极性可控的GaN与ZnO薄膜的MOCVD外延生长及其组合发光器件研究

发布时间：2018-02-25 00:28

  本文关键词： N极性GaN ZnO MOCVD 异质结 电致发光　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：III族氮化物材料凭借其优良的光电学特性已经在发光二极管(LEDs)、激光器(LDs)、微波功率器及单片微波集成电路等领域中得到了广泛应用。目前,Ga极性GaN材料的制备工艺已经很成熟、晶体质量也可以满足一般器件需要,商业化的LEDs或LDs通常都是基于Ga极性GaN模板制备的。但和Ga极GaN基LED相比,N极性GaN基LED的量子阱具有更低的空穴注入势垒、更好的电子限制能力以及更高的In并入效率等优点,因此,N极性GaN材料在LEDs领域中有着更明显的优势。然而,目前制备的N极性GaN薄膜往往背景载流子浓度较高,表面形貌也十分粗糙,这极大地限制了N极性GaN基光电子器件的发展和应用。此外,ZnO作为一种新型宽带隙半导体材料,其相比于GaN具有更高的激子束缚能和光增益,因此其在LEDs和LDs领域有着更为明显的优势。目前,高性能ZnO基光电器件的开发与应用也一直是科学界关注的热点课题。基于目前第三代半导体材料中的热点问题,本论文从提高材料外延质量、增强器件可靠性角度出发,在高质量N极性GaN薄膜与多维度及不同极性ZnO材料的可控生长以及高性能ZnO-GaN组合异质结发光器研究方面开展了一系列的研究工作,具体内容如下:1.我们基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术开展了高质量N极性GaN薄膜的可控生长研究工作。着重考察了N极性GaN薄膜的成核层厚度、生长温度及V/III比对其表面形貌、晶体质量、应变状态及光电特性的影响。通过优化生长参量,我们制备了具有原子级平滑表面的N极性GaN薄膜,其)0002(晶面摇摆曲线半峰宽(FWHM)仅为~40arcsec。2.我们以高质量N极性GaN薄膜为模板,进一步实现了N极性GaN薄膜的p型掺杂。着重分析了生长温度及二茂镁(Cp2Mg)流量对N极性GaN薄膜光电特性的影响。其中在生长温度为1000℃、Cp2Mg流量为600nmol/min时制备的N极性GaN薄膜的空穴浓度可达~3.0×1017cm-3。随后我们进一步探究了Mg掺杂对N极性GaN薄膜应变状态及化学腐蚀特性的影响。研究表明:随着Mg掺杂量的增加,KOH溶液对N极性GaN薄膜的腐蚀速率显著降低。针对这一现象,我们从热力学和动力学角度分析了Mg掺杂对N极性GaN薄膜化学腐蚀特性的影响机制,并提出了Mg掺杂N极性GaN的湿法腐蚀模型。3.我们基于MOCVD技术开展了多维度及不同极性ZnO材料的生长研究工作。由于本课题组在之前的工作中已经对Zn极性ZnO材料的制备工艺做了详细研究,因此我们将本章的研究重点集中在了N极性GaN模板上生长O极性ZnO材料。着重考察了生长温度、O2流量及生长压力对材料形貌结构、结晶质量和光学特性的影响。随后利用Ar+研磨技术显著提升了一维O极性ZnO纳米棒的光学质量。利用图形化的N极性GaN衬底成功制备了高质量二维O极性ZnO纳米墙材料,其)0002(晶面摇摆曲线FWHM仅为~208arcsec。4.我们深入研究了界面极化效应对ZnO-GaN组合异质结光电特性的影响。(1)制备了Zn极性n-ZnO薄膜/Ga极性p-GaN异质结LED。研究表明,异质结界面极化效应可以导致p-n结的耗尽区变窄,进而使器件实现在正/反向驱动电压下的紫外/绿光双色发光;(2)制备了O极性n-ZnO薄膜/N极性p-GaN异质结LED。研究表明,界面极化效应可以在异质结的ZnO一侧产生极化诱导反型层,使得耗尽区位置完全移动到ZnO内部,从而提高了载流子在ZnO层中的复合效率。该器件在正向偏压下表现为位于~385nm的紫外发射。随着工作电压的增大,其EL谱的FWHM从48nm逐渐减小到24nm,表现出较好的单色性;(3)构建了O极性n-ZnO纳米墙/N极性梯度p-AlxGa1-xN异质结LED。研究表明,界面极化效应会在异质界面产生二维空穴气,进而显著提高空穴注入效率。5.为了提高ZnO基异质结LEDs的发光效率和工作稳定性,我们从优化异质结界面质量出发,开展了ZnO-GaN组合接触型异质结发光器件的研制工作:(1)制备了n-GaN/i-ZnO薄膜/p-GaN接触型异质结LED。该器件具有较高的紫外发光效率和工作稳定性。经过10h的连续工作其光输出功率仅衰减4.57%;(2)制备了n-GaN/i-ZnO纳米笔/p-GaN接触型异质结LED。利用ZnO纳米笔尖端较强的量子限制效应提高了载流子在ZnO的辐射复合效率,器件在超低注入电流(~1.2μA)下即可实现较强的紫外发射;(3)制备了n-ZnO薄膜/p-hBN/p-GaN接触型异质结LED。在正向偏压下,该器件表现为较纯的ZnO近带边发射,其EL谱的FWHM仅为~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 .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王浩,范广涵,廖常俊;MOCVD生长的动力学模式探讨[J];华南师范大学学报(自然科学版);2003年02期

2 胡晓宇;GaN-MOCVD设备的发展现状及产业化思考[J];新材料产业;2003年12期

3 ;第八届全国MOCVD学术会议通知[J];液晶与显示;2003年01期

4 ;MOCVD技术[J];电子元件与材料;2004年12期

5 陈燕,王军锋,罗惕乾;MOCVD反应器的优化及其数学模型的建立[J];中国农机化;2004年06期

6 聂宇宏;刘勇;姚寿广;;径向三重流MOCVD反应器壁面温度的数值模拟[J];半导体学报;2007年01期

7 ;Effects of growth interruption on the properties of InGaN/GaN MQWs grown by MOCVD[J];Optoelectronics Letters;2007年01期

8 徐谦;杨丽英;张红;;MOCVD反应器输运过程的研究综述与展望[J];装备制造技术;2007年10期

9 刘磁辉;刘秉策;付竹西;;Electrical and deep levels characteristics of ZnO/Si heterostructure by MOCVD deposition[J];Chinese Physics B;2008年06期

10 钟树泉;任晓敏;王琦;黄辉;黄永清;张霞;蔡世伟;;MOCVD反应器热流场的数值模拟研究[J];人工晶体学报;2008年06期

相关会议论文 前10条

1 高鸿楷;;MOCVD技术在中国[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年

2 M.Heuken;;Next Generation MOCVD Technology with Improved Productivity for LED Production[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年

3 ;An Investigation of Scalability of a Buffered Distributed Spray MOCVD Reactor by Numerical Analysis[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年

4 ;370nm UV Electroluminescence from ZnO Based Heterojunction Light-emitting Diodes by Using MOCVD Deposited n-GaN as Substrate[A];第十一届全国MOCVD学术会议论文集[C];2010年

5 李静波;张维敬;李长荣;杜振民;;MOCVD的热力学分析[A];第九届全国相图学术会议论文集[C];1997年

6 孟广耀;;MOCVD科学与技术50年回顾与展望[A];第十二届全国MOCVD学术会议论文集[C];2012年

7 H.Wang;Y.-Y.Fang;S.L.Li;Z.H.Wu;J.N.Dai;C.Q.Chen;;Study of the properties of GaN quantum dots grown on AIN templates by MOCVD[A];第十二届全国MOCVD学术会议论文集[C];2012年

8 Li-Gong Li;Shu-Man Liu;Shuai Luo;Tao Yang;Xiao-Ling Ye;Li-Jun Wang;Bo Xu;Feng-Qi Liu;Zhan-Guo Wang;;Growth of InAs/GaSb type-Ⅱ superlattices by MOCVD[A];第十二届全国MOCVD学术会议论文集[C];2012年

9 Yibin Yang;Peng Xiang;Minggang Liu;Weijie Chen;Tufu Chen;Weimin Yang;Yunqian Wang;Yuan Ren;Xiaorong Zhang;Yan Lin;Guoheng Hu;Gangwei Hu;Xiaobiao Han;Zhisheng Wu;Yang Liu;Baijun Zhang;;Improvement of GaN Quality on Si(111) Using SiN_x Interlayer by MOCVD[A];第十二届全国MOCVD学术会议论文集[C];2012年

10 ;历届全国MOCVD会议一览[A];第十二届全国MOCVD学术会议论文集[C];2012年

相关重要报纸文章 前10条

1 ;全球MOCVD设备热销背后的解读[N];电子资讯时报;2006年

2 记者 宋元东;“傍”上中科院 两公司分羹MOCVD国产化项目[N];上海证券报;2011年

3 柯科;国内首台MOCVD设备实现量产[N];广东科技报;2013年

4 中国科学院半导体研究所 刘祥林 焦春美;国产MOCVD设备开发势在必行[N];中国电子报;2004年

5 王适春　哲一;依靠自主创新发展LED产业[N];中国电子报;2010年

6 记者 孙燕飚;中国LED投入期 海外设备厂商“好时光”[N];第一财经日报;2010年

7 本报记者 赵晨;国产MOCVD设备还有机会吗？[N];中国电子报;2013年

8 中科院苏州纳米所研究员 光达光电设备科技有限公司创始人 CTO 梁秉文;MOCVD未来十年必将大有作为[N];中国电子报;2013年

9 记者 刘肖勇 通讯员 吴晶平;发展LED产业需破解MOCVD技术[N];广东科技报;2013年

10 通讯员 龚静 记者 戴丽昕;大型国产MOCVD设备成功发运[N];上海科技报;2012年

相关博士学位论文 前10条

1 林志宇;基于MOCVD方法的N面GaN材料生长及特性研究[D];西安电子科技大学;2015年

2 顾然;高质量ZnO薄膜的MOCVD外延生长与原位掺杂[D];南京大学;2016年

3 宁振动;锑化物红外探测材料的MOCVD生长及光电性能研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

4 蒋俊岩;极性可控的GaN与ZnO薄膜的MOCVD外延生长及其组合发光器件研究[D];吉林大学;2016年

5 朱光耀;ZnO MOCVD的生长模拟与优化[D];南京大学;2011年

6 李晖;MOCVD生长GaN的输运—反应模型研究[D];江苏大学;2012年

7 杨天鹏;ZnO薄膜的等离子体辅助MOCVD生长及掺杂研究[D];吉林大学;2009年

8 李述体;III-Ⅴ族氮化物及其高亮度蓝光LED外延片的MOCVD生长和性质研究[D];南昌大学;2002年

9 赵旺;MOCVD法制备氧化锌发光器件及薄膜晶体管的研究[D];吉林大学;2011年

10 钟树泉;MOCVD设备工艺优化理论与低温InP/Si晶片键合机理的研究[D];北京邮电大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 王晟;MOCVD设备气体输运与加热控制系统设计[D];华中科技大学;2008年

2 李伟;MOCVD的在线膜厚监测系统的设计与实现[D];武汉理工大学;2012年

3 鲁二峰;MOCVD温度监测与均匀性研究[D];浙江大学;2014年

4 郭仕宽;SiC衬底GaN基材料MOCVD生长及HEMT器件研制[D];兰州大学;2015年

5 刘兴宇;MOCVD反应室感应加热装置的研究[D];南昌大学;2015年

6 全晓彤;MOCVD法制备氧化铝薄膜及其阻变特性[D];大连理工大学;2015年

7 吕伟华;MOCVD气体混合系统的泄漏检测研究[D];西安电子科技大学;2015年

8 牛瑞;PMOCVD的计算流体动力学研究[D];西安电子科技大学;2014年

9 杨源;MOCVD生长氮化镓的KMC微观模拟[D];西安电子科技大学;2014年

10 王宁;MOCVD法制备BZO-TCO的工艺与性能及其在太阳电池中的应用研究[D];河北工业大学;2015年

，

本文编号：1532346