[发明专利]一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料

说明书

技术领域

本发明属于电子气敏器件技术领域，涉及到一种基于GaN-Ga₂O₃核壳结构纳米线半导体气敏材料。

背景技术

Ga₂O₃是一种良好的半导体金属氧化物气敏材料，对O₂，H₂以及各种碳氢化合物气体都有良好的响应。一般情况下，该类气敏材料的颗粒尺寸越小，对检测气体的响应灵敏度就越高。Ga₂O₃主要的纳米结构包括纳米颗粒和纳米线。Ga₂O₃的纳米颗粒的粒径可以达到10-20nm，接近德拜表面耗尽尺寸，从而可以获得很大的感应信号。但由于纳米颗粒很小，具有很大的活泼性比表面积，在高温使用或其他类似的环境下长期使用很容易发生团聚，导致传感器性能的稳定性和信号重复性变差。而具有一维结构的单根Ga₂O₃纳米线虽然可以克服上述颗粒团聚的问题并保持传感器的高灵敏度，但在现有工艺条件下，获得5-20nm直径的Ga₂O₃纳米线对工艺要求很高，从而导致传感器的成本大大增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GaN-Ga₂O₃核壳结构的纳米线电阻型气敏材料。本发明要解决的技术问题是将工艺上容易获取的直径在100-500nm的GaN纳米线，经过热氧化的方法，控制GaN纳米线的浅层表面氧化条件，将GaN纳米线表面层转化为厚度在5-20nm的Ga₂O₃，从而获得具有核壳结构的GaN-Ga₂O₃纳米线。

本发明的技术方案是：用MOCVD的方法制备直径为50-500 nm，长度为3-50微米的GaN纳米线；然后在高温通O₂的氛围下，用热氧化的方法将GaN纳米线表层氧化转化成一层5-20nm的Ga₂O₃气敏材料。附图1给出了具有核壳结构的GaN-Ga₂O₃纳米线结构图。利用微操纵器将其中一根核壳结构纳米线置于两个金平行电极上，组装成半导体电阻型传感器。附图2给出了组装之后的传感器结构示意图。

本发明的效果和益处是：载体核纳米线尺寸易于制备，而外层氧化获得的Ga₂O₃敏感材料厚度为5-20nm，接近德拜耗尽层的尺寸，从而可以获得对气体响应的高灵敏度，解决了直接制备直径为5-20nm Ga₂O₃纳米线的技术问题，可进一步降低制备费用，节省成本。

附图说明

附图1是具有核壳结构的GaN-Ga₂O₃纳米线结构示意图。

图中： 1 5-20nm厚的Ga₂O₃层；2 GaN纳米线核。

附图2是组装之后的传感器结构示意图。

图中：3 核壳GaN-Ga₂O₃纳米线；4两个平行金电极；5电绝缘衬底。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

MOCVD制备核壳纳米线敏感材料：以Si晶片作为衬底，首先在衬底上面溅射一层1-5nm的金属Ni，然后将晶片置于反应器的石英舟内，分别以NH₃作为氮源，三甲基镓作为镓源，在900^oC高温通H₂的条件下生长5-30min，得到直径50-500 nm，长度为3-50微米的GaN纳米线；然后将所得纳米线在 200 ^oC到1000 ^oC高温通O₂氛围下进行氧化，合理控制O₂浓度和氧化时间，在GaN纳米线的外围生长一层厚度为5-20nm的Ga₂O₃层，得到具有核壳结构GaN-Ga₂O₃的纳米线气敏材料。

气敏性能测试：利用微操纵器将所制备的一根核壳结构纳米线置于两个金平行电极上，组装成半导体电阻型传感器。将传感器交替置于背景气体和不同浓度的待测气体如O₂，H₂，NH₃，H₂S，氮氧化物，各种碳氢化合物气体以及氨气等神经元有害气体中，测量两个金电极之间核壳外层Ga₂O₃层的电阻值作为传感器的感应信号。