ZnTe薄膜和GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及光學特性.pdf

1、以ZnO、ZnSe和ZnTe為代表的Ⅱ-Ⅵ化合物半導體和以GaN材料為代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導體材料（包括AlN、GaN、InN及其合金）在光電器件的應(yīng)用上獲得了快速的發(fā)展。Ⅲ-Ⅴ族氮化物具有優(yōu)良的光電性質(zhì)，穩(wěn)定的化學性質(zhì)，使其可在高溫、酸堿、輻射環(huán)境下使用。它們都是直接帶隙材料且?guī)犊缭胶艽?，可從InN的0.7eV到AlN的6.28eV，在藍、綠光和紫外波段的光電子器件方面應(yīng)用廣泛。ZnTe作為寬禁帶半導體材料在綠光器件，光伏器件方面

2、有廣泛的應(yīng)用，它既可以作為綠光LED的優(yōu)良材料，又可以作為CdTe太陽能電池的背接觸層。同時ZnTe具有優(yōu)良相位匹配特性，已成為最常用和最適宜的發(fā)射和探測太赫茲輻射的材料。雖然近年來在ZnTe相關(guān)材料的器件的理論研究和實際應(yīng)用等方面都有了較大的發(fā)展。但在ZnTe外延材料的制備，尤其是相關(guān)器件的開發(fā)中存在著光學性能較低以及使用壽命較短等諸多問題。而這些問題主要是起因于ZnTe材料的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，如難以得到質(zhì)量優(yōu)異的n型摻雜的ZnTe，以及如何

3、有效減小襯底與外延層的晶格失配及熱失配等。而ZnTe內(nèi)部存在的雜質(zhì)、缺陷和應(yīng)力等則是影響材料質(zhì)量和性能的主要因素。探索生長高質(zhì)量ZnTe外延材料和ZnTe基異質(zhì)結(jié)構(gòu)等的制備工藝，探求表征其結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效手段是半導體發(fā)光領(lǐng)域內(nèi)非常有應(yīng)用價值的一個研究課題。
　　本論文主要以光致發(fā)光譜(PL)的測試為主，并配合其他測試手段，如X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)和拉曼光譜等測試對ZnTe和GaN相關(guān)材料的結(jié)構(gòu)特性和光學特性等進

4、行了研究。
　　以二甲基鋅(DMZn)和二乙基碲(DETe)為金屬有機源，氫氣為載氣，用金屬有機氣相外延系統(tǒng)在(100)面GaAs襯底上制備出ZnTe外延層。實驗前先將所用的拋光處理的GaAs襯底在有機溶劑中清洗，去除表面的油脂，然后在60℃的H2SO4+H2O2+H2O(5∶1∶1)的溶液中刻蝕20秒鐘，最后用去離子水沖洗并用氮氣吹干。為了去除GaAs襯底表面的自然氧化膜，在外延生長之前先在580℃下熱退火處理30分鐘。在有機源

5、和載氣引入生長室之前，MOVPE系統(tǒng)使用渦輪分子泵可以抽到10-7Torr量級的本底真空度。生長過程中DMZn和DETe維持在15μmol/min。樣品的生長溫度在390-440℃的范圍內(nèi)可調(diào)。為了比較襯底溫度對樣品性質(zhì)的影響，實驗中通過改變生長時間控制ZnTe外延層的厚度。實驗中所用樣品的厚度均為10μm左右。
　　對制備的ZnTe異質(zhì)外延層進行了AFM、XRD和PL測試，研究了襯底溫度對ZnTe外延層的形貌特征、結(jié)構(gòu)性質(zhì)及光學

6、性質(zhì)的影響。PL譜測試采用442nm線He-Cd激光器作為激發(fā)光源，樣品放置于閉循環(huán)液氦恒溫室中，測試溫度范圍為6-300K，激發(fā)功率在0.001-30mW之間連續(xù)可調(diào)。PL測試結(jié)果表明，襯底溫度對ZnTe異質(zhì)外延層的結(jié)晶質(zhì)量和光學性質(zhì)均有影響。對生長溫度在390-440℃之間的所有ZnTe外延層，其PL譜中均為束縛激子峰Ia占支配地位，且都未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷引起的Y線、施主受主對(DAP)及氧束縛激子(OBE)發(fā)光峰等深能級躍遷，說明外延

7、層具有很好的光學質(zhì)量。通過對比不同生長溫度外延層的PL譜發(fā)現(xiàn)，過低或者過高的生長溫度會降低外延層的質(zhì)量。這是因為過低的生長溫度導致反應(yīng)前體的表面動能不足，容易形成缺陷從而降低結(jié)晶質(zhì)量。而生長溫度過高又會導致襯底中的雜質(zhì)原子(As等)容易擴散進入外延層中，并且容易形成空位，同樣會使外延層質(zhì)量下降。因此確定中等襯底溫度(420℃)是生長高質(zhì)量ZnTe外延層的最佳溫度。XRD測量結(jié)果表明ZnTe外延層和GaAs襯底具有相同的(100)晶面取向

8、，二者存在著確定的外延關(guān)系。ZnTe外延層(400)面的XRC測量結(jié)果表明，生長溫度在420℃左右的ZnTe外延層的XRC半高寬最小，具有最好的結(jié)晶質(zhì)量。PL譜和XRC測量結(jié)果的一致說明PL光譜可以用來對外延層質(zhì)量進行表征。通過PL峰隨激發(fā)功率和外延層厚度變化關(guān)系，表明隨著厚度增加外延層中張應(yīng)力逐漸變小。
　　利用MOVPE方法在(100)ZnTe襯底上制備了同質(zhì)外延層，并研究了反應(yīng)室壓力對外延層光學性質(zhì)的影響。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)

9、室壓力對ZnTe同質(zhì)外延層的結(jié)晶質(zhì)量和光學性質(zhì)有顯著影響。反應(yīng)室壓力為500Torr時生長的的ZnTe外延層具有平整光滑的表面，說明此時處于質(zhì)量輸運限制生長模式和表面動能限制生長模式的過渡轉(zhuǎn)換區(qū)域。低的反應(yīng)室壓力(300Torr)生長的ZnTe外延層，其PL譜中自由激子峰占支配地位，未出現(xiàn)明顯的Y線、DAP發(fā)光峰及OBE等深能級躍遷，說明外延層具有很好的光學質(zhì)量。而高反應(yīng)室壓力(700Torr)生長的ZnTe外延層，其低溫PL譜中的發(fā)光

10、成分主要是與雜質(zhì)有關(guān)DAP發(fā)光及束縛激子發(fā)光，自由激子發(fā)光比較弱，這說明增大反應(yīng)室壓力導致ZnTe外延層的光學質(zhì)量變差。這是因為在低反應(yīng)室壓力下，由于前體的反應(yīng)速率較低，吸附在表面的反應(yīng)物有足夠的時間沿表面擴散，尋找合適的位置，這可以促進反應(yīng)物的晶化。隨著反應(yīng)室壓力的增加，生成外延層的前體的反應(yīng)速率明顯增大，前體到達表面很快發(fā)生結(jié)合，容易出現(xiàn)空位和并入雜質(zhì)。同時，低反應(yīng)室壓力可以消除或減小氣相中的寄生成核反應(yīng)，還可以減少來自襯底的自摻雜

11、。所有這些因素導致了低反應(yīng)室壓力生長的ZnTe外延層具有更好的光學特性和結(jié)晶質(zhì)量。而XRC測量結(jié)果也證明了低反應(yīng)室壓力下外延層的結(jié)晶質(zhì)量更高。另外，我們還對ZnTe襯底和ZnTe外延層的質(zhì)量進行了比較，PL譜和XRC測量表明高反應(yīng)室壓力生長的外延層，其晶體質(zhì)量比襯底差，而低反應(yīng)室壓力(300Torr)生長的外延層，其質(zhì)量優(yōu)于襯底。這說明低壓MOVOPE技術(shù)是生長高質(zhì)量半導體外延材料的重要途徑。
　　GaN及其相關(guān)化合物以其在藍光到

12、近紫外波段的光電器件以及高功率、高頻和高溫晶體管等電子器件的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。但因為缺乏高質(zhì)量的GaN晶體和外延層，對基本的帶邊發(fā)射，如帶帶發(fā)射、激子發(fā)射以及能帶到雜質(zhì)的發(fā)射等復合躍遷，仍然沒有完全掌握。因此制備高質(zhì)量GaN外延層及相關(guān)結(jié)構(gòu)，并對其發(fā)光機理進行深入研究，對提高GaN基發(fā)光電器件的理論知識和設(shè)計能力都有重要的意義。
　　采用MOVPE方法在c面藍寶石襯底上制備了GaN外延層及AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用X射線衍射、

13、激光拉曼譜和PL光譜等表征手段對制備的樣品結(jié)構(gòu)、應(yīng)力及光學性質(zhì)進行了研究。對GaN外延層，研究了帶邊發(fā)光峰隨激發(fā)功率和溫度的變化規(guī)律，明確了帶邊發(fā)光峰的種類及起源。GaN外延層中，低溫下中性施主束縛激子發(fā)光占主導地位，同時還可以觀察到清晰的自由激子精細結(jié)構(gòu)，窄的激子峰半高寬表明GaN外延層具有很高的結(jié)晶質(zhì)量。隨著溫度的升高，束縛激子發(fā)生熱解離，其強度迅速降低，而自由激子具有較大的結(jié)合能，其強度下降得較慢。溫度在150K以上，PL譜中自由

14、激子發(fā)光占支配地位。通過PL光譜中峰位與外延層殘余應(yīng)力的關(guān)系，對GaN外延層中的應(yīng)力進行了估算，結(jié)果表明外延層中由晶格失配引起的應(yīng)力已經(jīng)弛豫掉，可以不用考慮。外延層中的殘余應(yīng)力主要是源于襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)差異引起的壓應(yīng)力。這個結(jié)果與通過拉曼測量估算出的外延層應(yīng)力符合的很好。
　　對AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究了AlN厚度的變化對該結(jié)構(gòu)的電學、光學性質(zhì)以及應(yīng)力的影響?；魻栃?yīng)測量結(jié)果顯示，AlN厚度較小(3nm)的AlN/Ga

15、N異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，室溫下的載流子面密度和霍爾遷移率分別為1013cm-2和1720cm2/V.s，10K時的霍爾遷移率高達9500cm2/V.s。而AlN厚度增大為6nm后，該結(jié)構(gòu)的載流子面密度雖有增大，但其霍爾遷移率卻明顯降低。這是因為AlN厚度增大會導致應(yīng)力釋放引起結(jié)構(gòu)質(zhì)量的下降。對AlN厚度較小(3nm)的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其PL譜中主要是GaN帶邊激子發(fā)光，而對AlN厚度較大(6nm)的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其PL譜中除Ga