外延GaN襯底上ZnO-Ga薄膜的制備及特性研究.pdf

1、寬禁帶氧化物透明導電薄膜具有在可見光區(qū)域透過率高、紅外波段反射率高以及導電性能優(yōu)良等特點，而GaN材料則具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、導熱性好等特點，二者在光電器件領域都得到了廣泛的應用。目前，GaN基發(fā)光二極管(LEDs)已經產業(yè)化，并且有廣泛的應用。提高GaN基LEDs效率的其中一個方法是使用低阻透明導電膜來提高發(fā)光效率，目前LED市場所用的透明導電膜主要是摻錫氧化銦(In2O3:SnITO)。但是，銦(In)資源比較緊缺，而

2、且In的強擴散性會導致器件性能的衰退。
　　 ZnO材料高溫下穩(wěn)定，資源豐富，有利于應用生產。ZnO和GaN的禁帶寬度非常相近(Egzno=3.37eV,EgGN=3.40eV)，晶格非常匹配(ZnO:a0=3.250A，c0=5.207A;GaN:a0=3.189A，c0=5.186A)，因此在GaN上制備ZnO既可以降低界面勢壘效應，又可以減少界面應力導致的缺陷，較易獲得高質量的薄膜。在制備高質量ZnO單晶膜的基礎上進行合適

3、的摻雜，改善電學性能，既可以使ZnO成為很好的GaN基LEDs的透明電極材料，又可以用于ZnO基光電器件。所以，研究在GaN上制備ZnO薄膜這一課題有很強的應用性。在這樣的背景下，本論文開展了對epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底ZnO:Ga透明導電膜的制備及其性質的研究。
　　 本論文的主要研究工作及結果如下：
　　 1．采用MO℃VD方法，以高純Zn(C2H5)2作為有機源，高純O2作為氧源，高純N2作為載

4、氣，成功地制備了高質量的ZnO單晶外延薄膜。分析結果表明，與a-Al2O3(0001)和7059玻璃相比較，在epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上制備的薄膜具有最好的結晶質量。在600℃的epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上制備了一組反應壓強在10～40Torr范圍變化的ZnO薄膜。測試分析表明反應壓強為20Torr時制備的薄膜具有最好的結晶質量、最高的遷移率和良好的光學性質。
　　 2．用epi-GaN

5、/a-Al2O3(0001)襯底，在20Torr的反應壓強下制備了不同襯底溫度的ZnO系列薄膜，溫度變化范圍為500～650℃。測試分析表明，襯底溫度為600℃時制備的薄膜具有最好的結晶質量，為纖鋅礦結構的ZnO單晶外延薄膜，與GaN(0001)襯底存在ZnO(0001)(?)GaN(0001)、2nO[1120](?)GaN[1120]和ZnO[1010]（？）GaN[1010]的外延關系。在500～650℃溫度變化范圍內，600℃時

6、制備的ZnO薄膜具有最高的遷移率、較低的載流子濃度和較低的電阻率。制備的樣品在可見光區(qū)域平均透過率均大于epi-GaN/a-Al2O3襯底的透過率，具有一定的增透作用。
　　 3．在襯底溫度600℃，反應壓強20Torr的條件下，以高純Zn(C2H5)2作為鋅源，高純Ga(CH3)3作為鎵源，高純O2作為氧源，高純N2作為載氣，采用MOCVD方法制備ZnO:Ga薄膜。分析結果表明，epi-GaN/a-Al2O3(0001)襯底上

7、制備的ZnO:Ga(4％)薄膜比在a-Al2O3(0001)和7059玻璃襯底上制備的ZnO:Ga(4％)薄膜具有更好的結晶質量和更小的光學帶隙。在epi-GaN、a-Al2O3(0001)襯底上制備了摻雜濃度為0～8％的ZnO:Ga系列薄膜，并對不同摻雜濃度薄膜的結構、電學和光學性質進行了系統的研究。制備薄膜均為具有c軸擇優(yōu)取向的纖鋅礦結構氧化鋅。隨著摻雜濃度的升高，制備的ZnO:Ga薄膜經歷了由單晶向多晶的轉變，薄膜表面形貌和粗糙度