HK1191739A - 具有位错密度保持缓冲层的发光器件 - Google Patents

Description

具有位错密度保持缓冲层的发光器件

交叉引用

本申请要求于2011年9月29日提交的美国专利申请No.13/249,157的优先权，其在此通过引用完整并入。

背景技术

照明应用通常使用白炽或充气式灯泡。这种灯泡的使用寿命通常不长，因此需要经常更换。充气式灯管，例如荧光灯管或氖灯管，具有较长的使用寿命，但是需要高电压操作并且相对昂贵。另外，灯泡与充气式灯管都会消耗大量能量。

发光二极管(LED)为在电子与空穴复合时发光的器件。LED通常包括掺杂杂质来建立p-n结的半导体材料的芯片。电流从p侧或阳极流向n侧或阴极。电荷载体—电子与空穴—从具有不同电压的电极流入p-n结。电子遇到空穴时，与空穴复合，此一复合过程使能量以光子(hv)形式辐射放射。光子或光射出LED并且用于各种应用，例如照明应用以及电子应用。

相较于白炽灯或充气式灯泡，LED相对便宜，以低电压操作并且使用寿命长。此外，LED消耗相对较少的功率并且体积小。这些属性使得LED受到特别期望并且适用于许多应用。

尽管LED有这些优点，也存在与这种器件关联的限制。这些限制包括会限制LED效率的材料限制；会限制LED所产生的光传输出所述器件的结构限制；以及会导致高处理成本的制造限制。因此，需要改进的LED以及制造LED的方法。

发明内容

在一方面中，提供例如发光二极管(LED)的发光器件。在具体实施例中，发光器件包括缓冲层，缓冲层包括氮化铝镓层以及与氮化铝镓层相邻的氮化镓(GaN)层。发光器件进一步包括与缓冲层相邻的发光叠层，发光叠层具有配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层，其中缓冲层以及发光叠层的组合厚度小于或等于5微米(μm)。在一些例子中，缓冲层包括氮化铝(AlN)层。AlN层可与氮化铝镓层相邻。在一些情况下，AlN层介于衬底(例如硅衬底)与氮化铝镓层之间。

在另一具体实施例中，发光器件包括：缓冲层，该缓冲层具有氮化铝(AlN)层、与AlN层相邻的氮化铝镓层以及与氮化铝镓层相邻的氮化镓(GaN)层；以及与GaN层相邻的发光叠层。发光叠层具有配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层。缓冲层的曲率半径的绝对值大于50m。

在另一具体实施例中，发光器件包括缓冲层，所述缓冲层包括i)经拉伸应变的氮化铝(AlN)层，ii)与AlN层相邻的经压缩应变的Al_xGa_1-xN层，其中“x”为介于0与1之间的数字，以及iii)与经应变的Al_xGa_1-xN层相邻的经压缩应变的氮化镓(GaN)层。发光器件进一步包括与缓冲层相邻的发光叠层。发光叠层包括n型氮化镓(n-GaN)层、p型氮化镓(p-GaN)层以及介于n-GaN与p-GaN层之间的有源层。有源层配置为在电子与空穴复合时产生光。

在另一具体实施例中，发光器件包括与发光叠层相邻的缓冲层。发光叠层包括配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层。有源层包括n型氮化镓层以及p型氮化镓层。缓冲层具有大于50m的曲率半径(绝对值)。

在另一方面中，提供用于形成发光器件的方法。在具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括在反应室内的衬底之上，形成具有有源层的发光叠层，有源层配置为在电子与空穴复合时产生光。发光叠层形成为与氮化镓(GaN)层相邻，GaN层在其层内形成缺陷的处理条件下接着形成为与氮化铝镓层相邻。氮化铝镓层在其层内形成缺陷的处理条件下，形成为与氮化铝(AlN)层相邻。AlN层在其层内形成缺陷的处理条件下，形成为与衬底相邻。

在另一具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括：在反应室内提供衬底；以及在选择为在氮化铝(AlN)层内产生缺陷的处理条件下，形成与衬底相邻的AlN层。在选择为在氮化铝镓层内产生缺陷的处理条件下，形成与AlN层相邻的氮化铝镓层。在选择为在氮化镓(GaN)层内产生缺陷的处理条件下，形成与氮化铝镓层相邻的GaN层。

在另一具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括形成与衬底相邻的多个层。所述多个层包括i)与衬底相邻的氮化铝层，ii)与氮化铝层相邻的氮化铝镓层以及iii)与氮化铝镓层相邻的氮化镓层。在所述多个层中的每一层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述多个层中的个体层随着其厚度增加时具有非零的应变。

在另一具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括在反应室内(或如果反应室包括多个反应空间时在反应空间内)的衬底之上形成发光叠层，发光叠层具有n型氮化镓(n-GaN)层、p型氮化镓(p-GaN)层以及介于n-GaN层与p-GaN层之间的有源层。有源层配置为在电子与空穴复合时产生光。发光叠层形成为与氮化镓(GaN)层相邻。GaN层形成为与氮化铝镓层相邻，氮化铝镓形成为与氮化铝层相邻，并且AlN层形成为与衬底相邻。在一些例子中，所述衬底为硅衬底。

在一些例子中，在GaN层、氮化铝镓层以及AlN层中的一个或多个形成期间，选择处理条件来在GaN层、氮化铝镓层和AlN层中的一个或多个内产生缺陷(或应变诱生的缺陷)。在一些例子，在GaN层、氮化铝镓层以及AlN层的形成期间，选择处理条件来在GaN层、氮化铝镓层和AlN层中的每一层内产生缺陷。在一些例子中，选择处理条件来在这些层内维持预定的缺陷密度。在一些情况下，该预定的缺陷密度介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间。在一些具体实施例中，选择处理条件，使得在在生长温度介于大约800℃与1200℃之间或大约900℃与1100℃之间时，GaN层、氮化铝镓层以及AlN层中的每一层随着其厚度增加而具有非零的拉伸或压缩应变。

在另一具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括：在反应室内提供衬底；以及在选择为在氮化铝(AlN)层内产生应变的处理条件下，形成与衬底相邻的AlN层。在选择为在氮化铝镓层内产生应变的处理条件下，形成与AlN层相邻的氮化铝镓层。在选择为在氮化镓(GaN)层内产生应变的处理条件下，形成与氮化铝镓层相邻的GaN层。

在另一方面中，提供形成发光器件的系统。在具体实施例中，用于形成发光器件的系统包括：用于容置衬底的反应室；以及与反应室流体连通的抽吸系统，所述抽吸系统配置为清洗或抽空反应室。所述系统包括具有处理器的计算机系统，所述处理器用于执行实施形成相邻于衬底的缓冲层的方法的机器可读取代码。所述方法包括形成与衬底相邻的多个层，所述多个层包括i)相邻于衬底的氮化铝层，ii)相邻于氮化铝层的氮化铝镓层以及iii)相邻于氮化铝镓层的氮化镓层。在所述多个层中的每一层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述多个层中的个体层随着其厚度增加而具有非零的应变。

从下列详细说明，本领域技术人员可了解本发明的其它方面与优点，其中仅显示与说明本发明的例示具体实施例。如所了解，本公开可包括其它及不同的具体实施例，并且在不偏离本公开的情况下，许多细节都可在许多其它方面修改。因此，附图与说明仅是说明性的而非限制的。

如果特别并且单独指示并入参考每一单独公开、专利或专利申请，本说明书将本申请内提到的所有公开、专利以及专利申请并入作为参考。

附图说明

参考下列所例示具体实施例，其中利用本发明原理以及附图的详细说明，将会更好理解本发明的特征及优点，其中：

图1图解例示初始发光器件；

图2图解例示根据具体实施例的发光二极管的截面图；

图3图解例示根据具体实施例的用于形成发光器件的方法；

图4图解例示根据具体实施例的在硅衬底上形成缓冲层的各阶段发光器件上的应变与累积应力；

图5图解例示根据具体实施例的用于在硅衬底上形成初始发光器件的缓冲层的过程的各阶段的简化截面图；以及

图6示出根据具体实施例的用于制造发光器件的系统。

具体实施方式

虽然已经在此示出和描述了本发明的许多实施例，但是仅是通过范例方式提供这些实施例对本领域技术人员是明显的。不偏离本发明，本领域技术人员可进行多种改变、变更以及替换。应该了解，在此所描述的本发明的实施例的许多替代方式都可用来实施本发明。

在此使用的术语“发光器件”是指配置成在电子和空穴在所述器件的发光区(或“有源层”)中复合时生成光的器件。在某些例子中，发光器件是将电能转换成光的固态器件。发光二极管（“LED”）为发光器件。目前有许多不同的LED器件结构，它们由不同材料制成，并且具有不同结构并且以许多方式运行。一些发光器件（激光二极管）发出激光，而其他的生成非单色光。一些LED被优化为执行特定应用。LED可为所谓的蓝光LED，其包括具有氮化铟镓的多量子阱(MQW)有源层。蓝光LED可发出具有波长范围从大约440纳米至大约500纳米的非单色光。可以提供荧光粉涂层来吸收发出的一些蓝光。荧光粉接着发荧光以发出其它波长的光，使得整体LED器件所发出的光具有较宽的波长范围。

在此所使用的术语“层”是指衬底上原子或分子的层。在一些例子中，层包括一个外延层或多个外延层。层可包括膜或薄膜。在一些情况下，层为器件(例如发光二极管)的结构部件，提供预定器件功能，诸如例如配置为生成(或发出)光的有源层。层的厚度通常从大约一个单原子单层(ML)至数十单层、数百单层、数千单层、数百万单层、数十亿单层、数万亿单层或更多。在范例中，层为多层结构，具有大于一个单原子单层的厚度。此外，层可包括多个材料层（或子层）。在范例中，多量子阱有源层包括多个阱和垒层。层可包括多个子层。例如，有源层可包括垒子层和阱子层。

在此所使用的术语“覆盖率”是指由物质覆盖或占用的表面相对于总表面面积的分数，例如，物质的10%的覆盖率表示有10%的表面被所述物质覆盖。在一些情况下，覆盖率由单层(ML)表示，1ML对应于表面对特定物质的完全饱和。例如，0.1ML的凹点覆盖率表示有10%的表面被凹点占据。

在此所使用的术语“有源区”(或“有源层”)是指配置为生成光的发光二极管(LED)的发光区。有源层包括有源材料，其在电子和空穴例如借助于通过有源层的正向偏置电流而复合时生成光。有源层可以包括一个或多个层(或子层)。在一些例子中，有源层包括一个或多个垒层(或包覆层，例如GaN)以及一个或多个量子阱(“阱”)层(诸如InGaN)。在范例中，有源层包括多个量子阱，在所述情况下，有源层可称为多量子阱(“MQW”)有源层。

在此所使用的术语“已掺杂”是指经化学掺杂的结构或层。层可掺杂有n型化学掺杂物(在此也称为“n掺杂”)或p型化学掺杂物(在此也称为“p掺杂”)。在一些例子中，层未掺杂或非故意掺杂(在此也称为“u掺杂”或“u型”)。在范例中，u-GaN(或u型GaN)层包括未掺杂或非故意掺杂的GaN。

在此所使用的术语“III-V族半导体”是指具有一或多种III族元素以及一或多种V族元素的材料。在一些例子中，III-V族半导体材料选自氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化镓砷(GaAsP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、磷化镓(GaP)、氮化铟镓(InGaN)、磷化铝镓(AlGaP)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)以及氮化铝镓铟(AlGaInN)。

在此所使用的术语“掺杂物”是指化学掺杂物，诸如n型掺杂物或p型掺杂物。P型掺杂物包括但不受限于镁、铍、锌和碳。n型掺杂物包括但不受限于硅、锗、锡、碲和硒。p型半导体为掺杂有p型掺杂物的半导体。n型半导体为掺杂有n型掺杂物的半导体。n型III-V族材料，诸如n型氮化镓(“n-GaN”)，包括掺杂有n型掺杂物的III-V族材料。p型III-V族材料，诸如p型GaN(“p-GaN”)，包括掺杂有p型掺杂物的III-V族材料。III-V族材料包括选自硼、铝、镓、铟以及铊的至少一种III族元素，以及选自氮、磷、砷、锑以及铋的至少一种V族元素。

在此使用的术语“相邻”或“相邻于”包括“邻近”、“邻接”、“接触”以及“紧邻”。在一些实例中，相邻部件由一个或多个介入层彼此分隔。例如，一个或多个介入层的厚度小于大约10微米(“微米”)、1微米、500纳米(“nm”)、100nm、50nm、10nm、1nm或更小。在范例中，第一层与第二层直接接触时，第一层与第二层相邻。在另一范例中，第一层由第三层与第二层分隔时，第一层与第二层相邻。

在此所使用的术语“衬底”是指其上期望形成膜或薄膜的任何工件。衬底包括但不受限于硅、锗、二氧化硅、蓝宝石、氧化锌、碳(例如石墨)、SiC、AlN、GaN、尖晶石(spinel)、涂布硅、氧化物上硅、氧化物上碳化硅、玻璃、氮化镓、氮化铟、二氧化钛、氮化铝、陶瓷材料（例如，氧化铝，AlN）、金属材料(例如钼、钨、铜、铝)及它们的组合(或合金)。

在此所使用的术语“注入效率”是指通过发光器件的注入到发光器件的有源区的电子的比例。

在此所使用的术语“内量子效率”是指在发光器件的有源区中辐射(即产生光子)的所有电子空穴复合事件的比例。

在此所使用的术语“提取效率”是指发光器件的有源区中所产生的光子从所述器件逃逸的比例。

在此所使用的术语“外量子效率”(EQE)是指从LED发出的光子数与通过LED的电子数的比率，即EQE=注入效率x内量子效率x提取效率。

虽然硅提供许多优点，诸如使用半导体制造的能力，但是硅衬底上的基于III-V族半导体的LED的形成仍存在许多限制。例如，硅与氮化镓之间的晶格失配以及热膨胀系数都会导致结构应力，结构应力在氮化镓薄膜的形成时生成缺陷，例如线(threading)和/或发夹(hairpin)位错(在此统称为“位错”)。

LED可由许多半导体器件层形成。在一些情况下，III-V族半导体LED提供优于其它半导体材料的器件参数(例如光波长、外部量子效率)。氮化镓(GaN)为二元III-V族直接能隙半导体，可用于光电应用以及高功率和高频率器件。

III-V族半导体型LED可在许多衬底上形成，例如硅、锗和蓝宝石。除了利用有助于将预定时间周期内形成的LED数量最大化的大晶圆尺寸之外，硅提供超过某些其它衬底的许多优点，例如使用当前制造和处理技术的能力。不过，虽然硅提供许多优点，在硅上形成基于III-V族半导体的LED(例如基于氮化镓的LED)也有许多限制与困难。

一个问题是镓与硅合金的形成，这对需要高质量GaN的情况是不利的。在一些情况下，在超过1000℃的温度下，由于在氮化镓器件层与硅衬底之间的界面形成硅镓合金，造成难以生长高质量的GaN。与在硅上形成基于III-V族半导体的LED相关的另一问题是硅与氮化镓之间晶格失配以及热膨胀系数(CTE)失配，这会产生结构应力，造成LED器件内破裂的问题。发光器件(例如LED)的许多器件层破裂会导致器件性能不佳，并且限制发光器件的使用寿命。

在范例中，针对具有硅衬底上GaN外延层(也称为“外延层”)的LED，外延层内的应力随着GaN外延层的厚度增加而增加。应力增加会导致硅晶圆弯曲并且在某些例子中破裂。破裂问题对于n掺杂硅的GaN层来说更严重，因为至少部分由于硅掺杂GaN内的高拉伸应变。虽然可选择硅掺杂GaN层的厚度以避免破裂，但是这种厚度限制会对基于GaN和硅的LED器件造成性能限制。

在一些例子中，在硅衬底上以提高的生长温度形成GaN薄膜之后，在冷却期间，硅衬底的收缩率低于GaN薄膜，这至少部分因为GaN具有比硅更高的热膨胀系数。在这种情况下，GaN薄膜于室温下处于拉伸应变。相反地，GaN的热膨胀系数比蓝宝石(Al₂O₃)低。因此对于在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜而言，在薄膜形成并且冷却至室温之后，GaN薄膜就处于压缩应变。针对形成于硅上的GaN薄膜以及形成于蓝宝石上的GaN薄膜，GaN与硅和蓝宝石之间的晶格常数差异在室温下在GaN薄膜上施加拉伸应变。针对形成于蓝宝石上的GaN，由于晶格常数失配造成的拉伸应变由GaN与蓝宝石之间热膨胀系数失配造成的压缩应变抵消，避免其上的GaN薄膜破裂。在另一方面，针对形成于硅上的GaN，由于热膨胀系数失配与晶格常数失配所产生的拉伸应变在室温下产生拉伸应变，这通常导致GaN薄膜在室温下弯曲并在一些例子中破裂。至少在一些情况下，这对于形成具有硅衬底上GaN薄膜的LED造成妨碍。

在范例中，图1为描绘发光器件100的形成的简化截面示意图，发光器件100具有硅衬底105以及形成于硅衬底105上的GaN薄膜110。在一些例子中，发光器件100为初始发光器件；需要额外处理操作来形成完整的发光器件。如图1顶部视图所示，硅衬底105加热至生长温度。如图1中间视图所示，在生长温度下，GaN膜110形成于硅衬底105上，造成硅衬底105与GaN膜110弯曲。GaN膜110形成于硅衬底105上之后，让所述结构冷却至室温。不过，如图1下方视图所示，衬底105上GaN膜110所产生的应力使衬底弯曲。

在一些例子中，GaN膜110形成在如Si(111)等单晶(或单一晶体)衬底上，在此种例子中GaN膜110为外延层。由于硅衬底105与GaN薄膜110之间热膨胀系数的失配，在生长温度下GaN薄膜110处于拉伸应变，造成GaN薄膜110与硅衬底105弯曲。在生长温度下，GaN薄膜110和硅衬底105都相对于与硅衬底105底部表面平行的轴弯曲角度θ。角度θ大于0°。GaN薄膜110和硅衬底105都具有相对于所述轴的凹陷外形。GaN与硅之间晶格常数的失配造成额外拉伸应变。在这种例子中，冷却至室温时，GaN薄膜110处于拉伸应变，这会导致发光器件100的许多器件层破裂。

在一些例子中，通过在形成期间将GaN薄膜的缺陷密度降到最低，可解决硅衬底上GaN薄膜的弯曲与破裂问题。这有助于在硅衬底上提供低缺陷密度、高质量GaN薄膜。不过，在硅衬底上形成低缺陷密度的GaN薄膜造成制造上的挑战。

本发明各具体实施例说明的结构、器件和方法都有助解决上述有关在硅衬底上形成GaN薄膜的问题。在一些具体实施例中，提供结构与方法来降低形成于硅衬底上的GaN薄膜内的应变。这如果不是消除，也是将在从生长温度冷却至室温之后硅衬底上GaN薄膜的弯曲和破裂减至最少。

结构、器件和方法至少部分基于GaN薄膜内产生的相对应变能够抵消由于如热膨胀系数失配产生于硅衬底上GaN薄膜内任何拉伸应变的未预期的实现。在一些例子中，相对应变为压缩应变。在一些具体实施例中，硅衬底上含GaN缓冲层在生长温度下应变成具有压缩应变，这可平衡含GaN缓冲层内的拉伸应变，从而如果不是消除也是将弯曲和破裂形成减至最少。

在一些具体实施例中，发光器件的各器件层是通过导入或维持位错来形成。在独特(或预定)的生长条件下会产生V凹点(或V缺陷)的位错，有助于在生长温度下维持各器件层中每一层的(压缩或拉伸)应变。在一些具体实施例中，发光器件的器件层形成于硅衬底之上以具有预定位错密度，以便在生长温度下产生平衡器件层内的拉伸应变的压缩应变。

随着器件层厚度增长，位错会减少。例如，随着硅上器件层的厚度增加，位错密度随着器件层厚度增加而减少。在一些具体实施例中，诸如缓冲层(包括缓冲层的各层)的器件层的厚度被选择为在生长温度下维持器件层内的预定位错密度。也就是，特定的器件层形成为具有提供预定位错密度的厚度。在范例中，形成的器件层具有经选择的厚度，以维持大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的位错密度。

在一些具体实施例中，位错具有至少两个功能。一个功能在于平衡发光器件各层内的应力，另一功能在于在发光器件内产生V凹点(或V缺陷)。在发光器件形成期间可在V凹点内形成有源层。

发光器件与缓冲层

本发明的一个方面提供诸如发光二极管的发光器件。在一些具体实施例中，发光器件包括形成于硅衬底上的多个层。在一些例子中，所述多层包括缓冲层。所述多层中的一个或多个受到应变。在一些例子中，多层中的一个或多个有意地受到应变，例如在多层的形成期间，选择处理条件以在所述多层内产生应变，例如通过缺陷。在一些具体实施例中，应变产生压缩应变来平衡发光器件内由于例如硅衬底与其上的器件层之间热膨胀系数失配所产生的任何拉伸应变，从而提供在室温下几乎没有应变的发光器件。

在一些具体实施例中，缓冲层在生长温度下遭受压缩应变。在从生长温度冷却时(例如冷却至室温)，压缩应变平衡缓冲层内的拉伸应变。

在一些具体实施例中，发光器件的一或多层借助在生长期间形成于所述一或多层内的位错而受到应变。位错帮助在生长温度下以及从生长温度冷却时，维持(或产生)一或多层内的应变。

在一些具体实施例中，发光器件包括：形成于硅衬底上的缓冲层；以及形成于缓冲层上的发光叠层。发光叠层包括发光有源层。缓冲层应变成具有平衡其层内任何拉伸应变的净压缩应变。这提供在室温下几乎没有整体应变的缓冲层。

在室温下，发光器件可以是凹陷、平坦或大体上平坦。在发光器件凹陷的例子中，衬底朝向缓冲层弯曲。在一些具体实施例中，发光器件具有大于大约30米(“m”)、40m、50m、100m、200m、300m、400m、500m、1000m或10,000m的曲率半径(绝对值)。在一些例子中，曲率半径(或弯曲程度)大体上为零或小于零(即衬底与各器件层都凸起)。在一些情况下，发光器件具有小于大约-50m、-100m、-200m、-300m、-400m、-500m、-1,000m或-10,000m的曲率半径(弯曲程度)。

在生长温度下，发光器件可凸起，即衬底弯曲远离缓冲层(请参见图5)。在一些具体实施例中，在生长温度下发光器件具有大于大约3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m或45m的曲率半径(绝对值)。在一些具体实施例中，在生长温度下发光器件具有介于大约0.1m与50m、0.5m与20m或1m与6m之间的曲率半径(绝对值)。通过调整一个或多个生长条件可预定生长温度下的曲率半径(参阅下列说明)。

通过计算导引至表面的光散射的程度来计算曲率半径，例如借助于弯度计。通过测量器件层形成期间光的散射，可计算出应变的任何变化。曲率半径与应变成反比，层的应变越大，曲率半径越低；相反地，层的应变越小，曲率半径越高。在大体上平坦表面的例子中(即几乎无弯曲)，曲率半径接近无限大。

在一些具体实施例中，发光器件的一或多层在生长温度下应变。生长温度相对于室温升高。已提高的生长温度下的应变有助于平衡已提高的生长温度下的任何相对应变(例如压缩应变)。在这种例子中，在冷却至室温时，发光器件的一或多层几乎没有应变，这如果不是消除也会将弯曲与在一些例子中破裂的形成降到最低。

在一些具体实施例中，发光器件包括相邻于发光叠层的缓冲层。缓冲层包括应变的氮化铝(AlN)层、相邻于AlN层的应变的Al_xGa_1-xN层(其中“x”为介于0与1之间的数字)以及相邻于应变的Al_xGa_1-xN层的应变的氮化镓(GaN)层。在一些情况下，可排除应变的AlN层。发光叠层包括n型氮化镓(n-GaN)层、p型氮化镓(p-GaN)层以及n-GaN与p-GaN层之间的有源层。有源层配置为在电子与空穴复合时，例如施加正向偏置电流通过有源层时，产生光。在一些例子中，n-GaN层相邻于经应变的GaN层。n-GaN层配置为协助电流流入有源层。p-GaN层配置成是协助空穴流入有源层。

在一些情况下，发光器件的缓冲层具有：最多一个AlN层；最多一个相邻于最多一个AlN层的Al_xGa_1-xN层；以及最多一个相邻于最多一个Al_xGa_1-xN层的GaN。在范例中，发光器件具有一个AlN层、一个相邻于AlN层的Al_xGa_1-xN层以及一个相邻于Al_xGa_1-xN层的GaN层。在这种例子中，发光器件不包括任何额外的AlN层、Al_xGa_1-xN层以及GaN层。

在一些例子中，发光器件包括在经应变的Al_xGa_1-xN层与经应变的GaN层之间的一或多层额外经应变的氮化铝镓层。在一些具体实施例中，发光器件包括在Al_xGa_1-xN层与经应变的GaN层之间的经应变的Al_yGa_1-yN层(其中“y”为介于0与1之间的数字)。经应变的Al_yGa_1-yN层可由经应变的Al_xGa_1-xN层(相邻于经应变的Al_yGa_1-yN层)的最外的子层与经内部应变的GaN层的组分之间渐变组成。

发光器件进一步包括相邻于缓冲层或发光叠层的衬底。在一些例子中，衬底相邻于缓冲层。在一范例中，衬底相邻于缓冲层的AlN层。在其它例子中，衬底相邻于发光叠层，例如相邻于发光叠层的p-GaN层。衬底包括硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅(SiC)、陶瓷材料(例如氧化铝、AlN)以及金属材料(例如钼、钨、铜、铝)中的一个或多个。

在一些具体实施例中，选择发光器件的厚度以在发光器件(包括缓冲层)内产生和/或维持预定缺陷密度(例如位错密度)。这些缺陷接着诱发应变(例如压缩或拉伸应变)。在一些例子中，缺陷密度可以是缓冲层的厚度的函数。在范例中，缓冲层越厚，缺陷密度越低，而缓冲层越薄，缺陷密度越高。特定具体实施例中描述的器件基于通过仔细选择发光器件各个层的厚度以及生长条件的未预期的实现，如果不是消除也可减缓冷却至室温时的破裂等上述许多问题。

在一些具体实施例中，发光器件的厚度小于或等于大约5微米(“μm”)、小于或等于大约4μm或小于或等于大约3μm。在一些具体实施例中，缓冲层与发光叠层的组合厚度小于或等于大约5微米(“μm”)、小于或等于大约4μm或小于或等于大约3μm。在一些具体实施例中，经应变的AlN层的厚度小于或等于大约1μm、小于或等于大约0.5μm或小于或等于大约0.4μm。在一些具体实施例中，经应变的Al_xGa_1-xN层的厚度小于或等于大约1μm、小于或等于大约0.8μm或小于或等于大约0.7μm。在一些具体实施例中，经应变的GaN层的厚度小于或等于大约4μm、小于或等于大约3μm或小于或等于大约2.5μm。在一些具体实施例中，缓冲层的厚度小于或等于大约5μm、小于或等于大约4μm或小于或等于大约3μm。

通过具有预定的缺陷密度，发光器件的各层在生长期间受到应变。在一些具体实施例中，经应变AlN的层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度(例如位错密度)，经应变的Al_xGa_1-xN层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度，而经应变的GaN层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。在一些例子中，发光叠层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

在一些具体实施例中，经应变的GaN层的位错密度小于经应变的AlGaN和AlN层的位错密度。经应变的AlGaN层的位错密度可小于AlN层的位错密度。在一些情况下，层中前10-150个单层的应变释放会随着在缓冲层生长期间加入新材料发生。

在一些例子中，缓冲层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的位错密度，这有助于在GaN层与LED层内形成V缺陷(或V凹点)。在这种例子中，通过维持位错密度来应变缓冲层—包括缓冲层的AlN、Al_xGa_1-xN和GaN层—有利于在缓冲层与LED层内形成V缺陷。通过选择一或多种生长条件，可控制V缺陷的大小。更进一步，可选择仅在V缺陷之间的区域生长产生光的有源区。这是生长高效率LED材料的有效方式。选择性生长有源层容许位错存在，这接着用以规划整体生长层的应力。

在一些具体实施例中，发光器件包括额外层。在一些例子中，发光器件在有源层与p-GaN层之间包括电子阻挡层。在一些具体实施例中，发光器件包括与n-GaN层电连通的第一电极，以及与p-GaN层电连通的第二电极。发光器件可包括相邻于p-GaN层的反光材料层(在此也称为“光学反射器”)。反光材料层可由银、铂、金、镍、铑和铟中的一个或多个形成。

图2示出根据本发明具体实施例的LED 200。LED 200包括第一衬底205、相邻于第一衬底205的AlN层210、相邻于AlN层210的AlGaN层215、相邻于AlGaN层215的GaN层220、相邻于GaN层220的n型GaN(“n-GaN”)层225、相邻于n-GaN层225的有源层230、相邻于有源层230的电子阻挡(例如AlGaN)层235以及相邻于电子阻挡层235的p型GaN(“p-GaN”)层240。

GaN层220可由u-GaN(即，未掺杂或非有意掺杂的GaN)形成。在一些例子中，AlN层210、AlGaN层215和GaN层220至少部分定义LED 200的缓冲层。n-GaN层225、有源层230和p-GaN层240定义LED200的发光叠层245。发光叠层245可包括其它层，例如电子阻挡层235。电子阻挡层235配置为将p-GaN层240内电子与空穴的复合减至最少。

第一衬底205可由硅形成。在一些情况下，LED 200包括相邻于p-GaN层240的第二衬底250(衬底2)。在这种例子中，可排除第一衬底205。第二衬底250可包括于最终的LED 200内。

在一些具体实施例中，AlN层210、AlGaN层215以及GaN层220为经应变的层。在一些例子中，AlN层210处于拉伸应变、AlGaN层215处于压缩应变，而GaN层220处于压缩应变。

AlGaN层215可具有铝和镓组分，选择这两种组分是为达到所需的(或预定的)器件特性。在一些例子中，选择铝和镓组分以在AlGaN层215内产生应变。AlGaN层215可具有化学式Al_xGa_1-xN，其中“x”为介于0与1之间的数字。在一些情况下，AlGaN层215依照铝和镓渐变组成。在范例中，于AlN层210与AlGaN层215之间的界面，AlGaN层215的铝含量高于镓含量(即x>1-x)，而于AlGaN层215与GaN层220之间的界面，AlGaN层215的镓含量高于铝含量(即1-x>x)。在另一范例中，于AlN层210与AlGaN层215之间的界面，AlGaN层215的铝含量低于镓含量(即x<1-x)，而于AlGaN层215与GaN层220之间的界面，AlGaN层215的镓含量高于铝含量(即1-x>x)。

在一些具体实施例中，AlN层210具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度，AlGaN层215具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度，而GaN层220具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。在一些例子中，发光叠层245具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

LED200可包括与n-GaN层225电连通的第一电极，以及与p-GaN层240电连通的第二电极。在一些例子中，第一电极直接与n-GaN层225电接触。第二电极与p-GaN层240电接触。

在一些例子中，LED200包括相邻于p-GaN层的反光材料层。在范例中，LED200包括介于p-GaN层240与第二衬底250之间的反光材料(例如银)层。

用于形成发光器件的方法

本发明的另一方面提供用于形成诸如发光二极管的发光器件的方法。在一些具体实施例中，用于形成发光器件的方法包括形成相邻于衬底的阻障层，阻障层包括i)相邻于硅衬底的氮化铝(AlN)层，ii)相邻于AlN层的氮化铝镓层以及iii)相邻于氮化铝镓层的氮化镓(GaN)层。在一些具体实施例中，在阻障层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使阻障层中的个体层随着其厚度增加而具有非零的拉伸应变或压缩应变。阻障层内的拉伸应变与压缩应变可以调整，使得阻障层在生长温度下具有净压缩应变。

发光器件的器件层(例如AlN层、氮化铝镓层、GaN层)内的(压缩或拉伸)应变可至少部分取决于器件层内的缺陷密度。在一些具体实施例中，在阻障层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得阻障层中的个体层具有预定的缺陷密度(例如位错)。在一些情况下，选择工艺参数以使阻障层的一个体层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

在一些具体实施例中，衬底由包括硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅(SiC)、陶瓷材料以及金属材料的材料形成。在一些实施中，衬底由硅形成。

根据用于形成发光器件的一个或多个工艺参数的选择，可调整工艺参数(或生长条件)。生长条件可包括生长温度、载流气体流率、前驱物流率、生长率、反应室压力及承座(或平底盘)旋转率。

在一些具体实施例中，发光器件的一或多层在介于大约750℃与1200℃或介于大约900℃与1100℃之间的生长温度下形成。个体层可在选择来达到预定缺陷密度的生长温度下形成。

在一些例子中，在GaN层、氮化镓铝层以及AlN层中的一个或多个形成期间，选择处理条件来在GaN层、氮化镓铝层以及AlN层中的一个或多个内产生缺陷。在一些例子中，在GaN层、氮化镓铝层以及AlN层的形成期间，选择处理条件来在GaN层、氮化铝镓层和AlN层内产生缺陷。缺陷有助于在生长温度下维持这些层内的预定应变水平。

在具体实施例中，AlN层在选择用于在其层内产生拉伸应变的生长条件下形成。在另一具体实施例中，氮化铝镓层在选择用于在其层内产生压缩应变的生长条件下形成。在另一具体实施例中，GaN层在选择用于在其层内产生压缩应变的生长条件下形成。

在一些具体实施例中，各器件层，例如缓冲层，由于缺陷(例如位错)而处于拉伸应变或压缩应变。选择处理条件以形成具有预定缺陷密度的层。在范例中，AlN层在选择用于使其至少部分由于层内缺陷而处于拉伸应变状态的处理条件下形成。在一些例子中，AlN层在一生长温度下处于拉伸应变，所述生长温度相对于室温下所呈现的拉伸应变而升高。缺陷的密度经过选择，以产生预定的拉伸应变水平。在一些例子中，缺陷密度介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间。在其它范例中，氮化铝镓层和GaN层在选择用于使其至少部分由于层内缺陷而处于压缩应变的处理条件下形成。在一些例子中，氮化铝镓层和GaN层在相对于室温升高的生长温度下处于压缩应变。缺陷的密度经过选择，以产生预定的压缩应变水平。在一些例子中，缺陷密度介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间。在其它范例中，处理条件经过选择，使得具有AlN、氮化铝镓以及GaN层的缓冲层至少部分由于层内缺陷而在生长温度下处于压缩应变。在一些情况下，缓冲层(包括许多个体层)内的缺陷密度介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间。

在此描述的方法可使用各种来源气体(或前驱物)。镓前驱物可包括三甲镓(trimethyl gallium，TMG)、三乙基镓、二乙基氯化镓以及同位的氢化镓化合物(例如二甲基氢化镓)。铝前驱物可包括三异丁基铝(TIBAL)、三甲基铝(TMA)、三乙基铝(TEA)和氢化二甲基铝(DMAH)。铟前驱物可包括三甲基铟(TMI)和三乙基铟(TEI)。氮前驱物可包括氨(NH₃)、氮(N₂)以及等离子体激发的氨和/或N₂中的一或多种。p型掺杂物前驱物可选自硼前驱物(例如B₂H₆)、镁前驱物(例如双环戊二烯基镁)、铝前驱物，在此仅举几个例子。n型前驱物可选自硅前驱物(例如SiH₄)、锗前驱物(例如四甲基锗、四乙基锗、二甲基氨基四氯化锗、异丁基锗)以及磷前驱物(例如PH₃)，在此仅举几个例子。

图3示出根据具体实施例的用于形成发光器件的方法300。在步骤305，在反应室内提供衬底。反应室可为真空室，用于在化学汽相沉积(例如金属有机化学汽相沉积或MOCVD)或原子层沉积(ALD)等方法的辅助下形成薄膜。

接下来，在操作310，氮化铝(AlN)层形成为与衬底相邻。AlN层是通过在具有铝前驱物以及氮前驱物气体的反应室内，将衬底加热至范围介于大约750℃与1200℃之间的生长温度形成的。在一个具体实施例中，生长温度设定在介于大约900℃与1100℃之间。铝前驱物以及氮前驱物可在一载流气体的协助下供应至反应室。载流气体可包括氢气(H₂)、氩气、氖气以及氦气。在一些具体实施例中，反应室同时包括铝前驱物与氮前驱物气体，使衬底同时暴露于铝前驱物以及氮前驱物。在其它具体实施例中，以交替方式将铝前驱物气体与氮前驱物气体提供至反应室内，使衬底交替暴露于铝前驱物以及氮前驱物。

在一些情况下，在AlN层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使形成的AlN层具有经过选择的厚度，以在生长温度下维持AlN层内的拉伸应变。在范例中，选择氢流率以及铝和氮前驱物流率之一或两者，使AlN层在生长温度下具有有限的拉伸应变。在这种例子中，AlN层具有预定的缺陷密度。在范例中，AlN层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

接下来，在操作315，衬底在生长温度下，第一氮化铝镓层形成为与AlN层相邻，第一氮化铝镓层具有组分Al_xGa_1-xN，其中“x”为介于0与1之间的数字。第一氮化铝镓层是通过将AlN层暴露于铝前驱物(例如TMA)、镓前驱物(例如TMG)以及氮前驱物(例如NH₃)而形成。这些前驱物中每一前驱物的部分压力与流率都经过选择，以提供所需的铝与镓含量。在一些例子中，第一氮化铝镓层以铝和镓进行组分渐变(即第一氮化铝镓层的铝和镓含量沿着生长方向变化)。在一些情况下，选择工艺参数(例如载流气体流率、前驱物流率)，使第一氮化铝镓层在生长温度下具有净压缩应变。若不适当地选择生长条件，则AlGaN层可能会迅速松弛，并且去除生长层的总应力。一般来说，松弛层是期望的，因为在这种松弛层上生长的新层没有应变，并且具有较高晶体质量。不过，在生长温度下无压缩应力(或应变)的层在冷却至室温时并非期望的。在一些例子中，在生长温度下无压缩应变的层会在室温下或接近室温时具有应变(例如拉伸应变)，导致弯曲并在一些例子中导致破裂。

接下来，在操作320，衬底在生长温度下，第二氮化铝镓层形成为与第一氮化铝镓层相邻，第二氮化铝镓层具有组分Al_yGa_1-yN，其中“y”为介于0与1之间的数字。第二氮化铝镓层是通过将第一氮化铝镓层暴露于铝前驱物、镓前驱物以及氮前驱物而形成。这些前驱物中每一前驱物的部分压力与流率都经过选择，以提供所需的铝与镓含量。在一些例子中，第二氮化铝镓层以铝和镓进行组分渐变(即第一氮化铝镓层的铝和镓含量沿着生长方向变化)。在一些情况下，选择工艺参数(例如载流气体流率、前驱物流率)，使第二氮化铝镓层在生长温度下具有净压缩应变。

接下来，在操作325，衬底在生长温度下，氮化镓(GaN)层形成为与第二氮化铝镓层相邻。GaN层是通过将镓前驱物(例如TMG)和氮前驱物(例如NH₃)供应到反应室内，并且将第二氮化铝镓层暴露于镓前驱物与氮前驱物而形成。在一些情况下，选择工艺参数(例如载流气体流率、前驱物流率)，使氮化镓层在生长温度下具有净压缩应变。

在一些例子中，排除第二氮化铝镓层。在这种例子中，GaN层形成为与第一氮化铝镓相邻。

接下来，在操作330，器件叠层形成为与GaN层相邻。在一些例子中，器件叠层包括：相邻于在操作325形成的GaN层的n型氮化镓(n-GaN)层；相邻于n-GaN层的有源层；以及相邻于有源层的p型氮化镓(p-GaN)层。在一些具体实施例中，GaN层暴露于在镓前驱物(例如TMG)、氮前驱物(例如NH₃)以及n型掺杂物的前驱物(例如硅烷)，以形成n-GaN层。在一些例子中，n-GaN层在范围介于大约750℃与1100℃之间的生长温度下形成。在一些具体实施例中，生长温度范围介于大约800℃与1050℃之间。在其它具体实施例中，生长温度范围介于大约850℃与1000℃之间。

有源层接着形成为与n-GaN层相邻。在一些例子中，有源层由一个或多个阱层(例如氮化铟镓、氮化铝镓、氮化铝铟镓)以及一个或多个垒层(例如氮化镓)形成，其中阱层与垒层以交替方式配置。例如，在阱层由氮化铟镓形成的情况下，通过供应铟前驱物(例如TMI)、镓前驱物(例如TMG)以及氮前驱物(例如NH₃)到反应室内而形成阱层。在另一范例中，具有氮化铝镓的阱层是通过供应铝前驱物(例如TMA)、镓前驱物(例如TMG)以及氮前驱物(例如NH₃)至所述反应室而形成。

一或多层阱层可用垒层分隔，例如具有氮化镓的垒层。在范例中，氮化镓垒层是通过将镓前驱物以及氮前驱物供应至反应室而形成。有源层形成为具有预定的阱-垒叠置周期。在一范例中，有源层具有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多的阱-垒叠置周期。在一范例中，有源层为具有例如10或更多周期的多量子阱(MQW)有源层。

在一些例子中，量子阱(“阱”)层是在范围介于大约750℃与790℃之间的温度下形成。在一些具体实施例中，阱是在范围介于大约770℃与780℃之间的温度下形成。垒层可在范围介于大约790℃与850℃之间的温度下形成。在一些具体实施例中，垒层是在范围介于大约810℃与840℃之间的温度下形成。

p-GaN层随后形成为与有源层相邻。在一些例子中，p-GaN层是通过将镓前驱物(例如TMG)、氮前驱物(例如NH₃)以及p型掺杂物(例如双环戊二烯基镁或Cp2Mg)的前驱物供应至反应室内而形成。在一些例子中，p-GaN层是在范围介于大约700℃与1100℃之间的温度下形成。在一些具体实施例中，温度范围介于大约800℃与1050℃之间，而在其它具体实施例中，温度范围介于大约850℃与1000℃之间。

接下来，第二衬底可提供为与p-GaN层相邻。第二衬底可为硅衬底。在一些例子中，在提供第二衬底之前形成一个或多个介入层。随后，去除与AlN层相邻的衬底，以暴露出AlN层。

在一些具体实施例中，形成与n-GaN层电连通的第一电极，以及与p-GaN层电连通的第二电极。在其它具体实施例中，所形成的第一电极与n-GaN层接触，而所形成的第二电极与第二衬底(与p-GaN相邻)接触。第一电极可包括一个或多个元素金属，例如钛、铝、镍、铂、金、银、铑、铜、铬或它们的组合。第二电极可包括一个或多个元素金属，例如铝、钛、铬、铂、镍、金、铑、银或它们的组合。

根据方法300形成的发光器件在室温下可具有减少的应变。在一些例子中，依照操作305-325，缓冲层的形成提供平衡缓冲层内的拉伸应变的压缩应变，从而减少在室温下缓冲层和/或器件叠层弯曲以及在一些例子中形成破裂的情况。

图4图解例示根据具体实施例的在发光器件的硅衬底上生长缓冲层的各阶段，所述发光器件上的应变与累积应力；y轴图解在缓冲层的各生长阶段的应变与累积应力。阴影矩形(顶部)示出每一层内的相对应变，而所述层图示(底部)示出缓冲层在各生长阶段的弯曲程度。x轴示出膜厚度。形成在硅衬底上的缓冲层包括：相邻于硅衬底的氮化铝(AlN)层；相邻于AlN层的第一氮化铝镓(Al_xGa_1-xN)层；相邻于第一氮化铝镓层的第二氮化铝镓(Al_yGa_1-yN)层；以及相邻于第二氮化铝镓层的氮化镓层。在每一层形成时，发光器件的缓冲层通过选择一个或多个工艺参数在层内产生应变而受到应变，也就是，每一层形成为具有预定应变程度。

在一些具体实施例中，提供AlN以有助于形成含镓层。AlN可将与硅衬底相邻的镓硅合金的形成降到最低或消除。

在一些例子中，缓冲层在生长温度下形成。在其它例子中，缓冲层的各层在相同或不同的生长温度下形成。

继续参照图4，AlN层形成为使缓冲层处于拉伸应变。发光器件在AlN层形成后弯曲(或凹陷)。Al_xGa_1-xN层是在选择用于使缓冲层内的拉伸应变被Al_xGa_1-xN层内的压缩应变平衡的处理条件下形成在AlN层上。在这种例子中，发光器件在生长温度下处于最小应变。Al_yGa_1-yN层是在选择用于使其处于压缩应变的处理条件下形成于Al_xGa_1-xN层上。发光器件处于压缩应变。在这种例子中，发光器件凸起，缓冲层内的压缩应变大于拉伸应变。GaN层是在选择用于使其处于压缩应变的处理条件下形成于Al_xGa_1-xN层上。在一些具体实施例中，缓冲层中的每一层形成为具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

在GaN层形成之后，形成发光二极管器件叠层(“LED器件叠层”)。LED器件叠层配置为在电子与空穴复合时产生光。器件叠层包括n-GaN层、p-GaN层以及n-GaN层与p-GaN之间的有源层。在一些例子中，器件叠层形成为具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10⁹cm^-2之间的缺陷密度。

在AlN层形成期间，缓冲层具有负应变。在后续层的形成期间，缓冲层内的应变增加。图4中曲线的斜率(应变除以厚度)接近或基本恒定。在一些具体实施例中，缓冲层在各生长阶段的应变(除以厚度)接近或基本恒定。

继续参照图4，在一些情况下，选择处理条件，使缓冲层的各层与发光器件的厚度在预定范围内。在一些具体实施例中，在发光二极管的形成期间，处理条件经过选择，使所形成的发光二极管具有小于或等于大约5μm、小于或等于大约4μm或小于或等于大约3微米(“μm”)的厚度。在一些具体实施例中，在AlN层的形成期间，处理条件经过选择，使所形成的AlN层具有小于或等于大约1μm的厚度。在一些具体实施例中，AlN层的厚度小于或等于大约0.5μm，而在其它具体实施例中，AlN层的厚度小于或等于大约0.3μm。在一些具体实施例中，在Al_xGa_1-xN和Al_yGa_1-yN层的形成期间，处理条件经过选择，使所形成的Al_xGa_1-xN和Al_yGa_1-yN层的组合厚度小于或等于大约1μm。在其它具体实施例中，组合厚度小于或等于大约0.8μm，而在其它具体实施例中，组合厚度小于或等于大约0.7μm。在一些具体实施例中，在GaN层的形成期间，处理条件经过选择，使GaN层的厚度小于或等于大约4μm。在其它具体实施例中，GaN层的厚度小于或等于大约3μm，而在其它具体实施例中，GaN层的厚度小于或等于大约2.5μm。在一些具体实施例中，在缓冲层的形成期间，处理条件经过选择，使所形成的缓冲层的厚度小于或等于大约5μm。在其它具体实施例中，缓冲层的厚度小于或等于大约4μm，而在其它具体实施例中，缓冲层的厚度小于或等于大约3μm。用于控制这些厚度的处理条件包括生长温度、前驱物流率、载流气体(例如H₂气体)流率、反应室压力、生长率及承座(或平底盘)旋转率中的一个或多个。

继续参照图4，每一层可具有不同的应变量。不过在一些例子中，在个体层的形成期间，作为个体层厚度的函数的层内应变是恒定的。

图5示出根据具体实施例的用于形成缓冲层的方法。缓冲层是发光器件的一部分，发光器件可为初始发光器件。最初，AlN层在选择为使其形成为具有预定应变程度的处理条件下形成在衬底上。在一些例子中，所述应变为拉伸应变。在具体实施例中，AlN层形成为具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。在这种例子中，AlN层在生长温度下处于拉伸应变；包括AlN层和衬底的初始发光器件弯曲(或凹陷)。在一些情况下，衬底为含硅衬底，例如主要具有硅含量(例如Si(111))的衬底。

接下来，氮化铝镓层在选择为使其形成为具有平衡初始发光器件内的拉伸应变的压缩应变的处理条件下形成在AlN层上。在一些例子中，氮化铝镓层形成为具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。在生长温度下，这种例子中的初始发光器件未弯曲，因此不会凹陷或凸起。

接下来，GaN层在选择为使其形成为具有压缩应变的处理条件下形成于氮化铝镓层上。在这种例子中，初始发光器件在生长温度下具有净压缩应变。在一些例子中，GaN层形成为具有范围介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。在这种例子中，发光器件凸起。冷却至室温之后，初始发光器件几乎没有净应变(即，压缩应变平衡了拉伸应变)。

在生长温度下，可在缓冲层上形成额外层。在范例中，发光叠层形成在GaN层上，发光叠层具有n-GaN层、p-GaN层以及介于n-GaN层与p-GaN层之间的有源层。

在一些具体实施例中，在各器件层形成期间，衬底同时暴露于二或多种前驱物。在其它情况下，在各器件层形成期间，衬底以交替并且顺序方式暴露于各种前驱物。在一范例中，通过将衬底暴露于在镓前驱物(例如TMG)，接着暴露于氮前驱物(例如NH₃)来形成氮化镓层，中间介入清洗或抽真空步骤。一般来说，如果需要多个前驱物来形成器件层，可以同时或以交替且顺序的方式，将前驱物供应至反应室内。

可使用各种沉积技术形成器件层。在一些具体实施例中，使用化学汽相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、等离子体增强CVD(PECVD)、等离子体增强ALD(PEALD)、金属有机CVD(MOCVD)、热线CVD(HWCVD)、初始CVD(iCVD)、改良式CVD(MCVD)、蒸汽轴沉积(VAD)、外部蒸汽沉积(OVD)以及物理汽相沉积(例如溅射沉积、蒸发沉积)来形成器件层。

虽然以具有例如氮化镓的III-V族半导体材料的发光器件范畴来说明在此提供的方法与结构，不过这些方法与结构仍旧适用于其它种半导体材料。在此提供的方法及结构可用于由至少以下部分形成的发光器件：氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化镓砷(GaAsP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、磷化镓(GaP)、氮化铟镓(InGaN)、磷化铝镓(AlGaP)、硒化锌(ZnSe)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)以及氮化铝镓铟(AlGaInN)。

配置为形成发光器件的系统

在本发明的另一方面中，用于形成发光器件的系统包括：用于容置衬底的反应室；与反应室流体连通的抽吸系统，抽吸系统配置为净化或抽空反应室；以及具有处理器的计算机系统，处理器用于执行实施用于形成发光器件的方法的机器可读取代码。代码可实施在此提供的任何方法。在具体实施例中，代码实施一种方法，所述方法包括形成相邻于硅衬底的多个层，多个层包括i)相邻于硅衬底的氮化铝层，ii)相邻于氮化铝层的氮化铝镓层，以及iii)相邻于氮化铝镓层的氮化镓层。在多个层中每一层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使多个层的个体层随着其厚度增加而具有非零的拉伸应变或压缩应变。在另一具体实施例中，代码实施一种方法，所述方法包括(a)在反应室内提供衬底，(b)在选择用于在氮化铝(AlN)层内产生缺陷(例如位错)的处理条件下，形成与衬底相邻的氮化铝层，(c)在选择用于在氮化铝镓层内产生(或形成)缺陷的处理条件下，形成与AlN层相邻的氮化铝镓层，以及(d)在选择用于在氮化镓(GaN)层内产生缺陷的处理条件下，形成与氮化铝镓层相邻的氮化镓层。这些缺陷在这些层中的每一层内诱发应变(即压缩应变或拉伸应变)。在一些具体实施例中，选择处理条件以产生和维持预定缺陷密度，例如介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

图6示出根据具体实施例的用于形成发光器件的系统600。系统600包括具有承座(或衬底固定座)610的反应室605，承座605配置为夹持用于形成发光器件的衬底。系统包括第一前驱物储存容器(或槽)615、第二前驱物储存容器620以及载流气体储存槽625。第一前驱物储存容器615可用于容纳III族前驱物(例如TMG)，而第二前驱物储存容器620可用于容纳V族前驱物(例如NH₃)。载流气体储存槽625用于容纳载流气体(例如H₂)。系统600可包括其它储存槽或容器，例如用于容纳其它前驱物与载流气体。系统600包括介于储存容器与反应室605之间的阀，用于将反应室605与每一储存容器流体隔离。

系统600进一步包括用于提供真空给反应室605的真空系统630。真空系统630与反应室605流体连通。在一些例子中，真空系统630配置成借助诸如闸阀的阀与反应室605隔离。

系统600的控制器(或控制系统)635有利于用于在反应室605内形成发光器件，例如形成发光器件的一或多层，的方法。控制器635连通耦合至第一前驱物储存容器615、第二前驱物储存容器620、载流气体储存槽625以及真空系统630的每一个的阀。控制器635可操作地耦合至承座610，用于调节承座以及承座上的衬底的温度，并且耦合至真空系统630，用于调节反应室605内的压力。

在一些情况下，真空系统630包括涡轮分子(“涡轮”)泵、扩散泵和机械泵中的一个或多个。在一些例子中，真空系统630包括涡轮泵、扩散泵和/或机械泵。泵可包括一个或多个备用泵，例如，涡轮泵的备用泵为机械泵。

在一些具体实施例中，控制器635配置为调节一个或多个处理参数，例如衬底温度、前驱物流率、生长率、载流气体流率以及反应室压力。在一些例子中，控制器635和储存容器与反应室605之间的阀连通，这有助于终止(或调节)前驱物至反应室605的流动。控制器635包括处理器，处理器配置为协助执行用以实施在此提供的方法的机器可执行代码。机器可执行代码储存于物理储存介质，例如闪存、硬盘或其它用以储存计算机可执行代码的物理储存介质。

在一些具体实施例中，控制器635配置为调节一个或多个工艺参数。在一些情况下，控制器635调节生长温度、载流气体流率、前驱物流率、生长率和/或生长压力(或反应室压力)。

在一些情况下，控制器635配置为调节工艺参数，使发光器件的一或多层受到应变。例如，控制器635调节生长温度、前驱物流率、载流气体流率、反应室压力以及生长率中的一个或多个，以在初始或完成的发光器件的缓冲层的一或多层内产生预定的应变水平。

在一些具体实施例中，系统600包括各种表面(surface)或实体(Bulk)分析仪器(光谱学)，用于以定性和/或定量分析衬底以及形成在衬底上的各层。在一些例子中，系统包括弯度计，用于测量衬底或形成在衬底上的薄膜的曲率。在一些例子中，曲率与衬底或薄膜内的应力有关(例如处于应力下的薄膜凹陷或凸起)。

范例

硅衬底提供在反应室内的承座上，而位错密度保持缓冲层形成在硅衬底上。位错密度保持缓冲层包括氮化铝层、相邻于AlN层的氮化铝镓层以及相邻于氮化铝镓层的氮化镓层。

承座在大约850℃的温度下，通过将硅衬底暴露于TMA和NH₃，在硅衬底上形成AlN层而形成缓冲层。AlN层具有大约0.4微米(“μm”)的厚度。接下来，承座在大约850℃的温度下，将AlN层暴露于TMA、TMG和NH₃，以在AlN层上形成氮化铝镓层。氮化铝镓层具有大约0.7μm的厚度。接下来，承座在大约850℃的温度下，将氮化铝镓层暴露于TMG和NH₃，以形成厚度大约2.5μm的GaN层。在生长温度下，衬底具有大约5m的曲率半径(绝对值)。而在冷却至室温时，衬底具有大于50m的曲率半径(绝对值)。

除非特别要求，否则整个说明书与权利要求书内使用的单数或复数文字也分别包括复数或单数。此外，用词“在此”、“底下”、“之上”、“之下”以及汇入本申请的类似文字为整体，而非本申请的任何特定部分。文字“或”用于参考二或多个项目的清单时，所述文字覆盖下列所有文字解释：清单内任何项目、清单内所有项目以及清单内项目的任意组合。

从上述当中可了解，虽然已经例示并描述特定实施，在本说明书中还是可进行许多修改以及补充。本发明也不受限于本申请内提供的特定范例。虽然已经参考上述描述来说明本发明，但是本发明具体实施例的说明与例示并没有限制之意。更进一步，应了解，本发明的所有方面并不限于本说明书内根据许多状况与变化所揭示的特定说明、设置或相对比例。本领域技术人员将了解本发明具体实施例中形式与细节的许多修改。因此，假定本发明也应覆盖任何这种修改、变化与同等物。

Claims (51)

1.一种发光器件，包括：

缓冲层，包括氮化铝镓层以及与所述氮化铝镓层相邻的氮化镓(GaN)层；以及

与所述缓冲层相邻的发光叠层，所述发光叠层包括配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层，

其中所述缓冲层与所述发光叠层的组合厚度小于或等于5微米(μm)。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述缓冲层与硅衬底相邻。

3.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述缓冲层进一步包括氮化铝(AlN)层。

4.根据权利要求3所述的发光器件，其中，所述AlN层与所述硅衬底相邻，所述GaN层与所述发光叠层相邻。

5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述组合厚度小于或等于3μm。

6.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述发光器件具有大于50m的曲率半径(绝对值)。

7.一种发光器件，包括：

缓冲层，包括氮化铝镓层以及与所述氮化铝镓层相邻的氮化镓(GaN)层；以及

与所述GaN层相邻的发光叠层，所述发光叠层具有配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层，

其中所述缓冲层的曲率半径的绝对值大于50m。

8.根据权利要求7所述的发光器件，其中，所述缓冲层进一步包括氮化铝(AlN)层。

9.根据权利要求7所述的发光器件，其中，所述缓冲层与硅衬底相邻。

10.根据权利要求7所述的发光器件，其中，所述缓冲层与所述发光叠层的组合厚度小于或等于大约5微米(μm)。

11.根据权利要求7所述的发光器件，其中，所述缓冲层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

12.一种发光器件，包括：

缓冲层，包括：

i)与所述AlN层相邻的经压缩应变的Al_xGa_1-xN层，其中“x”为介于0与1之间的数字；以及

ii)与所述经应变的Al_xGa_1-xN层相邻的经压缩应变的氮化镓(GaN)层；以及

与所述缓冲层相邻的发光叠层，所述发光叠层具有n型氮化镓(n-GaN)层、p型氮化镓(p-GaN)层以及介于所述n-GaN与p-GaN层之间的有源层，所述有源层配置为在电子与空穴复合时产生光。

13.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述缓冲层进一步包括经拉伸应变的氮化铝(AlN)层。

14.根据权利要求13所述的发光器件，进一步包括与所述经拉伸应变的AlN层相邻的电极。

15.根据权利要求12所述的发光器件，进一步包括与所述缓冲层或所述发光叠层相邻的衬底。

16.根据权利要求15所述的发光器件，其中，所述衬底由选自以下材料构成的组中的材料形成：硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅(SiC)、陶瓷材料以及金属材料。

17.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述缓冲层与所述发光叠层的组合厚度小于或等于大约5微米(μm)。

18.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述经应变的AlN层的厚度小于或等于大约1微米(μm)。

19.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述经应变的Al_xGa_1-xN层的厚度小于或等于大约1微米(μm)。

20.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述经应变的GaN层的厚度小于或等于大约4微米(μm)。

21.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述n-GaN层与所述经应变的GaN层相邻。

22.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述缓冲层的厚度小于或等于大约5微米(μm)。

23.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述经应变的GaN层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

24.根据权利要求12所述的发光器件，其中，所述发光叠层具有介于大约1x10⁸cm^-2与2x10¹⁰cm^-2之间的缺陷密度。

25.根据权利要求24所述的发光器件，其中，所述缺陷为源自所述缓冲层内的位错的V缺陷。

26.根据权利要求12所述的发光器件，进一步包括与所述发光叠层相邻的电极。

27.根据权利要求12所述的发光器件，进一步包括与所述经应变的Al_xGa_1-xN层相邻的经应变的Al_yGa_1-yN层，其中“y”为介于0与1之间的数字。

28.一种发光器件，包括与发光叠层相邻的缓冲层，所述发光叠层具有配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层，所述有源层具有n型氮化镓层以及p型氮化镓层，

其中所述缓冲层具有大于50m的曲率半径(绝对值)。

29.根据权利要求28所述的发光器件，其中，所述缓冲层包括铝、镓和氮，其中所述缓冲层在氮化铝与氮化镓之间组分渐变。

30.一种用于形成发光器件的方法，包括：

在反应室内的衬底之上形成发光叠层，所述发光叠层具有配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层，

其中所述发光叠层形成为与氮化镓(GaN)层相邻，

其中在选择为在所述GaN层内形成缺陷的处理条件下将所述GaN层形成为与氮化铝镓层相邻，

其中在选择为在所述氮化铝镓层内形成缺陷的处理条件下将所述氮化铝镓层形成为与氮化铝(AlN)层相邻，以及

其中在选择为在所述AlN层内形成缺陷的处理条件下将所述AlN层形成为与所述衬底相邻。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述衬底由选自以下材料构成的组中的材料形成：硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅(SiC)、陶瓷材料以及金属材料。

32.根据权利要求30所述的方法，其中，在选择为产生源自所述GaN层内的位错的V缺陷的处理条件下形成所述发光叠层。

33.根据权利要求30所述的方法，其中，在选择为在所述GaN层内产生压缩应变的处理条件下形成所述GaN层。

34.根据权利要求30所述的方法，其中，在选择为在所述氮化铝镓层内产生压缩应变的处理条件下形成所述氮化铝镓层。

35.根据权利要求30所述的方法，其中，在选择为在所述AlN层内产生拉伸应变的处理条件下形成所述AlN层。

36.根据权利要求30所述的方法，其中，所述等处理条件选自由反应室空间、前驱物流率、载流气体流率以及生长温度构成的组。

37.根据权利要求30所述的方法，其中，所述缺陷为位错。

38.一种用于形成发光器件的方法，包括：

(a)在反应室内提供衬底；

(b)在选择为在氮化铝(AlN)层内产生缺陷的处理条件下形成与所述衬底相邻的所述AlN层；

(c)在选择为在氮化铝镓层内产生缺陷的处理条件下形成与所述AlN层相邻的所述氮化铝镓层；以及

(d)在选择为在氮化镓(GaN)层内产生缺陷的处理条件下形成与所述氮化铝镓层相邻的所述GaN层。

39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括(e)在选择为产生源自所述GaN层内的位错的V缺陷的处理条件下形成与所述GaN层相邻的发光叠层。

40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述氮化铝镓层为Al_xGa_1-xN，其中“x”为介于0与1之间的数字。

41.根据权利要求38所述的方法，进一步包括在所述氮化铝镓层与所述GaN层之间形成额外的氮化铝镓层。

42.根据权利要求38所述的方法，进一步包括形成与所述GaN层相邻的发光叠层，所述发光叠层包括配置为在电子与空穴复合时产生光的有源层。

43.根据权利要求38所述的方法，其中，所述发光叠层包括n型氮化镓(n-GaN)层、p型氮化镓(p-GaN)层以及介于所述n-GaN与所述p-GaN层之间的所述有源层。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述n-GaN层与所述GaN层相邻。

45.一种用于形成发光器件的方法，包括：

形成与衬底相邻的多个层，所述多个层包括i)与所述衬底相邻的氮化铝层，ii)与所述氮化铝层相邻的氮化铝镓层，以及iii)与所述氮化铝镓层相邻的氮化镓层，

其中在所述多个层中的每一层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述多个层中的个体层随着其厚度增加而具有非零的应变。

46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述衬底由选自以下材料构成的组中的材料形成：硅、锗、氧化硅、二氧化硅、氧化钛、二氧化钛、蓝宝石、碳化硅(SiC)、陶瓷材料以及金属材料。

47.根据权利要求45所述的方法，其中，在所述氮化铝层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述氮化铝层随着其厚度增加而具有非零的拉伸应变。

48.根据权利要求45所述的方法，其中，在所述氮化铝镓层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述氮化铝镓层随着其厚度增加而具有非零的压缩应变。

49.根据权利要求45所述的方法，其中，在所述氮化镓层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述氮化镓层随着其厚度增加而具有非零的压缩应变。

50.根据权利要求45所述的方法，其中，所述多个层中的所述个体层在在所述个体层的生长温度下随着其厚度增加而具有非零的应变。

51.一种用于形成发光器件的系统，包括：

用于容置衬底的反应室；

与所述反应室流体连通的抽吸系统，所述抽吸系统配置为净化或抽空所述反应室；以及

具有处理器的计算机系统，所述处理器用于执行实施用于形成与所述衬底相邻的缓冲层的方法的机器可读取代码，所述方法包括：

形成与所述衬底相邻的多个层，所述多个层包括i)与所述衬底相邻的氮化铝层，ii)与所述氮化铝层相邻的氮化铝镓层以及iii)与所述氮化铝镓层相邻的氮化镓层，

其中在所述多个层中的每一层的形成期间，选择一个或多个工艺参数，使得所述多个层中的个体层随着其厚度增加而具有非零的应变。