本文關(guān)鍵詞：GaP表面的等離激元結(jié)構(gòu)及光化學加工方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來半導體材料和技術(shù)的發(fā)展極大的改變了我們的社會和生活。以GaP、GaN和GaAs為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料以其獨特的能帶特征和較高的電子遷移率已經(jīng)得到廣泛的應用。隨著能源問題越來越嚴峻,Ⅲ-Ⅴ族化合物半導材料在光伏和固態(tài)照明方面的應用更是引起了人們的極大關(guān)注。因此,進一步的提高半導體器件的性能正逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。GaP是一種典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料,其在發(fā)光二極管(Light Emitting Diodes, LEDs)和光電探測器件方面具有廣泛的應用。本論文將激光干涉輔濕法腐蝕技術(shù)和金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離激元(Localized Surfaces Plasmon Resonances, LSPRs)效應創(chuàng)造性的應用于GaP的濕法腐蝕,圖形制備和光致發(fā)光過程,取得了非常有意義的成果。本文的正文部分共有五章,依次為第一張緒論；第二章等離激元結(jié)構(gòu)輔助的GaP光化學腐蝕及波長選擇性；第三章納米等離激元結(jié)構(gòu)在GaP光致發(fā)光性能和拉曼增強方面的應用；第四章p-GaP表面圖形的無掩膜制備及其在AlGaInP基LEDs上的應用；第五章結(jié)論與展望。主要內(nèi)容和結(jié)論如下所述：第一章：對Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料和金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元效應做了詳細的文獻綜述。其主要內(nèi)容為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料的主要特征和應用；GaP晶體的特性及在LEDs中的應用；以GaP材料為例介紹了半導體材料的腐蝕技術(shù)；激光干涉光刻技術(shù)在半導體材料圖形制備中應用；表面等離激元效應的原理及在光化學反應、光致發(fā)光性能和拉曼增強中的應用等。第二章：利用Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應來增強p-GaP的光化學腐蝕過程。研究了不同激光波長照射下Au納米結(jié)構(gòu)對p-GaP光化學腐蝕過程的影響。對Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應提高p-GaP光化學腐蝕的物理化學過程進行了詳細的分析。.主要結(jié)論為：1)對不同酸配制的腐蝕劑的研究發(fā)現(xiàn),只有HF酸和H202混合配制的腐蝕劑能夠在532 nm激光照射下實現(xiàn)p-GaP的光化學腐蝕。2)利用濺射-退火的方法在p-GaP樣品的表面制備了相互鉸鏈的網(wǎng)狀Au納米結(jié)構(gòu),它的寬度約為50 nn3。利用不同波長的激光照射,實現(xiàn)了空白p-GaP樣品和Au納米結(jié)構(gòu)覆蓋樣品的光化學腐蝕。3)在532 nm的激光照射下,Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應可以有效的提高p-GaP的光化學腐蝕速率。在腐蝕反應初始階段,LSPRs對腐蝕速率的增強效果可達到10倍以上。分析表明,在532 nm的激光照射下光生空穴可以由Au納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到p-GaP樣品表面。與空白樣品相比,到達p-GaP表面態(tài)(位錯)Ed處的空穴數(shù)量可以提高幾個數(shù)量級。4)發(fā)現(xiàn)了p-GaP光化學腐蝕的波長選擇性。當分別使用375 nm,405 nm, 445 nm,473 nm和532 nm的激光對Au納米結(jié)構(gòu)覆蓋的p-GaP樣品進行腐蝕時,只有532 nm的激光可以增強Au納米結(jié)構(gòu)覆蓋樣品的光化學腐蝕速率。研究認為532 nm的激光能夠激發(fā)Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應,而其他波長的激光不但不能激發(fā)Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應,而且Au納米結(jié)構(gòu)的存在會阻礙p-GaP與腐蝕劑的接觸,阻礙腐蝕反應的進行。5)對使用不同波長的激光對p-GaP空白樣品腐蝕結(jié)果的研究發(fā)現(xiàn),532 nm的激光照射下腐蝕速率最快。我們認為532 nm的激光可以將電子激發(fā)到導帶底(X1c),而短波長的激光卻將電子激發(fā)到導帶中的Γ點(Γlc),而電子在r點壽命非常的短,電子-空穴對的快速復合減慢了p-GaP的光化學腐蝕反應。而405 nm和375nm激光照射下腐蝕速率輕微的提高,說明p-GaP的光化學腐蝕是受光生電子在能帶中位置和激光在p-GaP樣品中的穿透深度兩個因素調(diào)控的。第三章：本章節(jié)中我們利用濺射-退火和電流置換反應的方法分別在GaP表面制備Au和Ag的納米結(jié)構(gòu),并研究了Au和Ag的納米結(jié)構(gòu)對GaP薄膜結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光性能和拉曼探測性能的增強作用。1)利用濺射-退火的方法在GaP薄膜樣品的表面制備出了隨機分布的Au和Ag的納米顆粒結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)在熱處理溫度恒定的條件下,Au納米顆粒的尺寸和密度隨著濺射時間的延長逐漸的增大。而對Ag納米結(jié)構(gòu)而言,濺射時間只影響到Ag納米顆粒的密度,Ag納米顆粒尺寸并沒有隨著濺射時間延長而發(fā)生明顯的變化,而是穩(wěn)定在30 nm左右。2)研究發(fā)現(xiàn)Au和Ag納米結(jié)構(gòu)可以有效的增強GaP的光致發(fā)光特性。PL光譜測試結(jié)果表明覆蓋有Au納米結(jié)構(gòu)的GaP樣品的PL性能的最大增強因子為5.6,所對應樣品的濺射時間為5 s,顆粒尺寸為15 nm,顆粒密度為2.48×1010 cm-2。而對于覆蓋有Ag納米顆粒的樣品,最大的增強因子達到了14.5,所對應樣品的濺射時間也為5s,其顆粒尺寸和密度分別為30 nm和1.12×1010 cm-2。濺射樣品的反射譜測試結(jié)果表明,金屬納米結(jié)構(gòu)可以增強入射光的正向散射,但同時證明散射作用并不是PL性能增強的主要原因。此外時間分辨的PL譜測試結(jié)果表明,金屬納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應可以加速GaP樣品的輻射復合速率。3)研究發(fā)現(xiàn)Au納米結(jié)構(gòu)可以自發(fā)的在GaP的表面成核并且逐漸的長大。而Ag納米結(jié)構(gòu)的生長需要在紫外光照的條件下才能進行。4)對羅丹明R6G分子的拉曼探測研究發(fā)現(xiàn),生長有Au納米顆粒樣品的拉曼增強效果要好于生長有Ag納米顆粒的樣品。當電流置換反應的時間均為120 s時,做有Au納米顆粒樣品的拉曼增強因子達到了105,而做有Ag納米顆粒樣品的增強因子為104。第四章：本章節(jié)中我們實現(xiàn)了GaP表面圖形結(jié)構(gòu)的激光干涉無掩膜制備。并利用這種技術(shù)在AlGaInP基紅光LEDs的表面制備出了準周期的圖形結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)這種二維準周期結(jié)構(gòu)可以戲劇性的提高AlGaInP基紅光LEDs光提取效率。1)設(shè)計搭建了激光干涉濕法腐蝕系統(tǒng)。利用雙光束干涉濕法腐蝕的方法在p-GaP的表面制備出了周期大小約為150±10 nm的2D準周期結(jié)構(gòu),其周期遠小于入射激光532nm的半波長尺寸。2)利用應力介導法制備了PDMS的光柵結(jié)構(gòu),并且利用這種光柵結(jié)構(gòu)的干涉作用實現(xiàn)了p-GaP樣品表面圖形結(jié)構(gòu)的制備。3)將雙光束干涉濕法腐蝕技術(shù)應用于AlGaInP基紅光LEDs的表面光提取結(jié)構(gòu)的制備,在其窗口層p-GaP的表面制備出了相應的2D準周期結(jié)構(gòu)。電學性能的測試結(jié)果顯示,光化學腐蝕過程對AlGaInP基紅光LEDs電學性能的影響可以忽略。但腐蝕結(jié)構(gòu)可以有效的提高AlGaInP基紅光LEDs的光學性能。對LEDs的電致發(fā)光性能的測試結(jié)果顯示,干涉光束腐蝕樣品的發(fā)光性能提高了70%,這一結(jié)果要明顯的高于單光束腐蝕的樣品。而且對大量腐蝕樣品的測試結(jié)果顯示,雙光束干涉腐蝕AlGaInP基紅光LEDs樣品的高亮樣品的比例要遠遠高于單光束腐蝕的樣品,這一結(jié)果對高亮LEDs樣品的制備非常的有意義。本文的創(chuàng)新之處在于：(1)將納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應應用于半導體材料的濕法腐蝕過程并實現(xiàn)了Au納米結(jié)構(gòu)的LSPRs增強p-GaP的光化學腐蝕；(2)揭示了半導體材料光化學腐蝕過程的波長依賴性。證明了在LSPRs增強光化學腐蝕過程中界面處的能帶彎曲和缺陷能級的重要作用；(3)利用金屬納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應實現(xiàn)了間接帶隙半導體GaP的光致發(fā)光性能的增強；(4)利用激光干涉腐蝕濕法腐蝕技術(shù)實現(xiàn)了半導體材料表面圖形結(jié)構(gòu)的無掩膜制備。并將這一技術(shù)應用于AlGaInP基紅光LEDs結(jié)構(gòu)的表面圖形制備過程。綜上所述,我們首先將金屬納米結(jié)構(gòu)的LSPRs效應應用于GaP的光化學濕法腐蝕過程,LSPRs效應可以有效的提高p-GaP的光化學反應過程,同時發(fā)現(xiàn)了GaP腐蝕過程中的波長選擇性。然后研究了金屬納米結(jié)構(gòu)在GaP光致發(fā)光過程中的應用。最后我們利用利用激光干涉無掩膜圖形制備技術(shù)在AlGaInP基紅光LEDs的表面制備出了準周期的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以有效的提高紅光LEDs的光提取效率。
【關(guān)鍵詞】：光化學濕法腐蝕 無掩膜圖形制備 局域表面等離激元共振 光致發(fā)光 發(fā)光二極管
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.2;TB306
【目錄】：

• 摘要9-13
• ABSTRACT13-18
• 第一章 緒論18-61
• 1.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體概述18-33
• 1.1.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的主要特征18-23
• 1.1.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體在固態(tài)照明中的應用23-29
• 1.1.3 GaP的主要特性及在LEDs方面的應用29-33
• 1.2 半導體材料的腐蝕方法及激光干涉法圖形制備技術(shù)33-38
• 1.2.1 半導體材料的腐蝕方法33-35
• 1.2.2 激光干涉法圖形制備技術(shù)35-38
• 1.3 表面等離激元的原理及應用38-50
• 1.3.1 表面等離激元的原理39-43
• 1.3.2 局域表面等離激元的應用43-50
• 1.4 研究的目的和擬解決的問題50-52
• 參考文獻52-61
• 第二章 等離激元結(jié)構(gòu)輔助的GaP光化學腐蝕及波長選擇性61-83
• 2.1 前言61-62
• 2.2 實驗部分62-64
• 2.2.1 p-GaP光化學腐蝕劑的選擇62
• 2.2.2 Au納米結(jié)構(gòu)的制備62-63
• 2.2.3 Au納米結(jié)構(gòu)增強光化學腐蝕過程及測試63-64
• 2.3 實驗結(jié)果和分析64-78
• 2.3.1 不同腐蝕劑下p-GaP的光化學腐蝕效果64-67
• 2.3.2 Au納米結(jié)構(gòu)增強GaP的樣品的光化學腐蝕67-73
• 2.3.3 GaP樣品光化學腐蝕過程的激光波長選擇性73-76
• 2.3.4 GaP的等離激元輔助光化學腐蝕機制76-78
• 2.4 本章小結(jié)78-80
• 參考文獻80-83
• 第三章 納米等離激元結(jié)構(gòu)在GaP光致發(fā)光性能和拉曼增強方面的應用83-105
• 3.1 前言83-84
• 3.2 實驗部分84-86
• 3.2.1 Au和Ag納米結(jié)構(gòu)制備84-86
• 3.2.2 Au和Ag納米結(jié)構(gòu)的表征及光譜測試過程86
• 3.3 實驗結(jié)果分析86-100
• 3.3.1 濺射樣品的特性及PL光譜分析86-94
• 3.3.2 電流置換反應制備樣品的特性及SERS94-100
• 3.4 本章小結(jié)100-102
• 參考文獻102-105
• 第四章 p-GaP表面圖形的無掩膜制備及其在AlGaInP基LEDs上的應用105-125
• 4.1 前言105-106
• 4.2 實驗過程分析106-110
• 4.2.1 雙光束干涉輔助濕法腐蝕的圖形結(jié)構(gòu)制備106-108
• 4.2.2 光柵干涉法圖形結(jié)構(gòu)制備108-110
• 4.2.3 樣品的表征及測試分析方法110
• 4.3 結(jié)果和分析110-121
• 4.3.1 雙光束干涉圖形結(jié)構(gòu)的形貌特征及形成機制110-114
• 4.3.2 光柵干涉圖形結(jié)構(gòu)形貌特征114-115
• 4.3.3 無掩膜法圖形結(jié)構(gòu)制備在AlGaInP基紅光LEDs上的應用115-121
• 4.4 本章小結(jié)121-122
• 參考文獻122-125
• 第五章 結(jié)論與展望125-129
• 5.1 主要結(jié)論125-128
• 5.2 論文的創(chuàng)新點128
• 5.3 需要進一步研究的問題128-129
• 致謝129-130
• 攻讀博士學位期間已發(fā)表的論文130-131
• 附件131-141
• 附表141

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張錦,馮伯儒,郭永康;振幅分割無掩模激光干涉光刻的實現(xiàn)方法[J];光電工程;2004年02期

  本文關(guān)鍵詞：GaP表面的等離激元結(jié)構(gòu)及光化學加工方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號：260894