GaN-Si納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的光電-電光性能研究與原型器件制備.pdf

1、寬帶隙化合物半導體GaN由于具有寬的直接帶隙、高的電子遷移率、耐高溫、抗腐蝕及抗輻射等一系列優(yōu)點而被廣泛地應用于紫外探測器、發(fā)光二極管、激光二極管及其太陽能電池等光電子器件。Si是現(xiàn)代半導體材料的基礎(chǔ)，雖然GaN/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)同樣被認為在開發(fā)高速、高功率和高集成化的光電子器件方面具有巨大的潛力，但是由于GaN和Si之間存較大的晶格失配和熱失配，很難直接在Si襯底上生長GaN而制備GaN/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電子器件。本文首先采用Si的一種圖案

2、化結(jié)構(gòu)----硅納米孔柱陣列(SiliconNanoporousPillarArray，Si-NPA)作為功能性襯底，利用化學氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）的方法在Si-NPA上生長GaN納米結(jié)構(gòu)，通過改變實驗條件，研究不同生長條件下GaN/Si-NPA的形貌結(jié)構(gòu)及其光學、電學特性，通過電極設計制備出基于GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的黃光、近紅外光發(fā)光二極管(LightEmittingDiodes

3、，LEDs)和太陽能電池，并對其光電性能進行了詳細研究。論文取得以下成果:
　　1.GaN/Si-NPA的制備及其結(jié)構(gòu)、形貌表征
　　采用CVD法，以金屬Pt為催化劑，通過改變實驗條件，在Si-NPA襯底上制備出大量形貌可控的六方纖鋅礦GaN納米材料。生長條件對GaN形貌結(jié)構(gòu)的影響如下:(1)在其它條件不變時，生長時間與GaN納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量成正比，且隨著生長時間的增加GaN的形貌由納米顆粒膜逐漸變?yōu)轭w粒膜+納米棒陣列;(2)

4、通過退火研究發(fā)現(xiàn)，在800℃以下的N2氣氛下退火不改變GaN納米結(jié)構(gòu)陣列的形貌，而在1000℃N2氣氛下退火后GaN納米結(jié)構(gòu)出現(xiàn)再結(jié)晶，形貌由納米棒變?yōu)榧{米錐串;(3)通過對950℃、1000℃和1050℃三種不同溫度條件下制備樣品的形貌和結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，控制溫度能夠?qū)崿F(xiàn)GaN納米結(jié)構(gòu)由納米顆粒薄膜到納米顆粒膜+納米棒的調(diào)控。
　　2.GaN/Si-NPA的電學特性測量及其輸運機制的分析
　　通過400℃退火處理，實現(xiàn)金屬Al

5、與GaN納米結(jié)構(gòu)、Al與sc-Si之間的歐姆接觸。通過電極設計，對950℃、1000℃和1050℃三種條件下制備的GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其800℃退火處理的電流-電壓特性研究發(fā)現(xiàn):(1)不同條件制備的樣品都具有整流特性;(2)器件的漏電流密度隨著生長溫度增加而減小，而退火處理也能降低漏電流密度;(3)退火后樣品的開啟電壓Von、反向截止電壓VR、反向飽和電流JR、整流因子IF/IR等都較退火前增加，如1050℃生長的GaN/

6、Si-NPA未退火時Von=2.0V，VR=5.4V，JR=8.2mA/cm2，IF/IR=9，在退火后分別改變?yōu)?.0V，6.6V，2.7mA/cm2和39;(4)分析結(jié)果表明電學特性的變化是由于較高的生長溫度或者退火作用引起GaN納米結(jié)構(gòu)結(jié)晶度的提高、界面缺陷密度降低導致;(5)通過對電壓-電流關(guān)系的雙對數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，所有樣品的電流傳輸機制是由歐姆導電機制直接過渡到空間電荷限制電流機制。
　　3.GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)

7、陣列黃光LED的制備器件光電特性研究
　　利用金屬Al和ITO薄膜分別作為背電極和項電極，制備出ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列黃光LED。所制備的LED具有良好的整流特性:開路電壓:～2V;反向截止電壓:～4.5V;最大整流比:～8.5(±4.8V);理想因子:30(+2V);漏電流密度12mA/cm2。黃光LED在電壓超過6V開始發(fā)光，發(fā)光中心位于～600nm，其峰值半高寬為～200nm，且發(fā)光的

8、強度隨著正向電壓的增加而增加。通過改變制備條件（提高GaN結(jié)晶度）能夠優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，制備出發(fā)光峰位于～567nm且半高寬小于23nm的高單色性黃光LED。分析發(fā)現(xiàn)，黃光的發(fā)射來自于GaN中缺陷能級的輻射復合發(fā)光，且發(fā)光的單色性可以通過降低GaN中的缺陷類型來提高。
　　4.GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列NIRLEDs的制備及其光電特性研究
　　通過對GaN/Si-NPA800℃進行退火處理，制備出ITO/GaN/Si-

9、NPA/sc-Si/Al納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列NIPLED。所制備的NIRLED具有以下性能:開啟電壓為～3V;反向截止電壓為6V;最大整流比為39(±4.2V);在±5V時正、反向電流密度分別為～48.17mA/cm2和～1.65mA/cm2;6V電壓下開始發(fā)出現(xiàn)發(fā)光中心位于585nm的寬黃光發(fā)射峰和826nm的NIR發(fā)光峰;隨正向電壓的增加，黃光發(fā)射峰強度逐漸減弱至消失而NIR發(fā)光峰強度呈指數(shù)趨勢逐漸增強;外加電壓超過10V時NIRLED

10、的輸出功率劇增，最大輸出功率為131mW(15V);器件的功率效率隨著外加電壓的增加呈遞增趨勢，在15V外加電壓下NIRLED的最大功率效率達～3.9％;器件的發(fā)射光譜具有較高的穩(wěn)定性，在正向12V電壓下持續(xù)工作5min后發(fā)光峰強度的衰減小于5％。根據(jù)能帶理論分析，NIR發(fā)光是源于電場作用下GaN導帶中的電子與Si-NPA價帶中的空穴在界面處復合輻射。通過改變制備條件（提高GaN結(jié)晶度，降低GaN中缺陷）能夠制備出發(fā)光峰位于～830nm

11、、半高寬為～18nm的高單色性NIRLED。
　　5.GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列太陽能電池的制備及其光伏特性研究
　　制備出結(jié)構(gòu)為ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al新概念納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列太陽能電池:在不同溫度（950℃、1000℃和1050℃）條件下所制備的電池具有不同的光伏特性，如隨著生長溫度的提高，電池的開路電壓VOC由0.85V增加到1.13V，填充因子FF同樣由35.3％增加至43.4％，而其短