基于m面GaN上的极性InGaN纳米线材料及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于m面GaN上的极性InGaN纳米线材料及其制作方法，主要解决常规极性InGaN纳米线生长效率低，方向一致性差的问题。其生长步骤是：(1)在m面GaN衬底上蒸发一层2-15nm金属Ti；(2)将有金属Ti的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，并向反应室内通入氢气与氨气，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti；(3)向MOCVD反应室中同时通入铟源、镓源和氨气，利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层上生长平行于衬底、方向一致的极性InGaN纳米线。本发明具有生长速率快，方向一致性好的优点，可用于制作高性能极性InGaN纳米器件。
【专利说明】基于m面GaN上的极性I nGaN纳米线材料及其制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于微电子【技术领域】，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种m面GaN上的极性InGaN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作InGaN纳米结构半导体器件。
技术背景
[0002]InGaN合金由于在室温下根据其组分变化其禁带宽度为0.7-3.4eV，几乎完整覆盖了整个太阳光谱，，具有发光效率高的特点，通常作为LED、LD等光电器件的有源层，不仅是制作高效光电器件的理想材料之一，也是制作高性能太阳能电池的理想材料，因此受到广泛的关注。随着分子束外延MBE和金属有机物化学气相外延MOCVD技术的不断发展，促进了 III族氮化物半导体材料向低维结构发展。III族氮化物纳米材料具有自发极化和压电极化的特征，在制作太阳能电池，探测器，传感器，LED等器件等领域有很广阔的应用前景。
[0003]为了使极化最大化，必须使得纳米线沿着极性方向生长。为了得到极性InGaN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2013年H.C.Kuo等人采用MOCVD方法成功制备了 InGaN 纳米线，参见 Kuo H C, Su Oh T, Ku P C.MOCVD growth of vertically alignedInGaN nanowires [J].Journal of Crystal Growth, 2013, 370:311-313。这种方法制备的InGaN纳米线垂直于沉底，方向一致性好，但由于纳米线长度较短，粗细不均匀，并且是非极性材料，无法利用极化特性，不适合做发光器件和压力传感器。
[0004]2007年X.M.Cai等人采用化学气相沉积CVD方法利用金属催化剂制备了 InGaN纳米线，参见 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.这种方法虽然制备成本较低，但由于其生长时间长，生长速率低，方向一致性差，限制了 InGaN纳米线的器件应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于m面GaN衬底的极性InGaN纳米线材料及其制作方法，以缩短生长时间，提高生长效率，增加方向一致性，为制作高性能极性InGaN纳米器件提供材料。
[0006]实现本发明目的技术关键是:在非极性m面GaN上采用Ti金属催化的方法，通过调节生长的压力、流量、温度，实现高速，高质量，平行于衬底且方向一致性很好的In组分可变的极性InGaN纳米线，其技术方案如下:
[0007]一.本发明基于m面GaN上的极性InGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性InGaN纳米线层，其特征在于:m面GaN衬底层的上面设有2_15nm厚的TiN层，极性InGaN纳米线层位于TiN层的上面，该极性InGaN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且每根长度在10-100 μ m范围随机产生的极性InGaN纳米线。
[0008]所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000 μ m。
[0009]二.本发明基于m面GaN极性InGaN纳米线材料的制作方法,包括如下步骤:[0010](I)将厚度为1-1000 μ m的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中，在真空度为1.8 X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层2_15nm的Ti金属薄膜；
[0011](2)将有Ti金属的m面GaN衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室内通入流量均为1000sccm-10000sccm的氢气与氨气，在温度为600-1200°C，时间为5-20min，反应室压力为20_760Torr的工艺条件下，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成2-15nm厚的TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti ；
[0012](3)向MOCVD反应室中同时通入铟源、镓源和氨气，利用未被氮化的金属Ti作为催化剂，在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件随机产生。
[0013]所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，其工艺条件是:
[0014]反应室内压力:20-760Torr ；
[0015]温度:400-900O ;
[0016]铟源流量:5-100μ mol/min ；
[0017]镓源流量:5-100μ mol/min ;
[0018]氨气流量:lOOO-lOOOOsccm;
[0019]时间:5_60min。
[0020]所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，其In组分由通入的镓源和铟源的流量比值确定，其取值为0.1-0.9。
[0021]本发明具有如下优点:
[0022]1.采用非极性m面GaN材料作为衬底，由于在m面GaN材料中极性轴c轴在面内，使得生长过程中，铟源、镓源和氨气分子在表面沿极性轴方向迁移时得以充分反应，有利于获得平行于衬底的高质量极性InGaN纳米线结构。
[0023]2.通过氮化形成TiN层，并利用残余的未被氮化的Ti金属作为催化剂生长纳米线，大大增加了生长速率，并提高了纳米线的方向一致性。
[0024]本发明的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明基于m面GaN的极性InGaN纳米线材料结构示意图；
[0026]图2是本发明制作基于m面GaN的极性InGaN纳米线材料的流程图。
【具体实施方式】
[0027]参照图1，本发明的材料结构自下而上依次为m面GaN衬底层1，TiN层2和极性InGaN纳米线层3。其中m面GaN衬底层I的厚度为1-1000 μ m, TiN层2的厚度为2_15nm，极性InGaN纳米线层3中的若干条纳米线平行于衬底、方向一致，每条纳米线的长度在10-100 μ m范围内随机产生。
[0028]参照图2，本发明制作图1所述材料的方法给出三种实施例:
[0029]实施例1，制作TiN层厚度为15nm的极性InGaN纳米线材料。[0030]步骤I，将厚度为IOOOym的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中，在真空度为1.8X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层15nm的Ti金属薄膜。
[0031 ] 步骤2，在金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中放置有Ti金属的m面GaN衬底，抽真空后加热反应室，使温度达到1200°C，在反应室压力为760Torr的条件下，同时向反应室内通入流量均为lOOOOsccm氢气和氨气，持续60min，使大部分金属Ti与氨气反应，在m面GaN衬底上形成厚度为15nm的TiN层，其有少部分未与氨气发生反应的金属Ti，随机分布在TiN层表面。
[0032]步骤3，在反应室内压力为760Torr的条件下，将已形成了 TiN层的m面GaN衬底温度降低到900°C，向反应室内同时通入流量均为lOOOOsccm的氢气和氨气以及为IOOymol/min的铟源和15 μ mol/min的镓源,持续时间为60min,用分布在TiN层的残留金属Ti作为催化剂，在TiN层上，从这些金属Ti位置起源，生长出若干条平行于衬底、方向一致的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件在10-100 μ m范围内随机产生。
[0033]步骤4，待反应室温度降至常温后，将通过上述步骤生长的极性InGaN纳米线材料从MOCVD反应室中取出。
[0034]实施例2，制作TiN层厚度为2nm的极性InGaN纳米线材料。
[0035]步骤A,将厚度为5 μ m的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中蒸发一层8nm的Ti金属薄膜，其工艺条件是:真空度为1.8X 10_3Pa，蒸发速度为0.2nm/s ；
[0036]步骤B，将有Ti金属的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，抽真空后设置反应室压力和加热温度，再向反应室内同时通入氢气和氨气，持续一段时间，使大部分金属Ti与氨气反应，在m面GaN衬底上形成厚度为2nm的TiN层，并有少部分未与氨气发生反应的金属Ti，随机分布在TiN层表面，其工艺条件是:反应室内压力为20Torr，氢气和氨气的流量均为lOOOsccm，加热温度为600°C，持续时间为5min。
[0037]步骤C，将已形成了 TiN层的m面GaN衬底的温度降低到400°C，保持反应室压力不变，向反应室内同时通入铟源，镓源，氢气和氨气，持续一段时间，用分布在TiN层的残留金属Ti作为催化剂，在TiN层上，从金属Ti位置起源，生长出若干条平行于衬底、方向一致的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件在IO-1OOym范围内随机产生，其工艺条件是:铟源流量为5 μ mol/min，镓源流量为45 μ mol/min,氢气和氨气的流量均为IOOOsccm,持续时间为5min。
[0038]步骤D，待反应室温度降至常温后，将通过上述步骤生长的极性InGaN纳米线材料从MOCVD反应室中取出。
[0039]实施例3，制备TiN层厚度为8nm的极性InGaN纳米线材料。
[0040]第一步,蒸发金属Ti薄膜。
[0041]将厚度为I μπι的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中，在真空度为
1.8 X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层2nm的Ti金属薄膜。
[0042]第二步，制备TiN层。
[0043]将有Ti金属的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，抽真空后设置反应室内压力为40Torr，加热温度为900°C，再向反应室内通入流量为2000sCCm的氢气和流量为3000sCCm的氨气，持续8min，使大部分金属Ti与氨气反应，在m面GaN衬底上形成厚度为8nm的TiN层，并有少部分未与氨气发生反应的残留金属Ti,随机分布在TiN层表面。
[0044]第三步，生长极性InGaN纳米线。
[0045]保持反应室内压力不变，降低已形成了 TiN层的m面GaN衬底的温度至650°C，再向反应室内同时通入流量为20 μ mol/min的铟源和50 μ mol/min的镓源、流量均为3000sccm的氢气和氨气，持续15min，用分布在TiN层的残留金属Ti作为催化剂，在TiN层上，从这些残留金属Ti的位置起源，生长出若干条平行于衬底、方向一致且长度不等的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件在10-100 μ m范围内随机产生。
[0046]第四步，待反应室温度降至常温后，将通过上述步骤生长的极性InGaN纳米线材料从MOCVD反应室中取出。
【权利要求】
1.一种基于m面GaN上的极性InGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层(I)和极性InGaN纳米线层(3)，其特征在于:m面GaN衬底层(I)的上面设有2_15nm厚的TiN层，极性InGaN纳米线层(3)位于TiN层的上面，该极性InGaN纳米线层(3)中含有若干条平行于衬底、方向一致且每条长度在10-100 μ m范围随机产生的极性InGaN纳米线。
2.根据权利要求1所述的极性InGaN纳米线材料，其中m面GaN衬底层(I)的厚度为1-1000 μ mD
3.—种基于m面GaN的极性InGaN纳米线材料制作方法，包括如下步骤: (1)将厚度为1-1OOOym的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中，在真空度为1.8 X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层2_15nm的Ti金属薄膜； (2)将有Ti金属的m面GaN衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，并向反应室内通入流量均为lOOOsccm-lOOOOsccm的氢气与氨气，在温度为600-1200°C，时间为5-20min,反应室压力为20_760Torr的工艺条件下，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成2-15nm厚的TiN,并残余一部分未被氮化的金属Ti ； (3)向MOCVD反应室中同时通入铟源、镓源和氨气，利用未被氮化的金属Ti作为催化齐U，在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件随机产生。
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(3)所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，其工艺条件是: 反应室内压力:20-760Torr ； 温度:400-900°C ； 铟源流量:5-100 μ mol/min ； 镓源流量:5-100 μ mol/min ； 氨气流量:1000-10000sccm ； 时间:5_60min。
5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤(3)所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为10-100 μ m不等的极性InGaN纳米线，其In组分由通入的镓源和铟源的流量比值确定，其取值为0.1-0.9。
【文档编号】H01L21/205GK103928504SQ201410168281
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】姜腾, 许晟瑞, 郝跃, 张进成, 张春福, 林志宇, 雷娇娇, 陆小力 申请人:西安电子科技大学