納米n—ZnO/p—GaN異質結構的制備與特性研究

柯昀潔

【摘 要】隨著社會的發展，新材料器件越來越多的應用于社會生活中。論文在p-GaN襯底上利用水熱法制備了n-ZnO/p-GaN異質結構，制備的ZnO具有多晶纖鋅礦結構，在380nm具有明顯的紫外發光峰，在正向偏壓下，該結構發出藍紫光。

【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.

【關鍵詞】氧化鋅；氮化鎵；異質結

【Keywords】 ZnO； GaN； heterojunction

【中圖分類號】TN304 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0152-02

1 引言

進入21世紀后，新材料技術的發展日新月異，以寬帶隙半導體為代表的第三代半導體材料在能源、信息存儲、照明等方面有著極為重要的應用。ZnO作為一種纖鋅礦結構的寬帶隙化合物半導體，激子束縛能高達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，是當前材料科學研究中的熱點之一。但是ZnO材料因其是本征的n型材料，自補償效應十分明顯，很難獲得p型，因而在制作光電器件時多研究異質結構。GaN與ZnO具有相同的晶體結構，且3.40eV的帶隙十分接近ZnO，并且p-GaN已經商業化，n-ZnO/p-GaN結構具有極大的應用潛力。本文利用水熱法在p-GaN上制備ZnO納米結構，并研究該異質結構的特性。

2 實驗

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納米結構。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行ZnO籽晶層的沉積，籽晶層厚度約15nm。隨后進行ZnO納米結構的生長：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，用氮氣槍吹干。隨后光刻出圖形，然后在利用稀鹽酸溶液對無掩模保護的ZnO進行濕法刻蝕，刻蝕至露出GaN襯底，吹干后送至電子束中進行Ni電極制備，最后洗去光刻膠。隨后進行第二次光刻，在ZnO上制備出圖形，在電子束中同樣進行ZnO上Al電極的制備，洗去光刻膠，吹干后得到了n-ZnO/p-GaN異質結構，如圖1所示。用掠入射XRD分析樣品的結構特性，用室溫PL譜表征樣品的光學特性，EL譜用來測試樣品的電學特性。

3 結果與分析

3.1 結構分析

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構，2θ=31.850、34.540 、36.280分別對應的為 （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，樣品具有一個很強的近紫外發光峰，其峰位在380nm附近，一般認為是由ZnO的激子輻射復合產生的。在550～650nm有一個較弱的可見光發光帶，通常被認為是由缺陷發光引起的。樣品具有很高的紫外可見比，說明具有很好的光學性質。

3.3 電學性質

在樣品的GaN電極上加上正電壓，在ZnO面電極上加上負電壓，樣品略微發出藍紫光，峰位在415nm左右，一般認為是來源于GaN中與Mg能級相關的DAP對[2]，分析主要原因在于n-ZnO的載流子的濃度（1019cm-3）要遠高于p-GaN中載流子的濃度（1017cm-3），導致電子很容易進入GaN中發光，而空穴則很難進入到ZnO中實現ZnO的發光。因此，可以在二者之間設計一個阻擋層，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，實現ZnO的電致發光。設計一個帶隙為3.9eV的AlGaN阻擋層，利用Anderson模型，在n-ZnO/AlGaN/p-GaN異質結中有：ΔEC=xZnO-xAlGaN=0.47eV，對于AlGaN/p-GaN結則有： ΔEV= EgGaN+xGaN- Eg AGaN-xAlGaN=0.05eV。結果說明，對于電子的導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，實現ZnO層激子發光。

4 結語

本文利用水熱法在p-GaN上生長了納米n-ZnO/p-GaN異質結構。n-ZnO結構對應了（100）、 （002） 、（101）三個晶面，為多晶結構，其晶粒尺寸在6～8nm之間，樣品具有很強的紫外可見比。加上正向偏壓后，由于n-ZnO電子濃度太大，主要在p-GaN中發光，若在二者間加入AlGaN阻擋層，則實現電子的導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，實現ZnO層激子發光。

【參考文獻】

【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.