[发明专利]一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法

说明书

本发明属于InGaN纳米棒制备技术领域，提供了一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法。先对硅衬底表面用氨气进行氨化处理，处理后的硅表面形成Si‑N键，饱和硅表面的Si悬挂键；将GaCl3和InCl3以N2输送入放置有硅衬底的反应室内，加热GaCl3和InCl3，气相中的GaCl3和InCl3在受热分解及氢还原作用下在衬底表面形成Ga、In液滴，液滴聚积形核，最后与气相中NH3反应生成纤锌矿InGaN。拓展了GaN基材料在光电器件、光伏电池及碳中和等领域的应用，可调控In组分的InGaN带来了更多的选择性；对解决目前InGaN材料生长工艺复杂、In掺入较难且不均匀等问题有重要意义。

技术领域

本发明属于InGaN薄膜器件制备技术领域，具体涉及一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法。

背景技术

In_xGa_1-xN是GaN与InN形成的合金，在自然界中没有天然的InGaN晶体存在，需要经过人工合成才能得到。目前研究的InGaN晶体主要为纤锌矿结构、闪锌矿结构和氯化钠结构三种。纤锌矿属于热力学稳定结构，而闪锌矿结构为热力学亚稳定结构，只有在特定的生长条件下才能获得。最后一种氯化钠结构，具有四次旋转对称性，只有在极高的压力条件下才能够获得。在常温常压下，In_xGa_1-xN材料的晶体结构主要以纤锌矿结构的形式存在。硅衬底同样具有成本低、易加工以及良好的导电性、热稳定性等优点，所以，对于工业生产In_xGa_1-xN材料光电器件来说，在硅衬底上生长纤锌矿结构InGaN晶体可在大规模生产的同时降低其经济成本并且保证有良好的晶体质量。

InGaN由于其能够实现紫外到红外的带隙可调性、优良的化学稳定性和高效的场发射性能等特性使得InGaN材料在发光二极管（LED）、激光器、光伏电池及太阳能PEC水分解等领域成为最具吸引力的候选材料。然而，在InGaN制备成的所有类型的器件中，其量子效率（QE）、光致发光效率（PL）会随着铟组分的增加而迅速降低，各种类型器件效率的降低与材料内应力应变的产生相关，例如混溶间隙相的存在、缺乏晶格匹配的衬底等问题会使单晶、高铟组分、低位错密度的InGaN材料的生长复杂化。

1991年，N. Yoshimoto采用金属有机气相外延（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长了InGaN单晶薄膜，并首次观察到光致发光；但其存在碳污染和工艺成本较高等问题。2012年，Peidong Yang采用卤化物化学气相沉积（HCVD）法在硅线阵列上沉积InGaN纳米线，制备了三维多层结构的InGaN纳米线；大大降低了工艺成本，但存在In掺入量较少以及未发现明显的光致发光信号等问题。此外，Peidong Yang将GaCl₃和InCl₃放入不同的石英管内，且衬底表面直接与NH₃气流接触，易造成衬底上InGaN形核密度较低以及In组分不均匀具有明显的成分梯度差异等问题。

发明内容

本发明为解决上述技术中存在的不足，提供了一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法。

本发明由如下技术方案实现的：一种在硅衬底上制备纤锌矿InGaN纳米棒的方法，先对硅衬底表面用氨气进行氨化处理，处理后的硅表面形成Si-N键，饱和硅表面的Si悬挂键；然后将GaCl3和InCl3以N2输送入放置有硅衬底的反应室内，加热GaCl3和InCl3，气相中的GaCl3和InCl3在受热分解及氢还原作用下在衬底表面形成Ga、In液滴，液滴聚积形核，最后与气相中NH3反应生成纤锌矿InGaN。

具体步骤如下：