生長在LiGaO₂襯底上的非極性InN薄膜及其製備方法

2024-02-16 20:31:15 1

專利名稱：生長在LiGaO2襯底上的非極性InN薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明涉及非極性InN薄膜，特別涉及生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜及其製備方法。
背景技術：
III族氮化物半導體材料GaN，AlN和InN是性能優越的新型半導體材料，在光電子器件方面已有重要的應用，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用前景。InN材料在III族氮化物半導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量。因此InN材料是理想的高速、高頻電晶體材料，在未來高速高頻微波電子器件領域中應用的巨大潛力。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)基器件產生的有毒氣，適合於具有很高輻射或化學腐蝕很強的環境。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，由於hN材料是直接帶隙材料，最新研究結果表明其帶隙值為0. 6 0. 7eV, 這使得InxGai_xN三元合金材料的能隙範圍能夠隨合金中( 組分χ的變化從LN能隙的 0. 7eV到GaN能隙的3. 4eV自由調節，對應波長從1771nm到365nm。它提供了對應於太陽能光譜幾乎完美的對應匹配能隙，這為設計新型高效太陽能電池提供了極大的可能。由於 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，從而消除了矽基太陽電池天然存在的複合障礙，這些特點使其特別適合作為空間應用的高效率多結太陽能電池材料。同時，由於^^具有特別的帶隙特性以及其他的優越性能，使其在LED，LD以及特殊探測器等方面也有巨大的應用潛力。為了滿足器件高性能的需要，致力於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，阻礙了高質量的InN基材料的製備。 目前，InN基材料主要是通過MOCVD或MBE方法在藍寶石或者GaN模板上製備。製備hN 材料存在兩大難題。一方面是沒有合適的襯底。由於MN單晶也是非常難獲得，所以必須靠異質外延生長，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30°後失配度可以降低到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金屬也隨後蒸發，所以製備出的樣品往往有很多結構缺陷。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，從而產生了矛盾， 因此採用一般的方法很難製備出^N的單晶體材料。由此可見，要使MN基器件真正實現大規模廣泛應用，提高效率，並降低其製造成本，最根本的辦法就是研發新型襯底上的採用新型方法來製備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。

發明內容
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的之一在於提供了一種生長在 LifeO2襯底上的非極性MW^膜，具有缺陷密度低、結晶質量好的優點，且製備成本低廉。本發明的目的之二在於提供上述非極性InN薄膜的製備方法。本發明的目的通過以下技術方案實現生長在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緩衝層及生長在非極性a面InN緩衝層上的非極性a面InN外延層；所述非極性a面 InN緩衝層是在襯底溫度為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緩衝層的厚度為50-100nm。上述生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用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- 後空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 300-350°C，反應室壓力為 4-5 X 1 (T5Pa、V/III 比為 35-50、生長速度為 0. 5-0. 7ML/s ；(5)採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緩衝層的厚度為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襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將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底表面殘餘的雜質。所述超高真空條件為壓力小於6 X 10_>a。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果(1)本發明使用LifeO2作為襯底，同時採用低溫分子束外延技術在LifeiO2(OOl)襯底上先生長一層非極性a面MN緩衝層，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%，有利於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)採用採用了低溫分子束外延(MBE)生長hN材料的方法，既實現低溫生長InN 的條件，又避免採用NH3作為氮源，從而很好的解決了 InN材料分解溫度與反應活性之間的矛盾。
(3)本發明非極性InN薄膜，消除了極性面InN帶來的量子束縛斯塔克效應，提高了載流子的輻射複合效率，可大幅度提高氮化物器件如半導體雷射器、發光二極體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，有利於降低生產成本。綜上所述，本發明技術生長襯底非常規，生長工藝獨特而簡單易行，具有可重複性、外延生長的a面InN薄膜缺陷密度低、晶體質量高，電學和光學性質優異等優點，可廣泛應用於HEMT器件、高頻電子器件、及太陽能電池等領域，便於推廣應用。


圖1是本發明所製備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的截面示意圖；圖2是本發明所製備的生長在LifeO2襯底上的非極性hN薄膜的TEM電鏡圖。圖3是本發明所製備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的XRD測試圖。圖4是本發明所製備的高質量非極性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合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。實施例1本實施例生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用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下高溫烘烤汕後空冷至室溫。(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襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗後的LifeiA襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將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底表面殘餘的雜質。(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為300°C，反應室壓力為4X10_5Pa、V/III比為35、生長速度為0. 5ML/s。(5)採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是本實施例所製備的生長在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緩衝層12，非極性a面InN薄膜13。非極性a面InN 緩衝層12在Lifei02襯底11之上，非極性a面InN薄膜13在非極性a面InN緩衝層12。 其中，非極性a面InN緩衝層的厚度為50nm。圖2是本發明所製備的生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的TEM電鏡圖。表明外延襯底採用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，0. 57nm為沿(0001)方向的^iN 的晶格常數，LiGaO2襯底上生長的晶面關係是hNWOOl]//LifeiO2[100]。
圖3是本實施例所製備的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜的XRD圖譜。由圖可知XRD的衍射角所對應的a面InN和襯底LifeO2 (001)的衍射峰位置與強度，說明晶
體質量好。圖4為本發明所製備的生長在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複合發光峰為0. 80eV，這表明，應用本發明在Life^2 (001)襯底上生長出的非極性a面InN外延薄膜，在光學性質上具有非常好的性能。利用本實施例製備的生長在LifeO2襯底上製備hN/AIN的場效應電晶體(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，最後電子束蒸發形成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，柵極以及漏極採用為 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薄膜的製備方法，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用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下高溫烘烤證後空冷至室溫。(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襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機物；清洗後的LifeiA襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將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底表面殘餘的雜質。(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性a面MN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為350°C，反應室壓力為5X10_5Pa、V/III比為50、生長速度為0. 7ML/s。(5)採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。本實施例所製備的生長在Life^2襯底上的非極性 N薄膜包括Life^2襯底，非極性a面InN緩衝層，非極性a面InN薄膜。非極性a面InN緩衝層在Lifei02襯底之上，非極性a面InN薄膜在非極性a面InN緩衝層。其中，非極性a面InN緩衝層的厚度為lOOnm。利用本實施例製備的生長在LifeO2襯底上製備非極性a面InN薄膜上製備的 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緩衝層，η型摻矽Inx(iai_xN，InxGa1^xN多量子阱層，ρ型摻鎂的 hxGai_xN層。再經電子束蒸發形成歐姆接觸；最後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型摻矽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上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜，其特徵在於，包括生長在LifeO2襯底上的非極性a面InN緩衝層及生長在非極性a面InN緩衝層上的非極性a面InN外延層；所述非極性a面InN緩衝層是在襯底溫度為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.根據權利要求1所述的生長在Life^2襯底上的非極性InN薄膜，其特徵在於，所述非極性a面InN緩衝層的厚度為50-100nm。
3.生長在LifeO2襯底上的非極性InN薄膜的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)選取襯底以及晶體取向採用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- 後空冷至室溫；(3)對襯底進行表面清潔處理；(4)採用低溫分子束外延工藝生長非極性a面InN緩衝層，工藝條件為襯底溫度為 300-350°C，反應室壓力為 4-5 X 1 (T5Pa、V/III 比為 35-50、生長速度為 0. 5-0. 7ML/s ；(5)採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.根據權利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的製備方法，其特徵在於，所述非極性a面InN緩衝層的厚度為50-100nm。
5.根據權利要求3所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的製備方法，其特徵在於，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襯底表面粘汙顆粒，再依次經過鹽酸、丙酮、乙醇洗滌， 去除表面有機物；清洗後的Life^2襯底用高純乾燥氮氣吹乾；之後將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底表面殘餘的雜質。
6.根據權利要求5所述的生長在Life^2襯底上的非極性^N薄膜的製備方法，其特徵在於，所述超高真空條件為壓力小於6X 10_7!^。
全文摘要
本發明公開了生長在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緩衝層及生長在非極性a面InN緩衝層上的非極性a面InN層；所述非極性a面InN緩衝層是在襯底溫度為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。本發明還公開了上述非極性a面InN薄膜的製備方法。與現有技術相比，本發明具有生長工藝簡單，製備成本低廉的優點，消除了InN材料分解溫度與反應活性之間的矛盾問題，且製備的非極性InN薄膜缺陷密度低、結晶質量好。
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 優先權日2012年3月6日
發明者李國強, 楊慧 申請人:華南理工大學