ミスフィット転位を有する部分的または完全に弛緩したＡｌＩｎＧａＮ層による半極性窒化物量子井戸の異方性ひずみ制御
下側にある層上に異方性歪みを有する活性層を備え、該下側にある層内の格子定数および歪みが、該活性層内の異方性歪みが下側にある層によって調節されるように、ミスフィット転位の存在によって少なくとも１つの方向に部分的または完全に緩和される、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造。一実施形態では、基板は、半極性ＧａＮ基板であり、下層は、半極性平面であるＧａＮ基板の上面上に蒸着されるか、または成長させられ、下層は、下層の面内ｃ投影に平行である方向に沿って緩和され、下層は、下層のｍ軸方向に沿って緩和されず、活性層は、半極性平面である下層の上面上に蒸着または成長させられる。
【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、次の同時継続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６１／２３６，０５９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））、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６１／２３６，０５８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））。
【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による米国仮特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（名称「ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＯＮ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ ＡＴ ＴＨＥ ＨＥＴＥＲＯＩＮＴＥＲＦＡＣＥ」、本願と同日の出願、代理人整理番号３０７９４．３１７−ＵＳ−Ｕ１（２００９−７４２−２））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６１／２３６，０５８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））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、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）等の、光学素子に関し、活性層内の歪みを調節するテンプレート上に成長させ、それによって、活性層のバンド構造および発せられた光の分極を調節する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の記述）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［ｘ］によって多数の異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
参照［１−３（非特許文献１−３）］では、量子井戸（ＱＷ）内の歪みの存在が、ＱＷのバンド構造（自発的発光の分極および利得）を調節可能であることが示された。これは、既知の現象である（例えば、［４（非特許文献４）］を参照）。一般に、六方晶ウルツ鉱型結晶構造を有する半極性の窒素物エピタキシャル層の歪みは、異なる格子パラメータのａおよびｃによる異方性（格子異方性）である。参照［５（非特許文献５）］は、以下の格子定数の値を報告する：ａ（ＡｌＮ）＝３．１１２オングストローム、ａ（ＧａＮ）＝３．１８９オングストローム、ａ（ＩｎＮ）＝３．５４オングストローム、ｃ（ＡｌＮ）＝４．９８２オングストローム、ｃ（ＧａＮ）＝５．１８５オングストローム、およびｃ（ＩｎＮ）＝５．７０５オングストローム。
【０００５】
しかしながら、この格子異方性は、考慮されるエピタキシャル層と考慮される層をコヒーレントに成長させる基板との間の格子定数の差異によって、自動的に決定される。したがって、本発明より前には、ＱＷ内の歪み異方性を制御する方法がなかった。
【０００６】
図１は、山口氏の研究［１（非特許文献１）］において使用された座標系を図示し、Ｘ２は、ｃ軸投影であり、θは、基板の配向を示す（例えば、θ＝０は、ｃ平面基板に対応する）。図２（ａ）〜（ｃ）は、歪んでいないＱＷ、歪んだ厚いＧａＮ膜、および面内等方二軸性歪みを有する圧縮歪みＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。薄いＱＷによる量子閉じ込め効果は、図２（ａ）に示されるように、Ｘ２に平行な発光の分極度を生じる。一方で、圧縮歪みは、図２（ｂ）に示されるように、Ｘ１に平行な発光の分極を生じる。図３は、ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎ０．３ＧａＮのＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。したがって、図２および３は、異なる歪み（例えば、異方性歪み）の状態によって生じる異なる発光の分極またはバンド構造を示す。図２および３に示されるこれらの計算において、格子定数の差異は、それぞれ、ａおよびｃ格子パラメータに対して、３．３％および３．０％であると仮定される。
【０００７】
したがって、歪み異方性が調節され得る場合、本発明に示されるように、ＬＥＤ／ＬＤにおける光学的特性は、高い自由度で変更させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ （ｃ）５，２３２９（２００８）
【非特許文献２】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９４，２０１１０４（２００９）
【非特許文献３】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６，Ｌ７８９（２００７）
【非特許文献４】Ｓ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｐ１４９
【非特許文献５】Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｍｅｙｅｒ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４，３６７５（２００３）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光学／電子素子の半極性窒化物ベースの活性層内の異方性を制御する方法を提供する。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られている。本発明の発見に基づいて、ミスフィット転位（ＭＤ）は、素子層から離れて位置する領域／界面に制限され得る。したがって、本発明は、素子層内の歪み制御を可能にする一方で、高度の素子性能／効率を維持する。
【００１０】
先行技術における制限を克服するために、および本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造は、ＩＩＩ族窒化物の下側にある層（本開示を通して下層とも呼ばれる）上に形成された異方性歪みを有するＩＩＩ族窒化物活性層を備え、下側にある層の格子定数および歪みは、活性層の異方性歪みが、下側にある層によって調節されるように、下層下のヘテロ界面におけるミスフィット転位の存在により、少なくとも１つの方向において基板に対して部分的または完全に緩和される。
【００１１】
下層は、一般的に、第１の方向に沿って緩和され、下層は、第１の方向に直角である第２の方向に沿っては緩和されない。
【００１２】
一実施形態では、基板は、半極性ＧａＮ基板であり、下層は、半極性平面であるＧａＮ基板の上面上に蒸着されるか、または成長させられ、下層は、下層の面内ｃ投影に平行である方向に沿って緩和され、下層は、下層のｍ軸方向に沿って緩和されず、活性層は、半極性平面である下層の上面上に蒸着または成長させられる。
【００１３】
基板は、無極性または半極性であってもよく、例えば、無極性または半極性素子を生じる。
【００１４】
ＭＤは、活性層内の歪みが、活性層の第１の方向に第１の歪みを有し、活性層の第２の方向に第２の歪みを有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００１５】
第１の方向は、面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であってもよく、第２の方向は、第１の方向（例えば、ｍ軸方向）に直角であってもよく、ＭＤは、第１の方向に沿っていてもよい。
【００１６】
下層が、基板上に成長させられ、下層の格子定数および歪みが、基板に対して部分的または完全に緩和され得、その結果、下層の格子定数が、基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろその自然値になり、下層の歪みがなくなる。
【００１７】
活性層は、ＡｌＩｎＧａＮのＱＷまたは多重量子井戸（ＭＱＷ）（例えば、無極性または半極性ＱＷ）であってもよい。例えば、下側にある層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであってもよく、活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備え得る。ＱＷは、ＱＷが、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するようなＩｎ組成および厚さを有し得る。
【００１８】
活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上のＱＷを備えることができ、ＭＤは、ＱＷによって発せられる光が、正味のＸ２分極を有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００１９】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造を製造する方法をさらに開示し、本方法は、基板上にＩＩＩ族窒化物下層を形成するステップであって、下側にある層の格子定数および歪みが、下層下のヘテロ界面でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向で基板に対して部分的および完全に緩和されるようになる、ステップと、下側にある層上にＩＩＩ族窒化物活性層を形成するステップであって、活性層内の異方性歪みが、下側にある層によって調節または制御されるようになる、ステップとを備える。
【００２０】
本方法は、下層と基板または下層下の層との間のヘテロ界面を形成することによって、ＭＤを形成するステップをさらに備え得、下層および基板、または下層および層は、それぞれ、異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有し、ミスフィット転位は、ヘテロ界面周辺に局所化され、それによって、活性層周辺の層内のミスフィット転位を排除する。
【００２１】
本方法は、下層を非コヒーレントに基板上に成長させることによって、下層を形成するステップと、活性層をコヒーレントに下層上に成長させることによって、活性層を形成するステップと、をさらに備え得る。下層下のさらなる層は、コヒーレントに基板上に成長させる別の下層であり得る。
【００２２】
異方性歪みは、例えば、下層のバンド構造が制御され、活性層のバンド構造が制御されるように、下層内の方向の関数として、下層の種々の程度の緩和によって調節され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
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、山口氏の研究［１］に使用された座標系を図示する。
【図２】図２は、（ａ）歪んでいないＱＷ、（ｂ）歪んだ厚いＧａＮ膜、および（ｃ）面内等方二軸性歪みを有する圧縮歪みＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示し、ゼロ度は、極性ｃ平面（０００１）配向に対応する一方で、９０度は、無極性ａ（１１−２０）およびｍ（１０−１０）平面配向に対応し、中間の角度は、半極性配向に対応する。
【図３】図３は、コヒーレントにＧａＮ基板上に成長させたＩｎＧａＮ ＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。
【図４】図４は、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させたＧａＮ／ＡｌＧａＮ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、ヘテロ界面の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５】図５（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含む全ての半極性（１１−２２）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５（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す［６］。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子（図４、および図５（ａ））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の超格子および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮも示し、超格子の中の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７】図７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８】図８（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８（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図９】図９（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９（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に対応する（１１−２２）ＧａＮ上に成長させたエピタキシャル構造の概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態による、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させた光学素子構造の概略断面図である。
【図１２】図１２は、図１１の光学素子における層の上面図である。
【図１３】図１３は、本発明による、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させた素子の（１０−１０）平面に沿う概略断面図である。
【図１４】図１４は、図１３の素子の（１１−２３）平面に沿う概略断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の方法を示す、フローチャートである。
【図１６】図１６は、山口氏による、ＡｌＩｎＧａＮの四元合金基板に配向された（１１−２２）上で（ａ）２ｎｍ、（ｂ）３ｎｍ、および（ｃ）１０ｎｍの厚さＩｎ０．３ＧａＮ ＱＷにおける最大光学マトリクス要素をもたらす、分極の合金組成依存性を示す［１］。
【図１７】図１７は、コヒーレントに成長させたエピタキシャル層を用いる素子を示す。
【図１８】図１８は、本発明に記載されるように、非コヒーレントに成長させたテンプレートを用いて成長させた素子を示す。
【図１９】図１９（ａ）は、ｍ平面のＬＤを図示し、ｍ軸方向、１１−２２軸方向、および発光の方向を示し、図１９（ｂ）は、半極性（１１−２３）のＬＤを図示し、１１−２３軸（ｃ投影）、１１−２２軸方向、および発光の方向を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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、および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。
【００２５】
（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）値であると仮定する。ＸがＹに対してコヒーレントでもなく、完全に緩和されない場合、部分的に緩和されたと考えられる。一部の場合、基板は、いくらかの残存歪みを有し得る。
【００２６】
したがって、部分的に緩和された場合、下層の格子定数は、その自然の値と完全に同じではない。さらに、時には、基板は微小歪みを有することもあるが、この歪みは極めて小さい。
【００２７】
ヘテロ界面での格子定数不整合によって生じるＭＤは、異なる合金組成を有するＡｌＩｎＧａＮ膜を用いて製造され得る。その効果は、ＭＤが、空間的にヘテロ界面の近辺に制限され、それによって、ＱＷ周辺の素子層内のＭＤを排除し、高度な素子性能を維持することができることである。
【００２８】
（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」割合を含む、全ての可能な組成を、本発明の広義の範囲内で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。
【００２９】
同様な様式において、ＡｌＧａＩｎＢＮは、本発明にも使用され得る。
【００３０】
（素子構造）
図４、５（ａ）、６（ａ）〜（ｃ）、７、８（ａ）、および９（ａ）は、ＭＤ４００が、半極性（１１−２２）窒化物ベースのエピタキシャル層４０４、４０６中のヘテロ界面４０２に存在するという発見を示すＴＥＭ画像である。この新発見において、ＭＤ４００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４０４、４０６の間のヘテロ界面周辺だけに制限された。言い換えれば、ヘテロ界面４０２に制限されたＭＤ４００を有するエピタキシャル層は、層４０４を通る、および成長方向に向かう（ヘテロ界面４０２に直角である）明らかな転位も有しなかった。これは、本発明が、元の基板４０６上に、緩和された格子定数を有する、転位のない合金テンプレートを得るための方法を提供することを示す。
【００３１】
ＭＤによって、面内方向（転位の線の方向に直角である）に沿った格子定数が緩和される。緩和は、直角な面内方向において生じなかった（すなわち、コヒーレンスが維持された）。
【００３２】
図４は、（１１−２２）ＧａＮ４０６上に成長させられたＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＳＬ４０４の下方部分の界面４０２の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、ヘテロ界面４０２のＭＤ４００を示す、ＴＥＭの明視野画像である。
【００３３】
図５（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含む全ての半極性（１１−２２）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５（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す［６］。
【００３４】
図６（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子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の超格子６００および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ６０２を示し、超格子６００の中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、超格子６００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６０４であり、（ｃ）は、ＱＷ６０４の下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ６０６である。
【００３５】
図７は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ７００と、ＳＬ７００上のｎ−ＧａＮ層７０２と、ｎ−ＧａＮ層７０２上のｎ−ＩｎＧａＮ層７０４と、ｎ−ＩｎＧａＮ層７０４上のＩｎＧａＮのＱＷ７０６と、ＱＷ７０６上のｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）７０８と、ＥＢＬ７０８上のｐ−ＩｎＧａＮ層７１０と、ｐ−ＩｎＧａＮ層７１０上のｐ−ＧａＮ層７１２と、ｐ−ＧａＮ層７１２上のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ７１４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７１８ａ〜ｄが付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印７２０が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤ７１６をさらに示す。
【００３６】
図８（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、図８（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３７】
図９（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤ９００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９（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３８】
図１０は、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子１０００のエピタキシャル構造を図示し、下側にある層１００６（層ＩＩまたはＢとも呼ばれる、例えば、５〜１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層）上に異方性歪みを有する１つ以上の活性層１００２、１００４（層Ｉまたは層Ａとも呼ばれる、例えば、３０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層）を備え、下側にある層１００６内の格子定数および歪みは、ＭＤ１００８の存在によって、少なくとも１つの方向に部分的または完全に緩和される。図１０において、下層１００６は、［１１−２３］方向に沿って緩和されるが、ｍ方向［１０−１０］に沿っては緩和されない。下層１００６は、下層１００６下のヘテロ界面１０１０でのＭＤ１００８によって緩和され得る。この効果は、活性層１００２、１００４の歪み（特に、歪み異方性）が、下側にある層１００６によって調節されることである。このような様式において、バンド構造、光学マトリクス要素、自発的発光の分極、および利得を、調節することができる。層Ｉ １００２、１００４の歪みは、部分的に放出することができ、全歪みは、層ＩＩ １００６を伴わない場合と比較して、層Ｉ１００２、１００４においてより小さくなり得る。歪みの量は、使用された実際の組成および緩和の程度に依存してもよい。一実施形態では、それは、歪みの約５０％まで可能であり得る。図１０の例では、層１００６は、標準的な再成長ＧａＮである層１０１２（または層ＩＩＩもしくはＣ）上に成長させられる。層ＩＩＩは、（１１−２２）ＧａＮ基板１０１４上に成長させられ、５〜１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１０１６、１０１８は、層１００２のいずれかの側面上に成長させられる。層１０１６は、ＱＷ間の障壁であり、層１０１８は、ｐ型層であり、層１００６は、ｎ型層である。
【００３９】
さらに具体的には、ＱＷ１００２、１００４（例えば、層Ａ）の歪み異方性は、ＱＷ１００２、１００４のバンド構造を任意に調節することができるように、局所化されたＭＤ１００８（図４、５（ａ）−（ｂ）、６（ａ）−（ｃ）、７、８（ａ）−（ｂ）、および９（ａ）−（ｂ）も参照）を有する部分的または完全に緩和された下側にある層１００６（層Ｂ）によって制御され得る。ε１１−２３（面内ｃ投影に沿った歪み）は、層Ａと層Ｂとの間の格子定数の差によって決定される。ε１０−１０（ｍ軸に沿った歪み）は、層Ａと層Ｃとの間の格子定数差によって決定される。［１１−２２］方向および［１１−２３］方向（面内ｃ投影に平行（｜｜））は、図１０の矢印によって示し、［１０−１０］方向（図の平面と直角であり、黒丸によって示される）も図１０に示す。
【００４０】
活性層Ａは、例えば、ＡｌＩｎＧａＮのＱＷまたはＭＱＷであってもよい。効果は、高放射再結合速度、高利得、およびＱＷ閉じ込め効果によるさらなるバンド構造調節である［１−３］。
【００４１】
別例では、層ＩＩは、ＩｎＡｌＧａＮ（０を超えるＩｎ組成）であり、層Ｉは、ＩｎＧａＮ（２０％を超えるＩｎ組成）である。この効果は、発光分極比が、青色、緑色、琥珀色ＬＥＤ／ＬＤにおいて制御することができるというものである。本発明は、このスペクトル領域の光学マトリクス要素および利得を修正することができる。
【００４２】
図１１は、Ｉｎ０．１ＧａＮ下層１１０４に配向された（１１−２２）上で、活性層としてＩｎ０．３ＧａＮのＱＷ１１０２を備える光学素子１１００（例えば、ＬＥＤまたはＬＤ）の例を示す。Ｉｎ０．１ＧａＮ下層１１０４は、「緩和される」と付された矢印の方向に緩和されるが、ｍ軸方向に沿って緩和されない（したがって、緩和は、１つの方向に生じる）。また、ＭＤ１１０６、［１１−２２］方向（［１１−２２］と付された矢印によって示される）、および［１１−２３］方向（面内ｃ投影方向に平行（｜｜）であり、［１１−２３］｛｜｜ 面内ｃ投影｝と付された矢印によって示される）も示す。
【００４３】
図１２は、図１１の下層１１０４（例えば、Ｉｎ０．１ＧａＮ、または１０％〜３０％の範囲内にＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ）の上面図である。ｍ軸方向、［１１−２３］方向、ＩｎＧａＮのｍ軸方向に沿った格子不整合（Δｍ）、ＩｎＧａＮの面内ｃ軸投影方向に沿った不整合（Δｃ）を全て、図１２の矢印によって示す。ｍ軸に沿った歪みεｍは、ＩｎＧａＮ下層のバンド構造の制御を可能にし、活性層のバンド構造（［１］、［２］、および［４］）に影響を及ぼす、面内ｃ軸投影に沿った歪みεｃよりも大きい。
【００４４】
図１３は、構造１３００のｍ平面（１０−１０）の断面であり、Ｉｎ０．１ＧａＮ層１３０４上に、活性層としてＩｎ０．３ＧａＮのＱＷ１３０２を備える。Ｉｎ０．１ＧａＮ層１３０４は、（１１−２２）ＧａＮ基板１３１２の上面（上面は、（１１−２２）半極性平面である）上にエプタキシャルに成長させたＩｎ０．３ＧａＮ下層１３０６上に成長させ、それによって、ＧａＮ基板１３０８とＩｎ０．３ＧａＮ下層１３０６との間に、ＭＤ１３１２を有するヘテロ界面１３１０を形成する。Ｉｎ０．３ＧａＮ下層１３０６は、面内ｃ投影［１１−２３］の方向に（［１１−２３］｛｜｜ 面内ｃ投影｝と付された矢印によって示される）緩和される（歪みがない）。Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．３ＧａＮ界面１３１４も、ＭＤを有する可能性がある。［１１−２２］方向も、［１１−２２］と付された矢印によって示される。
【００４５】
図１４は、図１３の構造の断面であるが、（１１−２３）平面に沿って、ＩＩＩ族窒化物のｍ軸の方向（［１０−１０］と付された矢印）を示す。Ｉｎ０．３ＧａＮを含むＩｎＧａＮ下層１３０６は、ｍ軸に沿って緩和されず、これは、ＭＤがないことによって証明された。この場合、歪みεｍは、Ｉｎ０．３ＧａＮ１３０６とＧａＮ１３０８との間の格子定数の差異によって生じ、ε１１−２３（またはεｃ）＝０およびεｍ＜０（すなわち、圧縮歪み）をもたらす。［１１−２２］方向も、［１１−２２］と付された矢印によって示される。
【００４６】
（プロセスステップ）
図１５は、本発明のエピタキシャル構造（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子構造）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。
【００４７】
ブロック１５００は、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高品質半極性ＧａＮ基板（ブロック１５０２）を提供することを表す。基板は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面等であるが、それらに限定されない他の配向も可能であるが、例えば、（１１−２２）基板等の半極性ＧａＮ基板であってもよい。バルクＡｌＩｎＧａＮ、高品質ＧａＮ基板、ｍ−サファイヤ、またはスピネル基板等であるが、それらに限定されない他の基板が、使用され得る。無極性基板も使用され得る。
【００４８】
ブロック１５０４は、基板上、例えば、基板の上面上（上面は、例えば、半極性平面であり得る）の１つ以上の層、下層、またはテンプレート層を形成する（例えば、成長または蒸着させる）ステップを表す。形成するステップは、基板上のテンプレートまたは下側にある層を非コヒーレントに成長させ、それによって、緩和された格子定数を有するテンプレート層を結果として生じるステップを備え得る。例えば、下層は、下側にある層の格子定数および歪みが、下層下のヘテロ界面１５０２でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向に基板に対して部分的または完全に緩和されるように、基板上に形成され得る。このようにして、下層の格子定数は、少なくとも１つの方向に、基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろその自然値になり、下層は、少なくとも１つの方向に歪みがなくなる。
【００４９】
ＭＤは、下層と基板または下層下の層との間のヘテロ界面によって生じ得、下層および基板、または下層および下層下の層は、それぞれ、異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有し、ＭＤは、ヘテロ界面周辺に局所化され、それによって、活性層周辺の層内のＭＤを排除する。
【００５０】
下層は、一般的に、第１の方向に沿って緩和されるが、第２の方向に沿って緩和されない。第１の方向は、下層の面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であってもよいが、第２の方向は、第１の方向（例えば、ｍ軸方向）に直角であってもよい。
【００５１】
ＭＤは、緩和される第１の方向に沿っている。ＭＤは、活性層内の歪みが、第１の方向に第１の歪みを有し、第２の方向に第２の歪みを有するように、異方性歪みを調整するように配置され得る。面内ｃ投影（Ｘ２）に平行である第１の方向に沿った、下層の第１の歪みは、第２の方向に沿っている下層の第２の歪みよりも、小さくてもよい。
【００５２】
したがって、異方性歪みは、下層内の方向の関数としての種々の程度の下層の緩和によって調節され得る。このようにして、下層および活性層のバンド構造（ならびに本開示を通して論じられるような他のパラメータ）はともに、例えば、制御され得る。
【００５３】
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。
【００５４】
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、両方向について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、ある方向につい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。
【００５５】
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［６］。
【００５６】
下層下のさらなる層は、コヒーレントに基板上に成長させる他の下層を含み得る。上記の層「下層」は、「下層」が格子定数の緩和を生じるため、基板とは異なる格子定数を有する「下層」上にコヒーレントに成長させられる。層の厚さが臨界厚さよりも小さい限り、この材料は、コヒーレントに成長させられる。
【００５７】
ブロック１５０６は、下側にある層またはテンプレート層上に素子構造（例えば、活性層）を成長させることを示す。活性層は、下層の上面上に蒸着させ得、下層の上面は、半極性平面である。素子構造は、テンプレート層上に転位を伴わずに成長させてもよい。活性層は、活性層内の異方性歪みが、下側にある層によって調節または制御されるように、下側にある層上に形成され得る。
【００５８】
下側にある層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであり得、活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備え得る。活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上のＱＷを備え得、ＭＤは、ＱＷによって発せられる光が、正味Ｘ２分極を有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００５９】
ＱＷは、ＱＷが、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するように、Ｉｎ組成および厚さを有し得る。ＱＷは、半極性または無極性ＱＷであってもよい。
【００６０】
活性層を形成するステップは、活性層を下層上にコヒーレントに成長させるステップを含み得る。
【００６１】
ブロック１５０８は、方法の最終結果を表し、光学素子等の素子のためのエピタキシャル構造には、ＭＤを有するヘテロ界面上、または部分的に緩和された、もしくは完全に緩和されたテンプレート層上に活性層を備える。ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造は、下側にある層上に形成された異方性歪みを有する活性層を備え得、下側にある層の格子定数および歪みは、活性層の異方性歪みが、下側にある層によって調節されるように、下層下のヘテロ界面でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向で基板に対して部分的または完全に緩和される。
【００６２】
構造は、例えば、一般的に、従来の分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）または有機金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させるが、他の蒸着方法も可能である。
【００６３】
素子構造は、例えば、光学素子または電子素子（例えば、トランジスタ）であってもよい。光電子／電子素子を製造するために、当技術分野におおいて周知であるような、他の層、接点、または要素を加えてもよい。
【００６４】
また、無極性基板上に無極性素子を製造してもよい。
【００６５】
（利点および改良点）
山口氏の論文［１］では、Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３の中で最強の要素は、ＩｎＧａＮまたは図１６に示されるように、別の四元基板（［１］から得られた）を用いることによって変更する。この場合、基板上でのコヒーレント成長が仮定された。
【００６６】
本発明は、ＱＷの歪みを調節し、バンド構造（すなわち、発光の分極、利得等）をさらに調節するために、１つの方向にコヒーレンスを切断することができる。別の観点から、本発明は、緩和された格子定数の合金ベースのテンプレート（基板）を達成する。
【００６７】
半極性（１１−２２）ＱＷのための歪みの緩和により、本発明は、（１）厚いＱＷを有するＸ２分極を容易に得ること（劈開されたｍ平面の面を有するｍ軸空洞ＬＤを製造することが可能である）、および（２）同じＩｎ組成を有するＬＤまたはＬＥＤからより長い波長の放出を得ること（すなわち、所与のＩｎ組成について、本発明は、本発明によって製造されない素子よりも光学素子からより長い波長の放出を得ることができる）が可能になる。本発明は、例えば、緑色光に対応する波長を放出するＬＤまたはＬＥＤを実現するためにはかなり有効である。
【００６８】
先行の技術［５］は、図１７に示されるように、ＧａＮ１７００およびＧａＮ１７００上に素子層１７０２（ＩｎＧａＮのＱＷ１７０４を含む）をコヒーレント１７０６に成長させる。コヒーレント成長において、（格子定数の）格子不整合Δは、歪み（例えば、ＩｎＧａＮの場合、圧縮歪み）を生じる。これは、ＩｎＧａＮ活性層（例えば、１７０４）内の大きな圧縮歪みεを生じる。言い換えれば、格子不整合Δ（Δは、ＧａＮ基板１７００の格子定数−ＩｎＧａＮのＱＷ１７０４の格子定数である）は、負であり、ＩｎＧａＮ層１７０４内の圧縮または圧縮歪みεに対応する）。上記の計算において、ＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Å、およびＧａＮの格子定数ｃ＝５．１８５Åが、使用され得る［５］。
【００６９】
本発明は、図１８に示されるように、先行の技術と比較して、より小さな圧縮歪みを達成し得る。図１８において、ＧａＮ基板１８００またはテンプレートは、コヒーレント１８０２に成長させ、テンプレートＡ（ＩｎＧａＮ１８０４等）は、ＧａＮ基板１８００またはテンプレート上に非コヒーレント１８０６に成長させる。素子層１８０８（ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０を含む）は、次いで、テンプレートＡ １８０４上にコヒーレント１８１２に成長させ得る。圧縮歪みは、図１７に示される場合よりも小さい。具体的には、ＭＤ１８１４を有する界面上の層Ａ１８０４において、ＭＤ線の方向と直角である方向１８１６に沿って格子定数が緩和される。格子不整合Δ’（Δ’は、テンプレート層１８０４の格子定数−ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０の格子定数である）は、図１７のΔよりも小さい。加えて、ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０内の歪みε’は、活性層１７０４内の歪みεよりも小さい。
【００７０】
上記の計算において、ＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Å、ＧａＮの格子定数ｃ＝５．１８５Å、ＩｎＮの格子定数ａ＝３．５４Å、およびＩｎＮの格子定数ｃ＝５．７０５Åが使用され得る［５］。
【００７１】
Δ’、Δε’、およびεは、緩和された方向１８１６に沿って計算される。
【００７２】
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。
【００７３】
図１８は、基板１８００の上面１８０６上に成長させたテンプレート層１８０４（上面１８０８は、半極性平面であってもよい）、およびテンプレートまたは下層１８０４の上面１８１０上に成長させた活性層１８１０（上面１８０８も半極性平面であってもよい）を示す。
【００７４】
本発明は、紫外線（ＵＶ）（例えば、緩和されたＡｌＧａＮ半極性テンプレートを使用することによって）、緑色、琥珀色、または赤色光を放出するＬＥＤまたはＬＤを製造するために使用され得る。本発明は、緑色または紫外線光を放出するＬＤには特に有用である。ＬＥＤまたはＬＤは、一般的に、素子が、活性層に放出する光の量子閉じ込めシュタルク効果を軽減する半極性配向で成長させられるような、（１１−２２）半極性平面（または他の半極性平面）、例えば、半極性ＧａＮに基づく。
【００７５】
さらに、通常、圧縮歪みは、高度な遷移エネルギーを引き起こし得る。したがって、本発明が本発明のテンプレートまたは下層上に成長させた高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ活性層に対して圧縮歪みを低減させる場合、同じ組成を有するより長い波長の放出を得られ得る。
【００７６】
図１９（ａ）は、ｍ平面鏡面を有する（１１−２２）の平面ＬＤを図示し、ｍ軸および１１−２２方向および発せられた光の方向１９００を示す。図１９（ｂ）は、（１１−２３）平面鏡面を有する半極性（１１−２２）のＬＤを図示し、１１−２３軸（ｃ投影）、１１−２２軸方向、および発せられた光の方向１９０２を示す。ｍ平面の面を有するＬＤにおいて、放出が、Ｘ２分極を伴う場合、（１１−２３）に沿った分極はさらに強力である。（１１−２３）の鏡面を有するＬＤにおいて、放出が、Ｘ１分極を伴う場合、（１−１００）に沿った分極はさらに強力である。
【００７７】
（１１−２２）平面のＬＤについては、劈開された面から発せられた光１９０２は、分極したＸ２であり、いくつかの光子（全てではない）は、Ｘ２分極を有する。高い分極比（Ｘ２を有する光子のＸ１を有する光子に対する比）が好ましい。本発明は、このような（１１−２２）平面のＬＤを製造することができる。
【００７８】
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に成長させてもよい。
【００７９】
本発明についてさらなる情報を［６−８］で見出し得る。
【００８０】
（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組み込まれる。
【００８１】
【表１】
（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束縛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、次の同時継続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６１／２３６，０５９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））、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６１／２３６，０５８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））。
【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による米国仮特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ，ｘｘｘ号（名称「ＳＥＭＩＰＯＬＡＲ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＤＥＶＩＣＥＳ ＯＮ ＰＡＲＴＩＡＬＬＹ ＯＲ ＦＵＬＬＹ ＲＥＬＡＸＥＤ ＡＬＬＯＹＳ ＷＩＴＨ ＭＩＳＦＩＴ ＤＩＳＬＯＣＡＴＩＯＮＳ ＡＴ ＴＨＥ ＨＥＴＥＲＯＩＮＴＥＲＦＡＣＥ」、本願と同日の出願、代理人整理番号３０７９４．３１７−ＵＳ−Ｕ１（２００９−７４２−２））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６１／２３６，０５８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））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、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびレーザダイオード（ＬＤ）等の、光学素子に関し、活性層内の歪みを調節するテンプレート上に成長させ、それによって、活性層のバンド構造および発せられた光の分極を調節する。
【背景技術】
【０００４】
（２．関連技術の記述）
（注：本願は、明細書の全体を通して示されるように、角括弧内の１つ以上の参照番号、例えば［ｘ］によって多数の異なる刊行物を参照する。これらの参照番号による順序で示されるこれらの異なる刊行物の一覧は、以下の「参考文献」という表題の項に見出すことができる。これらの刊行物のそれぞれは、参照することにより本明細書に組み込まれる。）
参照［１−３（非特許文献１−３）］では、量子井戸（ＱＷ）内の歪みの存在が、ＱＷのバンド構造（自発的発光の分極および利得）を調節可能であることが示された。これは、既知の現象である（例えば、［４（非特許文献４）］を参照）。一般に、六方晶ウルツ鉱型結晶構造を有する半極性の窒素物エピタキシャル層の歪みは、異なる格子パラメータのａおよびｃによる異方性（格子異方性）である。参照［５（非特許文献５）］は、以下の格子定数の値を報告する：ａ（ＡｌＮ）＝３．１１２オングストローム、ａ（ＧａＮ）＝３．１８９オングストローム、ａ（ＩｎＮ）＝３．５４オングストローム、ｃ（ＡｌＮ）＝４．９８２オングストローム、ｃ（ＧａＮ）＝５．１８５オングストローム、およびｃ（ＩｎＮ）＝５．７０５オングストローム。
【０００５】
しかしながら、この格子異方性は、考慮されるエピタキシャル層と考慮される層をコヒーレントに成長させる基板との間の格子定数の差異によって、自動的に決定される。したがって、本発明より前には、ＱＷ内の歪み異方性を制御する方法がなかった。
【０００６】
図１は、山口氏の研究［１（非特許文献１）］において使用された座標系を図示し、Ｘ２は、ｃ軸投影であり、θは、基板の配向を示す（例えば、θ＝０は、ｃ平面基板に対応する）。図２（ａ）〜（ｃ）は、歪んでいないＱＷ、歪んだ厚いＧａＮ膜、および面内等方二軸性歪みを有する圧縮歪みＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。薄いＱＷによる量子閉じ込め効果は、図２（ａ）に示されるように、Ｘ２に平行な発光の分極度を生じる。一方で、圧縮歪みは、図２（ｂ）に示されるように、Ｘ１に平行な発光の分極を生じる。図３は、ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎ０．３ＧａＮのＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。したがって、図２および３は、異なる歪み（例えば、異方性歪み）の状態によって生じる異なる発光の分極またはバンド構造を示す。図２および３に示されるこれらの計算において、格子定数の差異は、それぞれ、ａおよびｃ格子パラメータに対して、３．３％および３．０％であると仮定される。
【０００７】
したがって、歪み異方性が調節され得る場合、本発明に示されるように、ＬＥＤ／ＬＤにおける光学的特性は、高い自由度で変更させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ （ｃ）５，２３２９（２００８）
【非特許文献２】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９４，２０１１０４（２００９）
【非特許文献３】Ａ．Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４６，Ｌ７８９（２００７）
【非特許文献４】Ｓ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｐ１４９
【非特許文献５】Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｍｅｙｅｒ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４，３６７５（２００３）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光学／電子素子の半極性窒化物ベースの活性層内の異方性を制御する方法を提供する。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られている。本発明の発見に基づいて、ミスフィット転位（ＭＤ）は、素子層から離れて位置する領域／界面に制限され得る。したがって、本発明は、素子層内の歪み制御を可能にする一方で、高度の素子性能／効率を維持する。
【００１０】
先行技術における制限を克服するために、および本明細書の熟読および理解に応じて明白となるであろう他の制限を克服するために、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造は、ＩＩＩ族窒化物の下側にある層（本開示を通して下層とも呼ばれる）上に形成された異方性歪みを有するＩＩＩ族窒化物活性層を備え、下側にある層の格子定数および歪みは、活性層の異方性歪みが、下側にある層によって調節されるように、下層下のヘテロ界面におけるミスフィット転位の存在により、少なくとも１つの方向において基板に対して部分的または完全に緩和される。
【００１１】
下層は、一般的に、第１の方向に沿って緩和され、下層は、第１の方向に直角である第２の方向に沿っては緩和されない。
【００１２】
一実施形態では、基板は、半極性ＧａＮ基板であり、下層は、半極性平面であるＧａＮ基板の上面上に蒸着されるか、または成長させられ、下層は、下層の面内ｃ投影に平行である方向に沿って緩和され、下層は、下層のｍ軸方向に沿って緩和されず、活性層は、半極性平面である下層の上面上に蒸着または成長させられる。
【００１３】
基板は、無極性または半極性であってもよく、例えば、無極性または半極性素子を生じる。
【００１４】
ＭＤは、活性層内の歪みが、活性層の第１の方向に第１の歪みを有し、活性層の第２の方向に第２の歪みを有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００１５】
第１の方向は、面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であってもよく、第２の方向は、第１の方向（例えば、ｍ軸方向）に直角であってもよく、ＭＤは、第１の方向に沿っていてもよい。
【００１６】
下層が、基板上に成長させられ、下層の格子定数および歪みが、基板に対して部分的または完全に緩和され得、その結果、下層の格子定数が、基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろその自然値になり、下層の歪みがなくなる。
【００１７】
活性層は、ＡｌＩｎＧａＮのＱＷまたは多重量子井戸（ＭＱＷ）（例えば、無極性または半極性ＱＷ）であってもよい。例えば、下側にある層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであってもよく、活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備え得る。ＱＷは、ＱＷが、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するようなＩｎ組成および厚さを有し得る。
【００１８】
活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上のＱＷを備えることができ、ＭＤは、ＱＷによって発せられる光が、正味のＸ２分極を有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００１９】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造を製造する方法をさらに開示し、本方法は、基板上にＩＩＩ族窒化物下層を形成するステップであって、下側にある層の格子定数および歪みが、下層下のヘテロ界面でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向で基板に対して部分的および完全に緩和されるようになる、ステップと、下側にある層上にＩＩＩ族窒化物活性層を形成するステップであって、活性層内の異方性歪みが、下側にある層によって調節または制御されるようになる、ステップとを備える。
【００２０】
本方法は、下層と基板または下層下の層との間のヘテロ界面を形成することによって、ＭＤを形成するステップをさらに備え得、下層および基板、または下層および層は、それぞれ、異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有し、ミスフィット転位は、ヘテロ界面周辺に局所化され、それによって、活性層周辺の層内のミスフィット転位を排除する。
【００２１】
本方法は、下層を非コヒーレントに基板上に成長させることによって、下層を形成するステップと、活性層をコヒーレントに下層上に成長させることによって、活性層を形成するステップと、をさらに備え得る。下層下のさらなる層は、コヒーレントに基板上に成長させる別の下層であり得る。
【００２２】
異方性歪みは、例えば、下層のバンド構造が制御され、活性層のバンド構造が制御されるように、下層内の方向の関数として、下層の種々の程度の緩和によって調節され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
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、山口氏の研究［１］に使用された座標系を図示する。
【図２】図２は、（ａ）歪んでいないＱＷ、（ｂ）歪んだ厚いＧａＮ膜、および（ｃ）面内等方二軸性歪みを有する圧縮歪みＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示し、ゼロ度は、極性ｃ平面（０００１）配向に対応する一方で、９０度は、無極性ａ（１１−２０）およびｍ（１０−１０）平面配向に対応し、中間の角度は、半極性配向に対応する。
【図３】図３は、コヒーレントにＧａＮ基板上に成長させたＩｎＧａＮ ＱＷの面内発光の分極度の基板配向依存性を示す。
【図４】図４は、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させたＧａＮ／ＡｌＧａＮ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、ヘテロ界面の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５】図５（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含む全ての半極性（１１−２２）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５（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す［６］。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子（図４、および図５（ａ））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の超格子および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮも示し、超格子の中の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７】図７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８】図８（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８（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図９】図９（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９（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態に対応する（１１−２２）ＧａＮ上に成長させたエピタキシャル構造の概略断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態による、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させた光学素子構造の概略断面図である。
【図１２】図１２は、図１１の光学素子における層の上面図である。
【図１３】図１３は、本発明による、（１１−２２）ＧａＮ上に成長させた素子の（１０−１０）平面に沿う概略断面図である。
【図１４】図１４は、図１３の素子の（１１−２３）平面に沿う概略断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の方法を示す、フローチャートである。
【図１６】図１６は、山口氏による、ＡｌＩｎＧａＮの四元合金基板に配向された（１１−２２）上で（ａ）２ｎｍ、（ｂ）３ｎｍ、および（ｃ）１０ｎｍの厚さＩｎ０．３ＧａＮ ＱＷにおける最大光学マトリクス要素をもたらす、分極の合金組成依存性を示す［１］。
【図１７】図１７は、コヒーレントに成長させたエピタキシャル層を用いる素子を示す。
【図１８】図１８は、本発明に記載されるように、非コヒーレントに成長させたテンプレートを用いて成長させた素子を示す。
【図１９】図１９（ａ）は、ｍ平面のＬＤを図示し、ｍ軸方向、１１−２２軸方向、および発光の方向を示し、図１９（ｂ）は、半極性（１１−２３）のＬＤを図示し、１１−２３軸（ｃ投影）、１１−２２軸方向、および発光の方向を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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、および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。
【００２５】
（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）値であると仮定する。ＸがＹに対してコヒーレントでもなく、完全に緩和されない場合、部分的に緩和されたと考えられる。一部の場合、基板は、いくらかの残存歪みを有し得る。
【００２６】
したがって、部分的に緩和された場合、下層の格子定数は、その自然の値と完全に同じではない。さらに、時には、基板は微小歪みを有することもあるが、この歪みは極めて小さい。
【００２７】
ヘテロ界面での格子定数不整合によって生じるＭＤは、異なる合金組成を有するＡｌＩｎＧａＮ膜を用いて製造され得る。その効果は、ＭＤが、空間的にヘテロ界面の近辺に制限され、それによって、ＱＷ周辺の素子層内のＭＤを排除し、高度な素子性能を維持することができることである。
【００２８】
（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」割合を含む、全ての可能な組成を、本発明の広義の範囲内で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。
【００２９】
同様な様式において、ＡｌＧａＩｎＢＮは、本発明にも使用され得る。
【００３０】
（素子構造）
図４、５（ａ）、６（ａ）〜（ｃ）、７、８（ａ）、および９（ａ）は、ＭＤ４００が、半極性（１１−２２）窒化物ベースのエピタキシャル層４０４、４０６中のヘテロ界面４０２に存在するという発見を示すＴＥＭ画像である。この新発見において、ＭＤ４００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４０４、４０６の間のヘテロ界面周辺だけに制限された。言い換えれば、ヘテロ界面４０２に制限されたＭＤ４００を有するエピタキシャル層は、層４０４を通る、および成長方向に向かう（ヘテロ界面４０２に直角である）明らかな転位も有しなかった。これは、本発明が、元の基板４０６上に、緩和された格子定数を有する、転位のない合金テンプレートを得るための方法を提供することを示す。
【００３１】
ＭＤによって、面内方向（転位の線の方向に直角である）に沿った格子定数が緩和される。緩和は、直角な面内方向において生じなかった（すなわち、コヒーレンスが維持された）。
【００３２】
図４は、（１１−２２）ＧａＮ４０６上に成長させられたＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＳＬ４０４の下方部分の界面４０２の周辺でｇ＝０１−１０の回折条件で撮影した、ヘテロ界面４０２のＭＤ４００を示す、ＴＥＭの明視野画像である。
【００３３】
図５（ａ）は、［１−１００］晶帯軸周辺のＴＥＭ画像であり、ＳＬを含む全ての半極性（１１−２２）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５（ｂ）は、対応する電子ビーム回折パターン（ＤＰ）を表す［６］。
【００３４】
図６（ａ）〜（ｃ）は、前述の素子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の超格子６００および厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ６０２を示し、超格子６００の中のｐ−ＡｌＧａＮは厚さ３ｎｍであり、超格子６００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６０４であり、（ｃ）は、ＱＷ６０４の下側のｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ６０６である。
【００３５】
図７は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ７００と、ＳＬ７００上のｎ−ＧａＮ層７０２と、ｎ−ＧａＮ層７０２上のｎ−ＩｎＧａＮ層７０４と、ｎ−ＩｎＧａＮ層７０４上のＩｎＧａＮのＱＷ７０６と、ＱＷ７０６上のｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）７０８と、ＥＢＬ７０８上のｐ−ＩｎＧａＮ層７１０と、ｐ−ＩｎＧａＮ層７１０上のｐ−ＧａＮ層７１２と、ｐ−ＧａＮ層７１２上のｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＳＬ７１４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７１８ａ〜ｄが付されたヘテロ界面で主に生成され、破線矢印７２０が付された層の中にわずかに見出される、ＭＤ７１６をさらに示す。
【００３６】
図８（ａ）は、晶帯軸［２−１−１０］から撮影したＴＥＭ画像であり、図８（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３７】
図９（ａ）は、ｇ＝０１−１０で撮影したＴＥＭ明視野画像であり、ＭＤ９００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９（ｂ）は、対応する電子ビームＤＰを表す。
【００３８】
図１０は、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子１０００のエピタキシャル構造を図示し、下側にある層１００６（層ＩＩまたはＢとも呼ばれる、例えば、５〜１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層）上に異方性歪みを有する１つ以上の活性層１００２、１００４（層Ｉまたは層Ａとも呼ばれる、例えば、３０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層）を備え、下側にある層１００６内の格子定数および歪みは、ＭＤ１００８の存在によって、少なくとも１つの方向に部分的または完全に緩和される。図１０において、下層１００６は、［１１−２３］方向に沿って緩和されるが、ｍ方向［１０−１０］に沿っては緩和されない。下層１００６は、下層１００６下のヘテロ界面１０１０でのＭＤ１００８によって緩和され得る。この効果は、活性層１００２、１００４の歪み（特に、歪み異方性）が、下側にある層１００６によって調節されることである。このような様式において、バンド構造、光学マトリクス要素、自発的発光の分極、および利得を、調節することができる。層Ｉ １００２、１００４の歪みは、部分的に放出することができ、全歪みは、層ＩＩ １００６を伴わない場合と比較して、層Ｉ１００２、１００４においてより小さくなり得る。歪みの量は、使用された実際の組成および緩和の程度に依存してもよい。一実施形態では、それは、歪みの約５０％まで可能であり得る。図１０の例では、層１００６は、標準的な再成長ＧａＮである層１０１２（または層ＩＩＩもしくはＣ）上に成長させられる。層ＩＩＩは、（１１−２２）ＧａＮ基板１０１４上に成長させられ、５〜１０％のＩｎを有するＩｎＧａＮ層１０１６、１０１８は、層１００２のいずれかの側面上に成長させられる。層１０１６は、ＱＷ間の障壁であり、層１０１８は、ｐ型層であり、層１００６は、ｎ型層である。
【００３９】
さらに具体的には、ＱＷ１００２、１００４（例えば、層Ａ）の歪み異方性は、ＱＷ１００２、１００４のバンド構造を任意に調節することができるように、局所化されたＭＤ１００８（図４、５（ａ）−（ｂ）、６（ａ）−（ｃ）、７、８（ａ）−（ｂ）、および９（ａ）−（ｂ）も参照）を有する部分的または完全に緩和された下側にある層１００６（層Ｂ）によって制御され得る。ε１１−２３（面内ｃ投影に沿った歪み）は、層Ａと層Ｂとの間の格子定数の差によって決定される。ε１０−１０（ｍ軸に沿った歪み）は、層Ａと層Ｃとの間の格子定数差によって決定される。［１１−２２］方向および［１１−２３］方向（面内ｃ投影に平行（｜｜））は、図１０の矢印によって示し、［１０−１０］方向（図の平面と直角であり、黒丸によって示される）も図１０に示す。
【００４０】
活性層Ａは、例えば、ＡｌＩｎＧａＮのＱＷまたはＭＱＷであってもよい。効果は、高放射再結合速度、高利得、およびＱＷ閉じ込め効果によるさらなるバンド構造調節である［１−３］。
【００４１】
別例では、層ＩＩは、ＩｎＡｌＧａＮ（０を超えるＩｎ組成）であり、層Ｉは、ＩｎＧａＮ（２０％を超えるＩｎ組成）である。この効果は、発光分極比が、青色、緑色、琥珀色ＬＥＤ／ＬＤにおいて制御することができるというものである。本発明は、このスペクトル領域の光学マトリクス要素および利得を修正することができる。
【００４２】
図１１は、Ｉｎ０．１ＧａＮ下層１１０４に配向された（１１−２２）上で、活性層としてＩｎ０．３ＧａＮのＱＷ１１０２を備える光学素子１１００（例えば、ＬＥＤまたはＬＤ）の例を示す。Ｉｎ０．１ＧａＮ下層１１０４は、「緩和される」と付された矢印の方向に緩和されるが、ｍ軸方向に沿って緩和されない（したがって、緩和は、１つの方向に生じる）。また、ＭＤ１１０６、［１１−２２］方向（［１１−２２］と付された矢印によって示される）、および［１１−２３］方向（面内ｃ投影方向に平行（｜｜）であり、［１１−２３］｛｜｜ 面内ｃ投影｝と付された矢印によって示される）も示す。
【００４３】
図１２は、図１１の下層１１０４（例えば、Ｉｎ０．１ＧａＮ、または１０％〜３０％の範囲内にＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ）の上面図である。ｍ軸方向、［１１−２３］方向、ＩｎＧａＮのｍ軸方向に沿った格子不整合（Δｍ）、ＩｎＧａＮの面内ｃ軸投影方向に沿った不整合（Δｃ）を全て、図１２の矢印によって示す。ｍ軸に沿った歪みεｍは、ＩｎＧａＮ下層のバンド構造の制御を可能にし、活性層のバンド構造（［１］、［２］、および［４］）に影響を及ぼす、面内ｃ軸投影に沿った歪みεｃよりも大きい。
【００４４】
図１３は、構造１３００のｍ平面（１０−１０）の断面であり、Ｉｎ０．１ＧａＮ層１３０４上に、活性層としてＩｎ０．３ＧａＮのＱＷ１３０２を備える。Ｉｎ０．１ＧａＮ層１３０４は、（１１−２２）ＧａＮ基板１３１２の上面（上面は、（１１−２２）半極性平面である）上にエプタキシャルに成長させたＩｎ０．３ＧａＮ下層１３０６上に成長させ、それによって、ＧａＮ基板１３０８とＩｎ０．３ＧａＮ下層１３０６との間に、ＭＤ１３１２を有するヘテロ界面１３１０を形成する。Ｉｎ０．３ＧａＮ下層１３０６は、面内ｃ投影［１１−２３］の方向に（［１１−２３］｛｜｜ 面内ｃ投影｝と付された矢印によって示される）緩和される（歪みがない）。Ｉｎ０．１ＧａＮ／Ｉｎ０．３ＧａＮ界面１３１４も、ＭＤを有する可能性がある。［１１−２２］方向も、［１１−２２］と付された矢印によって示される。
【００４５】
図１４は、図１３の構造の断面であるが、（１１−２３）平面に沿って、ＩＩＩ族窒化物のｍ軸の方向（［１０−１０］と付された矢印）を示す。Ｉｎ０．３ＧａＮを含むＩｎＧａＮ下層１３０６は、ｍ軸に沿って緩和されず、これは、ＭＤがないことによって証明された。この場合、歪みεｍは、Ｉｎ０．３ＧａＮ１３０６とＧａＮ１３０８との間の格子定数の差異によって生じ、ε１１−２３（またはεｃ）＝０およびεｍ＜０（すなわち、圧縮歪み）をもたらす。［１１−２２］方向も、［１１−２２］と付された矢印によって示される。
【００４６】
（プロセスステップ）
図１５は、本発明のエピタキシャル構造（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子構造）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。
【００４７】
ブロック１５００は、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高品質半極性ＧａＮ基板（ブロック１５０２）を提供することを表す。基板は、（１１−２２）、（１０−１−１）、または（１０−１−３）平面等であるが、それらに限定されない他の配向も可能であるが、例えば、（１１−２２）基板等の半極性ＧａＮ基板であってもよい。バルクＡｌＩｎＧａＮ、高品質ＧａＮ基板、ｍ−サファイヤ、またはスピネル基板等であるが、それらに限定されない他の基板が、使用され得る。無極性基板も使用され得る。
【００４８】
ブロック１５０４は、基板上、例えば、基板の上面上（上面は、例えば、半極性平面であり得る）の１つ以上の層、下層、またはテンプレート層を形成する（例えば、成長または蒸着させる）ステップを表す。形成するステップは、基板上のテンプレートまたは下側にある層を非コヒーレントに成長させ、それによって、緩和された格子定数を有するテンプレート層を結果として生じるステップを備え得る。例えば、下層は、下側にある層の格子定数および歪みが、下層下のヘテロ界面１５０２でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向に基板に対して部分的または完全に緩和されるように、基板上に形成され得る。このようにして、下層の格子定数は、少なくとも１つの方向に、基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろその自然値になり、下層は、少なくとも１つの方向に歪みがなくなる。
【００４９】
ＭＤは、下層と基板または下層下の層との間のヘテロ界面によって生じ得、下層および基板、または下層および下層下の層は、それぞれ、異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有し、ＭＤは、ヘテロ界面周辺に局所化され、それによって、活性層周辺の層内のＭＤを排除する。
【００５０】
下層は、一般的に、第１の方向に沿って緩和されるが、第２の方向に沿って緩和されない。第１の方向は、下層の面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であってもよいが、第２の方向は、第１の方向（例えば、ｍ軸方向）に直角であってもよい。
【００５１】
ＭＤは、緩和される第１の方向に沿っている。ＭＤは、活性層内の歪みが、第１の方向に第１の歪みを有し、第２の方向に第２の歪みを有するように、異方性歪みを調整するように配置され得る。面内ｃ投影（Ｘ２）に平行である第１の方向に沿った、下層の第１の歪みは、第２の方向に沿っている下層の第２の歪みよりも、小さくてもよい。
【００５２】
したがって、異方性歪みは、下層内の方向の関数としての種々の程度の下層の緩和によって調節され得る。このようにして、下層および活性層のバンド構造（ならびに本開示を通して論じられるような他のパラメータ）はともに、例えば、制御され得る。
【００５３】
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。
【００５４】
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、両方向について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、ある方向につい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。
【００５５】
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［６］。
【００５６】
下層下のさらなる層は、コヒーレントに基板上に成長させる他の下層を含み得る。上記の層「下層」は、「下層」が格子定数の緩和を生じるため、基板とは異なる格子定数を有する「下層」上にコヒーレントに成長させられる。層の厚さが臨界厚さよりも小さい限り、この材料は、コヒーレントに成長させられる。
【００５７】
ブロック１５０６は、下側にある層またはテンプレート層上に素子構造（例えば、活性層）を成長させることを示す。活性層は、下層の上面上に蒸着させ得、下層の上面は、半極性平面である。素子構造は、テンプレート層上に転位を伴わずに成長させてもよい。活性層は、活性層内の異方性歪みが、下側にある層によって調節または制御されるように、下側にある層上に形成され得る。
【００５８】
下側にある層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであり得、活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備え得る。活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上のＱＷを備え得、ＭＤは、ＱＷによって発せられる光が、正味Ｘ２分極を有するように、異方性歪みを調節するように配置され得る。
【００５９】
ＱＷは、ＱＷが、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するように、Ｉｎ組成および厚さを有し得る。ＱＷは、半極性または無極性ＱＷであってもよい。
【００６０】
活性層を形成するステップは、活性層を下層上にコヒーレントに成長させるステップを含み得る。
【００６１】
ブロック１５０８は、方法の最終結果を表し、光学素子等の素子のためのエピタキシャル構造には、ＭＤを有するヘテロ界面上、または部分的に緩和された、もしくは完全に緩和されたテンプレート層上に活性層を備える。ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造は、下側にある層上に形成された異方性歪みを有する活性層を備え得、下側にある層の格子定数および歪みは、活性層の異方性歪みが、下側にある層によって調節されるように、下層下のヘテロ界面でのＭＤの存在により、少なくとも１つの方向で基板に対して部分的または完全に緩和される。
【００６２】
構造は、例えば、一般的に、従来の分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）または有機金属蒸着（ＭＯＣＶＤ）を用いて成長させるが、他の蒸着方法も可能である。
【００６３】
素子構造は、例えば、光学素子または電子素子（例えば、トランジスタ）であってもよい。光電子／電子素子を製造するために、当技術分野におおいて周知であるような、他の層、接点、または要素を加えてもよい。
【００６４】
また、無極性基板上に無極性素子を製造してもよい。
【００６５】
（利点および改良点）
山口氏の論文［１］では、Ｘ１、Ｘ２、およびＸ３の中で最強の要素は、ＩｎＧａＮまたは図１６に示されるように、別の四元基板（［１］から得られた）を用いることによって変更する。この場合、基板上でのコヒーレント成長が仮定された。
【００６６】
本発明は、ＱＷの歪みを調節し、バンド構造（すなわち、発光の分極、利得等）をさらに調節するために、１つの方向にコヒーレンスを切断することができる。別の観点から、本発明は、緩和された格子定数の合金ベースのテンプレート（基板）を達成する。
【００６７】
半極性（１１−２２）ＱＷのための歪みの緩和により、本発明は、（１）厚いＱＷを有するＸ２分極を容易に得ること（劈開されたｍ平面の面を有するｍ軸空洞ＬＤを製造することが可能である）、および（２）同じＩｎ組成を有するＬＤまたはＬＥＤからより長い波長の放出を得ること（すなわち、所与のＩｎ組成について、本発明は、本発明によって製造されない素子よりも光学素子からより長い波長の放出を得ることができる）が可能になる。本発明は、例えば、緑色光に対応する波長を放出するＬＤまたはＬＥＤを実現するためにはかなり有効である。
【００６８】
先行の技術［５］は、図１７に示されるように、ＧａＮ１７００およびＧａＮ１７００上に素子層１７０２（ＩｎＧａＮのＱＷ１７０４を含む）をコヒーレント１７０６に成長させる。コヒーレント成長において、（格子定数の）格子不整合Δは、歪み（例えば、ＩｎＧａＮの場合、圧縮歪み）を生じる。これは、ＩｎＧａＮ活性層（例えば、１７０４）内の大きな圧縮歪みεを生じる。言い換えれば、格子不整合Δ（Δは、ＧａＮ基板１７００の格子定数−ＩｎＧａＮのＱＷ１７０４の格子定数である）は、負であり、ＩｎＧａＮ層１７０４内の圧縮または圧縮歪みεに対応する）。上記の計算において、ＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Å、およびＧａＮの格子定数ｃ＝５．１８５Åが、使用され得る［５］。
【００６９】
本発明は、図１８に示されるように、先行の技術と比較して、より小さな圧縮歪みを達成し得る。図１８において、ＧａＮ基板１８００またはテンプレートは、コヒーレント１８０２に成長させ、テンプレートＡ（ＩｎＧａＮ１８０４等）は、ＧａＮ基板１８００またはテンプレート上に非コヒーレント１８０６に成長させる。素子層１８０８（ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０を含む）は、次いで、テンプレートＡ １８０４上にコヒーレント１８１２に成長させ得る。圧縮歪みは、図１７に示される場合よりも小さい。具体的には、ＭＤ１８１４を有する界面上の層Ａ１８０４において、ＭＤ線の方向と直角である方向１８１６に沿って格子定数が緩和される。格子不整合Δ’（Δ’は、テンプレート層１８０４の格子定数−ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０の格子定数である）は、図１７のΔよりも小さい。加えて、ＩｎＧａＮのＱＷ１８１０内の歪みε’は、活性層１７０４内の歪みεよりも小さい。
【００７０】
上記の計算において、ＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Å、ＧａＮの格子定数ｃ＝５．１８５Å、ＩｎＮの格子定数ａ＝３．５４Å、およびＩｎＮの格子定数ｃ＝５．７０５Åが使用され得る［５］。
【００７１】
Δ’、Δε’、およびεは、緩和された方向１８１６に沿って計算される。
【００７２】
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。
【００７３】
図１８は、基板１８００の上面１８０６上に成長させたテンプレート層１８０４（上面１８０８は、半極性平面であってもよい）、およびテンプレートまたは下層１８０４の上面１８１０上に成長させた活性層１８１０（上面１８０８も半極性平面であってもよい）を示す。
【００７４】
本発明は、紫外線（ＵＶ）（例えば、緩和されたＡｌＧａＮ半極性テンプレートを使用することによって）、緑色、琥珀色、または赤色光を放出するＬＥＤまたはＬＤを製造するために使用され得る。本発明は、緑色または紫外線光を放出するＬＤには特に有用である。ＬＥＤまたはＬＤは、一般的に、素子が、活性層に放出する光の量子閉じ込めシュタルク効果を軽減する半極性配向で成長させられるような、（１１−２２）半極性平面（または他の半極性平面）、例えば、半極性ＧａＮに基づく。
【００７５】
さらに、通常、圧縮歪みは、高度な遷移エネルギーを引き起こし得る。したがって、本発明が本発明のテンプレートまたは下層上に成長させた高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ活性層に対して圧縮歪みを低減させる場合、同じ組成を有するより長い波長の放出を得られ得る。
【００７６】
図１９（ａ）は、ｍ平面鏡面を有する（１１−２２）の平面ＬＤを図示し、ｍ軸および１１−２２方向および発せられた光の方向１９００を示す。図１９（ｂ）は、（１１−２３）平面鏡面を有する半極性（１１−２２）のＬＤを図示し、１１−２３軸（ｃ投影）、１１−２２軸方向、および発せられた光の方向１９０２を示す。ｍ平面の面を有するＬＤにおいて、放出が、Ｘ２分極を伴う場合、（１１−２３）に沿った分極はさらに強力である。（１１−２３）の鏡面を有するＬＤにおいて、放出が、Ｘ１分極を伴う場合、（１−１００）に沿った分極はさらに強力である。
【００７７】
（１１−２２）平面のＬＤについては、劈開された面から発せられた光１９０２は、分極したＸ２であり、いくつかの光子（全てではない）は、Ｘ２分極を有する。高い分極比（Ｘ２を有する光子のＸ１を有する光子に対する比）が好ましい。本発明は、このような（１１−２２）平面のＬＤを製造することができる。
【００７８】
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に成長させてもよい。
【００７９】
本発明についてさらなる情報を［６−８］で見出し得る。
【００８０】
（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組み込まれる。
【００８１】
【表１】
（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束縛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】
ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造であって、
ＩＩＩ族窒化物下層上に形成された異方性歪みを有するＩＩＩ族窒化物活性層を備え、該下層の格子定数および歪みは、該下層下のヘテロ界面におけるミスフィット転位の存在に起因して、少なくとも１つの方向に基板に対して部分的または完全に緩和され、それにより、該活性層の該異方性歪みが、該下層によって調節される、エピタキシャル構造。
【請求項２】
前記基板は、半極性ＧａＮ基板であり、前記下層は、半極性平面である該ＧａＮ基板の上面上に蒸着され、該下層は、該下層の面内ｃ投影に平行である方向に沿って緩和され、該下層は、該下層のｍ軸方向に沿っては緩和されず、前記活性層は、半極性平面である該下層の上面上に蒸着される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項３】
前記ミスフィット転位は、前記異方性歪みを調節するように配置され、それにより、前記活性層内の歪みが、該活性層の第１の方向に第１の歪みを有し、該活性層の第２の方向に第２の歪みを有する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項４】
前記下層は、前記第１の方向に沿って緩和され、該下層は、前記第２の方向に沿っては緩和されない、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の方向は、面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であり、前記第２の方向は、該第１の方向に直角であり、前記ミスフィット転位は、該第１の方向に沿っている、請求項４に記載のエピタキシャル構造。
【請求項６】
前記下層は、前記基板上に成長させられ、該下層の前記格子定数および歪みは、該基板に対して部分的または完全に緩和され、それにより、該下層の該格子定数は、該基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろそれの自然の値になり、該下層は歪みがなくなる、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項７】
前記活性層は、ＡｌＩｎＧａＮ量子井戸または多重量子井戸である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項８】
前記下層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであり、前記活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備える、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項９】
活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上の量子井戸を備え、前記ミスフィット転位が、前記異方性歪みを調節するように配置されることにより、該量子井戸によって発せられる光が、正味のＸ２分極を有する、請求項８に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１０】
前記量子井戸は、前記量子井戸が、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するようなＩｎ組成および厚さを有する、請求項９に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１１】
前記量子井戸は、半極性または無極性量子井戸である、請求項９に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１２】
前記下層は、基板上にコヒーレントに成長させられない、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１３】
前記ミスフィット転位が、前記下層と前記基板または該下層下の層との間のヘテロ界面によって生じさせられ、各々は異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有しており、該ミスフィット転位は、ヘテロ界面周辺に局所化され、それにより、前記活性層周辺の層内の前記ミスフィット転位を排除する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１４】
前記下層下の前記層は、前記基板上にコヒーレントに成長させられる別の下層である、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１５】
前記基板は、無極性または半極性である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１６】
ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造を製造する方法であって、
基板上にＩＩＩ族窒化物下層を形成することであって、それにより、該下層内の格子定数および歪みが、該下層下のヘテロ界面でのミスフィット転位の存在に起因して、少なくとも１つの方向において該基板に対して部分的または完全に緩和される、ことと、
該下層上にＩＩＩ族窒化物活性層を形成することであって、それにより、該活性層の異方性歪みが、該下層によって調節または制御される、ことと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記下層と前記基板または該下層下の層との間のヘテロ界面を形成することによって、前記ミスフィット転位を形成することをさらに含み、該下層および該基板または該下層および該層は、各々異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有しており、該ミスフィット転位は、該ヘテロ界面周辺に局所化され、それにより、前記活性層周辺の層内の前記ミスフィット転位を排除する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記下層を形成する前記ことは、該下層を非コヒーレントに前記基板上に成長させることによるものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記活性層を形成する前記ことは、該活性層をコヒーレントに該下層上に成長させることによるものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記下層は、該下層が第１の方向に沿って緩和され、該下層が第２の方向に沿って緩和されないように、前記基板上に形成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記異方性歪みが、前記下層内の方向の関数としての該下層の種々の程度の緩和によって調節され、それにより、該下層のバンド構造が制御され、前記活性層のバンド構造が制御される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造であって、
ＩＩＩ族窒化物下層上に形成された異方性歪みを有するＩＩＩ族窒化物活性層を備え、該下層の格子定数および歪みは、該下層下のヘテロ界面におけるミスフィット転位の存在に起因して、少なくとも１つの方向に基板に対して部分的または完全に緩和され、それにより、該活性層の該異方性歪みが、該下層によって調節される、エピタキシャル構造。
【請求項２】
前記基板は、半極性ＧａＮ基板であり、前記下層は、半極性平面である該ＧａＮ基板の上面上に蒸着され、該下層は、該下層の面内ｃ投影に平行である方向に沿って緩和され、該下層は、該下層のｍ軸方向に沿っては緩和されず、前記活性層は、半極性平面である該下層の上面上に蒸着される、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項３】
前記ミスフィット転位は、前記異方性歪みを調節するように配置され、それにより、前記活性層内の歪みが、該活性層の第１の方向に第１の歪みを有し、該活性層の第２の方向に第２の歪みを有する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項４】
前記下層は、前記第１の方向に沿って緩和され、該下層は、前記第２の方向に沿っては緩和されない、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の方向は、面内ｃ投影（Ｘ２）に平行であり、前記第２の方向は、該第１の方向に直角であり、前記ミスフィット転位は、該第１の方向に沿っている、請求項４に記載のエピタキシャル構造。
【請求項６】
前記下層は、前記基板上に成長させられ、該下層の前記格子定数および歪みは、該基板に対して部分的または完全に緩和され、それにより、該下層の該格子定数は、該基板の格子定数と同じ値に拘束されるのではなく、むしろそれの自然の値になり、該下層は歪みがなくなる、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項７】
前記活性層は、ＡｌＩｎＧａＮ量子井戸または多重量子井戸である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項８】
前記下層は、０を超えるＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮであり、前記活性層は、２０％を超えるＩｎ組成を有するＩｎＧａＮを備える、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項９】
活性層は、３ナノメートルを超える厚さを有する１つ以上の量子井戸を備え、前記ミスフィット転位が、前記異方性歪みを調節するように配置されることにより、該量子井戸によって発せられる光が、正味のＸ２分極を有する、請求項８に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１０】
前記量子井戸は、前記量子井戸が、緑色スペクトル領域においてピーク波長を有する光を放出するようなＩｎ組成および厚さを有する、請求項９に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１１】
前記量子井戸は、半極性または無極性量子井戸である、請求項９に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１２】
前記下層は、基板上にコヒーレントに成長させられない、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１３】
前記ミスフィット転位が、前記下層と前記基板または該下層下の層との間のヘテロ界面によって生じさせられ、各々は異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有しており、該ミスフィット転位は、ヘテロ界面周辺に局所化され、それにより、前記活性層周辺の層内の前記ミスフィット転位を排除する、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１４】
前記下層下の前記層は、前記基板上にコヒーレントに成長させられる別の下層である、請求項１３に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１５】
前記基板は、無極性または半極性である、請求項１に記載のエピタキシャル構造。
【請求項１６】
ＩＩＩ族窒化物ベースの光学素子のためのエピタキシャル構造を製造する方法であって、
基板上にＩＩＩ族窒化物下層を形成することであって、それにより、該下層内の格子定数および歪みが、該下層下のヘテロ界面でのミスフィット転位の存在に起因して、少なくとも１つの方向において該基板に対して部分的または完全に緩和される、ことと、
該下層上にＩＩＩ族窒化物活性層を形成することであって、それにより、該活性層の異方性歪みが、該下層によって調節または制御される、ことと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記下層と前記基板または該下層下の層との間のヘテロ界面を形成することによって、前記ミスフィット転位を形成することをさらに含み、該下層および該基板または該下層および該層は、各々異なるＩＩＩ族窒化物合金組成を有しており、該ミスフィット転位は、該ヘテロ界面周辺に局所化され、それにより、前記活性層周辺の層内の前記ミスフィット転位を排除する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記下層を形成する前記ことは、該下層を非コヒーレントに前記基板上に成長させることによるものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記活性層を形成する前記ことは、該活性層をコヒーレントに該下層上に成長させることによるものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記下層は、該下層が第１の方向に沿って緩和され、該下層が第２の方向に沿って緩和されないように、前記基板上に形成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記異方性歪みが、前記下層内の方向の関数としての該下層の種々の程度の緩和によって調節され、それにより、該下層のバンド構造が制御され、前記活性層のバンド構造が制御される、請求項１６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ−６ｃ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ−６ｃ】
【図７】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公表番号】特表２０１３−５０２７３１（Ｐ２０１３−５０２７３１Ａ）
【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２０１２−５２５７５７（Ｐ２０１２−５２５７５７）
【出願日】平成２２年８月２３日（２０１０．８．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４６３７６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２７３０
【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／ＵＳ２０１０／０４６３７６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２２７３０
【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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