GaN/Si纳米异质结构阵列的光电-电光性能研究与原型器件制备

摘要

宽带隙化合物半导体GaN由于具有宽的直接带隙、高的电子迁移率、耐高温、抗腐蚀及抗辐射等一系列优点而被广泛地应用于紫外探测器、发光二极管、激光二极管及其太阳能电池等光电子器件。Si是现代半导体材料的基础，虽然GaN/Si异质结构同样被认为在开发高速、高功率和高集成化的光电子器件方面具有巨大的潜力，但是由于GaN和Si之间存较大的晶格失配和热失配，很难直接在Si衬底上生长GaN而制备GaN/Si异质结构光电子器件。本文首先采用Si的一种图案化结构----硅纳米孔柱阵列(SiliconNanoporousPillarArray，Si-NPA)作为功能性衬底，利用化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）的方法在Si-NPA上生长GaN纳米结构，通过改变实验条件，研究不同生长条件下GaN/Si-NPA的形貌结构及其光学、电学特性，通过电极设计制备出基于GaN/Si-NPA纳米异质结构的黄光、近红外光发光二极管(LightEmittingDiodes，LEDs)和太阳能电池，并对其光电性能进行了详细研究。论文取得以下成果:
　　1.GaN/Si-NPA的制备及其结构、形貌表征
　　采用CVD法，以金属Pt为催化剂，通过改变实验条件，在Si-NPA衬底上制备出大量形貌可控的六方纤锌矿GaN纳米材料。生长条件对GaN形貌结构的影响如下:(1)在其它条件不变时，生长时间与GaN纳米结构的产量成正比，且随着生长时间的增加GaN的形貌由纳米颗粒膜逐渐变为颗粒膜+纳米棒阵列;(2)通过退火研究发现，在800℃以下的N2气氛下退火不改变GaN纳米结构阵列的形貌，而在1000℃N2气氛下退火后GaN纳米结构出现再结晶，形貌由纳米棒变为纳米锥串;(3)通过对950℃、1000℃和1050℃三种不同温度条件下制备样品的形貌和结构研究发现，控制温度能够实现GaN纳米结构由纳米颗粒薄膜到纳米颗粒膜+纳米棒的调控。
　　2.GaN/Si-NPA的电学特性测量及其输运机制的分析
　　通过400℃退火处理，实现金属Al与GaN纳米结构、Al与sc-Si之间的欧姆接触。通过电极设计，对950℃、1000℃和1050℃三种条件下制备的GaN/Si-NPA纳米异质结构及其800℃退火处理的电流-电压特性研究发现:(1)不同条件制备的样品都具有整流特性;(2)器件的漏电流密度随着生长温度增加而减小，而退火处理也能降低漏电流密度;(3)退火后样品的开启电压Von、反向截止电压VR、反向饱和电流JR、整流因子IF/IR等都较退火前增加，如1050℃生长的GaN/Si-NPA未退火时Von=2.0V，VR=5.4V，JR=8.2mA/cm2，IF/IR=9，在退火后分别改变为4.0V，6.6V，2.7mA/cm2和39;(4)分析结果表明电学特性的变化是由于较高的生长温度或者退火作用引起GaN纳米结构结晶度的提高、界面缺陷密度降低导致;(5)通过对电压-电流关系的双对数分析发现，所有样品的电流传输机制是由欧姆导电机制直接过渡到空间电荷限制电流机制。
　　3.GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED的制备器件光电特性研究
　　利用金属Al和ITO薄膜分别作为背电极和项电极，制备出ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al纳米异质结构阵列黄光LED。所制备的LED具有良好的整流特性:开路电压:～2V;反向截止电压:～4.5V;最大整流比:～8.5(±4.8V);理想因子:30(+2V);漏电流密度12mA/cm2。黄光LED在电压超过6V开始发光，发光中心位于～600nm，其峰值半高宽为～200nm，且发光的强度随着正向电压的增加而增加。通过改变制备条件（提高GaN结晶度）能够优化器件结构，制备出发光峰位于～567nm且半高宽小于23nm的高单色性黄光LED。分析发现，黄光的发射来自于GaN中缺陷能级的辐射复合发光，且发光的单色性可以通过降低GaN中的缺陷类型来提高。
　　4.GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列NIRLEDs的制备及其光电特性研究
　　通过对GaN/Si-NPA800℃进行退火处理，制备出ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al纳米异质结构阵列NIPLED。所制备的NIRLED具有以下性能:开启电压为～3V;反向截止电压为6V;最大整流比为39(±4.2V);在±5V时正、反向电流密度分别为～48.17mA/cm2和～1.65mA/cm2;6V电压下开始发出现发光中心位于585nm的宽黄光发射峰和826nm的NIR发光峰;随正向电压的增加，黄光发射峰强度逐渐减弱至消失而NIR发光峰强度呈指数趋势逐渐增强;外加电压超过10V时NIRLED的输出功率剧增，最大输出功率为131mW(15V);器件的功率效率随着外加电压的增加呈递增趋势，在15V外加电压下NIRLED的最大功率效率达～3.9％;器件的发射光谱具有较高的稳定性，在正向12V电压下持续工作5min后发光峰强度的衰减小于5％。根据能带理论分析，NIR发光是源于电场作用下GaN导带中的电子与Si-NPA价带中的空穴在界面处复合辐射。通过改变制备条件（提高GaN结晶度，降低GaN中缺陷）能够制备出发光峰位于～830nm、半高宽为～18nm的高单色性NIRLED。
　　5.GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池的制备及其光伏特性研究
　　制备出结构为ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al新概念纳米异质结构阵列太阳能电池:在不同温度（950℃、1000℃和1050℃）条件下所制备的电池具有不同的光伏特性，如随着生长温度的提高，电池的开路电压VOC由0.85V增加到1.13V，填充因子FF同样由35.3％增加至43.4％，而其短路电流密度JSC随着GaN生长温度的增加而明显下降，但光电转换效率在950℃条件下制备达最高(4.11％)。通过优化条件制备出高效率GaN/Si纳米异质结构太阳能电池:电池的VOC为0.82V，JSC为23.21mA/cm2，FF为38.5％而光电转换效率达7.29％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 半导体光电材料

1．2 GaN的基本性质

1．3 GaN纳米材料的研究进展

1．4 GaN纳米材料的应用

1．5． Si基GaN光电子器件的研究进展及其面临的问题

1．5．1 Si基GaN LED的研究进展

1．5．2 Si基GaN场效应管的研究进展

1．5．3 Si基GaN器件所面临的问题

1．6 纳米技术对Si基GaN器件的影响

1．7 基于硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)的复合体系

1．7．1 Si-NPA的结构和性能

1．7．2 基于Si-NPA的纳米复合体系的研究

1．8 本课题的研究思路和内容

参考文献

2 GaN／Si-NPA的制备与表征

2．1 引言

2．2 GVD法生长GaN纳米结构的机理

2．3 催化剂的选择

2．3．1 催化剂的制备方法

2．3．2 催化剂的形貌和结构

2．3．3 催化剂Pt的选择

2．4 GaN／Si-NPA的制备及其结构表征

2．4．1 制备方法与流程

2．4．2 生长时间对GaN纳米结构的影响

2．4．3 退火对GaN纳米结构的影响

2．4．4 生长温度对GaN纳米结构的影响

2．5 本章小结

参考文献

3 GaN／Si-NPA的电学特性

3．1 引言

3．2 理想异质结构的电学特性

3．3 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列的电学特性

3．3．1 电极材料的选择

3．3．2 器件的制备

3．3．3 金属／半导体和Si-NPA／Si的电流-电压关系

3．3．4 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列的电学特性

3．4 本章小结

参考文献

4． GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列发光二极管(LED)

4．1 引言

4．2 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED的制备及其性能研究

4．2．1 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED的制备

4．2．2 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED光电性能

4．2．3 黄光发光机理研究

4．2．4 高单色型GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED

4．3 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列近红外(NIR)LED

4．3．1 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列NIR LED的制备及结构表征

4．3．2 电学性能分析

4．3．3 电致发光性能研究

4．3．4 器件的输出功率估算

4．3．5 器件的稳定性研究

4．3．6 高单色性NIR LED的制备

4．3．7 NIR发光机理研究

4．4 本章小结

参考文献

5 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池

5．1 引言

5．1．1 传统太阳能电池

5．1．2 新概念太阳能电池

5．1．3 GaN用于太阳能电池的研究进展

5．2 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列新概念太阳能电池

5．2．1 GaN／Si-NPA的结构和光学吸收性能

5．2．2 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池制备及其光伏性能

5．3 高效率GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池

5．3．1 GaN纳米柱状晶／Si-NPA纳米异质结构阵列的制备及表征

5．3．2 GaN纳米柱状晶／Si-NPA的光学特性

5．3．3 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池

5．3．4 GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列太阳能电池的光-电转化机理

5．4 本章小结

参考文献

6 结论与展望

博士期间完成的论文及获奖情况

致谢