專利名稱：一種Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域，涉及稀磁半導(dǎo)體材料方面，具備Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
近年來,稀磁半導(dǎo)體(DilutedMagnetic Semiconductors, DMSs),又稱半磁半導(dǎo)體，是指在非磁性半導(dǎo)體材料基體中通過摻入少量過渡金屬或稀土元素。由于其既能利用電子的電荷特性又能利用電子的自旋特性，因而在高密度非易失性存儲(chǔ)器和半導(dǎo)體電路的集成電路和半導(dǎo)體激光器集成電路以及量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。GaN是III _ V族半導(dǎo)體材料中禁帶寬度為3.4eV的直接帶隙半導(dǎo)體材料。這類材料能利用電子的電荷特性和自旋特性，即兼具半導(dǎo)體材料和磁性材料的雙重特性，可將半導(dǎo)體的信息處理與磁性材料的信 息存儲(chǔ)功能、半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)和磁性材料的非易失性兩者融合在一起。同時(shí)，具有良好的光電和壓電特性，在高頻、大功率型器件、藍(lán)光和紫外半導(dǎo)體激光方面有廣泛引用。已有的研究工作大多是針對(duì)GaN納米材料的物相或形貌單一方面的研究，且采用較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作方法對(duì)其進(jìn)行摻雜，如使分子束外延法、氫化物氣相外延法、直流電弧等離子體法等。分子束外延法主要是通過加熱轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，在真空中膨脹，凝結(jié)在襯底上，進(jìn)行外延生長(zhǎng)。如Averett K.L.等以Si (111)和藍(lán)寶石(001)為襯底，生長(zhǎng)的GaN納米柱，參閱J.Vac.Sc1.Technol.B.2007 年第 25 期第 964 頁。ZhangH.Z.等在 Si (111)襯底上制備的GaN納米棒，參閱Physica E.2008第40期第828-832頁。2004年Kumar D.等人采用分子束外延法制備了居里溫度高達(dá)900K的Cr摻雜AlN納米棒，參閱Appl.Phys.Lett.第 84 卷 4067-4069 頁。氫化物氣相外延法制備GaN單晶薄膜是人們最早采用就是氣相外延法。如2008年林郭強(qiáng)等人采用氫化物外延法在C面藍(lán)寶石上選區(qū)外延生長(zhǎng)，參閱半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第29卷第3期530-533頁.2007年Tongbo Wei等人在GaN模板上外延生長(zhǎng)GaN薄膜，參閱半導(dǎo)體學(xué)報(bào)第28卷第I期第19-23頁。直流電弧放電法:2009年Weiwei Lei等人利用直流電弧法制備出了多孔狀GaN納米結(jié)構(gòu)，以金屬鎵和氮?dú)鉃樵?，電弧放?0-60 min，粒徑為5_10um，表面布滿褶皺和小孔，參閱2009年吉林大學(xué)博士學(xué)位論文一III族氮化物及AlN基稀磁半導(dǎo)體納米材料的制備與高壓物性研究.第3章第64-66頁。由上述報(bào)道可以看出分子束外延法生長(zhǎng)速率慢、成本比較高；氫化物氣相外延術(shù)很難精確控制膜厚，且反應(yīng)氣體對(duì)設(shè)備具有腐蝕性，并且影響GaN材料純度的提高；直流電弧等離子法不宜實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而化學(xué)氣相沉積法制備的納米材料具有粒徑小，純度高，分散性好和沉積溫度低，對(duì)于難熔物質(zhì)，能夠在遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)溫度進(jìn)行沉積，可用于碳化物、金屬及合金、I1-VI族和II1- V族半導(dǎo)體的制備，產(chǎn)物均勻性好，可控性好，對(duì)環(huán)境危害小，易于推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種化學(xué)氣相沉積法制備Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)的制備方法以解決現(xiàn)有技術(shù)制備工藝復(fù)雜、成本高等問題。提出采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，以獲得Ga空位可控的納米結(jié)構(gòu)。本方法簡(jiǎn)單易行，所有原料都很常見，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明是通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的:
在陶瓷舟中直接合成的GaN納米結(jié)構(gòu)是以高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，將高純Ga2O3粉置于陶瓷舟中，且將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)處，密封水平管式爐，爐內(nèi)真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量為100 sccm的氬氣，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。溫度達(dá)到980°C時(shí)，通入流量為100-200 sccm的氨氣并保持3 h。然后，停止加熱，自然降溫至600°C，再次打開加熱裝置，并升溫至980°C保持2h。最后，關(guān)掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品。本發(fā)明的特點(diǎn)是:方法簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)率高，產(chǎn)物均勻性好，可控性好，對(duì)環(huán)境危害小，易于推廣。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于:采用化學(xué)氣相沉積法制備出Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)，其Ga空位的濃度易于控制，制備工藝簡(jiǎn)單，得到室溫鐵磁性和高的居里溫度(大于300 K)。本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物均勻性好，對(duì)環(huán)境污染小，可控性好，易于推廣，因而具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例1的XRD譜圖，插圖為EDS圖。圖2為實(shí)施例1的SEM圖像，插圖為相應(yīng)的HRTEM譜圖和FFT圖。圖3為實(shí)施例1的PL譜圖。圖4為實(shí)施例2的EDS圖。圖5為實(shí)施例3的EDS圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，按0.8 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)，密封水平管式爐，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量為100sccm的Ar氣，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到980 1:時(shí)，通入流量為100 sccm的氨氣并保持3 h。然后，停止加熱，自然降溫至60(TC，再次打開加熱裝置，并升溫至980°C保持2h。最后，關(guān)掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品GaN-1。GaN-1的XRD譜顯示為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(ICDD-PDF N0.50-0792)，插圖為EDS圖，定量分析可知Ga/N=0.90，即鎵缺失，如圖1。SEM觀察GaN-1形貌為紡錘狀的納米結(jié)構(gòu)，直徑為100-200 nm左右，長(zhǎng)度為幾百納米，如圖2，右上插圖為樣品的HRTEM圖，從圖中可以看出GaN為單晶，沿[101]方向生長(zhǎng)，右下插圖為其相應(yīng)FFT圖，顯示其為單晶的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。圖3是GaN-1的PL譜圖，516nm處存在的峰證實(shí)樣品中存在Ga空位。圖4是實(shí)例2中樣品GaN-2的EDS圖，定量分析可知Ga/N=0.95，即樣品GaN_2中存在Ga空位。圖5是實(shí)例3中樣品GaN-3的EDS圖，定量分析可知Ga/N=0.98，即樣品GaN_3中也存在Ga空位。從三組樣品的EDS圖分析可知，GaN樣品中均存在Ga空位，但是Ga空位濃度不同。三組樣品制備條件上的不同主要源于NH3流量的不同，由此可知，NH3流量可調(diào)控GaN納米結(jié)構(gòu)中Ga空位的濃度。
實(shí)施例2
采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，按0.7 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)，密封水平管式爐，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量為100sccm的Ar氣，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到980 1:時(shí)，通入流量為150 sccm的氨氣并保持3 h。然后，停止加熱，自然降溫至60(TC，再次打開加熱裝置，并升溫至980°C保持2h。最后，關(guān)掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品GaN-2ο實(shí)施例3
采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，按0.7 g Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，且將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)，密封水平管式爐，真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量為100sccm的Ar氣，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱，溫度達(dá)到980 1:時(shí)，通入流量為200 sccm的氨氣并保持3 h。然后，停止加熱，自然降溫至60(TC，再次打開加熱裝置，并升溫至980°C保持2h。最后，關(guān)掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品GaN-3ο由以上實(shí)施例可以看出，采用化學(xué)氣相沉積法制備Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)物均勻性好，可控性好，工藝簡(jiǎn)單，成本低，因而具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)的制備方法:本方法采用化學(xué)氣相沉積法，在陶瓷舟中生出Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)。所用系統(tǒng)由硅鑰棒加熱的水平管式爐、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成。高純Ga2O3粉末和NH3氣分別作為Ga源和N源。將高純Ga2O3粉末置于陶瓷舟中，并將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)處，密封水平管式爐。使用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵對(duì)系統(tǒng)抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IX 10_2 Pa以下，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣。通入流量為100 sccm的氬氣，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到980°C時(shí)，通入流量為100-200 sccm的氨氣并保持3h。然后，停止加熱，自然降溫至600°C，再次打開加熱裝置，并升溫至980°C保持2h。最后，停止加熱，關(guān)掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的源為高純Ga2O3粉末和NH3氣。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述溫度為980°C。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氬氣的通入流量為100Sccm0
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氨氣的通入流量為100-200Sccm0
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述首次保溫時(shí)間為3h。
7.如 權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述停止加熱，自然降溫至600°C。
8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述打開加熱裝置，并升溫至980°C保持時(shí)間為2 ho
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ga空位可調(diào)的GaN納米結(jié)構(gòu)的制備方法，屬于納米材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法，以高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，將Ga2O3粉置于陶瓷舟中，將陶瓷舟置于中央加熱區(qū)，密封水平管式爐，爐內(nèi)真空度抽至1×10-2Pa以下，通入流量為100sccm的氬氣，對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。溫度達(dá)到980℃時(shí)，通入流量為100-200sccm的氨氣并保持3h。停止加熱，自然降溫至600℃，再次打開加熱裝置，升溫至980℃保持2h。自然冷卻到室溫，關(guān)掉氬氣，取出樣品。本發(fā)明的特點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)率高，產(chǎn)物均勻且可控性好，對(duì)環(huán)境危害小，易于推廣。
文檔編號(hào)C23C16/34GK103173738SQ20131009323
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者吳 榮, 任會(huì)會(huì), 簡(jiǎn)基康 申請(qǐng)人:新疆大學(xué)