【摘 要】
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GaN是一种非常优异的Ⅲ-V族宽带隙半导体材料，具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。室温下GaN的禁带宽度是3.4 eV可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示，在光电子学和微电子学领域中有重要的应用前景。目前GaN基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高，且其导热
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GaN是一种非常优异的Ⅲ-V族宽带隙半导体材料，具有高发光效率、高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性。室温下GaN的禁带宽度是3.4 eV可以实现从红外到紫外全可见光范围的光发射和红、黄、蓝三原色具备的全光固体显示，在光电子学和微电子学领域中有重要的应用前景。目前GaN基器件大多数制作在蓝宝石衬底上。由于蓝宝石价格昂贵、衬底自身绝缘且硬度大、器件工艺复杂、制作成本费用高，且其导热性能差，不利于大功率器件的制作，硅衬底则可以弥补这些不足。因此，开展Si基GaN薄膜材料的外延生长意义重大。虽然以Si为衬底的六方GaN材料的生长有一定难度，但由于其晶体质量高、价格低廉、易解理、良好的导电性和成熟的Si基集成技术等优点，成为蓝宝石衬底强有力的竞争者。
本文采用氨化Ga2O3/Tb薄膜的方法制备了一维GaN纳米结构，对其结构、形貌、成分和发光特性进行了深入的分析和研究，并对其生长机制进行了初步探索。研究了中间层的特性及其对生长GaN纳米结构的影响；研究了氨化温度和氨化时间对制各纳米结构的影响。所取得的主要研究结果如下：
1.用磁控溅射和氨化法制备GaN纳米结构及其特性用稀土金属铽Tb作为中间层，利用磁控溅射法在Si衬底上溅射一层Tb薄膜，再利用磁控溅射法在Tb层上溅射一层较厚的Ga2O3薄膜(约为500nm)。然后对溅射的GazO3/Tb薄膜在氨气气氛下退火制备GaN纳米结构。通过改变退火时间、退火温度及中间层的厚度研究其对合成的GaN纳米结构的影响。研究表明：不同的退火温度、退火时间和中间层的厚度对合成GaN纳米结构都有很大影响，合成的一维纳米结构为六方纤锌矿结构的单晶GaN，表现为形貌各异的纳米线、纳米棒及辐射状结构等。
2.GaN纳米结构的光学特性室温下，用波长为298nm光激发样品表面，出现369nm和387nm两处发光峰，改变实验条件发光峰位置基本没有随之发生移动，只是发光强度发生了变化。对于中心位于369m处的发光峰对应于六方GaN纳米结构的近带边发射；由于合成GaN纳米结构时利用了Tb中间层，对于位于387m处的发光峰可能归因于杂质能级的跃迁；也可能与在氨化过程中和GaN重组过程中产生的结构缺陷有关。 3.对GaN纳米结构生长机制的探索在高温氨化的过程中，虽然稀土金属Tb的熔点高于氨化温度，但纳米颗粒的熔点比体金属的熔点低，在高温氨化过程Tb薄膜破裂形成Tb纳米颗粒，这些纳米颗粒为GaN纳米结构的形成提供了有利的成核点，同时，高温下氨气逐步分解成NH2、NH、H2、N2等产物，固态Ga203与H2反应生成中间产物气态的Ga2O，随后与体系中氨气挥发运动到衬底并在此发生催化反应首先得到GaN晶核，这些晶核落在合适的生长位置上，再作为下一个晶核生长的依托点，随着氨化过程的进行GaN晶核继续长成GaN微晶，当微晶的生长方向沿着相同的方向生长，就形成了单晶GaN纳米线、纳米棒、纳米颗粒。在多次实验样品的扫描图片中，我们观察到在一些纳米结构的顶端存在纳米颗粒，因此生长机制很可能为气—液—固机制(VLS)。我们也在Si衬底上直接沉积Ga2O3薄膜并在相同的条件下进行氨化，没有如此的纳米结构形成。因此我们认为Tb很可能作为GaN晶胚的成核点，在GaN纳米结构生长的过程中起着催化剂的作用。
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