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二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，包括：衬底，在衬底上生长的半极性氮化镓薄膜，在半极性氮化镓薄膜上生长的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构。半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构可直接避开铟镓氮材料体系的铟氮与氮化镓混溶隙问题以及铟镓氮材料的相分离、组分涨落与铟掺入效率低等对于材料晶体质量与发光性能的影响；提高发光与光吸收效率，获得更高光电转换效率、更稳定、更高光效的紫光波段到红外光波段发光二极管、激光器、光电探测器与太阳能电池。
主设计要求
1.一种高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，包括：衬底；半极性氮化镓薄膜，其生长在衬底上；二维超薄铟氮镓氮叠层结构，其生长在半极性氮化镓薄膜上。
设计方案
1.一种高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，包括：
衬底；
半极性氮化镓薄膜，其生长在衬底上；
二维超薄铟氮镓氮叠层结构，其生长在半极性氮化镓薄膜上。
2.根据权利要求1所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构还包括用于保护铟氮层的氮化镓薄层。
3.根据权利要求1所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构包括：
铟氮层，厚度为0.15nm～2.0nm；
作为铟氮层保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚度为0.3nm～1.0nm；
氮化镓势垒层，氮化镓势垒层厚度为0.5nm～15.0nm。
4.根据权利要求3所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性超薄铟氮\/镓氮叠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.根据权利要求3所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基发光二极管，其半极性铟氮\/镓氮叠层结构周期为1～80周期，半极性铟氮\/镓氮叠层结构位于上下两侧的p氮化镓层和n氮化镓层之间。
6.根据权利要求3所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基激光器，其半极性铟氮\/镓氮叠层结构周期为1～80周期，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构位于上下两侧的p-氮化镓波导层和n氮化镓波导层之间。
7.根据权利要求3所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基光电探测器，其多周期半极性铟氮\/镓氮叠层结构厚度为100nm～300nm，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构位于上下两侧的p型铝镓氮限制层和n型铝镓氮限制层之间。
8.根据权利要求7所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基太阳能电池，其多周期半极性铟氮\/镓氮叠层结构厚度为150nm～400nm。
9.根据权利要求7所述的高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其特征在于，所述p型铝镓氮限制层为p型铝镓氮\/镓氮分布式布拉格反射镜；所述n型铝镓氮限制层为n型铝镓氮\/镓氮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，具体涉及层叠结构，超晶格或量子阱叠层结构外延片。
背景技术
由于高铟组分的In氮化镓材料面临：铟掺入效率低、铟团聚、相分离、高密度穿透缺陷、强的极化场等问题，因此需要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。铟氮\/镓氮叠层结构以其拥有的无组分涨落、无相分离等优点被广泛研究。铟氮\/镓氮叠层结构可直接通过控制铟氮和氮化镓层厚来精准控制发光波长。但由于铟氮与氮化镓间的晶格失配导致高质量结构制备的难度；同时多层结构中大的晶格失配、强应力场和极化场存在导致能带结构变化复杂，影响科研工作者对其特性进行深入的了解。
从原子层面设计铟氮\/镓氮叠层结构，铟氮\/镓氮叠层结构界面的共格生长，对实现高效光电器件、提高量子效率具有重要的意义。近年来，大量研究表明半极性氮化镓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。因此基于半极性氮化镓材料上获得的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构有潜力用于构建高效且覆盖紫光到红外波段的发光二极管、激光器、光电探测器与太阳能电池。通过控制铟氮、氮化镓层厚来调控二维超薄铟氮\/镓氮叠层的能带结构，从而覆盖紫光到红外波段的发光与吸收。叠层结构中应力导致的极化场很弱，使得该材料有很高效的发光与光吸收效率。但是铟氮与氮化镓的晶格失配问题导致铟氮\/镓氮结构有较大的应力，因此应变二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构制备是高质量铟氮\/镓氮叠层结构制备研究中的一个重要研究课题，目前半极性铟氮\/镓氮叠层结构的研究仅限理论研究成果。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种高质量的发光半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构。运用二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构可避免因铟组分涨落导致的相分离问题，与可控制铟氮和氮化镓层厚来精准控制发光波长的优点，来制备紫光到红外波段的高效发光二极管、激光器、光电探测器与太阳能电池。二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构具有高效的发光与光吸收效率、明显的载流子隧穿效应与电子空穴空间交叠，可用于制备超高效率的紫光到红外波段发光二极管、激光器、光电探测器与太阳能电池。通过调控优化铟氮镓氮的生长条件，我们获得高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，该外延片的发光性能表征发现发光强度很强。
为实现上述目的，本实用新型提供一种高质量半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，包括：
衬底；
半极性氮化镓薄膜，其生长在衬底上；
二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，其生长在半极性氮化镓薄膜上。
优选的，所述半极性二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构还包括用于保护铟氮层的氮化镓薄层。
优选的，所述二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构包括：
铟氮层，厚度为0.15nm～2.0nm；
作为铟氮层保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚度为0.3nm～1.0nm；
氮化镓势垒层，氮化镓势垒层厚度为0.5nm～15.0nm。
优选的，所述半极性超薄铟氮\/镓氮叠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，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基发光二极管，其半极性铟氮\/镓氮叠层结构周期为1～80周期，半极性铟氮 \/镓氮叠层结构位于上下两侧的p氮化镓层和n氮化镓层之间。
优选的，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基激光器，其半极性铟氮\/镓氮叠层结构周期为1～80周期，所述半极性铟氮 \/镓氮叠层结构位于上下两侧的p-氮化镓波导层和n氮化镓波导层之间。
优选的，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基光电探测器，其多周期半极性铟氮\/镓氮叠层结构厚度为100nm～300nm，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构位于上下两侧的p型铝镓氮限制层和n型铝镓氮限制层之间。
优选的，所述半极性铟氮\/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基太阳能电池，其多周期半极性铟氮\/镓氮叠层结构厚度为150nm～400nm。
优选的，所述p型铝镓氮限制层为p型铝镓氮\/镓氮分布式布拉格反射镜；所述n型铝镓氮限制层为n型铝镓氮\/镓氮分布式布拉格反射镜。
附图说明
图1为半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构外延片的外延结构。
图2为一种二维超薄铟氮\/镓氮叠层发光二极管，光电探测器与太阳能电池外延片的外延结构。
图3为一种二维超薄铟氮\/镓氮叠层激光器外延片的外延结构。
图4为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层的截面透射电镜 (TEM)图：图中显示20周期二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构。
图5为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层的截面TEM图：图中显示7周期二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构。和电子散射谱(EDS)
图6为实施例1中的铟(In)元素的电子散射谱(EDS)图，描绘出7周期铟氮\/氮化镓的铟元素分布。
图7为实施例1中的镓(Ga)元素的EDS图，描绘出7周期铟氮\/镓氮的镓元素分。
图8为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的阴极荧光发光(CL)谱图。
图9为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的光致发光 (PL)谱图。
图10为实施例1中二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的扫描电镜(SEM)图。
图11为实施例1中二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的全光阴极荧光发光 (CL)图。
图12为实施例1中二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的530nm单光阴极荧光发光(CL)图。
图13为实施例2中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层的截面TEM图。
图14为实施例2中TEM图的高分辨TEM图。
图15为实施例2中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的光致发光(PL)谱图。
图16为实施例3中半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层外延片的光致发光(PL)谱图。
具体实施方式
本实施例提供一种高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，如图 1所示，包括衬底、半极性氮化镓薄膜以及二维超薄铟氮\/镓氮层叠结构。
本实施例制备的外延片可用于制备高效率的可见光波段发光二极管，光电探测器，太阳能电池与激光器，其一种发光二极管，光电探测器与太阳能电池外延结构如图2所示，在氮化镓薄膜上生长n型氮化镓层，二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，与p型氮化镓层，得到半极性铟氮基发光二极管。其一种激光器外延结构如图3所示，在氮化镓薄膜上生长n型氮化镓层，n型铝镓氮限制层(或者n型铝镓氮\/镓氮分布式布拉格反射镜，n型铝镓氮\/氮化镓DBR)，n型氮化镓波导层，二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，p型氮化镓波导层，p型铝镓氮限制层 (或者p型铝镓氮\/镓氮DBR)，与p型氮化镓层，得到半极性铟氮基激光器。
具体实施方式如下：
实施例1：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，包括：
(1)衬底；
(2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
(3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长20周期的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构；
二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构如下：
厚度为～1nm的铟氮层；
厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
厚度为～3nm的氮化镓垒层。
其TEM图如图4，5，6和7所示，铟氮、氮化镓界面陡峭，质量高，没有铟团聚、相分离问题。从TEM-EDS图来看，通过该生长条件成功生长出高质量的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构。其CL和PL谱图如图8和9所示，发光峰中心波长为530nm，CL谱峰的半高宽为56nm，PL谱峰的半高宽为50nm，外延片呈现极强的绿光。20周期的二维超薄铟氮\/镓氮叠层的具体发光情况如图10，11 和12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2：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，包括：
(1)衬底；
(2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
(3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长30周期的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构；
二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构如下：
厚度为～0.6nm的铟氮层；
厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
厚度为～2.5nm的氮化镓垒层。
其TEM图如图13和14所示，铟氮、氮化镓界面陡峭，质量高，没有铟团聚问题。其PL谱图如图15所示，发光峰中心波长为450nm，发光峰的半高宽为35nm。对比实施例1的二维超薄铟氮\/氮化镓叠层结构发现，铟氮层减薄～0.3nm，发光峰位移动80nm。
实施例3：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构，包括：
(1)衬底；
(2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
(3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长30周期的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构；
二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构如下：
厚度为～0.4nm的铟氮层；
厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
厚度为～2.5nm的氮化镓垒层。
其PL谱图如图16所示，发光峰中心波长为425nm，发光峰的半高宽为 30nm。对比实施例2的二维超薄铟氮\/镓氮叠层结构发现，铟氮层减薄～0.2nm，发光峰位移动25nm。
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:CN201920308756.0
申请日:2019-03-12
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:94(深圳)
授权编号:CN209658136U
授权时间:20191119
主分类号:H01L 21/02
专利分类号:H01L21/02;H01L31/0304;H01L33/32;H01S5/343
范畴分类:38F;23E;
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
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类型名称:外观设计