[发明专利]一种螺旋状GaN单晶纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料及其制备方法，具体涉及一种螺旋状GaN单晶纳米线及其制备方法，涉及半导体材料的制备研究，属于半导体纳米材料生产技术领域。

背景技术

GaN是一种具有较大禁带宽度的半导体，属于所谓宽禁带半导体之列，它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃；GaN具有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的；在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构；它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半；又因为其硬度高，是一种良好的涂层保护材料。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好（几乎不被任何酸腐蚀）等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

GaN基稀磁半导体在光学、电学、磁学等方面具有优良性能，基于GaN基稀磁半导体材料开发的光学、电学、磁学器件具有广泛的应用前景，其部分产品已经在市场中占有一席之地。近年来，有关GaN纳米结构的各种形貌已经有大量报道，如GaN纳米粉体、纳米线、纳米管、纳米带、纳米片、纳米薄膜、三棱柱；低维结构GaN材料可以有效减少器件的占用空间，一维纳米线可以在组装纳米器件方面发挥重要作用。本发明主要在反应源使用不同浓度的MoCl₅实现了螺旋状GaN单晶纳米线的制备。

有研究者利用化学气相沉积法研究了MnCl₂、CoCl₂及CrCl₃在生长GaN纳米线时的影响，并作了相关机制方面的研究，在反应前置入管式炉中的过渡金属氯化物物质的量浓度的不同，生长出的GaN纳米结构的微观形貌也会发生相应变化，如出现六方形、三角形以及四方形横截面，但这种变化中没有涉及到Z字型纳米线、螺旋状结构出现，参阅Nano Letters，第8卷（第9期）第2674至2681页。

由文献调研及相关资料可知，目前尚未报道利用化学气相沉积法制备出大量螺旋状GaN纳米线，利用该法制备螺旋状GaN纳米线，获得的样品纯度较高，在X-射线衍射仪检测极限条件下，没有发现第二相，且方法简单易行，样品获取易于重复，对环境危害小、易于推广等优点，因此可广泛应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋状GaN单晶纳米线及其制备方法，通过化学气相沉积法制备具有螺旋状的GaN纳米线方法，以填补螺旋状GaN纳米线微观形貌技术空白；本发明采用金属Ga和NH₃气分别作为Ga源和N源，MoCl₅粉体作为Mo源，以获得可调控生长的螺旋状GaN纳米线；本方法简单易行、成本低，所有原料都很常见，可以实现工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种螺旋状GaN单晶纳米线的制备方法，包括如下步骤：

（1）称取金属Ga盛放在陶瓷舟中，将其置于水平管式炉的中间部位，按摩尔比Mo/Ga=0.15～0.20称取MoCl₅粉体盛放在陶瓷舟中，置于距中心温区20～30cm的上游位置，同时在距中心温区下游20～25cm位置处放置已镀金处理的Si衬底，密封水平管式炉；

（2）启动真空系统，炉内真空度至1×10^-3 Pa时，通入Ar气，Ar气气流速率为10～80sccm，加热至940～1050℃，保温0.5～2小时，同时扭开氨气气流阀以15～100 sccm流速通入NH₃气，反应进行1～2h后，断开氨气并冷却至室温，最后在Si衬底上收集一层沉积物，即为螺旋状GaN单晶纳米线，制备得到的GaN纳米线呈现螺旋状外形，并且是单晶结构。

本发明的有益效果是：本发明的直接采用化学气相沉积法制备螺旋状GaN纳米线，尚属首次报道，增添了GaN纳米线微观形貌的多样化，为制备GaN光电器件增加了可选择范围；该方法制备工艺简单、成本低、易于控制；实验产物纯度较高、均匀性好、可控性好、对环境污染小、易于推广，因而具有重要的研究价值和广阔的应用前景，可广泛应用于Ⅲ-Ⅴ族半导体的制备。

附图说明

图1 螺旋状GaN纳米线的SEM图；