[发明专利]一种降低氮化镓纳米线阵列晶体缺陷密度的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术和纳米技术领域，具体涉及一种半导体纳米材料的晶体缺陷密度控制方法，特别是涉及一种降低氮化镓纳米线阵列晶体缺陷密度的方法。 

背景技术

作为第三代半导体材料的典型代表，氮化镓由于具有高熔点、高热导、高电子迁移率、高抗击穿电压而在大功率高温电子器件、蓝光LED、大功率激光二极管、紫外光电探测器等光电子器件领域具有广泛应用，已经成为半导体材料与器件领域研究的热点材料。随着电子集成电路器件小型化的发展趋势和纳米技术的迅猛发展，一维纳米尺度氮化镓材料由于具有独特的性能也受到更加广泛的关注，其相关生长和器件制备已经引起研究人员的浓厚兴趣。 

作为GaN基光电器件的核心，GaN材料的晶体质量是决定器件性能的最重要因素。生长GaN晶体材料（不管是单晶薄膜还是纳米材料）多采用金属有机化学气相沉积、氢化物气相外延、分子束外延等方法，选择的衬底多为Si、蓝宝石、SiC衬底。但是衬底和GaN材料之间多存在晶格失配，导致外延生长时位错等晶体缺陷由衬底材料向GaN晶体内部传播，降低晶体质量。为了进一步降低GaN晶体的缺陷密度，研究人员已经开发多种提高GaN外延材料晶体质量的方法，如低温缓冲层、侧向外延生长技术、掩膜技术等。 

以上技术基本都是采用缓冲层或缓冲层组合的方法来降低GaN晶体内部缺陷密度或者部分地阻止缺陷由衬底向GaN晶体内部传播，不能够完全阻止衬底中的缺陷由于外延生长而向晶体内部传播，不能够从根源上解决GaN晶体内部缺陷密度过高的问题。如果能够在GaN和衬底之间插入一层阻挡层材料，再辅以缓冲层材料，利用纳米材料自组装生长技术，则可以实现同质外延生长，有效降低GaN晶体内部的缺陷密度，改善GaN晶体质量。 

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种降低氮化镓纳米线阵列晶体缺陷密度的方法，该方法能够显著抑制缺陷从衬底向其表面晶体内部传播，从而保证氮化镓半导体材料具有较强本征带隙发光及非常弱的缺陷发光，达到半导体器件对材料晶体缺陷密度的要求。 

为实现上述目的，本发明技术方案如下： 

一种降低氮化镓纳米线阵列晶体缺陷密度的方法，该方法是在生长衬底和初始缓冲层之间引入与衬底晶格不匹配的阻挡层，用于阻挡缺陷由衬底向氮化镓纳米线阵列晶体内部扩散，然后利用自组装技术在初始缓冲层表面形成氮化镓缓冲层和实现同质外延生长形成氮化镓纳米线阵列；具体包括如下步骤： 

（1）在生长衬底上沉积阻挡层； 

所述衬底在低于1200℃条件下不与氨气发生反应，熔点在1200℃以上；所述衬底可以为蓝宝石、碳化硅、硅、氧化镁、氮化硅、氮化铝、金属单质或合金。 

所述阻挡层材料为与衬底材料具有不同晶体结构或具有相同晶体结构但晶格失配度大于20%的晶体；所述阻挡层材料为Au、Ag、Ti、V、Cr、Zn、Pt、Sn、Nb、Mo或SiO₂。 

所述阻挡层厚度5~500nm，所述阻挡层的沉积方法为电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积方法。 

（2）在阻挡层表面沉积初始缓冲层； 

所述初始缓冲层的材料为Al，初始缓冲层厚度5~～500nm；初始缓冲层通过电子束蒸发、磁控溅射或原子层沉积方法沉积。 

（3）在初始缓冲层表面生长氮化镓缓冲层，并同质外延生长形成氮化镓纳米线阵列；通过化学气相沉积法、MOCVD、HVPE或MBE方法实现。 

所述化学气相沉积法是在三氧化二铝坩埚内装入坩埚体积1/3～2/3的高纯三氧化二镓粉末，然后将经步骤（2）沉积有阻挡层和初始缓冲层的衬底置于粉末下游处，通入高纯氩气，在温度升高到600℃前通入氨气，同时关闭氩气；然后以5-30℃/min的升温速率将温度升高到1000-1200℃保温10～1000min，关闭氨气，同时开启氩气保护至温度降到室温。其中：高纯氩气流量10-500ml/min，氨气流量10-500ml/min。 

采用MOCVD、HVPE或MBE方法时，镓源为三甲基镓或金属镓，N源为氨气或氮气。 

采用上述方法生长的GaN纳米线其端部为平面或凸面状，端部没有催化剂粒子，GaN纳米线长度5~50μm，直径20~500nm，具有蜿蜒曲折形状。 

本发明具有如下有益效果：