氮化物微/纳米线中的压电电子学效应研究
Ⅲ族氮化物具有可调、直接带隙，高热导率，高击穿电场，高抗辐射能力以及稳定的物理化学特性等优势，已经被广泛应用到各种电子、光电子器件等。尤其利用其压电和半导体特性构建压电电子学效应器件的研究已然成为新领域。另一方面，对于微纳尺度Ⅲ族氮化物材料而言，由于尺寸的减小，材料的物理化学性质的变化导致一些新颖的现象将会出现，在宏观上表现出光、电、力学等方面性能的变化。而且，相比于大体积块状材料，在很小的机械激励条件下，材料内部就可产生很强的压电极化，即更易应用于压电半导体器件中来实现超高灵敏度和电流增益的目的。因而基于Ⅲ族氮化物微纳结构的压电电子学效应研究具有重要意义。但近些年来，基于Ⅲ族氮化物微/纳米线的压电电子学效应研究和相关理论尚不深入，有待进一步发展和研究。 本学位论文基于Ⅲ族氮化物材料构建了不同的微/纳米线结构（GaN、AlGaN/AlN/GaN、InGaN/GaNMQW），探究了Ⅲ族氮化物微/纳米线中半导体效应与压电效应的耦合作用，即压电电子学效应。本学位论文的研究内容包含如下四个方面： 1、基于PN异质结结构和肖特基结结构，以纤锌矿GaN纳米线为例，详细阐述了压电电子学效应理论，包括压电势调控能带理论和电流密度方程。 2、采用自上而下方法制备不同结构的Ⅲ族氮化物微/纳米线（包括GaN微米线、InGaN/GaNMQW微米线和AlGaN/AlN/GaN异质结纳米线），即首先利用金属有机化合物化学气相沉淀生长高质量的外延层，然后采用微纳加工工艺（包括紫外光刻、电感耦合等离子体刻蚀、电化学剥离等）获取微纳尺寸结构氮化物材料。X射线衍射，透射电子显微镜等材料表征手段证明了实验制备得到了高质量的氮化物微/纳米线结构，另外，拉曼光谱分析和有限元模拟计算表明了剥离后的纳米线异质结的残余应力降低，这对异质结内部极化有很好的缓和作用。 3、利用制备的微/纳米线结构构建三种应变传感器器件，探究应力对GaN/Ag肖特基结、InGaN/GaNMQW异质结和AlGaN/AlN/GaN异质结界面特性调控的机理及电学特性调控的机理。研究表明压缩应力和拉伸应力引起的压电极化（压电势）方向相反，从而导致对界面能带及电学传输特性的调控具有相反的作用。另外，由于界面处极化电荷密度的变化，这将导致界面处载流子的浓度及分布的变化，这对电学传输特性有着重要的影响。 4、利用半导体器件仿真软件Atlas对异质结器件进行模拟，进一步分析和验证应变对量子阱能带、压电势及载流子的分布的影响。 通过以上内容的研究，进一步丰富了氮化物材料中的压电电子学效应研究，而且，这也为氮化物微纳材料相关的新型器件的设计提供了理论基础。
氮化物微;纳米线;微纳结构;半导体效应;压电电子学
广东工业大学
硕士
材料物理与化学
何苗
2021
中文
TB383
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）