[发明专利]一种三族氮化物量子点结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可精确控制尺寸、密度的三族氮化物量子点的制备技术，属于光电子材料和器件的制备领域。

背景技术

三族氮化物作为一种广泛应用的半导体材料，目前仍然受到量子效率低、晶格质量差等问题的困扰。低维体系材料，包括量子点、纳米线等结构，由于其优越的量子限制效应，一直都受到广泛关注。

目前制备三族氮化物量子点的技术，主要包括两个方面：(1)人工镶嵌式：通过掩磨、刻蚀等手段制作图形，然后进行选择性生长；(2)自组装式生长，即通过改变生长参数，生长得到量子点结构，或通过硅、三甲基铟等表面活化剂，使得表面应力不均匀，实现二维至三维的生长模式转换，制备量子点。

目前所拥有的人工镶嵌式的制备技术优点在于密度、尺寸等参数可控，但掩磨、刻蚀等手段对外延片有所损伤，不容易制备高质量的量子点；自组装方式在量子点的晶体质量上优于第一种方法，但可控性差于人工镶嵌方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、效率高并且可以方便精确控制量子点尺寸、密度的方法。

本发明的技术方案如下：

一种制备三族氮化物量子点结构的制备方法，其步骤包括：

(1)在衬底上生长三族氮化物模板层。

所述衬底为：可以实现GaN、InN、AlN及其合金材料等生长的材料，如蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN衬底、Si衬底、LiAlO₂衬底等。

所述模板层，包括利用MOCVD、HVPE、MBE等手段生长的GaN、AlN、InN等三族氮化物外延层。可为GaN、AlN等单层结构，也可以为InGaN/GaN、AlGaN/GaN等多层结构。厚度可在100纳米-10毫米之间，所生长的模板层厚度、组分、生长条件是随着需要量子点的组分、厚度、密度、图形以及生长设备而变化。如：生长InGaN量子点结构，可采用MOCVD生长2微米厚度GaN模板材料，生长过程可包括低温GaN缓冲层：生长温度450-600度，压力100-450Torr，厚度10-200nm；然后生长一层高温GaN层：生长温度900-1200度，压力100Torr-450Torr，厚度2微米。

(2)在上述三族氮化物模板层上铺设碳纳米管，具体步骤为：

在(1)中已生长的GaN、InN、AlN等其他三族氮化物模板上设置碳纳米管阵列，即依据铺设碳纳米管的性质，通过沉积一层催化剂层，通入碳源反应气体，利用加热或者激光照射等办法生长，或者其他方法形成碳纳米管。

碳纳米管排列的结构和尺寸，可以根据量子点的具体尺寸、密度以及三族氮化物模板晶向等的需要来确定。首先对不同的模板材料，根据晶向以及晶体生长模式，确定不同的纳米碳管的排列方式，碳纳米管可以为单壁、多壁，也可以铺设单层或多层碳纳米管，碳纳米管的直径为1-100纳米，碳纳米管可以有序排列，也可以无规则排列，规则排列中，可形成矩形、六角形、正方形、平行四边形等任意平面几何形状的分布，也可以是金字塔形、六角柱，四面体等立体三维分布，重复周期2纳米-500纳米，整体尺度可以根据需要，在从1微米到6英寸或者更大的尺寸。其次，对于不同的尺寸、密度、高度量子点，需要不同周期、不同尺寸的碳纳米管阵列排列方式。

(3)在碳纳米管阵列上再采用MOCVD、MBE等生长手段，生长GaN、AlN、InN及其合金的量子点外延层，形成量子点结构。

量子点外延层的厚度在1-10纳米，具体生长条件依据不同的生长技术、生长的量子点材料、结构而定，例如：生长InGaN量子点结构，MBE生长温度为380-450℃；MOCVD生长温度为600-800℃，压力为100-450Torr。

进一步再采用MBE、MOCVD等生长手段，生长GaN、AlGaN等外延层作为量子垒层，该层具有限制载流子的作用。量子垒层的厚度在4-90纳米，具体厚度根据碳纳米管阵列与量子点层构成的复合量子点层等的参数需要设计。其中MBE的生长GaN、AlGaN，温度为700-900℃；MOCVD生长GaN温度为850-1100℃，生长AlGaN温度为1000-1200℃，压力为100-450Torr。

所述量子点结构与碳纳米管阵列形成的量子点层和量子垒层构成复合量子点层，重复多个复合量子点层，所述复合量子点层的周期为5-50纳米，包括1-100个周期，每个周期内包括1-10纳米GaN、InN、AlN等其他三族氮化物材料的量子点与碳纳米管阵列形成的量子点层、4-90纳米的GaN、InN、AlN等其他三族氮化物材料量子垒区。

本发明的技术优点和效果：