氮化镓的合成制备及展望

氮化镓的合成制备及展望氮化镓的合成制备及展望 氮化镓的合成制备及展望氮化镓的合成制备及展望 氮化镓作为第三代半导体的代表，具有氮化镓作为第三代半导体的代表，具有 优越的电学性能，它在光电子器件如：蓝光、紫优越的电学性能，它在光电子器件如：蓝光、紫 外、外、 紫光等光发射二极管和激光二极管方面有着紫光等光发射二极管和激光二极管方面有着 重要的应用重要的应用. .。氮化镓的合成制备，对全球半导。氮化镓的合成制备，对全球半导 体产业的发展具有重要意义，体产业的发展具有重要意义， 目前已经成为世界目前已经成为世界 的研究热点。的研究热点。 本文对氮化镓薄膜以及纳米氮化镓本文对氮化镓薄膜以及纳米氮化镓 的合成制备方法进行了综述。的合成制备方法进行了综述。 摘摘 要：要： 引引 言言 GaNGaN 是一种优异的直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为是一种优异的直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为 3.4 eV3.4 eV，具有，具有 优良的光电性能、热稳定性及化学稳定性，是制作高亮度蓝绿发光二极管优良的光电性能、热稳定性及化学稳定性，是制作高亮度蓝绿发光二极管 ( LED)( LED) 、激光二极管、激光二极管( LD)( LD) 以及大功率、高温、高速和恶劣环境条件下工作的以及大功率、高温、高速和恶劣环境条件下工作的 光电子器件的理想材料。最近有报道发现光电子器件的理想材料。最近有报道发现 GaNGaN 基纳米材料具有吸收可见光使水基纳米材料具有吸收可见光使水 解离产生氢的性能，这使得解离产生氢的性能，这使得 GaNGaN 纳米材料的研究获得了很多的关注。半导体纳纳米材料的研究获得了很多的关注。半导体纳 米粒子由于小尺寸效应，往往会呈现不同于体材料的发光特性。但要实现高效米粒子由于小尺寸效应，往往会呈现不同于体材料的发光特性。但要实现高效 可靠的光发射，尤其是可在柔性衬底上制作器件并可供日常使用的光发射材料可靠的光发射，尤其是可在柔性衬底上制作器件并可供日常使用的光发射材料 仍然是个巨大的挑战。目前，合成仍然是个巨大的挑战。目前，合成 GaNGaN 纳米粒子方法主要有氨热法、金属有机纳米粒子方法主要有氨热法、金属有机 化合物化学气相沉积化合物化学气相沉积( MOCVD)( MOCVD) 法、高温热解法、胶体化学法等。法、高温热解法、胶体化学法等。 一、氮化镓薄膜制备一、氮化镓薄膜制备 GaN GaN 薄膜的合成技术，近年来在文献中有很多的报导。由于薄膜的合成技术，近年来在文献中有很多的报导。由于 GaNGaN 的熔点很的熔点很 高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，而且用一般的体单高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，而且用一般的体单 晶生长方法来制备薄膜也相当困难，必须采用外延法进行制备。晶生长方法来制备薄膜也相当困难，必须采用外延法进行制备。 MOCVDMOCVD，，MBEMBE，， HVPEHVPE 等是比较传统的等是比较传统的 GaNGaN 薄膜制备方法。薄膜制备方法。 1.1.金属有机物气相沉积法金属有机物气相沉积法 MOCVDMOCVD（金属有机物气相沉积法）是在气相外延生长的基础上发展起来的一（金属有机物气相沉积法）是在气相外延生长的基础上发展起来的一 种新型气相外延生长技术。在采用种新型气相外延生长技术。在采用 MOCVDMOCVD 法制备法制备 GaNGaN 单晶的传统工艺中，通常单晶的传统工艺中，通常 以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，以蓝宝石(Al2O3)(Al2O3)作为衬底，并用氢气和作为衬底，并用氢气和 氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发 生反应，能够在衬底上生成生反应，能够在衬底上生成 GaNGaN 的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长，的分子团，在衬底表面上吸附、成核、生长， 最终形成一层最终形成一层 GaNGaN 单晶薄膜。采用单晶薄膜。采用 MOCVDMOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合法制备的产量大，生长周期短，适合 用于大批量生产。但生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存用于大批量生产。但生长完毕后需要进行退火处理，最后得到的薄膜可能会存 在裂纹，会影响产品的质量。在裂纹，会影响产品的质量。 2.2. 分子束外延法分子束外延法 用用 MBEMBE 法（分子束外延法）制备法（分子束外延法）制备 GaNGaN 与与 MOCVDMOCVD 法类似，主要的区别在于镓法类似，主要的区别在于镓 源的不同。源的不同。MBEMBE 法的镓源通常采用法的镓源通常采用 GaGa 的分子束，的分子束，NH3NH3 作为氮源，制备方法与作为氮源，制备方法与 MOCVDMOCVD 法相似，法相似，也是在衬底表面反应生成也是在衬底表面反应生成 GaNGaN。。用该方法可以在较低的温度下实用该方法可以在较低的温度下实 度高，且制备前驱物使用的柠檬酸无毒无污染，是一种较为理想的制备方度高，且制备前驱物使用的柠檬酸无毒无污染，是一种较为理想的制备方 法。法。 2.2.化学气相沉积法化学气相沉积法 使用化学气相沉积法使用化学气相沉积法(CVD(CVD 法法) )可以制备出可以制备出GaNGaN纳米线。该方法一般采用金属纳米线。该方法一般采用金属 镓或氧化镓作为镓源，镓或氧化镓作为镓源，NH3NH3 作为氮源，在硅衬底上进行沉积。此外，该衬底通作为氮源，在硅衬底上进行沉积。此外，该衬底通 常涂上一层含镍常涂上一层含镍 (Ni2+) (Ni2+)的溶液。将该溶液作为硅衬底的涂层，可以对反应起到的溶液。将该溶液作为硅衬底的涂层，可以对反应起到 催化的作用。反应前，先将金属镓或者氧化镓粉末置于石英反应器的内层作为催化的作用。反应前，先将金属镓或者氧化镓粉末置于石英反应器的内层作为 镓源，后将涂有镍溶液的硅衬底垂直放入镓源混合物中。反应时通过石英反应镓源，后将涂有镍溶液的硅衬底垂直放入镓源混合物中。反应时通过石英反应 器外层提高反应温度。当加热到器外层提高反应温度。当加热到300300 ℃左右时，℃左右时，Ni2+Ni2+逐渐分解为逐渐分解为Ni(OH)2Ni(OH)2，随后，随后 分解为分解为NiONiO，此时通入氢气，可以得到，此时通入氢气，可以得到NiNi 催化剂，继续加热到催化剂，继续加热到700700 ℃后停止通℃后停止通 氢气，并通入氨气继续反应一段时间后自然冷却，在衬底上可得到氢气，并通入氨气继续反应一段时间后自然冷却，在衬底上可得到GaNGaN 纳米线。纳米线。 在相同的生长温度下在相同的生长温度下, , 不同的衬底上合成的不同的衬底上合成的GaNGaN 的形貌也有很大差异，光的形貌也有很大差异，光 滑的衬底表面更易于滑的衬底表面更易于GaNGaN 纳米线的合成。当纳米线的合成。当NH3NH3 气流在气流在100 mL/min100 mL/min 及以下时能及以下时能 形成形貌较好的形成形貌较好的GaNGaN 纳米线。纳米线。 3.3.溶剂热法溶剂热法 使用溶剂热法可以实现纳米使用溶剂热法可以实现纳