n-ZnO-p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的制備及其光電性能研究.pdf

1、ZnO是一種 II-VI族氧化物半導(dǎo)體材料,在室溫下具有較寬的直接帶隙(3.37 eV)和較高的激子束縛能(60 meV),是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)光電應(yīng)用尤其是藍(lán)-紫外發(fā)光二極管(LED)和紫外探測(cè)器件的最佳材料。盡管 ZnO材料的p型摻雜技術(shù)取得了一定進(jìn)展,然而目前可重復(fù)、高質(zhì)量的p型 ZnO材料卻一直難以實(shí)現(xiàn),這使得 ZnO基同質(zhì)結(jié) LED的研究受到嚴(yán)重限制。由于 GaN和 ZnO具有相似的晶體結(jié)構(gòu)(纖鋅礦)和相對(duì)較小的晶格失配度(1.8

2、％), n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)成為一條可行的實(shí)現(xiàn) ZnO材料器件應(yīng)用的替代方法。本文分別利用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)和水熱合成法在 p-GaN薄膜表面上制備了ZnO薄膜和 ZnO納米棒,構(gòu)造了n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié) LED器件,并研究了不同器件的光電特性。最后,利用PN結(jié)能帶模型闡釋了n-ZnO/p-GaN基 LED的載流子復(fù)合及發(fā)光機(jī)制。
　　本文的主要結(jié)果如下:
　　1.在不同實(shí)驗(yàn)條件下,利用 PLD技術(shù)在

3、 Al2O3(0001)襯底上生長(zhǎng)了ZnO薄膜。采用 X射線衍射儀、原子力顯微鏡及光致發(fā)光技術(shù),分別研究了襯底溫度、氧氣壓強(qiáng)和退火溫度對(duì) ZnO薄膜形貌結(jié)構(gòu)及發(fā)光特性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)襯底溫度為450℃、氧氣壓強(qiáng)為10Pa時(shí),ZnO薄膜具有最好的結(jié)晶質(zhì)量;隨著退火溫度的升高,ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量先提高后降低,在800℃退火時(shí) ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最高。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),襯底溫度、氧氣壓強(qiáng)和退火溫度等條件對(duì) ZnO薄膜的光致發(fā)光特性影響較大。

4、此外,還利用水熱合成法在Al2O3(0001)襯底上制備了高度取向的ZnO納米棒陣列,研究了ZnO薄膜種子層對(duì) ZnO納米棒結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)的影響。
　　2.利用 PLD技術(shù)在 p-GaN表面上制備了ZnO薄膜并構(gòu)造了n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)LED器件,研究了該器件的電致發(fā)光特性。結(jié)果表明,該器件的電致發(fā)光光譜表現(xiàn)出中心波長(zhǎng)處于430nm附近的藍(lán)光發(fā)射。與 ZnO和 GaN的光致發(fā)光光譜比較后可以推斷,器件的電致發(fā)光來(lái)自于 p-

5、GaN一側(cè)的深能級(jí)復(fù)合發(fā)光?；?Anderson能帶模型,我們分析了該器件的載流子復(fù)合機(jī)制。盡管n-ZnO和p-GaN的界面對(duì)電子和空穴的勢(shì)壘高度基本相等,但由于 n-ZnO薄膜中電子的濃度和遷移率要遠(yuǎn)大于 p-GaN中空穴的濃度和遷移率,因此相對(duì)于空穴注入,電子從 n-ZnO一側(cè)向 p-GaN一側(cè)的注入更占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
　　3.為了限制電子從 n-ZnO一側(cè)的注入并抑制 GaN一側(cè)的光發(fā)射,利用 PLD技術(shù)制備了具有不同界面層結(jié)構(gòu)

6、的n-ZnO/p-GaN基 PIN型異質(zhì)結(jié) LED。本文中使用的電子阻擋層包括 MgO、AlN、ZnS、Ga2O3及 i-ZnO等半導(dǎo)體材料。由于 MgO/ZnO(ΔEC=3.55 eV)和 AlN/ZnO(ΔEC=3.29 eV)界面存在較大的導(dǎo)帶補(bǔ)償,電子可以被有效的被界面層限制在 ZnO層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,n-ZnO/MgO/p-GaN和 n-ZnO/AlN/p-GaN器件的電致發(fā)光光譜主要由來(lái)自 ZnO材料的紫外發(fā)射組成。此外,盡

7、管 Ga2O3/ZnO(1.85 eV)和 ZnS/ZnO(0.45eV)界面的導(dǎo)帶補(bǔ)償值較小,但是 Ga2O3和 ZnS作為阻擋層可使界面的價(jià)帶補(bǔ)償值減小(分別為0.20 eV和0.14 eV),這大大降低了界面對(duì)空穴的勢(shì)壘高度,使得空穴更容易從 GaN一側(cè)向 ZnO一側(cè)注入。結(jié)果發(fā)現(xiàn),n-ZnO/ZnS/p-GaN和 n-ZnO/Ga2O3/p-GaN異質(zhì)結(jié)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的紫外發(fā)射。另外,還利用未摻雜的高阻 ZnO薄膜(i-ZnO)制

8、備了n-ZnO:Ga/i-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié) LED。由于 i-ZnO薄膜擁有較低的電子濃度,電子和空穴在正向偏壓下分別從 n-ZnO:Ga和 p-GaN層向 i-ZnO層注入,因此器件表現(xiàn)出了來(lái)自 i-ZnO層的紫外發(fā)射。
　　4.利用水熱合成法直接在 p-GaN表面上制備了ZnO納米棒陣列,構(gòu)造了n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié) LED器件。盡管沒(méi)有使用熒光粉,器件在反向電壓下表現(xiàn)出了較強(qiáng)的白光發(fā)射。認(rèn)為,這種發(fā)光現(xiàn)象可能是