氮化镓硅纳米孔柱阵列异质结构界面调控及其电致发光特性分析-凝聚态物理专业论文.docx

摘 摘 要 万方数据 万方数据 的氧化和氨化处理，以此来调控 GaN/Si-NPA 的界面，并研究界面调控对器件的 影响 。论文主要进行了以下研究工作。 （1） GaN 在 Si-NPA 上的生长及 GaN/Si-NPA 光学性质的研究。 研究在 Si-NPA 上，利用金属 Ga 和氨气为反应前驱物，化学气相沉积 （Chemical Vapor Deposition，CVD）技术生长 GaN 时催化剂 Pt 的作用。发现 没有催化剂 Pt，GaN 无法在 Si-NPA 沉积。通过对仅放置 Ga 源，但不通氨气经 历高温过程后样品的分析，发现 Pt 能够收集 Ga 蒸汽，形成 Ga-Pt 合金促使 Ga 沉积在 Si-NPA 上。在通入氨气后 Ga-Pt 合金液滴中的 Ga 与氨气反应生成 GaN。 Ga-Pt 合金是否自组织对能否获得致密均匀的 GaN 膜有关键的调制作用。通过研 究不同的生长温度，不同氨气分压对获得的 GaN 形貌与和结构影响，发现能够 通过改变生长条件，获得从 GaN 纳米颗粒膜、纳米棒、纳米锥串和纳米线等多 种不同的结构。并且形貌的变化可以通过反应炉中氮镓比的变化予以解释。对 GaN/Si-NPA 的光学性质进行了变温荧光光谱（PL）的表征，发现 GaN/Si-NPA 的 PL 可以认为是 GaN 与退火后的 Si-NPA 衬底的 PL 的叠加，未观察到相互扩 散引起的 GaN 或 Si-NPA 的 PL 光谱的变化，证明 Si-NPA 作为衬底构建 Si 基 GaN 器件具有一定的优势。 （2） GaN/Si-NPA 纳米异质结 LED 的电输运和电致发光机制研究。 通过研究不同条件生长的 GaN/Si-NPA 的 I-V 特性，发现相对平滑的 GaN 颗粒膜有着较好的电极接触和稳定的 I-V 特性。基于此我们选择 800?C，500 Pa 氨气分压和 950?C，500 Pa 氨气分压生长的 GaN 的颗粒膜，来构成的 GaN/Si-NPA 纳米异质结 LED，研究了其电输运特性和电致发光（EL）机制。结果发现低温 和高温生长的 GaN/Si-NPA 均呈现整流特性。在正向偏压较低时 I-V 关系符合热 离化发射模型，呈现指数关系，在正向偏压较高时 I-V 趋于空间电荷限制电流 （Space Charge Limited Current）SCLC 机制的平方关系。在反向偏压下，低温 生长的 GaN/Si-NPA 漏电流较小，随生长温度的升高，因 Si-NPA 的价带电子向 GaN 中导带的 Fowler-Nordheim (F-N)隧穿的增加漏电流增加。 800?C 生长的 GaN/Si-NPA 在正向，950?C 生长的 GaN/Si-NPA 在正向/反向 偏压均有电致发光（Electroluminescence，EL）发射。低温生长的 GaN/Si-NPA 在正向偏压下 EL 和高温生长 GaN/Si-NPA 在反向偏压下 EL 光谱相同，峰位位 于~540 nm，半高宽为~171 nm，为黄白光，来源为 GaN 中导带电子或浅施主能 级电子与深受主束缚空穴之间的辐射复合。高温生长的 GaN/Si-NPA 的正向偏压 II 下的 EL 同样包含上述黄白光 EL，但附加有 Si-NPA 衬底的红光 EL 的贡献。 （3）研究老化、氧化和氨化对 Si-NPA 的改性以及对 GaN/Si-NPA 异质结 构界面的调控及其影响。 新鲜 Si-NPA 仅表现一个红光 PL 带，老化后演化为紫外、紫-蓝和红光三个 PL 带；利用稳态 PL 谱、PL 衰减寿命谱、空气退火及变激发波长等手段对各个 发光带做了分析。 提出老化 Si-NPA 的紫外、紫-蓝和红光三个 PL 带, 分别来自 于 SiOx 层中的富氧缺陷或 nc-Si 表面的 硅烷醇基与水反应形成网络结构中的过 氧链、SiOx 中的氧空位缺陷和硅纳米颗粒（nc-Si）在量子限域效应下的带带跃 迁，后者可能包含着小 nc-Si 颗粒的与氧有关的表面态发光的贡献。由于老化过 程不易控制，我们采用高温氧化和氨化对 Si-NPA 进行处理来增强其稳定性。高 温氧化后 Si-NPA 的 PL 演化为一个紫-蓝光 PL 带，氨化后演化为紫-蓝光和红光 两个 PL 带。氧化和氨化 Si-NPA 的紫-蓝 PL 带来源于 Si-NPA 中 SiOx 中的氧空 位缺陷，而氨化 Si-NPA 的红光 PL 带来自于 nc-Si。红光 PL 带的峰位随着氨化 温度的升高而红移说明氨化处理中 nc-Si 的尺寸有随氨化温度的升高而增大的现 象。 对于 950?C，500 Pa 氨气分压条件下，在氧化或氨化的 Si-NPA 上生长的 GaN/Si-NPA 的电输运和