[發(fā)明專利]一種制備高密度氮化鎵量子點(diǎn)有源層結(jié)構(gòu)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110360361.3
• 申請(qǐng)日: 2011-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN102420277A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉斌;張榮;李燁操;謝自力;方賀男;莊喆;陳鵬;修向前;趙紅;陳敦軍;顧書林;韓平;鄭有炓;托馬斯·科奇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L33/06
• 分類號(hào): H01L33/06;H01S5/343
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 陳建和

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于氮化鎵(GaN)基化合物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)中有源層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備方法，尤其是涉及有源層中高密度尺寸分布均一的氮化鎵量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)和銦鎵氮-氮化鎵量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于納米科學(xué)和半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氮化鎵(GaN)及其合金銦鎵氮(InGaN)和鋁鎵氮(AlGaN)是制備短波長(zhǎng)藍(lán)紫光發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)光電子器件的首選材料。LED和LD作為新型全固態(tài)半導(dǎo)體照明光源的核心發(fā)光元件，較之傳統(tǒng)照明技術(shù)具有能耗低、壽命長(zhǎng)、體積小、綠色環(huán)保、使用安全、可在各種惡劣環(huán)境下工作，是繼白熾燈、熒光燈之后的新一代照明光源。

常規(guī)的GaN基LED和LD器件中的有源層結(jié)構(gòu)采用InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，在小注入條件下，電子-空穴對(duì)在量子阱結(jié)構(gòu)中有較高的復(fù)合效率，但是隨著注入電流的增大，由于極化效應(yīng)、俄歇復(fù)合、缺陷復(fù)合等多種物理因素，導(dǎo)致LED器件的效率大幅下降，稱為Droop效應(yīng)。盡管，研究者采用多種方法來消除或減小Droop效應(yīng)，包括采用AlGaN或者鋁銦氮(AlInN)勢(shì)壘阻擋層，非極性面量子阱結(jié)構(gòu)、GaN襯底同質(zhì)外延等方法來消除GaN基LED在大注入情況下的Droop效應(yīng)。盡管采用了以上技術(shù)來提高大注入條件下LED的發(fā)光效率，但是效果不甚理想，在GaN基LED器件中依然觀察到顯著的Droop效率。為了進(jìn)一步提高LED和LD的效率及降低LD的閾值電流密度，在器件結(jié)構(gòu)有源層生長(zhǎng)零維的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)是一種行之有效的方法。量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)在X、Y、Z三個(gè)方向上都達(dá)到納米尺寸，具有更強(qiáng)的量子限制效應(yīng)，其表現(xiàn)形式為量子能級(jí)間距增大，態(tài)密度提高，促使器件發(fā)光波長(zhǎng)“藍(lán)移”，發(fā)光效率提高。由于量子點(diǎn)表面效應(yīng)顯著，體內(nèi)可做到無位錯(cuò)，極化效應(yīng)影響小，有望克服LED在大注入條件下的Droop效應(yīng)。傳統(tǒng)地，GaN基光電子器件中有源層中量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)可利用GaN與InGaN之間的晶格失配引起的應(yīng)變誘導(dǎo)的Stranski-Krastanow(S-K)模式生長(zhǎng)獲得。這種生長(zhǎng)模式獲得的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)有源層已成功用于GaAs基激光器。由于，III族氮化物半導(dǎo)體之間的晶格失配很大，S-K生長(zhǎng)模式得到的GaN或InGaN量子點(diǎn)尺寸比較大(＞50nm)，使得量子點(diǎn)的面密度無法提高。其次，量子點(diǎn)尺寸分布均一性較差，這樣導(dǎo)致量子點(diǎn)的態(tài)密度能量統(tǒng)計(jì)分布偏離，不利于提高LED和LD的效率及降低LD的閾值電流密度。從目前已公開的MOCVD生長(zhǎng)GaN或InGaN量子點(diǎn)的方法來看，或采用InGaN合金的S-K生長(zhǎng)模式法或利用倒六棱椎形腐蝕坑生長(zhǎng)量子點(diǎn)(參見中國(guó)專利：CN200410009267.3、CN200810150272.4]，尚無采用嵌段共聚物納米光刻技術(shù)來制備高密度的高度有序的氮化鎵量子點(diǎn)有源層結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明利用一種低成本的嵌段共聚物納米光刻技術(shù)在GaN模板上制備納米柱點(diǎn)陣圖形，采用工業(yè)用MOCVD二次外延生長(zhǎng)GaN超薄層，通過生長(zhǎng)控制獲得面密度高達(dá)6～8×10¹⁰cm^-2的GaN或GaN/InGaN/GaN量子點(diǎn)，極適合用于制作高效率LED和LD光電子器件中有源層結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是：為了提高GaN基發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)的效率并減輕大注入條件下Droop效應(yīng)，提供了一種采用嵌段共聚物光刻(diblock?copolymer?lithography)技術(shù)在GaN模板上制備高密度納米柱點(diǎn)陣圖形的方法，利用MOCVD二次外延生長(zhǎng)出面密度高達(dá)6～8×10¹⁰cm^-2的GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并給出了MOCVD外延條件的核心生長(zhǎng)參數(shù)(生長(zhǎng)時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)、氣源V/III比等)。通過本發(fā)明運(yùn)用至設(shè)計(jì)GaN、GaN/InGaN/GaN量子點(diǎn)有源層集成于器件中，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的LED和低閾值的LD。

一種嵌段共聚物納米光刻技術(shù)制備高密度氮化鎵量子點(diǎn)有源層結(jié)構(gòu)的方法，以嵌段共聚物光刻制作出納米柱點(diǎn)陣圖形的GaN模板，在所述GaN模板上利用MOCVD二次外延生長(zhǎng)超薄的GaN層，通過生長(zhǎng)參數(shù)控制獲得高密度尺寸分布均一的GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。