[发明专利]一种GaN纳米线生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用氢化物气相外延生长GaN纳米线的方法。

背景技术

以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9—6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。

一维体系的纳米材料是可以有效传输电子和光学激子的最小维度结构，也是纳米机械器件和纳米电子器件的最基本结构单元。GaN材料作为重要半导体材料的优良特性使得一维GaN纳米结构在微纳光电器件、光电探测器件、电子器件、环境和医学等领域具有更广泛的的潜在应用前景，因此，制备性能优异、高质量的一维GaN纳米结构及特性研究就成为当前国际、国内研究的前沿课题。

GaN基材料的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延（MOCVD）、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延（MBE）、升华法以及氢化物气相外延（HVPE）等。GaN纳米结构的制备主要有各向异性可控生长法、VLS (Vapor– Liquid–Solid)和SLS(Solution–Liquid–Solid)机制生长法、模板辅助生长法、表面活性剂法、纳米粒子自组装及物理或化学方法剪切等。GaN纳米结构的生长可以采用多种方式如MOCVD、MBE等获得，但是此类设备价格成本高，源材料价格高昂。

本发明给出了一种采用金属镍（Ni）做催化剂，用氢化物气相外延（HVPE）设备生长GaN纳米线的方法及工艺。

发明内容

本发明目的是：提出一种用金属镍作为催化剂，在氢化物气相外延生长设备中生长GaN纳米线。能制备出性能优异、高质量的一维GaN纳米结构产品。

本发明的技术方案是，制备GaN纳米线的方法，利用氢化物气相外延（HVPE）设备生长GaN纳米线。以金属镍作催化剂，蓝宝石衬底的清洗后，先蒸镀金属Ni薄膜的；Ni薄膜沉积速率设置约为1-2埃/秒，Ni薄膜厚度5-50nm；将覆有金属镍薄膜的蓝宝石衬底放入HVPE生长系统中，开始低温生长GaN纳米线；生长温度：500–850℃；高纯N₂作为载气，总N₂载气流量1-5slm；Ga源采用常规的高纯金属镓和高纯HCl反应生成GaCl，HCl流量：1-20sccm，HCl载气流量10-200sccm。高纯氨气作为氮源，NH₃流量：50–500sccm；生长时间1-10分钟。

生长温度尤其是：500- 650℃。

金属镍作为催化剂时， GaN纳米线的HVPE为VLS机制。由于HVPE生长速率快（几百微米/小时），常用于快速生长厚膜。在本发明中， 需要控制生长条件，使得HVPE GaN生长速率降低，以获得GaN纳米线。本发明的技术方案为：用物理气相沉积的方法在蓝宝石衬底上蒸镀金属Ni，然后放入HVPE生长系统中，低温生长 GaN纳米线。

本发明有益效果是：本发明给出了一种工艺简单、成本低廉的GaN纳米线生长方法和工艺。直径达到数十纳米，且长度可以达到数微米。

附图说明

图1为本发明实施例的产物照片。在其它参数不变的情况下， NH₃流量变化制备GaN纳米线的形貌（图1在左中右三幅照片分别对应着 NH₃流量的不同：即分别为50，100和200sccm。生长温度：550、600和650℃除纳米线径度外，外观无显著区别。

图2 为本发明实施例的产物照片。HVPE生长GaN纳米线的扫描电子显微镜照片，其中插入图为高倍数照片。

具体实施方式

本发明方法和工艺包括几个部分：金属Ni薄膜在蓝宝石衬底上的物理气相沉积；GaN纳米线的HVPE低温生长。

本发明技术实施方式之一，HVPE技术制备GaN纳米线，包括下面几步：

1、             蓝宝石衬底的清洗和处理。将样品依次在去离子水、乙醇和去离子水中进行超声清洗，除去表面残留的污染物，用氮气吹干。