[发明专利]外延生长缺陷控制结构、包含缺陷控制结构的发光器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及包含纳米颗粒的半导体材料和含有该半导体材料的发光器件；特别是涉及三族氮化物外延生长的缺陷控制结构、包含缺陷控制结构的三族氮化物发光器件、及其制造方法。

背景技术

三族氮化物化合物半导体包括氮化铟(InN)，氮化镓(GaN)，氮化铝(AlN)以及它们的三元和四元化合物，其能带宽度从0.7eV到6.2eV连续可调，覆盖整个可见光谱，是制作可见光发光器的完美材料系统。可见光发光器可以应用到装饰、显示器和通用照明上。氮化镓(GaN)系具有铟镓氮(InGaN)激活区的蓝光、绿光和白光的发光二极管(LED)尽管已经商业化了，但在被广泛应用到通用照明领域之前，其流明效率仍需要进一步提高。一种提高流明效率的方法是通过降低发光二极管中的材料缺陷密度来提高发光二极管的内量子效率。由于氮化镓是异质外延在诸如蓝宝石、硅、或者碳化硅的异质衬底上，现有氮化镓基LED结构饱受材料缺陷的影响，例如其位错密度超过10⁸cm^-2。

另外一个提高流明效率的方法是通过实施量子点类型的激活区来提高发光二极管的内量子效率，因为量子点内受约束的载流子具有最高的辐射复合率。

现有技术中发明了用横向外延生长(ELOG)方式来降低氮化镓层中位错密度的方法。横向外延生长(ELOG)工艺包含在一个反应器中于一异质衬底上沉积氮化镓模板层，在另一个反应器中于氮化镓模板层上形成生长掩模，再在第三个反应器中于掩模过的模板层上重新生长GaN。氮化镓在盖有掩模的模板层上的初始生长具有选择性外延生长行为。也就是说，生长开始在没有掩模的地方进行，在有掩模的地方被禁止。当在没有掩模的地方的生长达到了一定的厚度时，GaN的横向生长开始发生，最终完成在有掩模地方的完整的横向生长。横向生长区具有更少的位错密度。ELOG的例子可以在美国专利7,361,576及其相关文献中找到。同样的，美国专利7,772,585通过引入生长掩模(非原位成形的)来控制生长小面以降低位错。在此，美国专利7,361,576和7,772,585的内容被整体引用来作为参考。

所需要的是一种更有效的、更经济的方法，来降低氮化镓基材料的位错密度、提高铟镓氮基激活层的内部量子效率。

发明内容

通过原位引入纳米颗粒到外延层中，本发明提供一种成本效益好的方法来降低诸如三族氮化物层的半导体外延层中的位错或其他缺陷。

通过原位引入纳米颗粒到发光器件的缺陷控制层、N型层、P型层、量子阱、或其他层中的至少一个中，本发明提供一种成本效益好的方法来降低诸如发光二极管(LED)的发光器件中的位错或其他缺陷。

本发明的一方面提供一种发光器件，该发光器件包含其中分配有纳米/颗粒的缺陷控制层和形成在该缺陷控制层上的发光器件结构，其中所述纳米颗粒是在所述缺陷控制层形成过程中被原位分配到所述缺陷控制层中的。该发光器件结构包含N型层、P型层和夹在它们之间的激活区，其中该N型层作为一个单独的层或者作为所述缺陷控制层的组成部分形成在该缺陷控制层上。

本发明的另一个方面提供一种形成发光器件的方法，包含：

提供衬底；

在反应器中于所述衬底上外延生长缺陷控制层，并且引入纳米颗粒至所述反应器中，以便于将所述纳米颗粒原位地分配到所述缺陷控制层中；以及

在所述缺陷控制层上形成发光器件结构，所述发光器件结构中包含N型层、P型层和夹在它们之间的激活区，且激活区包含一个或多个量子阱以及与所述一个或多个量子阱交替排列的一个或多个量子垒。

所述方法包括在所述缺陷控制层上外延生长形成N型层，所述N型层可以作为一个单独的层或者作为所述缺陷控制层的组成部分。

本发明的另一方面提供一种发光器件，该发光器件包括发光二极管结构，该发光二极管结构包含N型层、P型层和夹在它们之间的激活区，其中所述激活区包含一个或多个量子阱，并且至少一个量子阱含有在形成该量子阱时原位引入的纳米颗粒。该发光器件还可以包含缺陷控制层，所述发光器件形成于所述缺陷控制层之上，所述缺陷控制层中分配有纳米颗粒。

本发明的另一方面提供一种形成发光器件的方法，包含：

在反应器中提供衬底；

在该衬底上形成发光器件结构，所述发光器件结构包含N型层、P型层和夹在它们之间的激活区，激活区包含一个或多个量子阱以及与所述一个或多个量子阱交替排列的一个或多个量子垒；