氮化鎵-硅納米孔柱陣列異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面調(diào)控及其電致發(fā)光特性研究.pdf

1、GaN作為一種寬帶隙（3.4 eV）的直接帶隙化合物半導體材料，具有高熱導率、高電子遷移率、良好的化學和熱穩(wěn)定性，在制備發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）、激光二極管（lasing diode, LD）、紫外探測器、高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor, HEMT）以及太陽能電池等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是在發(fā)光應(yīng)用方面， GaN對線位錯不敏感，具有著極高

2、的內(nèi)量子效率，是到目前為止在高效藍光LED和LD發(fā)射領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)的最重要的半導體材料。Si材料現(xiàn)代電子工業(yè)中最重要并得到廣泛應(yīng)用的半導體材料，具有技術(shù)成熟、易于集成、元素豐富、價格低廉等優(yōu)勢。幾十年來，以Si材料為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路，按照摩爾定律，集成度不斷的提高。但Si為間接帶隙材料，發(fā)光效率低，當需要光子或光電子器件時往往需要采用其他的直接帶隙半導體材料。GaN工藝與Si工藝的結(jié)合，能夠?qū)aN的發(fā)光性能和Si的高

3、集成度結(jié)合起來，實現(xiàn)新的器件功能和應(yīng)用。例如可以將GaN基的發(fā)光器件和Si基電子器件集成在同一個芯片上，大大縮短光電互聯(lián)的長度，提高信息處理的速度。但是由于GaN和Si之間較大的晶格失配和熱失配，采用傳統(tǒng)的晶片鍵合或異質(zhì)外延技術(shù)實現(xiàn)GaN與Si的集成時，為獲得較強的鍵合強度和較高的薄膜質(zhì)量，往往需要加入鍵合合金（晶片鍵合）或 AlN中間層（異質(zhì)外延），很難直接得到單晶GaN與單晶Si的直接異質(zhì)接觸。通過將GaN的納米結(jié)構(gòu)生長在硅納米孔柱

4、陣列（Si-NPA）上，本課題組成功實現(xiàn)了基于 Si-NPA的GaN與Si的直接異質(zhì)接觸，得到了一種新型的由GaN/Si納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的原型器件。該結(jié)構(gòu)顯示出整流效應(yīng)，并在正向偏壓下表現(xiàn)出黃光和近紅外電致發(fā)光。然而，作為一種新型的雙納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，GaN/Si-NPA有一系列尚未澄清的問題，如生長條件對 GaN納米結(jié)構(gòu)的改變，以及對 GaN/Si-NPA的影響， GaN/Si-NPA的電輸運和電致發(fā)光機理等等。考慮到GaN/Si-NPA具

5、有著巨大的界面面積，界面對GaN/Si-NPA的性質(zhì)可能有著相較傳統(tǒng)平面工藝的器件更大的調(diào)控作用?；谶@些問題，本文對Si-NPA上GaN的生長、GaN/Si-NPA器件的制備、電學性質(zhì)和發(fā)光機制做了研究和探討。在此基礎(chǔ)上，為了研究界面調(diào)控在GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)中的作用，我們重點的對Si-NPA的進行了不同溫度的氧化和氨化處理，以此來調(diào)控GaN/Si-NPA的界面，并研究界面調(diào)控對器件的影響。論文主要進行了以下研究工作。

6、>　　（1） GaN在Si-NPA上的生長及GaN/Si-NPA光學性質(zhì)的研究。
　　研究在 Si-NPA上，利用金屬 Ga和氨氣為反應(yīng)前驅(qū)物，化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）技術(shù)生長GaN時催化劑Pt的作用。發(fā)現(xiàn)沒有催化劑Pt，GaN無法在Si-NPA沉積。通過對僅放置Ga源，但不通氨氣經(jīng)歷高溫過程后樣品的分析，發(fā)現(xiàn)Pt能夠收集Ga蒸汽，形成Ga-Pt合金促使Ga沉積在Si-NPA上。在

7、通入氨氣后Ga-Pt合金液滴中的Ga與氨氣反應(yīng)生成GaN。Ga-Pt合金是否自組織對能否獲得致密均勻的GaN膜有關(guān)鍵的調(diào)制作用。通過研究不同的生長溫度，不同氨氣分壓對獲得的GaN形貌與和結(jié)構(gòu)影響，發(fā)現(xiàn)能夠通過改變生長條件，獲得從GaN納米顆粒膜、納米棒、納米錐串和納米線等多種不同的結(jié)構(gòu)。并且形貌的變化可以通過反應(yīng)爐中氮鎵比的變化予以解釋。對GaN/Si-NPA的光學性質(zhì)進行了變溫熒光光譜（PL）的表征，發(fā)現(xiàn)GaN/Si-NPA的PL可以

8、認為是GaN與退火后的Si-NPA襯底的PL的疊加，未觀察到相互擴散引起的GaN或Si-NPA的PL光譜的變化，證明Si-NPA作為襯底構(gòu)建Si基GaN器件具有一定的優(yōu)勢。
　?。?） GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)LED的電輸運和電致發(fā)光機制研究。
　　通過研究不同條件生長的 GaN/Si-NPA的 I-V特性，發(fā)現(xiàn)相對平滑的 GaN顆粒膜有著較好的電極接觸和穩(wěn)定的I-V特性?；诖宋覀冞x擇800?C，500 Pa氨氣分壓

9、和950?C，500 Pa氨氣分壓生長的GaN的顆粒膜，來構(gòu)成的GaN/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)LED，研究了其電輸運特性和電致發(fā)光（EL）機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫和高溫生長的GaN/Si-NPA均呈現(xiàn)整流特性。在正向偏壓較低時I-V關(guān)系符合熱離化發(fā)射模型，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，在正向偏壓較高時 I-V趨于空間電荷限制電流（Space Charge Limited Current）SCLC機制的平方關(guān)系。在反向偏壓下，低溫生長的GaN/Si-NPA漏電

10、流較小，隨生長溫度的升高，因Si-NPA的價帶電子向GaN中導帶的Fowler-Nordheim(F-N)隧穿的增加漏電流增加。
　　800?C生長的GaN/Si-NPA在正向，950?C生長的GaN/Si-NPA在正向/反向偏壓均有電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）發(fā)射。低溫生長的 GaN/Si-NPA在正向偏壓下EL和高溫生長GaN/Si-NPA在反向偏壓下EL光譜相同，峰位位于~540 nm，半高寬為~

11、171 nm，為黃白光，來源為GaN中導帶電子或淺施主能級電子與深受主束縛空穴之間的輻射復合。高溫生長的GaN/Si-NPA的正向偏壓下的EL同樣包含上述黃白光EL，但附加有Si-NPA襯底的紅光EL的貢獻。
　?。?）研究老化、氧化和氨化對 Si-NPA的改性以及對 GaN/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的調(diào)控及其影響。
　　新鮮Si-NPA僅表現(xiàn)一個紅光PL帶，老化后演化為紫外、紫-藍和紅光三個PL帶；利用穩(wěn)態(tài)PL譜、PL衰減

12、壽命譜、空氣退火及變激發(fā)波長等手段對各個發(fā)光帶做了分析。提出老化Si-NPA的紫外、紫-藍和紅光三個PL帶,分別來自于 SiOx層中的富氧缺陷或 nc-Si表面的硅烷醇基與水反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的過氧鏈、SiOx中的氧空位缺陷和硅納米顆粒（nc-Si）在量子限域效應(yīng)下的帶帶躍遷，后者可能包含著小nc-Si顆粒的與氧有關(guān)的表面態(tài)發(fā)光的貢獻。由于老化過程不易控制，我們采用高溫氧化和氨化對Si-NPA進行處理來增強其穩(wěn)定性。高溫氧化后Si-NP

13、A的PL演化為一個紫-藍光PL帶，氨化后演化為紫-藍光和紅光兩個PL帶。氧化和氨化Si-NPA的紫-藍PL帶來源于Si-NPA中SiOx中的氧空位缺陷，而氨化Si-NPA的紅光PL帶來自于nc-Si。紅光PL帶的峰位隨著氨化溫度的升高而紅移說明氨化處理中nc-Si的尺寸有隨氨化溫度的升高而增大的現(xiàn)象。
　　對于950?C，500 Pa氨氣分壓條件下，在氧化或氨化的 Si-NPA上生長的GaN/Si-NPA的電輸運和 EL盡心了研究

14、。800?C及以下的氧化和氨化，對GaN/Si-NPA的I-V特征和EL發(fā)光特性，基本沒有改變。對Si-NPA的900?C及以上的氧化，會使GaN/Si-NPA的整流特性消失。Si-NPA的900?C-1000?C的氨化后， GaN/Si-NPA仍保持整流特效性，氨化對正向偏壓下的I-V特性沒有影響，但能明顯減小反向漏電流，且漏電流的減小隨氨化溫度的升高而更加明顯。對Si-NPA的1100?C的氨化，使GaN/Si-NPA失去整流特性。

15、
　　反向偏壓下，除Si-NPA的1000?C氧化使得GaN/Si-NPA的EL出現(xiàn)在495 nm處和Si-NPA的1100?C氧化使EL完全消失外，其他氧化及氨化條件對反向偏壓下的EL無改變。正向偏壓下，部分氧化處理后的樣品相對反向偏壓下EL有紅移，部分樣品與正向偏壓下相同，未觀察到系統(tǒng)的規(guī)律性。但氨化樣品除1100?C外，1000?C以下的氨化處理溫度，器件正向偏壓下EL均相對反向偏壓下有紅移。說明氨化處理有利于保留Si-NP