非极性面ZnO/AlGaN异质结紫外LED材料生长与器件特性研究

摘要

氧化锌（ZnO）材料是第三代宽禁带半导体之一，拥有较宽禁带宽度3.37eV及直接带隙的能带特点，在发光二极管和半导体激光器等光电器件领域具有广阔的应用前景；其激子束缚能高达60meV，具有实现室温激射的巨大潜力。然而至今，ZnO材料离实用化水平仍有一定距离，尚有两个的障碍需要克服。其一，ZnO材料稳定可靠可重复的p型掺杂一直难以实现，致使ZnO光电器件受其严重限制；其二，沿c方向生长的ZnO材料内部存在巨大的自发极化和压电极化效应，导致ZnO基光电器件的量子效率较低。
　　针对以上两个现存问题，本文制备了有源区为非极性a面n-ZnO/p-AlGaN异质结的ZnO基紫外LED，通过沿着非极性a方向进行材料的外延生长以规避极性材料中大的极化电场，同时选择与ZnO同结晶特性的AlGaN材料体系作为p型材料提供空穴。另外，非极性a面材料拥有电学、光学性质生长面内各向异性的特点，非常适合制备偏振敏感的光电器件。本论文在ZnO/AlGaN异质结LED结构设计、p型AlGaN生长工艺优化、n型ZnO材料质量改善、器件制备及性能表征等方面展开研究，最终实现了ZnO材料的光电器件应用，本文的研究为ZnO基偏振LED的制备提供了理论和实验基础。本文具体研究内容如下：
　　（1）对非极性a面ZnO基异质结紫外LED结构进行理论设计。通过研究异质结能带结构与电子输运规律，构建了非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN这种p-i-n型的异质结紫外LED。通过p型AlGaN替代p型GaN作为空穴注入层，增强电子限制能力；另一方面，使用i型ZnO插入层，将发光区域进一步限制在ZnO层，以实现非极性a面ZnO层的发光。
　　（2）研究了r面蓝宝石衬底氮化对于非极性a面氮化物材料生长的影响，通过建立模型对影响机制进行详细阐述；研究了非极性a面AlN材料生长温度对材料晶体质量的影响；通过优化多种工艺参数，获得了高质量的非极性a面GaN模板。
　　（3）在非极性a面AlGaN材料生长中引入SiNx原位掩埋技术以减少穿透位错和堆垛层错密度。通过优化SiNx的生长时间，有效改善了非极性a面AlGaN材料的晶体质量，通过建立模型对SiNx原位掩埋上非极性a面AlGaN材料的生长机理进行阐述。
　　（4）利用MOCVD技术，通过优化生长温度、V/III比、有机源流量、退火温度等生长工艺参数，成功实现了非极性a面p型AlGaN材料，为非极性a面ZnO基异质结紫外LED提供了合适的空穴注入层。
　　（5）利用PLD技术，探索了不同模板对于非极性a面ZnO材料生长的影响；成功制备了非极性a面n型ZnO材料；在不同模板上生长了非极性a面MgZnO材料，探究了非极性a面MgZnO材料中的载流子局域化效应。
　　（6）制备了非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN异质结紫外LED器件；详细研究了i型ZnO插入层对器件性能的影响；探索了在反向驱动下，异质结紫外LED器件的发光机制；通过偏振EL及PL测试对异质结紫外LED器件光学各向异性进行表征，发现其EL及PL偏振度分别为0.23和0.33。

目录

声明

1 绪论

1.1 紫外LED概述

1.2 ZnO的物理性质与掺杂

1.3 AlGaN的物理性质与异质结

1.4 非极性面ZnO/AlGaN异质结LED的研究意义及进展

1.5 本论文主要研究内容

2 非极性面ZnO/AlGaN异质结紫外LED实验研究方法

2.1 AlGaN金属有机化学气相沉积技术

2.2 ZnO激光脉冲沉积技术

2.3 材料测试表征设备

2.4 本章小结

3 非极性a面异质结紫外LED模板材料的生长研究

3.1蓝宝石衬底氮化的成核机理研究

3.2非极性a面AlN的生长优化

3.3 非极性a面GaN模板的生长优化

3.4 本章小结

4 非极性a面p型AlGaN材料的生长研究

4.1 非极性a面i型AlGaN材料的生长优化

4.2 SiNx原位掩埋技术生长高质量非极性a面AlGaN

4.3 非极性a面AlGaN材料的p型掺杂

4.4 本章小结

5 非极性a面n型ZnO材料的生长研究

5.1 激光脉冲沉积的制备工艺

5.2 不同模板上非极性a面ZnO材料的PLD生长研究

5.3 非极性a面MgZnO薄膜的生长及光学性质研究

5.4 本章小结

6 非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN异质结器件制备与性能研究

6.1 非极性a面ZnO基异质结LED的结构理论设计

6.2 非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN异质结紫外LED的器件制备

6.3 非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN异质结紫外LED的器件性能研究

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 本论文工作总结

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间已发表或完成的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利