CN113921666A - 一种InGaN量子点的外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InGaN量子点的外延结构及生长方法，一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。包括：衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；GaN模板层，其生长在衬底上；InGaN量子点层，其生长在GaN模板层上；第一InGaN盖层，其生长在InGaN量子点层上；第二InGaN盖层，其生长在第一InGaN盖层上；GaN盖层，其生长在第二InGaN盖层上；多个周期排列的InGaN量子点层、InGaN盖层、GaN盖层，其依次重复生长在GaN盖层上。本发明通过采用复合势垒层结构，抑制GaN垒层的高温生长过程的对高In含量InGaN量子点的不利影响，从而提高InGaN量子点材料的长波长发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。
背景技术
相比于传统的量子阱结构，InGaN量子点具有特殊的三维受限结构，不仅能够削弱对材料发光不利的量子限制斯塔克效应(QCSE),还具有高的热稳定性，对缺陷不敏感等优点。因此，若采用InGaN量子点作为有源区材料，则有助于提高GaN基光电器件的发光效率。
但在实际的外延生长过程中，为了提高材料晶体质量，要求包裹InGaN量子点的GaN势垒层的生长温度在800℃以上。然而，较高的温度极易导致In-N键断裂，加速了InGaN合金的分解，引起InGaN量子点内In组分的降低，甚至导致量子点尺寸和密度的减小。特别对于In含量较高的长波长InGaN材料，高温下InGaN合金的分解效应会更加严重。因此，传统的单层GaN势垒结构不利于高密度高In组分InGaN量子点材料的外延生长，从而严重制约了长波长GaN基光电子器件的发展和应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种InGaN量子点的外延结构及生长方法，一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。包括：衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；GaN模板层，其生长在衬底上；InGaN量子点层，其生长在GaN模板层上；第一InGaN盖层，其生长在InGaN量子点层上；第二InGaN盖层，其生长在第一InGaN盖层上；GaN盖层，其生长在第二InGaN盖层上；多个周期排列的InGaN量子点层、InGaN盖层、GaN盖层，其依次重复生长在GaN盖层上。本发明通过采用复合势垒层结构，抑制GaN垒层的高温生长过程的对高In含量InGaN量子点的不利影响，从而提高InGaN量子点材料的长波长发光效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种InGaN量子点的外延结构，包括衬底、GaN外延模板层、InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层；
所述GaN外延模板层生长在衬底上；
所述InGaN量子点层生长在GaN模板层上；所述InGaN量子点层包括浸润层和量子点两部分，先进行二维层状结构的浸润层的生长，当浸润层的厚度超过临界值以后，开始进行三维结构的InGaN量子点的生长；
所述第一InGaN盖层生长在InGaN量子点层上；
所述第二InGaN盖层生长在第一InGaN盖层上；
所述GaN盖层生长在第二InGaN盖层上。
进一步地，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和砷化镓中之一。
进一步地，所述GaN外延层采用两步生长法获得，即先生长厚度小于50nm的低温GaN缓冲层，再生长厚度为1-3μm的高温GaN层；所述GaN外延层中进行N型Si掺杂，杂质浓度大于1018cm-3。
进一步地，所述第一InGaN盖层的平均In含量小于InGaN量子点层中的平均In含量；所述第二InGaN盖层中的平均In含量小于第一InGaN盖层中的平均In含量；所述InGaN量子点层与第一InGaN盖层生长温度相同，第二InGaN盖层、GaN盖层的生长温度依次升高。
进一步地，所述InGaN量子点层采用自组装方式在650℃的温度条件下生长在GaN模板层上；获得的InGaN量子点的高度在1-10nm之间，宽度在2-200nm之间，In含量不小于20％；通过改变InGaN量子点层的生长温度和时间参数，从而改变InGaN量子点的大小和In含量，实现对量子点形貌和组分的调控。
进一步地，所述第一InGaN盖层的生长过程为：保持650℃的反应室温度不变，直接在InGaN量子点层上生长3～10nm厚In含量为10％的In0.1Ga0.9N作为第一InGaN盖层。
进一步地，所述第二InGaN盖层的生长过程为：将温度升高至750℃，再生长3～10nm厚In组分为5％的In0.05Ga0.95N作为第二InGaN盖层。
进一步地，所述GaN盖层的生长过程为：将温度升高至850℃，生长3～10nm厚的GaN盖层。
进一步地，所述GaN盖层上依次重复生长多个周期排列的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层。
一种InGaN量子点的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓其中之一；将衬底在1000-1200℃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：在该衬底上依次生长GaN模板层、InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层、GaN盖层；
其中InGaN量子点层的生长温度为650℃，In含量不小于20％；第一InGaN盖层的生长温度为650℃，厚度为3～10nm，In含量10％；第二InGaN盖层的生长温度为750℃，厚度为3～10nm，In含量5％；GaN盖层的生长温度为850℃，厚度为3～10nm；
步骤3：在GaN盖层上依次重复生长多个周期的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层、GaN盖层，随后，将反应室温度降至800℃以下，在氮气气氛下退火10-20min，再降至室温，完成生长。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提出的第一InGaN盖层的In含量较高，接近InGaN量子点中的平均In含量。可以减小高In含量InGaN量子点中的In原子向盖层中的扩散。同时，该层的生长温度很低，与InGaN量子点的生长温度相同，从而最大程度上起到了保护InGaN量子点，抑制In-N分解的作用。
2、由于第一InGaN盖层中的In含量较高，从而减小了盖层与高In含量InGaN量子点之间的晶格失配。这样一方面，有利于降低失配应变引起的InGaN量子点内的极化效应，提高了量子点的发光效率；另一方面，降低了失配应力增大导致的晶格弛豫的发生，有效抑制了量子点的异质界面处失配位错的产生，有利于提高量子点材料的晶体质量，进一步提高了量子点的发光效率。
3、本发明提出的第二InGaN盖层的In含量较第一InGaN盖层的In含量略有降低，而生长温度略高，有利于提高该层的晶体质量。同时，第二InGaN盖层的插入也增加了复合盖层的总厚度，更好地抑制了量子点中In原子逃逸的发生，能够对InGaN量子点提供更有效的保护。
4、第二InGaN盖层的引入，可以作为第一InGaN盖层和GaN垒层之间的缓冲层，起到了过渡和缓冲的作用，因此，第二InGaN盖层的引入可以有效降低整个复合盖层中的应力，抑制了可能的由应力弛豫引起的晶体缺陷的产生，提高了盖层的晶体质量。
5、由于前述两层InGaN盖层的引入，后续的材料生长对InGaN量子点的影响被降低到了最小程度，因此，GaN盖层的生长可以在较高的温度下进行，有利于获得表面平滑的晶体质量高的GaN盖层，为之后生长的InGaN量子点提供了理想的外延生长模板。同时，GaN垒层的生长时间也可以适当延长，有利于获得较厚的高质量GaN垒层。
6、由于复合盖层能够有效地降低高温对InGaN量子点的影响，对InGaN量子点提供充分的保护，因此可以周期性地依次重复生长多个InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层，制备出高密度的均匀分布的堆垛叠层InGaN量子点。
附图说明
图1是本发明的一种InGaN量子点的外延结构示意图。
图2是本发明的一种InGaN量子点的生长方法流程图。
图中，11-衬底、12-GaN外延模板层、13-InGaN量子点层、14-第一InGaN盖层、15-第二InGaN盖层、16-GaN盖层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出了一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。其目的在于通过采用复合势垒结构，抑制GaN垒层的高温生长过程对高In含量InGaN量子点的不利影响，提高了InGaN量子点的外延晶体质量，有利于获得发光效率较高的高In含量InGaN量子点材料，有望从根本上提升GaN基长波长光电子器件的发光性能。
一种InGaN量子点的外延结构，包括衬底11、GaN外延模板层12、InGaN量子点层13、第一InGaN盖层14、第二InGaN盖层15和GaN盖层16；
所述GaN外延模板层12生长在衬底11上；
所述InGaN量子点层13生长在GaN模板层12上；所述InGaN量子点层13包括浸润层和量子点两部分，先进行二维层状结构的浸润层的生长，当浸润层的厚度超过临界值以后，开始进行三维结构的InGaN量子点的生长；
所述第一InGaN盖层14生长在InGaN量子点层13上；
所述第二InGaN盖层15生长在第一InGaN盖层14上；
所述GaN盖层16生长在第二InGaN盖层15上。
进一步地，所述衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和砷化镓中之一。
进一步地，所述GaN外延层采用两步生长法获得，即先生长厚度小于50nm的低温GaN缓冲层，再生长厚度为1-3μm的高温GaN层；所述GaN外延层中进行N型Si掺杂，杂质浓度大于1018cm-3。
进一步地，所述第一InGaN盖层14的平均In含量小于InGaN量子点层13中的平均In含量；所述第二InGaN盖层15中的平均In含量小于第一InGaN盖层14中的平均In含量；所述InGaN量子点层13与第一InGaN盖层14生长温度相同，第二InGaN盖层15、GaN盖层16的生长温度依次升高。
进一步地，所述InGaN量子点层13采用自组装方式在650℃的温度条件下生长在GaN模板层12上；获得的InGaN量子点的高度在1-10nm之间，宽度在2-200nm之间，In含量不小于20％；通过改变InGaN量子点层13的生长温度和时间参数，从而改变InGaN量子点的大小和In含量，实现对量子点形貌和组分的调控。
进一步地，所述第一InGaN盖层14的生长过程为：保持650℃的反应室温度不变，直接在InGaN量子点层13上生长3～10nm厚In含量为10％的In0.1Ga0.9N作为第一InGaN盖层14。
进一步地，所述第二InGaN盖层15的生长过程为：将温度升高至750℃，再生长3～10nm厚In组分为5％的In0.05Ga0.95N作为第二InGaN盖层15。
进一步地，所述GaN盖层16的生长过程为：将温度升高至850℃，生长3～10nm厚的GaN盖层16。
进一步地，所述GaN盖层16上依次重复生长多个周期排列的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层。
一种InGaN量子点的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底11，所述衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓其中之一；将衬底11在1000-1200℃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：在该衬底11上依次生长GaN模板层12、InGaN量子点层13、第一InGaN盖层14、第二InGaN盖层15、GaN盖层16；
其中InGaN量子点层13的生长温度为650℃，In含量不小于于20％；第一InGaN盖层14的生长温度为650℃，厚度为3～10nm，In含量10％；第二InGaN盖层15的生长温度为750℃，厚度为3～10nm，In含量5％；GaN盖层16的生长温度为850℃，厚度为3～10nm；
步骤3：在GaN盖层16上依次重复生长多个周期的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层、GaN盖层，随后，将反应室温度降至800℃以下，在氮气气氛下退火10-20min，再降至室温，完成生长。
Claims (10)
1.一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，包括衬底、GaN外延模板层、InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层；
所述GaN外延模板层生长在衬底上；
所述InGaN量子点层生长在GaN模板层上；所述InGaN量子点层包括浸润层和量子点两部分，先进行二维层状结构的浸润层的生长，当浸润层的厚度超过临界值以后，开始进行三维结构的InGaN量子点的生长；
所述第一InGaN盖层生长在InGaN量子点层上；
所述第二InGaN盖层生长在第一InGaN盖层上；
所述GaN盖层生长在第二InGaN盖层上。
2.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和砷化镓中之一。
3.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述GaN外延层采用两步生长法获得，即先生长厚度小于50nm的低温GaN缓冲层，再生长厚度为1-3μm的高温GaN层；所述GaN外延层中进行N型Si掺杂，杂质浓度大于1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述第一InGaN盖层的平均In含量小于InGaN量子点层中的平均In含量；所述第二InGaN盖层中的平均In含量小于第一InGaN盖层中的平均In含量；所述InGaN量子点层与第一InGaN盖层生长温度相同，第二InGaN盖层、GaN盖层的生长温度依次升高。
5.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述InGaN量子点层采用自组装方式在650℃的温度条件下生长在GaN模板层上；获得的InGaN量子点的高度在1-10nm之间，宽度在2-200nm之间，In含量不小于20％；通过改变InGaN量子点层的生长温度和时间参数，从而改变InGaN量子点的大小和In含量，实现对量子点形貌和组分的调控。
6.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述第一InGaN盖层的生长过程为：保持650℃的反应室温度不变，直接在InGaN量子点层上生长3～10nm厚In含量为10％的In0.1Ga0.9N作为第一InGaN盖层。
7.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述第二InGaN盖层的生长过程为：将温度升高至750℃，再生长3～10nm厚In组分为5％的In0.05Ga0.95N作为第二InGaN盖层。
8.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述GaN盖层的生长过程为：将温度升高至850℃，生长3～10nm厚的GaN盖层。
9.根据权利要求1所述的一种InGaN量子点的外延结构，其特征在于，所述GaN盖层上依次重复生长多个周期排列的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层和GaN盖层。
10.一种InGaN量子点的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓其中之一；将衬底在1000-1200℃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：在该衬底上依次生长GaN模板层、InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层、GaN盖层；
其中InGaN量子点层的生长温度为650℃，In含量不小于20％；第一InGaN盖层的生长温度为650℃，厚度为3～10nm，In含量10％；第二InGaN盖层的生长温度为750℃，厚度为3～10nm，In含量5％；GaN盖层的生长温度为850℃，厚度为3～10nm；
步骤3：在GaN盖层上依次重复生长多个周期的InGaN量子点层、第一InGaN盖层、第二InGaN盖层、GaN盖层，随后，将反应室温度降至800℃以下，在氮气气氛下退火10-20min，再降至室温，完成生长。
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2021
- 2021-11-01 CN CN202111283914.XA patent/CN113921666A/zh active Pending
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