ZnO材料的制備和GaN基LED器件的研究.pdf

1、ZnO和GaN同為寬帶隙半導(dǎo)體材料,具有相近的晶格特性和光電性能。本文分兩部分分別對ZnO和GaN材料(或器件)作了相關(guān)研究。
　　 ZnO作為一種新型功能材料,具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性。由于具有60meV激子束縛能以及很強(qiáng)的紫外受激輻射,ZnO在短波長發(fā)光器件方面如LEDs、LDs具有很大的發(fā)展?jié)摿Α４送?ZnO在可見光區(qū)域具有很高的光透過率,通過摻雜可使ZnO薄膜的電阻率降低到10-4Ω.m以下,

2、因此摻雜ZnO薄膜的高透光率和低電阻特性使其成為一種優(yōu)異的電極材料。本文采用溶膠.凝膠(sol-gel)法制備了ZnO薄膜和稀土元素釔(Y)摻雜ZnO薄膜,對其工藝和性能進(jìn)行了研究,得到了以下一些有意義的結(jié)果:
　　 1、通過溶膠-凝膠工藝參數(shù)的研究,摸索出最佳工藝,制備出具有c軸擇優(yōu)取向生長的ZnO薄膜。最佳工藝條件為:48h的陳化時(shí)間、300℃的預(yù)熱處理溫度和500℃的退火溫度。本文ZnO薄膜在可見光范圍(λ>390nm)平

3、均透光率超過85％,由Tauc作圖法計(jì)算出ZnO薄膜的禁帶寬度為3.26eV。在ZnO薄膜的光致發(fā)光譜中,我們觀察到了紫光、藍(lán)光、綠光和黃光。紫光認(rèn)為是導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的直接輻射復(fù)合發(fā)光,而藍(lán)光、綠光和黃光認(rèn)為是材料中本征缺陷能級或雜質(zhì)缺陷能級等局域能級引起的發(fā)光。
　　 2、Y摻雜ZaO薄膜,由于Y和Zn的離子半徑有差異,當(dāng)Y替代Zn進(jìn)入ZnO晶格中時(shí),會(huì)引起晶格畸變,而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生,從而使ZnO薄膜的結(jié)晶性能變差,ZnO晶粒

4、細(xì)化,由(0002)晶面的擇優(yōu)取向生長轉(zhuǎn)變?yōu)榫蛏L。結(jié)晶質(zhì)量的下降和缺陷的增加也使得Y摻雜ZnO薄膜的透光性能變差。
　　 3、Y摻雜ZnO薄膜的電阻率存在兩種相互競爭的機(jī)制,即由Y3+多余一個(gè)電子而引起的載流子濃度的增大,和由Y替代Zn產(chǎn)生大量缺陷而導(dǎo)致載流子遷移率的減小,Y摻雜濃度在0.5～1at％之間時(shí),ZnO薄膜的電阻率最小,為30Ω.m。
　　 依靠以GaN基LED為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體固態(tài)照明要替代傳統(tǒng)照明光源,在

5、目前看來仍有兩個(gè)難題需要解決:一個(gè)是成本問題,另一個(gè)是亮度問題。目前商品化的GaN基LED器件主要是在藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、Si襯底等三種異質(zhì)襯底上采用MOCVD方法外延生長的。行業(yè)對LED高亮度的要求,使得目前三種襯底技術(shù)都需要做成垂直結(jié)構(gòu)器件。本文結(jié)合Si襯底GaN外延技術(shù)的成本優(yōu)勢和金屬基板具有良好的散熱性能,采用電鍍技術(shù)制備出金屬基板大功率GaN基LED,對其性能進(jìn)行了研究,得到了以下一些有意義的研究結(jié)果:
　　 1、

6、本文制備的電鍍金屬基板中的電鍍金屬均表現(xiàn)出擇優(yōu)取向生長,Pt電極金屬層、Au金屬保護(hù)層和Cu電鍍層均以(111)晶面擇優(yōu)取向生長,而Cr電鍍層則以Cr(110)晶面為擇優(yōu)取向生長面。
　　 2、電鍍金屬基板轉(zhuǎn)移可以使Si(111)面生長的GaN基LED外延薄膜n型GaN層受到的張應(yīng)力減小,甚至轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力,從而使InGaN阱層受到的壓應(yīng)力變得更大；而后續(xù)處理和芯片制作工藝可以使GaN基LED外延薄膜受到的壓應(yīng)力減小到接近無應(yīng)力狀態(tài)

7、,InGaN阱層受到的壓應(yīng)力也隨之減小,由壓應(yīng)力引起的量子限制Stark效應(yīng)也減弱。
　　 3、本文制備的電鍍金屬基板大功率GaN基藍(lán)光LED的典型I-V特性為開啟電壓:2.5V@300μA,工作電壓:3.45V@350mA,反向擊穿電壓:25V@10μA；本文制備的電鍍金屬基板LED具有良好的光功率抗飽和性能和較小的波長漂移,未灌硅膠和未加透鏡的Pt電極LED芯片的光輸出功率為115mW@350mA,相應(yīng)的Ag電極芯片為245