氮化鎵-硅納米孔柱陣列的光致-電致發(fā)光特性及其調(diào)控.pdf

1、III-V族半導(dǎo)體化合物氮化鎵（GaN）是第三代直接帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙寬度3.4eV，有耐高溫、耐腐蝕、電子遷移率高、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定等優(yōu)點，從而被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管(light emission diode,LED)、激光二極管(lasing diode,LD)、高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistor,HEMT)和太陽能電池等領(lǐng)域。是目前在高效藍光LEDs和LDs發(fā)射領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)商

2、用大規(guī)模量產(chǎn)的最重要的半導(dǎo)體材料。單晶硅是現(xiàn)代電子工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料，具有技術(shù)成熟、易于集成、儲量豐富、價格低廉等優(yōu)勢，成熟的MOS工藝使硅基集成電路按照摩爾定律不斷發(fā)展。但是硅是間接帶隙材料，發(fā)光效率低，往往需要復(fù)合其他的直接帶隙半導(dǎo)體材料。因此，將GaN與Si結(jié)合可以大大提高光電器件應(yīng)用潛力，對于未來信息傳遞可能有很大幫助。但是由于GaN和Si之間存在較大的晶格失配和熱失配，采用傳統(tǒng)的晶片鍵合與異質(zhì)外延技術(shù)很難獲得

3、較高質(zhì)量的薄膜，解決辦法一般是加GaN/AlN緩沖層，或者采用納米化結(jié)構(gòu)多維度釋放晶格失配應(yīng)力，以減小由晶格失配和熱失配引起的高缺陷濃度。本課題組以具有多層結(jié)構(gòu)的硅納米孔柱陣列（Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA）作為功能性襯底生長GaN薄膜，成功實現(xiàn)了GaN與Si的直接接觸，得到新型的GaN/Si納米異質(zhì)結(jié)器件。本文對GaN/Si-NPA的生長、器件構(gòu)筑、電學(xué)性能、發(fā)光機制性能做了進一步的研究

4、和探討。論文主要進行了以下研究工作。
　?。?）水熱法制備Si-NPA及其光致發(fā)光(PL)性能研究。
　　通過水熱法制備了Si-NPA，對Si-NPA做了室溫PL。Si-NPA有兩個光致發(fā)光峰，一個藍光約430nm，一個紅光約640nm。其中藍光峰與Si-NPA氧化程度有關(guān)，其發(fā)光來源于納米硅晶表面的氧化層缺陷態(tài)輻射復(fù)合，不同的缺陷能級的躍遷導(dǎo)致藍光峰隨激發(fā)波長能量不同而變化。紅光峰相對較強，峰位隨著激發(fā)波長的增加有一定紅移

5、，分析發(fā)光來源是由硅納米晶層帶帶躍遷輻射復(fù)合和量子限域效應(yīng)，硅納米晶尺寸約4.5nm，受量子限域效應(yīng)導(dǎo)致能級分裂變寬，原來的間接帶隙Si變成直接帶隙，并且?guī)队稍瓉?.1eV變?yōu)?.1eV，室溫下實現(xiàn)較強的紅光發(fā)射。
　?。?）GaN/Si-NPA的可控生長與生長機理
　　以Si-NPA為襯底，金屬Ga和氨氣分別為Ga源和N源，化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)技術(shù)生長GaN,研究催化

6、劑Pt的作用。發(fā)現(xiàn)沒有催化劑Pt時，GaN無法在襯底上沉積；僅放置Ga源沒有氨氣通入經(jīng)歷高溫時，Pt能夠收集Ga蒸汽形成Pt-Ga合金。在通入氨氣后Pt-Ga合金中Ga與高溫分解的氨氣在Pt的催化作用下形成GaN晶核，Pt-Ga合金的自組織對獲得的GaN形貌有重要的調(diào)節(jié)作用，Ga的飽和蒸汽壓較低，較難沉積成核，但在Pt液滴中的溶解度較大，能實現(xiàn)Ga的富集并與N原子成鍵形成GaN。通過研究不同的生長溫度、不同的氨氣流量下獲得的GaN形貌與

7、結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)改變生長條件，能夠獲得GaN納米顆粒薄膜、GaN納米棒、GaN納米錐串、GaN納米線等不同的結(jié)構(gòu)。
　　低氨氣通量下GaN遵循VLS生長機制：（i）Ga源富集，Ga源低飽和蒸汽壓下較難沉積，在Pt催化劑中溶解度較高，能實現(xiàn)Ga源的富集。（ii）成核，通入的氨氣高溫分解，N原子與Ga原子結(jié)合成鍵，形成GaN沉淀，在Si-NPA襯底上聚集成核，此過程與溫度有關(guān)，溫度較低時不能形成穩(wěn)態(tài)晶核，而亞穩(wěn)態(tài)和臨界晶核無法長大。（iii

8、）長大，GaN從Pt液滴中析出成核后繼續(xù)長大，不同的溫度下生長出不同形貌結(jié)構(gòu)的GaN，溫度較低時服從頂生長模式，GaN偏向于c軸生長，最終形成納米線或直徑較小的納米六棱柱；溫度較高時服從底生長模式，GaN偏向垂直于c軸生長，形成尺寸較大的圓錐結(jié)構(gòu)，而圓錐低端GaN有自催化作用，引導(dǎo)下一個圓錐，最終形成納米錐串結(jié)構(gòu)。
　　氨氣通量較大時GaN生長符合VS機制，Ga原子與N原子在催化劑作用下直接成鍵形成GaN分子沉積成核，晶核長大過程

9、偏向于c軸生長，但是在垂直c軸方向生長也很快，最終形成特征尺寸較大的棱柱結(jié)構(gòu)和微米尺寸的GaN單晶片。通過控制GaN/Si-NPA的生長條件如溫度、氨氣通量等能控制GaN/Si-NPA的表面形貌和結(jié)構(gòu)，通過控制生長時間控制膜厚。
　?。?）GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)的發(fā)光特性與電輸運機制。
　　真空蒸鍍Al作為陽極電極，Ar下退火做電極測試，發(fā)現(xiàn)Al與Si-NPA很好的歐姆接觸；采用真空磁控濺射ITO作為陰極電極，實現(xiàn)歐

10、姆接觸，GaN/Si-NPA異質(zhì)結(jié)有明顯的整流效應(yīng)，GaN的耗盡層和內(nèi)建電場大小與GaN和Si-NPA的摻雜濃度和載流子濃度有關(guān)。外加正向偏壓較小時只有能量大于異質(zhì)結(jié)尖峰勢壘的電子能發(fā)射到p區(qū)，電流與電壓成指數(shù)關(guān)系，滿足熱電子發(fā)射模型。當所加正向偏壓較大時，由電注入的載流子超平衡值，在GaN內(nèi)形成空間電荷，空間電荷會影響半導(dǎo)體內(nèi)空間電場分布，電場又影響漂移電流，最終形成電流與電壓的平方關(guān)系，滿足SCLC模型。當加反向偏壓時，能帶發(fā)生傾斜

11、，可以使p區(qū)價帶高于n區(qū)導(dǎo)帶底，隧穿長度△x隨之變短，當p區(qū)電子能量大于禁帶寬度時發(fā)生齊納隧穿。
　　GaN/Si-NPA的電致發(fā)光譜覆蓋400–750nm可見光區(qū)，發(fā)光強度隨所加電壓增大而變強，發(fā)光峰位和發(fā)光中心位置不隨電壓變化，發(fā)光強度與GaN膜厚有關(guān)，越厚的樣品發(fā)光強度相對較底，發(fā)光機制與GaN耗盡層內(nèi)缺陷能級電子復(fù)合有關(guān)，GaN薄膜較厚的樣品導(dǎo)致光不容易穿過，發(fā)光效率不高。另外發(fā)光強度隨所加電壓增大，但有飽和值，電壓超過最