GaN低维纳米材料与器件制备及性质研究

发布时间：2018-06-02 05:30

本文选题：低维纳米材料 + 纳米塔　；参考：《武汉大学》2015年博士论文

【摘要】：低维度纳米材料一方面继承了相应宏观材料的物理化学性质,另一方面,在尺寸进入到纳米量级后,由于晶体的周期性边界条件以及能带结构对尺寸的依赖性均被破坏,并且表面原子占总原子数的比例也将有很大程度的提高,直接增加了材料表面能以及表面活性,低维纳米材料因而表现出独有的、且更优于其对应宏观材料的一系列新奇性质。利用这些性质制造出的器件也易于获得更好的性能。基于此,低维度纳米材料的生长与应用在近年来获得广泛研究热情,取得飞速发展,并获得了非常多的研究成果。GaN材料也因为自身的各种优秀性质而成为近年的研究焦点之一。GaN基一维纳米材料被认为在光电子、微电子等领域有着巨大的应用潜力。但目前看来,GaN一维纳米材料的生长规律、生长机制以及所具备的性质等还没有完全被人们所掌握。并且,基于GaN一维纳米材料的半导体器件仍处于研究阶段,距离制造出成熟的商业产品还有很多工作需要进一步完善。同时,虽然基于GaN二维纳米材料的器件,比如发光二极管、半导体激光器等已经成功获得商用,但在高In含量下材料的晶体质量降低、器件内量子效率低、以及高In组分的InGaN纳米薄膜难以获得等问题仍然需要进一步研究与解决。基于这些问题,本论文主要对一维GaN纳米材料的生长与性质,和基于GaN一维、二维纳米材料的器件制备与性质进行研究,获得了一些有意义的结论：1.以Au为催化剂,利用CVD方法制备了具有特殊形貌的GaN纳米塔。GaN纳米塔由具有不同形貌的两部分组成：一部分是位于纳米塔中心的纳米线,另一部分是围绕中心纳米线、层层堆叠形成塔状形貌的微晶层。底部微晶层的直径大于位于上方的微晶层直径。GaN纳米塔沿[0001]方向生长。并且,纳米塔外围的微晶层由晶面和晶面闭合形成。晶面面积大于面。随后研究了GaN纳米塔的场发射性质。结果表明,GaN纳米塔的场发射遵循Fowler-Nordheim (FN)理论。由于具有尖锐的顶端、层层分布的有规律侧壁、准直立生长方式、以及较好的间隔分布,GaN纳米塔表现出优秀的场发射性质。具体来说,GaN纳米塔具有2.44V/μm的开启场强,其场增强因子β=2487,优于GaN其它形貌的纳米材料。GaN纳米塔生长机制能被总结为：金催化剂薄层首先在高温下退火形成金纳米颗粒。GaN纳米线由VLS机制从金催化剂颗粒中生长出来。当长度长于一定程度后,基于VS机制的侧向生长开始起作用,侧壁出现微晶层。由于Ga在GaN晶面的能量比在晶面更低,导致Ga原子更倾向于停留在面。面获得优先生长,因而微晶层的面面积大于面面积,从而形成该特殊形貌。2.通过研究不同生长条件对GaN一维纳米材料的形貌与结构的影响,探讨了具备各种不同形貌的一维纳米结构的生长机制。生长时间对GaN一维纳米材料的影响：GaN一维纳米材料生长初期主要以VLS生长机制进行轴向生长。随着生长时间延长,其轴向生长逐渐趋缓,侧向生长逐渐加速。同时将在侧壁的缺陷周围形成晶核促使侧面长出GaN多晶,纳米材料表面变得粗糙。晶体质量也下降。当时间进一步延长,顶端催化剂颗粒也可能被多晶包裹,此时VLS机制失效,纳米材料只遵循VS机制进行生长。金属Ga源表面在生长过程中将逐渐形GaN薄层导致Ga的挥发逐渐减小,最后停止。故当生长进行一段时间后,GaN一维纳米材料停止生长。生长温度的影响：较低温度下纳米材料主要以VLS生长机制进行轴向生长。随着温度增加,VS生长机制逐渐占据主要地位,侧向生长速率增加。超过1050℃后,将造成GaN纳米材料分解。另外,在一定温度范围内均能长出高晶体质量的GaN材料。反应气流的影响：N气源对GaN一维纳米材料形貌的影响较小。Ga气源则影响较大。富Ga条件下,易长出表面光滑,直径均匀的纳米线。贫Ga条件下,纳米材料侧向生长明显。不同程度贫Ga条件下,侧壁生长的出的微晶形貌不同。在本实验中我们得到了GaN纳米塔,塔状纳米线以及三角堆叠的纳米线。3.以GaN纳米线作为有源区,以Ag纳米线作为透明顶端电极,以A1膜作为底端电极,制出了全纳米线结构的紫外探测器,并研究了探测器的相关光电性质。该探测器基于光电导原理工作。探测器在紫外光的照射下表现出正的光电响应。在3V偏压下,其光电流／暗电流之比在空气中为144,在真空中达到1400以上。探测器光电反应迅速,在空气和真空中的光电流上升时间分别为0.7秒和3.27秒。探测器对波长350nm左右的紫外光有明显的响应。同时由于Ag纳米线对波长为300nm左右的紫外光有较强的吸收,也造成探测器在300nm左右的响应有一个衰减。4.设计并制备了基于两套量子阱系列的蓝光发射LED器件结构(两套量子阱系列基于不同成分及宽度的InGaN/GaN的多量子阱),并研究了其光学性质。该结构在发光的InGaN/GaN多量子阱下插入另一个系列In含量较低的InGaN/GaN多量子阱作为应力调节层,使得上方InGaN/GaN多量子阱在具有较低In组分的条件下实现发光峰值波长位于460nm+3nm的蓝光发射。低In组分使该结构具有高晶体质量,缓和InGaN/GaN量子阱内部的极化现象,提高了该结构的发光效率。电致发光结果表明,该结构可以通过后工艺制成高效率蓝光LED芯片。
[Abstract]:This paper studies the growth and properties of one - dimensional GaN nano - material and the properties of GaN - based nano - material . The growth mechanism of GaN single - dimensional nano - material has been studied by studying the effect of different growth conditions on the morphology and structure of GaN .
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ133.51;TB383.1

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