GaN與藍(lán)寶石襯底上的ZnO薄膜生長和性能.pdf

1、近年來，氧化鋅(ZnO)成為繼氮化鎵(GaN)之后，受到廣泛研究的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其在紫外發(fā)光二極管器件和激光器等方面有良好的應(yīng)用前景。高性能的器件取決于高質(zhì)量的ZnO薄膜材料。所以生長高質(zhì)量的ZnO單晶薄膜具有重要的意義。
　　本論文利用分子束外延(MBE)在藍(lán)寶石上生長ZnO薄膜，通過引入單層MgO緩沖層，單層ZnO緩沖層及多層緩沖層，改變生長溫度等，探討提高ZnO薄膜質(zhì)量的方法。分析MgO緩沖層生長在藍(lán)寶石上的形貌結(jié)構(gòu)特性

2、，發(fā)現(xiàn)低溫生長MgO緩沖層成六角形狀。研究MgO緩沖層厚度對ZnO薄膜質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)較薄的MgO緩沖層更有利于ZnO薄膜質(zhì)量提高。比較同質(zhì)緩沖層和異質(zhì)緩沖層對ZnO薄膜質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)引入MgO緩沖層的樣品有更窄的XRD半高寬和近帶邊發(fā)射半高寬，引入變溫緩沖層的樣品有更強(qiáng)的光發(fā)射強(qiáng)度?？紤]上述兩種因素，采用多層緩沖層對ZnO薄膜做進(jìn)一步的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)證明ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)通過優(yōu)化多層緩沖層可以得到很大的提高，或者提高薄膜生長溫度

3、可以獲得更好的晶體質(zhì)量。然而，在低溫緩沖層或者簡單的結(jié)構(gòu)上生長的ZnO樣品常常存在較大的應(yīng)力。另外，在PL測試上觀察到先藍(lán)移后紅移的現(xiàn)象。這可能跟Burstein-Moss shift和熱效應(yīng)有關(guān)。越大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致更大的藍(lán)移。這些現(xiàn)象暗示著可以通過高溫生長緩沖層獲得更高質(zhì)量的ZnO薄膜。
　　本論文還探討了在藍(lán)寶石上以MOCVD方法制備的GaN作為基底來生長ZnO的方法。首先在GaN基底上生長了不同厚度的ZnO，通過RHEED、A

4、FM、XRD、PL等測試，發(fā)現(xiàn)厚度為0.3、0.9、4.0nm的ZnO薄膜跟GaN基底是共格生長，形成有原子臺(tái)階的平整表面。隨著生長時(shí)間的增長，當(dāng)生長厚度達(dá)到20nm時(shí)，表面開始進(jìn)行弛豫，形成ZnO的三維生長，類似緩沖層的生長，表面粗糙度有所上升。厚度120nm的ZnO薄膜RHEED圖樣銳利且明亮、表面平整、晶格有序。厚度為240nm的薄膜，表面開始粗糙化，形成小顆粒的表面。所有樣品都是c軸擇優(yōu)取向的薄膜。隨著時(shí)間的生長，晶體的晶格常數(shù)

5、發(fā)生變化，120nm厚的薄膜晶格常數(shù)增大，240nm厚的樣品晶格常數(shù)又減小，但是晶格常數(shù)總體比塊體材料小。這和薄膜與基底的壓應(yīng)力及拉應(yīng)力相關(guān)。為了觀察光學(xué)性質(zhì)的變化，進(jìn)行了PL測試。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，厚度為120nm的薄膜出現(xiàn)了ZnO的束縛激子紫外發(fā)光峰，而在240nm厚的樣品中，不僅出現(xiàn)了紫外發(fā)光峰，還有一個(gè)與缺陷相關(guān)的650nm附近的發(fā)光峰。XPS的測試可以看出，在GaN基底上生長ZnO初期容易形成Ga2O3，并且隨著厚度的增長，O容易吸附

6、在薄膜表面，形成富O狀態(tài)，生長過程中Zn原子和O原子結(jié)合，按照化學(xué)計(jì)量比形成Zn-O鍵?？梢园l(fā)現(xiàn)在GaN基底上生長120nmZnO薄膜的時(shí)候，其形貌和光學(xué)性質(zhì)都得到比較大的提高，這很可能是因?yàn)槌跗谏L薄膜相當(dāng)于是緩沖層的生長，使得薄膜性質(zhì)得到進(jìn)一步的提高。
　　在GaN基底上先生長不同厚度的ZnO緩沖層(2nm、10nm、20nm)，然后再生長240nm的N摻雜ZnO薄膜，記做GaN/ZnO(2nm)/ZnO∶N，GaN/ZnO(

7、10nm)/ZnO∶N和GaN/ZnO(20nm)/ZnO∶N，通過RHEED、AFM、XRD、PL等測試，發(fā)現(xiàn)GaN/ZnO(10nm)/ZnO∶N生長過程中更容易引入N間隙位，使得表面緊致，平整，引入應(yīng)力缺陷，使得晶格常數(shù)變化最大，光學(xué)性質(zhì)變差。GaN/ZnO(2nm)/ZnO∶N的表面比GaN/ZnO(20nm)/ZnO∶N平整，但是結(jié)構(gòu)弛豫沒有后者好，晶格常數(shù)變得較大，光學(xué)質(zhì)量比后者稍差。GaN/ZnO(20nm)/ZnO∶N的

8、表面較粗糙但是晶體質(zhì)量較好，且光學(xué)性質(zhì)也較好。為了繼續(xù)提高ZnO薄膜的性質(zhì)，通過在兩層ZnO薄膜生長中間，引入10s的N、Zn-N共摻和Mg-N共摻等方法來優(yōu)化樣品結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明薄膜形貌和光學(xué)質(zhì)量都得到了進(jìn)一步地提高。GaN/ZnO/N2/ZnO和GaN/ZnO/Mg-N2/ZnO的RHEED衍射條紋銳利、表面平坦、結(jié)晶質(zhì)量良好，但是光學(xué)特性不是那么理想。反而是GaN/ZnO/Zn-N2/ZnO的RHEED衍射和AFM掃描顯示表面很粗糙

9、，而且沿著[1100]方向的晶格常數(shù)a變大，GIXRD掃描表明沿著c方向的晶格常數(shù)也變大，室溫PL譜顯示光學(xué)質(zhì)量反而得到較大地提高。為了進(jìn)一步提高光學(xué)質(zhì)量，引入多層N處理。GaN/ZnO/3×[N2/ZnO(40nm)]樣品三次引入N處理，使得樣品受N影響的程度增大，表面粗化，光學(xué)質(zhì)量比引入一次N的樣品稍好。而引入2次N處理的GaN/ZnO/2×[N2/ZnO(60nm)]樣品，雖然表面粗糙，晶格常數(shù)變大最明顯，N間隙的影響比引入3次N