一種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法和專用裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料和納米【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，特別是涉及一種β-Ga2O3和k-Ga2O3形成的具有偽四次對(duì)稱的納米尺度氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的方法和專用裝置。該氧化鎵異質(zhì)結(jié)包括β-Ga2O3納米線狀主干和其表面上的k-Ga2O3納米柱，其中β-Ga2O3納米線長(zhǎng)度為5～100μm長(zhǎng)，直徑在50～1000nm；k-Ga2O3納米柱尺寸在50～200nm，在β-Ga2O3納米線表面呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱分布。本發(fā)明所采用的方法是在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，精確控制沉積區(qū)域溫度和氨氣流量，通過(guò)自發(fā)形成的一種k-Ga2O3/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所得的k-Ga2O3是氧化鎵體系中的一種新的晶型結(jié)構(gòu)，具有正交對(duì)稱性。所制的k-Ga2O3/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在紫外光區(qū)具有非常強(qiáng)的陰極射線熒光性能，并且具有分立的發(fā)光特性，適合用作紫外光電探測(cè)器和光解水制氫。
【專利說(shuō)明】一種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法和專用裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料和納米【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，特別是涉及一種β -Ga2O3和k-Ga203形成的具有偽四次對(duì)稱的納米尺度氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的方法和專用裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種典型的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，氧化鎵在光電子器件領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力，可以用來(lái)制備場(chǎng)效應(yīng)管、透明導(dǎo)電電極、高溫氣相傳感器及光電探測(cè)器等。納米尺度的氧化鎵材料由于尺寸小、比表面積巨大，呈現(xiàn)出與塊體氧化鎵材料不同的物理化學(xué)性能。另一方面，氧化鎵由于具有多種晶型，不同晶型都具有不同的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和獨(dú)特的光學(xué)及電學(xué)性能，不同晶型間可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換或衍生出新的晶體結(jié)構(gòu)或形成性能各異的異質(zhì)結(jié)材料。因此，納米尺度的氧化鎵材料由于具有豐富的結(jié)構(gòu)多樣性和獨(dú)特的光電性能，而受到研究 人員的濃厚興趣。
[0003]氧化鎵雖然具有多種晶型，包括單斜晶系的β-Ga2O3、六角晶系的a-Ga203、菱方晶系的α-Ga2O3、立方晶系的Y-Ga2O3和S-Ga2O3,但是只有β-Ga2O3是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其它幾種晶型都是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，形成亞穩(wěn)相氧化鎵還十分困難，而由不同晶型的氧化鎵形成的異質(zhì)結(jié)材料也鮮有報(bào)道。目前，關(guān)于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的研究多是單斜晶系的P-Ga2O3,制備的P-Ga2O3形貌多為納米線狀和納米帶狀等，所使用的方法為催化劑輔助化學(xué)氣相沉積、水溶液法、熱蒸發(fā)法等。為了進(jìn)一步探索氧化鎵的亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)及其性能，研究人員也在嘗試采用溶劑熱氧化的方法并通過(guò)控制反應(yīng)溫度獲得不同晶型的氧化鎵材料，并利用中子衍射的方法確定了一種新的晶型(k-Ga203)的存在，參見文獻(xiàn):Playford，H.Y.;Chemistry2013, 19，2803-13。
[0004]以上技術(shù)所采用的方法在制備納米氧化鎵材料比較繁瑣，獲得的氧化鎵材料多為多晶體或多種晶相混雜在一起，但不是異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。利用熱蒸發(fā)法得到的氧化鎵納米材料基本都是單斜晶系的β -Ga2O3,只是形貌略有差別,而性能差異不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種新型氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及其制備方法和專用裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中制備納米氧化鎵材料比較繁瑣，難以獲得異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0007]—種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),該氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，一種是單斜結(jié)構(gòu)的β -Ga2O3相，一種是正交結(jié)構(gòu)的k-Ga203相；其中，β -Ga2O3相為納米線狀，k-Ga203相為納米橢圓柱狀并且周期性地分布在β -Ga2O3相納米線狀表面。
[0008]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，P-Ga2O3相呈現(xiàn)具有四方截面的納米線狀，k-Ga203相呈現(xiàn)納米橢圓柱狀形貌，k-Ga203相周期地生長(zhǎng)在β -Ga2O3相的四個(gè)表面。
[0009]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，β -Ga2O3相長(zhǎng)度為5~100 μ m,直徑為50~1000nm,生長(zhǎng)末端沒(méi)有催化劑顆粒；β -Ga2O3相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有孿晶及層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；β -Ga2O3相納米線擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)閱涡苯Y(jié)構(gòu)的【010】方向。
[0010]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，k-Ga203相納米柱高度為0.1~5 μ m，納米柱長(zhǎng)度為0.1~2 μ m,納米柱寬度為0.1~I μ m,生長(zhǎng)末端無(wú)催化劑；k_Ga203相為單晶結(jié)構(gòu),但是具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；k-Ga203相呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱周期地分布在β -Ga2O3相的表面，相鄰k_Ga203相納米柱的夾角在85~95度之間；相鄰k-Ga203相納米柱之間的間隔距離在0.5~5 μ m之間，或者k-Ga203相納米柱彼此相互接觸，呈現(xiàn)連續(xù)分布。
[0011]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，k-Ga203的相結(jié)構(gòu)為正交晶系，晶胞參數(shù)為a=5.2A, b^=8.86A，c=9.6A。
[0012]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，β -Ga2O3相與k-Ga203相的晶面關(guān)系為(002) J/ (020)K，晶向關(guān)系為[110] 0//[100] κ。
[0013]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，β-Ga2O3相納米線主干在340nm附近有紫外發(fā)光，k-Ga203相納米柱在310nm附近有強(qiáng)烈紫外發(fā)光。
[0014]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，采用化學(xué)氣相沉積方法，以高純P-Ga2O3粉末為前驅(qū)體材料，高純氬氣為保護(hù)氣體，高純氨氣為反應(yīng)氣體，將高純?chǔ)?-Ga2O3粉末加熱分解，然后在低溫區(qū)沉積自組裝生成氧化鎵異質(zhì)結(jié)，氧化鎵異質(zhì)結(jié)中β -Ga2O3相和k-Ga203相的生長(zhǎng)過(guò)程為自發(fā)過(guò)程，具體包括如下步驟:
[0015](I)在氧化鋁陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/3~2/3的β -Ga2O3粉末，然后將氧化鋁陶瓷舟放入石英管內(nèi)，將襯底置于粉末下游25~35cm距離處，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng);
[0016](2)用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至KT1~10_3Pa，向步驟I的石英管通入流速為50~250sccm的U1氣10~60min至常壓，排出石英管中殘留氣體；
[0017](3)將石英管的溫度從室溫以升溫速率為I~5°C /min緩慢加熱到750~850°C，然后關(guān)閉IS氣，通入流速為100~300ml/min的氨氣；
[0018](4)將石英管的中央溫度繼續(xù)以升溫速率為5~30°C/min加熱至1000~1200°C，保溫10~1000分鐘；襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體25~35cm處，該位置溫度為800~900°C;然后關(guān)閉氨氣，通入流速為100~300ml/min的氬氣保護(hù)至溫度降到室溫，獲得k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0019]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，襯底為硅片、藍(lán)寶石或其它熔點(diǎn)在1200°C以上且不與氨氣發(fā)生反應(yīng)的片狀或塊狀物質(zhì)。
[0020]所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法的專用裝置，制備k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔模型包括:大石英管、反應(yīng)源氧化鎵粉末、氧化鋁陶瓷舟、襯底、小石英管、加熱電阻絲、密封用有機(jī)硅膠塞，具體結(jié)構(gòu)如下:
[0021] 電阻爐中的大石英管內(nèi)部用于放置反應(yīng)源的小石英管，在小石英管內(nèi)靠近爐膛中央位置放置裝有反應(yīng)源的氧化鋁陶瓷舟，在距離反應(yīng)源的25~35cm處放置有沉積k_Ga203/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的襯底；大石英管外側(cè)設(shè)置電阻爐的加熱電阻絲，用于加熱小石英管內(nèi)的反應(yīng)原材料；大石英管兩端開口處，分別通過(guò)密封用有機(jī)硅膠塞封閉，一端的密封用有機(jī)硅膠塞設(shè)有進(jìn)氣孔，另一端的密封用有機(jī)硅膠塞設(shè)有出氣孔，根據(jù)需要的流量和流速使Ar或NH3通過(guò)小石英管；在制備k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程中，首先用高純氬氣清洗反應(yīng)腔，然后在高純氬氣保護(hù)下將溫度從室溫升高到750~850°C，將高純氬氣換為高純氨氣，并隨后將溫度升高到1000~1200°C保溫10~1000分鐘，通過(guò)自組裝生長(zhǎng)技術(shù)獲得制備k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想如下:
[0023]氧化鎵具有多種晶型，不同晶型的氧化鎵物理化學(xué)性能及光電性能截然不同。根據(jù)不同晶型氧化鎵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異和它們之間的相互轉(zhuǎn)變溫度，通過(guò)控制氧化鎵的結(jié)晶形核溫度梯度，可以獲得具有不同晶體結(jié)構(gòu)的氧化鎵異質(zhì)結(jié)材料，并探索其光電性能及其在光電納米器件領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明在氧化鎵結(jié)晶形核的過(guò)程中，調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)環(huán)境，控制溫度梯度，則有望實(shí)現(xiàn)氧化鎵不同晶型的轉(zhuǎn)變和氧化鎵不同晶型異質(zhì)結(jié)的形成。
[0024]本發(fā)明所采用的方法是在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，精確控制沉積區(qū)域溫度和氨氣流量，通過(guò)自發(fā)形成的一種k-Ga203/P-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所得的k_Ga203是氧化鎵體系中的一種新的晶型結(jié)構(gòu)，具有正交對(duì)稱性。采用本發(fā)明方法生長(zhǎng)氧化鎵異質(zhì)結(jié)納米材料，氧化鎵異質(zhì)結(jié)包括β -Ga2O3納米線狀主干和其表面上的k-Ga203納米柱，其中:β -Ga2O3納米線長(zhǎng)度在5~IOOljIii, 直徑在50~1000nm0 k_Ga203納米柱尺寸在50~200nm,在β -Ga2O3納米線表面呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱分布。該氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其中β -Ga2O3相為納米線狀，k-Ga203相為納米橢圓柱狀并且周期性地分布在β -Ga2O3相為納米線狀表面。該k-Ga203/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為自組裝生長(zhǎng)形成，在紫外光區(qū)具有非常強(qiáng)的陰極射線熒光性能，并且具有分立的發(fā)光特性，適合用作紫外光電探測(cè)器和光解水制氫。
[0025]本發(fā)明中，所述的“偽四次對(duì)稱”是指k-Ga203相均分布在β -Ga2O3的四個(gè)表面，而這四個(gè)表面之間的相互夾角相互略有差異，但是基本都分布在85-95°之間而不是嚴(yán)格的90。。
[0026]本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)以及有益效果:
[0027]1、本發(fā)明可得到k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，尺寸均勻，k_Ga203相尺寸只有100~300nm，β -Ga2O3為納米線狀，直徑為50~1000nm (優(yōu)選為100~500nm)，長(zhǎng)度為5~100 μ m (優(yōu)選為5~50 μ m)，具有巨大的比表面積，生長(zhǎng)產(chǎn)額高。
[0028]2、本發(fā)明得到的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，k_Ga203相周期性地分布在β -Ga2O3的四個(gè)側(cè)面，呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0029]3、本發(fā)明得到的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，k_Ga203相在3IOnm具有強(qiáng)紫外發(fā)光，而β -Ga2O3相在430nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光。
[0030]4、本發(fā)明得到的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，具有非常完美的相界面，且有良好晶格匹配關(guān)系，電子可以在兩相界面自由傳輸，所制備的k_Ga203/i3 -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可用于紫外光電探測(cè)器、光解水制氫、場(chǎng)發(fā)射器件等。
[0031]5、本發(fā)明用到的設(shè)備低廉，工藝簡(jiǎn)單，工藝參數(shù)易于調(diào)控。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)反應(yīng)爐爐腔模型圖。圖中，
1-大石英管；2_反應(yīng)源(氧化鎵粉末)；3_氧化鋁陶瓷舟；4-硅片；5_小石英管；6_加熱電阻絲；7_密封用有機(jī)硅膠塞。
[0033]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)在20~60度衍射范圍XRD圖P曰。
[0034]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)的掃描電鏡照片。
[0035]圖4 Ca)-圖4 (b)為本發(fā)明實(shí)施例1中k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)的高分辨透射電鏡照片及選區(qū)電子衍射花樣。其中，圖4 (a)為高分辨透射電鏡照片；圖4 (b)為選區(qū)電子衍射花樣。圖中，Interface step代表界面生長(zhǎng)臺(tái)階，Stacking fault代表堆垛層錯(cuò)。
[0036]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)在陰極射線激發(fā)下的發(fā)射光譜圖(電壓5kV)。其中，Ca)圖為掃描電鏡(SEM)圖；(b)圖為310nm波長(zhǎng)發(fā)射光譜對(duì)應(yīng)的發(fā)光分布圖；(c)圖為430nm波長(zhǎng)發(fā)射光譜對(duì)應(yīng)的發(fā)光分布圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0037]本發(fā)明生長(zhǎng)氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，在管式電阻爐中利用化學(xué)氣相沉積的方法，以高純?chǔ)?-Ga2O3 (純度> 99.99wt%)粉末為前驅(qū)體材料(反應(yīng)源)，高純氬氣(體積純度^ 99.99%)為保護(hù)氣體，高純氨氣(體積純度> 99.9999%)為反應(yīng)氣體，將β -Ga2O3粉末加熱分解，然后在低溫區(qū)沉積自組裝生成，具體包括如下步驟:[0038](I)稱取一定質(zhì)量的β -Ga2O3粉末，在氧化鋁陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/3~2/3的β -Ga2O3粉末，然后將氧化鋁陶瓷舟放在石英管的中央，在石英管的下游25~35cm處放置襯底，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng)。本發(fā)明中，“下游”是指:石英管內(nèi)距離Ar或NH3的進(jìn)氣孔較遠(yuǎn)的位置，襯底為硅片、藍(lán)寶石或其它熔點(diǎn)在1200°C以上且不與氨氣發(fā)生反應(yīng)的片狀或塊狀物質(zhì)。
[0039](2)用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至KT1~10_3Pa，向步驟I的石英管通入流速為50~250sccm的U1氣10~60min至常壓，排除石英管中殘留氣體。
[0040](3)將石英管的溫度從室溫緩慢(升溫速率為I~5°C /min)加熱到750~850°C，然后關(guān)閉IS氣，通入流速為100~300ml/min的氨氣。
[0041](4)將石英管的中央溫度繼續(xù)加熱至1000~1200°C(升溫速率為5~30°C /min),保溫10~1000分鐘(優(yōu)選為20~200分鐘);襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體25~35cm處，該位置溫度為800~900°C ;然后關(guān)閉氨氣，通入流速為100~300ml/min的氬氣保護(hù)
至溫度降到室溫，即可獲得k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0042]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。對(duì)于這些實(shí)施例的詳細(xì)描述，應(yīng)該理解為本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過(guò)本發(fā)明來(lái)實(shí)踐，并可以通過(guò)使用其它實(shí)施例，在不脫離所附權(quán)利要求書的精神和本發(fā)明范疇的情況下，對(duì)所示實(shí)例進(jìn)行更改和/或改變。此外，雖然在實(shí)施例中公布了本發(fā)明的特定特征，但是這種特定特征可以適當(dāng)進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能。
[0043]實(shí)施例1
[0044]本實(shí)施例是在Si片表面直接沉積生長(zhǎng)的k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，具體如下:
[0045]1.稱取一定質(zhì)量的β -Ga2O3粉末，在氧化鋁陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/2的β -Ga2O3粉末，所用β -Ga2O3純度為99.99wt% ;然后將氧化鋁陶瓷舟放在石英管的中央，在石英管的下游25~35cm處放置硅片作為襯底，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng)。本實(shí)施例中，所用硅片為純度>99.99wt%、表面晶向?yàn)椤?11〉、單面研磨、表面粗糙度(Ra)含0.3nm、表面尺寸為 20 X 20mm、厚度 0.5mm。[0046]2.用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至10_2Pa,向步驟I的石英管通入流速為200sccm的氬氣30min至常壓，排除石英管中殘留氣體，所用氬氣體積純度為99.99%。
[0047]3.將石英管的溫度從室溫緩慢加熱到800°C，升溫速率為5°C /min，然后關(guān)閉氬氣，通入流速為200ml/min的氨氣，所用氨氣體積純度為99.9999%。
[0048]4.將石英管溫度繼續(xù)加熱至1100°C，升溫速率為5°C/min，保溫100分鐘；襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體25~35cm處,該位置溫度為850°C ;然后將氨氣關(guān)閉，通入流速為200ml/min IS氣至溫度自然降到室溫，即可獲得k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0049]如圖1所示，本實(shí)施例制備k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔模型主要包括:大石英管1、反應(yīng)源(氧化鎵粉末)2、氧化鋁陶瓷舟3、硅片4、小石英管5、加熱電阻絲6、密封用有機(jī)硅膠塞7，具體結(jié)構(gòu)如下:電阻爐中的大石英管I內(nèi)部用于放置反應(yīng)源的小石英管5，大石英管I和小石英管5配套使用的好處是:防止Ga2O3納米顆粒沉積在石英管內(nèi)壁而對(duì)未來(lái)試驗(yàn)造成污染，同時(shí)在襯底表面易于獲得高濃度的Ga2O以促進(jìn)Ga2O3納米晶的形核和長(zhǎng)大。在小石英管5內(nèi)靠近爐膛中央位置放置裝有反應(yīng)源(氧化鎵粉末)2的氧化鋁陶瓷舟3，在距離反應(yīng)源(氧化鎵粉末)2的20~25cm處放置有沉積k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)的硅片4作為襯底；大石英管I外側(cè)設(shè)置電阻爐的加熱電阻絲6，用于加熱小石英管5內(nèi)的反應(yīng)原材料；大石英管I兩端開口處，分別通過(guò)密封用有機(jī)硅膠塞7封閉，一端的密封用有機(jī)硅膠塞7設(shè)有進(jìn)氣孔，另一端的密封用有機(jī)硅膠塞7設(shè)有出氣孔，根據(jù)需要的流量和流速使Ar或NH3通過(guò)小石英管5。在制備k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程中，首先用高純氬氣清洗反應(yīng)腔，然后在高純氬氣保護(hù)下將溫度從室溫升高到800°C，將高純氬氣換為高純氨氣，并隨后將溫度升高到1100°C保溫100分鐘，通過(guò)自組裝生長(zhǎng)技術(shù)即可獲得制備k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0050]利用上述方法 生長(zhǎng)的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)利用XRD方法進(jìn)行檢測(cè)。如圖2所示，k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶在20~60度衍射范圍內(nèi)的XRD圖譜。從圖譜上可以確定所得產(chǎn)物為兩相結(jié)構(gòu)，其中一種為單斜結(jié)構(gòu)的P-Ga2O3，另外一種結(jié)構(gòu)為正交晶系，晶胞參數(shù)為a=5.2A，1^8.86Α, σ=9.6Α。
[0051]如圖3所示，k-Ga203/e-Ga203異質(zhì)結(jié)的掃描電鏡照片。從圖3可以看出，本發(fā)明所生長(zhǎng)的k-Ga203/P -Ga2O3異質(zhì)結(jié)具有三維立體結(jié)構(gòu)，中間為納米線狀β -Ga2O3, k_Ga203相呈現(xiàn)橢圓柱狀形貌，周期性地分布在中間β -Ga2O3納米線的四個(gè)側(cè)面，呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱結(jié)構(gòu)。k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以達(dá)到5~20 μ m,中間β -Ga2O3納米線直徑在50~500nm，表面k_Ga203平均尺寸在200~400nm之間。
[0052]本實(shí)施例中，β -Ga2O3和k_Ga203的具體參數(shù)如下:
[0053]β -Ga2O3相呈現(xiàn)納米線狀，長(zhǎng)度為5~20 μ m，直徑為50~500nm，生長(zhǎng)末端沒(méi)有催化劑顆粒；β -Ga2O3相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有孿晶及層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；β -Ga2O3相納米線生長(zhǎng)擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)閱涡苯Y(jié)構(gòu)的【010】方向。k-Ga203相納米柱高度為0.2~0.4 μ m，納米柱長(zhǎng)度為0.2~0.4 μ m，納米柱寬度為0.2~0.4 μ m，生長(zhǎng)末端無(wú)催化劑;k_Ga203相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；k-Ga203相呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱周期地分布在P-Ga2O3相的表面，相鄰β -Ga2O3晶面生長(zhǎng)的k-Ga203相納米柱的夾角在85~95度之間；同一晶面相鄰k_Ga203相納米柱之間的間隔距離在I~3^之間。β -Ga203相與k_Ga203相的晶面關(guān)系為(002)0//(020) κ，晶向關(guān)系為[110] 0//[100] κ。[0054]上述生長(zhǎng)的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量用高分辨透射電鏡和電子衍射技術(shù)進(jìn)行表征分析。在200kV加速電壓和400000倍放大倍數(shù)下，所觀測(cè)的高分辨透射電鏡原子像顯示k-Ga203和β -Ga2O3晶體內(nèi)部都含有大量結(jié)構(gòu)缺陷，主要為孿晶和堆垛層錯(cuò)。在k-Ga203和P-Ga2O3相界面處有臺(tái)階和堆垛層錯(cuò)。電子衍射花樣也呈現(xiàn)出明顯的衍射線，而不是清晰的衍射斑點(diǎn)，表明無(wú)論是β -Ga2O3相還是k-Ga203相內(nèi)部，都含有大量的堆垛層錯(cuò)和孿晶缺陷。
[0055]如圖4所示，本發(fā)明所生長(zhǎng)的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)，高分辨電鏡照片和選區(qū)電子衍射花樣分析表明k-Ga203和P-Ga2O3的晶體取向關(guān)系為β-Ga2O3的(002)晶面平行于k-Ga203的(020)面，β -Ga2O3的[010]平行于k_Ga203的[102]形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。如圖5所示，陰極射線熒光分析表明，本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/i3 -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)在紫外光區(qū)具有明顯的發(fā)光差異，其中k-Ga203相在310nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光，而線狀的β-Ga2O3相在430nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光。陰極射線熒光測(cè)試是在掃描電鏡上完成的，所用加速電壓為5kV，電流為ΙΟΟρΑ。
[0056]實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明中通過(guò)高溫加熱Ga2O3粉末，控制Ga2O3的沉積溫度和氨氣流量，即可以獲得k_Ga203/i3 -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)，這種方法十分簡(jiǎn)單，可以替代造價(jià)昂貴的分子束外延方法來(lái)獲得k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明中獲得的k_Ga203是Ga2O3的一種新的晶型，還有許多未知的物理化學(xué)性能需要進(jìn)一步研究。這種k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)也為構(gòu)建新型光電納米器件、光催化反應(yīng)分解水制氫等提供新的選擇。
[0057]實(shí)施例2
[0058]與實(shí)施例1不同之處在于，本實(shí)施例是在Si片表面直接沉積生長(zhǎng)的k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，具體如下:
[0059]1.稱取一定質(zhì)量的β -Ga2O3粉末，在氧化鋁陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/2的β -Ga2O3粉末，所用β -Ga2O3純度為99.99wt% ;然后將氧化鋁陶瓷舟放在石英管的中央，在石英管的下游25~30cm處放置硅片作為襯底，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng)。本實(shí)施例中，所用硅片為純度>99.99wt%、表面晶向?yàn)椤?11〉、單面研磨、表面粗糙度(Ra)含0.3nm、表面尺寸為 20 X 20mm、厚度 0.5mm。
[0060]2.用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至10_3Pa，向步驟I的石英管通入流速為IOOsccm的氬氣40min至常壓，排除石英管中殘留氣體，所用氬氣體積純度為99.99%。
[0061]3.將石英管的溫度從室溫緩慢加熱到850°C，升溫速率為2°C /min，然后關(guān)閉氬氣，通入流速為300ml/min的氨氣，所用氨氣體積純度為99.9999%。
[0062]4.將石英管溫度繼續(xù)加熱至1180°C，升溫速率為15°C /min，保溫60分鐘；襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體25~30cm處,該位置溫度為900°C ;然后將氨氣關(guān)閉，通入流速為300ml/min IS氣至溫度自然降到室溫，即可獲得k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0063]利用上述方法生長(zhǎng)的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)利用XRD方法進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶在20~60度衍射范圍內(nèi)的XRD圖譜，可以確定所得產(chǎn)物為兩相結(jié)構(gòu)，其中一種為單斜結(jié)構(gòu)的P-Ga2O3，另外一種結(jié)構(gòu)為正交晶系，晶胞參數(shù)為a=5.2A, Ιτ=8.8?Α, C=9.6A。與實(shí)施例1相比，本實(shí)施例獲得的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)XRD圖譜中β -Ga2O3相(001)面衍射峰相對(duì)強(qiáng)度變?nèi)?，而k-Ga203相對(duì)應(yīng)衍射峰相對(duì)強(qiáng)度增加。
[0064] 根據(jù)k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)的掃描電鏡照片，可以看出本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)具有三維立體結(jié)構(gòu)，中間為納米線狀P-Ga2O3, k_Ga203相呈現(xiàn)橢圓柱狀形貌，周期性地分布在中間P-Ga2O3納米線的四個(gè)側(cè)面，呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱結(jié)構(gòu)。與實(shí)施例1相t匕，本實(shí)施例獲得的k-Ga203/P-Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以達(dá)到10~30 μ m，中間β -Ga2O3納米線直徑在100~400nm，表面k_Ga203平均尺寸在300~500nm之間，k_Ga203相生長(zhǎng)密度增加，在β -Ga2O3納米線表面呈現(xiàn)連續(xù)生長(zhǎng)。
[0065]本實(shí)施例中，β -Ga2O3和k_Ga203的具體參數(shù)如下:
[0066]β -Ga2O3相長(zhǎng)度為10~30 μ m,直徑為100~400nm，生長(zhǎng)末端沒(méi)有催化劑顆粒；β -Ga2O3相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有孿晶及層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；β -Ga2O3相納米線生長(zhǎng)擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)閱涡苯Y(jié)構(gòu)的【010】方向。k-Ga203相納米柱高度為0.3~0.5 μ m，納米柱長(zhǎng)度為0.3~
0.5 μ m，納米柱寬度為0.3~0.5 μ m，生長(zhǎng)末端無(wú)催化劑；k_Ga203相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；k-Ga203相呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱周期地分布在β -Ga2O3相的表面，相鄰k-Ga203相納米柱的夾角在85~95度之間；k-Ga203相納米柱彼此相互接觸,呈現(xiàn)連續(xù)分布。β -Ga2O3相與k-Ga203相的晶面關(guān)系為(002) e//(020) κ，晶向關(guān)系為[110] e//[100] κ。
[0067]上述生長(zhǎng) 的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量用高分辨透射電鏡和電子衍射技術(shù)進(jìn)行表征分析。在200kV加速電壓和400000倍放大倍數(shù)下，所觀測(cè)的高分辨透射電鏡原子像顯示k-Ga203和β -Ga2O3晶體內(nèi)部都含有大量結(jié)構(gòu)缺陷，主要為孿晶和堆垛層錯(cuò)。在k-Ga203和P-Ga2O3相界面處有臺(tái)階和堆垛層錯(cuò)。電子衍射花樣也呈現(xiàn)出明顯的衍射線，而不是清晰的衍射斑點(diǎn)，表明無(wú)論是β -Ga2O3相還是k-Ga203相內(nèi)部，都含有大量的堆垛層錯(cuò)和孿晶缺陷。
[0068]本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/i3 -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)，高分辨電鏡照片和選區(qū)電子衍射花樣分析表明k-Ga203和P-Ga2O3的晶體取向關(guān)系為β-Ga2O3的(002)晶面平行于k-Ga203的(020)面，β -Ga2O3的[010]平行于k_Ga203的[102]形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。陰極射線熒光分析表明，本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/i3-Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)在紫外光區(qū)具有明顯的發(fā)光差異，其中k-Ga203相在310nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光，而線狀的β -Ga2O3相在430nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光。陰極射線熒光測(cè)試是在掃描電鏡上完成的，所用加速電壓為5kV，電流為ΙΟΟρΑ。
[0069]實(shí)施例3
[0070]與實(shí)施例1不同之處在于，本實(shí)施例是在Si片表面直接沉積生長(zhǎng)的k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，具體如下:
[0071]1.稱取一定質(zhì)量的P-Ga2O3粉末，在氧化鋁陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/2的β-Ga2O3粉末，所用β -Ga2O3純度為99.99wt% ;然后將氧化鋁陶瓷舟放在石英管的中央，在石英管的下游30~35cm處放置硅片作為襯底，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng)。本實(shí)施例中，所用硅片為純度>99.99wt%、表面晶向?yàn)椤?11〉、單面研磨、表面粗糙度(Ra)含0.3nm、表面尺寸為 20 X 20mm、厚度 0.5mm。
[0072]2.用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至KT1Pa,向步驟I的石英管通入流速為150sccm的氬氣30min至常壓，排除石英管中殘留氣體，所用氬氣體積純度為99.99%。
[0073]3.將石英管的溫度從室溫緩慢加熱到750°C，升溫速率為3°C /min，然后關(guān)閉氬氣，通入流速為150ml/min的氨氣，所用氨氣體積純度為99.9999%。
[0074]4.將石英管溫度繼續(xù)加熱至1000°C，升溫速率為20°C /min,保溫120分鐘；襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體30~35cm處，該位置溫度為800°C ;然后將氨氣關(guān)閉，通入流速為150ml/min IS氣至溫度自然降到室溫，即可獲得k_Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0075]利用上述方法生長(zhǎng)的k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶體結(jié)構(gòu)利用XRD方法進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)晶在20~60度衍射范圍內(nèi)的XRD圖譜，可以確定所得產(chǎn)物為兩相結(jié)構(gòu)，其中一種為單斜結(jié)構(gòu)的P-Ga2O3，另外一種結(jié)構(gòu)為正交晶系，晶胞參數(shù)為a=5.2A, b=8.86A, c=9.6Ao
[0076]根據(jù)k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)的掃描電鏡照片，可以看出本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)具有三維立體結(jié)構(gòu)，中間為納米線狀P-Ga2O3, k_Ga203相呈現(xiàn)橢圓柱狀形貌，周期性地分布在中間P-Ga2O3納米線的四個(gè)側(cè)面，呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱結(jié)構(gòu)。與實(shí)施例1相t:匕，本實(shí)施例獲得的k-Ga203/ β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度可以達(dá)到50~80 μ m,中間β -Ga2O3納米線直徑在300~600nm，表面k_Ga203平均尺寸在200~400nm之間。
[0077]本實(shí)施例中，β -Ga2O3和k_Ga203的具體參數(shù)如下:
[0078]β -Ga2O3相長(zhǎng)度為50~80 μ m,直徑為300~600nm，生長(zhǎng)末端沒(méi)有催化劑顆粒；β -Ga2O3相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有孿晶及層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；β -Ga2O3相納米線生長(zhǎng)擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)閱涡苯Y(jié)構(gòu)的【010】方向。k-Ga203相納米柱高度為0.2~0.4 μ m，納米柱長(zhǎng)度為0.2~0.4 μ m，納米柱寬度為0.2~0.4 μ m，生長(zhǎng)末端無(wú)催化劑；k_Ga203相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；k-Ga203相呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱周期地分布在β -Ga2O3相的表面，相鄰k-Ga203相納米柱的夾角在85~95度之間；相鄰k-Ga203相納米柱之間的間隔距離在2~5 μ m之間。β -Ga2O3 相與 k-Ga203 相的晶面關(guān)系為(002) 0//(020) κ，晶向關(guān)系為[110] 0//[100] κ。
[0079]上述生長(zhǎng)的k-Ga 203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量用高分辨透射電鏡和電子衍射技術(shù)進(jìn)行表征分析。在200kV加速電壓和400000倍放大倍數(shù)下，所觀測(cè)的高分辨透射電鏡原子像顯示k-Ga203和β -Ga2O3晶體內(nèi)部都含有大量結(jié)構(gòu)缺陷，主要為孿晶和堆垛層錯(cuò)。在k-Ga203和P-Ga2O3相界面處有臺(tái)階和堆垛層錯(cuò)。電子衍射花樣也呈現(xiàn)出明顯的衍射線，而不是清晰的衍射斑點(diǎn)，表明無(wú)論是β -Ga2O3相還是k-Ga203相內(nèi)部，都含有大量的堆垛層錯(cuò)和孿晶缺陷。
[0080]本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/i3 -Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)，高分辨電鏡照片和選區(qū)電子衍射花樣分析表明k-Ga203和P-Ga2O3的晶體取向關(guān)系為β-Ga2O3的(002)晶面平行于k-Ga203的(020)面，β -Ga2O3的[010]平行于k_Ga203的[102]形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。陰極射線熒光分析表明，本發(fā)明所生長(zhǎng)的k_Ga203/i3-Ga2O3異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)在紫外光區(qū)具有明顯的發(fā)光差異，其中k-Ga203相在310nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光，而線狀的β -Ga2O3相在430nm處具有非常強(qiáng)的紫外發(fā)光。陰極射線熒光測(cè)試是在掃描電鏡上完成的，所用加速電壓為5kV，電流為ΙΟΟρΑ。
[0081]以上所述的僅是本發(fā)明所列舉的最優(yōu)實(shí)施方式。需要指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的所有技術(shù)人員，在不脫離所附權(quán)利要求書的精神和本發(fā)明所示原理的范疇情況下，還可以對(duì)所示實(shí)例進(jìn)行更改和/或改變，這些改變也應(yīng)被視為本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，該氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為k-Ga203/ P-Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，一種是單斜結(jié)構(gòu)的β -Ga2O3相，一種是正交結(jié)構(gòu)的k-Ga203相；其中，β -Ga2O3相為納米線狀，k-Ga203相為納米橢圓柱狀并且周期性地分布在β -Ga2O3相納米線狀表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，β-Ga2O3相呈現(xiàn)具有四方截面的納米線狀，k-Ga203相呈現(xiàn)納米橢圓柱狀形貌，k-Ga203相周期地生長(zhǎng)在β -Ga2O3相的四個(gè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，P-Ga2O3相長(zhǎng)度為5~100 μ m,直徑為50~lOOOnm，生長(zhǎng)末端沒(méi)有催化劑顆粒；β -Ga2O3相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有孿晶及層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；β -Ga2O3相納米線擇優(yōu)生長(zhǎng)取向?yàn)閱涡苯Y(jié)構(gòu)的【010】方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，k-Ga203相納米柱高度為0.1~5 μ m,納米柱長(zhǎng)度為0.1~2 μ m,納米柱寬度為0.1~I μ m,生長(zhǎng)末端無(wú)催化劑；k-Ga203相為單晶結(jié)構(gòu)，但是具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷；k-Ga203相呈現(xiàn)偽四次對(duì)稱周期地分布在β -Ga2O3相的表面，相鄰k-Ga203相納米柱的夾角在85~95度之間；相鄰k_Ga203相納米柱之間的間隔距離在0.5~5 μ m之間，或者k-Ga203相納米柱彼此相互接觸，呈現(xiàn)連續(xù)分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于，k-Ga203的相結(jié)構(gòu)為正交晶系，晶胞參數(shù)為f5.2 A，tF=8.86A, c=9.6A。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于:β-Ga2O3相與k-Ga203相的晶面關(guān)系為(002) 0//(020) κ ,晶向關(guān)系為[110] e//[100] κ。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其特征在于:β-Ga2O3相納米線主干在340nm附近有紫外發(fā)光，k_Ga203相納米柱在310nm附近有強(qiáng)烈紫外發(fā)光。
8.—種權(quán)利要求1~7任一所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，采用化學(xué)氣相沉積方法，以高純?chǔ)?-Ga2O3粉末為前驅(qū)體材料，高純氬氣為保護(hù)氣體，高純氨氣為反應(yīng)氣體，將高純?chǔ)?-Ga2O3粉末加熱分解，然后在低溫區(qū)沉積自組裝生成氧化鎵異質(zhì)結(jié)，氧化鎵異質(zhì)結(jié)中β -Ga2O3相和k-Ga203相的生長(zhǎng)過(guò)程為自發(fā)過(guò)程，具體包括如下步驟: (1)在氧化招陶瓷舟內(nèi)裝入其體積1/3~2/3的β-Ga2O3粉末,然后將氧化招陶瓷舟放入石英管內(nèi)，將襯底置于粉末下游25~35cm距離處，用于氧化鎵納米結(jié)構(gòu)的沉積生長(zhǎng)； (2)用機(jī)械泵將石英管內(nèi)氣壓抽至KT1~10_3Pa，向步驟I的石英管通入流速為50~250sccm的IS氣10~60min至常壓,排出石英管中殘留氣體； (3)將石英管的溫度從室溫以升溫速率為I~5°C/min緩慢加熱到750~850°C，然后關(guān)閉IS氣，通入流速為100~300ml/min的氨氣； (4)將石英管的中央溫度繼續(xù)以升溫速率為5~30°C/min加熱至1000~1200°C，保溫10~1000分鐘；襯底距離石英管的中央反應(yīng)前驅(qū)體25~35cm處,該位置溫度為800~9000C ;然后關(guān)閉氨氣，通入流速為100~300ml/min的氬氣保護(hù)至溫度降到室溫，獲得k-Ga203/ β -Ga2O3 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，其特征在于，襯底為硅片、藍(lán)寶石或其它熔點(diǎn)在1200°C以上且不與氨氣發(fā)生反應(yīng)的片狀或塊狀物質(zhì)。
10.一種權(quán)利要求8所述的氧化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法的專用裝置，其特征在于，制備k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)腔模型包括:大石英管、反應(yīng)源氧化鎵粉末、氧化鋁陶瓷舟、襯底、小石英管、加熱電阻絲、密封用有機(jī)硅膠塞，具體結(jié)構(gòu)如下:電阻爐中的大石英管內(nèi)部用于放置反應(yīng)源的小石英管，在小石英管內(nèi)靠近爐膛中央位置放置裝有反應(yīng)源的氧化鋁陶瓷舟，在距離反應(yīng)源的25~35cm處放置有沉積k_Ga203/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)的襯底；大石英管外側(cè)設(shè)置電阻爐的加熱電阻絲，用于加熱小石英管內(nèi)的反應(yīng)原材料；大石英管兩端開口處，分別通過(guò)密封用有機(jī)硅膠塞封閉，一端的密封用有機(jī)硅膠塞設(shè)有進(jìn)氣孔，另一端的密封用有機(jī)硅膠塞設(shè)有出氣孔，根據(jù)需要的流量和流速使Ar或NH3通過(guò)小石英管；在制備k-Ga203/β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程中，首先用高純氬氣清洗反應(yīng)腔，然后在高純氬氣保護(hù)下將溫度從室溫升高到750~850°C，將高純氬氣換為高純氨氣，并隨后將溫度升高到1000~1200°C保溫10~1000分鐘，通過(guò)自組裝生長(zhǎng)技術(shù)獲得制備k-Ga203/ β -Ga2O3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103924298SQ201410151310
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】姜辛, 楊兵, 劉寶丹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所