本文關(guān)鍵詞：基于激光輻照與塑性誘導(dǎo)的半導(dǎo)體表面性質(zhì)的調(diào)控研究

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【摘要】：自然界無處不在的圖形總能給人以美的享受,如遙遠(yuǎn)星云的螺線排布,春風(fēng)拂過湖面后的漣漪,雪花的六出對稱,晶體中原子的有序堆積排布等。除了上述事物在感官上給人的沖擊之外,材料表面的圖形結(jié)構(gòu)還有其特殊的功能屬性,譬如改變電磁波的傳播方式,從而提供材料本身所不具備的新功能。表面圖形結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ),而對功能材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控則是決定器件性能的關(guān)鍵。例如,將精心設(shè)計制作的圖形結(jié)構(gòu)用于太陽能電池、發(fā)光二極管及光電探測器中可以極大地提高能量轉(zhuǎn)換效率,而在半導(dǎo)體表面人為設(shè)計的缺陷結(jié)構(gòu)位點(diǎn)可用于制作具有奇特性質(zhì)的光電子器件。因而,開發(fā)新型的加工技術(shù)手段、進(jìn)而實現(xiàn)材料表面物理化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控是開發(fā)具有新穎功能、新奇性質(zhì)器件不可或缺的因素。砷化鎵(GaAs)和氧化鋅(ZnO)是典型的光電半導(dǎo)體材料,在太陽能電池、光電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。基于對半導(dǎo)體材料進(jìn)行表面改性研究這一目的,本文研究采用了幾種基于光學(xué)和力學(xué)的調(diào)控方法對GaAs和ZnO表面進(jìn)行特殊處理,進(jìn)而獲得了許多奇特的性質(zhì),如近紅外光調(diào)控含氧半導(dǎo)體表面的潤濕性,多光束激光干涉濕法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)GaAs表面圖形的無掩膜制備,陣列式壓痕技術(shù)首次實現(xiàn)肉眼可見的白光發(fā)射等。本文的正文部分共有六章,依次為第一章緒論,第二章激光干涉濕法刻蝕技術(shù)及GaAs表面周期性圖形的制備,第三章近紅外光控制的ZnO表面潤濕性的恢復(fù),第四章基于納米壓痕儀的ZnO和GaAs表面力學(xué)性能測試,第五章陣列式壓痕技術(shù)及對GaAs的改性研究,第六章結(jié)論與展望。主要研究工作如下所述:第一章:對半導(dǎo)體材料表面常用的微加工技術(shù)和半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控及改性方法作了詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述。其主要內(nèi)容為主流的半導(dǎo)體表面微納加工技術(shù)手段的比較;影響能帶結(jié)構(gòu)的因素及調(diào)控方法(如溫度、摻雜、量子尺寸效應(yīng)、異質(zhì)結(jié)、應(yīng)力、紫外光輻照對材料的改性等);表面等離激元效應(yīng);研究目的與解決的問題。第二章開發(fā)了多光束激光干涉濕法腐蝕技術(shù),將其應(yīng)用于GaAs表面進(jìn)行周期性圖形結(jié)構(gòu)的制備,并研究了刻蝕后的GaAs的光學(xué)性質(zhì),主要內(nèi)容包括:1)利用雙光束和三光束激光干涉濕法刻蝕技術(shù)對GaAs進(jìn)行表面周期性圖形結(jié)構(gòu)的無掩膜制備;2)通過改變光束數(shù)量和入射角來研究干涉圖形及周期的變化;3)研究了刻蝕后的GaAs的反射率與表面圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)系,即圖形結(jié)構(gòu)周期越小、結(jié)構(gòu)越精細(xì),GaAs的表面反射率越低;4)研究了干涉刻蝕后的GaAs晶片的PL光譜,其PL譜峰位(～845 nm)相比于未腐蝕的GaAs晶片發(fā)生了藍(lán)移(～869nm),其原因可能歸因于量子限域效應(yīng)。第三章以近紅外光輻照為手段,以調(diào)控ZnO的表面潤濕性為目的,研究了近紅外光誘導(dǎo)的ZnO表面潤濕性的恢復(fù)機(jī)制,主要研究內(nèi)容如下:1)通過交替使用紫外光(365 nm)和近紅外光(808 nm)輻照的方法對ZnO的表面潤濕性進(jìn)行動態(tài)調(diào)控;2)首次采用納米劃痕技術(shù)對ZnO晶片表面進(jìn)行圖形化處理,使得ZnO表面由親水性變?yōu)槭杷?3)首次對近紅外光誘導(dǎo)的表面潤濕性的恢復(fù)進(jìn)行了研究,歸因于羥基振動在近紅外段的諧振及水的背景吸收;4)采用XPS技術(shù)研究了 ZnO的表面組分經(jīng)紫外和近紅外光輻照后的變化及其與表面潤濕性調(diào)控的關(guān)系;5)研究了空氣濕度和氧氣含量在調(diào)控ZnO表面潤濕性恢復(fù)的過程中所起的作用。第四章:本章以力學(xué)加工為技術(shù)手段,采用納米壓痕和劃痕技術(shù)研究了 ZnO和GaAs晶體的力學(xué)性質(zhì),主要內(nèi)容為:1)采用納米壓痕儀的連續(xù)剛度模式對ZnO和GaAs的納米力學(xué)性能(硬度和彈性模量)進(jìn)行研究;2)通過分析ZnO的加載-卸載曲線發(fā)現(xiàn)在壓痕深度～924 nm處出現(xiàn)了 pop-in現(xiàn)象,其原因可歸因于位錯成核、生長、積聚最終形成微裂紋;3)研究了劃痕深度與施加載荷的關(guān)系。第五章采用陣列式壓痕技術(shù)對GaAs晶片進(jìn)行圖形化結(jié)構(gòu)處理,并研究了壓痕誘導(dǎo)的塑性形變對GaAs的改性,包括與硝酸銀(AgNO3)溶液的光化學(xué)反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移過程,表面增強(qiáng)的Raman效應(yīng)(SERS),表面潤濕性的轉(zhuǎn)變,光學(xué)性質(zhì)等,主要研究內(nèi)容如下:1)以圖形化藍(lán)寶石襯底(PSS)為模板,采用陣列式的機(jī)械壓痕方法對GaAs進(jìn)行圖形化處理,首次獲得了肉眼可見的白光發(fā)射;2)研究了陣列式壓痕結(jié)構(gòu)與AgN03溶液之間的光化學(xué)反應(yīng)過程,在壓痕處獲得了周期性的Ag納米片陣列,并從結(jié)構(gòu)幾何和電子能帶結(jié)構(gòu)兩個方面對其形成機(jī)理進(jìn)行了分析;3)對制備有Ag納米片陣列的GaAs晶片的拉曼增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行研究;4)對合成有Ag納米片陣列的GaAs晶片表面進(jìn)行月桂酸處理,研究處理前后表面表面潤濕性的變化。第六章對本論文的研究工作進(jìn)行了歸納總結(jié),并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。本文的創(chuàng)新之處在于:1)利用半導(dǎo)體在特定腐蝕劑溶液中且伴隨有光子能量大于帶隙能的光進(jìn)行輻照的條件下光化學(xué)反應(yīng)才能進(jìn)行這一原理,開發(fā)了多光束激光干涉濕法刻蝕技術(shù),實現(xiàn)了 GaAs表面周期性圖形的無掩膜制備。2)利用羥基及水分子的近紅外區(qū)諧振和背景吸收特征,利用紫外和紅外光源交替輻照的方法,實現(xiàn)了 ZnO表面潤濕性的遠(yuǎn)程非接觸的快速親疏水轉(zhuǎn)變。3)采用陣列式壓痕技術(shù)對GaAs晶片進(jìn)行圖形化處理,首次獲得了肉眼可見的白光發(fā)射現(xiàn)象,其機(jī)理源于壓力誘導(dǎo)的局部非晶化現(xiàn)象導(dǎo)致的量子限域效應(yīng);圖形化處理的晶片可用于合成Ag納米片陣列,研究并論證了其形成機(jī)理源于結(jié)構(gòu)幾何和電子能帶結(jié)構(gòu)兩種因素。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN305.7

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本文編號：1302868