GaP表面的等离激元结构及光化学加工方法研究

发布时间：2017-03-22 05:03

  本文关键词：GaP表面的等离激元结构及光化学加工方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来半导体材料和技术的发展极大的改变了我们的社会和生活。以GaP、GaN和GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以其独特的能带特征和较高的电子迁移率已经得到广泛的应用。随着能源问题越来越严峻,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导材料在光伏和固态照明方面的应用更是引起了人们的极大关注。因此,进一步的提高半导体器件的性能正逐渐成为该领域的研究热点。GaP是一种典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,其在发光二极管(Light Emitting Diodes, LEDs)和光电探测器件方面具有广泛的应用。本论文将激光干涉辅湿法腐蚀技术和金属纳米结构的局域表面等离激元(Localized Surfaces Plasmon Resonances, LSPRs)效应创造性的应用于GaP的湿法腐蚀,图形制备和光致发光过程,取得了非常有意义的成果。本文的正文部分共有五章,依次为第一张绪论；第二章等离激元结构辅助的GaP光化学腐蚀及波长选择性；第三章纳米等离激元结构在GaP光致发光性能和拉曼增强方面的应用；第四章p-GaP表面图形的无掩膜制备及其在AlGaInP基LEDs上的应用；第五章结论与展望。主要内容和结论如下所述：第一章：对Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料和金属纳米结构的表面等离激元效应做了详细的文献综述。其主要内容为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的主要特征和应用；GaP晶体的特性及在LEDs中的应用；以GaP材料为例介绍了半导体材料的腐蚀技术；激光干涉光刻技术在半导体材料图形制备中应用；表面等离激元效应的原理及在光化学反应、光致发光性能和拉曼增强中的应用等。第二章：利用Au纳米结构的LSPRs效应来增强p-GaP的光化学腐蚀过程。研究了不同激光波长照射下Au纳米结构对p-GaP光化学腐蚀过程的影响。对Au纳米结构的LSPRs效应提高p-GaP光化学腐蚀的物理化学过程进行了详细的分析。.主要结论为：1)对不同酸配制的腐蚀剂的研究发现,只有HF酸和H202混合配制的腐蚀剂能够在532 nm激光照射下实现p-GaP的光化学腐蚀。2)利用溅射-退火的方法在p-GaP样品的表面制备了相互铰链的网状Au纳米结构,它的宽度约为50 nn3。利用不同波长的激光照射,实现了空白p-GaP样品和Au纳米结构覆盖样品的光化学腐蚀。3)在532 nm的激光照射下,Au纳米结构的LSPRs效应可以有效的提高p-GaP的光化学腐蚀速率。在腐蚀反应初始阶段,LSPRs对腐蚀速率的增强效果可达到10倍以上。分析表明,在532 nm的激光照射下光生空穴可以由Au纳米结构转移到p-GaP样品表面。与空白样品相比,到达p-GaP表面态(位错)Ed处的空穴数量可以提高几个数量级。4)发现了p-GaP光化学腐蚀的波长选择性。当分别使用375 nm,405 nm, 445 nm,473 nm和532 nm的激光对Au纳米结构覆盖的p-GaP样品进行腐蚀时,只有532 nm的激光可以增强Au纳米结构覆盖样品的光化学腐蚀速率。研究认为532 nm的激光能够激发Au纳米结构的LSPRs效应,而其他波长的激光不但不能激发Au纳米结构的LSPRs效应,而且Au纳米结构的存在会阻碍p-GaP与腐蚀剂的接触,阻碍腐蚀反应的进行。5)对使用不同波长的激光对p-GaP空白样品腐蚀结果的研究发现,532 nm的激光照射下腐蚀速率最快。我们认为532 nm的激光可以将电子激发到导带底(X1c),而短波长的激光却将电子激发到导带中的Γ点(Γlc),而电子在r点寿命非常的短,电子-空穴对的快速复合减慢了p-GaP的光化学腐蚀反应。而405 nm和375nm激光照射下腐蚀速率轻微的提高,说明p-GaP的光化学腐蚀是受光生电子在能带中位置和激光在p-GaP样品中的穿透深度两个因素调控的。第三章：本章节中我们利用溅射-退火和电流置换反应的方法分别在GaP表面制备Au和Ag的纳米结构,并研究了Au和Ag的纳米结构对GaP薄膜结构的光致发光性能和拉曼探测性能的增强作用。1)利用溅射-退火的方法在GaP薄膜样品的表面制备出了随机分布的Au和Ag的纳米颗粒结构。研究发现在热处理温度恒定的条件下,Au纳米颗粒的尺寸和密度随着溅射时间的延长逐渐的增大。而对Ag纳米结构而言,溅射时间只影响到Ag纳米颗粒的密度,Ag纳米颗粒尺寸并没有随着溅射时间延长而发生明显的变化,而是稳定在30 nm左右。2)研究发现Au和Ag纳米结构可以有效的增强GaP的光致发光特性。PL光谱测试结果表明覆盖有Au纳米结构的GaP样品的PL性能的最大增强因子为5.6,所对应样品的溅射时间为5 s,颗粒尺寸为15 nm,颗粒密度为2.48×1010 cm-2。而对于覆盖有Ag纳米颗粒的样品,最大的增强因子达到了14.5,所对应样品的溅射时间也为5s,其颗粒尺寸和密度分别为30 nm和1.12×1010 cm-2。溅射样品的反射谱测试结果表明,金属纳米结构可以增强入射光的正向散射,但同时证明散射作用并不是PL性能增强的主要原因。此外时间分辨的PL谱测试结果表明,金属纳米结构的LSPRs效应可以加速GaP样品的辐射复合速率。3)研究发现Au纳米结构可以自发的在GaP的表面成核并且逐渐的长大。而Ag纳米结构的生长需要在紫外光照的条件下才能进行。4)对罗丹明R6G分子的拉曼探测研究发现,生长有Au纳米颗粒样品的拉曼增强效果要好于生长有Ag纳米颗粒的样品。当电流置换反应的时间均为120 s时,做有Au纳米颗粒样品的拉曼增强因子达到了105,而做有Ag纳米颗粒样品的增强因子为104。第四章：本章节中我们实现了GaP表面图形结构的激光干涉无掩膜制备。并利用这种技术在AlGaInP基红光LEDs的表面制备出了准周期的图形结构。研究发现这种二维准周期结构可以戏剧性的提高AlGaInP基红光LEDs光提取效率。1)设计搭建了激光干涉湿法腐蚀系统。利用双光束干涉湿法腐蚀的方法在p-GaP的表面制备出了周期大小约为150±10 nm的2D准周期结构,其周期远小于入射激光532nm的半波长尺寸。2)利用应力介导法制备了PDMS的光栅结构,并且利用这种光栅结构的干涉作用实现了p-GaP样品表面图形结构的制备。3)将双光束干涉湿法腐蚀技术应用于AlGaInP基红光LEDs的表面光提取结构的制备,在其窗口层p-GaP的表面制备出了相应的2D准周期结构。电学性能的测试结果显示,光化学腐蚀过程对AlGaInP基红光LEDs电学性能的影响可以忽略。但腐蚀结构可以有效的提高AlGaInP基红光LEDs的光学性能。对LEDs的电致发光性能的测试结果显示,干涉光束腐蚀样品的发光性能提高了70%,这一结果要明显的高于单光束腐蚀的样品。而且对大量腐蚀样品的测试结果显示,双光束干涉腐蚀AlGaInP基红光LEDs样品的高亮样品的比例要远远高于单光束腐蚀的样品,这一结果对高亮LEDs样品的制备非常的有意义。本文的创新之处在于：(1)将纳米结构的LSPRs效应应用于半导体材料的湿法腐蚀过程并实现了Au纳米结构的LSPRs增强p-GaP的光化学腐蚀；(2)揭示了半导体材料光化学腐蚀过程的波长依赖性。证明了在LSPRs增强光化学腐蚀过程中界面处的能带弯曲和缺陷能级的重要作用；(3)利用金属纳米结构的LSPRs效应实现了间接带隙半导体GaP的光致发光性能的增强；(4)利用激光干涉腐蚀湿法腐蚀技术实现了半导体材料表面图形结构的无掩膜制备。并将这一技术应用于AlGaInP基红光LEDs结构的表面图形制备过程。综上所述,我们首先将金属纳米结构的LSPRs效应应用于GaP的光化学湿法腐蚀过程,LSPRs效应可以有效的提高p-GaP的光化学反应过程,同时发现了GaP腐蚀过程中的波长选择性。然后研究了金属纳米结构在GaP光致发光过程中的应用。最后我们利用利用激光干涉无掩膜图形制备技术在AlGaInP基红光LEDs的表面制备出了准周期的结构,这种结构可以有效的提高红光LEDs的光提取效率。
【关键词】：光化学湿法腐蚀 无掩膜图形制备 局域表面等离激元共振 光致发光 发光二极管
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.2;TB306
【目录】：

• 摘要9-13
• ABSTRACT13-18
• 第一章 绪论18-61
• 1.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体概述18-33
• 1.1.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的主要特征18-23
• 1.1.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体在固态照明中的应用23-29
• 1.1.3 GaP的主要特性及在LEDs方面的应用29-33
• 1.2 半导体材料的腐蚀方法及激光干涉法图形制备技术33-38
• 1.2.1 半导体材料的腐蚀方法33-35
• 1.2.2 激光干涉法图形制备技术35-38
• 1.3 表面等离激元的原理及应用38-50
• 1.3.1 表面等离激元的原理39-43
• 1.3.2 局域表面等离激元的应用43-50
• 1.4 研究的目的和拟解决的问题50-52
• 参考文献52-61
• 第二章 等离激元结构辅助的GaP光化学腐蚀及波长选择性61-83
• 2.1 前言61-62
• 2.2 实验部分62-64
• 2.2.1 p-GaP光化学腐蚀剂的选择62
• 2.2.2 Au纳米结构的制备62-63
• 2.2.3 Au纳米结构增强光化学腐蚀过程及测试63-64
• 2.3 实验结果和分析64-78
• 2.3.1 不同腐蚀剂下p-GaP的光化学腐蚀效果64-67
• 2.3.2 Au纳米结构增强GaP的样品的光化学腐蚀67-73
• 2.3.3 GaP样品光化学腐蚀过程的激光波长选择性73-76
• 2.3.4 GaP的等离激元辅助光化学腐蚀机制76-78
• 2.4 本章小结78-80
• 参考文献80-83
• 第三章 纳米等离激元结构在GaP光致发光性能和拉曼增强方面的应用83-105
• 3.1 前言83-84
• 3.2 实验部分84-86
• 3.2.1 Au和Ag纳米结构制备84-86
• 3.2.2 Au和Ag纳米结构的表征及光谱测试过程86
• 3.3 实验结果分析86-100
• 3.3.1 溅射样品的特性及PL光谱分析86-94
• 3.3.2 电流置换反应制备样品的特性及SERS94-100
• 3.4 本章小结100-102
• 参考文献102-105
• 第四章 p-GaP表面图形的无掩膜制备及其在AlGaInP基LEDs上的应用105-125
• 4.1 前言105-106
• 4.2 实验过程分析106-110
• 4.2.1 双光束干涉辅助湿法腐蚀的图形结构制备106-108
• 4.2.2 光栅干涉法图形结构制备108-110
• 4.2.3 样品的表征及测试分析方法110
• 4.3 结果和分析110-121
• 4.3.1 双光束干涉图形结构的形貌特征及形成机制110-114
• 4.3.2 光栅干涉图形结构形貌特征114-115
• 4.3.3 无掩膜法图形结构制备在AlGaInP基红光LEDs上的应用115-121
• 4.4 本章小结121-122
• 参考文献122-125
• 第五章 结论与展望125-129
• 5.1 主要结论125-128
• 5.2 论文的创新点128
• 5.3 需要进一步研究的问题128-129
• 致谢129-130
• 攻读博士学位期间已发表的论文130-131
• 附件131-141
• 附表141

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张锦,冯伯儒,郭永康;振幅分割无掩模激光干涉光刻的实现方法[J];光电工程;2004年02期

  本文关键词：GaP表面的等离激元结构及光化学加工方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：260894