專利名稱：一種Ga空位可調的GaN納米結構的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體納米材料及其制備的技術領域，涉及稀磁半導體材料方面，具備Ga空位可調的GaN納米結構的制備方法。
背景技術：
近年來,稀磁半導體(DilutedMagnetic Semiconductors, DMSs),又稱半磁半導體，是指在非磁性半導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器和半導體電路的集成電路和半導體激光器集成電路以及量子計算機等領域具有廣闊的應用前景。GaN是III _ V族半導體材料中禁帶寬度為3.4eV的直接帶隙半導體材料。這類材料能利用電子的電荷特性和自旋特性，即兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性，可將半導體的信息處理與磁性材料的信 息存儲功能、半導體材料的優(yōu)點和磁性材料的非易失性兩者融合在一起。同時，具有良好的光電和壓電特性，在高頻、大功率型器件、藍光和紫外半導體激光方面有廣泛引用。已有的研究工作大多是針對GaN納米材料的物相或形貌單一方面的研究，且采用較為復雜的實驗操作方法對其進行摻雜，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換為氣態(tài)，在真空中膨脹，凝結在襯底上，進行外延生長。如Averett K.L.等以Si (111)和藍寶石(001)為襯底，生長的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年林郭強等人采用氫化物外延法在C面藍寶石上選區(qū)外延生長，參閱半導體學報第29卷第3期530-533頁.2007年Tongbo Wei等人在GaN模板上外延生長GaN薄膜，參閱半導體學報第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納米結構，以金屬鎵和氮氣為源，電弧放電30-60 min，粒徑為5_10um，表面布滿褶皺和小孔，參閱2009年吉林大學博士學位論文一III族氮化物及AlN基稀磁半導體納米材料的制備與高壓物性研究.第3章第64-66頁。由上述報道可以看出分子束外延法生長速率慢、成本比較高；氫化物氣相外延術很難精確控制膜厚，且反應氣體對設備具有腐蝕性，并且影響GaN材料純度的提高；直流電弧等離子法不宜實現(xiàn)工業(yè)化生產。而化學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，對于難熔物質，能夠在遠低于其熔點溫度進行沉積，可用于碳化物、金屬及合金、I1-VI族和II1- V族半導體的制備，產物均勻性好，可控性好，對環(huán)境危害小，易于推廣。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于，提供一種化學氣相沉積法制備Ga空位可調的GaN納米結構的制備方法以解決現(xiàn)有技術制備工藝復雜、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空位可控的納米結構。本方法簡單易行，所有原料都很常見，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產。本發(fā)明是通過以下工藝過程實現(xiàn)的:
在陶瓷舟中直接合成的GaN納米結構是以高純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，爐內真空度抽至IX 10_2 Pa以下，通入流量為100 sccm的氬氣，并對管式爐進行加熱。溫度達到980°C時，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，關掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品。本發(fā)明的特點是:方法簡單，成本低，產率高，產物均勻性好，可控性好，對環(huán)境危害小，易于推廣。與現(xiàn)有技術相 比，本發(fā)明的特點在于:采用化學氣相沉積法制備出Ga空位可調的GaN納米結構，其Ga空位的濃度易于控制，制備工藝簡單，得到室溫鐵磁性和高的居里溫度(大于300 K)。本實驗產物均勻性好，對環(huán)境污染小，可控性好，易于推廣，因而具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。


圖1為實施例1的XRD譜圖，插圖為EDS圖。圖2為實施例1的SEM圖像，插圖為相應的HRTEM譜圖和FFT圖。圖3為實施例1的PL譜圖。圖4為實施例2的EDS圖。圖5為實施例3的EDS圖。
具體實施例方式實施例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，并對管式爐進行加熱，溫度達到980 1:時，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，關掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關掉氬氣，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構(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構，直徑為100-200 nm左右，長度為幾百納米，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，右下插圖為其相應FFT圖，顯示其為單晶的六方纖鋅礦結構。圖3是GaN-1的PL譜圖，516nm處存在的峰證實樣品中存在Ga空位。圖4是實例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流量可調控GaN納米結構中Ga空位的濃度。
實施例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，并對管式爐進行加熱，溫度達到980 1:時，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，關掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品GaN-2ο實施例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，并對管式爐進行加熱，溫度達到980 1:時，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，關掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品GaN-3ο由以上實施例可以看出，采用化學氣相沉積法制備Ga空位可調的GaN納米結構，其產物均勻性好，可控性好，工藝簡單，成本低，因而具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種Ga空位可調的GaN納米結構的制備方法:本方法采用化學氣相沉積法，在陶瓷舟中生出Ga空位可調的GaN納米結構。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。使用機械泵和擴散泵對系統(tǒng)抽真空，使爐內真空度抽至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，并對管式爐進行加熱。當管式爐加熱區(qū)的溫度達到980°C時，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，關掉氨氣，并保持氬氣流量不變。自然冷卻到室溫，關掉氬氣，取出陶瓷舟，得到樣品。
2.如權利要求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.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述首次保溫時間為3h。
7.如 權利要求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保持時間為2 ho
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Ga空位可調的GaN納米結構的制備方法，屬于納米材料及其制備的技術領域。本發(fā)明采用化學氣相沉積法，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，爐內真空度抽至1×10-2Pa以下，通入流量為100sccm的氬氣，對管式爐進行加熱。溫度達到980℃時，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，關掉氬氣，取出樣品。本發(fā)明的特點是方法簡單，成本低，產率高，產物均勻且可控性好，對環(huán)境危害小，易于推廣。
文檔編號C23C16/34GK103173738SQ20131009323
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權日2013年3月22日
發(fā)明者吳 榮, 任會會, 簡基康 申請人:新疆大學