氮镓铟和氮化铟半导体纳米材料制备与表征

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1、氮镓铟和氮化铟半导体纳米材料制备与表征第1章绪论1.1课题背景及研究目的半导体纳米材料，具有优异的物化性质，是微电子器件和光电器件的基础。近年来，由于其特殊的光电性质，半导体纳米材料日益成为科研工研究的热点[1,2]。它在太阳能电池、异质结双极晶体管、高电子迁移率晶体管及其它应用领域的重要性也日益提高[3,4]。在半导体纳米材料中，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体以其独特的能带结构与性质，以及在微波与光电器件等领域的广泛应用，在半导体材料中占有重要一席[5]。在Ⅲ-Ⅴ族化合物中，InxGa1-xN三元化合物具有特别广的发光光谱范围，其

2、带隙可以从InN的0.7eV到GaN的3.4eV间连续地调节，与太阳能光谱几乎完全匹配，这一优异的性质引起了半导体领域的广大关注[6-8]。随着研究的深入，人们把它用于高亮度光发射二极管、激光二极管、InxGa1-xN有源区激光二极管等光电子器件中，并且应用越来越广泛[9,10]。InxGa1-xN半导体纳米材料也被越来越多的应用在太阳能电池中[11]。而InN二元化合物，因其具有高的迁移率、高的饱和速率、大的电子漂移速率以及最小的有效电子质量等，在高频器件、激光二极管等应用方面有着很大的优势[12,13]。其独特的光电性

3、质，在长波长半导体光电器件、太阳能电池等方面都有着很好的应用前景[14]。但是，在InxGa1-xN、InN的制备研究中，由于Ga与N、In与N的结合温度相差较大，同时，In与N的分解温度低于N源气体的理想活性温度，导致在高温下In与N易解离，低温下Ga与N难结合[15]。同时低温下N源气体活性差，不利于InxGa1-xN、InN材料的合成，而提高衬底温度虽然有利于N源气体的分解，可获得更多的活性N，但又会引起In与N热分解，导致InxGa1-xN材料中In含量减少、InN材料中形成铟粒，同样还会导致InxGa1-xN、I

4、nN材料性能的改变[16,17]。另外，目前对InxGa1-xN、InN的合成多采用有毒危险的三甲基铟(TMI)、三甲基镓(TMG)做铟源和镓源，对环境、人体都会造成危害，这不利于大量生产[18]。.1.2研究进展1.2.1国内外研究现状及分析早在上世纪二三十年代，Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物就开始进入人们的视野，并以其特殊的物理和化学性质，引起很多学者的研究兴趣。在1932年，Johnson等人就制备出了GaN材料[19]。在1938年，Juza和Hahn就合成出了六方纤锌矿结构的InN[20]。之后，人们就对三元化合物InxG

5、a1-xN起了浓厚的兴趣，并进行了深入的研究。但是由于材料本身合成的难度，InxGa1-xN的研究也一度进入瓶颈。到上世纪八九十年代，随着科学技术的进步，人类对InxGa1-xN的研究也进入了一个高峰，并取得了优异的成果[21-23]。对InxGa1-xN材料的合成，目前国际国内研究者采用多种方法，尝试制备出形貌更好性能更加优良的产品。PanthaBN等人成功的用金属有机气相沉积法(MOCVD)合成了单晶InxGa1-xN，其中In元素的含量覆盖到25%~63%[24]。S.Albert等用等离子体辅助分子束外延法成功制备

6、出了InxGa1-xN纳米柱，并且通过控制反应温度梯度而实现了的组合物上分级的InxGa1-xN有源区增长，同时研究了其光学性质[25]。H等人用氢化物气相外延法(HVPE)，同样在蓝宝石衬底上，制备出了铟含量为0.1≤x≤0.2的InxGa1-xN纳米棒阵列，并测试其室温阴极激发发光光谱(CL)的发射峰从峰位从380nm移动到470nm[26]。BE法、MOVPE法、MOCVD法、溶剂热法等，并且合成出了不同形貌结构的InN，如纳米薄膜、纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米花等。同时，对其光学性能的研究也取得了很大进

7、展[63-65]。本章实验采用化学气相沉积法，用氧化铟和氨气反应制备InN纳米线，探索InN纳米线生长的最佳条件。通过TEM、XRD、SEM、PL等表征手段分析所制样品的形貌、组分及性能，并通过控制反应条件，初步提出InN纳米线的成长机理。本实验中采用氧化铟(In2O3)作铟源，氨气为氮源，二者的气相直接反应，生成氮化铟，药品的详细信息参见第二章表2-1，氧化铟为分析纯，使用之前不必做纯化处理。对样品的表征用透射电子显微镜、X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜，并用荧光光谱仪来检测样品光学性能，设备详细信息参见第二章表2-2

8、。实验所用的反应设备依然是真空中温气氛管式炉，见图4-1。..结论本文采用设备简单的化学气相沉积法制备InxGa1-xN、InN纳米材料，选用了毒性小危险小的反应原料，制备出形貌新颖的产品。考察了不同因素对产品的影响。采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线能谱、傅里叶红外吸收光谱、高分辨透射电子显