InN纳米柱的制备及物性研究

发布时间：2017-03-19 00:00

  本文关键词：InN纳米柱的制备及物性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着半导体材料科学技术的发展,对半导体材料的研究重点已从以Si、Ge为代表的第一代半导体转移到了现在以III族氮化物半导体为代表的第三代半导体。在III族氮化物半导体材料体系中,InN由于具有0.7eV的窄直接带隙、最高的电子迁移率、电子饱和速率、尖峰响应速度以及最小的有效质量等独特的优良特性,因此它是制作高效近红外发光器件、高频高速电子器件以及传感器件等的理想材料。在半导体材料科学领域,纳米材料由于具有量子尺寸效应和表面效应等优良性质,一直是科研工作者们关注的重点。然而关于InN纳米材料,尤其是InN纳米柱方面的研究还相对较少。本论文开展了利用分子束外延技术,基于不同生长机制的InN纳米柱的制备以及物理特性表征等相关工作,优化了InN纳米柱的生长条件,取得的结果如下:1.我们通过自催化诱导法,即采用金属In催化剂在Si(111)衬底上开展了InN纳米柱的外延生长研究。研究发现,当催化剂层过厚时,在后续纳米柱的生长过程中它起不到催化剂的作用;而当催化剂层过薄时,制得的InN表面形貌较差。在In源温度640℃,N_2流量0.40sccm,In催化剂层厚度为1nm的条件下制得了高密度、均一性好的InN纳米柱样品。XRD测试结果表明InN为c轴为择优取向生长,对1nm催化剂层厚度的InN的(002)面衍射峰峰位计算得出InN c轴晶格常数为0.5695nm,与理论值仅差0.14%。此外样品的PL测试结果显示该条件下制备的InN纳米柱样品具有更大的发光强度以及较小的半峰宽,半峰宽仅为91meV,表明其发光机制较为单一,具有最优的光学特性。2.通过对Si衬底进行高温氮化,在Si衬底表面形成一层SiNx薄膜层,然后利用两步生长法开展了InN纳米柱的外延生长研究。通过改变N_2流量来探究N_2流量对In N纳米柱形貌和物理特性的影响。利用到的表征手段有RHEED、XRD以及PL谱。根据RHEED衍射图样结合XRD测试表明外延制备的InN样品为六方纤锌矿结构,同时利用纳米柱的缺陷生长机理分析了制备的In N外延材料中具有大量螺型位错这一现象。通过PL谱测试发现,当N_2流量较小时,生长出的InN样品内存在的精细结构使其光致发光谱在短波长处产生了发光肩峰;而当N_2流量过大时,InN材料的光致发光强度明显减弱。在N_2流量为0.25sccm的优化条件下制得的InN样品具有最大的发光强度和最小的半峰宽。
【关键词】：氮化铟 纳米柱 分子束外延 自催化诱导
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11-13
• 1.2 InN材料的基本特性13-15
• 1.2.1 InN材料的晶体结构13-14
• 1.2.2 InN材料的电学特性14-15
• 1.2.3 InN材料的光学特性15
• 1.3 InN材料的研究进展及应用15-22
• 1.3.1 InN薄膜材料15-17
• 1.3.2 InN一维纳米材料17-18
• 1.3.3 InN的应用18-22
• 1.4 InN纳米柱材料的制备方法22-23
• 1.4.1 分子束外延技术22
• 1.4.2 化学气相沉积技术22-23
• 1.4.3 热蒸发法23
• 1.5 本论文主要研究内容23-25
• 第二章 InN材料的分子束外延设备及样品表征方法25-32
• 2.1 分子束外延的基本原理25-26
• 2.2 射频等离子体分子束外延设备26-29
• 2.2.1 超高真空系统26-27
• 2.2.2 样品台加热系统27
• 2.2.3 固体束源炉系统27
• 2.2.4 射频等离子体源(RF Plasma source)系统27-28
• 2.2.5 反射式高能电子衍射(RHEED)系统28-29
• 2.3 样品表征方法29-32
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)29
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)29-30
• 2.3.3 光致发光谱(Photoluminescence spectra)30-31
• 2.3.4 反射高能电子衍射(RHEED31-32
• 第三章 基于VLS机制的InN纳米柱分子束外延生长及其物理特性表征32-46
• 3.1 引言32
• 3.2 半导体纳米柱的生长机理32-34
• 3.2.1 气-液-固(Vapor-Liquid-Solid, VLS)生长机理33-34
• 3.2.2 气-固(Vapor-Solid, VS)生长机理34
• 3.2.3 模板法34
• 3.3 InN纳米柱外延生长的工艺流程34-36
• 3.3.1 衬底的清洗与传输35
• 3.3.2 催化剂的沉积35-36
• 3.3.3 InN纳米柱的外延生长36
• 3.4 温度对制备InN纳米柱阵列的影响36-39
• 3.5 大尺寸催化剂诱导对制备In N纳米柱阵列的影响39-40
• 3.6 对制备InN纳米柱阵列的生长条件的初步优化40-41
• 3.7 小尺寸催化剂诱导对制备In N纳米柱阵列的影响41-44
• 3.8 小结44-46
• 第四章 基于VS机制的InN纳米柱MBE生长及其物理特性表征46-53
• 4.1 引言46
• 4.2 衬底的氮化46
• 4.3 InN纳米柱外延生长的工艺流程46-47
• 4.4 N_2流量对InN纳米柱物理特性的影响47-52
• 4.4.1 SEM分析47-48
• 4.4.2 RHEED分析48-49
• 4.4.3 XRD分析49-51
• 4.4.4 PL谱分析51-52
• 4.5 小结52-53
• 第五章 结论53-55
• 参考文献55-58
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果58-59
• 致谢59

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本文编号：255181