半导体纳米线(带)电子器件及电致发光器件研究

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近年来一维纳米半导体材料如纳米线,纳米带等正成为各国科技界所关注的焦点,在很多方面存在极大的应用潜力,如电子,光电子领域。本论文较系统的研究了利用化学气相沉积(CVD)方法对多种半导体纳米线/纳米带(Zn3P2,InP,CdSe,CdSxSe1-x)的可控生长与掺杂。根据材料本身性质分别实现了不同程度的p型/n型掺杂,在此基础上制备并研究了各种纳米电子,电致发光器件。主要研究成果如下:   (一)半导体纳米线(带)的可控生长与掺杂   1、利用CVD方法成功合成了p-Zn3P2纳米线,并对其进行了详细的光学和电学表征。光学表征显示其光谱只含有峰值为770nm的带边峰,没有缺陷发光峰。通过单根纳米线场效应对其进行电学性质表征,结果显示生长的Zn3P2纳米线为p型的,空穴浓度约为1016-1017 cm-3,空穴迁移率约为42.5cm2V-1s-1。   2、利用CVD方法合成了具有不同电子浓度的n-InP纳米线。光学表征显示不同生长条件下生长的InP纳米线的荧光谱峰位从920nm-775nm不等。电学表征显示纳米线电子浓度可以有效控制在1017-1019cm-3。   3、发现InP纳米线中存在Burstein-Moss效应,并用此有效的解释了InP纳米线随电子浓度增加产生的光谱蓝移现象。实验中,InP纳米线荧光谱波长随着电子浓度的增加产生蓝移,同时半高宽增加。以往报道的量子限制效应或晶体结构不同造成带隙不同在这里已不能对InP纳米线的光谱蓝移现象解释。由于InP电子有效质量小,我们认为这是由于电子浓度过高引起InP纳米线中的电子对导带填充,即费米能级进入导带(Burstein-Moss效应)。这一结果丰富了人们对纳米材料的荧光谱兰移现象的解释途径。   4、首次利用富Cd的生长环境对CdSe纳米带的电子浓度进行了有效的调控,避免了传统掺杂剂In给CdSe带来的损伤。而未进行电子浓度调节的CdSe纳米线表现为高电阻。电学表征显示Se空位作为潜施主成功的引入纳米线,而且电子浓度可以通过改变Cd源的温度进行调控,变化范围在1016-1018cm-3,可以满足不同的电子,光电子器件的需要。对其进行的结构,光学表征亦表明了该方法制备的CdSe纳米带具有高的晶体质量,其荧光谱只含有一个带边峰。电子浓度为~1016 cm-3时,迁移率达到800cm2V-1s-1,接近体材料且远远高出文献报道的CdSe纳米材料的迁移率。   5、利用CVD方法,并将调控CdSe中电子浓度的方法应用到CdS-Se1-x上,制备出高质量的n-CdSxSe1-x纳米带,组分变化可使其荧光谱从510nm(绿)变化到708nm(红),覆盖了可见波长的大部分区域。   (二)纳米电子器件,电致发光器件研究   6、基于p-Zn3P2纳米线,制备出三种场效应晶体管--金属-绝缘层-半导体场效应晶体管(MISFETs),带有附加肖特基结的MISFETs和金属.半导体场效应晶体管(MESFETs)。其中MESFET采用A1作Schottky电极,采用载流子浓度较低的p-Zn3P2纳米线,可使其工作在增强模式。据我们所知,之前还没有p沟道纳米线MESFETs的相关报道。   7、研究了单根n-InP纳米线/p+-Si异质结发光二极管(LED)的电致发光特性。当加一定的正向偏压时,从异质结中观测到的电致发光谱与单根InP纳米线的光致发光谱相似,说明电致发光来源于电子、空穴(来自硅)在InP纳米线中的辐射复合。利用不同电子浓度的N-InP纳米线,得到了不同波长的LED。预示着InP纳米线在纳米尺度的彩色显示方面可能存在的应用潜力。   8、利用不同电子浓度的CdSe纳米带,制备了高性能的MISFETs和LED。电子浓度为1016cm-3的纳米带制备出的MISFETs具有很高的开关比~10,电子浓度为1018的纳米带制备出的LED在正向电压下得到了电致发光,且与其荧光谱一致,没有缺陷峰。   9、首创了一种新型的平行纳米带异质结LED(PNBs-HLED),即两条平行接触的纳米带构成一个面接触式的异质结。与传统的点接触式LED相比,此结构具有极大的有效结区,正向电流提高了至少2个量级,此外该制备方法突破了光刻工艺对尺度的限制。利用此工艺和不同组分的CdSxSe1-x纳米带,制备出高效率的n-CdSxSe1-x纳米带/p+-Si纳米带PNBs-HLED,在较低的正向电压(7V)下得到了肉眼可见的很强的电致发光,波长510nm(绿)变化到708nm(红)。并实现了红光和绿光纳米LED的集成,如果可以找到一种合适的蓝光纳米材料,如ZnS或ZnCdS纳米材料,利用这种制备方法,或许可以进一步实现纳米结构白光出射。
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