InGaN纳米材料的制备及其发光特性的研究

摘要

Ⅲ族氮化物半导体材料由于其良好的光电特性，已成为世界上最先进的半导体材料之一。近年来，三元合金 InGaN材料的制备与性能研究引起了人们的广泛关注。InGaN半导体合金的带隙可以从0.7 eV到3.4 eV，对应的波长几乎覆盖了整个太阳光谱，因此它被认为是一种制备全光谱太阳能电池的理想材料。同时，最近的报道发现，InGaN材料具有光催化分解水制取氢气的能力，使得它在新能源领域具有重要的应用价值。
　　本文利用自行研制的低温等离子体增强化学气相沉积系统（PECVD），在石英衬底和硅衬底上制备出了GaN纳米材料、InN纳米材料和InGaN纳米材料，并重点对InN纳米材料和InGaN纳米材料的形貌结构和光学性能进行了研究。主要内容如下：
　　1、当反应室压强不同时，PECVD系统存在低压和高压两个工作模式，考虑氮离子活性和金属蒸汽压的关系，确定如下实验参数：当反应室压强为10 Pa-20 Pa，In的蒸发温度为850℃，Ga的蒸发温度为950℃，束源炉的角度为60°，样品台与 PE电极的距离为4cm时，蒸镀效果最好，并在此基础上成功制备了金属In膜和GaN纳米材料。
　　2、在石英衬底和硅衬底上成功制备了多种形貌的InN纳米材料。XRD结果显示随着衬底温度的升高和反应时间的增加，衍射峰的峰形更加明显且其半峰宽变小，结晶度变好。SEM结果表明当衬底温度为550℃，衬底为硅片，InN纳米颗粒的尺寸较大。Raman谱显示随着衬底温度的升高，InN纳米材料的拉曼散射峰向高波数方向发生了移动，半峰宽也发生微小的宽化。硅片上生长的InN的拉曼散射峰相比于在石英片上生长的InN材料的拉曼散射峰向低波数发生了移动。红外透过率在1798 nm左右开始下降，衬底温度越高，红外透过率下降显著。
　　3、在石英衬底和硅衬底上成功制备出 InGaN纳米材料。SEM结果显示随着衬底温度的升高，晶粒尺寸变大，并利用Bedair模型对InGaN的生长过程进行了解释。拉曼光谱中出现了E2（high）和A1（LO）两个振动模式。光致发光谱表明随着衬底温度的升高，发光峰位发生了蓝移。当反应时间变长，发光峰位发生红移。在衬底温度为650℃时，同时出现了两个发光峰。发光峰位的移动可归因于InGaN材料中本身的一些缺陷和In的相分离引起的In的组分不均匀。

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第1章 绪论

1.1纳米材料的简单介绍

1.2 Ⅲ族氮化物材料概述

1.3 InGaN纳米材料的概述

1.4 本论文的主要内容和创新点

第2章 实验设备和测试方法

2.1 实验设备

2.2实验中其他设备

2.3 实验原理

2.4 实验原料和实验步骤

2.5 测试方法

2.6 本章小结

第3章 新型PECVD系统半导体纳米材料生长工艺的初步探索

3.1 PECVD系统工作模式的选择

3.2 金属蒸发速率和蒸发角度的校准

3.3 金属铟膜的蒸发实验

3.4 GaN纳米材料的制备

3.5 本章小结

第4章 InN纳米材料的制备

4.1 引言

4.2 InN纳米材料生长的初步探索

4.3 InN纳米材料的生长及性能测试

4.4 本章小结

第5章 InGaN纳米材料的制备

5.1 实验部分

5.2测试手段

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢