GaN纳米线的制备及特性研究

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作为第三代半导体的典型代表,氮化镓材料是一种直接带隙以及宽带隙半导体材料。室温下其禁带宽度为3.4eV,具有高临界击穿电场、高电子漂移速度、高热导、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优良特性,是制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的理想材料。而随着纳米技术的发展,Ⅲ族氮化物一维纳米结构在发光二极管、场效应晶体管以及太阳能电池领域都具有极大的潜在应用。本文采用自主的MOCVD技术,分别以硝酸镍和镍为催化剂,在Si衬底上制备了氮化镓的一维纳米结构。通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X-射线衍射技术(XRD)以及光致发光谱(PL谱)技术对制备的GaN纳米线进行了形貌、成分、结构、光学特性的表征。研究了硝酸镍浓度、氨气流量、反应温度以及反应时间对制备氮化镓一维纳米结构的影响,并探讨了制备氮化镓一维纳米结构的生长机制。主要研究结果如下:(1)利用Ni(NO32作为催化剂,通过氨化反应,以三甲基镓(TEGa)为镓源,氨气为氮源,利用自主的MOCVD系统在Si衬底上制备了大量的GaN纳米线。我们利用SEM、EDS、XRD、PL谱对制备的GaN纳米线进行形貌、成分、结构和发光特性的表征。通过测试发现,制备的纳米结构为六方纤锌矿结构,直径在200300nm之间,长度在几个微米。通过PL谱测试,发现该纳米线具有良好的发光特性。探讨认为GaN纳米线的生长符合VLS机制。(2)实验发现,以Ni(NO32为催化剂制备GaN纳米线时,Ni(NO32的浓度、反应温度、氨气流量以及生长时间对制备的纳米结构的形貌和特性都有很大影响。我们通过实验摸索,最后确认在我们自主的MOCVD中最佳生长条件为:Ni(NO32的浓度2%、反应温度910℃、氨气流量3000sccm以及生长时间20min。(3)我们利用电子束热蒸发,在Si衬底上淀积Ni薄膜,经过热退火获得Ni的纳米颗粒作为催化剂,采用MOCVD系统同样在Si衬底上制备了大量的GaN纳米线。同样的,我们利用SEM、EDS、XRD、PL谱对制备的GaN纳米线进行形貌、组分、结构和发光特性的表征。测试结果表明制备的纳米结构为六方纤锌矿结构,长度在几个微米。探讨认为GaN纳米线的生长符合VLS机制。(4)我们对Ni(NO32和Ni为催化剂制备的GaN纳米线进行了比较,认为两种催化剂各有优缺点。Ni(NO32作为催化剂制备GaN纳米线,成本较低,易于大面积生长。但是重复性不好,且工艺复杂,不易获得均匀的催化剂,且氨化产生的纳米Ni金属颗粒平均直径比直接退火得到的纳米Ni金属颗粒平均直径要大。相应的,Ni作为催化剂制备GaN纳米线,需要真空电子束热蒸发,成本较高,但通过控制淀积Ni的厚度,可以很好的控制Ni纳米颗粒催化剂的直径,且催化剂分布非常均匀。
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