氮化镓/硅纳米异质结构阵列新型近红外发光二极管研究

近年来，随着近红外技术尤其是近红外光谱技术的快速发展，人们对近红外光源提出了更高要求。近红外发光二极管（NIR LED）因其体积小、功耗低、性能高、寿命长等优点而成为新一代近红外光源的主导技术。申请者从半导体异质结的发光原理出发，首次提出通过能带匹配调制或选择异质结中载流子的辐射复合途径，并利用构成异质结的两种半导体的导带-价带差，可以使载流子在异质结界面实现近红外辐射复合发光的器件设计思想，并在前期预研中通过构造GaN/Si纳米异质结构阵列获得了发光波长～830 nm、带宽小于18 nm的红外光发射。本项目拟在前期研究基础上，通过对GaN/Si纳米异质结构阵列的可控制备，对其光致/电致发光特性、伏-安特性、电-光转换特性、近红外发光波长调制、带宽等特性展开研究，建立相应的物理机制与模型，最终为高性能NIR LED的研制提供一种新的器件设计理念和材料选择思路。

高质量硅基宽带隙化合物半导体纳米异质结构对于发展新型纳米光电器件具有重要的意义。本项目以氮化镓/硅纳米孔柱阵列（GaN/Si-NPA）发光二极管（LED）的制备、电致发光性能及其物理机制为研究目标和内容，针对可能对其光电特性产生影响的重要因素（如缺陷控制等），从材料体系以及器件的设计与构建、结构表征与性能测试、物理机制探索等三个方面进行了系统的研究，项目取得的主要研究进展如下。（1）以Si-NPA为功能性衬底，采用化学气相沉积技术制备了一种n-GaN/p-Si纳米异质结构阵列。通过控制GaN沉积条件以及对Si-NPA表面进行氧化、氮化或碳化预处理，实现了对GaN/Si-NPA界面化学组成、能带结构和光电特性的调控。（2）制备了基于GaN/Si-NPA的LED原型器件。通过对GaN/Si-NPA中缺陷种类和浓度的调控，分别实现了高单色性黄光和近红外光（NIR）发射。（3）提出了“利用构成异质结两种半导体的导带-价带差实现载流子在异质界面处辐射复合发光”的物理模型，制备了器件结构为ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Al的NIR LED原型器件，实现了直接基于GaN/Si纳米异质结构的近红外发光。优化条件下，所制备LED的发光峰位于830 nm、半高宽为18.5 nm。（4）作为对多界面纳米异质结概念的拓展实验验证，可控制备了CdS/Si-NPA纳米异质结构阵列和色温、色坐标可调的高显色指数白光LED和纳米太阳电池等原型器件。多界面纳米异质结概念的建立以及对其界面结构和性能的调控，将为探索纳米光电器件奠定重要的物理基础。