全文摘要
本实用新型属于半导体材料技术领域，具体为一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，该结构可避免应力释放形成高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离，增强有源区内载流子隧穿，增加电子与空穴空间交叠，并改变载流子密度分布，有效提高辐射复合效率，改善现有黄绿光LED发光效率较低的问题，增强探测器与太阳能电池光生载流子分离能力。
主设计要求
1.一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，包括：衬底，半极性氮化镓薄膜模板，以及二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层；所述半极性氮化镓薄膜模板采用非对称岛斜面生长方法获得；所述二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层的结构包括：铟镓氮层InxGa1-xN，铟镓氮层厚0.2nm～2.0nm，其中0＆lt;x＆lt;1；作为铟镓氮保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚0.2nm～1.0nm；氮化镓垒层，氮化镓垒层厚0.5nm～15.0nm。
设计方案
1.一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，包括：
衬底，
半极性氮化镓薄膜模板，
以及二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层；
所述半极性氮化镓薄膜模板采用非对称岛斜面生长方法获得；
所述二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层的结构包括：
铟镓氮层Inx<\/sub>Ga1-x<\/sub>N，铟镓氮层厚0.2nm～2.0nm，其中0<x<1；
作为铟镓氮保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚0.2nm～1.0nm；
氮化镓垒层，氮化镓垒层厚0.5nm～15.0nm。
2.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，半极性氮化镓薄膜模板的结构包括：
氮化镓成核层；
高温氮化镓岛；
高温氮化镓薄膜。
3.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还包括用于保护铟镓氮的氮化镓薄层。
4.一种如权利要求3所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，所述高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构用于制备半极性发光二极管、激光器、光电探测器、太阳能电池。
5.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，所述二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层位于p氮化镓层和n氮化镓层之间。
6.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构位于二维超薄铟镓氮\/氮化镓上下两侧的p氮化镓波导层和n氮化镓波导层之间。
7.一种如权利要求1所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还位于二维超薄铟镓氮\/氮化镓上下两侧的p铝镓氮限制层和n铝镓氮限制层之间。
8.一种如权利要求7所述的高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，其特征在于，铝镓氮限制层还为铝镓氮\/氮化镓分布式布拉格反射镜。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于半导体材料技术领域，具体涉及半极性氮化镓与半极性二维超薄铟镓氮\/氮化镓(InGaN\/GaN)有源层或InGaN\/GaN超晶格或量子阱外延片。
背景技术
III族氮化物材料作为直接带隙半导体，以其可调能带(6.2-0.7eV)、高击穿电场和高电子迁移率、强热\/化学稳定性高等优点受到广泛的关注与运用。目前被广泛用于制备紫外到红光波段的光电二极管(LED)与激光器(LD)、太阳能电池、探测器、大功率或高频的高电子迁移率晶体管，在照明显示、光通信、农业、医疗、能源、微电子、集成电路等领域有重要的应用。
用于制备长波段光电器件、太阳能电池与探测器的c面高铟组分的InGaN\/GaN量子阱材料面临：铟掺入效率低、铟团聚、相分离、高密度穿透缺陷、强的极化场、载流子分离等问题，因此需要运用新技术来解决或改善以上问题，从而进一步提高现有器件的工作效率与降低能耗。目前，二维超薄层材料由于其良好的载流子与光子传输限制引起大量的研究与运用。其中，二维超薄InGaN\/GaN有源层易于载流子的隧穿，从而有利于光生载流子的传输与分离，并改变有源区载流子密度分布。而且二维超薄InGaN\/GaN有源层结构利于生长低应力的有源层，从而可以消除传统量子阱应力释放形成的高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离。同时，二维超薄InGaN\/GaN有源层的低应力可以有效降低极化场，从而消除部分量子斯塔克效应。由于这些优点，我们可以基于InGaN\/GaN二维超薄层结构来构建高性能的LED、LD、光电探测器、太阳能电池。此外，大量研究表明半极性GaN材料具有低的极化场、高的铟掺入效率与大的生长窗口等优点，可用于制备长波段发光器件，改善器件性能。并通过控制InGaN层厚度、In组分来调控二维超薄InGaN\/GaN有源层能带结构，从而覆盖近紫外到黄绿光波段的发光与吸收。因此基于半极性GaN材料上获得的二维超薄InGaN\/GaN有源层可用于构建高效且覆盖近紫外到黄绿光波段的LED、LD、光电探测器与太阳能电池。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种高质量的半极性二维超薄InGaN\/GaN有源层并用于制备高效的近紫外到黄绿光波段的发光二极管与激光器。超薄层可以增强有源区内的电子空穴隧穿，从而改便有源区载流子密度分布与提高光生载流子分离能力。较薄且连续排列的有源区也会增加电子空穴的空间交叠，有效提高辐射复合效率。而且二维超薄InGaN\/GaN结构有利于生长低应力的有源层，从而可以消除应力释放形成的高密度穿透缺陷、铟团聚、相分离。可用于改善现有黄绿光LED发光效率较低的问题，增强探测器与太阳能电池光生载流子分离能力。
为实现上述目的，本实用新型提供一种高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构，包括：
衬底，
半极性氮化镓薄膜模板，
以及二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层。
优选的，所述半极性氮化镓薄膜模板采用非对称岛斜面生长方法。
优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还包括用于保护铟镓氮的氮化镓薄层。
优选的，所述二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层的结构包括：
铟镓氮层Inx<\/sub>Ga1-x<\/sub>N，铟镓氮层厚0.2nm～2.0nm，其中0<x<1；
作为铟镓氮保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚0.2nm～1.0nm；
氮化镓垒层，氮化镓垒层厚0.5nm～15.0nm。
优选的，所述高质量半极性铟镓氮二维超薄层结构用于制备半极性发光二极管、激光器、光电探测器、太阳能电池。
优选的，所述二维超薄铟镓氮\/氮化镓有源层位于p氮化镓层及n氮化镓层之间。
优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还位于二维超薄铟镓氮\/氮化镓上下两侧的p氮化镓波导层和n氮化镓波导层之间。
优选的，所述半极性铟镓氮二维超薄层结构还位于二维超薄铟镓氮\/氮化镓上下两侧的p铝镓氮限制层和n铝镓氮限制层之间。
优选的，铝镓氮限制层还可以为铝镓氮\/氮化镓分布式布拉格反射镜。
本实用新型可采用蓝宝石，硅，铝氮与碳化硅作为衬底。本实用新型通过非对称岛斜面生长方法技术来提高半极性GaN材料的晶体质量，降低穿透缺陷的密度；并通过控制二维InGaN层厚度与In组分来可获得近紫外到黄绿光发光波段的二维超薄InGaN\/GaN有源层。非对称岛斜面生长方法技术控制高温GaN岛阶段的生长条件，使得GaN岛表面形成富Ga表面，从而增强Ga极性面的生长速度，导致Ga极性岛斜面与N极性岛斜面的非对称性的生长，形成非传统的非对称性斜面结构的GaN岛。由于半极性GaN薄膜中的穿透缺陷主要产生于-c区域而+c区域几乎没有缺陷，使得在GaN岛生长阶段与合并成膜生长阶段的时候，GaN岛的+c区域，即(0001)生长方向，可以覆盖周围GaN岛的-c区域，即(000-1)生长方向，从而有效的阻断穿透缺陷(-c区域)传播至表面。通过非对称岛斜面生长方法生长出来的半极性GaN薄膜中的穿透缺陷被阻断在薄膜的底部，可有效降低穿透缺陷密度。
附图说明
图1为半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的外延结构。
图2为一种二维超薄InGaN基LED，光电探测器与太阳能电池外延片的外延结构。
图3为一种二维超薄InGaN基LD外延片的外延结构。
图4为实施例一中制备的GaN模板的X射线衍射图(XRD)，其X射线沿着[-1-123]方向入射。
图5为实施例一中制备的GaN模板的X射线衍射图(XRD)，其X射线沿着[1-100]方向入射。
图6为实施例一中制备的InGaN\/GaN量子阱外延片的截面透射电镜(TEM)图。
图7为图6中TEM图的高分辨TEM图。
图8为实施例一中制备的InGaN\/GaN量子阱外延片的阴极荧光发光(CL)谱图。
图9为实施例一中InGaN\/GaN超晶格外延片的扫描电镜(SEM)图。
图10为实施例一中InGaN\/GaN超晶格外延片的全光CL图。
图11为实施例一中InGaN\/GaN超晶格外延片的370nm单光CL图。
图12为实施例二中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的TEM图。
图13为图12中TEM图的高分辨TEM图。
图14为实施例二中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的CL谱图。
图15为实施例二中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的光致发光(PL)谱图。
图16为实施例二中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的SEM图。
图17为实施例二中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的全光CL图。
图18为实施例二中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的420nm单光CL图。
图19为实施例三中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的CL谱图。
图20为实施例三中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的PL谱图。
图21为实施例三中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的SEM图。
图22为实施例三中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的全光CL图。
图23为实施例三中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的420nm单光CL图。
图24为实施例四中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的TEM图。
图25为实施例四中半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的PL谱图。
图26为实施例四中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的SEM图。
图27为实施例四中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的全光CL图。
图28为实施例四中二维超薄InGaN\/GaN有源层外延片的375nm单光CL图。
具体实施方式
本实施例提供一种高质量半极性(11-22)InGaN二维超薄层结构，如图1所示，包括衬底、半极性氮化镓薄膜模板以及二维超薄InGaN\/GaN有源层。
非对称岛斜面生长方法(AISG)：AISG技术是通过控制高温GaN岛阶段的生长条件，使得GaN岛表面形成富Ga表面，从而增强Ga极性面的生长速度，导致Ga极性岛斜面与N极性岛斜面的非对称性的生长，形成非传统的非对称性斜面结构的GaN岛。由于半极性GaN薄膜中的穿透缺陷主要产生于-c区域而+c区域几乎没有缺陷，使得在GaN岛生长阶段与合并成膜生长阶段的时候，GaN岛的+c区域，即(0001)生长方向，可以覆盖周围GaN岛的-c区域，即(000-1)生长方向，从而有效的阻断穿透缺陷(-c区域)传播至表面。通过AISG生长出来的半极性GaN薄膜中的穿透缺陷被阻断在薄膜的底部，可有效降低穿透缺陷密度。
本实用新型制备的外延片可用于制备高效率的紫外、紫、蓝、绿、橙等发光LED，PD，solar cell与LD。其一种LED，光电探测器，太阳能电池外延结构如图2所示，在GaN模板上生长n-GaN层，InGaN\/GaN二维超薄有源层和p-GaN层，得到半极性InGaN基LED。其一种LD外延结构如图3所示，在GaN模板上生长n-GaN层，n-AlGaN限制层(或者n-AlGaN\/GaN分布式布拉格反射镜,n-AlGaN\/GaN DBR)，n-GaN波导层，InGaN\/GaN二维超薄层，p-GaN波导层，p-AlGaN限制层(或者p-AlGaN\/GaN DBR)，与p-GaN层，得到半极性InGaN基LD。
本实用新型的具体实施例如下：
实施例一
本实施例提供一种高质量半极性(11-22)InGaN\/GaN量子阱，包括：
(1)m面蓝宝石衬底；
(2)高质量半极性(11-22)GaN薄膜模板；
(3)三周期InGaN\/GaN量子阱。
高质量半极性(11-22)GaN薄膜模板包括：
a)GaN成核层；
b)高温GaN岛；
c)高温(11-22)GaN薄膜。
X射线分别沿着[-1-123]和[1-100]两个方向入射该GaN薄膜模板，得到的XRD图如图4和5所示，峰的半高宽分别为0.025°(90arcsec)和0.06°(216arcsec)。
三周期InGaN\/GaN量子阱包括：
厚度为～5.0nm的InGaN层；
厚度为～0.5nm的GaN保护薄层；
厚度为～10.0nm的GaN垒层。
三周期InGaN\/GaN量子阱TEM图如图6和7所示，量子阱界面陡峭，质量高，没有铟团聚、相分离问题。其CL谱图如图8所示，发光峰中心波长为550nm。InGaN\/GaN量子阱的具体发光情况如图9，10和11所示，其表面都呈现明显的发光，其中心波段发光也较强。
实施例二
本实施例提供一种高质量半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层，包括：
(1)m面蓝宝石衬底，如实施例一；
(2)高质量半极性(11-22)GaN薄膜模板，如实施例一；
(3)20周期二维超薄InGaN\/GaN有源层。
20周期二维超薄InGaN\/GaN有源层包括：
厚度为～1.0nm的GaN层；
厚度为～0.3nm的GaN保护薄层；
厚度为～2.0nm的GaN垒层。
降低InGaN和GaN层厚以获得较窄的量子阱提高跃迁能级，并且产生量子隧穿效应，以获得高效的紫光发光InGaN\/GaN二维超薄层。
其TEM图如图12和13所示，可以看到通过控制生长条件，可以获得界面陡峭，晶体质量高的20周期二维超薄InGaN\/GaN有源层，没有铟团聚、相分离问题。InGaN厚度为1nm，GaN厚度为2nm。其CL和PL谱图如图14和15所示，发光峰中心波长为420nm，CL发光峰的半高宽为25nm，PL发光峰的半高宽为32nm。InGaN\/GaN二维超薄层的具体发光情况如图16，17和18所示，其全光CL和单光CL图中的发光区域几乎出现在整个表面。
实施例三
本实施例提供一种高质量半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层，包括：
(1)m面蓝宝石衬底，如实施例一；
(2)高质量半极性(11-22)GaN薄膜模板，如实施例一；
(3)40周期二维超薄InGaN\/GaN有源层。
40周期二维超薄InGaN\/GaN有源层包括：
厚度为～0.7nm的InGaN层；
厚度为～0.2nm的InGaN保护薄层；
厚度为～1.5nm的GaN垒层。
降低InGaN和GaN层厚以获得较窄的量子阱提高跃迁能级，并且产生量子隧穿效应，以获得高效的紫光发光二维超薄InGaN\/GaN有源层。
其CL和PL谱图如图19和20所示，发光峰的中心波长为420nm，CL发光峰的半高宽为24nm，PL发光峰的半高宽为27nm，从PL图的插图可以观察到外延片发出较强的紫光。二维超薄InGaN\/GaN有源层的具体发光情况如图21，22和23所示，其全光CL和单光CL图中的发光区域几乎占据整个表面。
实施例四
本实施例提供一种高质量半极性(11-22)二维超薄InGaN\/GaN有源层，包括：
(1)m面蓝宝石衬底，如实施例一；
(2)高质量半极性(11-22)GaN薄膜模板，如实施例一；
(3)45周期二维超薄InGaN\/GaN有源层。
40周期二维超薄InGaN\/GaN有源层包括：
厚度为1.0nm的InGaN层；
厚度为～0.2nm的GaN保护薄层；
厚度为1.5nm的GaN垒层。
提高InGaN层生长温度降低二维超薄层的In组分，以获得发紫外光的二维超薄InGaN\/GaN有源层。
其TEM图如图24所示，可以看到45周期二维超薄InGaN\/GaN有源层。其PL谱图如图25所示，发光峰中心波长为375nm，PL发光峰的半高宽为11nm。二维超薄InGaN\/GaN有源层的具体发光情况如图26，27和28所示，其全光CL和单光CL图中的发光区域几乎占据整个表面。
以上内容是结合优选技术方案对本实用新型所做的进一步说明，所描述的实例是本实用新型的一部分实例，而不是全部实例。对于本实用新型所属技术领域的研究人员来说，在不脱离构思的前提下还可以做出简单推演和替换，在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实例，都属于本实用新型保护的范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920301296.9
申请日:2019-03-11
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:94(深圳)
授权编号:CN209747543U
授权时间:20191206
主分类号:H01L33/12
专利分类号:H01L33/12;H01L33/06;H01L33/32;H01L33/00;H01S5/343;H01L31/0304
范畴分类:38F;
申请人:深圳第三代半导体研究院
第一申请人:深圳第三代半导体研究院
申请人地址:518051 广东省深圳市南山区西丽大学城学苑大道1088号台州楼
发明人:方志来;吴征远;田朋飞;闫春辉;张国旗
第一发明人:方志来
当前权利人:深圳第三代半导体研究院
代理人:李明
代理机构:11226
代理机构编号:北京中知法苑知识产权代理事务所(普通合伙) 11226
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计