技术领域
[0001] 本实用新型属于
半导体材料技术领域，具体涉及层叠结构，超晶格或
量子阱叠层结构
外延片。
背景技术
[0002] 由于高铟组分的In氮化镓材料面临：铟掺入效率低、铟团聚、相分离、高
密度穿透
缺陷、强的极化场等问题，因此需要新技术来解决或改善以上问题，从而进一步提高现有器件的工作效率与降低能耗。铟氮/镓氮叠层结构以其拥有的无组分涨落、无相分离等优点被广泛研究。铟氮/镓氮叠层结构可直接通过控制铟氮和氮化镓层厚来精准控制发光
波长。但由于铟氮与氮化镓间的晶格失配导致高质量结构制备的难度；同时多层结构中大的晶格失配、强应
力场和极化场存在导致能带结构变化复杂，影响科研工作者对其特性进行深入的了解。
[0003] 从
原子层面设计铟氮/镓氮叠层结构，铟氮/镓氮叠层结构界面的共格生长，对实现高效光电器件、提高
量子效率具有重要的意义。近年来，大量研究表明半极性氮化镓材料具有低的极化场、高的铟掺入效率与大的生长窗口等优点，可用于制备长波段发光器件，改善器件性能。因此基于半极性氮化镓材料上获得的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构有潜力用于构建高效且
覆盖紫光到红外波段的发光
二极管、
激光器、光电探测器与
太阳能电池。通过控制铟氮、氮化镓层厚来调控二维超薄铟氮/镓氮叠层的能带结构，从而覆盖紫光到红外波段的发光与吸收。叠层结构中
应力导致的极化场很弱，使得该材料有很高效的发光与光吸收效率。但是铟氮与氮化镓的晶格失配问题导致铟氮/镓氮结构有较大的应力，因此应变二维超薄铟氮/镓氮叠层结构制备是高质量铟氮/镓氮叠层结构制备研究中的一个重要研究课题，目前半极性铟氮/镓氮叠层结构的研究仅限理论研究成果。实用新型内容
[0004] 本实用新型旨在提供一种高质量的发光半极性二维超薄铟氮/镓氮叠层结构。运用二维超薄铟氮/镓氮叠层结构可避免因铟组分涨落导致的相分离问题，与可控制铟氮和氮化镓层厚来精准控制发光波长的优点，来制备紫光到红外波段的高效
发光二极管、激光器、光电探测器与
太阳能电池。二维超薄铟氮/镓氮叠层结构具有高效的发光与光吸收效率、明显的载流子隧穿效应与
电子空穴空间交叠，可用于制备超高效率的紫光到红外波段发光二极管、激光器、光电探测器与太阳能电池。通过调控优化铟氮镓氮的生长条件，我们获得高质量半极性二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，该外延片的发光性能表征发现发光强度很强。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型提供一种高质量半极性二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，包括：
[0006] 衬底；
[0008] 二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，其生长在半极性氮化镓薄膜上。
[0009] 优选的，所述半极性二维超薄铟氮/镓氮叠层结构还包括用于保护铟氮层的氮化镓薄层。
[0010] 优选的，所述二维超薄铟氮/镓氮叠层结构包括：
[0011] 铟氮层，厚度为0.15nm～2.0nm；
[0012] 作为铟氮层保护层的氮化镓薄层，氮化镓薄层厚度为0.3nm～1.0nm；
[0013] 氮化镓势垒层，氮化镓势垒层厚度为0.5nm～15.0nm。
[0014] 优选的，所述半极性超薄铟氮/镓氮叠层结构用于制备半极性发光二极管、激光器、光电探测器、太阳能电池。
[0015] 优选的，所述半极性铟氮/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基发光二极管，其半极性铟氮/镓氮叠层结构周期为1～80周期，半极性铟氮 /镓氮叠层结构位于上下两侧的p氮化镓层和n氮化镓层之间。
[0016] 优选的，所述半极性铟氮/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基激光器，其半极性铟氮/镓氮叠层结构周期为1～80周期，所述半极性铟氮 /镓氮叠层结构位于上下两侧的p-氮化镓
波导层和n氮化镓波导层之间。
[0017] 优选的，所述半极性铟氮/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基光电探测器，其多周期半极性铟氮/镓氮叠层结构厚度为100nm～300nm，所述半极性铟氮/镓氮叠层结构位于上下两侧的p型
铝镓氮限制层和n型铝镓氮限制层之间。
[0018] 优选的，所述半极性铟氮/镓氮叠层结构用于制备紫光到红外波段半极性氮化镓基太阳能电池，其多周期半极性铟氮/镓氮叠层结构厚度为150nm～400nm。
[0019] 优选的，所述p型铝镓氮限制层为p型铝镓氮/镓氮分布式布拉格反射镜；所述n型铝镓氮限制层为n型铝镓氮/镓氮分布式布拉格反射镜。
附图说明
[0020] 图1为半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层结构外延片的外延结构。
[0021] 图2为一种二维超薄铟氮/镓氮叠层发光二极管，光电探测器与太阳能电池外延片的外延结构。
[0022] 图3为一种二维超薄铟氮/镓氮叠层激光器外延片的外延结构。
[0023] 图4为
实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层的截面透射电镜 (TEM)图：图中显示20周期二维超薄铟氮/镓氮叠层结构。
[0024] 图5为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层的截面TEM图：图中显示7周期二维超薄铟氮/镓氮叠层结构。和电子散射谱(EDS)
[0025] 图6为实施例1中的铟(In)元素的电子散射谱(EDS)图，描绘出7周期铟氮/氮化镓的铟元素分布。
[0026] 图7为实施例1中的镓(Ga)元素的EDS图，描绘出7周期铟氮/镓氮的镓元素分。
[0027] 图8为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的
阴极荧光发光(CL)谱图。
[0028] 图9为实施例1中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的
光致发光 (PL)谱图。
[0029] 图10为实施例1中二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的扫描电镜(SEM)图。
[0030] 图11为实施例1中二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的全光阴极荧光发光 (CL)图。
[0031] 图12为实施例1中二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的530nm单光阴极荧光发光(CL)图。
[0032] 图13为实施例2中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层的截面TEM图。
[0033] 图14为实施例2中TEM图的高分辨TEM图。
[0034] 图15为实施例2中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的光致发光(PL)谱图。
[0035] 图16为实施例3中半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层外延片的光致发光(PL)谱图。
具体实施方式
[0036] 本实施例提供一种高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，如图 1所示，包括衬底、半极性氮化镓薄膜以及二维超薄铟氮/镓氮层叠结构。
[0037] 本实施例制备的外延片可用于制备高效率的可见光波段发光二极管，光电探测器，太阳能电池与激光器，其一种发光二极管，光电探测器与太阳能电池外延结构如图2所示，在氮化镓薄膜上生长n型氮化镓层，二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，与p型氮化镓层，得到半极性铟氮基发光二极管。其一种激光器外延结构如图3所示，在氮化镓薄膜上生长n型氮化镓层，n型铝镓氮限制层(或者n型铝镓氮/镓氮分布式布拉格反射镜，n型铝镓氮/氮化镓DBR)，n型氮化镓波导层，二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，p型氮化镓波导层，p型铝镓氮限制层 (或者p型铝镓氮/镓氮DBR)，与p型氮化镓层，得到半极性铟氮基激光器。
[0038] 具体实施方式如下：
[0039] 实施例1：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，包括：
[0040] (1)衬底；
[0041] (2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
[0042] (3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长20周期的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构；
[0043] 二维超薄铟氮/镓氮叠层结构如下：
[0044] 厚度为～1nm的铟氮层；
[0045] 厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
[0046] 厚度为～3nm的氮化镓垒层。
[0047] 其TEM图如图4，5，6和7所示，铟氮、氮化镓界面陡峭，质量高，没有铟团聚、相分离问题。从TEM-EDS图来看，通过该生长条件成功生长出高质量的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构。其CL和PL谱图如图8和9所示，发光峰中心波长为530nm，CL谱峰的半高宽为56nm，PL谱峰的半高宽为50nm，外延片呈现极强的绿光。20周期的二维超薄铟氮/镓氮叠层的具体发光情况如图10，11 和12所示，其表面都呈现明显的发光，其中心波段发光也较强。
[0048] 实施例2：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，包括：
[0049] (1)衬底；
[0050] (2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
[0051] (3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长30周期的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构；
[0052] 二维超薄铟氮/镓氮叠层结构如下：
[0053] 厚度为～0.6nm的铟氮层；
[0054] 厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
[0055] 厚度为～2.5nm的氮化镓垒层。
[0056] 其TEM图如图13和14所示，铟氮、氮化镓界面陡峭，质量高，没有铟团聚问题。其PL谱图如图15所示，发光峰中心波长为450nm，发光峰的半高宽为35nm。对比实施例1的二维超薄铟氮/氮化镓叠层结构发现，铟氮层减薄～0.3nm，发光峰位移动80nm。
[0057] 实施例3：高质量半极性{11-22}二维超薄铟氮/镓氮叠层结构，包括：
[0058] (1)衬底；
[0059] (2)在衬底上生长半极性{11-22}氮化镓薄膜；
[0060] (3)在制备的半极性{11-22}氮化镓薄膜上生长30周期的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构；
[0061] 二维超薄铟氮/镓氮叠层结构如下：
[0062] 厚度为～0.4nm的铟氮层；
[0063] 厚度为～0.4nm的氮化镓保护薄层；
[0064] 厚度为～2.5nm的氮化镓垒层。
[0065] 其PL谱图如图16所示，发光峰中心波长为425nm，发光峰的半高宽为 30nm。对比实施例2的二维超薄铟氮/镓氮叠层结构发现，铟氮层减薄～0.2nm，发光峰位移动25nm。
[0066] 以上内容是结合优选技术方案对本实用新型所做的进一步说明，所描述的实例是本实用新型的一部分实例，而不是全部实例。对于本实用新型所属技术领域的研究人员来说，在不脱离构思的前提下还可以做出简单推演和替换，在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实例，都属于本实用新型保护的范围。
