GaN-Si-NPA雙納米異質結的制備及其電學特性研究.pdf

1、Ⅲ-Ⅴ族半導體化合物氮化鎵（GaN）是第三代寬禁帶半導體材料的核心成員，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，從而被廣泛應用于發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、高電子遷移率晶體管（HEMT）和太陽能電池等領域。單晶硅是現(xiàn)代電子工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)的最重要的基礎材料，硅平面工藝已經(jīng)相當成熟。因此，將GaN與Si結合對于未來研制GaN集成器件有巨大的應用潛力。隨著納米技術的發(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進行納米結構化之后能夠解決由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構的硅納米孔柱陣列（Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA）作為功能化襯底，利用化學氣相沉積制備了具有納米結構的GaN，納米結構的GaN與Si-NPA構成了一種區(qū)別于傳統(tǒng)平面異質結的非平面、多界面的雙納米異質結。
　　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Si-NPA進行處理，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)出雙紅光峰的結構，沒有藍光峰，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)了藍光峰，說明了藍光峰是由于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{+一綠”的結構，而在自然氧化和雙氧水溶液氧化中隨著氧化時間的增加紅光

4、峰R1先藍移然后趨于穩(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，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，硅納米顆粒的直徑減小從而導致紅光峰R1先隨著氧化時間的增加發(fā)生藍移，而用500℃干法熱氧化時，氧化程度比自然氧化和溶液氧化大，因此導致由量子限域效應引起的紅光峰藍移至綠光區(qū)域內(nèi)。通過對氧化方式和氧化條件的選擇，實現(xiàn)了對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上制備了晶體結構為六方纖鋅礦結構的GaN納米晶，GaN納米線和GaN微/納米錐串結構，并通過對生長溫度和氨氣流量的調(diào)控，基本實現(xiàn)了對GaN納米晶，納米線和錐串結構的調(diào)控。通過研究表明具有活性的氮原子的濃度對CVD法生長的GaN的微觀結構有較大的影響：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，高濃度活性氮原子濃度有利于GaN錐串結構生長；活性氮原子濃度增

6、加對GaN的本征峰無影響，但會使由GaN中缺陷引起的黃光帶藍移。通過對氨氣流量和生長溫度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對GaN納米結構的可控調(diào)節(jié)。
　　通過J-V特性測試，GaN/Si-NPA雙納米異質結具有和傳統(tǒng)平面異質結一致的整流效應，其正向電流傳輸符合發(fā)射模型。當外加正向電壓較小時，熱電子為異質結中主要載流子，電流在異質結中傳導滿足歐姆定律；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)關系增長。當施加反向電壓時，電流的傳輸符