CN102683525A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

一种减少发光器件比如发光二极管(LED)中位错或其它缺陷的方法，该方法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、或其他层中实现。还提供一种发光器件，且纳米颗粒被原位引入到该发光器件的缺陷控制层、N型层、P型层量子阱中、或其他层中。

Description

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
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；
其中，在外延生长所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱时，将纳米颗粒引入到所述反应器中，以至于纳米颗粒被原位地分配到所述至少一个量子阱中。
该方法可以进一步包含于所述衬底上外延生长一缺陷控制层，当外延生长所述缺陷控制层时，将纳米颗粒引入到所述反应器中，以便于纳米颗粒被原位地分配到所述缺陷控制层中。
本发明的另一方面提供一种发光器件，所述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，其中该激活区包含一个或多个量子阱，且至少一个量子阱包含原位形成的氮化物纳米颗粒。
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，其中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，所述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；
其中，形成所述发光器件结构包含以下步骤：
在所述反应器中气相原位形成氮化物纳米颗粒，且将所述氮化物纳米颗粒沉积在至少一个量子垒上；以及
在所述沉积有氮化物纳米颗粒的量子垒上外延生长至少一个量子阱。
本发明的另一方面提供一种用于半导体器件的缺陷控制结构，包含：
衬底；
于所述衬底上外延生长的缺陷控制层，其中在外延生长所述缺陷控制层时纳米颗粒被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的外延层。
本发明的另一方面提供一种形成用于半导体器件的缺陷控制结构的方法，该方法包含：
提供衬底；
于反应器中在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，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述缺陷控制层中；以及
在所述缺陷控制层上外延生长外延层。
附图说明
所附各图是用来帮助进一步理解本发明，被结合入本发明且是本发明的一部分，用以说明本发明的实施例，并与下列说明一起来阐明本发明的原理，但是不意在限制本发明的范围。图中相同的附图标记在全文中代表相同部件，并且一个层可以代表具有相同功能的一组层。整个本说明书中，术语“氮化物”和“三族氮化物”可以替换使用。其中：
图1示出根据本发明实施例的一个气相外延过程。
图2示出根据本发明实施例的在气相外延中的纳米颗粒引入机制。
图3示出根据本发明的一方面高质量的氮化物层的形成。
图4示出根据本发明的一方面高质量的氮化物层的形成。
图5示出根据本发明的一方面的发光器件结构的横截面结构。
图6示出根据本发明的一方面的薄膜垂直发光二极管的横截面结构。
图7示出根据本发明的一方面的发光器件结构的横截面结构。
图8示出根据本发明的一方面的发光器件结构的横截面结构。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，三族氮化物层，例如GaN、InGaN和AlGaN层通过气相外延形成。除了传统的反应源，如金属有机源三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMIn)和氮源氨气(NH3)之外，还提供纳米颗粒源，并且在预定时期内外延层的气相外延生长过程中，纳米颗粒也被引入到气相外延反应室中。纳米颗粒源中可以包含二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)等纳米颗粒。纳米颗粒的尺寸或大小可以在1-1000纳米(nm)的范围之内，例如1-100，10-500，或50-400纳米。纳米颗粒通过载气被运载到气相外延反应器中，因此外延生长的氮化物层中包含被原位地掺入的纳米颗粒。这样从衬底-外延层界面延伸过来的位错线会被那些纳米颗粒阻挡，得到位错密度显著减少的高质量的氮化物层。
根据本发明的另一个实施例，SiO2、或SiNx、或TiO2等纳米颗粒源和金属有机源可以多次交替供应到气相外延反应器中，例如交替供应1-50次，或者5-20次，形成含纳米颗粒层/不含纳米颗粒层的多层堆叠。这可以通过交替关闭纳米颗粒源和有机金属源来获得，或者保持持续供给有机金属源而只是周期性地只关闭纳米颗粒源。穿透位错被纳米颗粒阻挡，使得纳米颗粒以上得到高质量的氮化物材料层。
形成在含纳米颗粒的高质量氮化物层上的半导体器件如发光二极管(LED)会有更好的内部量子效率和光萃取效率，因为纳米颗粒可以终止穿透位错和增强光散射。
根据本发明的有些实施例，SiO2、SiNx、TiO2等纳米颗粒可以被引入到器件激活区的附近。例如，对于三族氮化物激活区来说，纳米颗粒可以被原位引入到毗邻于三族氮化物激活区的N型层和/或P型层，或毗邻于三族氮化物激活区的N型层的一部分和/或P型层的一部分。这里用到的术语“三族氮化物激活区”的意思是指激活区中的量子阱和量子垒是由三族氮化物组成。这些毗邻于激活区的纳米颗粒有利于激活区的光萃取效率。
在根据本发明的有些实施例中，SiO2、SiNx、TiO2等纳米颗粒可以在量子阱形成时被原位引入到一个或多个量子阱中。这些纳米颗粒把二维量子阱修正为零维度的量子点或量子碟，提高了发光器件的内量子效率。根据本发明的其他实施例，AlN、GaN、或AlGaN的氮化物纳米颗粒或其它三族氮化物纳米颗粒可以通过在反应器气相中由有机金属和氨气气相反应来原位形成，且在即将在量子垒上生长诸如三族氮化物量子阱的量子阱之前，这些氮化物纳米颗粒原位沉积在诸如三族氮化物量子垒的量子垒上。这些纳米颗粒把二维量子阱修正为零维度的量子点或量子碟，提高了发光器件的内量子效率。
在现有技术中，氮化物的形成是通过把有机金属源诸如三甲基镓，三甲基铝，三甲基铟和氨气引入到气相反应器中来获得的，该气相反应器可以是一个金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器。这种外延生长氮化物层的传统方法也在本发明中被用到。如图1所示，装入一衬底或模板10于一反应器中，加热到升高的温度以适合外延生长。在本公开中，术语“模板”意思是指形成在衬底表面的、方便后续外延层沉积的至少一个外延层。衬底10可以由具有所需晶向的蓝宝石，碳化硅，硅，三族氮化物，砷化镓，磷化铟，锗或其他适合的材料制成。外延模板可以是一个或多个形成在衬底10上面的氮化物外延层。整个说明书中，在一衬底上直接形成的层往往也可以可选地直接形成在一衬底上的模板上。如图1所示，有机金属源通过流量控制机制1被引入到反应器中(贯穿整个本公开，无论何时提到引入一种源料到反应器中，也就是说一种原料被引入到外延生长或沉积或气相反应发生的反应器的反应室中。)，氢化物例如氨气和硅烷通过流量控制机制2被引入到反应器中，因此任一组分化合物AlInGaN层可以在衬底/模板10上形成。流量控制机制可以由质量流量控制器、压力控制器、开/关阀门和控制计算机构成。根据本发明，除金属有机源和氢化物源之外，纳米颗粒可以通过流量控制机制3引入到反应器中。被注入到反应器中的纳米颗粒可以是SiO2、SiNx、TiO2等纳米颗粒。纳米颗粒的尺寸可以在1-1000纳米的范围内，例如1-100，10-500，或50-400纳米。高纯度的，例如99.999％，纳米颗粒可以从供应商那里购买。较大尺寸的纳米颗粒甚至微米颗粒，例如1000-4000纳米，1000-2000纳米，也可以被用在本发明的一些实施例中。这些纳米颗粒的载气可以是氢气或者氮气。一般来说，适合的纳米颗粒具有非晶体结构或者具有与宿主外延层晶体结构明显不同的晶体结构。例如两者的晶格常数差别明显大，比如晶格常数的差异大于15％，过高的外延生长表面能导致外延生长在能量上是不利于发生在纳米颗粒之上的。对纳米颗粒的形状和大小的分布没有特定的要求。所述纳米颗粒最好是透明的，化学稳定和热稳定的。纳米颗粒的纯度可以超过99.9％，比如大于99.99％。
根据本发明的一个方面，可以改进商用MOCVD系统以便在氮化物外延生长时引入纳米颗粒。图2所示是一个原料输送系统的示意图，包含纳米颗粒引入流量控制机制3和有机金属源引入流量控制机制1。N个不同有机金属源被分别储存在n个起泡器B11到B1n中。在一定的起泡器温度下，质量流量控制器(MFCs)和压力控制器(PCs)可以控制有机金属源的输送量。例如，MFC M11和PC P11联合来一起控制第一个有机金属源的配送。起泡器B31包含第一种纳米颗粒。同样的，尽管没有在图2中显示，可以有起泡器B32到B3m包含m个不同种类的纳米颗粒。MFC M31和M1被用来控制传送到反应器中的纳米颗粒的量。MFC M1通过控制流经MFC M1的载气给起泡器B31设定压力。图2显示的源配送体系还包含很多数字开/关阀门(V1到V32)，用来控制源的开/关状态。该设计确保只有高纯度的气体流经MFCsM31和M1，避免任何可能的纳米颗粒堵塞在MFCs或PCs中。传统MOCVD系统和本发明中图1-图2所示MOCVD系统的差异在于，本发明MOCVD系统增加了纳米颗粒引入流量控制机制3。
尽管如图2实施例所示，在传送进入到反应器之前，纳米颗粒和有机金属源混合在一起，在其他实施例中，在传送进入到反应器之前纳米颗粒可以和氢化物混合在一起，或者在另一实施例中，纳米颗粒可以在传送管道中不和氢化物或者有机金属源混合在一起，而是被单独地注入到反应器中。
图3所示根据本发明的另一方面，外延生长期间利用纳米颗粒减少位错的机制。如图所示，缺陷控制氮化物层21，比如氮化镓层，沉积在衬底/模板层10上。层21在接近于衬底/模板层10的底部可能包含有高密度(＞5×108cm-2)的位错22。层21还包含图3所示的分配在其中的纳米颗粒111，其中大多数纳米颗粒被分散在缺陷控制层21中；当纳米颗粒在缺陷控制层21的外延生长开始时被引入到反应器中时，一些纳米颗粒也可沉积在衬底/模板面10的表面。在其他实施例中，纳米颗粒是直到预定厚度的缺陷控制层21已经生长在衬底/模板层10上才被引入反应器中，因此，没有纳米颗粒或有非常少的纳米颗粒被沉积在衬底/模板层10的表面。参见图2，纳米颗粒的流量可以被MFCs M31和M1控制。MFC M1给起泡器B31设定压力，以便载气通过MFC M31和在起泡器B31中的纳米颗粒彻底地混合。可以通过实验最优化，确定并优化层21中纳米颗粒的掺杂浓度以得到最好薄膜质量。在一些MOCVD系统中，MFC M1可以设定起泡器B31的压力在200-760托之间，并且MFC M31可以设定氢或者氮的流量在50-5000sccm来得到层21中满意的纳米颗粒掺杂度。该纳米颗粒可以由SiO2、SiNx、TiO2等等组成，尺寸在1-1000纳米的范围内，例如1-100，10-500，或50-400纳米。位错22有巨大的机会终止在纳米颗粒111。结果，缺陷控制层21的顶部具有明显减少的位错密度，优质的氮化物层比如氮化镓层25通过在缺陷控制层21上的外延生长来获得，较缺陷控制层21底部具有降低几个数量级的位错密度。在图3中所示，层25和缺陷控制层21是在它们之间具有可区分的界面两个分离的层。在其他实施例中，层25可以作为缺陷控制层21的一个组成部分，通过不引入纳米颗粒111而延续缺陷控制层21的外延生长形成，这样得到缺陷控制层21的下部包含纳米颗粒111，缺陷控制层21的上部没有纳米颗粒而形成一个高质量层25。
图3所示结构可以由一MOCVD反应器制备，比如一装配如图2所示流量控制机制3的纳米颗粒配送机制的传统MOCVD反应器。在缺陷控制层21的外延生长过程中，纳米颗粒111和其他源比如三甲基镓、三甲基铟、三甲基铝和氨气被同时被引入到MOCVD反应器中。由图2所示的流量控制机制3通过改变载气的流速来调节气相中纳米颗粒的浓度，从而控制缺陷控制层21中的纳米颗粒111的密度。纳米颗粒可以以一个不变的流速或一个不变的气相浓度被引入到反应器中，以便纳米颗粒均匀地掺入缺陷控制层21中。也可以通过改变流速或改变气相浓度将纳米颗粒引入反应器中，从而纳米颗粒浓度沿缺陷控制层21的生长方向变化。该纳米颗粒密度可以设计成沿缺陷控制层21的生长方向逐渐增加或减少。例如，取决于纳米颗粒111的大小和层21的厚度，纳米颗粒111可以有一个在106-1010cm-2范围内可控的密度。纳米颗粒的尺寸越大，所需的纳米颗粒的密度越小。同样，缺陷控制层21越厚，所需的纳米颗粒密度越小。例如，对于有一个平均尺寸5纳米的纳米颗粒111来说，如果缺陷控制层21具有1微米厚度，则该纳米颗粒111可以有5×108-5×109cm-2的密度。该缺陷控制层21的外延生长可以在已知的外延生长技术条件下进行。
在图4所示的另一实施例中，缺陷控制层21被重复使用多次。每次都是在缺陷控制层21的生长完毕后，关闭图2所示数字阀门V31和V32以便源气中不再含有纳米颗粒。图4所示每个缺陷控制层21都跟随外延生长一恢复层23，该恢复层23可以和缺陷控制层21由相同的材料形成(只是不含纳米颗粒)。层21/层23的堆叠可以重复很多次，例如1到50次以便更好地降低位错。在该实施例中，层21和层23的厚度可以分别在0.01-0.5微米的范围内。在一些实施例中，所述纳米颗粒的尺寸可以小于缺陷控制层的厚度。例如对于厚度分别为0.01和0.5微米的缺陷控制层21，纳米颗粒的尺寸可以分别小于10和500纳米。上述结构中的每一缺陷控制层21定义了该完整缺陷控制层中的一子层。不同的子层可以包含有相同或不同平均尺寸的相同的或不同种类的纳米颗粒。
图5所示的是应用了缺陷控制层21的发光结构。该发光结构可以是任何传统的发光二极管结构。例如，形成在在缺陷控制层21之上的层25是一N型层，可以由掺Si的GaN、AlGaN、或InGaN组成；激活区30可以是GaN/InGaN多量子阱；层40是一P型层，并且可以是掺Mg的P型AlGaN、P型GaN，和/或P型InGaN。类似地，缺陷控制层21也可以由GaN、AlGaN、或InGaN组成。由于层21中的纳米颗粒111的存在，大多数位错会终止在层21中，从而形成高质量的外延层25和高质量的激活区30，这直接导致发光器件具有高内量子效率。在发光器件的另一实施例中，单一的缺陷控制层21可以被如图4所示的层21/层23的堆叠所代替。
可以用本领域已知方法将图5中的发光结构制作成合适的发光器件。在一些实施例中(没有在图中显示)，图5所示的结构可以被制作成具有横向几何结构的发光二极管(LEDs)，横向LED的特征是P型和N型接触同在在衬底/模板层10的相同一侧。在其他实施例中，图5所示发光结构可以被制作成垂直几何结构的薄膜LED，发光结构被粘贴到另一衬顶70而原有衬底/模板层10被剥离，见图6。参考图6，透明导电层50，例如供电流扩展的P型电流扩展层，形成在P型层40上。层50可以是透明金属层比如镍/金、氧化镍/金，或者是透明导电的氧化物层，比如氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)。层50可以是单层或多层。在透明导电层50上是导电反光器/镜60，它可以由银(Ag)、铝(Al)，或金属化材料层如氮化锆(ZrN)和氮化铪(HfN)组成。与层50一起作用，导电反射器/镜60在可见光光谱区优选具有大于90％的反射率。
衬顶70优选具有优异的导热、导电性。制作衬顶70的材料可以从铜，铂，钯，镍，银，金，铝，钴，钨，钼，硅，和它们的合金中选择。考虑到优异的导热和导电性能以及商业可行性，衬顶70的材料优选是铜或铜的合金。最后，如图6所示，在衬顶70上面形成接触垫82，比如一P接触电极垫，并且在层21上形成N型接触电极垫81。在一些实施例中，应用本领域的已知方法，N型接触层和接触垫81可以形成在层25上。
图6所示的垂直薄膜发光二极管可以根据现有技术制造，比如已经公开的美国专利7,781,247和专利申请12/953,290。这里整体引用美国专利7,781,247和专利申请12/953,290作为参考文献。
在图6中，缺陷控制层21也可以提高光萃取效率，因为纳米颗粒111与层21所用材料具有不同的折射率。纳米颗粒111可以加强光的散射和提高层21中的光从光密介质到周围介质的出射机率。
此外，如图6所示，在缺陷控制层21的暴露面上或接近于该面的纳米颗粒111可以被移除，例如，通过氢氟酸的化学蚀刻，留下的空隙111’其折射率等于1，其和层21的折射率形成最强烈的对比，大大地增强了光萃取效率。
合适的纳米颗粒也可以被引入到临近发光区30的各层中。如图7所示的实施例，纳米颗粒被包含在激活区30的上面、下面或上下两临近层里。应用关于图3所描述的方法和如图1、2所示的系统，激活区30的下面层N型层26和上面层P型层41在形成时被分别原位引入了纳米颗粒112和113。N型层26和P型层41的厚度都可以在0.1到1.0微米之间。纳米颗粒112和113的尺寸可以在1-1000纳米之间，例如在1-100，10-500，或50-400纳米之间，具有108-1010厘米-2的密度。在一些实施例中，所述纳米颗粒的尺寸可以小于上述N型层和P型层的厚度。例如对于厚度分别为0.1和1.0微米的N型层26，纳米颗粒的尺寸可以分别小于100和1000纳米。图7所示的实施例可以更进一步增强光萃取效率。
在本发明的其他实施例中，纳米颗粒也可以被精确的控制和应用到量子阱中。如图8所示，纳米颗粒114被掺入到一个或多个量子阱32中。在这些实施例中，纳米颗粒114可以是SiO2、SiNx、TiO2等纳米颗粒，其尺寸可为1-10纳米，密度为108-1012厘米-2。纳米颗粒114把量子阱32改变成量子点或量子碟32’，这可大大增强载流子的辐射复合几率，提高器件的内量子效率。利用结合图3所描述的方法和图1、2所示的系统，纳米颗粒114可以在量子阱32外延生长时被原位地引入到一个或多个量子阱32中。
在其他实施例中，纳米颗粒114也可以是由AlN、GaN、AlGaN或InGaN组成的氮化物纳米颗粒。氮化物纳米颗粒114可以正好在形成量子阱32前于气相中在反应室内原位形成。气相中原位形成的氮化物纳米颗粒114的尺寸可以为1-10纳米。在量子垒31生长完成之后，反应器中的生长条件被改变成适合在气相中形成氮化物纳米颗粒的气相反应的条件，然后气相反应生成的氮化物纳米颗粒被沉积在量子垒31上。适合金属有机物和氨气产生气相反应的生长条件包括高生长压力，高生长温度，高氨气分压，和低气体流速，这都在现有技术中广为人知。在一个实施例中，纳米颗粒114为含铝的氮化物纳米颗粒。原位气相形成含铝氮化物纳米颗粒114的反应条件如下：反应器的压力增加到500-760乇，生长温度升高到750-850摄氏度，反应器中的氨气分压增加例如到450-700乇。然后在短时间(5-10秒)内以5-50微摩尔每分钟的流速引入金属有机物，含铝的纳米颗粒气相中原位形成，且沉积在量子垒31上，从而在量子垒31的表面形成纳米颗粒114。然后反应器中的生长条件转回到适合量子阱的外延生长条件，且量子阱32外延生长在已经沉积了氮化物纳米颗粒的量子垒31表面上。
原位形成的氮化物纳米颗粒也可以用以上述描述的相似的方式，沉积在衬底或模板层10上、缺陷控制层21上、恢复层23上、n型层25上，以及其他适合的层上。
在图8所示的实施例中，发光器件具有包含纳米颗粒114的量子阱和包含纳米颗粒111的缺陷控制层21，从而来获得更好的器件量子效率。根据本发明其它实施例，发光器件可以具有包含纳米颗粒114的量子阱、包含纳米颗粒111的缺陷控制层21、包含纳米颗粒112的N型层26和/或包含纳米颗粒113的P型层41。

Claims (50)

1.一种发光器件包含：
缺陷控制层，具有分配在其中的纳米颗粒；以及
发光器件结构，形成在所述缺陷控制层上，
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。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中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所述缺陷控制层上。
3.根据权利要求2所述的发光器件，进一步包含夹在激活区和所述N型层之间的另一N型层，其中该另一N型层作为一个单独的层或者作为所述N型层的组成部分形成在所述N型层上，并且纳米颗粒被分配到所述另一N型层中。
4.根据权利要求2所述的发光器件，进一步包含夹在激活区和所述P型层之间的另一P型层，其中所述另一P型层和所述P型层形成为两个单独的层或者形成为一个整体层，并且纳米颗粒被分配到所述另一P型层中。
5.根据权利要求2所述的发光器件，其中所述激活区包含一个或多个量子阱且所述一个或多个量子阱中的至少一个包含纳米颗粒。
6.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述纳米颗粒的尺寸在10-500纳米的范围内。
7.根据权利要求1所述的发光器件，进一步包含衬底或模板层，用以在其上形成所述缺陷控制层。
8.一种形成发光器件的方法包含：
提供衬底；
在反应器中于该衬底上外延生长缺陷控制层，且引入纳米颗粒到该反应器中以便原位分配所述纳米颗粒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，其中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，且所述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。
9.根据权利要求8所述的方法，包含在所述缺陷控制层上外延生长所述N型层作为一个单独的层或作为所述缺陷控制层的组成部分。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包含：
在所述N型层上外延生长另一N型层，且引入纳米颗粒到该反应器中，以便于原位分配所述纳米颗粒到所述另一N型层中，其中所述另一N型层作为一个单独的层或作为所述N型层的组成部分形成在所述N型层上。
11.根据权利要求8所述的方法，包含：
在所述激活区上外延生长另一P型层且当外延生长所述另一P型层时引入纳米颗粒到该反应器中，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述另一P型层中，其中所述P型层作为一个单独的层或作为所述另一P型层的组成部分形成在所述另一P型层上。
12.根据权利要求8所述的方法，包含当外延生长所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱时，引入纳米颗粒到该反应器中，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述至少一个量子阱中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述纳米颗粒选自氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氧化钛(TiO2)，或它们的混合物，并被供应到该反应器中。
14.根据权利要求8所述的方法，包含：
在该反应器的气相中形成氮化物纳米颗粒，且在所述一个或多个量子垒中的至少一个量子垒上沉积所述氮化物纳米颗粒；以及
在沉积有所述氮化物纳米颗粒的所述量子垒上外延生长所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱。
15.根据权利要求8所述的方法，其中所述纳米颗粒尺寸在10-500纳米范围内。
16.根据权利要求8所述的方法，进一步包含在外延生长所述缺陷控制层之前在所述衬底上形成一模板层。
17.一种发光器件包含：
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，其中所述激活区包含一个或多个量子阱，并且所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱包含在该量子阱形成过程中被原位引入的纳米颗粒。
18.根据权利要求17所述的发光器件，进一步包含缺陷控制层，所述发光器件结构形成于该缺陷控制层上，其中所述缺陷控制层中分散有纳米颗粒。
19.根据权利要求18所述的发光器件，其中所述N型层作为一个单独的层或作为所述缺陷控制层的组成部分形成于所述缺陷控制层上。
20.根据权利要求17所述的发光器件，进一步包含夹在所述激活区和所述N型层之间的另一N型层，其中所述另一N型层作为一个单独的层或作为所述N型层的组成部分形成在所述N型层上，且纳米颗粒被分配到所述另一N型层中。
21.根据权利要求17所述的发光器件，进一步包含夹在所述激活区和所述P型层之间的另一P型层，其中所述P型层和所述另一P型层形成为两个单独的层或形成为一个整体层，且纳米颗粒被分配到所述另一P型层中。
22.根据权利要求17所述的发光器件，所述至少一个量子阱包含的所述纳米颗粒的尺寸在1-10纳米的范围内。
23.一种形成发光器件的方法包含：
在反应器中提供衬底；
于所述衬底上形成发光器件结构，其中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，且所述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，
其中当外延生长所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱时，引入纳米颗粒到该反应器中，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述至少一个量子阱中。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包含在所述衬底上外延生长一缺陷控制层，且当外延生长所述缺陷控制层时引入纳米颗粒到该反应器中，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述缺陷控制层中。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述N型层作为一个单独的层或作为所述缺陷控制层的组成部分外延生长在所述缺陷控制层上。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包含：
在所述N型层上外延生长另一N型层，且当外延生长所述另一N型层时引入纳米颗粒到该反应器中，以便于原位分配所述纳米颗粒到所述另一N型层中，其中所述另一N型层作为一个单独的层或作为所述N型层的组成部分形成在所述N型层上。
27.根据权利要求23所述的方法，进一步包含在所述激活区上外延生长另一P型层且当外延生长所述另一P型层时引入纳米颗粒到该反应器中，以便所述纳米颗粒被原位分配到所述另一P型层中，其中所述P型层作为一个单独的层或作为所述另一P型层的组成部分形成在所述另一P型层上。
28.一种发光器件包含：
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，其中所述激活区包含一个或多个量子阱且所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱包含原位形成的氮化物纳米颗粒。
29.一种形成发光器件的方法包含：
在反应器中提供衬底；
于所述衬底上形成发光器件结构，其中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，且所述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；
其中形成所述发光器件结构包含：
在该反应器中气相原位形成氮化物纳米颗粒，且将所述氮化物纳米颗粒沉积在所述一个或多个量子垒的至少一个量子垒上；及
在沉积有所述氮化物纳米颗粒的所述量子垒上外延生长所述一个或多个量子阱中的至少一个量子阱。
30.一种用于半导体器件的缺陷控制结构包含：
衬底；
于所述衬底上外延生长的缺陷控制层，其中在外延生长所述缺陷控制层时，纳米颗粒被原位分配到所述缺陷控制层中；以及
在所述缺陷控制层上的外延层。
31.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述纳米颗粒在所述缺陷控制层外延生长时被原位分配到所述缺陷控制层。
32.根据权利要求31所述的缺陷控制结构，其中所述缺陷控制层包括多个子层，所述纳米颗粒被分配到所述缺陷控制层的一个或多个所述子层中。
33.根据权利要求32所述的缺陷控制结构，其中所述纳米颗粒被均匀地分配到所述缺陷控制层的一个或多个子层中的每个子层中。
34.根据权利要求33所述的缺陷控制结构，其中所述纳米颗粒的密度在所述缺陷控制层的不同子层中是不同的。
35.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述纳米颗粒的大小在10-1000纳米范围内。
36.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述纳米颗粒选自二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(TiO2)，或它们的混合物。
37.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，进一步包含形成在所述外延层上的半导体器件。
38.根据权利要求37所述的缺陷控制结构，其中所述半导体器件是发光二极管(LED)。
39.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述衬底由蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓，氮化铝、尖晶石、氧化锌、金刚石、石英、玻璃、氮化铝陶瓷、钼或石墨制成。
40.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述外延层是三族氮化物层。
41.根据权利要求30所述的缺陷控制结构，其中所述缺陷控制层和所述外延层是由相同的材料制成的，且以连续的步骤原位一体成型。
42.一种形成用于半导体器件的缺陷控制结构的方法包含：
提供衬底；
在反应器中于所述衬底上外延生长缺陷控制层，且引入纳米颗粒到所述反应器中，以便原位分配所述纳米颗粒到所述缺陷控制层中；以及
在所述缺陷控制层上外延生长外延层。
43.根据权利要求42所述的方法，其中通过在预先设定的所述缺陷控制层的一个或多个外延生长阶段引入所述纳米颗粒到外延反应器中，所述纳米颗粒被分配到所述缺陷控制层的一个或多个子层。
44.根据权利要求42所述的方法，其中以所述纳米颗粒气相浓度随所述缺陷控制层的外延生长时间增加或减少的方式引入所述纳米颗粒到所述反应器中。
45.根据权利要求42所述的方法，其中所述纳米颗粒在所述缺陷控制层已经外延生长到预定的厚度之后被引入到所述反应器中。
46.根据权利要求42所述的方法，其中所述纳米颗粒在所述缺陷控制层外延生长的开始阶段被引入到所述反应器中。
47.根据权利要求42所述的方法，进一步包含在所述外延层上形成发光器件。
48.根据权利要求42所述的方法，其中所述外延层与所述缺陷控制层在相同的外延生长步骤中通过连续外延生长并且中断所述纳米颗粒的供应而一体成型。
49.根据权利要求42所述的方法，所述外延层和所述缺陷控制层分别由三族氮化物组成。
50.根据权利要求1-7，17-22，28中任一所述的发光器件，  其为三族氮化物发光二极管。
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