本發(fā)明涉及GaN納米柱，特別涉及生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭(La_0.3Sr_1.7AlTaO₆)襯底上的GaN納米柱及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

GaN及III-族氮化物由于寬禁帶、穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、高的熱導(dǎo)率和高的電子飽和速度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)、激光器和光電子器件等方面。與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，GaN材料除具有上述優(yōu)點(diǎn)外，其納米級(jí)的材料在量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、體積效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等方面還表現(xiàn)出更多新穎的特性。

GaN納米材料因“尺寸效應(yīng)”產(chǎn)生了一系列新穎特性，使得它在基本物理科學(xué)和新型技術(shù)應(yīng)用方面有著巨大的前景，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。而GaN納米柱結(jié)構(gòu)更是在制備納米范圍發(fā)光器件如LED、LD上表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的性能。

目前，GaN基器件主要是基于藍(lán)寶石襯底。藍(lán)寶石與GaN的晶格失配高達(dá)16.9％，導(dǎo)致外延GaN過(guò)程中形成很高的位錯(cuò)密度，從而降低了材料的載流子遷移率，縮短了載流子壽命，進(jìn)而影響了GaN基器件的性能。其次，由于室溫下藍(lán)寶石熱膨脹系數(shù)(6.63×10^-6K^-1)較GaN的熱膨脹系數(shù)(5.6×10^-6K^-1)大，兩者間的熱失配度約為-18.4％；當(dāng)外延層生長(zhǎng)結(jié)束后，器件從外延生長(zhǎng)的高溫冷卻至室溫過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致薄膜和襯底的龜裂。再次，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率低(100℃時(shí)為25W/m·K)，很難將芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出，導(dǎo)致熱量積累，使器件的內(nèi)量子效率降低，最終影響器件的性能。因此迫切尋找一種合適的方法來(lái)降低GaN外延層的缺陷密度和殘余應(yīng)變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱。本發(fā)明的鋁酸鍶鉭鑭襯底與GaN晶格和熱膨脹系數(shù)較匹配。鋁酸鍶鉭鑭襯底材料與GaN的晶格失配率僅為0.1％，熱失配小(3.6％)，有利于GaN的形核；基于此襯底材料生長(zhǎng)的GaN納米柱，具有晶體質(zhì)量好，位錯(cuò)密度低的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制備方法。研究發(fā)現(xiàn)，GaN外延層的尺寸減小到納米范圍形成的納米柱結(jié)構(gòu)是應(yīng)變弛豫的，幾乎沒(méi)有缺陷，晶體質(zhì)量高。因此，GaN納米柱結(jié)構(gòu)具有比薄膜更高的光學(xué)質(zhì)量，是制備更高光學(xué)性能GaN基器件的可供選擇的材料。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱，包括鋁酸鍶鉭鑭襯底，生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱模板層，生長(zhǎng)在GaN納米柱模板層上的GaN納米柱陣列。

所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱還包括隔離層，所述隔離層沉積在未被GaN納米柱模板層覆蓋的襯底上或GaN納米柱模板層的側(cè)壁和未被GaN納米柱模板層覆蓋的襯底上。所述隔離層的材料為SiN_x。所述隔離層的厚度為30～200nm。

所述GaN納米柱模板層是將生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN預(yù)制層通過(guò)納米壓印技術(shù)刻蝕出均一性好的納米柱作為選區(qū)生長(zhǎng)的模板。

所述鋁酸鍶鉭鑭襯底即La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面；晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底的(111)面。

所述GaN納米柱模板層中GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底(LSAT)的(111)面，即GaN(0001)//LSAT(111)。

所述GaN納米柱模板層為納米柱陣列，所述GaN納米柱模板層的厚度即GaN預(yù)制層的厚度為0.3～4μm，優(yōu)選為1～4μm；所述GaN納米柱陣列中納米柱的厚度為0.2～2μm；優(yōu)選為0.3～2μm。

所述模板層的納米柱的平均直徑為200～500nm，納米柱之間的平均間距為450～600nm。

所述隔離層的厚度為30～200nm。

所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于LSAT的(111)面，即GaN(0001)//LSAT(111)。La_0.3Sr_1.7AlTaO₆[111]方向具有與GaN[0001]相同的六方對(duì)稱性，六方相的La_0.3Sr_1.7AlTaO₆(111)的晶格參數(shù)為a＝0.7730nm，與晶格參數(shù)為a＝0.6312nm的GaN晶格失配度低至0.1％，保證了襯底與薄膜之間的晶格匹配；La_0.3Sr_1.7AlTaO₆的熱膨脹系數(shù)是5.8×10^-6K^-1，GaN的熱膨脹系數(shù)是5.6×10^-6K^-1，其熱失配度低至3.6％，不利于應(yīng)力的形成，有助于外延生長(zhǎng)高質(zhì)量GaN納米柱。

(2)襯底表面拋光、清洗以及退火處理：襯底退火處理：將襯底放入退火室內(nèi)，在800～900℃下對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理0.5～1h；

(5)GaN預(yù)制層外延生長(zhǎng)：襯底溫度控制在450～550℃，在反應(yīng)室的壓力為5.0～8.0×10^-9Pa，襯底轉(zhuǎn)速為5～10r/min，靶基距為50～80mm，同時(shí)脈沖激光沉積(PLD)中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為220～280mJ/cm²，頻率10～30Hz，氮的等離子體流量為3～10sccm，RF活化功率為200～500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下生長(zhǎng)GaN緩沖層即GaN預(yù)制層；可以有效的抑制襯底和薄膜之間的界面反應(yīng)，同時(shí)為外延生長(zhǎng)提供足夠多的生長(zhǎng)能量，夠GaN前驅(qū)體在襯底表面遷移所需能量，實(shí)現(xiàn)低溫外延生長(zhǎng)。

(6)GaN納米柱模板層的制備(GaN納米柱選區(qū)生長(zhǎng)模板的制作)：通過(guò)采用TracePro軟件設(shè)計(jì)并優(yōu)化納米柱的排布，再利用ICP刻蝕技術(shù)將GaN預(yù)制層刻蝕成GaN納米柱模板層，模板層的納米柱的平均直徑為200～500nm，納米柱之間的平均間距在450～600nm；模板層的GaN納米柱均一性好，作為選區(qū)生長(zhǎng)模板。

(7)隔離層的制備：利用PECVD技術(shù)在GaN納米柱模板層和未被模板層的納米柱覆蓋的襯底上沉積隔離層，再刻蝕掉模板層的納米柱上面的隔離層(SiN_x)，留下GaN納米柱模板層側(cè)壁和未被模板層的納米柱覆蓋的襯底上(間隙位置)的隔離層(SiN_x)，以防止GaN顆粒沉積在間隙位置。隔離層的厚度為30～200nm。

(8)高質(zhì)量GaN納米柱的制備：襯底溫度控制在700～900℃，襯底轉(zhuǎn)速為5～10r/min，靶基距為50～80mm，同時(shí)PLD中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為220～340mJ/cm²，頻率10～30Hz，氮的等離子體流量為3～10sccm，RF活化功率為200～500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下在GaN納米柱模板層上生長(zhǎng)GaN納米柱。

襯底表面拋光：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理。

襯底清洗：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底用甲苯、丙酮、乙醇分別對(duì)襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗各10min，去離子水反復(fù)沖洗10min，之后用V(H₂SO₄)：V(H₂O₂)：V(H₂O)＝4∶1∶1的混合液浸泡10min以去除表面殘留物和氧化層去除表面有機(jī)物，再用去離子水反復(fù)清洗干凈后，最后用高純干燥氮?dú)獯蹈伞?/p>

所述GaN預(yù)制層的厚度為0.3～4μm，優(yōu)選1～4μm；GaN預(yù)制層為接下來(lái)制作GaN納米柱模板奠定基礎(chǔ)。

所述GaN納米柱的厚度為0.2～2μm，優(yōu)選為0.3～2μm。

所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱，可用于制備LED、光電探測(cè)器和太陽(yáng)能電池。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明使用鋁酸鍶鉭鑭作為襯底，La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底與GaN晶格失配小(0.1％)，熱失配小(3.6％)，并且價(jià)格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。

(2)本發(fā)明制備得到的GaN納米柱，X射線搖擺曲線半峰寬數(shù)值小，晶體質(zhì)量高，位錯(cuò)密度低。一方面，采用與GaN晶格失配和熱失配度小的鋁酸鍶鉭鑭作為襯底，能夠有效的減少熱應(yīng)力和位錯(cuò)的形成，有利于高質(zhì)量GaN納米柱的生長(zhǎng)；另一方面，GaN納米柱結(jié)構(gòu)是應(yīng)變弛豫的，幾乎沒(méi)有缺陷，晶體質(zhì)量高。最后制備得到的GaN納米柱基光電材料器件的載流子輻射復(fù)合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽(yáng)能電池的發(fā)光效率。

(3)本發(fā)明的生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn)單易行，具有可重復(fù)性。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制作流程圖；

圖2為本發(fā)明的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的高能電子衍射(RHEED)圖譜；

圖4為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的(GaN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜；

圖5為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的(GaN(10-12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

本發(fā)明的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中1-La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，2-GaN納米柱模板層，3-隔離層，4-GaN納米柱陣列。

生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱，包括鋁酸鍶鉭鑭襯底1，生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底1上的GaN納米柱模板層2，生長(zhǎng)在GaN納米柱模板層2上的GaN納米柱陣列4。所述生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱還包括隔離層3，所述隔離層3沉積在未被GaN納米柱模板層2覆蓋的襯底上或GaN納米柱模板層2的側(cè)壁和未被GaN納米柱模板層覆蓋的襯底1上。所述GaN納米柱模板層的厚度為0.3～4μm；所述模板層的納米柱的平均直徑為200～500nm，納米柱之間的平均間距為450～600nm。所述GaN納米柱陣列中納米柱的厚度為0.2～2μm。所述隔離層的厚度為30～200nm。所述鋁酸鍶鉭鑭襯底即La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面；晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底的(111)面。

實(shí)施例1

生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于LSAT的(111)面，即GaN(0001)//La_0.3Sr_1.7A1TaO₆(111)；

(2)襯底表面拋光：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理；

(3)襯底清洗：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底用甲苯、丙酮、乙醇分別對(duì)襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗各10min，去離子水反復(fù)沖洗10min，之后用V(H₂SO₄)∶V(H₂O₂)∶V(H₂O)＝4∶1∶1的混合液浸泡10min以去除表面殘留物和氧化層去除表面有機(jī)物，再用去離子水反復(fù)清洗干凈后，最后用高純干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

(4)襯底退火處理：將襯底放入退火室內(nèi)，在800℃下對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理0.5h；

(5)GaN預(yù)制層外延生長(zhǎng)：襯底溫度控制在450℃，反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-9Pa，襯底轉(zhuǎn)速為5r/min，靶基距為60mm，同時(shí)PLD中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為250mJ/cm²，頻率10Hz，氮的等離子體流量為4sccm，RF活化功率為500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下生長(zhǎng)300nm GaN緩沖層(即GaN預(yù)制層)；可以有效的抑制襯底和薄膜之間的界面反應(yīng)，同時(shí)為外延生長(zhǎng)提供足夠多的生長(zhǎng)能量，夠GaN前驅(qū)體在襯底表面遷移所需能量，實(shí)現(xiàn)低溫外延生長(zhǎng)；

(6)GaN納米柱模板層的制備(GaN納米柱選區(qū)生長(zhǎng)模板)的制作：通過(guò)采用TracePro軟件設(shè)計(jì)并優(yōu)化納米柱的排布，再利用ICP刻蝕技術(shù)將GaN預(yù)制層刻蝕成GaN納米柱模板層，模板層的納米柱的平均直徑為300nm，納米柱之間的平均間距為500nm，納米柱模板厚度為0.3μm；

(7)SiN_x阻擋層的制備：利用PECVD技術(shù)在GaN納米柱模板層上沉積30nmSiN_x阻擋層，再刻蝕掉納米柱上面的SiN_x，只留下間隙位置(即未被模板層的納米柱覆蓋的襯底)的SiN_x，以防止GaN顆粒沉積在間隙位置；

(8)高質(zhì)量GaN納米柱的制備：襯底溫度控制在850℃，襯底轉(zhuǎn)速為5r/min，靶基距為60mm，同時(shí)PLD中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為250mJ/cm²，頻率10Hz，氮的等離子體流量為5sccm，RF活化功率為500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下在GaN納米柱模板層上(即GaN納米柱模板層的納米柱上)生長(zhǎng)厚度為1μm的GaN納米柱。

本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制作流程圖如圖1所示。

圖3為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上GaN納米柱的高能電子衍射(RHEED)圖譜，圖像為細(xì)條紋狀，可知為表面平整的單晶GaN。

圖4為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的(GaN(0002))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜，可知GaN(0002)半高寬為223aresec，缺陷密度低，晶體質(zhì)量很好。

圖5為實(shí)施例1制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的(GaN(10-12))的高分辨X射線衍射(HRXRD)圖譜，可知GaN(10-12)半高寬為238aresec，缺陷密度低，晶體質(zhì)量很好。

將本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱用于制備MSM型紫外光電探測(cè)器：在本實(shí)施例制備的生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN薄膜，依次進(jìn)行光刻顯影，電子束蒸發(fā)沉積電極形成肖特基接觸，退火等工藝。其中沉積電極厚度約為80μm，退火溫度為500℃，退火時(shí)間為180s。本實(shí)施例所制備的光電探測(cè)器在5V偏壓下，暗電流僅為9pA；并且器件在3V偏壓下，在365nm處響應(yīng)度的最大值達(dá)到了0.35A/W；光響應(yīng)時(shí)間小于26ms。

實(shí)施例2

生長(zhǎng)在鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN納米柱的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎肔a_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底，以(111)面偏(100)方向0.5～1°為外延面，晶體外延取向關(guān)系為：GaN的(0001)面平行于LSAT的(111)面，即GaN(0001)//La_0.3Sr_1.7AlTaO₆(111)；

(2)襯底表面拋光：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底表面用金剛石泥漿進(jìn)行拋光，配合光學(xué)顯微鏡觀察襯底表面，直到?jīng)]有劃痕后，再采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行拋光處理；

(3)襯底清洗：將La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底用甲苯、丙酮、乙醇分別對(duì)襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗各10min，去離子水反復(fù)沖洗10min，之后用V(H₂SO₄)∶V(H₂O₂)∶V(H₂O)＝4∶1∶1的混合液浸泡10min以去除表面殘留物和氧化層去除表面有機(jī)物，再用去離子水反復(fù)清洗干凈后，最后用高純干燥氮?dú)獯蹈桑?/p>

(4)襯底退火處理：將襯底放入退火室內(nèi)，在800℃下對(duì)La_0.3Sr_1.7AlTaO₆襯底進(jìn)行退火處理0.5h；

(5)GaN預(yù)制層外延生長(zhǎng)：襯底溫度控制在450℃，反應(yīng)室的壓力為5.0×10^-9Pa，襯底轉(zhuǎn)速為5r/min，靶基距為60mm，同時(shí)PLD中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為250mJ/cm²，頻率10Hz，氮的等離子體流量為4sccm，RF活化功率為500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下生長(zhǎng)500nm GaN緩沖層；可以有效的抑制襯底和薄膜之間的界面反應(yīng)，同時(shí)為外延生長(zhǎng)提供足夠多的生長(zhǎng)能量，夠GaN前驅(qū)體在襯底表面遷移所需能量，實(shí)現(xiàn)低溫外延生長(zhǎng)；

(6)GaN納米柱模板層(即GaN納米柱選區(qū)生長(zhǎng)模板)的制作：通過(guò)采用TracePro軟件設(shè)計(jì)并優(yōu)化納米柱的排布，再利用ICP刻蝕技術(shù)將GaN預(yù)制層刻蝕成GaN納米柱模板層(刻蝕出均一性好的GaN納米柱作為選區(qū)生長(zhǎng)模板)，納米柱模板層的厚度為0.5μm，納米柱的平均直徑為400nm，納米柱之間的平均間距在450nm；

(7)SiN_x阻擋層的制備：利用PECVD技術(shù)在GaN納米柱模板層和未被模板層覆蓋的襯底上沉積150nm SiN_x阻擋層，再刻蝕掉模板層納米柱上面的SiN_x，只留下間隙位置的SiN_x(未被模板層覆蓋的襯底)，以防止GaN顆粒沉積在間隙位置；

(8)高質(zhì)量GaN納米柱(即GaN納米柱陣列)的制備：襯底溫度控制在850℃，襯底轉(zhuǎn)速為5r/min，靶基距為60mm，同時(shí)PLD中激光波長(zhǎng)為248nm，激光能量為250mJ/cm²，頻率10Hz，氮的等離子體流量為5sccm，RF活化功率為500W，使用高能激光轟擊陶瓷GaN靶的條件下生長(zhǎng)500nm GaN納米柱陣列。本實(shí)施例制備的鋁酸鍶鉭鑭襯底上的GaN薄膜具有非常好的光學(xué)性能，測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)施例1相近，在此不再贅述。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。