一种生长高密度铟镓氮量子点的方法技术

本发明专利技术属于半导体材料与器件技术领域，尤其涉及一种生长高密度铟镓氮量子点的方法。本方法采用半导体外延生长方法，在衬底上生长GaN薄膜，将产品置于反应腔室中，通入由金属铟和金属镓组成的反应源，再通入五族氮源，重复多次后在GaN薄膜表面形成致密的InGaN量子点，得到下层量子点形貌层，再通入金属源和氮源，在下层量子点形貌层上形成高密度铟镓氮量子点。本发明专利技术方法可以生长密度高达3×10

【技术实现步骤摘要】
一种生长高密度铟镓氮量子点的方法
本专利技术属于半导体材料与器件
，尤其涉及一种生长高密度铟镓氮量子点的方法。
技术介绍
InGaN量子点作为一种三维限制的纳米材料，在可见光LED、激光器、超辐射发光二极管、mini/micro-LED、可见光探测器等器件有广泛的应用前景，在照明、显示、可见光通信等领域有着重要的应用价值。相对于传统发光材料InGaN量子阱，量子点在生长的过程中，释放了晶格失配导致的应力，晶体质量更好，同时量子点内压电极化更小，因此量子限制斯塔克效应QCSE更小，同时基于InGaN量子点的发光器件发光效率更高，应用于激光器时，量子点激光器可以实现更低的激射阈值，同时温度特性更好。应用于micro-LED时，由于量子点对载流子有很强的局域化作用，能很好克服器件侧壁刻蚀损伤导致的非辐射复合，因此器件的尺寸效应更小，效率更高，器件峰值效率处的电流密度更低，更能满足显示领域需求。同时，量子点由于组分局域化，更利于高In组分材料生长，有利于红绿光长波长器件生长和高效率发光。通常InGaN量子点生长方式采用SK模式生长，即直接在GaN表面生长InGaN薄膜，当InGaN厚度超过一定厚度，由于应力的积累释放，InGaN受挤压成点。但是这种方法产生量子点时，往往会在量子点下层留下很厚的浸润层，由于浸润层具有更低的In组分，最终会在量子点样品光谱中引入浸润层发光峰，恶化样品光谱特性。其次，这种方法产生的量子点的密度通常在107-109/cm2，且量子点的尺寸、组分均匀性较差。另外，这种方法通常难以调节量子点发光波长，无法简单的调节生长条件生长任意发光波长的量子点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种生长高密度铟镓氮量子点的方法，对已有的InGaN量子点生长方法进行改进，以达到生长高质量、高密度、高效率、能方便调节发光波长的InGaN量子点的目的。本专利技术提出的在衬底上生长高密度铟镓氮量子点的方法，包括以下步骤：(1)采用周期性交替通断源的方法生长下层量子点形貌层，具体方法如下：(1-1)采用半导体外延生长方法，在衬底上生长厚度为100纳米～10微米的GaN薄膜，得到第一中间产品；(1-2)将步骤(1)的第一中间产品置于反应腔室中，向反应腔室中通入由金属铟和金属镓组成的反应源，金属铟反应源和金属镓反应源的通入流量为10～500sccm，通入时间为1～10秒，得到第二中间产品；(1-3)向步骤(1-2)的第二中间产品通入五族氮源，通入五族氮源的流量为1000～20000sccm，时间为1～10数秒；(1-4)重复步骤(1-2)和步骤(1-3)50-1000多次，在步骤(1-1)形成的GaN薄膜表面形成致密的InGaN量子点，得到下层量子点形貌层，下层量子点的厚度为1-5nm；(2)在步骤(1)得到的下层量子点形貌层上，同时通入金属源和氮源，金属源的流量为10～500sccm，氮源的流量为1000～20000sccm，通入时间为30秒～2分钟，在下层量子点形貌层上形成高密度铟镓氮量子点。具体时间取决于量子点目标厚度和实际生长速率。上述生长高密度铟镓氮量子点的方法的步骤(1)中，所述的衬底为蓝宝石、GaN衬底、SiC衬底或Si衬底。上述生长高密度铟镓氮量子点的方法中，所述的金属铟反应源为三乙基铟或三甲基铟。上述生长高密度铟镓氮量子点的方法中的金属镓反应源，可以为三乙基镓或三甲基镓。上述生长高密度铟镓氮量子点的方法的的五族氮源，可以为氨气或等离子氮。本专利技术提出的一种生长高密度铟镓氮量子点的方法，其优点是：本专利技术的生长高密度铟镓氮量子点的方法，可以生长密度高达3×1010/cm2的InGaN量子点。采用这种方法生长的InGaN量子点具有晶格完全弛豫,QCSE小，光谱特性好，没有浸润层发光等优点。同时采用本专利技术方法，可以方便的通过调节In源流量，实现从紫外到红外光的，覆盖可见光全波段的，高质量InGaN量子点的生长。该方法可以在GaN基光电器件中得到广泛应用，例如用于生长近紫外、RGB、红外等覆盖全可见光波段的LED、激光器(边发射、VCSEL)、超辐射发光二极管、mini/micro-LED、InGaN基光电探测器等器件。附图说明图1是本专利技术方法中InGaN量子点生长所需的外延基板。图2是本方法中形成底层量子点形貌种子层的方法示意图。图3(a)是本方法中形成的底层量子点典型原子力显微镜形貌图，图3(b)是本方法中形成的底层量子点典型的发光光谱，发光峰在近紫外波段。图4是本方法中在底层量子点的基础上生长最终任意波长InGaN量子点样品的方法示意图。图5是本方法中最终生长的InGaN量子点样品的典型原子力显微镜形貌图。图6是采用本方法所生长的发光波长覆盖近紫外到红光的InGaN量子点样品的发光光谱。具体实施方式本专利技术提出的在衬底上生长高密度铟镓氮量子点的方法，包括以下步骤：(1)采用周期性交替通断源的方法生长下层量子点形貌层，具体方法如下：(1-1)采用半导体外延生长方法，在衬底上生长厚度为100纳米～10微米的GaN薄膜，得到第一中间产品，如图1中所示，GaN薄膜可以采用MOCVD(金属氧化物气相沉积方法)、HVPE(氢化物气相外延方法)、MBE(分子束外延方法)等设备生长，可以根据需要进行掺杂(比如n型掺杂，可以在生长GaN的同时向反应腔通入硅源，如硅烷SiH4)。同时可以根据需要，在生长下一阶段量子点前，在GaN薄膜上生长InGaN、AlGaN薄膜或者超晶格结构。(1-2)将步骤(1)的第一中间产品置于反应腔室中，向反应腔室中通入由金属铟和金属镓组成的反应源，金属铟反应源和金属镓反应源的通入流量为10～500sccm(标准毫升/分钟)，通入时间为1～10秒，得到第二中间产品；本步骤的反应原理是：反应源受热裂解后，金属铟和镓原子达到步骤(1-1)的GaN薄膜上并吸附聚集，形成金属纳米种子层，金属纳米种子层的厚度通常为一到数个原子层，GaN金属铟源包括但不限于三乙基铟(TEIn)、三甲基铟(TMIn),金属镓源包括但不限于三乙基镓(TEGa)、三甲基镓(TMGa)。金属源通入反应腔室后受热分解，Ga、In等金属原子迁移聚集到GaN表面，由于应力作用，金属原子会聚集在一起形成致密的金属纳米小岛。(1-3)向步骤(1-2)的第二中间产品通入五族氮源，通入五族氮源的流量为1000～2万sccm(标准毫升/分钟)，时间为1～10数秒；氮源包括但不限于氨气(NH3,MOCVD使用)、等离子氮(MBE)。氮源在腔室分解形成N原子后，迁移到样品GaN表面，并与上述金属纳米岛反应结合形成InGaN纳米小岛。(1-4)重复步骤(1-2)和步骤(1-3)多次，比如50-500次等，如图2所示。在这一过程中，金属源和氮源的周期性交替通入可以逐渐将纳米小岛变大，在步骤(1-1)形成的GaN薄膜表面形成致密的InGaN量子点，得到下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在衬底上生长高密度铟镓氮量子点的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：/n(1)采用周期性交替通断源的方法生长下层量子点形貌层，具体方法如下：/n(1-1)采用半导体外延生长方法，在衬底上生长厚度为100nm～10微米的GaN薄膜，得到第一中间产品；/n(1-2)将步骤(1)的第一中间产品置于反应腔室中，向反应腔室中通入由金属铟和金属镓组成的反应源，金属铟反应源和金属镓反应源的通入流量为40～80sccm，通入时间为2～10秒，得到第二中间产品；/n(1-3)向步骤(1-2)的第二中间产品通入五族氮源，通入五族氮源的流量为1000～2万sccm，时间为1～5数秒；/n(1-4)重复步骤(1-2)和步骤(1-3)多次，在步骤(1-1)形成的GaN薄膜表面形成致密的InGaN量子点，得到下层量子点形貌层，下层量子点的厚度为1-4nm；/n(2)在步骤(1)得到的下层量子点形貌层上，同时通入金属源和氮源，金属源的流量为20～60sccm，氮源的流量为1000～20000sccm，通入时间为30秒～2分钟，在下层量子点形貌层上形成高密度铟镓氮量子点。/n

【技术特征摘要】
1.一种在衬底上生长高密度铟镓氮量子点的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)采用周期性交替通断源的方法生长下层量子点形貌层，具体方法如下：
(1-1)采用半导体外延生长方法，在衬底上生长厚度为100nm～10微米的GaN薄膜，得到第一中间产品；
(1-2)将步骤(1)的第一中间产品置于反应腔室中，向反应腔室中通入由金属铟和金属镓组成的反应源，金属铟反应源和金属镓反应源的通入流量为40～80sccm，通入时间为2～10秒，得到第二中间产品；
(1-3)向步骤(1-2)的第二中间产品通入五族氮源，通入五族氮源的流量为1000～2万sccm，时间为1～5数秒；
(1-4)重复步骤(1-2)和步骤(1-3)多次，在步骤(1-1)形成的GaN薄膜表面形成致密的InGaN量子点，得到下层量子点形貌层，下层量子点的厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪莱，王磊，余鹿鸣，郝智彪，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11