CN103296168A

CN103296168A - 利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片及其制备方法

Info

Publication number: CN103296168A
Application number: CN2012100472408A
Authority: CN
Inventors: 王怀兵; 王辉; 黄强
Original assignee: SUZHOU NANOJOIN PHOTONICS CO Ltd
Current assignee: SUZHOU NANOJOIN PHOTONICS CO Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: CN103296168B

Abstract

本发明揭示了一种利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点发光电器件外延片，包括一具有原子台阶的衬底，所述衬底上生长有N型层，所述N型层与所述衬底具有相同的原子台阶，所述N型层上方生长形成有源区，所述有源区上设置有P型层，所述原子台阶为规则递增型台阶。所述斜切角大于0.05^°小于10^°；本发明通过衬底表面的原子台阶控制量子点的分布，而应用原子台阶形成的斜切角角度变化，可制备出不同宽度和密度的InGaN量子点有源区，以适应更多的需求。

Description

利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种InGaN量子点发光电器件外延片及其制备方法，尤其涉及一种利用衬底表面原子台阶制备的InGaN量子点发光器件的外延片及其制备方法。

背景技术

GaN基发光器件主要包括GaN基激光器（LD）和GaN基发光二极管（LED）。目前，制备InGaN量子点的方法主要分为两类：一类是通过掩模，即先在GaN层上蒸镀一层掩模，然后掩模上刻蚀出窗口，在窗口处进行InGaN的选择性生长；另一类是自组织生长，即先二维生长形成InGaN薄膜，二维InGaN薄膜在应力的作用下转变为三维生长的InGaN量子点。

在两种方法中，前者的优点是所获得的量子点的尺寸和位置分布均匀，而且可以根据设计实现人为控制，缺点是量子点的尺寸较大（>200 nm），对载流子的限制效应较弱，量子效应不明显；同时，加工过程中难免会在生长表面引入损伤和污染；而利用自组织方法生长可以实现低维InGaN量子点的生长，但缺点是量子点的尺寸均匀性以及位置和密度分布不能很好控制，因而导致最终器件的发光光谱很宽，难以得到实质性的应用。

如图1所示，根据现有工艺制作出的GaN基发光器件芯片通常是基于一种p-i-n结构，器件芯片的外延生长工艺是在衬底11上形成n型层12，多个周期的InGaN量子阱13与GaN垒层14构成的有源区（i型层）及p型层15的叠层结构。

目前，这种InGaN/GaN多量子阱结构已成功应用于包括紫光、蓝光和绿光LED和LD器件的有源区，并且已经实现了商品化。但是由于氮化物材料具有很强的极化效应，特别对于高In组分InxGa1-xN/GaN（x>0.2）量子阱结构，大的极化电场使得电子和空穴波函数交叠减小，而且高质量、高In组分InGaN材料生长非常困难，使得GaN发光器件波长向绿光方向延伸时，发光效率显著下降。

发明内容

本发明的目的解决上述技术问题，提出一种利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片及其制备方法。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，包括一具有原子台阶的衬底，所述衬底上生长有N型层，所述N型层与所述衬底具有相同的原子台阶，所述N型层上方生长形成有源区，所述有源区上设置有P型层，所述原子台阶为规则递增型台阶，所述衬底上原子台阶形成的斜切角大于0.05^°小于10^°。

优选地，所述有源区为量子点层及设置在量子点层上方的垒层构成的发光有源区，所述量子点层外延分布于所述N型层的原子台阶水平台阶面外沿，所述垒层具有原子台阶表面。

优选地，所述量子点层为异质外延于N型层表面。

优选地，所述N型层为单层n型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－yN，或是多层不同组分n型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－y N组成的复合层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=1。

优选地，所述发光有源区为n个周期的In_MGa_1-MN量子点层与In_NGa_1-NN垒层构成的有源区，其中n≥1，0<M<1，0≤N<1，M>N。

优选地，所述p型层可为单层p型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN，或是两层以上不同组分n型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN组成的复合层，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，X+Y=1。

根据以上所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点发光电器件外延片的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积或采用分子束外延方法在具有原子台阶的衬底上制备外延片，所述衬底上的原子台阶宽度与InGaN量子点的密度成反比。

本发明的有益效果主要体现在：

（1）本发明通过衬底表面的原子台阶控制量子点的分布，而应用原子台阶形成的斜切角角度变化，可制备出不同宽度和密度的InGaN量子点有源区，以适应更多的需求。

（2）发光器件中采用InGaN/GaN量子点结构作为有源区，由于量子点在三维方向量子限制效应的存在，使得载流子被束缚在量子点中，可以大大提高了电子-空穴波函数的交叠程度，同时由于量子点尺寸很小（10～100nm），通常是没有缺陷的。在有源区中有InGaN量子点存在，可以显著降低载流子向非辐射复合中心（缺陷）扩散，从而提高载流子辐射复合几率及器件的发光效率。

（3）本发明的外延片应用于发光器件量子点发光电器件，发光度均匀且发光效率高。

附图说明

图1是利用现有技术制作外延片的结构示意图；

图2是本发明利用衬底原子台阶制备的外延片结构示意图；

图3是本发明的实施例中衬底斜切角改变原子台阶的结构示意图。

图4是本发明的实施例中衬底改变斜切角改变原子台阶变化结构示意图。

图5是本发明控制GaN的生长动力学条件获得的平整外延层表面。

图6是本发明实施例中In_0.2Ga_0.8N量子点沿GaN表面台阶的有序排列生长形成的外延片表面。

具体实施方式

本发明揭示了一种利用具有原子台阶的衬底制备InGaN量子点发光电器件外延片，其制备方法包括如下步骤：

取一具有原子台阶的衬底21，该衬底21可为蓝宝石片、硅片、碳化硅片、氮化镓片，衬底表面的斜切角为θ，为更好的得到0.05^o<θ<10^o，所述斜切角是指衬底21表面晶向与表面法线方向存在的夹角。

在衬底21上利用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法在衬底上依次生长N型层22，有源区及 P型层25。

所述有源区为n（n≥1）个周期的In_MGa_1-MN量子点层23与In_NGa_1-NN垒层24（0<M<1，0≤N<1，M>N）构成的发光有源区。衬底21表面的原子台阶会在形成沉底21上方的外延N型层22、垒层24过程中一直沿袭下去。

当在这种存在原子台阶的N型层22表面异质外延InGaN量子点层23时，由于N型层22表面台阶边缘与内侧的应力场的分布是不同的，使得在原子台阶边缘成为量子点优先成核的位置，在形貌上表现为量子点会沿着N型层22表面的台阶排列。

具体的，如图2所示，原子台阶边缘是指原子台阶的水平台阶面的外沿部分。

当然也可以采用分子束外延（MBE）方法制备外延片。

N型层22可为单层N型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－yN，或是多层不同组分N型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－y N组成的复合层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=1。

P型层25可为单层P型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN，或是多层不同组分N型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN组成的复合层，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，X+Y=1。

采用金属有机物化学气相沉积和分子束外延两种方法制备外延片，所述衬底上的原子台阶宽度与InGaN量子点的密度成反比。本发明所述原子台阶宽度是指原子台阶的水平面台面的宽度。

衬底21表面存在着规则排列的原子台阶，改变斜切角的大小可以控制表面台阶的宽度和密度，以此来控制量子点的分布。如图3、图4所示，斜切角θ1与斜切角θ2，当θ1<θ2时，图3中衬底的原子台阶密度小于图4中衬底的原子台阶密度。由于量子点的分布位置受原子台阶的密度影响，结合图3、图4可以发现，当θ1<θ2时，图3的量子点的排布密度较图4的量子点排布密度小。

如图5所示，在GaN的外延生长过程中，通过控制GaN的生长动力学条件可以实现台阶流生长模式（step-flow），从而获得平整的外延层表面，本发明所述的平整的外延层表面是相对于每层型层之间而言。

图6为通过控制生长条件实现了In_0.2Ga_0.8N量子点沿GaN表面台阶的有序排列生长示意图。量子点层23形成后，在该量子点层23上外延覆盖一层InGaN垒层24，直至将该量子点层23完全覆盖后，在InGaN垒层24表面重新形成原子台阶流。随后重复生长的InGaN量子点层仍可实现沿台阶流的定向排列。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：包括一具有原子台阶的衬底，所述衬底上生长有N型层，所述N型层与所述衬底具有相同的原子台阶，所述N型层上方生长形成有源区，所述有源区上设置有P型层，所述原子台阶为规则递增型台阶，所述衬底上原子台阶形成的斜切角大于0.05^°小于10^°。

2.根据权利要求1所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：所述有源区为InGaN量子点层及设置在InGaN量子点层上方的垒层构成的发光有源区，所述InGaN量子点层外延分布于所述N型层的原子台阶水平台阶面外沿，所述垒层具有原子台阶表面。

3.根据权利要求2所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：所述InGaN量子点层为异质外延于N型层表面。

4.根据权利要求3所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：所述N型层为单层n型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－yN，或是多层不同组分n型掺杂的Al_xIn_yGa_1－x－y N组成的复合层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y=1；

根据权利要求4所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：所述发光有源区为n个周期的In_MGa_1-MN量子点层与In_NGa_1-NN垒层构成的有源区，其中n≥1，0<M<1，0≤N<1，M>N。

5.根据权利要求5所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片，其特征在于：所述p型层可为单层p型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN，或是两层以上不同组分n型掺杂的Al_XIn_YGa_1－X－YN组成的复合层，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，X+Y=1。

6.根据权利要求1所述的利用具原子台阶衬底制备的InGaN量子点外延片的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积或采用分子束外延方法在具有原子台阶的衬底上制备外延片，其特征在于：所述衬底上的原子台阶宽度与InGaN量子点的密度成反比。