GaN-Si-NPA雙納米異質(zhì)結(jié)的制備及其電學(xué)特性研究.pdf

1、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物氮化鎵（GaN）是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的核心成員，具有直接寬帶隙（3.39eV）、耐高溫、耐腐蝕、電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、高電子遷移率晶體管（HEMT）和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。單晶硅是現(xiàn)代電子工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)的最重要的基礎(chǔ)材料，硅平面工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟。因此，將GaN與Si結(jié)合對(duì)于未來(lái)研制GaN集成器件有巨大的應(yīng)用潛力。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，材料在納米尺度上展現(xiàn)出了許多區(qū)

2、別于體材料的特性，另外，將GaN和Si進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化之后能夠解決由GaN與Si之間存在巨大的晶格失配失配和熱失配所引起高缺陷濃度的問題。因此本文以具有微納結(jié)構(gòu)的硅納米孔柱陣列（Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA）作為功能化襯底，利用化學(xué)氣相沉積制備了具有納米結(jié)構(gòu)的GaN，納米結(jié)構(gòu)的GaN與Si-NPA構(gòu)成了一種區(qū)別于傳統(tǒng)平面異質(zhì)結(jié)的非平面、多界面的雙納米異質(zhì)結(jié)。
　　通過水熱法制備了Si-

3、NPA，并通過自然氧化、雙氧水溶液氧化和500℃干法熱氧化三種條件對(duì)Si-NPA進(jìn)行處理，通過這三種手段的處理研究其光致發(fā)光性能。新鮮的Si-NPA呈現(xiàn)出雙紅光峰的結(jié)構(gòu)，沒有藍(lán)光峰，而通過自然氧化、雙氧水溶液氧化和500℃干法熱氧化之后出現(xiàn)了藍(lán)光峰，說(shuō)明了藍(lán)光峰是由于Si-NPA被氧化形成的氧缺陷所造成的。在500℃干法熱氧化15min后紅光峰消失，光致發(fā)光譜變?yōu)椤耙凰{(lán)+一綠”的結(jié)構(gòu)，而在自然氧化和雙氧水溶液氧化中隨著氧化時(shí)間的增加紅光

4、峰R1先藍(lán)移然后趨于穩(wěn)定。紅光峰和氧化后產(chǎn)生的綠光峰都起源于量子限域效應(yīng)，由于Si-NPA中存在大量硅納米晶顆粒，在自然氧化和雙氧水溶液氧化時(shí)，硅納米顆粒的直徑減小從而導(dǎo)致紅光峰R1先隨著氧化時(shí)間的增加發(fā)生藍(lán)移，而用500℃干法熱氧化時(shí)，氧化程度比自然氧化和溶液氧化大，因此導(dǎo)致由量子限域效應(yīng)引起的紅光峰藍(lán)移至綠光區(qū)域內(nèi)。通過對(duì)氧化方式和氧化條件的選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Si-NPA發(fā)光峰峰位調(diào)節(jié)。
　　通過CVD法,以金屬Pt作為催化劑，成

5、功的在Si-NPA上制備了晶體結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN納米晶，GaN納米線和GaN微/納米錐串結(jié)構(gòu)，并通過對(duì)生長(zhǎng)溫度和氨氣流量的調(diào)控，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN納米晶，納米線和錐串結(jié)構(gòu)的調(diào)控。通過研究表明具有活性的氮原子的濃度對(duì)CVD法生長(zhǎng)的GaN的微觀結(jié)構(gòu)有較大的影響：隨著活性氮原子濃度的增加，GaN[002]方向的生長(zhǎng)速度加快；低濃度活性氮原子濃度有利于GaN納米顆粒的生長(zhǎng)，高濃度活性氮原子濃度有利于GaN錐串結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)；活性氮原子濃度增

6、加對(duì)GaN的本征峰無(wú)影響，但會(huì)使由GaN中缺陷引起的黃光帶藍(lán)移。通過對(duì)氨氣流量和生長(zhǎng)溫度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GaN納米結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)。
　　通過J-V特性測(cè)試，GaN/Si-NPA雙納米異質(zhì)結(jié)具有和傳統(tǒng)平面異質(zhì)結(jié)一致的整流效應(yīng)，其正向電流傳輸符合發(fā)射模型。當(dāng)外加正向電壓較小時(shí)，熱電子為異質(zhì)結(jié)中主要載流子，電流在異質(zhì)結(jié)中傳導(dǎo)滿足歐姆定律；隨著外加電壓的增加，熱電子不再是主要載流子，電流隨電壓呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。當(dāng)施加反向電壓時(shí)，電流的傳輸符