基于m面GaN上的極性InGaN納米線材料及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于m面GaN上的極性InGaN納米線材料及其制作方法，主要解決常規(guī)極性InGaN納米線生長效率低，方向一致性差的問題。其生長步驟是：(1)在m面GaN襯底上蒸發(fā)一層2-15nm金屬Ti；(2)將有金屬Ti的m面GaN襯底置于MOCVD反應(yīng)室中，并向反應(yīng)室內(nèi)通入氫氣與氨氣，使m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成TiN，并殘余一部分未被氮化的金屬Ti；(3)向MOCVD反應(yīng)室中同時通入銦源、鎵源和氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層上生長平行于襯底、方向一致的極性InGaN納米線。本發(fā)明具有生長速率快，方向一致性好的優(yōu)點，可用于制作高性能極性InGaN納米器件。
【專利說明】基于m面GaN上的極性I nGaN納米線材料及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體材料的生長方法，特別是一種m面GaN上的極性InGaN納米線的金屬有機物化學(xué)氣相外延生長方法，可用于制作InGaN納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件。
技術(shù)背景
[0002]InGaN合金由于在室溫下根據(jù)其組分變化其禁帶寬度為0.7-3.4eV，幾乎完整覆蓋了整個太陽光譜，，具有發(fā)光效率高的特點，通常作為LED、LD等光電器件的有源層，不僅是制作高效光電器件的理想材料之一，也是制作高性能太陽能電池的理想材料，因此受到廣泛的關(guān)注。隨著分子束外延MBE和金屬有機物化學(xué)氣相外延MOCVD技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了 III族氮化物半導(dǎo)體材料向低維結(jié)構(gòu)發(fā)展。III族氮化物納米材料具有自發(fā)極化和壓電極化的特征，在制作太陽能電池，探測器，傳感器，LED等器件等領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]為了使極化最大化，必須使得納米線沿著極性方向生長。為了得到極性InGaN納米線，許多研究者采用了不同的生長方法。2013年H.C.Kuo等人采用MOCVD方法成功制備了 InGaN 納米線，參見 Kuo H C, Su Oh T, Ku P C.MOCVD growth of vertically alignedInGaN nanowires [J].Journal of Crystal Growth, 2013, 370:311-313。這種方法制備的InGaN納米線垂直于沉底，方向一致性好，但由于納米線長度較短，粗細(xì)不均勻，并且是非極性材料，無法利用極化特性，不適合做發(fā)光器件和壓力傳感器。
[0004]2007年X.M.Cai等人采用化學(xué)氣相沉積CVD方法利用金屬催化劑制備了 InGaN納米線，參見 Cai X M, Ye F, Jing S Y, et al.CVD growth of InGaN nanowires [J].Journalof Alloys and Compounds, 2009,467 (I): 472-476.這種方法雖然制備成本較低，但由于其生長時間長，生長速率低，方向一致性差，限制了 InGaN納米線的器件應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于m面GaN襯底的極性InGaN納米線材料及其制作方法，以縮短生長時間，提高生長效率，增加方向一致性，為制作高性能極性InGaN納米器件提供材料。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)關(guān)鍵是:在非極性m面GaN上采用Ti金屬催化的方法，通過調(diào)節(jié)生長的壓力、流量、溫度，實現(xiàn)高速，高質(zhì)量，平行于襯底且方向一致性很好的In組分可變的極性InGaN納米線，其技術(shù)方案如下:
[0007]一.本發(fā)明基于m面GaN上的極性InGaN納米線材料，自下而上包括m面GaN襯底層和極性InGaN納米線層，其特征在于:m面GaN襯底層的上面設(shè)有2_15nm厚的TiN層，極性InGaN納米線層位于TiN層的上面，該極性InGaN納米線層中含有若干條平行于襯底、方向一致且每根長度在10-100 μ m范圍隨機產(chǎn)生的極性InGaN納米線。
[0008]所述m面GaN襯底層的厚度為1-1000 μ m。
[0009]二.本發(fā)明基于m面GaN極性InGaN納米線材料的制作方法,包括如下步驟:[0010](I)將厚度為1-1000 μ m的m面GaN襯底放入電子束蒸發(fā)臺E-Beam中，在真空度為1.8 X KT3Pa的條件下，以0.2nm/s的速度蒸發(fā)一層2_15nm的Ti金屬薄膜；
[0011](2)將有Ti金屬的m面GaN襯底置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，并向反應(yīng)室內(nèi)通入流量均為1000sccm-10000sccm的氫氣與氨氣，在溫度為600-1200°C，時間為5-20min，反應(yīng)室壓力為20_760Torr的工藝條件下，使m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成2-15nm厚的TiN，并殘余一部分未被氮化的金屬Ti ；
[0012](3)向MOCVD反應(yīng)室中同時通入銦源、鎵源和氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑，在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，每條納米線的長度根據(jù)殘留的金屬Ti液滴大小，以及生長的工藝條件隨機產(chǎn)生。
[0013]所述的利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，其工藝條件是:
[0014]反應(yīng)室內(nèi)壓力:20-760Torr ；
[0015]溫度:400-900O ;
[0016]銦源流量:5-100μ mol/min ；
[0017]鎵源流量:5-100μ mol/min ;
[0018]氨氣流量:lOOO-lOOOOsccm;
[0019]時間:5_60min。
[0020]所述的利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，其In組分由通入的鎵源和銦源的流量比值確定，其取值為0.1-0.9。
[0021]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0022]1.采用非極性m面GaN材料作為襯底，由于在m面GaN材料中極性軸c軸在面內(nèi)，使得生長過程中，銦源、鎵源和氨氣分子在表面沿極性軸方向遷移時得以充分反應(yīng)，有利于獲得平行于襯底的高質(zhì)量極性InGaN納米線結(jié)構(gòu)。
[0023]2.通過氮化形成TiN層，并利用殘余的未被氮化的Ti金屬作為催化劑生長納米線，大大增加了生長速率，并提高了納米線的方向一致性。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)方案和效果可通過以下附圖和實施例進一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明基于m面GaN的極性InGaN納米線材料結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明制作基于m面GaN的極性InGaN納米線材料的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]參照圖1，本發(fā)明的材料結(jié)構(gòu)自下而上依次為m面GaN襯底層1，TiN層2和極性InGaN納米線層3。其中m面GaN襯底層I的厚度為1-1000 μ m, TiN層2的厚度為2_15nm，極性InGaN納米線層3中的若干條納米線平行于襯底、方向一致，每條納米線的長度在10-100 μ m范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生。
[0028]參照圖2，本發(fā)明制作圖1所述材料的方法給出三種實施例:
[0029]實施例1，制作TiN層厚度為15nm的極性InGaN納米線材料。[0030]步驟I，將厚度為IOOOym的m面GaN襯底放入電子束蒸發(fā)臺E-Beam中，在真空度為1.8X KT3Pa的條件下，以0.2nm/s的速度蒸發(fā)一層15nm的Ti金屬薄膜。
[0031 ] 步驟2，在金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中放置有Ti金屬的m面GaN襯底，抽真空后加熱反應(yīng)室，使溫度達(dá)到1200°C，在反應(yīng)室壓力為760Torr的條件下，同時向反應(yīng)室內(nèi)通入流量均為lOOOOsccm氫氣和氨氣，持續(xù)60min，使大部分金屬Ti與氨氣反應(yīng)，在m面GaN襯底上形成厚度為15nm的TiN層，其有少部分未與氨氣發(fā)生反應(yīng)的金屬Ti，隨機分布在TiN層表面。
[0032]步驟3，在反應(yīng)室內(nèi)壓力為760Torr的條件下，將已形成了 TiN層的m面GaN襯底溫度降低到900°C，向反應(yīng)室內(nèi)同時通入流量均為lOOOOsccm的氫氣和氨氣以及為IOOymol/min的銦源和15 μ mol/min的鎵源,持續(xù)時間為60min,用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從這些金屬Ti位置起源，生長出若干條平行于襯底、方向一致的極性InGaN納米線，每條納米線的長度根據(jù)殘留的金屬Ti液滴大小，以及生長的工藝條件在10-100 μ m范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生。
[0033]步驟4，待反應(yīng)室溫度降至常溫后，將通過上述步驟生長的極性InGaN納米線材料從MOCVD反應(yīng)室中取出。
[0034]實施例2，制作TiN層厚度為2nm的極性InGaN納米線材料。
[0035]步驟A,將厚度為5 μ m的m面GaN襯底放入電子束蒸發(fā)臺E-Beam中蒸發(fā)一層8nm的Ti金屬薄膜，其工藝條件是:真空度為1.8X 10_3Pa，蒸發(fā)速度為0.2nm/s ；
[0036]步驟B，將有Ti金屬的m面GaN襯底置于MOCVD反應(yīng)室中，抽真空后設(shè)置反應(yīng)室壓力和加熱溫度，再向反應(yīng)室內(nèi)同時通入氫氣和氨氣，持續(xù)一段時間，使大部分金屬Ti與氨氣反應(yīng)，在m面GaN襯底上形成厚度為2nm的TiN層，并有少部分未與氨氣發(fā)生反應(yīng)的金屬Ti，隨機分布在TiN層表面，其工藝條件是:反應(yīng)室內(nèi)壓力為20Torr，氫氣和氨氣的流量均為lOOOsccm，加熱溫度為600°C，持續(xù)時間為5min。
[0037]步驟C，將已形成了 TiN層的m面GaN襯底的溫度降低到400°C，保持反應(yīng)室壓力不變，向反應(yīng)室內(nèi)同時通入銦源，鎵源，氫氣和氨氣，持續(xù)一段時間，用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從金屬Ti位置起源，生長出若干條平行于襯底、方向一致的極性InGaN納米線，每條納米線的長度根據(jù)殘留的金屬Ti液滴大小，以及生長的工藝條件在IO-1OOym范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生，其工藝條件是:銦源流量為5 μ mol/min，鎵源流量為45 μ mol/min,氫氣和氨氣的流量均為IOOOsccm,持續(xù)時間為5min。
[0038]步驟D，待反應(yīng)室溫度降至常溫后，將通過上述步驟生長的極性InGaN納米線材料從MOCVD反應(yīng)室中取出。
[0039]實施例3，制備TiN層厚度為8nm的極性InGaN納米線材料。
[0040]第一步,蒸發(fā)金屬Ti薄膜。
[0041]將厚度為I μπι的m面GaN襯底放入電子束蒸發(fā)臺E-Beam中，在真空度為
1.8 X KT3Pa的條件下，以0.2nm/s的速度蒸發(fā)一層2nm的Ti金屬薄膜。
[0042]第二步，制備TiN層。
[0043]將有Ti金屬的m面GaN襯底置于MOCVD反應(yīng)室中，抽真空后設(shè)置反應(yīng)室內(nèi)壓力為40Torr，加熱溫度為900°C，再向反應(yīng)室內(nèi)通入流量為2000sCCm的氫氣和流量為3000sCCm的氨氣，持續(xù)8min，使大部分金屬Ti與氨氣反應(yīng)，在m面GaN襯底上形成厚度為8nm的TiN層，并有少部分未與氨氣發(fā)生反應(yīng)的殘留金屬Ti,隨機分布在TiN層表面。
[0044]第三步，生長極性InGaN納米線。
[0045]保持反應(yīng)室內(nèi)壓力不變，降低已形成了 TiN層的m面GaN襯底的溫度至650°C，再向反應(yīng)室內(nèi)同時通入流量為20 μ mol/min的銦源和50 μ mol/min的鎵源、流量均為3000sccm的氫氣和氨氣，持續(xù)15min，用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從這些殘留金屬Ti的位置起源，生長出若干條平行于襯底、方向一致且長度不等的極性InGaN納米線，每條納米線的長度根據(jù)殘留的金屬Ti液滴大小，以及生長的工藝條件在10-100 μ m范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生。
[0046]第四步，待反應(yīng)室溫度降至常溫后，將通過上述步驟生長的極性InGaN納米線材料從MOCVD反應(yīng)室中取出。
【權(quán)利要求】
1.一種基于m面GaN上的極性InGaN納米線材料，自下而上包括m面GaN襯底層(I)和極性InGaN納米線層(3)，其特征在于:m面GaN襯底層(I)的上面設(shè)有2_15nm厚的TiN層，極性InGaN納米線層(3)位于TiN層的上面，該極性InGaN納米線層(3)中含有若干條平行于襯底、方向一致且每條長度在10-100 μ m范圍隨機產(chǎn)生的極性InGaN納米線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性InGaN納米線材料，其中m面GaN襯底層(I)的厚度為1-1000 μ mD
3.—種基于m面GaN的極性InGaN納米線材料制作方法，包括如下步驟: (1)將厚度為1-1OOOym的m面GaN襯底放入電子束蒸發(fā)臺E-Beam中，在真空度為1.8 X KT3Pa的條件下，以0.2nm/s的速度蒸發(fā)一層2_15nm的Ti金屬薄膜； (2)將有Ti金屬的m面GaN襯底置于金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOCVD反應(yīng)室中，并向反應(yīng)室內(nèi)通入流量均為lOOOsccm-lOOOOsccm的氫氣與氨氣，在溫度為600-1200°C，時間為5-20min,反應(yīng)室壓力為20_760Torr的工藝條件下，使m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成2-15nm厚的TiN,并殘余一部分未被氮化的金屬Ti ； (3)向MOCVD反應(yīng)室中同時通入銦源、鎵源和氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化齊U，在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，每條納米線的長度根據(jù)殘留的金屬Ti液滴大小，以及生長的工藝條件隨機產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(3)所述的利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，其工藝條件是: 反應(yīng)室內(nèi)壓力:20-760Torr ； 溫度:400-900°C ； 銦源流量:5-100 μ mol/min ； 鎵源流量:5-100 μ mol/min ； 氨氣流量:1000-10000sccm ； 時間:5_60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(3)所述的利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行于襯底且長度為10-100 μ m不等的極性InGaN納米線，其In組分由通入的鎵源和銦源的流量比值確定，其取值為0.1-0.9。
【文檔編號】H01L21/205GK103928504SQ201410168281
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】姜騰, 許晟瑞, 郝躍, 張進成, 張春福, 林志宇, 雷嬌嬌, 陸小力 申請人:西安電子科技大學(xué)