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Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的掺杂制备及其在光探测器中的应用研究

李军帅  
【摘要】:近年来,半导体纳米线以其极小的径向尺寸、易于实现异质兼容的结构特征和新奇的物理特性成为信息材料领域的研究热点。相比用于传统集成电路制造的硅材料,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体纳米线具有直接带隙和高电子迁移率的优势,在低功耗、高速、高集成度的新型光电子器件中具有广阔的应用前景。本论文围绕Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线光电子器件的关键制备工艺展开研究,主要工作如下:(1)利用MOCVD生长技术,分别以Si和Zn作为施主杂质和受主杂质进行了 GaAs纳米线的n型和p型掺杂实验研究。研究发现Si的掺入对纳米线的生长速率和形貌几乎没有影响,而Zn的掺入会在一定程度上提高纳米线的生长速率,但过量的Zn会引起纳米线的弯曲,这和文献中报道的一致,此外,我们还观察到了过量的Zn掺入引起的催化合金分裂的现象。Zn掺入可以有效实现GaAs纳米线的p型掺杂,在Ⅱ/Ⅲ比为0.012时,p型掺杂浓度即可达到1019cm-3量级;相反,由于Si在GaAs中具有两型掺杂特性,它同时充当受主杂质和施主杂质,因此,在杂质补偿作用的影响下Si的掺入很难实现高掺杂浓度的n型GaAs纳米线,在Ⅳ/Ⅲ高达1.377时载流子浓度仅为1017cm-3量级。由于杂质浓度过高会引起载流子迁移率的急剧下降,应当考虑使用其他掺杂源来实现GaAs纳米线的n型掺杂。(2)探索了单根n型GaAs纳米线光导探测器的制备工艺。通过选用具有合适费米能级的Ti作为电极材料并在电极接触区域进行钝化以改善接触性能,制备出了单根GaAs纳米线欧姆接触型光探测器。器件响应度随光照强度增加呈现出先上升而后下降的特点,在5 V偏置电压、2000 W/cm~2的532 nm激光器照射下达到最大响应度1.58×10-3 A/W。(3)利用金催化MOCVD技术生长出无掺杂的锥形InAs纳米线阵列,并制备了基于单根InAs纳米线的光探测器。器件呈现出反常的光电导特性,即在较小的光照强度下探测器的导通电流小于无光照情况下的暗电流,且电流随光照强度的增加而降低;当光照强度增大到一定值后,器件电流开始随光照强度的增大而升高。分析认为InAs纳米线光探测器的负光导特性源于其表面态引起的载流子迁移率的径向分布差异。随着光照强度的增大,纳米线探测器的“内层”电流迅速下降,“外层”电流缓慢增加,导致总体电流呈现出先下降后上升的反常现象。(4)在GaAs纳米线n型、p型掺杂研究的基础上,生长出了轴向和径向的GaAs纳米线pn结,并制备了基于上述pn结的阵列二极管,器件表现出明显的整流特性。在此基础上,制备出了 GaAs纳米线径向pn结阵列太阳能电池原型器件,器件表现出明显的光伏特性,但性能仍不理想。分析认为纳米线n型掺杂浓度偏低和电极与纳米线阵列接触不完全是影响器件性能的主要原因。


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