[发明专利]基于m面GaN上的极性GaN纳米线材料及其制作方法

说明书

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GaN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作GaN纳米结构半导体器件。

技术背景

氮化镓以及Ш-V族化合物在光电子和微电子领域都取得了巨大的进步。氮化镓具有直接带隙宽、热导率高、电子饱和迁移率高、发光效率高、耐高温和抗辐射等优点，在短波长蓝光—紫外光发光器件、微波器件和大功率半导体器件等方面有巨大的应用前景。氮化镓纳米材料具有自发极化和压电极化的特征，可以用于制作太阳能电池，探测器，传感器，LED等器件。

为了使极化最大化，必须使得纳米线沿着极性方向生长。为了得到极性GaN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2006年，Stephen D等人采用光刻的方法，在c面蓝宝石衬底上生长了极性GaN纳米线，参见The Controlled Growth of GaN Nanowires，NANO LETTERS,V6N9P1808-18112006。但是，这种方法得到的纳米结构生长速率太慢，并且增加了淀积SiN和光刻的工艺，大大增加了工艺成本。

2008年，Chaotong Lin,等人采用非催化的方法生长了极性GaN纳米线，参见Catalyst-Free Growth of Well Vertically Aligned GaN Needlelike Nanowire Array with Low-Field Electron Emission Properties，JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C，V112，p18821–188242008。但是，这种方法生长的纳米线长度太短，只有1.5μm，方向一致性差，限制了GaN纳米线的器件应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于m面GaN衬底的极性GaN纳米线材料及其制作方法，以简化工艺复杂度，增加纳米线长度，提高生长效率，为制作高性能极性GaN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，高质量的极性c面GaN纳米线，其生长步骤包括如下：

一.本发明基于m面GaN上的极性GaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性GaN纳米线层，该极性GaN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衬底层与和极性GaN纳米线层之间设有1-20nm厚的TiN层。

所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000μm。

所述极性GaN纳米线层中的每条极性GaN纳米线长度为1-100μm。

二.本发明基于m面GaN极性GaN纳米线材料的制作方法，包括如下步骤：

(1)在厚度为1-1000μm的m面GaN衬底上蒸发一层1-20nm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，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的镓源和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GaN纳米线，其生长的工艺条件是：温度为600-1200℃，时间为5-60min，反应室内压力为20-760Torr。

所述的对衬底基片进行氮化处理，采用如下工艺条件：

温度：600-1200℃；

时间：5-20min；

反应室压力：20-760Torr。

本发明具有如下优点：

1.工艺步骤简单，避免了进行掩膜和光刻等工艺步骤。

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，镓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GaN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GaN纳米线材料结构示意图；