CN103105421A - 一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料 - Google Patents

一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料 Download PDF

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刘丽鹏
黄辉
王兢
朱慧超
唐祯安
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Abstract

一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料，属于电子气敏器件技术领域。其特征是：将直径为50-500 nm的GaN纳米线的表面层高温氧化为一层厚度为5-20nm的Ga2O3，得到具有核壳结构GaN-Ga2O3的纳米线半导体气敏材料，该半导体气敏材料可以用于检测O2，H2，H2S，氮氧化物，各种碳氢化合物气体以及氨气等神经元有害气体。本发明的效果和益处是：载体核纳米线尺寸易于制备，而外层氧化获得的Ga2O3敏感材料厚度为5-20nm，接近德拜耗尽层的尺寸，从而获得对气体响应的高灵敏度，解决了直接制备直径为5-20nm Ga2O3纳米线的技术问题，进一步降低制备费用，节省成本。

Description

一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料
技术领域
本发明属于电子气敏器件技术领域，涉及到一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料。
背景技术
Ga2O3是一种良好的半导体金属氧化物气敏材料，对O2，H2以及各种碳氢化合物气体都有良好的响应。一般情况下，该类气敏材料的颗粒尺寸越小，对检测气体的响应灵敏度就越高。Ga2O3主要的纳米结构包括纳米颗粒和纳米线。Ga2O3的纳米颗粒的粒径可以达到10-20nm，接近德拜表面耗尽尺寸，从而可以获得很大的感应信号。但由于纳米颗粒很小，具有很大的活泼性比表面积，在高温使用或其他类似的环境下长期使用很容易发生团聚，导致传感器性能的稳定性和信号重复性变差。而具有一维结构的单根Ga2O3纳米线虽然可以克服上述颗粒团聚的问题并保持传感器的高灵敏度，但在现有工艺条件下，获得5-20nm直径的Ga2O3纳米线对工艺要求很高，从而导致传感器的成本大大增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GaN-Ga2O3核壳结构的纳米线电阻型气敏材料。本发明要解决的技术问题是将工艺上容易获取的直径在100-500nm的GaN纳米线，经过热氧化的方法，控制GaN纳米线的浅层表面氧化条件，将GaN纳米线表面层转化为厚度在5-20nm的Ga2O3，从而获得具有核壳结构的GaN-Ga2O3纳米线。
本发明的技术方案是：用MOCVD的方法制备直径为50-500 nm，长度为3-50微米的GaN纳米线；然后在高温通O2的氛围下，用热氧化的方法将GaN纳米线表层氧化转化成一层5-20nm的Ga2O3气敏材料。附图1给出了具有核壳结构的GaN-Ga2O3纳米线结构图。利用微操纵器将其中一根核壳结构纳米线置于两个金平行电极上，组装成半导体电阻型传感器。附图2给出了组装之后的传感器结构示意图。
本发明的效果和益处是：载体核纳米线尺寸易于制备，而外层氧化获得的Ga2O3敏感材料厚度为5-20nm，接近德拜耗尽层的尺寸，从而可以获得对气体响应的高灵敏度，解决了直接制备直径为5-20nm Ga2O3纳米线的技术问题，可进一步降低制备费用，节省成本。
附图说明
附图1是具有核壳结构的GaN-Ga2O3纳米线结构示意图。
图中： 1 5-20nm厚的Ga2O3层；2 GaN纳米线核。
附图2是组装之后的传感器结构示意图。
图中：3 核壳GaN-Ga2O3纳米线；4两个平行金电极；5电绝缘衬底。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
MOCVD制备核壳纳米线敏感材料：以Si晶片作为衬底，首先在衬底上面溅射一层1-5nm的金属Ni，然后将晶片置于反应器的石英舟内，分别以NH3作为氮源，三甲基镓作为镓源，在900oC高温通H2的条件下生长5-30min，得到直径50-500 nm，长度为3-50微米的GaN纳米线；然后将所得纳米线在 200 oC到1000 oC高温通O2氛围下进行氧化，合理控制O2浓度和氧化时间，在GaN纳米线的外围生长一层厚度为5-20nm的Ga2O3层，得到具有核壳结构GaN-Ga2O3的纳米线气敏材料。
气敏性能测试：利用微操纵器将所制备的一根核壳结构纳米线置于两个金平行电极上，组装成半导体电阻型传感器。将传感器交替置于背景气体和不同浓度的待测气体如O2，H2，NH3，H2S，氮氧化物，各种碳氢化合物气体以及氨气等神经元有害气体中，测量两个金电极之间核壳外层Ga2O3层的电阻值作为传感器的感应信号。

Claims (1)

1.一种基于GaN-Ga2O3核壳结构纳米线半导体气敏材料，其特征是：将直径为50-500 nm的GaN纳米线的表面层高温氧化为一层厚度为5-20nm的Ga2O3，得到具有核壳结构GaN-Ga2O3的纳米线半导体气敏材料。
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