柯昀潔
【摘 要】隨著社會的發(fā)展,新材料器件越來越多的應(yīng)用于社會生活中。論文在p-GaN襯底上利用水熱法制備了n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),制備的ZnO具有多晶纖鋅礦結(jié)構(gòu),在380nm具有明顯的紫外發(fā)光峰,在正向偏壓下,該結(jié)構(gòu)發(fā)出藍(lán)紫光。
【Abstract】With the development of society, new materials and devices are increasingly applied in daily life. In this paper, the n-ZnO / p-GaN heterostructures were prepared by hydrothermal method on the p-GaN substrate. The prepared ZnO had a polycrystalline wurtzite structure with obvious UV emission at 380 nm. Under forward voltage, the structure emits blue-violet light.
【關(guān)鍵詞】氧化鋅;氮化鎵;異質(zhì)結(jié)
【Keywords】 ZnO; GaN; heterojunction
【中圖分類號】TN304 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069(2017)12-0152-02
1 引言
進(jìn)入21世紀(jì)后,新材料技術(shù)的發(fā)展日新月異,以寬帶隙半導(dǎo)體為代表的第三代半導(dǎo)體材料在能源、信息存儲、照明等方面有著極為重要的應(yīng)用。ZnO作為一種纖鋅礦結(jié)構(gòu)的寬帶隙化合物半導(dǎo)體,激子束縛能高達(dá)60meV[1],十分適合短波長低閾值激光器的制備,而且ZnO的原材料易于獲取,容易腐蝕且無毒,在器件工藝方面優(yōu)勢明顯。尤其是其納米晶體具有特殊的壓電和光電特性,是當(dāng)前材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)之一。但是ZnO材料因其是本征的n型材料,自補(bǔ)償效應(yīng)十分明顯,很難獲得p型,因而在制作光電器件時多研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)。GaN與ZnO具有相同的晶體結(jié)構(gòu),且3.40eV的帶隙十分接近ZnO,并且p-GaN已經(jīng)商業(yè)化,n-ZnO/p-GaN結(jié)構(gòu)具有極大的應(yīng)用潛力。本文利用水熱法在p-GaN上制備ZnO納米結(jié)構(gòu),并研究該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性。
2 實(shí)驗(yàn)
本研究采用MOCVD生長的商用p-GaN作為襯底,利用水熱法在其上生長ZnO納米結(jié)構(gòu)。在生長前,將p-GaN襯底依次利用丙酮、酒精、稀鹽酸、去離子水超聲清洗,清洗時間均是10min。將襯底放入磁控濺射中進(jìn)行ZnO籽晶層的沉積,籽晶層厚度約15nm。隨后進(jìn)行ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長:將襯底豎直浸入在摩爾比1:1的Zn(CH3COO)22H2O和C6H12N4混合溶液中,在95℃下生長5h。隨后將樣品取出,用去離子水將樣品沖干凈,用氮?dú)鈽尨蹈?。隨后光刻出圖形,然后在利用稀鹽酸溶液對無掩模保護(hù)的ZnO進(jìn)行濕法刻蝕,刻蝕至露出GaN襯底,吹干后送至電子束中進(jìn)行Ni電極制備,最后洗去光刻膠。隨后進(jìn)行第二次光刻,在ZnO上制備出圖形,在電子束中同樣進(jìn)行ZnO上Al電極的制備,洗去光刻膠,吹干后得到了n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),如圖1所示。用掠入射XRD分析樣品的結(jié)構(gòu)特性,用室溫PL譜表征樣品的光學(xué)特性,EL譜用來測試樣品的電學(xué)特性。
3 結(jié)果與分析
3.1 結(jié)構(gòu)分析
圖2是樣品的XRD圖,掃描范圍為20~50o。由圖中可知,樣品為六角纖鋅礦多晶結(jié)構(gòu),2θ=31.850、34.540 、36.280分別對應(yīng)的為 (100)、 (002) 、(101)晶面,其半峰寬(FWHM)分別是1.120、1.270、1.040。利用Scherer公式計算其晶粒尺寸: D=0.9λ/Bcosθ,其中λ是X衍射Cuα的波長(0.154nm),B是半峰寬,θ是衍射角。得到各晶面晶粒的尺寸分別是7.4nm,6.55nm,8.03nm,表明晶粒的尺寸在6~8nm之間。
圖3是樣品的PL圖,由圖中可知,樣品具有一個很強(qiáng)的近紫外發(fā)光峰,其峰位在380nm附近,一般認(rèn)為是由ZnO的激子輻射復(fù)合產(chǎn)生的。在550~650nm有一個較弱的可見光發(fā)光帶,通常被認(rèn)為是由缺陷發(fā)光引起的。樣品具有很高的紫外可見比,說明具有很好的光學(xué)性質(zhì)。
3.3 電學(xué)性質(zhì)
在樣品的GaN電極上加上正電壓,在ZnO面電極上加上負(fù)電壓,樣品略微發(fā)出藍(lán)紫光,峰位在415nm左右,一般認(rèn)為是來源于GaN中與Mg能級相關(guān)的DAP對[2],分析主要原因在于n-ZnO的載流子的濃度(1019cm-3)要遠(yuǎn)高于p-GaN中載流子的濃度(1017cm-3),導(dǎo)致電子很容易進(jìn)入GaN中發(fā)光,而空穴則很難進(jìn)入到ZnO中實(shí)現(xiàn)ZnO的發(fā)光。因此,可以在二者之間設(shè)計一個阻擋層,使得電子向GaN中注入的勢壘要高于空穴向ZnO中注入的勢壘,將電子阻擋在ZnO中,實(shí)現(xiàn)ZnO的電致發(fā)光。設(shè)計一個帶隙為3.9eV的AlGaN阻擋層,利用Anderson模型,在n-ZnO/AlGaN/p-GaN異質(zhì)結(jié)中有:ΔEC=xZnO-xAlGaN=0.47eV,對于AlGaN/p-GaN結(jié)則有: ΔEV= EgGaN+xGaN- Eg AGaN-xAlGaN=0.05eV。結(jié)果說明,對于電子的導(dǎo)帶勢壘比對于空穴的價帶勢壘大得多,從抑制了電子向p-GaN中的注入,并使得p-GaN中空穴注入n-ZnO中,實(shí)現(xiàn)ZnO層激子發(fā)光。
4 結(jié)語
本文利用水熱法在p-GaN上生長了納米n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。n-ZnO結(jié)構(gòu)對應(yīng)了(100)、 (002) 、(101)三個晶面,為多晶結(jié)構(gòu),其晶粒尺寸在6~8nm之間,樣品具有很強(qiáng)的紫外可見比。加上正向偏壓后,由于n-ZnO電子濃度太大,主要在p-GaN中發(fā)光,若在二者間加入AlGaN阻擋層,則實(shí)現(xiàn)電子的導(dǎo)帶勢壘比對于空穴的價帶勢壘大得多,抑制了電子向p-GaN中的注入,實(shí)現(xiàn)ZnO層激子發(fā)光。
【參考文獻(xiàn)】
【1】Tang Z K, Wong G K L, Yu P. Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystalline thin films [J]. Appl.Phys.Lett,1998,72(25):3270-3272.
【2】Jiao S J, Lu Y M, Shen D Z, et al. Ultraviolet electroluminescence of ZnO based heterojunction light-emitting diode [J]. Phys. Status Solidi(c),2006(3):972-975.