CN103741221B - 利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，包括以下步骤：（1）配制浓度0.005-0.075mg/ml的六方氮化硼纳米片与溶剂的分散液；（2）将配好的分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，然后在真空干燥箱内40℃-120℃干燥1-8小时；（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延(HVPE)系统中进行GaN晶体外延生长。该方法减小了GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高，无需采用复杂、昂贵的工艺制备具有特殊结构的氮化镓基板，工艺简单，成本低廉，且生长温度低，适用于批量生产。

Description

利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法

技术领域

本发明涉及一种利用六方氮化硼纳米片获得高质量氮化镓晶体的生长方法，旨在提高外延生长的GaN晶体质量，属于氮化镓晶体生长技术领域。

背景技术

随着石墨烯研究的兴起，二维材料（材料的厚度在1nm到100nm之间）以其特有的性质越来越受到人们的重视。国内外的科学家都在努力开拓二维材料在不同领域的应用。六方氮化硼由于在结构上和石墨结构相似，引起了科学家的兴趣。

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有宽禁带宽度，高击穿电压、高电子迁移率、化学性质稳定等特点，适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。在半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器以及高能高频电子器件等方面有广阔的应用前景。由于氮化镓单晶生长非常困难，成本极高，又由于缺乏氮化镓体块单晶，因此目前氮化镓材料往往都是生长在异质衬底上如蓝宝石、碳化硅和硅等。异质衬底上生长晶体需要材料衬底和外延层之间的成核问题；此外，由于不同材料之间存在晶格常数以及其他物理性质的差异，导致衬底材料和氮化镓单晶之间的晶格失配和热失配较大，在外延的GaN单晶生长过程中会产生较大的应力和较高的位错密度，严重影响了氮化镓基器件的性能，因此降低氮化镓单晶的位错密度是制备高质量GaN基器件的前提。

目前，降低异质外延GaN单晶的位错密度的方法有以下几种：侧向外延过生长法(ELOG)[参见B.Beaumont,etal,phys.stat.sol.(b)227(2001),1–43]、空位辅助分离法（Void-assistedseparation）[参见T.Yoshidaetal.,J.CrystalGrowth,310(2008)5–7]和制备纳米结构的衬底[参见C.L.Chao,Appl.Phys.Lett.95(2009)051905]等方法。采用这些方法生长出GaN单晶的质量都有一定程度的提高，相应的位错密度也有一定程度的减小，但是这些方法大都需要复杂的光刻工艺或者生长工艺。

中国专利文献CN102769081A公开了一种利用石墨烯作为缓冲层外延GaN的结构和制备方法，该方法通过采用石墨烯层作为衬底与氮化镓外延层之间的缓冲层，在石墨烯层和GaN层之间插入氮化物薄层，获得低应力、高质量的GaN外延层。但是该方法操作过程复杂，成本高。

发明内容

本发明针对现有降低GaN单晶位错密度的方法所存在的问题，提供一种操作简单、成本低廉的利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，该方法利用氢化物气相外延（HVPE）直接在部分覆盖二维材料的衬底上生长GaN单晶。

本发明的利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，是将六方氮化硼纳米片旋涂或喷涂于衬底上，得到部分被六方氮化硼纳米片覆盖的衬底，进一步在这种衬底上进行HVPE外延生长GaN晶体，具体包括以下步骤：

（1）配制浓度0.005-0.075mg/ml的六方氮化硼纳米片与溶剂的分散液，所述溶剂为乙醇或丙醇或者是乙醇与水体积比为1:1的混合液；

分散液优选的浓度为0.01-0.075mg/ml。

（2）将配好的分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，然后在真空干燥箱内40℃-120℃干燥1-8小时；

优选的烘干方法是在真空干燥箱内80℃-120℃干燥2小时-3小时。

所述衬底是用金属有机化学气相沉积工艺（MOCVD）在蓝宝石、碳化硅或硅片上生长的氮化镓膜的衬底（2微米-5微米）厚，以下所述“衬底”均指这种衬底。

六方氮化硼纳米片分散液在衬底上整个区域的分布应尽量均匀，这样有利于后续步骤中GaN晶体质量的提高。

（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延(HVPE)系统中进行GaN晶体外延生长。

本发明采用在MOCVD生长的GaN外延薄膜层上涂有六方氮化硼纳米片，得到了部分被纳米片覆盖，部分区域露出衬底，露出的衬底部分作用在于提供HVPE阶段的成核和生长，而被覆盖的区域则阻断了位错的延伸，从而减小了GaN单晶的位错密度，GaN晶体质量有明显的提高。本发明操作简单，不需要复杂昂贵的仪器设备，成本低廉，且生长温度低（1000℃-1050℃），适合于批量生产。

附图说明

图1是本发明中将六方氮化硼纳米片涂在衬底上的扫描电子显微镜照片

图2是本发明得到的在涂有六方氮化硼纳米片的衬底上生长GaN晶体的高分辨XRD图，其中左边是GaN晶体沿着（002）面的衍射峰，右边是GaN晶体沿着（102）面的衍射峰。

图3是本发明得到的在涂有六方氮化硼纳米片上生长GaN晶体在激光激发下发光的实物图。

具体实施方式

实施例1

（1）配制浓度0.06mg/ml六方氮化硼纳米片与乙醇的分散液。

（2）将衬底放在旋涂仪上，逐滴将六方氮化硼纳米片-乙醇分散液滴在衬底上，待分散液在衬底上分布均匀后，衬底上可看见一薄层的膜。如图1所示。

（3）将步骤（2）中的衬底放入真空干燥箱内100℃干燥2个小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长（生长过程与现有GaN晶体外延生长过程一样），得到在涂有六方氮化硼纳米片的衬底上生长的GaN晶体，如图2所示。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于：配制的六方氮化硼纳米片-乙醇分散液的浓度为0.01mg/ml。步骤（2）中的衬底在真空干燥箱内120℃干燥4小时。

实施例3

（1）利用乙醇与水混合的溶剂(乙醇和水的体积比为1:1)配制浓度0.01mg/ml的六方氮化硼纳米片分散液。

（2）将衬底放在旋涂仪上，逐滴将六方氮化硼纳米片分散液滴在衬底上，待分散液在衬底上分布均匀后，衬底上可看见一薄层的膜。

（3）将步骤（2）中的衬底放入真空干燥箱内100℃干燥4个小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长，得到在涂有六方氮化硼纳米片的衬底上生长的GaN晶体

实施例4

本实施例与实施例3不同之处在于：配制的六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.005mg/ml。步骤（2）中的衬底在真空干燥箱内120℃干燥1小时。

实施例5

（1）配备0.03mg/ml六方氮化硼纳米片与丙醇混合的分散液。

（2）用喷枪将所配溶液直接喷涂在衬底上。衬底上可看见一薄层的膜。

（3）将步骤（2）中的衬底放入真空干燥箱内100℃干燥3个小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长，得到在涂有六方氮化硼纳米片的衬底上生长的GaN晶体，如图3所示。

实施例6

本实施例与实施例5不同之处在于：配制的六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.06mg/ml，步骤（2）中的衬底在真空干燥箱内120℃干燥4小时。

实施例7

（1）配备0.008mg/ml六方氮化硼纳米片与乙醇和水（乙醇和水的体积比为1:1）混合的分散液。

（2）将所配溶液直接喷涂在衬底上。衬底上可看见一薄层的膜。

（3）将步骤（2）中的衬底放入真空干燥箱内40℃干燥8个小时后，将衬底放入HVPE系统中外延生长，得到在涂有六方氮化硼纳米片的衬底上生长的GaN晶体，

实施例8

本实施例与实施例5不同之处在于：配制的六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.075mg/ml，步骤（2）中的衬底在真空干燥箱内80℃干燥6小时。

Claims (3)

1.一种利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）配制浓度0.005-0.075mg/ml的六方氮化硼纳米片与溶剂的分散液，所述溶剂为乙醇或丙醇或者是乙醇与水体积比为1:1的混合液；

（2）将配好的分散液直接涂于用于制备GaN晶体的衬底上，然后在真空干燥箱内40℃-120℃干燥1-8小时；

（3）将制备好的衬底放入氢化物气相外延(HVPE)系统中进行GaN晶体外延生长。

2.根据权利要求1所述利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，其特征是，所述步骤（1）中六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.01-0.075mg/ml。

3.根据权利要求1所述利用六方氮化硼纳米片生长高质量氮化镓晶体的方法，其特征是，所述步骤（2）中的烘干方法是在真空干燥箱内80℃-120℃干燥2小时-3小时。