ZnO：Cu薄膜生长和氢处理以及相关发光器件研究

发布时间：2018-09-04 11:10

【摘要】：ZnO作为一种拥有优异性能的Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV,是制备半导体紫外光电器件的理想材料,而且在很多方面都有着诱人的应用前景。然而由于可靠的、可重复的p型ZnO的缺失,使得ZnO基同质结光电应用之路还在艰难的进行之中。从理论分析来看,Cu掺杂的ZnO很有希望具有p型导电性,但是用MOCVD系统外延沉积的ZnO:Cu样品表现出高电阻率的电学特性。这样的样品中背景载流子浓度很低,对于研究H杂质对ZnO性质的影响非常有利。本文围绕着高质量铜的轻掺杂ZnO薄膜的制备,用高压氢气处理ZnO:Cu样品并探究H在其中的作用。以ZnO:Cu作为有源层,制备了n-ZnO/i-ZnO:Cu/p-GaN异质结构,并研究了相关光电特性。首先,用MOCVD方法在不同生长条件下生长了一系列不同Cu掺杂量的ZnO薄膜,并借助各种测试手段做了薄膜材料物性表征。低温光致发光的测试结果发现Cu进入ZnO薄膜之后,引入很多的发光能级,不仅仅是单一的受主能级,同时还在禁带中引入掺杂杂质束缚局域化的能级以及因为自补偿效应所产生的施主能级。在低温光致发光谱图中,施主受主对(DAP)对应的发光峰的出现,证实掺杂进入ZnO中的铜离子为浅受主能级,并推断铜在ZnO中的状态为Cu1+离子。通过双电子卫星峰(TES)的能量位置,可以得到束缚激子局域化能量,然后计算出相应的束缚激子束缚能分别是58meV,55meV, 57meVo其次,使用高压氢气处理ZnO:Cu系列样品,从而使得样品中H作用被放大,研究了相关的特性。由于ZnO:Cu是高阻率,这样就实现了利用Cu来降低背景载流子浓度进而减少背景载流子的干扰。Hall效应结果发现,氢处理之后的样品从高阻状态转变成n型导电性。红外透射谱和低温PL谱测试结果表明,进入样品中的H与类受主缺陷发生钝化作用,使得整个样品的n型导电性增强。退火实验数据说明氢处理后ZnO:Cu样品中H相关的施主的热稳定性很高,残余氢的存在导致样品退火后未能恢复高阻状态。最后,通过GaN材料系和ZnO材料系两种MOCVD生长系统,在蓝宝石衬底上制备n-ZnO/p-GaN和n-ZnO/i-ZnO:Cu/p-GaN异质结构的发光二极管。相比于n-ZnO/p-GaN器件的主要发光区来源于p-GaN,在ZnO:Cu薄膜作为有源层的pin结构只有一个位于385nm处的电致发光峰,被认为是两侧的载流子在外电场作用下,注入到高电阻率和较高光学质量的ZnO:Cu有源层中复合发光,据此我们认为ZnO:Cu薄膜层可以作为一种ZnO与GaN异质发光器件的有源层。
[Abstract]:As a kind of 鈪，

本文编号：2221905