生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱制造技术

本实用新型专利技术属于GaN纳米柱制备的技术领域，公开了生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱。所述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纳米柱阵列所述铝酸锶钽镧衬底以(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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底的(111)面。本实用新型专利技术的GaN纳米柱阵列尺寸可控，具有晶体质量好、缺陷密度低和应力弛豫的特点。

GaN nanorods grown on strontium lanthanum aluminate substrate

The utility model belongs to the technical field of the preparation of GaN nano columns, and discloses a GaN nano column which is grown on the substrate of strontium aluminate and tantalum. The growth of GaN nanorods in lanthanum strontium aluminate tantalum substrate comprises lanthanum strontium aluminate tantalum substrate, GaN nano column template layer growth in lanthanum strontium aluminate tantalum substrate, GaN nanorod arrays grown on GaN nanorod template layer on the substrate with lanthanum strontium aluminate tantalate (111) the partial (100) to 0.5 ~ 1 degrees for the epitaxial surface; epitaxial orientation relationship: GaN (0001) surface parallel to the substrate surface (111) La0.3Sr1.7AlTaO6. The GaN nano column array of the utility model has the advantages of controllable crystal quality, low defect density and stress relaxation.

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及GaN纳米柱，特别涉及生长在铝酸锶钽镧(La0.3Sr1.7AlTaO6)衬底上的GaN纳米柱。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本技术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。本技术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。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。本技术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SiNx。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La0.3Sr1.7AlTaO6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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底的(111)面。所述GaN纳米柱模板层中GaN的(0001)面平行于La0.3Sr1.7AlTaO6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：(1)衬底以及其晶向的选取：采用La0.3Sr1.7AlTaO6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LSAT的(111)面，即GaN(0001)//LSAT(111)。La0.3Sr1.7AlTaO6[111]方向具有与GaN[0001]相同的六方对称性，六方相的La0.3Sr1.7AlTaO6(111)的晶格参数为a＝0.7730nm，与晶格参数为a＝0.6312nm的GaN晶格失配度低至0.1％，保证了衬底与薄膜之间的晶格匹配；La0.3Sr1.7AlTaO6的热膨胀系数是5.8×10-6K-1，GaN的热膨胀系数是5.6×10-6K-1，其热失配度低至3.6％，不利于应力的形成，有助于外延生长高质量GaN纳米柱。(2)衬底表面抛光、清洗以及退火处理：衬底退火处理：将衬底放入退火室内，在800～900℃下对La0.3Sr1.7AlTaO6衬底进行退火处理0.5～1h；(5)GaN预制层外延生长：衬底温度控制在450～550℃，在反应室的压力为5.0～8.0×10-9Pa，衬底转速为5～10r/min，靶基距为50～80mm，同时脉冲激光沉积(PLD)中激光波长为248nm，激光能量为220～280mJ/cm2，频率10～30Hz，氮的等离子体流量为3～10sccm，RF活化功率为200～500W，使用高能激光轰击陶瓷GaN靶的条件下生长GaN缓冲层即GaN预制层；可以有效的抑制衬底和薄膜之间的界面反应，同时为外延生长提供足够多的生长能量，够GaN前驱体在衬底表面迁移所需能量，实现低温外延生长。(6)GaN纳米柱模板层的制备(GaN纳米柱选区生长模板的制作)：通过采用TracePro软件设计并优化纳米柱的排布，再利用ICP刻蚀技术将GaN预制层刻蚀成GaN纳米柱模板层，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在450～600nm；模板层的GaN纳米柱均一性好，作为选区生长模板。(7)隔离层的制备：利用PECVD技术在GaN纳米柱模板层和未被模板层的纳米柱覆盖的衬底上沉积隔离层，再刻蚀掉模板层的纳米柱上面的隔离层(SiNx)，留下GaN纳米柱模板层侧壁和未被模板层的纳米柱覆盖的衬底上(间隙位置)的隔离层(SiNx)，以防止GaN颗粒沉积在间隙位置。隔离层的厚度为30～200nm。(8)高质量GaN纳米柱的制备：衬底温度控制在700～900℃，衬底转速为5～10r/min，靶基距为50～80mm，同时PLD中激光波长为248nm，激光能量为220～340mJ/cm2，频率10～30Hz，氮的等离子体流量为3～10sccm，RF活化功率为200～500W，使用高能激光轰击陶瓷GaN靶的条件下在GaN纳米柱模板层上生长GaN纳米柱。衬底表面抛光：将La0.3Sr1.7AlTaO6衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察衬底表面，直到没有划痕后，再采用化学机械抛光的方法进行抛光处理。衬底清洗：将La0.3Sr1.7AlTaO6衬底用甲苯、丙酮、乙醇分别对衬底进行标准超声清洗各10min，去离子水反复冲洗10min，之后用V(H2SO4)∶V(H2O2)∶V(H2O)＝4∶1∶1的混合液浸泡10min以去除表面残留物和氧化层去除表面有机物，再用去离子水反复清洗干净后，最后用高纯干燥氮气吹干。所述GaN预制层的厚度为0.3～4μm，优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱，其特征在于：所述铝酸锶钽镧衬底即La0.3Sr1.7AlTaO6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La0.3Sr1.7AlTaO6衬底的(111)面。3.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧衬底上的GaN纳米柱，其特征在于：所述GaN纳米柱模板层中GaN的(0001)面平行于铝酸锶钽镧衬底即La0.3Sr1.7AlTaO6衬底的(111)面。4.根据权利要求1所述生长在铝酸锶钽镧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，朱运农，李筱婵，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44