CN104538524B - InGaN量子点的外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种InGaN量子点的外延结构及生长方法，其中InGaN量子点的外延结构，包括：一衬底，该衬底的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°‑10°；一低温GaN缓冲层，其生长在衬底上，其表面具有与衬底相同的台阶形貌；一高温GaN层，其生长在低温GaN缓冲层上，且其表面刻蚀有凹槽，使得该高温GaN层的表面为错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；多个InGaN量子点，其分布生长在高温GaN层表面的网格状结构上；一GaN覆盖层，其生长在高温GaN层上，并覆盖多个InGaN量子点；多个InGaN量子点和GaN覆盖层，其依次重复生长在GaN覆盖层上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料生长技术领域，特别是涉及一种高质量高密度的InGaN量子点的外延结构及生长方法。该方法可以用于半导体光电器件有源区的制作。
背景技术
传统的InGaN光电器件采用C面生长的InGaN/GaN多量子阱结构。虽然C面生长的材料质量较高，但是较强的量子限制斯塔克效应(QCSE)使得材料的发光效率大幅降低，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，对缺陷不敏感等优点，可以显著提高光电器件的性能。
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。而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。缺点是量子点的位置分布、尺寸和密度等参数离散较大。有研究指出，通过合理控制材料的生长参数，利用衬底的原子台阶边缘存在的E-S势垒，可以生长出沿台阶边缘有序分布的自组装InGaN量子点(参阅图1)。与传统的随机分布的自组装量子点相比，这种有序分布的量子点的尺寸和形貌的一致性较好，因而能够获得较高的发光效率。然而，上述量子点的生长完全依赖于衬底表面原子台阶的分布，从而限制了InGaN量子点密度的进一步提高。
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
本发明提出了一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。其目的在于将沿台阶边缘生长量子点的有序生长技术与纳米刻蚀技术相结合，通过在生长InGaN量子点之前，在具有台阶形貌的模板层上刻蚀出凹槽结构，在表面形成更多的新台阶，增大表面的台阶边缘的总长度，从而，增加了量子点的生长位置，提高了InGaN量子点的密度。
本发明提供一种InGaN量子点的外延结构，包括：
一衬底，该衬底的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°；
一低温GaN缓冲层，其生长在衬底上，其表面具有与衬底相同的台阶形貌；
一高温GaN层，其生长在低温GaN缓冲层上，且其表面刻蚀有凹槽，使得该高温GaN层的表面为错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；
多个InGaN量子点，其分布生长在高温GaN层表面的网格状结构上；
一GaN覆盖层，其生长在高温GaN层上，并覆盖多个InGaN量子点；
多个InGaN量子点和GaN覆盖层，其依次重复生长在GaN覆盖层上。
本发明还提供一种InGaN量子点外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，该衬底的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°；
步骤2：在衬底上依次生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，该低温GaN缓冲层和高温GaN层的表面具有与衬底相同的台阶状形貌；
步骤3：在高温GaN层上，采用电子束曝光或纳米压印及刻蚀工艺技术向下刻蚀出均匀分布的凹槽，使得该高温GaN层的表面形成错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；
步骤4：在高温GaN层的表面生长多个InGaN量子点；
步骤5：在生长有多个InGaN量子点的高温GaN层上生长GaN覆盖层，并覆盖多个InGaN量子点；
步骤6：在GaN覆盖层上重复步骤4和步骤5，完成制备。
本发明有以下有益效果：
1、通过在具有台阶形貌的模板层上引入刻蚀凹槽，增大了表面的台阶边缘的总长度，增加InGaN量子点的生长位置，从而有效地增大了量子点的面密度，有利于获得高密度的量子点材料。
2、通过调整衬底斜切角的方向、刻蚀凹槽的宽度和凹槽间距等参数，可以调节表面台阶边缘的总长度，实现对量子点密度的调控。
3、本发明综合利用了自组装生长、沿台阶有序分布和纳米刻蚀工艺等技术，生长的InGaN量子点具有无损伤、尺寸分布均匀、密度高、生长可控性强等优点，有利于提高InGaN量子点材料的发光效率。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。
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是普通的无凹槽结构的沿台阶边缘生长的量子点示意图。
图2是本发明中利用表面错开的台阶形貌生长的量子点结构示意图。
图3是本发明中量子点外延结构的剖面示意图。
图4是本发明中量子点的制作流程图。
具体实施方式
请参阅图2及图3所示，本发明提供的InGaN量子点的外延结构，包括：
一衬底11，该衬底11的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°。其材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓；
一低温GaN缓冲层12，其生长在衬底11上。该低温GaN缓冲层12的厚度小于50nm且其表面具有与衬底11相同的台阶形貌；
一高温GaN层13，其生长在低温GaN缓冲层12上。在其表面沿垂直于台阶的方向，刻蚀深度为1-100nm，宽度为10-1000nm，间距为0.1-100μm的均匀排列的凹槽16，使得该高温GaN层13的表面为错开的台阶状形貌，并在表面形成网格状结构。通过调节台阶斜切角的大小和控制凹槽16的间距、宽度等参数，可以调整网格的大小和分布，从而调节整个表面的台阶边缘的总长度；
多个InGaN量子点14，其分布生长在高温GaN层13表面的网格状结构上。多个InGaN量子点14利用自组装方式成核生长。由于网格之间的台阶边缘位置处存在E-S势垒，使得表面原子在台阶边缘的迁移率降低，有利于量子点的在台阶边缘位置的成核和生长。因此，多个量子点14分布生长于台阶的边缘，包括刻蚀凹槽16后形成的新台阶的边缘。多个InGaN量子点14中的In组分连续可调，通过调整In组分可以改变量子点材料的发光波长；
一GaN覆盖层15，其生长在高温GaN层13上，并覆盖多个InGaN量子点14。为保证对InGaN量子点的有效覆盖，该GaN覆盖层15的厚度应大于50nm，且覆盖层的厚度可根据需要适当增大；
多个InGaN量子点和GaN覆盖层，其依次重复生长在GaN覆盖层15上。
请参阅图4，并结合参阅图2及图3所示，本发明提供的采用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)技术进行InGaN量子点的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底11，该衬底11的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°。该衬底11的材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓。将衬底11在1000-1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理。
步骤2：在衬底11上依次生长低温GaN缓冲层12和高温GaN层13，该低温GaN缓冲层12和高温GaN层13的表面具有与衬底11相同的台阶状形貌。其中，低温GaN缓冲层12的生长温度为450-650℃，生长厚度小于50nm，高温GaN层13的生长温度为1000-1200℃，厚度为0.53.0μm。该高温GaN层13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。
步骤3：在高温GaN层13上，采用电子束曝光或纳米压印及刻蚀工艺等技术向下刻蚀出均匀分布的凹槽16。该凹槽16沿垂直于台阶的方向均匀排列，其深度为1-100nm，宽度为10-1000nm，间距为0.1-100μm。刻蚀后的高温GaN层13的表面形成错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；
步骤4：在高温GaN层13表面的网格状结构上，利用MOCVD技术生长多个InGaN量子点14。该多个InGaN量子点14的生长温度为600-700℃，V/III＝8000-12000，通过调整各反应源的流量以及生长压力等参数，可以调节生长速率，并改变量子点中In组分的大小。当生长速率小于0.1nm/s时，由于降低了原子沉积速率，将有利于表面的吸附原子迁移到台阶的边缘处，并在E-S势垒的作用下，在台阶边缘处成核，并最终形成自组织生长的InGaN量子点。因此，多个InGaN量子点14分布生长于高温GaN层13表面台阶的边缘处，包括刻蚀凹槽16后形成的新台阶的边缘；
步骤5：在高温GaN层13上，生长GaN覆盖层15，并覆盖多个InGaN量子点14。为避免高温对InGaN量子点的损伤，该GaN覆盖层15的生长温度与多个InGaN量子点14的生长温度相同。为保证对InGaN量子点的有效覆盖，该GaN覆盖层15的厚度应大于50nm，且其厚度可根据需要适当增大。
步骤6：在GaN覆盖层15上重复步骤4和步骤5，可制备多层结构的InGaN量子点。后续生长的量子点利用应力耦合作用，与之前生长的量子点实现自对准，从而实现多层InGaN量子点的制备，提高量子点材料的体密度。各层量子点之间的耦合作用的强弱可以通过改变GaN覆盖层15的厚度进行调节。
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。
Claims (8)
1.一种InGaN量子点的外延结构，包括：
一衬底，该衬底的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°；
一低温GaN缓冲层，其生长在衬底上，其表面具有与衬底相同的台阶形貌；
一高温GaN层，其生长在低温GaN缓冲层上，且其表面刻蚀有凹槽，使得该高温GaN层的表面为错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；
多个InGaN量子点，其分布生长在高温GaN层表面的网格状结构上；
一GaN覆盖层，其生长在高温GaN层上，并覆盖多个InGaN量子点；
多个InGaN量子点和GaN覆盖层，其依次重复生长在GaN覆盖层上。
2.根据权利要求1所述的InGaN量子点的外延结构，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InGaN量子点的外延结构，其中高温GaN层表面上错开的台阶状形貌是通过沿垂直于台阶的方向，刻蚀深度为1-100nm，宽度为10-1000nm，间距为0.1-100μm的均匀排列的凹槽后形成的。
4.根据权利要求1所述的InGaN量子点的外延结构，其中多个InGaN量子点分布生长在高温GaN层表面台阶的边缘处，包括刻蚀凹槽后形成的新台阶的边缘。
5.一种InGaN量子点外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，该衬底的表面具有原子级的台阶形貌，台阶斜切角为0.05°-10°；
步骤2：在衬底上依次生长低温GaN缓冲层和高温GaN层，该低温GaN缓冲层和高温GaN层的表面具有与衬底相同的台阶状形貌；
步骤3：在高温GaN层上，采用电子束曝光或纳米压印及刻蚀工艺技术向下刻蚀出均匀分布的凹槽，使得该高温GaN层的表面形成错开的台阶状形貌，其表面形成网格状结构；
步骤4：在高温GaN层的表面生长多个InGaN量子点；
步骤5：在生长有多个InGaN量子点的高温GaN层上生长GaN覆盖层，并覆盖多个InGaN量子点；
步骤6：在GaN覆盖层上重复步骤4和步骤5，完成制备。
6.根据权利要求5所述的InGaN量子点外延结构的生长方法，其中衬底的材料为蓝宝石、氮化镓、硅、碳化硅或砷化镓。
7.根据权利要求5所述的InGaN量子点外延结构的生长方法，其中高温GaN层表面上错开的台阶状形貌是通过沿垂直于台阶的方向，刻蚀深度为1-100nm，宽度为10-1000nm，间距为0.1-100μm的均匀排列的凹槽后形成的。
8.根据权利要求5所述的InGaN量子点外延结构的生长方法，其中多个InGaN量子点分布于高温GaN层表面台阶的边缘，包括刻蚀凹槽后形成的新台阶的边缘。
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