InN薄膜的MBE法生长及其NiO组合异质结器件研究

发布时间：2019-05-13 13:29

【摘要】：InN是Ⅲ族氮化物半导体材料体系中重要的组成部分,在Ⅲ族氮化物中具有最小的有效电子质量,最高的电子迁移速率和饱和电子漂移速率等优良特性,被广泛应用在高效太阳能电池,红外探测器以及太赫兹器件等领域。特别是其较窄禁带宽度(~0.7e V)得到实验的验证,使得Ⅲ族氮化物材料体系的发光波长从深紫外延伸到了近红外,为Ⅲ族氮化物器件的发展又增加了许多新的方向。然而,由于InN材料具有较低的分解温度以及较高的N_2平衡蒸汽压,使得高质量InN薄膜材料的获得比较困难,严重阻碍了InN材料与器件的研究进展,因此制备出高质量的InN薄膜材料,使之能够用于器件研发是我们需要解决的难题;另一方面,由于InN具有很强的表面电子积聚效应,使得InN材料的p型掺杂难以稳定实现,阻碍了InN基光电子器件的发展。因此我们有必要尝试利用其它成熟的p型半导体材料与n-InN组合来构筑InN基异质结器件。NiO作为一种天然的p型半导体材料,具有良好的化学稳定性及较低的电阻率和制备成本,广泛地应用于透明导电薄膜、紫外探测器及气敏传感器等领域。由此我们提出选用NiO作为p型材料与n-InN组合制备InN基异质结器件,这为InN基发光器件的研究提供了一种新的途径。本论文基于等离子辅助MBE技术,重点围绕InN薄膜材料的外延生长以及InN与NiO组合异质结器件制备两方面进行研究,具体内容如下:1.采用等离子辅助MBE技术在Al_2O_3衬底上制备了InN薄膜材料。研究了衬底氮化对外延生长InN薄膜特性的影响,实验结果表明在InN薄膜的外延生长过程中引入衬底氮化过程,可以有效地降低衬底与外延层之间的晶格失配,改善薄膜的表面形貌、结晶、光学及电学特性。分析了In源温度、N_2流量以及外延温度等生长参数对InN材料特性的影响,获得了优化的生长条件。在In源温度为650℃、N_2流量为3sccm、外延温度为460℃时制备的InN薄膜表现出二维层状模式生长,薄膜表面光滑平整,InN(0002)面ω扫描半峰宽为540arcsec,其室温PL谱展现出明显的近红外发光峰,电子迁移率达到了519cm2/v.s,这为后续InN在异质结器件中的应用奠定了基础。2.采用磁控溅射方法在Al_2O_3和Si衬底上制备了NiO薄膜材料。研究了溅射温度及氧分压对NiO材料特性的影响,得到了优化的制备条件。当溅射温度为300℃及氧分压为40%时制备的NiO材料具有较好晶体质量和电学特性,为后续NiO在异质结器件中的应用奠定了基础。3.采用PAMBE结合磁控溅射方法在InN外延层上制备了NiO薄膜材料。研究了InN外延层对NiO材料特性的影响。相比于直接沉积在Ga N/Al_2O_3衬底上的NiO样品,沉积在InN外延层上的NiO呈现出一个合并性较好的表面且单一取向生长,薄膜呈现出良好的p型导电特性。4.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Al_2O_3衬底上制备了p-NiO/n-InN/Al_2O_3异质结发光器件。测试结果表明制备的InN薄膜具有良好的晶体质量及光学特性。器件具有典型的整流特性,并在室温条件下实现了InN材料在1565nm处的近红外电致发光。通过与PL谱对比发现,该器件的EL谱与InN的PL谱的发光范围基本一致,峰型类似,因此推断出该近红外电致发光来源于InN的带边辐射复合发光。5.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Ga N/Al_2O_3衬底上制备了n-InN/p-NiO/p-Ga N/Al_2O_3异质结发光器件。测试结果表明生长在NiO纳米颗粒上的InN具有较光滑且致密的纳米点状结构,其中一些纳米点合并形成小岛或者不连续的薄膜。器件具有典型的整流特性,在正向电流注入时,器件展现出明显的近红外发光,发光峰位于1565nm左右。并且随着注入电流从30m A增加到75m A,器件的发光峰强度表现出明显的增强。通过与PL谱的比较,可以推断出器件EL谱中的近红外发光来源于InN层的禁带边辐射复合发光。6.采用PAMBE结合磁控溅射方法在Si衬底上制备了n-InN/p-NiO/p-Si异质结发光器件。测试结果表明InN具有c轴择优取向,NiO具有单一的(200)择优取向。生长在NiO颗粒上的InN表现为不连续的薄膜形貌而不是纳米点状结构。器件具有典型的整流特性,在正向电流注入时,器件表现出明显的近红外发光,发光峰位于1565nm左右。随着注入电流的增加,器件的发光峰强度表现出明显的增强。通过与PL谱的比较,可以推断出该器件EL谱中的近红外发光来源于InN层的禁带边辐射复合发光。此外,通过对该器件长时间直流工作下的EL测试,考察了器件发光性能的稳定性,并对器件特性劣化的原因进行了分析。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.2

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郑茳，，许居衍;硅异质结和赝异质结双极器件研究进展[J];电子学报;1995年10期

2 郑宜钧;硅基异质结构的研究[J];电子科技导报;1996年09期

3 范希武;与Ⅱ—Ⅵ族有关的异质结的场致发光[J];国外信息显示;1973年Z1期

4 单淑萍;蔡丽清;;异质结领域发展近况[J];科教文汇(上旬刊);2009年12期

5 M .Jedlicka;F.Schauer;林钧天;;摄象管用异质结构靶的物理模型[J];光电子学技术;1987年03期

6 郑东;;几种微波毫米波固态器件的动向[J];电波科学学报;1991年Z1期

7 王华,于军,董小敏,王耘波,周文利,赵建洪,周东祥;Au/PZT/BIT/p-Si异质结的制备与性能研究[J];物理学报;2001年05期

8 李玉兰;;Ga-Al-As激光器的进展[J];稀有金属;1978年01期

9 詹仪;张会云;尚廷义;张玉萍;郑义;;异质结构对多通道滤波器禁带的展宽(英文)[J];量子光学学报;2006年01期

10 安丽萍;邓新华;;基于单负材料的光子晶体异质结构全方位滤波器[J];半导体光电;2010年03期

相关会议论文 前10条

1 张闯;闫永丽;赵永生;姚建年;;一维有机异质结构的制备和发光性质调控[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年

2 杨金虎;彭成信;左元慧;祖连海;秦瑶;;纳米复合/异质结构设计及其能量存储与转化研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C];2014年

3 邓新华;刘念华;袁吉仁;;一维单负材料光子晶体异质结构的隧穿模[A];2007年全国博士生学术论坛（材料科学与工程学科）论文集[C];2007年

4 薛飞;孟子晖;齐丰莲;王丰彦;薛敏;;二维胶体晶体异质结构[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会：纳米材料合成与组装[C];2014年

5 秦瑶;祖连海;周燕洁;杨金虎;;准单晶介孔ZnO-Au异质结构的一步法合成及传感应用[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第04分会：纳米生物传感新方法[C];2014年

6 钟明亚;王爽;单桂晔;王国瑞;刘益春;;超声法制备ZnO/Au纳米异质结构及其光学性质的研究[A];第11届全国发光学学术会议论文摘要集[C];2007年

7 李忠辉;李亮;董逊;张岚;姜文海;;3英寸Si基AlGaN/GaN/异质结材料生长[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年

8 张波;丛琴;贺笑春;高明军;马兴法;李光;;低维异质结构功能材料及其有机-无机纳米复合材料的表面、界面特性研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第01分会：表面物理化学[C];2014年

9 刘江涛;周云松;王福合;顾本源;;对称性对2D光子晶体异质结导波模的影响[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年

10 王海波;闫东航;;结晶性有机异质结器件[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集（下册）[C];2009年

相关博士学位论文 前10条

1 甄延忠;Mo-O基半导体材料优化制备及光催化氧化脱硫性能的研究[D];西北大学;2015年

2 刘尔富;二维材料及其异质结构的电子输运与器件研究[D];南京大学;2015年

3 朱国兴;基于氧族化合物纳米复合结构的构筑、机理及性能研究[D];南京大学;2010年

4 邹欣伟;Cu_2O基纳米异质结的制备及光催化、光电和气敏性能[D];西北工业大学;2015年

5 石遂兴;Ⅲ-Ⅴ族窄带隙半导体纳米线及纳米线异质结的生长与物性研究[D];中国科学院研究生院(上海技术物理研究所);2015年

6 赵洋;InN薄膜的MBE法生长及其NiO组合异质结器件研究[D];吉林大学;2016年

7 于洪涛;功能性纳米异质结的制备、光电转换能力及其降解水中有机污染物和灭菌的性能[D];大连理工大学;2009年

8 崔光亮;准二维微纳异质结构的制备与光电、气敏特性研究[D];吉林大学;2013年

9 张森;AlInN/GaN异质结薄膜生长和双沟道HEMT电学特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

10 李兴华;纳米磁粉/石墨烯异质结构材料的制备及其应用研究[D];兰州大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 王雅文;近紫外宽带激发LED用荧光材料的研究[D];上海师范大学;2015年

2 范志强;GaN/Si-NPA双纳米异质结的制备及其电学特性研究[D];郑州大学;2015年

3 周璇;g-C_3N_4/Bi_2S_3和Ag@C异质结构的合成及应用[D];苏州大学;2015年

4 杨薇;FeVO_4异质结光催化剂的制备改性及光电性能的研究[D];陕西科技大学;2015年

5 李文婷;部分铋系光催化剂的改性、表征以及光催化性能研究[D];福建师范大学;2015年

6 徐丹丹;多级异质结构MOFs材料的控制生长及性能研究[D];福建师范大学;2015年

7 袁建;二维Bi_2Te_(3-x)Se_x及其与石墨烯的异质结材料制备与表征[D];苏州大学;2015年

8 赵飞;一维铟基化合物异质结构纳米材料的静电纺丝合成及光催化性质研究[D];齐鲁工业大学;2015年

9 张永辉;BiOX（I、Br、Cl）的合成、表征与改性[D];齐鲁工业大学;2015年

10 孙琦;功能化magadiite基异质结构的制备及性能研究[D];北京化工大学;2015年

本文编号：2475926