基于二维岛的InGaN量子点外延结构及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料生长技术领域，特别是涉及一种基于二维岛的InGaN量子点外延结构及制备方法。该方法可以用于半导体光电器件有源区的制作。
【背景技术】
[0002]近年来，采用C面生长的铟镓氮(InGaN) /氮化镓(GaN)多量子阱材料作为有源区的GaN基光电器件已经获得了较为广泛的应用，如白光发光二极管(LED)。虽然C面生长的InGaN材料质量较高，但是较强的量子限制斯塔克效应(QCSE)使得InGaN量子阱的发光效率大幅降低，严重制约了发光器件性能的提升。然而，InGaN量子点利用其特殊的三维受限结构，不仅减小了 QCSE效应，而且具有热稳定性高，对缺陷不敏感等优点。因此，采用InGaN量子点作为发光材料，可以显著提高光电器件的发光性能。
[0003]目前，InGaN量子点的生长方法主要有两大类，即选区生长技术和自组装生长法。其中，选区生长技术能够获得尺寸均匀，密度高的量子点，但是复杂的加工工艺会给量子点带来不可避免的额外损伤，从而降低了材料的发光效率。自组装生长法的优点是工艺简单，制备的量子点缺陷少，质量高。其缺点是量子点的位置分布、尺寸和密度等参数离散较大，导致量子点材料的发光光谱展宽，发光效率下降。总之，目前的量子点制备方法很难获得结构参数可控的高质量InGaN量子点材料，严重制约了 InGaN量子点器件的发展与应用。
【发明内容】
[0004]本发明提出了基于二维岛的InGaN量子点外延结构及制备方法，其目的在于利用低温生长的二维InGaN岛作为量子点的成核中心，通过调整二维岛的生长温度和生长时间，可以较容易地实现对后续生长的InGaN量子点密度和分布的调控。
[0005]本发明提供一种基于二维岛的InGaN量子点外延结构，包括:
[0006]—衬底；
[0007]一 GaN外延层，其生长在衬底上；
[0008]多个InGaN 二维岛，其均匀生长在GaN外延层上；
[0009]多个量子点复合层，生长在多个InGaN 二维岛的上面，并覆盖InGaN 二维岛。
[0010]本发明还提供一种基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，包括以下步骤:
[0011]步骤1:取一衬底；
[0012]步骤2:在衬底上生长GaN外延层；
[0013]步骤3:在GaN外延层上生长多个InGaN 二维岛；
[0014]步骤4:在多个InGaN 二维岛上生长多个量子点复合层，并覆盖InGaN 二维岛，完成制备。
[0015]本发明有以下有益效果:
[0016]本发明将量子点的自组装生长与二维岛的生长相结合。其中InGaN量子点的密度主要取决于InGaN 二维岛的分布，而对二维岛分布和密度的调控相对容易，从而简化了对InGaN量子点密度的调控。因此，采用本发明制备的量子点材料即具有自组装的量子点缺陷少，质量高的优点，又克服了自组装生长随机性大的缺点，实现了对量子点密度的可控生长，从而有利于获得高质量的密度可控的InGaN量子点材料。
【附图说明】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0018]图1是本发明中量子点的外延结构示意图。
[0019]图2是本发明中量子点的制作流程图。
【具体实施方式】
[0020]请参阅图1，本发明提供的基于二维岛的InGaN量子点外延结构，包括:
[0021]—衬底20，材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓；
[0022]— GaN外延层21，其生长在衬底20上。该GaN外延层21采用两步生长法生长获得，即先生长厚度小于50nm的低温GaN缓冲层，再生长厚度为1-3 μ m的高温GaN层。该GaN外延层21中可根据实际需要进行掺杂，一般为N型Si掺杂，掺杂浓度大于10lscm3。
[0023]多个InGaN 二维岛22，其均匀生长在GaN外延层21上，其中每个InGaN 二维岛22的高度为1-3个原子直径，宽度为5nm_50nm，岛与岛之间距离为1nm-1 μ m。由于二维InGaN岛22的生长温度低，表面原子的迀移率低，即材料生长速度很慢，从而便于对InGaN 二维岛22的分布和密度进行较精细的调控。此外，较低的生长温度有利于In原子的沉积，可以获得In组分较高的InGaN 二维岛22，为后续InGaN量子点的生长提供较好的应变成核中心。
[0024]多个量子点复合层25，其生长在多个InGaN 二维岛22的上面，并覆盖InGaN 二维岛22。
[0025]其中，每一量子点复合层25包括一 InGaN量子点层23和一 GaN隔离层24，该GaN隔离层24生长在InGaN量子点层23上；
[0026]该InGaN量子点层23采用自组装方式生长，包含浸润层和量子点两部分。即先进行二维层状结构浸润层的生长，当浸润层的厚度超过临界值以后，开始进行三维结构的InGaN量子点的生长。获得的InGaN量子点的高度为5_50nm，宽度为10-100nm。由于第一层InGaN量子点层23覆盖了二维InGaN岛22，根据应力自对准原理，后续自组装生长的InGaN量子点将优先在二维InGaN岛22的位置处成核并生长，即二维InGaN岛22的位置决定了后续的InGaN量子点的位置。通过改变InGaN量子点层23的生长温度和时间可以改变InGaN量子点的大小，实现对量子点形貌的调整；
[0027]该GaN隔离层24的厚度为10nm_100nm，并至少保证覆盖所有的InGaN量子点，调整其厚度可以改变各层量子点之间的耦合强度。
[0028]多个量子点复合层25依次重复生长。利用应力耦合作用，多个量子点复合层25中的InGaN量子点之间可以实现自对准，从而实现多层InGaN量子点的制备，提高量子点材料的体密度。
[0029]请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明提供的基于二维岛的InGaN量子点制备方法，包括以下步骤:
[0030]步骤1:取一衬底20，其材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓。将该衬底20在1000-1200°C的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理。
[0031]步骤2:在衬底20上生长GaN外延层21。该GaN外延层21采用两步生长法生长获得，即先生长低温GaN缓冲层，生长温度为450-650°C，厚度小于50nm，再生长高温GaN层，生长温度为1000-1200°C，厚度为1-3 μ m。该GaN外延层21中可根据实际需要进行掺杂，一般为N型Si掺杂，掺杂浓度大于1018cm-3。
[0032]步骤3:在GaN外延层21上生长多个InGaN 二维岛22。其中，InGaN 二维岛22采用亚单层结构生长获得，生长温度为550°C _800°C，生长时间为5-50s。通过调整InGaN 二维岛的生长温度、生长时间等参数，可以方便地实现对二维岛尺寸和密度的调控。比如，减小生长温度可以减小二维岛尺寸，延长生长时间可以增加二维岛密度。
[0033]步骤4:在多个InGaN 二维岛22上生长多个量子点复合层25，并覆盖InGaN 二维岛22，完成制备。
[0034]其中，每一量子点复合层25包括一 InGaN量子点层23和一 GaN隔离层24，该GaN隔离层24生长在InGaN量子点层23上；
[0035]该InGaN量子点层23采用自组装方式生长，包含浸润层和量子点两部分。其生长条件为:V/III = 8000-12000，生长温度550°C _800°C，生长时间10-100s。通过调整温度、时间、各反应源的流量以及生长压力等参数，可以调节生长速率，并调节量子点的尺寸、形貌及In含量；
[0036]该GaN隔离层24的生长温度较高，约为800°C -1000°C，有利于获得高质量的GaN晶体材料。若为避免高温对InGaN量子点造成热分解，该GaN隔离层24的生长温度也可以降低至与量子点的生长温度相同。
[0037]利用垂直耦合原理，后续生长的InGaN量子点以InGaN 二维岛为成核中心，实现了InGaN量子点和InGaN 二维岛的垂直对准生长。即InGaN 二维岛22的位置决定了后续量子点的位置。从而，可以通过调节InGaN 二维岛22生长参数，实现对量子点的密度和分布的调控。
[0038]多个量子点复合层25中的量子点之间利用应力耦合作用实现自对准，从而实现多层InGaN量子点的制备，提高了量子点材料的体密度。
[0039]需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明要求保护的范围。
【主权项】
1.一种基于二维岛的InGaN量子点外延结构，包括: 一衬底； 一 GaN外延层，其生长在衬底上； 多个InGaN 二维岛，其均匀生长在GaN外延层上； 多个量子点复合层，生长在多个InGaN 二维岛的上面，并覆盖InGaN 二维岛。2.根据权利要求1所述的基于二维岛的InGaN量子点外延结构，其中衬底的材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓。3.根据权利要求1所述的基于二维岛的InGaN量子点外延结构，其中每一量子点复合层包括一 InGaN莖子点层和一 GaN隔尚层，该GaN隔尚层生长在InGaN莖子点层上。4.根据权利要求1所述的基于二维岛的InGaN量子点外延结构，其中每个InGaN二维岛的高度为1-3个原子直径，宽度为5nm-50nm，岛与岛之间距离为1nm-1 μπι。5.根据权利要求1所述的基于二维岛的InGaN量子点外延结构，其中GaN隔离层的厚度为lOnm-lOOnm，调整其厚度可以改变各层量子点之间的耦合强度。6.一种基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，包括以下步骤: 步骤1:取一衬底； 步骤2:在衬底上生长GaN外延层； 步骤3:在GaN外延层上生长多个InGaN 二维岛； 步骤4:在多个InGaN 二维岛上生长多个量子点复合层，并覆盖InGaN 二维岛，完成制备。7.根据权利要求6所述的基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，其中衬底的材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓。8.根据权利要求6所述的基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，其中每一量子点复合层包括一 InGaN 3；子点层和一 GaN隔尚层，该GaN隔尚层生长在InGaN 3；子点层上。9.根据权利要求6所述的基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，其中每个InGaN二维岛的高度为1-3个原子直径，宽度为5nm-50nm，岛与岛之间距离为1nm-1 μπι。10.根据权利要求6所述的基于二维岛的InGaN量子点的制备方法，其中GaN隔离层的厚度为lOnm-lOOnm，调整其厚度可以改变各层量子点之间的耦合强度。
【专利摘要】一种基于二维岛的InGaN量子点外延结构及制备方法，其中基于二维岛的InGaN量子点外延结构，包括：一衬底；一GaN外延层，其生长在衬底上；多个InGaN二维岛，其均匀生长在GaN外延层上；多个量子点复合层，生长在多个InGaN二维岛的上面，并覆盖InGaN二维岛。本发明是利用低温生长的二维InGaN岛作为量子点的成核中心，通过调整二维岛的生长温度和生长时间，可以较容易地实现对后续生长的InGaN量子点密度和分布的调控。
【IPC分类】H01L33/00, H01L21/02, H01L33/06, H01L33/32
【公开号】CN105206725
【申请号】CN201510522409
【发明人】刘炜, 赵德刚, 陈平, 刘宗顺, 朱建军, 江德生
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年8月24日