[发明专利]生长在Si/石墨烯复合衬底上InN纳米柱外延片及其制备方法

说明书

本发明属于半导体器件的技术领域，公开了生长在Si/石墨烯复合衬底上InN纳米柱外延片及其制备方法。生长在Si/石墨烯复合衬底上InN纳米柱外延片，由下至上依次包括Si衬底、石墨烯层、In金属纳米微球层和InN纳米柱层。本发明还公开了生长在Si/石墨烯复合衬底上的InN纳米柱外延片的制备方法。本发明的纳米柱直径均一、高有序性，同时解决了InN因与Si之间存在较大晶格失配而在其中产生大量位错的技术难题，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，改善InN纳米柱外延片的性能，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。

技术领域

本发明涉及InN纳米柱外延片及制备方法，特别涉及生长在Si/石墨烯复合衬底上的InN纳米柱外延片及其制备方法。

背景技术

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，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的热导率比蓝宝石高，且成本较低。在Si衬底上制备高性能、低成本的氮化物半导体器件是必然的发展趋势。然而，在Si衬底上生长直径均一、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。

目前多数采用在Si衬底上直接生长InN纳米柱，这种生长方法所获得的纳米柱直径不均一，也就是顶部和底部的直径不一致，呈倒金字塔、垒球棒等形貌的纳米柱。若采用In、Ni、Au等作为催化剂进行InN纳米柱的生长，作为催化剂的In、Ni和Au等金属在生长后存在于InN的顶端，在后续进行器件制作时，需要把顶端的金属催化剂去除，增加了器件工艺的复杂性。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种生长在Si/石墨烯复合衬底上InN纳米柱外延片。石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。此外，石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，在Si衬底上复合石墨烯作为生长衬底，进行InN纳米柱的生长，有助于进一步扩展InN纳米柱的应用前景。

本发明的InN纳米柱外延片包括In金属纳米微球，通过在Si衬底复合的石墨烯上沉积In金属纳米微球，In金属纳米微球具有以下效果和作用：首先，In金属纳米微球作为在InN纳米柱生长过程中的In补充源，有利于高有序性、直径均一InN纳米柱的形核与生长；其次，避免分子束外延生长方法中具有高能量的氮等离子体在InN纳米柱形核点对石墨烯造成破坏；第三，解决了InN因与Si之间存在较大晶格失配而在其中产生大量位错的技术难题，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。本发明在Si衬底与纳米柱之间设了石墨烯层，石墨烯具有特殊的结构，对Si衬底与纳米柱之间晶格失配具有一定的作用。