CN109461645A - 外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，属于半导体生长技术领域；所要解决的技术问题是提供了生长GaN基纳米阵列均匀性差的难题；解决该技术问题采用的技术方案为：高温清洗衬底；衬底表面淡化；AlGaN形核点的制备；GaN纳米柱外延生长，即采用MOCVD一步法即可生长出高质量的GaN纳米柱，减少了工艺流程步骤，降低了制备成本，更适合于工业化生产；本发明可广泛应用于电子领域。

Description

外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法
技术领域
本发明外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，属于半导体材料生长技术领域。
背景技术
传统方法制备GaN基纳米阵列主要是采用模板法或者金属催化剂法，例如，金属Au、Ni、Fe等元素。模板法工艺复杂、成本高不利用不利于规模化生产。催化剂法首先采用属热蒸发或者电子束蒸发设备在衬底上蒸镀的金属元素，但是金属催化剂的位置和大小一致性较差，导致形成的GaN阵列一致性较差。此外，催化剂会不可避免地掺入到纳米线中，从而降低了纳米阵列的结晶质量，限制了GaN纳米阵列的应用领域。
发明内容
本发明一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，克服了现有技术存在的不足，提供了生长高质量纳米线阵列的简单可行的制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1.高温清洗衬底：在反应腔内温度为1150~1250℃时，通入氢气，保持1200秒，使衬底表面的杂质还原或者清洗干净；
S2.衬底表面淡化：通过4200 sccm NH3 420秒，使衬底表面原子活性键充分与氮原子结合；
S3. AlGaN形核点的制备:把温度降为1000℃，NH3流量调整为2000 sccm，通入15sccmTMAl，保持60秒，在衬底表面均匀形成AIN形核点，然后再通入60 sccm TMGa，保持60秒，Ga原子扩散至AlN形核点的位置，形成AlGaN形核点；
S4.GaN纳米柱外延生长:把温度升至1200℃，NH3流量调整为200 sccm，通入硅烷5mmol/Lsccm，通入60 sccm TMGa，保持2000秒，使GaN基纳米柱外延生长，形成GaN纳米柱。
进一步，所述衬底为Al2O3平面衬底。
进一步，所述步骤S3中的AlGaN形核点的长度为50~100nm。
进一步，所述步骤S4中的GaN纳米柱的长度为100~1000nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
该方法与传统光刻或纳米压痕模板法、使用金属蒸镀设备在衬底上蒸镀Au、Ni等金属元素作为催化剂外延生长GaN阵列的方法相比，具有制备步骤简单、工艺流程短、成本低等优点。同时，该方法是采用的高温形核，晶核是单晶核，缺陷密度更低，GaN纳米柱的晶体质量更高。该方法采用MOCVD一步法即可生长出高质量的GaN纳米柱，减少了工艺流程步骤，降低了制备成本，更适合于工业化生产。
附图说明
图1为 AlN形核点示意图；
图2为 AlGaN形核层示意图；
图3 为GaN纳米柱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1.高温清洗Al2O3平面衬底：在反应腔内温度为1150~1250℃时，通入氢气，保持1200秒，使Al2O3平面衬底表面的杂质还原或者清洗干净；
目的在于达到衬底表面光滑度，表面的均匀性、一致性较好，保证外延生长过程中，原子迁移的速度各向保持一致；
S2.Al2O3平面衬底表面淡化：通过4200 sccm NH3 420秒，使Al2O3平面衬底表面原子活性键充分与氮原子结合；
目的在于保证Ⅲ族原子在各个位置所受的结合力相同。通入Ⅲ族原子后，达到空间分布的一致性较好；如图1所示；
S3. AlGaN形核点的制备:把温度降为1000℃，NH3流量调整为2000 sccm，通入15sccmTMAl，保持60秒，在Al2O3平面衬底表面均匀形成AIN形核点，然后再通入60 sccm TMGa，保持60秒，Ga原子扩散至AlN形核点的位置，形成长度为50~100nm的AlGaN形核点；如图2所示；
S4.GaN纳米柱外延生长:把温度升至1200℃，NH3流量调整为200 sccm，通入硅烷5mmol/Lsccm，通入60 sccm TMGa，保持2000秒，使GaN基纳米柱外延生长，形成长度为100~1000nm的GaN纳米柱。多根GaN纳米柱组成了GaN阵列。如图3所示。
步骤S3中，通TMAl目的是让Al原子在Al2O3衬底表面均匀形核，因为Ga原子在1000℃条件下，在Al2O3衬底表面不能形成晶核，因此用Al原子作为衬底表面的形核点，AIN形核点作为生长GaN纳米柱外延材料的基底材料。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (4)

1.一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.高温清洗衬底：在反应腔内温度为1150~1250℃时，通入氢气，保持1200秒，使衬底表面的杂质还原或者清洗干净；
S2.衬底表面淡化：通过4200 sccm NH3 420秒，使衬底表面原子活性键充分与氮原子结合；
S3. AlGaN形核点的制备:把温度降为1000℃，NH3流量调整为2000 sccm，通入15sccmTMAl，保持60秒，在衬底表面均匀形成AIN形核点，然后再通入60 sccm TMGa，保持60秒，Ga原子扩散至AlN形核点的位置，形成AlGaN形核点；
S4.GaN纳米柱外延生长:把温度升至1200℃，NH3流量调整为200 sccm，通入硅烷5mmol/Lsccm，通入60 sccm TMGa，保持2000秒，使GaN基纳米柱外延生长，形成GaN纳米柱。
2.根据权利要求1所述的一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法,其特征在于:所述衬底为Al2O3平面衬底。
3.根据权利要求1所述的一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法,其特征在于:所述步骤S3中的AlGaN形核点的长度为50~100nm。
4.根据权利要求1所述的一种外延自组装高温生长GaN阵列的制备方法,其特征在于:所述步骤S4中的GaN纳米柱的长度为100~1000nm。
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