本实用新型专利技术公开了生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，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。本实用新型专利技术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。
InGaN/GaN MQW nanocolumns grown on silicon/graphene composite substrates
The utility model discloses an InGaN/GaN multi-quantum well nano-column grown on a silicon/graphene composite substrate. The InGaN/GaN multi-quantum well nano-column includes a Si/graphene composite substrate, an n-type doped GaN nano-column grown on a Si/graphene composite substrate, an InGaN/GaN multi-quantum well grown on the top of an n-type doped GaN nano-column, and a p-type doped GaN nano-well grown on the top of an InGaN/GaN multi-quantum well. Rice pillar. The preparation method of the utility model has the advantages of simple growth process and low preparation cost, low defect density, good crystallization quality and good electrical and optical properties of the prepared InGaN/GaN multi-quantum well nanocolumns.
【技术实现步骤摘要】
生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱
本技术涉及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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术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，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。本技术的制备方法，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。本技术在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。本技术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，进行石墨烯的生本文档来自技高网...
【技术保护点】
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)。
【技术特征摘要】
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。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n型掺杂GaN纳米柱掺杂...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，高芳亮，张曙光，徐珍珠，余粤锋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44
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