化学气相沉积法构筑GaN纳米线阵列及其光学性能的深度剖析.docxVIP

化学气相沉积法构筑GaN纳米线阵列及其光学性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的典型代表，具有宽禁带（室温下约为3.4eV）、高电子迁移率、高饱和漂移速度、高热导率以及良好的化学稳定性和强抗辐照能力等一系列优异特性。这些特性使得GaN在光电器件、电力电子、射频器件等多个领域展现出巨大的应用潜力。在光电器件领域，基于GaN材料制造的发光二极管（LED）已广泛应用于照明、显示等领域，显著提高了能源利用效率，推动了显示技术的发展，如Micro-LED显示技术，凭借其高亮度、高对比度、快速响应等特性，有望引领下一代显示技术的发展潮流。在电力电子方面，GaN基功率器件凭借其低导通电阻、高开关速度等特性，能够有效降低能量损耗，提高功率转换效率，在新能源汽车、智能电网、开关电源等领域展现出巨大的应用潜力。在射频领域，GaN器件在5G通信基站、雷达系统等方面表现出卓越的性能，能够满足高频率、大功率的信号处理需求，推动了无线通信技术的飞速发展。

随着科技的不断进步，对半导体器件性能的要求日益严苛，传统的体材料GaN在应对一些高性能、高集成度和多功能化的应用需求时，逐渐暴露出一定的局限性。在此背景下，GaN微纳结构，如纳米线、纳米棒、纳米管等，因其独特的纳米尺度效应，展现出与体材料截然不同的物理特性，成为当前研究的热点之一。其中，GaN纳米线阵列由于具有高比表面积，不仅能够增加光与物质的相互作用面积，提高光吸收效率，还为载流子的传输提供了更多的路径，有效降低了载流子的散射概率，从而在提升器件性能方面具有显著优势。在紫外探测器中，GaN纳米线阵列结构能够极大地增强对紫外光的吸收和探测灵敏度，实现对微弱紫外光信号的有效检测；在纳米线阵列LED、纳米线激光器等微纳光电器件中，GaN纳米线阵列能够实现更有效的光场约束和载流子限域，从而提高器件的发光效率和光电转换效率。

化学气相沉积法（CVD）作为一种重要的材料制备技术，在合成GaN纳米线阵列方面具有诸多优势。该方法能够精确控制反应条件，如温度、压强、气体流量等，从而实现对GaN纳米线阵列的生长方向、直径、长度以及密度等参数的有效调控。此外，CVD法还具有生长速率快、可大面积制备、能够在多种衬底上生长等优点，适合大规模工业化生产。通过CVD法制备高质量的GaN纳米线阵列，并深入研究其光学性能，对于进一步挖掘GaN材料的潜力，拓展其在光电器件领域的应用具有重要的理论和实际意义。一方面，深入理解GaN纳米线阵列的光学性能及其内在物理机制，有助于为新型光电器件的设计和优化提供理论基础；另一方面，高质量GaN纳米线阵列的制备技术的发展，将为高性能光电器件的制备提供关键材料支撑，推动光电器件向小型化、高效化、多功能化方向发展。

1.2国内外研究现状

在国外，早在2001年，Chen等人就采用催化生长法在硅片上制备出了GaN纳米线，开启了GaN纳米线研究的先河。随后，Korotkov等人通过金属有机气相外延法制备了未掺杂的GaN晶体，并对其缺陷的瞬态发光进行了研究，为GaN纳米线光学性能的研究奠定了基础。近年来，国外在利用化学气相沉积法合成GaN纳米线阵列及其光学性能研究方面取得了一系列重要进展。例如，有研究团队通过优化CVD工艺参数，成功制备出了高度取向、直径均匀的GaN纳米线阵列，并对其光致发光特性进行了详细研究，发现通过控制纳米线的生长条件，可以有效调控其发光波长和发光强度。还有研究人员利用CVD法在不同衬底上生长GaN纳米线阵列，研究了衬底与纳米线之间的界面特性对光学性能的影响，发现合适的衬底选择和界面处理能够显著提高纳米线阵列的发光效率。

在国内，相关研究也在积极开展并取得了丰硕成果。万想等人采用化学气相沉积法，分别以Ni、Au为催化剂，氨化金属Ga制备出GaN纳米线，通过改变氨化温度、生长时间、催化剂、衬底以及Ga源和衬底间的距离等生长条件，深入研究了其对GaN纳米线形貌和结构的影响，并分析探讨了纳米线的生长过程与机制，得到了生长GaN纳米线的最佳工艺。曾若生采用Ga?O?为Ga源，氨气为N源，通过高温化学气相沉积法制备了新颖的弯曲状GaN纳米线，利用拉曼光谱和光致发光光谱研究了其光学性质，发现基于浅施主态向浅受主态的跃迁，包括缺陷层、表面态或残留杂质的影响，PL发光在436nm和467nm处出现宽峰。锁国权和李建业等利用化学气相沉积法成功地大规模制备出独特的锯齿形氮化镓纳米线结构，研究发现其生长过程遵循气相—液相—固相（VLS）机制，锯齿形结构的侧面主要