本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。子点材料的长波长发光效率。子点材料的长波长发光效率。
【技术实现步骤摘要】
一种InGaN量子点的外延结构及生长方法
[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种InGaN量子点的外延结构及生长方法。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
技术实现思路
[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种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。本专利技术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。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]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；
[0007]所述GaN外延模板层生长在衬底上；
[0008]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；
[0009]所述第一InGaN盖层生长在InGaN量子点层上；
[0010]所述第二InGaN盖层生长在第一InGaN盖层上；
[0011]所述GaN盖层生长在第二InGaN盖层上。
[0012]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。
[0013]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10
18
cm
‑3。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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In
0.1
Ga
0.9
N作为第一InGaN盖层。
[0017]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In
0.05
Ga
0.95
N作为第二InGaN盖层。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]一种InGaN量子点的生长方法，包括如下步骤：
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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。
[0025]本专利技术的有益效果如下：
[0026]1、本专利技术提出的第一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。
[0027]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。
[0028]3、本专利技术提出的第二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
层的总厚度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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10
18
cm
‑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...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘炜，张杰，张淑媛，赵恒岩，刘泽宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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