III族氮化物多元合金纳米线制备与原型器件构建基础问题研究

Group III nitride semiconductors have been widely used in tunable light source, short wavelength optical detectors, field emission displays and other optoelectronic field because of their outstanding physical and chemical properties. The target of the project refers to some fundamental problems involved in obtaining high quality III nitride semiconductor nanowires and corresponding nanoscale optoelectronic devices. Starting from the synthesis and evaluation of III-nitride nanowires, the project focuses on the investigation on growth thermodynamics, structural and optical properties of III- nitride semiconductor nanowires by chemical vapor deposition, discussing some basic material and physical problems in the deep ultraviolet detector and display devices. In order to realize the controllable growth process, detailed study on the preparation of III-nitride ternary or quaternary nanowires and their structural and physicochemical properties will be conducted. Evaluation the dependence of chemical composition and morphology of III-nitride ternary or quaternary nanowires on the photoelectric performance will be carried out. The project will probe into the application feasibility of III-nitride nanowires in nanoscale optoelectronic devices. The research and exploration of this project will benefit the understanding of controllable synthesis of multi-component semiconductor nanowires, provide the material basis for the development of nanoscale optoelectronic devices.

III族氮化物半导体材料因其优异的物化特性在连续可调谐光源、短波长光探测器、以及场发射显示器等光电子领域有着广泛的应用。本项目以获得高质量III族氮化物多元体系纳米材料及纳米尺度光电子器件所涉及的新材料与新工艺基础为目标。从材料的生长和评测入手，利用化学气相沉积法着重研究III族氮化物多元体系纳米材料的生长热动力学机制、结构和光学性能，探讨其在深紫外探测器、显示等原型器件方面的材料与物理应用等基础问题。研究并掌握III族氮化物多元体系纳米线的制备工艺、结构和物化特性，并实现对III族氮化物纳米材料中阳离子组分的可控。评估和研究III族氮化物多元体系纳米线的组分和形貌调控机制及材料组分和形貌对光电性能的影响，探讨III族氮化物多元体系纳米线应用于纳米尺度光电子器件的可行性。本项目的研究和探索将有助于了解多元宽禁带半导体纳米材料的可控制备，为研制纳米尺度光电子器件提供材料基础。

III族氮化物半导体材料体系，主要包括 AlN、GaN、InN及它们的二元、三元和四元合金化合物，均属于直接带隙半导体材料，带隙宽度从InN的0.7 eV至GaN的3.4 eV，再到AlN的6.2 eV全组分连续可调。为了满足未来微纳米器件的商业化应用的需求，要求制备大面积高晶体质量、制备过程简单而低成本且性能可控的氮化物纳米材料尤为必要。项目研究了AlN基纳米材料在不同导电衬底上(石墨片和碳布)的场发射性能。同时，也系统研究了生长条件，如气体流量、生长温度、生长时间、源的蒸发温度等，对AlxGa1-xN纳米材料的形貌和组分的影响，详细讨论了不同形貌AlxGa1-xN纳米材料的生长机制，并探讨了AlxGa1-xN纳米材料的组分与光学性能以及场发射之间的关系，以及Ⅲ族氮化物的光探测和电化学储能器件的应用，取得了一些有价值且有指导意义的成果。(1).用化学气相沉积法在柔性石墨片和碳布上成功制备得到了大面积的AlN纳米结构； （2）用化学气相沉积法在Si (100)上成功制备得到了不同形貌的AlxGa1-xN纳米结构；（3）利用无催化剂的化学气相沉积法制备得到了单一晶相、不同组分的AlxGa1-xN纳米结构，并研究了组分对光电性能的影响；（4）基于Ⅲ族氮化物的光探测和电化学储能器件的应用。