硅基ZnO材料生长与硅基GaN交通绿LED老化性能研究

摘要

论文主要分为两大块：1、MOCVD方法在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜的研究；2、硅基GaN交通绿LED的老化性能研究。 1、MOCVD方法在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜的研究 ZnO，作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，是继GaN之后半导体光电领域又一研究热点。尽管目前国际上已有p-i-n结ZnOLED，及已生长出高质量的ZnO薄膜，但是距离实际应用还有较大距离。目前ZnO薄膜大多数都是在蓝宝石衬底上生长的，但蓝宝石衬底昂贵，是电绝缘体，且导热性很差。而在Si衬底上生长ZnO薄膜的前景十分诱人，因为Si是目前最成熟的半导体材料。它不仅价格便宜，加工工艺成熟，而且容易控制导电类型和导电率，此外还具有较高的热导率。在硅上生长发光器件还有可能实现光电集成。然而由于ZnO与Si之间有较大的晶格失配和热失配，在Si衬底上直接生长ZnO薄膜非常困难。针对这种情况，在Si衬底上生长ZnO薄膜时需要引入不同的缓冲层来改善薄膜的结晶性能。本论文采用本实验室自行研制的常压MOCVD系统在Si(111)衬底上，通过引入一种新的过渡层(Ti金属过渡层)生长ZnO薄膜，并摸索了Ti/Si(111)模板上ZnO薄膜的生长条件。 采用常压MOCVD方法在Ti/Si(111)模板上生长ZnO薄膜。Ti薄膜的厚度为1-2nm。第一、以二乙基锌(DEZn)为锌源和去离子水为氧源生长ZnO薄膜时，低温ZnO缓冲层的生长时间不同，后续生长的ZnO薄膜的性能相差较大。通过比较，优化了二乙基锌为锌源时缓冲层的生长条件。第二、在相同的生长条件以及相同摩尔数的锌原子供应下，比较了两种锌源(DEZn和DMZn)对ZnO薄膜性能的影响，通过调节低温ZnO缓冲层生长温度和外延层中DMZn的流量，改善了薄膜的结晶性能。第三、以二甲基锌(DMZn)为锌源和去离子水为氧源生长ZnO薄膜时，综合分析了外延层中不同DMZn流量下生长的ZnO薄膜的双晶X射线衍射(DCXRD)的ω-摇摆曲线，粉晶衍射图谱及室温PL谱，结果表明：10ml/min的DMZn流量(源瓶温度为5℃)下生长的ZnO薄膜的性能较好；另外，还研究了低温ZnO缓冲层中DMZn流量对ZnO薄膜性能的影响，从粉晶测试结果中(002)衍射峰的峰位看，所生长的ZnO薄膜都在c轴方向上受到压应力，a轴方向上受到张应力，其中缓冲层中DMZn流量为10ml/min时生长的ZnO薄膜在a轴方向上受到的张应力最小。 2、硅基GaN交通绿LED的老化性能研究 寿命长是LED被广泛应用的一个关键因素。然而，GaN材料和Si衬底之间有巨大的晶格失配和热失配，可能会对器件的寿命产生负面的影响。因此，对GaN/SiLED进行老化寿命研究就显得十分必要。到目前为止，蓝宝石衬底上GaN基LED的寿命研究已有众多报道，但Si衬底上GaN基LED的寿命研究未见报道。根据导师安排，本文对交通绿绿色(505nm附近)GaN/SiLED进行寿命研究。 首先、GaN/Si交通绿发光二极管(LED)在50mA电流下老化。研究了50mA的电流加速老化对该LED的电学和光学性能的影响。随着老化时间的增加，电流-电压(I-V)特性曲线中小电流段上移，大电流区域影响不大。另外，在相对光输出功率-外加电流(L-I)曲线中，随着老化时间的增加，该LED在各外加电流下的相对光输出功率都会发生变化，与大电流区域的光输出功率变化相比，外加电流较小时的光输出功率变化更明显。其次、研究了GaN/Si交通绿发光二极管在70mA电流下的老化。随着老化时间的增加，发光二极管衰减较快，在老化初期，发光二极管的主波长的变化不大，但随着老化时间的增加，主波长红移较明显。第三、采用不同电流老化GaN/Si交通绿发光二极管，老化后对实验数据进行拟合，通过拟合获得了相应的发光二极管在各老化电流下的衰减系数及其寿命。依据外加老化电流与寿命之间的关系，推算出本文GaN/Si交通绿LED在20mA工作电流下的寿命为18588小时。这一结果表明：本实验室研制的GaN/Si交通绿LED已经达到商业化水平。本文GaN/Si交通绿LED在老化过程中出现的工作电压、光输出功率、发光波长及反向击穿电压的变化，可能是发光层(量子阱InGaN)中发生某种扩散造成的。今后拟深入研究这种老化机理。 本论文得到国家863纳米专项和电子信息产业发展基金资助。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章综述

第二章ZnO薄膜材料的MOCVD生长系统及其工艺

第三章MOCVD方法在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜的研究

第四章硅基GaN交通绿LED老化性能研究

第五章结论

攻读硕士学位期间发表的论文目录

致谢