CN101245491A - 在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，包含以下步骤：步骤1：取一衬底，表面清洗后，放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中；步骤2：使用金属有机物化学气相沉积方法，在衬底上生长纳米棒的ZnO层，以用来限制后续生长GaN的二维生长；步骤3：用去离子水冲洗所生长的纳米棒的ZnO层，以清除表面的污染；步骤4：在反应室中，采用金属有机物化学气相沉积方法，使用纯N2载气在冲洗后的纳米棒的ZnO层上生长GaN纳米晶层，纳米晶的尺寸取决于纳米棒的ZnO层的直径；步骤5：在反应室中，使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO层，完成无支撑的GaN纳米晶层的生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的外延生长方法，主要指在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法。
背景技术
GaN是一种重要的第三代半导体材料，GaN基光电器件在许多重要的领域有着广泛的应用前景，例如：白光照明工程，高密度光存储，宽带通讯等。目前，许多实验室已经研制了高性能的GaN基光电器件，然而，繁琐的工艺，高昂的成本和较低的成品率限制了这些光电器件在商业领域的推广和应用。衬底剥离工艺是研制大多数GaN基光电器件必不可少的中间环节，现在常用的剥离工艺是大功率激光剥离，这种工艺中存在以下三个缺点：
1)大功率激光器成本昂贵，而且易于损耗，这极大的增加了GaN基光电器件的成本；
2)大功率激光剥离不可避免的损伤了GaN的晶体学、光和电学特性，这极大的抑制了GaN基光电器件的光电性能和成品率；
3)额外的剥离工艺使GaN基光电器件更为繁琐。因此，更为简易有效的剥离工艺能促进GaN基光电器件的商业应用。
此外，低维纳米材料能通过控制纳米结构的尺度和形状，实现半导体材料的能带裁剪，从而获得独特的光学和电学性质。因此，半导体材料的纳米结构有着广泛的应用前景，极大的提高了光电器件的内量子效率，从而显著的改善器件的光电性能。但是由于GaN具有较强的二维生长特性，极易于形成膜状结构，而难于获得纳米结构。人们一般是通过昂贵的纳米加工工艺设备，通过掩膜、光刻制备纳米图形模板，从而限制GaN的二维生长，获得纳米结构的GaN。这种工艺尽管能极大的提高GaN器件的光电性能，但不可避免的使工艺更为复杂，增加了成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，特指一种使用纳米棒的ZnO作为模板，限制GaN的二维生长，从而获得纳米晶结构的GaN；然后通过使用N2+H2混合载气在高温下刻蚀ZnO，直接获得无支撑的GaN纳米晶的工艺。
本发明提供一种在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：取一衬底，表面清洗后，放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中；
步骤2：使用金属有机物化学气相沉积方法，在衬底上生长纳米棒的ZnO层，以用来限制后续生长GaN的二维生长；
步骤3：用去离子水冲洗所生长的纳米棒的ZnO层，以清除表面的污染；
步骤4：在反应室中，采用金属有机物化学气相沉积方法，使用纯N2载气在冲洗后的纳米棒的ZnO层上生长GaN纳米晶层，纳米晶的尺寸取决于纳米棒的ZnO层的直径；
步骤5：在反应室中，使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO层，完成无支撑的GaN纳米晶层的生长。
其中所述的衬底是C面蓝宝石衬底。
其中纳米棒的ZnO层是取向一致的纳米棒，生长方向是沿着ZnO层<0002>晶轴，并且ZnO层<0002>晶轴平行于蓝宝石<0002>晶轴。
其中使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO层是通过改变反应室的N2+H2混合载气的成分、温度和刻蚀时间，从而控制ZnO层的刻蚀程度，最终获得无支撑的GaN纳米晶层。
其中反应室的温度是600℃至1100℃，刻蚀时间是30分钟至1小时。
本发明与现有的技术相比，具有以下意义：
1、能获得GaN纳米晶。在通常条件下，GaN具有较强的二维生长，易形成薄膜结构，而难以形成纳米结构。但是，纳米棒的ZnO作为模板，限制了GaN的二维生长，从而获得GaN纳米晶；
2、在金属有机物沉淀的过程中，直接获得无支撑的GaN纳米晶，因此能省略成本高昂的大功率激光刻蚀工艺；
3、使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO具有较好的均匀性，对GaN薄膜的晶体质量的损伤较小，从而提高GaN基光电器件的成品率。
附图说明：
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例及附图对本发明做进一步的说明，其中：
图1-图3是在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的步骤的截面示意图，其中：
图1是使用金属有机物化学气相沉积在C面蓝宝石衬底上生长取向一致的纳米棒的ZnO 20。纳米棒的ZnO的生长方向是沿着ZnO<0002>晶轴，并且ZnO<0002>晶轴平行于蓝宝石<0002>晶轴。
图2是使用金属有机物化学气相沉积，纯N2作为载气，在纳米棒的ZnO 20上外延GaN纳米晶层30。其中，纳米棒的ZnO 20的直径控制着GaN纳米晶层30的尺寸。
图3是使用N2+H2混合载气下刻蚀纳米棒的ZnO 20，完成无支撑的GaN纳米晶层30的生长。
具体实施方式
步骤1：选用C面蓝宝石作为衬底10，经过表面清洗后，放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积方法，用二乙基锌和氧气作为反应物，在衬底10上生长ZnO层20。ZnO层20二维生长能力很弱，三维生长能力很强，非常易于形成纳米棒的ZnO层20，它的生长方向是沿着ZnO层<0002>晶轴，并且ZnO层<0002>晶轴平行于蓝宝石<0002>晶轴，见图1。通过调节反应室温度，反应物流量，生长时间等工艺参数，纳米棒的ZnO层20的直径和高度可以被精确的控制在十几个纳米到几个微米之间变化。这种纳米棒的ZnO层20可以用作天然的模板，来限制GaN的二维生长，从而获得GaN纳米晶，其中，纳米棒的ZnO层20的直径直接决定着所生成的GaN纳米晶的尺寸。
步骤3：取出ZnO层的纳米棒，用去离子水冲洗表面，再用红外灯烘干器烘干。这是为了去除生长中样品表面的污染。
步骤4：将冲洗后纳米棒的ZnO层20放入金属有机物化学气相沉积的反应室中，使用纯N2载气，三甲基镓和氨气作为反应物，在1080℃下外延GaN纳米晶30，见图2。在这里，GaN纳米晶的生长方向也是沿着GaN的<0002>晶轴，并且GaN的<0002>晶轴与蓝宝石<0002>晶轴和ZnO层<0002>晶轴都平行，而GaN纳米晶的尺寸是取决于ZnO层纳米棒的直径。因此，通过精细的调整控制ZnO层纳米棒直径的工艺参数，如：反应室温度，反应物流量，生长时间等，我们可以获得所需尺寸的GaN纳米晶。
步骤5：如图3所示，使用N2+H2混合载气刻蚀ZnO层20的纳米棒，直接获得无支撑的GaN纳米晶层30。其中，通过调节N2+H2混合载气的成分，反应室温度和刻蚀时间，能逐步控制ZnO层的刻蚀程度。反应室温度的调节范围在600℃至1100℃之间，刻蚀时间的调节范围在30分钟至1小时之间，通过精细的调整工艺，可以直接获得无支撑的GaN纳米晶层30。工艺参数调整越精细，无支撑的GaN纳米晶层的完整性越好。
Claims (5)
1. 一种在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：取一衬底，表面清洗后，放入金属有机物化学气相沉积设备的反应室中；
步骤2：使用金属有机物化学气相沉积方法，在衬底上生长纳米棒的ZnO层，以用来限制后续生长GaN的二维生长；
步骤3：用去离子水冲洗所生长的纳米棒的ZnO层，以清除表面的污染；
步骤4：在反应室中，采用金属有机物化学气相沉积方法，使用纯N2载气在冲洗后的纳米棒的ZnO层上生长GaN纳米晶层，纳米晶的尺寸取决于纳米棒的ZnO层的直径；
步骤5：在反应室中，使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO层，完成无支撑的GaN纳米晶层的生长。
2. 根据权利要求1所述的在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于：其中所述的衬底是C面蓝宝石衬底。
3. 根据权利要求1所述的在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于：其中纳米棒的ZnO层是取向一致的纳米棒，生长方向是沿着ZnO层<0002>晶轴，并且ZnO层<0002>晶轴平行于蓝宝石<0002>晶轴。
4. 根据权利要求1所述的在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于：其中使用N2+H2混合载气刻蚀纳米棒的ZnO层是通过改变反应室的N2+H2混合载气的成分、温度和刻蚀时间，从而控制ZnO层的刻蚀程度，最终获得无支撑的GaN纳米晶层。
5. 根据权利要求3所述的在纳米棒的氧化锌上生长无支撑的氮化镓纳米晶的方法，其特征在于：其中反应室的温度是600℃至1100℃，刻蚀时间是30分钟至1小时。
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