[发明专利]Ⅲ族氮化物纳米材料的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在干法刻蚀制作的氮化镓(GaN)纳米阵列上生长III族氮化物纳米材料的生长方法。旨在生长出高质量、高纵横比的III族氮化物纳米阵列，以形成核壳(core/shell)径向异质结、p-n结、多量子阱(MQW)等结构的纳米阵列，属于III族氮化物纳米阵列生长制备领域。

背景技术

III族氮化物纳米结构可引入量子限制效应、改善应力弛豫状态、增加光学抽取效率等特点，在过去几年中得到广泛关注。例如，氮化物纳米结构可以提高氮化物LED的发光强度。

目前，纳米结构的生长方法有以下几种：(1)催化剂辅助气液固(vapor-liquid-solid，VLS)生长：在生长之前，将2-10nm厚的Ni、Fe、Au等金属热蒸发到衬底上作为催化剂，典型的VLS过程开始时，气体反应物溶入纳米尺寸的催化金属液滴中，因过饱和而生长成纳米单晶柱或线。基于VLS生长的纳米线，其顶部留有催化金属液滴，纳米线的直径是由纳米尺寸的催化剂液滴的直径决定的，而纳米线的长度是由生长时间决定；(2)MBE或等离子体辅助MBE(plasma-assisted molecular beam epitaxy，PA-MBE)生长氮化铟(InN)的方法中，InN在富氮(N-rich)的环境中会出现[0001]方向的一维生长，从而形成InN纳米柱；(3)化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)通过金属In与NH3反应得到InN纳米线；(4)氢化物气相外延(HVPE)方法生长；(5)选择区域沉积(selective area deposition)法生长通过多孔阳极氧化铝(porous anodic alumina，PAA)纳米掩膜来实现GaN纳米柱的生长。

对于金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统而言，如果采用金属催化剂的VLS生长方法，得到的纳米线通常是随机分布在衬底上的，需要将纳米线从衬底上剥离下来，对单根纳米柱进行器件制作。这样很不利于大批量的器件制作。而且引入金属，容易造成反应室的玷污。因此，使用MOCVD系统在GaN纳米柱上生长垂直于衬底的、尺寸可控且有序的氮化(镓)铟(In(Ga)N)覆盖层，形成In(Ga)N/GaN纳米柱异质结阵列是值得研究的方向。

该方法没有使用金属作催化剂，对于MOCVD系统来说，可以减少引入杂质的可能。通过这种方法，可用于制作尺寸可控的InGaN纳米器件，例如高效氮化物发光二极管(LED)阵列和光电探测器阵列等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在干法刻蚀形成的GaN纳米柱阵列上生长III族氮化物纳米材料的方法，其可用于制作尺寸可控的In(Ga)N纳米光电或微电器件等，例如高效氮化物发光二极管(LED)阵列和光电探测器阵列或其他比如场发射等器件等等。本发明提供的制作方法简单易行，对于Ni金属膜和SiO₂层的质量要求也不高，适合于科学实验和批量生产时采用。

本发明提供一种III族氮化物纳米材料的生长方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次外延生长GaN模板、SiO₂层和Ni金属膜；

步骤2：采用两步快速热退火方法，使Ni金属膜形成自组织的纳米尺寸Ni颗粒；

步骤3：用自组织的纳米尺寸Ni颗粒作掩模，采用干法刻蚀SiO₂层，形成SiO₂纳米柱；

步骤4：用自组织的纳米尺寸Ni颗粒以及刻蚀形成的SiO₂纳米柱做作掩模，采用干法刻蚀GaN模板，形成GaN纳米柱阵列；

步骤5：用BOE溶液去除SiO₂纳米柱以及其上的纳米尺寸Ni颗粒，得到GaN纳米柱阵列；

步骤6：在GaN纳米柱阵列上及其侧壁和纳米柱阵列的底部生长InN或InGaN III族氮化物半导体材料。

其中所述的衬底的材料为：蓝宝石、GaN、Si、GaAs、SiC或LiAlO₂。

其中所述的采用干法刻蚀GaN模板，形成GaN纳米柱阵列，刻蚀深度小于GaN模板的厚度。

其中所述的用干法刻蚀SiO₂层，形成SiO₂纳米柱，其刻蚀深度为SiO₂层的厚度。

其中所述的III族氮化物半导体材料包括：GaN、AlN或InN及由它们组成的三元或者多元化合物。