CVD法合成一维GaN纳米结构和GaN薄膜的研究

摘要

氮化镓是一种良好的宽带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，是当前世界上最先进的半导体材料之一。在室温下，氮化镓的禁带宽度为3.4 eV，是制作光电子器件，蓝、绿发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)的理想材料。这类光源在高密度光信息存储、高速激光打印、全色动态高亮度光显示、固体照明、信号探测、通讯等方面有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。此外，氮化镓也是制作高温、高频、大功率器件的理想材料。目前，氮化镓材料己经成为世界各国研究的热点。金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等方法已经成为制备氮化镓材料的主流工艺，其中以MOCVD工艺使用的最为广泛。采用上述方法制备氮化镓材料，设备昂贵，工艺复杂，很大程度上限制了氮化镓材料的制备、生产和应用。现在，国际上许多科研机构正在探索新的工艺方法，试图在合适的衬底上制备高质量的氮化镓薄膜。近几年来，由于一维氮化镓纳米结构在可见光和紫外光光电子器件方面的应用前景十分诱人，氮化镓一维结构的合成己经备受关注，国际上掀起了一维氮化镓纳米结构材料的研究热潮。 本文采用简单的化学气相沉积方法，在硅衬底上合成了高纯的一维氮化镓纳米结构和氮化镓晶体薄膜，分析了合成产物的组分和结构，探讨了化学气相沉积法合成一维氮化镓纳米结构的生长机制与影响因素。 1、以金属镓和氨气为原料，物理蒸发镀金属镍为催化剂，硅为衬底，用化学气相沉积方法在950℃合成氮化镓纳米带，结果表明纳米带为纤锌六方结构晶体，宽度在50 nm到200 nm范围内，宽厚比大约为1/20，长度达到几十微米，不均一的径向生长导致了带状结构的形成，其生长机理为VLS机理。 2、以金属镓和氨气为原料，物理蒸发镀金属镍为催化剂，硅为衬底，用化学气相沉积方法在1050℃合成六角锥形氮化镓纳米结构，锥形结构为六方结构晶体，平均直径为500 nm左右，长度为几个微米，其生长是由VLS和VS机理混合控制。 3、以金属镓和氨气为原料，电镀金属镍为催化剂，硅为衬底，用化学气相沉积方法合成氮化镓纳米线，氮化镓纳米线呈现弯曲形状，表面光滑，长度达到几十微米，直径大概在20 nm到200 nm范围内，其生长由VLS机理控制。 4、以金属镓和氨气为原料，硅为衬底，不使用任何催化剂，用化学气相沉积方法合成蜿蜒曲折形状的氮化镓纳米线，该纳米线不如使用催化剂合成的氮化镓纳米线光滑，其长度达到几十微米，直径大概在30nm到150 nm范围内，生长机理是VS机理。 5、实验中发现衬底的表面形貌对产物的形貌有很大影响。在光滑的衬底表面容易形成纳米线，在粗糙的衬底表面容易形成纳米带。但是衬底的光滑程度和产物的形貌之间的关系还不是很清楚，需要有进一步的研究数据支持；升温速率对样品的形貌有很大影响，升温速率高的时候容易形成线(带)状的结构，而升温速率较低时容易形成薄膜形貌。 6、氮化镓薄膜和其它一维形貌氮化镓结构，如纳米带环、纳米棒和纳米片等也被合成。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章概述

1.1半导体纳米材料的分类与性质

1.1.1半导体材料的分类

1.1.2半导体纳米材料性质

1.2 GaN材料的研究历史

1.3 GaN基材料的基本特性

1.3.1物理特性

1.3.2化学特性

1.3.3电学性质

1.3.4光学特性

1.4 GaN基材料的制备技术

1.4.1卤化物气相外延(HVPE)技术

1.4.2分子束外延(MBE)技术

1.4.3金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术

1.4.4化学束外延

1.5衬底的选择

1.6低维氮化镓材料的合成方法和基本情况

1.7氮化镓基材料的应用

1.7.1氮化镓基材料的光电器件

1.7.2氮化镓基电子器件

1.7.3正在探索中的新技术应用领域

1.8选题依据

第二章实验仪器设备

2.1实验中使用的主要设备

2.1.1真空镀膜系统

2.1.2电流镀膜系统

2.1.3反应系统

2.1.4实验中其它设备

2.2实验试剂

2.3结构分析与表征仪器

2.4衬底的清洗

第三章一维氮化镓纳米结构的合成

3.1氮化镓纳米带的合成

3.1.1氮化镓纳米带扫描电镜分析

3.1.2氮化镓纳米带的EDS分析

3.1.3氮化镓纳米带结构分析

3.1.4高分辨透射电镜分析

3.1.5氮化镓纳米带生长机理的讨论

3.2六角锥形氮化镓晶体的合成

3.2.1硅衬底和硅衬底上镍膜的形貌观察

3.2.2六角锥形氮化镓结构扫描电镜分析

3.2.3六角锥形氮化镓晶体的EDS分析

3.2.4六角锥形氮化镓晶体的结构分析

3.2.5六角锥形氮化镓晶体的透射电镜分析

3.2.6六角锥形氮化镓晶体生长机理的讨论

3.3氮化镓纳米线的合成

3.3.1硅衬底上镍膜的形貌观察

3.3.2氮化镓纳米线的扫描电镜分析

3.3.3氮化镓纳米线的EDS分析

3.3.4氮化镓纳米线的结构分析

3.3.5氮化镓纳米线的透射电镜分析

3.3.6氮化镓纳米线生长机理的讨论

3.4直接反应法合成蜿蜒曲折氮化镓纳米线

3.4.1产物形貌的分析

3.4.2直接法合成氮化镓纳米线的透射电镜分析

3.5一维氮化镓纳米结构生长规律的分析

3.5.1衬底形貌对产物形貌的影响

3.5.2氨气气流对产物形貌的影响

3.5.3升温速率对产物形貌的影响分析

3.6其它形貌结构氮化镓的合成

3.6.1氮化镓纳米片的合成

3.6.2氮化镓纳米棒的发现

3.6.3氮化镓纳米棒生长机理的讨论

第四章氮化镓薄膜的合成

4.1氮化镓薄膜的合成

4.1.1氮化镓薄膜的扫描电镜分析

4.1.2氮化镓薄膜的原子力显微镜分析

4.1.3氮化镓薄膜的XRD分析

4.1.4氮化镓薄膜的X射线光电子能谱(XPS)分析

第五章结论和展望

5.1结论

5.2对今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文