鋁摻雜氧化鋅透明薄膜之制備及其在氮化鎵基發(fā)光二極管之應用.pdf

1、本文采用射頻磁控濺射技術首次在室溫下，以ZnO：Al2O3(98：2 wt％)為靶材，在石英玻璃襯底上制備多晶 AZO透明導電薄膜。同時應用X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、掃面電子顯微鏡(SEM)、俄歇電子能譜儀(AES)、X射線光電子能譜儀(XPS)、霍爾效應測試系統(tǒng)以及紫外—可見分光光度計等測試手段，研究了不同射頻功率、Ar氣壓強、襯底與靶位間距、薄膜厚度以及不同退火條件(包括不同氣體氛圍和不同溫度)對薄膜結(jié)構特性、

2、電學性能與光學性能的影響。此外，本文將工藝優(yōu)化下生長的AZO薄膜作為p-GaN的透明電極，制備一系列的AZO/GaN歐姆接觸和GaN基發(fā)光二極管，研究了AZO與GaN的歐姆接觸性能，并探討引入不同過度金屬層(Ni，Pt，Ag)來降低歐姆接觸電阻，提高GaN基LED性能。所取得的成果如下： 1．本文首次系統(tǒng)地研究了室溫下各濺射工藝參數(shù)(射頻功率、氬氣壓強、襯底與靶材間距、薄膜厚度)對AZO薄膜性質(zhì)的影響，生長的AZO薄膜為六角纖維

3、鋅礦結(jié)構，呈c軸擇優(yōu)取向，對薄膜的組分分析表明薄膜符合化學劑量比(Zn：O≈1：1)。由于薄膜在室溫下沉積，薄膜結(jié)構相對疏松，晶粒邊界上有少數(shù)O原子的吸附。同時在300W射頻功率、0.4Pa Ar氣壓強(流量為30sccm)和7.0cm靶位與襯底間距條件時，得到最低電阻率為2.88x10-4Ω·cm、可見光區(qū)透射率90％以上的500nm AZO薄膜。 2．AZO薄膜在N2氛圍中退火后，薄膜的電阻率增大，載流子濃度降低，其電學性能

4、退化程度隨退火溫度的升高而增大。經(jīng)N2氛圍中500度退火后，薄膜電阻率升至2.09x10-2Ω·cm，相應的載流子濃度和霍耳遷移率分別降為8.04×10％cm-3和3.71cm2/Vs。而當退火溫度升高到700度時，薄膜電阻率大于1×105Ω·cm，同時Burstein-Moss效應消失，光學帶隙變小至3.34eV。其主要原因是樣品經(jīng)高溫退火后，AZO薄膜里的O與摻雜Al集合，使得Al摻雜載流子濃度和遷移率迅速降低，導致電學性能變差。

5、 3．在退火氣體N2中加入約4％的H2，能夠讓Al被氧化的程度得到抑制，AZO薄膜電阻率退化程度變小。在含H2氛圍中500度退火時，薄膜電阻率只稍微升高至8.65x10-4Ω·cm，相應的載流子濃度和霍耳遷移率變化不大，分別降為5.73×1020cm-3和12.6cm2/Vs。這是由于H的還原性質(zhì)，使得Al被氧化的幾率降低，Al有效摻雜得到保護。但經(jīng)600度退火后，由于室溫薄膜比較疏松，AZO薄膜里的O被H還原，使得薄膜變薄。薄膜

6、700度退火后，AZO薄膜里的O完全被H還原，剩余的Zn在高溫下蒸發(fā)，AZO薄膜消失。 4．采用電子束蒸發(fā)在石英襯底上先沉積一薄的金屬層(Ni，Pt，Ag)，接著再采用磁控濺射沉積AZO薄膜，形成metal/AZO雙層薄膜，研究不同金屬及不同厚度對雙層薄膜電阻和透過率的變化關系。研究發(fā)現(xiàn)在過渡金屬薄層沉積的AZO薄膜的結(jié)晶性變差，電阻率變大。不過，制備的雙層薄膜2nm Ni/250nm AZO的方塊電阻為21.0Ω/□，可見光區(qū)

7、平均透過率為76.5％，依然適合作為GaN基LED的透明電極。 5．在國內(nèi)首次采用磁控濺射AZO薄膜在p-GaN表面制備歐姆接觸，研究發(fā)現(xiàn)因濺射出來的高能粒子損傷p-GaN表層活性，無法形成線性的AZO/GaN歐姆接觸。在p-GaN和AZO之間用電子束蒸發(fā)生長三種不同金屬(5nm Ni，Ag，Pt)過渡層，其接觸性能得到顯著改善，且改善的程度隨金屬層的厚度增加而增大，在無退火情況下，本文獲得的比接觸電阻率分別為：5.01×10-

8、3，5.74×10-3，3.90×10-3Ω·cm2。此外，同時制備了一系列的AZO電極的藍光和近紫外-紫光GaN基IED，獲得500nmAZO電極、5nmNi/250nmAZO電極、5nmAg/250nmAZO電極、5nmPt/250nmAZO電極藍光LED在20mA下，正向電壓分別是Vf(AZO)=5.12V；Vf(Ni/AZO)=3.20V；Vf(Ag/AZO)=3.40V；VfPt/AZO=3.05V；各LED其軸向出光光強依次