[发明专利]掺杂剂锌辅助的自催化法生长InN纳米棒材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米材料的外延生长方法，主要指在采用锌掺杂剂辅助自催化生长掺锌的InN纳米棒的方法。

背景技术

一维半导体纳米材料与其体材料相比具有更多优异的性能，所以近年来受到人们越来越多的研究和应用。InN作为III族氮化物中一员，最重要特性在于它具有低的有效质量和很高的迁移率和饱和漂移速度。所以，InN的纳米结构近来也得到了越来越多的重视。

制备一维InN纳米结构的方法主要有直接生长法和催化生长法。直接生长法不需要刻意引进催化剂，目前已有报道的是在MBE(molecular beamepitaxy)和CBE(chemieal-beam epitaxy)系统中得以实现，它们都是通过调节生长气氛中的III/V比，控制InN晶粒的生长模式来得到InN纳米结构。但是MBE生长成本高昂，生长速度慢(典型生长速度为4nm/min)，虽然CBE系统中典型生长速度达到25nm/min，但是InN纳米结构形貌控制很差，晶体质量也远不及应用要求。催化剂生长分为外来催化剂辅助生长和自催化生长两种方式：

1)采用的外来元素催化剂一般为贵金属，需要在衬底上预先采用一定方法(比如电子束沉积，溅射，纳米组装等)沉积一层贵金属作为催化剂，这样就增加了工艺步骤，而且贵金属价格昂贵，会对衬底造成难以避免的污染。另外，贵金属一般都难以去除，不利于后续制作纳米器件。

2)还有一种生长是利用单纯金属铟(In)的“自催化”效果。这种方法采用金属铟(In)与氨气(NH3)直接反应(多在CVD设备中采用)，或者利用H₂的还原性在MOCVD中通入适量的H₂与铟的有机源原位生成液态金属In作为自催化剂。这类方法可以得到InN的纳米材料。在这里，由于避免使用了贵金属作为催化剂，可以从根本上避免外来杂质的污染。但是，所得到的纳米棒取向大多是杂乱无章，形貌不规则，晶体质量也很难控制。如何利用掺杂剂辅助金属In自催化方法生长垂直于衬底，顶端平整且高质量的InN纳米棒，正是本发明要阐述的。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用掺杂剂辅助自催化生长掺锌的InN纳米棒的方法。特指一种使用掺杂剂限制InN初始成核晶粒的二维生长，使得InN晶粒优先沿C轴生长，并产生富余的金属In，在InN晶粒顶端形成金属In小球作为晶粒生长的自催化剂，从而获得垂直于衬底表面，顶端平整且晶体质量高的掺锌的InN纳米棒。

本发明提供一种掺杂剂锌辅助的自催化法生长InN纳米棒材料的方法，包含以下步骤：

步骤1：选用一衬底，并在金属有机化学气相外延设备的反应室中对衬底进行高温氮化处理；

步骤2：用氢气或者氮气作为载气，在衬底上生长一低温III族氮化物缓冲层，该缓冲层的作用是用来提高InN纳米棒的晶体质量和形貌；

步骤3：用氮气作为载气将含铟源、锌源的金属有机化合物和氨气通入到反应室，在氮化镓缓冲层上制备生长InN纳米棒，在InN纳米棒顶端同时生成金属In小球；

步骤4：关闭铟源和锌源，反应室温度降到350℃以下关闭氨气，继续通氨气的作用是抑制InN材料的高温热分解；

步骤5：降温，反应室温度由350℃降至室温后，将样品取出。

其中步骤1所述的衬底的材料为C面蓝宝石。

其中步骤1所述的对衬底进行高温氮化处理，具体过程是先在1000-1200℃且通氢气的条件下将衬底烘烤20分钟，再使用氢气+氨气的混合载气氮化衬底2-5分钟。

其中步骤2所述的在衬底上生长一低温III族氮化物缓冲层的温度为450-650℃。

其中步骤2中所述的低温III族氮化物缓冲层，是InN、氮化铝或GaN及它们之间的三元或四元合金，或者是能够降低衬底与InN纳米棒在界面处晶格失配的材料。

其中步骤3中所述的铟源、锌源的金属有机化合物为MOCVD设备中能够使用的铟源和锌源，如三甲基铟、乙基二甲基铟或二乙基锌。

其中步骤3中所述的制备生长InN纳米棒的工艺条件为：生长温度450℃一650℃，反应室压强为0.1-1个大气压，TMIn、DEZn、NH₃和N₂的流量具体值以及它们之间的比例的具体值随反应室结构的不同、大小的变化而做相应调整，通过调整生长温度、V/III比、铟源和锌源的流量比来获得不同直径或不同密度的掺锌InN纳米棒。

本发明与现有的技术相比，具有以下意义：