GaN是迅速崛起的代表性第三代半导体材料。由于它具有3．4eV的直接宽禁带隙，可以用来制作蓝绿光发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。目前商业生产中主要是利用MOCVD和MBE技术在A1203或SiC衬底上外延生长GaN薄膜。但是，A1203或SiC衬底与GaN所固有的的格和热膨胀系数的不匹配使得GaN薄膜具有数量级在109－10cm的高缺陷密度，这大大限制了GaN基半导体的应用。如何选择合适的衬底材料成了获得低缺陷密度GaN薄膜的关键问题。 优质大尺寸的GaN单晶无疑是最理想的衬底材料。但是，由于GaN的熔点高达2500~C，在此熔点下需要的平衡压力高达4．5GPa，使得大尺寸GaN的合成非常困难。传统的生长III-V族半导体大单晶(如GaAs，GaP)的方法对生长GaN是不可行的。近年来人们逐渐探索出高温高气压法，基于Na、Li的F1uX法和升华法等特殊方法来生长GaN单晶。其中，高温高气压方法无疑是最成功的。 S．Porowski及其合作者利用1200~C-1500~C的高温和2GPa的高气压，将高压N2溶入液态Ga中来生长OaN晶体。在适当的条件下，生长出表面尺寸达1 00mm2以上近乎零缺陷的GaN单晶。但是，由于高气压难以实现和操作，危险性大.使得这项技术不适用于大规模的商业生产。而固态材料的高压力是相对容易实现和操作的，而且便于推行，因此我们探索了利用固态原料在高温高压下合成GaN的可行性。 本论文的主要工作是利用固态原料合成GaN单晶。我们 的实验是在XKY一6X600 MN型六面顶压机上进行的。实验 分两个部分：一、利用纳米和体材料GaN粉末进行高温高压下GaN单晶的生长：二、利用三聚氰胺(C3N6H6)为固态N源，在高温高压下合成GaN。 <WP=63> 首先，我们利用直流电弧等离子体方法在反应气体偏压比N2：NH3=3：1、总气压P=30kPa、电流I=100A、反应持续时间lO分钟的条件下制备出大量黄褐色的粉末状产物。然后把此产物用浓硝酸和浓盐酸清洗处理。xRD和TEM测试结果表明这是结晶良好、粒度在几纳米到100纳米间的纤锌矿纳米GaN。 接着，我们将制备的纳米GaN粉末和购买的体材料GaN粉末在3MPa下预压成型，在六面项压机上进行高温高压实验。实验压力为5.5士O.5GPAa，温度为l 350士50℃.反应持续30分钟。对经高温高压处理后的样品作了xRD测试与表征以及光学显微镜下的形貌观察，并对常温常压下以及经高温高压后的体材料GaN作了XPS的测试与分析。实验结果表明对纳米GaN和体材料GaN进行简单的高温高压处理没有发现明显的晶体生长。得到的合成物为GaN陶瓷烧结体。 其次，我们以C3N6H6和纯Ga为原材料，在六面顶压机上进行了GaN的高温高压合成研究。实验压力为45GPa，温度从650士50℃到l 1 50士50℃，反应持续时间30分钟。XRD及TEM测试结果表明，在温度大于1000℃时得到了粒度在微米级的纤锌矿结构的GaN单晶。利用固态氮源进行GaN的高温高压合成研究目前尚未见报导，我们得到了一个非常值得鼓舞的结果。这表明，C3N6H6是一种适合于高温高压合成氮化物的固态氮源：并且，利用固态氮源进行GaN晶体的高温高压合成也是可行的。 我们对反应机理做如下推测： l. C3N6H6热分解为无定形碳及其他衍生物和NH3 2． 2Ga+2NH3=2GaN+3H2 首先，NH3在熔融的Ga表面分解，与Ga生成GaN表面 层。GaN表面层作为生长GaN单晶的N源，在液Ga中溶解，并通过对流和扩散的作用使溶解的N由高温区向低温区移 <WP=64>动。在我们的组装件中，液态Ga的侧面中部温度最高，而端面的中心区域温度最低。温度高的区域与NH3反应的速度也较快，由于我们组装的温度梯度较大，扩散速度也较快。如果经过足够长的时间，N将在低温区产生过饱和，析出GaN晶体。但是，由于N在Ga中的扩散速度很慢，所以在我们仅反应30分钟的情况下，N仅存在于液态Ga边缘很小的范围内。当降温退火时，随着温度的降低，N在Ga中的溶解度逐渐降低，产生N的过饱和，并以GaN的形式析出，形成纤锌矿结构的GaN。