硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱及制备方法技术

本发明专利技术属于半导体的技术领域，公开了硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱及制备方法。方法为：(1)Si衬底清洗；(2)在Si衬底上制备石墨烯层；(3)采用分子束外延法在Si衬底的石墨烯上于900～1100℃高温生长GaN纳米柱；(4)采用分子束外延法，将步骤(3)的GaN纳米柱在650～800℃低温下继续进行生长。硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，从下至上依次包括Si衬底、石墨烯层、GaN纳米柱。本发明专利技术的GaN纳米柱直径均匀、有序性高，具有低缺陷密度和高晶体质量，能够提高器件的载流子辐射复合效率，氮化物器件的发光效率以及光解水制氢效率。本发明专利技术的制备方法简单，生产周期短。

【技术实现步骤摘要】
硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱及制备方法
本专利技术涉及GaN纳米柱，特别涉及在Si/石墨烯复合衬底上生长GaN纳米柱及其制备方法。
技术介绍
GaN及III-族氮化物由于禁带宽度大、物理化学性质稳定、热导率高和电子饱和速度高等优点，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，其纳米尺度的GaN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、激光二极管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上外延生长和制备，然而蓝宝石由于热导率低，导致以蓝宝石为衬底的大功率GaN器件产生的热量无法有效释放，导致热量不断累积使温度上升，加速GaN基发光器件，存在器件性能差、寿命短等缺点。相比之下，Si的热导率比蓝宝石高，在Si衬底上制备的大功率GaN基半导体器件在工作时产生的热量得到有效释放。在Si衬底上生长直径均一、直立、有序性高的GaN纳米柱是制备高性能GaN基光电器件的先提条件。但是由于Si与GaN之间的的晶格失配大；同时，生长初期GaN纳米柱分布不均匀，生长过程中Ga和N原子分布的差异，导致生长的GaN纳米柱会有高度、径长不均匀、有序性差等情况。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱及其制备方法。本专利技术将石墨烯复合在Si衬底上，降低Si与GaN之间的的晶格失配，促使低缺陷密度、高晶体质量的GaN纳米柱的生长，而且高温和低温的分段处理，更进一步促进有序性好、直径均一的GaN纳米柱生长。另外，石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。并且，石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，在Si衬底上复合石墨烯作为生长衬底，进行GaN纳米柱的生长，有助于进一步扩展GaN纳米柱的应用前景。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，从下至上依次包括Si衬底(即硅衬底)、石墨烯层、GaN纳米柱。Si衬底和石墨烯层组成硅/石墨烯复合衬底(即Si/石墨烯复合衬底)。GaN纳米柱直径均匀，在石墨烯层上有序分布。所述Si衬底为以(111)面为外延面的衬底；GaN的(0001)面平行于Si的(111)面。石墨烯层数为单层或者多层。GaN纳米柱的直径为40-50nm。所述GaN纳米柱是通过高温生长和低温生长获得；具体是采用分子束外延法，依次通过高温生长和低温生长制备而成；高温生长的温度为900～1100℃，低温生长的温度为650～800℃。硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：(1)Si衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面；(2)Si衬底清洗；(3)制备Si/石墨烯复合衬底：在Si衬底上制备石墨烯层；(4)高温生长GaN纳米柱：采用分子束外延法，在Si衬底的石墨烯层上高温生长GaN纳米柱，高温生长的温度为900～1100℃；(5)低温生长GaN纳米柱：采用分子束外延法，将步骤(4)得到的GaN纳米柱在低温下继续进行生长，低温的温度为650-800℃。步骤(4)中高温生长GaN纳米柱的条件为N分压为2-8sccm，Ga束流量为(2～8)×10-8Torr，射频功率为50～300W，生长时间为1.5～3小时；步骤(5)中低温生长的条件为N分压为2～8sccm，Ga束流量为(2～8)×10-8torr，射频功率为50～300W，生长时间为1.5～3小时。步骤(2)中所述衬底清洗，具体为：用体积比为1:10的HF与去离子水混合液对衬底进行标准超声清洗1-2分钟,然后用去离子水反复冲洗1-2分钟，最后用高纯干燥氮气吹干。步骤(3)中所述Si/石墨烯复合衬底通过气相沉积法在Si衬底上生长石墨烯层或者将石墨烯层转移至Si衬底上；通过气相沉积法在Si衬底上生长石墨烯层的具体制备步骤为：将经过清洗的Si衬底置于化学气相沉积设备(CVD)中，进行石墨烯的生长，采用甲烷作为碳源，氢气为载气，生长温度为600～1000℃，形成Si/石墨烯复合衬底。生长的石墨烯层数为单层或者多层。甲烷的流量为0.4～15sccm，氢气的体积流量为10-30cm3/min，生长的时间为10～25min。将石墨烯层转移至Si衬底上的具体制备为：在铜箔上生长石墨烯，在氯化铁溶液中浸泡去除铜箔，获得石墨烯层；将获得的石墨烯层转移到Si衬底上，形成Si/石墨烯复合衬底。步骤(4)得到的GaN纳米柱高度为50～150nm、直径为40～50nm。步骤(5)得到的GaN纳米柱高度为350～500nm，直径为40～50nm。硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱通过上述方法得到。硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱用于制备半导体激光器、发光二极管或太阳能电池。硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱在光解水制氢中的应用。本专利技术的原理如下：本专利技术通过高温获得高有序性和低温保持直径均一的温度分段处理，既改善了高温生长纳米柱的不均匀性，又改善低温生长纳米柱的柱向杂乱情况。当生长温度较低时，纳米柱的生长方向无序，但是纳米柱的直径均一性高，当纳米柱生长温度较高时，纳米柱直径均一性差。由此，本专利技术在Si/石墨烯复合衬底上先在高的生长温度条件下进行纳米柱的初期生长，使形成有序性较好的GaN纳米柱；然后降低生长温度，在高有序性纳米柱上低温生长直径均一的纳米柱。最后获得有序性好、直径均一的GaN纳米柱。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：1、本专利技术将石墨烯复合在Si衬底上，降低Si与GaN之间的的晶格失配，促使低缺陷密度、高晶体质量的GaN纳米柱的生长，而且通过高温获得高有序性和低温保持直径均一的温度分段处理，既改善了高温生长纳米柱的不均匀性，又改善低温生长纳米柱的柱向杂乱情况；2、本专利技术采用Si/石墨烯复合衬底进行GaN纳米柱的生长，由于Si衬底以及石墨烯具有热导率高，生长和制造工艺成熟，有利于发展低成本、高性能GaN大功率器件；3、本专利技术的GaN纳米柱结构是应变弛豫的，低缺陷密度，晶体质量高，因此制备的GaN纳米柱基光电材料器件的载流子辐射复合效率高，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管发光效率和太阳能电池的光电转换效率，以及提高光解水制氢效率；4、本专利技术采用的生长工艺没有采用催化剂，也不需要进行对衬底进行图案的制作，本专利技术具有简单易行，可重复性高，生产周期短。附图说明图1为本专利技术的硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱的结构示意图，其中11-GaN纳米柱，12-Si/石墨烯复合衬底，13-石墨烯层，14-Si衬底；图2为实施例1的硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱扫描电子显微镜图；图3为实施例1的硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱的高分辨透射电子显微镜照片。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，其特征在于：从下至上依次包括Si衬底、石墨烯层、GaN纳米柱。

【技术特征摘要】
1.硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，其特征在于：从下至上依次包括Si衬底、石墨烯层、GaN纳米柱。2.根据权利要求1所述硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，其特征在于：所述Si衬底以(111)面为外延面；GaN的(0001)面平行于Si的(111)面；GaN纳米柱的直径为40～50nm。3.根据权利要求1所述硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱，其特征在于：所述GaN纳米柱是通过高温生长和低温生长获得；高温生长的温度为900～1100℃，低温生长的温度为650～800℃。4.根据权利要求1～3任一项所述硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)Si衬底清洗；(2)制备Si/石墨烯复合衬底：在Si衬底上制备石墨烯层；(3)高温生长GaN纳米柱：采用分子束外延法，在Si衬底的石墨烯层上高温生长GaN纳米柱，高温生长的温度为900～1100℃；(4)低温生长GaN纳米柱：采用分子束外延法，将步骤(3)的GaN纳米柱在低温下继续进行生长，低温的温度为650～800℃。5.根据权利要求4所述硅/石墨烯复合衬底上外延生长GaN纳米柱的制备方法，其特征在于：Si衬底以及其晶向的选取：采用Si衬底，以(111)面为外延面，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Si的(111)面。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，高芳亮，余粤锋，徐珍珠，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44