氧化镓纳米管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氧化镓纳米管及其制备方法和应用。所述制备方法包括：在衬底上设置催化剂，并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；去除氧化镓纳米线顶端的催化剂，或者，使氧化镓纳米线顶部的催化剂在纳米线生长过程中被自然耗尽；在氧化镓纳米线顶端面中央位置设置金属镓，其后通过金属镓与氧化镓的自反应腐蚀使氧化镓纳米线内部被腐蚀，从而获得内部中空的氧化镓纳米管。本发明专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法，利用镓自反应腐蚀技术实现了垂直于衬底表面的高晶体质量纳米管阵列的制备，避免了其他材料对纳米管的污染，此氧化镓纳米管可应用于紫外光电子、气体探测或吸附等领域。

【技术实现步骤摘要】
氧化镓纳米管及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种氧化镓纳米管的制备方法，特别涉及一种氧化镓纳米管及其制备方法和应用，属于半导体

技术介绍
随着半导体技术的发展，超宽禁带半导体—氧化镓(Ga2O3)凭借其优异的材料与器件特性而成为了研究新宠。在氧化镓材料的五种同分异构体(α，β，ε，δ，γ)中，β相是最稳定的一种构型。β相的氧化镓能够由其他亚稳态相氧化镓在空气中进行足够长时间的高温处理转化而来，由于其所具有的极佳的热稳定性和化学稳定性，β-Ga2O3已经成为器件应用研究的热点材料之一。由于β-Ga2O3半导体材料禁带宽度约4.9eV，击穿场强可高达8MV/cm，在高功率电力电子领域方面具有很大的应用潜力；凭借禁带宽度优势，在日盲紫外探测方面也展示了具有极大的发展前景。β-Ga2O3在室温下是绝缘的，但是因为O空位的大量存在，使其导电性一般表现为n型，且n型掺杂较易实现，但p型掺杂较难；在光学特性方面，β-Ga2O3在深紫外区-可见光区的透光率能达到80％以上，是制备深紫外透明导电薄膜的优良材料；同样由于较大的禁带宽度，β-Ga2O3具有耐高温特性，在高温气体传感器方面同样拥有巨大的应用前景。近年来，Ga2O3薄膜、纳米线材料生长及其器件制备方面研究广泛，报道的外延衬底包括硅(Si)、蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等，由于受限于Ga2O3同质衬底和β-Ga2O3异质外延材料的晶体质量，β-Ga2O3主要应用于光电子器件，尤其是日盲紫外探测器。目前，基于Ga2O3材料的日盲紫外探测器主要有薄膜探测器和纳米结构探测器等，由于纳米结构比表面积大等优点，显示了其在光电探测应用中的优势；在纳米结构中，垂直型纳米线阵列不仅可应用于日盲紫外探测、紫外发光、显示、气体探测等方面，而且制备工艺简单，单个器件电路可控，利于集成；由于垂直型中空结构的β-Ga2O3纳米管具有更大表体面积比，可进一步发挥垂直纳米线的优势，利于器件性能提升，因此垂直型β-Ga2O3纳米管在紫外光电子、气体探测器件等领域具有广阔的应用空间。目前关于β-Ga2O3纳米管制备的研究极少，有报道方案是通过将纯Ga2O3粉末和石墨粉按照3:1的比例混合进行1100℃的高温烧结，从而实现中空β-Ga2O3纳米管结构。而此种方案存在如下缺陷：a、材料污染：此种方法不可避免的会导致β-Ga2O3纳米管受到石墨粉的污染；b、取向不一：通过高温烧结的方法制备β-Ga2O3纳米管，无法控制纳米管的取向，而且基于单根纳米管制备的器件性能重复性差、均匀性较差、批量制备困难；c、阵列器件制备困难：高温烧结制备的β-Ga2O3纳米管取向不一，导致垂直平坦化较为困难，pn结、异质结等功能的位置控制难以掌握，导致工艺复杂难以实施，限制了纳米管阵列器件的制备与应用。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种氧化镓纳米管及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种氧化镓纳米管的制备方法，包括：在衬底上设置催化剂并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；去除氧化镓纳米线顶端的催化剂，或者，使氧化镓纳米线顶部的催化剂在纳米线生长过程中被自然耗尽；在氧化镓纳米线顶端面中央位置设置金属镓，其后通过金属镓与氧化镓的自反应腐蚀使氧化镓纳米线内部被腐蚀，从而获得内部中空的氧化镓纳米管。本专利技术实施例还提供了由所述的制备方法制备获得的氧化镓纳米管。本专利技术实施例还提供了所述的氧化镓纳米管于制备紫外光探测器、发光器件或气体探测器件中的用途。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法，利用镓自反应腐蚀技术实现了垂直于衬底表面的高晶体质量纳米管阵列的制备，避免了其他材料对纳米管的污染；2)本专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法，结合选区外延方法实现纳米线/纳米管的定位有序生长，为其器件应用提供了集成、可控的阵列结构；3)本专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法，可通过在生长过程中通入掺杂源灵活控制纳米管的掺杂，进而有效控制pn结、异质结等功能界的位置，从而实现异质集成结构的纳米管阵列与器件的应用。附图说明图1是本专利技术一典型实施案例中提供的一种氧化镓纳米管的制备方法的工艺流程示意图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法，通过控制外延生长温度，利用金属镓自反应腐蚀工艺在垂直的β-Ga2O3纳米线或纳米柱上来实现中空结构的垂直型β-Ga2O3纳米管的制备，获得最大的表体面积比，提升探测器的性能。本专利技术实施例提供的一种氧化镓纳米管的制备方法是一种利用可规模化的金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法实现新型垂直β-Ga2O3纳米管阵列的外延生长工艺，可结合现有的选区外延方法实现纳米管的定位有序生长，特别的，为基于β-Ga2O3纳米管的紫外探测器、发光器件及气体探测器件提供一种集成、可控的阵列结构。本专利技术实施例提供了一种氧化镓纳米管的制备方法，包括：在衬底上设置催化剂并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；去除氧化镓纳米线顶端的催化剂，或者，使氧化镓纳米线顶部的催化剂在纳米线生长过程中被自然耗尽；在氧化镓纳米线顶端面中央位置设置金属镓，其后通过金属镓与氧化镓的自反应腐蚀使氧化镓纳米线内部被腐蚀，从而获得内部中空的氧化镓纳米管。进一步的，所述的制备方法具体包括：在衬底上设置具有一个以上纳米孔的掩模；在所述掩模上设置催化剂，使催化剂聚集在所述掩模上的各纳米孔处，并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线。进一步的，所述掩模上分布有多个纳米孔，所述多个纳米孔排列形成有序或无序的纳米孔阵列。进一步的，所述的制备方法具体包括：将催化剂铺覆在掩模上，并在铺覆催化剂之前和/或铺覆催化剂之后对衬底进行一次或多次退火，退火温度为500℃-800℃。进一步的，所述的制备方法具体包括：利用所述催化剂，采用化学气相沉积法或分子束外延法在衬底上外延生长形成氧化镓纳米线。进一步的，所述的制备方法具体包括：利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在衬底上外延生长形成氧化镓纳米线，其中外延温度为400℃-600℃，镓源与氧源的摩尔流量比例为1-1000，反应室气压在一个标准大气压以下。进一步的，所述反应室气压为10-50KPa。进一步的，所述衬底包括硅(Si)、蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或氧化镓(Ga2O3)衬底，但不限于此。进一步的，所述的制备方法具体包括：在衬底上生长形成氧化镓纳米线阵列；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化镓纳米管的制备方法，其特征在于包括：/n在衬底上设置催化剂，并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；/n去除氧化镓纳米线顶端的催化剂，或者，使氧化镓纳米线顶部的催化剂在纳米线生长过程中被自然耗尽；/n在氧化镓纳米线顶端面中央位置设置金属镓，其后通过金属镓与氧化镓的自反应腐蚀使氧化镓纳米线内部被腐蚀，从而获得内部中空的氧化镓纳米管。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓纳米管的制备方法，其特征在于包括：
在衬底上设置催化剂，并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；
去除氧化镓纳米线顶端的催化剂，或者，使氧化镓纳米线顶部的催化剂在纳米线生长过程中被自然耗尽；
在氧化镓纳米线顶端面中央位置设置金属镓，其后通过金属镓与氧化镓的自反应腐蚀使氧化镓纳米线内部被腐蚀，从而获得内部中空的氧化镓纳米管。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体包括：
在衬底上设置具有一个以上纳米孔的掩模；
在所述掩模上设置催化剂，使催化剂聚集在所述掩模上的各纳米孔处，并利用所述催化剂在衬底上生长形成氧化镓纳米线；
优选的，所述掩模上分布有多个纳米孔，所述多个纳米孔排列形成有序或者无序的纳米孔阵列。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于具体包括：将催化剂铺覆在掩模上，并在铺覆催化剂之前和/或铺覆催化剂之后对衬底进行一次或多次退火，退火温度为500℃-800℃。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体包括：利用所述催化剂，采用化学气相沉积法或分子束外延法在衬底上外延生长形成氧化镓纳米线。


5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于具体包括：利用金属有机化学气相沉积法在衬底上外延生长形成氧化镓纳米线，其中外延温度为400℃-600℃，镓源与氧源的摩尔流量比例为1-1000，反应室气压在一个标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：马永健，张晓东，李军帅，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32