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(dǎo)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(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于紫外探測(cè)器、發(fā)光二極管、激光二極管及其太陽(yáng)能電池等光電子器件。Si是現(xiàn)代半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)，雖然GaN/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)同樣被認(rèn)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(zhǎng)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(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）的方法在Si-NPA上生長(zhǎng)GaN納米結(jié)構(gòu)，通過改變實(shí)驗(yàn)條件，研究不同生長(zhǎng)條件下GaN/Si-NPA的形貌結(jié)構(gòu)及其光學(xué)、電學(xué)特性，通過電極設(shè)計(jì)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(yáng)能電池，并對(duì)其光電性能進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)條件對(duì)GaN形貌結(jié)構(gòu)的影響如下:(1)在其它條件不變時(shí)，生長(zhǎng)時(shí)間與GaN納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)量成正比，且隨著生長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(xué)特性測(cè)量及其輸運(yùn)機(jī)制的分析
　　通過400℃退火處理，實(shí)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(shè)計(jì)，對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)的GaN/

6、Si-NPA未退火時(shí)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(xué)特性的變化是由于較高的生長(zhǎng)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(dǎo)致;(5)通過對(duì)電壓-電流關(guān)系的雙對(duì)數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，所有樣品的電流傳輸機(jī)制是由歐姆導(dǎo)電機(jī)制直接過渡到空間電荷限制電流機(jī)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(xiàng)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(qiáng)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(jí)的輻射復(fù)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(duì)GaN/Si-NPA800℃進(jìn)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(shí)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(qiáng)度逐漸減弱至消失而NIR發(fā)光峰強(qiáng)度呈指數(shù)趨勢(shì)逐漸增強(qiáng);外加電壓超過10V時(shí)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(shì)，在15V外加電壓下NIRLED的最大功率效率達(dá)～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(qiáng)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(chǎng)作用下GaN導(dǎo)帶中的電子與Si-NPA價(jià)帶中的空穴在界面處復(fù)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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