外延GaN衬底上ZnO：Ga薄膜的制备及特性研究

论文摘要

宽禁带氧化物透明导电薄膜具有在可见光区域透过率高、红外波段反射率高以及导电性能优良等特点,而GaN材料则具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、导热性好等特点,二者在光电器件领域都得到了广泛的应用。目前,GaN基发光二极管（LEDs）已经产业化,并且有广泛的应用。提高GaN基LEDs效率的其中一个方法是使用低阻透明导电膜来提高发光效率,目前LED市场所用的透明导电膜主要是掺锡氧化铟（In2O3:Sn, ITO）。但是,铟（In）资源比较紧缺,而且In的强扩散性会导致器件性能的衰退。ZnO材料高温下稳定,资源丰富,有利于应用生产。ZnO和GaN的禁带宽度非常相近（EgZno=3.37eV, EgaN=3.40eV）,晶格非常匹配（ZnO:a0=3.250A, c0=5.2O7A; GaN:a0=3.189A, c0=5.186A）,因此在GaN上制备ZnO既可以降低界面势垒效应,又可以减少界面应力导致的缺陷,较易获得高质量的薄膜。在制备高质量ZnO单晶膜的基础上进行合适的掺杂,改善电学性能,既可以使ZnO成为很好的GaN基LEDs的透明电极材料,又可以用于ZnO基光电器件。所以,研究在GaN上制备ZnO薄膜这一课题有很强的应用性。在这样的背景下,本论文开展了对epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底ZnO:Ga透明导电膜的制备及其性质的研究。本论文的主要研究工作及结果如下：1.采用MOCVD方法,以高纯Zn（C2H5）2作为有机源,高纯02作为氧源,高纯N2作为载气,成功地制备了高质量的ZnO单晶外延薄膜。分析结果表明,与a-Al2O3（0001）和7059玻璃相比较,在epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底上制备的薄膜具有最好的结晶质量。在600℃的epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底上制备了一组反应压强在10～40 Torr范围变化的ZnO薄膜。测试分析表明反应压强为20 Torr时制备的薄膜具有最好的结晶质量、最高的迁移率和良好的光学性质。2.用epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底,在20 Torr的反应压强下制备了不同衬底温度的ZnO系列薄膜,温度变化范围为500-650℃。测试分析表明,衬底温度为600℃时制备的薄膜具有最好的结晶质量,为纤锌矿结构的ZnO单晶外延薄膜,与GaN（0001）衬底存在ZnO （0001）|| GaN （0001）, ZnO[1120]|| GaN[1120]和ZnO[1010]||GaN[1010]的外延关系。在500～650℃温度变化范围内,600℃时制备的ZnO薄膜具有最高的迁移率、较低的载流子浓度和较低的电阻率。制备的样品在可见光区域平均透过率均大于epi-GaN/a-Al2O3衬底的透过率,具有一定的增透作用。3.在衬底温度600℃,反应压强20Torr的条件下,以高纯Zn（C2H5）2作为锌源,高纯Ga（CH3）3作为镓源,高纯O2作为氧源,高纯N2作为载气,采用MOCVD方法制备ZnO:Ga薄膜。分析结果表明,epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底上制备的ZnO:Ga（4%）薄膜比在a-Al2O3（0001）和7059玻璃衬底上制备的ZnO:Ga（4%）薄膜具有更好的结晶质量和更小的光学带隙。在epi-GaN/a-Al2O3（0001）衬底上制备了掺杂浓度为0-8%的ZnO:Ga系列薄膜,并对不同掺杂浓度薄膜的结构、电学和光学性质进行了系统的研究。制备薄膜均为具有c轴择优取向的纤锌矿结构氧化锌。随着掺杂浓度的升高,制备的ZnO:Ga薄膜经历了由单晶向多晶的转变,薄膜表面形貌和粗糙度受掺杂浓度的影响较大。掺杂浓度为4-6%范围的薄膜具有优良的电学和光学性质。在该范围内,室温下的电阻率为1.24×10-2～1.26×10-2Ω·cm,霍尔迁移率为11.7～23.2cm2V-1s-1,载流子浓度为2.18×1019～4.22×1019cm-3,样品在可见光区域平均透过率超过了80%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• §1.1 透明导电氧化物（TCO）薄膜概述
• §1.2 ZnO薄膜的性质及其应用
• 1.2.1 结构性质
• 1.2.2 电学性质
• 1.2.3 光学性质
• 1.2.4 ZnO薄膜的应用
• §1.3 ZnO薄膜的制备方法
• §1.4 ZnO薄膜的研究现状
• §1.5 课题的选取和研究的内容
• 本章参考文献
• 第二章 实验设备介绍和薄膜制备过程的介绍
• §2.1 金属有机化学气相淀积法（MOCVD）
• 2.1.1 MOCVD系统的介绍
• 2.1.2 MOCVD的基本原理
• 2.1.3 MOCVD的技术特点
• §2.2 实验前的准备
• 2.2.1 衬底的选取
• 2.2.2 衬底的清洗
• 2.2.3 原料的选取和实验参数的确定
• 2.2.4 工艺流程的程序编辑
• §2.3 薄膜的制备过程
• 本章参考文献
• 第三章 薄膜性能的测试分析方法
• §3.1 结构和成分测试分析
• 3.1.1 X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）
• 3.1.2 X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）
• §3.2 薄膜表面形貌分析
• 3.2.1 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy,SEM）
• 3.2.2 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy,AFM）
• 3.2.3 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）
• §3.3 电学性质的测量
• 3.3.1 电阻率ρ（Ω·cm）
• -3)和霍尔迁移率μ(cm²V^-1s^-1)'>3.3.2 载流子浓度n(cm^-3)和霍尔迁移率μ(cm²V^-1s^-1)
• 3.3.3 衬底GaN对薄膜电学测量结果的影响
• §3.4 光学性质的测量
• 3.4.1 透射和吸收
• 3.4.2 光致发光谱（Photoluminescence,PL）
• 本章参考文献
• 2O₃衬底外延ZnO薄膜的研究'>第四章 Epi-GaN/α-Al₂O₃衬底外延ZnO薄膜的研究
• §4.1 ZnO薄膜样品的制备
• 2O₃生长ZnO薄膜性质的影响'>§4.2 反应压强对epi-GaN/α-Al₂O₃生长ZnO薄膜性质的影响
• 4.2.1 反应压强对ZnO薄膜的结构性质的影响
• 4.2.2 反应压强对ZnO薄膜的电学性质的影响
• 4.2.3 反应压强对ZnO薄膜的光学性质的影响
• 2O₃生长ZnO薄膜结构的影响'>§4.3 衬底温度对epi-GaN/α-Al₂O₃生长ZnO薄膜结构的影响
• 4.3.1 ZnO薄膜的结构随衬底温度的变化
• 2O₃衬底生长ZnO单晶薄膜外延生长机理分析'>4.3.2 epi-GaN/α-Al₂O₃衬底生长ZnO单晶薄膜外延生长机理分析
• 4.3.3 ZnO薄膜的组分分析
• 4.3.4 薄膜表面形貌的影响
• 2O₃生长ZnO光电性质的影响'>§4.4 衬底温度对epi-GaN/α-Al₂O₃生长ZnO光电性质的影响
• 4.4.1 衬底温度对ZnO薄膜的电学性质的影响
• 4.4.2 衬底温度对ZnO薄膜的光学性质的影响
• 本章参考文献
• 2O₃衬底制备ZnO:Ga薄膜的研究'>第五章 Epi-GaN/α-Al₂O₃衬底制备ZnO:Ga薄膜的研究
• §5.1 Ga掺杂ZnO薄膜的制备
• §5.2 ZnO:Ga薄膜结构性质的研究
• 5.2.1 掺杂浓度对薄膜结构性质的影响
• 5.2.2 ZnO:Ga薄膜的组分分析
• 5.2.3 掺杂浓度对薄膜表面形貌的影响
• §5.3 ZnO:Ga薄膜电学特性的研究
• §5.4 ZnO:Ga薄膜光学特性的研究
• 本章参考文献
• 第六章 结论
• 硕士期间发表论文目录
• 致谢
• Paper 1
• 学位论文评阅及答辩情况表