基于InGaN表面的两步冷却法生长均匀铟量子点：一种新型MOCVD方法

摘要

开发了一种新型金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，直接在InGaN外延层表面生长铟量子点（In QDs）。通过两步冷却协议，In QDs以高度均匀的尺寸形成。详细分析揭示：量子点源于冷却循环低温阶段表面富铟层与氢气的反应。点密度紧随表面铟层特性，为表征这一原本难以捉摸的表面区域提供了直接探针。

引言

氮化铟镓（InGaN）凭借高吸收、宽光谱可调性和抗辐射硬度，成为高效发光二极管（LED）和激光二极管（LD）的基石[1-5]。然而，制备高质量InGaN仍具挑战。InN与GaN的晶格失配产生固相错溶间隙[6,7]，InN较高的蒸气压抑制铟掺入[8]，且形成焓差异导致生长中显著的铟表面偏析[9]。InGaN层沉积过程中，因拉拔效应不可避免形成富铟表面层，可能污染后续多量子阱（MQW）结构[10]。克服这些障碍对提升InGaN基光电器件性能至关重要。在优化单层InGaN生长参数时，我们发现两步冷却而非传统单步冷却，能持续在表面产生均匀尺寸的In QDs。这一观察引发了对其潜在机制及对表面层表征意义的系统研究。

实验

样品在氮气氛围下，利用AIXTRON 6×2英寸紧密耦合淋浴头MOCVD反应器，在c面蓝宝石上生长。三甲基镓（TMGa）、三甲基铟（TMIn）和氨（NH₃）分别作为Ga、In、N前驱体。单层InGaN（<60 nm厚，<15% In）沉积在2 µm非刻意掺杂GaN缓冲层上，后者位于25 nm GaN种子层（图1）之上。GaN生长用氢气作载气以改善晶体质量，InGaN层则用氮气防止铟腐蚀[11,12]。常规冷却为在氮气中直接降至室温（“单步冷却”）。新颖的“两步冷却”先在氮气中降至400 °C，再在氢气中降至室温。结构与形貌表征采用高分辨X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）。样品结构示意图见图1。

基于InGaN表面的两步冷却法生长均匀铟量子点：一种新型MOCVD方法 — 单层InGaN生长在蓝宝石上的GaN模板结构示意图。

结果与讨论

AFM图像显示，两步冷却样品与单步冷却样品表面形貌截然不同（图2a,b）。两者均呈现InGaN特征性的阶梯流二维生长和螺旋位错相关的三维岛，但两步冷却表面额外出现大量均匀尺寸量子点（平均100×100 nm，高~20 nm，密度~1.6×10⁸ cm⁻²）。关键变量是低温阶段使用氢气；故点形成与氢气对表面铟层的相互作用有关。为隔离冷却气体影响，我们对同条件生长的GaN施加相同两步冷却。AFM显示GaN无量子点（图3a），确认现象特异于InGaN。当In含量降至1%时，点密度骤降（图3b），表明与表面铟浓度直接相关。XRD扫描进一步区分了点的成分。两步冷却样品额外出现2θ=32.8°峰，单步冷却样品无此峰。该峰与已知铟液滴衍射峰吻合[16,17]，确认量子点富铟。SEM和EDS映射（图5）佐证点富铟，而周围Ga和N分布均匀。一个有趣现象：在800 °C退火InGaN表面60 s可去除富铟层，随后两步冷却不再产生点（图6），确立了点源于富铟表面层而非体相InGaN晶格。我们提出：氢气在低温（<400 °C）下作为腐蚀剂，将表面氮化铟转化为金属铟和氨（3H₂ + 2InN → 2In + 2NH₃）。不同于高温生长中释放的铟扩散离去，低热能阻止脱附，使铟原子聚结成液滴。进一步实验改变In含量（7.65%–9.6%）和层厚（~13 nm vs. 41 nm）显示，点密度随两参数增加而升高（图7）。此趋势与理论预测一致：表面铟浓度随体相InGaN组分和厚度升高而上升[21]，强化了表面起源假说。