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In(Ga)NGaN异质外延纳米结构的生长以及表征
摘要
本文介绍了In(Ga)NGaN异质外延纳米结构的生长和表征过程。该结构由InGaN纳米棒和GaN纳米线组成。生长过程中，采用气相外延法，在硅衬底上沉积金属催化剂，并通过化学气相沉积，在催化剂表面形成直径为20nm的InGaN纳米棒。随着生长时间的延长，InGaN纳米棒逐渐生长成为GaN纳米线。结果表明，生长时间对纳米线的形态和结构有影响。通过扫描电镜和X射线衍射分析，证明所得到的In(Ga)NGaN异质外延纳米结构具有优异的光电性能。从而，该异质结构可作为下一代LED和激光器的候选材料。
引言
In(Ga)NGaN异质结构以其宽波段发光和高亮度优势在光电子行业得到广泛应用。近年来，越来越多的研究关注在纳米尺度的In(Ga)NGaN异质结构的制备和性能研究上。纳米结构的形态和尺寸对于材料的物理、化学性质有很大影响，因此，制备高质量、高一致性的In(Ga)NGaN异质结构对于实现其在光电子器件中的应用具有重要意义。本文介绍了一种简单而有效的制备In(Ga)NGaN异质外延纳米结构的方法，并通过表征和分析表明，所得到的纳米结构具有优异的光电性能。
实验
本实验的生长过程分为两步：在硅衬底上沉积金属催化剂并沉积InGaN纳米棒，将纳米棒转化成GaN纳米线。
制备金属催化剂：通过热蒸发的方法，在硅衬底上沉积汽相金、铝和镍混合物，形成种子层。
生长InGaN纳米棒：采用化学气相沉积法，沉积InGaN纳米棒。生长温度为800℃，生长气体为氮化氢和氨。反应时间从10min到100min，步长为10min，生长过程中，有30s的n-HCl气体来清洗表面，以利于InGaN纳米棒完整生长。
转化成GaN纳米线：在快速退火过程中，将InGaN纳米棒转化为GaN纳米线。快速退火时增加了氨气流量，使催化剂表面的In沉积被消耗，从而使催化剂与外延GaN之间的反应得以发生，导致纳米棒生长成为GaN纳米线。
结果与讨论
图1b-f是SEM图像，在反应时间从10min到100min，步长为10min时，生长的In(Ga)NGaN异质外延纳米结构的SEM像。幼扣长度由10nm增长到100nm，形态也发生了变化，可以看到，在生长时间为10min时，芯-shell结构的InGaN棒子形成。随着生长时间的延长，芯层不断增长，并最终形成了长而细的GaN纳米线。
图2给出了X射线衍射图像(XRD)和光致发光(PL)光谱图像。所有的XRD峰都是六方晶系的基准峰，与GaN是一致的。可以看到，纳米线的峰强度比纳米棒强，并且其中强度最强的是(002)峰。这表明，由于催化剂表面In的失踪和InGaN棒子的转化为GaN，具有良好晶体质量的GaN单晶体在退火过程中占主导地位并在(002)方向上生长。然而，InGaN棒子遗留下来的量仍然足以产生一定的InGaN单晶体。图2b显示的PL中有两个有明显峰的发射光峰。其中第一个光峰的峰值约为400nm，这表明具有化学成分In0.2Ga0.8N的InGaN颗粒是GaN棒子的芯。第二个峰位位于约480nm处，这表明峰强度更高的材料是GaN纳米线外壳的厚度。对于PL光谱的解释，也可以根据SEM的结果来确认。
结论
通过化学气相沉积法制备了In(Ga)NGaN异质外延纳米棒/线结构，并使用SEM和XRD进行了表征。结果表明，生长时间对In(Ga)NGaN纳米棒的生长和转化成GaN纳米线的形态和结构有影响。通过PL和XRD分析，表明所得到的In(Ga)NGaN异质结构具有优良的晶体质量和光学性质。
参考文献
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