CN110429162B - 利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法及发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法及发光器件，其中，该方法包括：在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体；向反应室中通入金属In源，使得高温下金属源分解，使得金属原子到达GaN表面，在衬底表面自由迁移，在GaN表面聚合得到三维金属岛状物，生成VW形貌；通入五族源NH3和Ga源，使得高温下NH3和Ga源分解，N原子和Ga原子到达衬底的表面，与三维金属岛状物发生反应，生成高密度InGaN量子点。根据本申请的利用预喷金属铟外延生长高密度InGaN量子点的方法可以生长高密度InGaN量子点，且可实现高效率、高功率的半导体发光器件。

Description

利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法及发光器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法及发光器件。
背景技术
传统量子阱基器件由于内部极强的极化场，导致黄绿光等长波长器件发光效率极低，且无法获得高调制带宽器件。而量子点自从发明以来，获得了科研界和产业界持续而广泛的关注。作为一种准“0”维材料，独特的量子限制效应使得量子点内部拥有分立的能级，其态密度函数为冲激函数。因此量子点材料是理想的单光子源，而GaN基量子点由于大的激子束缚能，甚至有望实现室温单光子源。另一方面，如果将量子点用于激光器(LD)、超辐射发光二极管(SLED)等发光器件，有望实现超低阈值和更好的温度特性。量子点在三维成点的过程中，释放了部分晶格失配导致的应力，因此量子点内部晶格完整，晶体质量更好，且减弱了部分量子限制斯塔克效应(QCSE)的影响，使得载流子寿命更小，发光效率更高。另外，晶格的弛豫有助于In的并入，提高In组分，有利于获得长波长器件。另一方面，相对于量子阱，由于独特的3维量子限制效应，量子点可以防止载流子被非辐射复合中心捕获，从而有效提高发光效率。
针对发光二级光(LED)、激光器(LD)、超辐射发光二极管(SLED)等追求发光效率和功率的器件，需要InGaN量子点的密度尽量高。传统MOCVD生长InGaN量子点主要通过Stranski-Krastanov(SK)模式获得，在该模式中，先在GaN表面生长一定厚度的InGaN薄膜。InGaN与GaN之间存在晶格失配，会产生应力。随着厚度增加，当应力积累到一定程度后，InGaN开始3维成点以释放过大的应力。这种方式一方面会在量子点下层产生较厚的浸润层，而浸润层的存在会减弱量子点的发光，恶化量子点的光学特性。另一方面，SK模式中InGaN量子点是通过先生长InGaN薄膜，然后薄膜分解成点，因此难以提高量子点的密度，量子点密度通常小于5*109/cm2。因此高密度InGaN量子点的生长需要探究新的生长方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法，该方法可以生长高密度InGaN量子点，且可以实现高效率、高功率的半导体发光器件。
本发明的另一个目的在于提出一种发光器件。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法，包括：在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体；向反应室中通入金属In源，使得高温下金属源分解，使得金属原子到达GaN表面，在衬底表面自由迁移，在所述GaN表面聚合得到三维金属岛状物，生成VW(Volmer-Weber)形貌；通入五族源NH3和Ga源，使得高温下所述NH3和所述Ga源分解，N原子和Ga原子到达所述衬底的表面，与所述三维金属岛状物发生反应，生成高密度InGaN量子点。
本发明实施例的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法，可以直接在GaN上生长高密度InGaN量子点，量子点密度可以高于1010/cm2，且理论上所生长的InGaN量子点的生长模式是VW模式，InGaN在一开始就是三维生长，因此没有浸润层，同时，生长的高密度InGaN量子点可实现高效率、高功率的半导体发光器件。
另外，根据本发明上述实施例的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法还可以具有以下附加的技术特征：
在发明实施的一个实施例中，还包括：通过GaN垒层生长多个周期的量子点层。
进一步地，在发明实施的一个实施例中，所述在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体，包括：采用金属有机物通过化学气相沉积方法、分子束外延方法或者氢化物气相外延方法生长出所述一层GaN晶体。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种发光器件，采用上述方法中制作的高密度InGaN量子点。
本发明实施例的发光器件，可以直接在GaN上生长高密度InGaN量子点，量子点密度可以高于1010/cm2，且理论上所生长的InGaN量子点的生长模式是VW模式，InGaN在一开始就是三维生长，因此没有浸润层，同时，生长的高密度InGaN量子点可实现高效率、高功率的半导体发光器件。
另外，根据本发明上述实施例的发光器件还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明是一个实施例中，所述发光器件为二级管、激光器或者超辐射发光二极管。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法流程图；
图2为根据本发明实施例的在金属有机物衬底上形成GaN晶体的方法示意图；
图3为根据本发明实施例的预喷In在GaN表面生长高密度InGaN量子点的示意图；
图4为根据本发明实施例的发光器件的外延结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法及发光器件，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法。
图1是本发明一个实施例的利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法流程图。
如图1所示，该利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法包括以下步骤：
在步骤S101中，在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体。
具体地，采用金属有机物通过化学气相沉积方法、分子束外延方法或者氢化物气相外延方法生长出一层GaN晶体。
例如，如图2所示，在蓝宝石\Si等衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等方法生长出一层GaN晶体。
在步骤S102中，向反应室中通入金属In源，使得高温下金属源分解，使得金属原子到达GaN表面，在衬底表面自由迁移，在GaN表面聚合得到三维金属岛状物，生成VW形貌。
具体而言，如图3所示，首先向反应室中通入金属In源，高温下金属源分解，金属原子到达GaN表面，由于没有N原子与其发生化学反应，因此可以在衬底表面自由迁移，最终在GaN表面聚合成微小密集的三维金属岛状结构，实现VW形貌。
在步骤S103中，通入五族源NH3和Ga源，使得高温下NH3和Ga源分解，N原子和Ga原子到达衬底的表面，与三维金属岛状物发生反应，生成高密度InGaN量子点。
进一步地，本发明实施例还包括：通过GaN垒层生长多个周期的量子点层。
也就是说，生成高密度InGaN量子点后，再进行GaN垒层生长，进而可以生长多个周期的量子点层，以应用于发光器件。
综上，本发明实施例提出的利用预喷金属铟外延生长高密度InGaN量子点的方法，可以直接在GaN上生长高密度InGaN量子点，量子点密度可以高于1010/cm2，且理论上所生长的InGaN量子点的生长模式是VW模式，InGaN在一开始就是三维生长，因此没有浸润层，同时，生长的高密度InGaN量子点可实现高效率、高功率的半导体发光器件。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的一种发光器件。
图4是本发明一个实施例的发光器件的外延结构示意图。
如图4所示，该发光器件采用高密度InGaN量子点制作而成。其中，发光器件可以为二级管、激光器或者超辐射发光二极管。
例如，采用高密度InGaN量子点作为发光有源区的LED外延结构包括在蓝宝石/Si等衬底上生长的Si掺杂GaN和InGaN超晶格，1-10周期的由高密度InGaN量子点/GaN势垒构成的有源区，Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层，以及顶层的Mg掺杂GaN接触层。
例如，采用高密度InGaN量子点作为发光有源区的激光器和超辐射发光二极管外延结构包括在GaN自支撑衬底上生长的Si掺杂GaN，Si掺杂AlGaN(超晶格)光限制层，Si掺杂InGaN超晶格波导层，1-10周期的由高密度InGaN量子点/GaN势垒构成的有源区，Mg掺杂的AlGaN电子阻挡层，Mg掺杂的GaN或者InGaN超晶格波导层，Mg掺杂AlGaN(超晶格)光限制层，以及顶层的Mg掺杂GaN接触层。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的发光器件，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的发光器件，可以直接在GaN上生长高密度InGaN量子点，量子点密度可以高于1010/cm2，且理论上所生长的InGaN量子点的生长模式是VW模式，InGaN在一开始就是三维生长，因此没有浸润层，同时，生长的高密度InGaN量子点可实现高效率、高功率的半导体发光器件。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种利用预喷铟生长高密度铟镓氮量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体；
向反应室中通入金属In源，使得高温下金属源分解，使得金属原子到达GaN表面，在衬底表面自由迁移，在所述GaN表面聚合得到三维金属岛状物，生成Volmer-Weber形貌；以及
通入五族源NH3和Ga源，使得高温下所述NH3和所述Ga源分解，N原子和Ga原子到达所述衬底的表面，与所述三维金属岛状物发生反应，生成高密度InGaN量子点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
通过GaN垒层生长多个周期的量子点层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底上用金属有机物生长一层GaN晶体，包括：
采用金属有机物通过化学气相沉积方法、分子束外延方法或者氢化物气相外延方法生长出所述一层GaN晶体。
4.一种发光器件，其特征在于，包括：采用如权利要求1-3任一项所述的方法制作的高密度InGaN量子点。
5.根据权利要求4所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件为发光二极管LED、激光器或者超辐射发光二极管SLD。
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