一種Sn摻雜GaN粉體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Sn摻雜GaN粉體的制備方法，本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法，以高純Ga2O3粉、高純Sn粉、NH3氣分別作為Ga源、Sn源和N源，在研缽中研磨Ga2O3粉和高純Sn粉使其充分混合。將盛有混合粉末的陶瓷舟置于中央加熱區(qū)處，密封水平管式爐，爐內(nèi)真空度抽至1Pa，然后用氬氣反復(fù)洗氣兩次，最后當(dāng)氬氣充到常壓后開始加熱。當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時(shí)，用150sccm的NH3氣代替氬氣并保溫2h。然后停止加熱，并用氬氣代替NH3氣，自然冷卻到室溫。得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60℃下烘干，得到樣品。本發(fā)明的特點(diǎn)是：方法簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)率高，對(duì)環(huán)境危害小，可以批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種Sn摻雜GaN粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體納米材料及其制備的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及稀磁半導(dǎo)體材料的制備，特別涉及具有室溫鐵磁性的Sn摻雜GaN粉體的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN是第三代半導(dǎo)體的代表，它具有3.4 eV寬直接帶隙，它還具有電子漂移飽和速度高、介電系數(shù)小和好的導(dǎo)熱性等性能?；贕aN的優(yōu)良的發(fā)光特性，它可以用于制作高效率藍(lán)綠光發(fā)光半導(dǎo)體材料，是制作藍(lán)、綠發(fā)光二極管(LED)，激光二極管(LD)和高溫大功率集成電路的理想材料的發(fā)光器件。同時(shí)，GaN基器在合成高溫氣敏傳感器材料、高密度信息存儲(chǔ)、高速激光打印、紫外探測(cè)器和抗輻射、電荷耦合器件和高密度集成電路等光電子器件通訊等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]已有的研究工作大多是針對(duì)摻雜GaN納米材料的電學(xué)、光學(xué)或形貌方面的研究，且采用較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作方法，如使用金屬有機(jī)化學(xué)氣象沉積法、分子束外延法等。目前仍沒有關(guān)于非磁性元素Sn摻雜GaN材料磁性試驗(yàn)的報(bào)道.金屬有機(jī)物氣相外延(Metal-organic Vapor Phase Epitaxy,簡(jiǎn)稱MOVPE):金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法:如2010年Abdul Majid等人以Ce作為摻雜源，三甲基鎵(TMGa)作為Ga源，NH3作為N源，氫氣作為運(yùn)載氣體。在藍(lán)寶石襯底上制備了 Ce摻雜GaN薄膜。對(duì)其光學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。參閱，J Supercond Nov Magn.第24卷第585-590頁(yè).分子束外延法:1m Taek Yoon等人通過分子束外延(MBE)方法，在Si (111)襯底上生長(zhǎng)了 Mn摻雜GaN納米線。研究了不同退火溫度對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響。參閱，J Supercond NovMagn.第 26 卷第 687-691 頁(yè)。
[0004]由文獻(xiàn)調(diào)研可知金屬有機(jī)物汽相外延法的儀器和反應(yīng)物昂貴，容易燃燒或者有毒，反應(yīng)后產(chǎn)物需要進(jìn)行無害化處理。分子束外延法的成本高，需要的真空度高，生長(zhǎng)速率慢。同時(shí),金屬有機(jī)物汽相外延操作復(fù)雜,成本高,需要的真空度高,生長(zhǎng)速率慢。然而,直接氮化反應(yīng)法可以克服這些缺點(diǎn)，并且其方法制備的納米材料還具有純度高、對(duì)環(huán)境危害小、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于II1- V族半導(dǎo)體的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于，提供一種通過直接氮化法制備室溫鐵磁的Sn摻雜GaN粉體的方法以解決現(xiàn)有技術(shù)制備工藝復(fù)雜、成本高等問題。采用高純Ga2O3粉末和NH3氣分別作為Ga源和N源，高純Sn粉作為Sn源，以獲得磁性能可調(diào)控的粉體。本方法簡(jiǎn)單易行、成本低、所有原料都很常見，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
`[0006]本發(fā)明是通過以下工藝過程實(shí)現(xiàn)的:在陶瓷舟中制備非磁性元素Sn摻雜GaN粉體。所用系統(tǒng)由水平管式爐、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成。這種制備非磁性元素Sn摻雜GaN粉體的方法用以解決現(xiàn)有技術(shù)制備工藝復(fù)雜、成本高等問題。采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，高純Sn粉作為Sn源。通過瑪瑙研缽把Ga2O3粉、Sn粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末于陶瓷舟中并把陶瓷舟放置于水平管式爐中間，密封水平管式爐。使用機(jī)械泵抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IPa，反復(fù)通入兩次Ar氣，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣。最后使系統(tǒng)達(dá)到常壓，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到1000°C時(shí)，用150sCCm的NH3氣替換氬氣并保溫2h。然后停止加熱，關(guān)掉氨氣，通入氬氣，自然冷卻到室溫。得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60°C下烘干，得到樣品。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于:直接氮化反應(yīng)法制備出非磁性元素Sn摻雜的GaN粉體，其Sn的摻雜量易于控制，制備工藝簡(jiǎn)單，得到與其它技術(shù)不一樣的磁學(xué)性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染小，可控性好，易于推廣，因而具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為未摻雜及不同Sn摻雜量的GaN樣品的的XRD圖:
(l)z=0%，(2)X=0.82%, (3)x=l.06%。
[0009]圖2為制備樣品的SEM圖:x=0.82%。
[0010]圖3為摻雜Sn的GaN樣品的XPS圖，圖中的峰為Sn的3d5/2峰:z=0.82%。
[0011]圖4為未摻雜及不同Sn摻雜量的GaN樣品的磁滯回線圖:
(4)1=0%，(5)x=0.82%, (6)x=l.06%。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
在陶瓷舟中制備未摻雜GaN粉體。采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源。把Ig Ga2O3放進(jìn)陶瓷舟中并把陶瓷舟放置于水平管式爐中間，密封水平管式爐。使用機(jī)械泵抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IPa，反復(fù)通入兩次Ar氣，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣。最后使系統(tǒng)達(dá)到常壓，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到1000°C時(shí)，用150sCCm的NH3氣替換氬氣并保溫2h。然后停止加熱，關(guān)掉氨氣，通入氬氣，自然冷卻到室溫。得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60°C下烘干，得到樣品。
[0013]實(shí)施例2
在陶瓷舟中制備Sn摻雜GaN粉體。采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，高純Sn粉作為Sn源。按Ig Ga2O3粉，0.15g Sn粉的質(zhì)量比(預(yù)摻雜量為15%)，通過瑪瑙研缽把Ga2O3粉和Sn粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末于陶瓷舟中并把陶瓷舟放置于水平管式爐中間，密封水平管式爐。使用機(jī)械泵抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IPa，反復(fù)通入兩次Ar氣，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣。最后使系統(tǒng)達(dá)到常壓，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到1000°C時(shí)，用150SCCm的NH3氣替換氬氣并保溫2h。然后停止加熱，關(guān)掉氨氣，通入氬氣，自然冷卻到室溫。得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60°C下烘干，得到樣品。
[0014]實(shí)施例3
在陶瓷舟中制備Sn摻雜GaN粉體。采用高純Ga2O3粉和NH3氣分別作為Ga源和N源，高純Sn粉作為Sn源。按Ig Ga2O3粉，0.2g Sn粉的質(zhì)量比(預(yù)摻雜量為20%)，通過瑪瑙研缽把Ga2O3粉和Sn粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末于陶瓷舟中并把陶瓷舟放置于水平管式爐中間。陶瓷舟置于中央加熱區(qū)處，密封水平管式爐。使用機(jī)械泵抽真空，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IPa，反復(fù)通入兩次Ar氣，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣。最后使系統(tǒng)達(dá)到常壓，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱。當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到1000°C時(shí)，用150SCCm的NH3氣替換氬氣并保溫2h。然后停止加熱，關(guān)掉氨氣，通入氬氣，自然冷卻到室溫。得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60°C下烘干，得到樣品。
[0015]所得的不同Sn摻雜量GaN粉體分別根據(jù)EDS測(cè)試結(jié)果確定為GahSnxN,其中x=0.82%、X=L 06%ο未摻雜和不同Sn摻量GaN粉體的XRD譜顯示為纖鋅礦GaN結(jié)構(gòu)(ICDD-PDF N0.50-0792)，如圖1。SEM觀察Sn摻雜GaN粉體由大量凝聚在一起的亞微米尺寸形貌的小顆粒組成，如圖2。XPS測(cè)試表明摻雜元素Sn在GaN中為+3價(jià)，如圖3。在室溫下，未摻雜GaN粉體顯示弱的鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度Ms為4.07X 10_4emu/g，不同Sn摻雜量的GaN粉體都具有稍強(qiáng)的鐵磁性，當(dāng)摻雜量為Z=0.82%、1.06%時(shí)對(duì)應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms 分別為 3.55X10-3，3.95X10_3emu/g，如圖 4。
[0016]由以上實(shí)例可以看出，采用直接氮化反應(yīng)法制備的Sn摻雜GaN粉體具有室溫鐵磁性，其產(chǎn)物均勻性好、可控性好、工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，因而具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。`
【權(quán)利要求】
1.一種非磁性元素Sn摻雜GaN粉體的制備方法:本方法為通過化學(xué)氣相沉積法直接氮化，在陶瓷舟中制備了 Sn摻雜GaN粉體；所用系統(tǒng)由硅鑰棒加熱的水平管式爐加熱系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和真空系統(tǒng)組成；高純Ga2O3粉，高純Sn粉，NH3氣分別作為Ga源，Sn源和N源；將Ga2O3粉，Sn粉兩者研磨混合置于陶瓷舟中，將陶瓷舟置于高溫水平管式爐中央加熱區(qū)處，密封水平管式爐；使用機(jī)械泵，使?fàn)t內(nèi)真空度抽至IPa;反復(fù)通入兩次Ar氣，除去系統(tǒng)中殘留的水氣和氧氣；最后使系統(tǒng)達(dá)到常壓，并對(duì)管式爐進(jìn)行加熱；當(dāng)管式爐加熱區(qū)的溫度達(dá)到1000°C時(shí)，用150sCCm的NH3氣替換氬氣并保溫2h ;然后停止加熱，關(guān)掉氨氣，通入氬氣，自然冷卻到室溫；得到的樣品在HCI溶液中清洗，然后放進(jìn)干燥箱中，在60°C下烘干，得到樣品。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的源為高純Ga2O3粉，高純Sn粉，NH3 氣。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述溫度為1000°C。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述氨氣的通入流量為150sCCm。
5.如權(quán)利要求1所述`的制備方法，其特征在于，所述時(shí)間為2h。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103864028SQ201410129400
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】吳 榮, 牛華興 申請(qǐng)人:新疆大學(xué)