專利名稱：生長在LiGaO₂襯底上的非極性InN薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非極性InN薄膜，特別涉及生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
III族氮化物半導(dǎo)體材料GaN，AlN和InN是性能優(yōu)越的新型半導(dǎo)體材料，在光電子器件方面已有重要的應(yīng)用，在光電集成、超高速微電子器件和超高頻微波器件及電路上也有著十分廣闊的應(yīng)用前景。InN材料在III族氮化物半導(dǎo)體材料中具有最高的飽和電子漂移速度，電子遷移速度以及具有最小的有效電子質(zhì)量。因此InN材料是理想的高速、高頻晶體管材料，在未來高速高頻微波電子器件領(lǐng)域中應(yīng)用的巨大潛力。雖然目前常用的高頻電子器件的材料是 GaAs,而InN的輸運性質(zhì)同砷化鎵(GaAs)相比，對溫度和摻雜的敏感度要小，InN沒有GaAs 和磷化鎵(GaP)基器件產(chǎn)生的有毒氣，適合于具有很高輻射或化學(xué)腐蝕很強的環(huán)境。所以 ^N在高頻電子器件方面是一種非常有前景的材料。其次，由于hN材料是直接帶隙材料，最新研究結(jié)果表明其帶隙值為0. 6 0. 7eV, 這使得InxGai_xN三元合金材料的能隙范圍能夠隨合金中( 組分χ的變化從LN能隙的 0. 7eV到GaN能隙的3. 4eV自由調(diào)節(jié)，對應(yīng)波長從1771nm到365nm。它提供了對應(yīng)于太陽能光譜幾乎完美的對應(yīng)匹配能隙，這為設(shè)計新型高效太陽能電池提供了極大的可能。由于 hN本身的材料特性，使得InGaN合金還可以抵抗高能電子的強輻射，獨特的聲子瓶頸效應(yīng)可以減慢太陽電池中熱載流子的冷卻過程，而且能帶可以自對準(zhǔn)，從而消除了硅基太陽電池天然存在的復(fù)合障礙，這些特點使其特別適合作為空間應(yīng)用的高效率多結(jié)太陽能電池材料。同時，由于^^具有特別的帶隙特性以及其他的優(yōu)越性能，使其在LED，LD以及特殊探測器等方面也有巨大的應(yīng)用潛力。為了滿足器件高性能的需要，致力于InN基材料的研究越來越顯得重要，但是InN 生長的特殊困難性和InGaN合金中的相分離等問題，阻礙了高質(zhì)量的InN基材料的制備。 目前，InN基材料主要是通過MOCVD或MBE方法在藍寶石或者GaN模板上制備。制備hN 材料存在兩大難題。一方面是沒有合適的襯底。由于MN單晶也是非常難獲得，所以必須靠異質(zhì)外延生長，這就很難避免較大晶格匹配的問題，常見的襯底如藍寶石，InN與藍寶石間通常有兩種對準(zhǔn)方向，一種是(面化町1010] I |c面藍寶石[1120]，此時晶格失配度高達 25%，若InN繞藍寶石(0001)方向旋轉(zhuǎn)30°后失配度可以降低到13% ；另外一種外延方式是a面^ιΝ(11-20) I |a面藍寶石(11_20)，其晶格失配則高達。其次，藍寶石襯底價格十分昂貴，使得器件生產(chǎn)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氣壓，在給定的溫度下，hN材料比GaN和AlN高好幾十倍，這意味著沉積在襯底上的任何InN很有可能馬上分解掉，留下的h金屬也隨后蒸發(fā)，所以制備出的樣品往往有很多結(jié)構(gòu)缺陷。同時InN分解溫度僅600°C，如此低的分解溫度，決定了 hN材料必須在低溫下生長；而作為氮源的NH3W分解溫度在100(TC左右，使得表面缺乏活性N原子，InN的生長受到限制，從而產(chǎn)生了矛盾， 因此采用一般的方法很難制備出^N的單晶體材料。由此可見，要使MN基器件真正實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng)用，提高效率，并降低其制造成本，最根本的辦法就是研發(fā)新型襯底上的采用新型方法來制備InN基材料。因此新型襯底上外延生長氮化銦一直是研究的熱點和難點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的之一在于提供了一種生長在 LifeO2襯底上的非極性MW^膜，具有缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好的優(yōu)點，且制備成本低廉。本發(fā)明的目的之二在于提供上述非極性InN薄膜的制備方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜，包括生長在Life^2襯底上的非極性a面 InN緩沖層及生長在非極性a面InN緩沖層上的非極性a面InN外延層；所述非極性a面 InN緩沖層是在襯底溫度為300-350°C時生長的InN層；所述非極性a面InN層是在襯底溫度為500-550°C時生長的InN層。所述非極性a面InN緩沖層的厚度為50-100nm。上述生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的制備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向采用LiGaA襯底，選擇的晶體取向為(001)晶面；(2)對襯底進行退火處理將襯底在900-1000°C下高溫烘烤3- 后空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩沖層，工藝條件為襯底溫度為 300-350°C，反應(yīng)室壓力為 4-5 X 1 (T5Pa、V/III 比為 35-50、生長速度為 0. 5-0. 7ML/s ；(5)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN外延層，工藝條件為襯底溫度升至500-550°C，反應(yīng)室壓力為3-5X 10_5pa、V/III比為30-40、生長速度為0. 7-0. 9ML/s。所述非極性a面hN緩沖層的厚度為50-100nm。步驟( 所述對襯底進行表面清潔處理，具體為將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5-10分鐘，去除LifeO2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗后的Life^2襯底用高純干燥氮氣吹干；之后將Life^2襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至850-90(TC，高溫烘烤20-30 分鐘，除去襯Life^2底表面殘余的雜質(zhì)。所述超高真空條件為壓力小于6 X 10_>a。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果(1)本發(fā)明使用LifeO2作為襯底，同時采用低溫分子束外延技術(shù)在LifeiO2(OOl)襯底上先生長一層非極性a面MN緩沖層，獲得襯底與非極性a面(11_20ΠηΝ外延層之間很低的晶格失配度，低達3. 6%，有利于沉積低缺陷的非極性a面InN外延層，極大的提高了 InN基器件效率。(2)采用采用了低溫分子束外延(MBE)生長hN材料的方法，既實現(xiàn)低溫生長InN 的條件，又避免采用NH3作為氮源，從而很好的解決了 InN材料分解溫度與反應(yīng)活性之間的矛盾。
(3)本發(fā)明非極性InN薄膜，消除了極性面InN帶來的量子束縛斯塔克效應(yīng)，提高了載流子的輻射復(fù)合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管及太陽能電池的效率。(4)使用LiGaA作為襯底，容易獲得，價格便宜，有利于降低生產(chǎn)成本。綜上所述，本發(fā)明技術(shù)生長襯底非常規(guī)，生長工藝獨特而簡單易行，具有可重復(fù)性、外延生長的a面InN薄膜缺陷密度低、晶體質(zhì)量高，電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于HEMT器件、高頻電子器件、及太陽能電池等領(lǐng)域，便于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明所制備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的截面示意圖；圖2是本發(fā)明所制備的生長在LifeO2襯底上的非極性hN薄膜的TEM電鏡圖。圖3是本發(fā)明所制備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的XRD測試圖。圖4是本發(fā)明所制備的高質(zhì)量非極性a面InN薄膜的在溫度為77K下PL譜測試圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1本實施例生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的制備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向采用LiGaA襯底，選擇的晶體取向為(001)晶面。(2)對襯底進行退火處理將襯底在900°C下高溫烘烤汕后空冷至室溫。(3)對襯底進行表面清潔處理將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗 5分鐘，去除Life^2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗后的LifeiA襯底用高純干燥氮氣吹干；之后將LifeiA襯底放入低溫分子束外延生長室，在6X l(TPa的超高真空條件下，將襯底溫度升至850°C，高溫烘烤20分鐘，除去襯 LiGaO2底表面殘余的雜質(zhì)。(4)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩沖層，工藝條件為襯底溫度為300°C，反應(yīng)室壓力為4X10_5Pa、V/III比為35、生長速度為0. 5ML/s。(5)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面hN外延層，工藝條件為襯底溫度升至500°C，反應(yīng)室壓力為3X 10_5pa、V/III比為30、生長速度為0. 7ML/s。圖1是本實施例所制備的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的截面示意圖； 包括Lifei02襯底11，非極性a面InN緩沖層12，非極性a面InN薄膜13。非極性a面InN 緩沖層12在Lifei02襯底11之上，非極性a面InN薄膜13在非極性a面InN緩沖層12。 其中，非極性a面InN緩沖層的厚度為50nm。圖2是本發(fā)明所制備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的TEM電鏡圖。表明外延襯底采用LifeO2襯底，選擇的晶體取向為(001)晶面，獲得界面清晰的非極性a面 InN薄膜。其中0. Mnm為LifeiO2襯底沿(100)的晶格常數(shù)，0. 57nm為沿(0001)方向的^iN 的晶格常數(shù)，LiGaO2襯底上生長的晶面關(guān)系是hNWOOl]//LifeiO2[100]。
圖3是本實施例所制備的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的XRD圖譜。由圖可知XRD的衍射角所對應(yīng)的a面InN和襯底LifeO2 (001)的衍射峰位置與強度，說明晶
體質(zhì)量好。圖4為本發(fā)明所制備的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的在溫度為77K下 PL譜測試圖。溫度在77K下PL譜測試得到帶間激子復(fù)合發(fā)光峰為0. 80eV，這表明，應(yīng)用本發(fā)明在Life^2 (001)襯底上生長出的非極性a面InN外延薄膜，在光學(xué)性質(zhì)上具有非常好的性能。利用本實施例制備的生長在LifeO2襯底上制備hN/AIN的場效應(yīng)晶體管(FET)器件的步驟如下先在LifeO2襯底外延生長(OOO-I)AlN層，再按照上述步驟得到的非極性a 面InN薄膜，再生長SiNx絕緣層，最后電子束蒸發(fā)形成Ti/Al源極，柵極，以及漏極。其中 AlN厚度為lOOnm，InN外延為25nm，SiNx絕緣層厚度為25nm，源極，柵極以及漏極采用為 Ti(30nm)/Al(200nm)。實施例2本實施例生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的制備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向采用LiGaA襯底，選擇的晶體取向為(001)晶面。(2)對襯底進行退火處理將襯底在1000°C下高溫烘烤證后空冷至室溫。(3)對襯底進行表面清潔處理將Life^2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗 10分鐘，去除Life^2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗后的LifeiA襯底用高純干燥氮氣吹干；之后將LifeiA襯底放入低溫分子束外延生長室，在4X 10_7Pa的超高真空條件下，將襯底溫度升至900°C，高溫烘烤30分鐘，除去襯 LiGaO2底表面殘余的雜質(zhì)。(4)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩沖層，工藝條件為襯底溫度為350°C，反應(yīng)室壓力為5X10_5Pa、V/III比為50、生長速度為0. 7ML/s。(5)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面hN外延層，工藝條件為襯底溫度升至550°C，反應(yīng)室壓力為5X 10_5pa、V/III比為40、生長速度為0. 9ML/s。本實施例所制備的生長在Life^2襯底上的非極性 N薄膜包括Life^2襯底，非極性a面InN緩沖層，非極性a面InN薄膜。非極性a面InN緩沖層在Lifei02襯底之上，非極性a面InN薄膜在非極性a面InN緩沖層。其中，非極性a面InN緩沖層的厚度為lOOnm。利用本實施例制備的生長在LifeO2襯底上制備非極性a面InN薄膜上制備的 InGaN太陽能電池器件步驟如下在上述步驟得到的非極性a面InN外延層上依次生長具有成分梯度的LxGiVxN緩沖層，η型摻硅Inx(iai_xN，InxGa1^xN多量子阱層，ρ型摻鎂的 hxGai_xN層。再經(jīng)電子束蒸發(fā)形成歐姆接觸；最后通過在隊氣氛下退火，以提高ρ型GaN 薄膜的載流子濃度和遷移率。其中，η型摻硅GaN外延層的厚度為5μπι，載流子的濃度為 IXlO19cnT3 ；Ιηχ(^_χΝ多量子阱層厚度約為300nm，周期數(shù)為20，其中Ina2Giia8N阱層厚度為 3nm, In0.08Ga0.92N壘層為IOnm ；Mg摻雜的ρ型LxGi^xN層的厚度約為200歷，載流子濃度為 2 X IO1W30上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜，其特征在于，包括生長在LifeO2襯底上的非極性a面InN緩沖層及生長在非極性a面InN緩沖層上的非極性a面InN外延層；所述非極性a面InN緩沖層是在襯底溫度為300-350°C時生長的InN層；所述非極性a面InN層是在襯底溫度為500-550°C時生長的InN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜，其特征在于，所述非極性a面InN緩沖層的厚度為50-100nm。
3.生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向采用LifeO2襯底，選擇的晶體取向為(001)晶面；(2)對襯底進行退火處理將襯底在900-1000°C下高溫烘烤3- 后空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面InN緩沖層，工藝條件為襯底溫度為 300-350°C，反應(yīng)室壓力為 4-5 X 1 (T5Pa、V/III 比為 35-50、生長速度為 0. 5-0. 7ML/s ；(5)采用低溫分子束外延工藝生長非極性a面hN外延層，工藝條件為襯底溫度升至 500-550°C，反應(yīng)室壓力為 3-5 X 1 (T5pa、V/III 比為 30-40、生長速度為 0. 7-0. 9ML/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的制備方法，其特征在于，所述非極性a面InN緩沖層的厚度為50-100nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的制備方法，其特征在于，步驟C3)所述對襯底進行表面清潔處理，具體為將LifeO2襯底放入去離子水中室溫下超聲清洗5-10分鐘，去除Life^2襯底表面粘污顆粒，再依次經(jīng)過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌， 去除表面有機物；清洗后的Life^2襯底用高純干燥氮氣吹干；之后將Life^2襯底放入低溫分子束外延生長室，在超高真空條件下，將襯底溫度升至850-90(TC，高溫烘烤20-30分鐘， 除去襯Life^2底表面殘余的雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的制備方法，其特征在于，所述超高真空條件為壓力小于6X 10_7!^。
全文摘要
本發(fā)明公開了生長在LiGaO2襯底上的非極性InN薄膜，包括生長在LiGaO2襯底上的非極性a面InN緩沖層及生長在非極性a面InN緩沖層上的非極性a面InN層；所述非極性a面InN緩沖層是在襯底溫度為300-350℃時生長的InN膜層；所述非極性a面InN層是在襯底溫度為500-550℃時生長的InN膜層。本發(fā)明還公開了上述非極性a面InN薄膜的制備方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優(yōu)點，消除了InN材料分解溫度與反應(yīng)活性之間的矛盾問題，且制備的非極性InN薄膜缺陷密度低、結(jié)晶質(zhì)量好。
文檔編號C30B25/02GK102560675SQ20121005685
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者李國強, 楊慧 申請人:華南理工大學(xué)