基於m面GaN上的極性GaN納米線材料及其製作方法

2023-04-23 16:25:56

基於m面GaN上的極性GaN納米線材料及其製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於m面GaN上的極性GaN納米線材料及其製作方法，主要解決常規極性GaN納米線生長中工藝複雜、生長溫度高、納米線長度短的問題。其生長步驟是：(1)在m面GaN襯底上蒸發一層1-20nm金屬Ti；(2)將有金屬Ti的m面GaN襯底置於MOCVD反應室中，並向反應室內通入氫氣與氨氣，將m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成TiN，並殘餘一部分未被氮化的金屬Ti；(3)向MOCVD反應室中同時通入鎵源和氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層上生長平行於襯底、方向一致的極性GaN納米線。本發明具有工藝簡單，高生長效率，方向一致的優點，可用於製作高性能極性GaN納米器件。
【專利說明】基於m面GaN上的極性GaN納米線材料及其製作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬於微電子【技術領域】，涉及半導體材料的生長方法，特別是一種m面GaN上的極性GaN納米線的金屬有機物化學氣相外延生長方法，可用於製作GaN納米結構半導體器件。
技術背景
[0002]氮化鎵以及m-v族化合物在光電子和微電子領域都取得了巨大的進步。氮化鎵具有直接帶隙寬、熱導率高、電子飽和遷移率高、發光效率高、耐高溫和抗輻射等優點，在短波長藍光一紫外光發光器件、微波器件和大功率半導體器件等方面有巨大的應用前景。氮化鎵納米材料具有自發極化和壓電極化的特徵，可以用於製作太陽能電池，探測器，傳感器，LED等器件。
[0003]為了使極化最大化，必須使得納米線沿著極性方向生長。為了得到極性GaN納米線，許多研究者採用了不同的生長方法。2006年，Stephen D等人採用光刻的方法，在c面藍寶石襯底上生長了極性GaN納米線，參見The Controlled Growth of GaN Nanowires,NANO LETTERS, V6N9P1808-18112006。但是，這種方法得到的納米結構生長速率太慢，並且增加了澱積SiN和光刻的工藝，大大增加了工藝成本。
[0004]2008年，Chaotong Lin,等人採用非催化的方法生長了極性GaN納米線，參見Catalyst-Free Growth of Well Vertically Aligned GaN Needlelike Nanowire Arraywith Low-Field Electron Emission Properties, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C,V112，pl8821 - 188242008。但是，這種方法生長的納米線長度太短，只有1.5μπι，方向一致性差，限制了 GaN納米線的器件應用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服上述已有技術的不足，提供一種基於m面GaN襯底的極性GaN納米線材料及其製作方法，以簡化工藝複雜度，增加納米線長度，提高生長效率，為製作高性能極性GaN納米器件提供材料。
[0006]實現本發明目的技術關鍵是:在非極性m面GaN上採用Ti金屬催化的方法，通過調節生長的壓力、流量、溫度，實現高速，高質量的極性c面GaN納米線，其生長步驟包括如下:
[0007]—.本發明基於m面GaN上的極性GaN納米線材料，自下而上包括m面GaN襯底層和極性GaN納米線層，該極性GaN納米線層中含有若干條平行於襯底、方向一致且長度不等的納米線，其特徵在於在m面GaN襯底層與和極性GaN納米線層之間設有l_20nm厚的TiN層。
[0008]所述m面GaN襯底層的厚度為1-1000 μ m。
[0009]所述極性GaN納米線層中的每條極性GaN納米線長度為1-100 μ m。
[0010]二.本發明基於m面GaN極性GaN納米線材料的製作方法，包括如下步驟:[0011](1)在厚度為1-1000 μ m的m面GaN襯底上蒸發一層l_20nm的Ti金屬；
[0012](2)將有Ti金屬的m面GaN襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室內通入流量均為1000sccm-10000sccm的氫氣與氨氣,對襯底基片進行氮化處理，即將m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成TiN,並殘餘一部分未被氮化的金屬Ti ；
[0013](3)向MOCVD反應室中同時通入流量為5-10(^11101/11^11的鎵源和1000-100008(3011的氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行於襯底且長度不等的極性GaN納米線，其生長的工藝條件是:溫度為600-1200°C，時間為5-60min，反應室內壓力為 20-760Torr。
[0014]所述的對襯底基片進行氮化處理，採用如下工藝條件:
[0015]溫度:600-120(TC;
[0016]時間:5_20min；
[0017]反應室壓力:20-760Torr。
[0018]本發明具有如下優點:
[0019]1.工藝步驟簡單，避免了進行掩膜和光刻等工藝步驟。
[0020]2.採用非極性m面GaN材料作為襯底，由於在m面GaN材料中極性軸c軸在面內，使得生長過程中，鎵源和氨氣分子在表面沿極性軸方向遷移時得以充分反應，有利於獲得較長的高質量極性GaN納米線結構。
[0021]3.通過氮化形成TiN層，並利用殘餘的未被氮化的Ti金屬作為催化劑生長納米線，大大提聞了生長速率。
[0022]本發明的技術方案和效果可通過以下附圖和實施例進一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明基於m面GaN的極性GaN納米線材料結構示意圖；
[0024]圖2是本發明製作基於m面GaN的極性GaN納米線材料的流程圖。
【具體實施方式】
[0025]參照圖1，本發明的材料結構自下而上依次為m面GaN襯底層1，TiN層2和極性GaN納米線層3。其中m面GaN襯底層I的厚度為1-1000 μ m, TiN層2的厚度為l_20nm，極性GaN納米線層3中的若干納米線平行於襯底、方向一致，每條納米線的長度在1-100 μ m範圍內不等。
[0026]本發明製作圖1所述材料的方法給出三種實施例:
[0027]實施例1，製備TiN層厚度為IOnm的極性GaN納米線材料。
[0028]參照圖2，本實例的實現步驟如下:
[0029]步驟I,將厚度為5 μ m的m面GaN襯底放入電子束蒸發臺E-Beam中蒸發一層IOnm的Ti金屬薄膜。
[0030]步驟2，製備TiN層。
[0031]將有Ti金屬的m面GaN襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室內通入流量為3000SCCm的氫氣和流量為3000SCCm的氨氣，在襯底加熱溫度為900°C，反應室內壓力為40Torr的條件下，持續時間為8min，使大部分金屬Ti與氨氣反應，在m面GaN襯底上形成厚度為IOnm的TiN層，並有少部分未與氨氣發生反應的金屬Ti，隨機分布在TiN層表面。
[0032]步驟3，生長極性GaN納米線。
[0033]將已形成了 TiN層的m面GaN襯底溫度保持在900°C，向反應室內同時通入流量為40ymol/min的鎵源、流量為3000sccm的氫氣和流量為3000sccm的氨氣，在反應室內壓力為40Torr的條件下，持續15min，用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從金屬Ti位置起源，生長出若干條平行於襯底、方向一致的極性GaN納米線，每條納米線的長度在1-100 μ m範圍內不等。
[0034]步驟4，待反應室溫度降至常溫後，將通過上述步驟生長的極性GaN納米線材料從MOCVD反應室中取出。
[0035]實施例2，製作TiN層厚度為Inm的極性GaN納米線材料。
[0036]參照圖2，本實例的實現步驟如下:
[0037]步驟A,將厚度為I μ m的m面GaN襯底放入電子束蒸發臺E-Beam中蒸發一層Inm的Ti金屬薄膜。
[0038]步驟B，製備TiN層。
[0039]將有Ti金屬的m面GaN襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室內通入流量為lOOOsccm氫氣和流量為lOOOsccm的氨氣，在襯底加熱溫度為600°C，反應室內壓力為20Torr的條件下，持續5min，使大部分金屬Ti與氨氣反應，在m面GaN襯底上形成厚度為Inm的TiN層，並有少部分未與氨氣發生反應的金屬Ti，隨機分布在TiN層表面。
[0040]步驟C，生長極性GaN納米線。
[0041]將已形成了 TiN層的m面GaN襯底溫度保持在600°C，向反應室內同時通入鎵源，氫氣和氨氣，用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從金屬Ti位置起源，生長出若干條平行於襯底、方向一致的極性GaN納米線，每條納米線的長度在1-100 μ m範圍內不等，其中鎵源流量為5 μ mol/min,氫氣和氨氣的流量均為lOOOsccm，反應室內壓力為20Torr，持續時間為5min。
[0042]步驟D，待反應室溫度降至常溫後，將通過上述步驟生長的極性GaN納米線材料從MOCVD反應室中取出。
[0043]實施例3，製作TiN層厚度為20nm的極性GaN納米線材料。
[0044]參照圖2，本實例的實現步驟如下:
[0045]第一步，將厚度為IOOOym的m面GaN襯底放入電子束蒸發臺E-Beam中蒸發一層20nm的Ti金屬薄膜。
[0046]第二步，製備TiN層。
[0047]將有Ti金屬的m面GaN襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室內通入氫氣和氨氣，流量均為lOOOOsccm ;在反應室內壓力為760Torr，襯底加熱溫度為1200°C的條件下，持續60min，使大部分金屬Ti與氨氣反應，在m面GaN襯底上形成厚度為20nm的TiN層，其有少部分未與氨氣發生反應的金屬Ti，隨機分布在TiN層表面。
[0048]第三步，生長極性GaN納米線。
[0049]在反應室內壓力為760Torr的條件下,將已形成了 TiN層的m面GaN襯底溫度保持在1200°C，向反應室內同時通入流量均為lOOOOsccm的氫氣和氨氣以及100 μ mol/min的鎵源，持續時間為60min，用分布在TiN層的殘留金屬Ti作為催化劑，在TiN層上，從金屬Ti位置起源，生長出大量平行於襯底、方向一致的極性GaN納米線，每條納米線的長度在1-100 μ m範圍內不等。
[0050]第四步，待反應室溫度降至常溫後，將通過上述步驟生長的極性GaN納米線材料從MOCVD反應室中取出。
[0051]上述三個實施例中，極性GaN納米線的生長受到起源處的金屬Ti液滴的大小，以及生長溫度和壓力等條件的影響，因此每條極性GaN納米線的長度無法精確控制，且每條納米線的長度只能在1-1OOym範圍內隨機產生。
【權利要求】
1.一種基於m面GaN上的極性GaN納米線材料，自下而上包括m面GaN襯底層(I)和極性GaN納米線層(3)，該極性GaN納米線層(3)中含有若干條平行於襯底、方向一致且長度不等的納米線，其特徵在於在m面GaN襯底層(I)與和極性GaN納米線層(3)之間設有l-20nm 厚的 TiN 層。
2.根據權利要求1所述的極性GaN納米線材料，其中m面GaN襯底層(I)的厚度為1-1000 μ mD
3.根據權利要求1所述的m面GaN上的極性GaN納米線材料，其中極性GaN納米線層(3)中的每條GaN納米線長度為1-100 μ m。
4.一種基於m面GaN的極性GaN納米線材料製作方法,包括如下步驟: (1)在厚度為1-1000μ m的m面GaN襯底上蒸發一層l_20nm的Ti金屬； (2)將有Ti金屬的m面GaN襯底置於金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應室中，並向反應室內通入流量均為lOOOsccm-lOOOOsccm的氫氣與氨氣,對襯底基片進行氮化處理,即將m面GaN襯底上的一部分金屬Ti氮化形成TiN,並殘餘一部分未被氮化的金屬Ti ； (3)向MOCVD反應室中同時通入流量為5-100ymol/min的鎵源和lOOO-lOOOOsccm的氨氣，利用未被氮化的金屬Ti作為催化劑在TiN層之上生長若干條平行於襯底且長度不等的極性GaN納米線，其生長的工藝條件是:溫度為600-1200°C，時間為5-60min，反應室內壓力為 20-760Torro
5.根據權利要求4所述的m面GaN上的極性GaN納米線的生長方法，其中步驟(2)所述的對襯底基片進行氮化處理，採用如下工藝條件: 溫度:600-1200°C ； 時間:5-20min ； 反應室壓力:20-760Torr。
【文檔編號】H01L21/205GK103928502SQ201410165612
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】許晟瑞, 姜騰, 郝躍, 張進成, 張春福, 林志宇, 陸小力, 倪洋 申請人:西安電子科技大學