MBE生長GaN納米柱XRD和AFM分析

周平，任霄鈺，苑進(jìn)社

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047)

MBE生長GaN納米柱XRD和AFM分析

周平，任霄鈺，苑進(jìn)社

(重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047)

首次使用納米壓印和分子束外延(MBE)相結(jié)合的方法在圖形化襯底上成功制備出GaN納米柱，并用XRD和AFM對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析表征。XRD分析表明所制備的GaN納米柱在(0002)方向擇優(yōu)生長。計(jì)算得出GaN納米柱的尺寸約為30 nm。原子力顯微鏡AFM分析發(fā)現(xiàn):隨著V/III的增大，表面粗糙度逐漸降低。基于XRD和AFM分析結(jié)果，討論了V/III比對(duì)制備GaN納米柱形貌和結(jié)構(gòu)的影響。

分子束外延;V/III比;GaN納米柱

作為第三代半導(dǎo)體的代表，GaN在光電器件與微電子領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景，受到越來越多的關(guān)注。GaN是禁帶寬度為3.39 eV的直接躍遷型寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有良好的抗輻射性、穩(wěn)定性、光電特性，是高溫、高頻、大功率器件的首選材料［1－2］。與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，GaN材料除具有上述優(yōu)點(diǎn)外，其納米級(jí)的材料在量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、體積效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等方面還表現(xiàn)出更多新穎的特性。

目前，為滿足納米級(jí)電子器件的不同要求，采用GaN納米材料的納米線、納米柱、納米網(wǎng)等已經(jīng)應(yīng)用于各種光電子器件［3－5］。在LED的研究方面，日本科學(xué)家Kishino［6］利用在GaN的納米柱上繼續(xù)生長InGaN/GaN的多量子阱作為LED的有源區(qū)，通過使用HVPE和MBE的方法制備了具有低位錯(cuò)和高激發(fā)效率的InGaN/GaN多量子阱納米柱LED。這些特性使納米LED具有更高的內(nèi)量子效率與較低的內(nèi)建電場(chǎng)。而在太陽能電池的研究方面，2008年《Nano Letters》刊載了Y.B.Tang等［7］在n型硅上異質(zhì)外延Mg摻雜的p型GaN納米陣列制作太陽能電池的研究。經(jīng)測(cè)試，該電池表現(xiàn)出很好的整流特性，短路光電流密度達(dá)到7.6 mA/cm2，在標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池測(cè)試中效率達(dá)到2.73%。較之薄膜材料的太陽能電池，柱狀的太陽能電池因其特殊的柱狀結(jié)構(gòu)，為光生載流子提供了直徑的傳導(dǎo)路徑，極大地提高了載流子的收集效率，還能大大增加少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度。在激光器研究方面，由于GaN納米材料的量子限域效應(yīng)，納米線等材料的電子能級(jí)狀態(tài)出現(xiàn)類似原子分裂的V形、T形或斜T形能級(jí)結(jié)構(gòu)。因?yàn)槟芗?jí)被分裂，納米材料更容易達(dá)到激光器所必需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要求。此外，小尺寸引起的量子限域效應(yīng)將直接降低激光器的閾值電流密度，因此會(huì)減少激光器的工作溫度，提高直接調(diào)制速度，降低對(duì)溫度的敏感度，更好地提高激光器的性能［8］。總之，對(duì)GaN納米柱的研究極大地促進(jìn)了光電器件部分性能的提升。

本文利用納米壓印技術(shù)制備圖形化襯底，使用MBE同質(zhì)外延生長GaN納米柱。在生長過程中4組樣品的V/III分別設(shè)為4∶1、6∶1、8∶和10∶1，然后通過XRD和AFM對(duì)樣品的質(zhì)量和表面形貌進(jìn)行測(cè)試，分析得出生長GaN納米柱的最優(yōu)V/III。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品均采用MOCVD在藍(lán)寶石上生長的4 μm厚的GaN襯底，使用納米壓印制備的圖形化模板，然后放入MBE進(jìn)行同質(zhì)外延生長。需要注意的是，經(jīng)過壓印后的藍(lán)寶石圖形化襯底需要用濃硫酸煮沸清洗5 min以除去壓印前鍍的Si和壓印膠。由于藍(lán)寶石導(dǎo)熱效果不好，所以清洗后要在模板背面鍍一層金屬Ti，以保證GaN生長時(shí)導(dǎo)熱更快更均勻。因?yàn)榧{米柱的生長最關(guān)鍵的是要在富N的環(huán)境中生長［9］，所以在MBE生長過程中，生長溫度和壓強(qiáng)分別為680℃和1.4×10－5torr。Ga源和N源的純度均為6 N，生長時(shí)間為120 min，V/III分別為4∶1、6∶1、8∶1、10∶1。X射線衍射測(cè)試(XRD)所用的設(shè)備是飛利浦MRD型X射線衍射儀，Cu作為X射線源，室溫下λ= 1.540 4 ?。原子力顯微測(cè)試(AFM)所用的設(shè)備是SHIMADZU生產(chǎn)的SPM－9700。

2 結(jié)果與討論

采用MBE技術(shù)制備了系列不同V/III的GaN納米柱樣品(4∶1為樣品A、6∶1為樣品B、8∶1為樣品C、10∶1為樣品D)。圖1為材料的X射線衍射測(cè)試結(jié)果。

圖1 不同V/III樣品的X射線衍射圖

圖2為樣品的AFM圖，所示的是GaN納米柱的表面形貌。通過選定A－B和C－D 2個(gè)區(qū)域可以得到納米柱群的統(tǒng)計(jì)值。A、B、C、D 4個(gè)樣品在A－B區(qū)域的平均柱寬為1.59、1.50、1.65、1.31 μm，C－D區(qū)域的平均柱寬為1.22、1.19、1.67、1.45 μm。

圖2 GaN納米柱10 μm×10 μm表面原子力顯微平面圖

樣品A的平均Ra、Rz、RSm分別為145.58 nm、711.30 nm、1.85 μm;樣品B的平均Ra、Rz、RSm分別為110.84 nm、712.72 nm、0.88 μm;樣品C的平均Ra、Rz、RSm分別為44.24 nm、330.80 nm、905.50 nm;樣品D的平均Ra、Rz、RSm分別為58.72 nm、314.92 nm、937.94 nm。從A、B、C的數(shù)據(jù)可得出:隨著V/III的增大，樣品表面粗糙度整體呈下降趨勢(shì)。在制備GaN納米柱時(shí)，V/III為8∶1時(shí)最優(yōu)。這是因?yàn)椴煌问降闹苽浼{米柱方法的共同關(guān)鍵是成核生長，因此在本文使用的方法中也通過納米壓印出的納米柱達(dá)到生長中的成核作用。生長過程中Ga原子會(huì)首先遷移到有核的地方，然后和N原子結(jié)合形成GaN。當(dāng)達(dá)到最優(yōu)的V/III時(shí)，GaN的生長為最好的生長環(huán)境，其納米柱的形貌為GaN鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的正六邊形，如圖3所示，符合德國科學(xué)家V.Consonni等計(jì)算得出的正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)能量最低的結(jié)論［13］。

圖3 分散生長原理模型

當(dāng)V/III為10∶1時(shí)，樣品D的形貌與樣品A、B、C有很大的差別。由圖2(d)可以看到:納米柱不再是自下而上的柱狀生長，而是在其頂部出現(xiàn)了類似于化學(xué)方法制備的ZnO納米花式的分散生長［12］。這是因?yàn)?，在納米柱的生長過程中，Ga原子首先趨于向能量最低的位置移動(dòng)，大量的Ga原子向正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng)，聚集在一起形成了一個(gè)新的核，于是發(fā)生了新的成核生長繼而出現(xiàn)了頂部的分散生長。

3 結(jié)束語

本文首次通過使用納米壓印和MBE相結(jié)合的方法制備了GaN納米柱。通過改變V/III制備出不同形貌的納米柱。通過XRD分析得出:GaN納米柱在(0002)方向擇優(yōu)生長且生長的GaN納米柱具有較高的晶體質(zhì)量。AFM分析表明:所制備的納米柱隨V/III的增加形貌逐漸變好，且V/ III最優(yōu)值為8∶1。當(dāng)V/III為10∶1時(shí)出現(xiàn)了一種新奇的分散生長。分析認(rèn)為這可能是在納米柱的生長過程中Ga原子趨于向能量最低的位置移動(dòng)所致，其生長機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

XRD and AFM Investigation of GaN Nanocolumns Grown by MBE

ZHOU Ping，REN Xiao－yu，YUAN Jin－she
(Department of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China)

The morphological and structural properties of GaN nanocolumns grown on patterned substrate by nano－imprint and molecular beam epitaxy(MBE)technology have been investigated using atomic force microscopy(AFM)and X－ray diffraction(XRD).The XRD crystallographic investigation of the GaN nanocolumns reveals a strongly preferred［0002］growth direction;the size calculated through XRD results of GaN nanocolumns is about 30 nm.AFM shows that the surface roughness decreases when the V/III radio increases gradually.The influence of the experimental V/III radio parameters on the morphology of the nanocolumns and on the preferred orientation of the sample is discussed in view of the XRD and AFM results.

MBE;V/III radio;GaN nanocolumns

TB383.1

A

1674－8425(2014)04－0104－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.022

2014－01－22

重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(cstc2012gg－yyjs90010)

周平(1989—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事光電子材料與器件研究。

周平，任霄鈺，苑進(jìn)社.MBE生長GaN納米柱XRD和AFM分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (4):104－107.

format:ZHOU Ping，REN Xiao－yu，YUAN Jin－she.XRD and AFM Investigation of GaN Nanocolumns Grown by MBE［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(4):104－107.