MBE生长GaN纳米柱XRD和AFM分析

周平，任霄钰，苑进社

(重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047)

MBE生长GaN纳米柱XRD和AFM分析

周平，任霄钰，苑进社

(重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047)

首次使用纳米压印和分子束外延(MBE)相结合的方法在图形化衬底上成功制备出GaN纳米柱，并用XRD和AFM对其形貌和结构特性进行了分析表征。XRD分析表明所制备的GaN纳米柱在(0002)方向择优生长。计算得出GaN纳米柱的尺寸约为30 nm。原子力显微镜AFM分析发现:随着V/III的增大，表面粗糙度逐渐降低。基于XRD和AFM分析结果，讨论了V/III比对制备GaN纳米柱形貌和结构的影响。

分子束外延;V/III比;GaN纳米柱

作为第三代半导体的代表，GaN在光电器件与微电子领域均有着广泛的应用前景，受到越来越多的关注。GaN是禁带宽度为3.39 eV的直接跃迁型宽带隙半导体材料，具有良好的抗辐射性、稳定性、光电特性，是高温、高频、大功率器件的首选材料［1－2］。与其他宽禁带半导体材料相比，GaN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。

目前，为满足纳米级电子器件的不同要求，采用GaN纳米材料的纳米线、纳米柱、纳米网等已经应用于各种光电子器件［3－5］。在LED的研究方面，日本科学家Kishino［6］利用在GaN的纳米柱上继续生长InGaN/GaN的多量子阱作为LED的有源区，通过使用HVPE和MBE的方法制备了具有低位错和高激发效率的InGaN/GaN多量子阱纳米柱LED。这些特性使纳米LED具有更高的内量子效率与较低的内建电场。而在太阳能电池的研究方面，2008年《Nano Letters》刊载了Y.B.Tang等［7］在n型硅上异质外延Mg掺杂的p型GaN纳米阵列制作太阳能电池的研究。经测试，该电池表现出很好的整流特性，短路光电流密度达到7.6 mA/cm2，在标准太阳能电池测试中效率达到2.73%。较之薄膜材料的太阳能电池，柱状的太阳能电池因其特殊的柱状结构，为光生载流子提供了直径的传导路径，极大地提高了载流子的收集效率，还能大大增加少数载流子的扩散长度。在激光器研究方面，由于GaN纳米材料的量子限域效应，纳米线等材料的电子能级状态出现类似原子分裂的V形、T形或斜T形能级结构。因为能级被分裂，纳米材料更容易达到激光器所必需的粒子数反转要求。此外，小尺寸引起的量子限域效应将直接降低激光器的阈值电流密度，因此会减少激光器的工作温度，提高直接调制速度，降低对温度的敏感度，更好地提高激光器的性能［8］。总之，对GaN纳米柱的研究极大地促进了光电器件部分性能的提升。

本文利用纳米压印技术制备图形化衬底，使用MBE同质外延生长GaN纳米柱。在生长过程中4组样品的V/III分别设为4∶1、6∶1、8∶和10∶1，然后通过XRD和AFM对样品的质量和表面形貌进行测试，分析得出生长GaN纳米柱的最优V/III。

1 实验

实验样品均采用MOCVD在蓝宝石上生长的4 μm厚的GaN衬底，使用纳米压印制备的图形化模板，然后放入MBE进行同质外延生长。需要注意的是，经过压印后的蓝宝石图形化衬底需要用浓硫酸煮沸清洗5 min以除去压印前镀的Si和压印胶。由于蓝宝石导热效果不好，所以清洗后要在模板背面镀一层金属Ti，以保证GaN生长时导热更快更均匀。因为纳米柱的生长最关键的是要在富N的环境中生长［9］，所以在MBE生长过程中，生长温度和压强分别为680℃和1.4×10－5torr。Ga源和N源的纯度均为6 N，生长时间为120 min，V/III分别为4∶1、6∶1、8∶1、10∶1。X射线衍射测试(XRD)所用的设备是飞利浦MRD型X射线衍射仪，Cu作为X射线源，室温下λ= 1.540 4 Å。原子力显微测试(AFM)所用的设备是SHIMADZU生产的SPM－9700。

2 结果与讨论

采用MBE技术制备了系列不同V/III的GaN纳米柱样品(4∶1为样品A、6∶1为样品B、8∶1为样品C、10∶1为样品D)。图1为材料的X射线衍射测试结果。

图1 不同V/III样品的X射线衍射图

图2为样品的AFM图，所示的是GaN纳米柱的表面形貌。通过选定A－B和C－D 2个区域可以得到纳米柱群的统计值。A、B、C、D 4个样品在A－B区域的平均柱宽为1.59、1.50、1.65、1.31 μm，C－D区域的平均柱宽为1.22、1.19、1.67、1.45 μm。

图2 GaN纳米柱10 μm×10 μm表面原子力显微平面图

样品A的平均Ra、Rz、RSm分别为145.58 nm、711.30 nm、1.85 μm;样品B的平均Ra、Rz、RSm分别为110.84 nm、712.72 nm、0.88 μm;样品C的平均Ra、Rz、RSm分别为44.24 nm、330.80 nm、905.50 nm;样品D的平均Ra、Rz、RSm分别为58.72 nm、314.92 nm、937.94 nm。从A、B、C的数据可得出:随着V/III的增大，样品表面粗糙度整体呈下降趋势。在制备GaN纳米柱时，V/III为8∶1时最优。这是因为不同形式的制备纳米柱方法的共同关键是成核生长，因此在本文使用的方法中也通过纳米压印出的纳米柱达到生长中的成核作用。生长过程中Ga原子会首先迁移到有核的地方，然后和N原子结合形成GaN。当达到最优的V/III时，GaN的生长为最好的生长环境，其纳米柱的形貌为GaN铅锌矿结构的正六边形，如图3所示，符合德国科学家V.Consonni等计算得出的正六边形的6个顶点能量最低的结论［13］。

图3 分散生长原理模型

当V/III为10∶1时，样品D的形貌与样品A、B、C有很大的差别。由图2(d)可以看到:纳米柱不再是自下而上的柱状生长，而是在其顶部出现了类似于化学方法制备的ZnO纳米花式的分散生长［12］。这是因为，在纳米柱的生长过程中，Ga原子首先趋于向能量最低的位置移动，大量的Ga原子向正六边形的6个顶点移动，聚集在一起形成了一个新的核，于是发生了新的成核生长继而出现了顶部的分散生长。

3 结束语

本文首次通过使用纳米压印和MBE相结合的方法制备了GaN纳米柱。通过改变V/III制备出不同形貌的纳米柱。通过XRD分析得出:GaN纳米柱在(0002)方向择优生长且生长的GaN纳米柱具有较高的晶体质量。AFM分析表明:所制备的纳米柱随V/III的增加形貌逐渐变好，且V/ III最优值为8∶1。当V/III为10∶1时出现了一种新奇的分散生长。分析认为这可能是在纳米柱的生长过程中Ga原子趋于向能量最低的位置移动所致，其生长机理有待进一步研究。

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(责任编辑 刘舸)

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

重庆市科技攻关项目(cstc2012gg－yyjs90010)

周平(1989—)，男，重庆人，硕士研究生，主要从事光电子材料与器件研究。

周平，任霄钰，苑进社.MBE生长GaN纳米柱XRD和AFM分析［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，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.