生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用，包括生长在Ti衬底上的AlN缓冲层，生长在AlN缓冲层上的(In)GaN纳米柱。本发明专利技术采用的Ti衬底价格低廉，有利于降低器件成本；其次，本发明专利技术采用的Ti衬底导电性能好，可以直接作为器件的电极，无需制备欧姆接触电极，简化了器件工艺。本发明专利技术公开的Ti衬底上(In)GaN纳米柱的制备方法，具有生长工艺简单，制备成本低的优点，而且本发明专利技术制备的(In)GaN纳米柱晶体质量好，禁带宽度可调，比表面积大，可实现可见光光谱响应，适用于光电解水产氢。

(In)GaN nanopillars grown on Ti substrates and their preparation methods and Applications

The invention discloses (In) GaN nanopillars grown on Ti substrates and their preparation methods and applications, including AlN buffer layer grown on Ti substrates and (In) GaN nanopillars grown on AlN buffer layer. The Ti substrate used in the invention has low price, which is beneficial to reducing device cost; secondly, the Ti substrate used in the invention has good conductivity and can be directly used as the electrode of the device without preparing ohmic contact electrode, thus simplifying the device process. The preparation method of (In) GaN nanocolumn on Ti substrate disclosed by the invention has the advantages of simple growth process and low preparation cost, and the crystal quality of (In) GaN nanocolumn prepared by the invention is good, the band gap width is adjustable, the specific surface area is large, the visible light spectral response can be realized, and it is suitable for photoelectrolysis of aquatic hydrogen.

【技术实现步骤摘要】
生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用
本专利技术涉及(In)GaN纳米柱领域，特别涉及生生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法与应用。
技术介绍
氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点，在国防科技、航天航空、工业生产中已经大量运用。作为一种理想的能源载体，氢可以通过燃烧产生动力(如氢燃气轮机、氢汽车发动机等)，也可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及电驱动车。光电化学(Photoelectrochemical，PEC)解水产氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，具有重要的研究意义。在过去的几十年中，研究人员主要致力于探索能够实现高效PEC解水的半导体材料。其中，(In)GaN材料带隙可调，可实现可见光光谱范围内光电解水产氢，引起了研究人员的广泛关注。此外，当(In)GaN材料缩小到纳米尺寸的纳米柱时，表现出了一些独特的性能：(1)(In)GaN纳米柱具有高的比表面积，其高的比表面积使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，能显著降低缺陷密度，进而降低载流子非辐射复合的概率；(2)纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别参加析氢、析氧反应；(3)纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收，提高对太阳光的利用，并且增大了半导体/电解液的界面反应面积。综上所述，(In)GaN纳米柱在光电解水产氢领域具有独特的优势，是理想的光电解水材料。目前，(In)GaN纳米柱主要是基于蓝宝石、单晶Si衬底。而它们往往存在着电阻率较大(蓝宝石1014Ω·cm，掺杂Si～10Ω·cm)、成本高等问题。电阻率较大的蓝宝石、单晶Si作为(In)GaN纳米柱基光电极的衬底材料，在制备电极时，需要蒸镀多层金属层制备欧姆接触电极，增大了器件工艺的复杂程度。因此寻找一种价格低廉、导电性能好的衬底材料应用于生长(In)GaN纳米柱，对(In)GaN纳米柱光电解水产氢应用意义重大。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术采用一种成本低、导电性能好的Ti金属衬底。金属Ti衬底的导电性能好，可以直接作为器件的电极，无需制备欧姆接触电极，简化了器件工艺。再次，金属Ti衬底价格相对较低，有利于降低器件成本。本专利技术的目的在于提供一种生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱及其制备方法。(In)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。本专利技术的另一目的在于提供上述生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的光电解水产氢应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，包括Ti衬底1，生长在Ti衬底1上的AlN缓冲层2，生长在AlN缓冲层2上的(In)GaN纳米柱3。优选的，所述Ti衬底为普通Ti金属。优选的，所述AlN缓冲层的厚度为5～50nm，当AlN缓冲层的厚度达到5～50nm时生长(In)GaN纳米柱的应力得到释放。另外，(In)GaN纳米柱由于较大的比表面积，使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，有利于在Ti金属衬底上生长高质量的(In)GaN纳米柱。优选的，所述(In)GaN纳米柱包括GaN、InGaN、InN纳米柱，以及InGaN/GaN、InN/InGaN核/壳结构纳米柱。优选的，所述(In)GaN纳米柱的高度为60～2000nm,直径为15～500nm。以上所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底的选取：采用Ti衬底；(2)衬底表面抛光：将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察Ti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；(3)衬底清洗：将步骤(2)抛光后的Ti衬底超声清洗，以去除表面残留有机物，最后用高纯干燥氮气吹干；(4)衬底退火处理：将步骤(3)所得Ti衬底放入反应室内，在900～1100℃下对Ti衬底进行退火处理，以获得光滑的表面；(5)AlN缓冲层的制备：控制步骤(4)所得Ti衬底温度为450～550℃，转速为5-10r/min，沉积厚度为5～50nm的金属Al薄膜，然后采用氮等离子体源对金属Al薄膜进行氮化，等离子体源功率为200～450W，氮气流量为1～5sccm，在Ti衬底上获得AlN缓冲层，有利于进行后续(In)GaN纳米柱的生长；(6)(In)GaN纳米柱的生长：采用分子束外延生长工艺，控制衬底温度为450～1000℃，衬底转速为5-10r/min，Ga束流流量为1.0×10-8～1.5×10-7Torr，In束流流量为1.0×10-8～5×10-7Torr，氮气流量为1～5sccm，等离子体源功率为200-450W，在步骤(5)得到的AlN缓冲层上生长(In)GaN纳米柱。优选的，步骤(3)所述超声清洗是将Al衬底用丙酮、乙醇、水分别超声清洗2～5min。优选的，步骤(4)所述退火处理的时间为0.5～1小时。优选的，步骤(5)所述氮化的时间为10～30分钟。以上所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱在光电解水产氢中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术使用普通Ti金属作为衬底，相对于其它衬底材料，如蓝宝石、单晶Si衬底，价格更便宜，可以降低器件制造成本。(2)Ti金属作为生长(In)GaN纳米柱的衬底材料，可直接作为器件的电极。如此，无需蒸镀多层金属制备欧姆接触电极，简化了器件制备工艺。(3)在常温下，钛金属表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出优异的化学稳定性。因此，相对于其它金属衬底材料，Ti金属更适用于作为衬底材料生长(In)GaN纳米柱应用于光电解水产氢。(4)本专利技术使用Ti金属作为衬底，先沉积一层金属铝薄膜，然后进行氮化处理，形成AlN缓冲层，有利于后续(In)GaN纳米柱的形核和生长。并且，当AlN缓冲层厚度达到5～50nm，(In)GaN纳米柱处于弛豫状态。另外，(In)GaN纳米柱由于较大的比表面积，使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，有利于在Ti金属衬底上生长高质量的(In)GaN纳米柱。(5)本专利技术制备得到的(In)GaN纳米柱，晶体质量高，位错密度低。一方面，AlN缓冲层的采用，减小了Ti衬底与(In)GaN之间的晶格失配，能够有效地减少位错的形成，有利于高质量(In)GaN纳米柱的生长；另一方面，(In)GaN纳米柱结构是应变弛豫的，几乎没有缺陷，晶体质量高。最后制备得到的高晶体质量的(In)GaN纳米柱，大幅降低了载流子非辐射复合的概率，可大幅度提高(In)GaN纳米柱在光电解水产氢应用上的光电转换效率。(6)(In)GaN纳米柱通过调节In组分，其带隙在0.67-3.4eV范围可调，可实现在可见光光谱范围内光电解水产氢，提高对太阳光的利用率。(7)生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱在应用于光电解水产氢时，(In)GaN纳米柱的纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应。(8)(In)GaN纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收，提高对太阳光的利用，并且增大了半导体/电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，包括Ti衬底（1），生长在Ti衬底（1）上的AlN缓冲层（2），生长在AlN缓冲层（2）上的(In)GaN纳米柱（3）。

【技术特征摘要】
1.生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，包括Ti衬底（1），生长在Ti衬底（1）上的AlN缓冲层（2），生长在AlN缓冲层（2）上的(In)GaN纳米柱（3）。2.根据权利要求1所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，所述Ti衬底为普通Ti金属。3.根据权利要求1所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为5~50nm。4.根据权利要求1所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，所述(In)GaN纳米柱包括GaN、InGaN、InN纳米柱。5.根据权利要求4所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱，其特征在于，所述(In)GaN纳米柱的高度为60~2000nm,直径为15~500nm。6.制备权利要求1-5任一项所述的生长在Ti衬底上的(In)GaN纳米柱的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）衬底的选取：采用Ti衬底；（2）衬底表面抛光：将Ti衬底表面用金刚石泥浆进行抛光，配合光学显微镜观察Ti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；（3）衬底清洗：将步骤（2）抛光后的Ti衬底超声清洗，以去除表面残留有机物，最后用高纯干燥氮气吹干；（4）衬底退火处理：将步骤（3）所得Ti衬...

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