[发明专利]一种多孔氮化镓单晶材料、其制备方法及应用

说明书

本申请公开了一种多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。该材料具有自支撑结构，为块状单晶时，作为氮化镓基器件的外延衬底，可以起到应力释放和差排消解的作用，比无孔氮化镓单晶衬底相较更具优势。此外，该晶体材料还可为3D光电器件提供优质的模板。

技术领域

本申请涉及一种多孔氮化镓单晶材料、其制备方法及应用，属于无机材料领域。

背景技术

氮化镓具有直接带隙宽、击穿电压高、电子饱和速率高、热导率高、抗辐照能力强和化学稳定性良好等优越性能，是迄今为止，理论上电光、光电转换效率最高的材料，并可成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、光电子等器件的关键基础材料。氮化镓材料在固态照明、彩色显示、激光器、紫外光探测器、微波通信器件和电力电子器件等领域有着广泛的应用前景和巨大的市场需求。

氮化镓基器件一般沿极性方向异质外延于蓝宝石、碳化硅或硅上。衬底和氮化镓外延膜间严重的晶格不匹配度和热膨胀系数的差异会导致外延层中产生巨大的应力和高密度的缺陷，使得器件的寿命和性能都大大下降。氮化镓块状单晶是氮化镓基器件制备的理想外延衬底。如果采用氮化镓晶片作为衬底，则可提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，大幅提升器件品质。若采用非极性氮化镓衬底制备发光器件，则可消除量子限制斯塔克效应(Quantum-Confined Stark Effect，QCSE)造成的不良影响，更进一步提升发光器件性能。

由于氮化镓的熔点高，在高温生长时会导致高的氮离解压，所以难以用熔体制备其单晶材料，采用高温高压技术很难得到符合衬底尺度要求的单晶材料。虽然现在氢化物气相外延(HVPE)法可制作大尺寸的氮化镓衬底，通过采用钠助熔剂法和氨热法提高氮化镓单晶衬底的高品质化和大尺寸化，但是其价格非常昂贵。而非极性面氮化镓衬底一般采用HVPE或氨热法生长的厚c面氮化镓晶体切割而得，其尺寸受到了限制，并且价格非常昂贵。

现有制备纳米多孔材料的方法如模板法(use of templates)、起泡法(bubbling)、脱合金成分腐蚀法(dealloying)、柯肯特尔效应法(Kirkendall effect)，共振渗透法(collective osmotic shock)等，方法复杂，并且所能制备的最大晶体尺度仅在微米量级，无法制备宏观尺度纳米多孔单晶晶体。

因此，有必要提供一种制备大尺寸纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法，来为氮化镓基器件提供优质的大尺寸极性(0001)C面、非极性(1 00)M面和(1 10)A面的纳米多孔氮化镓单晶衬底和模板。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种氮化镓的多孔单晶(Porous Single Crystals；当多孔为介孔时，为介孔单晶Mesoporous Single Crystals，简写为MSCs)材料，具有纳米或微米尺度的孔和自支撑结构。该晶体材料为块状单晶时，作为氮化镓基器件的外延衬底，可以起到应力释放和差排消解的作用，比无孔氮化镓单晶衬底相较更具优势。此外，该晶体材料还可为3D光电器件提供优质的模板。

所述多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。

作为一种实施方式，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶薄膜和/或多孔氮化镓单晶晶体。

作为一种实施方式，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶薄膜时，薄膜的表面为多孔氮化镓单晶的(0001)C面、(1 00)M面、(1 10)A面中的至少一面。优选地，所述多孔氮化镓单晶薄膜的厚度为10nm～20μm。