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GaN/Si-NPA双纳米异质结的制备及其电学特性研究

范志强  
【摘要】:Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物氮化镓(Ga N)是第三代宽禁带半导体材料的核心成员,具有直接宽带隙(3.39e V)、耐高温、耐腐蚀、电子迁移率高等优点,从而被广泛应用于发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和太阳能电池等领域。单晶硅是现代电子工业与信息产业的最重要的基础材料,硅平面工艺已经相当成熟。因此,将Ga N与Si结合对于未来研制Ga N集成器件有巨大的应用潜力。随着纳米技术的发展,材料在纳米尺度上展现出了许多区别于体材料的特性,另外,将Ga N和Si进行纳米结构化之后能够解决由Ga N与Si之间存在巨大的晶格失配失配和热失配所引起高缺陷浓度的问题。因此本文以具有微纳结构的硅纳米孔柱阵列(Silicon Nanoporous Pillar Array,Si-NPA)作为功能化衬底,利用化学气相沉积制备了具有纳米结构的Ga N,纳米结构的Ga N与Si-NPA构成了一种区别于传统平面异质结的非平面、多界面的双纳米异质结。通过水热法制备了Si-NPA,并通过自然氧化、双氧水溶液氧化和500℃干法热氧化三种条件对Si-NPA进行处理,通过这三种手段的处理研究其光致发光性能。新鲜的Si-NPA呈现出双红光峰的结构,没有蓝光峰,而通过自然氧化、双氧水溶液氧化和500℃干法热氧化之后出现了蓝光峰,说明了蓝光峰是由于Si-NPA被氧化形成的氧缺陷所造成的。在500℃干法热氧化15min后红光峰消失,光致发光谱变为“一蓝+一绿”的结构,而在自然氧化和双氧水溶液氧化中随着氧化时间的增加红光峰R1先蓝移然后趋于稳定。红光峰和氧化后产生的绿光峰都起源于量子限域效应,由于Si-NPA中存在大量硅纳米晶颗粒,在自然氧化和双氧水溶液氧化时,硅纳米颗粒的直径减小从而导致红光峰R1先随着氧化时间的增加发生蓝移,而用500℃干法热氧化时,氧化程度比自然氧化和溶液氧化大,因此导致由量子限域效应引起的红光峰蓝移至绿光区域内。通过对氧化方式和氧化条件的选择,实现了对Si-NPA发光峰峰位调节。通过CVD法,以金属Pt作为催化剂,成功的在Si-NPA上制备了晶体结构为六方纤锌矿结构的Ga N纳米晶,Ga N纳米线和Ga N微/纳米锥串结构,并通过对生长温度和氨气流量的调控,基本实现了对Ga N纳米晶,纳米线和锥串结构的调控。通过研究表明具有活性的氮原子的浓度对CVD法生长的Ga N的微观结构有较大的影响:随着活性氮原子浓度的增加,Ga N[002]方向的生长速度加快;低浓度活性氮原子浓度有利于Ga N纳米颗粒的生长,高浓度活性氮原子浓度有利于Ga N锥串结构生长;活性氮原子浓度增加对Ga N的本征峰无影响,但会使由Ga N中缺陷引起的黄光带蓝移。通过对氨气流量和生长温度的调节,实现了对Ga N纳米结构的可控调节。通过J-V特性测试,Ga N/Si-NPA双纳米异质结具有和传统平面异质结一致的整流效应,其正向电流传输符合发射模型。当外加正向电压较小时,热电子为异质结中主要载流子,电流在异质结中传导满足欧姆定律;随着外加电压的增加,热电子不再是主要载流子,电流随电压呈指数关系增长。当施加反向电压时,电流的传输符合齐纳隧穿机制,满足mVJ?的关系。对Si-NPA进行氧化处理后,Ga N/Si-NPA双纳米异质结的能带结构发生改变。随着氧化层厚度的增加,异质结的势垒高度增高,从而载流子需要更多的能量才能越过势垒。当氧化时间增加到60min后,异质结中正向电流的输运方式发生改变。外加电压较低电流输运符合隧穿模型,随着外加电压的升高,电流输运转变为扩散模型。


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