CN106206870B - 一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，包括在衬底上形成第一GaN层；在第一GaN层上形成AlxGa1‑xN阻止层，x＝0～0.4；在AlxGa1‑xN阻止层上形成第二GaN层；在第二GaN层上直接形成若干纳米尺度的氮化硅图案；以氮化硅图案为掩膜，通过高温分解工艺，对第二GaN层进行图案化，形成GaN纳米棒阵列结构。本发明所述的具有GaN纳米棒阵列的制备方法，无需图形化衬底、也不需要使用各种化学试剂，工艺简单、良品率高。相比二维薄膜结构，GaN纳米棒阵列比表面积大，可以承受较大的晶格失配和热失配，更好的释放应力，因而位错密度很低。同时GaN纳米棒阵列良好的周期性，能够有效降低二维薄膜结构之间的全反射。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种GaN纳米棒阵列的制备方法。
背景技术
随着人们环保意识的不断增强，各国都先后启动了淘汰民用40～60W白炽灯泡的计划。LED作为新一代照明技术，具有节能环保、高效耐用等优点，日益成为全社会关注的焦点。
在LED照明产品价格的不断下跌、亮度和寿命不断提升以及各国政策倾向等因素的推动下，LED市场迎来了爆发式的增长。GaN基LED是最具发展潜力的一种LED照明产品，已成为LED照明市场的主流产品。但是，要想全面替代普通照明设备，还需改进其外延结构及其制备工艺以进一步降低生产成本，提高发光效率，因而，研发新型GaN基LED外延结构具有重要意义。
目前，商用GaN基LED外延层多为二维的多层膜结构，但近年来随着市场对大功率、高亮度及长寿命LED器件需求量的日益增大，也暴露出越来越多的问题：
比如，由于与衬底具有较大的晶格失配和热失配系数，生长的GaN中存在的大量位错形成非辐射复合中心，从而抑制内量子效率。由于GaN基半导体材料中存在的较强压电极化现象，使得多量子阱有源区内形成了内建电场，产生了量子限制斯塔克效应，即，使得量子阱能带发生倾斜，导致电子和空穴发生空间分离，降低电子-空穴波函数的交叠，载流子复合几率减小，降低内量子效率。
另外，由于俄歇复合，载流子泄漏，载流子局域，空穴注入效率低等原因，随着注入电流的增大，其发光效率会大幅下降，即所谓的效率骤降问题。同时，由于存在由于各功能层间存在全反射，GaN基薄膜LED的光提取效率仍然较低。以GaN纳米棒阵列结构为基础的LED外延结构能很好的解决以上问题，目前最常用的合成纳米棒阵列结构的方法，是用诸如MOCVD、HVPE以及MBE等传统半导体合成方法直接让半导体纳米棒阵列生长在衬底上。但是GaN纳米棒阵列结构的制备仍处于实验室研究阶段，存在许多问题。如：金属催化剂污染，结构中存在大量极性反转区域，纳米棒阵列生长方向倾斜缺陷，GaN纳米棒阵列生长尺寸和位置难以精确控制等。
选择区域生长法需要在GaN纳米棒阵列生长之前先非原位沉积一定厚度的掩膜层，通过光刻技术将某些区域的掩膜层刻蚀掉，纳米棒在没有被掩膜层覆盖的区域生长。该方法可解决上述GaN纳米棒阵列结构制备过程中存在的问题，但纳米棒的直径受限于光刻技术的分辨率，最小只能到20nm左右，且刻蚀掩膜层后的残留物以及二次生长所带来的杂质污染等问题很难避免，这会对GaN纳米棒的生长造成不利影响。
发明内容
本发明所要解决的是现有GaN纳米棒阵列结构制备方法中存在的杂质多，结构不稳定，工艺复杂，成本昂贵的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上形成第一GaN层；
在所述第一GaN层上形成AlxGa1-xN阻止层，x＝0～0.4；
在所述AlxGa1-xN阻止层上形成第二GaN层；
在所述第二GaN层上直接形成若干纳米尺度的氮化硅图案；
以所述氮化硅图案为掩膜，通过高温分解工艺，对所述第二GaN层进行图案化，形成GaN纳米棒阵列结构。
可选的，所述第一GaN层为非掺杂GaN层，厚度为1μm～3μm；所述AlxGa1-xN阻止层厚度为100nm～300nm。
可选的，所述氮化硅图案在任意方向上的宽度为30nm～300nm；相邻所述氮化硅图案的间距为500nm～5000nm。
可选的，所述氮化硅图案的厚度为5nm～20nm。
可选的，所述第一GaN层和所述第二GaN层通过化学气相沉积法制备，镓源均为TMGa，氮源均为NH3，生长温度分别为520℃～570℃、1020℃～1070℃。
可选的，所述AlxGa1-xN阻止层通过化学气相沉积法制备，铝源为TMAl，镓源为TMGa，氮源为NH3。
可选的，所述氮化硅图案通过化学气相沉积法制备，硅源为SiH4，氮源为NH3，生长温度为1050℃。
可选的，所述高温分解工艺中，分解温度为900℃～1000℃，分解时间为10min～20min。
可选的，所述GaN纳米棒的高度为200nm～5000nm、直径为30nm～300nm，相邻所述GaN纳米棒之间的间距为500nm～5000nm。
本发明的上述技术方案具有以下优点：
1、本发明实施例所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，包括如下步骤：在衬底上形成第一GaN层；在所述第一GaN层上形成AlxGa1-xN阻止层，x＝0～0.4；在所述AlxGa1-xN阻止层上形成第二GaN层；在所述第二GaN层上直接形成若干纳米尺度的氮化硅图案；以氮化硅图案为掩膜，通过高温分解工艺，对所述第二GaN层进行图案化，形成GaN纳米棒阵列结构。无需图形化衬底、也不需要使用各种化学试剂，工艺简单、成本较低、结构稳定、良品率高。
2、本发明实施例所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，采用高温对生长的第二GaN层进行分解，在第二GaN层高温分解过程中，由于氮化硅掩膜层具有极高的热稳定性，能有效保护其覆盖区域以防止其覆盖区域的GaN分解，没有被覆盖的GaN区域会分解直至AlxGa1-xN阻止层，最后被氮化硅掩膜层覆盖的区域形成GaN纳米棒阵列结构。
3、本发明实施例所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，所述制备方法由于不含金属催化剂，能完全避免金属催化剂的污染，且无需图形化的衬底，工艺成本较低。
4、本发明实施例所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，所述制备方法不使用光刻技术，因此不受光刻技术分辨率的限制，能制备直径非常小的纳米棒阵列。
5、本发明实施例所述的一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，采用高温对生长的第二GaN层进行分解，在高温分解过程中，能够使得GaN生长过程中产生的大量刃型位错会相互吞并淹没直至消失，有效降低了GaN纳米棒阵列中的位错密度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1(a)-图1(e)是本发明实施例1所述的GaN纳米棒阵列结构制备过程中的结构图。
图中附图标记表示为：1-衬底、2-第一GaN层、3-AlxGa1-xN阻止层、4-第二GaN层、5-氮化硅图案、6-GaN纳米棒阵列。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明可以多种不同的形式实施，而不应该被理解为仅限于在此阐述的实施例。相反，提供此实施例，使得本发明将是彻底的和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸及相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”或“设置在”另一元件“上”时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
实施例
本实施例提供一种GaN纳米棒阵列结构，如图1(e)所示，包括衬底1，依次层叠形成在衬底1上的第一GaN层2、AlxGa1-xN阻止层3以及形成在AlxGa1-xN阻止层3上的GaN纳米棒阵列6。
由于GaN纳米棒阵列6为纳米级阵列结构，比表面积大，可以承受较大的晶格失配和热失配，更好的释放应力，因而位错密度较低。在形成的GaN纳米棒阵列6中，纳米棒阵列具有良好的周期性，能够有效降低二维薄膜结构之间的全反射。
GaN纳米棒阵列结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、如图1(a)所示，在衬底1上形成第一GaN层2；
衬底1选用商用蓝宝石衬底，通过金属有机化合物化学气相沉积法在衬底1上形成第一GaN层2，镓源为TMGa，氮源为NH3，生长温度分别为520℃～570℃、1020℃～1070℃。作为本发明的一个实施例，本实施例中，镓源TMGa生长温度为545℃，氮源NH3生长温度为1045℃。
S2、如图1(a)所示，在第一GaN层2上形成AlxGa1-xN阻止层3(x＝0～0.4)；
以TMAl为铝源，以TMGa为镓源，以NH3为氮源，通过金属有机化合物化学气相沉积法在第一GaN层2上形成AlxGa1-xN阻止层2。
S3、如图1(a)所示，在AlxGa1-xN阻止层3上形成第二GaN层4；
通过金属有机化合物化学气相沉积法在AlxGa1-xN阻止层3上形成第二GaN层4，镓源为TMGa，氮源为NH3，生长温度分别为520℃～570℃、1020℃～1070℃。作为本发明的一个实施例，本实施例中，镓源TMGa生长温度为545℃，氮源NH3生长温度为1045℃。
S4、如图1(a)所示，在第二GaN层4上直接形成若干纳米尺度的氮化硅图案5；
以SiH4为硅源，以NH3为氮源，生长温度为1050℃，通过金属有机化合物化学气相沉积法制备氮化硅图案5；氮化硅图案5在任意方向上的宽度为30nm～300nm，厚度为5nm～20nm，相邻氮化硅图案5的间距为500nm～5000nm。作为本发明的一个实施例，本实施例中，氮化硅图案5在任意方向上的宽度为165nm，厚度为10nm，相邻氮化硅图案5的间距为2750nm。
以氮化硅图案5为掩膜，通过高温分解工艺，对第二GaN层4进行图案化，从而形成GaN纳米棒阵列6，分解温度为900℃～1000℃，分解时间为10～20min。作为本发明的一个实施例，本实施例中，高温分解工艺的分解温度为950℃，分解时间为15min。
氮化硅图案5具有极高的热稳定性，能有效保护其覆盖区域以防止第二GaN层4分解。AlxGa1-xN阻止层3厚度为200nm，因其具有较高的热稳定性，第二GaN层4分解到该层时会停止。
如图1(b)至如图1(e)所示，没有被覆盖的第二GaN层4区域会逐渐分解直至AlxGa1-xN阻止层3，从图1(b)的局部凹陷，至图1(c)、图1(d)中形成顶部具有氮化硅图案5的凸台，最后形成图1(e)所示的GaN纳米棒阵列6结构。因此，该方法无需图形化衬底、也不需要使用各种化学试剂，工艺简单、良品率高。
第二GaN层4在高温分解过程中，能够使得GaN生长过程中产生的大量刃型位错相互吞并淹没直至消失，大大降低了GaN纳米棒阵列6中的位错密度。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，直接形成GaN纳米棒阵列6的第一GaN层2为非掺杂GaN层，厚度为2μm。作为本发明的可变换实施例，第一GaN层2厚度还可以为1μm～3μm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，AlxGa1-xN阻止层3的含铝量为20％(即x＝0.2)，AlxGa1-xN阻止层3厚度为200nm。作为本发明的可变换实施例，AlxGa1-xN阻止层3的含铝量还可以为0％～40％(即x＝0～0.4)，AlxGa1-xN阻止层3厚度还可以为100nm～300nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
作为本发明的一个实施例，本实施例中，GaN纳米棒阵列6中纳米棒高度为2500nm，直径为200nm，相邻GaN纳米棒之间的间距为2500nm。作为本发明的可变换实施例，GaN纳米棒阵列6的高度还可以为200nm～5000nm、直径还可以为30nm～300nm，相邻GaN纳米棒之间的间距还可以为500nm～5000nm，均可以实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。
GaN纳米棒阵列结构的制备方法，无需图形化衬底、也不需要使用各种化学试剂，工艺简单、结构稳定、良品率高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在衬底上形成第一GaN层；
在所述第一GaN层上形成AlxGa1-xN阻止层，x＝0～0.4；
在所述AlxGa1-xN阻止层上形成第二GaN层；
在所述第二GaN层上直接形成若干纳米尺度的氮化硅图案；
以所述氮化硅图案为掩膜，通过高温分解工艺，对所述第二GaN层进行图案化，形成GaN纳米棒阵列结构。
2.根据权利要求1所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述第一GaN层为非掺杂GaN层，厚度为1μm～3μm；所述AlxGa1-xN阻止层厚度为100nm～300nm。
3.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述氮化硅图案在任意方向上的宽度为30nm～300nm；相邻所述氮化硅图案的间距为500nm～5000nm。
4.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述氮化硅图案的厚度为5nm～20nm。
5.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二GaN层通过化学气相沉积法制备，镓源均为TMGa，氮源均为NH3，生长温度分别为520℃～570℃、1020℃～1070℃。
6.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述AlxGa1- xN阻止层通过化学气相沉积法制备，铝源为TMAl，镓源为TMGa，氮源为NH3。
7.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述氮化硅图案通过化学气相沉积法制备，硅源为SiH4，氮源为NH3，生长温度为1050℃。
8.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述高温分解工艺中，分解温度为900℃～1000℃，分解时间为10min～20min。
9.根据权利要求1或2所述的GaN纳米棒阵列结构的制备方法，其特征在于，所述GaN纳米棒的高度为200nm～5000nm、直径为30nm～300nm，相邻所述GaN纳米棒之间的间距为500nm～5000nm。
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| CN102709410A (zh) * | 2012-06-04 | 2012-10-03 | 中国科学院半导体研究所 | 纳米柱发光二极管的制作方法 |
| CN102842662A (zh) * | 2012-09-10 | 2012-12-26 | 马鞍山圆融光电科技有限公司 | 一种纳米柱阵列化合物半导体器件的自组装制备方法 |
| WO2015104549A1 (en) * | 2014-01-13 | 2015-07-16 | Seren Photonics Limited | Manufacturing methods of semiconductor light-emitting devices |
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