一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体材料技术领域，具体为一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构及其制备方法，包括：步骤1：采用非对称岛生长方法在衬底上生长半极性氮化镓薄膜模板；步骤2：在制备的半极性氮化镓薄膜模板上生长半极性铟镓氮二维超薄层结构。该方法可避免应力释放形成高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离，增强有源区内载流子隧穿，增加电子与空穴空间交叠，并改变载流子密度分布，有效提高辐射复合效率，改善现有黄绿光LED发光效率较低的问题，增强探测器与太阳能电池光生载流子分离能力。

A High Quality Semipolar Two-Dimensional Ultra-Thin Layer of InGaN and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of semiconductor materials, in particular to a high-quality two-dimensional ultra-thin layer structure of semi-polar indium gallium nitrogen and its preparation method, including: step 1: using asymmetric island growth method to grow semi-polar gallium nitride film template on the substrate; step 2: growing semi-polar indium gallium nitrogen two-dimensional ultra-thin layer structure on the prepared semi-polar gallium nitride film template. This method can avoid the formation of high density penetration defects, indium agglomeration and phase separation due to stress release, enhance the carrier tunneling in active region, increase the overlap of electron and hole space, change the carrier density distribution, effectively improve the radiation recombination efficiency, improve the low luminescence efficiency of existing yellow-green LED, and enhance the separation ability of photogenerated carriers between detector and solar cell.

【技术实现步骤摘要】
一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构及其制备方法
本专利技术属于半导体材料
，具体涉及半极性氮化镓与半极性二维超薄铟镓氮/氮化镓(InGaN/GaN)有源层或InGaN/GaN超晶格或量子阱外延片与其制备方法。
技术介绍
III族氮化物材料作为直接带隙半导体，以其可调能带(6.2-0.7eV)、高击穿电场和高电子迁移率、强热/化学稳定性高等优点受到广泛的关注与运用。目前被广泛用于制备紫外到红光波段的光电二极管(LED)与激光器(LD)、太阳能电池、探测器、大功率或高频的高电子迁移率晶体管，在照明显示、光通信、农业、医疗、能源、微电子、集成电路等领域有重要的应用。用于制备长波段光电器件、太阳能电池与探测器的c面高铟组分的InGaN/GaN量子阱材料面临：铟掺入效率低、铟团聚、相分离、高密度穿透缺陷、强的极化场、载流子分离等问题，因此需要运用新技术来解决或改善以上问题，从而进一步提高现有器件的工作效率与降低能耗。目前，二维超薄层材料由于其良好的载流子与光子传输限制引起大量的研究与运用。其中，二维超薄InGaN/GaN有源层易于载流子的隧穿，从而有利于光生载流子的传输与分离，并改变有源区载流子密度分布。而且二维超薄InGaN/GaN有源层结构利于生长低应力的有源层，从而可以消除传统量子阱应力释放形成的高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离。同时，二维超薄InGaN/GaN有源层的低应力可以有效降低极化场，从而消除部分量子斯塔克效应。由于这些优点，我们可以基于InGaN/GaN二维超薄层结构来构建高性能的LED、LD、光电探测器、太阳能电池。此外，大量研究表明半极性GaN材料具有低的极化场、高的铟掺入效率与大的生长窗口等优点，可用于制备长波段发光器件，改善器件性能。并通过控制InGaN层厚度、In组分来调控二维超薄InGaN/GaN有源层能带结构，从而覆盖近紫外到黄绿光波段的发光与吸收。因此基于半极性GaN材料上获得的二维超薄InGaN/GaN有源层可用于构建高效且覆盖近紫外到黄绿光波段的LED、LD、光电探测器与太阳能电池。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种高质量的半极性二维超薄InGaN/GaN有源层外延片与其制备方法，并用于制备高效的近紫外到黄绿光波段的发光二极管与激光器。超薄层可以增强有源区内的电子空穴隧穿，从而改便有源区载流子密度分布与提高光生载流子分离能力。较薄且连续排列的有源区也会增加电子空穴的空间交叠，有效提高辐射复合效率。而且二维超薄InGaN/GaN结构有利于生长低应力的有源层，从而可以消除应力释放形成的高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离。可用于改善现有黄绿光LED发光效率较低的问题，增强探测器与太阳能电池光生载流子分离能力。为实现上述目的，本专利技术提供一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，包括：步骤1：采用非对称岛生长方法在衬底上生长半极性氮化镓薄膜模板；步骤2：在制备的半极性氮化镓薄膜模板上生长半极性铟镓氮二维超薄层结构。优选的，所述步骤1包括：在氮化衬底表面上生长氮化镓成核层；生长高温氮化镓岛；生长高温氮化镓薄膜。优选的，所述步骤1还包括生长前准备工作，所述准备工作为高温清洁及氮化衬底表面。优选的，所述步骤2包括：生长二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层。优选的，所述步骤2包括：生长铟镓氮层；生长氮化镓薄层作为铟镓氮保护层；生长氮化镓垒层。优选的，所述衬底为：m面蓝宝石、硅、氮化铝、碳化硅。优选的，所述高温清洁及氮化衬底表面条件为：衬底置入的MOCVD反应腔内压强稳定为50Torr～250Torr；衬底温度为1000℃～1150℃；通入氢气(H2)作为吹扫气体来清洁衬底表面，持续时间为5min～20min；升压至400Torr～550Torr，降温至450～650℃，通入氨气氮化衬底表面，持续氮化时间为3min～15min。优选的，所述氮化镓成核层生长条件为：反应腔内压强稳定为400Torr～600Torr；衬底温度为450℃～650℃，通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓比率为500～2500:1；生长低温氮化镓成核层；升温退火氮化镓成核层，退火温度为1000℃～1100℃。优选的，所述高温氮化镓岛生长条件为：反应腔内压强缓降并稳定为150Torr～450Torr；衬底温度为980Torr～1100℃；通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓摩尔比为300～1500:1，生长时间为200s～1500s。优选的，所述高温氮化镓薄膜生长条件为：反应腔内压强缓降并稳定为20Torr～100Torr；衬底温度为1000℃～1100℃；通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓摩尔比为1000～3500:1，生长时间为4000s以上。优选的，所述二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层生长条件为：反应腔内压强稳定为200Torr～400Torr；载气为氮气，总气体流量控制在11slm～15slm。优选的，所述铟镓氮生长条件为：衬底温度为650℃～800℃；通入氨气、三甲基镓及三甲基铟作为氮源、镓源与铟源，氨气与三甲基铟比率为100～2500:1。优选的，所述作为铟镓氮保护层的氮化镓薄层生长条件为：与铟镓氮生长生长温度一致，衬底温度为650℃～800℃；通入氨气与三甲基镓作为氮源与镓源。优选的，所述氮化镓垒层生长条件为：衬底温度为740℃～900℃；通入氨气与三甲基镓作为氮源与镓源。优选的，所述二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层条件可用于半极性(11-22)、(20-21)、(20-2-1)、(10-11)、(30-31)、(30-3-1)、(10-13)、(10-1-3)氮化镓薄膜模板上的二维超薄二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层的制备。一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，包括：衬底，半极性氮化镓薄膜模板，以及二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层。优选的，所述半极性氮化镓薄膜模板采用非对称岛斜面生长方法。优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还包括用于保护铟镓氮的氮化镓薄层。优选的，所述二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层的结构包括：铟镓氮层InxGa1-xN，铟镓氮层厚0.2nm～2.0nm，其中0<x<1；作为铟镓氮保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚0.2nm～1.0nm；氮化镓垒层，氮化镓垒层厚0.5nm～15.0nm。优选的，所述高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构用于制备半极性发光二极管、激光器、光电探测器、太阳能电池。优选的，所述二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层位于p氮化镓层及n氮化镓层之间。优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还位于二维超薄铟镓氮/氮化镓上下两侧的p氮化镓波导层和n氮化镓波导层之间。优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还位于二维超薄铟镓氮/氮化镓上下两侧的p铝镓氮限制层和n铝镓氮限制层之间。优选的，铝镓氮限制层还可以为铝镓氮/氮化镓分布式布拉格反射镜。本专利技术方法可采用蓝宝石，硅，铝氮与碳化硅作为衬底。本专利技术通过非对称岛斜面生长方法技术来提高半极性GaN材料的晶体质量，降低穿透缺陷的密度；并通过控制二维InGaN层厚度与In组分来可获得近紫外到黄绿光发光波段的二维超薄InGaN/GaN有源层。非对称岛斜面生长方法技术控制高温GaN岛阶段的生长条件，使得GaN岛表面形成富G本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于包括：步骤1：采用非对称岛生长方法在衬底上生长半极性氮化镓薄膜模板；步骤2：在制备的半极性氮化镓薄膜模板上生长半极性铟镓氮二维超薄层结构。

【技术特征摘要】
1.一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于包括：步骤1：采用非对称岛生长方法在衬底上生长半极性氮化镓薄膜模板；步骤2：在制备的半极性氮化镓薄膜模板上生长半极性铟镓氮二维超薄层结构。2.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：在氮化衬底表面上生长氮化镓成核层；生长高温氮化镓岛；生长高温氮化镓薄膜。3.一种如权利要求2所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述步骤1还包括生长前准备工作，所述准备工作为高温清洁及氮化衬底表面。4.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述步骤2包括：生长二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层。5.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述步骤2包括：生长铟镓氮层；生长氮化镓薄层作为铟镓氮保护层；生长氮化镓垒层。6.一种如权利要求2所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述衬底为：m面蓝宝石、硅、氮化铝、碳化硅。7.一种如权利要求3所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述高温清洁及氮化衬底表面条件为：衬底置入MOCVD反应腔内压强稳定为50Torr～250Torr；衬底温度为1000℃～1150℃；通入氢气(H2)作为吹扫气体来清洁衬底表面，持续时间为5min～20min；升压至400Torr～550Torr，降温至450℃～650℃，通入氨气氮化衬底表面，持续氮化时间为3min～15min。8.一种如权利要求2所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述氮化镓成核层生长条件为：反应腔内压强稳定为400Torr～600Torr；衬底温度为450℃～650℃，通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓摩尔比为500～2500：1；生长低温氮化镓成核层；升温退火氮化镓成核层，退火温度为1000℃～1100℃。9.一种如权利要求2所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述高温氮化镓岛生长条件为：反应腔内压强缓降并稳定为150Torr～450Torr；衬底温度为980℃～1100℃；通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓摩尔比为300～1500:1，生长时间为200s～1500s。10.一种如权利要求2所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述高温氮化镓薄膜生长条件为：反应腔内压强缓降并稳定为20Torr～100Torr；衬底温度为1000℃～1100℃；通入氨气及三甲基镓作为氮源和镓源，氨气与三甲基镓摩尔比为1000～3500:1，生长时间为4000s以上。11.一种如权利要求4所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构制备方法，其特征在于，所述二维超薄铟镓氮/氮化镓有源层生长条件为：反应腔内压强稳定为200Torr～400Torr；载气为氮气，总气体流量控制在11s...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志来，吴征远，田朋飞，闫春辉，张国旗，
申请(专利权)人：深圳第三代半导体研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44