从P型ZnO(InGaNGaN)多量子阱(n型GaN)发光二极管的电致发光发射.doc

从P型ZnO(InGaN/GaN)多量子阱（n型GaN）发光二极管的电致发光发射对于紫外 - 可见光范围的发光器件，氮化镓（GaN）是一个非常有前途的材料， 其宽能隙（3.4 eV）的，高导热（1.31瓦/厘米K表），高击穿电场，高化学稳定性，高电子饱和速度。虽然，许多的努力一直致力于生长空穴浓度高的高品质的P型GaN,但是典型的p型GaN电阻率是1欧姆/厘米，这是远远高于电阻为0.01厘米/欧姆的N-GaN，导致在实现高效率氮化镓发光二极管的拖延。因此，用具有高空穴浓度以及适当的化学结构结构和光学性质的p型半导体层取代P-GaN层是必要的。近日，曾等al.6的报道N型掺杂的P-ZnO薄膜电阻为1.7欧姆/厘米。报道也称，Sb掺杂p型ZnO薄膜的电阻率可降至0.1欧姆/ cm.。此外，众所周知在有机金属化学气相沉积(MOCVD)生长的ZnO薄膜是沿c轴取向的有小到1.8的平面晶格失配的纤锌矿结构。此外，ZnO的6.51_106 /K的热膨胀系数跟GaN的5.59_106 /K的热膨胀系数很接近。这些事实表明，P-氧化锌可以取代p型GaN作为一个空穴提供层用于GaN发光二极管。比如说，ZnO的电子亲和力比GaN的低0.15eV，导致空穴注入难度的降低。此外，ZnO2.0的折射率比GaN2.4的小，导致混合LED的光子逃逸概率的增加。在本文中，通过在InGaN / GaN多量子阱LED涂覆Sb掺杂的p型ZnO层，混合LED被证明是可行的。混合发光二极管的正向电压和串联电阻的测量值分别为2.9 V和11.8。从混合LED中可以观察到一个波长为468纳米的蓝色电致发光（EL）光波。在1070C氢气氛围中净化蓝宝石衬底，然后在570 C.的低温环境下生长30纳米的GaN缓冲层。缓冲层经过高温退火，在1150 C的温度下生长5微米的无掺杂的GaN层和2微米的Si参杂的n型GaN层。五对未掺杂的InGaN量子肼和InGaN量子肼在820 C下生长3纳米，并且900 C下在n型GaN层生长7纳米的无掺杂GaN阻碍层。在生长InGaN / GaN多量子阱后，样品被装入到ZnO的MOCVD的反应堆来生长Sb掺杂的ZnO层。Sb掺杂的ZnO层生长温度，压力，成长率doped分别为750C，50托，和0.67微米/小时。二乙基锌、三甲基锑和氧气分别作为锌源，p型掺杂源和氧化剂。InGaN/GaN量子肼上生长Sb掺杂的ZnO之后，在氮气环境下进行1分钟的快速热退火（RTA）来激活Sb掺杂的ZnO。为了制作一个大小为300*300 微米2的混合LED，Sb掺杂的ZnO层部分被腐蚀在稀盐酸溶液，然后对LED进行腐蚀，直到通过使用甲烷/氯气/氢气/氩气的电感耦合等离子体源使n型GaN层暴露。使用Cr （30 nm） /Au （80 nm）作为一个混合LED的p型和n型电极。为了消除来自p型半导体NiO或氧化镍金合金的空穴注入的争议，在这篇文章中不使用已频繁用于P-ZnO欧姆金属接触的NiO或氧化镍金合金。为了对于电学和光学性质的比较性研究，参考没有电流扩散层的GaN LED和使用了厚度为200纳米的p型GaN层的LED。作为参考LED的p型和n型电极和混合LED相同。为了测量锑掺杂氧化锌的导电率，在C-蓝宝石上生长的厚度大约为1微米的Sb掺杂ZnO薄膜上用范德堡配置进行霍尔测量。Sb掺杂ZnO薄膜在氮气环境下使用退火过程退火1分钟。在700-850C的温度范围内退火的Sb掺杂的ZnO层呗观察到p型导电。Sb掺杂的ZnO的空穴浓度从8*（10*17）cm-3到2*（10*18）cm-3，不断增加并且通过在700-850C范围内增加退火温度空穴迁移率从10.1 cm2 V1 s1减小。进一步提高退火温度到900C会导致空穴浓度下降。在更高的温度下空穴率下降是因为氧空位的点缺陷抵消了由Sb掺杂产生的空穴载流子。为了探讨Sb掺杂的ZnO的光学性质，12 K温度下在退火温度为750C未掺杂的ZnO薄膜和Sb掺杂的ZnO薄膜上进行光致发光测量。He-Cd激光的光致发光测量的激发波长和功率分别是325 nm 和 30 mW。正如图1所示，观察到主要在未掺杂的ZnO层（方点线）的光致发光谱有中性施主束缚激子的发射能量为3.367 eV。然而，中性的受子束缚激子发射的能量为3.316 eV，并且它们的声子副峰主要在Sb掺杂ZnO层（实心线）的光谱上，而中性施主束缚激子的发射明显的收到了限制。在As 或Sb掺杂的p型ZnO观察到受主束缚激子的峰值，并且从n型ZnO观察到受子束缚激子的发射。这些结果和热退火过程之后显示的Sb掺杂的ZnO层的p型导电性很符合。图2（a）和2（b）显示，在MOCVD上生长的典型的Sb掺杂的p型ZnO薄膜由约500纳米高、直径为100到300纳米的柱状结构组成。这种薄膜结构和在蓝宝石衬底上以薄膜到纳米棒过度的方法生长的ZnO薄膜结构类似。最近有文章报道，ZnO材料的p型性能和被p型掺杂物感应的局部受主状态以及其他像ZnO薄膜的晶粒边界那样在界面的本征缺陷有关。这些结果表明，Sb掺杂ZnO薄膜也可能有在晶界界面或柱状结构表面上的P-型导电。 这些空穴浓度为1.18*1018 /cm3空穴迁移率为0.71 cm2 /V s的Sb掺杂ZnO薄膜在InGaN/GaN量子肼上沉淀来制造p型ZnO的混合LED：Sb/（InGaN/GaN）量子肼/n-GaN。图3（a）和3（b）显示了混合LED和没有电流扩散层的参考LED的电流 - 电压（I-V）曲线。混合LED的正向电压和串联电阻测量为2.9V/20毫安和11.8，欧姆，然而参考LED的正向电压和串联电阻测量为4.1 V/20 mA和18.1欧姆。Sb掺杂的p型ZnO的混合LED的正向电压预计比p型GaN的参考LED要低，因为ZnO的电子亲和力比GaN低0.15 eV（注释10）并且Sb掺杂的p型ZnO薄膜1.18*1018 /cm3的空穴浓度高于用在参考LED上的p型GaN的2.73*1017 /cm3的空穴浓度。然而，混合发光二极管的正向和反向漏电流均显着高于参考LED，大概是由于在Sb掺杂的p型ZnO薄膜上的柱状结构的载子的散射。图4（a）显示的468纳米的蓝色发光光谱作为一个注入电流的功能和插页图（a）显示的是混合LED在室温下注入20mA的注入电流的发射图像。如图4（a）所示，混合LED的发光强度随注入电流的增加而增加，这表明在混合LED中Sb掺杂的p型ZnO层起着空穴提供层得作用。此外，如图4(a)所示，发射峰的位置随着注入电流的增加而发生红移。在传统的GaN基发光二极管，InGaN/GaN量子肼LED的发光发射峰随着电流的增加而繁盛蓝移，由于抑制量子限制斯塔克效应的电流，然后由于随着注入电流的进一步增大而产生的自加热导致发光峰位红移。然而，如图4（a）所示，混合LED的发光峰位置向长波长一侧发生红移。这个结果可以用由Sb掺杂的p型ZnO和焦耳热导致的InGaN肼的压电场的应变诱发的减少来解释。为了验证InGaN肼的应变弛豫，在室温下进行微拉曼光谱测量。用2.4兆瓦电力进行的拉曼测量氩离子的拉曼激发激光线是514.5纳米。（Jobin-Yvon LabRam HR）在此实验中使用的拉曼分光仪的分辨率是0.3 cm1。 如图4（b）所示，混合LED中InGaN的E2H峰模式显示，与参考LED的InGaN相比混合LED的有1 cm1的低频移并且参考LED的InGaN的E2峰的峰值半高宽比混合LED的大1.77 cm1，这表明参考LED的InGaN肼的压缩应变被Sb掺杂的p型ZnO所缓和。有报道称，当蓝宝石上面的ZnO纳米柱的直径大于30纳米时蓝宝石衬底和ZnO纳米柱之间有面内拉张应力，并且蓝宝石衬底上的InGaN / GaN多量子阱的InGaN层有压缩形变。因此，p型ZnO中的ZnO纳米柱的拉张应变：Sb层预计补偿了InGaN肼的压缩形变，减少了InGaN肼的压电场感应的张力。然而，据报道，即使InGaN的E2模式的位移达到了大约3 cm1在InGaN层形变仍然存在。因此，电致发光峰的红移可以归因于应变弛豫和焦耳加热的综合效应。 图5显示了混合LED的光输出功率和参考LED的注入电流的函数。在混合LED观察到很强的电致发光发射，但光输出功率在100 mA时比参考LED低3.8倍。光功率的减少归因于有柱状结构的Sb掺杂的p型ZnO层很少的扩展电流和Sb掺杂的p型厚层ZnO的吸收。混合LED的光输出功率可能会通过优化薄膜的厚度，膜结构，Sb掺杂的p型ZnO的空穴迁移率，Sb掺杂的p型ZnO的欧姆接触。 总之，通过MOCVD生长的Sb掺杂的p型ZnO层再氮气氛围下750 C热退火后显示