[發明專利]生長在LiGaO2襯底上的非極性InN薄膜及其制備方法

無效

• 申請號: 201210056851.9
• 申請日: 2012-03-06
• 公開（公告）號: CN102560675A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李國強;楊慧
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C30B29/38
• 分類號: C30B29/38;C30B25/18;C30B25/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及非極性InN薄膜，特別涉及生長在LiGaO₂襯底上的非極性InN薄膜及其制備方法。

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、高頻晶體管材料，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，適合于具有很高輻射或化學腐蝕很強的環境。所以InN在高頻電子器件方面是一種非常有前景的材料。

其次，由于InN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In_xGa_1-xN三元合金材料的能隙范圍能夠隨合金中Ga組分x的變化從InN能隙的0.7eV到GaN能隙的3.4eV自由調節，對應波長從1771nm到365nm。它提供了對應于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。由于InN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，從而消除了硅基太陽電池天然存在的復合障礙，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，由于InN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，致力于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基材料的制備。目前，InN基材料主要是通過MOCVD或MBE方法在藍寶石或者GaN模板上制備。制備InN材料存在兩大難題。一方面是沒有合適的襯底。由于InN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c面InN[1010]||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°后失配度可以降低到13％；另外一種外延方式是a面InN(11-20)||a面藍寶石(11-20)，其晶格失配則高達28％。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，InN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In金屬也隨后蒸發，所以制備出的樣品往往有很多結構缺陷。同時InN分解溫度僅600℃，如此低的分解溫度，決定了InN材料必須在低溫下生長；而作為氮源的NH₃的分解溫度在1000℃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，因此采用一般的方法很難制備出InN的單晶體材料。

由此可見，要使InN基器件真正實現大規模廣泛應用，提高效率，并降低其制造成本，最根本的辦法就是研發新型襯底上的采用新型方法來制備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于提供了一種生長在LiGaO₂襯底上的非極性InN薄膜，具有缺陷密度低、結晶質量好的優點，且制備成本低廉。本發明的目的之二在于提供上述非極性InN薄膜的制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

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緩沖層及生長在非極性a面InN緩沖層上的非極性a面InN外延層；所述非極性a面InN緩沖層是在襯底溫度為300-350℃時生長的InN層；所述非極性a面InN層是在襯底溫度為500-550℃時生長的InN層。

所述非極性a面InN緩沖層的厚度為50-100nm。

上述生長在LiGaO₂襯底上的非極性InN薄膜的制備方法，包括以下步驟：