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一维半导体纳米材料及其电子和光电子器件研究

霍海滨  
【摘要】: 本论文较系统的研究了一维半导体纳米材料的合成、表征、掺杂以及相关的硅基电子和光电子器件的制备、测量与分析,主要内容包括:(1)利用气相输运的方法合成了多种化合物半导体纳米线,并对其进行了详细的结构表征和光学性能研究;(2)分别采用生长过程原位(in-situ)掺杂和生长后(post-growth)掺杂的方法制备了多种浅杂质和发光杂质掺杂的半导体纳米线,研究了掺杂后纳米线的电学和光学性质,并提出了一种研究纳米线中轻掺浅杂质的方法;(3)采用多种微加工技术在硅基衬底上制备多种单根半导体纳米线的电子和光电子器件,详细研究了它们的电学输运性能和电致发光性能。取得了以下主要研究成果: 1、利用气相输运方法成功合成了ZnTe和GaN纳米线,结构分析表明它们分别为闪锌矿和纤锌矿单晶结构。其中利用气相输运方法合成ZnTe纳米线为首次报道。对ZnTe纳米线进行了光学性能研究,在300 K和10 K的光致发光谱中均观察到了很强的近带边发射,单根纳米线的微区Raman谱中观察到了尖锐的LO,2LO和3LO声子模。这些优异的光学性能说明我们生长的ZnTe纳米线具有高的晶体质量。 2、研究了ZnTe纳米线在Cu(NO3)2溶液中浸泡掺杂和GaN纳米线的生长过程中原位掺杂的方法,成功的获得了Cu掺杂的p型ZnTe和高掺杂Si的n型GaN纳米线。通过原位掺杂方法,制备了稀土Er掺杂的GaN纳米线,从单根纳米线中观测到了1.54μm波长的光致发光。另外引入了一种通过变温测量获得杂质激活能来分析确定半导体纳米线中浅杂质元素的方法。 3、制备了单根ZnTe和GaN半导体纳米线场效应晶体管,通过电学输运性能测量,我们获得了ZnTe和GaN纳米线的导电类型、载流子浓度、迁移率等重要的半导体参量。其中ZnTe纳米线场效应管的制备和电学输运测量为首次报道。我们还利用ZnO纳米线作为刻蚀掩膜,在SOI基底上制备出n型硅纳米线MOSFET结构并研究了其输运特性,利用纳米线作掩膜制备微结构是一种新尝试。 4、通过光刻、等离子干法刻蚀、纳米线组装等方法制备了纳米线/硅异质结,研究了n型ZnO、CdS和GaN单根纳米线(带)/p型硅异质结的电致发光特性。当加一定的正向偏压时,从异质结中观测到的电致发光谱与单根纳米线的光致发光谱相似,说明电致发光来自于硅中的空穴与纳米线中的电子在纳米线中进行辐射复合。其中ZnO单根纳米线的紫外电致发光与Harvard大学研究小组同时报道。另外我们还讨论了纳米线/硅异质结中来自于硅表面自然氧化硅层中的发光中心的发光。


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