具有二維波動組分激活層的發光器件及其製作方法

2023-10-29 02:33:12

專利名稱：具有二維波動組分激活層的發光器件及其製作方法
技術領域：
本發明與發光器件相關，具體而言，是具有二維QD)波動組分激活層的發光器件。
背景技術：
夾設在發光器件的N型層和P型層之間的激活層，在器件的量子效率上起著關鍵作用。提高對激活層中的非平衡載流子的量子限制，可以增加其輻射發光複合機率。在過去的幾十年中，激活層已經從三維(3D)發展到二維(2D)，甚至到一維和零維(1D、0D)。3D激活層是由一個沒有任何量子限制效應的準體材料構成，載流子可以三維自由擴散，因此電子-空穴的複合機率非常低。2D激活層通常在載流子注入方向上引進量子限制，一般是多量子阱(MQW)構造。ID和OD激活層跟2D激活層相比，在另一個和兩個方向上也引進量子限制，以量子線和量子點為其代表，電子-空穴複合機率隨著量子限制維數的增加而增加， 因此，OD或量子點激活層是低閾值雷射二極體和高內量子效率(IQE)發光二極體(LEDs)的首選激活層。在此前的文獻中，自組織量子點的形成都基於外延層中的應力。當外延層的晶格常數(aepi)大於襯底的晶格常數(asub)時，外延層表面傾向於不平整，以降低外延層-襯底系統的總自由能。當應力ε = (aepi-asub)/asub接近或大於3%時，會引發三維或島狀生長模式。利用島狀生長模式通過應力和生長時間的控制可以形成量子點。有關自組織量子點的形成可以參考美國專利7，618，905及其索引。另外，在此前文獻中，如林等人在應用物理快報97，073101 (2010)上發表的論文中，報導了在二維受限制的樣版層上直接沉積激活層。例如在納米柱體上沉積激活層，可以形成量子碟作為激活層。美國專利申請2007/0152353中也報導了在多孔GaN上直接沉積 hGaN量子阱，以獲得較佳發光效率。美國專利申請2009/0001416中也闡述了多孔GaN的粗化表面可以在InGaN沉積中增強銦含量，並認為在多孔洞GaN樣片上直接沉積InGaN超薄層可以獲得量子點效應，使得發光效率得以增強。在現有技術中多孔材料主要被研究應用於提高材料質量。例如美國專利 6，709，513中提出一種使用多孔陽極氧化鋁作為掩膜，以沉積高質量的GaN。用現有技術形成的多孔材料具有較差的垂直對準特性，即這些多孔材料的孔洞有較差的垂直連續性和整體性。在現有技術中，多孔材料的製作是通過電解方法如陽極氧化方法獲得。一般是將GaN、 SiC或Si晶圓置入電化學容器中充當陽極，在HF水溶液中通幾毫安到幾十毫安的電流以氧化陽極。為了增強陽極氧化反應，同時可以在刻蝕表面照射紫外光。孔洞的尺寸和密度可通過陽極電流控制。美國專利6，753，589及其中的參考文獻披露了多孔矽的形成方法，美國專利5，298, 767及其中的參考文獻披露了多孔碳化矽的形成方法，美國專利6，579，359， 7，462，893及其中的參考文獻披露了多孔氮化鎵的形成方法
發明內容
本發明提出一種新的在發光器件裡形成自組織量子點激活層的方法。一般來講， 本發明提出新的方法在生長表面引入溫度分布的二維波動，利用該生長溫度的二維波動形成二維組分波動的量子阱。更具體地說，就是利用銦組分對生長溫度的靈敏性來形成二維組分波動的量子阱的一種新途徑。為了達到這個目的，本發明也提出了形成具有微米或納米量級孔洞的多孔材料的方法。本發明一方面提供了一種發光器件，包括N型層、P型層、夾設於N型層、P型層之間的激活層，激活層包括至少一含銦量子阱層，該含銦量子阱層的銦組分在沉積激活層的沉積表面上波動，以及一襯底，其包括一第一表面，用於沉積夾設於N型層和P型層之間的激活層，並且襯底包括一實體部分和一多孔部分，其中多孔部分的孔洞使得在沉積含銦量子阱層時，沉積溫度沿沉積表面波動，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動。襯底的孔洞最好是沿垂直於沉積表面方向分布的連續孔洞。多孔部分的孔洞最好是直徑從200nm 10 μ m，空洞面密度從IO6 109cnT2，並且多孔部分的厚度在5 IOOym之間。多孔部分的孔洞最好對與襯底第一表面相對的第二表面開放。多孔部分可以優選粘貼在襯底的實體部分。多孔部分可以優選是作為一外延沉積爐裡的外延片託盤，在激活層沉積時託著襯底的實體部分。本發明另一方面提供了一種發光器件包括N型層、P型層、夾設於N型層、P型層之間的激活層，激活層包括至少一含銦量子阱層，而含銦量子阱層的銦組分在沉積激活層的沉積表面上波動，和一樣板層，其包括一第一表面，用於沉積夾設於N型層和P型層之間的激活層，及一沉積樣板層的襯底，樣板層包括一多孔部分，設置多孔部分的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時，溫度沿沉積表面波動，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動。樣板層的孔洞最好是沿垂直於沉積表面方向分布的連續孔洞。樣板層的厚度最好在1 10 μ m之間。樣板層最好由GaN，或者AWaN，或者InGaN構成。在一個示例中，樣板層的孔洞直徑從5nm 50nm，面密度從IO8 IO9CnT2。在另一個示例中，樣板層的孔洞直徑從0.2μπι Ιμπι，面密度從IO6 IO9CnT2。多孔部分的孔洞最好對與樣板層第一表面相對的第二表面開放，如果需要，也可對第一表面開放。根據本發明另一方面提供了一種製作發光器件的方法，包括在襯底上形成面密度為IO6 IO9CnT2之間的孔洞，在襯底上沉積一 N型層，在N型層上形成一至少包括一含銦量子阱層的激活層，並且含銦量子阱層的銦組分沿沉積激活層的表面波動，在激活層上沉積一 P型層，設置多孔部分的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時，溫度沿沉積表面波動，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動。在襯底上形成孔洞的步驟最好包括在襯底上形成一陽極氧化鋁掩膜，然後將襯底置於一掃描雷射束下，以在襯底上形成孔洞，之後去掉陽極氧化鋁掩膜。在襯底上形成孔洞的步驟最好包括通過納米光刻工藝在襯底上形成一掩膜，然後將該襯底置於離子注入裝置內，以在襯底上形成缺陷區，通過溼法化學刻蝕去掉缺陷區，以在襯底上形成孔洞，之後去掉掩膜。
離子注入最好包括從氫、氦、氮和氧離子中選擇離子，劑量不小於IO12cnT2,注入時間超過2分鐘，離子能量超過50KeV。根據本發明另一方面，一種製作發光器件的方法，包括在襯底上形成一面密度為 IO6 IO9CnT2的多孔樣板層，在樣板層上沉積一 N型層，在N型層上形成包括至少一含銦量子阱層的激活層，銦組分沿沉積激活層的表面波動，在激活層上沉積一 P型層，設置多孔樣板層的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時，溫度沿沉積表面波動，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動。形成多孔樣板層的步驟最好包括在襯底上沉積一樣板層，在樣板層上沉積一些含銦島，在樣板層和含銦島上覆蓋保護層，然後置於足夠的溫度下，以通過熱分離去掉含銦島和覆蓋在含銦島上的保護層，從而形成暴露部分樣板層的帶圖形的保護層(掩膜)，通過刻蝕氣體來刻蝕樣板層，以通過圖形保護層形成多孔樣板層。含銦島最好是直徑在5 50納米之間，面密度在IO8 IO9CnT2之間，由銦組分在 10% 50%的MGaN構成。保護層和含銦島最好置於不低於850°C的溫度下，以通過熱分離去掉含銦島和覆蓋其上的保護層。保護層的厚度最好在50 200納米之間。最好還包括一步形成一再沉積層，以封閉在刻蝕樣板層時打開的多孔樣板層的孔洞。保護層最好由氮化矽或二氧化矽構成。在刻蝕樣板層時，優選溫度在1000 1050°C之間，刻蝕時間在5 20分鐘之間， 刻蝕壓力在100 760乇，刻蝕氣體流量在5 50sccm。


所附各圖是用來幫助進一步理解本發明，是本發明的一部分，闡述本發明所包含的內容，並與下列說明一起來闡明本發明的宗旨，通篇裡圖中相同數字是代表相同的組成部分，一個層可以代表具有相同功能的一組層。圖1顯示了本發明所述製作具有垂直對齊孔洞的多孔材料結構的方法；圖2A -2C顯示了本發明所述製作多孔材料結構的方法；圖3A 3G顯示了本發明所述製作多孔樣板層的方法；圖4顯示了沉積在具有垂直對齊孔洞的襯底上的發光結構；圖5顯示了在襯底的一面沉積的發光結構，而在襯底的另一面貼片上多孔材料；圖6顯示了在襯底上的多孔樣板層上沉積的發光結構；圖7顯示了在襯底上的多孔樣板層上沉積的發光結構；圖8是在具有垂直對齊孔洞的襯底上的多孔樣板層上沉積的發光結構。具體實施示例本發明提出利用合金化合物半導體的組分對溫度的靈敏依賴性，形成以自組織量子點為激活層的發光器件的新方法。含銦量子阱層如InGaN、InGaAs, InGaP的銦組分對沉積溫度非常敏感。在本發明中，在襯底、樣板層或發光器件中置於含銦激活層下的其它部分中引進多孔材料特性，利用多孔材料的實體部分和孔洞的熱導的不同，得到多孔材料中材料熱導的二維非連續性。根據本發明，在含銦激活層沉積表面下面及附近形成微米和/或納米量級的孔洞，這樣就在含銦激活層沉積表面以下(如襯底或樣板層中)形成熱導的二維不連續性，從而在適當的加熱條件下，在沉積表面形成對應於孔洞分布的溫度波動分布。本發明的原理可以應用於發光器件如LEDs、雷射二極體，也可以在理解該原理的基礎上靈活應用於光電二極體中。為了方便起見，本發明採用以^GaN為基礎的LEDs為例來闡述一些實施示例，但是要知道本發明並不局限於以InGaN為基礎的LEDs。圖1顯示了一種製作多孔材料結構的方法，所用材料可以從GaN、Si、SiC、藍寶石及類似材料中選擇，通過現有已知的方法，例如光刻掩膜版的方法，或者例如美國專利 6，139，713中所述(該專利在此全文引用)的方法，在襯底10』上形成具有高密度孔洞的陽極化氧化鋁掩膜25』，然後將覆蓋掩膜25』的襯底10』的表面置於高能量密度的雷射束 70'下，由於陽極化氧化鋁的非透明性，雷射能量可以通過掩膜25』的納米量級的孔洞而到達襯底10』，這樣可以通過雷射引起的氣化過程，在襯底10』中產生垂直對齊的連續孔洞， 掩膜25』的孔洞面密度可以大於106cm_2，或者大於108cm_2，或者甚至大於109cm_2，最好在 IO8CnT2 IO9CnT2之間，孔洞的平均直徑或尺寸可以在0. 2 10微米之間，襯底10』的多孔部分包含高密度微米或納米量級的孔洞101和實體側壁102，孔洞101的深度可以通過調節雷射束70』的能量和/或照射時間來調整，可以在5 100微米之間，例如，在一些示例中為5 10微米，而在另一些示例中為50 100微米。如果圖1中的襯底10』是由GaN或AlGaN構成，那麼掃描雷射束70』可以是Q開關 NchYAG脈衝雷射的3次諧波的355nm譜線，或者是KrF準分子雷射的248nm譜線，雷射束的脈衝寬度可以在5 50ns之間，能量密度在300 600mJ/cm2之間，另外，雷射束70』可以以一個脈衝或多個脈衝施加，襯底10』中的孔洞101有與掩膜25』的孔洞類似的密度和尺寸。圖2A 2C顯示了本發明所述製作多孔材料的另一種方法，在圖2A中，在襯底10 上通過納米光刻工藝形成掩膜25』，有關納米光刻工藝可參考美國專利7，604，903(該專利在此整體引用)，然後將帶掩膜25』的襯底10進行離子注入，離子束70通過掩膜25』被選擇性注入到襯底10中，產生如圖2B中所示的微米量級或納米量級高度損傷區域101』。為了增強對襯底10的選擇性損傷，可以在較高的溫度下進行離子注入，例如，將襯底10加熱到500°C時進行離子注入，在一些示例中，可以採用氫、氦、氮、氧及類似離子，以IO12CnT2的劑量(如IO12CnT2 IO15cm-2)、注入時間2分鐘以上(如1 60分鐘)和離子能量50KeV 以上(如20KeV 300KeV)來形成圖2B中所示的具有高度缺陷的微米量級或納米量級區域101』。損傷區域101』的深度和準直度可以通過離子注入參數如離子種類、離子劑量、離子能量、注入溫度和時間來優化。損傷區域101』可以通過化學刻蝕等方法去掉，例如通過KOH溶液刻蝕，相對於非損傷區域102，KOH溶液對區域101，有很強的選擇性刻蝕率，由於區域101，的高密度缺陷或非晶特性，101』中的材料會被KOH溶液選擇性地刻蝕掉，留下如圖2C中所示的由未被刻蝕的區域102和孔洞101所構成的含高密度垂直連續孔洞101的結構。掩膜25』的孔洞密度可以大於IO6CnT2，或者大於108cnT2，或者甚至大於109cnT2，最好在IO8CnT2 IO9CnT2之間，孔洞的平均直徑或尺寸在0. 2 10微米之間，襯底10』的孔洞101與膜25』的孔洞具有類似的密度和尺寸，孔洞101的深度可以通過改變離子注入和刻蝕條件如刻蝕時間和溫度來調節，可以在5 100微米之間，例如在一些示例中為5 10微米，而在另一些示例中為50 100微米。圖3A 3G顯示了一種原位形成多孔氮化物的過程。利用一個外延生長爐如 M0CVD，在襯底10上沉積樣板層22。襯底可由GaN、Si、SiC、藍寶石或類似材料構成，而樣板層可由GaN、AWaN、InGaN或類似材料構成，樣板層22的厚度在1 10微米之間。優化樣板層22的沉積條件，以獲得高質量的氮化物層，例如，保持在100 500乇之間的相對較低的生長壓力，以利於二維生長的進行，另外保持在950 1150°C之間的沉積溫度，不僅有利於二維生長的進行，而且降低汙染雜質的滲入。在形成樣板層22 (圖3A)後，將沉積溫度降至500 750°C和沉積壓力升至200 760乇，以利於含銦材料如InGaNjlInGaN及類似材料的三維島狀生長。在此生長條件下， 如圖3B所示，在樣板層22上形成含銦島23如高銦組分(10% 50InGaN或AlInGaN 島，這些含銦島23可以通過控制金屬有機物的流量和沉積時間，而做到直徑或尺寸在5 50納米之間，密度在IO8 1010αιΓ2之間。然後，最好原位形成，在樣板層22暴露的表面上及含銦島23的表面上(如圖3C 所示)形成保護層251如氮化矽或氧化矽，保護層251的厚度最好在50 200納米之間， 以充分覆蓋樣板層22暴露的表面。在圖3D中，襯底10被加熱到850°C以上，通過熱分解以去掉含銦島23和覆蓋島 23的保護層251，這是因為含銦島如InGaN島具有相對較低的分解溫度(對於銦組分大於 10%的InGaN，低於850°C )，這個過程在樣板層22的表面形成納米量級掩膜25如圖3D所示，這時，不要將襯底10加熱到過高溫度，以避免過度損壞保護層251的剩餘部分。在圖3E中，通過引進刻蝕氣體7(Γ如HCl，及維持刻蝕溫度在1000 1050°C之間， 這樣就形成如圖3F所示的垂直對齊的多孔中間樣板層22」』。在刻蝕過程中，要停止氨氣和其它金屬有機物的流入，以避免在表面殘留下任何金屬點滴。通常來說，通過控制HCl的流量、刻蝕時間、刻蝕溫度和刻蝕壓力，可以形成一個具有一定厚度和密度的垂直連續孔洞的多孔洞中間樣板層22」』，刻蝕溫度最好是1000 1050°C，刻蝕時間在5 20分鐘之間， 刻蝕壓力在100 760乇之間，HCl的流量在5 50sCCm之間，多孔中間樣板層22」』的孔洞密度是島23的複製，可以超過108cnT2，或者甚至超過109cnT2，最好在IO8CnT2 IO9CnT2之間，孔洞的平均直徑或尺寸可以在5 50納米之間，垂直連續孔洞的平均深度在1 10微米之間，在多孔中間層22」』中的垂直連續孔洞可以是如3F中暴露襯底10表面的貫穿的孔洞，或者是不暴露襯底10的非貫穿孔洞。在圖3G中，繼續沉積具有平坦表面修復層，以利於後續LED結構的沉積。如圖所示，修復層22」通過氮化物橫向生長，封閉了多孔中間樣板層22」』的孔洞口，修復層22」可以由GaN、InGaN, AlGaN或類似材料構成，可以使用與樣板層22相同或不同的材料構成，厚度可以在1 5微米之間，這樣形成的多孔樣板層22』，包括多孔中間樣板層22」』、納米掩膜25和修復層22」，由於在孔洞口處合併時缺陷彎曲效應，可以擁有降低的缺陷密度，也可以由於增強的光散射，而得到增強的出光效率。圖4是根據本發明的一個示例的橫截面圖，發光結構1包括至少一個N型層20、一個P型層40和一個夾設於其間的激活層30，該激活層30包括至少一個壘層31和至少一個阱層32。激活層30可以是多量子阱(MQW)結構，N型層20可以是矽摻雜的GaN、AKiaN或銦組分低於10%的低銦組分InGaN，P型層40可以是鎂摻雜的GaN、AWaN或銦組分低於10%的低銦組分InGaN，壘層31最好是矽摻雜的GaN或銦組分低於10%的低銦組分InGaN，阱層32最好是由InGaN構成。發光結構1位於具有多孔結構的襯底10』上，本發明的多孔襯底包含高密度孔洞，最好是垂直連續孔洞，並且由固體側壁分開，多孔部分的厚度d至少是襯底厚度D的十分之一，d也可以至少是D的五分之一，最好至少是D的三分之一。本發明中襯底的多孔部分包含高密度微米量級或納米量級的孔洞，沿與襯底表面相垂直的方向擴展，這些孔洞優選是不間斷連續向上擴展，孔洞的面密度可以大於106cm_2，或大於108cm_2， 或者甚至大於109cnT2。襯底10，上部的實體部分的厚度，也就是圖4中所示結構的D-d可以是D的十分之九到三分之一之間，襯底10』的孔洞的平均直徑可以在0. 2 10微米之間， 垂直連續孔洞101的平均深度在5 100微米之間，適合於本發明的襯底材料有GaN、SiC、 Si、藍寶石及類似材料。繼續參考圖1、圖2和圖4，將如此形成的多孔襯底10』清潔和乾燥後，放入MOCVD 反應爐。襯底10』的外延沉積表面可以是多孔的，例如孔洞101是穿透的孔洞(D = d)，然而如圖4所示的示例，優選孔洞不是穿透的，以得到的適於外延生長的平坦表面。襯底10』 被承載襯底的託盤加熱到合適的高溫，以沉積N型層20，如N型GaN層，沉積溫度通常在 950°C以上，此時溫度足夠高已經消除了由多孔襯底的熱導非均勻性而導致的溫度不均勻性。然而在含銦激活層30的沉積時，當託盤溫度降到如500 750°C時，多孔襯底10』的熱導非均勻性可以導致激活層沉積表面的二維溫度波動。在激活層沉積中，位於孔洞101上方表面的溫度可以比位於實體側壁102上方表面的溫度低1°C或更多。通過優化多孔部分的厚度d和孔洞密度可以調節從託盤傳到襯底10』的熱流。如果D-d接近D的話，就完全沒有二維溫度調節，如果D-d = 0，則具有最大的二維溫度調節，而且如果溫度太高，例如高於950°C，熱量可以通過傳導及輻射而傳到沉積表面，因此多孔襯底10』的不同熱導在二維溫度調節裡就起著較小作用，而如果熱量主要是通過託盤和多孔襯底10』傳導到沉積表面， 例如在500 750°C之間的溫度，則多孔襯底10』的二維熱導起伏在二維溫度調節裡就起著很大作用。由於含銦氮化物(如MGaN)的銦組分對生長溫度很敏感，這種在生長表面的二維溫度起伏可以影響含銦量子阱層32的銦含量，從而導致InGaN外延層具有二維波動組分。 在InGaN外延生長中，1°C的溫差可以導致InGaN層銦組分以上的差別，因此，圖4所示激活層30可以在量子阱層平面上具有微米或納米量級組分波動的^GaN量子阱層32，而在此意義上的量子阱層32就相當於量子點，可以獲得最高的發光效率。激活層30具有與襯底10』上孔洞101 二維分布相同或近似的組分波動結構這樣的激活層30提供了與此前量子阱相比更強的量子限制效應。儘管根據圖4中的示例，N型層20直接沉積在多孔洞襯底 10』上，但是類似地，P型層40可以直接沉積在襯底10』上，也就是說，P型層40、激活層30 和N型層20可以在多孔洞襯底10』上按序形成。在圖5中給出另外一種在沉積表面形成二維溫度波動的方法。襯底10被覆蓋或粘貼上具有較好熱導的多孔材料8，例如具有大於23W/m°C的熱導。多孔材料8可以是氧化鈹、碳化矽，矽、陽極氧化鋁或類似材料。多孔洞材料8由於多孔而產生熱導的二維非均勻性，這樣就在沉積InGaN量子阱32的沉積表面產生二維溫度非均勻性，從而引起InGaN量子阱32中銦組分的二維波動，對注入量子阱32的載流子提供除了量子壘31之外的量子限制。襯底10優選粘貼在多孔材料8的非多孔洞表面，襯底10和多孔材料8的厚度可以分別在50 100微米和50 200微米之間，儘管根據圖5中的示例，N型層20直接沉積在襯底10上，但是類似地，也可以將P型層40直接沉積在襯底10上。也就是說，P型層40、 激活層30和N型層20可以在多孔襯底10上按序形成。多孔洞材料8可以由圖1和2A 2C中所述方法製成。可以具有與圖1和2A 2C中所示類似的多孔結構，例如孔洞的尺寸或直徑從200納米 10微米，孔洞密度從IO6 109cm_2。圖5中的多孔材料8也可以是用於沉積LED而支撐襯底10的託盤，即該託盤一個具有微米或納米量級的多孔結構。例如孔洞的尺寸或直徑從200納米 10微米，孔洞密度從IO6 109cm_2，可以用於支撐襯底10，並且多孔洞部分可直接與襯底10接觸。根據本發明的另一個示例，垂直多孔結構也可以在如圖6所示的樣板層22，上形成。在圖6中，樣板層22』具有類似於圖1和2A 2C中的孔洞201和實體側壁202，可以由6鄉、或hGaN、或鋁組分低於10%的AlGaN構成，利用圖1或圖2A 2C中所述方法，在襯底上沉積的GaN、或AlGaN、或InGaN樣板層可以轉變成圖6所示的樣板層22』，也就是說，在襯底上沉積的樣板層可以通過納米光刻和材料去除機制如圖1中所示雷射燒蝕和圖2A 2C中所示離子注入及溼法化學刻蝕轉變成多孔洞樣板層22』，在沉積N型層20之前，在多孔洞樣板層22』上沉積平整層221』，最好厚度在1 5微米之間，以長平沉積表面而利於後續結構沉積。平整層221』可以由與樣板層22』相同或不同的材料構成。該多孔洞樣板層 22』的厚度可以在1 10微米之間，或在1 5微米之間，孔洞尺寸在0. 2 1微米之間， 多孔樣板層22，由於離激活層30很近，只有3 10微米，即平整層221，和N型層20的厚度之和，可以在沉積激活層30時，對沉積表面的溫度分布起著重要作用。該樣板層22』在沉積InGaN量子阱32的沉積表面產生二維溫度波動，從而引起D沉積表面InGaN量子阱32 中銦組分的二維波動，這對注入量子阱32的載流子提供除了量子壘31之外的量子限制。如圖3A 3G，多孔樣板層22』可以原位形成。，在形成多孔樣板層22』之後(如圖3F 3G)，恢復氨氣和有機金屬化合物氣流，在不去掉納米掩膜25的情況下，沉積平整或恢復N型層20，N型層20最好由矽摻雜GaN構成，目的是平整和恢復任何多孔層22』引起的粗化。如圖7中所示結構的N型層20的厚度可以在1 10微米之間，然後在長平的 N型層20上形成包括含銦量子阱如hGaN激活層的發光結構，多孔樣板層22』由於離激活層30很近，只有1 10微米(是平整N型層20的厚度)，可以在沉積激活層30時，對沉積表面的溫度分布起著重要作用。樣板層22』的孔洞在生長^iGaN量子阱32時在的生長表面引入二維溫度波動，從而引起InGaN量子阱32中銦組分的二維波動，這對注入量子阱32 的載流子提供除了量子壘31之外的量子限制。這裡多孔樣板層22』的厚度在1 10微米之間，孔洞的尺寸從5 50納米，孔洞密度從IO6 109cm_2，優選從IO8 lOW。圖8顯示了本發明的另一個示例，襯底10』具有一定厚度的多孔部分，可以根據圖 1和圖2A 2C中的方法形成襯底10』，襯底10』的表面最好是可沉積外延表面。如前圖 3A 3G中所述在襯底10』上原地形成多孔樣板層22』，如前圖7中所述形成平整N型層20 和激活層30，多孔襯底10』和多孔樣板層22』合起來會對量子阱32的銦組分的二維波動產生很大影響。本發明用上述一系列示例進行了說明，然而，本發明的範圍並不局限在上述示例中，而是儘量覆蓋各種變相或類似結構，因此，專利申請的範圍應該是涵蓋所有變相或類似結構。
權利要求
1.一種發光器件，其包括N型層；P型層；夾設於所述N型層和P型層之間的激活層，該激活層包括至少一個含銦量子阱層，該含銦量子阱層的銦組分沿生長所述激活層的生長表面波動；以及具有第一表面的襯底，所述第一表面用來生長夾在所述N型層和P型層之間的所述激活層；所述襯底具有實體部分和多孔部分，多孔部分的孔洞在所述含銦量子阱層的外延生長時，在生長表面引起溫度波動，從而導致所述含銦量子阱層的銦組分的波動。
2.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述襯底的孔洞為沿著垂直於所述生長表面延伸的連續孔洞。
3.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述多孔部分的孔洞直徑為200納米 10 微米，密度為IO6 IO9CnT2。
4.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述襯底的所述多孔部分的厚度為5 100 微米。
5.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述孔洞在與襯底第一表面相對的第二表面上開放。
6.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述多孔部分被粘貼在所述襯底的實體部分。
7.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述多孔部分是外延生長時的外延片託盤， 以在所述激活層的生長中支撐所述襯底的實體部分。
8.根據權利要求1所述的發光器件，其中所述襯底材料是氮化鎵，砷化鎵，矽，碳化矽， 藍寶石。
9.一種發光器件，其包括N型層；P型層；夾設於所述N型層和P型層之間的激活層，該激活層包括至少一個含銦量子阱層，該含銦量子阱層的銦組分沿生長所述激活層的生長表面波動；具有第一表面的樣板層，所述第一表面用來生長夾在所述N型層和P型層之間的所述激活層；以及用於生長所述樣板層的襯底；所述樣板層包含有孔洞，所述孔洞在所述含銦量子阱層的外延生長時，在生長表面引起溫度波動，從而導致所述含銦量子阱層的銦組分的波動。
10.根據權利要求9所述的發光器件，其中所述樣板層的孔洞為沿著垂直於生長表面延伸的連續孔洞。
11.根據權利要求9所述的發光器件，其中所述樣板層的厚度為1 10微米。
12.根據權利要求9所述的發光器件，其中所述樣板層由GaN、AWaN或InGaN構成。
13.根據權利要求9所述的發光器件，其中所述樣板層的孔洞直徑為5 50納米，密度為 IO8 IO9CnT2。
14.根據權利要求9所述的發光器件，其中所述樣板層的孔洞的直徑為0.2 1微米， 密度為IO6 IO9CnT2。
15.一種製作發光器件的方法，其包括在襯底上形成孔洞，所述孔洞的密度為IO6 IO9CnT2 ； 在所述襯底上生長N型層；在所述N型層上形成包含至少一個含銦量子阱的激活層，所述含銦量子阱層的銦組分沿生長所述激活層的生長表面波動；以及在所述激活層上生長P型層；所述孔洞在所述含銦量子阱層的外延生長時，在生長表面引起溫度波動，導致所述含銦量子阱層的銦組分的波動。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於在所述襯底上形成孔洞的步驟包括 在所述襯底上形成陽極氧化鋁掩膜；將所述具有陽極氧化鋁掩膜的襯底經雷射束掃描，以在所述襯底上形成所述孔洞；以及去掉所述陽極氧化鋁掩膜。
17.根據權利要求15所述的方法，其中在所述襯底上形成孔洞的步驟包括 通過納米量級光刻工藝，在所述襯底上形成掩膜；對帶有所述掩膜的所述襯底進行離子注入，以在所述襯底上形成缺陷區； 通過化學溼法刻蝕工藝去掉所述缺陷區，以在所述襯底上形成所述孔洞；以及去掉所述掩膜。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述離子注入包括注入從氫、氦、氮和氧離子中選擇的離子，劑量為IO12CnT2以上，注入時間為2分鐘以上，離子能量超過50KeV。
19.一種製作發光器件的方法，其包括在所述襯底上形成多孔樣板層，孔洞密度為IO6 IO9CnT2 ； 在所述多孔樣板層上形成N型層；在所述N型層上形成包含至少一個含銦量子阱的激活層，所述含銦量子阱層的銦組分沿生長所述激活層的生長表面波動；以及在所述激活層上生長P型層；所述多孔樣板層的孔洞在所述含銦量子阱層的外延生長時，在生長表面引起溫度波動，從而導致所述含銦量子阱層的銦組分的波動。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述形成多孔樣板層的步驟包括 在所述襯底上形成樣板層；在所述樣板層上形成含銦島；在所述樣板層和所述含銦島上沉積掩膜層；將所述掩膜層和所述含銦島置於足夠高的溫度下，通過熱分解去掉所述含銦島從而覆蓋所述含銦島的掩膜層，從而在所述樣板層上形成暴露部分樣板層的圖形掩膜層； 通過刻蝕氣體刻蝕部分被暴露的樣板層，以形成多孔洞樣板層。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述含銦島的尺寸為5 50納米，密度為 IO8 109cnT2，且由銦組分為10% 50%的InGaN構成。
22.根據權利要求20所述的方法，其中所述掩膜層和所述含銦島置於高於850°C的溫度下。
23.根據權利要求20所述的方法，其中所述掩膜層的厚度為50 200納米。
24.根據權利要求20所述的方法，其中進一步包括形成再生長層，以封住在所述樣板層的刻蝕步驟中產生的孔洞。
25.根據權利要求20所述的方法，其中所述掩膜層由氮化矽或氧化矽構成。
全文摘要
本發明提出一種通過對激活層下面材料的二維熱導的調製而得到二維組分波動激活層的發光器件，熱導調製通過在激活層下面材料上形成高密度孔洞來實現，也提出了製作發光器件和含高密度孔洞的材料的方法。
文檔編號H01L33/06GK102386291SQ20101056838
公開日2012年3月21日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年8月30日
發明者張劍平, 閆春輝 申請人:亞威朗(美國)