[发明专利]生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱及其制法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及GaN纳米柱，特别涉及生长在铝酸锶钽镧(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)衬底上的GaN纳米柱及其制备方法与应用。

背景技术

GaN及III-族氮化物由于宽禁带、稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点，广泛应用于发光二极管(LED)、激光器和光电子器件等方面。与其他宽禁带半导体材料相比，GaN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。

GaN纳米材料因“尺寸效应”产生了一系列新颖特性，使得它在基本物理科学和新型技术应用方面有着巨大的前景，已成为当前研究的热点。而GaN纳米柱结构更是在制备纳米范围发光器件如LED、LD上表现出了更加优异的性能。

目前，GaN基器件主要是基于蓝宝石衬底。蓝宝石与GaN的晶格失配高达16.9％，导致外延GaN过程中形成很高的位错密度，从而降低了材料的载流子迁移率，缩短了载流子寿命，进而影响了GaN基器件的性能。其次，由于室温下蓝宝石热膨胀系数(6.63×10^-6K^-1)较GaN的热膨胀系数(5.6×10^-6K^-1)大，两者间的热失配度约为-18.4％；当外延层生长结束后，器件从外延生长的高温冷却至室温过程会产生很大的压应力，容易导致薄膜和衬底的龟裂。再次，由于蓝宝石的热导率低(100℃时为25W/m·K)，很难将芯片内产生的热量及时排出，导致热量积累，使器件的内量子效率降低，最终影响器件的性能。因此迫切寻找一种合适的方法来降低GaN外延层的缺陷密度和残余应变。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱。本发明的铝酸锶钽镧衬底与GaN晶格和热膨胀系数较匹配。铝酸锶钽镧衬底材料与GaN的晶格失配率仅为0.1％，热失配小(3.6％)，有利于GaN的形核；基于此衬底材料生长的GaN纳米柱，具有晶体质量好，位错密度低的优点。

本发明的另一目的在于提供上述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱的制备方法。研究发现，GaN外延层的尺寸减小到纳米范围形成的纳米柱结构是应变弛豫的，几乎没有缺陷，晶体质量高。因此，GaN纳米柱结构具有比薄膜更高的光学质量，是制备更高光学性能GaN基器件的可供选择的材料。

本发明的再一目的在于提供上述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱的应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱，包括铝酸锶钽镧衬底，生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱模板层，生长在GaN纳米柱模板层上的GaN纳米柱阵列。

所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱还包括隔离层，所述隔离层沉积在未被GaN纳米柱模板层覆盖的衬底上或GaN纳米柱模板层的侧壁和未被GaN纳米柱模板层覆盖的衬底上。所述隔离层的材料为SiN_x。所述隔离层的厚度为30～200nm。

所述GaN纳米柱模板层是将生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN预制层通过纳米压印技术刻蚀出均一性好的纳米柱作为选区生长的模板。

所述铝酸锶钽镧衬底即La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底以(111)面偏(100)方向0.5～1°为外延面；晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底的(111)面。

所述GaN纳米柱模板层中GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆衬底(LSAT)的(111)面，即GaN(0001)//LSAT(111)。

所述GaN纳米柱模板层为纳米柱阵列，所述GaN纳米柱模板层的厚度即GaN预制层的厚度为0.3～4μm，优选为1～4μm；所述GaN纳米柱阵列中纳米柱的厚度为0.2～2μm；优选为0.3～2μm。

所述模板层的纳米柱的平均直径为200～500nm，纳米柱之间的平均间距为450～600nm。

所述隔离层的厚度为30～200nm。

所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：