gan纳米线材料的制备技术

gan纳米线材料的制备技术

gan基iii的族氮化材料具有广阔的直接带（1.9.6.2ev）、优异的物理和化学稳定性、高饱和电子偏移速度（比gaas高1.5倍）、高打击穿场强度和高热源率（比gaas高3倍）等优点。它是开发高温和高功率电子的最佳材料。尤其是gan氏异质结界面的很大带宽位移。同时，gan基材料具有强大的电致动率。它可以提供比gaas材料体系更高的二维电子密度。由于材料体系的巨大差异（比gaas的8倍高），genjic模型的功率密度为10倍，理论值可达到20w。5mm，现在是9.8w。此外，gan组合的高输出组合可以显著降低装置输出的电流。近年来，随着gan系列光刻制度研究开发的高潮，gan系列材料的制备技术取得了突破，并可以制造出低维量化结构。在室温下，gan体电子传输率接近1.103cm/（v）s，三维电子传输率超过1.14cm/（v）s。因此，gan基iii族氮化物被认为是开发下一代微电器、高能耗、高温、抗辐射和耐腐蚀的最佳材料。第三微电子技术（高温）初期的研究和开发。低维结构半导体材料由于量子效应而表现出许多优良特性,引起了人们极大的研究热情.由于量子尺寸的限制效应,量子线材料电子能量状态呈现类似原子分裂的V形、T形或斜T形能级结构.由于能级的分立状况,量子线材料更容易达到激光所必需的粒子数反转要求,故适合于制作激光器.同时,用量子线制作激光器,由于量子限制效应,将使激光器的阈值电流密度降低,提高直接调制速度,降低阈值电流对温度的敏感度.利用量子线控制杂质散射的原理,可以制成量子线沟道场效应晶体管,单模量子线可以用来制作量子干涉场效应晶体管和布喇格反射量子干涉场效应晶体管等电子干涉效应器件.本文综述了GaN纳米线材料的制备技术,分析研究了纳米线材料的特性.用CVD法研制的GaN纳米线的直径已经达到5~12nm;长度可以达到几百个微米;纳米线具有GaN的六方纤锌矿结构,其PL谱具有宽的发射峰,谱峰中心在420nm处.GaN纳米线已经在肖特基二极管的研制中得到了应用.1化学和化学cvd法GaN纳米线材料生长技术非常多,有MBE生长技术、MOCVD生长技术以及化学溶剂法和氨热法等生长技术.但绝大多数GaN纳米线研究者用的方法是化学CVD方法.HanWQ等利用碳纳米管限制反应的CVD技术第一个合成了生长GaN纳米线.MBE技术是高真空外延技术,在高真空环境下,作为源材料的元素Ga、In、Al、N2等经过加热蒸发等过程,以原子束或离子束的形式,以一定的速度打在经过选择的外延衬底上,并在衬底上按预选的结构有序地排列,从而形成各种低维结构材料.MOCVD则是选择金属有机源和氨气作为源材料,通过气体输运携带到衬底上方,并进行各种反应形成半导体低维结构材料.化学CVD法一般是由气体携带各种反应源材料到衬底上方,并在一定条件下反应生成所需的半导体材料.KimTY等使用的一种合成生长GaN纳米线的垂直CVD设备如图1所示.KimTY等用该设备研制出的GaN纳米线材料在施加1200V的电压时可以获得来自GaN纳米线场发射的1μA的电子电流.最近几年,在GaN材料研究开发高潮的推动下,许多材料科学工作者对GaN基材料制备投入了巨大的研究热情.PengHY等用简单的热丝CVD法研制GaN纳米线得到了直径为5~12nm和长度为几个微米的GaN纳米线.该GaN纳米线具有很高的纯度,其PL谱具有宽的发射峰,谱峰中心在420nm处.ZhangJun等用简单的化学CVD方法研制GaN纳米线,得到了直径为40~50nm和长度为几百个微米的GaN纳米线,且该纳米线具有GaN的六方纤锌矿结构.ChenCC等用二步催化反应化学CVD法合成生长GaN纳米线,得到了高质量的GaN纳米线材料,并且在场致发射器件中得到应用.ZhouSM等用等离子体增强化学CVD设备研制GaN纳米线材料,得到了直径为30nm和长度为几百个微米的GaN纳米线.ChengGS等用铝模板的化学CVD法研制出了具有高取向的GaN纳米线.YangYing-Ge等用磁控溅射设备研制GaN纳米线,在生长的GaN纳米线中可以观察到具有很强的蓝光PL谱.2材料的加纳纳米线特征2.1管渗生长的gan纳米线形貌在形貌特征上,大多数GaN纳米线都具有典型的自组织生长的纳米线特征.LyuSC等在用NiO催化的Al衬底上,用简单的化学气相淀积法合成生长的GaN纳米线形貌的SEM照片,如图2所示.这是一张典型的GaN纳米线形貌照片.图2a和图2b是大量GaN纳米线照片,图2c和图2d是GaN纳米线的细节照片.从图中可以看出,该GaN纳米线长度超过100μm,直径范围为50~60nm.纳米线比较直,并且具有清晰的表面.2.2mocvd的晶体结构由于纳米线能级的分立,使GaN纳米线还具有独特的光学性能.典型的GaN纳米线室温PL谱如图3所示.由He-Cd激光器的325nm激发获得激发光为3.82eV的光子能量,在2.1~3.6eV能量的宽带范围内具有在3.37eV的峰值.在谱峰内有从3~3.6eV的强峰,而弱峰范围为2.1~3eV.在用MOCVD沿c轴生长GaN外延薄层材料喇曼谱中常常会出现E2、A1(LO)和E1(LO)的声子模式,这是由于六方结构的选择对称性造成的.而在GaN纳米线中却没有纵向光声子(LO)峰,六方结构的GaN纳米线由于在近散射几何的声子波矢和轴向的特别角度分布情况,使GaN纳米线喇曼谱仅有A1(TO),E1(TO)和E2模式峰,分别在531cm-1,560cm-1和566cm-1,如图4所示.峰值显示比较宽且不对称,这是量子尺寸效应和内部应力作用造成的.2.3频率谱研究ZhouSM等用物理蒸发合成的方法合成了GaN纳米线并研究了它的介电特性.用频率谱研究表明,与通常的GaN材料相比,GaN纳米线的介电常数与频率和GaN薄膜材料的介电常数与频率在整个曲线上基本一致,即随着频率的增加,介电常数减小,如图5所示.2.4gan纳米线发射电流的测量KimTY等研究的GaN纳米线的场发射特性如图6所示.从图中可以看出,在施加1200V的电压时,可以获得1μA的发射电流.因GaN纳米线与阳极板之间的距离是150μm,发射面积是7mm2.经计算,GaN纳米线的开启电场是7.4V/μm.由图中可以看出,GaN纳米线的测量电子电流来自于GaN纳米线的场发射.由于半导体纳米线的能带弯曲,加上GaN纳米线中自身的高n型掺杂,大多数电子被假定是从导带发射的.2.5金属ni的催化合成gan纳米线Aghasyan等用GaN纳米线研制肖特基二极管的研究结果如图7所示.该器件的结构材料是在Si衬底上,采用金属Ga和GaN粉末混合,直接用热CVD设备通入NH3,在1000℃条件下由金属Ni做催化剂反应生成GaN纳米线;该GaN纳米线直径为50nm.在选择的GaN纳米线上用经电子束曝光和热蒸发的20nm的Ti和50nm的Au形成电极.GaN纳米线和Ti/Au电极通过400℃~500℃(30s)的快速热退火来形成欧姆接触.在与GaN纳米线形成欧姆接触后,再淀积一层金属Al形成肖特基栅.由器件的I-V特性可以看出,该器件具有很好的线性,接触电阻也比较小.在室温和10K低温条件下分别具有0.4V和1.1V的开关特性,在5V左右的测量范围内没有发现偏压击穿.3gan应用20世纪80年代崛起的以低维结构半导体材料为主导的纳米科学与技术将成为21世纪高科技基础.随着MBE、MOCVD等半导体生长技术