Ⅲ族氮化物量子点的MOCVD外延生长研究

摘要

InGaN量子点与GaN量子点对于提高可见光与紫外区域的发光器件(包含发光二极管和激光二极管)的效率和性能具有重要意义,同时也是制备量子计算单元、探测器和单光子源的重要材料。InGaN量子点是制备高效率太阳能电池的优质材料结构。
　　本论文利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法,探索了InGaN/GaN与GaN/AlN量子点单层结构的生长工艺,以实现对量子点尺寸、形状、分布均匀性和密度的控制。主要研究内容如下:
　　首先使用HT-AlN/LT-AlN结构作为缓冲层,制备了高晶体质量的GaN模板,以及利用PALE方法生长了低表面粗糙度、低缺陷密度的AlN模板。
　　其次研究了InGaN薄膜表面形貌的演变。InGaN薄膜上出现了类似花瓣形状的团簇,这可能是产生于应力的积累与变化。同时研究了温度、MO源流量等生长参数对表面形貌的影响,发现温度与TMIn流量发挥关键作用。
　　然后研究了InGaN量子点的生长。首先在700°C下,生长出低密度InGaN量子点,密度约4×108cm-2,平均直径76nm,平均高度8.5nm;然后在600°C下生长出高密度InGaN量子点,密度约1.6×1010cm-2,平均直径42nm,平均高度4.2nm。更进一步研究了生长温度,NH3流量,TMIn流量,退火(环境、时间、温度),对量子点生长的影响。并发现生长中断方法是调控量子点尺寸和密度的一种有效方式。
　　最后研究了GaN量子点的生长,使用液滴外延方法,即Ga液滴氮化转变成GaN量子点。Ga液滴出现两种尺寸大小分布,Ga液滴的密度约6.3×1010cm-2,直径范围是18-39nm,高度范围是2-12nm。还研究了高温退火对GaN量子点的影响,发现高温退火后,GaN量子点的尺寸和密度都降低了。最后在GaN量子点上生长一层AlGaN覆盖层。

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1 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究意义

1.3 III族氮化物量子点的研究进展

1.4 研究内容与本文结构

2 量子点的生长模式与表征方法

2.1 量子点的生长模式

2.2 金属有机化学气相沉积（MOCVD）

2.3 表征方法

2.4 本章小结

3 GaN与AlN外延模板的制备

3.1 外延衬底的选择

3.2 MOCVD设备与生长条件的介绍

3.3 GaN与AlN外延模板的制备方法

3.4 GaN外延模板的生长

3.5 AlN外延模板的生长

3.6 本章小结

4 InGaN薄膜MOCVD生长的表面形貌演变

4.1 概述

4.3 InGaN量子点的验证

4.4 本章小结

5 InGaN量子点的MOCVD生长研究

5.1 低密度InGaN量子点的生长

5.2 高密度InGaN量子点的生长

5.3 各种生长参数对InGaN量子点生长的影响

6 GaN量子点的MOCVD生长研究

6.1 Ga液滴的形成

6.2 GaN量子点的生长

6.3 退火对GaN量子点的影响

6.4 AlGaN覆盖层的生长

6.5 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献