[發明專利]一種GaN納米線的生長方法

有效

• 申請號: 201410011149.X
• 申請日: 2014-01-09
• 公開（公告）號: CN103757693A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 李述體;刁家聲;王幸福
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B25/18;C30B29/38;C30B29/62;C01B21/06
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭瑩

技術領域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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，可以制作大尺寸的硅襯底，但是在硅襯底上生長GaN，由于Ga與襯底表面的硅原子容易形成回熔，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

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。

本發明的目的在于提供一種生長GaN納米線的方法。

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。

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Si、Al₂O₃、SiC或GaAs中的一種。

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℃熱處理襯底10～20min；?

2）然后在600～700℃，通入三甲基銦30～300s，在襯底上形成密度為8×10⁶～5×10⁸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。

進一步的，步驟2）中所述的通入三甲基銦時偏壓為350～450mbar。

進一步的，步驟3）中所述合金液滴的直徑長為100～600nm。

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60～80μmol/min，氨氣的摩爾流量是三甲基鎵的10～100倍。

進一步的，步驟4）中所述的通硅烷流量為30～40nmol/min。

進一步的，步驟4）中所述GaN納米線的直徑為300～1000nm，高度為1～10μm。

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。

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玷污。

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。

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。

附圖說明