InGaN量子点的外延生长方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种InGaN量子点的外延生长方法，其包括步骤：A、在外延生长装置中，在衬底上依次叠层生长n型GaN层、第一GaN垒层和InGaN阱层；B、在InGaN阱层上制作GaN量子点；C、以GaN量子点为掩膜，刻蚀InGaN阱层，在GaN垒层上获得InGaN量子点；D、生长GaN盖层；E、在GaN盖层上生长第二GaN垒层，获得InGaN量子点外延结构。本发明专利技术通过制作GaN量子点，并以该GaN量子点作为掩膜来制作InGaN量子点的方法，可在衬底上制备获得尺寸均匀且可控的InGaN量子点；由此，以基于上述获得的InGaN量子点的InGaN量子点外延结构作为发光层而形成的发光器件，可具有更小的发光半宽。本发明专利技术还公开了一种具有上述外延生长方法获得的InGaN量子点外延结构的发光器件。

【技术实现步骤摘要】
InGaN量子点的外延生长方法及其应用
本专利技术属于半导体
，具体来讲，涉及一种InGaN量子点的外延生长方法及其应用。
技术介绍
在基于InGaN材料的固态照明与显示领域，传统的以量子阱(QW)作为有源区结构的器件已经相当成熟，特别是蓝光LED、LD的效率非常高，商业应用也是极为广泛。然而，发光器件都饱受所谓的“efficiencydroop”的困扰，即随着注入电流的增加，发光效率会迅速下降，这会导致器件为了维持效率只得工作在较低的电流密度下(对于LED，电流密度一般小于10A/cm2)，从而限制了其在大功率领域的应用。导致“efficiencydroop”的原因很多，但主要是俄歇复合效应，根据经典的ABC模型，随着pn结注入的载流子增加，导致量子阱区域载流子密度升高，而俄歇复合几率正比于载流子密度的三次方，所以俄歇复合会随着注入载流子的增加而增加。考虑到这些因素，业界提出采用量子点代替量子阱作为有源区核心，量子点作为一种准零维材料，其三维尺度在几十个纳米量级，从而能在三维方向上对载流子进行限制，阶梯状分布的态密度确保了波函数交叠大幅提高，从而有效提高发光效率，这样在较小的载流子密度下也能获得足够的发光强度，也就缓解了俄歇复合带来的“efficiencydroop”。此外，采用量子点作为有源区的材料还有其它一些优势，比如对于激光器而言有较小的阈值电流密度，更好的器件稳定性等。基于量子点的发光器件在GaAs领域早已得到应用，但是在InGaN领域仍处于研究期间。目前生长InGaN量子点的一种主流方法是基于S-K生长模式，即首先在异质衬底上外延一层InGaN，并且外延层的厚度要大于晶格失配的阈值厚度，使得外延层发生弛豫，从而弛豫的应力会使得InGaN润湿层上自发形成InGaN量子点。但是，采用S-K生长模式生长量子点必须是存在晶格失配的异质体系，所形成的InGaN量子点尺寸也非常不均匀，且不好控制。因此，探索一种能够在衬底上制备尺寸均匀且可控的InGaN量子点的方法是亟待解决的问题。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种InGaN量子点的外延生长方法，该方法通过控制Ga源的流量、时间、温度等生长工艺参数，可以在衬底上制备获得均匀的InGaN量子点，由此可使基于其的发光器件的发光半宽更小。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种InGaN量子点的外延生长方法，包括步骤：S1、将衬底置于外延生长装置中，在所述衬底上叠层生长n型GaN层和第一GaN垒层；S2、在所述第一GaN垒层上生长InGaN阱层；S3、在所述InGaN阱层上制作GaN量子点；S4、以所述GaN量子点为掩膜，刻蚀所述InGaN阱层，在所述GaN垒层上获得InGaN量子点；S5、在所述第一GaN垒层、GaN量子点上生长GaN盖层；S6、在所述GaN盖层上生长第二GaN垒层，获得InGaN量子点外延结构。进一步地，所述外延生长方法还包括步骤：S7、重复n次所述步骤S2-S6；其中，n为1～6的整数。进一步地，在所述步骤S3中，采用液滴外延法在所述InGaN阱层上制作所述GaN量子点。进一步地，所述步骤S3的具体方法包括：在400℃～500℃下，采用惰性气体吹扫所述外延生长装置20s～100s，再向所述外延生长装置中通入三乙基镓20s～300s，获得镓源液滴；向所述外延生长装置中通入氨气，对所述镓源液滴进行氮化，在所述InGaN阱层上形成所述GaN量子点。进一步地，形成所述镓源液滴时，以20sccm～200sccm的流量向所述外延生长装置中通入三乙基镓；对所述镓源液滴氮化的时间为50s～200s。进一步地，所述步骤S4的具体方法包括：以所述GaN量子点为掩膜，于600℃～700℃下热处理所述InGaN阱层，未被所述GaN量子点覆盖的InGaN阱层发生热分解，在所述GaN垒层上获得所述InGaN量子点。进一步地，在所述步骤S1中，所述n型GaN层的厚度为0.5μm～2μm，Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～20×1018cm-3；所述第一GaN垒层的厚度为10nm～20nm；在所述步骤S2中，所述InGaN阱层的厚度为1nm～3nm；在所述步骤S5中，所述GaN盖层的厚度为1nm～5nm；在所述步骤S6中，所述第二GaN垒层的厚度为10nm～20nm。进一步地，所述衬底选自蓝宝石/GaN模板衬底、Si/GaN模板衬底或GaN自支撑衬底。进一步地，所述外延生长装置为金属有机化合物气相外延。本专利技术的另一目的还在于提供一种发光器件，包括发光层，所述发光层具有如上任一所述的外延生长方法获得的InGaN量子点外延结构。本专利技术通过制作GaN量子点，并以该GaN量子点作为掩膜来制作InGaN量子点的方法，可在衬底上制备获得尺寸均匀且可控的InGaN量子点；由此，以基于上述获得的InGaN量子点的InGaN量子点外延结构作为发光层而形成的发光器件，可具有更小的发光半宽。同时，上述InGaN量子点的制备工艺简单，仅通过调节镓源流量、温度、时间等生长工艺参数即可达到调控InGaN量子点的尺寸和密度的目的，工艺简单，易于操作。附图说明通过结合附图进行的以下描述，本专利技术的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：图1是根据本专利技术的InGaN量子点的外延生长方法的步骤流程图；图2-图8是根据本专利技术的InGaN量子点的外延生长方法的工艺流程图；图9是根据本专利技术的InGaN量子点的外延生长方法的生长参数与生长进度示意图。具体实施方式以下，将参照附图来详细描述本专利技术的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本专利技术，并且本专利技术不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本专利技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本专利技术的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种结构，但是这些结构不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个结构与另一个相同材料的结构区分开来。基于现有技术中一般InGaN量子点的外延生长方法需基于晶格失配的异质衬底，并且所获得的InGaN量子点尺寸不均匀且不易控制这一问题，本专利技术提供了一种全新的InGaN量子点的外延生长方法。具体参照图1，该外延生长方法包括下述步骤：在步骤Q1中，将衬底1置于外延生长装置中，在衬底1上生长n型GaN层2；如图2所示。具体来讲，该衬底1既可以是蓝宝石/GaN模板衬底、Si/GaN模板衬底，也可以是GaN自支撑衬底等同质衬底。更为具体地，n型GaN层2的生长方法为：控制三甲基镓的流量为50sccm～150sccm，NH3的流量为3000sccm～8000sccm，反应压力为133mbar～400mbar，生长时间为500s～3000s，生长温度为1100℃～1300℃。如此，即获得了厚度为0.5μm～2μm、且其中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～20×1018cm-3的n型GaN层2。在步骤Q2中，在n型GaN层2上生长第一GaN垒层3；如图3所示。具体来讲，第一G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种InGaN量子点的外延生长方法，其特征在于，包括步骤：S1、将衬底置于外延生长装置中，在所述衬底上叠层生长n型GaN层和第一GaN垒层；S2、在所述第一GaN垒层上生长InGaN阱层；S3、在所述InGaN阱层上制作GaN量子点；S4、以所述GaN量子点为掩膜，刻蚀所述InGaN阱层，在所述GaN垒层上获得InGaN量子点；S5、在所述第一GaN垒层、GaN量子点上生长GaN盖层；S6、在所述GaN盖层上生长第二GaN垒层，获得InGaN量子点外延结构。

【技术特征摘要】
1.一种InGaN量子点的外延生长方法，其特征在于，包括步骤：S1、将衬底置于外延生长装置中，在所述衬底上叠层生长n型GaN层和第一GaN垒层；S2、在所述第一GaN垒层上生长InGaN阱层；S3、在所述InGaN阱层上制作GaN量子点；S4、以所述GaN量子点为掩膜，刻蚀所述InGaN阱层，在所述GaN垒层上获得InGaN量子点；S5、在所述第一GaN垒层、GaN量子点上生长GaN盖层；S6、在所述GaN盖层上生长第二GaN垒层，获得InGaN量子点外延结构。2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法还包括步骤：S7、重复n次所述步骤S2-S6；其中，n为1～6的整数。3.根据权利要求1或2所述的外延生长方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用液滴外延法在所述InGaN阱层上制作所述GaN量子点。4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法包括：在400℃～500℃下，采用惰性气体吹扫所述外延生长装置20s～100s，再向所述外延生长装置中通入三乙基镓20s～300s，获得镓源液滴；向所述外延生长装置中通入氨气，对所述镓源液滴进行氮化，在所述InGaN阱层上形成所述GaN量子点。5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于，形成所述镓源液滴时...

【专利技术属性】
技术研发人员：江灵荣，田爱琴，刘建平，张书明，池田昌夫，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32