[发明专利]生长在LiGaO2衬底上的非极性InN薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及非极性InN薄膜，特别涉及生长在LiGaO₂衬底上的非极性InN薄膜及其制备方法。

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。

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0.6～0.7eV，这使得In_xGa_1-xN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0.7eV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辐射，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]||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℃，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1000℃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。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供了一种生长在LiGaO₂衬底上的非极性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。本发明的目的之二在于提供上述非极性InN薄膜的制备方法。

本发明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℃时生长的InN层；所述非极性a面InN层是在衬底温度为500-550℃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：