[发明专利]一种多孔氮化镓单晶材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种多孔氮化镓单晶材料及其制备方法和应用，多孔氮化镓单晶材料中含有10nm～1000nm的孔。多孔氮化镓单晶材料作为一种新型半导体材料，具有禁带宽度大，介电常数小，击穿场强大，导电导热性能好的特点，在能源、通讯等诸多领域拥有广阔的应用前景，是国际各国竞相发展的重要研究方向。

技术领域

本申请涉及一种多孔氮化镓单晶材料及其制备方法和应用，属于无机材料领域。

背景技术

氮化镓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，并与碳化硅、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代锗、硅半导体材料、第二代砷化镓、磷化铟化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。氮化镓具有直接带隙宽、临界击穿电场高、饱和电子速度高、电子密度高、电子迁移率高、导热率高、化学稳定性好、抗辐照能力强等优点，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。

氮化镓体单晶的生长主要有气相外延、氨热法、熔剂法等。气相外延法生长速率高，但晶体会有裂纹和翘曲，成品率低，商业产品内部缺陷105～106cm-2数量级，能满足LED器件的要求；氨热法虽然生长温度较低，但生长速率太慢，仅为几μm/h，且较难得到高纯材料，矿化剂、高压釜腐蚀等问题都造成氮化镓晶体中出现一些金属杂质。熔剂法得到的氮化镓晶体尺寸多数都在毫米级别，难以制得厘米级别的大尺寸氮化镓晶体。因此实现大尺寸的氮化镓体单晶至关重要。

金属性多孔固体材料在储能等方面具有重要的应用，大的孔隙率能够为高效率的反应提供大的比表面积。现有制备纳米多孔材料的方法如模板法、起泡法、脱合金成分腐蚀法、柯肯特尔效应法，共振渗透法等，其方法复杂，并且所能制备的最大晶体尺度仅在微米量级，欠缺一种可以制备宏观尺度纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法。

因此，有必要提供一种制备大尺寸纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法，来为氮化镓基器件提供优质的大尺寸(100)面、(001)面的纳米多孔氮化镓单晶材料。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种多孔氮化镓单晶材料，该材料具有多孔结构，具有大尺寸。

本申请提供一种制备大尺寸100面和001面的纳米多孔氮化镓单晶薄膜及自支撑纳米多孔氮化镓晶体的方法，它涉及一种制备大尺寸纳米多孔单晶晶体的方法，尤其是氮化生长制备大尺寸纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法。制备纳米多孔氮化镓单晶薄膜的方法：将镓源单晶衬底置于中高温含氨氛围中，镓源单晶衬底表面氮化生长出纳米多孔氮化镓单晶薄膜。制备自支撑纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法：将镓源单晶衬底置于中高温含氨氛围中，镓源单晶衬底表面首先氮化转化生长出纳米多孔氮化镓，随着氮化时间的增加，镓源单晶衬底完全氮化转化生长成自支撑纳米多孔氮化镓单晶晶体。本申请的目的一方面是要解决现有制备纳米多孔晶体材料的方法复杂且仅限微米量级的晶体制备尺度，不利于规模化生产和应用的问题；另一方面是要为氮化镓基器件提供质优的同质大尺寸100面和001面的纳米多孔氮化镓单晶衬底，从而大幅提升氮化镓基器件性能。本发明制备大尺寸100面和001面的纳米多孔氮化镓单晶薄膜及自支撑纳米多孔氮化镓晶体的方法简单、可规模化生产。

本申请一方面提供了一种多孔氮化镓单晶材料，所述多孔氮化镓单晶材料中含有10nm～1000nm的孔。

可选地，所述多孔氮化镓单晶材料中含有10nm～500nm的孔。

可选地，本申请中的多孔氮化镓单晶材料为长程有序的三维连通孔结构。

可选地，所述多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶薄膜和/或多孔氮化镓单晶晶体。

可选地，所述多孔氮化镓单晶晶体为自支撑纳米多孔氮化镓晶体。

可选地，所述多孔氮化镓单晶薄膜的表面为多孔氮化镓单晶的(100)面、(001)面中的至少一面。