专利名称：一种非极性面InN材料的生长方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的合成生长InN材料的方法，尤其是利用金属有机物化学汽相 外延MOCVD技术在LiA102 (100)衬底生长InN材料的方法，为一种非极性面InN材料 的生长方法。
背景技术：
III族氮化物半导体材料GaN， AlN和InN是性能优越的新型半导体材料。在光电 子器件方面已有重要的应用，在光电集成，超高速微电子器件和超高频微波器件及电路 上也有着十分广阔的应用前景。由于材料生长的困难，III族氮化物材料在相当长的时 间内未能得到足够的重视，直到1991年前后，因GaN系列的高亮度LED研制成功， 才使沉寂多年的III族氮化物半导体材料生长和器件应用研究又掀起了新的热潮。经过 这么多年的研究和发展，GaN和AIN的生长技术研究，特性研究以及器件应用研究都 已取得长足的发展。但是因为InN具有低的离解温度(^600'C分解)要求低温生长， 而作为氮源的NH3的分解温度较高，要求100(TC左右，这是InN生长的一对矛盾。其 次，对于InN材料生长又缺少与之匹配的衬底材料。这就使得高质量InN材料生长特别 困难。因此InN材料的研究几乎没有取得什么进展。我们对InN材料的性质知之甚少。
最近几年，由于科学技术的进步和发展，InN材料生长技术也越来越成熟。生长的 InN材料中杂质也越来越少。特别是2002年对InN材料本征能隙认识的新的突破，对 于纯度更纯的InN材料，其能隙是0.6ev—0.7ev而不是人们一直认为的是1,9ev。这使 得InN材料在微电子和光电子领域中的应用将有更好的表现。同时在国际上也因此掀起 了一股InN材料的研究热潮。
理论研究表明，InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速 度和电子渡越速度，以及具有最小的有效电子质量。同时其电子迁移率也比较高。因此， InN材料是理想的高速，高频晶体管材料。由于InN材料是直接带隙材料，其带隙值的 最新研究结果表明为0.6ev-0.7ev，这使得In卜xGaxN三元合金材料的能隙范围能够随合 金中In组分x的变化从InN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由调节。它提供了对 应于太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙。这为设计新型高效太阳能电池提供了极大的 可能。理论上，基于InN材料的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率72%。因为本征带隙的减小，使得InN的发光波长达到了 1.55um， 这样人们就可以用III族氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到 红外光范围，并一直延伸到长波长通讯波段，使得光通讯器件制备可选用材料得到更大 的丰富。同时InN以其独特的优良特性有可能为光通讯器件的发展带来新的突破。
目前大部分GaN基材料是沿着
c轴方向生长的纤锌矿结构。而沿着
方 向外延生长会产生自发极化和压电极化，导致量子限制斯塔克效应，由其产生的内建电 场削弱了量子阱内电子空穴波函数在实空间的重叠几率，降低了器件的量子效率；也使
光电子器件的跃迁发射能量发生红移。为了克服这些缺点，(li00)m面和(li02) a
面的GaN引起了人们很大的兴趣。w面和a面GaN可以使用MOCVD， MBE， HVPE 在c面LiA102或r面宝石衬底等上生长。
衬底材料对于异质外延GaN的晶体质量影响很大，对器件的性能和可靠性产生重 要的影响。缺乏与GaN晶格匹配而且热兼容的合适的衬底材料是影响GaN器件成熟的 主要困难之一。目前最为广泛使用的c面蓝宝石(c-plane-Al203)衬底与GaN的晶格失配 率高达13.6%。虽然通过缓冲层可改善外延膜和衬底的匹配,但这种严重的晶格失配仍会 导致外延膜中高密度缺陷的产生,使器件的寿命和性能大大下降。虽然在GaN衬底上进 行同质外延前景诱人，但生长出大尺寸GaN单晶体尚需时日，寻找其它理想的衬底材料 也是解决问题的有效途径之一。LiA102和GaN匹配非常好,它和GaN的晶格失配率分 别只有1.4%,是很有发展前景的生长GaN的衬底材料。用c面LiA102做衬底材料，采 用MBE， HVPE等技术合成生长m面GaN的工作已有很多文献报道，而关于生长非极 性面InN材料几乎没有报导。
发明内容
本发明目的是提供一种利用金属有机物化学汽相外延MOCVD外延生长系统， 采用LiA102 (100)衬底技术生长w面InN薄膜材料以及高In组分w面InGaN材料的生 长方法。
本发明的技术方案为 一种非极性面InN材料的生长方法，利用金属有机物化学汽 相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiA102 (100)衬底上合成生长w面InN材料以及高 In组分w面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指InxGai-xN材料中 In组分x大于0.3。
在MOCVD系统中，先对生长的LiA102 (100)衬底在500-105(TC温度下进行衬底材料热处理或通入氨气进行表面氮化，再在500-105(TC温度范围下通入载气N2，氨气以 及金属有机源，在LiA102 (IOO)衬底上合成生长w面的InN薄膜材料以及高In组分m 面InGaN材料。
对生长的LiAlO2(100)衬底进行衬底材料热处理为使用氢气或氮气，在500-800'C 温度下进行衬底材料的10s到300s的热处理。
经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO2(100)衬底，在450-600'C温度范围，通 入载气N2，氨气以及金属有机In源，生长一层低温InN缓冲层，在缓冲层上或直接在 经过处理的衬底上生长m面InN材料，生长m面InN材料的条件为温度范围500-700°C ， 生长压力0-700 Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据 生长材料的厚度要求控制。低温InN缓冲层厚度5-100nm。
经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO2(100)衬底，在450-600。C温度范围，通 入载气N2，氨气以及金属有机Ga源和金属有机In源，生长低温GaN缓冲层和或低温 InN缓冲层，在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长高In组分m面InGaN材料， 生长w面InGaN材料的条件为温度范围500-700°C,生长压力0-700 Torr，生长时五族 元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。所述 低温GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度5-100nm。
本发明生长低温缓冲层，可以起到先成核的作用，利于成核生长成单晶体材料，生 产InGaN材料时，In的组分由Ga源和In源的通入量控制五族元素和三族元素的摩尔 比为500-30000，流量比一定就可以了。
本发明利用LiA102 (IOO)材料作为衬底、对LiA102 (IOO)衬底的处理以及生成低温 GaN、低温InN缓冲层以利于成核生长成单晶体材料是本发明的关键。
本发明利用MOCVD生长系统，采用LiA102 (IOO)材料作为衬底、对LiA102 (100) 衬底进行处理以及利用缓冲层，合成生长w面InN材料以及高In组分m面InGaN材料， 通过选择合适的衬底，在MOCVD系统下，选择适当的生长的技术条件，并利用缓冲 层的设计，生产得到非极性面InN材料。
图1为本发明生长的w面InN材料的高分辨X射线衍射"-20扫描谱XRD。
图2为本发明生长的附面InN材料在方位角0。和90。的X射线摇摆曲线。
图3为本发明生长的m面InN材料表面的原子力显微镜照片，(a) (b)分别为不同的样品。
具体实施例方式
本发明利用金属有机物化学汽相外延MOCVD外延生长系统，采用LiA102 (100) 衬底生长w面InN材料以及高In组分w面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种， 高In组分指InxGai_xN材料中In组分x大于0.3。具体包括以下几步
采用LiA102 (100)衬底，先使用氢气或氮气，在500-800'C温度下对衬底材料进行 10s到300s的热处理，或者通入氨气进行表面氮化，再在500-105(TC的温度范围通入载 气N 氨气以及金属有机源。
在经过上述LiAlO2(100)衬底材料表面处理后，在氮气或氢气做载气下，通入氨气 和金属有机源，如三甲基铟，在450-600。C的低温下进行10s-300s的低温InN缓冲层的 生长。生长时生长压力在0-700 Torr，生长时通过载气流量控制五族元素和三族元素的 摩尔比为500-30000。生长w面InN材料时，只通入金属有机In源，如需生长高In组 分m面InGaN材料，则金属有机源采包括In源和Ga源，如三甲基铟和三甲基鎵，生 成低温InN缓冲层和低温GaN缓冲层。所述低温GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度 5隱100nm。
在以上工艺进行后，继续在氮气或氢气做载气下通入氨气和金属有机源，升高温度 到500-650°C ，开始生长m面InN材料或高In组分m面InGaN材料，生长时间根据生 长材料的厚度要求控制。同样，生长时生长压力在0-700 Torr，生长时通过载气流量控 制五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000。
图1为本发明生长的m面InN材料的高分辨X射线衍射"-29扫描谱XRD。从图 中可以看出，在合成生长的InN材料，除了衬底的LAO(200)、LAO(400)、 m面InN(lOO) 以及m面InN (400)特征峰外并没有其它峰出现，表明了所生长的InN材料是m面取 向的。LAO指铝酸锂。
图2是本发明生长的InN材料的X射线摇摆曲线，可以看出样品在0。和90。具有不同 的半峰宽，说明m面InN也具有面内各向异性。
图3为为本发明生长的m面InN材料表面的原子力显微镜照片，(a) (b)分别为 不同的样品。从图中可以看出，所生长的w面InN材料的表面均较为平整，表面粗糙 度(RMS)为27nm， InN晶体以准二维模式生长，表面晶粒尺寸较小，并且在[OOOl]面内 方向呈现结构各项异性，这和图2以及阴极荧光研究的结果一致。本发明利用MOCVD生长技术在LiA102 (100)衬底上合成生长w面InN材料。用c 面LiA102 (LAO)做衬底材料，采用MBE， HVPE等技术合成生长w面GaN的工作 已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在LiA102 (100)衬底上合成生长w面InN 材料，包括类似的技术方案都尚未见报道。本发明首次利用MOCVD生长技术在LiA102 (100)衬底上合成生长w面InN薄膜材料，在技术上属于首次。
金属有机物化学汽相外延MOCVD技术的生长方法是一种常用的材料生长方法， 但如何选择衬底，如何得到高结晶高质量的InN材料仍然值得研究，包括生长的技术条 件，缓冲层的设计等等均是生产中需要解决的问题。本发明在材料上是一种发明，在生 长方法上是一种改进，在用途上有着进一步的拓展。
权利要求
1、一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是利用金属有机物化学汽相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiAlO2(100)衬底上合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指InxGa1-xN材料中In组分x大于0.3。
2、 根据权利要求1所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是在MOCVD 系统中，先对生长的LiA102 (100)衬底在500-105(TC温度下进行衬底材料热处理或通入 氨气进行表面氮化，再在500-1050'C温度范围下通入载气N2，氨气以及金属有机源， 在LiA102 (IOO)衬底上合成生长w面的InN薄膜材料以及高In组分w面InGaN材料。
3、 根据权利要求2所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是对生长的 LiAlO2(100)衬底进行衬底材料热处理为使用氢气或氮气，在500-80(TC温度下进行衬 底材料的10s到300s的热处理。
4、 根据权利要求2或3所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是经过 衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO2(100)衬底，在450-60(TC温度范围，通入载气N2， 氨气以及金属有机In源，生长一层低温InN缓冲层；再在缓冲层上或直接在经过处理 的衬底上生长w面InN材料，生长w面InN材料的条件为温度范围500-700°C ，生长压 力0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材 料的厚度要求控制。
5、 根据权利要求4所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是低温InN 缓冲层厚度5-100nm。
6、 根据权利要求2或3所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是经过 衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO2(100)衬底，在450-600'C温度范围，通入载气N2， 氨气以及金属有机Ga源和金属有机In源，生长低温GaN缓冲层和或低温InN缓冲层； 再在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长高In组分m面InGaN材料，生长w面 InGaN材料的条件为温度范围500-700。C，生长压力0-700 Torr，生长时五族元素和三族 元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。
7、 根据权利要求6所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是所述低温 GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度5-100nm。
全文摘要
一种非极性面InN材料的生长方法，利用金属有机物化学汽相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiAlO<sub>2</sub>(100)衬底上合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N材料中In组分x大于0.3。本发明利用MOCVD生长系统，采用LiAlO<sub>2</sub>(100)材料作为衬底、对LiAlO<sub>2</sub>(100)衬底进行处理以及利用低温缓冲层，合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，通过选择合适的衬底，在MOCVD系统下，选择适当的生长的技术条件，并利用缓冲层的设计，生产得到非极性面InN材料。
文档编号C23C8/24GK101560692SQ20091002792
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者修向前, 傅德颐, 斌 刘, 华雪梅, 荣 张, 毅 施, 谢自力, 红 赵, 郑有炓, 平 韩 申请人:南京大学