CN104157759A - 高密度高均匀InGaN量子点结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种高密度高均匀InGaN量子点结构及生长方法，其中高密度高均匀InGaN量子点结构，包括：一衬底；一窗口阵列，其制作在衬底上；一GaN纳米柱，其生长在窗口阵列的开孔处，并与衬底表面接触；一第一InGaN量子点，其生长在GaN纳米柱的顶端；一第一势垒层，其覆盖第一InGaN量子点的顶端；一第二InGaN量子点，其生长在第一势垒层上；一第二势垒层，其生长在第一势垒层上，将第二InGaN量子点包裹住；多个InGaN量子点和势垒层，其依次重复生长在第二势垒层上。本发明具有选择性生长所具有的高密度高均匀性和自组装生长所具有的无缺陷高质量的双重优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种高密度高均匀InGaN量子点结构及生长方法。其可以用于半导体光电器件有源区的制作。
背景技术
近十几年以来，GaN系列的半导体材料，特别是InGaN材料的制备技术取得了巨大的进步，推动了可见光波段半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等光电器件的快速发展。传统的GaN基发光器件采用极性面生长的InGaN/GaN多量子阱结构。虽然极性面生长的材料质量较高，但是量子限制斯塔克效应(QCSE)使得量子阱结构中的电子-空穴辐射发光效率大幅降低，严重制约了发光器件性能的提升。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，驱动电流小、对缺陷不敏感等优点，可以显著提高光电器件的性能，使其成为近些年来的研究热点。
目前，InGaN量子点的生长方法主要有两大类：第一类是自组装生长法，其中最典型的就是采用S-K模式进行生长，即先生长InGaN薄膜，当薄膜厚度超过临界厚度后，在应力作用下由二维的层生长转变为三维的InGaN量子点生长。第二类是选区生长技术，即先在GaN衬底上沉积一层介质掩膜，然后在介质掩膜上刻蚀出排列整齐、形状规则的“窗口”(其尺寸在几十个纳米的量级)，再在“窗口”处进行InGaN的外延生长，形成分布均匀的量子点。两种方法各有优缺点：前者的优点是工艺简单，制备的量子点缺陷少，质量高。缺点是量子点的位置分布、尺寸和密度等参数离散较大，不易控制，导致材料发光光谱很宽，难以获得实用。后者虽然可以获得尺寸均匀，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。
综上，目前的量子点制备方法很难获得高密度、高均匀性且高质量的InGaN量子点材料，因此，严重制约了InGaN量子点器件的发展与应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有材料生长技术的不足，提出一种高密度高均匀InGaN量子点结构及生长方法，本发明具有选择性生长所具有的高密度高均匀性和自组装生长所具有的无缺陷高质量的双重优点。
本发明提供一种高密度高均匀InGaN量子点结构，包括：
一衬底；
一窗口阵列，其制作在衬底上；
一GaN纳米柱，其生长在窗口阵列的开孔处，并与衬底表面接触；
一第一InGaN量子点，其生长在GaN纳米柱的顶端；
一第一势垒层，其覆盖第一InGaN量子点的顶端；
一第二InGaN量子点，其生长在第一势垒层上；
一第二势垒层，其生长在第一势垒层上，将第二InGaN量子点包裹住；
多个InGaN量子点和势垒层，其依次重复生长在第二势垒层上。
本发明还提供一种高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底上生长介质掩膜，并刻蚀介质掩膜，使其上形成窗口阵列；
步骤2：在窗口阵列的开孔处，外延生长GaN，形成高密度均匀分布的GaN纳米柱，该GaN纳米柱与衬底接触；
步骤3：在GaN纳米柱的顶端生长第一InGaN量子点；
步骤4：在第一InGaN量子点上及GaN纳米柱的缝隙处生长第一势垒层；
步骤5：在第一势垒层上再生长第二InGaN量子点，该第二InGaN量子点与该第一InGaN量子点上下位置对应；
步骤6：在第二InGaN量子点上及缝隙处生长第二势垒层；
步骤7：重复步骤5和6，形成高密度高均匀叠层的InGaN量子点。
本发明有以下有益效果：
1、本发明提出了将自组装方法和选区生长方法相结合的一种高密度高均匀InGaN量子的生长方法，能够有效避免自组装方法的不均匀性和选区生长方法对量子点的损伤，可获得密度高、均匀性好且无损伤的InGaN量子点材料。
2、利用应力作用和自对准原理，可以生长出叠层量子点材料，提高量子点的体密度。若作为光电器件的有源区材料，将显著提升器件性能，比如可以降低量子点激光器的阈值电流。
3、通过调整窗口的尺寸和密度，可以改变量子点之间的耦合强度，进一步对量子点的物理性质实现调控。
附图说明
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：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的制备方法流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种高密度高均匀InGaN量子点结构，包括：
一衬底10，其材料可以是蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一窗口阵列11，其制作在衬底10上，其中窗口阵列11的材料为SiNx或SiO2，窗口阵列11的孔径小于100nm，厚度约为0.1-5μm，窗口阵列11的图形通过电子束曝光或纳米压印等技术制作，因而可以获得分辨率极高的纳米级尺寸的微小窗口，通过调整窗口的尺寸和密度，可以改变量子点的大小和位置分布，实现对整个材料物理性质的调控；
一GaN纳米柱12，其生长在窗口阵列11的开孔处，并与衬底10表面接触，其中GaN纳米柱12的高度大于窗口阵列11的厚度，且相邻的GaN纳米柱12间不接触；
一第一InGaN量子点13，其生长在GaN纳米柱12的顶端，由于第一InGaN量子点13采用自组装方式生长，因此几乎不会受到加工工艺的损伤，点内缺陷少，且其中的In组分连续可调，从而实现对材料激射波长的调整；
一第一势垒层14，其覆盖第一InGaN量子点13的顶端，其中第一势垒层14的厚度高于第一InGaN量子点13的顶端，通过调整第一势垒层14的厚度可以改变上、下层量子点之间的耦合强度，从而对叠层量子点的物理性质实现调控；
一第二InGaN量子点15，其生长在第一势垒层14上，生长方式与第一InGaN量子点13相同，依据自对准原理，第二InGaN量子点15通过应力的作用与第一InGaN量子点13紧密耦合，保证了后续生长的量子点也是高密度高均匀分布；
一第二势垒层16，其生长在第一势垒层14上，将第二InGaN量子点15包裹住，其中第一势垒层14和第二势垒层16可以是禁带宽度大于InGaN的GaN、AlGaN或更低In组分的InGaN材料；
多个InGaN量子点和势垒层，其依次重复生长在第二势垒层16上。
请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明提供一种高密度高均匀InGaN量子点的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底10上生长介质掩膜，并刻蚀介质掩膜，使其上形成窗口阵列11，其中窗口阵列11的材料为SiNx或SiO2，窗口阵列11孔径小于100nm，厚度约为0.1-5μm，窗口阵列11的图形通过电子束曝光或纳米压印等技术制作；
步骤2：在窗口阵列11的开孔处，外延生长GaN，形成高密度均匀分布的GaN纳米柱12，该GaN纳米柱12与衬底10表面接触，其中GaN纳米柱12的高度大于窗口阵列11的厚度，且相邻GaN纳米柱12间不接触，基于选择生长机理，GaN纳米柱12仅从开孔处外延生长(包括侧向外延)，可获得高密度、均匀分布且位错少的纳米柱结构；
步骤3：在GaN纳米柱12的顶端生长第一InGaN量子点13，第一InGaN量子点13采用自组装方式生长，点内缺陷少，且其中的In组分连续可调，基于选择生长机理，GaN纳米柱12的分布决定了第一InGaN量子点13是高密度高均匀分布；
步骤4：在第一InGaN量子点13上及GaN纳米柱12的缝隙处生长第一势垒层14，其中第一势垒层14的厚度高于第一InGaN量子点13的顶端，通过调整第一势垒层14的厚度可以改变上、下层量子点之间的耦合强度；
步骤5：在第一势垒层14上再生长第二InGaN量子点15，根据自对准原理，该第二InGaN量子点15与第一InGaN量子点13上下位置对应，保证了后续生长的量子点也是高密度均匀分布；
步骤6：在第二InGaN量子点15上及缝隙处生长第二势垒层16，其中第一势垒层14和第二势垒层16可以是禁带宽度大于InGaN的GaN、AlGaN或更低In组分的InGaN材料；
步骤7：重复步骤5和6，形成高密度高均匀叠层的InGaN量子点。
上述GaN、InGaN和AlGaN材料可通过MOCVD、MBE或者其他外延生长方法得到。
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。
Claims (10)
1.一种高密度高均匀InGaN量子点结构，包括：
一衬底；
一窗口阵列，其制作在衬底上；
一GaN纳米柱，其生长在窗口阵列的开孔处，并与衬底表面接触；
一第一InGaN量子点，其生长在GaN纳米柱的顶端；
一第一势垒层，其覆盖第一InGaN量子点的顶端；
一第二InGaN量子点，其生长在第一势垒层上；
一第二势垒层，其生长在第一势垒层上，将第二InGaN量子点包裹住；
多个InGaN量子点和势垒层，其依次重复生长在第二势垒层上。
2.根据权利要求1所述的高密度高均匀InGaN量子点结构，其中窗口阵列的材料为SiNx或SiO2。
3.根据权利要求2所述的高密度高均匀InGaN量子点结构，其中窗口阵列孔径小于100nm。
4.根据权利要求1所述的高密度高均匀InGaN量子点结构，其中GaN纳米柱的高度大于窗口阵列的厚度。
5.根据权利要求1所述的高密度高均匀InGaN量子点结构，其中第一势垒层的厚度高于第一InGaN量子点的顶端。
6.一种高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底上生长介质掩膜，并刻蚀介质掩膜，使其上形成窗口阵列；
步骤2：在窗口阵列的开孔处，外延生长GaN，形成高密度均匀分布的GaN纳米柱，该GaN纳米柱与衬底接触；
步骤3：在GaN纳米柱的顶端生长第一InGaN量子点；
步骤4：在第一InGaN量子点上及GaN纳米柱的缝隙处生长第一势垒层；
步骤5：在第一势垒层上再生长第二InGaN量子点，该第二InGaN量子点与该第一InGaN量子点上下位置对应；
步骤6：在第二InGaN量子点上及缝隙处生长第二势垒层；
步骤7：重复步骤5和6，形成高密度高均匀叠层的InGaN量子点。
7.根据权利要求6所述的高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，其中窗口阵列的材料为SiNx或SiO2。
8.根据权利要求7所述的高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，其中窗口阵列孔径小于100nm。
9.根据权利要求6所述的高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，其中GaN纳米柱的高度大于窗口阵列的厚度。
10.根据权利要求6所述的高密度高均匀InGaN量子点的生长方法，其中第一势垒层的厚度高于第一InGaN量子点的顶端。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |