硅基半导体纳米异质结光电材料与器件研究

文章作者: 访问次数: 发布时间:2015-11-17

基于硅制备技术和硅平面工艺的发展和成熟,半导体硅材料在现代微电子工业、太阳能电池等领域扮演着无可替代的角色。随着室温发光的硅纳米材料的发现并借助于硅微加工工艺的发展完善,硅基纳米体系有可能在快速发展的光电子领域同样扮演重要角色。针对这一状况,近年来课题组对硅薄膜和硅纳米结构及其复合纳米体系的制备技术、物理性能及机制进行了系统研究,提出了多界面纳米异质结的新概念,在此基础上设计制备了基于硅基半导体纳米异质结的新型发光二极管(LED)、紫外光及红外光探测器、太阳能电池、高灵敏度气体传感器等原型器件,获得了系列化重要研究结果。

1)发明了一种在微米-纳米尺度上具有规则的三重层次结构特征、良好的广谱光吸收性能和多带光致发光特性的新型硅基纳米体系-硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)的可控制备技术。利用Si-NPA的结构特性和物理特性并以其为功能衬底和模板,制备出多种宽带隙化合物半导体/Si-NPA纳米异质结构阵列及金属、金属氧化物、碳纳米管等硅基复合纳米体系,并在LED、新型纳米太阳能电池、高灵敏度气体传感器等方面获得突出的物理性能。

2)基于上述硅基半导体复合纳米体系的界面结构特征和物理特性,在国际上首次提出多界面纳米异质结的新概念、新思想,结合理论分析,建立了Si-NPA基多界面纳米异质结的空间结构模型和能带结构模型,并对基于此的相关光电器件的光跃迁和电子传输的物理过程和物理机制进行了分析。在此基础上,从半导体异质结的发光原理出发,提出了一种新的近红外LED界面发射机理和器件设计理念,首次制备出发光性能优异的GaN/Si-NPA多界面纳米异质结近红外发光二极管。采用类似的器件结构,制备了基于CdS/Si-NPA多界面纳米异质结的新型发光二极管原型器件,实现了高显色指数且色温可调的白光、黄光和近红外光发射。此外,还制备了基于GaN/Si-NPACdS/Si-NPA的新型纳米太阳能电池和紫外光及红外光探测器,实现了界面成分和结构控制对其器件性能、功能的调制。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,有望为未来纳米光电器件研制奠定重要的物理基础。

3)能源科学尤其绿色能源科学是目前国家支持的重点研究领域之一,对国家发展战略具有重要意义。围绕如何提高硅基薄膜光伏电池的光电转换效率,重点开展了太阳能薄膜电池用微晶硅薄膜的快速沉积技术及机理研究。采用HPD-VHF PECVD技术,将微晶硅薄膜的沉积速率提高了30倍,达到~3.2 nm/s。在0.78 nm/s的沉积速率下,单结微晶硅薄膜太阳电池的效率达到~5.5%。研究发现,通过采用硅烷滞后注入法、硅烷梯度注入法和功率梯度法,能够有效抑制薄膜沉积初期非晶孵化层的形成,有助于制备结构均匀的微晶硅薄膜。分别采用一维流体模型、鞘层模型对等离子体放电过程进行模拟,获得了各种沉积基团、电子密度和温度等与沉积参数间的关系,初步建立了微晶硅薄膜沉积过程的理论模型,其结果和实验能很好吻合。采用椭偏在线检测技术和标度理论对薄膜表面生长机制进行的模拟结果表明,随沉积速率的提高,薄膜生长由有限扩散生长模式转变为零扩散随机生长模式,说明微晶硅薄膜的晶化机制由表面扩散模型为主转变为以化学退火模型为主。相关研究为微晶硅薄膜太阳能电池的产业化奠定了坚实的基础。与此同时,深入研究了高电导ZnO薄膜的制备技术和弱酸性NH4Cl溶液对ZnO薄膜表面织构的影响,实现了ZnO薄膜可见光区的平均反射率从14%降低到7%

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