[发明专利]一种InN自组装纳米柱制备方法及其产物

说明书

本发明公开了一种InN自组装纳米柱制备方法及其产物，包括以下步骤：(1)对表面有二氧化硅薄层的衬底进行低温退火处理；(2)采用氮等离子体对二氧化硅薄层进行低温氮化处理形成成核点；(3)采用低温外延形成InN纳米柱形貌；(4)升高衬底温度后，继续生长InN纳米柱。本发明提供的制备方法采用对衬底表面二氧化硅薄层进行氮化处理，在氮化处理后形成的成核层上低温获得InN纳米柱形貌，并且本发明采用的SiO₂/InN异质结结构可实现不同衬底上InN纳米柱异质结结构的制备，有助于实现新型InN基光电子器件的设计，本发明全工艺流程均在低温下进行，具有良好的工艺兼容性，制备成本低，并且制备的InN纳米柱分布均匀、形貌可控，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，更具体地，涉及一种InN自组装纳米柱制备方法及其产物。

背景技术

Ⅲ族氮化物半导体材料是一种具有广阔发展前景和巨大潜力的光电材料，作为氮化物中的重要一员，InN具有许多独特的优良特性，如极高的饱和电子漂移速度和电子迁移率，特别是其0.7eV左右窄直接带隙和纳米结构InN材料光泵浦近红外激射现象的发现，使氮化物的应用从传统的可见-紫外发光器件、高速大功率电子器件等领域扩展到近红外激光器、高效太阳能电池等新的领域。而纳米结构的氮化物材料由于能够有效释放应力，并具有量子尺寸效应、表面效应及小尺寸效应等特性，使其在制备新型高性能氮化物光电子及电子器件方面具有巨大潜力。

由于沿着c轴方向生长的InN纳米柱有金属极性面和氮极性面两种结构，而两种极性面InN材料具有相反方向的极化电场，其在生长动力学、器件能带结构、化学和物理性质上存在明显差异，适于制备不同结构类型的光电子器件及电子器件。相对于氮极性面氮化物纳米柱材料，金属极性面氮化物纳米柱材料的外延技术较为成熟。目前常见的有金属催化剂诱导生长InN纳米柱方法，但是该方法不可避免的在纳米柱中引入金属杂质，并引入大量缺陷从而增强非辐射复合，生长结束时金属催化剂会残存在纳米柱顶端，会对后期制备器件的性能产生影响并增加工艺复杂性。而采用在衬底上直接生长InN纳米柱时，由于生长初期衬底表面上吸附的In原子与N原子的迁移能力不同导致其在衬底表面分布不均匀，因而制备的样品呈现出In极性和N极性混杂的情况，并且制备的纳米柱存在尺寸不均匀、有序性差的问题。目前多采用对晶格失配度比较大的蓝宝石衬底高温氮化形成AlN成核点制备氮极性面氮化物薄膜材料，但是在具有更大晶格失配的Si衬底及其他类型衬底上实现氮极性氮化物纳米柱的制备还存在极大的挑战。因此如何获得单一极性、尺寸分布均匀并且形貌可控的高质量InN纳米柱是制备高性能InN基光电子器件及电子器件的前提。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种InN自组装纳米柱制备方法及其产物，旨在解决现有制备方法容易引入其他杂质且制备的InN纳米柱尺寸分布不均匀、形貌不可控、实现单一氮极性困难的问题。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种InN自组装纳米柱制备方法，包括以下步骤：

(1)对表面有二氧化硅层的衬底进行低温退火处理；

(2)对所述二氧化硅层进行低温氮化处理形成成核点；

(3)采用低温分子束外延技术，在所述成核点上生长InN纳米柱；

(4)升高所述衬底温度后，继续生长InN纳米柱。

进一步地，所述步骤(3)和(4)中，通过调节反应束流比实现InN纳米柱极性及形貌的调控。

进一步地，所述表面有二氧化硅层的衬底是保留自然氧化层的硅衬底，或者沉积二氧化硅层的Si衬底、GaAs衬底、SiC衬底、GaN衬底或NiO等衬底。

进一步地，所述二氧化硅层的厚度为5-100nm。