氮化镓/硅纳米孔柱阵列的光致/电致发光特性及其调控

摘要

III-V族半导体化合物氮化镓（GaN）是第三代直接带隙半导体材料，带隙宽度3.4eV，有耐高温、耐腐蚀、电子迁移率高、良好的化学和热稳定等优点，从而被广泛应用于发光二极管(light emission diode,LED)、激光二极管(lasing diode,LD)、高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)和太阳能电池等领域。是目前在高效蓝光LEDs和LDs发射领域能够实现商用大规模量产的最重要的半导体材料。单晶硅是现代电子工业与信息产业最重要的基础半导体材料，具有技术成熟、易于集成、储量丰富、价格低廉等优势，成熟的MOS工艺使硅基集成电路按照摩尔定律不断发展。但是硅是间接带隙材料，发光效率低，往往需要复合其他的直接带隙半导体材料。因此，将GaN与Si结合可以大大提高光电器件应用潜力，对于未来信息传递可能有很大帮助。但是由于GaN和Si之间存在较大的晶格失配和热失配，采用传统的晶片键合与异质外延技术很难获得较高质量的薄膜，解决办法一般是加GaN/AlN缓冲层，或者采用纳米化结构多维度释放晶格失配应力，以减小由晶格失配和热失配引起的高缺陷浓度。本课题组以具有多层结构的硅纳米孔柱阵列（Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA）作为功能性衬底生长GaN薄膜，成功实现了GaN与Si的直接接触，得到新型的GaN/Si纳米异质结器件。本文对GaN/Si-NPA的生长、器件构筑、电学性能、发光机制性能做了进一步的研究和探讨。论文主要进行了以下研究工作。
　　（1）水热法制备Si-NPA及其光致发光(PL)性能研究。
　　通过水热法制备了Si-NPA，对Si-NPA做了室温PL。Si-NPA有两个光致发光峰，一个蓝光约430nm，一个红光约640nm。其中蓝光峰与Si-NPA氧化程度有关，其发光来源于纳米硅晶表面的氧化层缺陷态辐射复合，不同的缺陷能级的跃迁导致蓝光峰随激发波长能量不同而变化。红光峰相对较强，峰位随着激发波长的增加有一定红移，分析发光来源是由硅纳米晶层带带跃迁辐射复合和量子限域效应，硅纳米晶尺寸约4.5nm，受量子限域效应导致能级分裂变宽，原来的间接带隙Si变成直接带隙，并且带隙由原来1.1eV变为2.1eV，室温下实现较强的红光发射。
　　（2）GaN/Si-NPA的可控生长与生长机理
　　以Si-NPA为衬底，金属Ga和氨气分别为Ga源和N源，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)技术生长GaN,研究催化剂Pt的作用。发现没有催化剂Pt时，GaN无法在衬底上沉积；仅放置Ga源没有氨气通入经历高温时，Pt能够收集Ga蒸汽形成Pt-Ga合金。在通入氨气后Pt-Ga合金中Ga与高温分解的氨气在Pt的催化作用下形成GaN晶核，Pt-Ga合金的自组织对获得的GaN形貌有重要的调节作用，Ga的饱和蒸汽压较低，较难沉积成核，但在Pt液滴中的溶解度较大，能实现Ga的富集并与N原子成键形成GaN。通过研究不同的生长温度、不同的氨气流量下获得的GaN形貌与结构，发现改变生长条件，能够获得GaN纳米颗粒薄膜、GaN纳米棒、GaN纳米锥串、GaN纳米线等不同的结构。
　　低氨气通量下GaN遵循VLS生长机制：（i）Ga源富集，Ga源低饱和蒸汽压下较难沉积，在Pt催化剂中溶解度较高，能实现Ga源的富集。（ii）成核，通入的氨气高温分解，N原子与Ga原子结合成键，形成GaN沉淀，在Si-NPA衬底上聚集成核，此过程与温度有关，温度较低时不能形成稳态晶核，而亚稳态和临界晶核无法长大。（iii）长大，GaN从Pt液滴中析出成核后继续长大，不同的温度下生长出不同形貌结构的GaN，温度较低时服从顶生长模式，GaN偏向于c轴生长，最终形成纳米线或直径较小的纳米六棱柱；温度较高时服从底生长模式，GaN偏向垂直于c轴生长，形成尺寸较大的圆锥结构，而圆锥低端GaN有自催化作用，引导下一个圆锥，最终形成纳米锥串结构。
　　氨气通量较大时GaN生长符合VS机制，Ga原子与N原子在催化剂作用下直接成键形成GaN分子沉积成核，晶核长大过程偏向于c轴生长，但是在垂直c轴方向生长也很快，最终形成特征尺寸较大的棱柱结构和微米尺寸的GaN单晶片。通过控制GaN/Si-NPA的生长条件如温度、氨气通量等能控制GaN/Si-NPA的表面形貌和结构，通过控制生长时间控制膜厚。
　　（3）GaN/Si-NPA纳米异质结的发光特性与电输运机制。
　　真空蒸镀Al作为阳极电极，Ar下退火做电极测试，发现Al与Si-NPA很好的欧姆接触；采用真空磁控溅射ITO作为阴极电极，实现欧姆接触，GaN/Si-NPA异质结有明显的整流效应，GaN的耗尽层和内建电场大小与GaN和Si-NPA的掺杂浓度和载流子浓度有关。外加正向偏压较小时只有能量大于异质结尖峰势垒的电子能发射到p区，电流与电压成指数关系，满足热电子发射模型。当所加正向偏压较大时，由电注入的载流子超平衡值，在GaN内形成空间电荷，空间电荷会影响半导体内空间电场分布，电场又影响漂移电流，最终形成电流与电压的平方关系，满足SCLC模型。当加反向偏压时，能带发生倾斜，可以使p区价带高于n区导带底，隧穿长度△x随之变短，当p区电子能量大于禁带宽度时发生齐纳隧穿。
　　GaN/Si-NPA的电致发光谱覆盖400–750nm可见光区，发光强度随所加电压增大而变强，发光峰位和发光中心位置不随电压变化，发光强度与GaN膜厚有关，越厚的样品发光强度相对较底，发光机制与GaN耗尽层内缺陷能级电子复合有关，GaN薄膜较厚的样品导致光不容易穿过，发光效率不高。另外发光强度随所加电压增大，但有饱和值，电压超过最大值后发光强度反而降低，当器件功率越大时，由于发热导致的器件温度升高，导致容易发生非辐射复合，此时发光强度反而减低。

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第一章 绪论

1.1半导体发光器件

1.2 Si基GaN研究进展

1.3硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）

1.4本课题研究思路与内容

第二章 GaN/Si-NPA的制备和表征

2.1 Si-NPA的制备与表征

2.2 Si-NPA的光致发光

2.3 GaN/Si-NPA的制备

2.4 温度对GaN/Si-NPA纳米结构的影响

2.5 氨气流量对GaN/Si-NPA纳米结构的影响

2.6 GaN生长机理

2.7 本章小结

第三章 GaN/Si-NPA的光致/电致发光特性

3.1 GaN/Si-NPA的光致发光特性

3.2 阳极电极制备

3.3 阴极电极制备

3.4 GaN/Si-NPA的电致发光

3.5 GaN/Si-NPA的电输运模型

3.6 本章小结

第四章 结论与展望

4.1.结论

4.2.展望

参考文献

硕士期间完成的论文情况

致谢