一种多孔氮化镓单晶材料、其制备方法及应用技术

本申请公开了一种多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。该材料具有自支撑结构，为块状单晶时，作为氮化镓基器件的外延衬底，可以起到应力释放和差排消解的作用，比无孔氮化镓单晶衬底相较更具优势。此外，该晶体材料还可为3D光电器件提供优质的模板。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔氮化镓单晶材料、其制备方法及应用
本申请涉及一种多孔氮化镓单晶材料、其制备方法及应用，属于无机材料领域。
技术介绍
氮化镓具有直接带隙宽、击穿电压高、电子饱和速率高、热导率高、抗辐照能力强和化学稳定性良好等优越性能，是迄今为止，理论上电光、光电转换效率最高的材料，并可成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、光电子等器件的关键基础材料。氮化镓材料在固态照明、彩色显示、激光器、紫外光探测器、微波通信器件和电力电子器件等领域有着广泛的应用前景和巨大的市场需求。氮化镓基器件一般沿极性方向异质外延于蓝宝石、碳化硅或硅上。衬底和氮化镓外延膜间严重的晶格不匹配度和热膨胀系数的差异会导致外延层中产生巨大的应力和高密度的缺陷，使得器件的寿命和性能都大大下降。氮化镓块状单晶是氮化镓基器件制备的理想外延衬底。如果采用氮化镓晶片作为衬底，则可提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，大幅提升器件品质。若采用非极性氮化镓衬底制备发光器件，则可消除量子限制斯塔克效应(Quantum-ConfinedStarkEffect，QCSE)造成的不良影响，更进一步提升发光器件性能。由于氮化镓的熔点高，在高温生长时会导致高的氮离解压，所以难以用熔体制备其单晶材料，采用高温高压技术很难得到符合衬底尺度要求的单晶材料。虽然现在氢化物气相外延(HVPE)法可制作大尺寸的氮化镓衬底，通过采用钠助熔剂法和氨热法提高氮化镓单晶衬底的高品质化和大尺寸化，但是其价格非常昂贵。而非极性面氮化镓衬底一般采用HVPE或氨热法生长的厚c面氮化镓晶体切割而得，其尺寸受到了限制，并且价格非常昂贵。现有制备纳米多孔材料的方法如模板法(useoftemplates)、起泡法(bubbling)、脱合金成分腐蚀法(dealloying)、柯肯特尔效应法(Kirkendalleffect)，共振渗透法(collectiveosmoticshock)等，方法复杂，并且所能制备的最大晶体尺度仅在微米量级，无法制备宏观尺度纳米多孔单晶晶体。因此，有必要提供一种制备大尺寸纳米多孔氮化镓单晶晶体的方法，来为氮化镓基器件提供优质的大尺寸极性(0001)C面、非极性(100)M面和(110)A面的纳米多孔氮化镓单晶衬底和模板。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供一种氮化镓的多孔单晶(PorousSingleCrystals；当多孔为介孔时，为介孔单晶MesoporousSingleCrystals，简写为MSCs)材料，具有纳米或微米尺度的孔和自支撑结构。该晶体材料为块状单晶时，作为氮化镓基器件的外延衬底，可以起到应力释放和差排消解的作用，比无孔氮化镓单晶衬底相较更具优势。此外，该晶体材料还可为3D光电器件提供优质的模板。所述多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。作为一种实施方式，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶薄膜和/或多孔氮化镓单晶晶体。作为一种实施方式，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶薄膜时，薄膜的表面为多孔氮化镓单晶的(0001)C面、(100)M面、(110)A面中的至少一面。优选地，所述多孔氮化镓单晶薄膜的厚度为10nm～20μm。作为一种实施方式，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶晶体时，晶体的最大表面为多孔氮化镓单晶的(0001)C面、(100)M面、(110)A面中的至少一面。优选地，所述多孔氮化镓单晶晶体的最大表面中一维的尺寸为0.1cm～30cm。进一步优选地，所述多孔氮化镓单晶晶体的最大表面中一维的尺寸为1cm～5cm。优选地，所述多孔氮化镓单晶晶体的厚度尺寸为0.1mm～5cm。根据本申请的又一方面，提供制备上述任一多孔氮化镓单晶材料的方法。该方法操作简单、重复性好、成本低廉、适合大规模工业化生产。所述制备氮化镓单晶材料的方法，其特征在于，将镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应，得到所述多孔氮化镓单晶材料。作为一种实施方式，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触的是镓酸锂单晶的(001)面、(010)面、(100)面中的至少一面。作为一种实施方式，所述镓酸锂单晶材料是镓酸锂单晶片；镓酸锂单晶片面积最大的面是单晶的(001)面、(010)面或(100)面与含有氨气的原料气接触。优选地，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的温度为973K～1773K，压力为10托～700托。进一步优选地，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的温度范围下限选自973K、1073K、1173K或1223K，上限选自1773K、1673K、1573K、1473K、1373K或1273K。更进一步优选地，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的温度范围为1173K～1373K。进一步优选地，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的压力范围下限选自50托或100托，上限选自700托、600托、500托、400托、300托或200托。优选地，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的时间为10min～100h。作为一种实施方式，当多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶薄膜时，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的时间为30min～20h。反应时间的长短与多孔氮化镓单晶薄膜的厚度正相关，接触反应时间越长，得到的多孔氮化镓单晶薄膜厚度越大。优选地，当多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶薄膜时，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的时间范围下限选自10min、20min、30min、1h、2h、3h、4h或5h，上限选自20h、18h、15h或10h。当制备的多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶晶体时，接触反应时间应满足使镓酸锂单晶材料全部转化为多孔氮化镓单晶材料。作为一种实施方式，当多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶晶体时，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的时间为10h～100h。本领域技术人员可根据实际需要和所采用的镓酸锂单晶材料的尺寸，确定合适的接触反应时间。优选地，当多孔氮化镓单晶材料为多孔氮化镓单晶晶体时，所述镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应的时间范围下限选自24h、36h或48h，上限选自100h、96h、84h、72h或60h。采用本申请所提供的方法，所得到的多孔氮化镓单晶晶体的晶体尺寸与所采用的镓酸锂单晶材料的尺寸相等。本领域技术人员可以根据实际需要，通过选择合适尺寸的镓酸锂单晶材料，得到所需要的多孔氮化镓单晶晶体。优选地，所述含有氨气的原料气中：氨气的流量记为a，0.05SLM≤a≤10SLM；氮气的流量记为b，0SLM≤b≤10SLM；氩气的流量记为c，0SLM≤c≤10SLM；氢气的流量记为d，0SLM≤d≤10SLM。进一步优选地，所述含有氨气的原料气中，氨气的流量范围下限选自0.05SLM、0.5SLM、1SLM、1.5SLM或2SLM，上限选自10SLM、9SLM、8SLM、7SLM、6SLM、5SLM、4SLM或3SLM。进一步优选地，所述含有氨气的原料气中，氮气的流量范围下限选自0SLM、0.3SLM、0.4SLM或0.5SLM，上限选自10SLM、9SLM、、8SLM、7SLM、6SLM、5SLM、4SLM、3S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。

【技术特征摘要】
1.一种多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料中含有孔径为10nm～2000nm的孔。2.根据权利要求1所述的多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶材料是多孔氮化镓单晶薄膜和/或多孔氮化镓单晶晶体。3.根据权利要求2所述的多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶薄膜的表面为多孔氮化镓单晶的(0001)C面、M面、面中的至少一面。4.根据权利要求2所述的多孔氮化镓单晶材料，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶晶体的尺寸为0.1cm～30cm；优选地，所述多孔氮化镓单晶晶体的尺寸为1cm～5cm。5.制备权利要求1至4任一项所述多孔氮化镓单晶材料的方法，其特征在于，将镓酸锂单晶材料与含有氨气的原料气接触反应，得到所述多孔氮化镓单晶材料。6.根据权利要求5所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨龙，谢奎，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35