硅襯底ZnO半導體材料生長及GaN-Si白光LED老化研究.pdf

1、本文的主要工作是采用本實驗室自行研制MOCVD系統(tǒng)對Ni/Si(111)襯底上ZnO薄膜的生長進行研究。通過對生長工藝的改進及對所生長出的樣品多項分析測試，得到如下一些有意義的結果： 1、采用常壓MOCVD系統(tǒng)在Si(111)襯底上生長ZnO薄膜。為了緩解失配，保護襯底，本文首次采用10(A)的Ni金屬層作為過渡層，即在Ni/Si(111)模板生長ZnO。先在高真空電子束蒸發(fā)臺中蒸鍍10(A)的Ni金屬層與硅襯底上，再把樣品移入

2、常壓MOCVD系統(tǒng)外延生長ZnO薄膜。 2、從加入Ni金屬層和未加入Ni金屬層作為過渡層在Si(111)襯底上生長的ZnO薄膜的對比實驗中：兩樣品的X-射線衍射Omega-2θ掃描結果顯示，加入Ni金屬層生長的ZnO薄膜表征c-軸取向的ZnO(002)的衍射峰強度明顯高于未加入Ni金屬層生長的ZnO薄膜，其半峰寬(FWHM=0.21°)也小于未加入Ni金屬層生長的ZnO薄膜(FWHM=0.35°)，顯現(xiàn)出相對較好的結晶完整性。從

3、(002)的衍射峰位來看，加入Ni金屬層的樣品2θ=34.5°比未加入Ni金屬層的樣品2θ=34.7°更接近體材料ZnO的(002)方向的衍射峰2θ=34.42°，即水平方向受到相對較小的張應力。Ni金屬層的加入有效緩解了由于ZnO與Si襯底之間的大失配造成水平方向受到的張應力。 3、從ZnO薄膜的室溫光致發(fā)光光譜中，加入Ni金屬層和未加入Ni金屬層過渡生長的樣品都觀察到很強的紫外發(fā)射，紫外發(fā)射強度與深能級躍遷的強度比為分別為2

4、0∶1和8.5∶1，說明加入Ni金屬過渡層生長的ZnO薄膜中的缺陷雜質較少。 4、采用不同反應鋅源在Ni/Si(111)模板上生長ZnO薄膜。從X-射線衍射圖譜得出的結果差別不大；與采用二甲基鋅(DMZn)作反應源生長的ZnO薄膜相比，采用二乙基鋅(DEZn)作反應源生長的ZnO薄膜光致發(fā)光譜觀測到強的紫外發(fā)光峰而深能級發(fā)光峰很弱；從原子力顯微結構來看采用二乙基鋅(DEZn)作反應源生長的ZnO薄膜晶粒細小且均勻，表面粗糙度約為

5、51nm，平均晶粒尺寸為0.83μm；采用二甲基鋅(DMZn)作反應源生長的ZnO薄膜晶粒粗大呈明顯的三維生長趨勢且伴隨大的空洞，表面粗糙度高達128nm，平均晶粒尺寸為3.15μm。 5、通過調整ZnO低溫緩沖層的生長工藝，進一步摸索了在Ni/Si(111)模板生長的ZnO外延膜部分優(yōu)化生長條件：ZnO低溫緩沖層的優(yōu)化厚度約在50(A)～100(A)之間，緩沖層優(yōu)化溫度在300℃附近。依據(jù)此條件生長的ZnO/Ni/Si(111

6、)薄膜，原子力顯微結構成邊緣清晰的六角形晶粒，且伴隨象征著二維生長的六棱錐狀晶粒；X-射線衍射結果表明只存在c-軸擇優(yōu)取向的(002)和(004)衍射峰；薄膜室溫光致發(fā)光光譜只出現(xiàn)了3.260eV附近的近帶邊紫外發(fā)光峰，與缺陷相關的綠光發(fā)射很弱。10K低溫光致發(fā)光光譜出現(xiàn)了自由激子峰及其2LO聲子伴線，束縛激子峰及其1LO、2LO聲子伴線。 以上結果表明，本文在Ni/Si(111)模板生長出了表面形貌和發(fā)光性能良好的，具有c-軸

7、擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。本文的此項研究工作對進一步開展ZnO器件研究奠定了基礎。 另外，鑒于Si襯底材料成本低、器件加工方便、有利于光電集成等優(yōu)勢，采用Si襯底來生長GaN基LED在今后的研究和應用中將有大的發(fā)展。本文采用電流加速老化的方法對Si襯底上生長的熒光粉轉換GaN基白光LED和藍光LED的光輸出功率隨老化時間的衰減特性進行了研究，通過對老化過程中LED失效情況的初步分析得到：無論是從光學還是電學參數(shù)上分析，Si襯底上生長