硅基ZnO材料生長與硅基GaN交通綠LED老化性能研究.pdf

1、論文主要分為兩大塊：1、MOCVD方法在Si(111)襯底上生長ZnO薄膜的研究；2、硅基GaN交通綠LED的老化性能研究。 1、MOCVD方法在Si(111)襯底上生長ZnO薄膜的研究 ZnO，作為一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼GaN之后半導(dǎo)體光電領(lǐng)域又一研究熱點(diǎn)。盡管目前國際上已有p-i-n結(jié)ZnOLED，及已生長出高質(zhì)量的ZnO薄膜，但是距離實(shí)際應(yīng)用還有較大距離。目前ZnO薄膜大多數(shù)都是在藍(lán)寶石襯底上生長的，但

2、藍(lán)寶石襯底昂貴，是電絕緣體，且導(dǎo)熱性很差。而在Si襯底上生長ZnO薄膜的前景十分誘人，因?yàn)镾i是目前最成熟的半導(dǎo)體材料。它不僅價(jià)格便宜，加工工藝成熟，而且容易控制導(dǎo)電類型和導(dǎo)電率，此外還具有較高的熱導(dǎo)率。在硅上生長發(fā)光器件還有可能實(shí)現(xiàn)光電集成。然而由于ZnO與Si之間有較大的晶格失配和熱失配，在Si襯底上直接生長ZnO薄膜非常困難。針對這種情況，在Si襯底上生長ZnO薄膜時(shí)需要引入不同的緩沖層來改善薄膜的結(jié)晶性能。本論文采用本實(shí)驗(yàn)室自行

3、研制的常壓MOCVD系統(tǒng)在Si(111)襯底上，通過引入一種新的過渡層(Ti金屬過渡層)生長ZnO薄膜，并摸索了Ti/Si(111)模板上ZnO薄膜的生長條件。 采用常壓MOCVD方法在Ti/Si(111)模板上生長ZnO薄膜。Ti薄膜的厚度為1-2nm。第一、以二乙基鋅(DEZn)為鋅源和去離子水為氧源生長ZnO薄膜時(shí)，低溫ZnO緩沖層的生長時(shí)間不同，后續(xù)生長的ZnO薄膜的性能相差較大。通過比較，優(yōu)化了二乙基鋅為鋅源時(shí)緩沖層的

4、生長條件。第二、在相同的生長條件以及相同摩爾數(shù)的鋅原子供應(yīng)下，比較了兩種鋅源(DEZn和DMZn)對ZnO薄膜性能的影響，通過調(diào)節(jié)低溫ZnO緩沖層生長溫度和外延層中DMZn的流量，改善了薄膜的結(jié)晶性能。第三、以二甲基鋅(DMZn)為鋅源和去離子水為氧源生長ZnO薄膜時(shí)，綜合分析了外延層中不同DMZn流量下生長的ZnO薄膜的雙晶X射線衍射(DCXRD)的ω-搖擺曲線，粉晶衍射圖譜及室溫PL譜，結(jié)果表明：10ml/min的DMZn流量(源瓶

5、溫度為5℃)下生長的ZnO薄膜的性能較好；另外，還研究了低溫ZnO緩沖層中DMZn流量對ZnO薄膜性能的影響，從粉晶測試結(jié)果中(002)衍射峰的峰位看，所生長的ZnO薄膜都在c軸方向上受到壓應(yīng)力，a軸方向上受到張應(yīng)力，其中緩沖層中DMZn流量為10ml/min時(shí)生長的ZnO薄膜在a軸方向上受到的張應(yīng)力最小。 2、硅基GaN交通綠LED的老化性能研究 壽命長是LED被廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。然而，GaN材料和Si襯底之間有

6、巨大的晶格失配和熱失配，可能會對器件的壽命產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，對GaN/SiLED進(jìn)行老化壽命研究就顯得十分必要。到目前為止，藍(lán)寶石襯底上GaN基LED的壽命研究已有眾多報(bào)道，但Si襯底上GaN基LED的壽命研究未見報(bào)道。根據(jù)導(dǎo)師安排，本文對交通綠綠色(505nm附近)GaN/SiLED進(jìn)行壽命研究。 首先、GaN/Si交通綠發(fā)光二極管(LED)在50mA電流下老化。研究了50mA的電流加速老化對該LED的電學(xué)和光學(xué)性能的影響

7、。隨著老化時(shí)間的增加，電流-電壓(I-V)特性曲線中小電流段上移，大電流區(qū)域影響不大。另外，在相對光輸出功率-外加電流(L-I)曲線中，隨著老化時(shí)間的增加，該LED在各外加電流下的相對光輸出功率都會發(fā)生變化，與大電流區(qū)域的光輸出功率變化相比，外加電流較小時(shí)的光輸出功率變化更明顯。其次、研究了GaN/Si交通綠發(fā)光二極管在70mA電流下的老化。隨著老化時(shí)間的增加，發(fā)光二極管衰減較快，在老化初期，發(fā)光二極管的主波長的變化不大，但隨著老化時(shí)間

8、的增加，主波長紅移較明顯。第三、采用不同電流老化GaN/Si交通綠發(fā)光二極管，老化后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過擬合獲得了相應(yīng)的發(fā)光二極管在各老化電流下的衰減系數(shù)及其壽命。依據(jù)外加老化電流與壽命之間的關(guān)系，推算出本文GaN/Si交通綠LED在20mA工作電流下的壽命為18588小時(shí)。這一結(jié)果表明：本實(shí)驗(yàn)室研制的GaN/Si交通綠LED已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化水平。本文GaN/Si交通綠LED在老化過程中出現(xiàn)的工作電壓、光輸出功率、發(fā)光波長及反向擊穿電