基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料及其制作方法，主要解决常规极性AlGaN纳米线制备成本高，生长效率低的问题。其生长步骤是：(1)在m面GaN衬底上蒸发一层5-20nm金属Ti；(2)将有金属Ti的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，并向反应室内通入氢气与氨气，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti；(3)向MOCVD反应室中同时通入铝源、镓源和氨气，利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层上生长平行于衬底、方向一致的极性AlGaN纳米线。本发明专利技术具有制备成本低，生长速率快的优点，可用于制作高性能极性AlGaN纳米器件。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，主要解决常规极性AlGaN纳米线制备成本高，生长效率低的问题。其生长步骤是：(1)在m面GaN衬底上蒸发一层5-20nm金属Ti；(2)将有金属Ti的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，并向反应室内通入氢气与氨气，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti；(3)向MOCVD反应室中同时通入铝源、镓源和氨气，利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层上生长平行于衬底、方向一致的极性AlGaN纳米线。本专利技术具有制备成本低，生长速率快的优点，可用于制作高性能极性AlGaN纳米器件。【专利说明】基于m面GaN上的极性AIGaN纳米线材料及其制作方法
本专利技术属于微电子
，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种m面GaN上的极性AlGaN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作AlGaN纳米结构半导体器件。技术背景宽带隙半导体AlGaN合金材料，根据其组分变化，室温下的禁带宽度为3.4-6.2eV。由于AlGaN材料优越的物理化学稳定性使其可以在苛刻的条件下工作，在光电子器件领域有着重要的应用价值，因此受到广泛的关注。随着分子束外延MBE和金属有机物化学气相外延MOCVD等技术的不断发展，促进了 III族氮化物半导体材料向低维结构发展。III族氮化物纳米材料具有自发极化和压电极化的特征，在制作紫外LED器件，传感器，航空航天器件等领域也有很广阔的应用前景。为了使极化最大化，必须使得纳米线沿着极性方向生长。为了得到极性AlGaN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2006年，LHong等人采用化学气相沉积CVD方法利用金属催化剂制备了极性AlGaN纳米线，参见Hong L1Liu Z, Zhang X T, etal.Self-catalytic growth of single-phase AlGaN alloy nanowires by chemicalvapor deposition .Applied physics letters, 2006，89 (19): 193105。这种方法虽然制备成本较低，但制备出的纳米线方向一致性差，限制了 AlGaN纳米线的器件应用。2006年K.A.Bertness等人采用MBE方法成功制备了 AlGaN纳米线，参见BertnessK A, Roshko A, Sanford N A, et al.Spontaneously grown GaN and AlGaN nanowires.Journal of crystal growth, 2006，287(2):522_527。这种方法制备的AlGaN纳米线垂直于沉底，方向一致性好，但该方法成本高，工艺复杂，且获得的纳米线长度较短，生长速率低，因此不适合工业大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于m面GaN衬底的极性AlGaN纳米线材料及其制作方法，以降低制备成本，提高生长效率，增加纳米线长度，为制作高性能极性AlGaN纳米器件提供材料。实现本专利技术目的技术关键是:在非极性m面GaN上采用Ti金属催化的方法，通过调节生长的压力、流量、温度，实现高速，高质量生长较长的、平行于衬底且方向一致性很好的极性AlGaN纳米线，其技术方案如下:一.本专利技术基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性AlGaN纳米线层，该极性AlGaN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度在20-100 μ m范围内随机产生的极性AlGaN纳米线。在m面GaN衬底层的上面设有5-20nm厚的TiN层，极性AlGaN纳米线层位于该TiN层的上面。所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000 μ m。二.本专利技术基于m面GaN的极性AlGaN纳米线材料制作方法，包括如下步骤:(I)在厚度为1-1000 μ m的m面GaN衬底上蒸发一层5_20nm的Ti金属；(2)将有Ti金属的m面GaN衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，在温度为600-1200°C，时间为5-20min，反应室压力为20_760Torr的工艺条件下，向反应室内同时通入流量均为1000sccm-10000sccm的氢气和氨气,使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成5-20nm厚的TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti ；(3)向MOCVD反应室中同时通入招源、镓源、氨气和氢气,利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为20-100 μ m不等的极性AlGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件随机产生。所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为20-100 μ m不等的极性AlGaN纳米线，其工艺条件是:生长温度:800-140(TC；反应室内压力:2O-76OTorr ；招源流量:5-100μ mol/min ；镓源流量:5-100μ mol/min ;氢气流量:lOOO-lOOOOsccm;氢气流量:lOOO-lOOOOsccm;生长时间:5_60min。所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为20-100 μ m不等的极性AlGaN纳米线，其Al组分由通入的铝源和镓源的流量比值确定，其取值为0.1-0.9。本专利技术具有如下优点:1.采用MOCVD方法制备极性AlGaN纳米线，工艺成本低。2.采用非极性m面GaN材料作为衬底，由于在m面GaN材料中极性轴c轴在面内，使得生长过程中，铝源、镓源和氨气分子在表面沿极性轴方向迁移时得以充分反应，有利于获得较长的高质量极性AlGaN纳米线结构。3.通过氮化形成TiN层，并利用残余的未被氮化的Ti金属作为催化剂生长纳米线，大大提闻了生长速率。本专利技术的技术方案和效果可通过以下附图和实施例进一步说明。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术基于m面GaN的极性AlGaN纳米线材料结构示意图；图2是本专利技术制作基于m面GaN的极性AlGaN纳米线材料的流程图。【具体实施方式】参照图1，本专利技术的材料结构自下而上依次为m面GaN衬底层1，TiN层2和极性AlGaN纳米线层3。其中m面GaN衬底层I的厚度为1-1000 μ m, TiN层2的厚度为5_20nm，极性AlGaN纳米线层3中的若干条纳米线平行于衬底、方向一致，每条纳米线的长度在20-100 μ m范围内不等。参照图2，本专利技术制作图1所述材料的方法给出三种实施例:实施例1，制备TiN层厚度为IOnm的极性AlGaN纳米线材料。步骤I，将厚度为5 μ m的m面GaN衬底放入电子束蒸发台E-Beam中，在真空度为1.8 X KT3Pa的条件下，以0.2nm/s的速度蒸发一层IOnm的Ti金属薄膜。步骤2，将有Ti金属的m面GaN衬底置于MOCVD反应室中，抽真空后设置反应室内压力和加热温度，向反应室内通入氢气和氨气，持续一段时间，使大部分金属Ti与氨气反应，在m面GaN衬底上形成厚度为IOnm的TiN层，并有少部分未与氨气发生反应的残留金属Ti，随机分布在TiN层表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层(1)和极性AlGaN纳米线层(3)，该极性AlGaN纳米线层(3)中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度在20‑100μm范围内随机产生的极性AlGaN纳米线，其特征在于在m面GaN衬底层(1)的上面设有5‑20nm厚的TiN层，极性AlGaN纳米线层(3)位于该TiN层的上面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许晟瑞，姜腾，郝跃，张进成，张春福，林志宇，杨林安，张金风，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61