氮化鎵-硅納米孔柱陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面調(diào)控及其電致發(fā)光特性研究.pdf

1、GaN作為一種寬帶隙（3.4 eV）的直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高電子遷移率、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在制備發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）、激光二極管（lasing diode, LD）、紫外探測器、高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor, HEMT）以及太陽能電池等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是在發(fā)光應(yīng)用方面， GaN對線位錯(cuò)不敏感，具有著極高

2、的內(nèi)量子效率，是到目前為止在高效藍(lán)光LED和LD發(fā)射領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)的最重要的半導(dǎo)體材料。Si材料現(xiàn)代電子工業(yè)中最重要并得到廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，具有技術(shù)成熟、易于集成、元素豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)勢。幾十年來，以Si材料為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路，按照摩爾定律，集成度不斷的提高。但Si為間接帶隙材料，發(fā)光效率低，當(dāng)需要光子或光電子器件時(shí)往往需要采用其他的直接帶隙半導(dǎo)體材料。GaN工藝與Si工藝的結(jié)合，能夠?qū)aN的發(fā)光性能和Si的高

3、集成度結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)新的器件功能和應(yīng)用。例如可以將GaN基的發(fā)光器件和Si基電子器件集成在同一個(gè)芯片上，大大縮短光電互聯(lián)的長度，提高信息處理的速度。但是由于GaN和Si之間較大的晶格失配和熱失配，采用傳統(tǒng)的晶片鍵合或異質(zhì)外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)GaN與Si的集成時(shí)，為獲得較強(qiáng)的鍵合強(qiáng)度和較高的薄膜質(zhì)量，往往需要加入鍵合合金（晶片鍵合）或 AlN中間層（異質(zhì)外延），很難直接得到單晶GaN與單晶Si的直接異質(zhì)接觸。通過將GaN的納米結(jié)構(gòu)生長在硅納米孔柱

4、陣列（Si-NPA）上，本課題組成功實(shí)現(xiàn)了基于 Si-NPA的GaN與Si的直接異質(zhì)接觸，得到了一種新型的由GaN/Si納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的原型器件。該結(jié)構(gòu)顯示出整流效應(yīng)，并在正向偏壓下表現(xiàn)出黃光和近紅外電致發(fā)光。然而，作為一種新型的雙納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，GaN/Si-NPA有一系列尚未澄清的問題，如生長條件對 GaN納米結(jié)構(gòu)的改變，以及對 GaN/Si-NPA的影響， GaN/Si-NPA的電輸運(yùn)和電致發(fā)光機(jī)理等等?？紤]到GaN/Si-NPA具

5、有著巨大的界面面積，界面對GaN/Si-NPA的性質(zhì)可能有著相較傳統(tǒng)平面工藝的器件更大的調(diào)控作用?；谶@些問題，本文對Si-NPA上GaN的生長、GaN/Si-NPA器件的制備、電學(xué)性質(zhì)和發(fā)光機(jī)制做了研究和探討。在此基礎(chǔ)上，為了研究界面調(diào)控在GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)中的作用，我們重點(diǎn)的對Si-NPA的進(jìn)行了不同溫度的氧化和氨化處理，以此來調(diào)控GaN/Si-NPA的界面，并研究界面調(diào)控對器件的影響。論文主要進(jìn)行了以下研究工作。

6、>　?。?） GaN在Si-NPA上的生長及GaN/Si-NPA光學(xué)性質(zhì)的研究。
　　研究在 Si-NPA上，利用金屬 Ga和氨氣為反應(yīng)前驅(qū)物，化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）技術(shù)生長GaN時(shí)催化劑Pt的作用。發(fā)現(xiàn)沒有催化劑Pt，GaN無法在Si-NPA沉積。通過對僅放置Ga源，但不通氨氣經(jīng)歷高溫過程后樣品的分析，發(fā)現(xiàn)Pt能夠收集Ga蒸汽，形成Ga-Pt合金促使Ga沉積在Si-NPA上。在

7、通入氨氣后Ga-Pt合金液滴中的Ga與氨氣反應(yīng)生成GaN。Ga-Pt合金是否自組織對能否獲得致密均勻的GaN膜有關(guān)鍵的調(diào)制作用。通過研究不同的生長溫度，不同氨氣分壓對獲得的GaN形貌與和結(jié)構(gòu)影響，發(fā)現(xiàn)能夠通過改變生長條件，獲得從GaN納米顆粒膜、納米棒、納米錐串和納米線等多種不同的結(jié)構(gòu)。并且形貌的變化可以通過反應(yīng)爐中氮鎵比的變化予以解釋。對GaN/Si-NPA的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了變溫?zé)晒夤庾V（PL）的表征，發(fā)現(xiàn)GaN/Si-NPA的PL可以

8、認(rèn)為是GaN與退火后的Si-NPA襯底的PL的疊加，未觀察到相互擴(kuò)散引起的GaN或Si-NPA的PL光譜的變化，證明Si-NPA作為襯底構(gòu)建Si基GaN器件具有一定的優(yōu)勢。
　?。?） GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)LED的電輸運(yùn)和電致發(fā)光機(jī)制研究。
　　通過研究不同條件生長的 GaN/Si-NPA的 I-V特性，發(fā)現(xiàn)相對平滑的 GaN顆粒膜有著較好的電極接觸和穩(wěn)定的I-V特性?；诖宋覀冞x擇800?C，500 Pa氨氣分壓

9、和950?C，500 Pa氨氣分壓生長的GaN的顆粒膜，來構(gòu)成的GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)LED，研究了其電輸運(yùn)特性和電致發(fā)光（EL）機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫和高溫生長的GaN/Si-NPA均呈現(xiàn)整流特性。在正向偏壓較低時(shí)I-V關(guān)系符合熱離化發(fā)射模型，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，在正向偏壓較高時(shí) I-V趨于空間電荷限制電流（Space Charge Limited Current）SCLC機(jī)制的平方關(guān)系。在反向偏壓下，低溫生長的GaN/Si-NPA漏電

10、流較小，隨生長溫度的升高，因Si-NPA的價(jià)帶電子向GaN中導(dǎo)帶的Fowler-Nordheim(F-N)隧穿的增加漏電流增加。
　　800?C生長的GaN/Si-NPA在正向，950?C生長的GaN/Si-NPA在正向/反向偏壓均有電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）發(fā)射。低溫生長的 GaN/Si-NPA在正向偏壓下EL和高溫生長GaN/Si-NPA在反向偏壓下EL光譜相同，峰位位于~540 nm，半高寬為~

11、171 nm，為黃白光，來源為GaN中導(dǎo)帶電子或淺施主能級電子與深受主束縛空穴之間的輻射復(fù)合。高溫生長的GaN/Si-NPA的正向偏壓下的EL同樣包含上述黃白光EL，但附加有Si-NPA襯底的紅光EL的貢獻(xiàn)。
　?。?）研究老化、氧化和氨化對 Si-NPA的改性以及對 GaN/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的調(diào)控及其影響。
　　新鮮Si-NPA僅表現(xiàn)一個(gè)紅光PL帶，老化后演化為紫外、紫-藍(lán)和紅光三個(gè)PL帶；利用穩(wěn)態(tài)PL譜、PL衰減

12、壽命譜、空氣退火及變激發(fā)波長等手段對各個(gè)發(fā)光帶做了分析。提出老化Si-NPA的紫外、紫-藍(lán)和紅光三個(gè)PL帶,分別來自于 SiOx層中的富氧缺陷或 nc-Si表面的硅烷醇基與水反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的過氧鏈、SiOx中的氧空位缺陷和硅納米顆粒（nc-Si）在量子限域效應(yīng)下的帶帶躍遷，后者可能包含著小nc-Si顆粒的與氧有關(guān)的表面態(tài)發(fā)光的貢獻(xiàn)。由于老化過程不易控制，我們采用高溫氧化和氨化對Si-NPA進(jìn)行處理來增強(qiáng)其穩(wěn)定性。高溫氧化后Si-NP

13、A的PL演化為一個(gè)紫-藍(lán)光PL帶，氨化后演化為紫-藍(lán)光和紅光兩個(gè)PL帶。氧化和氨化Si-NPA的紫-藍(lán)PL帶來源于Si-NPA中SiOx中的氧空位缺陷，而氨化Si-NPA的紅光PL帶來自于nc-Si。紅光PL帶的峰位隨著氨化溫度的升高而紅移說明氨化處理中nc-Si的尺寸有隨氨化溫度的升高而增大的現(xiàn)象。
　　對于950?C，500 Pa氨氣分壓條件下，在氧化或氨化的 Si-NPA上生長的GaN/Si-NPA的電輸運(yùn)和 EL盡心了研究

14、。800?C及以下的氧化和氨化，對GaN/Si-NPA的I-V特征和EL發(fā)光特性，基本沒有改變。對Si-NPA的900?C及以上的氧化，會使GaN/Si-NPA的整流特性消失。Si-NPA的900?C-1000?C的氨化后， GaN/Si-NPA仍保持整流特效性，氨化對正向偏壓下的I-V特性沒有影響，但能明顯減小反向漏電流，且漏電流的減小隨氨化溫度的升高而更加明顯。對Si-NPA的1100?C的氨化，使GaN/Si-NPA失去整流特性。

15、
　　反向偏壓下，除Si-NPA的1000?C氧化使得GaN/Si-NPA的EL出現(xiàn)在495 nm處和Si-NPA的1100?C氧化使EL完全消失外，其他氧化及氨化條件對反向偏壓下的EL無改變。正向偏壓下，部分氧化處理后的樣品相對反向偏壓下EL有紅移，部分樣品與正向偏壓下相同，未觀察到系統(tǒng)的規(guī)律性。但氨化樣品除1100?C外，1000?C以下的氨化處理溫度，器件正向偏壓下EL均相對反向偏壓下有紅移。說明氨化處理有利于保留Si-NP