管式电炉合成氮化镓晶粒的研究

关键词：氮化镓；ga2o3；氨气

中图分类号：tn304．23 文献标识码：a 文章编号：1671-4776(2003)10-0027-031引言

氮化镓是一种优秀的宽带隙化合物半导体材料，室温下禁带宽度为3.4ev。作为良好的光电半导体材料，gan在短波长光电器件领域(如蓝绿光发光管led、激光器id)及紫外波段的探测器研究方面备受重视[1-3]。另外，gan还具有优良的热稳定性、化学稳定性和高热导率、高击穿电压、高电子饱和速度等特点。因此，gan材料在制备高温、高频、大功率器件以及光存储、光探测等方面有着广泛的应用前景。目前，国内外很多研究机构利用金属有机物质汽相外延(mocvd)[4]、分子束外延(mbe)[5]及高频等离子体化学汽相沉积(plasma cvd)[6]技术等在不同衬底上生长高质量的gan薄膜。但上述方法设备昂贵，工艺方法复杂，影响了gan基半导体光电器件的大规模生产和应用，探索一种简易的合成gan材料的工艺方法已十分必要。本文采用氮化ga2o3的方法，在管式电炉中成功地合成了高质量的多晶gan颗粒，探索了一种低成本制备gan材料的新工艺。

2 实 验本实验以ga2o3为ga源，nh3为n源，通过氮化反应合成gan晶粒。实验中所用ga2o3和氨气的纯度为99．999％，衬底为<111>晶向的硅片，在实验之前衬底采用标准程序进行清洗。在管式炉中部，沿气流的方向，依次放置ga2o3和衬底，二者相距5cm。氮化时，管式电炉的温度控制在1000℃；流量为400ml／min；时间为3h。x射线衍射实验在y-4q型x射线衍射仪上完成。实验条件为：cu靶，ni滤波片，双soller准直系统，λkα=0． 154178nm狭缝系统为1°-1°-0．2mm，正比计数器，用si标样校准仪器。ftir图谱在美国nicolet公司710型光谱仪上进行。在500-4000cm-1范围内扫描。样品的形貌和结构采用hitachi(tokyo，japan)h-800透射电镜(tem)进行表征。

3 结果与讨论

3．1 xrd分析图1和表1分别是合成样品的x射线图谱和gan的x射线衍射数据jcpds卡。图1说明，si衬底上生成的产物为gan，纯度很高，为多晶体，后六方晶系(hexagonal)，晶格常数为ao=0．3186am，bo=0．3186am，co=0．5178nm。样品的衍射数据与标准图谱(pdf卡片2-1078)数据对比见表1。以上分析说明采用氮化ga2o3的方法，成功地在si衬底上合成了高质量的gan晶体颗粒。

3．2 ftir分析图2是合成产物的傅里叶红外光谱的测试结果。在574．79cm-1有一强烈的吸收峰，与gan的特征吸收峰对应一致。ftir的测试结果也同样说明了氮化之后，在si衬底上生成的物质为gan。

3．3 tem分析图3是生成的gan晶粒的透射电镜照片。由图可见，生成的gan晶粒尺寸不一，较大的晶粒直径超过1μm。衍射模式表明每个小晶粒为高质量的六方单晶gan，进一步证实了用氮化ga2o3的方法可以合成高质量的gan晶体颗粒。

4 结 论采用氮化ca2o3，的方法，在管式电炉中合成了gan晶体颗粒。用该工艺生成的gan晶粒纯度高、质量好；为多晶体，呈六方晶系。用氮化ga2o3，的工艺合成氮化镓，突破了传统工艺的局限，探索了低成本合成gan晶体的新途径。