一维GaN纳米材料的可控制备及其光电探测器研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:myevanlee
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近年来,以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物,已成为制备紫外(UV)探测器件的理想材料。由于纳米材料具有与体材料不同的新颖特性,GaN基半导体材料的研究也转向了材料及器件的纳米化。然而,GaN纳米材料可控制备困难,有效单位产量低,器件性能有待提升等难题制约着GaN基UV探测器的发展。基于此,本论文围绕GaN纳米材料基光电探测器在材料可控生长和载流子调控的两大难题开展研究工作,成功制备了高性能的UV光电探测器。主要研究内容如下:采用金属催化剂辅助生长法,实现了高质量一维(1D)结构GaN纳米线(Nanowires,NWs)生长。研究了生长温度、氨气(NH3)流量和等离子体射频功率对GaN纳米材料的影响。温度与GaN NWs横向生长速率呈正相关,在高温条件下合成了松树状、薄片状等新颖结构。NH3含量和射频功率显著影响GaN NWs的尺寸、形貌,容易诱导GaN NWs表面二次生长。通过调控等离子体的诱导作用,合成了一种新型的三维(3D)结构GaN NWs,具有良好的单晶特性和强366.8 nm的近带边发光特性。构建了基于1D GaN和3D GaN NWs的金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器,实现了紫外响应光电探测器的制备。基于此,创新性地制备了基于单根1D GaN和3D GaN NWs的光电探测器。在UV光照射下,光生载流子主要在一维通道内迁移,没有内部缺陷、晶界散射作用,因此载流子能快速被两侧电极收集,器件表现出更优异的光灵敏度和响应速度。在4 V偏压下,光响应度分别达到2.3×10~6A/W和2.8×10~6A/W,响应的上升时间(tr)/衰减时间(td)分别为80/100 ms和180/160 ms。设计了单根GaN NWs/二维(2D)本征和p型掺杂的二硫化钼(Mo S2)的新型异质结构,实现了超快响应紫外光电探测器的制备。这类1D/2D混合集成器件,不仅兼具1D材料与2D材料独特的性质,而且内建电场的存在能够加速光生载流子分离,提升器件响应速度。同时,铌掺杂后的光生载流子注入的效率提高,基于GaN NWs与p-Mo S2异质结型探测器表现出更优异的光电性能。在365 nm UV光,4 V偏压下响应度达到2.34×10~3A/W,响应速度(tr/td)分别达到12/20 ms。
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