硅衬底ZnO半导体材料生长及GaN/Si白光LED老化研究

摘要

本文的主要工作是采用本实验室自行研制MOCVD系统对Ni/Si(111)衬底上ZnO薄膜的生长进行研究。通过对生长工艺的改进及对所生长出的样品多项分析测试，得到如下一些有意义的结果： 1、采用常压MOCVD系统在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜。为了缓解失配，保护衬底，本文首次采用10(A)的Ni金属层作为过渡层，即在Ni/Si(111)模板生长ZnO。先在高真空电子束蒸发台中蒸镀10(A)的Ni金属层与硅衬底上，再把样品移入常压MOCVD系统外延生长ZnO薄膜。 2、从加入Ni金属层和未加入Ni金属层作为过渡层在Si(111)衬底上生长的ZnO薄膜的对比实验中：两样品的X-射线衍射Omega-2θ扫描结果显示，加入Ni金属层生长的ZnO薄膜表征c-轴取向的ZnO(002)的衍射峰强度明显高于未加入Ni金属层生长的ZnO薄膜，其半峰宽(FWHM=0.21°)也小于未加入Ni金属层生长的ZnO薄膜(FWHM=0.35°)，显现出相对较好的结晶完整性。从(002)的衍射峰位来看，加入Ni金属层的样品2θ=34.5°比未加入Ni金属层的样品2θ=34.7°更接近体材料ZnO的(002)方向的衍射峰2θ=34.42°，即水平方向受到相对较小的张应力。Ni金属层的加入有效缓解了由于ZnO与Si衬底之间的大失配造成水平方向受到的张应力。 3、从ZnO薄膜的室温光致发光光谱中，加入Ni金属层和未加入Ni金属层过渡生长的样品都观察到很强的紫外发射，紫外发射强度与深能级跃迁的强度比为分别为20∶1和8.5∶1，说明加入Ni金属过渡层生长的ZnO薄膜中的缺陷杂质较少。 4、采用不同反应锌源在Ni/Si(111)模板上生长ZnO薄膜。从X-射线衍射图谱得出的结果差别不大；与采用二甲基锌(DMZn)作反应源生长的ZnO薄膜相比，采用二乙基锌(DEZn)作反应源生长的ZnO薄膜光致发光谱观测到强的紫外发光峰而深能级发光峰很弱；从原子力显微结构来看采用二乙基锌(DEZn)作反应源生长的ZnO薄膜晶粒细小且均匀，表面粗糙度约为51nm，平均晶粒尺寸为0.83μm；采用二甲基锌(DMZn)作反应源生长的ZnO薄膜晶粒粗大呈明显的三维生长趋势且伴随大的空洞，表面粗糙度高达128nm，平均晶粒尺寸为3.15μm。 5、通过调整ZnO低温缓冲层的生长工艺，进一步摸索了在Ni/Si(111)模板生长的ZnO外延膜部分优化生长条件：ZnO低温缓冲层的优化厚度约在50(A)～100(A)之间，缓冲层优化温度在300℃附近。依据此条件生长的ZnO/Ni/Si(111)薄膜，原子力显微结构成边缘清晰的六角形晶粒，且伴随象征着二维生长的六棱锥状晶粒；X-射线衍射结果表明只存在c-轴择优取向的(002)和(004)衍射峰；薄膜室温光致发光光谱只出现了3.260eV附近的近带边紫外发光峰，与缺陷相关的绿光发射很弱。10K低温光致发光光谱出现了自由激子峰及其2LO声子伴线，束缚激子峰及其1LO、2LO声子伴线。 以上结果表明，本文在Ni/Si(111)模板生长出了表面形貌和发光性能良好的，具有c-轴择优取向的ZnO薄膜。本文的此项研究工作对进一步开展ZnO器件研究奠定了基础。 另外，鉴于Si衬底材料成本低、器件加工方便、有利于光电集成等优势，采用Si衬底来生长GaN基LED在今后的研究和应用中将有大的发展。本文采用电流加速老化的方法对Si衬底上生长的荧光粉转换GaN基白光LED和蓝光LED的光输出功率随老化时间的衰减特性进行了研究，通过对老化过程中LED失效情况的初步分析得到：无论是从光学还是电学参数上分析，Si衬底上生长的GaN基蓝光LED都显示出了较好的性能；而通过荧光粉转换实现白光的方法在同种芯片上封装得到的白光LED，由于荧光粉本身对短波长的光散射的作用以及光转换效率低，稳定性差，封装工艺上的复杂性等使得白光LED在加速老化后的光学和电学性能方面远不及同种芯片上封装得到的蓝光LED。由此表明，半导体白光照明要进入千家万户，荧光粉的研究开发同样任重而道远。 本论文得到了国家863纳米专项(No.2003AA302160)课题的资助。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章生长ZnO薄膜的MOCVD反应系统

第三章Ni/Si(111)模板上ZnO薄膜的生长与分析

第四章Ni/Si(111)模板上生长ZnO薄膜部分优化条件的研究

第五章硅衬底GaN基白光LED老化特性研究

第六章结论

攻读硕士学位期间发表的论文

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