專利名稱：具有二維波動(dòng)組分激活層的發(fā)光器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與發(fā)光器件相關(guān)，具體而言，是具有二維QD)波動(dòng)組分激活層的發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
夾設(shè)在發(fā)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(guān)鍵作用。提高對(duì)激活層中的非平衡載流子的量子限制，可以增加其輻射發(fā)光復(fù)合幾率。在過去的幾十年中，激活層已經(jīng)從三維(3D)發(fā)展到二維(2D)，甚至到一維和零維(1D、0D)。3D激活層是由一個(gè)沒有任何量子限制效應(yīng)的準(zhǔn)體材料構(gòu)成，載流子可以三維自由擴(kuò)散，因此電子-空穴的復(fù)合幾率非常低。2D激活層通常在載流子注入方向上引進(jìn)量子限制，一般是多量子阱(MQW)構(gòu)造。ID和OD激活層跟2D激活層相比，在另一個(gè)和兩個(gè)方向上也引進(jìn)量子限制，以量子線和量子點(diǎn)為其代表，電子-空穴復(fù)合幾率隨著量子限制維數(shù)的增加而增加， 因此，OD或量子點(diǎn)激活層是低閾值激光二極管和高內(nèi)量子效率(IQE)發(fā)光二極管(LEDs)的首選激活層。在此前的文獻(xiàn)中，自組織量子點(diǎn)的形成都基于外延層中的應(yīng)力。當(dāng)外延層的晶格常數(shù)(aepi)大于襯底的晶格常數(shù)(asub)時(shí)，外延層表面傾向于不平整，以降低外延層-襯底系統(tǒng)的總自由能。當(dāng)應(yīng)力ε = (aepi-asub)/asub接近或大于3%時(shí)，會(huì)引發(fā)三維或島狀生長(zhǎng)模式。利用島狀生長(zhǎng)模式通過應(yīng)力和生長(zhǎng)時(shí)間的控制可以形成量子點(diǎn)。有關(guān)自組織量子點(diǎn)的形成可以參考美國(guó)專利7，618，905及其索引。另外，在此前文獻(xiàn)中，如林等人在應(yīng)用物理快報(bào)97，073101 (2010)上發(fā)表的論文中，報(bào)道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(guó)專利申請(qǐng)2007/0152353中也報(bào)道了在多孔GaN上直接沉積 hGaN量子阱，以獲得較佳發(fā)光效率。美國(guó)專利申請(qǐng)2009/0001416中也闡述了多孔GaN的粗化表面可以在InGaN沉積中增強(qiáng)銦含量，并認(rèn)為在多孔洞GaN樣片上直接沉積InGaN超薄層可以獲得量子點(diǎn)效應(yīng)，使得發(fā)光效率得以增強(qiáng)。在現(xiàn)有技術(shù)中多孔材料主要被研究應(yīng)用于提高材料質(zhì)量。例如美國(guó)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(zhì)量的GaN。用現(xiàn)有技術(shù)形成的多孔材料具有較差的垂直對(duì)準(zhǔn)特性，即這些多孔材料的孔洞有較差的垂直連續(xù)性和整體性。在現(xiàn)有技術(shù)中，多孔材料的制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(xué)容器中充當(dāng)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(qiáng)陽極氧化反應(yīng)，同時(shí)可以在刻蝕表面照射紫外光?？锥吹某叽绾兔芏瓤赏ㄟ^陽極電流控制。美國(guó)專利6，753，589及其中的參考文獻(xiàn)披露了多孔硅的形成方法，美國(guó)專利5，298, 767及其中的參考文獻(xiàn)披露了多孔碳化硅的形成方法，美國(guó)專利6，579，359， 7，462，893及其中的參考文獻(xiàn)披露了多孔氮化鎵的形成方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新的在發(fā)光器件里形成自組織量子點(diǎn)激活層的方法。一般來講， 本發(fā)明提出新的方法在生長(zhǎng)表面引入溫度分布的二維波動(dòng)，利用該生長(zhǎng)溫度的二維波動(dòng)形成二維組分波動(dòng)的量子阱。更具體地說，就是利用銦組分對(duì)生長(zhǎng)溫度的靈敏性來形成二維組分波動(dòng)的量子阱的一種新途徑。為了達(dá)到這個(gè)目的，本發(fā)明也提出了形成具有微米或納米量級(jí)孔洞的多孔材料的方法。本發(fā)明一方面提供了一種發(fā)光器件，包括N型層、P型層、夾設(shè)于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(dòng)，以及一襯底，其包括一第一表面，用于沉積夾設(shè)于N型層和P型層之間的激活層，并且襯底包括一實(shí)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(shí)，沉積溫度沿沉積表面波動(dòng)，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。襯底的孔洞最好是沿垂直于沉積表面方向分布的連續(xù)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，并且多孔部分的厚度在5 IOOym之間。多孔部分的孔洞最好對(duì)與襯底第一表面相對(duì)的第二表面開放。多孔部分可以優(yōu)選粘貼在襯底的實(shí)體部分。多孔部分可以優(yōu)選是作為一外延沉積爐里的外延片托盤，在激活層沉積時(shí)托著襯底的實(shí)體部分。本發(fā)明另一方面提供了一種發(fā)光器件包括N型層、P型層、夾設(shè)于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(dòng)，和一樣板層，其包括一第一表面，用于沉積夾設(shè)于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(shè)置多孔部分的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時(shí)，溫度沿沉積表面波動(dòng)，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。樣板層的孔洞最好是沿垂直于沉積表面方向分布的連續(xù)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(gòu)成。在一個(gè)示例中，樣板層的孔洞直徑從5nm 50nm，面密度從IO8 IO9CnT2。在另一個(gè)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(duì)與樣板層第一表面相對(duì)的第二表面開放，如果需要，也可對(duì)第一表面開放。根據(jù)本發(fā)明另一方面提供了一種制作發(fā)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，并且含銦量子阱層的銦組分沿沉積激活層的表面波動(dòng)，在激活層上沉積一 P型層，設(shè)置多孔部分的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時(shí)，溫度沿沉積表面波動(dòng)，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。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，然后將襯底置于一掃描激光束下，以在襯底上形成孔洞，之后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，然后將該襯底置于離子注入裝置內(nèi)，以在襯底上形成缺陷區(qū)，通過濕法化學(xué)刻蝕去掉缺陷區(qū)，以在襯底上形成孔洞，之后去掉掩膜。
離子注入最好包括從氫、氦、氮和氧離子中選擇離子，劑量不小于IO12cnT2,注入時(shí)間超過2分鐘，離子能量超過50KeV。根據(jù)本發(fā)明另一方面，一種制作發(fā)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(dòng)，在激活層上沉積一 P型層，設(shè)置多孔樣板層的孔洞，以在沉積含銦量子阱層時(shí)，溫度沿沉積表面波動(dòng)，從而引起含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。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(hù)層，然后置于足夠的溫度下，以通過熱分離去掉含銦島和覆蓋在含銦島上的保護(hù)層，從而形成暴露部分樣板層的帶圖形的保護(hù)層(掩膜)，通過刻蝕氣體來刻蝕樣板層，以通過圖形保護(hù)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(gòu)成。保護(hù)層和含銦島最好置于不低于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(hù)層。保護(hù)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(shí)打開的多孔樣板層的孔洞。保護(hù)層最好由氮化硅或二氧化硅構(gòu)成。在刻蝕樣板層時(shí)，優(yōu)選溫度在1000 1050°C之間，刻蝕時(shí)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(jìn)一步理解本發(fā)明，是本發(fā)明的一部分，闡述本發(fā)明所包含的內(nèi)容，并與下列說明一起來闡明本發(fā)明的宗旨，通篇里圖中相同數(shù)字是代表相同的組成部分，一個(gè)層可以代表具有相同功能的一組層。圖1顯示了本發(fā)明所述制作具有垂直對(duì)齊孔洞的多孔材料結(jié)構(gòu)的方法；圖2A -2C顯示了本發(fā)明所述制作多孔材料結(jié)構(gòu)的方法；圖3A 3G顯示了本發(fā)明所述制作多孔樣板層的方法；圖4顯示了沉積在具有垂直對(duì)齊孔洞的襯底上的發(fā)光結(jié)構(gòu)；圖5顯示了在襯底的一面沉積的發(fā)光結(jié)構(gòu)，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(fā)光結(jié)構(gòu)；圖7顯示了在襯底上的多孔樣板層上沉積的發(fā)光結(jié)構(gòu)；圖8是在具有垂直對(duì)齊孔洞的襯底上的多孔樣板層上沉積的發(fā)光結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施示例本發(fā)明提出利用合金化合物半導(dǎo)體的組分對(duì)溫度的靈敏依賴性，形成以自組織量子點(diǎn)為激活層的發(fā)光器件的新方法。含銦量子阱層如InGaN、InGaAs, InGaP的銦組分對(duì)沉積溫度非常敏感。在本發(fā)明中，在襯底、樣板層或發(fā)光器件中置于含銦激活層下的其它部分中引進(jìn)多孔材料特性，利用多孔材料的實(shí)體部分和孔洞的熱導(dǎo)的不同，得到多孔材料中材料熱導(dǎo)的二維非連續(xù)性。根據(jù)本發(fā)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(jí)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(dǎo)的二維不連續(xù)性，從而在適當(dāng)?shù)募訜釛l件下，在沉積表面形成對(duì)應(yīng)于孔洞分布的溫度波動(dòng)分布。本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于發(fā)光器件如LEDs、激光二極管，也可以在理解該原理的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用于光電二極管中。為了方便起見，本發(fā)明采用以^GaN為基礎(chǔ)的LEDs為例來闡述一些實(shí)施示例，但是要知道本發(fā)明并不局限于以InGaN為基礎(chǔ)的LEDs。圖1顯示了一種制作多孔材料結(jié)構(gòu)的方法，所用材料可以從GaN、Si、SiC、藍(lán)寶石及類似材料中選擇，通過現(xiàn)有已知的方法，例如光刻掩膜版的方法，或者例如美國(guó)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’，然后將覆蓋掩膜25’的襯底10’的表面置于高能量密度的激光束 70'下，由于陽極化氧化鋁的非透明性，激光能量可以通過掩膜25’的納米量級(jí)的孔洞而到達(dá)襯底10’，這樣可以通過激光引起的氣化過程，在襯底10’中產(chǎn)生垂直對(duì)齊的連續(xù)孔洞， 掩膜25’的孔洞面密度可以大于106cm_2，或者大于108cm_2，或者甚至大于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(jí)的孔洞101和實(shí)體側(cè)壁102，孔洞101的深度可以通過調(diào)節(jié)激光束70’的能量和/或照射時(shí)間來調(diào)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(gòu)成，那么掃描激光束70’可以是Q開關(guān) NchYAG脈沖激光的3次諧波的355nm譜線，或者是KrF準(zhǔn)分子激光的248nm譜線，激光束的脈沖寬度可以在5 50ns之間，能量密度在300 600mJ/cm2之間，另外，激光束70’可以以一個(gè)脈沖或多個(gè)脈沖施加，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(fā)明所述制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(guān)納米光刻工藝可參考美國(guó)專利7，604，903(該專利在此整體引用)，然后將帶掩膜25’的襯底10進(jìn)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(chǎn)生如圖2B中所示的微米量級(jí)或納米量級(jí)高度損傷區(qū)域101’。為了增強(qiáng)對(duì)襯底10的選擇性損傷，可以在較高的溫度下進(jìn)行離子注入，例如，將襯底10加熱到500°C時(shí)進(jìn)行離子注入，在一些示例中，可以采用氫、氦、氮、氧及類似離子，以IO12CnT2的劑量(如IO12CnT2 IO15cm-2)、注入時(shí)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(jí)或納米量級(jí)區(qū)域101’。損傷區(qū)域101’的深度和準(zhǔn)直度可以通過離子注入?yún)?shù)如離子種類、離子劑量、離子能量、注入溫度和時(shí)間來優(yōu)化。損傷區(qū)域101’可以通過化學(xué)刻蝕等方法去掉，例如通過KOH溶液刻蝕，相對(duì)于非損傷區(qū)域102，KOH溶液對(duì)區(qū)域101，有很強(qiáng)的選擇性刻蝕率，由于區(qū)域101，的高密度缺陷或非晶特性，101’中的材料會(huì)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(qū)域102和孔洞101所構(gòu)成的含高密度垂直連續(xù)孔洞101的結(jié)構(gòu)。掩膜25’的孔洞密度可以大于IO6CnT2，或者大于108cnT2，或者甚至大于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(shí)間和溫度來調(diào)節(jié)，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(gè)外延生長(zhǎng)爐如 M0CVD，在襯底10上沉積樣板層22。襯底可由GaN、Si、SiC、藍(lán)寶石或類似材料構(gòu)成，而樣板層可由GaN、AWaN、InGaN或類似材料構(gòu)成，樣板層22的厚度在1 10微米之間。優(yōu)化樣板層22的沉積條件，以獲得高質(zhì)量的氮化物層，例如，保持在100 500乇之間的相對(duì)較低的生長(zhǎng)壓力，以利于二維生長(zhǎng)的進(jìn)行，另外保持在950 1150°C之間的沉積溫度，不僅有利于二維生長(zhǎng)的進(jìn)行，而且降低污染雜質(zhì)的滲入。在形成樣板層22 (圖3A)后，將沉積溫度降至500 750°C和沉積壓力升至200 760乇，以利于含銦材料如InGaNjlInGaN及類似材料的三維島狀生長(zhǎng)。在此生長(zhǎng)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(jī)物的流量和沉積時(shí)間，而做到直徑或尺寸在5 50納米之間，密度在IO8 1010αιΓ2之間。然后，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(hù)層251如氮化硅或氧化硅，保護(hù)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(hù)層251，這是因?yàn)楹煃u如InGaN島具有相對(duì)較低的分解溫度(對(duì)于銦組分大于 10%的InGaN，低于850°C )，這個(gè)過程在樣板層22的表面形成納米量級(jí)掩膜25如圖3D所示，這時(shí)，不要將襯底10加熱到過高溫度，以避免過度損壞保護(hù)層251的剩余部分。在圖3E中，通過引進(jìn)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(duì)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(jī)物的流入，以避免在表面殘留下任何金屬點(diǎn)滴。通常來說，通過控制HCl的流量、刻蝕時(shí)間、刻蝕溫度和刻蝕壓力，可以形成一個(gè)具有一定厚度和密度的垂直連續(xù)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(shí)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的復(fù)制，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(xù)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(xù)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(xù)沉積具有平坦表面修復(fù)層，以利于后續(xù)LED結(jié)構(gòu)的沉積。如圖所示，修復(fù)層22”通過氮化物橫向生長(zhǎng)，封閉了多孔中間樣板層22”’的孔洞口，修復(fù)層22”可以由GaN、InGaN, AlGaN或類似材料構(gòu)成，可以使用與樣板層22相同或不同的材料構(gòu)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(fù)層22”，由于在孔洞口處合并時(shí)缺陷彎曲效應(yīng)，可以擁有降低的缺陷密度，也可以由于增強(qiáng)的光散射，而得到增強(qiáng)的出光效率。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例的橫截面圖，發(fā)光結(jié)構(gòu)1包括至少一個(gè)N型層20、一個(gè)P型層40和一個(gè)夾設(shè)于其間的激活層30，該激活層30包括至少一個(gè)壘層31和至少一個(gè)阱層32。激活層30可以是多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，N型層20可以是硅摻雜的GaN、AKiaN或銦組分低于10%的低銦組分InGaN，P型層40可以是鎂摻雜的GaN、AWaN或銦組分低于10%的低銦組分InGaN，壘層31最好是硅摻雜的GaN或銦組分低于10%的低銦組分InGaN，阱層32最好是由InGaN構(gòu)成。發(fā)光結(jié)構(gòu)1位于具有多孔結(jié)構(gòu)的襯底10’上，本發(fā)明的多孔襯底包含高密度孔洞，最好是垂直連續(xù)孔洞，并且由固體側(cè)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(fā)明中襯底的多孔部分包含高密度微米量級(jí)或納米量級(jí)的孔洞，沿與襯底表面相垂直的方向擴(kuò)展，這些孔洞優(yōu)選是不間斷連續(xù)向上擴(kuò)展，孔洞的面密度可以大于106cm_2，或大于108cm_2， 或者甚至大于109cnT2。襯底10，上部的實(shí)體部分的厚度，也就是圖4中所示結(jié)構(gòu)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(xù)孔洞101的平均深度在5 100微米之間，適合于本發(fā)明的襯底材料有GaN、SiC、 Si、藍(lán)寶石及類似材料。繼續(xù)參考圖1、圖2和圖4，將如此形成的多孔襯底10’清潔和干燥后，放入MOCVD 反應(yīng)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(yōu)選孔洞不是穿透的，以得到的適于外延生長(zhǎng)的平坦表面。襯底10’ 被承載襯底的托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(shí)溫度足夠高已經(jīng)消除了由多孔襯底的熱導(dǎo)非均勻性而導(dǎo)致的溫度不均勻性。然而在含銦激活層30的沉積時(shí)，當(dāng)托盤溫度降到如500 750°C時(shí)，多孔襯底10’的熱導(dǎo)非均勻性可以導(dǎo)致激活層沉積表面的二維溫度波動(dòng)。在激活層沉積中，位于孔洞101上方表面的溫度可以比位于實(shí)體側(cè)壁102上方表面的溫度低1°C或更多。通過優(yōu)化多孔部分的厚度d和孔洞密度可以調(diào)節(jié)從托盤傳到襯底10’的熱流。如果D-d接近D的話，就完全沒有二維溫度調(diào)節(jié)，如果D-d = 0，則具有最大的二維溫度調(diào)節(jié)，而且如果溫度太高，例如高于950°C，熱量可以通過傳導(dǎo)及輻射而傳到沉積表面，因此多孔襯底10’的不同熱導(dǎo)在二維溫度調(diào)節(jié)里就起著較小作用，而如果熱量主要是通過托盤和多孔襯底10’傳導(dǎo)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(dǎo)起伏在二維溫度調(diào)節(jié)里就起著很大作用。由于含銦氮化物(如MGaN)的銦組分對(duì)生長(zhǎng)溫度很敏感，這種在生長(zhǎng)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(dǎo)致InGaN外延層具有二維波動(dòng)組分。 在InGaN外延生長(zhǎng)中，1°C的溫差可以導(dǎo)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(jí)組分波動(dòng)的^GaN量子阱層32，而在此意義上的量子阱層32就相當(dāng)于量子點(diǎn)，可以獲得最高的發(fā)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(dòng)結(jié)構(gòu)這樣的激活層30提供了與此前量子阱相比更強(qiáng)的量子限制效應(yīng)。盡管根據(jù)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(dòng)的方法。襯底10被覆蓋或粘貼上具有較好熱導(dǎo)的多孔材料8，例如具有大于23W/m°C的熱導(dǎo)。多孔材料8可以是氧化鈹、碳化硅，硅、陽極氧化鋁或類似材料。多孔洞材料8由于多孔而產(chǎn)生熱導(dǎo)的二維非均勻性，這樣就在沉積InGaN量子阱32的沉積表面產(chǎn)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(dòng)，對(duì)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(yōu)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，盡管根據(jù)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中所述方法制成。可以具有與圖1和2A 2C中所示類似的多孔結(jié)構(gòu)，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也可以是用于沉積LED而支撐襯底10的托盤，即該托盤一個(gè)具有微米或納米量級(jí)的多孔結(jié)構(gòu)。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，可以用于支撐襯底10，并且多孔洞部分可直接與襯底10接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例，垂直多孔結(jié)構(gòu)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’具有類似于圖1和2A 2C中的孔洞201和實(shí)體側(cè)壁202，可以由6鄉(xiāng)、或hGaN、或鋁組分低于10%的AlGaN構(gòu)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(zhuǎn)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(jī)制如圖1中所示激光燒蝕和圖2A 2C中所示離子注入及濕法化學(xué)刻蝕轉(zhuǎn)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(zhǎng)平沉積表面而利于后續(xù)結(jié)構(gòu)沉積。平整層221’可以由與樣板層22’相同或不同的材料構(gòu)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，由于離激活層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(shí)，對(duì)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(chǎn)生二維溫度波動(dòng)，從而引起D沉積表面InGaN量子阱32 中銦組分的二維波動(dòng)，這對(duì)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’之后(如圖3F 3G)，恢復(fù)氨氣和有機(jī)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(fù)N型層20，N型層20最好由硅摻雜GaN構(gòu)成，目的是平整和恢復(fù)任何多孔層22’引起的粗化。如圖7中所示結(jié)構(gòu)的N型層20的厚度可以在1 10微米之間，然后在長(zhǎng)平的 N型層20上形成包括含銦量子阱如hGaN激活層的發(fā)光結(jié)構(gòu)，多孔樣板層22’由于離激活層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(shí)，對(duì)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(zhǎng)^iGaN量子阱32時(shí)在的生長(zhǎng)表面引入二維溫度波動(dòng)，從而引起InGaN量子阱32中銦組分的二維波動(dòng)，這對(duì)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。這里多孔樣板層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(yōu)選從IO8 lOW。圖8顯示了本發(fā)明的另一個(gè)示例，襯底10’具有一定厚度的多孔部分，可以根據(jù)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(huì)對(duì)量子阱32的銦組分的二維波動(dòng)產(chǎn)生很大影響。本發(fā)明用上述一系列示例進(jìn)行了說明，然而，本發(fā)明的范圍并不局限在上述示例中，而是盡量覆蓋各種變相或類似結(jié)構(gòu)，因此，專利申請(qǐng)的范圍應(yīng)該是涵蓋所有變相或類似結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，其包括N型層；P型層；夾設(shè)于所述N型層和P型層之間的激活層，該激活層包括至少一個(gè)含銦量子阱層，該含銦量子阱層的銦組分沿生長(zhǎng)所述激活層的生長(zhǎng)表面波動(dòng)；以及具有第一表面的襯底，所述第一表面用來生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)時(shí)，在生長(zhǎng)表面引起溫度波動(dòng)，從而導(dǎo)致所述含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述襯底的孔洞為沿著垂直于所述生長(zhǎng)表面延伸的連續(xù)孔洞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)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(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)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(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述孔洞在與襯底第一表面相對(duì)的第二表面上開放。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述多孔部分被粘貼在所述襯底的實(shí)體部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述多孔部分是外延生長(zhǎng)時(shí)的外延片托盤， 以在所述激活層的生長(zhǎng)中支撐所述襯底的實(shí)體部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件，其中所述襯底材料是氮化鎵，砷化鎵，硅，碳化硅， 藍(lán)寶石。
9.一種發(fā)光器件，其包括N型層；P型層；夾設(shè)于所述N型層和P型層之間的激活層，該激活層包括至少一個(gè)含銦量子阱層，該含銦量子阱層的銦組分沿生長(zhǎng)所述激活層的生長(zhǎng)表面波動(dòng)；具有第一表面的樣板層，所述第一表面用來生長(zhǎng)夾在所述N型層和P型層之間的所述激活層；以及用于生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，在生長(zhǎng)表面引起溫度波動(dòng)，從而導(dǎo)致所述含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其中所述樣板層的孔洞為沿著垂直于生長(zhǎng)表面延伸的連續(xù)孔洞。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其中所述樣板層的厚度為1 10微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光器件，其中所述樣板層由GaN、AWaN或InGaN構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)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(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)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。
15.一種制作發(fā)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(zhǎng)N型層；在所述N型層上形成包含至少一個(gè)含銦量子阱的激活層，所述含銦量子阱層的銦組分沿生長(zhǎng)所述激活層的生長(zhǎng)表面波動(dòng)；以及在所述激活層上生長(zhǎng)P型層；所述孔洞在所述含銦量子阱層的外延生長(zhǎng)時(shí)，在生長(zhǎng)表面引起溫度波動(dòng)，導(dǎo)致所述含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于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(jīng)激光束掃描，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(jù)權(quán)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(jí)光刻工藝，在所述襯底上形成掩膜；對(duì)帶有所述掩膜的所述襯底進(jìn)行離子注入，以在所述襯底上形成缺陷區(qū)； 通過化學(xué)濕法刻蝕工藝去掉所述缺陷區(qū)，以在所述襯底上形成所述孔洞；以及去掉所述掩膜。
18.根據(jù)權(quán)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(shí)間為2分鐘以上，離子能量超過50KeV。
19.一種制作發(fā)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(gè)含銦量子阱的激活層，所述含銦量子阱層的銦組分沿生長(zhǎng)所述激活層的生長(zhǎng)表面波動(dòng)；以及在所述激活層上生長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，在生長(zhǎng)表面引起溫度波動(dòng)，從而導(dǎo)致所述含銦量子阱層的銦組分的波動(dòng)。
20.根據(jù)權(quán)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于足夠高的溫度下，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(jù)權(quán)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(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述掩膜層和所述含銦島置于高于850°C的溫度下。
23.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中進(jìn)一步包括形成再生長(zhǎng)層，以封住在所述樣板層的刻蝕步驟中產(chǎn)生的孔洞。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述掩膜層由氮化硅或氧化硅構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種通過對(duì)激活層下面材料的二維熱導(dǎo)的調(diào)制而得到二維組分波動(dòng)激活層的發(fā)光器件，熱導(dǎo)調(diào)制通過在激活層下面材料上形成高密度孔洞來實(shí)現(xiàn)，也提出了制作發(fā)光器件和含高密度孔洞的材料的方法。
文檔編號(hào)H01L33/06GK102386291SQ20101056838
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者張劍平, 閆春輝 申請(qǐng)人:亞威朗(美國(guó))