GaNSi纳米异质结构阵列的光电-电光性能研究与原型器件制备.pdf

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1、AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofDoctorOpto—electricalandElectro·opticalPropertiesofGaN／SiNanoheterostructureArrayandDevicePreparationBy：ChangBaoHanSupervisor：Pro￡X血JianLiCondensedMatterPhysicsDepartmentofPhysics，ZhengzhouUniversi

2、tyJune，2012原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：斯夥蓄文日期。弘·伊6月目日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印

3、件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位敝憾姊品孑反日期：文卯】，年6月g日摘要GaN／Si纳米异质结构阵列的光电一电光性能研究与原型器件制备摘要宽带隙化合物半导体GaN由于具有宽的直接带隙、高的电子迁移率、耐高温、抗腐蚀及抗辐射等一系列优点而被广泛地应

4、用于紫外探测器、发光二极管、激光二极管及其太阳能电池等光电子器件。Si是现代半导体材料的基础，虽然GaN／Si异质结构同样被认为在开发高速、高功率和高集成化的光电子器件方面具有巨大的潜力，但是由于GaN和Si之间存较大的晶格失配和热失配，很难直接在Si衬底上生长GaN而制备GaN／Si异质结构光电子器件。本文首先采用Si的一种图案化结构⋯．硅纳米孔柱阵列(SiliconNanoporousPillarArray，Si-NPA)作为功能性衬底，利用化学气相沉积(ChemicalVaporDepositio

5、n，CVD)的方法在Si-NPA上生长GaN纳米结构，通过改变实验条件，研究不同生长条件下QIN／Si-NPA的形貌结构及其光学、电学特性，通过电极设计制备出基于GaN／Si-NPA纳米异质结构的黄光、近红外光发光二极管(LightEmittingDiodes，LEDs)和太阳能电池，并对其光电性能进行了详细研究。论文取得以下成果：1．GaN／Si-NPA的制备及其结构、形貌表征采用CVD法，以金属Pt为催化剂，通过改变实验条件，在Si-NPA衬底上制备出大量形貌可控的六方纤锌矿GaN纳米材料。生长条件

6、对GaN形貌结构的影响如下：(1)在其它条件不变时，生长时间与GaN纳米结构的产量成正比，且随着生长时间的增加GaN的形貌由纳米颗粒膜逐渐变为颗粒膜+纳米棒阵列；(2)通过退火研究发现，在800℃以下的N2气氛下退火不改变GaN纳米结构阵列的形貌，而在1000℃N2气氛下退火后GaN纳米结构出现再结晶，形貌由纳米棒变为纳米锥串；(3)通过对950℃、1000℃和1050℃三种不同温度条件下制备样品的形貌和结构研究发现，控制温度能够实现GaN纳米结构由纳米颗粒薄膜到纳米颗粒膜+纳米棒的调控。摘要2．GaN

7、／Si-NPA的电学特性测量及其输运机制的分析通过400℃退火处理，实现金属灿与GaN纳米结构、m与sc．Si之间的欧姆接触。通过电极设计，对950℃、1000℃和1050℃三种条件下制备的GaN／Si-NPA纳米异质结构及其800℃退火处理的电流．电压特性研究发现：(1)不同条件制备的样品都具有整流特性；(2)器件的漏电流密度随着生长温度增加而减小，而退火处理也能降低漏电流密度；(3)退火后样品的开启电压圪"反向截止电压陈、反向饱和电流五、整流因子IF／IR等都较退火前增加，如1050℃生长的GaN／

8、Si-NPA未退火时vo。=2．0V，％=5．4V，五=8．2IIIAJcl3"12，墨绿=9，在退火后分别改变为4．0V，6．6V，2．7mA／cm2和39；(4)分析结果表明电学特性的变化是由于较高的生长温度或者退火作用引起GaN纳米结构结晶度的提高、界面缺陷密度降低导致；(5)通过对电压．电流关系的双对数分析发现，所有样品的电流传输机制是由欧姆导电机制直接过渡到空间电荷限制电流机制。3．GaN／Si-NPA纳米异质结构阵列黄光LED的