[发明专利]基于m面GaN上的极性InGaN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InGaN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作InGaN纳米结构半导体器件。

技术背景

InGaN合金由于在室温下根据其组分变化其禁带宽度为0.7-3.4eV，几乎完整覆盖了整个太阳光谱,，具有发光效率高的特点，通常作为LED、LD等光电器件的有源层，不仅是制作高效光电器件的理想材料之一，也是制作高性能太阳能电池的理想材料，因此受到广泛的关注。随着分子束外延MBE和金属有机物化学气相外延MOCVD技术的不断发展，促进了III族氮化物半导体材料向低维结构发展。III族氮化物纳米材料具有自发极化和压电极化的特征，在制作太阳能电池，探测器，传感器，LED等器件等领域有很广阔的应用前景。

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InGaN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2013年H.C.Kuo等人采用MOCVD方法成功制备了InGaN纳米线，参见Kuo H C，Su Oh T，Ku P C.MOCVD growth of vertically aligned InGaN nanowires[J].Journal of Crystal Growth，2013，370:311-313。这种方法制备的InGaN纳米线垂直于沉底，方向一致性好，但由于纳米线长度较短，粗细不均匀，并且是非极性材料，无法利用极化特性，不适合做发光器件和压力传感器。

2007年X.M.Cai等人采用化学气相沉积CVD方法利用金属催化剂制备了InGaN纳米线，参见Cai X M，Ye F，Jing S Y，et al.CVD growth of InGaN nanowires[J].Journal of Alloys and Compounds，2009，467(1):472-476.这种方法虽然制备成本较低，但由于其生长时间长，生长速率低，方向一致性差，限制了InGaN纳米线的器件应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于m面GaN衬底的极性InGaN纳米线材料及其制作方法，以缩短生长时间，提高生长效率，增加方向一致性，为制作高性能极性InGaN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，平行于衬底且方向一致性很好的In组分可变的极性InGaN纳米线，其技术方案如下：

一.本发明基于m面GaN上的极性InGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性InGaN纳米线层，其特征在于：m面GaN衬底层的上面设有2-15nm厚的TiN层，极性InGaN纳米线层位于TiN层的上面，该极性InGaN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且每根长度在10-100μm范围随机产生的极性InGaN纳米线。

所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000μm。

二.本发明基于m面GaN极性InGaN纳米线材料的制作方法，包括如下步骤：

(1)将厚度为1-1000μm的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中,在真空度为1.8×10^-3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层2-15nm的Ti金属薄膜；

(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，在温度为600-1200℃，时间为5-20min，反应室压力为20-760Torr的工艺条件下，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成2-15nm厚的TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti；

(3)向MOCVD反应室中同时通入铟源、镓源和氨气，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为10-100μm不等的极性InGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件随机产生。

所述的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为10-100μm不等的极性InGaN纳米线，其工艺条件是：

反应室内压力：20-760Torr；

温度：400-900℃；

铟源流量：5-100μmol/min；

镓源流量：5-100μmol/min；

氨气流量：1000-10000sccm；