Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米结构的合成和光电性质研究

发布时间：2018-01-11 18:09

本文关键词：Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米结构的合成和光电性质研究　出处：《湖南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,随着高性能器件的需求提高,III-V族半导体纳米结构因其有很高的电子迁移率以及独特的光电性能而广受研究者的注目。同时,其在红外光谱范围的激光器、探测器等很多方面也有着广泛的应用,如国防、通讯、医疗等方面。当代流行制备III-V族半导体纳米结构的主要手段是金属有机物化学气相沉积(MOCVD),分子束外延(MBE)等方法。这些设备虽然能很好地服务于产业化,但是其高昂的成本以及前驱体的剧毒特性局限了上述方法的大面积推广。为了达到成本低廉、操作简单、毒性减小等目的,本文用传统的化学气相沉积法来制备多种III-V族半导体纳米结构,其中包括Ga Sb-Ga In Sb异质结纳米线,Ga As Sb合金纳米线,In As纳米带和部分可调谐的Ga In PSb纳米线及In As Sb合金纳米线。研究制备的III-V族半导体纳米结构的形貌、成分及其结构;利用红外光谱测量系统对样品进行光致发光的研究;利用半导体参数仪测试其纳米器件的电学特性;通过光电结合研究样品在红外光谱范围的光电响应;本文取得的几项研究成果如下:1.首次采用化学气相沉积法制备了III-V族异质结纳米线(Ga Sb-Ga In Sb),并通过半导体生长过程中的原位能带调控技术,成功实现了具有很好整流特性的pn型异质纳米线。这种半导体纳米线在微区光谱上能实现两个独立的发光峰,通过测量其不同温度下的发光光谱,确定了两个独立的发光峰来自于纳米线中两种不同组分的发光,从而证明合成的纳米结构是异质结纳米线。基于异质结纳米线的光电探测器有着较宽的光电响应谱,并且在1.5μm近红外通讯波段有着最强的响应,可以利用该探测器制备红外通讯波段的集成器件,由于制备器件使用的是pn型异质结纳米线,可使得光电器件有着更快的响应时间,在实验中测量到光电探测器有着2ms的响应时间。2.采用CVD方法制备近红外区域的合金纳米线(Ga As Sb),该合金纳米线的带隙可从0.75e V到1.424e V,样品的发光范围能从870nm覆盖到1700nm,这样样品的吸收光谱以及光电转化的最高值能覆盖近红外光通讯波段。通过调节样品的配比实现Ga As0.26Sb0.74纳米线的制备,并对制备的样品进行拉曼和成分的表征,确定纳米线的组分及结晶性。通过拉曼光谱以及光致发光光谱来对样品的组分进行验证。用Ga As0.26Sb0.74纳米线制备光电器件,实现了对近红外区域较宽波长的红外探测,并且这一探测器在1.3μm处的光响应及外量子效率最大,这是又一红外光通讯波段探测最佳的探测器材料。可以选择不同组分的合金纳米线从而能实现近红外区域的选择性探测。3.首次采取CVD方法实现III-V族半导体纳米带的生长,成功地制备出高质量的In As纳米带。In As纳米带的制备成功为III-V族半导体纳米材料注入了新成员。通过对In As纳米带的结构和形貌表征,可以得出In As纳米带具有很高的结晶质量并且没有缺陷,且从透射电镜及文献调研可以得出生长出无缺陷或者很少缺陷的III-V族纳米材料时需要材料的生长方向不是沿着常见的111方向生长,而是沿着闪锌矿的非111方向及纤锌矿的非001方向生长。对于In As纳米带的生长则是沿着110方向生长,这也为纳米带的外延提供了选择性生长方向。通过对比试验,以及生长环境的研究并结合生长方向的研究,探索并研究其生长机理。提出了In As纳米带生长机理的合理解释。采用高分子有机物对纳米带的表面进行包覆,改善了纳米带的光致发光。用In As纳米带制备了光电探测器,研究了器件的性能,并且与In As纳米线光电器件进行对比,并解释了In As纳米带器件具有高性能的原因。由于In As本身的高迁移率特性以及纳米带的高结晶性,用其所制备的纳米器件能为高频器件在纳米尺度的应用提供新材料。
[Abstract]:In recent years , with the increasing demand of high - performance devices , the III - V semiconductor nano - structure has been widely used in many fields such as national defense , communication , medical treatment and so on . The growth mechanism of In As nanoribbons is studied by Raman spectroscopy and photoluminescence spectra .

【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.2;TB383.1

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