MOCVD两步法生长GaN量子点

高技术通讯高技术通讯 gaojixugaojixu tongxuntongxun 19981998 年年 第第 8 8 卷卷 第第 6 6 期期 Vol 8Vol 8 No 6No 6 科技期刊科技期刊 MOCVD 两步生长法制备 GaN 量子点 1998 年 1 月 22 日收到 陈陈 鹏鹏 沈沈 波波 王王 牧牧 周玉刚周玉刚 陈志忠陈志忠 臧臧 岚岚 刘小勇刘小勇 黄振春黄振春 郑有郑有 闵乃本闵乃本 南京大学物理系固体微结构实验室 南京 210093 杭杭 寅寅 中国科学院安徽光学精密机械研究所 合肥 230031 摘摘 要要 报道了用金属有机化学气相沉积 MOCVD 方法在蓝宝石衬底上成功地制备出 GaN 量子点 采用了 500 低温沉积和 1050 高温退火的两步制备法制备出密度为 5 108cm 2 6 109cm 2 直径约 40nm 的 GaN 量子点 GaN 量子点的密度和大小由原子力显微镜 AFM 观察测得 并由制备温度和 时间所控制 观察到 GaN 量子点仅在高温退火后生成 这可解释为由于低温沉积 最初的沉积层 中的应变能得不到释放而成为具有较高能量的中间亚稳态相 高温退火使得应变能得到释放 生 成 GaN 量子点 关键词关键词 GaN 量子点 金属有机化学气相沉积 中间亚稳态相 一 引一 引 言言 最近 国际上几个研究小组分别报道了 GaN 的量子点或其纳米结构 1 2 这表明该领域渐 渐引起了人们的兴趣 量子线或量子点等低维结构带来的许多新的物理现象是量子器件研制的基 础 现在 以 GaN 为主的宽禁带 III V 氮化物半导体的应用取得了突破性进展 日亚公司已成功 地制备出 GaN 基发光二极管和激光二极管 LED LD 3 4 低维结构在器件应用中有着非常重要 的作用 器件有源部分采用低维结构可大幅度改善器件的性能 根据 Stranski Krastanow S K 生长模型 5 如果在衬底与外延层之间存在晶格失配 则 外延层最初是二维层状生长 随着外延层增厚 为降低外延层中的应变能而转变为三维岛状生长 实际上 在 III V 族化合物 8 8 或 Ge Si 9 10 体系中制备量子点都是基于 S K 生长模型 制 备 III V 族化合物量子点通常要求量子点生长在很短的时间内 典型时间是 3 10 秒 显然 在 短时间内生长对控制量子点的密度和尺度是不利的 我们在金属有机化学气相沉积 MOCVD 系统中在蓝宝石衬底上成功地制备了 GaN 量子点 采 用 500 低温沉积和 1050 高温退火的两步制备法 GaN 量子点经数分钟的高温退火后生成 这 种方法使得 GaN 量子点的生成更易控制 其密度和大小由原子力显微镜 AFM 观察测得 二 实验与结果二 实验与结果 众所周知 一个系统可以通过一系列的中间态到达最终的平衡态 13 这在 Ge Si 外延系统 中已经得到体现 10 如果直接形成终态需要克服较大的势垒 则系统趋于经历一系列的中间态 来到达最终的平衡态 每一中间态都具有较小的形成能 我们采用 500 低温沉积和 1050 高温 退火的两步制备法制备出 GaN 量子点 即利用中间态 用低温沉积 使最初的沉积层中的应变能 得不到释放而成为具有较高能量的中间亚稳态 再经数分钟的高温退火生成 GaN 量子点 我们在水平 MOCVD 石英反应室中 在蓝宝石 0001 衬底上生长 GaN 量子点 生长前 衬底先 在热浓硫酸和浓磷酸 3 1 的混合液中清洗 6 分钟 然后放入反应室进行预处理 分别在氢气和 氨气气氛下 1100 退火 15 分种和 4 分种 采用两步制备法 第一步 在 500 下沉积一 GaN 薄 层 时间约 2 3 分钟 第二步 GaN 薄层在氨气和氢气混合气氛下的 1050 退火 5 分种以形成 GaN 量子点 制备过程中 三甲基镓 TMG 流量为 20umol min 氨气流量为 1sl min 氢气流量为 0 6sl min 反应室压力保持在 76torr 所有样品用原子力显微镜 AFM Nanoscope IIIa Digital 公司 观察 图 1 Al2O3衬底上在 500 下沉积 2min 的 GaN 薄层的 AFM 照片 样品未经过退火 a 平面图 b 俯视图 经第一步制备生长的 GaN 薄层样品 其表面的 AFM 照片如图 1 a 所示 样品生长温度 500 时间 2 分钟 样品表在非常平整 起伏度小于 0 5nm 从图 1 b 可以更清楚地观察到样品表面的 微岛结构 并注意到微岛的排列方向相交 120 或 60 考虑到衬底的晶向 可认为这是 GaN 薄 层按衬底的晶向沉积的结果 样品经过 1050 高温退火后 用 AFM 观察到的 GaN 量子点的生成如 图 2 所示 由此可清楚地看到直径 40nm 高度 6nm 的量子点结构 密度为 5 108cm 2 这说明 GaN 量子点仅在高温退火后生成 与以往报道的量子点制备过程是完全不同的 GaN 量子点的密度和大小可通过改变沉积和退火的时间和温度来控制 延长沉积时间 等价于 增加 GaN 沉积层的厚度 可增加其密度 改变沉积温度和退火温度可控制其大小 当在 550 下沉 积 3 分钟并在 1050 下退火 5 分钟后 样品的 GaN 量子点的密度变为 5 109cm 2 高度变为 10nm 与直接沉积制备 GaN 或其他 III V 族化合物量子点 1 6 相比 我们的方法将可控时间从 数秒延长到数分钟 从而更加有利于控制量子点的密度和大小 众所周知 存在有三种异质外延生长模型 1 Frank Van der Merwe FVdM 模型 12 描述 为平面层状生长 2D 2 Volmer Weber VW 模型 13 描述为三维岛状生长 3D 以及 3 SK 模型 描述为平面层状生长加三维岛状生长 在一个给定的系统中 界面自由能和晶格失配决定着哪一 种生长模式将会发生 如果 2 12 1 岛状生长将会发生 2是外延层表面能 12是界面 能 1是衬底表面能 图 2 Al2O3衬底上 GaN 量子点 AFM 照片样品经过 1050 5 分钟退火 图 3 Al2O3衬底上 GaN 低温沉积层 AFM 照片样品经过 1050 1 5 分钟退火 考虑到在 GaN 和 Al2O3之间 14 的晶格失配 GaN 应变层的临界厚度是非常小的 在我们 的实验中 20nm 的低温沉积层厚度已经大于临界厚度 然而 图 1 所示的低温沉积层表面形貌是 一非常平的平面 这说明低温沉积层的异质生长始终是二维生长 层中积累的应变能没有按 SK 模型那样得到释放 所以低温沉积层是生产过程中的一个非平衡中间态 这个非平衡中间态的产 生是由于 GaN 沉积时温度较低 原子和微岛的迁移因无足够的热动能而被阻止 当温度升到 1000 以上并充分退火后 低温沉积层中的原子和微岛具有了足够的热动能进行迁移 因而聚集 成较大的岛 量子点 从而释放应变能 系统达到最终的平衡态 实验中 GaN 低温沉积层被退 火 但尚未充分退火前的过渡状态可被观察到 如图 3 所示 其中量子点和微岛都清晰可见 三 结束语三 结束语 我们用两步制备法在金属有机化学气相沉积系统中在蓝宝石衬底上成功地制备了 GaN 量子点 由原子力显微镜观察测得量子点密度为 5 108cm 2 6 109cm 2 直径 40nm GaN 量子点的密度 和大小可通过改变两步制备过程中的温度和时间来控制 我们观察到 GaN 量子点仅在高温退火后 生成 这可解释为由于低温沉积 最初的沉积层中的应变能得不到释放 成为具有较高能量的中 间亚稳态 高温退火使得应变能得到释放 生成 GaN 量子点 参考文献 参考文献 1 Tanaka S Iwai S Aoyagi Y Appl Phys Lett 1996 69 4096 2 Goodwin T J Leppert V J Smith O A et al Appl Phys Lett 1996 69 3230 3 Nakamura S Senoh M Nagahara S et al Jpn J Appl Phys 1996 1 135 L74 4 Nakamura S Senoh M Nagahara S et al Appl Phys Lett 1996 68 2105 5 Stranski I N Krastanow V L Akad Wiss Lit Mainz Math Naturewiss Karl August Forster Lect 1939 146 797 6 Oshinowo J Nishioka M Ishida S et al Appl Phys Lett 1994 65 1421 7 Leonard D Kishnamurthy M Reaves C M et al Appl Phys Lett 1993 63 3203 8 Sopanen M Lipsanen H Ahopelto J Appl Phys Lett 1995 67 3768 9 Eagiesham D J Cerullo M Phys Rev Lett 1990 64 1943 10 Mo Y W Savage D E Swartzentruber B S et al Phys Rev Lett 1990 65 1020 11 Verhoeven D Fundamentals of Physical Metallurgy Wily New York 1975 377 Christian J W The Theory of Transformations in Metals Pergamon New York 1965 12 People R Bean J C Lang D V et al Appl Phys Lett 1983 54 1892 13 Peassall T P Temkin H Feidman J C et al Phys Rev Lett 1987 58 729 The Fabrication of GaN Quantum Dots Using Metalorganic Chemical Vapor Deposition received Jan 22 1998 Chen Peng Shen Bo Wang Mu Zhou Yugang Chen Zhizhong Zang Lan Liu Xiaoyong Huang Zhenchun Zheng Youdou Min Naiben National Solid Microstructure Lab Department of Physics Nanjing University Nanjing 210093 Hang Yin Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics Chinese Academy of Sciences Hefei 230031 Abstract GaN quantum dots have been successfuly fabricated on sapphire using metalorganic chemical vapor deposition MOCVD by two step method including deposition at 500 and annealing at 1050 The density of GaN dots is from 5 108cm 2 to 6 109cm 2 and the size is around 40nm in diameter The density and the size of GaN dots are determined using an atomic force microscope AFM and they are controllable by changing the temperature and the duration of the depositing and the annealing GaN dots are formed only after annealling at high temperature The phenomenon