铝掺杂氧化锌透明薄膜之制备及其在氮化镓基发光二极管之应用

论文摘要

多晶的或无定形的透明导电氧化物（Transparent conducting oxides,简称TCOs）,由于其独特的光学和电学性能,成为近年来研究的热点。其中,铝掺杂氧化锌（Al-dopedZnO,简称AZO）因具有低电阻率和高可见光区透过率,成为主要的透明导电氧化物材料之一,加上其原材料丰富,价格低廉且无污染,在光电器件领域有望替代ITO成为最理想的透明导电材料。本文采用射频磁控溅射技术首次在室温下,以ZnO:Al2O3（98:2 wt%）为靶材,在石英玻璃衬底上制备多晶AZO透明导电薄膜。同时应用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫面电子显微镜（SEM）、俄歇电子能谱仪（AES）、X射线光电子能谱仪（XPS）、霍尔效应测试系统以及紫外-可见分光光度计等测试手段,研究了不同射频功率、Ar气压强、衬底与靶位间距、薄膜厚度以及不同退火条件（包括不同气体氛围和不同温度）对薄膜结构特性、电学性能与光学性能的影响。此外,本文将工艺优化下生长的AZO薄膜作为p-GaN的透明电极,制备一系列的AZO/GaN欧姆接触和GaN基发光二极管,研究了AZO与GaN的欧姆接触性能,并探讨引入不同过度金属层（Ni,Pt,Ag）来降低欧姆接触电阻,提高GaN基LED性能。所取得的成果如下:1.本文首次系统地研究了室温下各溅射工艺参数（射频功率、氩气压强、衬底与靶材间距、薄膜厚度）对AZO薄膜性质的影响,生长的AZO薄膜为六角纤维锌矿结构,呈c轴择优取向,对薄膜的组分分析表明薄膜符合化学剂量比（Zn:O≈1:1）。由于薄膜在室温下沉积,薄膜结构相对疏松,晶粒边界上有少数O原子的吸附。同时在300W射频功率、0.4Pa Ar气压强（流量为30sccm）和7.0cm靶位与衬底间距条件时,得到最低电阻率为2.88×10-4Ω·cm、可见光区透射率90%以上的500nm AZO薄膜。2.AZO薄膜在N2氛围中退火后,薄膜的电阻率增大,载流子浓度降低,其电学性能退化程度随退火温度的升高而增大。经N2氛围中500度退火后,薄膜电阻率升至2.09×10-2Ω·cm,相应的载流子浓度和霍耳迁移率分别降为8.04×1019cm-3和3.71cm2/Vs。而当退火温度升高到700度时,薄膜电阻率大于1×105Ω·cm,同时Burstein-Moss效应消失,光学带隙变小至3.34eV。其主要原因是样品经高温退火后,AZO薄膜里的O与掺杂Al集合,使得Al掺杂载流子浓度和迁移率迅速降低,导致电学性能变差。3.在退火气体N2中加入约4%的H2,能够让Al被氧化的程度得到抑制,AZO薄膜电阻率退化程度变小。在含H2氛围中500度退火时,薄膜电阻率只稍微升高至8.65×10-4Ω·cm,相应的载流子浓度和霍耳迁移率变化不大,分别降为5.73×1020cm-3和12.6cm2/Vs。这是由于H的还原性质,使得Al被氧化的几率降低,Al有效掺杂得到保护。但经600度退火后,由于室温薄膜比较疏松,AZO薄膜里的O被H还原,使得薄膜变薄。薄膜700度退火后,AZO薄膜里的O完全被H还原,剩余的Zn在高温下蒸发,AZO薄膜消失。4.采用电子束蒸发在石英衬底上先沉积一薄的金属层（Ni,Pt,Ag）,接着再采用磁控溅射沉积AZO薄膜,形成metal/AZO双层薄膜,研究不同金属及不同厚度对双层薄膜电阻和透过率的变化关系。研究发现在过渡金属薄层沉积的AZO薄膜的结晶性变差,电阻率变大。不过,制备的双层薄膜2nm Ni/250nm AZO的方块电阻为21.0Ω/□,可见光区平均透过率为76.5%,依然适合作为GaN基LED的透明电极。5.在国内首次采用磁控溅射AZO薄膜在p-GaN表面制备欧姆接触,研究发现因溅射出来的高能粒子损伤p-GaN表层活性,无法形成线性的AZO/GaN欧姆接触。在p-GaN和AZO之间用电子束蒸发生长三种不同金属（5nm Ni,Ag,Pt）过渡层,其接触性能得到显著改善,且改善的程度随金属层的厚度增加而增大,在无退火情况下,本文获得的比接触电阻率分别为:5.01×10-3,5.74×10-3,3.90×10-3Ω·cm2。此外,同时制备了一系列的AZO电极的蓝光和近紫外-紫光GaN基LED,获得500nmAZO电极、5nmNi/250nmAZO电极、5nmAg/250nmAZO电极、5nmPt/250nmAZO电极蓝光LED在20mA下,正向电压分别是Vf（AZO）=5.12V;Vf（Ni/AZO）=3.20V;Vf（As/AZO）=3.40V;VfPt/AZO=3.05V;各LED其轴向出光光强依次为40.4,32.3,28.7,29.4mcd。其中,本文国际上首次引入的Ag,Pt两种过渡薄层作为电极制备LED,其中Pt/AZ0电极GaN基LED的正向电压仅3.05V。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 透明导电氧化物（TCO）薄膜概述
• 1.2 ZnO和AZO薄膜的基本性质
• 1.2.1 ZnO的基本性质
• 1.2.2 AZO薄膜的基本性质
• 1.3 AZO导电膜的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 AZO导电膜的国际研究现状
• 1.3.2 AZO导电膜的国内研究现状
• 1.4 本文主要内容及组织结构
• 参考文献
• 第二章 AZO薄膜制备方法与表征方法
• 2.1 AZO薄膜制备方法
• 2.1.1 磁控溅射
• 2.1.2 电子束蒸发
• 2.1.3 化学气相沉积
• 2.1.4 脉冲激光沉积
• 2.1.5 其他几种生长方法
• 2.2 AZO薄膜测试与表征方法
• 2.2.1 四探针法
• 2.2.2 Hall效应与Van de Pauw方法
• 2.2.3 表面轮廓仪法
• 2.2.4 原子力显微镜
• 2.2.5 X射线衍射方法
• 2.2.6 紫外—可见分光光度计
• 2.2.7 俄歇电子能谱仪与X射线光电子能谱仪
• 2.2.8 扫描电子显微镜
• 2.2.9 光致发光谱（PL）方法
• 参考文献
• 第三章 AZO薄膜制备、测试与分析
• 3.1 AZO透明导电薄膜生长机理
• 3.2 AZO薄膜样品制备工艺
• 3.3 AZO薄膜的测试与分析
• 3.3.1 溅射射频功率对AZO薄膜性能的影响
• 3.3.2 溅射Ar气压强对AZO薄膜性能的影响
• 3.3.3 衬底与靶间距对AZO薄膜性能的影响
• 3.3.4 厚度对AZO薄膜性能的影响
• 3.4 退火对AZO薄膜性能的影响
• 2氛围退火对AZO薄膜性能的影响'>3.4.1 N₂氛围退火对AZO薄膜性能的影响
• 2/H₂氛围退火对AZO薄膜性能的影响'>3.4.2 N₂/H₂氛围退火对AZO薄膜性能的影响
• 3.5 金属（Ni,Ag,Pt）/AZO双层薄膜的制备
• 3.6 本章总结
• 参考文献
• 第四章 AZO透明电极p-GaN基欧姆接触
• 4.1 金属-半导体接触
• 4.1.1 金属-半导体接触基本原理
• 4.1.2 比接触电阻的测试
• 4.1.3 p-GaN欧姆接触与电流扩散层
• 4.1.4 透明导电层
• 4.2 AZO/Ni,Pt,Ag/GaN欧姆接触的制备、测试与分析
• 4.2.1 制备工艺
• 4.2.2 测试与分析
• 4.3 本章总结
• 参考文献
• 第五章 AZO透明电极GaN基LED的制备与测试
• 5.1 AZO透明电极GaN基蓝光发光二极管的研制
• 5.1.1 制备工艺
• 5.1.2 测试与分析
• 5.2 AZO透明电极GaN基近紫外-紫光发光二极管的研制
• 5.2.1 制备工艺
• 5.2.2 测试与分析
• 5.3 本章总结
• 参考文献
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 将来研究计划
• 附录 博士期间发表论文
• 致谢