基于導電原子力顯微鏡的單根GaN納米帶光調(diào)控力電耦合性能*

鄧長發(fā) 燕少安 王冬 彭金峰 鄭學軍

(湘潭大學機械工程學院,焊接機器人與應用技術(shù)湖南省重點實驗室,復雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心,湘潭 411105)

利用導電原子力顯微鏡技術(shù)研究了單根GaN納米帶在光調(diào)控下的力電耦合性能.首先使用化學氣相沉積法制備出結(jié)晶性良好的GaN納米帶,然后將GaN納米帶分散到高定向熱解石墨基底上,利用探針作為微電極構(gòu)成基于單根GaN納米帶的兩端結(jié)構(gòu)壓電器件.通過改變探針加載力的大小和引入外加光源調(diào)控GaN納米帶的電流輸運性能,對單根GaN納米帶在光調(diào)控下的力電耦合性能變化規(guī)律進行研究.研究發(fā)現(xiàn),在有光條件下單根GaN納米帶整流開關(guān)比明顯增大,隨著加載力的增大,單根GaN納米帶電流響應值增大但整流特性減弱.最后,基于壓電電子學和光電導效應理論,通過分析肖特基勢壘在加載力及光照作用下的變化規(guī)律解釋了實驗現(xiàn)象.

1 引 言

氮化鎵(GaN)半導體材料具有寬禁帶、高熱導率、高遷移率、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕及抗輻照等優(yōu)良特性,能夠在高溫、高電壓和高輻射等惡劣條件下工作,是一種重要的微電子器件、光電子器件、壓電電子器件以及微納機電器件材料[1-4].GaN納米材料具有獨特的壓電、光電和半導體特性,如準一維結(jié)構(gòu)的GaN納米薄膜、納米線、納米管、納米棒、納米帶、納米片及準零維結(jié)構(gòu)的GaN量子點等,在高遷移率晶體管、光電探測器、發(fā)光二極管、壓力傳感器、納米發(fā)電機、阻變存儲器及量子計算機等領(lǐng)域的應用潛力已經(jīng)被高度關(guān)注[5-16].

GaN納米材料的力電、光電及光力電耦合特性是目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點.Yu等[17]對GaN納米帶輸運性質(zhì)的壓電調(diào)控及原理型器件進行研究,實現(xiàn)了GaN納米帶器件肖特基勢壘高度的高可靠性調(diào)制,拓展了GaN納米帶在柔性電子領(lǐng)域的應用；另外,該研究組制備了基于GaN納米帶的應變柵壓電晶體管,并且基于壓電晶體管構(gòu)筑了邏輯門器件,實現(xiàn)了力電耦合壓電邏輯運算[18].Peng等[19]利用GaN納米薄膜的壓電和光電特性,制備了基于柔性GaN薄膜的自驅(qū)動紫外光電開關(guān),該器件可在無供電條件下長期工作,為柔性可穿戴光機電一體化系統(tǒng)研究提供思路.Wang等[20]研究了GaN納米帶壓電光電子特性的溫度效應,研究發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下GaN納米帶壓電、光電特性產(chǎn)生競爭關(guān)系.Du等[21]提出了基于InGaN/GaN多量子阱納米柱的壓電光電效應調(diào)控可見光通信系統(tǒng),其中信息通過機械應變編碼,該工作提供了一種在復雜環(huán)境下進行非接觸式可靠通信的方法.Liu等[22]制備了基于GaN納米線的壓電憶阻器,利用壓電效應調(diào)控憶阻器的阻變性能.Lin等[23]制備了基于石墨烯/GaN異質(zhì)結(jié)的多波長光電探測器,可以實現(xiàn)對紫外光和可見光的有效探測.

導電原子力顯微鏡技術(shù)(conductive atomic force microscopy,C-AFM)是研究低維納米結(jié)構(gòu)半導體材料的有效手段.Zhao等[24]使用C-AFM研究了GaN納米線的力電耦合特性；Wang等[25]使用C-AFM研究了單根SnO2納米帶的電流輸運性質(zhì)；Yang等[26]利用C-AFM研究了單根ZnO納米線的力電耦合損傷行為；Zhang等[27]使用C-AFM直接證實了物理吸附的二維材料-金屬/半導體界面的電導率是由局部的電荷轉(zhuǎn)移決定的猜想.本課題組利用C-AFM對GaN納米帶的壓電特性及力電耦合性能進行了研究[28,29].

GaN納米帶由于其獨特的大高寬比結(jié)構(gòu)特點以及良好的壓電性能,易于集成和組裝成平面結(jié)構(gòu)的力電耦合器件[18].然而目前針對GaN納米帶基壓電器件的光調(diào)控研究還相對較少,光力電耦合特性機制還不清晰,限制了GaN納米帶壓電器件在光寫入、光擦除、光探測等領(lǐng)域的應用.本文首先使用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)制備出結(jié)晶性良好的GaN納米帶,然后將GaN納米帶分散到高定向熱解石墨(highly oriented pyrolytic graphite,HOPG)基底上,利用C-AFM探針作為微電極構(gòu)成基于單根GaN納米帶的兩端壓電器件.通過改變探針加載力的大小和引入外加光源調(diào)控GaN納米帶的電流輸運性能,對單根GaN納米帶在光調(diào)控下的力電耦合性能變化規(guī)律進行研究.

2 實驗設(shè)計

2.1 GaN納米帶制備與表征

通過CVD方法進行GaN納米帶的制備,具體工藝過程：1) 稱取0.1172 g GaN/Ga2O3混合粉末作為鎵源裝入石英舟中,將鍍有催化劑的襯底表面朝上放置在鎵源下游大約10 cm處；2) 將石英管放入管式爐中,接通一端通氣管,放置襯底和石英舟,再將石英管另一端接通；3) 打開真空泵進行抽真空和真空度測試,抽完真空后將氣體流量控制器打開,將氨氣流量設(shè)為30 sccm/min,氬氣流量設(shè)為20 sccm/min；4) 將溫度設(shè)置為1100 ℃,升溫速率設(shè)為30 ℃/min,保溫時間定為30 min；5) 在通氣15 min后開始運行溫度程序,待溫度上升到實驗預定值時關(guān)閉氬氣閥門只通入氨氣進行降溫,當溫度降到900 ℃后關(guān)閉氨氣并通入氬氣等待其自然冷卻至室溫；6) 關(guān)閉氣體流量控制器及真空泵,在取出來的襯底上可以獲得CVD法生長的GaN納米帶[28,29].隨后使用X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD,Ultima IV,Japan)和場發(fā)射掃描電鏡(field emission scanning electron microscope,FE-SEM,Hitachi SU5000,Japan)對CVD制備的GaN納米帶物相和微觀形貌進行表征.

2.2 單根GaN納米帶器件構(gòu)筑

從基片上獲取少量GaN納米帶粉末置入盛有丙酮溶液的燒杯,進行20 min的超聲分散.超聲分散結(jié)束后用滴管取出適量的GaN納米帶懸浮液滴于HOPG基底上,然后將HOPG基底放入真空干燥箱內(nèi)干燥,干燥溫度為120 ℃,干燥時間為30 min.利用原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM,Cypher S,AR,USA)對HOPG基底上的GaN納米帶進行形貌及電學性能表征,其中以導電探針(針尖涂層材料為Ti/Ir金屬薄膜)作為頂電極,HOPG基底作為底電極,構(gòu)成基于單根GaN納米帶的兩端壓電器件,裝置示意圖如圖1所示.GaN納米材料在紫外(250 nm)至可見光(600 nm)光源照射下均有光電流響應[23,30,31],本文選擇波長為450 nm的激光作為光源,光束經(jīng)傳導光纖和聚光鏡照射至探針針尖區(qū)域,通過改變探針加載力的大小和引入外加光源調(diào)控GaN納米帶的電流輸運性能.Ti/Ir探針和HOPG的功函數(shù)分別為5.5 eV和4.6 eV,GaN電子親和勢為4.2 eV,單根GaN納米帶與探針和HOPG基底之間均形成肖特基接觸[32],所以可通過加載力及外加光源對器件肖特基勢壘高度進行調(diào)節(jié),進而對單根GaN納米帶的光力電耦合性能進行調(diào)控.

圖1 基于C-AFM的測試裝置示意圖Fig.1.Schematic diagram of C-AFM measurement setup.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 GaN納米帶的形貌與微結(jié)構(gòu)表征

圖2(a)為GaN納米帶粉末的XRD圖譜,可以看出在2θ為32.4°,34.6°和36.9°時出現(xiàn)分別對應六方纖鋅礦GaN (100),(002),(101)面的3個主要晶面衍射峰,與報道的體塊材纖鋅礦GaN相一致[14,28,29,32].XRD圖譜衍射峰銳利,表明制備的GaN結(jié)晶性比較好.圖2(b)為GaN納米帶粉末SEM圖像,可以看出所制備的GaN納米材料呈現(xiàn)較好的帶狀分布,寬度分布約在0.1—1.0 μm之間.基于圖1所示的測試裝置圖,使用AFM在接觸模式下掃描得到了單根GaN納米帶的二維及三維形貌圖,如圖2(c),(d)所示.可以看出,單根GaN納米帶的寬度約為1 μm,高度約為70 nm,呈現(xiàn)出典型的帶狀形態(tài).

3.2 單根GaN納米帶力電性能的光調(diào)控

通過測量標準藍寶石基底上的力曲線校準導電探針針尖彈性系數(shù)及懸臂的偏轉(zhuǎn)靈敏度,施加在GaN納米帶上的加載力可以通過改變偏轉(zhuǎn)電壓進行調(diào)節(jié).在HOPG基底上施加4 V的直流電壓,在接觸模式下使用C-AFM對單根GaN納米帶進行面掃并同時記錄電流值,得到如圖3所示的不同加載力下(30,50,70 nN)的單根GaN納米帶二維電流形貌圖.其中圖3(a)—(c)為暗場下的電流形貌圖,明暗程度代表電流值的高低,插圖為電流形貌圖截面處的電流值.可以看到隨著加載力的增大,單根GaN納米帶的電流響應值逐漸增加,主要原因是GaN納米帶具有良好的壓電特性,在探針加載力的作用下產(chǎn)生面外壓電電場,有效降低了導電探針與GaN納米帶之間的肖特基勢壘.選擇波長為450 nm的激光作為光源,光束經(jīng)傳導光纖和聚光鏡照射至探針針尖區(qū)域,然后通過CAFM面掃得到如圖3(d)—(f)所示光場下的GaN納米帶電流形貌圖.與暗場結(jié)果類似,單根GaN納米帶的電流響應值隨加載力增加而增大,且在相同加載力作用下,光場下的GaN納米帶電流響應值更大.GaN納米帶具有光電特性,光場下GaN納米帶表面所產(chǎn)生的光生載流子在提高其電導率的同時還進一步降低了GaN納米帶與導電探針之間的肖特基勢壘,兩者共同作用使得相同加載力作用下GaN納米帶獲得更大的電流響應值.

圖2 (a) GaN納米帶粉末XRD圖譜；(b) GaN納米帶粉末SEM圖像；(c)單根GaN納米帶AFM二維形貌圖及(d)三維形貌圖Fig.2.(a) XRD scans and (b) SEM image of the as-prepared GaN nanobelt powder；(c) 2-D and (d) 3-D AFM morphology image of a single GaN nanobelt.

圖3 (a)-(c)暗場下單根GaN納米帶的二維電流形貌圖,加載力分別為30,50,70 nN；(e)-(f)光場下單根GaN納米帶的二維電流形貌圖,加載力分別為30,50,70 nN；插圖為電流形貌圖截面處的電流值Fig.3.(a)-(c) 2-D current topography of a single GaN nanobelt under dark condition with the loading forces of 30 nN,50 nN and 70 nN,respectively；(d)-(f) 2-D current topography of a single GaN nanobelt under light condition with the loading forces of 30 nN,50 nN and 70 nN,respectively.The insert shows the current value at the cross section of 2-D current topography.

通過圖3的分析可知,所制備的GaN納米帶具有顯著的力電和光電響應.為了更具體地研究單根GaN納米帶的力電性能及其光調(diào)控,測試了GaN納米帶的單點電流-電壓(I-V)性能,如圖4所示.圖4(a)為暗場下分別在探針上施加20,30,40 nN加載力時單根GaN納米帶的I-V曲線,可以看出20 nN的小加載力作用下I-V曲線呈現(xiàn)明顯的整流特性,這與所分析的導電探針與GaN納米帶之間形成肖特基接觸的分析一致.隨著加載力增大到40 nN時,電流值隨之增加,同時I-V曲線的對稱性增強,整流特性幾乎消失.需要說明的是,20 nA是本實驗室C-AFM電學測量單元的限流值.圖4(b)為圖4(a)的對數(shù)坐標形式,可以清晰地看到隨著加載力的增大,最小電流值對應的電壓從—1.25 V增加至約0 V,同時I-V曲線對稱性也增強,這說明探針施加的加載力在GaN納米帶表面誘導的壓電電場有效降低了它們之間的肖特基勢壘,與上文分析一致.圖4(c)為光場下分別在探針上施加20,30和40 nN加載力時單根GaN納米帶的I-V曲線,可以看出,加載力相同時在光場作用下GaN納米帶的電流值明顯增大,此時加載力對GaN納米帶電流輸運性能的調(diào)控減弱.圖4(d)為圖4(c)的對數(shù)坐標形式,可以看出在光場下GaN納米帶的I-V曲線呈現(xiàn)對稱性,且電流最小值對應的電壓約為0 V,不隨加載力的變化而變化,此時GaN納米帶光電導效應是調(diào)控其電流輸運的主要因素,光場下GaN納米帶表面所產(chǎn)生的大量光生載流子很大程度上降低了導電探針與GaN納米帶之間的肖特基勢壘.

為了進一步考察器件的光力電耦合特性,對器件在明暗場下的直流脈沖電壓響應進行了測試,得到如圖5所示的電流-時間(I-t)曲線.脈沖電壓幅值為±2 V,頻率為1 Hz.圖5(a)中加載力為30 nN,此時單根GaN納米帶的I-t 曲線表現(xiàn)出整流特性.暗場下整流比約70 (+2 V脈沖電壓下的電流值與—2 V脈沖電壓下的電流絕對值的比值)；在光場下單根GaN納米帶的電流響應增加,同時整流比增大到約230.由此可見,外加光場的引入有效提高了單根GaN納米帶的整流特性.如圖5(b)所示,當加載力增加到40 nN時,由于肖特基勢壘的降低,單根GaN納米帶的電流響應值增大但整流特性減弱,在脈沖電壓值為負時,I-t 曲線呈現(xiàn)出較為明顯的弛豫現(xiàn)象.引入光源后,電流值明顯增加,且在脈沖為+2 V時輸出電流已經(jīng)達到20 nA限流.

圖4 GaN納米帶單點I-V曲線 (a),(b)暗場不同加載力下的I-V曲線及對數(shù)坐標形式；(c),(d)光場不同加載力下的I-V曲線及對數(shù)坐標形式Fig.4.Single point I-V curves of a single GaN nanobelt：(a),(b) I-V curve and its logarithmic coordinate with different loading forces under dark condition；(c),(d) I-V curve and its logarithmic coordinate with different loading forces under light condition.

3.3 機理解釋

對于單根GaN納米帶的光力電耦合性能,可以通過圖6所示的能帶結(jié)構(gòu)示意圖給出定性的解釋.探針、HOPG基底與GaN納米帶之間均形成肖特基接觸,所以器件可等效成如圖6(a)所示的肖特基二極管與GaN納米帶體電阻組成的串聯(lián)電路,其中肖特基二極管可被加載力和光場調(diào)控.圖6(b)給出了能帶結(jié)構(gòu)示意圖,可以看出探針-GaN納米帶、GaN納米帶-HOPG基底之間具有不對稱的肖特基勢壘,其中探針端無加載力時的肖特基勢壘高度為φSB、加載力作用下肖特基勢壘高度為、肖特基勢壘降低量為Δφ.需要指出的是,GaN納米帶-HOPG基底之間的肖特基勢壘較低,對于電流輸運特性的影響較小.探針端加載偏置電壓時,器件的電流響應將呈現(xiàn)典型的整流特性.當探針施加加載力時,界面形成的壓電電場(EPZ)可以降低肖特基勢壘(降低量記為Δφ),有效改變局域接觸特性,調(diào)控器件的電學輸運特性.另外,當器件暴露在光場下時,在GaN納米帶表面將形成大量的電子-空穴對,價帶空穴向納米帶-基底界面處靠近并聚集,改變界面電勢分布,從而拉低界面處肖特基勢壘.導帶電子在電場作用下可參與導電,進一步增大納米帶電導率,增強電流輸運性能.上述的壓電效應和光電導效應可以共同作用,對GaN納米帶的電流輸運特性進行力、光的耦合調(diào)控.

圖5 明暗場不同加載力下單根GaN納米帶的I-t 曲線 (a) 30 nN；(b) 40 nNFig.5.I-t curves of a single GaN nanobelt under different loading forces in light and dark conditions：(a) 30 nN；(b) 40 nN.

圖6 (a)單根GaN納米帶器件等效電路示意圖；(b)光力電耦合能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6.(a) Schematic diagram of equivalent circuit of the single GaN nanobelt based device；(b) schematic diagram of energy band structure with optically modulated electromechanical coupling.

4 結(jié) 論

本文使用CVD法制備了具有良好結(jié)晶性的GaN納米帶材料,利用C-AFM探針作為微電極構(gòu)筑了基于單根GaN納米帶的兩端結(jié)構(gòu)壓電器件,器件具有較好的力電耦合性能,在納米力電開關(guān)領(lǐng)域具備應用潛力.通過改變探針加載力的大小和引入外加光源調(diào)控GaN納米帶的電流輸運性能,對單根GaN納米帶在光調(diào)控下的力電耦合性能變化規(guī)律進行研究.研究發(fā)現(xiàn),單根GaN納米帶的力電性能可以被外加光源有效調(diào)控,在有光條件下單根GaN納米帶整流開關(guān)比明顯增大,隨著加載力的增大,單根GaN納米帶電流響應值增大但整流特性減弱.最后,通過壓電電子學和光電導效應理論對本文的實驗現(xiàn)象進行了解釋.本文研究結(jié)果可為準一維結(jié)構(gòu)的GaN納米壓電光電子器件性能調(diào)控提供一定的指導.