生长在LiGaO₂衬底上的非极性InN薄膜的制作方法

专利名称：生长在LiGaO₂衬底上的非极性InN薄膜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及非极性InN薄膜，特别涉及生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜。
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，在光电子器件方面己有重要的应用，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。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，电子迁移 速度以及具有最小的有效电子质量。因此InN材料是理想的高速、高频晶体管材料，在未来高速高频微波电子器件领域中应用的巨大潜力。虽然目前常用的高频电子器件的材料是GaAs,而InN的输运性质同砷化镓(GaAs)相比，对温度和掺杂的敏感度要小，InN没有GaAs和磷化镓(GaP)基器件产生的有毒气，适合于具有很高辐射或化学腐蚀很强的环境。所以InN在高频电子器件方面是一种非常有前景的材料。其次，由于InN材料是直接带隙材料，最新研究结果表明其带隙值为O. 6 O. 7eV,这使得InxGapxN三元合金材料的能隙范围能够随合金中Ga组分x的变化从InN能隙的O. 7eV到GaN能隙的3. 4eV自由调节，对应波长从1771nm到365nm。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。由于InN本身的材料特性，使得InGaN合金还可以抵抗高能电子的强福射,独特的声子瓶颈效应可以减慢太阳电池中热载流子的冷却过程，而且能带可以自对准，从而消除了硅基太阳电池天然存在的复合障碍，这些特点使其特别适合作为空间应用的高效率多结太阳能电池材料。同时，由于InN具有特别的带隙特性以及其他的优越性能，使其在LED，LD以及特殊探测器等方面也有巨大的应用潜力。为了满足器件高性能的需要，致力于InN基材料的研究越来越显得重要，但是InN生长的特殊困难性和InGaN合金中的相分离等问题，阻碍了高质量的InN基材料的制备。目前，InN基材料主要是通过MOCVD或MBE方法在蓝宝石或者GaN模板上制备。制备InN材料存在两大难题。一方面是没有合适的衬底。由于InN单晶也是非常难获得，所以必须靠异质外延生长，这就很难避免较大晶格匹配的问题，常见的衬底如蓝宝石，InN与蓝宝石间通常有两种对准方向，一种是c面InN[1010] I |c面蓝宝石[1120]，此时晶格失配度高达25%，若InN绕蓝宝石(0001)方向旋转30°后失配度可以降低到13%;另外一种外延方式是a面InN (11-20) | | a面蓝宝石(11_20)，其晶格失配则高达28%。其次，蓝宝石衬底价格十分昂贵，使得器件生产成本很高。另外一方面是InN材料在III族氮化物中具有最高的平衡氮气压，在给定的温度下，InN材料比GaN和AlN高好几十倍，这意味着沉积在衬底上的任何InN很有可能马上分解掉，留下的In金属也随后蒸发，所以制备出的样品往往有很多结构缺陷。同时InN分解温度仅600°C，如此低的分解温度，决定了 InN材料必须在低温下生长；而作为氮源的NH3的分解温度在KKKTC左右，使得表面缺乏活性N原子，InN的生长受到限制，从而产生了矛盾，因此采用一般的方法很难制备出InN的单晶体材料。由此可见，要使InN基器件真正实现大规模广泛应用，提高效率，并降低其制造成本，最根本的办法就是研发新型衬底上的采用新型方法来制备InN基材料。因此新型衬底上外延生长氮化铟一直是研究的热点和难点。

实用新型内容为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供了一种生长在LiGaOji底上的非极性InN薄膜，具有缺陷密度低、结晶质量好的优点，且制备成本低廉。本实用新型的目的通过以下技术方案实现 生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性a面InN缓冲层及生长在非极性a面InN缓冲层上的非极性a面InN外延层；所述非极性a面InN缓冲层是在衬底温度为300-350°C时生长的InN层；所述非极性a面InN层是在衬底温度为500-550°C时生长的InN层。所述非极性a面InN缓冲层的厚度为50_100nm。上述生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，选择的晶体取向为(001)晶面；(2)对衬底进行退火处理将衬底在900-1000°C下高温烘烤3_5h后空冷至室温；(3)对衬底进行表面清洁处理；(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN缓冲层，工艺条件为衬底温度为 300-350°C，反应室压力为 4-5 X I(T5Pa、V/III 比为 35-50、生长速度为 O. 5-0. 7ML/s ；(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN外延层，工艺条件为衬底温度升至500-550°C，反应室压力为3-5 X I(T5pa、V/III比为30-40、生长速度为O. 7-0. 9ML/s。所述非极性a面InN缓冲层的厚度为50_100nm。步骤(3)所述对衬底进行表面清洁处理，具体为将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5-10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤,去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在超高真空条件下，将衬底温度升至850-90(TC，高温烘烤20-30分钟,除去衬LiGaO2底表面残余的杂质。所述超高真空条件为压力小于6X 10_7Pa。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果(I)本实用新型使用LiGaO2作为衬底，同时采用低温分子束外延技术在LiGaO2(OOl)衬底上先生长一层非极性a面InN缓冲层，获得衬底与非极性a面(11-20) InN外延层之间很低的晶格失配度，低达3.6%，有利于沉积低缺陷的非极性a面InN外延层，极大的提高了 InN基器件效率。(2)采用采用了低温分子束外延(MBE)生长InN材料的方法，既实现低温生长InN的条件，又避免采用NH3作为氮源，从而很好的解决了 InN材料分解温度与反应活性之间的矛盾。(3)本实用新型非极性InN薄膜，消除了极性面InN带来的量子束缚斯塔克效应，提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管及太阳能电池的效率。(4)使用LiGaO2作为衬底，容易获得，价格便宜，有利于降低生产成本。综上所述，本实用新型技术生长衬底非常规，生长工艺独特而简单易行，具有可重复性、外延生长的a面InN薄膜缺陷密度低、晶体质量高，电学和光学性质优异等优点，可广泛应用于HEMT器件、高频电子器件、及太阳能电池等领域，便于推广应用。

图I是本实用新型所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的截面示意 图；图2是本实用新型所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的TEM电镜图。图3是本实用新型所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的XRD测试图。图4是本实用新型所制备的高质量非极性a面InN薄膜的在温度为77K下PL谱测试图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例I本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，选择的晶体取向为(001)晶面。(2)对衬底进行退火处理将衬底在900°C下高温烘烤3h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗5分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在6X 10_7Pa的超高真空条件下，将衬底温度升至850°C，高温烘烤20分钟，除去衬LiGaO2底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN缓冲层，工艺条件为衬底温度为300°C，反应室压力为4 X IO^5Pa, V/111比为35、生长速度为O. 5ML/s。(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN外延层，工艺条件为衬底温度升至500°C，反应室压力为3X10-5pa、V/III比为30、生长速度为O. 7ML/s。图I是本实施例所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的截面示意图；包括LiGa02衬底11，非极性a面InN缓冲层12，非极性a面InN薄膜13。非极性a面InN缓冲层12在LiGa02衬底11之上，非极性a面InN薄膜13在非极性a面InN缓冲层12。其中，非极性a面InN缓冲层的厚度为50nm。图2是本实用新型所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的TEM电镜图。表明外延衬底采用LiGaO2衬底，选择的晶体取向为(001)晶面，获得界面清晰的非极性a面InN薄膜。其中O. 54nm为LiGaO2衬底沿(100)的晶格常数，O. 57nm为沿(0001)方向的InN的晶格常数，LiGaO2衬底上生长的晶面关系是InN[0001]//LiGaO2[100]。图3是本实施例所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的XRD图谱。由图可知XRD的衍射角所对应的a面InN和衬底LiGaO2 (001)的衍射峰位置与强度，说明晶
体质量好。图4为本实用新型所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的在温度为77K下PL谱测试图。温度在77K下PL谱测试得到带间激子复合发光峰为O. 80eV，这表明，应用本实用新型在LiGaO2(OOl)衬底上生长出的非极性a面InN外延薄膜，在光学性质上具有非常好的性能。利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上制备InN/AIN的场效应晶体管(FET)器件的步骤如下先在LiGaO2衬底外延生长(OOO-I)AlN层，再按照上述步骤得到的非极性a面InN薄膜，再生长SiNx绝缘层，最后电子束蒸发形成Ti/Al源极，栅极，以及漏极。其中·AlN厚度为lOOnm，InN外延为25nm，SiNx绝缘层厚度为25nm，源极，栅极以及漏极采用为Ti(30nm)/Al(200nm)。实施例2本实施例生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜的制备方法，包括以下步骤(I)选取衬底以及晶体取向采用LiGaO2衬底，选择的晶体取向为(001)晶面。(2)对衬底进行退火处理将衬底在1000°C下高温烘烤5h后空冷至室温。(3)对衬底进行表面清洁处理将LiGaO2衬底放入去离子水中室温下超声清洗10分钟，去除LiGaO2衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物；清洗后的LiGaO2衬底用高纯干燥氮气吹干；之后将LiGaO2衬底放入低温分子束外延生长室，在4X 10_7Pa的超高真空条件下，将衬底温度升至900°C，高温烘烤30分钟，除去衬LiGaO2底表面残余的杂质。(4)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN缓冲层，工艺条件为衬底温度为350°C，反应室压力为5 X IO^5Pa, V/111比为50、生长速度为O. 7ML/s。(5)采用低温分子束外延工艺生长非极性a面InN外延层，工艺条件为衬底温度升至550°C，反应室压力为5X10-5pa、V/III比为40、生长速度为O. 9ML/s。本实施例所制备的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜包括LiGaO2衬底，非极性a面InN缓冲层，非极性a面InN薄膜。非极性a面InN缓冲层在LiGa02衬底之上，非极性a面InN薄膜在非极性a面InN缓冲层。其中，非极性a面InN缓冲层的厚度为lOOnm。利用本实施例制备的生长在LiGaO2衬底上制备非极性a面InN薄膜上制备的InGaN太阳能电池器件步骤如下在上述步骤得到的非极性a面InN外延层上依次生长具有成分梯度的InxGahN缓冲层，η型掺硅InxGai_xN，InxGa1J多量子阱层，p型掺镁的InxGahN层。再经电子束蒸发形成欧姆接触；最后通过在N2气氛下退火，以提高p型GaN薄膜的载流子浓度和迁移率。其中，η型掺硅GaN外延层的厚度为5 μ m，载流子的浓度为IXlO19cnT3 ;InxGa1J多量子阱层厚度约为300nm，周期数为20，其中Ina2Gaa8N阱层厚度为3nm, Inatl8Gaa92N鱼层为IOnm ；Mg掺杂的p型InxGa^xN层的厚度约为200nm,载流子浓度为2 X IO16Cm 3O上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜，其特征在于，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性a面InN缓冲层及生长在非极性a面InN缓冲层上的非极性a面InN外延层；所述非极性a面InN缓冲层是在衬底温度为300-350°C时生长的InN层；所述非极性a面InN层是在衬底温度为500-550°C时生长的InN层。
2.根据权利要求I所述的生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜，其特征在于，所述非极性a面InN缓冲层的厚度为50-100nm。
专利摘要本实用新型公开了生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜，包括生长在LiGaO2衬底上的非极性a面InN缓冲层及生长在非极性a面InN缓冲层上的非极性a面InN层；所述非极性a面InN缓冲层是在衬底温度为300-350℃时生长的InN膜层；所述非极性a面InN层是在衬底温度为500-550℃时生长的InN膜层。与现有技术相比，本实用新型具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，消除了InN材料分解温度与反应活性之间的矛盾问题，且制备的非极性InN薄膜缺陷密度低、结晶质量好。
文档编号C30B29/38GK202576646SQ201220082140
公开日2012年12月5日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者李国强, 杨慧 申请人:华南理工大学