硅基GaN的可控制備及其發(fā)光性能.pdf

1、寬帶隙化合物半導體GaN因獨特的光電性能而被廣泛地應用于制備發(fā)光二極管、激光器、太陽能電池等光電器件。本課題采用化學氣相沉積技術(CVD)在硅納米孔柱陣列(Si-NPA)襯底上直接生長GaN制備了GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結構陣列，實現(xiàn)了黃光、近紅外電致發(fā)光。本文研究了作為催化劑鉑的不同沉積時間、生長溫度、氨氣壓強、退火等制備條件對GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結的形貌結構、積分反射特性、伏安特性、光致發(fā)光特性、電致發(fā)光特性的影響。主要

2、取得了以下結果:
　　1.GaN/Si-NPA的制備及其形貌、結構表征
　　本文以金屬鉑為催化劑，Si-NPA為襯底，采用CVD技術制得GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結，沉積GaN后其表面形貌保持了Si-NPA陣列結構。隨著沉積鉑時間的延長，GaN的形貌由納米顆粒膜逐漸演變成顆粒膜與納米線的混合形式。升高生長溫度或增加氨氣壓強，也有相同的趨勢。XRD圖譜說明生長的GaN是六方纖鋅礦結構。由謝樂公式計算可知，隨著沉積鉑時間的延長

3、、生長溫度的升高或氨氣壓強的增大均能使GaN晶粒的尺寸增大。經(jīng)800℃退火1個小時處理，GaN的形貌基本不發(fā)生改變，但是晶粒尺寸略有增大。
　　2.GaN/Si-NPA的積分光反射特性
　　隨著沉積鉑時間的延長，GaN/Si-NPA的反射率逐漸增大，升高生長溫度或增大氨氣壓強，樣品的反射率也呈增大趨勢。所有樣品在～360nm處均有一個明顯的吸收邊。當沉積的GaN的納米晶粒尺寸較小時，相對較多的光子被GaN或Si-NPA吸收或

4、透射出去，相對較少的光子被GaN反射回去，此時樣品的反射率較低;當GaN納米晶粒尺寸較大時，相對較少的光子被GaN或Si-NPA吸收或透射出去，相對較多的光子被GaN反射回去，此時樣品的反射率較高。延長沉積鉑時間、升高生長溫度或增加氨氣壓強均會使GaN納米晶粒尺寸增大，所以其反射率升高。
　　3.GaN/Si-NPA的光致發(fā)光特性
　　樣品的光致發(fā)光譜中有一個位于～370nm處的GaN的帶邊發(fā)射峰和一個位于～550nm處的寬

5、的黃光發(fā)光峰，后者源于晶體內(nèi)的缺陷能級。延長沉積鉑時間，兩個發(fā)光峰的峰強均增強。這是因為延長沉積鉑時間可使GaN的沉積量增大，使得GaN的本征峰及黃光發(fā)光峰均增強。同樣地，兩峰強也隨生長溫度的升高或氨氣壓強的增大而增強，分析原因也一樣。與沉積鉑25s、45s的樣品相比，沉積鉑5s的樣品本征峰發(fā)生了藍移，分析表明是由于較小的GaN納米晶粒的量子限域效應引起的。
　　4.GaN/Si-NPA的伏安特性及載流子輸運機制
　　在室溫

6、下對GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結進行伏安特性測試。結果表明，所制得的樣品均具有整流特性。延長沉積鉑的時間，樣品的漏電流減少，說明樣品中的缺陷態(tài)能級減少，界面質(zhì)量提高。升高生長溫度或增大氨氣壓強，樣品表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。退火處理后，異質(zhì)結中的漏電流明顯有所降低，這說明退火處理也可以減少樣品中的缺陷態(tài)數(shù)目。對樣品的伏安特性曲線擬合后分析，異質(zhì)結中的載流子的輸運方式主要有兩種，在較低電壓時為歐姆傳輸方式，在較高電壓時為空間電荷限制電流傳輸方式

7、，兩種傳輸方式的過渡過程為異質(zhì)結中的缺陷能級被電子填充的過程。
　　5.GaN/Si-NPA的電致發(fā)光特性
　　研究表明，在相對較低的正向偏壓下，光譜中在～530nm處均出現(xiàn)一個寬的黃光發(fā)光峰，該峰的強度隨GaN膜厚的增加而增強，所以沉積鉑時間延長、氨氣壓強增強或生長溫度升高時峰強均呈增強趨勢。當生長溫度的升高時，黃光發(fā)光峰的峰位發(fā)生了小幅度的紅移，分析認為是GaN晶粒中鎵空位含量改變引起的。在正向偏壓相對較高時，電致發(fā)光譜