GaN纳米线阵列的晶体缺陷控制及其光学性能研究

GaN纳米线阵列是构建纳米光电器件和制备高晶体质量GaN单晶薄膜的理想材料，但是其晶体缺陷控制十分困难。本项目拟采用缓冲层/阻挡层技术对GaN纳米线阵列的晶体缺陷进行有效抑制，解决GaN纳米线阵列中晶体缺陷密度过高等关键问题。通过在GaN纳米线阵列和外延衬底之间置入厚度为纳米量级的理想缓冲层材料，实现在GaN纳米线阵列外延生长时对其晶体缺陷传播进行有效阻挡和抑制。通过对其生长界面进行原子级别高分辨透射电镜分析，同时结合光学分析测试(PL/CL)，揭示晶体缺陷在衬底-缓冲层-GaN纳米线阵列生长界面附近的传播规律和缓冲层对缺陷传播的抑制机理，为下一步实现对GaN纳米材料的生长界面进行人为设计提供理论和实验研究基础。此外，纳米缓冲层技术也为研究其它微纳米材料的晶体缺陷控制提供切实可行的参考方法。这不仅具有科学意义，更具有实际应用价值。

氮化镓（GaN），作为第三代半导体材料的典型代表，具有优良的光电性能，在高亮度LED、大功率激光器、深紫外激光器、信号放大器、固态照明及航空航天领域具有重要应用。具有择优生长取向的GaN纳米阵列材料是构建高效纳米光电器件（纳米LED、纳米激光器、太阳能电池、二极管、GaN单晶薄膜同质外延生长用缓冲层材料）的理想材料，但是GaN纳米阵列材料的晶体缺陷控制十分困难。传统的生长GaN纳米阵列材料的方法多是通过MBE或MOCVD在异质衬底上直接进行外延生长而得到的，但是这些方法所使用的衬底材料（如蓝宝石）同GaN纳米阵列材料之间都存在一定的晶格匹配和失配，如蓝宝石同GaN都具有六角结构，但是晶格失配高达13.6%。 这种晶格失配会造成GaN阵列材料中生成大量结构应力，降低GaN晶体质量；同时这种晶格匹配会造成蓝宝石中的原有位错很容易通过GaN的生长界面进入GaN晶体内部，导致晶体缺陷密度过高，降低光电转换效率。本项目就是通过在GaN和蓝宝石衬底之间插入一层阻挡层来阻碍蓝宝石中的位错传播和插入一层缓冲层来实现GaN纳米阵列的生成和应力释放，进而达到降低GaN纳米阵列材料缺陷密度的目的。按照本项目的研究计划，我们先利用CVD的方法在蓝宝石衬底上直接外延生长了GaN纳米阵列材料，并利用高分辨透射电镜、X射线衍射和阴极射线荧光技术对其进行系统的微观结构和发光性能表征，发现直接外延生长的GaN纳米阵列材料分别在紫外光区和可见光区均具有非常强的发光；随后，又通过电子束沉积的方法在蓝宝石和Si等衬底表面沉积了Au阻挡层和Al缓冲层，并通过同样的研究手段对制备的GaN纳米阵列材料进行相应的微观结构和光学分析。发现插入阻挡层和缓冲层后，GaN纳米阵列材料的生长过程已经发生本质变化。Au被限制在AlN缓冲层和蓝宝石衬底之间而无法作为催化剂参与GaN的生长，但是Au颗粒层显著抑制了蓝宝石衬底中的位错传播。光学研究结果表明：阻挡层和缓冲层的插入更是显著抑制了GaN纳米阵列材料的缺陷发光，我们只有在紫外光区观察到非常强的紫外发光，而可见光区的缺陷发光已经被显著抑制，这说明阻挡层和缓冲层在抑制GaN纳米阵列材料的位错传播和缺陷发光方面效果十分显著。这一研究结果对于改善和提高基于GaN纳米阵列材料的纳米光电器件的光电转换效率十分有益，而且这一方法也可以应用到其它半导体纳米阵列材料的晶体缺陷控制与光电效率