基于导电原子力显微镜的单根GaN纳米带光调控力电耦合性能*

邓长发 燕少安 王冬 彭金峰 郑学军

(湘潭大学机械工程学院,焊接机器人与应用技术湖南省重点实验室,复杂轨迹加工工艺及装备教育部工程研究中心,湘潭 411105)

利用导电原子力显微镜技术研究了单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能.首先使用化学气相沉积法制备出结晶性良好的GaN纳米带,然后将GaN纳米带分散到高定向热解石墨基底上,利用探针作为微电极构成基于单根GaN纳米带的两端结构压电器件.通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能,对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究.研究发现,在有光条件下单根GaN纳米带整流开关比明显增大,随着加载力的增大,单根GaN纳米带电流响应值增大但整流特性减弱.最后,基于压电电子学和光电导效应理论,通过分析肖特基势垒在加载力及光照作用下的变化规律解释了实验现象.

1 引 言

氮化镓(GaN)半导体材料具有宽禁带、高热导率、高迁移率、高热稳定性、耐腐蚀及抗辐照等优良特性,能够在高温、高电压和高辐射等恶劣条件下工作,是一种重要的微电子器件、光电子器件、压电电子器件以及微纳机电器件材料[1-4].GaN纳米材料具有独特的压电、光电和半导体特性,如准一维结构的GaN纳米薄膜、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米片及准零维结构的GaN量子点等,在高迁移率晶体管、光电探测器、发光二极管、压力传感器、纳米发电机、阻变存储器及量子计算机等领域的应用潜力已经被高度关注[5-16].

GaN纳米材料的力电、光电及光力电耦合特性是目前学术界和产业界的研究热点.Yu等[17]对GaN纳米带输运性质的压电调控及原理型器件进行研究,实现了GaN纳米带器件肖特基势垒高度的高可靠性调制,拓展了GaN纳米带在柔性电子领域的应用；另外,该研究组制备了基于GaN纳米带的应变栅压电晶体管,并且基于压电晶体管构筑了逻辑门器件,实现了力电耦合压电逻辑运算[18].Peng等[19]利用GaN纳米薄膜的压电和光电特性,制备了基于柔性GaN薄膜的自驱动紫外光电开关,该器件可在无供电条件下长期工作,为柔性可穿戴光机电一体化系统研究提供思路.Wang等[20]研究了GaN纳米带压电光电子特性的温度效应,研究发现低温环境下GaN纳米带压电、光电特性产生竞争关系.Du等[21]提出了基于InGaN/GaN多量子阱纳米柱的压电光电效应调控可见光通信系统,其中信息通过机械应变编码,该工作提供了一种在复杂环境下进行非接触式可靠通信的方法.Liu等[22]制备了基于GaN纳米线的压电忆阻器,利用压电效应调控忆阻器的阻变性能.Lin等[23]制备了基于石墨烯/GaN异质结的多波长光电探测器,可以实现对紫外光和可见光的有效探测.

导电原子力显微镜技术(conductive atomic force microscopy,C-AFM)是研究低维纳米结构半导体材料的有效手段.Zhao等[24]使用C-AFM研究了GaN纳米线的力电耦合特性；Wang等[25]使用C-AFM研究了单根SnO2纳米带的电流输运性质；Yang等[26]利用C-AFM研究了单根ZnO纳米线的力电耦合损伤行为；Zhang等[27]使用C-AFM直接证实了物理吸附的二维材料-金属/半导体界面的电导率是由局部的电荷转移决定的猜想.本课题组利用C-AFM对GaN纳米带的压电特性及力电耦合性能进行了研究[28,29].

GaN纳米带由于其独特的大高宽比结构特点以及良好的压电性能,易于集成和组装成平面结构的力电耦合器件[18].然而目前针对GaN纳米带基压电器件的光调控研究还相对较少,光力电耦合特性机制还不清晰,限制了GaN纳米带压电器件在光写入、光擦除、光探测等领域的应用.本文首先使用化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)制备出结晶性良好的GaN纳米带,然后将GaN纳米带分散到高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite,HOPG)基底上,利用C-AFM探针作为微电极构成基于单根GaN纳米带的两端压电器件.通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能,对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究.

2 实验设计

2.1 GaN纳米带制备与表征

通过CVD方法进行GaN纳米带的制备,具体工艺过程：1) 称取0.1172 g GaN/Ga2O3混合粉末作为镓源装入石英舟中,将镀有催化剂的衬底表面朝上放置在镓源下游大约10 cm处；2) 将石英管放入管式炉中,接通一端通气管,放置衬底和石英舟,再将石英管另一端接通；3) 打开真空泵进行抽真空和真空度测试,抽完真空后将气体流量控制器打开,将氨气流量设为30 sccm/min,氩气流量设为20 sccm/min；4) 将温度设置为1100 ℃,升温速率设为30 ℃/min,保温时间定为30 min；5) 在通气15 min后开始运行温度程序,待温度上升到实验预定值时关闭氩气阀门只通入氨气进行降温,当温度降到900 ℃后关闭氨气并通入氩气等待其自然冷却至室温；6) 关闭气体流量控制器及真空泵,在取出来的衬底上可以获得CVD法生长的GaN纳米带[28,29].随后使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD,Ultima IV,Japan)和场发射扫描电镜(field emission scanning electron microscope,FE-SEM,Hitachi SU5000,Japan)对CVD制备的GaN纳米带物相和微观形貌进行表征.

2.2 单根GaN纳米带器件构筑

从基片上获取少量GaN纳米带粉末置入盛有丙酮溶液的烧杯,进行20 min的超声分散.超声分散结束后用滴管取出适量的GaN纳米带悬浮液滴于HOPG基底上,然后将HOPG基底放入真空干燥箱内干燥,干燥温度为120 ℃,干燥时间为30 min.利用原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM,Cypher S,AR,USA)对HOPG基底上的GaN纳米带进行形貌及电学性能表征,其中以导电探针(针尖涂层材料为Ti/Ir金属薄膜)作为顶电极,HOPG基底作为底电极,构成基于单根GaN纳米带的两端压电器件,装置示意图如图1所示.GaN纳米材料在紫外(250 nm)至可见光(600 nm)光源照射下均有光电流响应[23,30,31],本文选择波长为450 nm的激光作为光源,光束经传导光纤和聚光镜照射至探针针尖区域,通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能.Ti/Ir探针和HOPG的功函数分别为5.5 eV和4.6 eV,GaN电子亲和势为4.2 eV,单根GaN纳米带与探针和HOPG基底之间均形成肖特基接触[32],所以可通过加载力及外加光源对器件肖特基势垒高度进行调节,进而对单根GaN纳米带的光力电耦合性能进行调控.

图1 基于C-AFM的测试装置示意图Fig.1.Schematic diagram of C-AFM measurement setup.

3 实验结果与分析

3.1 GaN纳米带的形貌与微结构表征

图2(a)为GaN纳米带粉末的XRD图谱,可以看出在2θ为32.4°,34.6°和36.9°时出现分别对应六方纤锌矿GaN (100),(002),(101)面的3个主要晶面衍射峰,与报道的体块材纤锌矿GaN相一致[14,28,29,32].XRD图谱衍射峰锐利,表明制备的GaN结晶性比较好.图2(b)为GaN纳米带粉末SEM图像,可以看出所制备的GaN纳米材料呈现较好的带状分布,宽度分布约在0.1—1.0 μm之间.基于图1所示的测试装置图,使用AFM在接触模式下扫描得到了单根GaN纳米带的二维及三维形貌图,如图2(c),(d)所示.可以看出,单根GaN纳米带的宽度约为1 μm,高度约为70 nm,呈现出典型的带状形态.

3.2 单根GaN纳米带力电性能的光调控

通过测量标准蓝宝石基底上的力曲线校准导电探针针尖弹性系数及悬臂的偏转灵敏度,施加在GaN纳米带上的加载力可以通过改变偏转电压进行调节.在HOPG基底上施加4 V的直流电压,在接触模式下使用C-AFM对单根GaN纳米带进行面扫并同时记录电流值,得到如图3所示的不同加载力下(30,50,70 nN)的单根GaN纳米带二维电流形貌图.其中图3(a)—(c)为暗场下的电流形貌图,明暗程度代表电流值的高低,插图为电流形貌图截面处的电流值.可以看到随着加载力的增大,单根GaN纳米带的电流响应值逐渐增加,主要原因是GaN纳米带具有良好的压电特性,在探针加载力的作用下产生面外压电电场,有效降低了导电探针与GaN纳米带之间的肖特基势垒.选择波长为450 nm的激光作为光源,光束经传导光纤和聚光镜照射至探针针尖区域,然后通过CAFM面扫得到如图3(d)—(f)所示光场下的GaN纳米带电流形貌图.与暗场结果类似,单根GaN纳米带的电流响应值随加载力增加而增大,且在相同加载力作用下,光场下的GaN纳米带电流响应值更大.GaN纳米带具有光电特性,光场下GaN纳米带表面所产生的光生载流子在提高其电导率的同时还进一步降低了GaN纳米带与导电探针之间的肖特基势垒,两者共同作用使得相同加载力作用下GaN纳米带获得更大的电流响应值.

图2 (a) GaN纳米带粉末XRD图谱；(b) GaN纳米带粉末SEM图像；(c)单根GaN纳米带AFM二维形貌图及(d)三维形貌图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.

图3 (a)-(c)暗场下单根GaN纳米带的二维电流形貌图,加载力分别为30,50,70 nN；(e)-(f)光场下单根GaN纳米带的二维电流形貌图,加载力分别为30,50,70 nN；插图为电流形貌图截面处的电流值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.

通过图3的分析可知,所制备的GaN纳米带具有显著的力电和光电响应.为了更具体地研究单根GaN纳米带的力电性能及其光调控,测试了GaN纳米带的单点电流-电压(I-V)性能,如图4所示.图4(a)为暗场下分别在探针上施加20,30,40 nN加载力时单根GaN纳米带的I-V曲线,可以看出20 nN的小加载力作用下I-V曲线呈现明显的整流特性,这与所分析的导电探针与GaN纳米带之间形成肖特基接触的分析一致.随着加载力增大到40 nN时,电流值随之增加,同时I-V曲线的对称性增强,整流特性几乎消失.需要说明的是,20 nA是本实验室C-AFM电学测量单元的限流值.图4(b)为图4(a)的对数坐标形式,可以清晰地看到随着加载力的增大,最小电流值对应的电压从—1.25 V增加至约0 V,同时I-V曲线对称性也增强,这说明探针施加的加载力在GaN纳米带表面诱导的压电电场有效降低了它们之间的肖特基势垒,与上文分析一致.图4(c)为光场下分别在探针上施加20,30和40 nN加载力时单根GaN纳米带的I-V曲线,可以看出,加载力相同时在光场作用下GaN纳米带的电流值明显增大,此时加载力对GaN纳米带电流输运性能的调控减弱.图4(d)为图4(c)的对数坐标形式,可以看出在光场下GaN纳米带的I-V曲线呈现对称性,且电流最小值对应的电压约为0 V,不随加载力的变化而变化,此时GaN纳米带光电导效应是调控其电流输运的主要因素,光场下GaN纳米带表面所产生的大量光生载流子很大程度上降低了导电探针与GaN纳米带之间的肖特基势垒.

为了进一步考察器件的光力电耦合特性,对器件在明暗场下的直流脉冲电压响应进行了测试,得到如图5所示的电流-时间(I-t)曲线.脉冲电压幅值为±2 V,频率为1 Hz.图5(a)中加载力为30 nN,此时单根GaN纳米带的I-t 曲线表现出整流特性.暗场下整流比约70 (+2 V脉冲电压下的电流值与—2 V脉冲电压下的电流绝对值的比值)；在光场下单根GaN纳米带的电流响应增加,同时整流比增大到约230.由此可见,外加光场的引入有效提高了单根GaN纳米带的整流特性.如图5(b)所示,当加载力增加到40 nN时,由于肖特基势垒的降低,单根GaN纳米带的电流响应值增大但整流特性减弱,在脉冲电压值为负时,I-t 曲线呈现出较为明显的弛豫现象.引入光源后,电流值明显增加,且在脉冲为+2 V时输出电流已经达到20 nA限流.

图4 GaN纳米带单点I-V曲线 (a),(b)暗场不同加载力下的I-V曲线及对数坐标形式；(c),(d)光场不同加载力下的I-V曲线及对数坐标形式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 机理解释

对于单根GaN纳米带的光力电耦合性能,可以通过图6所示的能带结构示意图给出定性的解释.探针、HOPG基底与GaN纳米带之间均形成肖特基接触,所以器件可等效成如图6(a)所示的肖特基二极管与GaN纳米带体电阻组成的串联电路,其中肖特基二极管可被加载力和光场调控.图6(b)给出了能带结构示意图,可以看出探针-GaN纳米带、GaN纳米带-HOPG基底之间具有不对称的肖特基势垒,其中探针端无加载力时的肖特基势垒高度为φSB、加载力作用下肖特基势垒高度为、肖特基势垒降低量为Δφ.需要指出的是,GaN纳米带-HOPG基底之间的肖特基势垒较低,对于电流输运特性的影响较小.探针端加载偏置电压时,器件的电流响应将呈现典型的整流特性.当探针施加加载力时,界面形成的压电电场(EPZ)可以降低肖特基势垒(降低量记为Δφ),有效改变局域接触特性,调控器件的电学输运特性.另外,当器件暴露在光场下时,在GaN纳米带表面将形成大量的电子-空穴对,价带空穴向纳米带-基底界面处靠近并聚集,改变界面电势分布,从而拉低界面处肖特基势垒.导带电子在电场作用下可参与导电,进一步增大纳米带电导率,增强电流输运性能.上述的压电效应和光电导效应可以共同作用,对GaN纳米带的电流输运特性进行力、光的耦合调控.

图5 明暗场不同加载力下单根GaN纳米带的I-t 曲线 (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.

图6 (a)单根GaN纳米带器件等效电路示意图；(b)光力电耦合能带结构示意图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 结 论

本文使用CVD法制备了具有良好结晶性的GaN纳米带材料,利用C-AFM探针作为微电极构筑了基于单根GaN纳米带的两端结构压电器件,器件具有较好的力电耦合性能,在纳米力电开关领域具备应用潜力.通过改变探针加载力的大小和引入外加光源调控GaN纳米带的电流输运性能,对单根GaN纳米带在光调控下的力电耦合性能变化规律进行研究.研究发现,单根GaN纳米带的力电性能可以被外加光源有效调控,在有光条件下单根GaN纳米带整流开关比明显增大,随着加载力的增大,单根GaN纳米带电流响应值增大但整流特性减弱.最后,通过压电电子学和光电导效应理论对本文的实验现象进行了解释.本文研究结果可为准一维结构的GaN纳米压电光电子器件性能调控提供一定的指导.