させたエピタキシャル層（Ｘ）は、Ｙに対して、コヒーレントであること、部分的に緩和、または完全に緩和されることができる。コヒーレントな成長の場合、Ｘの面内格子定数は、下側にある層Ｙと同一に拘束される。Ｘが完全に緩和された場合、Ｘの格子定数は、それらの自然の（すなわち、いかなる歪みもない）値を取る。ＸがＹに対してコヒーレントでもなく、完全に緩和されていない場合、部分的に緩和されたと考えられる。いくつかの場合では、基板は、いくつかの残存歪みを有し得る。
【００２０】
本発明は、半極性（１１−２２）窒化物の中のヘテロ界面においてＭＤの存在を発見した（図１、図２（ａ）〜図２（ｂ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４、図５（ａ）〜図５（ｂ）、および図６（ａ）〜図６（ｂ）を参照）。この新しい発見では、ＭＤの存在は、格子定数不整合を有する（異なる合金および／または合金組成を有する）層の間のヘテロ界面周辺だけに制限された。この界面（ＭＤを有する）上で成長させた層は、部分的または完全に緩和されていると考えられた。結果として、本発明を使用してＩｎＧａＮ（比較的に高いＩｎ組成（例えば、５〜１０％））を成長させたとき、緩和されたＩｎＧａＮテンプレート層（緩和される：格子定数がその自然値になる）が達成される。
【００２１】
ＩｎＧａＮをコヒーレントにＧａＮ上に成長させた（すなわち、ＭＤを伴わない）場合、ＩｎＧａＮの面内格子定数は、ＧａＮと同じ値に拘束されるが、これは、ＩｎＧａＮ層が面内圧縮歪みを受けることを意味する（ＧａＮ上でのＡｌＧａＮのコヒーレントな成長の場合、ＡｌＧａＮエピタキシャル層は、それぞれの格子定数の差のために、面内引張歪みを有する）。予備実験におけるＴＥＭ画像に基づいて（図１、図２（ａ）〜図２（ｂ）、図３（ａ）〜図３（ｃ）、図４、図５（ａ）〜図５（ｂ）、および図６（ａ）〜図６（ｂ）を参照）、ＭＤ上の層は、界面周辺の転位を除いて、層を通る、および成長方向に向かういかなる明らかな転位も有しなかった。これは、本発明が、基板上に、緩和された格子定数を有する、転位のない合金を達成できることを示す。
【００２２】
緩和された層について、本発明は、臨界成長厚さに関係なく、厚い層を成長させることができる。１つの応用例は、ＧａＮ上の高品質ＩｎＧａＮテンプレートである。このテンプレートは、緑色ＬＥＤ、琥珀色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、および緑色ＬＤ等の、極めて高いＩｎ組成の素子構造を成長させるために使用することができる。
【００２３】
（技術的説明）
（命名法）
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、ＩＩＩ族窒化物、またはＡｌＩｎＧａＮという用語は、本明細書で使用される場合、単一の種、Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎのそれぞれの窒化物、ならびにそのようなＩＩＩ族金属種の二元、三元、および四元組成を含むと広義に解釈される。したがって、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ、ＡｌＩｎＧａＮ、またはＩＩＩ族窒化物という用語は、そのような命名法に含まれる種として、化合物ＡｌＮ、ＧａＮ、およびＩｎＮ、ならびに三元化合物ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、およびＡｌＩｎＮ、および四元化合物ＡｌＧａＩｎＮを包含する。（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のうちの２つ以上が存在するとき、（組成に存在する（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）構成種のそれぞれを表す相対モル分率に関して）化学量論的割合ならびに「化学量論外の」割合を含む、全ての可能な組成を本発明の広義の範囲内に採用することができる。したがって、主にＧａＮ材料に関する、以降の本発明の論議は、種々の他の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料種の形成に適用可能であることが理解されるであろう。さらに、本発明の範囲内の（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料は、軽微な数量のドーパントおよび／または他の不純物あるいは包含物質をさらに含んでもよい。
【００２４】
（素子構造）
図１は、ＧａＮ１０４を有するＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ１０２の下方部分の界面１００の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、界面のＭＤ１０６を示す、ＴＥＭの明視野画像である（これは、［１］の図３（ｂ）と同じである）。
【００２５】
図２（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含むＬＤ素子エピタキシャル層（上から下まで）を見ることができ、図２（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子（図１、図２（ａ）に記載）の異なるエピタキシャル層のＴＥＭ画像を示し、（ａ）は、１００周期のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ３００および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ３０２を示し、ＳＬ３００の中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、ＳＬ３００の中のＧａＮは厚さ２ｎｍであり、（ｂ）は、２周期のＩｎＧａＮのＱＷを有する活性領域３０４であり、（ｃ）は、ＱＷの下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ３０６である。
【００２７】
図４は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ４００と、ＳＬ４００上のｎ−ＧａＮ層４０２と、ｎ−ＧａＮ層４０２上のｎ−ＩｎＧａＮ層４０４と、ｎ−ＩｎＧａＮ層４０４上のＩｎＧａＮのＱＷ４０６と、ＱＷ４０６上のｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）４０８と、ＥＢＬ４０８上のｐ−ＩｎＧａＮ層４１０と、ｐ−ＩｎＧａＮ層４１０上のｐ−ＧａＮ層４１２と、ｐ−ＧａＮ層４１２上のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ４１４とを備える、エピタキシャル構造を示すＴＥＭ画像である。ＴＥＭ画像は、黒色矢印４１８、４２０、４２２、４２４が付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印４２６が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤ４１６をさらに示す。
【００２８】
図５（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、図５（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す［１］。
【００２９】
図６（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤ６００は、［１−１００］から［２−１−１０］への試料の傾斜に起因するセグメントとみなされ、図６（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３０】
本発明は、高品質ＩｎＧａＮテンプレート（Ｉｎ組成は、約５〜１０％）を調製することができ、そして、このテンプレート上に非常高いＩｎ組成のＩｎＧａＮのＱＷ（ＭＱＷ）を成長させることができる。図７は、ＧａＮ層７０２上にヘテロエピタキシャルに成長させた厚いＩｎＧａＮテンプレート層７００（５〜１０％のＩｎを有する）と、（１１−２２）ＧａＮ基板７０４上にホモエピタキシャルに成長させたＧａＮ層７０２とを備える、この本発明の概念を具現化する構造を示す。ＧａＮ層７０２とＩｎＧａＮテンプレート層７００との間のヘテロ界面７０６は、局所化された（すなわち、界面７０６付近に閉じ込められた）ＭＤ７０８を含有し、ＩｎＧａＮテンプレート７００（例えば、素子のための）は、部分的または完全に緩和された格子定数を有する。図７において、［１１−２２］および［１１−２３］と付された矢印は、それぞれ、［１１−２３］および［１１−２３］方向を示し、円内の黒丸は［１０−１０］方向（紙の平面から外に）を示す。
【００３１】
図８は、図７に示されるＩｎＧａＮテンプレート７００上に成長させたＩｎＧａＮ層８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ、８０２ｄ、８０２ｅ（５〜１０％のインジウム（Ｉｎ）を有する）と、高Ｉｎ含有量（例えば、Ｉｎ０．３ＧａＮ）のＱＷ層８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ、８０４ｄとを備える本発明の応用例である、高輝度緑色ＬＥＤまたはＬＤ構造８００を示す。ＱＷは、緑色光（例えば、緑色の波長範囲（例えば、５１０ｎｍ〜５４０ｎｍ）、または波長範囲４９０ｎｍ〜５６０ｎｍにピーク強度を有する光）を放出することに十分な高いＩｎ組成を有する発光活性層である。テンプレート７００は、緩和された格子定数を備え、この緩和は、ＭＤの線の方向（図７で矢印［１１−２３］で示される）に直角な方向［１０−１０］に生じる。層８０２ａは、ｐ型層（例えば、Ｍｇドープ）であり、層８０２ｅは、ｎ型層（例えば、Ｓｉドープ）であり、層８０２ｂ〜８０２ｄは、活性領域（非ドープまたはｎドープ）の中のバリア層である。図８は、ＭＱＷを有するｐｎダイオードのような、素子の応用例である。
【００３２】
より一般には、本発明は、図９に示されるように、第２の層９０４（層Ｂ）上に第１の層９０２（層Ａ）を備えるエピタキシャル構造９００を開示し、第１の層９０２は、部分的または完全に緩和された格子定数と、第１の層９０２と第２の層９０４との間のヘテロ界面９０８での１つ以上の転位９０６（例えば、ＭＤ）とを備える、窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である。層Ａ９０２は、緩和された格子定数を有する層Ａ９０２を達成するために、層Ｂ９０４に対してコヒーレントに成長させられない。層Ａ９０２の格子定数は、層Ｂ９０４の格子定数よりも低く、または高くすることができる。この格子不整合を達成するために、層Ａ９０２とＢ９０４とは、異なる合金で作製されてもよい。第２の層９０４はまた、それ自体が部分的に緩和されてもよい。層Ａの厚さは、ＭＤを生成するために、臨界膜厚よりも大きい。臨界膜厚は、例えば、数ｎｍから数マイクロメートルまでの範囲であり得、組成、ドーピング、および結晶配向に依存し得る（後者の依存性が、非常に重要である）。
【００３３】
よって、本発明によれば、第１の層９０２は、第２の層９０４に対して緩和される。換言すれば、水平方向の第１の層９０２の格子定数は、第２の層９０４の格子定数と同じではない。
【００３４】
転位９０６は、ＭＤを含み得るが、それに限定されない。一般的に、転位は、ヘテロ界面９０８周辺に局所化され、ヘテロ界面９０８の上側の層を貫通しない。基板または第２の層Ｂ９０４の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、単位面積当たり１０３〜１０６（例えば、１０３〜１０６／ｃｍ２）の範囲であることが望ましいが、これは、ｎ＞１０６に対して素子性能が悪化し、ｎ＜１０３に対してＭＤを有効に生成できないからである。
【００３５】
図１０は、第１の層１００２の成長平面（または頂面）１０００が、それらに限定されないが、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面等のような半極性平面である実施例を示す。換言すれば、以降の素子層（例えば、ｎ型、ｐ型、および活性層）をその上に成長させる層Ａ１００２の頂面１０００は、半極性平面である。半極性平面は、（ｈｋｉｌ）ミラー−ブラベ指数定義則において、非ゼロのｈ、ｋ、またはｉ指数および非ゼロのｌ指数を有する結晶平面として定義される。一般的に、層Ａ１００２の成長方向１００４は、半極性成長方向である。図１０の場合、第１の層１００２は、第２の層１００８の半極性（１１−２２）平面１００６上に成長させたＩｎＧａＮ（１１−２２）テンプレートであり、第２の層１００８は、ＧａＮ（１１−２２）基板である。図１０は、ＭＤ１０１２を有する（第１の層１００２と第２の層１００８との間の）界面１０１０をさらに示す。［１１−２３］（ｃ軸の面内投影）に向かう（ＩｎＧａＮテンプレート１００２の）格子定数は緩和される一方で、ｍ軸に向かう（ＩｎＧａＮテンプレート１００２の）格子定数は緩和されない。これは、［１１−２３］に沿った格子不整合のため、ＭＤをさらに拘束できることを示す。
【００３６】
したがって、（１１−２２）半極性テンプレートは、［１１−２３］方向（ｃ軸の平面投影方向）に沿って緩和されて、ｍ軸に沿って緩和されなくてもよく。異なる平面または結晶配向について、緩和される方向と緩和されない方向とは、異なっていてもよく、導出することができる［１］。しかしながら、緩和は、一般的に、一方向に沿ったものであり、直角な方向には緩和されない［１］。一般に、ＭＤの形成のための臨界膜厚は、両方向に対して計算することができる。
【００３７】
一般的に、ｃ投影に平行な面内格子定数は緩和されるが、緩和される方向および緩和されない方向は、下層および／または基板の半極性配向および／または合金組成に依存する。一般に使用される半極性平面について、コヒーレントでない格子定数は、一般的に、ｃ軸の投影（ａ、ｃのどちらとも異なる）に平行な面内格子定数である。
【００３８】
このように、緩和される方向は、常時ｃ投影に沿っているとは限らず、また、緩和されない方向は、常時ｃ投影に対して直角であるとは限らない。しかしながら、基底面スリップは、半極性ウルツ鉱型ＩＩＩ族窒化物の結晶構造のため、支配的な歪み緩和機構であるので、おそらくは、ｃ投影に対して直角である線方向を有するＭＤが最初に形成される。結果的に、初期の緩和は、ｃ投影に沿ったものである（緩和方向は、ＭＤ方向に対して直角である）。膜の歪みエネルギーが十分に大きい場合、ｃ軸に直角な面内方向も、緩和を受けることができる。一実施形態では、本発明は、両方向に対して、ＭＤの形成のための臨界膜厚を計算してもよい。次いで、層厚さが対応する臨界膜厚に到達したときにＭＤが生じる。したがって、ある方向に対して層厚さが臨界膜厚に到達すると、層は、対応する方向に緩和される。
【００３９】
緩和の程度は、格子定数および配向および格子の方向による機械的性質に依存してもよい［１］。
【００４０】
（プロセスステップ）
図１１は、本発明（例えば、ＩＩＩ族窒化物素子）のエピタキシャル構造を製造する方法を示すフローチャートである。方法は、以下のステップを含む。
【００４１】
ブロック１１００は、例えば、後に成長させたテンプレート層を有するヘテロ界面を形成する基板、すなわち高品質半極性ＧａＮ基板を提供または用いることを表す（ブロック１１０２）。例えば、テンプレート層が第１の層であってもよく、基板が第２の層であってもよい。基板層の単位面積当たり（例えば、ｃｍ２当たり）の貫通転位の数（ｎ）は、単位面積当たり（例えば、ｃｍ２当たり）１０３〜１０６の範囲であってもよいが、これは、これは、ｎ＞１０６に対して素子性能が悪化し、ｎ＜１０３に対してＭＤを有効に生成できないからである。
【００４２】
ブロック１１０４は、基板上にテンプレート層を成長させるステップ、すなわち、部分的または完全に緩和された格子定数を有する窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を、第２に層上に蒸着または成長させるステップを表し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。テンプレートは、ＧａＮ基板上に非コヒーレントに成長させてもよく（すなわち、テンプレート層の面内格子定数が、基板層の格子定数と同じではない）、その結果、テンプレート層は、緩和された格子定数を有する。したがって、ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上で非コヒーレントに成長させてもよい。第１の層は、Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．０５ＧａＮ／ＧａＮ等の、２つを超える層を備えてもよく、各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位があってもよい。
【００４３】
ブロック１１０６は、前述のステップの最終結果、すなわち、部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層であり、第２の層（例えば、基板）上に蒸着される、少なくとも第１の層（テンプレート層）を備えるエピタキシャル構造を表し、第１の層と第２の層との間のヘテロ界面には１つ以上の転位がある。転位は、ＭＤであってもよく、転位は、ヘテロ界面（第１の層が２つを超える層を備える場合は、複数のヘテロ界面）周辺に局所化されてもよく、また、転位は、ヘテロ界面の上側の層を貫通しなくてもよい。
【００４４】
第１の層（テンプレート）の成長平面（すなわち、素子層等の以降の層をその上で成長させる、頂面）は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）等の半極性平面、および他の種々の半極性平面であってもよい。
【００４５】
ブロック１１０８は、例えばテンプレート層上に転位を伴わずに、素子構造を成長させるステップを表す。成長ステップは、ＩＩＩ族窒化物テンプレート上でＩＩＩ族窒化物素子をコヒーレントに成長させるステップを含んでもよい。
【００４６】
ブロック１１１０は、方法の最終結果、すなわち、第１の層上に製造されるＩＩＩ族窒化物光学素子または素子構造を表す。ＩＩＩ族窒化物光学素子または構造は、ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷまたは障壁／活性を含んでもよい。ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）ＱＷまたは障壁／活性層は、（例えば、Ａｌの有無に関わらず）２０％を超えるｘを含んでもよい。ＩＩＩ族窒化物光学素子は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備えるＬＥＤまたはＬＤであってもよい。例えば、光学素子は、緑色の波長範囲のピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成のＱＷを備える、緑色ＬＤであってもよい。
【００４７】
ＱＷは、厚さが少なくとも３ｎｍであってもよい。
【００４８】
例えば、ＩＩＩ族窒化物光学素子は、一般的に、素子構造内部、特に光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まなくてもよく、または転位が活性層から離れている（例えば、活性層から少なくとも５０ｎｍ）。
【００４９】
構造は、例えば、一般的に、従来の分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）または有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によって成長させられるが、他の蒸着方法も可能である。
【００５０】
光電子素子を製造するために、当技術分野において周知であるような、付加的な層、構造、接点、または要素を加えてもよい。
【００５１】
（可能な修正例）
第２の層は、それらに限定されないが、バルクＡｌＩｎＧａＮ、高品質ＧａＮ基板、またはｍ−サファイヤもしくはスピネル基板等の異種基板等の、異なる材料を含んでもよい。
【００５２】
前述のように、第１の層は、一般的に、少なくとも数パーセント（例えば、少なくとも３〜１０％）のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮである。この場合、第２の層は、例えばＧａＮであり得る。しかしながら、第１の層Ａは、他の材料を含んでもよい。例えば、第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を含むＡｌＧａＮであってもよい。この場合、第２の層は、例えばＧａＮであり得る。Ａｌ組成が小さければ、臨界膜厚は大きい。しかし、この後者の場合、本発明は、厚い層を成長させることによってＭＤを導入してもよい。
【００５３】
第１の層は、Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．０５ＧａＮ／ＧａＮ等の、２つを超える層を備えてもよく、層間の各界面には、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位がある。
【００５４】
本発明は、半極性成長に基づく超高輝度緑色ＬＥＤ、緑色ＬＤ、琥珀色色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、およびＡｌＧａＮベースの深ＵＶ ＬＥＤおよびＧａＮに基づくＬＤの製造を可能にする。
【００５５】
図１２は、（例えば、図９に示されるような）第１の層９０２（層Ａ）上の光学素子構造１２００（例えば、それに限定されないが、ＬＥＤまたはＬＤ）の実施例を示す。光学素子１２００は、例えば、ＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）活性層、またはＱＷ（０．２（２０％）を超えるＩｎ組成ｘを有する）を含んでもよい。活性層のＩｎ組成は、より長い波長（例えば、緑色の波長）に対応する光を放出するために十分高くてもよい。しかしながら、光学素子構造にはいかなる新しい転位も含まないことが好ましい。
【００５６】
ＩｎＧａＮテンプレート９０２により、本発明は、高い（例えば、１５％〜３０％）Ｉｎ組成を有する、厚い（厚さ３ｎｍを超える）、高品質のＱＷを成長させることができる。図１３は、厚い（例えば、厚さ１３０２が８ｎｍ）、高Ｉｎ組成（１５〜３０％）の、発光活性層であるＱＷ１３０４ａ、１３０４ｂ、１３０４ｃ、１３０４ｄ、１３０４ｅを有する、緑色ＬＤ１３００（緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示す。ＩｎＧａＮテンプレートの役割を果たす第１の層１３０６はまた、厚く（例えば、厚さ１３０８が１０００ｎｍ）、５％〜１０％のＩｎを含有し、クラッディング層の役割を果たす。層１３０４ａ上には、ｐ型（例えば、Ｍｇドープ）で、厚さ１３１０が７００ｎｍである、ＩｎＧａＮ（５〜１０％のＩｎ組成）層１３１２がある。ＩｎＧａＮテンプレート１３０６は、（１１−２２）ＧａＮ基板１３１６上で成長させた標準的な再成長ＧａＮテンプレート１３１４上でエピタキシャルに成長させる。素子層は、５〜１０％のＩｎ組成（例えば、ＱＷ障壁として機能する）を伴い、例えば８ｎｍの厚さ１３２０を有する、ＩｎＧａＮ層１３１８ａ、１３１８ｂ、１３１８ｃ、１３１８ｄをさらに含む。素子層では、格子不整合は、一般的に、素子層のＭＤを防止するために小さく保たれる。また、テンプレート１３０６と標準的な再成長ＧａＮ１３１４との間の界面には、ＭＤ１３２２が示されている。また、層１３１４および１３１６をその上に成長させる頂面１３２４（頂面１３２４は、（１１−２２）半極性平面である）、および活性層１３０４ａ〜１３０４ｅをその上に成長させるテンプレート１３０６の頂面１３２８（頂面１３２８も同様に、（１１−２２）半極性平面である）も示されている。しかしながら、論議されているように、他の半極性または無極性平面が使用されてもよい。
【００５７】
図１４は、薄い（例えば、厚さ１４０２が３ｎｍ）ＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂ（発光活性層）を有する緑色ＬＤ１４００（例えば、緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示し、（１１−２２）ＧａＮ基板１４０６と、ＧａＮ基板１４０６上の標準的なＧａＮテンプレート１４０８と、標準的な再成長層１４０８上の厚さ１４１０が１０００ｎｍのＩｎＧａＮテンプレート層１４１２（例えば、５％のＩｎ組成を伴い、クラッディング層の役割も果たす）と、その後の、薄いＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂ（例えば、３０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ）と、ＩｎＧａｎテンプレート１４１２上のＩｎＧａＮ分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１４１４ａ、１４１４ｂ（例えば、１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ）とを備える。ＱＷ１４０４ａ、１４０４ｂおよびＳＣＨ１４１４ａ、１４１４ｂは、ＩｎＧａＮテンプレート１４１２およびクラッディングよりも高Ｉｎ組成を有する。ＳＣＨ層１４１４ｂの上には、厚さ１４１６が５０ｎｍのＩｎＧａＮ層１４１８（５％のＩｎ）がある。層１４１８の上には、厚さ１４２０が７００ｎｍのＩｎＧａＮ層１４２２（２％のＩｎ組成、ｐ型、例えばＭｇドープ）がある。また、テンプレート１４１２と標準的な再成長ＧａＮ１４０８との間の界面には、ＭＤ１４２４も示されている。活性領域１４０４ａ、１４０４ｂとクラッディング層１４１２との間の屈折率差Δｎは、Δｎ＝０．０５である。
【００５８】
無極性または半極性の場合について、本発明は、ＱＣＳＥを伴わずに、またはより少ないＱＣＳＥで、ＱＷの厚さを３ｎｍを超えるまで増大させることができる。
【００５９】
好ましくは、光学素子１３００、１４００は、素子構造内部、特に活性層１３０４ａ〜１３０４ｅおよび１４０４ａ〜１４０４ｂの周辺に、いかなる転位も含まない。代替として、図１３および図１４に示されるように、転位は、活性層１３０４ａ〜１３０４ｅ、１４０４ａ〜１４０４ｂから離れている（例えば、ＭＤ１３２２、１４２４とＱＷ１３０４ａ〜１３０４ｅ、１４０４ａ〜１４０４ｂとの間の距離は、５０ｎｍ、好ましくは１００ｎｍを超える）。図１４の素子では、例えば、格子定数は、底部１４２６から活性領域１４０４ａに向かって増加する。しかしながら、面内の格子定数は、活性層１４０４ａの直下では一定のままであり、電子ブロッキング層等のいくつかの層を除いて、ＱＷ活性層１４０４ｂの上側から光学素子１４００の頂部１４２８に向かって減少する。換言すれば、活性領域１４０４ａ、１４０４ｂを、下側にある層１４１２上でコヒーレントに成長させて、ＭＤ１４２４を有する任意のヘテロ界面を、活性領域１４０４ａ〜１４０４ｂから十分に（５０〜１００ｎｍ）除去する。図１４には、テンプレート層１４１２とＳＣＨ層１４１４ａとの間の、５％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１４３０、およびＱＷ障壁層１４３２も示されている。
【００６０】
図１５は、１つ以上の薄いＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂと、（例えば、電子オーバーフローを防止するために）比較的に低いＡｌ含有量（例えば１０〜１５％または５〜１５％）を有するＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）１５０４とを有する、緑色ＬＤ構造１５００（すなわち、緑色光、または緑色の波長でピーク放出強度を有する光を放出する）を示す。ＬＤ１５００は、（１１−２２）ＧａＮ基板１５０６と、ＧａＮ基板１５０６上の標準的なＧａＮテンプレート１５０８と、ＧａＮテンプレート１５０８上のＩｎＧａＮテンプレート層１５１０（例えば５％のＩｎ組成を伴い、１０００ｎｍの厚さ１５１２を有する）と、その後の、ＩｎＧａＮ層１５１６ａ、１５１６ｂ、１５１６ｃ（１０％のＩｎ組成を有する）と、ＩｎＧａＮ層１５１６ｂによって分離された薄いＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂ（３ｎｍの厚さ１５１４を有し、１５〜２０％または３０％のＩｎ組成を有する）とを備える。１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１５１６ａ、１５１６ｂ、１５１６ｃはまた、ＱＷ１５０２ａ、１５０２ｂにおけるキャリアの量子閉じ込めを提供する、ＱＷ障壁の役割も果たす。層１５１６ａおよび１５１６ｃはまた、ＳＣＨ層であってもよい。２０ｎｍの厚さ１５１８を有するＥＢＬ１５０４は、Ｉｎ０．０５ＧａＮ層１５２０（５％のＩｎ組成で、５０ｎｍの厚さ１５２２を有する）と、７００ｎｍの厚さ１５２６を有するＩｎ０．０５ＧａＮ（５％のＩｎ組成、ｐ型、例えばＭｇドープ）層１５２４との間にある。活性領域１５０２ａ、１５０２ｂとクラッディング層１５１０との間の屈折率差Δｎは、Δｎ＝０．０５である。ＡｌＧａＮのＥＢＬ層１５０４は、Ｍｇでドープしてもよいが、これは、必須ではない。
【００６１】
図１５に示されるように、本発明については、ＥＢＬ１５０４の界面でＭＤを拘束することが好ましい。したがって、転位を防止するために、低Ａｌ組成を有するＥＢＬ層１５０４の組成を勾配させることによってＥＢＬ１５０４を製造すること、またはＧａＮのＥＢＬ１５０４もしくは薄い（および／または格子整合された）ＡｌＩｎＮのＥＢＬ層１５０４を使用することが好ましい。ＥＢＬ１５０４は、例えば、Ａｌ組成、ＡｌＩｎＮまたは低Ａｌ組成で勾配させてもよい。
【００６２】
代替として、または加えて、図１５に示されるように、ＥＢＬ１５０４は、（それらの周囲で非発光性再結合を引き起こす、ＭＤの影響を防止するために）活性層１５０２ａ、１５０２ｂから離して（例えば、少なくとも５０ｎｍ）位置付けるべきであり、それによって、高い内部効率を保つ。加えて、同じく図１５に示されるように、任意の他のヘテロ界面（加えて、ＱＷ／障壁ヘテロ界面）は、活性層１５０２ａ、１５０２ｂから離しておくべきである。図１５にはまた、ＩｎＧａＮテンプレート層１５１０とＧａＮテンプレート層１５０８との間の界面に、ＭＤ１５２８も示されている。
【００６３】
前述のように、本発明の１つの応用例は、緑色ＬＥＤ、琥珀色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、および緑色発光ＬＤ等の、非常に高いＩｎ組成の素子構造を成長させるために使用される、ＧａＮ上の高品質ＩｎＧａＮテンプレートである。例えば、図１６および図１７は、実験結果を示す。
【００６４】
図１６は、（１１−２２）ＧａＮ上で成長させた厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＮ（５〜７％のＩｎ）上で成長させた高Ｉｎ含有量の単一量子井戸（ＳＱＷ）から得られる、より明るいフォト発光（ＰＬ）（７０％の強度増大）、およびより長い放出波長を示す。具体的には、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮ層上で成長させたＱＷからのＰＬ強度は、４９１ｎｍの波長でピークに達し、半値全幅（ＦＷＨＭ）（Δλ）＝３３ｎｍおよび１の積分強度を有するが、厚さ５００ｎｍのＩｎＧａＮ層上で成長させたＱＷからのＰＬ強度は、５０３ｎｍの波長でピークに達し、ＦＷＨＭ（Δλ）＝３５ｎｍおよび１．７の積分強度を有する。図１６のデータは、室温で取得し、４０５ｎｍの波長での励起により生じたものである。
【００６５】
図１７（ａ）〜（ｄ）［２］は、図１６で測定した素子の画像である。図１７（ｂ）は、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮテンプレート上の素子の（１０−１０）断面を示し、図１７（ｄ）は、図１６の厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ層上の試料のＴＥＭ画像（（１０−１０）断面）が、ＳＱＷの活性領域１７０４から十分に離れた、ＩｎＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面１７０２でのＭＤ１７００が認められることを示す。ＳＱＷのＩｎＧａＮ活性領域１７０４付近にはいかなる転位もない。
【００６６】
また、無極性テンプレートおよび基板が使用されてもよい。
【００６７】
素子は、ＧａＮ基板の配向と同じ配向を有する。例えば、ｍ平面基板を使用した場合、ｍ平面素子が成長する。本発明が（１１−２２）ＧａＮ基板を使用する場合は、（１１−２２）半極性素子を基板上で成長させる。
【００６８】
ＭＤまたは任意の種類の欠陥は、ＬＥＤの出力を下げることになる。ＧａＮ上での高Ｉｎ％のＩｎＧａＮの成長は、大きい格子不整合が存在するので、非常に困難である。本発明より前には、３０％を超えるＩｎ％を有する高品質のＩｎＧａＮを成長させることはできなかった。本発明の方法を使用することで、３０％を超えるＩｎ％を有するＩｎＧａＮを、ＧａＮ上で成長させることができる。
【００６９】
（利点および改良点）
これまで、半極性および無極性配向に基づいた、緑色スペクトル領域（または青色を超えるより長い波長領域）で放出する、いかなる超高輝度ＬＥＤおよび高性能ＬＤも報告されていなかった。これは、部分的には、ヘテロ界面、特に障壁層とＱＷとの間の界面でのＭＤまたは積層不良が原因（換言すれば、材料の問題）である。さらに、以前の研究は、（低Ｉｎ組成を有する）ＧａＮまたはＩｎＧａＮ障壁を使用していた。したがって、現在の素子は、ＱＷ周辺で極めて大きい格子不整合を有する。これは、不十分な結晶品質または転位／積層不良を引き起こす。同じ現象は、ＬＤの導波層とクラッディング層（例えば、ＩｎＧａＮ導波とＡｌＧａＮクラッディング）との間で観察することができる。
【００７０】
無極性および半極性配向を使用する理由は、以前の結果に基づいて明らかである。小さい、または削減されたＱＣＳＥ（量子閉じ込めシュタルク効果）は、より高い内部効率をもたらし、青色を超える領域における高出力ＬＥＤおよびＬＤ（窒化物に基づく緑色／琥珀色／赤色ＬＥＤ、および緑色ＬＤ）の製造を可能にする。しかしながら、実際には、高性能光学素子は、前述の材料の問題が解決されるまで達成することはできない。
【００７１】
本発明は、ＭＤを含むヘテロ界面を使用することによって、緩和された格子定数を有する高品質テンプレート層を供給することができる。本発明は、ＧａＮ上で直接的に成長させる（すなわち、中間層としてのＩｎＧａＮテンプレートの使用を伴わない）場合と比較して、緩和された層（例えば、緩和されたＩｎＧａＮテンプレート）上で高Ｉｎ組成の層（高Ｉｎ組成のＱＷ）をより容易に成長させることができる。これは、本発明が、半極性配向で成長させた高性能ＬＥＤおよびＬＤ（例えば、ＧａＮの（１１−２２）平面に基づいて、またはその上で成長させて、例えば緑色光を放出する、ＬＥＤまたはＬＤ）を製造することを可能にする。しかしながら、前述のように、他の半極性平面が使用されてもよい。
【００７２】
しかしながら、光電子素子（ＬＥＤ、ＬＤを含むこと）、太陽電池、および電子素子（例えば、高電子移動度トランジスタ等のトランジスタ）を、本発明のテンプレート層上で成長させてもよい。
【００７３】
本発明についてのさらなる情報を［１］，［２］および［３］に見出すことができる。
【００７４】
（参考文献）
以下の参考文献は、参照することにより本明細書にその全体が援用される。
【００７５】
【表１】
【００７６】
（結論）
これは、本発明の好適な実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の１つ以上の実施形態の上述の説明は、図解および説明のために示したものである。この記述は、網羅的であること、または本発明を開示された形態に限定することを意図したものではない。さらに、本発明が本明細書に記載される科学法則または理論のうちのいずれかに拘束されることを意図したものではない。上述の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ本明細書に添付された請求項によって限定されることを意図する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル構造であって、
部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を備え、該第１の層は、第２の層上に蒸着され、該第１の層と該第２の層との間のヘテロ界面に１つ以上の転位が存在する、エピタキシャル構造。
【請求項２】
前記転位は、ミスフィット転位である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項３】
前記転位は、ヘテロ界面周辺に局所化される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項４】
前記転位は、前記ヘテロ界面の上側の層を貫通しない、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項５】
前記第１の層の成長平面は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面である半極性平面である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項６】
前記第２の層は、バルクＡｌＩｎＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項７】
前記第２の層は、ＧａＮ基板である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項８】
前記第２の層は、ｍ−サファイヤまたはスピネル基板である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項９】
前記第１の層は、少なくとも３〜１０％のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮであり、前記第２の層は、ＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１０】
前記第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであり、前記第２の層は、ＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１１】
前記第１の層は、２つを超える層を備え、各界面に、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位が存在する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１２】
前記第１の層上にＩＩＩ族窒化物光学素子構造が製造される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子構造は、１つ以上のＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）量子井戸を含む、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１４】
ｘは、２０％を超える、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１５】
前記量子井戸は、厚さが少なくとも３ｎｍである、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１６】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子構造は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備える発光ダイオードまたはレーザダイオード構造である、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１７】
前記光学素子は、緑色の波長範囲内にピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成の量子井戸を備える、緑色レーザダイオードである、請求項１６に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１８】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子は、前記素子構造内部、特に前記光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まないか、または、転位は、該活性層から少なくとも５０ｎｍ離れている、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１９】
前記基板層の中の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、１０３〜１０６／ｃｍ２である、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項２０】
ＩＩＩ族窒化物素子を製造する方法であって、
該ＩＩＩ族窒化物素子をＩＩＩ族窒化物テンプレート上にコヒーレントに成長させることを含み、該ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、該ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上に非コヒーレントに成長させられる、方法。
【請求項２１】
エピタキシャル構造を製造する方法であって、
部分的または完全に緩和された格子定数を有する窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を蒸着または成長させることを含み、該第１の層は、第２の層上にあり、該第１の層と該第２の層との間のヘテロ界面に１つ以上の転位が存在する、方法。
【請求項１】
エピタキシャル構造であって、
部分的または完全に緩和された格子定数を有する半極性窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を備え、該第１の層は、第２の層上に蒸着され、該第１の層と該第２の層との間のヘテロ界面に１つ以上の転位が存在する、エピタキシャル構造。
【請求項２】
前記転位は、ミスフィット転位である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項３】
前記転位は、ヘテロ界面周辺に局所化される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項４】
前記転位は、前記ヘテロ界面の上側の層を貫通しない、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項５】
前記第１の層の成長平面は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面である半極性平面である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項６】
前記第２の層は、バルクＡｌＩｎＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項７】
前記第２の層は、ＧａＮ基板である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項８】
前記第２の層は、ｍ−サファイヤまたはスピネル基板である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項９】
前記第１の層は、少なくとも３〜１０％のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮであり、前記第２の層は、ＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１０】
前記第１の層は、少なくとも数パーセントのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮであり、前記第２の層は、ＧａＮである、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１１】
前記第１の層は、２つを超える層を備え、各界面に、緩和されたエピタキシャル膜を可能にする転位が存在する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１２】
前記第１の層上にＩＩＩ族窒化物光学素子構造が製造される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１３】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子構造は、１つ以上のＡｌＩｎｘＧａＮ（ｘ＞０）量子井戸を含む、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１４】
ｘは、２０％を超える、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１５】
前記量子井戸は、厚さが少なくとも３ｎｍである、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１６】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子構造は、ｎ型層とｐ型層との間に発光活性層を備える発光ダイオードまたはレーザダイオード構造である、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１７】
前記光学素子は、緑色の波長範囲内にピーク強度を有する発光を可能にする高Ｉｎ組成の量子井戸を備える、緑色レーザダイオードである、請求項１６に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１８】
前記ＩＩＩ族窒化物光学素子は、前記素子構造内部、特に前記光学素子の１つ以上の活性層の周辺にはいかなる新しい転位も含まないか、または、転位は、該活性層から少なくとも５０ｎｍ離れている、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１９】
前記基板層の中の単位面積当たりの貫通転位の数（ｎ）は、１０３〜１０６／ｃｍ２である、請求項１２に記載のエピタキシャル構造。
【請求項２０】
ＩＩＩ族窒化物素子を製造する方法であって、
該ＩＩＩ族窒化物素子をＩＩＩ族窒化物テンプレート上にコヒーレントに成長させることを含み、該ＩＩＩ族窒化物テンプレートは、該ＩＩＩ族窒化物テンプレートとは異なる材料組成を有する基板上に非コヒーレントに成長させられる、方法。
【請求項２１】
エピタキシャル構造を製造する方法であって、
部分的または完全に緩和された格子定数を有する窒化物（ＡｌＩｎＧａＮ）層である第１の層を蒸着または成長させることを含み、該第１の層は、第２の層上にあり、該第１の層と該第２の層との間のヘテロ界面に１つ以上の転位が存在する、方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ−３ｃ】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ−３ｃ】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公表番号】特表２０１３−５０２７３０（Ｐ２０１３−５０２７３０Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５７５３（Ｐ２０１２−５２５７５３）
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４６３４１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２７２４
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５０６１１５５１４）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (87)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４６３４１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２７２４
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５０６１１５５１４）ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (87)
【Ｆターム（参考）】
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