一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法

摘要

本发明涉及一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，所述氮化镓基纳米柱阵列的制备方法包括以下步骤：步骤A：在一衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层；步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层；步骤C：在所述二氧化硅薄膜层上蒸镀0.5‑1.5nm厚度的金层；步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为10‑20nm的镍层，形成金属镍岛结构。本发明利用镍金双膜方法制备出的纳米岛状结构在形状，密度和尺寸上的均匀性要优于利用传统方法制备出的纳米岛，大大提高了相关光电器件的光电效率。在利用氮化镓纳米柱实现MOCVD二次外延生长时，本发明制备的氮化镓基纳米柱阵列可使氮化镓晶体质量大幅提升，进而提高LED等器件的发光效率。

权利要求

1.一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其特征在于，所述氮化镓基纳米柱阵列的制备方法包括以下步骤：步骤A：在衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层；

所述氮化铝层包括氮化铝成核层以及形成于所述氮化铝成核层上的脉冲供应高温氮化铝层，所述氮化铝成核层的厚度为10-20nm，其生长温度为950-1100℃，V/III摩尔流量流量比为90-110，气压值为55-70Torr；

步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层；

步骤C：在所述二氧化硅薄膜层表面上蒸镀0.5-1.5nm厚度的金层；

所述金层是利用热蒸发镀膜机将金放入热蒸发线圈中，将其加上14-16安培的电流，使其升华蒸镀到二氧化硅薄膜上；

步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为10-20nm的镍层，形成金属镍岛结构；

步骤E：采用刻蚀工艺以金属镍岛结构形状对氮化镓薄膜层、二氧化硅薄膜层、金层以及镍层进行刻蚀，形成纳米柱状阵列。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其特征在于，所述脉冲供应高温氮化铝层的厚度为75-85nm，其形成条件为温度为1150-1250℃，V/III摩尔流量比为1650-1750，气压值为220-230Torr。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其特征在于，所述氮化镓薄膜层的厚度为0.8-1.2um。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其特征在于，所述镍层是利用热蒸发镀膜机，在18-22A的电流下，使其升华蒸镀在所述金层的表面。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。

说明书

一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法。

背景技术

[0002] 氮化镓纳米结构(如纳米柱、纳米线等)在制备半导体激光器、LED、太阳能电池、探测器等器件上有着非常广阔的应用领域和很好的应用前景，并且在制备高质量氮化镓晶体材料上有着巨大的潜力，(通过纳米柱二次外延的方法提高晶体质量)。因此，氮化镓纳米材料具有一定的研究价值和意义。

[0003] 目前，氮化镓基纳米柱阵列的制备方法大致分为两种：第一种是利用纳米压印的方法，其是利用传统的模具复型原理来实现图案的复制和转移，通过干法刻蚀手段实现氮化镓基纳米柱状结构。该制备方法操作简单，成本较低。然而，该方法也存在着缺陷：1、压印工具需要和制造材料直接接触，可能会对样品造成物理损伤，影响器件效率；2、制备高质量的纳米压印模板难度较大，成本很高，极难实现工业化量产。第二种制备方法是利用“自组织纳米点技术”实现氮化镓基纳米柱阵列。其对镍纳米层进行高温热退火，使其自发形成镍的纳米级岛状结构，作为掩膜，并采用干法刻蚀技术实现氮化镓纳米柱。此方法操作简便，成本较低，工艺简单，易于实现量产。但由于镍纳米点是由镍金属层受热自发形成的，其尺寸、形状、密度、间距非常不规律。如图1a-1c所示，不同尺寸的镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图，图1a中原镍金属层的厚度为10nm，图1b中原镍金属层的厚度为15nm，图1c中原镍金属层的厚度为20nm。由此可知，当镍金属纳米岛的平均尺寸进一步增加时，其不规律性更为明显。由上述两种方法制备的氮化镓基纳米柱阵列存在着明显的不足和缺陷，很大程度上降低了由其制备的光电器件的效率。传统“自组织纳米点技术”是利用对纳米量级的镍金属层(10-20nm)进行高温热退火，在850℃左右自发形成不规则的纳米量级镍纳米点。

[0004] 而纳米镍岛可作为制备氮化镓纳米柱的掩膜，配合干法刻蚀可实现氮化镓的纳米柱状结构。首先先在氮化镓薄膜层上镀一层二氧化硅薄膜，然后在二氧化硅薄膜上蒸镀一层镍金属。接下来通过快速热退火的方法使镍薄膜自发形成纳米量级的镍纳米岛。最后用RIE和ICP对二氧化硅和GaN刻蚀形成纳米柱状结构。自组织镍纳米岛是由于表面张力和在升温过程中基于镍金属和二氧化硅之间的热膨胀系数的差异而产生的巨大应力形成的。用传统方法制备出的镍岛如图2a所示，氮化镓纳米柱阵列如图3a所示，由于二氧化硅的表面较粗糙，镍岛结构在不同的方向上受到的表面张力较不均匀，因此形成的镍纳米岛以及氮化镓基纳米柱的形状、尺寸、密度等也不规律，利用传统“自组织纳米点技术”制备出的氮化镓纳米柱的均匀性及重复率较低。

[0005] 此外，当镍纳米岛的直径达到300nm以上时，其很难得到分离的镍岛。不规则的纳米柱尺寸、形状及密度在一定程度上阻碍了实现高晶体质量氮化镓基纳米柱状结构以及高效光电器件。

[0006] 由此可见，利用传统的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法制备的氮化镓基纳米柱阵列制备成本高、实现量产难、制备的镍纳米点尺寸、形状、密度及间距等非常不规律，亟待进一步改进。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，以克服现有技术存在的缺陷。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，所述氮化镓基纳米柱阵列的制备方法包括以下步骤：

[0009] 步骤A：在衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层；

[0010] 步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层；

[0011] 步骤C：在所述二氧化硅薄膜层表面上蒸镀0.5-1.5nm厚度的金层；

[0012] 步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为10-20nm的镍层，形成金属镍岛结构；

[0013] 步骤E：采用刻蚀工艺以金属镍岛结构形状对氮化镓薄膜层、二氧化硅薄膜层、金层以及镍层进行刻蚀，形成纳米柱状阵列。

[0014] 本发明的一个实施例中，所述氮化铝层包括氮化铝成核层以及形成于所述氮化铝成核层上的脉冲供应高温氮化铝层。

[0015] 本发明的一个实施例中，所述氮化铝成核层的厚度为10-20nm，其生长温度为950-1100℃，V/III摩尔流量流量比为90-110，气压值为55-70Torr。

[0016] 本发明的一个实施例中，所述脉冲供应高温氮化铝层的厚度为75-85nm，其形成条件为温度至1150-1250℃，V/III摩尔流量比为1650-1750，气压值为220-230Torr。

[0017] 本发明的一个实施例中，所述氮化镓薄膜层的厚度为0.8-1.2um。

[0018] 本发明的一个实施例中，所述金层是利用热蒸发镀膜机将金放入热蒸发线圈中，将其加上14-16安培的电流，使其升华蒸镀到二氧化硅薄膜上。

[0019] 本发明的一个实施例中，所述镍层是利用热蒸发镀膜机，在18-22A的电流下，使其升华蒸镀在所述金层的表面。

[0020] 本发明的一个实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底。

[0021] 本发明的氮化镓基纳米柱阵列的制备方法具有以下优点：

[0022] 本发明基于“自组织纳米点”原理，提出了新的制备氮化镓基纳米柱阵列的方法，制备的氮化镓基纳米柱阵列在尺寸、形状、密度等方面具有更好的均匀性，以及更好的重复性。本发明制备的氮化镓基纳米柱阵列的形状、尺寸更加规律，均匀性更好，大大提高了其光电器件效率及二次外延的氮化镓的晶体质量。

附图说明

[0023] 图1a为传统方法制备的的氮化镓基纳米柱阵列，镍金属层厚度为10nm时，镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图。

[0024] 图1b为传统方法制备的的氮化镓基纳米柱阵列，镍金属层厚度为15nm时，镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图。

[0025] 图1c为传统方法制备的的氮化镓基纳米柱阵列，镍金属层厚度为20nm时，镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图。

[0026] 图2a为传统方法制备的氮化镓基纳米柱阵列的镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图。

[0027] 图2b为本发明的方法制备的氮化镓基纳米柱阵列的镍金属纳米岛状结构的SEM俯视图。

[0028] 图3a为传统方法制备的氮化镓基纳米柱状结构电镜图

[0029] 图3b为本发明的方法制备的氮化镓基纳米柱状结构电镜图。

具体实施方式

[0030] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0031] 本发明的一种氮化镓基纳米柱阵列的制备方法，其包括以下步骤：

[0032] 步骤A：在衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层，该衬底为蓝宝石衬底。

[0033] 步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层。

[0034] 步骤C：在所述二氧化硅薄膜层表面上蒸镀0.5-1.5nm厚度的金层，所述金层是利用热蒸发镀膜机将金放入热蒸发线圈中，加上14-16安培的电流，使其升华蒸镀到二氧化硅薄膜上。

[0035] 步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为10-20nm的镍层，形成金属镍岛结构；所述镍层是利用热蒸发镀膜机，在18-22A的电流下，使其升华蒸镀在所述金层的表面。不同镍的蒸镀厚度影响最后形成的金属岛状结构的平均尺寸，镍的厚度越大，金属岛状结构越大。

[0036] 步骤E：采用刻蚀工艺以金属镍岛结构形状对氮化镓薄膜层、二氧化硅薄膜层、金层以及镍层进行刻蚀，形成纳米柱状阵列。

[0037] 实施例1，制备氮化镓基纳米柱阵列的制备方法包括以下步骤：

[0038] 步骤A：在衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层，该衬底为蓝宝石衬底。

[0039] 步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层。

[0040] 步骤C：在所述二氧化硅薄膜层表面上蒸镀0.5-1.5nm厚度的金层，所述金层是利用热蒸发镀膜机将金放入热蒸发线圈中，加上14安培的电流，使其升华蒸镀到二氧化硅薄膜上。

[0041] 步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为10-20nm的镍层，形成金属镍岛结构；所述镍层是利用热蒸发镀膜机，在18-22A的电流下，使其升华蒸镀在所述金层的表面。

[0042] 步骤E：采用刻蚀工艺以金属镍岛结构形状对氮化镓薄膜层、二氧化硅薄膜层、金层以及镍层进行刻蚀，形成纳米柱状阵列。

[0043] 实施例2，制备氮化镓基纳米柱阵列的制备方法包括以下步骤：

[0044] 步骤A：在衬底上依次形成氮化铝层、氮化镓薄膜层，该衬底为蓝宝石衬底。

[0045] 步骤B：在所述氮化镓薄膜层上镀二氧化硅薄膜层。

[0046] 步骤C：在所述二氧化硅薄膜层表面上蒸镀1nm厚度的金层，所述金层是利用热蒸发镀膜机将金放入热蒸发线圈中，加上15安培的电流，使其升华蒸镀到二氧化硅薄膜上。

[0047] 步骤D：所述金层表面上蒸镀厚度为15nm的镍层，形成金属镍岛结构；所述镍层是利用热蒸发镀膜机，在20A的电流下，使其升华蒸镀在所述金层的表面。不同镍的蒸镀厚度影响最后形成的金属岛状结构的平均尺寸，镍的厚度越大，金属岛状结构越大。

[0048] 步骤E：采用刻蚀工艺以金属镍岛结构形状对氮化镓薄膜层、二氧化硅薄膜层、金层以及镍层进行刻蚀，形成纳米柱状阵列。

[0049] 在上述实施例制备的氮化镓基纳米柱阵列中，所述氮化铝层包括氮化铝成核层以及形成于所述氮化铝成核层上的脉冲供应高温氮化铝层。氮化铝层的形成包括以下步骤：步骤1：利用MOCVD在蓝宝石衬底上外延生长一层10-20nm的高温氮化铝成核层，其形成条件为温度950-1100℃，V/III摩尔流量比为90-110，气压值为55-70Torr。形成的高温氮化铝成核层为接下来生长脉冲供应高温氮化铝层提供成核位置；步骤2：用脉冲供应法在高温氮化铝成核层上延伸形成脉冲供应高温氮化铝层，脉冲供应高温氮化铝层的厚度为75-85nm，其形成条件为温度至1150-1250℃，V/III摩尔流量比为1650-1750，气压值为225Torr。形成的脉冲供应高温氮化铝层提高了氮化铝表面的光滑程度。

[0050] 氮化铝层制备完成后，将生长温度调整至1110-1150℃，V/III摩尔流量比为1650-1750，气压值为225Torr，在此条件下，在脉冲供应高温氮化铝层上生长形成厚度为0.8-
1.2um的氮化镓薄膜层。

[0051] 在蒸镀镍层之前，先在二氧化硅薄膜上蒸镀一层约为0.5-1.5nm的金层，再紧接着蒸镀10-20nm的镍层。当蒸镀的镍的厚度过厚，厚度超过20nm，形成的岛状结构易粘连，不易分离。

[0052] 本发明用镍-金双金属制备出的氮化镓基纳米柱阵列如图3b所示，其无论是形状、尺寸、密度、均匀性、重复率等都大大优于传统方法制备出的样品。

[0053] 本发明利用镍金双膜方法制备出的纳米岛状结构在形状、密度和尺寸上的均匀性要优于利用传统方法制备出的纳米岛。其大大提高了利用其制备的相关光电器件的光电效率，再利用氮化镓纳米柱实现MOCVD二次外延生长时，氮化镓基纳米柱阵列可使氮化镓晶体质量大幅提升，进而提高LED等器件的发光效率。对图3a和图3b的样品进行了氮化镓的二次外延，如图3b的镍金属纳米岛XRD半高宽是400arc sec,而图3a的镍金属纳米岛的XRD半高宽是550arc sec左右，半高宽越低说明晶体质量越好。晶体质量的提升可以大幅提升LED的发光效率及氮化镓基光电器件的效率。如图3b所示，其是利用本发明的镍-金双膜技术制备出的氮化镓纳米柱阵列的结构示意图，从图中可以看出，利用本发明制备的氮化镓基纳米柱阵列大大优于传统方法制备出的纳米柱阵列。利用新方法制备出的纳米柱阵列对氮化镓进行MOCVD的二次侧向外延生长。在相同的MOCVD生长条件下，氮化镓的晶体质量有了大幅度的提升。

[0054] 本发明基于“自组织纳米点”原理，提出了新的制备氮化镓基纳米柱阵列的方法，氮化镓基纳米柱阵列在尺寸、形状、密度等方面具有更好的均匀性，以及更好的重复性。本发明的氮化镓基纳米柱阵列的形状、尺寸更加规律，均匀性更好，大大提高了其光电器件效率及二次外延的氮化镓的晶体质量。

[0055] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。