N2流量对GaN的形貌及光学和电学性能的影响.pdf

第 2 9 卷 第 1 0期 2 01 3年 1 0月 无 机 化 学 学 报 C HI NE S E J 0URNAL OF I NORGANI C CHEMI S T RY Vo 1 2 9 No 1 0 2 02 7 2 0 33 N2 流量对 Ga N的形貌及光学和电学性能的影响 翟化松 l 2 3 王坤鹏 余春 燕 2 翟光 关 2 董海 亮 1 2 许并社 1 2 3 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室 太原0 3 0 0 2 4 山西省新材料 工程技术研 究中心 太原0 3 0 0 2 4 太原理工大学材料科学与工程 学院 太原0 3 0 0 2 4 摘要 采用化学气相沉积法 C V D 在 S i 1 0 0 衬底 上以 N i为催化剂 金属 G a和 N H 为原料合成 了 G a N微纳米结构 并研究 了 N 流量对产物 G a N的形貌及光学和 电学性能的影响 利用场发射扫描电子显微镜 S E M 透射 电镜 T E M X射线衍射仪 XR D X r a y能谱仪 E D S 光致发光谱 P L 和霍尔效应测试仪 H MS 3 0 0 0 等测试手段对样 品的形 貌 结构 成分 光学 和电学性能进行 了 分析 结果 表明 随着 N 流量 的增加 产物 G a N的形貌发生 了由微米棒到蠕虫状线再到光滑纳米线 的转变 生成的 G a N均为六 方纤锌 矿结构 样 品均表现 出 3 8 3 n m的近带边紫外发射峰和 4 7 0 n IT I 左右 的蓝光发射峰 所有样 品均 为 P型 并对产物 G a N的 形 貌转 变机理进 行了分析 关键词 N 2 流量 G a N微米棒 蠕虫状 G a N G a N纳米线 化学气相沉积 中图分类号 T N 3 0 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 6 1 2 0 1 3 1 0 2 0 2 7 0 7 DO I 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 1 4 8 6 1 2 0 1 3 0 0 3 2 3 Effe c t o f N2 Fl o w Ra t e o n M o r ph o l o g y Opt ic a l a nd El e c t r ic a l Pr o pe r t ie s o f Ga N Z HAI Hu a S o n g 2 3 WANG Ku n P e n g YU C h u n Ya n 0 Z HAI Gu a n g Me i DONG Ha i L i a n g a XU B in g S h e a K e y L a b o r a t o r y o fI n t e o C a c e S c ie n c e a n d E n g in e e r i n g i n Ad v anc e d Mat e r ia l s T y u an U a i v e r s i t y of T e c h n o l o g y Mi n t r y o f E d u c at io n T y u an 0 3 0 0 2 4 C h in a 2 S h a n x i R e s e a r c h C e n t e r of a d v a n c e d Mat e r i al s S c ie nce and T e c h n o l o gy T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 C h in a 3 C o l l e g e of Ma t e r i al S c i e n c e and E n gi n e e r i n g T a i y u an U n i v e r s it y of T e c h n o l o g y T a i y u an 0 3 0 0 2 4 C h i n a Ab s t r a c t G a N mic r o n a n o s t r u c t u r e s w e r e s y n t h e s iz e d b y c h e mic a l v a p o r d e p o s it io n me t h o d C V D o n S i 1 0 0 s u b s t r a t e wit h c a t a l y s t N i Ga a n d N H3 a s r a w ma t e ri a l s Ef f e c t o f N2 fl o w r a t e o n t h e mo r p h o l o g y a s we l l a s o p t ic a l a n d e l e c t ri c a l p r o p e r t ie s o f Ga N we r e r e s e a r c h e d T h e mo rph o l o g y s t r u c t u r e c o mp o s it io n o p t ic a l a n d e l e c t ri c a l p r o p e rt ie s w e r e c h a r a c t e r iz e d b y F ie l d e mis s io n s c a n n in g e l e c t r o n mic r o s c o p y S E M T r a n s m is s io n e l e c t r o n m ic r o s c o p y T E M X r a y d if f r a c t i o n X RD E n e r gy d is p e r s i v e X r a y s p e c t r o s c o p y E D S P h o t o l u miB e s c e n c e f P L 1 a n d H a l l e f f e c t m e a s u r e me n t s y s t e m HMS 一 3 o 0 0 T h e r e s u l t s in d ic a t e t h a t w i t h t h e in c r e a s e o f N fl o w r a t e t h e mo rph o l o gy o f Ga N e v o l v e d f r o m mic r o r o d s t o v e r mic u l a r l ik e w ir e s a n d t h e n t o s mo o t h n a n o wir e s A1 l s a mp l e s a r e h e x a g o n a l wu rtz it e a nd s h o w n e a r ba nd e d g e UV e mi s s i o n p e a ks o f 3 8 3 nm a n d b l u e l ig h t e mi s s i o n p e a k s o f a b o u t 4 7 0 n m Ha l l t e s t r e s u l t s s h o w t h a t a l l s a mp l e s a r e p t y p e F u rt h e r mo r e t h e mo rp h o l o gy e v o l ut io n me c h a n is ms o f Ga N a r e a n a l y z e d Ke y wo r d N2 fl o w r a t e Ga N mic r o r o d s v e r mic u l a r l ik e Ga N Ga N n a n o wir e s C VD 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 1 3 收修改稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 6 国家 自然科学基金 N o 5 1 o 0 2 1 O 2 和山西省 回国留学人员重点科研 2 o 0 9 O 3 资助项 目 通讯联系人 E ma i l x u b s t y u t e d u c n T e l 0 3 5 1 6 0 1 1 3 1 1 会员登记号 E 6 3 0 8 0 0 0 2 G J 2 0 3 2 无机化学学报 第 2 9卷 表 2 Ga N 样 品 的 Ha l l测 量 结 果 Ta bl e 2 Ha l l me a s ur e m e nt r e s u l t s o f GaN s ampl e s 空位产生的施主辐射复合发光所致I 3 5 l 受激发后 施 主产生的电子将会被受主的空穴捕获 形成受 困的 施 主一 受主对 辐射复合后发出蓝光 但是 对于蓝 光发射峰还没有确切的解释 其发射的机理有待进 一 步 的研 究 2 7电学 性能 分析 表 2列 出的是不 同 M 流量下制备样品的霍尔 测量结果 如表 2所示所有样 品的霍尔系数测量值 都为正值 说 明所有样品均为 P型 这是由于受 N i 的影响 使生成的 G a N的空穴浓度增加 通常情况 下 非故意掺杂的 G a N为 n型半导体 随着 N 流 量 的增加 迁移率先减小再增 加 这是由于产物 G a N的直径减小 导致有更多 的边界 出现 这阻碍 了载流子的运动 因此迁移率会下降 N 流量过大 时 纳 米 线 的生 成 量 较 少 阻碍 载 流 子 运 动 的 边 界 减少 所 以迁移率会有所上升 这与文献 3 8 当 G a 过量 时所制的样品有较低 的电阻率相一致 所有样 品中 载流子浓度与霍尔系数变化趋势相反 这与 公式 R H I Nq R H 霍尔系数 载流 子浓 度 q 电荷量1 一致 3 结 论 采 用化学气相沉积法 C V D 在 S i衬底上 以 N i 为催化剂 金属 G a和 N H 为原料 研 究了 M 流量 对 G a N微纳米结构的形貌及光学 和电学性能的影 响 结果 表 明 随着 N 流量 的增 加 产 物 G a N实 现 了由微米棒到蠕虫状线再到光滑纳米线 的转变 生 成 的 G a N均为纯物相的六方纤锌矿结构 样品均表 现出 3 8 3 n m的近带边紫外发射峰和 4 7 0 n m左右 的蓝光 发射峰 所有样品均为 P型 迁移率先减小 再增大 载流子浓度与霍尔系数变化趋势相反 当 N 流量较小时 按 VL S生长机制析出 G a N晶核 以 V S机制 生成 的 G a N颗 粒 以此 晶核为 基 点 团聚在 一 起形 成 了 G a N微 米 棒 随着 N 流 量 的增 大 生成 的 线 因 内应 力 较 大而 形 成蠕 虫 状 的 G a N 当 流 量 足够大时 生成 的线 因内应力较小而形成平滑的 G a N纳 米线 参考文献 1 Q i a n F L i Y G r a d e c a k S e t a 1 N a t M ate r 2 0 0 8 7 7 0 1 7 06 2 T o m i o k a K M o t o h is a J H a r a S e t a 1 N a n o L e t t 2 0 1 0 1 0 5 1 1 6 3 9 1 6 44 3 S c h w a r z U T P i n d l M We g s c h e id e r W e t a 1 A p p 1 P h y s L e t t 2 0 0 5 8 6 1 6 1 6 1 1 1 2 1 6 1 1 1 5 4 Z HU L in 朱琳 Y U C h u n Y a n 余春燕 L I A N G J i a n e t a 1 C h i n e s e I n o r g C h e m Wu j i Hu a x u e Xu e b c w 2 0 1 3 2 9 1 6 3 6 8 5 S e r y o g i n G S h a l i s h I Mo b e fl y c h a n W e t a 1 N a n o T e c h n o 1 2 0 0 5 1 6 2 3 4 2 2 3 4 5 6 D o n g Z H X u e C S Z h u a n g H Z e t a 1 N a n o s t r u c t 2 0 0 5 2 7 3 2 3 7 7 C a i X M D j u r ig i c A B X i e M H e t a 1 A p p 1 L e t t 2 0 0 5 8 7 1 8 1 8 3 1 0 3 1 8 3 1 0 5 8 Wa n g L Z h a n g X H u a n g R e t a 1 S o l i d S t ate C o mm u n 2 0 0 4 1 3 0 1 1 7 6 9 7 7 2 9 Y in L W B a n d o Y Z h u Y C e t a 1 A p p 1 P h y s L e t t 2 0 0 4 8 4 1 9 3 9 1 2 3 9 1 4 1 0 T u L W Hs ia o C L C h i T W e t a 1 A p p 1 L e t t 2 0 0 3 8 2 1 0 1 6 0 1 1 6 0 3 1 1 K i m H M K i m D S K im D Y e t a 1 A p p 1 L e t t 2 0 0 2 8 1 1 2 2 1 9 3 2 1 9 5 1 2 K i m H M K im D S P a r k Y S e t a 1 A 如 Ma t e r 2 0 0 2 1 4 f 1 3 1 4 9 9 1 9 9 3 1 3 L i Z J C h e n X L L i H J e t a 1 A p p 1 A 2 0 0 1 7 2 5 6 29 6 32 1 4 L I A N G J i a n L I U H a i R u if 刘海瑞 WA N G X ia o N i n g 王 晓 宁 e t a 1 C h i n e s e l n o r g C h e m Wu j i Hu a x u e X e b a o 2 0 1 3 2 9 5 1 0 1 9 1 0 2 4 1 5 C h u n g R B Ha n C P a n C C e t a 1 A p p 1 P h y s L e t t 2 0 1 2 1 0 1 1 3 1 3 1 1 1 3 1 3 1 1 1 6 1 6 WA N G X ia o Y o n g 3 晓勇 Z H O N G Mi n g 明 Z HA O D e G a n g 刚 e t a 1 A c t a P h y s S i n Wu l i X u e b 2 0 1 2 6 1 2 1 2 1 7 3 0 2 2 1 7 3 0 7 1 7 K w o n H Y S h in M C h o i Y J e t a 1 C r y s t G r o w t h D e s 第 1 0期 翟化松等 N 流量对 G a N的形貌及光学和 电学性能的影响 2 0 3 3 2 0 0 9 3 1 1 1 6 4 1 4 6 4 1 5 1 1 8 H e r s e e S D S u n X Y Wa n g X Na n o L e t t 2 0 0 6 6 8 1 8 0 8 1 81 l 1 9 S e o n g H K J e o n g H H a R e t a 1 Ma t e r I n t 2 0 0 8 1 4 3 3 5 3 3 5 6 2 0 X i a n g X C a o C B Z h a i H Z e t a 1 A p p 1 P h y s A 2 0 0 5 8 O 5 1 1 2 9 1 1 3 2 2 1 L a W Wu L L Wu Y S e t a 1 C r y s t G r o w t h D e s 2 0 0 7 3 0 7 1 1 5 2 2 C A 0 Y u P in g 玉 萍 X U E C h e n g S h a n 薛 成 山 S H I F e n g i e t a 1 J F u n c t Ma t e r G o n g n e n g C Z 2 0 1 0 4 1 2 2 6 4 2 6 7 2 3 B e h K P Y a m F K L o w L L e t a 1 A c u u m 2 0 1 3 9 5 6 1 1 2 4 1 C a i X M D j u r i i c A B X ie M H T h in S o l i d F i l m s 2 0 0 6 5 1 5 3 9 8 4 9 8 9 2 5 1 S h i F Z h a n g D D X u e C S Mat e r S c i E n g B 2 0 1 0 1 6 7 2 8 0 8 4 2 6 H u a n g C T S o n g J H L e e W F e t a 1 A m C h e m S o c 2 0 1 0 1 3 2 1 3 4 7 6 6 4 7 7 1 2 7 L o w L L Y a m F K B e h K P e t a 1 A p p 1 S u S c i 2 0 1 1 2 5 8 1 5 4 2 5 4 6 2 8 1 K a n g S K a n g B K K im S W e t a 1 C r y s t G r o w t h D e s 2 0 1 0 1 0 6 2 5 8 1 2 5 8 4 2 9 We i X F S h i F A p p 1 S u ry S c i 2 0 1 1 2 5 7 2 3 9 9 3 1 9 9 3 4 3 0 F u r t m a y r F V i e l e m e y e r M S t u