采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法技术

本发明专利技术涉及半导体材料生长技术领域，公开了一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，该方法包括：加热反应室，当反应室温度升到生长温度时，利用氢气和氮气为载气将含有铟源的反应物与氨气通入到反应室中进行反应，同时控制氢气和氮气的比例，反应物在还原气氛下产生金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化反应物形成含铟氮化物纳米材料。利用本发明专利技术，可以生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料，实现了在ＭＯＣＶＤ设备上利用自催化方法生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料。另外，本发明专利技术提供的这种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，还可以推广到普通的化学气相沉积ＣＶＤ设备中去。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料生长
，尤其涉及一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法。
技术介绍
含铟氮化物，包括氮化铟(InN)、铟镓氮(InGaN)、铟铝氮(InAlN)、铝铟镓氮(AlInGaN)等，是一类重要化合物半导体。它们在高速大功率电子器件、太赫兹电子学、照明、高密度光存储、环境处理与检测、生物、医药领域的应用十分广泛。与此相对应，含铟氮化物的纳米材料日益受到人们的重视。现在，含铟氮化物(主要是InN)的纳米材料的主要生长方法是基于气-固(VS)机制。这种方法是利用铟的氧化物(In2O3)或氯化物(InClx)与氨气(NH3)的反应来得到含铟氮化物纳米材料。这种方法已经实现了InN的纳米管、棒。这种方法的缺点是所得纳米材料的质量比较差。原因是氧/氯化铟所带来的氧/氯污染在该类方法中不可避免，而这些污染会大大劣化所获得纳米材料的光学、电学性质。另外，还有一种利用金属铟(In)与氨气(NH3)直接反应的“自催化”方法。在这种方法，液态金属铟将作为催化剂，引起气-液-固(VLS)生长机制。而VLS机制是现在普遍采用的一种生长纳米材料的机制。因此，这种方法也可以得到如InN的纳米线、棒等含铟氮化物纳米材料。在这里，由于采用了金属铟，而不是金、镍等外来金属催化剂，来制备含铟氮化物的纳米材料，所以这种方法被称为“自催化”方法。“自催化”方法可以在根本上避免氧、氯、外来金属污染，因此有希望生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料。但是“自催化”方法现在仅仅在特殊设计的化学气相沉积设备中实现，其通用性很差。而且在材料质量上，采用这种特殊设备生长的材料难以与-->金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等生长的材料相匹敌。MOCVD、MBE作为两种主要的高级材料生长技术，其生长所得材料质量被公认为是其它技术无法比拟的。尤其是MOCVD技术，已经在工业得到了广泛的应用。如果能够在MOCVD设备上利用“自催化”方法生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料，那无疑将是非常理想。然而，金属铟不是金属有机物，挥发能力很弱，无法作为铟的原料直接应用在MOCVD设备中。如何克服这些困难正是本专利技术所要阐述的。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，以实现在MOCVD设备上利用自催化方法生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，该方法包括：加热反应室，当反应室温度升到生长温度时，利用氢气和氮气为载气将含有铟源的反应物与氨气通入到反应室中进行反应，同时控制氢气和氮气的比例，反应物在还原气氛下产生金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化反应物形成含铟氮化物纳米材料。上述方案中，所述含铟氮化物纳米材料为普通纳米材料或特殊形貌的纳米材料，所述普通纳米材料至少包括纳米棒、纳米线和纳米管，所述特殊形貌的纳米材料至少包括纳米花；所述氢气为未经过活化处理的氢气，或为经过活化处理的氢气，所述经过活化处理的氢气是在氢气通入反应室之前对其使用射频等离子体加以活化；所述铟源为三甲基铟TMIn，或为乙基二甲基铟EDMIn。上述方案中，所述含铟氮化物纳米材料至少包括氮化铟InN、铟镓氮InGaN、铟铝氮InAlN和铝铟镓氮AlInGaN-->上述方案中，当所述含铟氮化物纳米材料为氮化铟InN时，所述氢气和氮气的比例为1∶40，所述生长温度为350至550℃，所述反应物为氨气NH3与TMIn，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶40时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与另一部分TMIn通过气-液-固VLS生长机制发生反应，在反应室中的衬底表面生成氮化铟InN的纳米材料。上述方案中，当所述含铟氮化物纳米材料为铟镓氮InGaN时，所述氢气和氮气的比例为1∶100，所述生长温度为500至850℃，所述反应物为氨气NH3、TMIn与镓源TMGa，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，TMGa的流量为1.5μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶100时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与TMGa以及另一部分TMIn，通过气-液-固VLS生长机制发生反应，在反应室中的衬底表面生成铟镓氮InGaN的纳米材料。上述方案中，当所述含铟氮化物纳米材料为铟铝氮InAlN时，所述氢气和氮气的比例为1∶100，所述生长温度为500至850℃，所述反应物为氨气NH3、TMIn与铝源TMAl，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，TMAl的流量为1μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶100时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与TMAl以及另一部分TMIn，通过气-液-固VLS生长机制发生反应，在反应室中的衬底表面生成铟铝氮InAlN的纳米材料。上述方案中，当所述含铟氮化物纳米材料为铝铟镓氮AlInGaN时，所述氢气和氮气的比例为1∶100，所述生长温度为500至850℃，所述反应物为氨气NH3、TMIn、镓源TMGa与铝源TMAl，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，TMGa的流量为1.5μmol/min，TMAl的流量为1μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶100时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与TMGa、TMAl以及-->另一部分TMIn，通过气-液-固VLS生长机制发生反应，在反应室中的衬底表面生成铝铟镓氮AlInGaN的纳米材料。上述方案中，所述TMIn、TMGa、TMAl、氢气、氮气的流量具体值以及它们之间的比例的具体值随不同的反应室结构、大小的变化而做相应调整；所述TMGa、TMAl的流量要根据所希望得到的纳米材料的组分来决定，如果希望得到高Ga、Al组分的含铟氮化物纳米材料，则应当加大Ga源、Al源的流量。上述方案中，所述氢致自催化法至少包括金属有机物化学气相沉积方法MOCVD和热壁化学气相沉积方法CVD。(三)有益效果本专利技术利用氢气的还原作用，从反应物中产生金属铟液滴，基于所谓的“自催化”机制，实现含铟氮化物纳米材料的生长。由于本专利技术在根本上避免氧、氯、外来金属污染，因此可以生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料，实现了在MOCVD设备上利用自催化方法生长出高质量的含铟氮化物的纳米材料。另外，本专利技术提供的这种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，还可以推广到普通的化学气相沉积CVD设备中去。附图说明图1是本专利技术采用的MOCVD反应室的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，该方法包括：　加热反应室，当反应室温度升到生长温度时，利用氢气和氮气为载气将含有铟源的反应物与氨气通入到反应室中进行反应，同时控制氢气和氮气的比例，反应物在还原气氛下产生金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化反应物形成含铟氮化物纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，该方法包括：加热反应室，当反应室温度升到生长温度时，利用氢气和氮气为载气将含有铟源的反应物与氨气通入到反应室中进行反应，同时控制氢气和氮气的比例，反应物在还原气氛下产生金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化反应物形成含铟氮化物纳米材料。2.根据权利要求1所述的采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，所述含铟氮化物纳米材料为普通纳米材料或特殊形貌的纳米材料，所述普通纳米材料至少包括纳米棒、纳米线和纳米管，所述特殊形貌的纳米材料至少包括纳米花；所述氢气为未经过活化处理的氢气，或为经过活化处理的氢气，所述经过活化处理的氢气是在氢气通入反应室之前对其使用射频等离子体加以活化；所述铟源为三甲基铟TMIn，或为乙基二甲基铟EDMIn。3.根据权利要求1或2所述的采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，所述含铟氮化物纳米材料至少包括氮化铟InN、铟镓氮InGaN、铟铝氮InAlN和铝铟镓氮AlInGaN。4.根据权利要求3所述的采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，当所述含铟氮化物纳米材料为氮化铟InN时，所述氢气和氮气的比例为1∶40，所述生长温度为350至550℃，所述反应物为氨气NH3与TMIn，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶40时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与另一部分TMIn通过气-液-固VLS生长机制发生反应，在反应室中的衬底表面生成氮化铟InN的纳米材料。5.根据权利要求3所述的采用氢致自催化法生长含铟氮化物纳米材料的方法，其特征在于，当所述含铟氮化物纳米材料为铟镓氮InGaN时，所述氢气和氮气的比例为1∶100，所述生长温度为500至850℃，所述反应物为氨气NH3、TMIn与镓源TMGa，NH3的流量为3SLM，TMIn的流量为10μmol/min，TMGa的流量为1.5μmol/min，所述生长过程具体包括：当通入反应室的氢气和氮气的比例达到1∶100时，将有一部分TMIn在氢气还原作用下生成金属铟液滴，利用产生的金属铟液滴作为催化剂，催化氨气NH3与TMGa以...

【专利技术属性】
技术研发人员：康亭亭，刘祥林，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]