PL237260B1 - Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury - Google Patents

Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury Download PDF

Info

Publication number
PL237260B1
PL237260B1 PL419727A PL41972716A PL237260B1 PL 237260 B1 PL237260 B1 PL 237260B1 PL 419727 A PL419727 A PL 419727A PL 41972716 A PL41972716 A PL 41972716A PL 237260 B1 PL237260 B1 PL 237260B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
nanostructures
znmgo
zno
substrate
quantum
Prior art date
Application number
PL419727A
Other languages
English (en)
Other versions
PL419727A1 (pl
Inventor
Dawid Jarosz
Agnieszka Pieniążek
Henryk Teisseyre
Adrian Kozanecki
Bogdan J. Kowalski
Bartłomiej WITKOWSKI
Marek GODLEWSKi
Original Assignee
Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Fizyki Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL419727A priority Critical patent/PL237260B1/pl
Publication of PL419727A1 publication Critical patent/PL419727A1/pl
Publication of PL237260B1 publication Critical patent/PL237260B1/pl

Links

Landscapes

  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania struktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach z nanostrukturami w postaci nanosłupków czy nanodrutów ZnO za pomocą techniki MBE (z ang. Molecular Beam Epitaxy).
Struktury tego rodzaju wykorzystywane są w nanoelektronice i nanooptoelektronice, a ze względu na występujący w nich kwantowy efekt rozmiarowy mogą znaleźć zastosowanie także w urządzeniach wykorzystujących efektywne źródła światła przestrajalne w danym zakresie spektralnym.
Znanych jest wiele sposobów wytwarzania heterostruktur na nanosłupkach i nanodrutach ZnO. Na przykład w publikacji (Quantum Confinement Observed in ZnO/ZnMgO Nanorod Heterostructures, Advanced Materials 15, 526-529, 2003) opisany jest sposób wzrostu niskowymiarowych struktur kwantowych z wykorzystaniem techniki osadzania warstw na powierzchni materiałów poprzez stosowanie związków mataloorganicznych w formie gazowej MOVPE (z ang. Metal Organic VaporPhaseEpitaxy).
W sposobie tym, heterostruktury ZnO/ZnMgO wzrastane były na nanosłupkach ZnO otrzymanych na podłożu szafirowym o orientacji c. Nanosłupki ZnO wzrastane były w reaktorze MOVPE przy użyciu dietylocynku (DEZn), jako prekursora cynku i tlenu będącego drugim substratem reakcji. Prekursorem Mg był bis-cyclopentadienyl-Mg (MeCp2Mg), gazem nośnym argon. Temperatura podłoża mieściła się w zakresie 400°C - 500°C. Przed wzrostem heterostruktur zastosowano cienki bufor ZnO. Struktury kwantowe otrzymane na nanosłupkach ZnO według opisanego sposobu charakteryzują się liniami emisyjnymi o szerokości połówkowej około 250 meV.
Z kolei autorzy publikacji (Core-shell multi-quantum wells in ZnO/ZnMgO nanowires with high optical efficiency AT room temperature. Nanotechnology 23. 085705. 2012) opisują sposób otrzymywania struktur kwantowych na nanodrutach/nanos łupkach w tzw. konfiguracji rdzeń-powłoka (z ang. CoreShell). W pierwszym etapie tego sposobu, przy użyciu techniki MOVPE na podłożu szafirowym wzrasta się/wytwarza nanodruty/nanos łupki ZnO stanowiące rdzeń struktury. W drugim etapie, również za pomocą procesu MOVPE, nanodruty/nanos łupki pokrywa się strukturą kwantową stanowiącą powłokę. W wyniku tego procesu uzyskuje się nanos łupki z heterostrukturą ZnO/ZnMgO w konfiguracji rdzeńpowłoka. Etap pierwszy prowadzony jest w temperaturze 850°C, pod ciśnieniem 10 kPa. z użyciem dietylocynku (DEZn) stanowiącego prekursor cynku, N2O będącego prekursorem tlenu oraz N2 jako gazu nośnego. Stosunek molowy tlenku azotu (I) do dietylocynku n(N2O)/n(DeZn) wynosi około 500. Etap pierwszy prowadzi do powstania cienkich rdzeni ZnO. Etap drugi, czyli pokrycie rdzeni strukturą ZnMgO/ZnO, prowadzony jest w temperaturze 500°C z użyciem prekursora Mg, którym jest MeCp2Mg.
Z publikacji (Spatialfluctuations of opticalemission from single ZnO/MgZnO nanowire quantum wells, Nanotechnology 19, 115202, 2008) znany jest sposób opierający się na technice PLD (z ang. Pulse Laser Deposition) i wysokociśnieniowym wzroście nanodrutów ZnO z wykorzystaniem zarodków złota osadzonych na podłożu AI2O3 o orientacji a. Pierwszy etap procesu, czyli wzrost nanodrutów, prowadzono w temperaturze 820°C, podciśnieniem 7.5-10 kPa, w atmosferze argonu. W sposobie tym wykorzystano mechanizm wzrostu para-ciało stałe, w którym nanodrut rośnie na złocie, a nie jak w przypadku mechanizmu VLS (z ang. Vapour - Liquid Solid) pod zarodkiem złota. Metoda VLS jest również bardzo często wykorzystywana w procesach wzrostu nanosłupków, w tym również ZnO. W drugim etapie procesu, również za pomocą techniki PLD. prowadzono wzrost struktury kwantowej ZnO/ZnMgO na nanodrutach ZnO, w temperaturze 670°C. Reasumując, znane sposoby wytwarzania heterostruktur tego typu są na ogół dwuetapowe. W pierwszym etapie na różnych podłożach np. na szafirze, krzemie, arsenku galu wytwarza się/wzrasta się za pomocą różnych technik, nanostruktury, najczęściej w postaci kolumn czy nanodrutów, a w drugim etapie na wytworzonych nanostrukturach osadza się /nakłada/prowadzi się wzrost określonych warstw struktury kwantowej. Podstawowym problemem w wytwarzanych w pierwszym etapie nanostrukturach jest ich chaotyczne rozmieszczenie, różna gęstość zarodkowania i różna wielkość.
Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wytwarzania struktur kwantowych/heterostruktur, który byłby prosty, powtarzalny i umożliwił uzyskanie struktur o polepszonych parametrach emisyjnych (ostre, wąskie linie emisyjne) w widmie fotoluminescencji.
Sposób wytwarzania struktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury jest dwuetapowy. W pierwszym etapie, na podłożu wytwarza się nanostruktury, w postaci kolumn lub drutów, a w drugim etapie na tych nanostrukturach prowadzi się wzrost warstw struktur kwantowych/heterostruktur. Według sposobu, w pierwszym etapie, podłoże z azotku galu (GaN) o orientacji c lub podłoże z warstwą GaN o strukturze wurcytu umieszcza
PL 237 260 B1 się w komorze reakcyjnej reaktora hydrotermalnego w mieszaninie reakcyjnej. Mieszanina reakcyjna zawiera co najmniej jeden prekursor tlenu w postaci wody, i co najmniej jeden prekursor cynku w postaci octanu cynku, przy czym stężenie cynku w mieszaninie wynosi ok. 0.2 mol/dm3, a pH zawiera się w przedziale 6.5-12. Następnie mieszaninę z podłożem podgrzewa się mikrofalowo, do temperatury od 60-120°C, przy ciśnieniu atmosferycznym, i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 2 minuty. W drugim etapie otrzymane podłoże z nanostrukturami ZnO umieszcza się w reaktorze PA-MBE gdzie poddaje się je wygrzewaniu w temp. 150°C-700°C przez co najmniej 30 min, a następnie prowadzi się wzrost struktury kwantowej/heterostruktury ZnO/ZnMgO czy trójskładnikowych związków ZnMgO w temperaturze od 200°C do 900°C, przy ciśnieniu strumieni wiązek w granicach od 2,6*10’6 Pa do 1,4*10’6 Pa dla Mg oraz od 8*10-5 Pa do 2.7*10’4 Pa dla Zn oraz przy przepływie tlenu od 1 sccm do 4 sccm i mocy pobudzenia 200 W - 600 W.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania heterostruktury ZnO/ZnMgO (studni kwantowej ZnO/ZnMgO) na podłożu z azotku galu (GaN) o orientacji c. W przykładzie jest to objętościowy kryształ GaN, ale może być to także inne podłoże np. szafirowe pokryte warstwą GaN). Wzrost nanosłupków ZnO prowadzono na objętościowym azotku galu o grubości 330 pm uzyskanym przy użyciu metody HVPE (z ang. HalideVapor Phase Epitaxy).
W pierwszym etapie sposobu prowadzono wzrost nano- i mikrosłupków ZnO metodą hydrotermalną wspomaganą mikrofalowo. Zastosowanie mikrofal podyktowane jest koniecznością równomiernego ogrzewania mieszaniny reakcyjnej. W przypadku wzrostu nanosłupków ZnO na dopasowanym sieciowo podłożu z GaN nie ma potrzeby wcześniejszego wytworzenia zarodków służących do zapoczątkowania procesu, dzięki czemu otrzymane nanosłupki są zorientowane pionowo do podłoża. Mieszaninę reakcyjną stanowił wodny roztwór dwuwodnego octanu cynku. 2 g dwuwodnego octanu cynku rozpuszczono w 70 ml wody dejonizowanej. pH mieszaniny równe 7.0 uzyskano poprzez strącanie wodorotlenkiem sodu (ilość mieszaniny uzależniona jest od rozmiarów komory reakcyjnej, przy czym podłoża powinny być w całości zanurzone w roztworze). Do przygotowanej w ten sposób mieszaniny reakcyjnej włożono podłoże z GaN o orientacji c, a następnie całość została umieszczona w reaktorze mikrofalowym. Wzrost przeprowadzono w temperaturze 70°C, w ciśnieniu atmosferycznym, w czasie 4 minut. Średnica otrzymanych słupków zawiera się w przedziale 200 nm - 800 nm, natomiast ich wysokość 1 pm - 2 pm. Liczba słupków ZnO na pm2 wynosiła około 1.25 pm. Wartość pH i stężenie prekursora cynku są głównymi czynnikami determinującymi wielkość nanosłupków ZnO. Im wyższa wartość pH i niższe stężenie dwuwodnego octanu cynku, tym słupki ZnO są mniejsze. Ze względu na efekty kwantowe obserwowane w nanostrukturach, pożądane są jak najmniejsze nanosłupki. Najmniejsze otrzymane słupki miały średnicę około 90 nm, natomiast ich wysokość wynosiła około 500 nm. W drugim etapie sposobu według wynalazku podłoże GaN z nanosłupkami ZnO umieszczono w reaktorze PAMBE i poddano termicznemu oczyszczeniu. Oczyszczanie to prowadzono najpierw w komorze załadowczej przez 30 min w temperaturze 150°C, a następnie w komorze buforowej przez 60 min w temperaturze 700°C. Po wytworzeniu warstwy buforowej ZnO przeprowadzono wzrost hetero struktury ZnO/ZnMgO w następujących warunkach: Ciśnienie wiązki molekularnej Mg na poziomie 3.09*10’6 Pa, ciśnienie wiązki molekularnej Zn na poziomie 8.05*10-5Pa, przepływ tlenu 2.8 sccm/min, moc pobudzenia 350 W. Temperatura podłoża z nanosłupkami ZnO mierzona pirometrem wynosiła 560°C, a ciśnienie w komorze wzrostu 1.06*10’3 Pa. Po wykonaniu buforu ZnO przeprowadzono wzrost heterostruktury w konfiguracji: bariera ZnMgO, studnia ZnO, bariera ZnMgO.
Sposób wytwarzania struktur kwantowych według wynalazku (czyli skojarzenie wspomnianego mikrofalowo hydrotermalnego sposobu wytwarzania nanostruktur ZnO z nanoszeniem warstw heterostruktury technologii MBE) jest znacznie krótszy niż sposoby oparte na jednej technologii wzrostu, a jednocześnie pozwala na uzyskanie wysokiej jakości struktur kwantowych.

Claims (1)

1. Sposób wytwarzania struktur kwantowych/hetero struktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury, w którego pierwszym etapie wytwarza się na podłożu nanostruktury, w postaci kolumn lub drutów, a w drugim etapie na tych nanostrukturach prowadzi się wzrost warstw struktur kwantowych/hetero struktur, znamienny tym, że w pierwszym etapie podłoże z azotku galu (GaN) o orientacji c lub podłoże z warstwą GaN
PL 237 260 B1 o strukturze wurcytu umieszcza się w komorze reakcyjnej reaktora hydrotermalnego, w mieszaninie reakcyjnej zawierającej co najmniej jeden prekursor tlenu w postaci wody, i co najmniej jeden prekursor cynku w postaci octanu cynku, przy czym stężenie cynku w mieszaninie wynosi ok. 0.2 mol/dm3 a pH zawiera się w przedziale 6.5-12, następnie mieszaninę z podłożem podgrzewa się mikrofalowo, do temperatury od 60-120°C, przy ciśnieniu atmosferycznym, i utrzymuje w tej temperaturze przez co najmniej 2 minuty, w drugim etapie otrzymane podłoże z nanostrukturami ZnO umieszcza się w reaktorze PA-MBE gdzie poddaje się je wygrzewaniu w temp. 150°C-700°C przez co najmniej 30 min, a następnie prowadzi się wzrost struktury kwantowej/heterostruktury ZnO/ZnMgO czy trójskładnikowych związków ZnMgO w temperaturze od 200°C a 900°C, przy ciśnieniu strumieni wiązek w granicach od 2.6*10-6 Pa do 1.4*10-6 Pa dla Mg oraz od 8*10-5 Pa do 2.7*10-4 Pa dla Zn oraz przy przepływie tlenu od 1 sccm do 4 sccm i mocy pobudzenia 200 W - 600 W.
PL419727A 2016-12-07 2016-12-07 Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury PL237260B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL419727A PL237260B1 (pl) 2016-12-07 2016-12-07 Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL419727A PL237260B1 (pl) 2016-12-07 2016-12-07 Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL419727A1 PL419727A1 (pl) 2018-06-18
PL237260B1 true PL237260B1 (pl) 2021-03-22

Family

ID=62554065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL419727A PL237260B1 (pl) 2016-12-07 2016-12-07 Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL237260B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL425218A1 (pl) * 2018-04-13 2019-10-21 Centrum Badań I Rozwoju Technologii Dla Przemysłu Spółka Akcyjna Krzemowe ogniwo fotowoltaiczne i sposób wytwarzania krzemowych ogniw fotowoltaicznych

Also Published As

Publication number Publication date
PL419727A1 (pl) 2018-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101467231B (zh) 在外延横向过度生长氮化镓模板上生长氧化锌膜的方法
Liu et al. Growth mechanism and properties of ZnO nanorods synthesized by plasma-enhanced chemical vapor deposition
US9627199B2 (en) Methods of fabricating micro- and nanostructure arrays and structures formed therefrom
CN100352004C (zh) 用于生长氮化镓的基片和制备氮化镓基片的方法
US6852161B2 (en) Method of fabricating group-iii nitride semiconductor crystal, method of fabricating gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor, gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device, and light source using the semiconductor light-emitting device
JP4648907B2 (ja) シリコン基板上でのUVレーザー用ZnOナノ−アレイ及びZnOナノウォールアレイの形成方法
US8299502B2 (en) Semiconductor heterostructures and manufacturing therof
KR20090101075A (ko) 나노구조 템플릿을 사용한 단결정 반도체 물질의 제조
JP2006253628A (ja) 化合物半導体装置及びその製造方法
JP6947746B2 (ja) 複合GaNナノカラムの製造方法
DE10196361B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterkristalls
Li et al. Silane controlled three dimensional GaN growth and recovery stages on a cone-shape nanoscale patterned sapphire substrate by MOCVD
JP2009208991A (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
CN105612276B (zh) 外延生长用模板以及其制作方法、和氮化物半导体装置
KR20020065892A (ko) 3족 질화물 반도체 결정 제조 방법, 갈륨나이트라이드-기재 화합물 반도체 제조 방법, 갈륨나이트라이드-기재 화합물 반도체, 갈륨나이트라이드-기재 화합물 반도체 발광 소자, 및 반도체발광 소자를 이용한 광원
PL237260B1 (pl) Sposób wytwarzania nanostruktur kwantowych/heterostruktur oraz trójskładnikowych związków ZnMgO na podłożach zawierających nanostruktury
KR101433895B1 (ko) 나노와이어 제조 방법
Le et al. Nanorod assisted lateral epitaxial overgrowth of ZnO films in water at 90° C
KR101840534B1 (ko) 반응기
KR101851842B1 (ko) 필름, 필름의 제조방법 및 상기 필름을 포함하는 발광 다이오드
JP5488562B2 (ja) 窒化物半導体基板の製造方法
Bakin et al. Fabrication of ZnO nanostructures
KR20110131062A (ko) 산화아연 트리를 가지는 발광 다이오드 및 이의 제조방법
KR20100022663A (ko) 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법
Orlov et al. ZnO nanostructures via hydrothermal synthesis on atomic layer deposited seed-layers