一种非极性面INN材料的生长方法.pdf

一种非极性面InN材料的生长方法，利用金属有机物化学汽相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiAlO2(100)衬底上合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指InxGa1-xN材料中In组分x大于0.3。本发明利用MOCVD生长系统，采用LiAlO2(100)材料作为衬底、对LiAlO2(100)衬底进行处理以及利用低温缓冲层，合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，通过选择合适的衬底，在MOCVD系统下，选择适当的生长的技术条件，并利用缓冲层的设计，生产得到非极性面InN材料。

1、  一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是利用金属有机物化学汽相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指In_xGa_1-xN材料中In组分x大于0.3。

2、  根据权利要求1所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是在MOCVD系统中，先对生长的LiAlO₂(100)衬底在500-1050℃温度下进行衬底材料热处理或通入氨气进行表面氮化，再在500-1050℃温度范围下通入载气N₂，氨气以及金属有机源，在LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面的InN薄膜材料以及高In组分m面InGaN材料。

3、  根据权利要求2所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是对生长的LiAlO₂(100)衬底进行衬底材料热处理为：使用氢气或氮气，在500-800℃温度下进行衬底材料的10s到300s的热处理。

4、  根据权利要求2或3所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO₂(100)衬底，在450-600℃温度范围，通入载气N₂，氨气以及金属有机In源，生长一层低温InN缓冲层；再在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长m面InN材料，生长m面InN材料的条件为温度范围500-700℃，生长压力0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。

5、  根据权利要求4所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是低温InN缓冲层厚度5-100nm。

6、  根据权利要求2或3所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO₂(100)衬底，在450-600℃温度范围，通入载气N₂，氨气以及金属有机Ga源和金属有机In源，生长低温GaN缓冲层和或低温InN缓冲层；再在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长高In组分m面InGaN材料，生长m面InGaN材料的条件为温度范围500-700℃，生长压力0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。

7、  根据权利要求6所述的一种非极性面InN材料的生长方法，其特征是所述低温GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度5-100nm。

一种非极性面InN材料的生长方法
技术领域
本发明涉及一种新型的合成生长InN材料的方法，尤其是利用金属有机物化学汽相外延MOCVD技术在LiAlO₂(100)衬底生长InN材料的方法，为一种非极性面InN材料的生长方法。
背景技术
III族氮化物半导体材料GaN，AlN和InN是性能优越的新型半导体材料。在光电子器件方面已有重要的应用，在光电集成，超高速微电子器件和超高频微波器件及电路上也有着十分广阔的应用前景。由于材料生长的困难，III族氮化物材料在相当长的时间内未能得到足够的重视，直到1991年前后，因GaN系列的高亮度LED研制成功，才使沉寂多年的III族氮化物半导体材料生长和器件应用研究又掀起了新的热潮。经过这么多年的研究和发展，GaN和AlN的生长技术研究，特性研究以及器件应用研究都已取得长足的发展。但是因为InN具有低的离解温度(≥600℃分解)要求低温生长，而作为氮源的NH₃的分解温度较高，要求1000℃左右，这是InN生长的一对矛盾。其次，对于InN材料生长又缺少与之匹配的衬底材料。这就使得高质量InN材料生长特别困难。因此InN材料的研究几乎没有取得什么进展。我们对InN材料的性质知之甚少。
最近几年，由于科学技术的进步和发展，InN材料生长技术也越来越成熟。生长的InN材料中杂质也越来越少。特别是2002年对InN材料本征能隙认识的新的突破，对于纯度更纯的InN材料，其能隙是0.6ev-0.7ev而不是人们一直认为的是1.9ev。这使得InN材料在微电子和光电子领域中的应用将有更好的表现。同时在国际上也因此掀起了一股InN材料的研究热潮。
理论研究表明，InN材料在III族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度，以及具有最小的有效电子质量。同时其电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速，高频晶体管材料。由于InN材料是直接带隙材料，其带隙值的最新研究结果表明为0.6ev-0.7ev，这使得In_1-xGa_xN三元合金材料的能隙范围能够随合金中In组分x的变化从InN能隙的0.7ev到GaN能隙的3.4ev自由调节。它提供了对应于太阳能光谱几乎完美的对应匹配能隙。这为设计新型高效太阳能电池提供了极大的可能。理论上，基于InN材料的太阳能电池的光电转换效率有可能接近太阳能电池的理论极限光电转换效率72％。因为本征带隙的减小，使得InN的发光波长达到了1.55um，这样人们就可以用III族氮化物半导体材料通过生长组分连续调整变化覆盖从紫外光到红外光范围，并一直延伸到长波长通讯波段，使得光通讯器件制备可选用材料得到更大的丰富。同时InN以其独特的优良特性有可能为光通讯器件的发展带来新的突破。
目前大部分GaN基材料是沿着[0001]c轴方向生长的纤锌矿结构。而沿着[0001]方向外延生长会产生自发极化和压电极化，导致量子限制斯塔克效应，由其产生的内建电场削弱了量子阱内电子空穴波函数在实空间的重叠几率，降低了器件的量子效率；也使光电子器件的跃迁发射能量发生红移。为了克服这些缺点，(1100)m面和(1102)a面的GaN引起了人们很大的兴趣。m面和a面GaN可以使用MOCVD，MBE，HVPE在c面LiAlO₂或r面宝石衬底等上生长。
衬底材料对于异质外延GaN的晶体质量影响很大，对器件的性能和可靠性产生重要的影响。缺乏与GaN品格匹配而且热兼容的合适的衬底材料是影响GaN器件成熟的主要困难之一。目前最为广泛使用的c面蓝宝石(c-plane-Al₂O₃)衬底与GaN的晶格失配率高达13.6％。虽然通过缓冲层可改善外延膜和衬底的匹配，但这种严重的晶格失配仍会导致外延膜中高密度缺陷的产生，使器件的寿命和性能大大下降。虽然在GaN衬底上进行同质外延前景诱人，但生长出大尺寸GaN单晶体尚需时日，寻找其它理想的衬底材料也是解决问题的有效途径之一。LiAlO₂和GaN匹配非常好，它和GaN的晶格失配率分别只有1.4％，是很有发展前景的生长GaN的衬底材料。用c面LiAlO₂做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长m面GaN的工作已有很多文献报道，而关于生长非极性面InN材料几乎没有报导。
发明内容
本发明目的是：提供一种利用金属有机物化学汽相外延MOCVD外延生长系统，采用LiAlO₂(100)衬底技术生长m面InN薄膜材料以及高In组分m面InGaN材料的生长方法。
本发明的技术方案为：一种非极性面InN材料的生长方法，利用金属有机物化学汽相外延MOCVD生长系统，在铝酸锂LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指In_xGa_1-xN材料中In组分x大于0.3。
在MOCVD系统中，先对生长的LiAlO₂(100)衬底在500-1050℃温度下进行衬底材料热处理或通入氨气进行表面氮化，再在500-1050℃温度范围下通入载气N₂，氨气以及金属有机源，在LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面的InN薄膜材料以及高In组分m面InGaN材料。
对生长的LiAlO₂(100)衬底进行衬底材料热处理为：使用氢气或氮气，在500-800℃温度下进行衬底材料的10s到300s的热处理。
经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO₂(100)衬底，在450-600℃温度范围，通入载气N₂，氨气以及金属有机In源，生长一层低温InN缓冲层，在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长m面InN材料，生长m面InN材料的条件为温度范围500-700℃，生长压力0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。低温InN缓冲层厚度5-100nm。
经过衬底材料热处理或表面氮化的LiAlO₂(100)衬底，在450-600℃温度范围，通入载气N₂，氨气以及金属有机Ga源和金属有机In源，生长低温GaN缓冲层和或低温InN缓冲层，在缓冲层上或直接在经过处理的衬底上生长高In组分m面InGaN材料，生长m面InGaN材料的条件为温度范围500-700℃，生长压力0-700Torr，生长时五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。所述低温GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度5-100nm。
本发明生长低温缓冲层，可以起到先成核的作用，利于成核生长成单晶体材料，生产InGaN材料时，In的组分由Ga源和In源的通入量控制五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000，流量比一定就可以了。
本发明利用LiAlO₂(100)材料作为衬底、对LiAlO₂(100)衬底的处理以及生成低温GaN、低温InN缓冲层以利于成核生长成单晶体材料是本发明的关键。
本发明利用MOCVD生长系统，采用LiAlO₂(100)材料作为衬底、对LiAlO₂(100)衬底进行处理以及利用缓冲层，合成生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，通过选择合适的衬底，在MOCVD系统下，选择适当的生长的技术条件，并利用缓冲层的设计，生产得到非极性面InN材料。
附图说明
图1为本发明生长的m面InN材料的高分辨X射线衍射ω-2θ扫描谱XRD。
图2为本发明生长的m面InN材料在方位角0°和90°的X射线摇摆曲线。
图3为本发明生长的m面InN材料表面的原子力显微镜照片，(a)(b)分别为不同的样品。
具体实施方式
本发明利用金属有机物化学汽相外延MOCVD外延生长系统，采用LiAlO₂(100)衬底生长m面InN材料以及高In组分m面InGaN材料，所述m面是非极性面的一种，高In组分指In_xGa_1-xN材料中In组分x大于0.3。具体包括以下几步：
采用LiAlO₂(100)衬底，先使用氢气或氮气，在500-800℃温度下对衬底材料进行10s到300s的热处理，或者通入氨气进行表面氮化，再在500-1050℃的温度范围通入载气N₂，氨气以及金属有机源。
在经过上述LiAlO₂(100)衬底材料表面处理后，在氮气或氢气做载气下，通入氨气和金属有机源，如三甲基铟，在450-600℃的低温下进行10s-300s的低温InN缓冲层的生长。生长时生长压力在0-700Torr，生长时通过载气流量控制五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000。生长m面InN材料时，只通入金属有机In源，如需生长高In组分m面InGaN材料，则金属有机源采包括In源和Ga源，如三甲基铟和三甲基鎵，生成低温InN缓冲层和低温GaN缓冲层。所述低温GaN缓冲层、低温InN缓冲层厚度5-100nm。
在以上工艺进行后，继续在氮气或氢气做载气下通入氨气和金属有机源，升高温度到500-650℃，开始生长m面InN材料或高In组分m面InGaN材料，生长时间根据生长材料的厚度要求控制。同样，生长时生长压力在0-700Torr，生长时通过载气流量控制五族元素和三族元素的摩尔比为500-30000。
图1为本发明生长的m面InN材料的高分辨X射线衍射ω-2θ扫描谱XRD。从图中可以看出，在合成生长的InN材料，除了衬底的LAO(200)、LAO(400)、m面InN(100)以及m面InN(400)特征峰外并没有其它峰出现，表明了所生长的InN材料是m面取向的。LAO指铝酸锂。
图2是本发明生长的InN材料的X射线摇摆曲线，可以看出样品在0°和90°具有不同的半峰宽，说明m面InN也具有面内各向异性。
图3为为本发明生长的m面InN材料表面的原子力显微镜照片，(a)(b)分别为不同的样品。从图中可以看出，所生长的m面InN材料的表面均较为平整，表面粗糙度(RMS)为27nm，InN晶体以准二维模式生长，表面晶粒尺寸较小，并且在[0001]面内方向呈现结构各项异性，这和图2以及阴极荧光研究的结果一致。
本发明利用MOCVD生长技术在LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面InN材料。用c面LiAlO₂(LAO)做衬底材料，采用MBE，HVPE等技术合成生长m面GaN的工作已有很多文献报道，而利用MOCVD生长技术在LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面InN材料，包括类似的技术方案都尚未见报道。本发明首次利用MOCVD生长技术在LiAlO₂(100)衬底上合成生长m面InN薄膜材料，在技术上属于首次。
金属有机物化学汽相外延MOCVD技术的生长方法是一种常用的材料生长方法，但如何选择衬底，如何得到高结晶高质量的InN材料仍然值得研究，包括生长的技术条件，缓冲层的设计等等均是生产中需要解决的问题。本发明在材料上是一种发明，在生长方法上是一种改进，在用途上有着进一步的拓展。