外延生長缺陷控制結構、包含缺陷控制結構的發光器件及其製造方法

2023-04-29 15:30:51

專利名稱：外延生長缺陷控制結構、包含缺陷控制結構的發光器件及其製造方法
技術領域：
本發明一般地涉及包含納米顆粒的半導體材料和含有該半導體材料的發光器件；特別是涉及三族氮化物外延生長的缺陷控制結構、包含缺陷控制結構的三族氮化物發光器件、及其製造方法。
背景技術：
三族氮化物化合物半導體包括氮化銦(InN)，氮化鎵(GaN)，氮化鋁(AlN)以及它們的三元和四元化合物，其能帶寬度從O. 7eV到6. 2eV連續可調，覆蓋整個可見光譜，是製作可見光發光器的完美材料系統。可見光發光器可以應用到裝飾、顯示器和通用照明上。氮化鎵(GaN)系具有銦鎵氮(InGaN)激活區的藍光、綠光和白光的發光二極體(LED)儘管已經商業化了，但在被廣泛應用到通用照明領域之前，其流明效率仍需要進ー步提高。ー種提高流明效率的方法是通過降低發光二極體中的材料缺陷密度來提高發光二極體的內量子效率。由於氮化鎵是異質外延在諸如藍寶石、矽、或者碳化矽的異質襯底上，現有氮化鎵基LED結構飽受材料缺陷的影響，例如其位錯密度超過IO8CnT2。另外ー個提高流明效率的方法是通過實施量子點類型的激活區來提高發光二極體的內量子效率，因為量子點內受約束的載流子具有最高的輻射複合率。現有技術中發明了用橫向外延生長(ELOG)方式來降低氮化鎵層中位錯密度的方法。橫向外延生長(ELOG)エ藝包含在一個反應器中於ー異質襯底上沉積氮化鎵模板層,在另ー個反應器中於氮化鎵模板層上形成生長掩模，再在第三個反應器中於掩模過的模板層上重新生長GaN。氮化鎵在蓋有掩模的模板層上的初始生長具有選擇性外延生長行為。也就是說，生長開始在沒有掩模的地方進行，在有掩模的地方被禁止。當在沒有掩模的地方的生長達到了一定的厚度吋，GaN的橫向生長開始發生，最終完成在有掩模地方的完整的橫向生長。橫向生長區具有更少的位錯密度。ELOG的例子可以在美國專利7，361，576及其相關文獻中找到。同樣的，美國專利7，772，585通過引入生長掩模(非原位成形的)來控制生長小面以降低位錯。在此，美國專利7，361，576和7，772，585的內容被整體引用來作為參考。所需要的是ー種更有效的、更經濟的方法，來降低氮化鎵基材料的位錯密度、提高銦鎵氮基激活層的內部量子效率。

發明內容
通過原位引入納米顆粒到外延層中，本發明提供一種成本效益好的方法來降低諸如三族氮化物層的半導體外延層中的位錯或其他缺陷。通過原位引入納米顆粒到發光器件的缺陷控制層、N型層、P型層、量子阱、或其他層中的至少ー個中，本發明提供一種成本效益好的方法來降低諸如發光二極體(LED)的發光器件中的位錯或其他缺陷。
本發明的一方面提供一種發光器件，該發光器件包含其中分配有納米/顆粒的缺陷控制層和形成在該缺陷控制層上的發光器件結構，其中所述納米顆粒是在所述缺陷控制層形成過程中被原位分配到所述缺陷控制層中的。該發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，其中該N型層作為一個單獨的層或者作為所述缺陷控制層的組成部分形成在該缺陷控制層上。本發明的另ー個方面提供ー種形成發光器件的方法，包含提供襯底；在反應器中於所述襯底上外延生長缺陷控制層，並且引入納米顆粒至所述反應器中，以便於將所述納米顆粒原位地分配到所述缺陷控制層中；以及在所述缺陷控制層上形成發光器件結構，所述發光器件結構中包含N型層、P型層 和夾在它們之間的激活區，且激活區包含ー個或多個量子阱以及與所述ー個或多個量子阱交替排列的ー個或多個量子壘。所述方法包括在所述缺陷控制層上外延生長形成N型層，所述N型層可以作為ー個單獨的層或者作為所述缺陷控制層的組成部分。本發明的另一方面提供一種發光器件，該發光器件包括發光二極體結構，該發光ニ極管結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，其中所述激活區包含ー個或多個量子阱，並且至少ー個量子阱含有在形成該量子阱時原位引入的納米顆粒。該發光器件還可以包含缺陷控制層，所述發光器件形成於所述缺陷控制層之上，所述缺陷控制層中分配有納米顆粒。本發明的另一方面提供ー種形成發光器件的方法，包含在反應器中提供襯底；在該襯底上形成發光器件結構，所述發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，激活區包含ー個或多個量子阱以及與所述ー個或多個量子阱交替排列的一個或多個量子魚;其中，在外延生長所述ー個或多個量子阱中的至少ー個量子阱時，將納米顆粒引入到所述反應器中，以至於納米顆粒被原位地分配到所述至少ー個量子阱中。該方法可以進一歩包含於所述襯底上外延生長ー缺陷控制層，當外延生長所述缺陷控制層時，將納米顆粒引入到所述反應器中，以便於納米顆粒被原位地分配到所述缺陷控制層中。本發明的另一方面提供一種發光器件，所述發光器件包括發光二極體結構，該發光二極體結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，其中該激活區包含ー個或多個量子阱，且至少ー個量子阱包含原位形成的氮化物納米顆粒。本發明的另一方面提供ー種形成發光器件的方法，包含在反應器中提供襯底；在該襯底上形成發光器件結構，其中所述發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，所述激活區包含ー個或多個量子阱以及與所述ー個或多個量子阱交替排列的ー個或多個量子壘；其中，形成所述發光器件結構包含以下步驟在所述反應器中氣相原位形成氮化物納米顆粒，且將所述氮化物納米顆粒沉積在至少ー個量子壘上；以及在所述沉積有氮化物納米顆粒的量子壘上外延生長至少ー個量子阱。本發明的另一方面提供一種用於半導體器件的缺陷控制結構，包含襯底；於所述襯底上外延生長的缺陷控制層，其中在外延生長所述缺陷控制層時納米顆粒被原位地分配到所述缺陷控制層中；以及在所述缺陷控制層上的外延層。本發明的另一方面提供ー種形成用於半導體器件的缺陷控制結構的方法，該方法 包含提供襯底；於反應器中在所述襯底上外延生長缺陷控制層，並且引入納米顆粒至所述反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述缺陷控制層中；以及在所述缺陷控制層上外延生長外延層。


所附各圖是用來幫助進一歩理解本發明，被結合入本發明且是本發明的一部分，用以說明本發明的實施例，並與下列說明一起來闡明本發明的原理，但是不意在限制本發明的範圍。圖中相同的附圖標記在全文中代表相同部件，並且ー個層可以代表具有相同功能的一組層。整個本說明書中，術語「氮化物」和「三族氮化物」可以替換使用。其中圖I示出根據本發明實施例的一個氣相外延過程。圖2示出根據本發明實施例的在氣相外延中的納米顆粒引入機制。圖3示出根據本發明的一方面高質量的氮化物層的形成。圖4示出根據本發明的一方面高質量的氮化物層的形成。圖5不出根據本發明的一方面的發光器件結構的橫截面結構。圖6示出根據本發明的一方面的薄膜垂直發光二極體的橫截面結構。圖7示出根據本發明的一方面的發光器件結構的橫截面結構。圖8不出根據本發明的一方面的發光器件結構的橫截面結構。
具體實施例方式根據本發明的一個實施例，三族氮化物層，例如GaN、InGaN和AlGaN層通過氣相外延形成。除了傳統的反應源，如金屬有機源三甲基鎵(TMG)、三甲基鋁(TMA)、三甲基銦(TMIn)和氮源氨氣(NH3)之外，還提供納米顆粒源，並且在預定時期內外延層的氣相外延生長過程中，納米顆粒也被引入到氣相外延反應室中。納米顆粒源中可以包含ニ氧化矽(SiO2)、氮化娃(SiNx)、ニ氧化鈦(TiO2)等納米顆粒。納米顆粒的尺寸或大小可以在1-1000納米(nm)的範圍之內，例如1-100,10-500,或50-400納米。納米顆粒通過載氣被運載到氣相外延反應器中，因此外延生長的氮化物層中包含被原位地摻入的納米顆粒。這樣從襯底-外延層界面延伸過來的位錯線會被那些納米顆粒阻擋，得到位錯密度顯著減少的高質量的氮化物層。根據本發明的另ー個實施例，SiO2、或SiNx、或TiO2等納米顆粒源和金屬有機源可以多次交替供應到氣相外延反應器中，例如交替供應1-50次，或者5-20次，形成含納米顆粒層/不含納米顆粒層的多層堆疊。這可以通過交替關閉納米顆粒源和有機金屬源來獲得，或者保持持續供給有機金屬源而只是周期性地只關閉納米顆粒源。穿透位錯被納米顆粒阻擋，使得納米顆粒以上得到高質量的氮化物材料層。形成在含納米顆粒的高質量氮化物層上的半導體器件如發光二極體(LED)會有更好的內部量子效率和光萃取效率，因為納米顆粒可以終止穿透位錯和增強光散射。根據本發明的有些實施例，SiO2, SiNx、TiO2等納米顆粒可以被引入到器件激活區的附近。例如，對於三族氮化物激活區來說，納米顆粒可以被原位引入到毗鄰於三族氮化物激活區的N型層和/或P型層，或毗鄰於三族氮化物激活區的N型層的一部分和/或P型層的一部分。這裡用到的術語「三族氮化物激活區」的意思是指激活區中的量子阱和量子壘是由三族氮化物組成。這些毗鄰於激活區的納米顆粒有利於激活區的光萃取效率。在根據本發明的有些實施例中，SiO2, SiNx、TiO2等納米顆粒可以在量子阱形成吋 被原位引入到ー個或多個量子阱中。這些納米顆粒把ニ維量子阱修正為零維度的量子點或量子碟，提高了發光器件的內量子效率。根據本發明的其他實施例，AlN、GaN、或AlGaN的氮化物納米顆粒或其它三族氮化物納米顆粒可以通過在反應器氣相中由有機金屬和氨氣氣相反應來原位形成，且在即將在量子壘上生長諸如三族氮化物量子阱的量子阱之前，這些氮化物納米顆粒原位沉積在諸如三族氮化物量子壘的量子壘上。這些納米顆粒把ニ維量子阱修正為零維度的量子點或量子碟，提高了發光器件的內量子效率。在現有技術中，氮化物的形成是通過把有機金屬源諸如三甲基鎵，三甲基鋁，三甲基銦和氨氣引入到氣相反應器中來獲得的，該氣相反應器可以是ー個金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器。這種外延生長氮化物層的傳統方法也在本發明中被用到。如圖I所示，裝入一村底或模板10於一反應器中，加熱到升高的溫度以適合外延生長。在本公開中，術語「模板」意思是指形成在襯底表面的、方便後續外延層沉積的至少ー個外延層。襯底10可以由具有所需晶向的藍寶石，碳化矽，矽，三族氮化物，神化鎵，磷化銦，鍺或其他適合的材料製成。外延模板可以是ー個或多個形成在襯底10上面的氮化物外延層。整個說明書中，在一襯底上直接形成的層往往也可以可選地直接形成在一襯底上的模板上。如圖I所示，有機金屬源通過流量控制機制I被引入到反應器中(貫穿整個本公開，無論何時提到引入一種源料到反應器中，也就是說ー種原料被引入到外延生長或沉積或氣相反應發生的反應器的反應室中。)，氫化物例如氨氣和矽烷通過流量控制機制2被引入到反應器中，因此任ー組分化合物AlInGaN層可以在襯底/摸板10上形成。流量控制機制可以由質量流量控制器、壓カ控制器、開/關閥門和控制計算機構成。根據本發明，除金屬有機源和氫化物源之外，納米顆粒可以通過流量控制機制3引入到反應器中。被注入到反應器中的納米顆粒可以是Si02、SiNx> TiO2等納米顆粒。納米顆粒的尺寸可以在1-1000納米的範圍內，例如1-100，10-500，或50-400納米。高純度的，例如99. 999%，納米顆粒可以從供應商那裡購買。較大尺寸的納米顆粒甚至微米顆粒，例如1000-4000納米，1000-2000納米，也可以被用在本發明的一些實施例中。這些納米顆粒的載氣可以是氫氣或者氮氣。一般來說，適合的納米顆粒具有非晶體結構或者具有與宿主外延層晶體結構明顯不同的晶體結構。例如兩者的晶格常數差別明顯大，比如晶格常數的差異大於15%，過高的外延生長表面能導致外延生長在能量上是不利於發生在納米顆粒之上的。對納米顆粒的形狀和大小的分布沒有特定的要求。所述納米顆粒最好是透明的，化學穩定和熱穩定的。納米顆粒的純度可以超過99. 9%，比如大於 99. 99%。根據本發明的ー個方面，可以改進商用MOCVD系統以便在氮化物外延生長時引入納米顆粒。圖2所示是ー個原料輸送系統的示意圖，包含納米顆粒引入流量控制機制3和有機金屬源引入流量控制機制I。N個不同有機金屬源被分別儲存在η個起泡器Bll到Bln中。在一定的起泡器溫度下，質量流量控制器(MFCs)和壓カ控制器(PCs)可以控制有機金屬源的輸送量。例如，MFC Mll和PC Pll聯合來一起控制第一個有機金屬源的配送。起泡器B31包含第一種納米顆粒。同樣的，儘管沒有在圖2中顯示，可以有起泡器B32到B3m包含m個不同種類的納米顆粒。MFC M31和Ml被用來控制傳送到反應器中的納米顆粒的量。MFC Ml通過控制流經MFC Ml的載氣給起泡器B31設定壓力。圖2顯示的源配送體系還包含很多數字開/關閥門(VI到V32)，用來控制源的開/關狀態。該設計確保只有高純度的氣體流經MFCsM31和Ml，避免任何可能的納米顆粒堵塞在MFCs或PCs中。傳統MOCVD系統和本發明中圖I-圖2所示MOCVD系統的差異在於，本發明MOCVD系統增加了納米顆粒引入 流量控制機制3。儘管如圖2實施例所示，在傳送進入到反應器之前，納米顆粒和有機金屬源混合在一起，在其他實施例中，在傳送進入到反應器之前納米顆粒可以和氫化物混合在一起，或者在另ー實施例中，納米顆粒可以在傳送管道中不和氫化物或者有機金屬源混合在一起，而是被単獨地注入到反應器中。圖3所示根據本發明的另一方面，外延生長期間利用納米顆粒減少位錯的機制。如圖所示，缺陷控制氮化物層21，比如氮化鎵層，沉積在襯底/模板層10上。層21在接近於襯底/模板層10的底部可能包含有高密度(> 5 X IO8CnT2)的位錯22。層21還包含圖3所示的分配在其中的納米顆粒111，其中大多數納米顆粒被分散在缺陷控制層21中；當納米顆粒在缺陷控制層21的外延生長開始時被引入到反應器中時，一些納米顆粒也可沉積在襯底/模板面10的表面。在其他實施例中，納米顆粒是直到預定厚度的缺陷控制層21已經生長在襯底/模板層10上才被引入反應器中，因此，沒有納米顆粒或有非常少的納米顆粒被沉積在襯底/模板層10的表面。參見圖2，納米顆粒的流量可以被MFCs M31和Ml控制。MFC Ml給起泡器B31設定壓力，以便載氣通過MFC M31和在起泡器B31中的納米顆粒徹底地混合。可以通過實驗最優化，確定並優化層21中納米顆粒的摻雜濃度以得到最好薄膜質量。在ー些MOCVD系統中，MFC Ml可以設定起泡器B31的壓カ在200-760託之間，並且MFC M31可以設定氫或者氮的流量在50-5000SCCm來得到層21中滿意的納米顆粒摻雜度。該納米顆粒可以由Si02、SiNx、TiO2等等組成,尺寸在1-1000納米的範圍內,例如1-100，10-500，或50-400納米。位錯22有巨大的機會終止在納米顆粒111。結果，缺陷控制層21的頂部具有明顯減少的位錯密度，優質的氮化物層比如氮化鎵層25通過在缺陷控制層21上的外延生長來獲得，較缺陷控制層21底部具有降低幾個數量級的位錯密度。在圖3中所示，層25和缺陷控制層21是在它們之間具有可區分的界面兩個分離的層。在其他實施例中，層25可以作為缺陷控制層21的一個組成部分，通過不引入納米顆粒111而延續缺陷控制層21的外延生長形成，這樣得到缺陷控制層21的下部包含納米顆粒111，缺陷控制層21的上部沒有納米顆粒而形成ー個高質量層25。圖3所示結構可以由ーMOCVD反應器製備，比如一裝配如圖2所示流量控制機制3的納米顆粒配送機制的傳統MOCVD反應器。在缺陷控制層21的外延生長過程中，納米顆粒111和其他源比如三甲基鎵、三甲基銦、三甲基鋁和氨氣被同時被引入到MOCVD反應器中。由圖2所示的流量控制機制3通過改變載氣的流速來調節氣相中納米顆粒的濃度，從而控制缺陷控制層21中的納米顆粒111的密度。納米顆粒可以以ー個不變的流速或一個不變的氣相濃度被引入到反應器中，以便納米顆粒均勻地摻入缺陷控制層21中。也可以通過改變流速或改變氣相濃度將納米顆粒引入反應器中，從而納米顆粒濃度沿缺陷控制層21的生長方向變化。該納米顆粒密度可以設計成沿缺陷控制層21的生長方向逐漸增加或減少。例如，取決於納米顆粒111的大小和層21的厚度，納米顆粒111可以有ー個在IO6-IOiciCnT2範圍內可控的密度。納米顆粒的尺寸越大，所需的納米顆粒的密度越小。同樣，缺陷控制層21越厚，所需的納米顆粒密度越小。例如，對於有ー個平均尺寸5納米的納米顆粒111來說，如果缺陷控制層21具有I微米厚度，則該納米顆粒111可以有5X 108-5X 109cm_2的密度。該缺陷控制層21的外延生長可以在已知的外延生長技術條件下進行。 在圖4所示的另ー實施例中，缺陷控制層21被重複使用多次。每次都是在缺陷控制層21的生長完畢後，關閉圖2所示數字閥門V31和V32以便源氣中不再含有納米顆粒。圖4所示每個缺陷控制層21都跟隨外延生長ー恢復層23，該恢復層23可以和缺陷控制層21由相同的材料形成(只是不含納米顆粒)。層21/層23的堆疊可以重複很多次，例如I到50次以便更好地降低位錯。在該實施例中，層21和層23的厚度可以分別在O. 01-0. 5微米的範圍內。在一些實施例中，所述納米顆粒的尺寸可以小於缺陷控制層的厚度。例如對於厚度分別為O. 01和O. 5微米的缺陷控制層21，納米顆粒的尺寸可以分別小於10和500納米。上述結構中的每ー缺陷控制層21定義了該完整缺陷控制層中的一子層。不同的子層可以包含有相同或不同平均尺寸的相同的或不同種類的納米顆粒。圖5所示的是應用了缺陷控制層21的發光結構。該發光結構可以是任何傳統的發光二極體結構。例如，形成在在缺陷控制層21之上的層25是ー N型層，可以由摻Si的GaN、AlGaN、或InGaN組成；激活區30可以是GaN/InGaN多量子阱；層40是ー P型層，並且可以是摻Mg的P型AlGaN、P型GaN，和/或P型InGaN。類似地，缺陷控制層21也可以由GaN、AlGaN、或InGaN組成。由於層21中的納米顆粒111的存在，大多數位錯會終止在層21中，從而形成高質量的外延層25和高質量的激活區30，這直接導致發光器件具有高內量子效率。在發光器件的另ー實施例中，単一的缺陷控制層21可以被如圖4所示的層21/層23的堆疊所代替。可以用本領域已知方法將圖5中的發光結構製作成合適的發光器件。在一些實施例中(沒有在圖中顯示)，圖5所示的結構可以被製作成具有橫向幾何結構的發光二極體(LEDs)，橫向LED的特徵是P型和N型接觸同在在襯底/模板層10的相同一側。在其他實施例中，圖5所示發光結構可以被製作成垂直幾何結構的薄膜LED，發光結構被粘貼到另一襯頂70而原有襯底/模板層10被剝離，見圖6。參考圖6，透明導電層50，例如供電流擴展的P型電流擴展層，形成在P型層40上。層50可以是透明金屬層比如鎳/金、氧化鎳/金，或者是透明導電的氧化物層，比如氧化鋅(ZnO)、氧化銦錫(ITO)。層50可以是單層或多層。在透明導電層50上是導電反光器/鏡60，它可以由銀(Ag)、鋁(Al)，或金屬化材料層如氮化鋯(ZrN)和氮化鉿(HfN)組成。與層50 —起作用，導電反射器/鏡60在可見光光譜區優選具有大於90%的反射率。
襯頂70優選具有優異的導熱、導電性。製作襯頂70的材料可以從銅，鉬，鈀，鎳，銀，金，鋁，鈷，鎢，鑰，矽，和它們的合金中選擇。考慮到優異的導熱和導電性能以及商業可行性，襯頂70的材料優選是銅或銅的合金。最後，如圖6所示，在襯頂70上面形成接觸墊82，比如一 P接觸電極墊，並且在層21上形成N型接觸電極墊81。在一些實施例中，應用本領域的已知方法，N型接觸層和接觸墊81可以形成在層25上。圖6所示的垂直薄膜發光二極體可以根據現有技術製造，比如已經公開的美國專利7，781，247和專利申請12/953,290。這裡整體引用美國專利7，781，247和專利申請12/953，290作為參考文獻。在圖6中，缺陷控制層21也可以提高光萃取效率，因為納米顆粒111與層21所用材料具有不同的折射率。納米顆粒111可以加強光的散射和提高層21中的光從光密介質到周圍介質的出射機率。

此外，如圖6所示，在缺陷控制層21的暴露面上或接近於該面的納米顆粒111可以被移除，例如，通過氫氟酸的化學蝕刻，留下的空隙111』其折射率等於1，其和層21的折射率形成最強烈的對比，大大地增強了光萃取效率。合適的納米顆粒也可以被引入到臨近發光區30的各層中。如圖7所示的實施例，納米顆粒被包含在激活區30的上面、下面或上下兩臨近層裡。應用關於圖3所描述的方法和如圖1、2所示的系統，激活區30的下面層N型層26和上面層P型層41在形成時被分別原位引入了納米顆粒112和113。N型層26和P型層41的厚度都可以在O. I到I. O微米之間。納米顆粒112和113的尺寸可以在1-1000納米之間，例如在1-100，10-500，或50-400納米之間，具有IO8-IOltl釐米_2的密度。在一些實施例中，所述納米顆粒的尺寸可以小於上述N型層和P型層的厚度。例如對於厚度分別為O. I和I. O微米的N型層26，納米顆粒的尺寸可以分別小於100和1000納米。圖7所示的實施例可以更進一步增強光萃取效率。在本發明的其他實施例中，納米顆粒也可以被精確的控制和應用到量子阱中。如圖8所示，納米顆粒114被摻入到ー個或多個量子阱32中。在這些實施例中，納米顆粒114可以是Si02、SiNx、TiO2等納米顆粒，其尺寸可為1-10納米，密度為IO8-IO12釐米-2。納米顆粒114把量子阱32改變成量子點或量子碟32』，這可大大增強載流子的輻射複合機率，提高器件的內量子效率。利用結合圖3所描述的方法和圖1、2所示的系統，納米顆粒114可以在量子阱32外延生長時被原位地引入到ー個或多個量子阱32中。在其他實施例中，納米顆粒114也可以是由AlN、GaN、AlGaN或InGaN組成的氮化物納米顆粒。氮化物納米顆粒114可以正好在形成量子阱32前於氣相中在反應室內原位形成。氣相中原位形成的氮化物納米顆粒114的尺寸可以為1-10納米。在量子壘31生長完成之後，反應器中的生長條件被改變成適合在氣相中形成氮化物納米顆粒的氣相反應的條件，然後氣相反應生成的氮化物納米顆粒被沉積在量子壘31上。適合金屬有機物和氨氣產生氣相反應的生長條件包括高生長壓力，高生長溫度，高氨氣分壓，和低氣體流速，這都在現有技術中廣為人知。在個實施例中，納米顆粒114為含招的氣化物納米顆粒。原位氣相形成含鋁氮化物納米顆粒114的反應條件如下反應器的壓カ增加到500-760乇，生長溫度升高到750-850攝氏度，反應器中的氨氣分壓增加例如到450-700乇。然後在短時間(5-10秒)內以5-50微摩爾每分鐘的流速引入金屬有機物，含鋁的納米顆粒氣相中原位形成，且沉積在量子壘31上，從而在量子壘31的表面形成納米顆粒114。然後反應器中的生長條件轉回到適合量子阱的外延生長條件，且量子阱32外延生長在已經沉積了氮化物納米顆粒的量子壘31表面上。原位形成的氮化物納米顆粒也可以用以上述描述的相似的方式，沉積在襯底或模板層10上、缺陷控制層21上、恢復層23上、η型層25上，以及其他適合的層上。在圖8所示的實施例中，發光器件具有包含納米顆粒114的量子阱和包含納米顆粒111的缺陷控制層21，從而來獲得更好的器件量子效率。根據本發明其它實施例，發光器件可以具有包含納米顆粒114的量子講、包含納米顆粒111的缺陷控制層21、包含納米顆粒112的N型層26和/或包含納米顆粒113的P 型層41。
權利要求
1.一種發光器件包含 缺陷控制層，具有分配在其中的納米顆粒；以及 發光器件結構，形成在所述缺陷控制層上， 其中，所述納米顆粒是在所述缺陷控制層形成過程中被原位分配到所述缺陷控制層中的。
2.根據權利要求I所述的發光器件，其中所述發光器件結構中包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，且該N型層作為一個單獨的層或者作為所述缺陷控制層的組成部分形成在所述缺陷控制層上。
3.根據權利要求2所述的發光器件，進一步包含夾在激活區和所述N型層之間的另一N型層，其中該另一 N型層作為一個單獨的層或者作為所述N型層的組成部分形成在所述N型層上，並且納米顆粒被分配到所述另一 N型層中。
4.根據權利要求2所述的發光器件，進一步包含夾在激活區和所述P型層之間的另一P型層，其中所述另一 P型層和所述P型層形成為兩個單獨的層或者形成為一個整體層，並且納米顆粒被分配到所述另一 P型層中。
5.根據權利要求2所述的發光器件，其中所述激活區包含一個或多個量子阱且所述一個或多個量子阱中的至少一個包含納米顆粒。
6.根據權利要求I所述的發光器件，其中所述納米顆粒的尺寸在10-500納米的範圍內。
7.根據權利要求I所述的發光器件，進一步包含襯底或模板層，用以在其上形成所述缺陷控制層。
8.一種形成發光器件的方法包含 提供襯底； 在反應器中於該襯底上外延生長缺陷控制層，且引入納米顆粒到該反應器中以便原位分配所述納米顆粒到所述缺陷控制層中；以及 在所述缺陷控制層上形成發光器件結構，其中所述發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，且所述激活區包含一個或多個量子阱以及與所述一個或多個量子阱交替排列的一個或多個量子壘。
9.根據權利要求8所述的方法，包含在所述缺陷控制層上外延生長所述N型層作為一個單獨的層或作為所述缺陷控制層的組成部分。
10.根據權利要求9所述的方法，進一步包含 在所述N型層上外延生長另一 N型層，且引入納米顆粒到該反應器中，以便於原位分配所述納米顆粒到所述另一 N型層中，其中所述另一 N型層作為一個單獨的層或作為所述N型層的組成部分形成在所述N型層上。
11.根據權利要求8所述的方法，包含 在所述激活區上外延生長另一P型層且當外延生長所述另一P型層時引入納米顆粒到該反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述另一 P型層中，其中所述P型層作為一個單獨的層或作為所述另一 P型層的組成部分形成在所述另一 P型層上。
12.根據權利要求8所述的方法，包含當外延生長所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱時，引入納米顆粒到該反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述至少一個量子講中。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述納米顆粒選自氧化矽(Si02)、氮化矽(SiNx)、氧化鈦(TiO2)，或它們的混合物，並被供應到該反應器中。
14.根據權利要求8所述的方法，包含 在該反應器的氣相中形成氮化物納米顆粒，且在所述一個或多個量子壘中的至少一個量子壘上沉積所述氮化物納米顆粒；以及 在沉積有所述氮化物納米顆粒的所述量子壘上外延生長所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱。
15.根據權利要求8所述的方法，其中所述納米顆粒尺寸在10-500納米範圍內。
16.根據權利要求8所述的方法，進一步包含在外延生長所述缺陷控制層之前在所述襯底上形成一模板層。
17.—種發光器件包含 發光器件結構，包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，其中所述激活區包含一個或多個量子阱，並且所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱包含在該量子阱形成過程中被原位引入的納米顆粒。
18.根據權利要求17所述的發光器件，進一步包含缺陷控制層，所述發光器件結構形成於該缺陷控制層上，其中所述缺陷控制層中分散有納米顆粒。
19.根據權利要求18所述的發光器件，其中所述N型層作為一個單獨的層或作為所述缺陷控制層的組成部分形成於所述缺陷控制層上。
20.根據權利要求17所述的發光器件，進一步包含夾在所述激活區和所述N型層之間的另一 N型層，其中所述另一 N型層作為一個單獨的層或作為所述N型層的組成部分形成在所述N型層上，且納米顆粒被分配到所述另一 N型層中。
21.根據權利要求17所述的發光器件，進一步包含夾在所述激活區和所述P型層之間的另一 P型層，其中所述P型層和所述另一 P型層形成為兩個單獨的層或形成為一個整體層，且納米顆粒被分配到所述另一 P型層中。
22.根據權利要求17所述的發光器件，所述至少一個量子阱包含的所述納米顆粒的尺寸在1-10納米的範圍內。
23.一種形成發光器件的方法包含 在反應器中提供襯底； 於所述襯底上形成發光器件結構，其中所述發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，且所述激活區包含一個或多個量子阱以及與所述一個或多個量子阱交替排列的一個或多個量子魚， 其中當外延生長所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱時，引入納米顆粒到該反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述至少一個量子阱中。
24.根據權利要求23所述的方法，進一步包含在所述襯底上外延生長一缺陷控制層，且當外延生長所述缺陷控制層時引入納米顆粒到該反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述缺陷控制層中。
25.根據權利要求24所述的方法，其中所述N型層作為一個單獨的層或作為所述缺陷控制層的組成部分外延生長在所述缺陷控制層上。
26.根據權利要求23所述的方法，進一步包含 在所述N型層上外延生長另一 N型層，且當外延生長所述另一 N型層時引入納米顆粒到該反應器中，以便於原位分配所述納米顆粒到所述另一 N型層中，其中所述另一 N型層作為一個單獨的層或作為所述N型層的組成部分形成在所述N型層上。
27.根據權利要求23所述的方法，進一步包含在所述激活區上外延生長另一P型層且當外延生長所述另一 P型層時引入納米顆粒到該反應器中，以便所述納米顆粒被原位分配到所述另一 P型層中，其中所述P型層作為一個單獨的層或作為所述另一 P型層的組成部分形成在所述另一 P型層上。
28.—種發光器件包含 發光器件結構，包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，其中所述激活區包含一個或多個量子阱且所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱包含原位形成的氮化物納米顆粒。
29.一種形成發光器件的方法包含 在反應器中提供襯底； 於所述襯底上形成發光器件結構，其中所述發光器件結構包含N型層、P型層和夾在它們之間的激活區，且所述激活區包含一個或多個量子阱以及與所述一個或多個量子阱交替排列的一個或多個量子壘； 其中形成所述發光器件結構包含 在該反應器中氣相原位形成氮化物納米顆粒，且將所述氮化物納米顆粒沉積在所述一個或多個量子壘的至少一個量子壘上；及 在沉積有所述氮化物納米顆粒的所述量子壘上外延生長所述一個或多個量子阱中的至少一個量子阱。
30.一種用於半導體器件的缺陷控制結構包含 襯底； 於所述襯底上外延生長的缺陷控制層，其中在外延生長所述缺陷控制層時，納米顆粒被原位分配到所述缺陷控制層中；以及 在所述缺陷控制層上的外延層。
31.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述納米顆粒在所述缺陷控制層外延生長時被原位分配到所述缺陷控制層。
32.根據權利要求31所述的缺陷控制結構，其中所述缺陷控制層包括多個子層，所述納米顆粒被分配到所述缺陷控制層的一個或多個所述子層中。
33.根據權利要求32所述的缺陷控制結構，其中所述納米顆粒被均勻地分配到所述缺陷控制層的一個或多個子層中的每個子層中。
34.根據權利要求33所述的缺陷控制結構，其中所述納米顆粒的密度在所述缺陷控制層的不同子層中是不同的。
35.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述納米顆粒的大小在10-1000納米範圍內。
36.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述納米顆粒選自二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)、二氧化鈦(TiO2)，或它們的混合物。
37.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，進一步包含形成在所述外延層上的半導體器件。
38.根據權利要求37所述的缺陷控制結構，其中所述半導體器件是發光二極體(LED)。
39.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述襯底由藍寶石、矽、碳化矽、砷化鎵、氮化鎵，氮化鋁、尖晶石、氧化鋅、金剛石、石英、玻璃、氮化鋁陶瓷、鑰或石墨製成。
40.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述外延層是三族氮化物層。
41.根據權利要求30所述的缺陷控制結構，其中所述缺陷控制層和所述外延層是由相同的材料製成的，且以連續的步驟原位一體成型。
42.一種形成用於半導體器件的缺陷控制結構的方法包含 提供襯底； 在反應器中於所述襯底上外延生長缺陷控制層，且引入納米顆粒到所述反應器中，以便原位分配所述納米顆粒到所述缺陷控制層中；以及在所述缺陷控制層上外延生長外延層。
43.根據權利要求42所述的方法，其中通過在預先設定的所述缺陷控制層的一個或多個外延生長階段引入所述納米顆粒到外延反應器中，所述納米顆粒被分配到所述缺陷控制層的一個或多個子層。
44.根據權利要求42所述的方法，其中以所述納米顆粒氣相濃度隨所述缺陷控制層的外延生長時間增加或減少的方式引入所述納米顆粒到所述反應器中。
45.根據權利要求42所述的方法，其中所述納米顆粒在所述缺陷控制層已經外延生長到預定的厚度之後被引入到所述反應器中。
46.根據權利要求42所述的方法，其中所述納米顆粒在所述缺陷控制層外延生長的開始階段被引入到所述反應器中。
47.根據權利要求42所述的方法，進一步包含在所述外延層上形成發光器件。
48.根據權利要求42所述的方法，其中所述外延層與所述缺陷控制層在相同的外延生長步驟中通過連續外延生長並且中斷所述納米顆粒的供應而一體成型。
49.根據權利要求42所述的方法，所述外延層和所述缺陷控制層分別由三族氮化物組成。
50.根據權利要求1-7，17-22，28中任一所述的發光器件，其為三族氮化物發光二極體。
全文摘要
一種減少發光器件比如發光二極體(LED)中位錯或其它缺陷的方法，該方法通過原位引入納米顆粒到發光器件的缺陷控制層、N型層、P型層量子阱、或其他層中實現。還提供一種發光器件，且納米顆粒被原位引入到該發光器件的缺陷控制層、N型層、P型層量子阱中、或其他層中。
文檔編號H01L33/04GK102683525SQ201210031829
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月13日 優先權日2011年2月15日
發明者張劍平, 王紅梅, 閆春輝 申請人:亞威朗集團有限公司