InGaN量子点

1 综述

1.1 InGaN材料特性

铟镓氮（InGaN）材料是第三代半导体材料，它主要应用于光电器件以及高温、高频和大功率器件。氮化铟（InN）的禁带宽度为0.7eV，氮化镓（GaN）的禁带宽度为3.4eV，这就意味着通过调节In x Ga1-x N三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV到3.4eV连续可调，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN材料成为了研究的热点。

除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN与常规的Si、Ge、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高1个到2个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境；第四，InGaN特别适合制作多结串联太阳电池，由于调节In组分可连续改变In x Ga1-x N的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In 组分就可生长成多结In x Ga1-x N太阳电池结构，比目前用不同的半导体材料制备多结太阳电池更为方便。此外，InGaN材料还有较高的热稳定性，无毒，抗化学腐蚀性强，不容易被化学液腐蚀，这些对光电器件的制作也是很有利的。

虽然InGaN材料有这么多的优点，但是目前制备高质量InGaN薄膜，尤其是高In组分的InGaN薄膜还很困难，因而限制了InGaN材料的应用，主要原因如下：[1]首先，材料的外延过程中，缺少与InGaN材料晶格匹配的衬底。通常我们是用与InGaN 晶格常数最为接近的GaN薄膜作为衬底。但是，随着In组分的变大，InGaN与GaN之间的晶格失配变大，而InN与GaN之间的晶格失配度高达11%。当在GaN衬底上异质外延生长InGaN时，晶格失配导致产生较大的失配位错和高密度缺陷，甚至导致表面不平整。对于In组分越高的InGaN外延材料，这种趋势越明显。

其次，InN 的平衡蒸汽压非常高，使得InN的分解温度较低，因此，高In组分的InGaN 必须在低温下生长，一般用MOCVD生长InGaN的温度大概在650-800℃之间。通常较低的生长温度会抑制表面原子的迁移，从而很难生长出平整的高质量的InGaN薄膜。

再次，InN与GaN的互溶隙比较大，造成InGaN中容易产生相分离现象，产生相分离后，使得实际的InGaN材料是包含两种或者多种不同In组分的InGaN材料的混合物，导致InGaN材料的带隙连续可控和生长非常困难。

最后，由于氮空位或其他缺陷的影响，InGaN薄膜的本底载流子浓度高达1017~1018cm-3。因此很难获得高质量的高空穴浓度的低电阻的P型层。

1.2量子点

1.2.1量子点的定义

量子点，又称纳米颗粒，是指颗粒尺寸在1-1000nm之间的超微粒子，是由103-105个原子结合起来的“人造原子”。量子点作为零维纳米材料，其电子运动在三个维度上都受到尺寸的限制，三个方向上的电子态都是量子化的，表现出比一维量子线、二维量子阱更强的量子限域效应。

1.2.2量子点的基本特性

量子点所具有的特殊属性，主要源于它特殊的几何尺寸。我们知道当体系的尺寸与物理特征量相比拟时，量子效应会十分显著，量子力学原理将起重要作用，电子在量子点中的运动规律将出现经典物理难以解释的新现象。量子点作为一个微型实验室展现了丰富的意想不到的特性：量子尺寸效应、量子隧穿效应、量子干涉效应、库仑阻塞效应、介电受限效应、非线性光学效应等等。

（1）量子尺寸效应。量子尺寸效应所描述的是，当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸时，如当量子点的尺寸与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程或体相激子的波尔半径相当时，其中的电子、空穴和激子等载流子的运动受到强量子封闭性的限制，导致其能量的增加。与此相应，电子结构也将从体材料的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级，并且由于能量的增加，使原来的能隙增加，即吸收光光谱峰和发光光谱峰向短波方向移动。也就是说半导体量子点的能隙相对于体材料有较大的蓝移，并随着尺寸的减小，蓝移量变大，量子点的发光强度也就进一步增加。

（2）小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移。

（3）量子隧穿效应。当势垒层较薄时，电子可以以隧穿的方式通过这个势垒而形成隧道电流，这就是量子隧穿效应。在量子点结构中也存在明显的量子隧穿效应。由于强烈的三维量子限制作用，使得电子能级都是量子化的，而且每个能级上都可以积累一定数目的电子。如果相邻两个量子点之间的距离很小，以至于能够使得量子隧穿过程发生，那么在外加电场的作用下，电子就可以在相邻的两个量子点能级之间进行跃迁。

（4）库仑阻塞效应。由于纳米级的量子点的电容C仅为10-18F量级，其中增加或减少一点电子的电量e时电势能的变化e2/C（称为库仑能）可到几十meV，这个能量常大于热运动的能量K B T和电子的量子化能量。这意味着当一个电子隧穿进入量子点后，它会阻止下一个电子进入量子点。也就是说电子不能通过量子点集体传输，而是单电子的传输。这就是库仑阻塞效应。

（5）介电受限效应。通常情况下，半导体量子点是镶嵌在其它介电常数相对较小的基体材料（如玻璃、半导体材料和有机聚合物）中的。当半导体材料从体相减小到可以产生量子尺寸效应以后，由于量子点材料和基体材料的介电性质不同引起量子点电子结构变

化，因而量子点中的电子、空穴和激子等载流子受到影响，这种效应称为介电受限效应。其中量子点的尺寸是晶格常数的几倍时，量子点的介电性质与其相应的体材料的介电性质差别很大。介电受限效应既可以使激子的吸收峰蓝移，也可以使激子的吸收峰红移，并且使激子的束缚能变大。量子点的介电常数随其尺寸的减小而减小，这种效应称为量子点介电常数的尺寸效应。

（6）量子限制斯塔克效应。众所周知，材料中的正、负电荷中心不重合的现象称为极化现象，极化现象导致材料在宏观的平衡状态下总的极化电荷不为零，材料表现出极性；极化又分为自发极化和压电极化。极化会产生内建电场，对于半导体体材料来说，内建电场或外电场都会使带间跃迁能量减小(光谱红移)和电子-空穴对的分离(激子跃迁峰的电场

淬灭)。对于量子阱，一个垂直方向上的电场仍旧会导致带间跃迁能量的减小，但由于量子限制效应，电场导致的电子和空穴波函数的改变没有体材料中的大，所以带间跃迁能量的减小相对较小，电子-空穴对需要在很强的电场下才会分离，称为量子限制斯塔克效应。一般来说，量子限制斯塔克效应作用越强，光谱红移就越大，激子就越难淬灭。理论计算表明，对于三维限制的量子点来说，同样存在这种作用。

2 InGaN量子点的制备方法

目前InGaN量子点材料常用制备方法主要有两种：一是选择区域外延生长，即先通过掩膜、刻蚀，然后再选择性生长；另一类是自组装生长，即先二维生长，再转变为三维量子点生长。

2.1选择区域外延生长

在早期的研究中,人们多数采用选择区域外延的方式制备InGaN量子点材料。由于这种工艺一般会采用干式或湿式蚀刻工艺，在衬底表面上先制备出掩模图形，或采用强激光束或电子束直接辐照生长表面。因此，不可避免地会对衬底表面或外延膜材料造成工艺损伤，以致引入更多的晶格缺陷。这些缺陷会成为载流子俘获陷阱及非辐射复合发光中心。同时，由于所制备得到的InGaN量子点阵列的密度小、尺寸大，难以获得预期的量子限制效应。选择区域外延生长比较有代表性的研究工作有：