【摘要】：InN是Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料體系中重要的組成部分,在Ⅲ族氮化物中具有最小的有效電子質(zhì)量,最高的電子遷移速率和飽和電子漂移速率等優(yōu)良特性,被廣泛應(yīng)用在高效太陽(yáng)能電池,紅外探測(cè)器以及太赫茲器件等領(lǐng)域。特別是其較窄禁帶寬度(~0.7e V)得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,使得Ⅲ族氮化物材料體系的發(fā)光波長(zhǎng)從深紫外延伸到了近紅外,為Ⅲ族氮化物器件的發(fā)展又增加了許多新的方向。然而,由于InN材料具有較低的分解溫度以及較高的N_2平衡蒸汽壓,使得高質(zhì)量InN薄膜材料的獲得比較困難,嚴(yán)重阻礙了InN材料與器件的研究進(jìn)展,因此制備出高質(zhì)量的InN薄膜材料,使之能夠用于器件研發(fā)是我們需要解決的難題;另一方面,由于InN具有很強(qiáng)的表面電子積聚效應(yīng),使得InN材料的p型摻雜難以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn),阻礙了InN基光電子器件的發(fā)展。因此我們有必要嘗試?yán)闷渌墒斓膒型半導(dǎo)體材料與n-InN組合來(lái)構(gòu)筑InN基異質(zhì)結(jié)器件。NiO作為一種天然的p型半導(dǎo)體材料,具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及較低的電阻率和制備成本,廣泛地應(yīng)用于透明導(dǎo)電薄膜、紫外探測(cè)器及氣敏傳感器等領(lǐng)域。由此我們提出選用NiO作為p型材料與n-InN組合制備InN基異質(zhì)結(jié)器件,這為InN基發(fā)光器件的研究提供了一種新的途徑。本論文基于等離子輔助MBE技術(shù),重點(diǎn)圍繞InN薄膜材料的外延生長(zhǎng)以及InN與NiO組合異質(zhì)結(jié)器件制備兩方面進(jìn)行研究,具體內(nèi)容如下:1.采用等離子輔助MBE技術(shù)在Al_2O_3襯底上制備了InN薄膜材料。研究了襯底氮化對(duì)外延生長(zhǎng)InN薄膜特性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在InN薄膜的外延生長(zhǎng)過(guò)程中引入襯底氮化過(guò)程,可以有效地降低襯底與外延層之間的晶格失配,改善薄膜的表面形貌、結(jié)晶、光學(xué)及電學(xué)特性。分析了In源溫度、N_2流量以及外延溫度等生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)InN材料特性的影響,獲得了優(yōu)化的生長(zhǎng)條件。在In源溫度為650℃、N_2流量為3sccm、外延溫度為460℃時(shí)制備的InN薄膜表現(xiàn)出二維層狀模式生長(zhǎng),薄膜表面光滑平整,InN(0002)面ω掃描半峰寬為540arcsec,其室溫PL譜展現(xiàn)出明顯的近紅外發(fā)光峰,電子遷移率達(dá)到了519cm2/v.s,這為后續(xù)InN在異質(zhì)結(jié)器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.采用磁控濺射方法在Al_2O_3和Si襯底上制備了NiO薄膜材料。研究了濺射溫度及氧分壓對(duì)NiO材料特性的影響,得到了優(yōu)化的制備條件。當(dāng)濺射溫度為300℃及氧分壓為40%時(shí)制備的NiO材料具有較好晶體質(zhì)量和電學(xué)特性,為后續(xù)NiO在異質(zhì)結(jié)器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3.采用PAMBE結(jié)合磁控濺射方法在InN外延層上制備了NiO薄膜材料。研究了InN外延層對(duì)NiO材料特性的影響。相比于直接沉積在Ga N/Al_2O_3襯底上的NiO樣品,沉積在InN外延層上的NiO呈現(xiàn)出一個(gè)合并性較好的表面且單一取向生長(zhǎng),薄膜呈現(xiàn)出良好的p型導(dǎo)電特性。4.采用PAMBE結(jié)合磁控濺射方法在Al_2O_3襯底上制備了p-NiO/n-InN/Al_2O_3異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件。測(cè)試結(jié)果表明制備的InN薄膜具有良好的晶體質(zhì)量及光學(xué)特性。器件具有典型的整流特性,并在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了InN材料在1565nm處的近紅外電致發(fā)光。通過(guò)與PL譜對(duì)比發(fā)現(xiàn),該器件的EL譜與InN的PL譜的發(fā)光范圍基本一致,峰型類(lèi)似,因此推斷出該近紅外電致發(fā)光來(lái)源于InN的帶邊輻射復(fù)合發(fā)光。5.采用PAMBE結(jié)合磁控濺射方法在Ga N/Al_2O_3襯底上制備了n-InN/p-NiO/p-Ga N/Al_2O_3異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件。測(cè)試結(jié)果表明生長(zhǎng)在NiO納米顆粒上的InN具有較光滑且致密的納米點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),其中一些納米點(diǎn)合并形成小島或者不連續(xù)的薄膜。器件具有典型的整流特性,在正向電流注入時(shí),器件展現(xiàn)出明顯的近紅外發(fā)光,發(fā)光峰位于1565nm左右。并且隨著注入電流從30m A增加到75m A,器件的發(fā)光峰強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)。通過(guò)與PL譜的比較,可以推斷出器件EL譜中的近紅外發(fā)光來(lái)源于InN層的禁帶邊輻射復(fù)合發(fā)光。6.采用PAMBE結(jié)合磁控濺射方法在Si襯底上制備了n-InN/p-NiO/p-Si異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件。測(cè)試結(jié)果表明InN具有c軸擇優(yōu)取向,NiO具有單一的(200)擇優(yōu)取向。生長(zhǎng)在NiO顆粒上的InN表現(xiàn)為不連續(xù)的薄膜形貌而不是納米點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。器件具有典型的整流特性,在正向電流注入時(shí),器件表現(xiàn)出明顯的近紅外發(fā)光,發(fā)光峰位于1565nm左右。隨著注入電流的增加,器件的發(fā)光峰強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)。通過(guò)與PL譜的比較,可以推斷出該器件EL譜中的近紅外發(fā)光來(lái)源于InN層的禁帶邊輻射復(fù)合發(fā)光。此外,通過(guò)對(duì)該器件長(zhǎng)時(shí)間直流工作下的EL測(cè)試,考察了器件發(fā)光性能的穩(wěn)定性,并對(duì)器件特性劣化的原因進(jìn)行了分析。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN304.2

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本文編號(hào)：2475926