JP2014512681A - 転位密度維持バッファ層を有する発光素子 - Google Patents

Abstract

発光素子形成方法は、基板を含む複数の層を有するバッファ層、基板に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及び窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を形成する工程を備える。複数の層のそれぞれの形成の間、複数の層の個々の層が歪みを付与されるように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。

Description

相互参照

本出願は、２０１１年９月２９日に出願された米国特許出願第１３／２４９，１５７号に対する優先権を主張する。同文献は全体が本明細書において参照により援用されている。

照明用途には通例、白熱電球又はガス入り電球を用いる。このような電球は通例、長い動作寿命を有しておらず、それ故、頻繁な交換を必要とする。蛍光又はネオン管等のガス入り管は、より長い寿命を有するが、高い電圧を用いて動作し、比較的高価である。更に、電球及びガス入り管は双方とも相当量のエネルギーを消費する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電子及び正孔の再結合時に光を放射する素子である。ＬＥＤは通例、ｐ−ｎ接合を作り出すために不純物をドープされた半導体材料のチップを含む。電流がｐ側（すなわちアノード）から、ｎ側（すなわちカソード）へ流れる。電荷担体−電子及び正孔−が、異なる電圧を有する電極からｐ−ｎ接合内へ流れる。電子が正孔に出会うと、光子の形のエネルギー（ｈｖ）の放射放出を生じ得る過程で電子は正孔と再結合する。光子、すなわち光はＬＥＤの外部へ透過され、例えば、照明用途及びエレクトロニクス用途等の種々の用途で使用するために利用される。

ＬＥＤは、白熱電球又はガス入り電球とは対照的に、比較的安価であり、低い電圧で動作し、長い動作寿命を有する。加えて、ＬＥＤは消費電力が比較的少なく、コンパクトである。これらの特性はＬＥＤを特に望ましく、多くの用途にとって適切なものとする。

ＬＥＤの利点にもかかわらず、このような素子に付随する制限が存在する。このような制限には、ＬＥＤの効率を制限し得る材料的制限、ＬＥＤによって発生される光の素子外部への透過を制限し得る構造的制限、及び高いプロセスコストにつながり得る製造上の制限などがある。したがって、ＬＥＤ、及びＬＥＤの製造方法を改良する必要がある。

一態様では、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子が提供される。一実施形態では、発光素子は、窒化アルミニウムガリウム層、及びこの窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含むバッファ層を備える。発光素子は、バッファ層に隣接する発光スタックであって、この発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を有する、発光スタックを更に備え、バッファ層及び発光スタックの結合厚さは５マイクロメートル（μｍ）以下である。場合によっては、バッファ層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を含む。ＡｌＮ層は窒化アルミニウムガリウム層に隣接することができる。状況によっては、ＡｌＮ層はシリコン基板等の基板と窒化アルミニウムガリウム層との間にある。

別の実施形態では、発光素子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、このＡｌＮ層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びこの窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含むバッファ層と、ＧａＮ層に隣接する発光スタックと、を備える。発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を含む。バッファ層の曲率半径の絶対値は５０ｍよりも大きい。

別の実施形態では、発光素子は、ｉ）引張歪み付与窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、ｉｉ）このＡｌＮ層に隣接する圧縮歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、ただし、ｘは０〜１の数、及びｉｉｉ）この歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する圧縮歪み付与窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含むバッファ層を備える。発光素子は、バッファ層に隣接する発光スタックを更に備える。発光スタックは、ｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層、並びにｎ−ＧａＮとｐ−ＧａＮ層との間の活性層を含む。活性層は電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される。

別の実施形態では、発光素子は、発光スタックに隣接するバッファ層を備える。発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を含む。活性層は、ｎ形窒化ガリウム層及びｐ形窒化ガリウム層を含む。バッファ層は、５０ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する。

別の態様では、発光素子形成方法が提供される。一実施形態では、発光素子形成方法は、反応チャンバ内の基板の上に、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を有する発光スタックを形成する工程を備える。発光スタックは窒化ガリウム（ＧａＮ）層に隣接して形成され、ＧａＮ層は、同様に、窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、ＧａＮ層内に欠陥を形成するプロセス条件の下で形成される。窒化アルミニウムガリウム層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層に隣接して、窒化アルミニウムガリウム層内に欠陥を形成するプロセス条件の下で形成される。ＡｌＮ層は、基板に隣接して、ＡｌＮ層内に欠陥を形成するプロセス条件の下で形成される。

別の実施形態では、発光素子形成方法は、反応チャンバ内に基板を提供する工程と、基板に隣接して、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を、ＡｌＮ層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、を備える。ＡｌＮ層に隣接して、窒化アルミニウムガリウム層が、窒化アルミニウムガリウム層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される。窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、窒化ガリウム（ＧａＮ）層が、ＧａＮ層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される。

別の実施形態では、発光素子形成方法は、基板に隣接して複数の層を形成する工程を備える。複数の層は、ｉ）基板に隣接する窒化アルミニウム層、ｉｉ）窒化アルミニウム層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む。複数の層のそれぞれの形成の間、複数の層の個々の層が、個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。

別の実施形態では、発光素子形成方法は、反応チャンバ（又は反応チャンバが複数の反応空間を含む場合には、反応空間）内に、ｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層、及びｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間の活性層を有する発光スタックを形成する工程を備える。活性層は電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される。発光スタックは窒化ガリウム（ＧａＮ）層に隣接して形成される。ＧａＮ層は窒化アルミニウムガリウム層に隣接して形成され、窒化アルミニウムガリウムは窒化アルミニウム層に隣接して形成され、ＡｌＮ層は基板に隣接して形成される。基板は、場合によっては、シリコン基板である。

場合によっては、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のうちの１つ以上の形成の間、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のうちの１つ以上の内部に欠陥（又は歪み誘起欠陥）を発生させるようにプロセス条件が選択される。場合によっては、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層の形成の間、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のそれぞれの内部に欠陥を発生させるようにプロセス条件が選択される。場合によっては、層内に所定の密度の欠陥を維持するようにプロセス条件が選択される。状況によっては、所定の欠陥密度は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２である。実施形態によっては、約８００℃〜１２００℃、又は約９００℃〜１１００℃の成長温度において、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のそれぞれが層の厚さの増大に伴い非ゼロの引張又は圧縮歪みを有するようにプロセス条件が選択される。

別の実施形態では、発光素子形成方法は、反応チャンバ内に基板を提供する工程と、基板に隣接して、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を、ＡｌＮ層内に歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、を備える。ＡｌＮ層に隣接して、窒化アルミニウムガリウム層が、窒化アルミニウムガリウム層内に歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される。窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、窒化ガリウム（ＧａＮ）層が、ＧａＮ層内に歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される。

別の態様では、発光素子形成システムが提供される。一実施形態では、発光素子形成システムは、基板を保持するための反応チャンバと、この反応チャンバと流体結合し、反応チャンバをパージ又は排気するように構成されるポンプシステムと、を備える。システムは、基板に隣接するバッファ層の形成方法を実装する機械可読コードを実行するためのプロセッサを有するコンピュータシステムを含む。この方法は、基板に隣接する複数の層を形成する工程であって、この複数の層は、ｉ）基板に隣接する窒化アルミニウム層、ｉｉ）窒化アルミニウム層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む、複数の層を形成する工程を含む。複数の層のそれぞれの形成の間、複数の層の個々の層が、個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。

以下の詳細な説明より、当業者には本開示の追加の態様及び利点が容易に明らかになろう。詳細な説明では、本開示の例示的な実施形態のみが示され、説明されている。理解されるように、本開示は他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの細部は、すべて本開示から逸脱することなく、種々の明らかな点で修正が可能である。したがって、図面及び説明は本質的に例示的なものと見なされるべきであり、限定的なものと見なされるべきではない。

本明細書において言及されている刊行物、特許、及び特許出願は、個々の刊行物、特許、又は特許出願が、参照により援用されると明確に個々に示された場合と同程度に、本明細書において参照により援用される。

本発明の原理が利用される例示的な実施形態を示す以下の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによって、本発明の特徴及び利点のより良い理解を得ることができる。

未完成発光素子を模式図である。

一実施形態による発光ダイオードの断面の模式図である。

一実施形態による発光素子形成方法の模式図である。

一実施形態によるシリコン基板の上のバッファ層の形成の種々の段階における発光素子上の歪み及び累積応力の模式図である。

一実施形態によるシリコン基板の上に未完成発光素子のバッファ層を形成するプロセスの種々の段階における簡略断面側面図である。

一実施形態による発光素子の製作に用いられるシステムの図である。

本明細書には本発明の種々の実施形態が示され、説明されているが、このような実施形態は例としてのみ提供されていることは当業者には明らかであろう。当業者は、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更、及び置換に想到しよう。本発明を実施する際には、本明細書に記載されている本発明の実施形態の種々の代替物が用いられてよいことを理解されたい。

本明細書において使用するとき、用語「発光素子」は、素子の発光領域（又は「活性層」）内において、発光領域を通じて順方向バイアス電流が印加された（又は流れた）時など、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される素子を指す。場合によっては、発光素子は、電気エネルギーを光に変換する固体素子である。発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は発光素子である。異なる材料で作られ、異なる構造を有し、様々な仕方で動作する多くの異なるＬＥＤ素子構造が存在する。一部の発光素子（レーザダイオード）はレーザ光を放射し、他のものは非単色光を発生する。或るＬＥＤは特定の用途における性能に合わせて最適化されている。ＬＥＤは、窒化インジウムガリウムを有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を含むいわゆる青色ＬＥＤであってよい。青色ＬＥＤは、約４４０ナノメートルから５００ナノメートルの範囲の波長を有する非単色光を放射してよい。放射される青色光の一部を吸収する蛍光体コーティングが提供されてよい。蛍光体が今度は蛍光を発して他の波長の光を放射するため、ＬＥＤ素子全体が放射する光はより広範囲の波長を有する。

本明細書において使用するとき、用語「層」は、基板上の原子又は分子の層を指す。場合によっては、層はエピタキシャル層又は複数のエピタキシャル層群を含む。層は膜又は薄膜を含んでもよい。状況によっては、層は、例えば、光を発生する（又は放射する）ように構成された活性層等の、所定の素子機能を果たす素子（例えば、発光ダイオード）の構造構成要素である。一般的に、層は、約１単原子単層（ＭＬ：monolayer）から数十単層、数百単層、数千単層、数百万単層、数十億単層、数兆単層、又はそれ以上の厚さを有する。一例では、層は、１単原子単層よりも大きい厚さを有する多層構造である。加えて、層は複数の材料層（又はサブレイヤー）を含んでよい。一例では、多重量子井戸活性層が複数の井戸及びバリア層を含む。層は複数のサブレイヤーを含んでよい。例えば、活性層がバリアサブレイヤー及び井戸サブレイヤーを含んでよい。

本明細書で使用するとき、用語「カバレッジ」は、化学種によって覆われる又は占有される表面の、表面の全面積に対する割合を指す。例えば、化学種についての１０％のカバレッジとは、表面の１０％がその化学種によって覆われることを示す。状況によっては、カバレッジは単層（ＭＬ）によって表され、１ＭＬは特定の化学種による表面の完全飽和に相当する。例えば、０．１ＭＬのピットカバレッジは、表面の１０％がピットによって占有されることを示す。

本明細書において使用するとき、用語「活性領域」（又は「活性層」）は、発光ダイオード（ＬＥＤ）の、光を発生するように構成された発光領域を指す。活性層は、例えば、活性層を通じた順方向バイアス電流を用いて、電子及び正孔の再結合時に光を発生する活性材料を含む。活性層は１つ又は複数の層（又はサブレイヤー）を含んでよい。場合によっては、活性層は、１つ以上のバリア層（又は、例えばＧａＮ等の、クラッド層）並びに１つ以上の量子井戸（「井戸」）層（例えばＩｎＧａＮ等）を含む。一例では、活性層は多重量子井戸を含む。この場合、活性層は多重量子井戸（「ＭＱＷ」）活性層と呼ばれてよい。

本明細書で使用するとき、用語「ドープされた」は、化学的にドープされた構造又は層を指す。層はｎ形化学ドーパントをドープされるか（同様に、本明細書においては、「ｎドープされた」）又はｐ形化学ドーパントをドープされてよい（同様に、本明細書においては、「ｐドープされた」）。場合によっては、層は、アンドープであるか又は意図的にドープされていない（同様に、本明細書においては、「ｕドープの」又は「ｕ形」）。一例では、ｕ−ＧａＮ（又はｕ形ＧａＮ）層とは、アンドープ又は意図的にドープされていないＧａＮを含む。

本明細書において使用するとき、用語「ＩＩＩ−Ｖ族半導体」は、１つ以上のＩＩＩ族化学種及び１つ以上のＶ族化学種を有する材料を指す。ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、場合によっては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＰ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）から選択される。

本明細書で使用するとき、用語「ドーパント」は、ｎ形ドーパント又はｐ形ドーパント等の、化学ドーパントを指す。ｐ形ドーパントとしては、以下のものに限定されるわけではないが、マグネシウム、ベリリウム、亜鉛及び炭素が挙げられる。ｎ形ドーパントとしては、以下のものに限定されるわけではないが、シリコン、ゲルマニウム、錫、テルル、及びセレンが挙げられる。ｐ形半導体とは、ｐ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形半導体とは、ｎ形ドーパントをドープされた半導体である。ｎ形窒化ガリウム（「ｎ−ＧａＮ」）等のｎ形ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ｎ形ドーパントをドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。ｐ形ＧａＮ（「ｐ−ＧａＮ」）等のｐ形ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ｐ形ドーパントをドープされたＩＩＩ−Ｖ族材料を含む。ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、及びタリウムから選択される少なくとも１つのＩＩＩ族元素、並びに窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスから選択される少なくとも１つのＶ族元素を含む。

本明細書で使用するとき、用語「隣接する」又は「〜に隣接する」は、「〜の隣の」、「〜に接している」、「〜と接触する」、及び「〜に近接する」を含む。場合によっては、隣接する構成要素が１つ以上の介在層によって互いに隔てられる。例えば、１つ以上の介在層は、約１０マイクロメートル（「ミクロン」）、１ミクロン、５００ナノメートル（「ｎｍ」）、１００ｎｍ、５０ｎｍ、１０ｎｍ、１ｎｍ、又はそれ未満よりも小さい厚さを有することができる。一例では、第１層が第２層と直接接するときに第１層が第２層に隣接する。別の例では、第１層が第３層によって第２層と隔てられているときに第１層が第２層に隣接する。

本明細書で使用するとき、用語「基板」は、膜又は薄膜の形成が所望される任意のワークピースを指す。基板は、以下のものに限定されるわけではないが、シリコン、ゲルマニウム、シリカ、サファイア、酸化亜鉛、炭素（例えば、グラフェン）、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、スピネル、被覆シリコン、酸化物上シリコン、酸化物上炭化珪素、ガラス、窒化ガリウム、窒化インジウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、セラミック材料（例えば、アルミナ、ＡｌＮ）、金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）、及びそれらの結合体（又は合金）を含む。

本明細書で使用するとき、用語「注入効率」は、発光素子を通過する電子のうち、発光素子の活性領域内に注入される比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「内部量子効率」は、発光素子の活性領域内における、放射性である（すなわち、光子を生成する）全電子−正孔再結合事象の比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「取り出し効率」は、発光素子の活性領域内で発生される光子のうち、素子から脱出する比率を指す。

本明細書で使用するとき、用語「外部量子効率」（ＥＱＥ：external quantum efficiency）は、ＬＥＤを通過する電子数に対するＬＥＤから放射される光子数の比を指す。すなわち、ＥＱＥ＝注入効率×内部量子効率×取り出し効率。

シリコンは、半導体作製を利用することができること等の種々の利点を提供するが、シリコン基板上におけるＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤの形成は種々の制限を課す。例として、シリコンと窒化ガリウムとの間の格子不整合及び熱膨張係数は、窒化ガリウム薄膜形成時に、貫通及び／又はヘアピン転位（本明細書においては、まとめて「転位」）等の欠陥を発生する構造応力を引き起こす。

ＬＥＤは種々の半導体素子層で形成されてよい。状況によっては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ＬＥＤが、他の半導体材料より好ましくなり得る素子パラメータ（例えば、光の波長、外部量子効率）を提供する。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、光電光学用途並びに高出力及び高周波数素子において用いられてよい２成分ＩＩＩ−Ｖ族直接バンドギャップ半導体である。

ＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤは、シリコン、ゲルマニウム及びサファイア等の種々の基板上に形成されてよい。シリコンは、所定の期間内に形成されるＬＥＤの数を最大化するのに役立つ大きなウェーハサイズの使用に加えて、現在の製造及びプロセス手法を使用できること等の、一部の他の基板を上回る種々の利点を提供する。しかし、シリコンは種々の利点を提供するが、本明細書においては、シリコン上にＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤ（窒化ガリウムベースのＬＥＤ等）を形成することには種々の制限及び困難が付随することが認識されている。

１つの問題は、ガリウム及びシリコン合金の形成である。それは、高品質ＧａＮが所望される状況では望ましくないものとなり得る。状況によっては、約１０００℃を超える温度では、窒化ガリウム素子層とシリコン基板との間の界面におけるシリコン−ガリウム合金の形成のために、高品質ＧａＮの成長は困難になり得る。シリコン上にＩＩＩ−Ｖ族半導体ベースのＬＥＤを形成することに付随する別の問題は、窒化ガリウムとシリコンとの間の格子不整合及び熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合である。それらは、ＬＥＤ素子内にクラックの問題をもたらし得る構造応力を発生させ得る。発光素子（例えば、ＬＥＤ）の種々の素子層のクラックは、素子性能の不良をもたらし、発光素子の寿命を制限し得る。

一例では、シリコン基板上にＧａＮエピタキシャル層（本明細書においては同様に「エピ層」）を有するＬＥＤの場合、ＧａＮエピ層内の厚さが増大するにつれてエピ層内の応力は増大する。応力の増大は、シリコンウェーハが反ったり、場合によってはクラックを生じたりすることを招き得る。クラックの問題は、珪素ドープＧａＮ内の高い引張歪みが少なくとも一部原因となって、珪素でｎ−ドープされたＧａＮ層に対してより深刻になり得る。珪素ドープＧａＮ層の厚さは、クラックを回避するように選択されてよいが、こうした厚さ制限はＧａＮ及びシリコンベースのＬＥＤ素子に性能制限を課し得る。

場合によっては、高い成長温度でシリコン基板上にＧａＮ薄膜を形成した後、ＧａＮはシリコンよりも高い熱膨張係数を有することが少なくとも一部原因となって、冷却の間、シリコン基板はＧａＮ薄膜よりも低い速度で収縮する。こうした状況では、室温においてＧａＮ薄膜は引張歪みを受ける。逆に、ＧａＮはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）よりも低い熱膨張係数を有する。その結果、サファイア基板上で成長させたＧａＮ薄膜では、薄膜形成及び室温への冷却の後、ＧａＮ薄膜は圧縮歪みを受ける。シリコン上に形成されたＧａＮ薄膜及びサファイア上に形成されたＧａＮ薄膜では、ＧａＮとシリコン及びサファイアとの格子定数の差が室温においてＧａＮ薄膜に引張歪みを課す。サファイア上に形成されたＧａＮでは、格子定数の不整合による引張歪みは、ＧａＮとサファイアとの間の熱膨張係数の不整合による圧縮歪みによって相殺され、ＧａＮ薄膜がクラックを生じるのを防ぐ。一方、シリコン上に形成されたＧａＮでは、熱膨張係数の不整合及び格子定数の不整合による引張歪みは室温において引張歪みを発生させ、それは通常、ＧａＮ薄膜が室温において反ったり、場合によってはクラックを生じたりすることを招く。少なくとも状況によっては、これは、シリコン基板上にＧａＮ薄膜を有するＬＥＤを形成しようとする意欲を失わせる。

一例において、図１は、シリコン基板１０５及びその上に形成されるＧａＮ薄膜１１０を有する発光素子１００の形成を示す簡略断面図を模式的に示す。発光素子１００は、場合によっては、未完成発光素子であり、完成した発光素子を形成するためには追加のプロセス作業が必要とされてよい。図１の上の図に示されているように、シリコン基板１０５が成長温度まで加熱される。図１の真ん中の図に示されているように、成長温度において、ＧａＮ膜１１０がシリコン基板１０５上に形成され、それがシリコン基板１０５及びＧａＮ膜１１０を反らせる。ＧａＮ膜１１０がシリコン基板１０５上に形成された後、構造は室温まで冷却することを許される。しかし、図１の下の図に示されているように、基板１０５上のＧａＮ膜１１０によって生成される応力が構造上に反りを残す。

場合によっては、ＧａＮ膜１１０はＳｉ（１１１）の単結晶（又は単一結晶）基板上に形成される。この場合、ＧａＮ膜１１０はエピ層である。シリコン基板１０５とＧａＮ薄膜１１０との間の熱膨張係数の不整合のために、成長温度において、ＧａＮ薄膜１１０は引張歪みを受け、ＧａＮ薄膜１１０及びシリコン基板１０５を反らせる。成長温度において、ＧａＮ薄膜１１０及びシリコン基板１０５は、シリコン基板１０５の底面に平行な軸に対して角度θ、反る。角度θは０°よりも大きい。ＧａＮ薄膜１１０及びシリコン基板１０５は軸に対して凹状の形状を有する。ＧａＮとシリコンとの間の格子定数の不整合は追加の引張歪みを生じさせる。このような場合には、室温まで冷却すると、ＧａＮ薄膜１１０は引張歪みを受け、それは発光素子１００の種々の素子層内のクラックを招き得る。

場合によっては、シリコン基板上のＧａＮ薄膜内の反り及びクラックの問題は、形成中のＧａＮ薄膜の欠陥密度を最小限に抑えることによって対処されてよい。これは、シリコン基板上に低欠陥密度、高品質ＧａＮ薄膜を設けることを助ける。しかし、シリコン基板上の低欠陥密度ＧａＮ薄膜の形成は、製造上の課題を課している。

本発明の種々の実施形態において記載されている構造、素子及び方法は、シリコン基板上のＧａＮ薄膜の形成に関して上述した問題に対処する。実施形態によっては、シリコン基板上に形成されるＧａＮ薄膜内の歪みを低減する構造及び方法が提供される。これは、成長温度から室温への冷却の後のシリコン基板上のＧａＮ薄膜の反り及びクラックを、解消するとまではいかなくても、最小限に抑える。

構造、素子及び方法は、シリコン基板上のＧａＮ薄膜内のあらゆる引張歪み−例えば、熱膨張係数の不整合に起因する）−は、ＧａＮ薄膜内に発生される反対の歪みによって相殺され得ることに予期せず気付いたことに少なくとも一部、基づいている。反対の歪みとは、場合によっては、圧縮歪みである。実施形態によっては、シリコン基板上に有するＧａＮ包含バッファ層が、成長温度において、圧縮歪みを有するように歪みを付与される。圧縮歪みはＧａＮ包含バッファ層内の引張歪みと釣り合い、それにより、反り及びクラックの形成を、解消するとまではいかなくても、最小限に抑えてよい。

実施形態によっては、発光素子の種々の素子層は、この種々の素子層内に転位を導入又は維持することによって形成される。転位は、固有の（又は他の方法であらかじめ決められた）成長条件の下でＶピット（又はＶ字状欠陥）を生じさせ得るが、成長温度における種々の素子層のそれぞれの内部の歪み（圧縮又は引張）の維持を助ける。実施形態によっては、素子層内の引張歪みと釣り合う圧縮歪みを成長温度で発生させるために所定の転位密度を有する発光素子の素子層がシリコン基板の上に形成される。

素子層の厚さが大きくなるにつれて、転位は減少し得る。例えば、シリコン上の素子層の厚さが増大するにつれて、転位の密度は素子層の厚さの増大とともに減少する。実施形態によっては、バッファ層（バッファ層の種々の層を含む）等の素子層の厚さは、成長温度における素子層内の所定の転位密度を維持するように選択される。すなわち、一部の素子層は、所定の転位密度を提供する厚さを有するように形成される。一例では、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の転位密度維持するように選択された厚さの素子層が形成される。

実施形態によっては、転位は少なくとも２つの機能を有する。１つの機能は、発光素子の種々の層内の応力を釣り合わせることである。もう１つの機能は、発光素子内にＶピット（又はＶ字状欠陥）を発生させることである。活性層は発光素子の形成の間にＶピット内に形成されてよい。

発光素子及びバッファ層

本発明の一態様は発光ダイオード等の発光素子を提供する。実施形態によっては、発光素子が、シリコン基板上に形成される複数の層を備える。場合によっては、複数の層はバッファ層を含む。複数の層のうちの１つ以上は歪みを付与される。場合によっては、複数の層のうちの１つ以上は意図的に歪みを付与される。例えば、複数の層の形成の間、欠陥を介するなどして、複数の層内に歪みを発生させるようにプロセス条件が選択される。実施形態によっては、歪みは、発光素子内のあらゆる引張歪み−例えば、シリコン基板と、上を覆う素子層との間の熱膨張係数の不整合に起因する−と釣り合う圧縮歪みを発生させる。これにより、室温において正味の歪みをほとんど〜全く有しない発光素子が提供される。

実施形態によっては、バッファ層が成長温度で圧縮歪みを付与される。成長温度から冷却すると（例えば、室温まで等）、バッファ層内の引張歪みは圧縮歪みと釣り合う。

実施形態によっては、発光素子の１つ以上の層が、成長の間にこの１つ以上の層内に形成される転位を用いて、歪みを付与される。転位は、成長温度における、及び成長温度から冷却した時の、１つ以上の層内の歪みの維持（又は発生）を助ける。

実施形態によっては、発光素子が、シリコン基板上に形成されるバッファ層と、このバッファ層上に形成される発光スタックとを含む。発光スタックは発光活性層を含む。バッファ層は、バッファ層内のあらゆる引張歪みと釣り合う正味の圧縮歪みを有するように歪みを付与される。これにより、室温において全歪みをほとんど〜全く有しないバッファ層が提供される。

室温において、発光素子は凹状、平坦又は実質的に平坦であってよい。発光素子が凹状である場合には、基板はバッファ層に向かって撓む。実施形態によっては、発光素子は、約３０メートル（「ｍ」）、又は４０ｍ、又は５０ｍ、又は１００ｍ、又は２００ｍ、又は３００ｍ、又は４００ｍ、又は５００ｍ、又は１０００ｍ、又は１０，０００ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する。場合によっては、曲率半径（又は反りの程度）は実質的にゼロであるか又はゼロよりも小さい（すなわち、基板及び種々の素子層が凸状である）。状況によっては、発光素子は、約−５０ｍ、又は−１００ｍ、又は−２００ｍ、又は−３００ｍ、又は−４００ｍ、又は−５００ｍ、又は−１０００ｍ、又は−１０，０００ｍよりも小さい曲率半径（反りの程度）を有する。

成長温度において、発光素子は凸状になってよい。すなわち、基板はバッファ層から離れるように撓む（図５参照）。実施形態によっては、成長温度において、発光素子は、約３ｍ、又は４ｍ、又は５ｍ、又は６ｍ、又は７ｍ、又は８ｍ、又は９ｍ、又は１０ｍ、又は１５ｍ、又は２０ｍ、又は２５ｍ、又は３０ｍ、又は３５ｍ、又は４０ｍ、又は４５ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する。実施形態によっては、成長温度において、発光素子は、約０．１ｍ〜５０ｍ、又は０．５ｍ〜２０ｍ、又は１ｍ〜６ｍである曲率半径（絶対値）を有する。成長温度における曲率半径は、１つ以上の成長条件を調整することによってあらかじめ決められてよい（下記参照）。

曲率半径は、例えば、たわみ計を用いるなどして、表面に向けられた光が散乱する程度を算出することによって算出されてよい。素子層形成の間の光の散乱を測定することによって、あらゆる歪みの変化が算出されてよい。曲率半径は歪みに反比例する−層に付与される歪みが大きいほど、曲率半径は小さくなり、逆に、層に付与される歪みが小さいほど、曲率半径は大きくなる。実質的に平坦な表面（すなわち、ほとんど〜全く反っていない）の場合には、曲率半径は無限大に近づく。

実施形態によっては、発光素子の１つ以上の層が成長温度において歪みを付与される。成長温度は室温に対して高い。高い成長温度における歪みは、高い成長温度におけるあらゆる反対の歪み（例えば、圧縮歪み）を釣り合わせるのを助ける。このような場合には、室温まで冷却すると、発光素子の１つ以上の層は歪みをほとんど〜全く有せず、これは、反り、及び場合によってはクラックの形成を、解消するとまではいかなくても、有利に最小限に抑える。

実施形態によっては、発光素子が、発光スタックに隣接するバッファ層を備える。バッファ層は、歪み付与窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、このＡｌＮ層に隣接する歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ただし、ｘは０乃至１の数）層、及びこの歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する歪み付与窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含む。状況によっては、歪み付与ＡｌＮ層は除外されてよい。発光スタックは、ｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層、並びにｎ−ＧａＮ及びｐ−ＧａＮ層の間の活性層を含む。活性層は、活性層を通じた順方向バイアス電流の印加時等、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される。場合によっては、ｎ−ＧａＮ層が歪み付与ＧａＮ層に隣接する。ｎ−ＧａＮ層は、活性層への電流の流れを助けるように構成される。ｐ−ＧａＮ層は、活性層への正孔の流れを助けるように構成される。

状況によっては、発光素子のバッファ層は、最大で１つのＡｌＮ層、この最大で１つのＡｌＮ層に隣接する最大で１つのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、及びこの最大で１つのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する最大で１つのＧａＮを有する。一例では、発光素子は、１つのＡｌＮ層、このＡｌＮ層に隣接する１つのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、及びこのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する１つのＧａＮ層を有する。このような場合の発光素子は、追加のＡｌＮ層、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、及びＧａＮ層を１層も含まない。

場合によっては、発光素子は、歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と歪み付与ＧａＮ層との間に１層以上の追加の歪み付与窒化アルミニウムガリウム層を含む。実施形態によっては、発光素子は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と歪み付与ＧａＮ層との間に歪み付与Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層（ただし、ｙは０〜１の数）を含む。歪み付与Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層は、歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の最も外側のサブレイヤー（歪み付与Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層に隣接）、及び意図的に（internationally）歪みを付与されたＧａＮ層の組成の間で組成的に傾斜していてよい。

発光素子は、バッファ層又は発光スタックに隣接する基板を更に含む。場合によっては、基板はバッファ層に隣接する。一例では、基板はバッファ層のＡｌＮ層に隣接する。他の場合では、基板は、発光スタックのｐ−ＧａＮ層に隣接するなど、発光スタックに隣接する。基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料（例えば、アルミナ、ＡｌＮ）及び金属材料（例えば、モリブデン、タングステン、銅、アルミニウム）のうちの１つ以上を含む。

実施形態によっては、発光素子内（発光素子のバッファ層を含め）において所定の欠陥密度（例えば、転位密度）を発生させる及び／又は維持するように、発光素子の厚さが選択される。欠陥が今度は歪み（例えば、圧縮又は引張歪み）を誘起する。欠陥密度は、場合によっては、バッファ層の厚さの関数となり得る。一例では、バッファ層が厚くなるほど、欠陥密度は低くなり、バッファ層が薄くなるほど、欠陥密度は高くなる。一部の実施形態において説明されている素子は、発光素子の個々の層の厚さ、及び成長条件を注意深く選択することによって、室温まで冷却した時のクラック等の上述の種々の問題が、解消されるとまではいかなくても、緩和され得ることに予期せず気付いたことに基づいている。

実施形態によっては、発光素子の厚さは、約５マイクロメートル（「μｍ」）以下、又は約４μｍ以下、又は約３μｍ以下である。実施形態によっては、バッファ層及び発光スタックの結合厚さは、約５マイクロメートル（「μｍ」）以下、又は約４μｍ以下、又は約３μｍ以下である。実施形態によっては、歪み付与ＡｌＮ層の厚さは、約１μｍ以下、又は約０．５μｍ以下、又は約０．４μｍ以下である。実施形態によっては、歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さは、約１μｍ以下、又は約０．８μｍ以下、又は約０．７μｍ以下である。実施形態によっては、歪み付与ＧａＮ層の厚さは、約４μｍ以下、又は約３μｍ以下、又は約２．５μｍ以下である。実施形態によっては、バッファ層の厚さは、約５μｍ以下、又は約４μｍ以下、又は約３μｍ以下である。

発光素子の種々の層は、所定の欠陥の密度を有することによって、成長の間に歪みを付与される。実施形態によっては、歪み付与ＡｌＮ層は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度（例えば、転位密度）を有し、歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有し、歪み付与ＧａＮ層は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する。場合によっては、発光スタックは約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する。

実施形態によっては、歪み付与ＧａＮ層の転位密度は、歪み付与ＡｌＧａＮ及びＡｌＮ層のものよりも小さい。歪み付与ＡｌＧａＮ層の転位密度はＡｌＮ層の転位密度よりも小さくてよい。状況によっては、バッファ層の成長の間、新しい材料を追加すると、層の最初の１０〜１５０単層においては歪みの緩和が伴う。

場合によっては、バッファ層は、ＧａＮ層及びＬＥＤ層内におけるＶ字状欠陥（又はＶピット）の形成を促進する、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の転位密度を有する。このような場合には、転位の密度を維持することによってバッファ層−バッファ層のＡｌＮ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＧａＮ層を含む−に歪みを付与することが、バッファ層及びＬＥＤ層内のＶ字状欠陥の形成を促進する。１つ以上の成長条件を選択することによって、Ｖ字状欠陥のサイズを制御することができる。更に、光が発生される活性領域を、Ｖ字状欠陥の間のエリアにおいてのみ選択的に成長させることができる。これは、高効率ＬＥＤ材料を成長させる効果的な方法である。それ故、活性層の選択的成長は転位の存在を許容し、転位がひいては、成長した層全体の応力の設計に利用される。

実施形態によっては、発光素子は追加の層を含む。場合によっては、発光素子は活性層とｐ−ＧａＮ層との間に電子ブロッキング層を含む。実施形態によっては、発光素子は、ｎ−ＧａＮ層と電気的につながった第１電極と、ｐ−ＧａＮ層と電気的につながった第２電極とを含む。発光素子は、ｐ−ＧａＮ層に隣接する光反射材料（本明細書においては同様に「光反射体」）の層を含んでよい。光反射材料の層は、銀、白金、金及びニッケル、ロジウム並びにインジウムのうちの１つ以上で形成されてよい。

図２は一実施形態によるＬＥＤ２００を示す。ＬＥＤ２００は、第１基板２０５と、この第１基板２０５に隣接するＡｌＮ層２１０と、このＡｌＮ層２１０に隣接するＡｌＧａＮ層２１５と、このＡｌＧａＮ層２１５に隣接するＧａＮ層２２０と、このＧａＮ層２２０に隣接するｎ形ＧａＮ（「ｎ−ＧａＮ」）層２２５と、このｎ−ＧａＮ層２２５に隣接する活性層２３０と、この活性層２３０に隣接する電子ブロッキング（例えば、ＡｌＧａＮ）層２３５と、この電子ブロッキング層２３５に隣接するｐ形ＧａＮ（「ｐ−ＧａＮ」）層２４０とを備える。

ＧａＮ層２２０はｕ−ＧａＮ（すなわち、アンドープ又は意図的にドープされていないＧａＮ）で形成されてよい。場合によっては、ＡｌＮ層２１０、ＡｌＧａＮ層２１５及びＧａＮ層２２０がＬＥＤ２００のバッファ層を少なくとも部分的に定める。ｎ−ＧａＮ層２２５、活性層２３０、及びｐ−ＧａＮ層２４０がＬＥＤ２００の発光スタック２４５を定める。発光スタック２４５は電子ブロッキング層２３５等の他の層を含んでよい。電子ブロッキング層２３５は、ｐ−ＧａＮ層２４０内における電子の正孔との再結合を最小限に抑えるように構成される。

第１基板２０５はシリコンで形成されてよい。状況によっては、ＬＥＤ２００は、ｐ−ＧａＮ層２４０に隣接する第２基板２５０（基板２）を含む。このような場合には、第１基板２０５は除外されてもよい。第２基板２５０は最終的なＬＥＤ２００内に含まれてよい。

実施形態によっては、ＡｌＮ層２１０、ＡｌＧａＮ層２１５及びＧａＮ層２２０は歪み付与層である。場合によっては、ＡｌＮ層２１０は引張歪みを受け、ＡｌＧａＮ層２１５は圧縮歪みを受け、ＧａＮ層２２０は圧縮歪みを受ける。

ＡｌＧａＮ層２１５は、望ましい（又は所定の）素子特性をもたらすように選択されたアルミニウム及びガリウム組成を有してよい。場合によっては、アルミニウム及びガリウム組成は、ＡｌＧａＮ層２１５内に歪みを発生させるように選択される。ＡｌＧａＮ層２１５は化学式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ただし、ｘは０〜１の数、を有してよい。状況によっては、ＡｌＧａＮ層２１５はアルミニウム及びガリウムが組成的に傾斜している。一例では、ＡｌＮ層２１０とＡｌＧａＮ層２１５との間の界面においては、ＡｌＧａＮ層２１５のアルミニウム含有率の方がガリウム含有率よりも大きく（すなわち、ｘ>１−ｘ）、ＡｌＧａＮ層２１５とＧａＮ層２２０との間の界面においては、ＡｌＧａＮ層２１５のガリウム含有率の方がアルミニウム含有率よりも大きい（すなわち、１−ｘ>ｘ）。別の例では、ＡｌＮ層２１０とＡｌＧａＮ層２１５との間の界面においては、ＡｌＧａＮ層２１５のアルミニウム含有率の方がガリウム含有率よりも小さく（すなわち、ｘ<１−ｘ）、ＡｌＧａＮ層２１５とＧａＮ層２２０との間の界面においては、ＡｌＧａＮ層２１５のガリウム含有率の方がアルミニウム含有率よりも大きい（すなわち、１−ｘ>ｘ）。

実施形態によっては、ＡｌＮ層２１０は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有し、ＡｌＧａＮ層２１５は約１×１０^８ｃｍ^−２及び２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有し、ＧａＮ層２２０は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する。場合によっては、発光スタック２４５は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する。

ＬＥＤ２００は、ｎ−ＧａＮ層２２５と電気的につながった第１電極と、ｐ−ＧａＮ層２４０と電気的につながった第２電極を含んでよい。場合によっては、第１電極はｎ−ＧａＮ層２２５と電気的に接触する。第２電極はｐ−ＧａＮ層２４０と電気的に接触してもよい。

場合によっては、ＬＥＤ２００は、ｐ−ＧａＮ層に隣接する光反射材料の層を含む。一例では、ＬＥＤ２００はｐ−ＧａＮ層２４０と第２基板２５０との間に光反射材料（例えば、銀）の層を含む。

発光素子の形成方法

本発明の別の態様は、発光ダイオード等の発光素子の形成方法を提供する。実施形態によっては、発光素子形成方法は、基板に隣接するバリア層を形成する工程であって、このバリア層は、ｉ）シリコン基板に隣接する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、ｉｉ）ＡｌＮ層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含む、基板に隣接するバリア層を形成する工程を備える。実施形態によっては、バリア層の形成の間、バリア層の個々の層が、層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる引張歪み又は圧縮歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。バリア層内の引張歪み及び圧縮歪みは、バリア層が成長温度において正味の圧縮歪みを有するように調節することができる。

発光素子の素子層（例えば、ＡｌＮ層、窒化アルミニウムガリウム層、ＧａＮ層）内の歪み（圧縮又は引張）は素子層内の欠陥密度に少なくとも一部依存してよい。実施形態によっては、バリア層の形成の間、バリア層の個々の層が所定の欠陥（例えば、転位）の濃度を有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。状況によっては、バリア層の個々の層が約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有するようにプロセスパラメータが選択される。

実施形態によっては、基板が、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料及び金属材料を含む材料で形成される。実装によっては、基板はシリコンで形成される。

プロセスパラメータ（又は成長条件）は、発光素子を形成するための１つ以上のプロセスパラメータの選択に基づいて調節可能である。成長条件は成長温度、キャリアガス流量、前駆体流量、成長速度、反応チャンバ圧力及びサセプタ（又はプラテン）回転速度を含んでよい。

実施形態によっては、発光素子の１層以上の層が、約７５０℃〜１２００℃、又は約９００℃〜１１００℃の成長温度で形成される。個々の層は、所定の欠陥密度をもたらすように選択された成長温度で形成されてよい。

場合によっては、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のうちの１層以上の形成の間、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層のうちの１層以上の内部に欠陥を発生させるようにプロセス条件が選択される。場合によっては、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層の形成の間、ＧａＮ層、窒化アルミニウムガリウム層及びＡｌＮ層内に欠陥を発生させるようにプロセス条件が選択される。欠陥は、成長温度において層内に所定のレベルの歪みを維持するのを助ける。

一実施形態では、ＡｌＮ層が、ＡｌＮ層内に引張歪みを発生させるように選択された成長条件の下で形成される。別の実施形態では、窒化アルミニウムガリウム層が、窒化アルミニウムガリウム層内に圧縮歪みを発生させるように選択された成長条件の下で形成される。別の実施形態では、ＧａＮ層が、ＧａＮ層内に圧縮歪みを発生させるように選択された成長条件の下で形成される。

実施形態によっては、バッファ層等の種々の素子層が欠陥（例えば、転位）のおかげで引張歪み又は圧縮歪みを受ける。所定の欠陥密度を有する層を形成するようにプロセス条件が選択される。一例では、ＡｌＮ層が、ＡｌＮ層内の欠陥が少なくとも一部原因となってＡｌＮ層が引張歪みを受けるように選択されたプロセス条件の下で形成される。ＡｌＮ層は、場合によっては、成長温度において、それが室温において呈する引張歪みに対して高い引張歪みを受ける。欠陥の密度は、所定のレベルの引張歪みを発生させるように選択される。場合によっては、欠陥密度は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２である。他の例では、窒化アルミニウムガリウム層及びＧａＮ層が、窒化アルミニウムガリウム及びＧａＮ層内の欠陥が少なくとも一部原因となって窒化アルミニウムガリウム及びＧａＮ層が圧縮歪みを受けるように選択されたプロセス条件の下で形成される。窒化アルミニウムガリウム及びＧａＮ層は、場合によっては、成長温度において、室温に対して高い圧縮歪みを受ける。欠陥の密度は、所定のレベルの圧縮歪みを発生させるように選択される。場合によっては、欠陥密度は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２である。他の例では、ＡｌＮ、窒化アルミニウムガリウム及びＧａＮ層を有するバッファ層が、バッファ層内の欠陥が少なくとも一部原因となって、成長温度において圧縮歪みを受けるようにプロセス条件が選択される。状況によっては、バッファ層（個々の層を含む）内の欠陥密度は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２である。

本明細書において説明されている方法には種々の原料ガス（又は前駆体）が用いられてよい。ガリウム前駆体は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：trimethylgallium）、トリエチルガリウム、塩化ジエチルガリウム及び水素化配位ガリウム化合物（例えば、水素化ジメチルガリウム）を含んでよい。アルミニウム前駆体は、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡＬ：tri-isobutyl aluminum）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：trimethyl aluminum）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ：triethyl aluminum）、及び水素化ジメチルアルミニウム（ＤＭＡＨ：dimethylaluminum hydride）を含んでよい。インジウム前駆体は、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：trimethyl indium）及びトリエチルインジウム（ＴＥＩ：triethyl indium）を含んでよい。窒素前駆体は、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、並びにアンモニア及び／又はＮ_２のプラズマ励起化学種を含んでよい。ｐ形ドーパント前駆体は、いくつかの例を挙げれば、ホウ素前駆体（例えば、Ｂ_２Ｈ_６）、マグネシウム前駆体（例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、アルミニウム前駆体から選択されてよい。ｎ形前駆体は、いくつかの例を挙げれば、珪素前駆体（例えば、ＳｉＨ_４）、ゲルマニウム前駆体（例えば、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウム、四塩化ジメチルアミノゲルマニウム、イソブチルゲルマン）及びリン前駆体（例えば、ＰＨ_３）から選択されてよい。

図３は一実施形態による発光素子形成方法３００を示す。作業３０５では、反応チャンバ内に基板が提供される。反応チャンバは、化学気相成長（例えば、有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition）、又はＭＯＣＶＤ）あるいは原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）を用いるなどして、薄膜形成用に構成された真空チャンバであってよい。

次に、作業３１０では、基板に隣接して窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層が形成される。ＡｌＮ層は、反応チャンバ内で基板をアルミニウム前駆体及び窒素前駆体ガスとともに約７５０℃〜１２００℃の範囲の成長温度まで加熱することによって形成される。１つの実施形態では、成長温度は、約９００℃〜１１００℃になるように設定される。アルミニウム前駆体及び窒素前駆体はキャリアガスを用いて反応チャンバ内に供給されてよい。キャリアガスは、水素（Ｈ_２）、アルゴン、ネオン、及びヘリウムを含んでよい。実施形態によっては、基板がアルミニウム前駆体及び窒素前駆体に同時に暴露されるように、反応チャンバはアルミニウム前駆体及び窒素前駆体ガスの両者を一緒に含む。他の実施形態では、基板がアルミニウム前駆体及び窒素前駆体に交互に暴露されるように、アルミニウム前駆体ガス及び窒素前駆体ガスが反応チャンバ内に交互に提供される。

状況によっては、ＡｌＮ層の形成の間、形成されたＡｌＮ層が、成長温度においてＡｌＮ層内に引張歪みを維持するように選択された厚さを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。一例では、水素流量、並びにアルミニウム及び窒素前駆体流量の一方又は両方が、ＡｌＮ層が成長温度において有限の引張歪みを有するように選択される。このような場合のＡｌＮ層は所定の欠陥密度を有する。一例では、ＡｌＮ層は約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する。

次に、作業３１５では、基板が成長温度になっている状態で、ＡｌＮ層に隣接して第１窒化アルミニウムガリウム層が形成される。第１窒化アルミニウムガリウム層は組成Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ただし、ｘは０〜１の数、を有する。第１窒化アルミニウムガリウム層は、ＡｌＮ層をアルミニウム前駆体（例えば、ＴＭＡ）、ガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）及び窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）に暴露することによって形成される。前駆体のそれぞれの分圧及び流量は、望ましいアルミニウム及びガリウム含有率を提供するように選択される。場合によっては、第１窒化アルミニウムガリウム層はアルミニウム及びガリウムが組成的に傾斜している（すなわち、成長の方向に沿って第１窒化アルミニウムガリウム層のアルミニウム及びガリウム含有率が変化する）。状況によっては、第１窒化アルミニウムガリウム層が成長温度において正味の圧縮歪みを有するようにプロセスパラメータ（例えば、キャリアガス流量、前駆体流量）が選択される。成長条件の適切な選択を行わなければ、ＡｌＧａＮ層はすぐに弛緩することができ、成長した層の全応力は平均化してよい。従来は、弛緩した層が望まれてよい。なぜなら、こうした弛緩した層上に成長させた新たな層は歪みがなく、より結晶品質の高いものになってよいからである。しかし、成長温度において圧縮応力（又は歪み）がない層は、室温まで冷却した時には望ましくなくなり得る。場合によっては、成長温度において別の方法で圧縮歪みがない層が、室温又はその付近では歪み（例えば、引張歪み）を有し、反り、及び場合によってはクラックを招く。

次に、作業３２０では、基板が成長温度になっている状態で、第１窒化アルミニウムガリウム層に隣接して第２窒化アルミニウムガリウム層が形成される。第２窒化アルミニウムガリウム層は組成Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ、ただし、ｙは０〜１の数を有する。第２窒化アルミニウムガリウム層は、第１窒化アルミニウムガリウム層をアルミニウム前駆体、ガリウム前駆体及び窒素前駆体に暴露することによって形成される。前駆体のそれぞれの分圧及び流量は、望ましいアルミニウム及びガリウム含有率を提供するように選択される。場合によっては、第２窒化アルミニウムガリウム層はアルミニウム及びガリウムが組成的に傾斜している（すなわち、成長の方向に沿って第１窒化アルミニウムガリウム層のアルミニウム及びガリウム含有率が変化する）。状況によっては、第２窒化アルミニウムガリウム層が成長温度において正味の圧縮歪みを有するようにプロセスパラメータ（例えば、キャリアガス流量、前駆体流量）が選択される。

次に、作業３２５では、基板が成長温度になっている状態で、第２窒化アルミニウムガリウム層に隣接して窒化ガリウム（ＧａＮ）層が形成される。ＧａＮ層は、反応チャンバ内にガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）及び窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）を供給し、第２窒化アルミニウムガリウム層をガリウム前駆体及び窒素前駆体に暴露することによって形成される。状況によっては、窒化ガリウム層が成長温度において正味の圧縮歪みを有するようにプロセスパラメータ（例えば、キャリアガス流量、前駆体流量）が選択される。

場合によっては、第２窒化アルミニウムガリウム層は除外される。このような場合には、ＧａＮ層は第１窒化アルミニウムガリウム層に隣接して形成される。

次に、作業３３０では、ＧａＮ層に隣接して素子スタックが形成される。場合によっては、素子スタックは、作業３２５において形成されるＧａＮ層に隣接するｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、このｎ−ＧａＮ層に隣接する活性層、及びこの活性層に隣接するｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層を含む。実施形態によっては、ＧａＮ層が、ガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）、窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）及びｎ形ドーパントの前駆体（例えば、シラン）に暴露され、ｎ−ＧａＮ層を形成する。ｎ−ＧａＮ層は、場合によっては、約７５０℃〜１１００℃の範囲の成長温度で形成される。実施形態によっては、成長温度の範囲は約８００℃〜１０５０℃である。他の実施形態では、成長温度の範囲は約８５０℃〜１０００℃である。

次に、ｎ−ＧａＮ層に隣接して活性層が形成される。場合によっては、活性層は、１つ以上の井戸層（例えば、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムガリウム）及び１つ以上のバリア層（例えば、窒化ガリウム）層で形成される。井戸層及びバリア層は交互の構成で分布させる。例えば、井戸層が窒化インジウムガリウムで形成される場合には、井戸層は、反応チャンバ内にインジウム前駆体（例えば、ＴＭＩ）、ガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）及び窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）を供給することによって形成される。別の例として、反応チャンバ内にアルミニウム前駆体（例えば、ＴＭＡ）、ガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）及び窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）を供給することによって、窒化アルミニウムガリウムを有する井戸層が形成される。

１つ又は複数の井戸層が、窒化ガリウムを有するバリア層等のバリア層で隔てられてよい。一例では、反応チャンバ内にガリウム前駆体及び窒素前駆体を供給することによって窒化ガリウムバリア層が形成される。活性層は、所定の周期の井戸−バリアスタックを有するように形成される。一例では、活性層は、１、又は２、又は３、又は４、又は５、又は６、又は７、又は８、又は９、又は１０、又はそれを超える周期の井戸−バリアスタックを有する。一例では、活性層は、例えば、１０以上の周期を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層である。

場合によっては、量子井戸（「井戸」）層は約７５０℃〜７９０℃の範囲の温度で形成される。実施形態によっては、井戸は約７７０℃〜７８０℃の範囲の温度で形成される。バリア層は約７９０℃〜８５０℃の範囲の温度で形成されてよい。実施形態によっては、バリア層は約８１０℃〜８４０℃の範囲の温度で形成される。

次に、活性層に隣接してｐ−ＧａＮ層が形成される。場合によっては、ｐ−ＧａＮ層は、反応チャンバ内にガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）、窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）及びｐ形ドーパントの前駆体（例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、又はＣｐ２Ｍｇ）を供給することによって形成される。ｐ−ＧａＮ層は、場合によっては、約７００℃〜１１００℃の範囲の温度で形成される。実施形態によっては、温度の範囲は約８００℃〜１０５０℃であり、一方、他の実施形態では、温度の範囲は約８５０℃〜１０００℃である。

次に、ｐ−ＧａＮ層に隣接して第２基板が設けられてよい。第２基板はシリコン基板であってよい。場合によっては、第２基板を設ける前に１つ以上の介在層が形成される。その後、ＡｌＮ層に隣接する基板を除去し、ＡｌＮ層を露出させてもよい。

実施形態によっては、ｎ−ＧａＮ層と電気的につながった第１電極が形成され、ｐ−ＧａＮ層と電気的につながった第２電極が形成される。他の実施形態では、形成された第１電極はｎ−ＧａＮ層と接触し、形成された第２電極は第２基板（ｐ−ＧａＮ層に隣接）と接触する。第１電極は、チタン、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、ロジウム、銅、クロム、又はそれらの結合体等の１つ以上の元素金属を含んでよい。第２電極は、アルミニウム、チタン、クロム、白金、ニッケル、金、ロジウム、銀、又はそれらの結合体等の１つ以上の元素金属を含んでよい。

方法３００によって形成された発光素子は室温において歪みが減少してよい。場合によっては、作業３０５〜３２５によるバッファ層の形成は、バッファ層内の引張歪みと釣り合う圧縮歪みを提供し、それにより、室温におけるバッファ層及び／又は素子スタック内の反り、及び、場合によっては、クラック形成を低減する。

図４は、一実施形態による、発光素子のシリコン基板の上のバッファ層の成長の種々の段階における発光素子上の歪み及び累積応力を模式的に示す。ｙ軸は、バッファ層の成長の種々の段階におけるバッファ層内の歪み及び累積応力を模式的に示す。網掛けした長方形（上）はそれぞれの層内の相対歪みを示し、層の模式図（下）は成長の種々の段階におけるバッファ層の反りの程度を示す。ｘ軸は膜厚を示す。シリコン基板上に形成されるバッファ層は、シリコン基板に隣接する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、このＡｌＮ層に隣接する第１窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）層、この第１窒化アルミニウムガリウム層に隣接する第２窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）層、及びこの第２窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む。それぞれの層の形成時、発光素子のバッファ層は、層内に歪みをもたらすように１つ以上のプロセスパラメータを選択することによって、歪みを付与される−すなわち、それぞれの層が、所定のレベルの歪みを有するように形成される。

実施形態によっては、ＡｌＮは、ガリウム含有層の形成を助けるために提供される。ＡｌＮは、シリコン基板に隣接するガリウム−シリコン合金の形成を最小限に抑えるか又は解消してよい。

場合によっては、バッファ層は１つの成長温度で形成される。他の場合では、バッファ層の種々の層は同じ成長温度又は異なる成長温度で形成される。

引き続き図４を参照すると、ＡｌＮ層は、バッファ層が引張歪みを受けるように形成される。ＡｌＮ層の形成後の発光素子は反る（又は凹状になる）。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層内の圧縮歪みによってバッファ層内の引張歪みを釣り合わせるように選択されたプロセス条件の下でＡｌＮ層上に形成される。このような場合の発光素子は成長温度において最小の歪みを受ける。Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層は、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層が圧縮歪みを受けるように選択されたプロセス条件の下でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層上に形成される。発光素子は圧縮歪みを受ける。このような場合の発光素子は凸状になる−バッファ層内の圧縮歪みの方が引張歪みよりも大きくなる。ＧａＮ層は、ＧａＮ層が圧縮歪みを受けるように選択されたプロセス条件の下でＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層上に形成される。実施形態によっては、バッファ層のそれぞれの層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有するように形成される。

ＧａＮ層の形成に続いて、発光ダイオード素子スタック（「ＬＥＤ素子スタック」）が形成される。ＬＥＤ素子スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される。素子スタックは、ｎ−ＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層、及びｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮとの間の活性層を含む。素子スタックは、場合によっては、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^９ｃｍ^−２の欠陥密度を有するように形成される。

ＡｌＮ層の形成の間、バッファ層は負の歪みを有する。後続の層の形成の間、バッファ層内の歪みは増大する。図４のプロットの勾配（厚さで割った歪み）は大体又は実質的に一定である。実施形態によっては、成長の種々の段階におけるバッファ層の歪みは、厚さで割ると、大体又は実質的に一定である。

引き続き図４を参照すると、状況によっては、バッファ層及び発光素子の種々の層の厚さが所定の限度内となるようにプロセス条件が選択される。実施形態によっては、発光ダイオードの形成の間、形成された発光ダイオードが、約５μｍ以下、又は約４μｍ以下、又は約３マイクロメートル（「μｍ」）以下である厚さを有するようにプロセス条件が選択される。実施形態によっては、ＡｌＮ層の形成の間、形成されたＡｌＮ層の厚さが以下約１μｍになるようにプロセス条件が選択される。実施形態によっては、ＡｌＮ層の厚さは約０．５μｍ以下であり、一方、他の実施形態では、ＡｌＮ層の厚さは約０．３μｍよりも又はそれに等しい。実施形態によっては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層の形成の間、形成されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ及びＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層の結合厚さが約１μｍ以下になるようにプロセス条件が選択される。他の実施形態では、結合厚さは約０．８μｍ以下であり、一方、他の実施形態では、結合厚さは約０．７μｍ以下である。実施形態によっては、ＧａＮ層の形成の間、ＧａＮ層の厚さが約４μｍ以下になるようにプロセス条件が選択される。他の実施形態では、ＧａＮ層の厚さは約３μｍ以下であり、一方、他の実施形態では、ＧａＮ層の厚さは約２．５μｍ以下である。実施形態によっては、バッファ層の形成の間、形成されたバッファ層の厚さが約５μｍ以下になるようにプロセス条件が選択される。他の実施形態では、バッファ層の厚さは約４μｍ以下であり、一方、他の実施形態では、バッファ層の厚さは約３μｍ以下である。これらの厚さを制御するために用いられるプロセス条件は、成長温度、前駆体流量、キャリアガス（例えば、Ｈ_２ガス）流量、反応チャンバ圧力、成長速度及びサセプタ（又はプラテン）回転速度のうちの１つ以上を含む。

引き続き図４を参照すると、それぞれの層は異なる歪み量を有してよい。しかし、場合によっては、個々の層の形成の間、個々の層の厚さの関数としての個々の層内の歪みは一定である。

図５は、一実施形態による、バッファ層の形成方法を示す。バッファ層は、未完成発光素子であり得る発光素子の一部である。初めに、基板上に、ＡｌＮ層が、形成されたＡｌＮ層が所定のレベルの歪みを有するように選択されたプロセス条件の下で形成される。歪みは、場合によっては、引張歪みである。一実施形態では、ＡｌＮ層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有するように形成される。このような場合のＡｌＮ層は成長温度において引張歪みを受け、ＡｌＮ層及び基板を備える未完成発光素子は反る（又は凹状になる）。状況によっては、基板は、大部分は珪素（例えば、Ｓｉ（１１１））を含む基板等の、珪素含有基板である。

次に、ＡｌＮ層上に、窒化アルミニウムガリウム層が、形成された窒化アルミニウムガリウム層が、未完成発光素子内の引張歪みと釣り合う圧縮歪みを有するように選択されたプロセス条件の下で形成される。場合によっては、窒化アルミニウムガリウム層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有するように形成される。成長温度において、このような場合の未完成発光装置は反らず、それ故、凹状にも凸状にもならない。

次に、窒化アルミニウムガリウム層上に、ＧａＮ層が、形成されたＧａＮ層が圧縮歪みを有するように選択されたプロセス条件の下で形成される。このような場合の未完成発光素子は成長温度において正味の圧縮歪みを有する。場合によっては、ＧａＮ層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の範囲の欠陥密度を有するように形成される。このような場合の発光素子は凸状になる。室温まで冷却した後、未完成発光素子は正味の歪みをほとんど〜全く有しない（すなわち、圧縮歪みが引張歪みと釣り合っている）。

成長温度において、バッファ層上に追加の層が形成されてよい。一例では、ＧａＮ層上に発光スタックが形成される。発光スタックは、ｎ−ＧａＮ層、ｐ−ＧａＮ層、及びｎ−ＧａＮ層とｐ−ＧａＮ層との間の活性層を有する。

実施形態によっては、種々の素子層の形成の間、基板は２つ以上の前駆体に同時に暴露される。他の状況では、種々の素子層の形成の間、基板は種々の前駆体に交互に連続して暴露される。一例では、基板をガリウム前駆体（例えば、ＴＭＧ）に暴露し、それに続き、パージ又は排気作業を間にはさみ、窒素前駆体（例えば、ＮＨ_３）に暴露することによって、窒化ガリウム層が形成される。一般的に、素子層を形成するために複数の前駆体が必要とされる場合には、前駆体は反応チャンバ内に同時に供給されるか又は交互に連続して供給されてよい。

素子層は種々の堆積手法を用いて形成されてよい。実施形態によっては、素子層は、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced CVD）、プラズマ促進ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：plasma enhanced ALD）、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ：metal organic CVD）、ホットワイヤＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ：hot wire CVD）、イニシエートＣＶＤ（ｉＣＶＤ：initiated CVD）、改良ＣＶＤ（ＭＣＶＤ：modified CVD）、気相軸付け法（ＶＡＤ：vapor axial deposition）、外部気相成長（ＯＶＤ：outside vapor deposition）、物理気相成長（例えば、スパッタ堆積、蒸発堆積）を用いて形成される。

本明細書において提供される方法及び構造は、例えば窒化ガリウム等のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を有する発光素子との関連で説明されているが、このような方法及び構造は他の種類の半導体材料に適用されてもよい。本明細書において提供される方法及び構造は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、ヒ化リン化ガリウム（ＧａＡｓＰ）、リン化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、リン化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＰ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）で少なくとも一部形成される発光素子に利用されてよい。

発光素子を形成のために構成されるシステム

本発明の別の態様では、発光素子形成システムが、基板を保持するための反応チャンバと、この反応チャンバと流体結合し、反応チャンバをパージ又は排気するように構成されるポンプシステムと、発光素子形成方法を実装する機械可読コードを実行するためのプロセッサを有するコンピュータシステムと、を備える。コードは、本明細書において提供される方法のいずれを実装してもよい。一実施形態では、コードは、シリコン基板に隣接する複数の層を形成する工程であって、この複数の層は、ｉ）シリコン基板に隣接する窒化アルミニウム層、ｉｉ）この窒化アルミニウム層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）この窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む、シリコン基板に隣接する複数の層を形成する工程を備える方法を実装する。複数の層のそれぞれの形成の間、複数の層の個々の層が、個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる引張歪み又は圧縮歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される。別の実施形態では、コードは、（ａ）反応チャンバ内に基板を提供する工程と、（ｂ）基板に隣接して、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を、ＡｌＮ層内に欠陥（例えば、転位）を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、（ｃ）ＡｌＮ層に隣接して、窒化アルミニウムガリウム層を、窒化アルミニウムガリウム層内に欠陥を発生させる（又は形成する）ように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、（ｄ）窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を、ＧａＮ層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、を備える方法を実装する。欠陥は層のそれぞれの内部に歪み（すなわち、圧縮歪み又は引張歪み）を誘起する。実施形態によっては、例えば、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度等の、所定の密度の欠陥を発生させ、維持するようにプロセス条件が選択される。

図６は、一実施形態による発光素子形成システム６００を示す。システム６００は、発光素子を形成するために用いられる基板を保持するように構成されるサセプタ（又は基板ホルダ）６１０を有する反応チャンバ６０５を含む。システムは、第１前駆体貯蔵容器（又はタンク）６１５と、第２前駆体貯蔵容器６２０と、キャリアガス貯蔵タンク６２５と、を備える。第１前駆体貯蔵容器６１５はＩＩＩ族前駆体（例えば、ＴＭＧ）を保持するためのものであってよく、第２前駆体貯蔵容器６２０はＶ族前駆体（例えば、ＮＨ_３）を保持するためのものであってよい。キャリアガス貯蔵タンク６２５はキャリアガス（例えば、Ｈ_２）を保持するためのものである。システム６００は、追加の前駆体及びキャリアガスを保持するためのもの等の、他の貯蔵タンク又は容器を含んでよい。システム６００は、貯蔵容器と反応チャンバ６０５との間に、反応チャンバ６０５を貯蔵容器のそれぞれから流体的に絶縁するための弁を含む。

システム６００は、反応チャンバ６０５に真空を提供するための真空システム６３０を更に含む。真空システム６３０は反応チャンバ６０５と流体連通している。場合によっては、真空システム６３０は、仕切り弁等の弁を用いて反応空間６０５（the reaction pace 605）から絶縁されるように構成される。

システム６００のコントローラ（又は制御システム）６３５は、発光素子の１つ以上の層の形成等の、反応チャンバ６０５内における発光素子の形成方法を促進する。コントローラ６３５は、第１前駆体貯蔵容器６１５、第２前駆体貯蔵容器６２０、キャリアガス貯蔵タンク６２５及び真空システム６３０のそれぞれの弁に通信可能に接続されている。コントローラ６３５は、サセプタ及びそのサセプタ上の基板の温度を調整するためにサセプタ６１０に操作可能に接続されるとともに、反応チャンバ６０５内の圧力を調整するために真空システム６３０に操作可能に接続されている。

状況によっては、真空システム６３０は、ターボ分子（「ターボ」）ポンプ、拡散ポンプ及びメカニカルポンプのうちの１つ以上を含む。場合によっては、真空システム６３０は、ターボポンプ、拡散ポンプ及び／又はメカニカルポンプを含む。ポンプは１つ以上の補助ポンプを含んでよい。例えば、ターボポンプがメカニカルポンプによって補助されてよい。

実施形態によっては、コントローラ６３５は、基板温度、前駆体流量、成長速度、キャリアガス流量及び反応チャンバ圧力等の、１つ以上のプロセスパラメータを調整するように構成される。コントローラ６３５は、場合によっては、貯蔵容器と反応チャンバ６０５との間の弁と通信する。これは反応チャンバ６０５への前駆体の流れの停止（又は調整）を助ける。コントローラ６３５は、本明細書において提供される方法を実装するように構成される機械実行可能コードの実行するのを補助するように構成されるプロセッサを含む。機械実行可能コードは、フラッシュメモリ、ハードディスク等の物理的記憶媒体、又はコンピュータ実行可能コードを格納するように構成される他の物理的記憶媒体上に格納される。

実施形態によっては、コントローラ６３５は、１つ以上のプロセスパラメータを調整するように構成される。状況によっては、コントローラ６３５は、成長温度、キャリアガス流量、前駆体流量、成長速度及び／又は成長圧力（又は反応チャンバ圧力）を調整する。

状況によっては、コントローラ６３５は、発光素子の１つ以上の層が歪みを付与されるようにプロセスパラメータを調整するように構成される。例えば、コントローラ６３５は、未完成又は完成した発光素子のバッファ層の１つ以上の層内に所定のレベルの歪みを発生させるために、成長温度、前駆体流量、キャリアガス流量、反応チャンバ圧力、及び成長速度のうちの１つ以上を調整する。

実施形態によっては、システム６００は、基板、及びこの基板の上に形成される種々の層を定性的及び／又は定量的に分析するための種々の表面又はバルク分析機器（分光計）を含む。場合によっては、システムは、基板、又はこの基板上に形成される薄膜の曲率を測定するためのたわみ計を含む。曲率は、場合によっては、基板又は薄膜内の応力に関連する（例えば、応力を受ける薄膜は凹状又は凸状になる）。

反応チャンバ内のサセプタ上にシリコン基板が提供され、シリコン基板上に転位密度維持バッファ層が形成される。転位密度維持バッファ層は、窒化アルミニウム層、このＡｌＮ層に隣接する窒化アルミニウムガリウム、及びこの窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む。

サセプタが約８５０℃の温度になっている状態で、バッファ層は、シリコン基板をＴＭＡ及びＮＨ_３に暴露し、シリコン基板上にＡｌＮ層を形成することによって形成される。ＡｌＮ層は約０．４マイクロメートル（「μｍ」）の厚さを有する。次に、サセプタが約８５０℃の温度になっている状態で、ＡｌＮ層はＴＭＡ、ＴＭＧ及びＮＨ_３に暴露され、ＡｌＮ層上に窒化アルミニウムガリウム層を形成する。窒化アルミニウムガリウム層は約０．７μｍの厚さを有する。次に、サセプタが約８５０℃の温度になっている状態で、窒化アルミニウムガリウム層はＴＭＧ及びＮＨ_３に暴露され、約２．５μｍの厚さのＧａＮ層を形成する。成長温度において、基板は約５ｍの曲率半径（絶対値）を有する。室温まで冷却すると、基板は、５０ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する。

文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、明細書及び特許請求の範囲全体を通じて、単数又は複数を用いた語はそれぞれ複数又は単数も含む。加えて、語「本明細書において」、「以下に」、「上記の」、「下記の」、及び同様の意味の語は、本出願を全体として指しており、本出願のいずれかの特定の部分を指すものではない。語 「又は」が２つ以上の項目のリストに関して用いられる場合、その語は以下の語の解釈のすべて（リストの中の項目のいずれか、リストの中の項目のすべて及びリストの中の項目のあらゆる組み合わせ）を範囲に含む。

特定の実装が示され、説明されているが、種々の修正がそれらになされてよく、本明細書において企図されていることを上記のことから理解されたい。本発明は、本明細書内で提供される特定の例によって限定されるように意図されてもいない。本発明は上述の明細書に関連して説明されているが、本明細書における本発明の実施形態の説明及び図表は、限定の意味で解釈されるように意図されるものではない。更に、本発明の態様はすべて、様々な条件及び変数に依存する本明細書において説明されている特定の描写、構成又は相対比率に限定されるものではないことを理解されたい。本発明の実施形態の形状及び細部の種々の修正が当業者には明らかであろう。したがって、本発明はこのような修正物、変形物及び同等物もすべて範囲に含むことが企図されている。

Claims (51)

1. 窒化アルミニウムガリウム層、及び前記窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含むバッファ層と、
   前記バッファ層に隣接する発光スタックであって、前記発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を含む、発光スタックと、
   を備え、
   前記バッファ層及び前記発光スタックの結合厚さは、５マイクロメートル（μｍ）以下である、発光素子。
2. 前記バッファ層は、シリコン基板に隣接する、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記バッファ層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を更に含む、請求項１に記載の発光素子。
4. ４．前記ＡｌＮ層は、前記シリコン基板に隣接し、前記ＧａＮ層は、前記発光スタックに隣接する、請求項３に記載の発光素子。
5. 前記結合厚さは、３μｍ以下である、請求項１に記載の発光素子。
6. 前記発光素子は、５０ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する、請求項１に記載の発光素子。
7. 窒化アルミニウムガリウム層、及び前記窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム（ＧａＮ）層を含むバッファ層と、
   前記ＧａＮ層に隣接する発光スタックであって、前記発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を有する、発光スタックと、を備え、
   前記バッファ層の曲率半径の絶対値は、５０ｍよりも大きい、発光素子。
8. 前記バッファ層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を更に含む、請求項７に記載の発光素子。
9. 前記バッファ層は、シリコン基板に隣接する、請求項７に記載の発光素子。
10. 前記バッファ層及び前記発光スタックの結合厚さは、約５マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項７に記載の発光素子。
11. 前記バッファ層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する、請求項７に記載の発光素子。
12. バッファ層であって、
    ｉ）ＡｌＮ層に隣接する圧縮歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、ただし、ｘは０〜１の数、及び
    ｉｉ）前記歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する圧縮歪み付与窒化ガリウム（ＧａＮ）層、を備えるバッファ層と、
    前記バッファ層に隣接する発光スタックであって、前記発光スタックは、ｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層、並びに前記ｎ−ＧａＮとｐ−ＧａＮ層との間の活性層を有し、前記活性層は電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される、発光スタックと、を備える、発光素子。
13. 前記バッファ層は、引張歪み付与窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を更に含む、請求項１２に記載の発光素子。
14. 前記引張歪み付与ＡｌＮ層に隣接する電極を更に備える、請求項１３に記載の発光素子。
15. 前記バッファ層又は前記発光スタックに隣接する基板を更に備える、請求項１２に記載の発光素子。
16. 前記基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料及び金属材料からなる群から選択される材料で形成される、請求項１５に記載の発光素子。
17. 前記バッファ層及び前記発光スタックの結合厚さは、約５マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項１２に記載の発光素子。
18. 前記歪み付与ＡｌＮ層の厚さは、約１マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項１２に記載の発光素子。
19. 前記歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層の厚さは、約１マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項１２に記載の発光素子。
20. 前記歪み付与ＧａＮ層の厚さは、約４マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項１２に記載の発光素子。
21. 前記ｎ−ＧａＮ層は、前記歪み付与ＧａＮ層に隣接する、請求項１２に記載の発光素子。
22. 前記バッファ層の厚さは、約５マイクロメートル（μｍ）以下である、請求項１２に記載の発光素子。
23. 前記歪み付与ＧａＮ層は、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する、請求項１２に記載の発光素子。
24. 前記発光スタックは、約１×１０^８ｃｍ^−２〜２×１０^１０ｃｍ^−２の欠陥密度を有する、請求項１２に記載の発光素子。
25. 前記欠陥は、前記バッファ層内の転位から生じるＶ字状欠陥である、請求項２４に記載の発光素子。
26. 前記発光スタックに隣接する電極を更に備える、請求項１２に記載の発光素子。
27. 前記歪み付与Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層に隣接する歪み付与Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層、ただし、ｙは０〜１の数、を更に備える、請求項１２に記載の発光素子。
28. 発光スタックに隣接するバッファ層であって、前記発光スタックは電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を有し、前記活性層はｎ形窒化ガリウム層及びｐ形窒化ガリウム層を有する、バッファ層を備え、
    前記バッファ層は、５０ｍよりも大きい曲率半径（絶対値）を有する、発光素子。
29. 前記バッファ層は、アルミニウム、ガリウム及び窒素を含み、前記バッファ層は、窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの間で組成的に傾斜している、請求項２８に記載の発光素子。
30. 反応チャンバ内の基板の上に、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を有する発光スタックを形成する工程を備え、
    前記発光スタックは、窒化ガリウム（ＧａＮ）層に隣接して形成され、
    前記ＧａＮ層は、窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、前記ＧａＮ層内に欠陥を形成するように選択されたプロセス条件の下で形成され、
    前記窒化アルミニウムガリウム層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層に隣接して、前記窒化アルミニウムガリウム層内に欠陥を形成するように選択されたプロセス条件の下で形成され、
    前記ＡｌＮ層は、前記基板に隣接して、前記ＡｌＮ層内に欠陥を形成するように選択されたプロセス条件の下で形成される、発光素子形成方法。
31. 前記基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料及び金属材料からなる群から選択される材料で形成される、請求項３０に記載の方法。
32. 前記発光スタックは、前記ＧａＮ層内の転位から生じるＶ字状欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される、請求項３０に記載の方法。
33. 前記ＧａＮ層は、前記ＧａＮ層内に圧縮歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される、請求項３０に記載の方法。
34. 前記窒化アルミニウムガリウム層は、前記窒化アルミニウムガリウム層内に圧縮歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される、請求項３０に記載の方法。
35. 前記ＡｌＮ層は、前記ＡｌＮ層内に引張歪みを発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成される、請求項３０に記載の方法。
36. 前記プロセス条件は、反応空間チャンバ、前駆体流量、キャリアガス流量及び成長温度からなる群から選択される、請求項３０に記載の方法。
37. 前記欠陥は、転位である、請求項３０に記載の方法。
38. （ａ）反応チャンバ内に基板を提供する工程と、
    （ｂ）前記基板に隣接して、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を、前記ＡｌＮ層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、
    （ｃ）前記ＡｌＮ層に隣接して、窒化アルミニウムガリウム層を、前記窒化アルミニウムガリウム層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、
    （ｄ）前記窒化アルミニウムガリウム層に隣接して、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を、前記ＧａＮ層内に欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程と、 を備える、発光素子形成方法。
39. （ｅ）前記ＧａＮ層に隣接して、発光スタックを、前記ＧａＮ層内の転位から生じるＶ字状欠陥を発生させるように選択されたプロセス条件の下で形成する工程を更に備える、請求項３８に記載の方法。
40. 前記窒化アルミニウムガリウム層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、ただし、ｘは０〜１の数である、請求項３８に記載の方法。
41. 前記窒化アルミニウムガリウム層と前記ＧａＮ層との間に追加の窒化アルミニウムガリウム層を形成する工程を更に備える、請求項３８に記載の方法。
42. 前記ＧａＮ層に隣接して発光スタックを形成する工程を更に備え、
    前記発光スタックは、電子及び正孔の再結合時に光を発生するように構成される活性層を含む、請求項３８に記載の方法。
43. 前記発光スタックが、ｎ形窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層、ｐ形窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層、及び前記ｎ−ＧａＮ層と前記ｐ−ＧａＮ層との間の前記活性層を含む、請求項３８に記載の方法。
44. 前記ｎ−ＧａＮ層は、前記ＧａＮ層に隣接する、請求項４３に記載の方法。
45. 基板に隣接する複数の層を形成する工程であって、前記複数の層は、
    ｉ）前記基板に隣接する窒化アルミニウム層、ｉｉ）前記窒化アルミニウム層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）前記窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む、複数の層を形成する工程を備え、
    前記複数の層のそれぞれの前記形成の間、前記複数の層の個々の層が、前記個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される、発光素子形成方法。
46. 前記基板は、シリコン、ゲルマニウム、酸化珪素、二酸化珪素、酸化チタン、二酸化チタン、サファイア、炭化珪素（ＳｉＣ）、セラミック材料及び金属材料からなる群から選択される材料で形成される、請求項４５に記載の方法。
47. 前記窒化アルミニウム層の前記形成の間、前記窒化アルミニウム層が、前記窒化アルミニウム層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる引張歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される、請求項４５に記載の方法。
48. 前記窒化アルミニウムガリウム層の前記形成の間、前記窒化アルミニウムガリウム層が、前記窒化アルミニウムガリウム層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる圧縮歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される、請求項４５に記載の方法。
49. 前記窒化ガリウム層の前記形成の間、前記窒化ガリウム層が、前記窒化ガリウム層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる圧縮歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される、請求項４５に記載の方法。
50. 前記複数の層の前記個々の層は、前記個々の層の成長温度において前記個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる歪みを有する、請求項４５に記載の方法。
51. 基板を保持するための反応チャンバと、
    前記反応チャンバと流体結合し、前記反応チャンバをパージ又は排気するように構成されるポンプシステムと、
    前記基板に隣接するバッファ層の形成方法を実装する機械可読コードを実行するためのプロセッサを有するコンピュータシステムと、を備える、発光素子形成システムであって、前記方法は、
    前記基板に隣接する複数の層を形成する工程であって、前記複数の層は、ｉ）前記基板に隣接する窒化アルミニウム層、ｉｉ）前記窒化アルミニウム層に隣接する窒化アルミニウムガリウム層、及びｉｉｉ）前記窒化アルミニウムガリウム層に隣接する窒化ガリウム層を含む、複数の層を形成する工程、を含み、
    前記複数の層のそれぞれの前記形成の間、前記複数の層の個々の層が、前記個々の層の厚さの増大に伴い非ゼロとなる歪みを有するように１つ以上のプロセスパラメータが選択される、発光素子形成システム。