專利名稱：鎢輔助熱退火制備氮化鎵納米線的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鎢輔助熱退火制備氮化鎵(GaN)納米線的制備方法。 旨在制作高質量、高橫縱比的GaN納米線，屬于材料制備技術領域。
背景技術：
低維結構半導體材料由于量子效應而表現出許多優(yōu)良特性，引起了人們 極大的研究熱情。由于量子尺寸的限制效應，量子線材料電子能量狀態(tài)呈現 類似原子分裂的V形、T形或斜T形能級結構。由于能級的分立狀況，量子
線材料更容易達到激光所必需的粒子數反轉要求，故適合于制作激光器。同 時，用量子線制作激光器。由于量子限制效應，將使激光器的閾值電流密度 降低，提高直接調制速度，降低閾值電流對溫度的敏感度。利用量子線控制 雜質散射的原理，可以制成量子線溝道場效應晶體管，單模量子線可以用來 制作量子干涉場效應晶體管和布喇格反射量子干涉場效應晶體管等電子干涉 效應器件。
對于納米線的性質研究主要在于其電學和熱學的輸運特性等，而對于超 薄超細納米諧振梁的研究則主要著眼于納米結構特殊的機械特性。此外，由 于各種材料在微小尺度下表現出來的特殊的物理性質比如表面效應，經典尺 寸效應以及量子尺度效應等，越來越受到學術界和產業(yè)界的重視。人們已經 在探討納米結構器件在氣體傳感，微小質量檢測等方面的應用，各種結構的 納米諧振器也被制作出來，對于納米結構各項不同于體材料的性質也在不停 的進行中。GaN納米線由于其禁帶寬度大，且作為直隙半導體，適合于制作 紫外和藍色的發(fā)光器件、探測器、高速場發(fā)射晶體管和高溫微電子器件等S.N. Mohammad et al. Quantum Electron. 20， 361,1996H. Morkoc, and S. N. Mohammad, Science 267, 51,1995G. Fasol, ibid.272， 1751，1996；F. A. Ponce and D. R Bour， Nature, 368, 351,1997J. R. Kim， et al. Appl. Phys. Lett. 80， 3548 ,2002
GaN納米線材料生長工藝的報道非常多，有MBE (分子束外延)生長 技術、MOCVD (金屬有機化學氣相沉積)生長技術以及化學溶劑法和氨熱 法等生長技術。但絕大多數GaN納米線研究者用的方法是化學氣相沉積 (CVD)方法。CVD法一般是由氣體攜帶各種反應源材料到襯底上方,并在 一定條件下反應生成所需的半導體材料。清華大學的范守善教授等利用碳納 米管限制反應的CVD技術第一個合成了生長GaN納米線Han Wei qiang et al, Science 277， 287,1997。Kim TY等采用立式CVD法合成生長GaN納米線 材料在施加1200V的電壓時可以獲得來自GaN納米線場發(fā)射的lpA的電子 電流Kim T Y et al， J.Crys.G畫,257,97,2003。Peng H Y等用簡單的熱絲 CVD法研制GaN納米線得到了直徑為5 12nm和長度為幾個微米的GaN納 米線。該GaN納米線具有很高的純度,其PL譜具有寬的發(fā)射峰,譜峰中心在 420nm處Peng H Y et al， Chem.Phys丄ett 327,263,2000。Zhang Jun等用簡 單的化學CVD方法研制GaN納米線，得到了直徑為40 50nm和長度為幾 百個微米的GaN納米線，且該納米線具有GaN的六方纖鋅礦結構Zhang Jun et al， Chem.Phys丄ett 383,423,2004。Chen C C等用二步催化反應化學CVD 法合成生長GaN納米線，得到了高質量的GaN納米線材料，并且在場致發(fā) 射器件中得到應用ChenCCetal.J.Phys.Chem.Solids 62,577,2001。Zhou S M等用等離子體增強化學CVD設備研制GaN納米線材料，得到了直徑為 30nm和長度為幾百個微米的GaN納米線Zhou S M et al. Chem.Phys丄ett 369,210,2003。Cheng G S等用鋁模板的化學CVD法研制出了具有高取向的 GaN納米線Cheng G S et al. Mater.Sci.Eng:A 286,165,2000。Yang Ying Ge 等用磁控濺射設備研制GaN納米線,在生長的GaN納米線中可以觀察到具有 很強的藍光PL譜Yang Ying Ge et al. Phys.B 334,287,2003。近年來，HVPE (氫化物氣相外延生長)方法在GaN納米材料與器件的 制備中也顯示出了很強的生命力，韓國的Hwa-Mok Kim曾采用HVPE設備 在藍寶石上生長了均勻分布的直徑為80 120nm的GaN nanorod，并做成了 GaN nanorod FETsHwa-Mok Kim et al. Adv.Mater 15,232,2003。
但是以上制備方法對反應源、氣路結構及實驗設備要求都較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用鎢輔助熱退火生長GaN納米線的制備 方法。
具體的說，在鎢輔助熱退火制備GaN納米線的過程中，首先采用A1203、 GaAs、 Si或SiC等作為襯底，采用HVPE方法、金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)或者分子束外延(MBE)方法中的一種生長厚度為0.1-10微米 的GaN外延層作為模板，之后電子束蒸發(fā)或濺射工藝一層金屬鎢(W)薄層， 厚度在3 10nm左右，最后經熱退火(950-1050GC) 15分鐘一60分鐘，生 長GaN納米線，退火氣體為N2 (或Ar)。在熱退火時，起初金屬W薄膜層 經過熱退火后會凝聚，同時下層的GaN膜會產生分解，從而形成多孔網狀的 結構，暴露出下層的GaN襯底。分解出的金屬Ga和N原子在金屬W催化 劑的作用下又重新合成，生成GaN納米線。這種方法簡單易行，不需要采用 新的源，對于GaN薄膜及金屬W薄層的質量要求都不高，而且只需要把該 模板放入密閉的容器中熱退火即可，適合于科學實驗和批量生產時采用。
如上所述，本方法引入的金屬W薄膜結構，經過熱退火后生長的GaN 納米線，其的優(yōu)點歸納如下
1. 金屬W薄層經過熱退火后由于GaN材料的分解而形成多孔的網狀結構， 暴露出下層的GaN，不需要放入其他源即可生長出納米線。(如圖1所示)
2. 退火所用的爐子只需要是密閉性良好的石英管就可以了；
3. 退火氣氛所用的氣體為惰性氣體，不會引入雜質污染；4. 金屬W薄層的制備要求不高，容易實現量產；
5. 由于金屬W在熱退火后表面形成了均勻的多孔網狀，因此生長的GaN納 米線分布較為均勻，這也為進一步制作GaN器件創(chuàng)造了更好的條件；
6. 本發(fā)明所述的金屬插入層沉積在模板以A1203、 SiC、 Si或GaAs中任一 種為襯底上生長的GaN外延層上，作為模板的GaN外延層生長方法采用 HVPE、金屬有機物氣相外延(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法。
7. 制備的GaN納米線直徑10納米一100納米，長度為10微米一 100微米。


圖1為由本發(fā)明提供的制備方法制備的GaN納米線SEM形貌(a) X2000; (b) X20， 000;
圖2為退火后金屬W層的多孔網狀的形貌(X 10， 000); 圖3為本發(fā)明提供的方法中沉積W層的結構示意圖 圖中l(wèi). A1203襯底2. GaN外延層3.金屬W薄層
具體實施例方式
下面通過具體實施例的介紹，進一步闡明本發(fā)明所提供的制備方法的實 質性特點和顯著的進步，但本發(fā)明絕非僅局限于實施例。
實施例1:采用MOCVD方法在Al203襯底上外延生長2微米厚的GaN 薄膜，且以此薄膜作為模板，在模板上在50(TC的溫度下采用電子束蒸發(fā)的 方法沉積一個8nm厚的金屬W薄層，再把帶有金屬層的模板放入熱退火反 應室，在N2氣氛升溫至1050°C，退火20分鐘。樣品測量結果表明，采用這 種方法生長的GaN納米線的直徑在10 100nm之間，且具有很高的長徑比。
實施例2:以SiC、 Si或GaAs為襯底采用如實施例1的方法，能得到同 樣的結果。
權利要求
1、一種采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其制備步驟是(1)以Al2O3、SiC、Si或者GaAs為襯底，先在襯底上生長一層GaN外延層作為模板；(2)在步驟(1)生長的GaN外延層的模板上，沉積一層金屬W薄層，然后在N2或Ar氣體下，于950-1050℃下退火制成GaN納米線。
2、 按權利要求l所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征在八1203、 SiC、 Si或者GaAs襯底上，生長作為模板的GaN外延層采用 氫化物氣相外延、金屬有機化學氣相沉積和分子束外延方法中的任意一 種。
3、 按權利要求l所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征 在于在GaN外延層上沉積金屬W薄膜是采用電子束蒸發(fā)或濺射方法制備 的，W薄膜的厚度在3納米一10納米之間。
4、 按權利要求1所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征 在于步驟1中襯底上生長的作為模板的GaN外延層厚度為0.1微米 10 微米。
5、 按權利要求1所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征 在于退火是在密閉的石英管中進行的。
6、 按權利要求l所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征 在于退火時金屬W薄膜層凝聚，同時下層的GaN膜分解，形成均勻多孔 網狀的結構。
7、 按權利要求l或5所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其 特征在于退火時間為15分鐘一60分鐘。
8、 按權利要求l所述的采用鎢輔助熱退火制備GaN納米線的方法，其特征 在于所述的GaN納米線直徑10納米一100納米，長度為10j^m—100)im。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用鎢輔助熱退火制備氮化鎵(GaN)納米線的方法，其特征在于采用了金屬鎢(W)作為催化劑。在熱退火制備GaN納米線的過程中，先在GaN模板上電子束蒸發(fā)一層W薄層，然后在N₂氣氛下經熱退火后就形成了GaN納米線。金屬鎢薄膜的引入，作用是生長GaN納米線的催化劑，在高溫下金屬W會發(fā)生團聚同時下層的GaN會分解使得金屬W層形成分立的多孔網狀結構，從而暴露出部分的GaN膜，同時分生成的金屬Ga和N原子在金屬W催化劑的作用下又合成細長的GaN納米線。這種方法簡單易行，僅需要沉積或濺射一層薄薄的金屬W層，適合于科學實驗和批量生產時采用。
文檔編號C23C16/34GK101220466SQ20071017232
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2007年12月14日
發(fā)明者于廣輝, 林朝通, 王新中, 王笑龍, 雷本亮, 鳴 齊 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所