专利名称：利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及单晶GaN纳米管的外延生长方法，主要是利用InN纳米棒作为形核层，利用core-shell结构生长高度均一、竖直排列的单晶GaN纳米管。
背景技术：
氮化镓一种新型的III/V族宽禁带直接带隙半导体。由于特殊的光学电学性质，氮化镓被广泛的用于各种光学、电学器件，如LEDs、LDs等，氮化镓基LED是固态发光器件的核心技术。近年来GaN纳米结构已成为研究的新热点。由于其具有量子尺寸效应,纳米GaN表现出了与固体材料不同的特殊性质，更具有很多特殊的性能。利用GaN纳米结构研制纳米光学、电学器件成为人们提高器件性能的一条新思路，例如core-shell LEDs被认为是固 态发光器件发展的一个重大突破。因此，纳米GaN材料具有极大的潜在应用前景。以往生长氮化镓纳米结构大多采用催化剂或者图形衬底，利用催化剂得到的纳米结构大多杂乱，排列不可控。而利用图形衬底可以生长排列整齐的纳米结构，不过图形衬底技术复杂，价格昂贵。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用InN纳米棒作为形核层生长高度均一、竖直排列的单晶GaN纳米管的方法。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，包括步骤I :取一衬底；步骤2 :利用MOCVD方法，通入铟源和锌源，在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒；步骤3 :关闭铟源和锌源，通入镓源，在InN纳米棒外层生长GaN层；步骤4 :关闭镓源，在氨气气氛下升高反应室温度，对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，使InN纳米棒分解随载气排除，完成单晶GaN纳米管的生长。上述方案中，步骤I中所述衬底为C面蓝宝石衬底。上述方案中，步骤2中所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，其具体过程是先在1050°C下烘烤蓝宝石衬底20分钟，通入氨气在1050°C下对衬底氮化3分钟，然后降低温度到550°C，同时通入铟源和锌源生长20分钟。上述方案中，步骤2中所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，采用的载气是氮气，生长压强是760Torr。上述方案中，步骤3中所述在InN纳米棒外层生长GaN层，所用的时间为2分钟，反应室压强为50Torr，载气为氮气。上述方案中，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，其具体过程是在InN纳米棒外层生长GaN层后立刻升高反应室温度到1100°C，温度达到1100°C后即刻降温，自然冷却至室温。上述方案中，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火过程中一直通有氨气做保护，直到温度降低到300°C关掉氨气，结束GaN纳米管的生长。上述方案中，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火时反应室的压强保持50Torr。 上述方案中，步骤3和步骤4中所述的铟源是三甲基铟，镓源是三甲基镓，锌源是
二乙基锌,氨气作为氮源。(三)有益效果本发明与现有的技术相比，具有以下优点I)能够得到高度均一、竖直排列的单晶GaN纳米管。用催化剂等方法得到的纳米管大多排列杂乱，没有规律。利用此技术可以得到高度均一、竖直排列的单晶GaN纳米管，方便在GaN纳米管上后续生长器件结构。2)本发明是利用InN纳米棒作为形核层，并且在后续退火过程中将InN分解通过尾气排出。可以减少因为引入催化剂而造成的催化剂污染，提高了 GaN纳米管材料质量。3)生长速度快。MBE和MOCVD作为两种主要的高质量材料生长技术，所得到的晶体质量被公认为是其他技术所无法比拟的，尤其是MOCVD技术，可以批量生产，已经在工业化生产中得到广泛的应用。相比MBE生长技术，我们发明的方法具有高生长速度，同时生长质量较好。4)方法简单。这种技术所用的源都是生长氮化物MOCVD设备最常见的源，所有的步骤都可以在同一台MOCVD设备内完成。不需要生长中途更换设备，简化实验步骤。5)成本低廉。这种技术是利用MOCVD方法生长，成本相对低廉。加之这种技术对衬底没有特殊要求，普通的C面蓝宝石衬底即可。比起昂贵的图形衬底，本技术成本小的很多。6)可以通过控制InN纳米棒和低温GaN的生长时间来得到不同高度和不同厚度的GaN纳米管。
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施对本发明做进一步的说明，其中图I是本发明提供的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法流程图。图2是本发明利用InN纳米棒作为形核层生长的单晶GaN纳米管的的SEM图像；其中(a)为单个纳米管的表面图，(b)为截面图。图3是本发明利用InN纳米棒作为形核层生长的单晶GaN纳米管的的XRD图像；图3中只出现GaN的(0001)和(0002)峰，说明所得的纳米管是单晶纳米管。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明利用InN纳米棒作为形核层，在低温下在InN纳米棒表面生长薄层GaN材料，然后高温退火，在退火过程中一方面中心部位的InN纳米棒会分解形成中空结构，另一方面低温生长的GaN在升温过程中会有再结晶过程，最终形成排列整齐的单晶GaN纳米管。如图I所示，图I是本发明提供的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法流程图，该方法包括以下步骤步骤I :取一衬底；所述衬底为C面蓝宝石衬底。步骤2 :利用MOCVD方法，通入铟源和锌源，在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒；·在本步骤中，在生长氮化物的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备中生长排列整齐、高度均一的InN纳米棒；具体生长参数如下生长温度为550°C，反应室压强为760Torr，载气用的是氮气，生长前对衬底通氨气氮化3分钟。所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，其具体过程是先在1050°C下烘烤蓝宝石衬底20分钟，通入氨气在1050°C下对衬底氮化3分钟，然后降低温度到550°C，同时通入铟源和锌源生长20分钟。所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，采用的载气是氮气，生长压强是760ΤΟ1Γ。步骤3 :关闭铟源和锌源，通入镓源，在InN纳米棒外层生长GaN层；在本步骤中，结束InN纳米棒生长后，生长薄层低温GaN材料，具体工艺条件为调节反应室压强为50Torr，氮气作为载气。所述在InN纳米棒外层生长GaN层，所用的时间为2分钟。步骤4 :关闭镓源，在氨气气氛下升高反应室温度，对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，使InN纳米棒分解随载气排除，完成单晶GaN纳米管的生长；在本步骤中，所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，其具体过程是在InN纳米棒外层生长GaN层后立刻升高反应室温度到1100°C，温度达到1100°C后即刻降温，自然冷却至室温。所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火过程中一直通有氨气做保护，直到温度降低到300°C关掉氨气，结束GaN纳米管的生长。所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火时反应室的压强保持50TOrr。另外，步骤3和步骤4中所述的铟源是三甲基铟，镓源是三甲基镓，锌源是二乙基锌，氨气作为氮源。图2是本发明利用InN纳米棒作为形核层生长的单晶GaN纳米管的的SEM图像；其中(a)为单个纳米管的表面图，(b)为截面图。如图2(a)所示，从SEM的表面图可以看出我们得到的样品为中空结构，既管状结构。并且可以看出GaN纳米管的外壁呈现规则六角形，这与单晶GaN的六角密堆积结构相对应，也与图3的XRD数据的单晶结构相吻合。从图2(b)可以清晰看出用本方法得到的纳米管都是垂直与衬底表面生长的，既竖直排列，并且纳米管的高度也很一致。图3是本发明利用InN纳米棒作为形核层生长的单晶GaN纳米管的的XRD图像。如图3所示，样品的XRD图谱中只出现两个峰，分别为GaN的(0001)和(0002)峰。没有发现InN的峰和GaN的其它面的峰出现。XRD数据再次证明了用本方法得到的纳米管为GaN单晶结构，并且竖直方向为GaN的c轴方向。 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，包括 步骤I :取一衬底； 步骤2 :利用MOCVD方法，通入铟源和锌源，在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒； 步骤3 :关闭铟源和锌源，通入镓源，在InN纳米棒外层生长GaN层； 步骤4 :关闭镓源，在氨气气氛下升高反应室温度，对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，使InN纳米棒分解随载气排除，完成单晶GaN纳米管的生长。
2.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤I中所述衬底为C面蓝宝石衬底。
3.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤2中所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，其具体过程是 先在1050°C下烘烤蓝宝石衬底20分钟，通入氨气在1050°C下对衬底氮化3分钟，然后降低温度到550°C，同时通入铟源和锌源生长20分钟。
4.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤2中所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，采用的载气是氮气。
5.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤2中所述在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒，生长压强是760Torro
6.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤3中所述在InN纳米棒外层生长GaN层，所用的时间为2分钟。
7.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤3中所述在InN纳米棒外层生长GaN层，反应室压强为50Torr。
8.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤3中所述在InN纳米棒外层生长GaN层，载气为氮气。
9.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，其具体过程是 在InN纳米棒外层生长GaN层后立刻升高反应室温度到1100°C，温度达到1100°C后即刻降温，自然冷却至室温。
10.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火过程中一直通有氨气做保护，直到温度降低到300°C关掉氨气，结束GaN纳米管的生长。
11.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤4中所述对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，退火时反应室的压强保持50Torr。
12.根据权利要求I所述的利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，其特征在于，步骤3和步骤4中所述的铟源是三甲基铟，镓源是三甲基镓，锌源是二乙基锌，氨气作为氮源。
全文摘要
本发明公开了一种利用InN纳米棒作为形核层生长单晶GaN纳米管的方法，包括步骤1取一衬底；步骤2利用MOCVD方法，通入铟源和锌源，在衬底上得到高度均一、竖直排列的InN纳米棒；步骤3关闭铟源和锌源，通入镓源，在InN纳米棒外层生长GaN层；步骤4关闭镓源，在氨气气氛下升高反应室温度，对外层覆盖有GaN层的InN纳米棒在高温下退火，使InN纳米棒分解随载气排除，完成单晶GaN纳米管的生长。本发明利用InN纳米棒作为形核层，可以获得排列整齐的单晶GaN纳米管。
文档编号H01L21/205GK102820213SQ20121032558
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者刘长波, 赵桂娟, 桑玲, 王建霞, 魏鸿源, 焦春美, 刘祥林, 朱勤生, 杨少延, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所