CN203205451U - 纳米非极性面GaN锥形阵列材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纳米非极性面GaN锥形阵列材料。该纳米非极性面GaN锥形阵列材料包括依次层叠结合的铝酸锂衬底层、氮化镓缓冲层和氮化镓模板层以及生长在所述氮化镓模版层外表面的氮化镓纳米锥。本实用新型纳米非极性面GaN锥形阵列材料在氮化镓层外表面生长有氮化镓纳米锥，且该氮化镓纳米锥阵列分布。同时，该无金属杂质污染，晶体质量高。

Description

纳米非极性面GaN锥形阵列材料

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，具体的是涉及一种纳米非极性面GaN锥形阵列材料。

背景技术

一维GaN纳米结构兼具GaN材料的优势和低维的特性，在介观物理和纳米器件中具有独特的应用，为人们研究物质的电学、热传导、机械等性能和维度的关系提供了一种理想的研究对象；同时，一维GaN纳米结构也可以在纳米尺度的电子、光电子器件的制作中起到互连和功能单元的作用，如可以用来制备发蓝光的LED和紫外纳米激光器等。由于这些独特的性能和十分诱人的应用前景，一维GaN纳米材料正成为氮化物领域研究的一个新的热点。

一维GaN纳米结构可以采用先进的纳米加工技术制备，例如电子束和聚焦粒子束直写以及X光、深紫外光刻等制备一维GaN纳米结构，但是这些“自上而下”的方法还存在诸如成本高，速度慢等许多不能实用化的问题。而采用直接物理、化学的合成工艺，通过“自下而上”的方法，则提供了一种大规模、廉价、便捷的制备一维纳米结构的技术途径。

1997年，清华大学采用碳纳米管限制GaN的生长，在国际上首次制备得到了一维GaN纳米结构。1999年，中科院固体物理所采用阳极氧化铝作为模版限制生长，得到了一维GaN纳米结构。2000年，哈佛大学的Liber课题组采用激光辅助的方法制备了单晶GaN纳米线。He等人采用在氨气氛围中直接蒸发金属镓，制备得到了大面积的线状和管状一维GaN纳米结构。2002年，韩国的Kim等人使用氢化物气相外延（HVPE）设备通过控制生长参数，在蓝宝石衬底上生长了GaN纳米棒阵列。现有报道的GaN纳米线制备方法中，大多数的小组还是采用Ni、In或Fe等金属作为催化剂使用化学气相沉积方法基于VLS（气液固）反应机制制备GaN纳米线。2001年，Chen等人尝试了采用In,Co,Ni,Fe等不同金属作为催化剂均生长得到GaN纳米线,并研究了不同实验生长参数对GaN纳米线形貌及性质的影响。Seryogin等人采用金属Ni作为催化剂，使用氢化物气相外延设备生长，为了防止生长过程中用到的HCl气体腐蚀催化剂金属Ni，他们在金属Ni表面蒸上了一层金属Au薄层作为保护，制备得到了GaN纳米线。Dai等人使用金属Ni作为催化剂，采用化学气相沉积的方法，在金属Ga源中加入了金属In作为表面活性剂，提高了所得到GaN纳米线的表面光滑度和结晶质量。

虽然目前报道的各种方法制备GaN纳米线已经取得了不小进展，但我们也看到所得到的纳米线材料制备距离较为理想的器件应用还有相当一段距离。为了便于纳米器件的制备，除了实现GaN纳米线表面光滑，结晶质量优异，长度、线径可控，能够低成本大规模的制备外，还应该实现所生长的GaN纳米线形成规则的阵列排列。此外，在常规的纳米线生长过程中经常使用金属作为催化剂，这就在纳米线材料中引入了金属杂质的污染，从而容易影响到后续制备的GaN纳米线器件的性能。因此，进一步改进工艺，简化GaN纳米材料制备工艺流程，探索不需要使用催化剂就能生长高质量GaN纳米线阵列的方法具有非常重要的意义且十分迫切。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无金属杂质污染，晶体质量高的纳米非极性面GaN锥形阵列材料。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列，包括依次层叠结合的铝酸锂衬底层、氮化镓缓冲层和氮化镓模板层以及生长在所述氮化镓模版层外表面的非极性氮化镓纳米锥，所述非极性氮化镓纳米锥呈阵列分布。

优选地，上述非极性氮化镓纳米锥根部直径为10～100nm。

优选地，上述非极性氮化镓纳米锥的高度为10～2000nm。

进一步优选地，上述铝酸锂衬底层的厚度为2～5μm。

进一步优选地，上述氮化镓缓冲层的厚度为10～100nm。

进一步优选地，上述氮化镓模板层的厚度为3～5μm。

上述纳米非极性面GaN锥形阵列材料在氮化镓模板外表面上生长的非极性氮化镓纳米锥呈现垂直向上锥阵列分布，且其无金属杂质污染，晶体质量高。

附图说明

图1是本实用新型实施例纳米非极性面GaN锥形阵列材料结构图；

图2本实用新型实施例1制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图3本实用新型实施例2制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图4本实用新型实施例3制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图5本实用新型实施例4制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图6本实用新型实施例5制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图7本实用新型实施例6制备的纳米非极性面GaN锥形阵列材料中的氮化镓纳米锥结构图；

图8本发明实施例纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种无金属杂质污染，晶体质量高的纳米非极性面GaN锥形阵列材料。该纳米非极性面GaN锥形阵列材料的结构如图1至7所示，其包括依次层叠结合的铝酸锂衬底层1、氮化镓缓冲层2和氮化镓模板层3以及生长在氮化镓模版层3外表面的非极性氮化镓纳米锥4，该非极性氮化镓纳米锥4呈阵列分布。其中，铝酸锂衬底层1、氮化镓缓冲层2、氮化镓模板层3之间采用外延生产的方式结合为一体，当然，该各层还可以采用本领域公知的其他层叠方式进行结合。

具体地，上述铝酸锂衬底层1的厚度优选为200～500μm，氮化镓缓冲层2的厚度优选为10～100nm。氮化镓模板层3的厚度优选为3～5μm。其中，以铝酸锂衬底层1以铝酸锂为层底，从而保证上述纳米非极性面GaN锥形阵列材料为非极性。该优选的衬底层、缓冲层和氮化镓模板层厚度，能保证获得结晶质量高、无裂纹的氮化镓材料。

上述非极性氮化镓4纳米锥根部直径为10～100nm，其高度为10～2000nm。该优选的纳米锥径度能为后续氮化镓纳米器件制备带来方便。

由上所述，上述纳米非极性面GaN锥形阵列材料在氮化镓层外表面生长有非极性氮化镓纳米锥4，且该氮化镓纳米锥4阵列分布。同时，该无金属杂质污染，晶体质量高。另外，该纳米非极性面GaN锥形阵列材料优选采用生长的方式进行层叠结合，使得该材料结构稳固，性能稳定。

相应地，上述实用新型实施例纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法工艺流程如图8所示，同时请参见图1-6。该纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法包括如下步骤：

S01.获取铝酸锂衬底1；

S02.外延氮化镓缓冲层2：在步骤S01获取的铝酸锂衬底1上外延氮化镓缓冲层2；

S03.外延氮化镓模板层3：在步骤S02中外延生成的氮化镓缓冲层2外表面外延氮化镓模板层3；

S04.生长非极性氮化镓纳米锥4：通过HCl气体辅助生长，在步骤S03中外延生成的氮化镓模板层3上于700～900℃生长非极性氮化镓纳米锥4。

具体地，上述步骤S01中，所获取的铝酸锂衬底1厚度如上文所述，在此不再赘述。该铝酸锂衬底1的大小可以根据实际需要而灵活选取。另外，在进行下述步骤S02之前，优选对铝酸锂衬底1进行预处理，以除去铝酸锂衬底1表面的杂质，使得铝酸锂衬底1表面清洁，以利于氮化镓缓冲层2的生长。

上述步骤S02中，外延氮化镓缓冲层2的方法是在金属有机物气相沉积（MOCVD）中采用传统的两步生长方法在铝酸锂晶体上生长氮化镓（GaN）层缓冲层2模板。该气相沉积的工艺条件按照本领域常用的条件即可。最后外延所生成的氮化镓缓冲层2厚度如上文所述，在此不再赘述。

上述步骤S03中，外延氮化镓模板层3的方法如上述步骤S02中外延氮化镓缓冲层2的方法。外延所生成的氮化镓模板层3厚度如上文所述，在此不再赘述。在外延氮化镓模板层3过后的反应器和周围石英侧壁附着了大量的黄色GaN多晶粉末，利用该GaN粉末就作为下步骤S04的GaN纳米锥生长所用的蒸发源。

上述步骤S04中，生长非极性氮化镓纳米锥4的设备可以为HVPE或CVD设备或本领域常用的其他设备。当采用HVPE生长非极性氮化镓纳米锥4时，先对反应室抽真空，然后充入高纯氮气，接着升温，整个升温和生长过程都通1000～3000sccm的N₂作为载气。当反应室到达700～900℃生长温度时，通入10～30sccm的HCl辅助反应30～120min。反应结束后，停止通HCl气体，炉体自然冷却到室温。取出样品，可以看到氮化镓模板层3上覆盖着一层淡白色的物质，即为非极性氮化镓纳米锥4。在生长非极性氮化镓纳米锥4的过程中发现，HCl并没有像传统的HVPE生长那样经过金属镓源，而是直接到达附着在反应器和石英侧壁的GaN粉末源周围。

由此可知，上述纳米非极性面GaN锥形阵列材料制备方法直接采用HCl气体辅助生长非极性氮化镓纳米锥4，避免了使用催化剂或其它掩膜，从而避免了使用催化剂与异质掩膜引入的杂质污染；另外，根据应用需求可以对呈阵列分布的非极氮化镓纳米锥4的质量、结构（方向、密度、径度、长度等）、极性进行自由调控，这便于后续的器件制作，为将来的纳米器件应用打下坚实的基础。该方法简单易行，对于退火设备要求不高，适合于科学实验和批量生产。

以下通过多个实施例来举例说明上述纳米非极性面GaN锥形阵列材料及其制备方法等方面。

实施例1

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法具体如下：

在金属有机物气相沉积（MOCVD）中采用传统的两步生长方法在铝酸锂晶体衬底上依次生长10～100nm厚的GaN缓冲层和3μm厚的GaN模板层然后，放入反应器结构和石英侧壁留有大量GaN粉末的立式双温区氢化物气相外延（HVPE）反应室中，该反应器结构和石英侧壁留有的大量GaN粉末直接用作蒸发源。整个升温和生长过程通1000sccm的高纯N₂作为载气，当反应室到达780℃生长温度时，通入50sccm的HCl辅助反应，生长时间为3分钟，反应过程在，HCl气体并没有像传统的HVPE生长那样经过金属镓源，而是直接到达附在反应器和石英侧壁的GaN粉末源周围。反应结束后，停止通HCl气体，炉体自然冷却到室温。打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图2所示。GaN纳米锥41刚在GaN薄膜模板层3上成核生长，产物还以小纳米滴和小纳米针尖的形貌存在，且肉眼看不出明显的颜色变化。

实施例2

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法参见实施例1中纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法。不同之处在于通入50sccm的HCl辅助反应，生长时间分别为20分钟，打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图3所示。GaN纳米锥42相对实施例1中的GaN纳米锥41而言，该GaN纳米锥42成为纳米尖锥状结构。

实施例3

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法参见实施例1中纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法。不同之处在于通入50sccm的HCl辅助反应，生长时间分别为60分钟。打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图4所示。GaN纳米锥43相对实施例2中的GaN纳米锥42而言，该GaN纳米锥43纵向生长，生长为顶部为针尖状的GaN纳米线阵列。

实施例4

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法参见实施例3中纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法。不同之处在于衬底为铝酸锂，通入50sccm的HCl辅助反应，生长温度设为700℃。打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图5所示。有图5可看出GaN纳米锥44刚在GaN薄膜模板层3上生长出了大量的GaN纳米圆锥，锥体高度从一百纳米到数百纳米。

实施例5

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法参见实施例3中纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法。不同之处在于衬底为铝酸锂，通入50sccm的HCl辅助反应，生长温度设为780℃。打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图6所示。图6中的GaN纳米锥45相对实施例4中的GaN纳米锥44而言，GaN纳米锥45的高度明显要高，纳米锥分布要密。

实施例6

一种纳米尺度非极性面GaN锥形阵列极其制备方法。该方法参见实施例3中纳米非极性面GaN锥形阵列材料的制备方法。不同之处在于衬底为铝酸锂，通入50sccm的HCl辅助反应，生长温度设为900℃。打开炉体，取出样品后，得到的纳米非极性面GaN锥形阵列材料如图7所示。图7中的GaN纳米锥46相对实施例5中的GaN纳米锥45而言，GaN纳米锥46的接近纳米块状，偏向膜状生长。

由实施例1至实施例3可知，在相同的生产温度和HCl气体流量的前提下，生长的时间对GaN纳米锥的形成有影响。具体的是在3分钟生长的GaN纳米刚在GaN薄膜模板层3上成核生长，产物还以小纳米滴和小纳米针尖的形貌存在，接着GaN纳米滴逐渐生长变大，成为纳米尖锥状结构，随着生长时间延长，GaN纳米锥继续纵向生长，生长为顶部为针尖状的GaN纳米线阵列。另外，3分钟生长的GaN纳米锥肉眼看不出明显的颜色变化，而生长时间的延长，颜色逐渐加深，如为20分钟生长的GaN纳米锥则覆盖着一层淡白色的物质，但颜色相对生长时间为1个小时生长的GaN纳米锥要浅。

由实施例4至实施例6可知，在相同的生产时间和HCl气体流量的前提下，生长的温度对GaN纳米锥的形成有影响。具体的是温度低时，GaN粉末分解供应量少，可用于提供生长的源少，同时生长温度低，造成GaN纳米锥生长速率慢，因此相同时间内生长的GaN纳米锥短和少。同时温度较低情况下，生长的GaN纳米锥均匀性也不如生长温度较高时生长的GaN纳米锥。但是当温度高到一定程度时，如900℃以上时，材料的横向生长速率变快，纵向生长速率变慢，因此不利于材料成线状生长，而偏向膜状生长。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纳米非极性面GaN锥形阵列材料，包括依次层叠结合的铝酸锂衬底层、氮化镓缓冲层和氮化镓模板层以及生长在所述氮化镓模版层外表面的非极性氮化镓纳米锥，所述非极性氮化镓纳米锥呈阵列分布。 

2.如权利要求1所述的纳米非极性面GaN锥形阵列材料，其特征在于：所述非极性氮化镓纳米锥根部直径为10～100nm。 

3.如权利要求1所述的纳米非极性面GaN锥形阵列材料，其特征在于：所述非极性氮化镓纳米锥的高度为10～2000nm。 

4.如权利要求1～3任一项所述的纳米非极性面GaN锥形阵列材料，其特征在于：所述铝酸锂衬底层的厚度为200～500μm。 

5.如权利要求1～3任一项所述的纳米非极性面GaN锥形阵列材料，其特征在于：所述氮化镓缓冲层的厚度为10～100nm。 

6.如权利要求1～3任一项所述的纳米非极性面GaN锥形阵列材料，其特征在于：所述氮化镓模板层的厚度为3～5μm。 

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