论文部分内容阅读
近年来,GaN材料因其优异的光电特性而被广泛应用于光电子器件制备。Si基GaN光电子器件虽然在实现器件集成方面具有优势,但两种材料间较大的晶格失配和热失配严重阻碍了其技术应用进程。在前期研究中,本课题组以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用化学气相沉积技术制备了GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列,并实现了黄光和近红外光电致发光。本文将针对GaN/Si-NPA的积分光反射、光致发光、I-V特性和电致发光等特性随生长缓冲层的温度、氨气压强及对样品退火等制备条件的变化规律进行研究,以期对GaN/Si-NPA的制备条件实现优化。本文的主要内容与结果如下：1. GaN/Si-NPA的可控制备,形貌与结构表征以Si-NPA为衬底,Pt为催化剂,采用化学气相沉积法在高温真空管式炉中制备出GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列,通过改变缓冲层的生长温度、氨气压强和对GaN/Si-NPA退火实现对其形貌的调控生长。SEM图显示,沉积GaN后的Si-NPA依然保留着衬底规则的阵列结构,GaN以纳米颗粒和纳米线的形式存在。生长缓冲层的温度较低或氨气压强较小时,GaN表现为纳米颗粒；当生长缓冲层的温度升高或氨气压强增大时,GaN以纳米颗粒和纳米线混合的形式存在。XRD图谱说明,制备的GaN为纤锌矿结构。退火处理不会明显改变GaN的形貌,但是GaN的结晶性有所好转。2. GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列的积分光反射谱随着生长缓冲层温度的升高或氨气压强的增大,样品的反射率逐步增大。在可见光范围内,样品的最大反射率范围为6.72%-22.57%。原因是：当生长缓冲层温度较低或氨气压强较小时,GaN以纳米颗粒的形式存在,彼此间排列不致密。光子到达样品时,一部分被GaN吸收,一部分透过GaN打在了衬底上而被吸收,一部分被GaN反射回来,因此反射率较低。随着生长缓冲层温度的升高或氨气压强的增大, GaN是以纳米颗粒和纳米线混合存在的,对光子的反射增多,因此反射率增大。3. GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列的光致发光图谱图谱显示,除～369nm GaN的带边发射外,在～550nm有一个宽的黄光发光峰,两个发光峰的峰强均随生长缓冲层温度的升高或氨气压强的增大而增强。分析表明,GaN/Si-NPA的光致发光由两部分组成,即衬底发光和GaN发光。当生长缓冲层的温度较低或氨气压强较小时,GaN厚度较小,激发光可透过GaN达到Si-NPA,而Si-NPA有很强的发光性能,测试的PL是GaN和衬底共同的贡献。随着生长缓冲层温度的升高或氨气压强的增大,衬底上的GaN增多,激发光完全被GaN吸收, GaN本征峰及黄光发射峰变强。退火后样品的本征峰强度增强,黄光发光峰强度减弱,说明退火后GaN的结晶性好转,缺陷态数目减少。4. GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列的I-V特性和载流子输运机制GaN/Si-NPA构成的纳米异质结表现出良好的整流效应。分析认为,整流效应来自于生长的GaN纳米颗粒与衬底Si-NPA中存在的硅纳米晶颗粒之间形成的异质结。退火前后,样品的整流性质较好。但退火后样品的漏电流明显变小,说明退火可以减少样品中的缺陷数目、提高界面质量。升高缓冲层的生长温度或增大氨气压强也能达到减小异质结中漏电流和提高界面质量的效果。研究异质结中载流子的输运方式表明,退火前后,载流子在异质结中的传输有两种方式,即较低电压下的欧姆传输和较高电压下的空间电荷限制电流传输。两种传输模式的转变源于高电流注入下异质结中的缺陷能级被电子占满了。5. GaN/Si-NPA纳米异质结构阵列的电致发光谱及相应的光发射机理分析测试结果表明,在较低的正向偏压下,当电流导通时,样品均出现一个宽的黄光发光峰,强度随生长缓冲层温度的升高或氨气压强的增大而增强。当升高正向偏压时,GaN/Si-NPA开始出现两个电致发光峰,即位于～550nm处的黄光发光峰和位于～820nm处的近红外发光峰。随着外加电压的增大,黄光峰峰强先增大后趋于稳定；而～820nm处的近红外峰峰强则持续增大。分析可知550nm处的黄光发光是电子在GaN晶体中的缺陷态形成的缺陷能级间的相互跃迁形成的；而820nm处近红外发光则是界面处电子由GaN的导带向Si-NPA的价带跃迁过程产生的。