ZnO材料的制备和GaN基LED器件的研究

摘要

ZnO和GaN同为宽带隙半导体材料,具有相近的晶格特性和光电性能。本文分两部分分别对ZnO和GaN材料(或器件)作了相关研究。
　　 ZnO作为一种新型功能材料,具有优异的光学、电学、机械性能和化学稳定性、热稳定性。由于具有60meV激子束缚能以及很强的紫外受激辐射,ZnO在短波长发光器件方面如LEDs、LDs具有很大的发展潜力。此外,ZnO在可见光区域具有很高的光透过率,通过掺杂可使ZnO薄膜的电阻率降低到10-4Ω.m以下,因此掺杂ZnO薄膜的高透光率和低电阻特性使其成为一种优异的电极材料。本文采用溶胶.凝胶(sol-gel)法制备了ZnO薄膜和稀土元素钇(Y)掺杂ZnO薄膜,对其工艺和性能进行了研究,得到了以下一些有意义的结果:
　　 1、通过溶胶-凝胶工艺参数的研究,摸索出最佳工艺,制备出具有c轴择优取向生长的ZnO薄膜。最佳工艺条件为:48h的陈化时间、300℃的预热处理温度和500℃的退火温度。本文ZnO薄膜在可见光范围(λ>390nm)平均透光率超过85％,由Tauc作图法计算出ZnO薄膜的禁带宽度为3.26eV。在ZnO薄膜的光致发光谱中,我们观察到了紫光、蓝光、绿光和黄光。紫光认为是导带与价带之间的直接辐射复合发光,而蓝光、绿光和黄光认为是材料中本征缺陷能级或杂质缺陷能级等局域能级引起的发光。
　　 2、Y掺杂ZaO薄膜,由于Y和Zn的离子半径有差异,当Y替代Zn进入ZnO晶格中时,会引起晶格畸变,而导致缺陷的产生,从而使ZnO薄膜的结晶性能变差,ZnO晶粒细化,由(0002)晶面的择优取向生长转变为均向生长。结晶质量的下降和缺陷的增加也使得Y掺杂ZnO薄膜的透光性能变差。
　　 3、Y掺杂ZnO薄膜的电阻率存在两种相互竞争的机制,即由Y3+多余一个电子而引起的载流子浓度的增大,和由Y替代Zn产生大量缺陷而导致载流子迁移率的减小,Y掺杂浓度在0.5～1at％之间时,ZnO薄膜的电阻率最小,为30Ω.m。
　　 依靠以GaN基LED为基础的半导体固态照明要替代传统照明光源,在目前看来仍有两个难题需要解决:一个是成本问题,另一个是亮度问题。目前商品化的GaN基LED器件主要是在蓝宝石衬底、SiC衬底、Si衬底等三种异质衬底上采用MOCVD方法外延生长的。行业对LED高亮度的要求,使得目前三种衬底技术都需要做成垂直结构器件。本文结合Si衬底GaN外延技术的成本优势和金属基板具有良好的散热性能,采用电镀技术制备出金属基板大功率GaN基LED,对其性能进行了研究,得到了以下一些有意义的研究结果:
　　 1、本文制备的电镀金属基板中的电镀金属均表现出择优取向生长,Pt电极金属层、Au金属保护层和Cu电镀层均以(111)晶面择优取向生长,而Cr电镀层则以Cr(110)晶面为择优取向生长面。
　　 2、电镀金属基板转移可以使Si(111)面生长的GaN基LED外延薄膜n型GaN层受到的张应力减小,甚至转为压应力,从而使InGaN阱层受到的压应力变得更大；而后续处理和芯片制作工艺可以使GaN基LED外延薄膜受到的压应力减小到接近无应力状态,InGaN阱层受到的压应力也随之减小,由压应力引起的量子限制Stark效应也减弱。
　　 3、本文制备的电镀金属基板大功率GaN基蓝光LED的典型I-V特性为开启电压:2.5V@300μA,工作电压:3.45V@350mA,反向击穿电压:25V@10μA；本文制备的电镀金属基板LED具有良好的光功率抗饱和性能和较小的波长漂移,未灌硅胶和未加透镜的Pt电极LED芯片的光输出功率为115mW@350mA,相应的Ag电极芯片为245mW@350mA。
　　 本文得到了国家863课题和教育部半导体照明技术创新团队研究经费的资助。