發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 02:57

【摘要】：作為一種新型材料,半導(dǎo)體納米線在揭示物理學(xué)基礎(chǔ)理論以及光電子器件新應(yīng)用等方面展示著巨大的潛力。作為納米結(jié)構(gòu),由于尺寸受限所展現(xiàn)的量子限制效應(yīng)往往具有奇特、優(yōu)異的性能,在探索低維度器件物理機(jī)制方面顯示出非凡的前景。同時(shí)納米線由于尺寸減小引起的超高表面體積比,使得表面原子占比增加進(jìn)而對(duì)器件性能的影響越加顯著,引起了廣泛的關(guān)注,被應(yīng)用于氣敏探測(cè)以及醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域。同時(shí),由于InAs基半導(dǎo)體納米線具有高遷移率以及較窄直接帶隙的特質(zhì),成為了制備高速器件以及紅外光電器件的重要備選材料。因此,對(duì)于InAs基窄帶隙半導(dǎo)體納米線的制備以及納米線光電子器件的研究顯得尤為重要。本論文主要研究了InAs、InGaAs納米線的Au催化分子束外延生長(zhǎng)以及嵌含有InGaAs量子點(diǎn)的GaAs納米線有序陣列的選區(qū)金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)。另一方面,基于納米線場(chǎng)效應(yīng)管(FET,field effect transistor)光電器件,研究了InAs納米線表面態(tài)在光電探測(cè)中的作用,鐵電材料/InAs納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)器件的中波紅外探測(cè)特性、鐵電材料/InAs納米線FET的非易失性可擦寫(xiě)存儲(chǔ)特性以及InGaAs納米線器件的近紅外探測(cè)特性。主要的創(chuàng)新點(diǎn)與內(nèi)容如下:1.利用Au催化MBE方法制備了高質(zhì)量的InAs納米線,其表面有著2-3 nm的天然氧化層。將生長(zhǎng)的InAs納米線制備為背柵FET器件。當(dāng)溫度從室溫降為77K時(shí),該器件由單極型n型轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極型。無(wú)論何種溫度,當(dāng)載流子類型為空穴時(shí),器件在不同光子能量入射時(shí)顯示為正光電導(dǎo)響應(yīng);當(dāng)載流子類型變?yōu)殡娮訒r(shí),器件在波長(zhǎng)大于1060 nm的光子入射時(shí)表現(xiàn)為正光電導(dǎo)響應(yīng),在波長(zhǎng)小于940 nm的光子入射時(shí)表現(xiàn)為負(fù)光電導(dǎo)響應(yīng)。驗(yàn)證了在納米線導(dǎo)帶之上存在由表面態(tài)引起的電子束縛能級(jí),嚴(yán)重影響著器件的光電性能。通過(guò)在納米線表面旋涂覆蓋層,研究納米線表面環(huán)境變化對(duì)器件性能以及響應(yīng)速度的影響。結(jié)果表明吸附氣體的存在會(huì)降低器件的響應(yīng)速度。通過(guò)柵壓調(diào)制納米線表面態(tài)中電子束縛的狀況,可以有效增強(qiáng)器件在近紅外波段的光電響應(yīng)。2.制備了鐵電材料P(VDF-TrFE)/InAs NW復(fù)合結(jié)構(gòu)頂柵FET器件。利用鐵電材料極化后產(chǎn)生的超強(qiáng)局域極化場(chǎng)來(lái)調(diào)控納米線表面態(tài)中電子的分布以及實(shí)現(xiàn)能帶的彎曲。在極化向上時(shí),電子在靜電場(chǎng)的作用下被束縛在納米線表面態(tài),被束縛的電子形成內(nèi)建靜電場(chǎng)進(jìn)一步耗盡納米線芯中的自由電子,使得器件處于超低的暗電流狀態(tài)。相較于之前的工作報(bào)道以及商用器件,該器件在中波紅外波段實(shí)現(xiàn)了最靈敏的光電探測(cè)響應(yīng)率。在3.5μm的光照條件下,InAs納米線器件的響應(yīng)率高達(dá)1.6×10~4 A W~(-1),探測(cè)率達(dá)到1.4×10~(12) cm·Hz~(1/2)W~(-1),增益達(dá)到5.7×10~3。同時(shí),超強(qiáng)的靜電場(chǎng)產(chǎn)生了Franz-Keldysh效應(yīng),使得電子和空穴的波函數(shù)“隧穿”到帶隙進(jìn)而產(chǎn)生重疊。最終,將器件的探測(cè)范圍拓展到帶隙以下的4.3μm,并得到G=2.8×10~2,R=9.6×10~2 A W~(-1)以及D*=8.5×10~(10) cm·Hz~(1/2)W~(-1)。另一方面,在鐵電材料極化場(chǎng)的作用下,電子完全被驅(qū)離表面態(tài)引起的電子束縛能級(jí)。當(dāng)具有不同能量的光脈沖入射下,納米線價(jià)帶中的電子被激發(fā)到不同的能帶位置,使得器件產(chǎn)生了不同的穩(wěn)定電流輸出。最后,InAs納米線器件展示了一種新穎的非易失可擦寫(xiě)的光輔助存儲(chǔ)特性。3.利用Au催化MBE方法制備了高質(zhì)量的InGaAs納米線。通過(guò)詳細(xì)的電子顯微鏡分析得到InGaAs納米線具有特殊的自組裝芯-殼(core-shell)結(jié)構(gòu)。其中,納米線的芯的組分是富In的,殼的組分是富Ga的。并且,沿著生長(zhǎng)方向,芯中的Ga組分是逐漸減少的,殼中的Ga組分是逐漸增加的,芯與殼間的組分差異是逐漸增大的。這是因?yàn)榕c襯底上的InGaAs薄膜生長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)而形成富含In的納米線芯。此外,納米線芯和殼中的組分梯度是晶格弛豫的結(jié)果。對(duì)于組分梯度的變化做了詳細(xì)的分析。最后,將生長(zhǎng)的InGaAs納米線制備為背柵FET器件,利用殼層的鈍化保護(hù)作用,在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的探測(cè)性能。4.分別研究了GaAs納米線陣列、GaAs/InGaAs異質(zhì)結(jié)納米線陣列、GaAs/InGaAs(QDs)/GaAs有序陣列的選區(qū)MOCVD生長(zhǎng)。通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)溫度和Ⅴ/Ⅲ束流比,最終得到了均勻統(tǒng)一、周期分布的納米線陣列。對(duì)納米線生長(zhǎng)的分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。然后進(jìn)行了細(xì)致的微結(jié)構(gòu)、組分分布以及熒光光譜測(cè)試。最后通過(guò)生長(zhǎng)AlGaAs鈍化層進(jìn)一步降低納米線表面的非輻射復(fù)合,增強(qiáng)了光學(xué)性能。
【圖文】：

兩個(gè)低維度上，而第三個(gè)維度相對(duì)不受限制，因此在器件應(yīng)用上面引起了廣泛的興趣。同時(shí)，納米線還可以充當(dāng)納米元器件之間的連接線，使得元器件不同的部件有可能在同一個(gè)納米線內(nèi)順序制造。此外，納米線具有比體材料結(jié)構(gòu)更高的表面-體積比，超大的表面原子的占比份額，使得表面原子狀態(tài)的變化足夠引起材料性能顯著的變化。納米線表面的原子對(duì)于空氣中的分子異常的敏感，當(dāng)不同的氣體吸附在納米線表面之后，納米線表面的電荷分布一般會(huì)產(chǎn)生不同的變化，這些不同的變化往往會(huì)引起納米線器件溝道中載流子濃度的變化，使得納米線器件的電流輸出發(fā)生變化。例如，不同的吸附氣體對(duì)同種納米線表面電荷分布的影響不同，因此在不同的氣體環(huán)境中，納米線器件具備了不同的電流輸出。同時(shí)，納米線工作環(huán)境的 PH 值的變化對(duì)器件的電導(dǎo)也有重要的影響[7]，如圖 1.1 所示。這樣的特性使得納米線器件對(duì)不同的氣氛的敏感度不同，最終可以在氣體傳感器領(lǐng)域中得到實(shí)際的應(yīng)用[7, 8]，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣體檢測(cè)、醫(yī)療檢測(cè)以及安全監(jiān)控等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

re 1.1 (a) Schematic of nanowire FETs and an amino-functionalized nanow; (b) Real-time detection of the nanowire conductance for pHs from 2 to 9;of conductance versus pH; (inset, bottom) image of a typical Si-nanowire d導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。例如，實(shí)現(xiàn)高靈敏管、多周期結(jié)構(gòu)的量子級(jí)連探測(cè)器以及量子阱紅外探測(cè)器等領(lǐng)域的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量嚴(yán)重影響著器件的性能參數(shù)，因此高制備顯得尤為重要。然而，對(duì)于體材料異質(zhì)結(jié)薄膜來(lái)講，，不同的必存在著晶格失配，在薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)沉積的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生由晶格變化。隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，不同材料間晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力不斷的晶體達(dá)到一定的尺寸時(shí)，這些應(yīng)力就會(huì)釋放出來(lái)，導(dǎo)致晶體產(chǎn)，從而降低了晶體質(zhì)量，間接影響了在器件方面的應(yīng)用。盡管人長(zhǎng)模式以及設(shè)備來(lái)改善異質(zhì)結(jié)構(gòu)在體材料中的制備，這種有晶格磨滅的影響始終無(wú)法得到有效的解決。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2589597