本文關(guān)鍵詞： N極性GaN ZnO MOCVD 異質(zhì)結(jié) 電致發(fā)光　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：III族氮化物材料憑借其優(yōu)良的光電學(xué)特性已經(jīng)在發(fā)光二極管(LEDs)、激光器(LDs)、微波功率器及單片微波集成電路等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前,Ga極性GaN材料的制備工藝已經(jīng)很成熟、晶體質(zhì)量也可以滿足一般器件需要,商業(yè)化的LEDs或LDs通常都是基于Ga極性GaN模板制備的。但和Ga極GaN基LED相比,N極性GaN基LED的量子阱具有更低的空穴注入勢(shì)壘、更好的電子限制能力以及更高的In并入效率等優(yōu)點(diǎn),因此,N極性GaN材料在LEDs領(lǐng)域中有著更明顯的優(yōu)勢(shì)。然而,目前制備的N極性GaN薄膜往往背景載流子濃度較高,表面形貌也十分粗糙,這極大地限制了N極性GaN基光電子器件的發(fā)展和應(yīng)用。此外,ZnO作為一種新型寬帶隙半導(dǎo)體材料,其相比于GaN具有更高的激子束縛能和光增益,因此其在LEDs和LDs領(lǐng)域有著更為明顯的優(yōu)勢(shì)。目前,高性能ZnO基光電器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用也一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)課題�；谀壳暗谌雽�(dǎo)體材料中的熱點(diǎn)問(wèn)題,本論文從提高材料外延質(zhì)量、增強(qiáng)器件可靠性角度出發(fā),在高質(zhì)量N極性GaN薄膜與多維度及不同極性ZnO材料的可控生長(zhǎng)以及高性能ZnO-GaN組合異質(zhì)結(jié)發(fā)光器研究方面開(kāi)展了一系列的研究工作,具體內(nèi)容如下:1.我們基于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)開(kāi)展了高質(zhì)量N極性GaN薄膜的可控生長(zhǎng)研究工作。著重考察了N極性GaN薄膜的成核層厚度、生長(zhǎng)溫度及V/III比對(duì)其表面形貌、晶體質(zhì)量、應(yīng)變狀態(tài)及光電特性的影響。通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)參量,我們制備了具有原子級(jí)平滑表面的N極性GaN薄膜,其)0002(晶面搖擺曲線半峰寬(FWHM)僅為~40arcsec。2.我們以高質(zhì)量N極性GaN薄膜為模板,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了N極性GaN薄膜的p型摻雜。著重分析了生長(zhǎng)溫度及二茂鎂(Cp2Mg)流量對(duì)N極性GaN薄膜光電特性的影響。其中在生長(zhǎng)溫度為1000℃、Cp2Mg流量為600nmol/min時(shí)制備的N極性GaN薄膜的空穴濃度可達(dá)~3.0×1017cm-3。隨后我們進(jìn)一步探究了Mg摻雜對(duì)N極性GaN薄膜應(yīng)變狀態(tài)及化學(xué)腐蝕特性的影響。研究表明:隨著Mg摻雜量的增加,KOH溶液對(duì)N極性GaN薄膜的腐蝕速率顯著降低。針對(duì)這一現(xiàn)象,我們從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度分析了Mg摻雜對(duì)N極性GaN薄膜化學(xué)腐蝕特性的影響機(jī)制,并提出了Mg摻雜N極性GaN的濕法腐蝕模型。3.我們基于MOCVD技術(shù)開(kāi)展了多維度及不同極性ZnO材料的生長(zhǎng)研究工作。由于本課題組在之前的工作中已經(jīng)對(duì)Zn極性ZnO材料的制備工藝做了詳細(xì)研究,因此我們將本章的研究重點(diǎn)集中在了N極性GaN模板上生長(zhǎng)O極性ZnO材料。著重考察了生長(zhǎng)溫度、O2流量及生長(zhǎng)壓力對(duì)材料形貌結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量和光學(xué)特性的影響。隨后利用Ar+研磨技術(shù)顯著提升了一維O極性ZnO納米棒的光學(xué)質(zhì)量。利用圖形化的N極性GaN襯底成功制備了高質(zhì)量二維O極性ZnO納米墻材料,其)0002(晶面搖擺曲線FWHM僅為~208arcsec。4.我們深入研究了界面極化效應(yīng)對(duì)ZnO-GaN組合異質(zhì)結(jié)光電特性的影響。(1)制備了Zn極性n-ZnO薄膜/Ga極性p-GaN異質(zhì)結(jié)LED。研究表明,異質(zhì)結(jié)界面極化效應(yīng)可以導(dǎo)致p-n結(jié)的耗盡區(qū)變窄,進(jìn)而使器件實(shí)現(xiàn)在正/反向驅(qū)動(dòng)電壓下的紫外/綠光雙色發(fā)光;(2)制備了O極性n-ZnO薄膜/N極性p-GaN異質(zhì)結(jié)LED。研究表明,界面極化效應(yīng)可以在異質(zhì)結(jié)的ZnO一側(cè)產(chǎn)生極化誘導(dǎo)反型層,使得耗盡區(qū)位置完全移動(dòng)到ZnO內(nèi)部,從而提高了載流子在ZnO層中的復(fù)合效率。該器件在正向偏壓下表現(xiàn)為位于~385nm的紫外發(fā)射。隨著工作電壓的增大,其EL譜的FWHM從48nm逐漸減小到24nm,表現(xiàn)出較好的單色性;(3)構(gòu)建了O極性n-ZnO納米墻/N極性梯度p-AlxGa1-xN異質(zhì)結(jié)LED。研究表明,界面極化效應(yīng)會(huì)在異質(zhì)界面產(chǎn)生二維空穴氣,進(jìn)而顯著提高空穴注入效率。5.為了提高ZnO基異質(zhì)結(jié)LEDs的發(fā)光效率和工作穩(wěn)定性,我們從優(yōu)化異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量出發(fā),開(kāi)展了ZnO-GaN組合接觸型異質(zhì)結(jié)發(fā)光器件的研制工作:(1)制備了n-GaN/i-ZnO薄膜/p-GaN接觸型異質(zhì)結(jié)LED。該器件具有較高的紫外發(fā)光效率和工作穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)10h的連續(xù)工作其光輸出功率僅衰減4.57%;(2)制備了n-GaN/i-ZnO納米筆/p-GaN接觸型異質(zhì)結(jié)LED。利用ZnO納米筆尖端較強(qiáng)的量子限制效應(yīng)提高了載流子在ZnO的輻射復(fù)合效率,器件在超低注入電流(~1.2μA)下即可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的紫外發(fā)射;(3)制備了n-ZnO薄膜/p-hBN/p-GaN接觸型異質(zhì)結(jié)LED。在正向偏壓下,該器件表現(xiàn)為較純的ZnO近帶邊發(fā)射,其EL譜的FWHM僅為~12nm。
[Abstract]:The N - polarity GaN thin films have been widely used in the fields of LEDs , lasers , microwave power devices and monolithic microwave integrated circuits . In order to improve the luminous efficiency and working stability of ZnO - based heterojunction LEDs , the results show that the interfacial polarization effect can induce polarization - induced inversion layer on the ZnO side of the heterojunction , which can improve the recombination efficiency of carriers in the ZnO layer .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304.055

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