一種GaN納米線(xiàn)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GaN納米線(xiàn)及其制備方法，可用于納米線(xiàn)微電子和光電子器件。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]由于納米材料的力、熱、電、光、磁等性質(zhì)，與傳統(tǒng)體材料有很大差異，其研宄具有豐富的科學(xué)內(nèi)容和重要的科學(xué)價(jià)值，因而被認(rèn)為是21世紀(jì)的三大科學(xué)技術(shù)之一。其中，半導(dǎo)體納米線(xiàn)由于其獨(dú)特的一維量子結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是未來(lái)微納器件的基本結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，半導(dǎo)體納米線(xiàn)的研宄工作取得了很大進(jìn)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括集成電路、晶體管、激光器、發(fā)光二極管、單光子器件以及太陽(yáng)能電池等。其中，在眾多的半導(dǎo)體材料中，GaN基半導(dǎo)體材料具有較寬的直接帶隙，以其優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子漂移速度，高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等性能，目前廣泛應(yīng)用于高頻、高溫、高功率電子器件以及光電子器件等領(lǐng)域，已經(jīng)成為繼第一代鍺、硅半導(dǎo)體材料和第二代砷化鎵、磷化銦化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。因此，GaN納米線(xiàn)的制備成為人們研宄的熱點(diǎn)。
[0004]雖然GaN納米線(xiàn)具有很重要的應(yīng)用前景，但是GaN納米線(xiàn)器件的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還亟需解決一系列問(wèn)題，其中的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)GaN納米線(xiàn)的半徑、高度，位置的準(zhǔn)確調(diào)控。因此設(shè)計(jì)研發(fā)一種半徑、高度和位置可調(diào)控的GaN納米線(xiàn)制備方法是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了克服GaN納米線(xiàn)的半徑、高度以及生長(zhǎng)位置難以控制的問(wèn)題，首先提出一種GaN納米線(xiàn)制備方法。
[0007]本發(fā)明的又一目的是提出一種具有實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的GaN納米線(xiàn)。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種GaN納米線(xiàn)的制備方法，包括以下步驟:
步驟1:通過(guò)M0CVD，在襯底上外延生長(zhǎng)三族氮化物薄膜；
步驟2:在上述三族氮化物薄膜上沉積介質(zhì)層，并把該介質(zhì)層制備成圖形化掩蔽膜；步驟3:在上述圖形化的三族氮化物薄膜上通過(guò)MOCVD選擇性區(qū)域生長(zhǎng)技術(shù)外延生長(zhǎng)側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面的GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)；
步驟4:通過(guò)堿性溶液腐蝕，把GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的{1-101}面腐蝕掉，最終制備成側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面的GaN納米線(xiàn)。
[0009]本制備方法，可以通過(guò)控制外延生長(zhǎng)GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)參數(shù)，改變?cè)揋aN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的高度和(0001)頂面的大小，從而控制經(jīng)過(guò)堿性溶液腐蝕后形成的GaN納米線(xiàn)的高度和半徑。
[0010]優(yōu)選的，所述堿性溶液為KOH或NaOH溶液，其溶液的質(zhì)量濃度范圍為5%_80%。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟4中采用濕法腐蝕法把GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)腐蝕成GaN納米線(xiàn)，腐蝕過(guò)程的溶液溫度范圍為20 0C -100 °C。
[0012]優(yōu)選的，所述圖形化掩蔽膜的材料為5102或SiNx，開(kāi)孔的圖形結(jié)構(gòu)為圓形，圓孔直徑范圍為I μπι-20 μπι。
[0013]優(yōu)選的，所述襯底為S1、sapphire、SiC、GaN、AlN 或 ZnO 襯底。
[0014]優(yōu)選的，所述三族氮化物薄膜為AlN薄膜、GaN薄膜、或AlN和GaN薄膜構(gòu)成的復(fù)入PI=I /Ζλ O
[0015]優(yōu)選的，通過(guò)改變圖形化掩蔽膜的具體圖形結(jié)構(gòu)，能夠控制MOCVD外延生長(zhǎng)的GaN六角金字塔結(jié)構(gòu)的位置和排列形式，從而控制最后經(jīng)過(guò)堿性溶液腐蝕后形成的GaN納米線(xiàn)或納米線(xiàn)陣列的位置和排列形式。
[0016]優(yōu)選的，通過(guò)GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的高度控制GaN納米線(xiàn)的高度，通過(guò)GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的(0001)頂面控制GaN納米線(xiàn)的半徑。
[0017]一種GaN納米線(xiàn)，是側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面的GaN納米線(xiàn)，該GaN納米線(xiàn)底部從上至下依次為圖形化掩蔽膜、三族氮化物薄膜和襯底。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明給出了一種成本低廉、可操作性強(qiáng)的GaN納米線(xiàn)生長(zhǎng)制備工藝，此GaN納米線(xiàn)的高度、直徑、生長(zhǎng)位置都可以精確控制，并且可以根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)單根GaN納米線(xiàn)或GaN納米線(xiàn)陣列。
[0019]
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明提供的GaN納米線(xiàn)的基本制備流程圖。
[0021]圖2Α是本發(fā)明實(shí)施例1提供的GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的SEM圖。
[0022]圖2Β是本發(fā)明實(shí)施例1提供的GaN納米線(xiàn)的SEM圖。
[0023]圖3Α是本發(fā)明實(shí)施例2提供的GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的SEM圖。
[0024]圖3Β是本發(fā)明實(shí)施例2提供的GaN納米線(xiàn)的SEM圖。
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例3提供的GaN納米線(xiàn)陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5是本發(fā)明實(shí)施例4提供的core/shell結(jié)構(gòu)的納米線(xiàn)InGaN/GaN LED的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖6是本發(fā)明實(shí)施例5提供的棒狀結(jié)構(gòu)的納米線(xiàn)InGaN/GaN LED的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下所述的具體實(shí)施例，對(duì)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，以下所述僅為本發(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)。
[0030]附圖中，1-襯底，2-三族氮化物薄膜，3-圖形化掩蔽膜，4-GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)，5-GaN納米線(xiàn)，6-1nGaN/GaN有源層，7-p-GaN覆蓋層，8_Si02覆蓋層。
[0031 ] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的GaN納米線(xiàn)的基本制備流程為:
第一步:通過(guò)M0CVD，在襯底上外延生長(zhǎng)三族氮化物薄膜；
第二步:在上述三族氮化物薄膜上沉積介質(zhì)層，并把該介質(zhì)層制備成圖形化掩蔽膜；第三步:在上述圖形化的三族氮化物薄膜上通過(guò)MOCVD選擇性區(qū)域生長(zhǎng)技術(shù)外延生長(zhǎng)出側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面的GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)；
第四步:通過(guò)堿性溶液腐蝕，把GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的{1-101}面腐蝕掉，最終制備成側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面的GaN納米線(xiàn)。
[0032]基于上述GaN納米線(xiàn)的基本制備流程給出以下實(shí)施例:
實(shí)施例1
在Si襯底上制備直徑小于200 nm，高度約為5 μ m的GaN納米線(xiàn)，本實(shí)施例的材料結(jié)構(gòu)從下至上依次為，Si襯底，AlN三族氮化物薄膜，3;102圖形化掩蔽膜，GaN納米線(xiàn)。即在本實(shí)施例中襯底I采用Si襯底，三族氮化物薄膜2采用AlN三族氮化物薄膜，圖形化掩蔽膜3采用3102圖形化掩蔽膜。
[0033]其制備方法依次包括以下步驟:
步驟1:將Si襯底放入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在Si襯底上外延生長(zhǎng)厚度為300 nm的AlN三族氮化物薄膜；
步驟2:通過(guò)PECVD，在上述AlN三族氮化物薄膜(生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN薄膜為外延片)上沉積厚度為100 nm的S12介質(zhì)層，并采用常規(guī)的光刻和濕法腐蝕方法，把S12介質(zhì)層制備成周期性孔洞結(jié)構(gòu)的圖形化掩蔽膜，此圖形化掩蔽膜圖樣是開(kāi)孔直徑為3 μπι的圓形；
步驟3:把上述帶有圖形化掩蔽膜的外延片放入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在1095 0C, 300 mbar，氫氣氛圍環(huán)境下通入10000 sccm的氨氣(NH3)和40 sccm的三甲基鎵(TMGa) 30分鐘，選擇性區(qū)域生長(zhǎng)出GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)，此GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的側(cè)面為{1-101}面，頂面為(0001)面，高度約為5 μ m，頂面直徑小于200nm，其結(jié)構(gòu)如圖2A所示；
步驟4:把上述帶有GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的外延片置于質(zhì)量濃度為30%，溫度為50 0C的氫氧化鉀(KOH)溶液中腐蝕30分鐘，把GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的{1-101}側(cè)面腐蝕掉，形成側(cè)面為{1-100}面，頂面為(0001)面，高度約為5 μ m，直徑小于200 nm的GaN納米線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖2B所示。
[0034]實(shí)施例2
在Si襯底上制備直徑約為500 nm,高度約為4 μ m的GaN納米線(xiàn)，本實(shí)施例的材料結(jié)構(gòu)從下至上依次為，Si襯底，AlN/GaN三族氮化物薄膜，3;102圖形化掩蔽膜，GaN納米線(xiàn)。即在本實(shí)施例中襯底I采用Si襯底，三族氮化物薄膜2采用AlN/GaN三族氮化物薄膜，圖形化掩蔽膜3采用3102圖形化掩蔽膜。
[0035]其制備方法依次包括以下步驟:
步驟1:將Si襯底放入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在Si襯底上依次外延生長(zhǎng)厚度為100 nm的AlN外延層和厚度為800 nm的GaN外延層；
步驟2:通過(guò)PECVD，在上述AlN/GaN三族氮化物薄膜(生長(zhǎng)在Si襯底上的AlN/GaN薄膜為外延片)上沉積100 nm的S12介質(zhì)層，并采用常規(guī)的光刻和濕法腐蝕方法，把S1 2介質(zhì)層制備成周期性孔洞結(jié)構(gòu)的圖形化掩蔽膜，此圖形化掩蔽膜圖樣是開(kāi)孔直徑為3 μπι的圓形；
步驟3:把上述帶有圖形化掩膜的外延片放入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在1095 0C, 250 mbar,氫氣氛圍環(huán)境下通入10000 sccm的氨氣(NH3)和40 sccm的三甲基鎵(TMGa) 25分鐘，選擇性區(qū)域生長(zhǎng)出GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)，此GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的側(cè)面為{1-101}面，頂面為(0001)面，高度約為4 μ m，頂面直徑約為500 nm，其結(jié)構(gòu)如圖3A所示；
步驟4:把上述帶有GaN六角金字塔微結(jié)構(gòu)的外延片置于質(zhì)量濃