生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法技术

本发明专利技术属于氮化物半导体器件技术领域，公开了生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法。生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，由下至上依次包括铝箔衬底、非晶态氧化铝层、AlN层和InN纳米柱层。方法：(1)将表面氧化的铝箔预处理，原位退火；(2)采用分子束外延生长工艺，衬底温度为400～700℃，反应室压力为4.0～10.0×10‑5Torr，V/III束流比值为20～40，在退火处理的铝箔衬底上生长AlN形核点，再在AlN上成核并生长InN纳米柱。本发明专利技术的纳米柱直径均一，高晶体质量；大大减少了InN纳米柱外延层的缺陷密度，提高了载流子的辐射复合效率，大幅度提高氮化物器件的发光效率。

Indium nitride nano column epitaxial wafer grown on aluminum foil substrate and preparation method thereof

The invention belongs to the nitride semiconductor device technology field, and discloses an indium nitride nano column epitaxial wafer grown on the aluminum foil substrate and a preparation method thereof. The InN nano column epitaxial wafers grown on aluminum foil substrates consist of aluminum foil substrate, amorphous alumina layer, AlN layer and InN nano column layer from bottom to top. Methods: (1) the surface oxidation aluminum foil is pretreated and in situ annealing; (2) the molecular beam epitaxy process is used, the substrate temperature is 400~700, the reaction chamber pressure is 4 ~ 10 * 10 5Torr, the ratio of V/III beam flow is 20~40. The AlN nucleation points on the annealed aluminum foil substrate are grown on the annealed aluminum foil, then the InN nanometers are nucleated on the AlN and the InN nanoscale column is grown. . The nanometers of the invention have uniform diameter and high crystal quality, which greatly reduce the defect density of the epitaxial layer of InN nanometers, improve the radiation recombination efficiency of the carrier and greatly improve the luminous efficiency of the nitride devices.

【技术实现步骤摘要】
生长在铝箔衬底上的氮化铟纳米柱外延片及其制备方法
本专利技术属于氮化物半导体器件
，涉及氮化铟(InN)纳米柱外延片及其制备方法，特别涉及生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法。
技术介绍
III-V族氮化物由于稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点，广泛应用于发光二极管(LED)、激光器和光电子器件等方面。在III-V族氮化物中，氮化铟(InN)由于其自身独特的优势而越来越受到研究者的关注。在III族氮化物半导体中，InN具有最小的有效电子质量、最高的载流子迁移率和最高饱和渡越速度，对于发展高速电子器件极为有利。不仅如此，InN具有最小的直接带隙，其禁带宽度约为0.7eV，这就使得氮化物基发光二极管的发光范围从紫外(6.2eV)拓宽至近红外区域(0.7eV)，在红外激光器、全光谱显示及高转换效率太阳电池等方面展示了极大的应用前景。与其他III-V族氮化物半导体材料相比，InN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。目前，III-V族氮化物半导体器件主要是基于蓝宝石衬底上外延生长和制备。然而，蓝宝石由于热导率低(45W/m·K)，以蓝宝石为衬底的大功率氮化物半导体器件产生的热量无法有效释放，导致热量不断累计使温度上升，加速氮化物半导体器件的劣化，存在器件性能差、寿命短等缺点。相比之下，Si的热导率(150W/m·K)比蓝宝石高，且成本较低。有研究者采用在Si衬底上制备高性能、低成本的氮化物半导体器件。然而，生长直径均一、有序性高的InN纳米柱是制备高性能氮化物半导体光电器件的先提条件。由于Si与InN之间的晶格失配和热失配大；同时，在生长初期，衬底表面的In和N原子分布比例的差异，导致生长的InN纳米柱会有高度、径长不均匀、有序性差等情况。并且，采用Si衬底外延生长的InN纳米柱进行制备氮化物发光器件时，由于Si衬底会吸光，导致所制备的器件出光效率低，因此在制备器件时需要去除Si衬底，大大增加了器件制备工艺复杂性。因此迫切需要寻找一种热导率高、可以快速将氮化物半导体器件工作时产生的热量传递出来的材料作为衬底。而铝箔作为外延InN纳米柱的衬底材料，具有三大独特的优势。第一，铝箔具有很高的热导率204W/m·K，可以将氮化物半导体器件的工作时产生的热量及时传导，降低器件工作结区温度，有助于解决器件散热问题。第二，铝箔可以作为垂直结构的氮化物半导体器件的电极，使得电流几乎全部流过外延层，电阻下降，没有电流拥挤，电流分布均匀，大大提升了氮化物半导体器件的性能。第三，铝箔衬底相对比单晶衬底，价格更便宜，可以极大地降低器件的制造成本。与在单晶衬底上进行纳米柱的外延生长不同，采用铝箔作为外延生长纳米柱的衬底材料，由于铝箔在空气环境下极其容易发生氧化反应，导致在铝箔表面形成一层薄的非晶态氧化铝，衬底表面的氧化铝非晶层原子为无序排列，采用常规的生长方法，如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、CVD(化学气相沉积)和PLD(脉冲激光沉积)生长方法，纳米柱无法在衬底表面形核和生长，导致无法外延生长出直径均一、高有序性、直立生长的纳米柱。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，通过生长初期铝箔衬底表面氧化铝非晶层受到高活性氮等离子体的轰击作用，在铝箔表面形成AlN的形核位点，有助于InN纳米柱的形核和进一步生长，解决了铝箔衬底上无法采用外延生长方法获得直立、直径均一InN纳米柱的的技术难题，同时可以大大减少了InN纳米柱外延层的缺陷密度，有利提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管的发光效率。本专利技术的另一目的在于提供上述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片的制备方法，具有生长工艺简单，纳米柱形貌可控、制备成本低廉的优点。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，由下至上依次包括铝箔衬底、非晶态氧化铝层、AlN层和InN纳米柱层。所述铝箔衬底的厚度为100-800μm，为非晶或者多晶材料。所述InN纳米柱层中InN纳米柱直径为30-80nm。所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片的制备方法，包括以下步骤：(1)预处理：将表面氧化的铝箔进行预处理；(2)原位退火处理；(3)采用分子束外延生长工艺，衬底温度控制在400～700℃，在反应室的压力为4.0～10.0×10-5Torr，V/III束流比值为20～40条件下，在退火处理的铝箔衬底上生长AlN形核点，再在AlN上成核并生长InN纳米柱。步骤(2)中所述原位退火处理：将表面被氧化的铝箔衬底置于分子束外延生长设备中，衬底温度控制在400～550℃，在反应室的压力为5.0～6.0×10-10Torr条件下，进行原位退火15～30分钟，得到退火处理的铝箔衬底。步骤(3)中在采用分子束外延生长时，InN纳米柱层的氮源为氮气，进行高压电离，变成氮的等离子体，氮气的流量为1～4sccm；铟源为金属固体，通过加热热蒸发，变成原子束流，温度控制In的束流，温度是750～810℃。步骤(1)中所述预处理为将表面氧化的铝箔抛光、打磨、清洗，得到预处理的铝箔衬底(铝箔表面易被氧化，得到的是预处理的表面保留有氧化铝的铝箔衬底)；所述衬底清洗，具体为：将经过打磨的铝箔放入无水乙醇中超声1～2分钟，再放入去离子水中超声1～2分钟，用高纯干燥氮气吹干。步骤(1)所述衬底清洗，具体为：将铝箔进行机械抛光、打磨，获得平整的表面；然后将获得平整表面的铝箔放入无水乙醇中超声1～2分钟，去除铝箔衬底表面有机污染物和粘污颗粒，再放入去离子水中超声1～2分钟，去除表面杂质，用高纯干燥氮气吹干。所述铝箔含有0.06-0.1％(质量百分比)的铜(Cu)元素。步骤(3)中所述InN纳米柱层中InN纳米柱直径为30-80nm。原位退火为了进一步去除铝箔表面的有机物等污染物。退火处理的铝箔表面仍有非晶态氧化铝层。本专利技术通过生长初期铝箔衬底表面受到高活性氮等离子体的轰击作用，在铝箔表面形成AlN的形核位点。高活性的N等离子体碰到衬底表面的Al，就会作用形成AlN。在铝箔表面形成AlN，有助于后续InN的生长。由于铝箔表面有一层薄的非晶层，一般的外延生长方法，如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)，无法生长出纳米柱。本专利技术在铝箔衬底上生长的InN纳米柱具有以下特点：直径均一、高有序性、直立。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术的生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，通过生长初期铝箔衬底表面受到高活性氮等离子体的轰击作用，在铝箔表面形成AlN的形核位点，有助于InN纳米柱的形核和进一步生长，解决了铝箔衬底上无法采用外延生长方法获得直立、直径均一InN纳米柱的的技术难题，大大减少了InN纳米柱外延层的缺陷密度，有利提高了载流子的辐射复合效率，可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管的发光效率。(2)本专利技术的生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，采用铝箔作为衬底，铝箔衬底具有高导电性的优点，在直接外延生长的InN纳米柱半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：由下至上依次包括铝箔衬底、非晶态氧化铝层、AlN层和InN纳米柱层。

【技术特征摘要】
1.生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：由下至上依次包括铝箔衬底、非晶态氧化铝层、AlN层和InN纳米柱层。2.根据权利要求1所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：所述铝箔衬底的厚度为100-800μm。3.根据权利要求1所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：所述铝箔为非晶或多晶材料。4.根据权利要求3所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：所述铝箔含有Cu成分。5.根据权利要求1所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片，其特征在于：所述InN纳米柱层中InN纳米柱直径为30-80nm。6.根据权利要求1～5任一项所述生长在铝箔衬底上的InN纳米柱外延片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)预处理：将表面氧化的铝箔进行预处理；(2)原位退火处理：(3)InN纳米柱层的生长：采用分子束外延生长工艺，衬底温度控制在40...

【专利技术属性】
技术研发人员：高芳亮，李国强，张曙光，温雷，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44