本發(fā)明涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GaN納米棒陣列的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，各國都先后啟動了淘汰民用40～60W白熾燈泡的計劃。LED作為新一代照明技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保、高效耐用等優(yōu)點，日益成為全社會關(guān)注的焦點。

在LED照明產(chǎn)品價格的不斷下跌、亮度和壽命不斷提升以及各國政策傾向等因素的推動下，LED市場迎來了爆發(fā)式的增長。GaN基LED是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环NLED照明產(chǎn)品，已成為LED照明市場的主流產(chǎn)品。但是，要想全面替代普通照明設(shè)備，還需改進其外延結(jié)構(gòu)及其制備工藝以進一步降低生產(chǎn)成本，提高發(fā)光效率，因而，研發(fā)新型GaN基LED外延結(jié)構(gòu)具有重要意義。

目前，商用GaN基LED外延層多為二維的多層膜結(jié)構(gòu)，但近年來隨著市場對大功率、高亮度及長壽命LED器件需求量的日益增大，也暴露出越來越多的問題：

比如，由于與襯底具有較大的晶格失配和熱失配系數(shù)，生長的GaN中存在的大量位錯形成非輻射復(fù)合中心，從而抑制內(nèi)量子效率。由于GaN基半導體材料中存在的較強壓電極化現(xiàn)象，使得多量子阱有源區(qū)內(nèi)形成了內(nèi)建電場，產(chǎn)生了量子限制斯塔克效應(yīng)，即，使得量子阱能帶發(fā)生傾斜，導致電子和空穴發(fā)生空間分離，降低電子-空穴波函數(shù)的交疊，載流子復(fù)合幾率減小，降低內(nèi)量子效率。

另外，由于俄歇復(fù)合，載流子泄漏，載流子局域，空穴注入效率低等原因，隨著注入電流的增大，其發(fā)光效率會大幅下降，即所謂的效率驟降問題。同時，由于存在由于各功能層間存在全反射，GaN基薄膜LED的光提取效率仍然較低。以GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的LED外延結(jié)構(gòu)能很好的解決以上問題，目前最常用的合成納米棒陣列結(jié)構(gòu)的方法，是用諸如MOCVD、HVPE以及MBE等傳統(tǒng)半導體合成方法直接讓半導體納米棒陣列生長在襯底上。但是GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備仍處于實驗室研究階段，存在許多問題。如：金屬催化劑污染，結(jié)構(gòu)中存在大量極性反轉(zhuǎn)區(qū)域，納米棒陣列生長方向傾斜缺陷，GaN納米棒陣列生長尺寸和位置難以精確控制等。

選擇區(qū)域生長法需要在GaN納米棒陣列生長之前先非原位沉積一定厚度的掩膜層，通過光刻技術(shù)將某些區(qū)域的掩膜層刻蝕掉，納米棒在沒有被掩膜層覆蓋的區(qū)域生長。該方法可解決上述GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)制備過程中存在的問題，但納米棒的直徑受限于光刻技術(shù)的分辨率，最小只能到20nm左右，且刻蝕掩膜層后的殘留物以及二次生長所帶來的雜質(zhì)污染等問題很難避免，這會對GaN納米棒的生長造成不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)制備方法中存在的雜質(zhì)多，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，工藝復(fù)雜，成本昂貴的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

在襯底上形成第一GaN層；

在所述第一GaN層上形成Al_xGa_1-xN阻止層，x＝0.0～0.4；

在所述Al_xGa_1-xN阻止層上形成第二GaN層；

在所述第二GaN層上直接形成若干納米尺度的氮化硅圖案；

以所述氮化硅圖案為掩膜，通過高溫分解工藝，對所述第二GaN層進行圖案化，形成GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)。

可選的，所述第一GaN層為非摻雜GaN層，厚度為1μm～3μm；所述Al_xGa_1-xN阻止層厚度為100nm～300nm。

可選的，所述氮化硅圖案在任意方向上的寬度為30nm～300nm；相鄰所述氮化硅圖案的間距為500nm～5000nm。

可選的，所述氮化硅圖案的厚度為5nm～20nm。

可選的，所述第一GaN層和所述第二GaN層通過化學氣相沉積法制備，鎵源均為TMGa，氮源均為NH₃，生長溫度分別為520℃～570℃、1020℃～1070℃。

可選的，所述Al_xGa_1-xN阻止層通過化學氣相沉積法制備，鋁源為TMAl，鎵源為TMGa，氮源為NH₃。

可選的，所述氮化硅圖案通過化學氣相沉積法制備，硅源為SiH₄，氮源為NH₃，生長溫度為1050℃。

可選的，所述高溫分解工藝中，分解溫度為900℃～1000℃，分解時間為10min～20min。

可選的，所述GaN納米棒的高度為200nm～5000nm、直徑為30nm～300nm，相鄰所述GaN納米棒之間的間距為500nm～5000nm。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明實施例所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：在襯底上形成第一GaN層；在所述第一GaN層上形成Al_xGa_1-xN阻止層，x＝0.0～0.4；在所述Al_xGa_1-xN阻止層上形成第二GaN層；在所述第二GaN層上直接形成若干納米尺度的氮化硅圖案；以氮化硅圖案為掩膜，通過高溫分解工藝，對所述第二GaN層進行圖案化，形成GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)。無需圖形化襯底、也不需要使用各種化學試劑，工藝簡單、成本較低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、良品率高。

2、本發(fā)明實施例所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，采用高溫對生長的第二GaN層進行分解，在第二GaN層高溫分解過程中，由于氮化硅掩膜層具有極高的熱穩(wěn)定性，能有效保護其覆蓋區(qū)域以防止其覆蓋區(qū)域的GaN分解，沒有被覆蓋的GaN區(qū)域會分解直至Al_xGa_1-xN阻止層，最后被氮化硅掩膜層覆蓋的區(qū)域形成GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)。

3、本發(fā)明實施例所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法由于不含金屬催化劑，能完全避免金屬催化劑的污染，且無需圖形化的襯底，工藝成本較低。

4、本發(fā)明實施例所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法不使用光刻技術(shù)，因此不受光刻技術(shù)分辨率的限制，能制備直徑非常小的納米棒陣列。

5、本發(fā)明實施例所述的一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，采用高溫對生長的第二GaN層進行分解，在高溫分解過程中，能夠使得GaN生長過程中產(chǎn)生的大量刃型位錯會相互吞并淹沒直至消失，有效降低了GaN納米棒陣列中的位錯密度。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中：

圖1(a)-圖1(e)是本發(fā)明實施例1所述的GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)制備過程中的結(jié)構(gòu)圖。

圖中附圖標記表示為：1-襯底、2-第一GaN層、3-Al_xGa_1-xN阻止層、4-第二GaN層、5-氮化硅圖案、6-GaN納米棒陣列。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。

本發(fā)明可以多種不同的形式實施，而不應(yīng)該被理解為僅限于在此闡述的實施例。相反，提供此實施例，使得本發(fā)明將是徹底的和完整的，并且將把本發(fā)明的構(gòu)思充分傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明將僅由權(quán)利要求來限定。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區(qū)域的尺寸及相對尺寸。應(yīng)當理解的是，當元件例如層、區(qū)域或基板被稱作“形成在”或“設(shè)置在”另一元件“上”時，該元件可以直接設(shè)置在所述另一元件上，或者也可以存在中間元件。相反，當元件被稱作“直接形成在”或“直接設(shè)置在”另一元件上時，不存在中間元件。

實施例

本實施例提供一種GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)，如圖1(e)所示，包括襯底1，依次層疊形成在襯底1上的第一GaN層2、Al_xGa_1-xN阻止層3以及形成在Al_xGa_1-xN阻止層3上的GaN納米棒陣列6。

由于GaN納米棒陣列6為納米級陣列結(jié)構(gòu)，比表面積大，可以承受較大的晶格失配和熱失配，更好的釋放應(yīng)力，因而位錯密度較低。在形成的GaN納米棒陣列6中，納米棒陣列具有良好的周期性，能夠有效降低二維薄膜結(jié)構(gòu)之間的全反射。

GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

S1、如圖1(a)所示，在襯底1上形成第一GaN層2；

襯底1選用商用藍寶石襯底，通過金屬有機化合物化學氣相沉積法在襯底1上形成第一GaN層2，鎵源為TMGa，氮源為NH₃，生長溫度分別為520℃～570℃、1020℃～1070℃。作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，鎵源TMGa生長溫度為545℃，氮源NH₃生長溫度為1045℃。

S2、如圖1(a)所示，在第一GaN層2上形成Al_xGa_1-xN阻止層3(x＝0.0～0.4)；

以TMAl為鋁源，以TMGa為鎵源，以NH₃為氮源，通過金屬有機化合物化學氣相沉積法在第一GaN層2上形成Al_xGa_1-xN阻止層2。

S3、如圖1(a)所示，在Al_xGa_1-xN阻止層3上形成第二GaN層4；

通過金屬有機化合物化學氣相沉積法在Al_xGa_1-xN阻止層3上形成第二GaN層4，鎵源為TMGa，氮源為NH₃，生長溫度分別為520℃～570℃、1020℃～1070℃。作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，鎵源TMGa生長溫度為545℃，氮源NH₃生長溫度為1045℃。

S4、如圖1(a)所示，在第二GaN層4上直接形成若干納米尺度的氮化硅圖案5；

以SiH₄為硅源，以NH₃為氮源，生長溫度為1050℃，通過金屬有機化合物化學氣相沉積法制備氮化硅圖案5；氮化硅圖案5在任意方向上的寬度為30nm～300nm，厚度為5nm～20nm，相鄰氮化硅圖案5的間距為500nm～5000nm。作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，氮化硅圖案5在任意方向上的寬度為165nm，厚度為10nm，相鄰氮化硅圖案5的間距為2750nm。

以氮化硅圖案5為掩膜，通過高溫分解工藝，對第二GaN層4進行圖案化，從而形成GaN納米棒陣列6，分解溫度為900℃～1000℃，分解時間為10～20min。作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，高溫分解工藝的分解溫度為950℃，分解時間為15min。

氮化硅圖案5具有極高的熱穩(wěn)定性，能有效保護其覆蓋區(qū)域以防止第二GaN層4分解。Al_xGa_1-xN阻止層3厚度為200nm，因其具有較高的熱穩(wěn)定性，第二GaN層4分解到該層時會停止。

如圖1(b)至如圖1(e)所示，沒有被覆蓋的第二GaN層4區(qū)域會逐漸分解直至Al_xGa_1-xN阻止層3，從圖1(b)的局部凹陷，至圖1(c)、圖1(d)中形成頂部具有氮化硅圖案5的凸臺，最后形成圖1(e)所示的GaN納米棒陣列6結(jié)構(gòu)。因此，該方法無需圖形化襯底、也不需要使用各種化學試劑，工藝簡單、良品率高。

第二GaN層4在高溫分解過程中，能夠使得GaN生長過程中產(chǎn)生的大量刃型位錯相互吞并淹沒直至消失，大大降低了GaN納米棒陣列6中的位錯密度。

作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，直接形成GaN納米棒陣列6的第一GaN層2為非摻雜GaN層，厚度為2μm。作為本發(fā)明的可變換實施例，第一GaN層2厚度還可以為1μm～3μm，均可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。

作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，Al_xGa_1-xN阻止層3的含鋁量為20％(即x＝0.2)，Al_xGa_1-xN阻止層3厚度為200nm。作為本發(fā)明的可變換實施例，Al_xGa_1-xN阻止層3的含鋁量還可以為0％～40％(即x＝0.0～0.4)，Al_xGa_1-xN阻止層3厚度還可以為100nm～300nm，均可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。

作為本發(fā)明的一個實施例，本實施例中，GaN納米棒陣列6中納米棒高度為2500nm，直徑為200nm，相鄰GaN納米棒之間的間距為2500nm。作為本發(fā)明的可變換實施例，GaN納米棒陣列6的高度還可以為200nm～5000nm、直徑還可以為30nm～300nm，相鄰GaN納米棒之間的間距還可以為500nm～5000nm，均可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，屬于本發(fā)明的保護范圍。

GaN納米棒陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，無需圖形化襯底、也不需要使用各種化學試劑，工藝簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、良品率高。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。