生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及GaN纳米柱，特别涉及生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱及其制备方法和应用。

背景技术

GaN及III-族氮化物由于禁带宽度大、物理化学性质稳定、热导率高和电子饱和速度高等优点，广泛应用于发光二极管(LED)、激光器和光电子器件等方面。与其他宽禁带半导体材料相比，GaN材料除具有上述优点外，其纳米尺度的GaN材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。

GaN纳米材料因“尺寸效应”产生了一系列新颖特性，使得它在基本物理科学和新型技术应用方面有着巨大的前景，已成为当前研究的热点。而GaN纳米柱结构更是在制备纳米范围发光器件如LED、激光二极管LD上表现出了更加优异的性能。

目前，GaN基器件主要是基于蓝宝石衬底上外延生长和制备，然而蓝宝石由于热导率低，导致以蓝宝石为衬底的大功率GaN器件产生的热量无法有效释放，导致热量不断累积使温度上升，加速GaN基发光器件，存在器件性能差、寿命短等缺点。相比之下，Si的热导率比蓝宝石高，在Si衬底上制备的大功率GaN基半导体器件在工作时产生的热量得到有效释放。

在Si衬底上生长直径均一、直立、有序性高的GaN纳米柱是制备高性能GaN基光电器件的先提条件。但是由于Si与GaN之间的的晶格失配和热失配大；同时，生长初期GaN纳米柱分布不均匀，生长过程中Ga和N原子分布的差异，导致生长的GaN纳米柱会有高度、径长不均匀、有序性差等情况。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱的制备方法，获得有序性好、直径均一的GaN纳米柱。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法得到的生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱。

本发明的再一目的在于提供上述生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面；

(2)衬底清洗；

(3)衬底退火处理；

(4)高温生长GaN纳米柱：在900-1100℃，N分压为2-8sccm，Ga束流量为2-8×10^-8Torr，射频功率为50-300W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为0.5-1.5小时，生长速率为20-1000nm/h；

(5)低温下继续生长GaN纳米柱：在650-800℃，N分压为2-8sccm，Ga束流量为2-8×10^-8torr，射频功率为50-300W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为1.5-2.5小时，生长速率为20-1000nm/h。

步骤(2)所述衬底清洗，具体为：

用体积比为1:10的HF与去离子水混合液对衬底进行标准超声清洗1-2分钟,然后用去离子水反复冲洗1-2分钟，最后用高纯干燥氮气吹干。

步骤(3)所述衬底退火处理，具体为：

将Si衬底传输至生长室内，在1000-1100℃下退火处理0.5～1小时，去除衬底表面残留的氧化物。

步骤(4)得到的GaN纳米柱高度为50-150nm、直径为40-50nm。

步骤(5)得到的GaN纳米柱高度为350-500nm，直径为40-50nm。

所述的制备方法得到的生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱。

所述生长在Si(111)衬底上的GaN纳米柱，用于制备半导体激光器、发光二极管及太阳能电池。

本发明的原理如下：

当生长温度较低时，纳米柱的生长方向无序，但是纳米柱的直径均一性高，当纳米柱生长温度较高时，纳米柱直径均一性差。由此，本发明在Si衬底上现在高的生长温度条件下进行纳米柱的初期生长，使形成有序性较好的GaN纳米柱；然后降低生长温度，在高有序性纳米柱上低温生长直径均一的纳米柱。最后获得有序性好、直径均一的GaN纳米柱。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、通过高温获得高有序性和低温保持直径均一的温度分段处理，既改善了高温生长纳米柱的不均匀性，又改善低温生长纳米柱的柱向杂乱情况。

2、本发明采用Si衬底进行GaN纳米柱的生长，由于Si衬底热导率高，且成本较低，有利于发展低成本GaN大功率器件。

3、本发明的GaN纳米柱结构是应变弛豫的，低缺陷密度，晶体质量高，因此制备的GaN纳米柱基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的发光效率。

4、本发明采用的生长工艺没有采用催化剂，不需要进行对衬底进行图案的制作，本发明具有简单易行，可重复性高，生产周期短。

附图说明

图1为实施例1制备的GaN纳米柱的示意图，其中11为GaN纳米柱，12为Si衬底。

图2为采用实施例1生长获得的GaN纳米柱截面扫描电子显微镜图。

图3为采用实施例1生长获得的GaN纳米柱高分辨透射电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(0001)//Si(111)，有助于外延生长高质量GaN纳米柱。

(2)衬底表面抛光：将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

(3)衬底清洗：用体积比为1:10的HF与去离子水混合液对衬底进行标准超声清洗1分钟，然后用去离子水反复冲洗1分钟，最后用高纯干燥氮气吹干。

(4)衬底退火处理：将清洗、吹干后的Si衬底传输至分子束外延生长系统的生长室内，在1000℃下对Si衬底进行退火处理1小时。

(5)高温生长GaN纳米柱：在1100℃，N分压为6sccm，Ga束流量为6×10^-8Torr，射频功率为200W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为0.5小时，生长速率为160nm/h，获得高度约为80nm、直径约为40nm的高有序性GaN纳米柱。

(6)低温下继续生长GaN纳米柱：在800℃，N分压为6sccm，Ga束流量为6×10^-8torr，射频功率为200W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为2.5小时，生长速率为146.7nm/h，最后获得高度约为300nm、直径约为40nm高有序、直径均一的GaN纳米柱。

图1为本实例的纳米柱示意图，GaN纳米柱11生长在Si衬底12上。图2为实施例1的扫描电子显微镜照片，从照片可以观察到，纳米柱的均匀性较高，而且直径均一，没有出现漏斗形、金字塔形等直径不均一的纳米柱。表明本发明所获得的GaN纳米柱具有高有序性且直径均一的特点。图3为纳米柱的高分辨透射电子显微镜照片，可观察到晶格排列整齐，表明本发明所生长的纳米柱晶体质量高。

实施例2

(1)衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面，即GaN(0001)//Si(111)，有助于外延生长高质量GaN纳米柱。

(2)衬底表面抛光：将Si衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。

(3)衬底清洗：用体积比为1:10的HF与去离子水混合液对衬底进行标准超声清洗1分钟，然后用去离子水反复冲洗1分钟，最后用高纯干燥氮气吹干。

(4)衬底退火处理：将清洗、吹干后的Si衬底传输至分子束外延生长系统的生长室，在1000℃下对Si衬底进行退火处理1h。

(5)高温生长GaN纳米柱：在950℃，N分压为3sccm，Ga束流量为4×10^-8Torr，射频功率为120W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为1.5小时，生长速率为66.7nm/h，获得高度约为100nm、直径约为45nm的高有序性GaN纳米柱。

(6)低温下继续生长GaN纳米柱：在700℃，N分压为3sccm，Ga束流量为4×10^-8torr，射频功率为120W的条件下生长GaN纳米柱，生长时间为1.5小时，生长速率为166.7nm/h，最后获得高度为350nm、直径为45nm高有序、直径均一的GaN纳米柱。

实施例2所生长的GaN纳米柱与实施例1所生长的GaN纳米柱大致相同，实施例2所生长的GaN纳米柱的高度较高，且直径略大于实施例1所生长的GaN纳米柱，其晶体质量与实施例1无差别，在本实施例中不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。