專利名稱：利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶GaN納米管的外延生長(zhǎng)方法，主要是利用InN納米棒作為形核層，利用core-shell結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)高度均一、豎直排列的單晶GaN納米管。
背景技術(shù)：
氮化鎵一種新型的III/V族寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體。由于特殊的光學(xué)電學(xué)性質(zhì)，氮化鎵被廣泛的用于各種光學(xué)、電學(xué)器件，如LEDs、LDs等，氮化鎵基LED是固態(tài)發(fā)光器件的核心技術(shù)。近年來(lái)GaN納米結(jié)構(gòu)已成為研究的新熱點(diǎn)。由于其具有量子尺寸效應(yīng),納米GaN表現(xiàn)出了與固體材料不同的特殊性質(zhì)，更具有很多特殊的性能。利用GaN納米結(jié)構(gòu)研制納米光學(xué)、電學(xué)器件成為人們提高器件性能的一條新思路，例如core-shell LEDs被認(rèn)為是固 態(tài)發(fā)光器件發(fā)展的一個(gè)重大突破。因此，納米GaN材料具有極大的潛在應(yīng)用前景。以往生長(zhǎng)氮化鎵納米結(jié)構(gòu)大多采用催化劑或者圖形襯底，利用催化劑得到的納米結(jié)構(gòu)大多雜亂，排列不可控。而利用圖形襯底可以生長(zhǎng)排列整齊的納米結(jié)構(gòu)，不過(guò)圖形襯底技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)高度均一、豎直排列的單晶GaN納米管的方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，包括步驟I :取一襯底；步驟2 :利用MOCVD方法，通入銦源和鋅源，在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒；步驟3 :關(guān)閉銦源和鋅源，通入鎵源，在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層；步驟4 :關(guān)閉鎵源，在氨氣氣氛下升高反應(yīng)室溫度，對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，使InN納米棒分解隨載氣排除，完成單晶GaN納米管的生長(zhǎng)。上述方案中，步驟I中所述襯底為C面藍(lán)寶石襯底。上述方案中，步驟2中所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，其具體過(guò)程是先在1050°C下烘烤藍(lán)寶石襯底20分鐘，通入氨氣在1050°C下對(duì)襯底氮化3分鐘，然后降低溫度到550°C，同時(shí)通入銦源和鋅源生長(zhǎng)20分鐘。上述方案中，步驟2中所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，采用的載氣是氮?dú)?，生長(zhǎng)壓強(qiáng)是760Torr。上述方案中，步驟3中所述在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層，所用的時(shí)間為2分鐘，反應(yīng)室壓強(qiáng)為50Torr，載氣為氮?dú)?。上述方案中，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，其具體過(guò)程是在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層后立刻升高反應(yīng)室溫度到1100°C，溫度達(dá)到1100°C后即刻降溫，自然冷卻至室溫。上述方案中，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火過(guò)程中一直通有氨氣做保護(hù)，直到溫度降低到300°C關(guān)掉氨氣，結(jié)束GaN納米管的生長(zhǎng)。上述方案中，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火時(shí)反應(yīng)室的壓強(qiáng)保持50Torr。 上述方案中，步驟3和步驟4中所述的銦源是三甲基銦，鎵源是三甲基鎵，鋅源是
二乙基鋅,氨氣作為氮源。(三)有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)I)能夠得到高度均一、豎直排列的單晶GaN納米管。用催化劑等方法得到的納米管大多排列雜亂，沒(méi)有規(guī)律。利用此技術(shù)可以得到高度均一、豎直排列的單晶GaN納米管，方便在GaN納米管上后續(xù)生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)。2)本發(fā)明是利用InN納米棒作為形核層，并且在后續(xù)退火過(guò)程中將InN分解通過(guò)尾氣排出?？梢詼p少因?yàn)橐氪呋瘎┒斐傻拇呋瘎┪廴?，提高?GaN納米管材料質(zhì)量。3)生長(zhǎng)速度快。MBE和MOCVD作為兩種主要的高質(zhì)量材料生長(zhǎng)技術(shù)，所得到的晶體質(zhì)量被公認(rèn)為是其他技術(shù)所無(wú)法比擬的，尤其是MOCVD技術(shù)，可以批量生產(chǎn)，已經(jīng)在工業(yè)化生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。相比MBE生長(zhǎng)技術(shù)，我們發(fā)明的方法具有高生長(zhǎng)速度，同時(shí)生長(zhǎng)質(zhì)量較好。4)方法簡(jiǎn)單。這種技術(shù)所用的源都是生長(zhǎng)氮化物MOCVD設(shè)備最常見(jiàn)的源，所有的步驟都可以在同一臺(tái)MOCVD設(shè)備內(nèi)完成。不需要生長(zhǎng)中途更換設(shè)備，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟。5)成本低廉。這種技術(shù)是利用MOCVD方法生長(zhǎng)，成本相對(duì)低廉。加之這種技術(shù)對(duì)襯底沒(méi)有特殊要求，普通的C面藍(lán)寶石襯底即可。比起昂貴的圖形襯底，本技術(shù)成本小的很多。6)可以通過(guò)控制InN納米棒和低溫GaN的生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)得到不同高度和不同厚度的GaN納米管。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，其中圖I是本發(fā)明提供的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法流程圖。圖2是本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)的單晶GaN納米管的的SEM圖像；其中(a)為單個(gè)納米管的表面圖，(b)為截面圖。圖3是本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)的單晶GaN納米管的的XRD圖像；圖3中只出現(xiàn)GaN的(0001)和(0002)峰，說(shuō)明所得的納米管是單晶納米管。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層，在低溫下在InN納米棒表面生長(zhǎng)薄層GaN材料，然后高溫退火，在退火過(guò)程中一方面中心部位的InN納米棒會(huì)分解形成中空結(jié)構(gòu)，另一方面低溫生長(zhǎng)的GaN在升溫過(guò)程中會(huì)有再結(jié)晶過(guò)程，最終形成排列整齊的單晶GaN納米管。如圖I所示，圖I是本發(fā)明提供的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟I :取一襯底；所述襯底為C面藍(lán)寶石襯底。步驟2 :利用MOCVD方法，通入銦源和鋅源，在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒；·在本步驟中，在生長(zhǎng)氮化物的金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備中生長(zhǎng)排列整齊、高度均一的InN納米棒；具體生長(zhǎng)參數(shù)如下生長(zhǎng)溫度為550°C，反應(yīng)室壓強(qiáng)為760Torr，載氣用的是氮?dú)?，生長(zhǎng)前對(duì)襯底通氨氣氮化3分鐘。所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，其具體過(guò)程是先在1050°C下烘烤藍(lán)寶石襯底20分鐘，通入氨氣在1050°C下對(duì)襯底氮化3分鐘，然后降低溫度到550°C，同時(shí)通入銦源和鋅源生長(zhǎng)20分鐘。所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，采用的載氣是氮?dú)猓L(zhǎng)壓強(qiáng)是760ΤΟ1Γ。步驟3 :關(guān)閉銦源和鋅源，通入鎵源，在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層；在本步驟中，結(jié)束InN納米棒生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)薄層低溫GaN材料，具體工藝條件為調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)為50Torr，氮?dú)庾鳛檩d氣。所述在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層，所用的時(shí)間為2分鐘。步驟4 :關(guān)閉鎵源，在氨氣氣氛下升高反應(yīng)室溫度，對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，使InN納米棒分解隨載氣排除，完成單晶GaN納米管的生長(zhǎng)；在本步驟中，所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，其具體過(guò)程是在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層后立刻升高反應(yīng)室溫度到1100°C，溫度達(dá)到1100°C后即刻降溫，自然冷卻至室溫。所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火過(guò)程中一直通有氨氣做保護(hù)，直到溫度降低到300°C關(guān)掉氨氣，結(jié)束GaN納米管的生長(zhǎng)。所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火時(shí)反應(yīng)室的壓強(qiáng)保持50TOrr。另外，步驟3和步驟4中所述的銦源是三甲基銦，鎵源是三甲基鎵，鋅源是二乙基鋅，氨氣作為氮源。圖2是本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)的單晶GaN納米管的的SEM圖像；其中(a)為單個(gè)納米管的表面圖，(b)為截面圖。如圖2(a)所示，從SEM的表面圖可以看出我們得到的樣品為中空結(jié)構(gòu)，既管狀結(jié)構(gòu)。并且可以看出GaN納米管的外壁呈現(xiàn)規(guī)則六角形，這與單晶GaN的六角密堆積結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，也與圖3的XRD數(shù)據(jù)的單晶結(jié)構(gòu)相吻合。從圖2(b)可以清晰看出用本方法得到的納米管都是垂直與襯底表面生長(zhǎng)的，既豎直排列，并且納米管的高度也很一致。圖3是本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)的單晶GaN納米管的的XRD圖像。如圖3所示，樣品的XRD圖譜中只出現(xiàn)兩個(gè)峰，分別為GaN的(0001)和(0002)峰。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)InN的峰和GaN的其它面的峰出現(xiàn)。XRD數(shù)據(jù)再次證明了用本方法得到的納米管為GaN單晶結(jié)構(gòu)，并且豎直方向?yàn)镚aN的c軸方向。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，包括 步驟I :取一襯底； 步驟2 :利用MOCVD方法，通入銦源和鋅源，在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒； 步驟3 :關(guān)閉銦源和鋅源，通入鎵源，在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層； 步驟4 :關(guān)閉鎵源，在氨氣氣氛下升高反應(yīng)室溫度，對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，使InN納米棒分解隨載氣排除，完成單晶GaN納米管的生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟I中所述襯底為C面藍(lán)寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟2中所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，其具體過(guò)程是 先在1050°C下烘烤藍(lán)寶石襯底20分鐘，通入氨氣在1050°C下對(duì)襯底氮化3分鐘，然后降低溫度到550°C，同時(shí)通入銦源和鋅源生長(zhǎng)20分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟2中所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，采用的載氣是氮?dú)狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟2中所述在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒，生長(zhǎng)壓強(qiáng)是760Torro
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟3中所述在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層，所用的時(shí)間為2分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟3中所述在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層，反應(yīng)室壓強(qiáng)為50Torr。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟3中所述在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層，載氣為氮?dú)狻?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，其具體過(guò)程是 在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層后立刻升高反應(yīng)室溫度到1100°C，溫度達(dá)到1100°C后即刻降溫，自然冷卻至室溫。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火過(guò)程中一直通有氨氣做保護(hù)，直到溫度降低到300°C關(guān)掉氨氣，結(jié)束GaN納米管的生長(zhǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟4中所述對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，退火時(shí)反應(yīng)室的壓強(qiáng)保持50Torr。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，其特征在于，步驟3和步驟4中所述的銦源是三甲基銦，鎵源是三甲基鎵，鋅源是二乙基鋅，氨氣作為氮源。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用InN納米棒作為形核層生長(zhǎng)單晶GaN納米管的方法，包括步驟1取一襯底；步驟2利用MOCVD方法，通入銦源和鋅源，在襯底上得到高度均一、豎直排列的InN納米棒；步驟3關(guān)閉銦源和鋅源，通入鎵源，在InN納米棒外層生長(zhǎng)GaN層；步驟4關(guān)閉鎵源，在氨氣氣氛下升高反應(yīng)室溫度，對(duì)外層覆蓋有GaN層的InN納米棒在高溫下退火，使InN納米棒分解隨載氣排除，完成單晶GaN納米管的生長(zhǎng)。本發(fā)明利用InN納米棒作為形核層，可以獲得排列整齊的單晶GaN納米管。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102820213SQ20121032558
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者劉長(zhǎng)波, 趙桂娟, 桑玲, 王建霞, 魏鴻源, 焦春美, 劉祥林, 朱勤生, 楊少延, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所