制備條件對氮化鎵-硅納米孔柱陣列電致發(fā)光特性的調(diào)制.pdf

1、近年來，GaN材料因其優(yōu)異的光電特性而被廣泛應(yīng)用于光電子器件制備。Si基GaN光電子器件雖然在實現(xiàn)器件集成方面具有優(yōu)勢，但兩種材料間較大的晶格失配和熱失配嚴重阻礙了其技術(shù)應(yīng)用進程。在前期研究中，本課題組以硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底，采用化學氣相沉積技術(shù)制備了GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列，并實現(xiàn)了黃光和近紅外光電致發(fā)光。本文將針對GaN/Si-NPA的積分光反射、光致發(fā)光、I-V特性和電致發(fā)光等特性隨生長緩沖層的溫度、氨

2、氣壓強及對樣品退火等制備條件的變化規(guī)律進行研究，以期對GaN/Si-NPA的制備條件實現(xiàn)優(yōu)化。本文的主要內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　 1.GaN/Si-NPA的可控制備，形貌與結(jié)構(gòu)表征
　　 以Si-NPA為襯底，Pt為催化劑，采用化學氣相沉積法在高溫真空管式爐中制備出GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列，通過改變緩沖層的生長溫度、氨氣壓強和對GaN/Si-NPA退火實現(xiàn)對其形貌的調(diào)控生長。SEM圖顯示，沉積GaN后的Si-N

3、PA依然保留著襯底規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)，GaN以納米顆粒和納米線的形式存在。生長緩沖層的溫度較低或氨氣壓強較小時，GaN表現(xiàn)為納米顆粒;當生長緩沖層的溫度升高或氨氣壓強增大時，GaN以納米顆粒和納米線混合的形式存在。XRD圖譜說明，制備的GaN為纖鋅礦結(jié)構(gòu)。退火處理不會明顯改變GaN的形貌，但是GaN的結(jié)晶性有所好轉(zhuǎn)。
　　 2.GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的積分光反射譜
　　 隨著生長緩沖層溫度的升高或氨氣壓強的增大

4、，樣品的反射率逐步增大。在可見光范圍內(nèi)，樣品的最大反射率范圍為6.72％-22.57％。原因是:當生長緩沖層溫度較低或氨氣壓強較小時，GaN以納米顆粒的形式存在，彼此間排列不致密。光子到達樣品時，一部分被GaN吸收，一部分透過GaN打在了襯底上而被吸收，一部分被GaN反射回來，因此反射率較低。隨著生長緩沖層溫度的升高或氨氣壓強的增大，GaN是以納米顆粒和納米線混合存在的，對光子的反射增多，因此反射率增大。
　　 3.GaN/Si

5、-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的光致發(fā)光圖譜
　　 圖譜顯示，除～369nmGaN的帶邊發(fā)射外，在～550nm有一個寬的黃光發(fā)光峰，兩個發(fā)光峰的峰強均隨生長緩沖層溫度的升高或氨氣壓強的增大而增強。分析表明，GaN/Si-NPA的光致發(fā)光由兩部分組成，即襯底發(fā)光和GaN發(fā)光。當生長緩沖層的溫度較低或氨氣壓強較小時，GaN厚度較小，激發(fā)光可透過GaN達到Si-NPA，而Si-NPA有很強的發(fā)光性能，測試的PL是GaN和襯底共同的貢獻。隨著

6、生長緩沖層溫度的升高或氨氣壓強的增大，襯底上的GaN增多，激發(fā)光完全被GaN吸收，GaN本征峰及黃光發(fā)射峰變強。退火后樣品的本征峰強度增強，黃光發(fā)光峰強度減弱，說明退火后GaN的結(jié)晶性好轉(zhuǎn)，缺陷態(tài)數(shù)目減少。
　　 4.GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的I-V特性和載流子輸運機制
　　 GaN/Si-NPA構(gòu)成的納米異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出良好的整流效應(yīng)。分析認為，整流效應(yīng)來自于生長的GaN納米顆粒與襯底Si-NPA中存在的硅納米

7、晶顆粒之間形成的異質(zhì)結(jié)。退火前后，樣品的整流性質(zhì)較好。但退火后樣品的漏電流明顯變小，說明退火可以減少樣品中的缺陷數(shù)目、提高界面質(zhì)量。升高緩沖層的生長溫度或增大氨氣壓強也能達到減小異質(zhì)結(jié)中漏電流和提高界面質(zhì)量的效果。研究異質(zhì)結(jié)中載流子的輸運方式表明，退火前后，載流子在異質(zhì)結(jié)中的傳輸有兩種方式，即較低電壓下的歐姆傳輸和較高電壓下的空間電荷限制電流傳輸。兩種傳輸模式的轉(zhuǎn)變源于高電流注入下異質(zhì)結(jié)中的缺陷能級被電子占滿了。
　　 5.Ga

8、N/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的電致發(fā)光譜及相應(yīng)的光發(fā)射機理分析
　　 測試結(jié)果表明，在較低的正向偏壓下，當電流導通時，樣品均出現(xiàn)一個寬的黃光發(fā)光峰，強度隨生長緩沖層溫度的升高或氨氣壓強的增大而增強。當升高正向偏壓時，GaN/Si-NPA開始出現(xiàn)兩個電致發(fā)光峰，即位于～550nm處的黃光發(fā)光峰和位于～820nm處的近紅外發(fā)光峰。隨著外加電壓的增大，黃光峰峰強先增大后趨于穩(wěn)定;而～820nm處的近紅外峰峰強則持續(xù)增大。分析可知5