本實用新型涉及InN納米柱外延片，特別涉及生長在Si襯底上的InN納米柱外延片。

背景技術(shù)：

III-V族氮化物由于穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、高的熱導(dǎo)率和高的電子飽和速度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)、激光器和光電子器件等方面。在III-V族氮化物中，氮化銦(InN)由于其自身獨特的優(yōu)勢而越來越受到研究者的關(guān)注。在III族氮化物半導(dǎo)體中，InN具有最小的有效電子質(zhì)量、最高的載流子遷移率和最高飽和渡越速度，對于發(fā)展高速電子器件極為有利。不僅如此，InN具有最小的直接帶隙，其禁帶寬度約為0.7eV，這就使得氮化物基發(fā)光二極管的發(fā)光范圍從紫外(6.2eV)拓寬至近紅外區(qū)域(0.7eV)，在紅外激光器、全光譜顯示及高轉(zhuǎn)換效率太陽電池等方面展示了極大的應(yīng)用前景。與其他III-V族氮化物半導(dǎo)體材料相比，InN材料除具有上述優(yōu)點外，其納米級的材料在量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、體積效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等方面還表現(xiàn)出更多新穎的特性。

目前，III-V族氮化物半導(dǎo)體器件主要是基于藍(lán)寶石襯底上外延生長和制備。然而，藍(lán)寶石由于熱導(dǎo)率低，以藍(lán)寶石為襯底的大功率氮化物半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量無法有效釋放，導(dǎo)致熱量不斷累計使溫度上升，加速氮化物半導(dǎo)體器件的劣化，存在器件性能差、壽命短等缺點。相比之下，Si的熱導(dǎo)率比藍(lán)寶石高，且成本較低。在Si襯底上制備高性能、低成本的氮化物半導(dǎo)體器件是必然的發(fā)展趨勢。然而，在Si襯底上生長直徑均一、有序性高的InN納米柱是制備高性能氮化物半導(dǎo)體光電器件的先提條件。由于Si與InN之間的晶格失配和熱失配大；同時，在生長初期，襯底表面的In和N原子分布比例的差異，導(dǎo)致生長的InN納米柱會有高度、徑長不均勻、有序性差等情況。

目前多數(shù)采用在Si襯底上直接生長InN納米柱，這種生長方法所獲得的納米柱直徑不均一，也就是頂部和底部的直徑不一致，呈倒金字塔、壘球棒等形貌的納米柱。若采用In、Ni、Au等作為催化劑進(jìn)行InN納米柱的生長，作為催化劑的In、Ni和Au等金屬在生長后存在于InN的頂端，在后續(xù)進(jìn)行器件制作時，需要把頂端的金屬催化劑去除，增加了器件工藝的復(fù)雜性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種生長在Si襯底上的InN納米柱外延片，通過Si襯底上的In金屬納米微球，解決了InN因與Si之間存在較大晶格失配而在其中產(chǎn)生大量位錯的技術(shù)難題，大大減少了InN納米柱外延層的缺陷密度，有利提高了載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

生長在Si襯底上的InN納米柱外延片，由下至上依次包括Si襯底、In金屬納米微球?qū)雍虸nN納米柱層。

所述In金屬納米微球?qū)又械腎n金屬納米微球的直徑為20-70nm。

所述InN納米柱層中InN納米柱直徑為40-80nm。

所述的生長在Si襯底上的InN納米柱外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)Si襯底清洗；

(2)沉積In金屬納米微球?qū)樱翰捎梅肿邮庋由L工藝，襯底溫度控制在400-550℃，在反應(yīng)室的壓力為5.0～6.0×10^-10Torr條件下，在Si襯底上沉積In薄膜，并退火，得到In金屬納米微球；

(3)InN納米柱層的生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度控制在500～700℃，在反應(yīng)室的壓力為4.0～10.0×10^-5Torr，V/III比值為30～40條件下，在步驟(2)得到的In金屬納米微球上生長直徑均一的InN納米柱。

步驟(2)中退火的溫度為400-550℃，退火時間為50-300秒。

步驟(1)所述襯底清洗，具體為：

將Si襯底放入體積比為1:20的HF和去離子水混合溶液中超聲1～2分鐘，去除硅襯底表面氧化物和粘污顆粒，再放入去離子水中超聲1～2分鐘，去除表面雜質(zhì)，用高純干燥氮氣吹干。

所述In金屬納米微球?qū)又械腎n金屬納米微球的直徑為20-70nm。

所述InN納米柱層中InN納米柱直徑為40-80nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本實用新型的生長在Si襯底上的InN納米柱外延片，通過Si襯底上的In金屬納米微球，解決了InN因與Si之間存在較大晶格失配而在其中產(chǎn)生大量位錯的技術(shù)難題，大大減少了InN納米柱外延層的缺陷密度，有利提高了載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

(2)本實用新型的生長在Si襯底上的InN納米柱外延片，采用Si襯底，Si襯底具有容易去除的優(yōu)點，在去除Si襯底后的InN納米柱半導(dǎo)體外延片上制作電極，有利于制備垂直結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體器件。同時Si襯底有抗輻射、熱導(dǎo)率高、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定、強(qiáng)度較高等優(yōu)點，具有很高的可靠性，基于Si襯底的InN納米柱外延片可廣泛應(yīng)用于高溫器件。

附圖說明

圖1為本實用新型的生長在Si襯底上的InN納米柱外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，對本實用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例1

圖1為本實施例的生長在硅襯底上的InN納米柱外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，由下至上依次包括Si襯底1、In金屬納米微球?qū)?和InN納米柱層3。

本實施例的生長在硅襯底上的InN納米柱外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎闷胀⊿i襯底；

(2)襯底清洗：將Si襯底放入體積比為1:20的HF和去離子水混合溶液中超聲2分鐘，去除Si襯底表面氧化物和粘污顆粒，再放入去離子水中超聲2分鐘，去除表面雜質(zhì)，用高純干燥氮氣吹干；

(3)沉積In金屬納米微球：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度控制在400℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-10Torr條件下，在Si襯底上沉積In薄膜，并在原位退火50秒，形成直徑為30-50nm的In金屬納米微球。

(4)直徑均一InN納米柱的生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度控制在600℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-5Torr，束流比V/III值為30條件下，在步驟(3)得到的In金屬納米微球的Si襯底上生長頂部和底部直徑均一、直徑分布為30-80nm的InN納米柱。

實施例2

本實施例的生長在硅襯底上的InN納米柱外延片由下至上依次包括Si襯底、In金屬納米微球?qū)雍虸nN納米柱層。

本實施例的生長在Si襯底上的GaN納米柱LED外延片的制備方法，包括以下步驟：

(1)襯底以及其晶向的選?。翰捎闷胀⊿i襯底；

(2)襯底清洗：將Si襯底放入體積比為1:20的HF和去離子水混合溶液中超聲2分鐘，去除硅襯底表面氧化物和粘污顆粒，再放入去離子水中超聲1分鐘，去除表面雜質(zhì)，用高純干燥氮氣吹干；

(3)沉積In金屬納米微球：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度控制在550℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-10Torr條件下，在Si襯底上沉積In薄膜，并在原位退火300秒，形成直徑為50-70nm的In金屬納米微球。

(4)直徑均一InN納米柱的生長：采用分子束外延生長工藝，襯底溫度控制在700℃，在反應(yīng)室的壓力為6.0×10^-5Torr，束流比V/III值為40條件下，在步驟(3)得到的In金屬納米微球的Si襯底上生長頂部和底部直徑均一、直徑分布為30-80nm的InN納米柱。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。