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2.2.1带隙问题对InN材料最为关注的就是其带隙问题，到现在还有很多疑问没有解决。

虽然现在很多文献中都认为其带隙为0.6－0.9eV，但也有文献认为InN的带隙也许比这个值稍大一些：1.25–1.30eV 。

持较大带隙观点的认为带隙为0.6－0.7eV的这些样品中也许含有深的缺陷能级，文献认为InN中存在深能级缺陷，大约是0.5eV，这样一来0.7eV正好对应的是1.25－1.30eV。

持低能带隙的认为测得较高带隙的样品是由于掺入杂质、Moss-Burstein效应，或是其它因素造成的。

文献中研究了氧掺杂对InN带隙的影响，通过掺入不同的氧杂质，得到了带隙从0.7－2.0连续变化的禁带，说明氧是造成带隙变宽的一个因素。

造成InN样品带隙过高的另一个潜在因素是Moss－Burstein效应，当导带中电子浓度超过导带边缘的能态密度时，费米能级就会处在导带中，电子填充了导带底，此时由光学吸收方法所测得的带隙将会偏大，即吸收峰将会随着电子浓度上升而向着高能方向移动，此效应已被很多实验所证实。

虽然在带隙问题上还有争论，但最近很多文献表明InN的带隙是在0.7eV左右，而且具有非常高的重复性，对于较高带隙的样品，大都是质量较差的样品。

P.P. Chen等人在不同生长条件下利用N2辅助等离子体MBE方法在以Al2O3为衬底的GaN缓冲层上生长了InN 薄膜并做了相关的电学光学测试。

研究发现实验所观测到的InN带隙强烈的依赖于生长条件，不同条件生长的InN薄膜，其带隙有很大的变化。

实验中将衬底温度从200℃增加到500℃，样品质量大大提高，带隙从1.8eV下降到了1.1eV。

这进一步支持了高质量样品的窄带隙观点。

2.2.2n型导电特性InN材料的另一个重要问题是本征InN都呈现出很强的n型电导特征，这与GaN有些相似，但在InN中这个问题更加严重。

可以看出InN的费米稳定能级EB在导带里面，这就意味着在InN中即使电子浓度升高，费米能级增大，也很难形成p型的本征补偿缺陷，这就使得电子饱和浓度变得非常大，理论计算表明其饱和电子浓度NS接近1021cm-3。

很多文献也解释了本征InN的强n型特征，最近文献利用霍尔测试方法对一批高质量的InN薄膜进行了测量，结果发现随着样品厚度从50nm－12000nm逐渐增加，电子浓度从1019cm-3降低到了1017cm-3。

作者认为杂质和InN表面贡献的电子浓度不能完全解释这个现象，从而认为材料中的位错N空穴（V+N）也应该是产生自由电子的一个因素，实验与理论计算非常符合。

由于在GaN中，费米能级在稳定费米能级EB（通常表示为EFS）之上，根据两性缺陷原理，此时V-Ga的形成能Ef比较低，样品种容易形成大量的Ga空穴，对n型造成一定的补偿，所以在本征的GaN中，自由电子浓度并不是很大。

而在InN中，由于其费米能级远在EB之下，所以V+N的形成能Ef仍然较低，即可以形成大量的V+N施主缺陷，或是其它施主类缺陷以及表面施主态，增大了自由电子浓度，特别是在样品表面。

2.2.3InN中的掺杂行为最近备受关注的是InN的p型掺杂问题。

要实现InN基光电子器件，如高效率太阳能电池,发光二级管,激光二极管, 高速高频晶体管，则首先必须得获得良好的P型掺杂，这对InN材料提出了很大的挑战。

GaN中价带顶在稳定费米能级（EFS）之下2.7eV下，理论上预测其最大空穴浓度是1018cm-3,可以看出，InN中价带顶在EFS之下约1eV处，更接近费米稳定能级，所以按理说相对于GaN，InN的P型掺杂应该更容易实现。

然而由于价带底位于EFS之下在0.9eV，根据两性缺陷原理，自由电子浓度比较大，这使得P型掺杂的实现和测量都变得非常困难。

然而，尽管如此，最近也有文献报道了有关InN的P型掺杂，文献利用MBE技术在以c轴取向的蓝宝石为衬底的200nm厚的GaN缓冲层上，生长了大约有500nm厚InN外延层，并进行了不同程度的Mg掺杂，从2×1020到1×1021cm-3。

由于InN材料中可靠的肖特基接触还未被证实，所有研究过的金属都显示欧姆接触，所以标准的C－V测量是不可行的。

文中用电解液形成InN的整流接触，由基于电解液的电容－电压测量法（Electrolyte-based capacitance-voltage (CV) measurements）来测量表面附近的电荷浓度与深度的关系。

研究发现： Mg掺杂InN样品内部呈现出较强的p型特征，而表面是个n型反型层。