氮鎵銦和氮化銦半導(dǎo)體納米材料制備與表征

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1、氮鎵銦和氮化銦半導(dǎo)體納米材料制備與表征第1章緒論1.1課題背景及研究目的半導(dǎo)體納米材料，具有優(yōu)異的物化性質(zhì)，是微電子器件和光電器件的基礎(chǔ)。近年來，由于其特殊的光電性質(zhì)，半導(dǎo)體納米材料日益成為科研工研究的熱點(diǎn)[1,2]。它在太陽能電池、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、高電子遷移率晶體管及其它應(yīng)用領(lǐng)域的重要性也日益提高[3,4]。在半導(dǎo)體納米材料中，Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體以其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，以及在微波與光電器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在半導(dǎo)體材料中占有重要一席[5]。在Ⅲ-Ⅴ族化合物中，InxGa1-xN三元化合物具有特別廣的發(fā)光光譜范圍，其

2、帶隙可以從InN的0.7eV到GaN的3.4eV間連續(xù)地調(diào)節(jié)，與太陽能光譜幾乎完全匹配，這一優(yōu)異的性質(zhì)引起了半導(dǎo)體領(lǐng)域的廣大關(guān)注[6-8]。隨著研究的深入，人們把它用于高亮度光發(fā)射二極管、激光二極管、InxGa1-xN有源區(qū)激光二極管等光電子器件中，并且應(yīng)用越來越廣泛[9,10]。InxGa1-xN半導(dǎo)體納米材料也被越來越多的應(yīng)用在太陽能電池中[11]。而InN二元化合物，因其具有高的遷移率、高的飽和速率、大的電子漂移速率以及最小的有效電子質(zhì)量等，在高頻器件、激光二極管等應(yīng)用方面有著很大的優(yōu)勢[12,13]。其獨(dú)特的光電性

3、質(zhì)，在長波長半導(dǎo)體光電器件、太陽能電池等方面都有著很好的應(yīng)用前景[14]。但是，在InxGa1-xN、InN的制備研究中，由于Ga與N、In與N的結(jié)合溫度相差較大，同時，In與N的分解溫度低于N源氣體的理想活性溫度，導(dǎo)致在高溫下In與N易解離，低溫下Ga與N難結(jié)合[15]。同時低溫下N源氣體活性差，不利于InxGa1-xN、InN材料的合成，而提高襯底溫度雖然有利于N源氣體的分解，可獲得更多的活性N，但又會引起In與N熱分解，導(dǎo)致InxGa1-xN材料中In含量減少、InN材料中形成銦粒，同樣還會導(dǎo)致InxGa1-xN、I

4、nN材料性能的改變[16,17]。另外，目前對InxGa1-xN、InN的合成多采用有毒危險(xiǎn)的三甲基銦(TMI)、三甲基鎵(TMG)做銦源和鎵源，對環(huán)境、人體都會造成危害，這不利于大量生產(chǎn)[18]。.1.2研究進(jìn)展1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析早在上世紀(jì)二三十年代，Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物就開始進(jìn)入人們的視野，并以其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，引起很多學(xué)者的研究興趣。在1932年，Johnson等人就制備出了GaN材料[19]。在1938年，Juza和Hahn就合成出了六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的InN[20]。之后，人們就對三元化合物InxG

5、a1-xN起了濃厚的興趣，并進(jìn)行了深入的研究。但是由于材料本身合成的難度，InxGa1-xN的研究也一度進(jìn)入瓶頸。到上世紀(jì)八九十年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對InxGa1-xN的研究也進(jìn)入了一個高峰，并取得了優(yōu)異的成果[21-23]。對InxGa1-xN材料的合成，目前國際國內(nèi)研究者采用多種方法，嘗試制備出形貌更好性能更加優(yōu)良的產(chǎn)品。PanthaBN等人成功的用金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD)合成了單晶InxGa1-xN，其中In元素的含量覆蓋到25%~63%[24]。S.Albert等用等離子體輔助分子束外延法成功制備

6、出了InxGa1-xN納米柱，并且通過控制反應(yīng)溫度梯度而實(shí)現(xiàn)了的組合物上分級的InxGa1-xN有源區(qū)增長，同時研究了其光學(xué)性質(zhì)[25]。H等人用氫化物氣相外延法(HVPE)，同樣在藍(lán)寶石襯底上，制備出了銦含量為0.1≤x≤0.2的InxGa1-xN納米棒陣列，并測試其室溫陰極激發(fā)發(fā)光光譜(CL)的發(fā)射峰從峰位從380nm移動到470nm[26]。BE法、MOVPE法、MOCVD法、溶劑熱法等，并且合成出了不同形貌結(jié)構(gòu)的InN，如納米薄膜、納米棒、納米線、納米柱、納米花等。同時，對其光學(xué)性能的研究也取得了很大進(jìn)

7、展[63-65]。本章實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)氣相沉積法，用氧化銦和氨氣反應(yīng)制備InN納米線，探索InN納米線生長的最佳條件。通過TEM、XRD、SEM、PL等表征手段分析所制樣品的形貌、組分及性能，并通過控制反應(yīng)條件，初步提出InN納米線的成長機(jī)理。本實(shí)驗(yàn)中采用氧化銦(In2O3)作銦源，氨氣為氮源，二者的氣相直接反應(yīng)，生成氮化銦，藥品的詳細(xì)信息參見第二章表2-1，氧化銦為分析純，使用之前不必做純化處理。對樣品的表征用透射電子顯微鏡、X射線衍射儀和場發(fā)射掃描電子顯微鏡，并用熒光光譜儀來檢測樣品光學(xué)性能，設(shè)備詳細(xì)信息參見第二章表2-2

8、。實(shí)驗(yàn)所用的反應(yīng)設(shè)備依然是真空中溫氣氛管式爐，見圖4-1。..結(jié)論本文采用設(shè)備簡單的化學(xué)氣相沉積法制備InxGa1-xN、InN納米材料，選用了毒性小危險(xiǎn)小的反應(yīng)原料，制備出形貌新穎的產(chǎn)品?？疾炝瞬煌蛩貙Ξa(chǎn)品的影響。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線衍射、X射線能譜、傅里葉紅外吸收光譜、高分辨透射電子顯