一種GaN納米線的生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種GaN納米線的生長方法，該方法步驟包括：在石英襯底或表面鍍有一層二氧化硅薄膜的襯底上，預先通入三甲基銦，使得襯底表面形成液相銦滴，然后同時通入三甲基鎵和氨氣，形成合金液滴；最后同時通入三甲基鎵、氨氣和硅烷，在合金液滴上生長GaN納米線。本發明方法采用三甲基銦作為銦催化劑來源，實現了在廉價易得的石英或表面鍍有二氧化硅薄膜的襯底上可控地生長出高質量的GaN納米線；且屬于原位引入，無需在不同設備間轉移及清洗的繁瑣流程，有效避免樣品在轉移過程中造成的玷污；也無需進行復雜的緩沖層設計，操作簡便、易行，有利于工業化生產。
【專利說明】一種GaN納米線的生長方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體材料生長【技術領域】，涉及一種GaN納米線的生長方法，具體涉及一種在石英襯底或鍍有二氧化硅薄膜的襯底上生長GaN納米線的方法。
【背景技術】
[0002]GaN基半導體材料具有較寬的直接帶隙，以其優異的物理、化學穩定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場強等性能，目前廣泛應用于高頻、高溫、高功率電子器件以及光電子器件等領域，已經成為繼第一代鍺(Ge)、硅(Si)半導體材料和第二代砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。
[0003]MOCVD (金屬有機化合物化學氣相沉淀)和MBE (分子束外延)是生長高質量半導體材料的兩種主要技術，是其它技術無法比擬的。尤其是MOCVD技術，已經在工業界廣泛應用。如果只需要利用MOCVD設備能夠生長出高質量的GaN納米線，那將是非常理想的。
[0004]半導體納米線的制備方法，總體上可以分為自上而下法和自下而上法，其中自上而下法是利用現有的刻蝕工藝合成納米線結構。然而，現有刻蝕工藝的精度限制納米線直徑的尺寸進一步減小。而自下而上生長納米線的方法，在材料選擇方面具有非常大的廣泛性，且納米線的尺寸可以控制在更小的范圍內。
[0005]自下而上生長方法又可以分為兩大類:一是利用模板導向生長，二是無模板自組織生長。模板導向生長需要掩膜開孔，受到光刻工藝，分辨率的限制。而無模板自組織生長又可以分為有催化劑生長 ，和無催化劑生長。
[0006]催化劑生長主要引用金、鎳等外來金屬催化劑，這需要將樣品在不同設備間轉移，增加工藝繁瑣度的同時容易導致雜質的污染。無催化劑生長方法可以避免雜質的污染，但此方法生長的GaN納米線的質量和形貌還有待提升。
[0007]當前GaN材料主要生長在藍寶石、硅和碳化硅襯底上。對于藍寶石，其價格較貴，同時也難以制備大尺寸的藍寶石襯底。而硅襯底價格較便宜、制備工藝成熟，可以制作大尺寸的娃襯底，但是在娃襯底上生長GaN,由于Ga與襯底表面的娃原子容易形成回熔,并且晶格與熱膨脹率失配度大，需要進行復雜的緩沖層設計。對于碳化硅則價格過于昂貴，不太適合大規模應用。

【發明內容】

[0008]為了解決上述問題，本發明建立了在廉價易得的石英襯底或鍍有二氧化硅薄膜的襯底上生長GaN納米線的方法，且本發明方法操作簡便、快速。
[0009]本發明的目的在于提供一種生長GaN納米線的方法。
[0010]本發明所采取的技術方案是:
一種GaN納米線的生長方法，以石英或者表面鍍有二氧化硅薄膜的材質為襯底，以三甲基銦為來源形成液相銦滴作為催化劑，在襯底表面催化生長出GaN納米線。
[0011]進一步的，上述表面鍍有二氧化硅薄膜的材質選自在表面鍍有二氧化硅薄膜的S1、A1203、SiC 或 GaAs 中的一種。
[0012]一種GaN納米線的生長方法，包括下列步驟:
1)將襯底放入MOCVD反應室，在氫氣氛圍下1000~1100°C熱處理襯底10~20min；
2)然后在600~700°C，通入三甲基銦30~300s，在襯底上形成密度為8X IO6~5 X IO8個/cm2的液相銦滴，作為催化劑；
3)然后同時通入三甲基鎵和氨氣，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴；
4)最后同時通入三甲基鎵、氨氣和硅烷，在合金液滴上可控地生長出GaN納米線。
[0013]進一步的，步驟2)中所述的通入三甲基銦時偏壓為350~450mbar。 [0014]進一步的,步驟3)中所述合金液滴的直徑長為100~600nm。
[0015]進一步的，步驟3)和步驟4)中所述通入三甲基鎵的摩爾流量為60~80 μ mol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的10~100倍。
[0016]進一步的,步驟4)中所述的通硅烷流量為30~40nmol/min。
[0017]進一步的，步驟4)中所述GaN納米線的直徑為300~lOOOnm，高度為I~10 μ m。
[0018]本發明的有益效果是:
1.在廉價的石英襯底或鍍有二氧化硅薄膜襯底上實現可控生長的高質量GaN納米線。
[0019]2.利用MOCVD外延生長常用的三甲基銦作為銦催化劑來源，屬于原位引入，與引入金、鎳等其他催化劑相比，不需要將襯底在不同設備間轉移及清洗的繁瑣流程，并且有效避免樣品在轉移過程中造成的站污。
[0020]3.通過控制形成液相銦滴的密度可以控制GaN納米線生長的密度。
[0021]4.無需進行復雜的緩沖層設，直接而簡單地生長出GaN納米線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發明一種GaN納米線的生長方法的流程圖；
圖2是本發明在石英襯底上生長GaN納米線的結構示意圖，I表示石英襯底襯底，2表示GaN納米線；
圖3是本發明在鍍有二氧化硅薄膜襯底上生長GaN納米線的結構示意圖，I表示非石英襯底，2表示GaN納米線,3表示二氧化娃薄膜；
圖4是合金液滴的截面圖；
圖5是合金液滴的俯視圖；
圖6是GaN納米線的截面圖；
圖7是GaN納米線的俯視圖。
【具體實施方式】
[0023]以下所述的具體實施例，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，本發明的GaN納米線生長方法的流程圖如圖1所示；所應理解的是，以下所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
[0024]實施例1
在石英襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖2所示，從下至上依次為，石英襯底，GaN納米線；其制備方法為:
1)將石英襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1000°C熱處理襯底15分鐘；
2)在700°C，偏壓為400mbar條件，通入三甲基銦(TMIn)30s，在襯底上形成液相銦滴，銦滴密度約為8 X IO6個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為60ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的50倍，生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴，液滴直徑為100~300nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為30nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到的GaN納米線密度約為5 X IO6條/cm2,直徑為400~500nm,高度為2~5 μ m。
[0025]實施例2
在石英襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖2所示，從下至上依次為，石英襯底，GaN納米線；其制備方法為:
1)將石英襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1000°C熱處理襯底20分鐘；
2)在600°C，偏壓為350mbar條件，預先通入三甲基銦(TMIn)150s，在襯底上形成液相銦滴，銦滴密度約為6 X IO7個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為60ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的100倍，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴，直徑為100~300nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為40nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到的GaN納米線密度約為4 X IO7條/cm2,直徑為500~800nm,高度為4~7 μ m。
[0026]實施例3
在石英襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖2所示，從下至上依次為，石英襯底，GaN納米線。其制備方法為:
1)將石英襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1100°C熱處理襯底20分鐘；
2)在600°C，偏壓為450mbar條件，先通入三甲基銦(TMIn)300s，在襯底上形成液相銦滴，銦滴密度約為5 X IO8個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為80ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的10倍，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴，直徑為400~500nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為40nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到地GaN納米線密度約為3 X IO8條/cm2,直徑為600~1000nm,高度為5~10 μ m。
[0027]實施例4
在表面鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖3所示，從下至上依次為:Si襯底，二氧化硅薄膜，GaN納米線。其制備方法為:
I)將表面鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1000°C熱處理襯底20分鐘；2)在700°C，偏壓為400mbar條件，預先通入三甲基銦(TMIn)30s，在襯底上形成液相銦滴，銦滴密度約為8 X IO6個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為70ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的50倍，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴，直徑為400~500nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為40nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到的GaN納米線密度約為5 X IO6條/cm2,直徑為500~700nm,高度為3~8 μ m。
[0028]實施例5
在鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖3所示，從下至上依次為:Si襯底，二氧化硅薄膜，GaN納米線。其制備方法為:
1)將表面鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1000°C熱處理襯底15分鐘；
2)在700°C，偏壓為400mbar條件，預先通入三甲基銦(TMIn)150s，在襯底上形成液相銦滴，密度約為7.1 X IO7個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為70ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的50倍，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴(如圖4、5所示)，直徑為400~500nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為40nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到的GaN納米線密度約為5.5X IO7條/cm2。GaN納米線的直徑為500~900nm，高度為4~5μπι (如圖6、7所示)。`
[0029]實施例6
在鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底上生長GaN納米線的樣品模式圖如圖3所示，從下至上依次為:Si襯底，二氧化硅薄膜，GaN納米線。其制備方法為:
1)將表面鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底襯底放入MOCVD反應室，氫氣氛圍下1100°C熱處理襯底10分鐘；
2)在700°C，偏壓為400mbar條件，預先通入三甲基銦(TMIn)300s，在襯底上形成液相銦滴，銦滴密度約為5 X IO8個/cm2 ；
3)然后同時通入氨氣和三甲基鎵(TMGa)，三甲基鎵的摩爾流量為70ymol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的50倍，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴，直徑為200~400nm ；
4)最后同時通入氨氣、三甲基鎵(TMGa)和硅烷，氨氣和三甲基鎵的流量同步驟3)，硅烷流量為30nmol/min，使在合金液滴上生長出GaN納米線，經檢測，得到的GaN納米線密度約為3 X IO8條/cm2，GaN納米線的直徑為300~700nm，高度為4~6 μ m。
[0030]實施例7
以鍍有二氧化硅薄膜的A1203、SiC或GaAs襯底采用如實施例4、5、6的方法，能生長出相似的GaN納米線。
[0031]下面對實施例中制備的GaN納米線作進一步的檢測。[0032]取實施例5在表面鍍有二氧化硅薄膜的Si襯底上生長GaN納米線的樣品通過SEM(掃描電鏡)進行形貌檢測。
[0033]圖4是實施例5中形成合金液滴的截面圖，圖5是合金液滴的俯視圖，合金液滴成球形，直徑為400~500nm,密度約為7.1 X IO7個/cm2 ；
圖6是實施例5中生長的GaN納米線的截面圖，圖7是實施例5中生長的GaN納米線的俯視圖，直徑為500~900nm，高度為4~5μπι，密度約為5.5Χ IO7條/cm2。
[0034]上述檢測結果說明本發明方法可以在二氧化硅襯底或表面鍍有二氧化硅薄膜的襯底上豎直地生長出 高質量的GaN納米線。
【權利要求】
1.一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:以石英或者表面鍍有二氧化硅薄膜的材質為襯底，以三甲基銦為來源形成的液相銦滴作為催化劑，在襯底表面催化生長出GaN納米線。
2.根據權利要求1所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:所述的表面鍍有二氧化硅薄膜的材質選自在表面鍍有二氧化硅薄膜的S1、Al203、SiC、GaAs中的一種。
3.根據權利要求1所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:包括下列步驟: 1)將權利要求1所述的襯底放入MOCVD反應室，在氫氣氛圍下1000~1100°C熱處理襯底10~20min ； 2)然后在600~700°C，通入三甲基銦30~300s，在襯底上形成密度為8X IO6~5 X IO8個/cm2的液相銦滴，作為催化劑； 3)然后同時通入三甲基鎵和氨氣，使生成GaN并溶于銦滴，形成合金液滴； 4)最后同時通入三甲基鎵、氨氣和硅烷，在合金液滴上可控地生長出GaN納米線。
4.根據權利要求2所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:步驟2)中所述的通入三甲基銦時偏壓為350~450mbar。
5.根據權利要求2所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:步驟3)中所述合金液滴的直徑長為100~600nm。
6.根據權利要求2所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:步驟3)和步驟4)中所述通入三甲基鎵的摩爾流量為60~80 μ mol/min,氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的10~100 倍。
7.根據權利要求2所述的一種`GaN納米線的生長方法，其特征在于:步驟4)中所述的通硅烷流量為30~40nmol/min。
8.根據權利要求2所述的一種GaN納米線的生長方法，其特征在于:步驟4)中所述GaN納米線的直徑為300~lOOOnm，高度為I~10 μ m。
【文檔編號】C30B25/02GK103757693SQ201410011149
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】李述體, 刁家聲, 王幸福 申請人:華南師范大學