氮化鎵低維材料的制備和物性

1、氮化鎵低維材料的製備和物性  Preparation and Physical Properties of Low Dimensional GaN Materials                  撰稿陳小龍     一、 研究目的和意義    族氮化物GaN，A1N，InN可形成連續(xù)固溶體，其帶隙能夠覆蓋從18eV的紅光波段到62eV的紫外波段，是制做

2、紅、黃、綠，特別是藍(lán)光發(fā)光二極體(LED)和鐳射二極體(LD)、大功率電晶體的理想材料，在可見光源和紫外光源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如：藍(lán)光LD鐳射可使光碟存儲(chǔ)密度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可使鐳射列印速率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此外，GaN是寬帶隙半導(dǎo)體，加上其自身具備的良好的導(dǎo)熱性，也是製造大功率電晶體方面最佳的材料之一。最近美國(guó)康奈爾大學(xué)成功地研製成了GaN電晶體，其微波輸出功率是目前移動(dòng)電話、軍用雷達(dá)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)播器所使用的電晶體的數(shù)百倍之多，將為通信技術(shù)帶來(lái)巨大的變化。隨著微電子和光電子器件突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其集成化程度越來(lái)越高，單個(gè)元件的尺寸已達(dá)亞微米量級(jí)?？梢灶A(yù)見在不久的將來(lái)，單個(gè)元件的尺寸將向納

3、米尺寸挺進(jìn)。GaN作為一種重要的第三代半導(dǎo)體材料，研究其低維材料的製備和物性，不僅可以深入認(rèn)識(shí)其新的物理特性，如量子尺寸效應(yīng)，而且可以為將來(lái)製備納米器件，提供技術(shù)儲(chǔ)備。理論及實(shí)驗(yàn)證實(shí)，GaN納米材料能夠在很大程度上改善藍(lán)綠光和紫外光電器件的性能。原因在於：從理論上說(shuō)，利用量子線點(diǎn)製備的發(fā)光及鐳射二極體能夠顯著改善其光學(xué)性能，例如出現(xiàn)較低的閾值電流和閾值電流對(duì)溫度的較小的依賴性等；當(dāng)顆粒尺度小於其激子玻爾半徑時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)量子限域效應(yīng)，並進(jìn)而導(dǎo)致更佳的非線性光學(xué)性能及發(fā)射性能。    二、 取得的重要進(jìn)展    1. 發(fā)展了氮化鎵納米線製

4、備的新方法目前國(guó)內(nèi)外都已投入了相當(dāng)大的力量進(jìn)行GaN納米線或納米棒的研製工作。目前GaN納米線都是利用範(fàn)本所提供的空間限制化學(xué)反應(yīng)或生長(zhǎng)來(lái)製備的，常用的範(fàn)本材料有碳納米管、微孔Al2O3和GaAs納米線等。用這種空間受限反應(yīng)或生長(zhǎng)製備GaN納米線或納米棒，其直徑和形貌均對(duì)範(fàn)本有強(qiáng)烈的依賴性，目前所報(bào)導(dǎo)的大部分GaN納米線是表面粗糙的彎曲納米線，而其表面粗糙度會(huì)在很大程度上影響近帶隙發(fā)光，因此，獲得直而長(zhǎng)且表面光滑的GaN納米線就顯得非常重要了。另一方面，相對(duì)來(lái)說(shuō)，目前所採(cǎi)用的空間限制方法，工藝也較為複雜。    我們發(fā)展了一種新的生長(zhǎng)GaN納米線的方法，該方法不需

5、要範(fàn)本，直接在LaAlO3，石英和MgO等晶體襯底上利用金屬和氨氣反應(yīng)的氣相法製備光滑且直的GaN納米線。該方法的關(guān)鍵是在合適的晶體襯底上散佈某種納米尺寸的催化劑和供質(zhì)反應(yīng)氣體的穩(wěn)定性和方向性。通過控制這兩個(gè)主要參數(shù)，我們獲得了平直且表面光滑的GaN納米線。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不僅3d過渡族金屬，如Fe，Co，Ni等是製備GaN納米線的有效催化劑，而且其氧化物具有同樣的催化作用。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先將少量3d過渡族金屬的硝酸鹽溶于水或酒精中，製成濃度極低的溶液。將拋光的LaAlO3、SiO2、MgO晶體襯底侵入溶液，再很快取出並在陰涼處晾乾。然後在Ar氣保護(hù)下900加熱數(shù)小時(shí)。掃描電鏡結(jié)果表明，

6、粒度在830nm的催化劑顆粒均勻分佈在晶體襯底上。然後將金屬Ga和襯底放入石英管內(nèi)，兩者相距15mm左右，在Ar氣保護(hù)下加熱至920-940，再通NH3 5min，隨爐冷卻至室溫，在襯底上生長(zhǎng)的GaN納米線如圖1所示。納米線的直徑為1040nm，表面光滑且無(wú)彎曲。X射線衍射和透射電鏡分析表明生長(zhǎng)的GaN納米線屬六方結(jié)構(gòu)，其點(diǎn)陣常數(shù)為a=0318nm，c=0518nm(圖2)。高分辨電鏡分析表明生長(zhǎng)的GaN納米線是實(shí)心的，而非納米管。納米線由(001)晶面沿徑向堆垛，生長(zhǎng)方向?yàn)?20光致螢光測(cè)量表明GaN納米線的帶隙發(fā)光具有藍(lán)移現(xiàn)象，從塊體GaN的365nm移至342nm。催化劑顆粒的粒度、氣流

7、量、溫度等因素對(duì)所製備的GaN納米線直徑和形貌存在很大影響。此外，用同樣的方法，我們還成功地製備出了AIN的納米線。由於這是一種非空間受限反應(yīng)模式，擺脫了範(fàn)本對(duì)GaN納米線的影響，且簡(jiǎn)化了工藝，因此是一種獲得高質(zhì)量納米線的有效方法，對(duì)於今後納米發(fā)光器件的製備及 研究工作具有重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。    2發(fā)展了氮化鎵量子點(diǎn)製備的新方法    一般製備量子點(diǎn)採(cǎi)用的是光刻法和Stranski-Krastanov(S-K)生長(zhǎng)模式。第一種方法出於其方法本身的局限性，已基本不再常用。而第二種方法則是利用MBE和MOVPE，通過基底和外延膜的品格失配而誘導(dǎo)產(chǎn)生的，目前普遍