外延GaN襯底上ZnO-Ga薄膜的制備及特性研究.pdf

1、寬禁帶氧化物透明導(dǎo)電薄膜具有在可見光區(qū)域透過(guò)率高、紅外波段反射率高以及導(dǎo)電性能優(yōu)良等特點(diǎn)，而GaN材料則具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，二者在光電器件領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。目前，GaN基發(fā)光二極管(LEDs)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并且有廣泛的應(yīng)用。提高GaN基LEDs效率的其中一個(gè)方法是使用低阻透明導(dǎo)電膜來(lái)提高發(fā)光效率，目前LED市場(chǎng)所用的透明導(dǎo)電膜主要是摻錫氧化銦(In2O3:SnITO)。但是，銦(In)資源比較緊缺，而

2、且In的強(qiáng)擴(kuò)散性會(huì)導(dǎo)致器件性能的衰退。
　　 ZnO材料高溫下穩(wěn)定，資源豐富，有利于應(yīng)用生產(chǎn)。ZnO和GaN的禁帶寬度非常相近(Egzno=3.37eV,EgGN=3.40eV)，晶格非常匹配(ZnO:a0=3.250A，c0=5.207A;GaN:a0=3.189A，c0=5.186A)，因此在GaN上制備ZnO既可以降低界面勢(shì)壘效應(yīng)，又可以減少界面應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷，較易獲得高質(zhì)量的薄膜。在制備高質(zhì)量ZnO單晶膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行合適

3、的摻雜，改善電學(xué)性能，既可以使ZnO成為很好的GaN基LEDs的透明電極材料，又可以用于ZnO基光電器件。所以，研究在GaN上制備ZnO薄膜這一課題有很強(qiáng)的應(yīng)用性。在這樣的背景下，本論文開展了對(duì)epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底ZnO:Ga透明導(dǎo)電膜的制備及其性質(zhì)的研究。
　　 本論文的主要研究工作及結(jié)果如下：
　　 1．采用MO℃VD方法，以高純Zn(C2H5)2作為有機(jī)源，高純O2作為氧源，高純N2作為載

4、氣，成功地制備了高質(zhì)量的ZnO單晶外延薄膜。分析結(jié)果表明，與a-Al2O3(0001)和7059玻璃相比較，在epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上制備的薄膜具有最好的結(jié)晶質(zhì)量。在600℃的epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上制備了一組反應(yīng)壓強(qiáng)在10～40Torr范圍變化的ZnO薄膜。測(cè)試分析表明反應(yīng)壓強(qiáng)為20Torr時(shí)制備的薄膜具有最好的結(jié)晶質(zhì)量、最高的遷移率和良好的光學(xué)性質(zhì)。
　　 2．用epi-GaN

5、/a-Al2O3(0001)襯底，在20Torr的反應(yīng)壓強(qiáng)下制備了不同襯底溫度的ZnO系列薄膜，溫度變化范圍為500～650℃。測(cè)試分析表明，襯底溫度為600℃時(shí)制備的薄膜具有最好的結(jié)晶質(zhì)量，為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO單晶外延薄膜，與GaN(0001)襯底存在ZnO(0001)(?)GaN(0001)、2nO[1120](?)GaN[1120]和ZnO[1010]（？）GaN[1010]的外延關(guān)系。在500～650℃溫度變化范圍內(nèi)，600℃時(shí)

6、制備的ZnO薄膜具有最高的遷移率、較低的載流子濃度和較低的電阻率。制備的樣品在可見光區(qū)域平均透過(guò)率均大于epi-GaN/a-Al2O3襯底的透過(guò)率，具有一定的增透作用。
　　 3．在襯底溫度600℃，反應(yīng)壓強(qiáng)20Torr的條件下，以高純Zn(C2H5)2作為鋅源，高純Ga(CH3)3作為鎵源，高純O2作為氧源，高純N2作為載氣，采用MOCVD方法制備ZnO:Ga薄膜。分析結(jié)果表明，epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上

7、制備的ZnO:Ga(4％)薄膜比在a-Al2O3(0001)和7059玻璃襯底上制備的ZnO:Ga(4％)薄膜具有更好的結(jié)晶質(zhì)量和更小的光學(xué)帶隙。在epi-GaN、a-Al2O3(0001)襯底上制備了摻雜濃度為0～8％的ZnO:Ga系列薄膜，并對(duì)不同摻雜濃度薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。制備薄膜均為具有c軸擇優(yōu)取向的纖鋅礦結(jié)構(gòu)氧化鋅。隨著摻雜濃度的升高，制備的ZnO:Ga薄膜經(jīng)歷了由單晶向多晶的轉(zhuǎn)變，薄膜表面形貌和粗糙度