InAs基纳米线的制备及其光电器件研究

发布时间：2020-03-19 02:57

【摘要】：作为一种新型材料,半导体纳米线在揭示物理学基础理论以及光电子器件新应用等方面展示着巨大的潜力。作为纳米结构,由于尺寸受限所展现的量子限制效应往往具有奇特、优异的性能,在探索低维度器件物理机制方面显示出非凡的前景。同时纳米线由于尺寸减小引起的超高表面体积比,使得表面原子占比增加进而对器件性能的影响越加显著,引起了广泛的关注,被应用于气敏探测以及医疗检测等领域。同时,由于InAs基半导体纳米线具有高迁移率以及较窄直接带隙的特质,成为了制备高速器件以及红外光电器件的重要备选材料。因此,对于InAs基窄带隙半导体纳米线的制备以及纳米线光电子器件的研究显得尤为重要。本论文主要研究了InAs、InGaAs纳米线的Au催化分子束外延生长以及嵌含有InGaAs量子点的GaAs纳米线有序阵列的选区金属有机气相沉积(MOCVD)生长。另一方面,基于纳米线场效应管(FET,field effect transistor)光电器件,研究了InAs纳米线表面态在光电探测中的作用,铁电材料/InAs纳米线复合结构器件的中波红外探测特性、铁电材料/InAs纳米线FET的非易失性可擦写存储特性以及InGaAs纳米线器件的近红外探测特性。主要的创新点与内容如下:1.利用Au催化MBE方法制备了高质量的InAs纳米线,其表面有着2-3 nm的天然氧化层。将生长的InAs纳米线制备为背栅FET器件。当温度从室温降为77K时,该器件由单极型n型转变为双极型。无论何种温度,当载流子类型为空穴时,器件在不同光子能量入射时显示为正光电导响应;当载流子类型变为电子时,器件在波长大于1060 nm的光子入射时表现为正光电导响应,在波长小于940 nm的光子入射时表现为负光电导响应。验证了在纳米线导带之上存在由表面态引起的电子束缚能级,严重影响着器件的光电性能。通过在纳米线表面旋涂覆盖层,研究纳米线表面环境变化对器件性能以及响应速度的影响。结果表明吸附气体的存在会降低器件的响应速度。通过栅压调制纳米线表面态中电子束缚的状况,可以有效增强器件在近红外波段的光电响应。2.制备了铁电材料P(VDF-TrFE)/InAs NW复合结构顶栅FET器件。利用铁电材料极化后产生的超强局域极化场来调控纳米线表面态中电子的分布以及实现能带的弯曲。在极化向上时,电子在静电场的作用下被束缚在纳米线表面态,被束缚的电子形成内建静电场进一步耗尽纳米线芯中的自由电子,使得器件处于超低的暗电流状态。相较于之前的工作报道以及商用器件,该器件在中波红外波段实现了最灵敏的光电探测响应率。在3.5μm的光照条件下,InAs纳米线器件的响应率高达1.6×10~4 A W~(-1),探测率达到1.4×10~(12) cm·Hz~(1/2)W~(-1),增益达到5.7×10~3。同时,超强的静电场产生了Franz-Keldysh效应,使得电子和空穴的波函数“隧穿”到带隙进而产生重叠。最终,将器件的探测范围拓展到带隙以下的4.3μm,并得到G=2.8×10~2,R=9.6×10~2 A W~(-1)以及D*=8.5×10~(10) cm·Hz~(1/2)W~(-1)。另一方面,在铁电材料极化场的作用下,电子完全被驱离表面态引起的电子束缚能级。当具有不同能量的光脉冲入射下,纳米线价带中的电子被激发到不同的能带位置,使得器件产生了不同的稳定电流输出。最后,InAs纳米线器件展示了一种新颖的非易失可擦写的光辅助存储特性。3.利用Au催化MBE方法制备了高质量的InGaAs纳米线。通过详细的电子显微镜分析得到InGaAs纳米线具有特殊的自组装芯-壳(core-shell)结构。其中,纳米线的芯的组分是富In的,壳的组分是富Ga的。并且,沿着生长方向,芯中的Ga组分是逐渐减少的,壳中的Ga组分是逐渐增加的,芯与壳间的组分差异是逐渐增大的。这是因为与衬底上的InGaAs薄膜生长的竞争而形成富含In的纳米线芯。此外,纳米线芯和壳中的组分梯度是晶格弛豫的结果。对于组分梯度的变化做了详细的分析。最后,将生长的InGaAs纳米线制备为背栅FET器件,利用壳层的钝化保护作用,在近红外波段实现了优异的探测性能。4.分别研究了GaAs纳米线阵列、GaAs/InGaAs异质结纳米线阵列、GaAs/InGaAs(QDs)/GaAs有序阵列的选区MOCVD生长。通过优化生长参数温度和Ⅴ/Ⅲ束流比,最终得到了均匀统一、周期分布的纳米线阵列。对纳米线生长的分子动力学进行了分析。然后进行了细致的微结构、组分分布以及荧光光谱测试。最后通过生长AlGaAs钝化层进一步降低纳米线表面的非辐射复合,增强了光学性能。
【图文】：

示意图,纳米线,传感器,示意图

两个低维度上，而第三个维度相对不受限制，因此在器件应用上面引起了广泛的兴趣。同时，纳米线还可以充当纳米元器件之间的连接线，使得元器件不同的部件有可能在同一个纳米线内顺序制造。此外，纳米线具有比体材料结构更高的表面-体积比，超大的表面原子的占比份额，使得表面原子状态的变化足够引起材料性能显著的变化。纳米线表面的原子对于空气中的分子异常的敏感，当不同的气体吸附在纳米线表面之后，纳米线表面的电荷分布一般会产生不同的变化，这些不同的变化往往会引起纳米线器件沟道中载流子浓度的变化，使得纳米线器件的电流输出发生变化。例如，不同的吸附气体对同种纳米线表面电荷分布的影响不同，因此在不同的气体环境中，纳米线器件具备了不同的电流输出。同时，纳米线工作环境的 PH 值的变化对器件的电导也有重要的影响[7]，如图 1.1 所示。这样的特性使得纳米线器件对不同的气氛的敏感度不同，最终可以在气体传感器领域中得到实际的应用[7, 8]，在环境监测、气体检测、医疗检测以及安全监控等领域有着重要的应用前景。

异质结,电子衍射花样,纳米线,透射电镜

re 1.1 (a) Schematic of nanowire FETs and an amino-functionalized nanow; (b) Real-time detection of the nanowire conductance for pHs from 2 to 9;of conductance versus pH; (inset, bottom) image of a typical Si-nanowire d导体异质结在光电子领域占据着重要的地位。例如，实现高灵敏管、多周期结构的量子级连探测器以及量子阱红外探测器等领域的异质结构。异质结的质量严重影响着器件的性能参数，因此高制备显得尤为重要。然而，对于体材料异质结薄膜来讲，，不同的必存在着晶格失配，在薄膜异质结构沉积的时候就会产生由晶格变化。随着生长时间的增加，不同材料间晶格失配产生的应力不断的晶体达到一定的尺寸时，这些应力就会释放出来，导致晶体产，从而降低了晶体质量，间接影响了在器件方面的应用。尽管人长模式以及设备来改善异质结构在体材料中的制备，这种有晶格磨灭的影响始终无法得到有效的解决。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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