生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的制作方法

本实用新型涉及纳米阵列的多量子阱与生长领域，特别涉及生长在铝酸锶钽镧(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)衬底上的纳米柱多量子阱。

背景技术：

GaN及其相关的III族氮化物在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，已经被广泛地应用于制备发光二极管(LEDs)、激光二极管(LDs)和场效应晶体管等器件。近年来，GaN基纳米柱LED作为一种具有潜力的LED结构而备受关注，这是由于与平面结构LED相比，首先纳米柱LED具有高的面容比(面积/体积)，能够显著降低穿透位错密度；其次，纳米柱LED可大幅度提高LED的出光效率，实现光的耦合出射；最后可通过控制纳米柱LED的尺寸，改变纳米柱LED的发光波长，制备出单芯片多色发光的纳米柱LED，为实现低成本白光LED的制备开辟了新的道路。

目前科研工作者们生长的纳米柱LED主要是在蓝宝石衬底上获得的，蓝宝石与GaN的晶格失配和热失配高，导致GaN纳米柱中形成很高的位错密度，从而降低材料的载流子迁移率，最终影响了器件的性能。La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底与GaN的晶格失配和热失配分别仅为0.1％和3.6％，是外延GaN最佳衬底之一。但La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底高温下化学性质不稳定，因此要使La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底上纳米柱LED能够真正实现大规模应用，迫切需要寻找La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底上生长纳米柱LED的新方法及工艺。

另外，制备高质量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基纳米柱LED的基础。与GaN薄膜的生长机理有所区别，GaN基纳米柱的掺杂、多量子阱的生长都会受到纳米柱尺寸、间距等因素的影响，因此新型衬底上外延生长制备高质量InGaN/GaN纳米柱多量子阱势必是研究的难点与热点。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱，所选择的铝酸锶钽镧衬底材料成本低廉，所制备的纳米柱阵列尺寸可控，取向均一，所获得的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的缺陷密度低、电学和光学性能优良。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱，包括La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底，生长在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底上的AlN成核层，生长在AlN成核层上的GaN纳米柱模板，生长在纳米柱模板上的AlN/GaN超晶格层,生长在AlN/GaN超晶格层上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱。

所述GaN纳米柱模板是将生长在AlN成核层上的GaN缓冲层通过纳米压印技术和刻蚀制备而成的。所述GaN缓冲层的厚度为500～1000nm。所述缓冲层采用脉冲激光沉积(PLD)技术来实现低温下外延生长，能够有效缓解La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底高温下不稳定，与缓冲层之间发生严重界面反应的问题。

所述La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面。

所述GaN纳米柱模板的GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面。

所述GaN纳米柱模板通过采用TracePro软件优化纳米柱排布，采用纳米压印技术和刻蚀技术将GaN缓冲层制备而成，所获得的纳米柱阵列尺寸均匀，然后将所制备的纳米柱模板转移到金属有机化合物气相沉积反应腔(MOCVD)中通过选区生长进行纳米柱多量子阱的制备。

所述GaN纳米柱模板为GaN纳米柱阵列。所述GaN纳米柱模板的高度和GaN缓冲层相同。

所述AlN成核层的厚度为100～200nm；所述GaN纳米柱模板的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm。

所述AlN/GaN超晶格层为15～25个周期的AlN层/GaN层，总厚度为20～100nm，其中AlN层的厚度为1～2nm，GaN层的厚度为1～2nm。

所述InGaN/GaN纳米柱多量子阱为8～13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm。

所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱，还包括隔离层，所述隔离层沉积在GaN纳米柱模板的侧壁和未被GaN纳米柱模板的AlN成核层上。所述隔离层厚度为10～50nm。

所述隔离层的材料为SiN_x、SiO₂或者Al₂O₃。

所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800～900℃下空气氛围中对La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底进行退火处理3～5小时然后空冷至室温；

(3)AlN成核层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为450～550℃，在反应室的压力为5.0×10^-3～7.0×10^-3Torr、生长速度为0.2～0.3ML/s的条件下生长100～200nm厚的AlN成核层；

(4)GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度为650～850℃，在反应室的压力为5.0×10^-3～7.0×10^-3Torr、生长速度为0.4～0.6ML/s的条件下在AlN成核层上生长GaN缓冲层，缓冲层厚度为500～1000nm；

(5)GaN纳米柱模板的制备：采用TracePro软件优化纳米柱排布，采用纳米压印技术和干法刻蚀工艺对GaN缓冲层进行向下刻蚀，得到GaN纳米柱模板即GaN纳米柱阵列，纳米柱阵列的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm；

(6)隔离层的制备：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射技术在GaN纳米柱模板的侧壁和未被GaN纳米柱模板覆盖的AlN成核层沉积隔离层；所述隔离层的材料为SiN_x、SiO₂或者Al₂O₃，隔离层的厚度为10～50nm；

(7)AlN/GaN超晶格层的外延生长：在MOCVD中，反应室温度保持在720～780℃，反应室的压力为150～200Torr，在GaN纳米柱模板的顶部生长15～25个周期AlN/GaN超晶格层，其中AlN层厚度1～2nm，GaN层的厚度为1～2nm，总厚度为20～100nm；

(8)InGaN/GaN纳米柱多量子阱的外延生长：在MOCVD中，反应室温度保持在700～780℃，反应室的压力为150～200Torr，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(7)得到的AlN/GaN超晶格层上生长InGaN/GaN纳米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱为8～13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型使用La_0.3Sr_1.7AlTaO₆作为衬底，La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。

(2)本实用新型采用纳米压印技术获得高质量纳米柱模板，然后将纳米柱模板转移至MOCVD通过选区生长进行InGaN/GaN纳米柱多量子阱外延材料的制备；既降低了InGaN/GaN纳米柱多量子阱的生长难度，又消除了使用催化剂而引入杂质的不良影响。

(3)本实用新型充分利用了PLD和MOCVD的各自优势：首先使用PLD技术在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底上采用低温(450-550℃)先外延生长高质量缓冲层，成功抑制界面反应，为下一步制备高质量低缺陷的纳米柱阵列做好铺垫；随后转移至MOCVD中外延InGaN/GaN纳米柱多量子阱，充分发挥了MOCVD的优势，提高了生长速率和产能。

(4)本实用新型采用与GaN晶格失配和热失配度低的La_0.3Sr_1.7AlTaO₆(111)作为衬底，能够有效地减少热应力，减少位错的形成，在纳米柱阵列上制备出高质量InGaN/GaN材料，有利提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率。

附图说明

图1是实施例1的生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的制备过程示意图；

图2是本实用新型的生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的结构示意图；

图3是实施例1制备的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的光致发光(PL)图谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型的生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的结构示意图如图2所示，包括生长La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底，在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底10上的AlN成核层11，生长在AlN成核层上的GaN缓冲层，并经过纳米压印技术和刻蚀技术将GaN缓冲层刻蚀成GaN纳米柱模板层12即GaN纳米柱阵列，沉积在GaN纳米柱模板层12即GaN纳米柱阵列侧壁及未被纳米柱覆盖的AlN成核层上的隔离层13，生长在GaN纳米柱模板层12上(GaN纳米柱顶部)的AlN/GaN超晶格层14，生长在AlN/GaN超晶格层14上的InGaN/GaN量子阱15。

所述AlN成核层的厚度为100～200nm；所述GaN纳米柱模板的高度为500～1000nm，直径为100～200nm，相邻间距为150～250nm。

所述AlN/GaN超晶格层为15～25个周期的AlN层/GaN层，总厚度为20～100nm，其中AlN层的厚度为1～2nm，GaN层的厚度为1～2nm。

所述InGaN/GaN纳米柱多量子阱为8～13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3～5nm，GaN垒层的厚度为10～15nm。所述隔离层厚度为10～50nm。

实施例1

本实施例的生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在800℃下空气氛围中对La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底进行退火处理3小时然后空冷至室温；

所述衬底表面抛光，具体为：首先将La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理；

所述清洗，具体为：将La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底放入去离子水中室温下超声清洗3分钟，去除La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干；

(3)AlN成核层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为450℃，在反应室的压力为6.0×10^-3Torr、生长速度为0.6ML/s的条件下生长100nm厚AlN成核层；衬底转速为5Rad/s，靶基距为5cm，同时脉冲激光沉积(PLD)中激光波长为248nm，激光能量为220mJ，频率为10Hz，氮的等离子体流量为5sccm，靶材为纯度为99.99％的AlN，氮源为射频等离子发生器处理高纯氮气产生的氮等离子体；

(4)GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为650℃，在反应室的压力为6.0×10^-3Torr生长速度为0.6ML/s的条件下在AlN成核层上生长GaN缓冲层，缓冲层厚度为1000nm；衬底转速为5Rad/s，靶基距为5cm，同时脉冲激光沉积(PLD)中激光波长为248nm，激光能量为200mJ，频率为10Hz，氮的等离子体流量为5sccm，靶材为纯度为99.99％的GaN；

(5)纳米压印技术刻蚀纳米柱模板：利用纳米压印技术和干法刻蚀工艺对GaN缓冲层进行向下刻蚀，得到GaN纳米柱模板即GaN纳米柱阵列，高度为1000nm，直径为200nm，相邻间距为250nm；

(6)沉积隔离层：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射技术在GaN纳米柱模板的侧壁和未被纳米柱覆盖的AlN成核层上沉积隔离层，所述隔离层的材料为SiN_x，厚度为10nm；

(7)AlN/GaN超晶格层的外延生长：将制备好的GaN纳米柱阵列转移至MOCVD中，将反应室温度保持在750℃，在反应室的压力为180Torr条件下，在未被隔离层沉积的GaN纳米柱模板的顶部即纳米柱上生长20个周期AlN/GaN超晶格层，AlN层的厚度为1nm和GaN层的厚度为1nm，总厚度为40nm；铝源：150～300sccm、镓源：125～175sccm、氮源：25～35slm；

(8)InGaN/GaN纳米柱多量子阱的外延生长：反应室温度保持在750℃，在反应室的压力为150Torr条件下，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(7)得到的AlN/GaN超晶格层上生长InGaN/GaN纳米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱为8个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为3nm，GaN垒层的厚度为10nm；铟源：450～550sccm、镓源100～150sccm、氮源25～35slm。

本实施例中生长在铝酸锶钽镧衬底上的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的制备过程示意图如图1所示，具体包括：(1)PLD法在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底上生长AlN成核层上，在AlN成核层上生长高质量GaN缓冲层；(2)利用纳米压印技术和刻蚀技术将GaN缓冲层制备成GaN纳米柱模板(即纳米柱阵列)；(3)在GaN纳米柱模板的侧壁及未被纳米柱覆盖的AlN成核层上沉积隔离层；(4)随后将模板转移至MOCVD中进行选区生长AlN/GaN超晶格层，后在AlN/GaN超晶格层上得到InGaN/GaN纳米柱多量子阱。

本实施例制备出的InGaN/GaN纳米柱多量子阱的PL光谱如图3所示，测试表明量子阱的光致发光的峰位在462nm，半峰宽为22.0nm，表明该LED具有较好的光电性能，是制备高效LED器件的理想材料。

实施例2

本实施例的生长在铝酸锶钽镧衬底上的纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理，所述退火的具体过程为：将衬底放入退火室内，在850℃下空气氛围中对La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底进行退火处理5小时然后空冷至室温；

所述衬底表面抛光，具体为：

首先将La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

所述清洗，具体为：

将La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用干燥氮气吹干。

(3)AlN成核层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为550℃，在反应室的压力为6.0×10^-3Torr生长速度为0.2～0.3ML/s的条件下生长200nm厚AlN成核层；衬底转速为10Rad/s，靶基距为10cm，同时脉冲激光沉积(PLD)中激光波长为248nm，激光能量为250mJ，频率为30Hz，氮的等离子体流量为10sccm，靶材为纯度为99.99％的AlN，氮源为射频等离子发生器处理高纯氮气产生的氮等离子体；

(4)GaN缓冲层外延生长：采用PLD技术，衬底温度调为850℃，在反应室的压力为6.0×10^-3Torr、生长速度为0.5ML/s的条件下在AlN成核层上生长GaN缓冲层，缓冲层厚度为1000nm；衬底转速为10Rad/s，靶基距为10cm，同时脉冲激光沉积(PLD)中激光波长为248nm，激光能量为220mJ，频率为30Hz，氮的等离子体流量为10sccm，靶材为纯度为99.99％的GaN；

(5)纳米压印技术刻蚀纳米柱模板：利用纳米压印技术和干法刻蚀工艺对GaN缓冲层进行向下刻蚀，得到GaN纳米柱模板即GaN纳米柱阵列，高度为500nm，直径为100nm，相邻间距为150nm；

(6)沉积隔离层：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射技术在GaN纳米柱模板的侧壁和未被纳米柱覆盖的AlN成核层上沉积隔离层，所述隔离层的材料为SiO₂，厚度为50nm；

(7)AlN/GaN超晶格层的外延生长：将制备好的GaN纳米柱阵列转移至MOCVD中，将反应室温度保持在750℃，在反应室的压力为200Torr条件下，在未被隔离层沉积的GaN纳米柱模板的顶部即纳米柱上生长20个周期AlN/GaN超晶格层，AlN层的厚度为1nm和GaN层的厚度为1nm，总厚度为40nm；铝源：150～300sccm、镓源：125～175sccm、氮源：25～35slm；

(8)InGaN/GaN纳米柱多量子阱的外延生长：反应室温度保持在780℃，在反应室的压力为200Torr条件下，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤(7)得到的AlN/GaN超晶格层上生长InGaN/GaN纳米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱为13个周期的InGaN阱层/GaN垒层，其中InGaN阱层的厚度为5nm，GaN垒层的厚度为15nm；各源的流量为铟源450～550sccm、镓源100～150sccm、氮源25～35slm。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。