法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2023-03-31
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H01L29/267 专利号:ZL2014101653537 申请日:20140423 授权公告日:20170329
专利权的终止
2017-03-29
授权
授权
2014-08-13
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L29/267 申请日:20140423
实质审查的生效
2014-07-16
公开
公开
技术领域
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
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一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。
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 Luo S,Zhou W,Zhang Z,et al.Synthesis of long indium nitride nanowires with uniform diameters in large quantities[J].Small,2005,1(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。
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(1):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
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。
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:
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1-15nm厚的TiN 层,极性InN纳米线层位于该TiN层的上面。
所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000μm。
所述极性InN纳米线层中的每条纳米线的长度在1-100μm范围内随机产生。
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:
(1)将厚度为1-1000μm的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中,在真 空度为1.8×10-3Pa的条件下,以0.2nm/s的速度蒸发一层1-15nm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;
(3)向MOCVD反应室中同时通入流量为5-100μmol/min的铟源和 1000-10000sccm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℃, 时间为5-60min,反应室内压力为20-760Torr。
(1)在厚度为1-1000μm的m面GaN衬底上蒸发一层1-15nm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1000sccm-10000sccm的氢气与氨气,在温度为 600-1200℃,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1-15nm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5-100μmol/min的铟源和 1000-10000sccm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1-100μm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。
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1-100μm不等的极性InN纳米线,其工艺条件是:
温度:400-900℃;
时间:5-60min;
反应室内压力:20-760Torr。
本发明具有如下优点:
1.工艺成本低,生长速率快,且方向一致性好。
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。
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,大大提高了生长速率。
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。
附图说明
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;
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
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1的厚度为1-1000μm,TiN层2的厚度为 1-15nm,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1-100μm范围内不等。
本发明制作图1所述材料的方法给出三种实施例:
实施例1,制备TiN层厚度为8nm的极性InN纳米线材料。
参照图2,本实例的实现步骤如下:
步骤1,将厚度为5μm的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中,在真空 度为1.8×10-3Pa的条件下,以0.2nm/s的速度蒸发一层10nm的Ti金属薄膜。
步骤2,制备TiN层。
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℃,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10nm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。
步骤3,生长极性InN纳米线。
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℃,再 向反应室内同时通入流量为40μmol/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1-100μm范围内随机产生。
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。
实施例2,制作TiN层厚度为1nm的极性InN纳米线材料。
参照图2,本实例的实现步骤如下:
步骤A,将厚度为1μm的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中,在真空 度为1.8×10-3Pa的条件下,以0.2nm/s的速度蒸发一层1nm的Ti金属薄膜。
步骤B,制备TiN层。
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1nm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1000sccm,反应室内压力为20Torr,加热温度为600℃,持续时间为5min。
步骤C,生长极性InN纳米线。
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℃,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1-100μm范围内随机产生,其中铟源流量为 5μmol/min,氢气和氨气的流量均为1000sccm,持续时间为5min。
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。
实施例3,制作TiN层厚度为15nm的极性InN纳米线材料。
参照图2,本实例的实现步骤如下:
第一步,蒸发金属Ti薄膜。
将厚度为1000μm的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中,在真空度为 1.8×10-3Pa的条件下,以0.2nm/s的速度蒸发一层15nm的Ti金属薄膜。
第二步,制备TiN层。
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℃,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10000sccm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。
第三步,生长极性InN纳米线。
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℃,向反应室内同时通入流量均为10000sccm的氢气和氨气以及 100μmol/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 1-100μm范围内随机产生。
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。
机译: 通过将半极性或非极性GaN上的蓝色LED与半极性或非极性GaN上的黄色LED结合使用来产生高偏振白光源
机译: 通过消除生长过程中的氮极极性面,在外国基质上堆积无缺陷的半球形和非极性gan
机译: 通过消除生长过程中的氮极极性面,在外国基质上堆积无缺陷的半球形和非极性gan