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铝镓氮材料的制备及其光电性能的研究

作　者: 石侃州
导　师: 王雪文
学　校: 西北大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 溶胶-凝胶法 AlxGa1-xN 密度泛函理论
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

半导体纳米材料是当今材料学研究最重要的一部分,其优异的特性决定了它巨大的发展潜力。以Ⅲ-Ⅴ族化合物材料为代表的第三代半导体材料,具有直接带隙、高电子迁移率和高热导率、稳定的物理和化学性质使其成为各国科研人员研究的热点。AlxGa1-xN作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,其禁带宽度可以在3.4eV(GaN)到6.2eV(AlN)范围之间连续可调,截止波长可覆盖200nm-365nm波段范围,是制作紫外发光二极管(LED)和紫外探测器的理想材料[1]。本文在基于溶胶-凝胶法和高温氨化法两步法基础上,分别选取硝酸镓为镓源,硝酸铝和氯化铝为铝源,氨气为氮源,柠檬酸为络合剂,通过添加适量的催化剂和改变实验工艺条件,制备出AlxGa1-xN(0≤x≤1)。对于所制备出的样品,用XRD分析、SEM分析测试其成分、结构和表面形貌,用PL谱分析、椭圆偏振光谱分析测试其光致发光和光学特性,用HaLL分析测试其电学特性,结果表明制备出了GaN、AlN、AlxGa1-xN(0≤x≤1)薄膜材料和GaN纳米棒,并研究了其光学和电学性质的变化差异。采用第一性原理的密度泛函理论,用CASTEP软件包建立AlxGa1-xN(x=0.5)结构模型并进行计算分析,研究当引入单原子缺陷时其能带结构和电子态密度的影响,分析了其光电学性能随x的变化规律,结果与实验数据趋势一致,进一步证明了实验制备出的材料性能是可靠的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-8
第一章绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 Al_xGa_(1-x)N材料概述  8-10
    1.2.1 晶体结构  8-9
    1.2.2 Al_xGa_(1-x)N的性质  9
    1.2.3 Al_xGa_(1-x)N的研究进展及应用  9-10
  1.3 本论文的选题意义和研究内容  10-14
第二章 GaN和AlN的制备方法及表征技术  14-24
  2.1 氮化镓材料介绍  14-15
  2.2 氮化镓材料的制备方法  15-18
  2.3 氮化铝材料的介绍  18-19
  2.4 氮化铝材料的制备方法  19-21
  2.5 样品的表征方法及性能测试技术  21-23
    2.5.1 金相光学显微镜  21
    2.5.2 X射线衍射分析仪(XRD)  21
    2.5.3 扫描电子显微镜(SEM)  21-22
    2.5.4 能量色散型X射线荧光分析仪(EDS)  22
    2.5.5 发光特性的测试  22
    2.5.6 光学特性的测试  22
    2.5.7 电学性能的测试  22-23
  2.6 本章小结  23-24
第三章 GaN材料的制备及表征  24-34
  3.1 实验设计  24-29
    3.1.1 实验药品和实验仪器  24-26
    3.1.2 衬底的选择及清洗步骤  26-27
    3.1.3 溶胶的制备  27-28
    3.1.4 涂镀  28
    3.1.5 预处理  28
    3.1.6 高温氨化  28-29
  3.2 GaN的表征与分析  29-33
  3.3 氮化镓(GaN)纳米线的生长机理  33
  3.4 本章小结  33-34
第四章 AlN粉体和Al_xGa_(1-x)N的制备及表征  34-52
  4.1 氮化铝(AlN)的制备及表征  34-36
    4.1.1 氮化铝(AlN)的生长机理  34
    4.1.2 实验设计  34-35
    4.1.3 AlN粉体的表征与分析  35-36
  4.2 Al_xGa_(1-x)N的制备及光电性能的研究  36-50
    4.2.1 铝镓氮材料的制备  36-37
    4.2.2 实验过程  37-38
    4.2.3 反应产物的XRD分析  38-42
    4.2.4 反应产物的SEM分析  42-46
    4.2.5 Al_xGa_(1-x)N的光学性能的测试  46-47
    4.2.6 Al_xGa_(1-x)N的光致发光  47-49
    4.2.7 Al_xGa_(1-x)N电学性能的测试  49-50
  4.3 本章小结  50-52
第五章 Al_xGa_(1-x)N材料的第一性原理计算  52-64
  5.1 第一性原理介绍  52-53
  5.2 密度泛函理论(DFT)  53-55
    5.2.1 Hohenberg-Kohn定理  53
    5.2.2 Kohn-Sham方程  53-54
    5.2.3 交换关联能量  54-55
  5.3 CASTEP软件简介  55
  5.4 模型建立和计算方法  55-57
  5.5 计算结果分析  57-62
  5.6 本章小结  62-64
第六章工作总结与展望  64-66
参考文献  66-72
致谢  72

铝镓氮材料的制备及其光电性能的研究

内容摘要

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