[发明专利]一种铟镓氮量子点及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种铟镓氮量子点及其制备方法与应用。该制备方法包括：利用MOCVD法在外延衬底上形成InGaN薄膜；循环重复步骤a、步骤b或者循环重复步骤b、步骤a，得到InGaN量子点层；其中，步骤a为中断氮源和金属源；步骤b为通入氮源和/或金属源。本发明还提供了上述制备方法得到的铟镓氮量子点。本发明进一步提供了上述铟镓氮量子点在制备高调制速度发光二极管、长波长LED、激光器、mini‑LED、micro‑LED、蓝光LED、绿光LED、红光LED等中的应用。本发明提供的铟镓氮量子点生长密度高、尺寸小且均匀、发光波段宽、发光效率高、载流子寿命短，适用于高速发光光源的制备，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及一种铟镓氮量子点及其制备方法与应用，属于半导体材料与器件技术领域。

背景技术

自从高效率铟镓氮(InGaN)蓝光量子阱发光二极管(LED)被发明以来，在照明、显示领域获得了广泛应用。但是当前量子阱InGaN器件面临“绿光鸿沟”、“效率下降”、调制带宽过低等问题，限制了量子阱发光器件在红绿光等长波段以及可见光通信等领域的应用。InGaN量子点作为一种3维限制的纳米材料，由于独特的应力释放机制，具有更高的晶体质量，更小的应力，更短的载流子寿命，有望克服传统InGaN量子阱器件所面临的挑战，在高效率三基色LED、低阈值三基色激光器/超辐射发光二极管、高效三基色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、光生物医疗等领域有着重要的应用价值。

通常InGaN量子点生长方式采用Stranski-Krastanov(SK)模式生长，即直接在氮化镓(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很强浸润层发光峰，增大样品光谱半高全宽，恶化样品光谱特性。同时厚浸润层的存在会严重降低量子点的发光效率。为了降低浸润层厚度，促进量子点产生，已报道的一些文献通常采用生长中断法生长InGaN量子点，即先在GaN上向MOCVD(金属氧化物化学气相沉积)反应腔通入金属源(包括镓源和铟源)和氨气，生长一定厚度的InGaN薄膜，然后中断所有反应源一段时间。这一方法生长InGaN量子点，相对于直接SK方法中InGaN超过一定厚度后挤压形成量子点，所需生长的InGaN薄膜名义厚度更小，浸润层更薄，最终形成的量子点形貌更好，发光特性更好。但是这种方法产生的量子点通常密度在10⁷-10⁸/cm²，量子点密度较低，且量子点的尺寸分布均匀性较差。另外，这一方法一般只能用于生长绿光样品。且由于量子点密度较低，量子点尺寸较大，一般发光效率也较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种铟镓氮量子点及其制备方法与应用，采用该制备方法可以得到生长密度高、尺寸小且均匀、发光波段宽的铟镓氮量子点，该铟镓氮量子点发光效率高、载流子寿命短，适用于高速发光光源的制备。

为了达到上述目的，本发明提供了一种铟镓氮量子点的制备方法，该制备方法包括：利用MOCVD法在外延衬底上形成InGaN薄膜；循环重复步骤a、步骤b或者循环重复步骤b、步骤a，得到InGaN量子点层；其中，步骤a为中断氮源和金属源；步骤b为通入氮源和/或金属源。

在上述制备方法中，在制备InGaN量子点层时，中断反应源会使InGaN薄膜在应力作用和铟组分相分离可以热分解、迁移、重结晶，而恢复通入反应源会使调控InGaN分解迁移和重结晶的过程，通过“中断-通入”或“通入-中断”这一循环能够避免InGaN的过度分解和聚集的过程，从而提高量子点密度，改善分布均匀性，并降低量子尺寸。

在本发明的具体实施方案中，所述步骤a一般是指：中断氮源和金属源1秒至10秒。

在本发明的具体实施方案中，所述步骤b一般是指：通入氮源和/或金属源1秒至10秒。