[发明专利]生长在铜箔衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法

说明书

本发明属于氮化物半导体器件技术领域，公开了生长在铜箔衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法。生长在铜箔衬底上的InN纳米柱外延片由下至上依次包括铜箔衬底、In‑Cu合金化金属层和InN纳米柱层。方法为(1)预处理；(2)采用分子束外延生长工艺，在铜箔衬底上沉积In，退火，得到In‑Cu合金化金属；(3)采用分子束外延生长工艺，衬底温度控制在400～700℃，在反应室的压力为4.0～10.0×10^‑5Torr，V/III束流比值为20～40条件下，生长InN纳米柱。本发明的纳米柱直径均一，晶体质量高，减少了InN纳米柱外延层的缺陷密度，提高了载流子的辐射复合效率，提高氮化物器件发光效率。

技术领域

本发明属于氮化物半导体器件技术领域，涉及InN纳米柱外延片及制备方法，特别涉及生长在铜箔衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法。

背景技术

III-V族氮化物由于稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点，广泛应用于发光二极管(LED)、激光器和光电子器件等方面。在III-V族氮化物中，氮化铟(InN)由于其自身独特的优势而越来越受到研究者的关注。在III族氮化物半导体中，InN具有最小的有效电子质量、最高的载流子迁移率和最高饱和渡越速度，对于发展高速电子器件极为有利。不仅如此，InN具有最小的直接带隙，其禁带宽度约为0.7eV，这就使得氮化物基发光二极管的发光范围从紫外(6.2eV)拓宽至近红外区域(0.7eV)，在红外激光器、全光谱显示及高转换效率太阳电池等方面展示了极大的应用前景。与其他III-V族氮化物半导体材料相比，InN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。

目前，III-V族氮化物半导体器件主要是基于蓝宝石衬底上外延生长和制备。然而，蓝宝石由于热导率低(45W/m·K)，以蓝宝石为衬底的大功率氮化物半导体器件产生的热量无法有效释放，导致热量不断累计使温度上升，加速氮化物半导体器件的劣化，存在器件性能差、寿命短等缺点。相比之下，Si的热导率(150W/m·K)比蓝宝石高，且成本较低。有研究者采用在Si衬底上制备高性能、低成本的氮化物半导体器件。然而，生长直径均一、有序性高的InN纳米柱是制备高性能氮化物半导体光电器件的先提条件。由于Si与InN之间的晶格失配和热失配大；同时，在生长初期，衬底表面的In和N原子分布比例的差异，导致生长的InN纳米柱会有高度、径长不均匀、有序性差等情况。并且，采用Si衬底外延生长的InN纳米柱进行制备氮化物发光器件时，由于Si衬底会吸光，导致所制备的器件出光效率低，因此在制备器件时需要去除Si衬底，大大增加了器件制备工艺复杂性。

因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速将氮化物半导体器件工作时产生的热量传递出来的材料作为衬底。而铜箔作为外延InN纳米柱的衬底材料，具有三大独特的优势。第一，铜箔具有很高的热导率383W/m·K，可以将氮化物半导体器件的工作时产生的热量及时传导，降低器件工作结区温度，有助于解决器件散热问题。第二，铜箔可以作为垂直结构的氮化物半导体器件的电极，使得电流几乎全部流过外延层，电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，大大提升了氮化物半导体器件的性能。第三，铜箔衬底相对比单晶衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。

与在单晶衬底上进行纳米柱的外延生长不同，采用铜箔作为外延生长纳米柱的衬底材料，由于衬底表面的原子为无序排列，采用常规的生长方法，纳米柱无法在衬底表面形核和生长，导致无法外延生长出直径均一、有序性高、直立生长的纳米柱。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在铜箔衬底上的InN纳米柱外延片，通过生长初期金属In与Cu在衬底表面形成的微合金相，含有微合金相的铜箔衬底表面受到高活性氮等离子体的轰击作用，在铜箔表面形成InN纳米柱的形核位点，解决了铜箔衬底上无法采用外延生长方法获得直立、直径均一InN纳米柱的的技术难题，同时可以大大减少了InN纳米柱外延层的缺陷密度，有利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、发光二极管的发光效率。