兩步法合成GaN粉體及其稀土摻雜改性的研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)材料是室溫下具有3.4eV的直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度大，能夠滿足高亮度二極管(LED)、激光二極管(LD)以及抗輻射器件和高密度集成電子器件對(duì)其光電性能的需求。GaN材料物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有高飽和電子漂移速度、高擊穿場強(qiáng)及高熱導(dǎo)率等特殊性能，是發(fā)展高溫、大功率電子器件的優(yōu)選材料。GaN納米材料以其優(yōu)良的物理特性以及在制備納米器件等方面的潛在應(yīng)用，成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。通過摻雜，GaN帶隙可以覆蓋從紅外到紫外的

2、光譜范圍，并表現(xiàn)出特殊的光、電、磁性能。由于不同摻雜對(duì)GaN改性效果不一樣，人們可以獲得應(yīng)用范圍更加廣泛的GaN材料。為此，本課題對(duì)GaN納米晶的制備、摻雜以及反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 研究一，采用管式爐氨氣(NH3)直接氮化氧化鎵(Ga2O3)制備-GaN納米晶，在NH3流量為25L/h的條件下，通過對(duì)氮化溫度和時(shí)間工藝參數(shù)控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)合XRD、SEM和PL性能測試，分析了NH3直接氮化Ga2O3的氮化反應(yīng)機(jī)理。研究得出，N

3、H3直接氮化Ga2O3的最佳反應(yīng)溫度條件為1100℃。反應(yīng)初期，Ga2O3和NH3分解出的Ga、N原子首先復(fù)合，反應(yīng)生成GaN，該過程非常迅速，致使產(chǎn)物GaN中含有大量的晶格缺陷；反應(yīng)中期，Ga2O3變化為含有大量晶格缺陷的GaN，并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)重排，該過程促進(jìn)了納米晶粒度的均勻分布。反應(yīng)后期，重排機(jī)制變化為熱分解-重結(jié)晶機(jī)制，因此，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)時(shí)間，以免納米晶的分解及重結(jié)晶后團(tuán)聚，團(tuán)聚后的GaN藍(lán)光發(fā)光性能變差。因此，在1100℃的反

4、應(yīng)條件下，最佳的反應(yīng)時(shí)間為1h～1.5h。
　　 研究二，采用微波水熱法和高溫氮化兩步法生長GaN。其中微波水熱法制備出的前驅(qū)體在還原性氣體NH3氮化的作用下可以得到粒度分布均勻的GaN納米晶，其平均顆粒尺寸在5～7μm以內(nèi)，GaOOH的形貌呈現(xiàn)出棒狀單晶；對(duì)比直接氨化Ga2O3合成GaN的方法，微波水熱處理的Ga2O3粉體氮化后所得到的GaN產(chǎn)物粒徑分布較均勻，并通過自組裝成特定的棒狀形貌。實(shí)驗(yàn)表明微波水熱法在濕化學(xué)法制備Ga

5、N納米晶中，具有較佳的應(yīng)用前景。研究還得出，微波水熱法制備前驅(qū)體過程中的主要影響因素是微波反應(yīng)溫度、時(shí)間和pH值，微波溫度和時(shí)間能夠影響前驅(qū)體納米晶的生長特性，升溫可使晶格熱震動(dòng)加劇并通過Ostwald熟化過程從最初的紡錘體晶生長成棒狀形貌，從而間接影響到GaN納米晶的發(fā)光性能；pH值能夠影響晶體成核和生長速率，從而影響納米晶的結(jié)晶度和長徑比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微波水熱法合成前驅(qū)體的最佳條件是：pH=7～8，微波溫度為150℃，微波時(shí)間為20mi