[发明专利]基于m面GaN上的极性AlN纳米线材料及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种m面GaN上的极性AlN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作AlN纳米结构半导体器件。

技术背景

氮化铝作为Ш族氮化物之一，属于直接带隙半导体，禁带宽度为6.2eV，具有高电阻率，低介电常数，高热导率等特性，特别适合制作电子器件基底材料，大功率器件和集成电路的散热材料，场效应晶体管，热辐射探测器以及化学反应的催化剂等，具有非常广泛的应用前景。与氮化镓类似，氮化铝纳米材料同样具有自发极化和压电极化的特征，可以用于制作发光器件，压力传感器等器件。

HUE-MIN WU等人在20120年，采用CVD方法催化生长了非极性AlN纳米线，参见Wu H M,Liang J Y,Lin K L,et al.Catalyst-assisted growth of AlN nanowires[J].Ferroelectrics,2009,383(1):73-77。但由于这种方法制备的纳米线是非极性AlN材料，无法利用极化特性，不适合做发光器件和压力传感器，并且这种方法生长时间长，速率慢，在衬底上的方向一致性差，没有形成阵列。

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AlN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2006年V.Cimalla等人采用MOCVD方法使用金属Ni或Au作为催化剂在硅衬底上生长了AlN纳米线，参见Cimalla V,Foerster C,Cengher D,et al.Growth of AlN nanowires by metal organic chemical vapor deposition[J].physica status solidi(b),2006,243(7):1476-1480。但是，这种方法制备的纳米线呈网状结构，方向性差。

2009年M.Lei等人采用直接升华法，制备出了长度为几十微米的极性AlN纳米线，参见Lei M,Song B,Guo X,et al.Large-scale AlN nanowires synthesized by direct sublimation method[J].Journal of the European Ceramic Society,2009,29(1):195-200。这种方法的问题是生长工艺复杂，温度要求高，达到了1500℃。

发明内容

本发明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AlN纳米线材料及其制作方法，以简化工艺复杂度，提高方向一致性，增大生长效率，为制作高性能极性AlN纳米器件提供材料。

实现本发明目的技术关键是：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，平行于衬底且方向一致性很好的极性AlN纳米线，其生长步骤包括如下：

一.本发明基于m面GaN上的极性AlN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性AlN纳米线层，该极性AlN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度不等的纳米线，其特征在于在m面GaN衬底层与和极性AlN纳米线层之间设有1-20nm厚的TiN层。

所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000μm。

所述极性AlN纳米线层中的极性AlN纳米线平行于衬底，长度为1-100μm。

二.本发明基于m面GaN极性AlN纳米线材料的制作方法，包括如下步骤：

(1)在厚度为1-1000μm的m面GaN衬底上蒸发一层1-20nm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，并向反应室内通入流量均为1000sccm-10000sccm的氢气与氨气，对衬底基片进行氮化处理，即将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反应室中同时通入流量为5-100μmol/min的铝源和1000-10000sccm的氨气，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不等的极性AlN纳米线，其生长的工艺条件是：温度为800-1500℃，时间为5-60min，反应室内压力为20-760Torr。

所述的对衬底基片进行氮化处理，采用如下工艺条件：

温度：600-1200℃；

时间：5-20min；

反应室压力：20-760Torr。