賈若飛，楊麗麗，楊 豐，王 飛，楊 慧，李 嵐

(天津理工大學(xué)，顯示材料與光電器件教育部重點實驗室，天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料物理所，天津 300384)

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一維GaN納米材料制備及其光電器件研究進(jìn)展*

賈若飛，楊麗麗，楊 豐，王 飛，楊 慧，李 嵐

(天津理工大學(xué)，顯示材料與光電器件教育部重點實驗室，天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料物理所，天津 300384)

一維GaN納米材料相對于薄膜材料在光電器件應(yīng)用方面具有諸多優(yōu)勢，本文主要論述一維GaN納米材料的主要制備方法及其光電器件應(yīng)用的研究進(jìn)展。首先分別介紹采用MOCVD、MBE、CVD及模板法制備一維GaN納米材料，重點論述GaN納米材料的結(jié)構(gòu)與形貌調(diào)控。其次介紹一維GaN納米材料分別應(yīng)用于主要光電器件包括LED、太陽能電池、激光器及光探測器的研究動態(tài)，討論納米材料性能、結(jié)構(gòu)以及制備技術(shù)對其器件性能的影響。最后對一維GaN納米材料的發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

GaN；納米線；CVD法；LED；光探測器

0 引 言

一維GaN納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现?，它具有直接帶隙、較大的禁帶寬度(室溫下Eg=3.39 eV)[1-2]、高的電子遷移率[3-5]、和很好的熱學(xué)穩(wěn)定性[6-7]，在紫外光或藍(lán)光發(fā)射器、探測器、高速場效應(yīng)晶體管以及高溫微電子器件方面有很好的應(yīng)用前景[8-13]。

首先，一維納米線呈現(xiàn)出柱狀形態(tài)，以及在二維方向上對電子、空穴以及光子具有限制作用，使其在納米光電子器件的構(gòu)建模塊上具有廣泛的應(yīng)用[2,14]。其次，一維GaN納米材料的長徑比和比表面積高，有利于增強其光催化活性[15-16]。再次，與異質(zhì)外延生長的GaN薄膜相比，薄膜中由于晶格失配會產(chǎn)生高的位錯密度，而GaN納米線則由于接觸面積小而容易釋放應(yīng)力[17-18]，這極大地降低了納米線的內(nèi)部缺陷密度，使其相應(yīng)的光電子器件的效率更高以及使用壽命更長。另外GaN納米棒陣列還可用于制造柔性器件[19-20]，K. Chung等在石墨烯膜上生長一層GaN納米棒，并且成功制備成垂直結(jié)構(gòu)的柔性LED器件[19]。最后，GaN納米線還具有優(yōu)異的電子傳輸特性[4,21-22]，可應(yīng)用于太陽能電池并使其能量轉(zhuǎn)換效率得到提高[23]。除此之外，GaN納米線還可能實現(xiàn)在低成本襯底上制造復(fù)雜半導(dǎo)體光電子器件[24]，同時GaN納米線可以在多種基底上生長，因而可作為集成CMOS的備選材料。

目前，已有多種方法用于制備一維GaN納米線，主要包括金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)以及模板法，同時基于一維GaN納米線的光電子器件研究目前也如火如荼，主要是利用其一維GaN的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來制備光電子器件，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括微腔激光器、光電探測器、LEDs、太陽能電池、化學(xué)和氣體傳感器、導(dǎo)波管和非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換器等。本文主要從一維GaN納米材料制備和光電子器件兩個方面進(jìn)行闡述。

1 一維GaN納米材料制備的研究進(jìn)展

1.1 MOCVD法

MOCVD法是在氣相外延生長的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型外延生長技術(shù)。T. Kuykendall[25]等首次通過MOCVD法合成了高質(zhì)量的單晶GaN納米線。以TMGa和NH3分別作為鎵源和氮源，H2作為載氣，在Si、a 面藍(lán)寶石和c 面藍(lán)寶石襯底上，以Au、Fe和Ni為催化劑，通過VLS機理生長出GaN納米線。其結(jié)果觀察到GaN納米線直徑在15～200 nm之間。TEM結(jié)果顯示，GaN納米線基本上沿[210]或[110]方向進(jìn)行取向生長，在[210]晶向的納米線中發(fā)現(xiàn)有三角形截面。J.F. Qian等[26]通過MOCVD法研究了生長溫度對于GaN納米線結(jié)晶性以及表面形態(tài)的影響。他們以硅烷作為n型摻雜劑，在藍(lán)寶石襯底上采用低溫(775 ℃)和高溫(950 ℃)分別生長GaN納米線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫下生長的GaN納米線具有更好的形態(tài)，其長度均一性好，表面平滑，具有三角形截面，直徑為100～300 nm。其晶體結(jié)構(gòu)為單晶纖鋅礦，沿著[11-20]取向生長，如圖1所示。

圖1 (a) 高溫n型 GaN納米線的高分辨率TEM圖，插圖為納米線沿著[11-20]方向生長的衍射圖案， (b) 高溫納米線三角橫截面的SEM圖

Fig 1 (a) High-resolution TEM image of an n-type MOCVD GaN nanowire along[0001] zone axis and corresponding diffraction pattern indicating [11-20] growth direction, (b) triangular cross section SEM image of nanowires

隨著研究的發(fā)展，柔性襯底的市場需求越來越大。石墨烯由于其柔韌性，透明性，便宜等優(yōu)點，被用作柔性襯底開始引起人們極大的關(guān)注。J. B. Park等[16]采用MOCVD法在石墨烯襯底上生長GaN納米線，不過同樣需要Ni作催化劑，通過VLS機理生長單晶GaN納米線。其具體步驟是先將石墨烯轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上，然后在其上覆蓋厚度為0.5～2 nm的Ni薄層，經(jīng)過加熱退火形成Ni液滴，最后以TMGa，NH3為鎵源和氮源生長GaN納米線。納米線直徑為50 nm，納米線密度為5×109～7×109/cm2。實驗表明，鎳層的厚度會影響GaN納米線形貌，其最優(yōu)厚度為2 nm。此石墨烯上的GaN納米線可應(yīng)用于光催化器件，首先在大面積石墨烯薄膜上使用Ni催化劑生長GaN納米線，之后將納米線層轉(zhuǎn)移到處理過的PET基材上，其制備過程如圖2所示。為了解決納米線與襯底之間的失配問題，K. Chung和H. Beak等[19]在石墨烯上預(yù)沉積GaN緩沖層，生長出均勻性好且覆蓋整個石墨烯的GaN納米棒，其面密度為107cm-2, 納米線頂端呈六邊形，并垂直排列于襯底上。這相對于直接在石墨烯上生長的GaN納米線，其排列更加整齊。

圖2 制備柔性GaN納米線光催化劑器件示意圖

Fig 2 A schematic diagram illustrating of the process used to fabricate the flexible photocatalysts using GaN nanowires grown on graphene films

1.2 MBE法

盡管目前基本上是通過VLS機理生長半導(dǎo)體納米線，但是MBE法卻能通過調(diào)整晶體表面熱力學(xué)驅(qū)動力和晶面粘著系數(shù)等，直接無催化生長GaN納米線。MBE法生長GaN納米線，是一種利用自組織現(xiàn)象致使納米線進(jìn)行自誘導(dǎo)生長的方式。自誘導(dǎo)生長方式使得納米線擺脫張力的束縛，直接在襯底上外延生長，其納米線中無缺陷延伸，光致發(fā)光強度高，結(jié)晶較好，但納米線會產(chǎn)生傾斜、扭曲生長，這主要是由Si-N非晶界面層造成。在潔凈的MBE室中反應(yīng)，納米線雜質(zhì)濃度極低，具有優(yōu)越的顯微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[28-31]。K. A. Bertness[27]實驗表明，在830 ℃、超高壓 N2條件下，因為GaN (0001)面的粘著系數(shù)高于(1100) 面，所以納米線會自發(fā)形核和生長，研究組指出，當(dāng)GaN納米線頂端的粘著系數(shù)大于側(cè)壁時，Ga原子會更多地撞擊納米線頂端生長，生長的納米線直徑約為500 nm，表現(xiàn)出垂直密集生長的特性，如圖3所示。但在這種條件下，Ga液滴不穩(wěn)定，不能作為納米線生長的催化位點，這也解釋了為什么在MBE中沒有觀察到Ga液滴。

R. Calarco研究組[32]采用頻射等離子體分子束外延 (PAMBE) 法，在Si (111) 基底上無催化生長GaN納米線。其納米柱與襯底間的外延生長關(guān)系為GaN [0001]/Si (111)，但有部分傾斜。實驗發(fā)現(xiàn)基底溫度極大地影響納米線的形核時間，溫度越高其形核時間越長。GaN納米線能通過偽共晶生長，晶格失配小，位錯密度低，結(jié)晶質(zhì)量和熒光效率高。雖然MBE法能生長納米線，但生長機制尤其是形核中存在許多不定因素。K. A. Bertness研究組[33]采用氣源MBE法，在Si (111) 基底上無催化生長GaN納米線。生長的GaN納米線橫截面為六邊形，直徑為50～150 nm，長約2 μm。GaN納米柱在基底上垂直生長，其室溫發(fā)光強度高，晶體質(zhì)量很高，缺陷低。

圖3 生長在Si基底上的GaN納米線FESEM圖

Fig 3 FESEM top view and side view of the morphology for GaN nanowire on Si substrates

1.3 模板法

模板法一般先用刻蝕等方法制備模板，并將其放在原料上方加熱，氣源通過模板的通道相互反應(yīng)生成納米材料，最后除去模板獲得GaN納米材料。1997年，S.S. Fan[34]以15 nm碳納米管為模板，在900 ℃下采用CVD法反應(yīng)合成了直徑4～50 nm、長度20 μm的GaN納米棒。具體為：將Ga和Ga2O的混合物放入坩堝中，再將碳納米管放置在孔徑為3～5 μm多孔氧化鋁板上，加熱時Ga2O氣體向上流動至碳納米管區(qū)域，并與NH3反應(yīng)生成GaN納米棒。早期的模板法非常簡單，得到的GaN納米線直徑也較均勻，不足之處是GaN是無定形態(tài)。G.S. Cheng[35]采用陽極氧化鋁 (AAO) 膜作模板，在1 000 ℃下利用納米In顆粒作催化劑， Ga2O的氣體通過AAO蜂窩結(jié)構(gòu)中的納米通道反應(yīng)2 h，合成了長40～50μm、直徑 20 nm的單晶GaN納米線。該GaN納米線高度有序，在可見光范圍內(nèi)有強熒光發(fā)射。P. D. Yang[36]先在藍(lán)寶石晶圓上采用MOCVD法沉積ZnO納米線 (110) 陣列，利用此ZnO陣列作模板沉積GaN，然后在600 ℃下利用H2和Ar2的混合氣除去ZnO模板，最后得到了內(nèi)徑30～200 nm、壁厚5～20 nm的空心GaN納米管。如圖4所示，納米管陣列高度有序，插圖顯示了納米管和襯底之間的裂縫。相比之前的研究，P. D. Yang合成的單晶且空心GaN納米管將有利于納米光電子器件與生化傳感器的應(yīng)用，且空心GaN納米管中殘留的ZnO成分極少，克服了模板污染的缺點，并且此法也適用于其它半導(dǎo)體材料。

圖4 模板法制備GaN空心納米管陣列的SEM圖

Fig 4 SEM image of the resulting GaN nanotube array

C.H. Chiu[37]利用SiO2納米棒陣列作模板，在藍(lán)寶石襯底上制備出了低位錯密度的GaN納米棒。他們首先采用MOCVD在襯底上沉積200 nm厚的SiO2，接著蒸鍍一層10 nm的Ni，經(jīng)快速退火得到自組裝Ni團簇，然后自組裝Ni團簇作為蝕刻掩模，采用離子蝕刻法得到SiO2陣列，最后采用MOCVD來生長GaN納米棒。TEM表明，二氧化硅納米棒之間的空隙和GaN橫向外延生長法能引入堆垛層錯，有效地減少穿透位錯密度，并且在此基礎(chǔ)上所制造的LED器件，其器件的輸出功率和外部量子效率相比常規(guī)LED分別提高了52%和56%。

1.4 CVD法

CVD(化學(xué)氣相沉積)法具有儀器簡單，操作簡便，制備成本低等優(yōu)點。CVD法一般將襯底放置在石英管的下游，金屬反應(yīng)源放置在上游，并通入NH3作為反應(yīng)氣體，待石英管反應(yīng)爐升溫，保溫一段時間使GaN成核、生長，通過控制氣壓、氣體流速、生長溫度及生長時間等參數(shù)來調(diào)節(jié)納米線的形貌[39-41]。

目前CVD法主要有使用催化劑和無催化直接生長法。催化劑有利于GaN納米線的成核和生長，但會引入催化劑顆粒雜質(zhì)，從而影響器件性能；而無催化直接反應(yīng)生長，其納米線形貌不易控制，且難以得到高質(zhì)量和形貌一致的納米線。目前廣泛采用Ni[8,42]、Au[15]、In[39]等金屬顆粒作為催化劑來輔助生長，通過VLS生長機理來合成納米線[43]。G. S. Cheng 等[39]以In納米顆粒作催化劑合成GaN納米線，在合成GaN納米線的后半部分通過摻入Mg而形成具有p-n結(jié)的納米線，在2.6 K的條件下顯示出了優(yōu)異的整流特性。A. Patra小組[15]以氧化鎵和二氧化錳作為反應(yīng)源，以Au納米顆粒作催化劑，在Si(100)襯底上合成了鋸齒狀的GaN納米線。通過SEM觀察，單晶六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN納米線濃密、均勻的覆蓋在Si襯底表面，而且并沒有引入Mn雜質(zhì)。

R. Jacobs[28]等直接用金屬鎵和氨氣在850～900 ℃反應(yīng)，合成了大尺寸的六方纖鋅礦GaN納米線和納米管，其長度大約為500 μm，直徑在26～100 nm之間，實驗表明納米線的尺寸主要受反應(yīng)溫度和通入氨氣流速的影響。V. Purushothaman等[44]用CVD法，通過自催化來生長GaN納米線，他們主要研究了在不同反應(yīng)壓力下生長出納米線的形貌差別。實驗表明在大氣壓下通過V-L-S生長的納米線雜亂無章的纏繞在一塊，直徑為80 nm，而在200Torr下通過V-S機理生長的納米線為準(zhǔn)陣列形貌，平均直徑為160 nm。通過無催化劑CVD法制備GaN納米線，如何控制納米線的形貌以及其生長機理如何將會是研究重點。

2 一維GaN納米材料制備光電器件的研究進(jìn)展

2.1 一維GaN基LED器件

GaN是直接躍遷型半導(dǎo)體材料，有著誘人的光學(xué)性質(zhì)，其合金的帶隙覆蓋了從紅外到紫外的整個光譜范圍，是目前制備LED的核心材料。H.M. Kim[45]采用HVPE法生長GaN納米棒，并成功制備了納米紫外p-n結(jié)型LED，實現(xiàn)了單晶GaN在納米發(fā)光器件中的應(yīng)用。其LED器件的發(fā)光波長為390 nm，正向偏置電壓為0.5 V。此后H.M. Kim[46]采用MOCVD在藍(lán)寶石襯底上制備了無位錯InGaN/GaN多量子阱納米棒式LED。此納米LED采用“自下而上”法制備，即InGaN/GaN MQW納米棒依次向上生長，形成多層結(jié)構(gòu)的納米柱陣列LED。該器件比傳統(tǒng)LED具有更小的體積，驅(qū)動電流為20 mA時，發(fā)光峰位于460 nm，光發(fā)射強度為傳統(tǒng)LED的4.3倍。圖5為InGaN/GaN納米棒多層量子阱示意圖，插圖為SEM觀察的量子阱截面。

圖5 InGaN/GaN納米線線陣列多量子阱LED截面示意圖(左)和SEM圖(右)

Fig 5 Schematic diagram (left) and SEM image (right) of cross-sectional InGaN/GaN MQW NRA LEDs

C. Hahn[47]采用鹵化物化學(xué)氣相沉積在c面藍(lán)寶石上制備了高品質(zhì)長程有序的InGaN納米線。光譜測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)InGaN納米線的直接帶隙在黃-橙光區(qū)域，其LED器件實現(xiàn)發(fā)光波長可調(diào)，In含量依次從0.06，0.28變化到0.43，發(fā)光波長依次從藍(lán)，綠變化到橙色。X. X. Fu[48]制備了以氧化鋁膜光子晶體基礎(chǔ)改進(jìn)的GaN柱型LED，薄氧化鋁膜襯底有良好的柔韌性，能與GaN柱保持良好的接觸。其器件性能為：電流在20 mA下，發(fā)光效率比傳統(tǒng)GaN薄膜型LED提高了94%，發(fā)光功率達(dá)到了12.2 mW/m2。C.Y. Chen[49]在Mg摻雜的GaN襯底上外延生長GaN納米線，以此為基礎(chǔ)制備了LED器件。導(dǎo)電AFM表征發(fā)現(xiàn)該器件的輸出功率密度接近12.5 mW/m2，并且采用ZnO基的壓電納米發(fā)電機就可以點亮GaN納米線LED。

2.2 一維GaN基光探測器

GaN禁帶寬度為3.4 eV，納米線可應(yīng)用于365 nm以下的紫外光探測器，同時GaN和InN的合金能夠生成禁帶寬度能夠在一定寬范圍變化的InxGa1-xN，從而也能制成具有不同的截止波長的探測器。

S. Han等[7]研究小組使用單根GaN納米線制備了FETs基紫外光探測器。首先利用CVD法VLS生長直徑為15 nm的GaN納米線，然后將GaN納米線放置在覆蓋500 nm SiO2的摻雜Si晶片上，再在單根GaN納米線上進(jìn)行光刻和沉積Ti/Au形成源、漏電極，源漏間溝道長度為2 μm，Si襯底作為背柵。該器件在254 nm UV光照射(100 s)時，具有穩(wěn)定的高導(dǎo)電率狀態(tài)，且無明顯衰減現(xiàn)象。當(dāng)器件在偏壓為1 V并暴露在紫外光下，納米線電導(dǎo)1 s內(nèi)提高到飽和值的58.4%，并在2 s達(dá)到了81.9%。此GaN納米線制成偏振的紫外光器件，其電導(dǎo)率隨著入射光的偏振角度而周期性的變化。

J.W.Lee等[22]研究小組制備GaN納米線柵門結(jié)構(gòu)的光探測器。首先將GaN納米線從Si襯底表面剝離下來，然后將其浸入在異丙醇中超聲10 min，再將其制備柵門結(jié)構(gòu)。施加電場使GaN納米線排列分布在Ti/Au電極的邊緣，器件性能是受電極端電壓和電極圖案大小的影響。經(jīng)測試，最優(yōu)條件是5 V電極電壓和5 μm電極邊緣尺寸，在365和254 nm紫外光照射下，不同的能量密度下均能獲得很好的光響應(yīng)性能，器件的開/關(guān)比為103，且GaN納米線的電子濃度為1018/cm3和電子遷移率為52.1 cm/Vs 。

由于在紫外光譜波段尚缺乏透明導(dǎo)電材料，而目前石墨烯的出現(xiàn)，其高紫外光透過性和優(yōu)異的導(dǎo)電性，使得紫外探測器性能能進(jìn)一步提高。A.V. Babichev等[13]研究小組使用GaN納米線和石墨烯復(fù)合制備紫外光探測器。首先GaN納米線采用等離子輔助分子束外延生長，后將CVD生長的石墨烯濕轉(zhuǎn)印到GaN納米線上，再通過沉積Ti/Al/Ti/Au合金形成電極接觸，并反應(yīng)離子蝕刻使石墨烯結(jié)構(gòu)化制成微型探測器，其結(jié)構(gòu)示意圖和探測器在不同情況下電流與電壓的關(guān)系，如圖6所示。該器件在1 V偏壓、357 nm光照射下，其光響應(yīng)度可達(dá)25 A/W。然而在高電場激發(fā)下，光電流飽和和光反應(yīng)率都快速下降。

圖6 探測器在暗處和在紫外光照射下電流與電壓的關(guān)系。插圖為設(shè)備原理圖：1-石墨烯片，2和3-金屬觸點，4-n型摻雜Si(111)襯底，5-氮化鎵納米線

Fig 6 Current-voltage characteristics of the device in the dark and under UV illumination. Inset shows a device schematic with the following notations：1-graphene sheet, 2 and 3-metal contacts, 4-nt-doped Si (111) substrate, 5-GaN nanowires

2.3 一維GaN基激光器

GaN半導(dǎo)體能隙寬，廣泛應(yīng)用在電泵浦紫外藍(lán)光LED、激光器和光電探測器上。 J. Piprek研究組[50]通過自洽激光模擬法分析藍(lán)寶石襯底上氮化物的法布里-珀羅激光器的性能。其激光器活性區(qū)包含3個周期4 nm的InGaN量子阱，量子阱被夾在GaN單層和A1GaN/GaN超晶格包層之間。其測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)器件的脈沖激光波長為420 nm，器件溫度120 ℃。設(shè)計二維激光器模型有利于減少載流子漂移和擴散，使得激光器閾值降低，熱耗減少。J. C. Johnson[2]報道了單晶GaN納米線的紫外激光發(fā)射，他們運用近場和遠(yuǎn)場光學(xué)顯微技術(shù)，在室溫下表征了GaN納米線波導(dǎo)模型結(jié)構(gòu)的激光發(fā)射。此單晶GaN納米線是通過鎳催化合成的，納米線直徑在30～150 nm之間，線長達(dá)幾百個微米。當(dāng)GaN納米線尺寸接近激子玻爾半徑(GaN為11 nm)時，將顯示增強激子效果，從而獲得更低的激光閾值。如圖7所示為單根GaN納米線激光器遠(yuǎn)場光學(xué)照片。

圖7 單根GaN納米線激光器遠(yuǎn)場光學(xué)照片

2.4 一維GaN基太陽能電池

一維GaN材料在太陽能電池光電轉(zhuǎn)化方面比GaN薄膜更具優(yōu)勢，一維納米線具有很大的比表面積和粗糙的表面，可增強光捕獲能力以及減少光反射。而且以一維納米結(jié)構(gòu)光伏太陽能電池有著更好的連續(xù)電子傳輸特性，有利于提高能量轉(zhuǎn)化效率[51]。

Lieber研究組[52]首次制備了同軸n-GaN/i-InxGa1-xN/p-GaN結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其同軸結(jié)構(gòu)截面示意圖如圖8所示，不同顏色的波浪箭頭表示截面吸收不同波長的光，能帶中的虛線表示費米能級的位置。通過控制In的含量，設(shè)計活性層帶隙變化范圍在2.25～3.34 eV，模擬太陽光照射測得器件的開路電壓從1.0 V變化到2.0 V，短路電流密度從0.39 mA/cm2變化0.059 mA/cm2變化。Y. B. Tang等[53]在n型的Si襯底上外延生長摻Mg的GaN納米棒，并制備了垂直結(jié)構(gòu)的異質(zhì)p-n結(jié)光伏電池。GaN納米棒陣列及p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的光伏電池展現(xiàn)出了優(yōu)異的整流特性，在黑暗條件下整流比超過104。納米棒陣列在太陽能電池中還可作為防反射涂層，可以有效減少光損。在模擬太陽光照射條件下，器件短路光電流密度為7.6 mA/cm2，能量轉(zhuǎn)換效率為2.73%。X. Y. Chen等[54]報道了GaN納米線基染料敏化太陽能電池，其特點是在GaN納米線外層包覆一層TiO2來增強對染料的吸附能力。測得電池的短路電流密度為1.83 mA/cm2，能量轉(zhuǎn)換效率為0.44%。

圖8 同軸n-GaN/i-InxGa1-xN/p-GaN異質(zhì)結(jié)截面及其能帶結(jié)構(gòu)示意圖

Fig 8 Cross-sectional view of p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN heterojunction and it corresponding energy band diagrams

3 總結(jié)與展望

GaN材料因其具有優(yōu)異的光電性能以及良好的化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性，受到了人們的廣泛關(guān)注。薄膜GaN納米材料的制備及其應(yīng)用近年來已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，一些薄膜制備技術(shù)已經(jīng)能夠制備出高質(zhì)量、大面積的單晶GaN薄膜，但隨著器件制備朝著柔性化方向的發(fā)展，一維GaN納米材料展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展前景。目前主要問題在于很難制備出整齊排列的GaN納米線，這使得其器件應(yīng)用受到很大的限制。MOCVD和MBE法雖然也可用來制備一維GaN納米線，但制備成本很高，且不易控制納米線的生長形貌。CVD法雖操作簡便成本低，但一般需要通過使用催化劑來控制納米線的生長，生長直徑與位點依賴于催化劑顆粒的性質(zhì)。目前采用模板法可得到納米線陣列的，但納米線直徑由模板直徑控制，且去除模板時可能會對一維GaN納米線造成損傷，影響其器件性能。

一維GaN納米材料應(yīng)用于LED、光探測器、太陽能電池以及激光器等具有廣闊前景，它可以與石墨烯及有機襯底結(jié)合制造柔性LED器件，可獲得高靈敏度和響應(yīng)速度的光探測器，獨特的電子傳輸特性可以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。因此，未來如果能夠有效控制一維GaN納米線的生長形貌，將很大程度上推動以一維GaN納米線為基礎(chǔ)的柔性光電子器件的制備，且使得器件的性能更加優(yōu)異。

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Progress in the preparation and optoelectronic devices application of one-dimensional GaN nanomaterials

JIA Ruofei, YANG Lili, YANG Feng, WANG Fei, YANG Hui, LI Lan

(Material Science & Engineering School, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

Compared with GaN film, one-dimensional GaN nanomaterial has many advantages in manufacturing optoelectronic devices. This paper synthetically narrated the main preparation methods of one-dimensional GaN nanomaterial and its application of optoelectronics devices. Firstly, the preparation methods including MOCVD, MBE, CVD and template method were introduced. The key analysis is about the growth parameters, morphology and structure control of one-dimensional GaN nanomaterial. Secondly, the optoelectronic devices such as LED, laser, solar cell as well as photodetector were interpreted, and mainly discussed the influence of the material properties, device structures and manufacturing technology on the device performance. In the end, the development and future application of one-dimensional GaN nanomaterials are prospected.

GaN; nanowire; CVD; LED; photodetector

1001-9731(2016)11-11034-07

天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計劃資助項目(20140301)；天津市“131”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)工程資助項目(401008002)；天津理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目(X2015001)；天津理工大學(xué)學(xué)生科技基金資助項目

2015-11-28

2016-03-25 通訊作者：楊 慧，E-mail: y.hui1021@tjut.edu.cn

賈若飛 (1995-)，男，山西晉城人，本科，從事半導(dǎo)體發(fā)光材料研究。

TB383

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.007