CN109003883A - 生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法，该InGaN/GaN多量子阱纳米柱包括Si/石墨烯复合衬底、生长在Si/石墨烯复合衬底上的n型掺杂GaN纳米柱，生长在n型掺杂GaN纳米柱顶部上的InGaN/GaN多量子阱，生长在InGaN/GaN多量子阱顶部的p型掺杂GaN纳米柱。本发明的制备方法具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的InGaN/GaN多量子阱纳米柱缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。
Description
技术领域
本发明涉及InGaN/GaN多量子阱纳米柱领域，特别涉及生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
III族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效LED器件的理想材料。GaN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性，使得它在基本物理科学和新型技术应用方面有着巨大的前景，已成为当前研究的热点。而GaN纳米柱结构更是在制备纳米范围发光器件LED上表现出了更加优异的性能。
目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石或SiC衬底上进行外延生长，但蓝宝石的绝缘性及高硬度使器件制作更加复杂，而SiC价格很高，这都使器件的生产成本上升。与蓝宝石和SiC相比较，硅(Si)材料更易获得，生产成本低，可实现大尺寸；另外，Si具有良好的导电和导热性能，方便于制成散热良好的垂直结构器件；同时，Si衬底土生长GaN材料有望实现光电子和微电子的集成；最后，我国具有单晶Si的原创技术产权，因此Si衬底LED对促进我国拥有知识产权的半导体LED照明产业的发展具有重大意义。然而，Si衬底与GaN之间存在较大的晶格失配(-16.9％)和热失配(54％)，限制了Si衬底LED的发展。因此迫切寻找一种合适的方法来降低在Si衬底上生长GaN材料的缺陷密度和残余应变。
理论分析表明，相比于传统薄膜结构的LED，纳米柱结构LED表现出了更加优异的性能：如异质外延的氮化物纳米柱晶体质量优于异质外延氮化物薄膜晶体质量；纳米柱可以避免裂纹的产生；III族氮化物纳米柱基LED有效地扩大了LED发光面积、能够大幅度提高LED出光效率；纳米柱基LED可消除薄膜LED的量子限制斯塔克效应带来的负面影响等。制备高质量的InGaN/GaN多量子阱纳米柱是高效高质量GaN基半导体器件的基础，尤其是高性能LED。因此，在成本低、散热好的Si衬底上制备高质量InGaN/GaN多量子阱纳米柱具有重要的科学和应用意义。
与此同时，石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。此外，石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，因此，在Si衬底上复合石墨烯作为生长衬底，进行InGaN/GaN多量子阱纳米柱的生长，有助于进一步扩展氮化物纳米柱的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法，在成本低、导电导热性好能的Si衬底上覆盖石墨烯形成Si/石墨烯复合衬底，进行生长InGaN/GaN多量子阱纳米柱，有利于降低生产成本、方便制成垂直结构器件。
本发明的制备方法，降低在Si/石墨烯复合衬底上生长InGaN/GaN多量子阱纳米柱的缺陷密度和残余应变。研究发现，InGaN/GaN多量子阱的尺寸减小到纳米范围形成的纳米柱结构由于其较大的长径比，使得穿透位错在纳米柱的侧面被移除，降低了位错密度，从而提高了晶体质量。另外，纳米柱结构与衬底之间较小的接触面积，能够缓解Si衬底与InGaN/GaN多量子阱纳米柱之间热失配而引发的应力。本发明在Si/石墨烯复合衬底上生长InGaN/GaN多量子阱纳米柱，具有缺陷密度低、结晶质量好，发光性能优良的优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，包括Si/石墨烯复合衬底1、生长在Si/石墨烯复合衬底上的n型掺杂GaN纳米柱2，生长在n型掺杂GaN纳米柱顶部上的InGaN/GaN多量子阱3，生长在InGaN/GaN多量子阱顶部的p型掺杂GaN纳米柱4。
优选的，所述Si/石墨烯复合衬底中石墨烯为单层或多层。
优选的，所述n型掺杂GaN纳米柱的高度为100nm～1μm；所述n型掺杂GaN纳米柱掺杂电子浓度为1.0×1017～5.0×1019cm-3。
优选的，所述InGaN/GaN多量子阱为2～10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2～3nm；GaN垒层的厚度为3～13nm。
优选的，所述p型掺杂GaN纳米柱的高度为50nm～1μm；所述p型掺杂GaN纳米柱掺杂空穴浓度为1.0×1016～2.0×1018cm-3。
以上所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的选取：采用单晶Si薄片衬底；
(2)衬底表面清洗处理；
(3)制备Si/石墨烯复合衬底；
(4)n型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为750～950℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮气流量为1～2sccm，在步骤(3)得到的Si/石墨烯复合衬底上生长n型掺杂GaN纳米柱；
(5)InGaN/GaN多量子阱的外延生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为550～850℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮流量为1～2sccm，In流量为0.3×10-7～3.0×10-7Torr，在步骤(4)得到的n型掺杂GaN纳米柱顶部生长InGaN/GaN多量子阱；
(6)p型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为700～950℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮气流量为1～2sccm，在步骤(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长p型掺杂的GaN纳米柱，得生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱。
优选的，所述衬底表面清洗处理，具体包括以下步骤：
首先用有机溶剂除去Si表面的有机污染物，依次在四氯化碳、甲苯、丙酮、无水乙醇中各清洗3次，每次3分钟，之后用去离子水漂洗干净；其次，在新配H2SO4:H2O2质量比为1:1的H2SO4:H2O2溶液中清洗，之后用去离子水漂洗干净；最后，在HF:H2O质量比为1:10的HF:H2O溶液中刻蚀表面氧化层，用去离子水漂洗干净后用高纯干燥氮气吹干。
优选的，步骤(3)所述制备Si/石墨烯复合衬底，为直接在Si衬底上生长石墨烯，或者将生长在铜箔上的石墨烯转移到Si衬底上得到硅/石墨烯复合衬底。
优选的，所述直接在Si衬底上生长石墨烯包括以下步骤：
将经过步骤(2)处理后的Si衬底置于气相沉积设备中，进行石墨烯的生长，形成硅/石墨烯复合衬底；其中，生长的石墨烯层数为单层或者多层。
优选的，步骤(3)所述将生长在铜箔上的石墨烯转移到Si衬底上包括以下步骤：
裁剪在铜箔上生长好的石墨烯，然后浸泡于氯化铁溶液中去除铜箔，再将获得的石墨烯层转移到Si衬底上，形成硅/石墨烯复合衬底；其中，转移的石墨烯为单层或者多层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明使用Si/石墨烯复合衬底作为生长衬底，具有成本低、尺寸大、散热好、方便制成垂直器件等优点，同时易于实现GaN电子器件和Si电子器件的集成。
(2)本发明制备得到的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，X射线摇摆曲线半峰宽数值小，晶体质量高，位错密度低。一方面，在Si衬底上覆盖石墨烯，由于石墨烯特殊的物理化学性质和原子排列结构，能够有效的减少热应力和位错的形成，有利于高质量InGaN/GaN多量子阱纳米柱的生长；另一方面，多量子阱纳米柱结构是应变弛豫的，几乎没有缺陷，晶体质量高。最后制备得到的InGaN/GaN多量子阱纳米柱基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率。
(3)本发明的生长工艺独特而简单易行，具有可重复性。
附图说明
图1是本发明制备的Si/石墨烯复合衬底上InGaN/GaN多量子阱纳米柱的结构示意图。
图2是本发明制备的Si/石墨烯复合衬底上InGaN/GaN多量子阱纳米柱的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的生长在Si/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取：采用的衬底为Si(111)，单面抛光，厚度在400±20μm；
(2)衬底表面清洗处理：首先，依次在四氯化碳、甲苯、丙酮、无水乙醇中各清洗3次，每次清洗3分钟，除去Si衬底表面的有机污染物，之后用去离子水漂洗3次；其次，在新配的H2SO4:H2O2(质量比为1:1)溶液中清洗3分钟清洗，之后用70℃的去离子水漂洗3次；最后，在HF:H2O(质量比为1:10)溶液中刻蚀3分钟，用去离子水漂洗干净后用高纯干燥氮气吹干。
(3)Si/石墨烯复合衬底的制备：将在铜箔上生长好的3层石墨烯裁剪成1×1cm大小，在浓度为1.0mol/L的氯化铁溶液中浸泡去除铜箔，将获得的石墨烯层转移到Si衬底上，其转移步骤为用镊子夹住硅衬底一侧，之后按照～45°角将硅衬底插入盛有石墨烯的的超纯水中，将石墨烯驱赶至容器边缘，利用范德华力将石墨烯迅速提出水面，形成Si/石墨烯复合衬底。
(4)n型掺杂GaN纳米柱的生长：将清洗、吹干后的Si/石墨烯复合衬底传输至分子束外延生长系统的生长室内。采用分子束外延生长工艺，衬底温度为900℃，Ga流量为1.5×10-7Torr，氮气流量为1sccm，在步骤(3)得到的Si/石墨烯复合衬底上生长厚度为600nm、掺杂电子浓度为7.0×1018cm-3的n型掺杂GaN纳米柱。
(5)InGaN/GaN多量子阱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为700℃，Ga流量为1×10-7Torr，氮流量为1sccm，In流量为2.0×10-7Torr，在步骤(4)得到n型掺杂GaN纳米柱顶部生长InGaN/GaN多量子阱，所述InGaN/GaN量子阱为8个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2nm；GaN垒层的厚度为10nm。
(6)p型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为750℃，Ga流量为1×10-7Torr，氮气流量为1sccm，在步骤(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长厚度为600nm、掺杂空穴浓度为5.0×1017cm-3的p型掺杂GaN纳米柱，得生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱。
图1为本实施例的生长在Si/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的结构示意图，由下至上依次包括Si/石墨烯复合衬底1、n型GaN结构层2、InGaN/GaN多量子阱3和p型GaN结构层4。
图2为本实施例的生长在Si/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的SEM，从图中可以观察到，纳米柱直径均匀，没有发生合并的情况。
实施例2
本实施例的生长在Si/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底以及其晶向的选取：采用的衬底为Si(111)，单面抛光，厚度在400±20μm；
(2)衬底表面清洗处理：首先，依次在四氯化碳、甲苯、丙酮、无水乙醇中各清洗3次，每次清洗3分钟，除去Si衬底表面的有机污染物，之后用去离子水超声3次，每次2分钟；其次，在新配的H2SO4:H2O2(质量比为1:1)溶液中清洗3分钟清洗，之后用70℃的去离子水超声3次，每次2分钟；最后，在HF:H2O(质量比为1:10)溶液中刻蚀3分钟，之后用去离子水超声3次，每次2分钟，漂洗干净后用高纯干燥氮气吹干。
(3)Si/石墨烯复合衬底的制备：将Si衬底置于气相沉积设备(CVD)中，进行石墨烯的生长，采用甲烷作为碳源，甲烷流量为1sccm，氢气为载气(体积流量为10cm3/min)，生长温度为800℃，生长时间为10分钟，生长出层数为5层的石墨烯层，形成Si/石墨烯复合衬底。
(4)n型掺杂GaN纳米柱的生长：将生长有5层石墨烯的Si/石墨烯复合衬底传输至分子束外延生长系统的生长室，采用分子束外延生长工艺，衬底温度为800℃，Ga流量为1.5×10-7Torr，氮气流量为1sccm，在步骤(3)得到的Si/石墨烯复合衬底上生长厚度为600nm、掺杂电子浓度为7.0×1018cm-3的n型掺杂GaN纳米柱。
(5)InGaN/GaN多量子阱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为700℃，Ga流量为1.5×10-7Torr，氮流量为2sccm，In流量为3.0×10-7Torr，在步骤(4)得到n型掺杂GaN纳米柱顶部生长InGaN/GaN多量子阱，所述InGaN/GaN量子阱为10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2nm；GaN垒层的厚度为8nm。
(6)p型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为700℃，Ga流量为1.5×10-7Torr，氮气流量为2sccm，在步骤(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长厚度为100nm、掺杂空穴浓度为5.0×1017cm-3的p型掺杂GaN纳米柱，得生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱。
本实施例制备的Si/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱无论是在电学性质、光学性质上，还是在缺陷密度、结晶质量都具有非常好的性能，测试数据与实施例1相近，在此不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，其特征在于，包括Si/石墨烯复合衬底(1)、生长在Si/石墨烯复合衬底上的n型掺杂GaN纳米柱(2)，生长在n型掺杂GaN纳米柱顶部上的InGaN/GaN多量子阱(3)，生长在InGaN/GaN多量子阱顶部的p型掺杂GaN纳米柱(4)。
2.根据权利要求1所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，其特征在于，所述Si/石墨烯复合衬底中石墨烯为单层或多层。
3.根据权利要求1所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，其特征在于，所述n型掺杂GaN纳米柱的高度为100nm～1μm；所述n型掺杂GaN纳米柱掺杂电子浓度为1.0×1017～5.0×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱为2～10个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为2～3nm；GaN垒层的厚度为3～13nm。
5.根据权利要求1所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，其特征在于，所述p型掺杂GaN纳米柱的高度为50nm～1μm；所述p型掺杂GaN纳米柱掺杂空穴浓度为1.0×1016～2.0×1018cm-3。
6.制备权利要求1-5任一项所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)衬底的选取：采用单晶Si薄片衬底；
(2)衬底表面清洗处理；
(3)制备Si/石墨烯复合衬底；
(4)n型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为750～950℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮气流量为1～2sccm，在步骤(3)得到的Si/石墨烯复合衬底上生长n型掺杂GaN纳米柱；
(5)InGaN/GaN多量子阱的外延生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为550～850℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮流量为1～2sccm，In流量为0.3×10-7～3.0×10-7Torr，在步骤(4)得到的n型掺杂GaN纳米柱顶部生长InGaN/GaN多量子阱；
(6)p型掺杂GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度为700～950℃，Ga流量为0.5×10-7～1.5×10-7Torr，氮气流量为1～2sccm，在步骤(5)得到的InGaN/GaN多量子阱上生长p型掺杂的GaN纳米柱，得生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述衬底表面清洗处理，具体包括以下步骤：
首先用有机溶剂除去Si表面的有机污染物，依次在四氯化碳、甲苯、丙酮、无水乙醇中各清洗3次，每次3分钟，之后用去离子水漂洗干净；其次，在新配H2SO4:H2O2质量比为1:1的H2SO4:H2O2溶液中清洗，之后用去离子水漂洗干净；最后，在HF:H2O质量比为1:10的HF:H2O溶液中刻蚀表面氧化层，用去离子水漂洗干净后用高纯干燥氮气吹干。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述制备Si/石墨烯复合衬底，为直接在Si衬底上生长石墨烯，或者将生长在铜箔上的石墨烯转移到Si衬底上得到硅/石墨烯复合衬底。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述直接在Si衬底上生长石墨烯包括以下步骤：
将经过步骤(2)处理后的Si衬底置于气相沉积设备中，进行石墨烯的生长，形成硅/石墨烯复合衬底；其中，生长的石墨烯层数为单层或者多层。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述将生长在铜箔上的石墨烯转移到Si衬底上包括以下步骤：
裁剪在铜箔上生长好的石墨烯，然后浸泡于氯化铁溶液中去除铜箔，再将获得的石墨烯层转移到Si衬底上，形成硅/石墨烯复合衬底；其中，转移的石墨烯为单层或者多层。
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