GaN作为一种宽带隙(3.4 eV)的直接带隙化合物半导体材料,具有高热导率、高电子迁移率、良好的化学和热稳定性,在制备发光二极管(light emitting diode,LED)、激光二极管(lasing diode,LD)、紫外探测器、高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)以及太阳能电池等领域获得了广泛的应用。特别是在发光应用方面,GaN对线位错不敏感,具有着极高的内量子效率,是到目前为止在高效蓝光LED和LD发射领域能够实现大规模商业量产的最重要的半导体材料。Si材料现代电子工业中最重要并得到广泛应用的半导体材料,具有技术成熟、易于集成、元素丰富、价格低廉等优势。几十年来,以Si材料为基础的超大规模集成电路,按照摩尔定律,集成度不断的提高。但Si为间接带隙材料,发光效率低,当需要光子或光电子器件时往往需要采用其他的直接带隙半导体材料。GaN工艺与Si工艺的结合,能够将GaN的发光性能和Si的高集成度结合起来,实现新的器件功能和应用。例如可以将GaN基的发光器件和Si基电子器件集成在同一个芯片上,大大缩短光电互联的长度,提高信息处理的速度。但是由于GaN和Si之间较大的晶格失配和热失配,采用传统的晶片键合或异质外延技术实现GaN与Si的集成时,为获得较强的键合强度和较高的薄膜质量,往往需要加入键合合金(晶片键合)或AlN中间层(异质外延),很难直接得到单晶GaN与单晶Si的直接异质接触。通过将GaN的纳米结构生长在硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)上,本课题组成功实现了基于Si-NPA的GaN与Si的直接异质接触,得到了一种新型的由GaN/Si纳米异质结构成的原型器件。该结构显示出整流效应,并在正向偏压下表现出黄光和近红外电致发光。然而,作为一种新型的双纳米异质结构,GaN/Si-NPA有一系列尚未澄清的问题,如生长条件对GaN纳米结构的改变,以及对GaN/Si-NPA的影响,GaN/Si-NPA的电输运和电致发光机理等等。考虑到GaN/Si-NPA具有着巨大的界面面积,界面对GaN/Si-NPA的性质可能有着相较传统平面工艺的器件更大的调控作用。基于这些问题,本文对Si-NPA上GaN的生长、GaN/Si-NPA器件的制备、电学性质和发光机制做了研究和探讨。在此基础上,为了研究界面调控在GaN/Si-NPA纳米异质结中的作用,我们重点的对Si-NPA的进行了不同温度的氧化和氨化处理,以此来调控GaN/Si-NPA的界面,并研究界面调控对器件的影响。论文主要进行了以下研究工作。(1)GaN在Si-NPA上的生长及GaN/Si-NPA光学性质的研究。研究在Si-NPA上,利用金属ga和氨气为反应前驱物,化学气相沉积(chemicalvapordeposition,cvd)技术生长GaN时催化剂pt的作用。发现没有催化剂pt,GaN无法在Si-NPA沉积。通过对仅放置ga源,但不通氨气经历高温过程后样品的分析,发现pt能够收集ga蒸汽,形成ga-pt合金促使ga沉积在Si-NPA上。在通入氨气后ga-pt合金液滴中的ga与氨气反应生成GaN。ga-pt合金是否自组织对能否获得致密均匀的GaN膜有关键的调制作用。通过研究不同的生长温度,不同氨气分压对获得的GaN形貌与和结构影响,发现能够通过改变生长条件,获得从GaN纳米颗粒膜、纳米棒、纳米锥串和纳米线等多种不同的结构。并且形貌的变化可以通过反应炉中氮镓比的变化予以解释。对GaN/Si-NPA的光学性质进行了变温荧光光谱(pl)的表征,发现GaN/Si-NPA的pl可以认为是GaN与退火后的Si-NPA衬底的pl的叠加,未观察到相互扩散引起的GaN或Si-NPA的pl光谱的变化,证明Si-NPA作为衬底构建si基GaN器件具有一定的优势。(2)GaN/Si-NPA纳米异质结led的电输运和电致发光机制研究。通过研究不同条件生长的GaN/Si-NPA的i-v特性,发现相对平滑的GaN颗粒膜有着较好的电极接触和稳定的i-v特性。基于此我们选择800?c,500pa氨气分压和950?c,500pa氨气分压生长的GaN的颗粒膜,来构成的GaN/Si-NPA纳米异质结led,研究了其电输运特性和电致发光(el)机制。结果发现低温和高温生长的GaN/Si-NPA均呈现整流特性。在正向偏压较低时i-v关系符合热离化发射模型,呈现指数关系,在正向偏压较高时i-v趋于空间电荷限制电流(spacechargelimitedcurrent)sclc机制的平方关系。在反向偏压下,低温生长的GaN/Si-NPA漏电流较小,随生长温度的升高,因Si-NPA的价带电子向GaN中导带的fowler-nordheim(f-n)隧穿的增加漏电流增加。800?c生长的GaN/Si-NPA在正向,950?c生长的GaN/Si-NPA在正向/反向偏压均有电致发光(electroluminescence,el)发射。低温生长的GaN/Si-NPA在正向偏压下el和高温生长GaN/Si-NPA在反向偏压下el光谱相同,峰位位于~540nm,半高宽为~171nm,为黄白光,来源为GaN中导带电子或浅施主能级电子与深受主束缚空穴之间的辐射复合。高温生长的GaN/Si-NPA的正向偏压下的EL同样包含上述黄白光EL,但附加有Si-NPA衬底的红光EL的贡献。(3)研究老化、氧化和氨化对Si-NPA的改性以及对GaN/Si-NPA异质结构界面的调控及其影响。新鲜Si-NPA仅表现一个红光PL带,老化后演化为紫外、紫-蓝和红光三个PL带;利用稳态PL谱、PL衰减寿命谱、空气退火及变激发波长等手段对各个发光带做了分析。提出老化Si-NPA的紫外、紫-蓝和红光三个PL带,分别来自于SiOx层中的富氧缺陷或nc-Si表面的硅烷醇基与水反应形成网络结构中的过氧链、SiOx中的氧空位缺陷和硅纳米颗粒(nc-Si)在量子限域效应下的带带跃迁,后者可能包含着小nc-Si颗粒的与氧有关的表面态发光的贡献。由于老化过程不易控制,我们采用高温氧化和氨化对Si-NPA进行处理来增强其稳定性。高温氧化后Si-NPA的PL演化为一个紫-蓝光PL带,氨化后演化为紫-蓝光和红光两个PL带。氧化和氨化Si-NPA的紫-蓝PL带来源于Si-NPA中SiOx中的氧空位缺陷,而氨化Si-NPA的红光PL带来自于nc-Si。红光PL带的峰位随着氨化温度的升高而红移说明氨化处理中nc-Si的尺寸有随氨化温度的升高而增大的现象。对于950?C,500 Pa氨气分压条件下,在氧化或氨化的Si-NPA上生长的GaN/Si-NPA的电输运和EL尽心了研究。800?C及以下的氧化和氨化,对GaN/Si-NPA的I-V特征和EL发光特性,基本没有改变。对Si-NPA的900?C及以上的氧化,会使GaN/Si-NPA的整流特性消失。Si-NPA的900?C-1000?C的氨化后,GaN/Si-NPA仍保持整流特效性,氨化对正向偏压下的I-V特性没有影响,但能明显减小反向漏电流,且漏电流的减小随氨化温度的升高而更加明显。对Si-NPA的1100?C的氨化,使GaN/Si-NPA失去整流特性。反向偏压下,除Si-NPA的1000?C氧化使得GaN/Si-NPA的EL出现在495 nm处和Si-NPA的1100?C氧化使EL完全消失外,其他氧化及氨化条件对反向偏压下的EL无改变。正向偏压下,部分氧化处理后的样品相对反向偏压下EL有红移,部分样品与正向偏压下相同,未观察到系统的规律性。但氨化样品除1100?C外,1000?C以下的氨化处理温度,器件正向偏压下EL均相对反向偏压下有红移。说明氨化处理有利于保留Si-NPA的红光EL发射。