[发明专利]一种两步法制备氮化镓/硫化锌纳米异质结方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米异质结构制备领域，是一种制备氮化镓/硫化锌异质结方法。

背景技术

氮化镓为一种直接带隙宽禁带半导体材料（禁带宽度为3.39eV），氮化镓、碳化硅等材料被称为第三代半导体材料。由于氮化镓有高的热导率，高熔点，较高的电离度并且硬度大。同时其发光效率高，在紫外、紫、蓝、绿发光器件方面有很大的应用前景。硫化锌也是宽带隙的半导体材料，室温下禁带宽度为3.7eV，是最早发现的合成半导体之一，其在电子、光电子产业中有十分显著的应用。

近年来的科学研究表明，纳米材料能够显示出一些优异的物化性质，在工业技术领域有重要的应用价值。目前，对氮化镓纳米结构生长的研究已经有很多成果报道，一些氮化镓一维纳米结构，包括纳米线、纳米带、纳米管等被制备出来。为了进一步充分利用氮化镓的性质，相关氮化镓基的异质结也有许多的报道。例如：氧化锌/氮化镓异质结、铅锌矿氮化镓/闪锌矿氮化镓异质结、氮化镓/铟镓氮和铝镓氮/氮化镓异质结等等。

目前已经有许多种方法来制备氮化镓基异质结，如：金属有机化学气相沉积和分子束外延两步法、化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积、金属有机化学气相沉积法等。

金属有机化学气相沉积和分子束外延： 1997年，T. C. McGill等人先通过金属有机化学气相沉积在蓝宝石（0001）衬底上制备了3微米厚的外延层，接着再通过分子束外延制备氮化镓/硫化锌异质结。参阅J.Vac.Sci.Technol.B.第15卷第4页。

化学气相沉积法和金属有机化学气相沉积：2004年，Kuei-Hsien Chen等人报道了以氧化镓纳米带作为反应源，第一步先化学气相沉积法直接氮化氧化镓在c -Si（100）上得到氮化镓纳米线。接着再用金作为催化剂通过金属有机化学气相沉积得到氮化镓/氮化铟纳米异质结。参阅Adv.Funct.Mater.第14卷第3页。 

化学气相沉积法：2009年，S. K. Hark等人以金属镓和氧化镓为反应源，通过化学气相沉积制备出了铅锌矿氮化镓/闪锌矿氮化镓异质结，参阅APPLIED PHYSICS LETTERS第95卷第133108页。

以上报道的多种方法所制备的氮化镓基纳米异质结，成本较高不适宜大规模应用于工业生产，同时有些工艺很复杂，用较简单的化学气相沉积和真空热蒸发两步法得到在两种不同形貌的氮化镓/硫化锌纳米异质结还未见报道。

本发明采用化学气相沉积工艺结合真空热蒸发工艺两步法合成了氮化镓/硫化锌纳米异质结，并且所得产物有两种不同的形貌，即纳米线状核壳结构和糖葫芦状异质结。本发明中所制备的氮化镓/硫化锌纳米异质结都具有较好的结构，使其在光电器件领域有重大的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易、低成本的制备氮化镓/硫化锌纳米异质结的方法。

本发明是通过以下工艺实现的：

在一炉管长度为100cm的水平刚玉管式炉中，将装有一定量(纯度为质量百分比99.999%)氧化镓（Ga₂O₃）粉末的陶瓷舟放置到水平管式炉的正中间，在离陶瓷舟20-25cm处放置衬底，衬底事先已经用镀金仪镀金90秒，并且用石墨片垫高约4厘米，密封水平管式炉后抽真空到一定程度，然后在Ar氛围中升到900℃-1080^OC，通入200sccm的NH₃反应两小时，最后在Ar气保护下自然冷却到室温，在衬底上得到淡黄色的氮化镓薄膜。然后通过真空热蒸发法，沉积有淡黄色的产物的一面正对硫化锌源，保持硫化锌源和已制备的氮化镓薄膜距离1-2厘米，电流设为100-180A，蒸镀硫化锌（99.995%），最终在衬底上得到深黄色的产物。

通过化学气相沉积得到的氮化镓薄膜表面形貌为纳米线，纳米线直径在20-40纳米，最长可达5微米。通过两步法制备的氮化镓/硫化锌纳米异质结具有两种不同的形貌，即纳米线状的核壳结构和糖葫芦状异质结构。

发明所制得的氮化镓/硫化锌纳米异质结,其线状样品的能量弥散 X 射线探测谱图如图1所示，其纳米线状的透射电子显微镜图如图2所示,其糖葫芦状的异质结的透射电子显微镜图如图3所示。未包覆时的样品和包覆后所的样品的拉曼光谱图如图4所示。本发明所得氮化镓/硫化锌纳米异质结，所用生长方法较简单、成本低，适合推广大规模生产。

附图说明

图1为实施例1所得线状样品的能量弥散 X 射线探测谱图。

图2为实施例1所得纳米线状核壳结构的透射电子显微镜图片。