GaN基LED及ZnO纳米线阵列的制备和特性研究

摘要

随着科技的逐渐进步，半导体照明领域获得了长足进展。LED作为一种绿色能源，已经深入到人们的生活中。其中，GaN基蓝光LED的出现以及ZnO在蓝光LED方面的潜在应用前景，使得获得白光LED成为可能，这大大推动了LED商业化的进程。
　　一方面，Ⅲ-Ⅴ族材料GaN作为第三代半导体材料具有其独特的优点:为直接禁带，禁带宽度为3.4eV。另外，GaN材料的热导率高，化学性质稳定，生长工艺成熟，并且具有很强的抗辐射能力，这使得它在绿光和蓝光等领域的发光器件和探测器件中都具有十分广泛的应用前景。同时，还可以通过调节GaN基化合物的组分配比来获得不同禁带宽度的半导体材料，并且其禁带宽度的变化范围可以覆盖紫外到红外整个区间。如何提高GaN基LED的发光效率一直是科学家们关注的焦点。目前，研究者们普遍将极低温下的LED的内量子效率设定为100％，然而，通过实验我们发现InGaN/GaN多量子阱结构LED的内量子效率最大值并非出现在极低温处。因此，对于其内量子效率的测量方法有必要进行进一步探讨和修正。
　　另一方面，Ⅱ-Ⅵ族材料ZnO在半导体照明领域也具有优越的光学特性。ZnO的室温禁带宽度为3.37eV，带边发光峰在近紫外区域，同时，ZnO在低温下的激子束缚能为60meV，室温下依旧有26meV的激子束缚能，这就使得ZnO的激子在室温下可以稳定存在，也就是说在室温下ZnO材料仍然可以实现激子的发光，这种发光机制相比于电子-空穴对的复合发光来说其发光效率显著提高，这使得ZnO在白光固态照明领域具有很广阔的发展前景。ZnO的制备方法简单，易结晶，可以选择的衬底很广泛。同时，它的生长温度低，在500℃以上就可以生长。目前，ZnO已经在遮光剂中的紫外吸收材料和压敏电阻传感器中有广泛的应用。然而，生长制备出高质量稳定性好的p型一维ZnO纳米材料仍然是科学家们难以解决的问题。
　　本文详细介绍了一种测量InGaN/GaN多量子阱结构内量子效率的比较准确的方法，同时也对ZnO一维纳米材料的制备做了一定探索。具体内容如下:
　　1.测量InGaN/GaN多量子阱结构PL内量子效率的方法:首先测量出样品在一个大的温度和激发功率范围内的PL光谱图。然后做出PL效率随着温度以及激发功率的变化情况，做出不同的激发功率下样品的PL效率随着温度的变化情况或者不同温度下样品的PL效率随着激发功率的变化情况，从中找到PL效率的最大值，并且将这个最大值设定为样品内量子效率达到100％。最后用其他温度点和功率点的PL效率值与这个最大值做商，得到相对应的内量子效率值。
　　2.在ZnO一维纳米材料的制备的部分中我们详细介绍了利用CVD法制备ZnO纳米线阵列的一些前期准备工作和对生长条件各种参数的一些探索过程。包括种子层生长方法对ZnO纳米线表面形貌的影响、反应源到衬底之间的距离对ZnO纳米线阵列形貌的影响以及种子层厚度ZnO纳米线阵列形貌的影响等。

目录

声明

摘要

符号表

第一章：绪论

1．1 光源的发展史

1．2 半导体材料的发展历史及现状

1．3 本文的研究内容与安排

第二章 生长工艺、设备及表征方法

2．1 化学气相沉积(CVD)

2．1．1 CVD法的原理

2．1．2 CVD实验设备

2．2 磁控溅射系统

2．2．1 磁控溅射原理

2．2．2 磁控溅射实验设备

2．3 荧光测试系统

2．3．1 激发系统

2．3．2 分光系统

2．3．3 制冷系统

2．3．4 探测系统

2．3．5 光路搭建

2．4 本章小结

第三章 GaN的基本特性

3．1 GaN的生长和制备

3．2 GaN的物理、化学特性

3．3 GaN的光电特性

3．4 本章小结

第四章 GaN基LED内量子效率的研究

4．1 内量子效率的定义

4．2 内量子效率的测量方法

4．3 PL内量子效率的测量

4．3．1 PL内量子效率传统测量方法

4．3．2 样品的结构参数

4．3．3 实验过程

4．3．4 PL光谱的形状、峰位、半高宽以及发光效率的温度依赖性

4．3．5 PL光谱积分强度，PL发光效率的功率依赖性

4．3．6 PL内量子效率测量新方案

4．4 EL内量子效率的测定

4．5 本章小结

第五章 ZnO的基本性质

5．1 ZnO的生长

5．2 ZnO的晶体结构

5．3 ZnO的物理化学性质

5．4 ZnO的光学特性

5．4．1 金属氧化物晶体的缺陷类型

5．4．2 ZnO中的缺陷发光

5．5 ZnO的电学特性

5．6 本章小结

第六章 ZnO纳米材料制备

6．1 CVD法生长ZnO

6．1．1 ZnO纳米线阵列基本生长条件

6．1．2 衬底的清洗

6．1．3 ZnO纳米线阵列的生长过程

6．1．4 ZnO纳米线的形貌表征

6．2 种子层种类对ZnO阵列表面形貌的影响

6．2．1 醋酸锌溶液制备种子层

6．2．2 利用磁控溅射系统生长种子层

6．2．3 种子层生长方法对ZnO表面形貌的影响

6．3 反应源到衬底之间的距离对ZnO阵列表面形貌的影响

6．4 种子层厚度ZnO纳米线表面形貌的影响

6．5 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文