本實(shí)用新型涉及納米陣列的多量子阱與生長(zhǎng)領(lǐng)域，特別涉及生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)襯底上的納米柱多量子阱。

背景技術(shù)：

GaN及其相關(guān)的III族氮化物在電學(xué)、光學(xué)以及聲學(xué)上具有極其優(yōu)異的性質(zhì)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于制備發(fā)光二極管(LEDs)、激光二極管(LDs)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件。近年來(lái)，GaN基納米柱LED作為一種具有潛力的LED結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注，這是由于與平面結(jié)構(gòu)LED相比，首先納米柱LED具有高的面容比(面積/體積)，能夠顯著降低穿透位錯(cuò)密度；其次，納米柱LED可大幅度提高LED的出光效率，實(shí)現(xiàn)光的耦合出射；最后可通過(guò)控制納米柱LED的尺寸，改變納米柱LED的發(fā)光波長(zhǎng)，制備出單芯片多色發(fā)光的納米柱LED，為實(shí)現(xiàn)低成本白光LED的制備開(kāi)辟了新的道路。

目前科研工作者們生長(zhǎng)的納米柱LED主要是在藍(lán)寶石襯底上獲得的，藍(lán)寶石與GaN的晶格失配和熱失配高，導(dǎo)致GaN納米柱中形成很高的位錯(cuò)密度，從而降低材料的載流子遷移率，最終影響了器件的性能。La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底與GaN的晶格失配和熱失配分別僅為0.1％和3.6％，是外延GaN最佳襯底之一。但La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底高溫下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，因此要使La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底上納米柱LED能夠真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，迫切需要尋找La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底上生長(zhǎng)納米柱LED的新方法及工藝。

另外，制備高質(zhì)量InGaN/GaN多量子阱是高效GaN基納米柱LED的基礎(chǔ)。與GaN薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理有所區(qū)別，GaN基納米柱的摻雜、多量子阱的生長(zhǎng)都會(huì)受到納米柱尺寸、間距等因素的影響，因此新型襯底上外延生長(zhǎng)制備高質(zhì)量InGaN/GaN納米柱多量子阱勢(shì)必是研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱，所選擇的鋁酸鍶鉭鑭襯底材料成本低廉，所制備的納米柱陣列尺寸可控，取向均一，所獲得的InGaN/GaN納米柱多量子阱的缺陷密度低、電學(xué)和光學(xué)性能優(yōu)良。

本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱，包括La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，生長(zhǎng)在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底上的AlN成核層，生長(zhǎng)在A(yíng)lN成核層上的GaN納米柱模板，生長(zhǎng)在納米柱模板上的AlN/GaN超晶格層,生長(zhǎng)在A(yíng)lN/GaN超晶格層上的InGaN/GaN納米柱多量子阱。

所述GaN納米柱模板是將生長(zhǎng)在A(yíng)lN成核層上的GaN緩沖層通過(guò)納米壓印技術(shù)和刻蝕制備而成的。所述GaN緩沖層的厚度為500～1000nm。所述緩沖層采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫下外延生長(zhǎng)，能夠有效緩解La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底高溫下不穩(wěn)定，與緩沖層之間發(fā)生嚴(yán)重界面反應(yīng)的問(wèn)題。

所述La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面。

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

所述GaN納米柱模板通過(guò)采用TracePro軟件優(yōu)化納米柱排布，采用納米壓印技術(shù)和刻蝕技術(shù)將GaN緩沖層制備而成，所獲得的納米柱陣列尺寸均勻，然后將所制備的納米柱模板轉(zhuǎn)移到金屬有機(jī)化合物氣相沉積反應(yīng)腔(MOCVD)中通過(guò)選區(qū)生長(zhǎng)進(jìn)行納米柱多量子阱的制備。

所述GaN納米柱模板為GaN納米柱陣列。所述GaN納米柱模板的高度和GaN緩沖層相同。

所述AlN成核層的厚度為100～200nm；所述GaN納米柱模板的高度為500～1000nm，直徑為100～200nm，相鄰間距為150～250nm。

所述AlN/GaN超晶格層為15～25個(gè)周期的AlN層/GaN層，總厚度為20～100nm，其中AlN層的厚度為1～2nm，GaN層的厚度為1～2nm。

所述InGaN/GaN納米柱多量子阱為8～13個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3～5nm，GaN壘層的厚度為10～15nm。

所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱，還包括隔離層，所述隔離層沉積在GaN納米柱模板的側(cè)壁和未被GaN納米柱模板的AlN成核層上。所述隔離層厚度為10～50nm。

所述隔離層的材料為SiN_x、SiO₂或者Al₂O₃。

所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理，所述退火的具體過(guò)程為：將襯底放入退火室內(nèi)，在800～900℃下空氣氛圍中對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理3～5小時(shí)然后空冷至室溫；

(3)AlN成核層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度調(diào)為450～550℃，在反應(yīng)室的壓力為5.0×10^-3～7.0×10^-3Torr、生長(zhǎng)速度為0.2～0.3ML/s的條件下生長(zhǎng)100～200nm厚的AlN成核層；

(4)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度為650～850℃，在反應(yīng)室的壓力為5.0×10^-3～7.0×10^-3Torr、生長(zhǎng)速度為0.4～0.6ML/s的條件下在A(yíng)lN成核層上生長(zhǎng)GaN緩沖層，緩沖層厚度為500～1000nm；

(5)GaN納米柱模板的制備：采用TracePro軟件優(yōu)化納米柱排布，采用納米壓印技術(shù)和干法刻蝕工藝對(duì)GaN緩沖層進(jìn)行向下刻蝕，得到GaN納米柱模板即GaN納米柱陣列，納米柱陣列的高度為500～1000nm，直徑為100～200nm，相鄰間距為150～250nm；

(6)隔離層的制備：利用化學(xué)氣相沉積、原子層沉積或磁控濺射技術(shù)在GaN納米柱模板的側(cè)壁和未被GaN納米柱模板覆蓋的AlN成核層沉積隔離層；所述隔離層的材料為SiN_x、SiO₂或者Al₂O₃，隔離層的厚度為10～50nm；

(7)AlN/GaN超晶格層的外延生長(zhǎng)：在MOCVD中，反應(yīng)室溫度保持在720～780℃，反應(yīng)室的壓力為150～200Torr，在GaN納米柱模板的頂部生長(zhǎng)15～25個(gè)周期A(yíng)lN/GaN超晶格層，其中AlN層厚度1～2nm，GaN層的厚度為1～2nm，總厚度為20～100nm；

(8)InGaN/GaN納米柱多量子阱的外延生長(zhǎng)：在MOCVD中，反應(yīng)室溫度保持在700～780℃，反應(yīng)室的壓力為150～200Torr，通入氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(7)得到的AlN/GaN超晶格層上生長(zhǎng)InGaN/GaN納米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱為8～13個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3～5nm，GaN壘層的厚度為10～15nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本實(shí)用新型使用La_0.3Sr_1.7AlTaO₆作為襯底，La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底容易獲得，價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。

(2)本實(shí)用新型采用納米壓印技術(shù)獲得高質(zhì)量納米柱模板，然后將納米柱模板轉(zhuǎn)移至MOCVD通過(guò)選區(qū)生長(zhǎng)進(jìn)行InGaN/GaN納米柱多量子阱外延材料的制備；既降低了InGaN/GaN納米柱多量子阱的生長(zhǎng)難度，又消除了使用催化劑而引入雜質(zhì)的不良影響。

(3)本實(shí)用新型充分利用了PLD和MOCVD的各自?xún)?yōu)勢(shì)：首先使用PLD技術(shù)在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底上采用低溫(450-550℃)先外延生長(zhǎng)高質(zhì)量緩沖層，成功抑制界面反應(yīng)，為下一步制備高質(zhì)量低缺陷的納米柱陣列做好鋪墊；隨后轉(zhuǎn)移至MOCVD中外延InGaN/GaN納米柱多量子阱，充分發(fā)揮了MOCVD的優(yōu)勢(shì)，提高了生長(zhǎng)速率和產(chǎn)能。

(4)本實(shí)用新型采用與GaN晶格失配和熱失配度低的La_0.3Sr_1.7AlTaO₆(111)作為襯底，能夠有效地減少熱應(yīng)力，減少位錯(cuò)的形成，在納米柱陣列上制備出高質(zhì)量InGaN/GaN材料，有利提高了載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽(yáng)能電池的發(fā)光效率。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的制備過(guò)程示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)施例1制備的InGaN/GaN納米柱多量子阱的光致發(fā)光(PL)圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

本實(shí)用新型的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括生長(zhǎng)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底10上的AlN成核層11，生長(zhǎng)在A(yíng)lN成核層上的GaN緩沖層，并經(jīng)過(guò)納米壓印技術(shù)和刻蝕技術(shù)將GaN緩沖層刻蝕成GaN納米柱模板層12即GaN納米柱陣列，沉積在GaN納米柱模板層12即GaN納米柱陣列側(cè)壁及未被納米柱覆蓋的AlN成核層上的隔離層13，生長(zhǎng)在GaN納米柱模板層12上(GaN納米柱頂部)的AlN/GaN超晶格層14，生長(zhǎng)在A(yíng)lN/GaN超晶格層14上的InGaN/GaN量子阱15。

所述AlN成核層的厚度為100～200nm；所述GaN納米柱模板的高度為500～1000nm，直徑為100～200nm，相鄰間距為150～250nm。

所述AlN/GaN超晶格層為15～25個(gè)周期的AlN層/GaN層，總厚度為20～100nm，其中AlN層的厚度為1～2nm，GaN層的厚度為1～2nm。

所述InGaN/GaN納米柱多量子阱為8～13個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3～5nm，GaN壘層的厚度為10～15nm。所述隔離層厚度為10～50nm。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理，所述退火的具體過(guò)程為：將襯底放入退火室內(nèi)，在800℃下空氣氛圍中對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理3小時(shí)然后空冷至室溫；

所述襯底表面拋光，具體為：首先將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀(guān)察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理；

所述清洗，具體為：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗3分鐘，去除La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過(guò)鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物，用干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

(3)AlN成核層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度調(diào)為450℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-3Torr、生長(zhǎng)速度為0.6ML/s的條件下生長(zhǎng)100nm厚AlN成核層；襯底轉(zhuǎn)速為5Rad/s，靶基距為5cm，同時(shí)脈沖激光沉積(PLD)中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為220mJ，頻率為10Hz，氮的等離子體流量為5sccm，靶材為純度為99.99％的AlN，氮源為射頻等離子發(fā)生器處理高純氮?dú)猱a(chǎn)生的氮等離子體；

(4)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度調(diào)為650℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-3Torr生長(zhǎng)速度為0.6ML/s的條件下在A(yíng)lN成核層上生長(zhǎng)GaN緩沖層，緩沖層厚度為1000nm；襯底轉(zhuǎn)速為5Rad/s，靶基距為5cm，同時(shí)脈沖激光沉積(PLD)中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為200mJ，頻率為10Hz，氮的等離子體流量為5sccm，靶材為純度為99.99％的GaN；

(5)納米壓印技術(shù)刻蝕納米柱模板：利用納米壓印技術(shù)和干法刻蝕工藝對(duì)GaN緩沖層進(jìn)行向下刻蝕，得到GaN納米柱模板即GaN納米柱陣列，高度為1000nm，直徑為200nm，相鄰間距為250nm；

(6)沉積隔離層：利用化學(xué)氣相沉積、原子層沉積或磁控濺射技術(shù)在GaN納米柱模板的側(cè)壁和未被納米柱覆蓋的AlN成核層上沉積隔離層，所述隔離層的材料為SiN_x，厚度為10nm；

(7)AlN/GaN超晶格層的外延生長(zhǎng)：將制備好的GaN納米柱陣列轉(zhuǎn)移至MOCVD中，將反應(yīng)室溫度保持在750℃，在反應(yīng)室的壓力為180Torr條件下，在未被隔離層沉積的GaN納米柱模板的頂部即納米柱上生長(zhǎng)20個(gè)周期A(yíng)lN/GaN超晶格層，AlN層的厚度為1nm和GaN層的厚度為1nm，總厚度為40nm；鋁源：150～300sccm、鎵源：125～175sccm、氮源：25～35slm；

(8)InGaN/GaN納米柱多量子阱的外延生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度保持在750℃，在反應(yīng)室的壓力為150Torr條件下，通入氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在步驟(7)得到的AlN/GaN超晶格層上生長(zhǎng)InGaN/GaN納米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱為8個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為3nm，GaN壘層的厚度為10nm；銦源：450～550sccm、鎵源100～150sccm、氮源25～35slm。

本實(shí)施例中生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的InGaN/GaN納米柱多量子阱的制備過(guò)程示意圖如圖1所示，具體包括：(1)PLD法在La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底上生長(zhǎng)AlN成核層上，在A(yíng)lN成核層上生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN緩沖層；(2)利用納米壓印技術(shù)和刻蝕技術(shù)將GaN緩沖層制備成GaN納米柱模板(即納米柱陣列)；(3)在GaN納米柱模板的側(cè)壁及未被納米柱覆蓋的AlN成核層上沉積隔離層；(4)隨后將模板轉(zhuǎn)移至MOCVD中進(jìn)行選區(qū)生長(zhǎng)AlN/GaN超晶格層，后在A(yíng)lN/GaN超晶格層上得到InGaN/GaN納米柱多量子阱。

本實(shí)施例制備出的InGaN/GaN納米柱多量子阱的PL光譜如圖3所示，測(cè)試表明量子阱的光致發(fā)光的峰位在462nm，半峰寬為22.0nm，表明該LED具有較好的光電性能，是制備高效LED器件的理想材料。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的納米柱LED的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的(111)面；

(2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理，所述退火的具體過(guò)程為：將襯底放入退火室內(nèi)，在850℃下空氣氛圍中對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理5小時(shí)然后空冷至室溫；

所述襯底表面拋光，具體為：

首先將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀(guān)察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理。

所述清洗，具體為：

將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5分鐘，去除La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過(guò)鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物，用干燥氮?dú)獯蹈伞?/p>

(3)AlN成核層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度調(diào)為550℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-3Torr生長(zhǎng)速度為0.2～0.3ML/s的條件下生長(zhǎng)200nm厚AlN成核層；襯底轉(zhuǎn)速為10Rad/s，靶基距為10cm，同時(shí)脈沖激光沉積(PLD)中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為250mJ，頻率為30Hz，氮的等離子體流量為10sccm，靶材為純度為99.99％的AlN，氮源為射頻等離子發(fā)生器處理高純氮?dú)猱a(chǎn)生的氮等離子體；

(4)GaN緩沖層外延生長(zhǎng)：采用PLD技術(shù)，襯底溫度調(diào)為850℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-3Torr、生長(zhǎng)速度為0.5ML/s的條件下在A(yíng)lN成核層上生長(zhǎng)GaN緩沖層，緩沖層厚度為1000nm；襯底轉(zhuǎn)速為10Rad/s，靶基距為10cm，同時(shí)脈沖激光沉積(PLD)中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為220mJ，頻率為30Hz，氮的等離子體流量為10sccm，靶材為純度為99.99％的GaN；

(5)納米壓印技術(shù)刻蝕納米柱模板：利用納米壓印技術(shù)和干法刻蝕工藝對(duì)GaN緩沖層進(jìn)行向下刻蝕，得到GaN納米柱模板即GaN納米柱陣列，高度為500nm，直徑為100nm，相鄰間距為150nm；

(6)沉積隔離層：利用化學(xué)氣相沉積、原子層沉積或磁控濺射技術(shù)在GaN納米柱模板的側(cè)壁和未被納米柱覆蓋的AlN成核層上沉積隔離層，所述隔離層的材料為SiO₂，厚度為50nm；

(7)AlN/GaN超晶格層的外延生長(zhǎng)：將制備好的GaN納米柱陣列轉(zhuǎn)移至MOCVD中，將反應(yīng)室溫度保持在750℃，在反應(yīng)室的壓力為200Torr條件下，在未被隔離層沉積的GaN納米柱模板的頂部即納米柱上生長(zhǎng)20個(gè)周期A(yíng)lN/GaN超晶格層，AlN層的厚度為1nm和GaN層的厚度為1nm，總厚度為40nm；鋁源：150～300sccm、鎵源：125～175sccm、氮源：25～35slm；

(8)InGaN/GaN納米柱多量子阱的外延生長(zhǎng)：反應(yīng)室溫度保持在780℃，在反應(yīng)室的壓力為200Torr條件下，通入氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆?，在步驟(7)得到的AlN/GaN超晶格層上生長(zhǎng)InGaN/GaN納米柱多量子阱，InGaN/GaN量子阱為13個(gè)周期的InGaN阱層/GaN壘層，其中InGaN阱層的厚度為5nm，GaN壘層的厚度為15nm；各源的流量為銦源450～550sccm、鎵源100～150sccm、氮源25～35slm。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。