NiCl-,2-催化GaN納米結(jié)構(gòu)的制備與研究.pdf

1、以氮化鎵(GaN)為代表的III—V族氮化物作為第三代半導(dǎo)體材料，由于在藍(lán)光二極管、紫外探測(cè)器和短波長(zhǎng)激光器等固體光電子器件方面的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成為近些年來(lái)持續(xù)的研究熱點(diǎn)。室溫下GaN的禁帶寬度是3.4 eV，可以實(shí)現(xiàn)從紅外到紫外全可見(jiàn)光范圍的光發(fā)射和紅、黃、藍(lán)三原色具備的全光固體顯示，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景。目前GaN基器件大多數(shù)制作在藍(lán)寶石襯底上。由于藍(lán)寶石價(jià)格昂貴、襯底自身絕緣且硬度大、器件工藝復(fù)雜、制作成本費(fèi)用

2、高，且其導(dǎo)熱性能差，不利于大功率器件的制作，硅襯底則可以彌補(bǔ)這些不足。因此，開(kāi)展Si基GaN薄膜材料的外延生長(zhǎng)意義重大。雖然以Si為襯底的六方GaN材料的生長(zhǎng)有一定難度，但由于其晶體質(zhì)量高、價(jià)格低廉、易解理、良好的導(dǎo)電性和成熟的Si基集成技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為藍(lán)寶石襯底強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。根據(jù)不斷降低器件尺寸的要求，基于具有優(yōu)異性質(zhì)的納米尺寸材料制造納米器件是很有意義的。納米尺寸GaN特別是納米線(xiàn)是滿(mǎn)足這種要求的一種很有希望的材料。 在本

3、文中，我們?cè)?050℃，1100℃和1150℃，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在涂抹NiCl2薄膜的硅襯底上制備出大量的GaN納米結(jié)構(gòu)。雖然這種方法的溫度相對(duì)于目前已報(bào)道的GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)較高，但是用該方法制備的GaN納米結(jié)構(gòu)，其設(shè)備條件簡(jiǎn)單，成本低廉，便于大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)。用X射線(xiàn)衍射(XRD)、傅里葉紅外透射譜(FTIR)、X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)和光致發(fā)光譜(PL)等測(cè)試手段詳細(xì)分析

4、了GaN納米材料的結(jié)構(gòu)、組分、形貌和光致發(fā)光特性。通過(guò)研究不同生長(zhǎng)條件對(duì)制備GaN納米結(jié)構(gòu)的影響，初步提出并探討了此方法合成GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制。所取得的主要研究結(jié)果如下： 1.用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備GaN納米結(jié)構(gòu)及其特性 利用浸漬法在硅襯底上涂抹一層NiCl2薄膜，然后以Ga2O3和NH3做源通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備出大量的GaN納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度源的量，氨氣的流量，源和襯底的距離以及NiC

5、l2的濃度，研究其對(duì)合成的GaN納米結(jié)構(gòu)的影響。研究表明：不同的條件對(duì)合成GaN納米結(jié)構(gòu)都有很大影響，合成的一維納米結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的單晶GaN，表現(xiàn)為形貌各異的納米線(xiàn)、納米棒及輻射狀結(jié)構(gòu)等。 2.GaN納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性 室溫下用325nm波長(zhǎng)的光激發(fā)樣品表面，所有樣品都含有一個(gè)強(qiáng)的367nm處的紫外光發(fā)射峰。由于合成的大部分納米結(jié)構(gòu)的直徑均大于GaN的玻爾激子半徑(11nm)，超出了量子限制效應(yīng)起作用的范圍，因此

6、，對(duì)于367nm處的帶邊發(fā)光峰，與文獻(xiàn)報(bào)道的GaN材料的發(fā)光峰相比，沒(méi)有發(fā)生藍(lán)移。 3.對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)機(jī)制的探索 在高溫反應(yīng)的過(guò)程中，NiCl2薄膜破裂分解形成Ni納米顆粒，這些納米顆粒為GaN納米結(jié)構(gòu)的形成提供了有利的成核點(diǎn)，同時(shí)，高溫下氨氣逐步分解成NH2. NH、H2. N2等產(chǎn)物，固態(tài)Ga2O3與H2反應(yīng)生成中間產(chǎn)物氣態(tài)的Ga2O，隨后與體系中氨氣揮發(fā)運(yùn)動(dòng)到襯底并在此發(fā)生催化反應(yīng)首先得到GaN晶核，這些晶核

7、落在合適的生長(zhǎng)位置上，再作為下一個(gè)晶核生長(zhǎng)的依托點(diǎn)，隨著氨化過(guò)程的進(jìn)行GaN晶核繼續(xù)長(zhǎng)成GaN微晶，當(dāng)微晶的生長(zhǎng)方向沿著相同的方向生長(zhǎng)，就形成了單晶GaN納米線(xiàn)、納米棒、納米顆粒。在多次實(shí)驗(yàn)樣品的掃描圖片中，我們觀察到在一些納米結(jié)構(gòu)的頂端存在納米顆粒，因此生長(zhǎng)機(jī)制很可能為氣—液—固機(jī)制(VLS)。我們也在沒(méi)有NiCl2薄膜的Si襯底上在相同的條件下直接蒸發(fā)Ga2O3粉末，沒(méi)有如此的納米結(jié)構(gòu)形成。因此我們認(rèn)為Ni作為GaN晶胚的成核點(diǎn)，在