III-V族半导体化合物氮化镓(Ga N)是第三代直接带隙半导体材料,带隙宽度3.4 e V,有耐高温、耐腐蚀、电子迁移率高、良好的化学和热稳定等优点,从而被广泛应用于发光二极管(light emission diode,LED)、激光二极管(lasing diode,LD)、高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)和太阳能电池等领域。是目前在高效蓝光LEDs和LDs发射领域能够实现商用大规模量产的最重要的半导体材料。单晶硅是现代电子工业与信息产业最重要的基础半导体材料,具有技术成熟、易于集成、储量丰富、价格低廉等优势,成熟的MOS工艺使硅基集成电路按照摩尔定律不断发展。但是硅是间接带隙材料,发光效率低,往往需要复合其他的直接带隙半导体材料。因此,将Ga N与Si结合可以大大提高光电器件应用潜力,对于未来信息传递可能有很大帮助。但是由于Ga N和Si之间存在较大的晶格失配和热失配,采用传统的晶片键合与异质外延技术很难获得较高质量的薄膜,解决办法一般是加Ga N/Al N缓冲层,或者采用纳米化结构多维度释放晶格失配应力,以减小由晶格失配和热失配引起的高缺陷浓度。本课题组以具有多层结构的硅纳米孔柱阵列(Silicon Nanoporous Pillar Array,Si-NPA)作为功能性衬底生长Ga N薄膜,成功实现了Ga N与Si的直接接触,得到新型的Ga N/Si纳米异质结器件。本文对Ga N/Si-NPA的生长、器件构筑、电学性能、发光机制性能做了进一步的研究和探讨。论文主要进行了以下研究工作。(1)水热法制备Si-NPA及其光致发光(PL)性能研究。通过水热法制备了Si-NPA,对Si-NPA做了室温PL。Si-NPA有两个光致发光峰,一个蓝光约430 nm,一个红光约640 nm。其中蓝光峰与Si-NPA氧化程度有关,其发光来源于纳米硅晶表面的氧化层缺陷态辐射复合,不同的缺陷能级的跃迁导致蓝光峰随激发波长能量不同而变化。红光峰相对较强,峰位随着激发波长的增加有一定红移,分析发光来源是由硅纳米晶层带带跃迁辐射复合和量子限域效应,硅纳米晶尺寸约4.5 nm,受量子限域效应导致能级分裂变宽,原来的间接带隙Si变成直接带隙,并且带隙由原来1.1 e V变为2.1 e V,室温下实现较强的红光发射。(2)Ga N/Si-NPA的可控生长与生长机理以Si-NPA为衬底,金属Ga和氨气分别为Ga源和N源,化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)技术生长Ga N,研究催化剂Pt的作用。发现没有催化剂Pt时,Ga N无法在衬底上沉积;仅放置Ga源没有氨气通入经历高温时,Pt能够收集Ga蒸汽形成Pt-Ga合金。在通入氨气后Pt-Ga合金中Ga与高温分解的氨气在Pt的催化作用下形成Ga N晶核,Pt-Ga合金的自组织对获得的Ga N形貌有重要的调节作用,Ga的饱和蒸汽压较低,较难沉积成核,但在Pt液滴中的溶解度较大,能实现Ga的富集并与N原子成键形成Ga N。通过研究不同的生长温度、不同的氨气流量下获得的Ga N形貌与结构,发现改变生长条件,能够获得Ga N纳米颗粒薄膜、Ga N纳米棒、Ga N纳米锥串、Ga N纳米线等不同的结构。低氨气通量下Ga N遵循VLS生长机制:(i)Ga源富集,Ga源低饱和蒸汽压下较难沉积,在Pt催化剂中溶解度较高,能实现Ga源的富集。(ii)成核,通入的氨气高温分解,N原子与Ga原子结合成键,形成Ga N沉淀,在Si-NPA衬底上聚集成核,此过程与温度有关,温度较低时不能形成稳态晶核,而亚稳态和临界晶核无法长大。(iii)长大,Ga N从Pt液滴中析出成核后继续长大,不同的温度下生长出不同形貌结构的Ga N,温度较低时服从顶生长模式,Ga N偏向于c轴生长,最终形成纳米线或直径较小的纳米六棱柱;温度较高时服从底生长模式,Ga N偏向垂直于c轴生长,形成尺寸较大的圆锥结构,而圆锥低端Ga N有自催化作用,引导下一个圆锥,最终形成纳米锥串结构。氨气通量较大时Ga N生长符合VS机制,Ga原子与N原子在催化剂作用下直接成键形成Ga N分子沉积成核,晶核长大过程偏向于c轴生长,但是在垂直c轴方向生长也很快,最终形成特征尺寸较大的棱柱结构和微米尺寸的Ga N单晶片。通过控制Ga N/Si-NPA的生长条件如温度、氨气通量等能控制Ga N/Si-NPA的表面形貌和结构,通过控制生长时间控制膜厚。(3)Ga N/Si-NPA纳米异质结的发光特性与电输运机制。真空蒸镀Al作为阳极电极,Ar下退火做电极测试,发现Al与Si-NPA很好的欧姆接触;采用真空磁控溅射ITO作为阴极电极,实现欧姆接触,Ga N/Si-NPA异质结有明显的整流效应,Ga N的耗尽层和内建电场大小与Ga N和Si-NPA的掺杂浓度和载流子浓度有关。外加正向偏压较小时只有能量大于异质结尖峰势垒的电子能发射到p区,电流与电压成指数关系,满足热电子发射模型。当所加正向偏压较大时,由电注入的载流子超平衡值,在Ga N内形成空间电荷,空间电荷会影响半导体内空间电场分布,电场又影响漂移电流,最终形成电流与电压的平方关系,满足SCLC模型。当加反向偏压时,能带发生倾斜,可以使p区价带高于n区导带底,隧穿长度?x随之变短,当p区电子能量大于禁带宽度时发生齐纳隧穿。Ga N/Si-NPA的电致发光谱覆盖400–750 nm可见光区,发光强度随所加电压增大而变强,发光峰位和发光中心位置不随电压变化,发光强度与Ga N膜厚有关,越厚的样品发光强度相对较底,发光机制与Ga N耗尽层内缺陷能级电子复合有关,Ga N薄膜较厚的样品导致光不容易穿过,发光效率不高。另外发光强度随所加电压增大,但有饱和值,电压超过最大值后发光强度反而降低,当器件功率越大时,由于发热导致的器件温度升高,导致容易发生非辐射复合,此时发光强度反而减低。