Au催化GaN納米線的制備與Mg摻雜研究.pdf

1、納米線、納米帶和納米棒作為新型的一維材料越來(lái)越多引起了人們的研究興趣。2001年《科學(xué)》雜志宣布基于半導(dǎo)體納米線的納米電路將是人類科學(xué)的一個(gè)重大突破。最近《自然》雜志上一篇報(bào)道稱“無(wú)論如何，納米線、納米棒和納米晶須都是納米科技中的研究熱點(diǎn)”。毫無(wú)疑問(wèn)基于納米線的一維材料將是未來(lái)十年內(nèi)科研新的立足點(diǎn)[1]。由于在藍(lán)光發(fā)光管和高能電子器件方面的廣泛應(yīng)用，并隨著目前納米科技研究的迅猛發(fā)展，人們開(kāi)展了很多的工作來(lái)合成用于制備納米器件的GaN一維

2、納米結(jié)構(gòu)材料，如納米線和納米帶等[2]。GaN的納米材料的研究在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)吸引著眾多研究者的目光，每年都有大量的文獻(xiàn)報(bào)道GaN納米材料的制備新方法、所用的新材料等等。 由于GaN材料載流子的帶間躍遷產(chǎn)生的輻射波長(zhǎng)很短，在近紫外波段.對(duì)其摻雜后可得到位于禁帶中的發(fā)光中心，使發(fā)光波長(zhǎng)移至可見(jiàn)區(qū)域.尤其是在藍(lán)光材料方面,GaN及其相關(guān)材料具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，這也是目前GaN及其相關(guān)材料應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域.近幾年來(lái),GaN材料生長(zhǎng)和器

3、件制備都獲得了巨大進(jìn)展[3-7]。GaN基藍(lán)光LED和LD相繼研制成功并進(jìn)入市場(chǎng)，更加推動(dòng)了GaN材料的發(fā)展。目前GaN器件發(fā)展主要的障礙[8]在于背景載流子(電子)濃度太高，p型摻雜水平低。背景載流子可能與N空位、替位式Si、替位式O等有關(guān)[9，10]。p型摻雜(主要是摻Mg)方面，H補(bǔ)償受主Mg,使摻Mg的GaN成為半絕緣。經(jīng)過(guò)低能電子束輻照(LEEBI)或快速熱退火(RTA)處理后，部分Mg可以被激活，空穴濃度可達(dá)到1018cm-

4、3，但仍然不能很好滿足器件需要，這可能與Mg較高的電離能(約250meV)有關(guān)。其它摻雜劑也在研究中。然而，關(guān)于GaN納米結(jié)構(gòu)的摻雜研究的文獻(xiàn)報(bào)道卻很少。 本文采用Mg作為摻雜源，通過(guò)氨化磁控濺射Ga2O3/Au薄膜的方法在硅襯底上合成了鎂摻雜GaN納米結(jié)構(gòu)。并以掃描電鏡(SEM)為主，結(jié)合透射電鏡及高分辨電鏡、X射線衍射、紅外吸收等手段，研究了納米線的形貌、顯微結(jié)構(gòu)、成分等，并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了初步探索。研究了不同的氨化溫度、

5、不同的氨化時(shí)間和不同中間層厚度對(duì)GaN納米線的影響。 首先我們利用磁控濺射系統(tǒng)先在Si襯底上制備Ga2O3/Au薄膜，然后在氨氣氛圍中退火制備GaN納米結(jié)構(gòu)。 測(cè)試結(jié)果表明：合成的納米結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN；氨化溫度、氨化時(shí)間和鎂的含量等都對(duì)一維鎂摻雜GaN納米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)量和形貌產(chǎn)生了很大的影響。隨著氨化溫度的升高，GaN納米結(jié)構(gòu)的直徑先減小并有棉絮狀晶體生成，后來(lái)直徑又增大且表面趨于相對(duì)光滑；納米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶質(zhì)量

6、也逐漸提高。其中，退火溫度為900℃時(shí)，我們得到了結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌最佳的樣品。但是，當(dāng)溫度繼續(xù)升高(高于950℃)，氮化鎵納米線的數(shù)量會(huì)減少并且結(jié)晶質(zhì)量也會(huì)下降。從氨化時(shí)間上看，15min所得結(jié)果相對(duì)較好。 另外，我們通過(guò)改變鎂摻雜源的量，發(fā)現(xiàn)得到的納米結(jié)構(gòu)形貌和成分都發(fā)生了變化，說(shuō)明鎂的量對(duì)鎂摻雜GaN納米結(jié)構(gòu)的合成也有很大的影響。GaN納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制可初步歸結(jié)為氣體-液體-固體(VLS)生長(zhǎng)機(jī)制[11-14]，其中高溫