[发明专利]一种GaN基量子点的外延生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种GaN基量子点的外延生长方法。

背景技术

当半导体材料的几何尺寸与电子的德布罗意波长可比拟时，会产生量子限制效应，从而使半导体材料的能带结构发生巨大变化。量子点是一种在三维尺度上具有量子限制的半导体材料结构，这使得量子点具有近似单个原子的分离的能级和能态密度，因此量子点发光器件通常具有比体材料及量子阱器件更高的辐射复合效率。此外，由于量子点具有分离的能级和能态密度，使其非常适合用于制作量子通信中的单光子源。

GaN基量子点可覆盖从紫外到近红外的波长范围，并且由于GaN基材料普遍具有比较高的激子结合能，使得GaN基量子点发光器件和基于GaN基量子点的单光子源与传统器件相比具有非常好的温度特性。

与GaAs、InP和Si基量子点相比，GaN基量子点的外延生长技术还不是很成熟。目前普遍采用的是金属有机物气相外延(MOCVD)或分子束外延(MBE)通过SK模式生长的自组装GaN基量子点。SK模式是一种具有浸润层的二维生长模式，对生长条件、生长工艺、材料质量都有着非常苛刻的限制，且对生长出的GaN基量子点的位置、尺寸、密度等无法做到比较统一和精确的控制。

有报道称，在Si/Ge体系中可利用材料表面位错露头处或原子滑移面露头处存在的局部应变来生长量子点。这种方式生长的量子点没有浸润层，因此对载流子的限制作用更好，器件的温度特性也更好。

发明内容

为克服现有技术中GaN基量子点外延生长方法中需要浸润层、方法复杂的缺陷，本发明的目的是提供一种GaN基量子点的外延生长方法。

上述方法为在衬底材料上依次外延生长缓冲层及体材料，在所述体材料的表面引入位错和/或原子滑移面，然后在所述位错和/或原子滑移面的露头处外延生长GaN基量子点。

所述GaN基量子点的横向尺寸为1～200nm，纵向尺寸为1～100nm，密度为10⁶～10¹³cm^-2；优选横向尺寸为5～200nm，纵向尺寸为2～50nm，密度为10⁸～10¹⁰cm^-2。

所述量子点的晶体结构为纤锌矿型或闪锌矿型，可以通过选择合适的生长温度、反应室压强以及衬底材料结构来调节。

所述生长方法为金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，生长温度为400～1000℃，反应室压强为1～1000mbar，优选生长温度为500～800℃，反应室压强为10～100mbar。

所述生长方法采用交替通断源法或中断生长法。其中，交替通断源法具体为：在一段时间内只通入III族源气，在下一段时间内只通入V族源气，如此循环地交替通入III、V族源气，循环周期和次数由具体生长参数决定。中断生长法具体为：在一段时间内同时通入III族源气和V族源气，在下一段时间内不通入源气，如此循环地交替通断源气，循环周期和次数由具体生长参数决定。

本发明所述交替通断源法为通入金属有机源1～5秒，再通入氮源5～15秒，反复20～80周期；所述中断生长法为通入金属有机源和氮源1～3分钟，中断10～100秒，然后再通入金属有机源和氮源1～3分钟。对于上述两种生长方法，在所述范围内，通过采用不同的源气通断时间以及通断周期，可以改变所生长的量子点的尺寸、密度以及发光波长，如交替通断源法中，若减少每个周期内氮源的通入时间，则生长的量子点的尺寸会相应减小，密度会增加；在一定范围内增加通断周期数可以增加量子点的尺寸，降低量子点的密度。

上述金属有机源为三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMA1)、三乙基镓(TEGa)，氮源为氨气(NH₃)，金属有机源的载气为氢气(H₂)和氮气(N₂)的混合气体。

所述位错和/或原子滑移面的引入方法为：在所述体材料表面沉积光刻胶掩模，再通过光刻或电子束曝光使体材料表面形成一个或多个面积为0.1～5μm²的无掩膜区域，然后在所述无掩膜区域进行刻蚀引入位错和/或原子滑移面。

所述刻蚀为感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀。所述刻蚀可能会引入位错、原子滑移面的任一种或其组合，其中的位错种类不受限制，包括螺位错、刃位错、混合位错中的一种或多种；所述原子滑移面的滑移方向优选平行于衬底表面的方向，这样的原子滑移面露头处更加适合量子点的外延生长。