专利名称：Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体纳米材料及其制备的技术领域，涉及半导体材料的制备及室温铁磁性研究，并主要关注室温铁磁性的Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的制备。
背景技术：
以II1- V族为代表的光电半导体材料中只有GaN的发光是在可见光之内，因此在工业领域GaN的应用最为广泛。GaN是制作各种发光电子器件的理想材料，如可用于制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、紫外探测器等高频高温电子器件，并对固体照明、指示灯、全色显示、激光打印、环境监测、光存储、光通讯等领域均具有深远的影响。已有的研究工作大多是针对Si掺杂GaN纳米材料的电学、光学或形貌方面的研究，且采用较为复杂的实 验操作方法，如使用金属有机化学气相外延法、分子束外延法等。金属有机化学气相外延法:如2009年Dabing Li等人以CH3SiH3作为Si源，三甲基镓(TMGa)作为Ga源，NH3作为N源，在硅片衬底上制备了 Si掺杂GaN薄膜。随着掺杂浓度的增加，对其光学性质的变化进行了分析。参阅，Journal of Crystal Growth.第311卷第 2906-2909 页.分子束外延法:T.Richter等人通过分子束外延(MBE)方法，在Si (111)衬底上生长了 Si掺杂GaN纳米线。随着掺杂浓度的增加，纳米线的直径变大，直径从150nm逐渐变为250nm,并分析了掺杂浓度对纳米线电学性质的影响。参阅,Nano Letters第8卷第9期第3056-3059 页。由上述报道可以看出金属有机化学气相外延法的仪器和反应物昂贵，容易燃烧或者有毒，反应后产物需要进行无害化处理。分子束外延法的成本高，需要的真空度高，生长速率慢。直接氮化反应法制备的纳米材料具有纯度高、分散性好的优点，且产物均匀性好、对环境危害小、易于推广，因此可广泛应用于I1-VI族碳化物、II1- V族半导体的制备
发明内容
本发明目的在于，提供一种通过直接氮化反应法制备室温铁磁的Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的方法以解决现有技术制备工艺复杂、成本高等问题。采用高纯Ga2O3粉末和NH3气分别作为Ga源和N源，高纯Si粉或SiO粉作为Si源，以获得性能可控的粉体。本方法简单易行、成本低、所有原料都很常见，可以实现工业化生产。
本发明是通过以下工艺过程实现的:
在氧化铝陶瓷舟中制备Si掺杂GaN稀磁半导体粉体。所用设备系统由水平管式炉、气路系统和真空系统组成。这种制备Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的方法用以解决现有技术制备工艺复杂、成本高等问题。采用高纯Ga2O3 (99.999%)粉作为Ga源，高纯Si (99.99%)粉或SiO (99.99%)粉作为Si源，高纯NH3 (99.99%)气作为N源。通过玛瑙研钵把Ga2O3粉和Si粉或SiO粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末置于氧化铝陶瓷舟中，并把此陶瓷舟放置于一水平管式炉中间，密封水平管式炉。使用机械泵和扩散泵对此管式炉抽真空，使炉内真空度抽至9X 10_3 Pa。然后通入Ar气，并对水平管式炉进行加热。当管式炉加热温度达到1050°C时，通入的Ar气被替换为250SCCm的NH3气并保温3小时。然后停止加热，关掉順3气，通入Ar气并自然冷却到室温。最后在氧化铝陶瓷舟中得到淡黄色的粉末。将得到的粉末在HF、HNO3和HCI混合溶液中清洗，然后放进烘箱中，在40°C下烘干，得到产物。与现有技术相比，本发明的特点在于:直接氮化反应法制备出Si掺杂GaN稀磁半导体粉体，其Si的掺杂量易于控制，制备工艺简单，得到与其它技术不一样的磁学性质。本实验产物对环境污染小，可控性好，易于推广，因而具有重要的研究价值和广阔的应用前景
图1 为产物的 EDX 图:(a) x=0.39%, (b) x=l.21%。图2为产物的XRD图。图3 为产物的 SEM 图:(a) x=0.39%, (b) x=l.21%。图4为产物的(a)磁滞回线图和(b)磁滞回线放大图。
具体实施例方式实施例1
在氧化铝陶瓷舟中制备Si掺杂GaN稀磁半导体粉体。采用高纯Ga2O3 (99.999%)粉作为Ga源，高纯NH3 (99.99%)气作为N源，高纯SiO (99.99%)粉作为Si源。按0.4g Ga2O3粉，0.028g SiO粉的质量比，通过玛瑙研钵把Ga2O3粉和SiO粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末置于氧化铝陶瓷舟中，并把氧化铝陶瓷舟放置于水平管式炉中间，密封水平管式炉。使用机械泵和扩散泵对水平管式炉抽真空，使炉内真空度抽至9X 10_3 Pa。然后通入Ar气，并对水平管式炉进行加热。当管式炉加热温度达到1050°C时，通入的Ar气被替换为250sccm的順3气并保持3小时。然后，停止加热，关掉NH3气，通入Ar气，自然冷却到室温。最后在氧化铝陶瓷舟中得到淡黄色的粉末。将得到的粉末在HF、HNO3和HCI混合溶液中清洗，然后放进烘箱中，在40°C下烘干。实施例2
在氧化铝陶瓷舟中制备Si掺杂GaN稀磁半导体粉体。采用高纯Ga2O3 (99.999%)粉作为Ga源，高纯NH3 (99.99%)气作为N源，高纯Si (99.99%)粉作为Si源。按0.4g Ga2O3粉，
0.0lSg Si粉的质量比，通过玛瑙研钵把Ga2O3粉和Si粉充分混合在一起。然后取混合好的粉末置于氧化铝陶瓷舟中，并把氧化铝陶瓷舟放置于水平管式炉中间，密封水平管式炉。使用机械泵和扩散泵对水平管式炉抽真空，使炉内真空度抽至9 X 10_3 Pa。然后通入Ar气，并对水平管式炉进行加热。当管式炉加热温度达到1050°C时，通入的Ar气被替换为250sccm的順3气并保持3小时。然后停止加热，关掉順3气，通入Ar气，自然冷却到室温。最后在氧化铝陶瓷舟中得到淡黄色的粉末。将得到的粉末在HF、順03和11(:1混合溶液中清洗，然后放进烘箱中，在40°C下烘干。所得的不同Si掺杂量GaN稀磁半导体粉体分别根据EDX测试结果确定为Ga1-SIrN，其中Z=0.39%和1.21%。图1是产物的EDX测试结果图。不同Si掺杂量GaN稀磁半导体粉体的XRD谱显示为纤锌矿GaN结构(ICDD-PDF N0.50-0762)，如图2。SEM观察Si掺杂GaN稀磁半导体粉体由大量不规则形貌的小颗粒组成，如图3。在室温下，不同Si掺杂量GaN稀磁半导体粉体都具有铁磁性。当掺杂量为Z=0.39和1.21%时对应的饱和磁化强度Ms分别为6.25 X 10_4和2.27 X 10_3 emu/g,对应的矫顽力H。分别为95和122 Oe,如图4。 由以上实例可以看出，采用直接氮化反应法制备的Si掺杂GaN稀磁半导体粉体具有室温铁磁性，其产物均匀性好、可控性好、工艺简单、成本低的特点，因而具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
权利要求
1.Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的制备方法:采用直接氮化反应法，制备了 Si掺杂GaN稀磁半导体粉体，所用设备系统由水平管式炉、气路系统和真空系统组成；以高纯Ga2O3(99.999%)粉作为Ga源，高纯Si (99.99%)粉或SiO(99.99%)粉作为Si源，高纯NH3 (99.99%)气作为N源；将Ga2O3粉和Si粉或SiO粉混合置于氧化铝陶瓷舟中，此陶瓷舟置于水平管式炉中央加热区处，密封水平管式炉；使用机械泵和扩散泵对水平管式炉抽真空，使炉内真空度抽至9 X 10_3 Pa ;通入Ar气，并对水平管式炉进行加热，当管式炉温度达到1050°C时，通入的Ar气被替换为250SCCm的NH3气并保持3小时，然后，停止加热，关掉順3气，通入Ar气，自然冷却到室温，最后在氧化铝陶瓷舟中得到淡黄色的粉末；将得到的粉末在HF、HNO3和HCI混合溶液中清洗，然后放进烘箱中，在40°C下烘干，得到产物。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的原料为高纯Ga2O3(99.999%)粉，高纯 Si (99.99%)粉或 SiO (99.99%)粉，NH3 (99.99%)气。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述温度为1050°C。
4.如权利要求1所述的 制备方法，其特征在于，所述NH3气的通入流量为250sccm。
全文摘要
本发明公开了Si掺杂GaN稀磁半导体粉体的制备方法，属于半导体材料及其制备的技术领域。采用高纯Ga2O3粉作为Ga源、高纯Si粉或SiO粉作为Si源、高纯NH3气作为N源。将Ga2O3粉和Si粉或SiO粉充分混合均匀。然后将混合好的粉末置于陶瓷舟中，并将陶瓷舟置于水平管式炉中间，然后对管式炉抽真空。最后通入Ar气，进行加热。当温度达到1050℃时，通入的Ar气被替换为250sccm的NH3气并保温3小时后停止加热，在Ar气环境下自然冷却到室温。最后在陶瓷舟中得到淡黄色的粉末。经HF、HNO3和HCI混合溶液清洗后烘干，得到样品。本发明的特点是方法简单，成本低，产率高，对环境危害小，易于推广。
文档编号C04B35/58GK103204681SQ20131016532
公开日2013年7月17日 申请日期2013年5月8日 优先权日2013年5月8日
发明者简基康, 阿瓦拜克力.肉苏里, 吴 荣, 李锦 , 孙言飞 申请人:新疆大学