[发明专利]有序Si基Al1-x

说明书

本发明公开了一种有序Si基Al_1‑xGa_xN量子点的可控外延生长方法，包括步骤：S1、提供一Si衬底；S2、对Si衬底的表面进行纳米图形化处理，Si衬底的表面向内凹陷形成Si纳米柱阵列，并在Si纳米柱阵列之间的凹槽底部沉积形成抑制层；S3、采用分子束外延法在Si纳米柱阵列上依次叠层生长AlN缓冲层、第一GaN纳米柱、Al_1‑xGa_xN量子点结构、以及第二GaN纳米柱和/或Al_1‑zGa_zN纳米柱；其中，0＜x＜1，0＜z＜1。根据本发明的可控外延生长方法一方面利用Si纳米柱阵列实现了Al_1‑xGa_xN量子点结构的选择性生长，增强对Si基量子点结构尺寸与分布的调控能力，另一方面以第一GaN纳米柱作为支撑，也可有利于释放外延应力，提高晶体质量。

技术领域

本发明属于Al_1-xGa_xN量子点制作技术领域，具体来讲，涉及一种有序Si 基Al_1-xGa_xN量子点的可控外延生长方法。

背景技术

氮化镓(Gallium nitride,GaN)材料具有带隙宽、热导率高、物理化学性质稳定和抗辐射能力强等优点。GaN材料体系中Al_1-xGa_xN(俗称铝镓氮)材料的带隙连续可调，其波长可覆盖200nm～365nm的紫外波段，是目前制备紫外发光器件的理想材料，可广泛应用于杀菌消毒和保密通讯等领域，有望成为超百亿的应用市场；但是目前Al_1-xGa_xN紫外发光器件仍未占据主要市场，原因在于其光提取效率(Light extraction efficiency,LEE)与内量子效率(Internal quantum efficiency,IQE)低，难以达到应用的要求。同时，相比于其他衬底，制备大尺寸单晶Si衬底的成本最低，可以大大降低制备成本，同时Si衬底更有利于实现 LED芯片与集成电路的直接集成；然而Si与GaN的晶格失配与热失配系数较大，所以在Si衬底上获得高质量的Al_1-xGa_xN材料成为更大的挑战，是目前亟待解决的难题。

量子点(Quantum dot,QD)在三个维度受限，可看成是零维结构，尺寸通常在几纳米或几十纳米。Al_1-xGa_xN量子点能够有效限制所俘获的载流子，明显增强量子限制效应，同时可缓解因晶格失配和热失配产生的应力问题，减小缺陷密度，提高晶体质量，从而有效地提高内量子效率。另外，Al_1-xGa_xN量子点结构拥有独特的光学特性，有助于提高紫外光的透射率，从而提高紫外器件的光提取效率。常见的半导体量子点的生长方法是自组装SK(Stranski-Krastanow) 法，该方法简便易行，但是对量子点的可控性较差，难以对量子点阵列结构进行有效地调控。然而，分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)的精确度可以达到原子层量级。近年来，为了增强对量子点结构的可控性，部分科研人员开始尝试采用MBE基于纳米柱制备量子点的新方法。

在Si衬底上生长低维GaN结构时往往需要先生长一层AlN缓冲层，用于提高GaN纳米柱的晶体质量，但是该缓冲层也能降低用于可控生长的外延限制层的选择性，难以在特定的区域抑制GaN纳米柱的生长；其主要原因在于在MBE外延生长过程中，AlN缓冲层是整片生长(包括生长与抑制区域)，破坏了抑制区域的抑制效果。因此，在Si衬底表面进行Al_1-xGa_xN量子点的MBE可控生长(如选择性生长)目前仍然是一大科学难题。