溶胶-凝胶法制备GaN基LED缓冲层氧化锌薄膜的研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种典型的Ⅱ-VI族宽带隙化合物半导体材料，具有六方纤锌矿结构,它的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV。氧化锌晶体在c轴垂直面上具有对称的电学性质和弹性，而在c轴方向择优取向的多晶薄膜具有单晶体似的压电性和光电性质。此外，ZnO在晶格常数和热膨胀系数上与GaN最为接近, ZnO在a轴向与GaN的失配度是1.9％,在c轴向与GaN的失配度仅为0.4%，因此，高质量的ZnO薄膜能作为GaN薄膜的缓冲层。这些突出的物理特性和平整均匀的表面形貌，使得ZnO薄膜可以广泛应用于各领域当中。
　　本文以醋酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)为前驱体，乙二醇甲醚(CH3OCH2CH2OH)为溶剂，乙醇胺(HOCH2CH2NH2)作为稳定剂，采用溶胶—凝胶法在蓝宝石基片上制备了ZnO薄膜。主要研究了溶胶浓度(0.5mol/l、0.75mol/l、1mol/l)、退火温度(500-1000℃)以及薄膜厚度(1层膜、2层膜、3层膜、5层膜、7层膜、8层膜、10层膜)对薄膜晶体结构、结晶状况、表面形貌的影响，利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)。原子力显微镜(AFM)、光致发光光谱仪(PL)等对制备的ZnO薄膜进行了表征和性能研究。
　　研究表明：采用溶胶-凝胶法所制备的ZnO薄膜为纤锌矿型结构，溶胶浓度为0.75mol/l时薄膜C轴取向性好，晶体颗粒均匀致密，空位及缺陷浓度不高。相同条件下(溶胶浓度0.75mol/l、提拉速度18mm/min、退火条件：900℃/2h)，晶粒尺寸随着薄膜层数的增多慢慢变大，(002)衍射峰强度在5层膜之前随着层数的增多而增强，但在5层膜以后有所削弱，使得氧化锌薄膜的择优取向性先变大再变小，说明5层膜的薄膜厚度最佳。薄膜(002)衍射峰的强度及晶粒尺寸随退火温度的升高而增大，(002)面的择优取向性也随之变强，900℃时薄膜结构综合性能最好，温度太高薄膜结构孔洞较多，致密性变差且容易与衬底发生反应污染薄膜。

目录

溶胶-凝胶法制备GaN基LED缓冲层氧化锌薄膜的研究

PREPARATION OF ZnO BUFFER LAYER ON SAPPHIRE BY SOL-GEL METHOD FOR GaN-BASED LED

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 氧化锌(ZnO)的基本结构和物理特性

1.3 氧化锌薄膜的应用

1.3.1 太阳能电池

1.3.2 短波光电器件

1.3.3 集成电器

1.3.4 发光显示器件(LD)

1.3.5 与GaN互作缓冲层

1.4 氧化锌薄膜的主要制备方法

1.4.1磁控溅射

1.4.2 化学气相沉积(CVD)

1.4.3 喷雾热解方法

1.4.4 脉冲激光沉积法

1.4.5 分子束外延法

1.4.6 原子层外延生长法

1.4.7 溶胶-凝胶法

1.5 国内外研究现状

1.6主要研究内容

第二章 实验方法与测试手段

2.1 实验材料

2.2 实验方案与流程

2.2.1 溶胶-溶液的配置

2.2.2 衬底的预处理

2.2.3 薄膜生长过程与后期热处理

2.3 实验设备

2.3.1 提拉镀膜机

2.3.2马弗退火炉

2.4 测量分析方法

2.4.1 X射线衍射分析(XRD)

2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)

2.4.3 原子力显微镜(AFM)

2.4.4 光致发光光谱

2.5 本章小结

第三章 Sol-gel法制备ZnO薄膜的生长工艺分析

3.1 Sol-gel法的原理

3.2溶胶浓度对ZnO薄膜性能的影响

3.2.1 溶胶浓度对ZnO薄膜结构及结晶性能的影响

3.2.2 溶胶浓度对ZnO薄膜表面形貌的影响

3.2.2 溶胶浓度对ZnO薄膜发光特性的影响

3.3衬底的预处理对ZnO薄膜结构性能的影响

3.4薄膜厚度对ZnO薄膜性能的影响

3.4.1 薄膜厚度对ZnO薄膜结构及结晶性能的影响

3.4.2 薄膜厚度对ZnO薄膜表面形貌的影响

3.4.3 薄膜厚度对ZnO薄膜发光特性的影响

3.5 本章小结

第四章 Sol-gel法制备ZnO薄膜的退火工艺分析

4.1 退火温度对ZnO薄膜结构及结晶性能的影响

4.2 退火温度对ZnO薄膜表面形貌的影响

4.3 退火温度对ZnO薄膜发光特性的影响

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢