專利名稱：利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的In金屬納米點催化合成生長InN納米點材料的方法，尤其是利用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術(shù)催化合成生長InN納米點材料。
背景技術(shù)：
納米點也稱為量子點，是一種三維團簇，它是由有限數(shù)目的原子組成，尺寸大小在納米量級。這種0維體系的物理行為(如光，電性質(zhì))與原子相似，因而被稱作“人造原子”，電子在其中的能量狀態(tài)呈現(xiàn)出類似原子的分立能級結(jié)構(gòu)。由于電子(或空穴)被束縛在一個相對較小的區(qū)域內(nèi)，使電子(或空穴)之間的庫侖作用極其顯著，填充一個電子(或空穴)就要克服量子點中已有電子(或空穴)的排斥作用。量子點的分立能級結(jié)構(gòu)和庫侖電荷效應(yīng)是其基本的物理性質(zhì)。量子阱和量子線的電子態(tài)密度分別呈臺階形狀和尖峰形狀，而納米點或量子點的態(tài)密度則呈現(xiàn)出一系列孤立的線形狀，因而納米點或量子點比量子阱更容易達到激光作用所必須的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，故更適宜制作激光器。同時，早在1982年人們就提出了量子點和量子線激光器的概念，并在理論上預言由于量子點和量子線比量子阱有更大的量子限制效應(yīng)，用量子點，量子線材料制作激光器將降低其閾值電流密度，提高直接調(diào)制速度，使光譜線寬變窄，降低閾值電流對溫度的敏感性。除此之外，納米點或量子點材料還可以用于制作單電子晶體管和光存儲器等。
目前，獲得納米點或量子點的方法主要有以下幾種如光刻腐蝕，選擇外延生長和局域MBE生長；以及利用各種半導體生長設(shè)備的自組織生長，即利用兩種材料之間的晶格失配，在外延薄膜達到一定臨界厚度時，在應(yīng)力的作用下以成島的方式生長。量子點自組織生長的機理是1)生長初期形成二維薄膜，由于表面能達到最小，而形成平坦的表面。2)膜的厚度增加仍然形成平坦表面。3)形成島狀結(jié)構(gòu)保留少量表面平坦層，形成一部分三維結(jié)構(gòu)。由于島的形成，大大釋放了由應(yīng)變所產(chǎn)生的彈性能，所以這些納米點或量子點中的位錯缺陷很少，結(jié)構(gòu)完整。
InN材料在III族氮化物半導體材料中具有最高的飽和電子漂移速度和電子渡越速度，以及具有最小的有效電子質(zhì)量。同時其電子遷移率也比較高。因此，InN材料是理想的高速，高頻晶體管材料。由于InN材料是直接帶隙材料，其帶隙值的最新研究結(jié)果表明為0.6ev-0.7ev，這使得In1-xGaxN三元合金材料的能隙范圍能夠隨合金中In組分x的變化從InN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由調(diào)節(jié)。它提供了對應(yīng)于太陽能光譜幾乎完美的對應(yīng)匹配能隙。這為設(shè)計新型高效太陽能電池提供了極大的可能。理論上，基于InN材料的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有可能接近太陽能電池的理論極限光電轉(zhuǎn)換效率72％。因為本征帶隙的減小，使得InN的發(fā)光波長達到了1.55um，這樣人們就可以用III族氮化物半導體材料通過生長組分連續(xù)調(diào)整變化覆蓋從紫外光到紅外光范圍，并一直延伸到長波長通訊波段，使得光通訊器件制備可選用材料得到更大的豐富。同時InN以其獨特的優(yōu)良特性有可能為光通訊器件的發(fā)展帶來新的突破。目前，對InN材料才僅僅開始，而對InN納米點或量子點材料研究幾乎沒有開展。因此，對InN納米材料的研究是很有意義的，而且也是很有必要的。
本申請人專利申請的是利用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)技術(shù)，用金屬In納米點催化合成生長InN納米點/量子點材料，在材料上是一種發(fā)明，在生長方法上是一種改進，在用途上有著進一步的拓展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)外延生長系統(tǒng)，采用金屬In納米點催化合成技術(shù)生長InN納米點/量子點材料的方法，獲得InN納米點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上催化合成生長InN納米點材料，藍寶石(0001)襯底的表面清洗烘干、藍寶石(0001)襯底放入生長室后的熱處理和氮化，在InN納米點生長前，預先用MOCVD生長技術(shù)在襯底表面形成金屬納米點，生長室溫度在330-400℃，只通入金屬有機源三甲基銦5-15分鐘，在襯底表面淀積一層In金屬納米點；然后利用金屬納米點作為催化劑和成核中心，藍寶石(0001)襯底表面In金屬納米點的形成時三甲基銦流量為2-6μmol/min，在表面淀積一層In金屬納米點。在In金屬納米點的形成后，同時通入金屬有機源三甲基銦和氨氣，合成生長InN納米點材料。
催化合成技術(shù)生長InN納米點的工藝條件是In金屬納米點形成后，通入氨氣和三甲基銦，開始InN納米點的合成生長，氨氣和三甲基銦的流量分別為2-2.5slm，和4.3mol/min，生長時間為60-90分鐘。
本發(fā)明首先在處理時在MOCVD系統(tǒng)中對生長的藍寶石襯底材料在900℃溫度下通入氨氣進行表面氮化，然后在一定溫度范圍通入載氣N2和金屬有機源三甲基銦，通過控制載氣，源氣體流量以及生長溫度等參數(shù)，在藍寶石襯底上形成一定量的金屬In納米液滴，最后同時通入三甲基銦和氨氣，利用金屬In納米點作為催化劑，合成生長InN納米點。
金屬In納米點生長溫度低，時間短，通入金屬有機源三甲基銦5-15分鐘；三甲基銦流量低，三甲基銦流量為3-5μmol/min，?？刂茥l件嚴格。這樣才能形成金屬In納米點。必須先形成金屬In納米點。InN納米點形成同樣要求較低的溫度，生長時間特別不能長，生長時間為60-90分鐘。生長薄膜時間可以較長。
本發(fā)明的機理和技術(shù)特點利用MOCVD生長系統(tǒng)，采用新型的In金屬納米點催化合成生長方法，合成生長InN納米點。在合成生長InN納米點材料前，通過適當控制MOCVD系統(tǒng)合成生長參數(shù)，在藍寶石襯底上先形成金屬In納米液滴，利用In納米點為催化成核中心作為催化劑，再催化合成生長InN納米點材料。在此生長當中InN納米點起到催化劑和成核中心的作用。金屬In納米點具有更好的機制研究和應(yīng)用方面的作用。
四

圖1 為本發(fā)明InN納米點生長前的In納米點SEM照片。從照片中可以看出，在合成生長InN納米點材料前，通過適當控制MOCVD系統(tǒng)合成生長參數(shù)，可以在藍寶石襯底上形成金屬In納米點。
圖2 為采用一般工藝和本發(fā)明采用新型的In金屬納米點催化合成生長方法生長InN納米點的AFM照片。從照片中可以看出，采用一般MOCVD工藝生長InN納米點，其點的密度很低，從圖2還可以看出這些納米點基本上不是InN納米點。而同樣采用本發(fā)明新型的In金屬納米點催化合成生長方法生長InN納米點其密度高，而且從圖2分析可知這些納米點完全是InN納米點。
圖3 為采用一般工藝和本發(fā)明采用新型的In金屬納米點催化合成生長方法生長InN納米點的XRD衍射譜。從譜中可以看出，采用一般MOCVD工藝生長InN納米點，其點的密度很低，這些納米點基本上是In的納米點。而同樣采用本發(fā)明新型的In金屬納米點催化合成生長方法生長的納米點都是InN納米點，其密度也高。
圖4 是本發(fā)明采用新型的In金屬納米點催化合成生長方法生長InN納米點的反應(yīng)原理圖。從圖中可以看出In金屬納米點的催化和成核中心作用。
五具體實施例方式
本發(fā)明利用MOCVD(金屬有機物化學汽相外延)外延生長系統(tǒng)，采用金屬In納米點催化合成技術(shù)生長InN納米點/量子點材料的方法，獲得InN納米點。
具體包括以下幾步1、藍寶石(0001)襯底的表面清洗和處理。分別用三氯乙烯，丙酮，乙醇清洗藍寶石(0001)襯底，用H2SO4∶HNO3(1∶1)將其煮沸，在200℃下用H3PO4∶H2SO4(1∶3)對其腐蝕20分鐘。然后，用去離子水沖洗干凈，并用紅外燈烘烤干表面。
2、藍寶石(0001)襯底放入生長室后的熱處理和氮化。將經(jīng)清洗處理過的襯底片放入生長室內(nèi)，先在900℃氫氣氛中處理10分鐘，再在氨氣氛中對襯底進行氮化處理30分鐘。
3、藍寶石(0001)襯底表面In金屬納米點的形成。降低生長室溫度到330-400℃，只通入金屬有機源三甲基銦5-15分鐘，三甲基銦流量為3-5μmol/min，在表面淀積一層In金屬納米點。
4、催化合成技術(shù)生長InN納米點。In金屬納米點形成后，通入氨氣和三甲基銦，開始InN納米點的合成生長。氨氣和三甲基銦的流量分別為2.1slm，4.3mol/min，生長時間為60-90分鐘。
權(quán)利要求
1.利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上催化合成生長InN納米點材料，藍寶石(0001)襯底的表面清洗烘干、藍寶石(0001)襯底放入生長室后的熱處理和氮化，其特征是在InN納米點生長前，預先用MOCVD生長技術(shù)在襯底表面形成金屬納米點，生長室溫度在330-400℃，只通入金屬有機源三甲基銦5-15分鐘，在襯底表面淀積一層In金屬納米點；然后利用金屬納米點作為催化劑和成核中心，在In金屬納米點的形成時，同時通入金屬有機源三甲基銦和三甲基銦，合成生長InN納米點材料。
2.由權(quán)利要求1所述的利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，其特征是藍寶石(0001)襯底表面In金屬納米點的形成時三甲基銦流量為2-6μmol/min，在表面淀積一層In金屬納米點。
3.由權(quán)利要求1所述的利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，其特征是藍寶石(0001)襯底的處理工藝包括將經(jīng)清洗處理過的襯底片放入生長室內(nèi)，先在900℃氫氣氛中處理10分鐘，再在氨氣氛中對襯底進行氮化處理30分鐘。
4.由權(quán)利要求1所述的利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，其特征是催化合成技術(shù)生長InN納米點的工藝條件是In金屬納米點形成后，通入氨氣和三甲基銦，開始InN納米點的合成生長，氨氣和三甲基銦的流量分別為2-2.5slm，和4.3mol/min，生長時間為60-90分鐘。
全文摘要
利用In金屬納米點催化合成生長InN納米點的方法，利用MOCVD方法在藍寶石(0001)襯底上催化合成生長InN納米點材料，藍寶石(0001)襯底放入生長室，預先用MOCVD生長技術(shù)在襯底表面形成金屬納米點，生長室溫度在330－400℃，只通入金屬有機源三甲基銦5－15分鐘，在襯底表面淀積一層In金屬納米點；然后利用金屬納米點作為催化劑和成核中心，在In金屬納米點的形成時，同時通入金屬有機源三甲基銦和三甲基銦，合成生長InN納米點材料。
文檔編號C23C16/34GK1599033SQ20041004167
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月12日
發(fā)明者謝自力, 張 榮, 修向前, 畢朝霞, 劉斌, 于英儀, 俞慧強, 鄭有炓, 顧書林, 沈波, 江若璉, 施毅, 韓平, 朱順明, 胡立群 申請人:南京大學