gan納米線材料的制備技術(shù)

gan納米線材料的制備技術(shù)

gan基iii的族氮化材料具有廣闊的直接帶（1.9.6.2ev）、優(yōu)異的物理和化學(xué)穩(wěn)定性、高飽和電子偏移速度（比gaas高1.5倍）、高打擊穿場(chǎng)強(qiáng)度和高熱源率（比gaas高3倍）等優(yōu)點(diǎn)。它是開(kāi)發(fā)高溫和高功率電子的最佳材料。尤其是gan氏異質(zhì)結(jié)界面的很大帶寬位移。同時(shí)，gan基材料具有強(qiáng)大的電致動(dòng)率。它可以提供比gaas材料體系更高的二維電子密度。由于材料體系的巨大差異（比gaas的8倍高），genjic模型的功率密度為10倍，理論值可達(dá)到20w。5mm，現(xiàn)在是9.8w。此外，gan組合的高輸出組合可以顯著降低裝置輸出的電流。近年來(lái)，隨著gan系列光刻制度研究開(kāi)發(fā)的高潮，gan系列材料的制備技術(shù)取得了突破，并可以制造出低維量化結(jié)構(gòu)。在室溫下，gan體電子傳輸率接近1.103cm/（v）s，三維電子傳輸率超過(guò)1.14cm/（v）s。因此，gan基iii族氮化物被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)下一代微電器、高能耗、高溫、抗輻射和耐腐蝕的最佳材料。第三微電子技術(shù)（高溫）初期的研究和開(kāi)發(fā)。低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料由于量子效應(yīng)而表現(xiàn)出許多優(yōu)良特性,引起了人們極大的研究熱情.由于量子尺寸的限制效應(yīng),量子線材料電子能量狀態(tài)呈現(xiàn)類似原子分裂的V形、T形或斜T形能級(jí)結(jié)構(gòu).由于能級(jí)的分立狀況,量子線材料更容易達(dá)到激光所必需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要求,故適合于制作激光器.同時(shí),用量子線制作激光器,由于量子限制效應(yīng),將使激光器的閾值電流密度降低,提高直接調(diào)制速度,降低閾值電流對(duì)溫度的敏感度.利用量子線控制雜質(zhì)散射的原理,可以制成量子線溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管,單模量子線可以用來(lái)制作量子干涉場(chǎng)效應(yīng)晶體管和布喇格反射量子干涉場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子干涉效應(yīng)器件.本文綜述了GaN納米線材料的制備技術(shù),分析研究了納米線材料的特性.用CVD法研制的GaN納米線的直徑已經(jīng)達(dá)到5~12nm;長(zhǎng)度可以達(dá)到幾百個(gè)微米;納米線具有GaN的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),其PL譜具有寬的發(fā)射峰,譜峰中心在420nm處.GaN納米線已經(jīng)在肖特基二極管的研制中得到了應(yīng)用.1化學(xué)和化學(xué)cvd法GaN納米線材料生長(zhǎng)技術(shù)非常多,有MBE生長(zhǎng)技術(shù)、MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)以及化學(xué)溶劑法和氨熱法等生長(zhǎng)技術(shù).但絕大多數(shù)GaN納米線研究者用的方法是化學(xué)CVD方法.HanWQ等利用碳納米管限制反應(yīng)的CVD技術(shù)第一個(gè)合成了生長(zhǎng)GaN納米線.MBE技術(shù)是高真空外延技術(shù),在高真空環(huán)境下,作為源材料的元素Ga、In、Al、N2等經(jīng)過(guò)加熱蒸發(fā)等過(guò)程,以原子束或離子束的形式,以一定的速度打在經(jīng)過(guò)選擇的外延襯底上,并在襯底上按預(yù)選的結(jié)構(gòu)有序地排列,從而形成各種低維結(jié)構(gòu)材料.MOCVD則是選擇金屬有機(jī)源和氨氣作為源材料,通過(guò)氣體輸運(yùn)攜帶到襯底上方,并進(jìn)行各種反應(yīng)形成半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料.化學(xué)CVD法一般是由氣體攜帶各種反應(yīng)源材料到襯底上方,并在一定條件下反應(yīng)生成所需的半導(dǎo)體材料.KimTY等使用的一種合成生長(zhǎng)GaN納米線的垂直CVD設(shè)備如圖1所示.KimTY等用該設(shè)備研制出的GaN納米線材料在施加1200V的電壓時(shí)可以獲得來(lái)自GaN納米線場(chǎng)發(fā)射的1μA的電子電流.最近幾年,在GaN材料研究開(kāi)發(fā)高潮的推動(dòng)下,許多材料科學(xué)工作者對(duì)GaN基材料制備投入了巨大的研究熱情.PengHY等用簡(jiǎn)單的熱絲CVD法研制GaN納米線得到了直徑為5~12nm和長(zhǎng)度為幾個(gè)微米的GaN納米線.該GaN納米線具有很高的純度,其PL譜具有寬的發(fā)射峰,譜峰中心在420nm處.ZhangJun等用簡(jiǎn)單的化學(xué)CVD方法研制GaN納米線,得到了直徑為40~50nm和長(zhǎng)度為幾百個(gè)微米的GaN納米線,且該納米線具有GaN的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu).ChenCC等用二步催化反應(yīng)化學(xué)CVD法合成生長(zhǎng)GaN納米線,得到了高質(zhì)量的GaN納米線材料,并且在場(chǎng)致發(fā)射器件中得到應(yīng)用.ZhouSM等用等離子體增強(qiáng)化學(xué)CVD設(shè)備研制GaN納米線材料,得到了直徑為30nm和長(zhǎng)度為幾百個(gè)微米的GaN納米線.ChengGS等用鋁模板的化學(xué)CVD法研制出了具有高取向的GaN納米線.YangYing-Ge等用磁控濺射設(shè)備研制GaN納米線,在生長(zhǎng)的GaN納米線中可以觀察到具有很強(qiáng)的藍(lán)光PL譜.2材料的加納納米線特征2.1管滲生長(zhǎng)的gan納米線形貌在形貌特征上,大多數(shù)GaN納米線都具有典型的自組織生長(zhǎng)的納米線特征.LyuSC等在用NiO催化的Al襯底上,用簡(jiǎn)單的化學(xué)氣相淀積法合成生長(zhǎng)的GaN納米線形貌的SEM照片,如圖2所示.這是一張典型的GaN納米線形貌照片.圖2a和圖2b是大量GaN納米線照片,圖2c和圖2d是GaN納米線的細(xì)節(jié)照片.從圖中可以看出,該GaN納米線長(zhǎng)度超過(guò)100μm,直徑范圍為50~60nm.納米線比較直,并且具有清晰的表面.2.2mocvd的晶體結(jié)構(gòu)由于納米線能級(jí)的分立,使GaN納米線還具有獨(dú)特的光學(xué)性能.典型的GaN納米線室溫PL譜如圖3所示.由He-Cd激光器的325nm激發(fā)獲得激發(fā)光為3.82eV的光子能量,在2.1~3.6eV能量的寬帶范圍內(nèi)具有在3.37eV的峰值.在譜峰內(nèi)有從3~3.6eV的強(qiáng)峰,而弱峰范圍為2.1~3eV.在用MOCVD沿c軸生長(zhǎng)GaN外延薄層材料喇曼譜中常常會(huì)出現(xiàn)E2、A1(LO)和E1(LO)的聲子模式,這是由于六方結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)稱性造成的.而在GaN納米線中卻沒(méi)有縱向光聲子(LO)峰,六方結(jié)構(gòu)的GaN納米線由于在近散射幾何的聲子波矢和軸向的特別角度分布情況,使GaN納米線喇曼譜僅有A1(TO),E1(TO)和E2模式峰,分別在531cm-1,560cm-1和566cm-1,如圖4所示.峰值顯示比較寬且不對(duì)稱,這是量子尺寸效應(yīng)和內(nèi)部應(yīng)力作用造成的.2.3頻率譜研究ZhouSM等用物理蒸發(fā)合成的方法合成了GaN納米線并研究了它的介電特性.用頻率譜研究表明,與通常的GaN材料相比,GaN納米線的介電常數(shù)與頻率和GaN薄膜材料的介電常數(shù)與頻率在整個(gè)曲線上基本一致,即隨著頻率的增加,介電常數(shù)減小,如圖5所示.2.4gan納米線發(fā)射電流的測(cè)量KimTY等研究的GaN納米線的場(chǎng)發(fā)射特性如圖6所示.從圖中可以看出,在施加1200V的電壓時(shí),可以獲得1μA的發(fā)射電流.因GaN納米線與陽(yáng)極板之間的距離是150μm,發(fā)射面積是7mm2.經(jīng)計(jì)算,GaN納米線的開(kāi)啟電場(chǎng)是7.4V/μm.由圖中可以看出,GaN納米線的測(cè)量電子電流來(lái)自于GaN納米線的場(chǎng)發(fā)射.由于半導(dǎo)體納米線的能帶彎曲,加上GaN納米線中自身的高n型摻雜,大多數(shù)電子被假定是從導(dǎo)帶發(fā)射的.2.5金屬ni的催化合成gan納米線Aghasyan等用GaN納米線研制肖特基二極管的研究結(jié)果如圖7所示.該器件的結(jié)構(gòu)材料是在Si襯底上,采用金屬Ga和GaN粉末混合,直接用熱CVD設(shè)備通入NH3,在1000℃條件下由金屬Ni做催化劑反應(yīng)生成GaN納米線;該GaN納米線直徑為50nm.在選擇的GaN納米線上用經(jīng)電子束曝光和熱蒸發(fā)的20nm的Ti和50nm的Au形成電極.GaN納米線和Ti/Au電極通過(guò)400℃~500℃(30s)的快速熱退火來(lái)形成歐姆接觸.在與GaN納米線形成歐姆接觸后,再淀積一層金屬Al形成肖特基柵.由器件的I-V特性可以看出,該器件具有很好的線性,接觸電阻也比較小.在室溫和10K低溫條件下分別具有0.4V和1.1V的開(kāi)關(guān)特性,在5V左右的測(cè)量范圍內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)偏壓擊穿.3gan應(yīng)用20世紀(jì)80年代崛起的以低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料為主導(dǎo)的納米科學(xué)與技術(shù)將成為21世紀(jì)高科技基礎(chǔ).隨著MBE、MOCVD等半導(dǎo)體生長(zhǎng)技術(shù)