InN半导体材料及器件研究进展

InN半导体材料及器件研究进展

摘要：InN是性能优良的三五族化合物半导体材料，在光电子领域有着非常重要的应用价值，因此一直是国际国内研究的焦点。这里，就InN材料的制备方法、P型掺杂、电学特性、光学特性、高温退火特性、器件的研究应用以及研究的最新进展进行了综述。

关键词：InN 制备特性应用太赫兹辐射进展

1.引言：三族氮化物半导体材料GaN、AlN、InN是性能优越的半导体材料。在光电子器

件方面已有重要的应用，在光电集成、超高速微电子器件及集成电路上也有十分广阔的前景。但是因为InN具有低得离解温度，要求低温生长，而作为氮源的NH3的分解温度较高，这是InN生长的一对矛盾。其次，对已氮化銦材料生长又缺少与之匹配的衬底材料，使得高质量氮化銦材料生长特别困难，有没有什么进展。后来的理论研究表明，InN 具有极高的漂移速度和电子渡越速度以及最小的有效电子质量。同时电子迁移率也比较高。因此，InN材料是理想的高速、高频晶体管材料。最近研究表明：InN的禁带宽度也许是0.7eV左右，而不是先前普遍接受的1.9eV，所以通过调节合金组分可以获得从

0.6eV（InN）到6.2eV（AlN）的连续可调直接带隙，这样利用单一体系的材料就可以制

备覆盖从近红外到深紫外光谱范围的光电器件。因此，InN有望成为长波长半导体光电器件、全彩显示、高效率太阳能电池的优良半导体材料。理论研究表明，1nN材料在Ⅲ族氮化物半导体材料中具有最高的迁移率（室温下最大的迁移率是14000 平方厘米/V s）、峰值速率、电子漂移速率和尖峰速度（4.3×107cm/s）以及具有最小的有效电子质量m*=0.05m0。这些特性使得InN在高频率，高速率晶体管的应用上有着非常独特的优势。然而，由于InN的制备和检测都比较困难，对其研究和应用还很不完善。尽管如此，随着材料生长技术的不断发展进步以及材料生长工艺的提高，现在已经可以在不同衬底材料上外延生长得到质量较好的InN薄膜单晶材料，同时，由于测量技术的进一步提高，使得InN材料的研究和应用迈进了很大一步。一些相关的应用研究和器件也已有很多报道：如用作异质结场效应管，气体/液体传感器，异质结太阳能电池的透明传导窗口材料，InN/Si p-n结；InN薄膜已经被尝试着作为Li离子薄膜电池的阳极；还有InN热电器件以及太赫兹发射器件；InN的欧姆接触也已经被证实，InN/GaN的肖特基接触也已经实现；对于P型掺杂方面，也取得了显著成果；此外，InN具有很高的折射率(>3)，还可以应用到光子晶体的设计中。

鉴于InN材料有如此重要的应用价值以及最近来自国际和国内的诸多报道，本文对InN 材料的最新研究进展，包括电学、光学性质及其应用方面做些归纳和总结。

2.InN材料的最新研究进展

2.1InN材料的制备

制备高质量的InN体单晶材料和外延薄膜单晶材料是研究和开发InN材料应用的前提。但是，制造InN薄膜有两大困难，一是InN材料的离解温度较低，在600℃左右就分解了，这就要求在低温生长下InN ,而作为氮源的NH3的分解温度较高，要求1000℃左右，这是InN生长的一对矛盾，因此采用一般的方法很难制备单晶体材料，目前制造InN薄膜最常用的方法是MBE、HVPE、磁控溅射、MOCVD技术；二是很难找到合适的衬底，由于InN 单晶非常难获得，所以必须得异质外延InN薄膜，这就很难避免晶格匹配这个大问题。一般

都是在蓝宝石衬底上先生长氮化物的缓冲层，然后再异质外延InN薄膜，研究表明，GaN缓冲层上生长的InN薄膜比较理想。

当前，等离子体辅助（PA－MBE）技术是优良InN薄膜制备的主要方法。其直接以金属In的分子束作为Ⅲ族金属有机源，利用等离子体辅助增强技术激发NH3或N2作为N源，在衬底材料表面反应生成InN。实验结果充分表明，这种方法制备的InN薄膜质量高，可重复性好：2006年3月，ChadS.Gallinat等人利用等离子体辅助MBE方法在GaN缓冲层上生长了In极化InN，室温下电子迁移率高达2250平方厘米/V s，表面电子积累层密度为5.11×1013cm-2，最厚的InN样品禁带宽度约为0.65eV。随后，G.Koblmuller等人利用等离子体辅助MBE方法利用高质量的GaN模板的氮表面上生长了InN，实现室温电子迁移率高达2370平方厘米/V s。表面电子积累层密度为3×1013cm-2，InN样品禁带宽度约为0.626eV。MBE技术生长可以精确控制外延膜厚度，得到优良的外延材料，但生长的速度较慢，对于较厚要求的外延生长耗时过长，不能满足大规模生产的要求。对于光电器件，特别是LED、LD 芯片，一般都采用MOCVD技术。

MOCVD技术是以In有机源为金属源，以N2作为载气，NH3作为氮源，通过二步工艺或其它手段在低温500℃左右进行InN生长。MOCVD的生长速度适中，可以比较精确地控制外延薄膜厚度,特别适合于光电器件的大规模工业生产。利用此方法生长InN薄膜，温度的控制是非常关键的，生长温度严重影响着单晶性、表面形态、生长速率，电子特性等。研究表明，最佳的温度范围是500－650℃。P.Singh等人在不同温度下利用MOCVD在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层上生长了InN，发现在550℃的生长条件下，样品质量较好，光致发光带隙为（0.7eV），强度最强，电子浓度最低（7×1018cm-3），迁移率最大（1300平方厘米/Vs-1）。同时也发现随着生长温度的增加,光致发光峰向高能方向移动。最近，M.Alevli等人利用高压MOCVD（HPMOCVD）技术分别在蓝宝石和GaN外延层上生长了InN薄膜，此方法打破了常规条件，在温度高达1150K、大气压为15 Bars的条件下外延InN薄膜,得到了载流子浓度在1019cm-3、迁移率为430平方厘米/V s-1，带隙为1.1eV的高质量InN薄膜。这在制备方法上是一个新突破，有望带来新的发展。

最近也有一些关于磁控溅射、HVPE制备InN薄膜的报道，但这些方法制备出的InN薄膜质量较差，重复性也不好。

2.2 InN材料的电学特性