基于m面GaN上的极性InN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InN纳米线材料及其制作方法，主要解决常规极性InN纳米线生长中工艺成本高、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1-15nm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InN纳米线。本发明具有成本低，生长速率快，方向一致性好的优点，可用于制作高性能极性InN纳米器件。
【专利说明】基于m面GaN上的极性InN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InN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作InN纳米结构半导体器件。
技术背景
[0002]InN作为III族氮化物半导体的一种，自20世纪八十年代以来，由于其优异的性能受到了研究者极大的关注。作为一种直接带隙半导体，禁带宽度为0.7eV的InN在长波长半导体光电器件、太阳能电池等方面有着良好的应用前景。在III族氮化物中，由于InN高的迁移率、高饱和速率、大的电子漂移速率以及具有最小的有效电子质量等性质，使得InN —维纳米结构在高频器件、激光二极管等方面有着独特的优势，因此，InN纳米线的制备成为人们研究的热点。
[0003]2005年Shudong Luo等人采用化学气相沉积CVD方法制备了 InN纳米线,参见LuoS，Zhou W，Zhang Z, et al.Synthesis of long indium nitride nanowires with uniformdiameters in large quantities [J].Small, 2005, I (10): 1004-1009.这种方法虽然获得了直径一致的InN纳米线，但由于其生长时间长，生长速率低，方向一致性差，限制了 InN纳米线的器件应用。
[0004]2006年T Stoica等人采用分子束外延MBE方法成功制备了 InN纳米线，参见Stoica T, Meijers R, Calarco R, et al.MBE growth optimization of InN nanowires[J].Journal of crystal growth, 2006，290 (I): 241-247.虽然 MBE法制备的 InN纳米线方向一致性好，但由于纳米线长度较短，且MBE设备成本高，因此该方法不适合工业大规模生产。
【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InN纳米线材料及其制作方法，以降低制备成本，提高生长效率，为制作高性能极性InN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极性InN纳米线，其技术方案如下:
[0007]一.本发明基于m面GaN上的极性InN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性InN纳米线层，该极性InN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度不等的纳米线，其特征在于在m面GaN衬底层的上面设有l_15nm厚的TiN层,极性InN纳米线层位于该TiN层的上面。
[0008]所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000 μ m。
[0009]所述极性InN纳米线层中的每条纳米线的长度在1-100 μ m范围内随机产生。
[0010]二.本发明基于m面GaN极性纳米线材料的制作方法，包括如下步骤:[0011](I)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l_15nm的Ti金属薄膜；
[0012](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,对衬底基片进行氮化处理，即将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 ；
[0013](3)向MOCVD反应室中同时通入流量为5-10(^11101/11^11的铟源和1000-100008(3011的氨气，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不等的极性InN纳米线，其生长的工艺条件是:温度为400-900°C，时间为5_60min，反应室内压力为 20-760Torr。
[0014](I)在厚度为1-1000 μ m的m面GaN衬底上蒸发一层l_15nm的Ti金属；
[0015](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l_15nm厚的TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti ；[0016](3)向MOCVD反应室中同时通入流量为5-10(^11101/11^11的铟源和1000-100008(3011的氨气，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1-100 μ m不等的极性InN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。
[0017]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1-1OOym不等的极性InN纳米线，其工艺条件是:
[0018]温度:400-900O ;
[0019]时间:5_60min；
[0020]反应室内压力:2O-76OTorr。
[0021]本发明具有如下优点:
[0022]1.工艺成本低，生长速率快，且方向一致性好。
[0023]2.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，有利于获得较长的高质量极性InN纳米线结构。
[0024]3.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，大大提闻了生长速率。
[0025]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】
[0026]图1为本发明基于m面GaN的极性InN纳米线材料结构示意图；
[0027]图2是本发明制作基于m面GaN的极性InN纳米线材料的流程图。
【具体实施方式】
[0028]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InN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l_15nm，极性InN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1-100 μ m范围内不等。
[0029]本发明制作图1所述材料的方法给出三种实施例:
[0030]实施例1，制备TiN层厚度为8nm的极性InN纳米线材料。
[0031 ] 参照图2，本实例的实现步骤如下:
[0032]步骤I，将厚度为5 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IOnm的Ti金属薄膜。
[0033]步骤2，制备TiN层。
[0034]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，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3000sccm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IOnm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。
[0035]步骤3，生长极性InN纳米线。
[0036]对反应室继续加热，使已形成了 TiN层的m面GaN衬底温度升高到1200°C，再向反应室内同时通入流量为40ymol/min的铟源、流量为3000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，保持反应室压力不变，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InN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1-100 μ m范围内随机产生。
[0037]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InN纳米线材料从MOCVD反应室中取出。
[0038]实施例2，制作TiN层厚度为Inm的极性InN纳米线材料。
[0039]参照图2，本实例的实现步骤如下:
[0040]步骤A，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Inm的Ti金属薄膜。
[0041]步骤B，制备TiN层。
[0042]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，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Inm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,其中氢气和氨气的流量均为IOOOsccm,反应室内压力为20Torr，加热温度为600°C，持续时间为5min。
[0043]步骤C，生长极性InN纳米线。
[0044]对反应室继续加热，使已形成了 TiN层的m面GaN衬底温度升高到800°C，保持反应室压力不变，向反应室内同时通入铟源，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InN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1-100 μ m范围内随机产生，其中铟源流量为5 μ mol/min，氢气和氨气的流量均为lOOOsccm，持续时间为5min。[0045]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InN纳米线材料从MOCVD反应室中取出。
[0046]实施例3，制作TiN层厚度为15nm的极性InN纳米线材料。
[0047]参照图2，本实例的实现步骤如下:
[0048]第一步,蒸发金属Ti薄膜。
[0049]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
1.8 X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层15nm的Ti金属薄膜。
[0050]第二步，制备TiN层。
[0051]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。
[0052]第三步,生长极性InN纳米线。
[0053]在反应室内压力为760Torr的条件下,将已形成了 TiN层的m面GaN衬底温度升高到1500°C，向反应室内同时通入流量均为lOOOOsccm的氢气和氨气以及100 μ mol/min的铟源，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InN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1-1OOym范围内随机产生。
[0054]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InN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InN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层(I)和极性InN纳米线层(3)，该极性InN纳米线层(3)中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度不等的纳米线，其特征在于在m面GaN衬底层(I)的上面设有l_15nm厚的TiN层，极性InN纳米线层(3)位于该TiN层的上面。
2.根据权利要求1所述的极性InN纳米线材料，其中m面GaN衬底层(I)的厚度为1-1000 μ mD
3.根据权利要求1所述的m面GaN上的极性InN纳米线材料，其中极性InN纳米线层(3)中的每条纳米线的长度在1-100 μ m范围内随机产生。
4.一种基于m面GaN的极性InN纳米线材料制作方法,包括如下步骤: (1)在厚度为1-1000μ m的m面GaN衬底上蒸发一层l_15nm的Ti金属； (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l_15nm厚的TiN,并残余一部分未被氮化的金属Ti ； (3)向MOCVD反应室中同时通入流量为5-100ymol/min的铟源和lOOO-lOOOOsccm的氨气，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1-100 μ m不等的极性InN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。
5.根据权利要求4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1-100 μ m不等的极性InN纳米线，其工艺条件是: 温度:400-900°C ； 时间:5_60min ； 反应室内压力:20-760Torr。
【文档编号】H01L21/205GK103928501SQ201410165353
【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】许晟瑞, 姜腾, 郝跃, 杨林安, 张进成, 林志宇, 樊永祥, 张春福 申请人:西安电子科技大学