納米n—ZnO/p—GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備與特性研究

柯昀潔

【摘 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，新材料器件越來越多的應(yīng)用于社會(huì)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(hào)】TN304 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】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(chǔ)、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(zhǎng)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(shì)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(shí)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(zhǎng)的商用p-GaN作為襯底，利用水熱法在其上生長(zhǎng)ZnO納米結(jié)構(gòu)。在生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)：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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(duì)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(jì)算其晶粒尺寸： D=0.9λ/Bcosθ，其中λ是X衍射Cuα的波長(zhǎng)（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(gè)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(gè)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(jí)相關(guān)的DAP對(duì)[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(jì)一個(gè)阻擋層，使得電子向GaN中注入的勢(shì)壘要高于空穴向ZnO中注入的勢(shì)壘，將電子阻擋在ZnO中，實(shí)現(xiàn)ZnO的電致發(fā)光。設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)于AlGaN/p-GaN結(jié)則有： ΔEV= EgGaN+xGaN- Eg AGaN-xAlGaN=0.05eV。結(jié)果說明，對(duì)于電子的導(dǎo)帶勢(shì)壘比對(duì)于空穴的價(jià)帶勢(shì)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(zhǎng)了納米n-ZnO/p-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。n-ZnO結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)了（100）、 （002） 、（101）三個(gè)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(shì)壘比對(duì)于空穴的價(jià)帶勢(shì)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.