III族氮化物微纳结构的制备与特性

### III族氮化物微纳结构的制备与特性 #### 1. 引言 随着信息时代的到来，信息存储和显示的需求推动了化合物半导体的发展。对于氮化镓（GaN）和氮化铟镓（InGaN）而言，可见光发光二极管（LED）和用于信息存储与检索的蓝色激光器的商业应用，推动了工业界和学术界的研究步伐。具有较大带隙能量的铝镓氮（AlGaN）合金正在被开发用于紫外光谱区域的发射器和探测器，其应用范围广泛，包括生物传感和固态照明等。然而，III族氮化物的纳米技术仍处于起步阶段。 #### 2. 外延生长制备纳米结构 外延生长纳米结构为创建能在一维、二维或三维空间限制电子或光子的结构提供了途径，分别对应量子阱、量子线和量子点。通过外延生长形成的纳米结构是自下而上组装的，这与自上而下的方法不同，后者是先生长薄膜，然后将其加工成纳米结构。 ##### 2.1 量子点的形成 在分子束外延（MBE）过程中，通过应变驱动的Stranski - Krastanov生长模式可以形成GaN量子点。当具有较大面内晶格常数的材料生长在具有较小面内晶格常数的层上时，会产生压缩应力，从而驱动量子点的形成。量子点也在其他半导体系统中得到了研究，如InAs/GaAs、InGaAs/GaAs、InP/InGaP和Ge/Si。 ##### 2.2 纳米线的生长 近年来，半导体纳米线成为了一个日益受关注的领域。例如，在900°C的温度下，以镍为催化剂，金属镓与氨气直接反应可以形成GaN纳米线，这种生长机制被贝尔实验室的Wagner和Ellis命名为气 - 液 - 固（VLS）机制。在某些情况下，化合物半导体纳米线的一种成分可以用作自催化剂，从而无需单独的金属催化剂。例如，在生长GaN纳米线时，Ga液滴已被用于自催化VLS生长。甚至观察到GaN纳米线在光泵浦下可以产生激光。然而，目前面临的一个主要挑战是找到一种可靠的技术，将这些纳米线加工成有用的电驱动器件。 ##### 2.3 选择性区域生长（SAG） 选择性区域生长（SAG）是外延制备纳米结构的另一个例子。使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）时，SAG通常与外延横向过生长（ELO）结合使用，以降低GaN层的位错密度。此外，SAG还可以形成有趣的结构，如GaN六角柱和金字塔。通常，在（0001）蓝宝石或（111）硅等衬底上生长一层GaN薄膜，然后将样品从生长反应器中取出，沉积一层SiO₂。接着进行光刻和蚀刻SiO₂，形成孔或条纹形状的开口阵列。最后将样品重新放入生长室进行第二次GaN生长。在高温生长过程中，GaN在SiO₂层的开口内发生外延生长，但不在SiO₂掩模上生长。通过调整生长参数，如温度、反应器压力和III/V比，可以控制所得结构。在GaN金字塔中观察到光泵浦激光，证明了其晶体质量。 ##### 2.4 自组装纳米柱生长 在MBE过程中的某些生长条件下，会发生自组装纳米柱生长。特别是当V/III比高，对应于富氮生长条件时，有利于纳米柱的形成。在这些条件下，柱状生长优于二维薄膜生长。在高氮通量下，III族吸附原子的迁移率大大降低。其形成机制被认为是类似于自催化VLS机制的III族金属液滴成核诱导。已经证明可以生长GaN、AlGaN和InN的纳米柱。 以作者实验室的InN纳米柱生长为例，通过等离子体辅助MBE在（0001）蓝宝石上生长的InN纳米柱，生长温度在380 - 430°C之间。横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示，InN纳米柱沿生长轴[0001]方向排列，目前无法确定其极性。纳米柱的平均直径约为75nm。X射线衍射测量表明，纳米柱具有纤锌矿晶体结构，且c轴垂直于衬底表面。选区电子衍射测量也证实了纤锌矿晶体结构，测得的c晶格常数为5.70 Å，与Yamaguchi等人报道的值相符。 然而，InN纳米柱与蓝宝石衬底的附着力不太好，很容易分层。这可能是由于InN与蓝宝石之间较大的面内晶格失配（约25%），导致纳米柱与衬底界面处存在高内应力。 In/N比在维持纳米柱生长方面起着重要作用。随着In/N通量比的增加（V/III比降低），InN纳米柱的平均直径变大，最终相邻的柱子开始合并形成二维薄膜。一般来说，生长温度对纳米柱形成的影响小于In/N比。此外，当生长温度升高时，InN的生长和分解之间会产生竞争。例如，一个InN样品在406°C的真空中放置数小时