纳米n—ZnO/p—GaN异质结构的制备与特性研究
柯昀洁
【摘 要】随着社会的发展，新材料器件越来越多的应用于社会生活中。论文在p-GaN衬底上利用水热法制备了n-ZnO/p-GaN异质结构，制备的ZnO具有多晶纤锌矿结构，在380nm具有明显的紫外发光峰，在正向偏压下，该结构发出蓝紫光。
【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.
【关键词】氧化锌；氮化镓；异质结
【Keywords】 ZnO； GaN； heterojunction
【中图分类号】TN304 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0152-02
1 引言
进入21世纪后，新材料技术的发展日新月异，以宽带隙半导体为代表的第三代半导体材料在能源、信息存储、照明等方面有着极为重要的应用。ZnO作为一种纤锌矿结构的宽带隙化合物半导体，激子束缚能高达60meV[1]，十分适合短波长低阈值激光器的制备，而且ZnO的原材料易于获取，容易腐蚀且无毒，在器件工艺方面优势明显。尤其是其纳米晶体具有特殊的压电和光电特性，是当前材料科学研究中的热点之一。但是ZnO材料因其是本征的n型材料，自补偿效应十分明显，很难获得p型，因而在制作光电器件时多研究异质结构。GaN与ZnO具有相同的晶体结构，且3.40eV的带隙十分接近ZnO，并且p-GaN已经商业化，n-ZnO/p-GaN结构具有极大的应用潜力。本文利用水热法在p-GaN上制备ZnO纳米结构，并研究该异质结构的特性。
2 实验
本研究采用MOCVD生长的商用p-GaN作为衬底，利用水热法在其上生长ZnO纳米结构。在生长前，将p-GaN衬底依次利用丙酮、酒精、稀盐酸、去离子水超声清洗，清洗时间均是10min。将衬底放入磁控溅射中进行ZnO籽晶层的沉积，籽晶层厚度约15nm。随后进行ZnO纳米结构的生长：将衬底竖直浸入在摩尔比1：1的Zn（CH3COO）22H2O和C6H12N4混合溶液中，在95℃下生长5h。随后将样品取出，用去离子水将样品冲干净，用氮气枪吹干。随后光刻出图形，然后在利用稀盐酸溶液对无掩模保护的ZnO进行湿法刻蚀，刻蚀至露出GaN衬底，吹干后送至电子束中进行Ni电极制备，最后洗去光刻胶。随后进行第二次光刻，在ZnO上制备出图形，在电子束中同样进行ZnO上Al电极的制备，洗去光刻胶，吹干后得到了n-ZnO/p-GaN异质结构，如图1所示。用掠入射XRD分析样品的结构特性，用室温PL谱表征样品的光学特性，EL谱用来测试样品的电学特性。
3 结果与分析
3.1 结构分析
图2是样品的XRD图，扫描范围为20～50o。由图中可知，样品为六角纤锌矿多晶结构，2θ=31.850、34.540 、36.280分别对应的为 （100）、 （002） 、（101）晶面，其半峰宽（FWHM）分别是1.120、1.270、1.040。利用Scherer公式计算其晶粒尺寸： D=0.9λ/Bcosθ，其中λ是X衍射Cuα的波长（0.154nm），B是半峰宽，θ是衍射角。得到各晶面晶粒的尺寸分别是7.4nm，6.55nm，8.03nm，表明晶粒的尺寸在6～8nm之间。
图3是样品的PL图，由图中可知，样品具有一个很强的近紫外发光峰，其峰位在380nm附近，一般認为是由ZnO的激子辐射复合产生的。在550～650nm有一个较弱的可见光发光带，通常被认为是由缺陷发光引起的。样品具有很高的紫外可见比，说明具有很好的光学性质。
3.3 电学性质
在样品的GaN电极上加上正电压，在ZnO面电极上加上负电压，样品略微发出蓝紫光，峰位在415nm左右，一般认为是来源于GaN中与Mg能级相关的DAP对[2]，分析主要原因在于n-ZnO的载流子的浓度（1019cm-3）要远高于p-GaN中载流子的浓度（1017cm-3），导致电子很容易进入GaN中发光，而空穴则很难进入到ZnO中实现ZnO的发光。因此，可以在二者之间设计一个阻挡层，使得电子向GaN中注入的势垒要高于空穴向ZnO中注入的势垒，将电子阻挡在ZnO中，实现ZnO的电致发光。设计一个带隙为3.9eV的AlGaN阻挡层，利用Anderson模型，在n-ZnO/AlGaN/p-GaN异质结中有：ΔEC=xZnO-xAlGaN=0.47eV，对于AlGaN/p-GaN结则有： ΔEV= EgGaN+xGaN- Eg AGaN-xAlGaN=0.05eV。结果说明，对于电子的导带势垒比对于空穴的价带势垒大得多，从抑制了电子向p-GaN中的注入，并使得p-GaN中空穴注入n-ZnO中，实现ZnO层激子发光。
4 结语
本文利用水热法在p-GaN上生长了纳米n-ZnO/p-GaN异质结构。n-ZnO结构对应了（100）、 （002） 、（101）三个晶面，为多晶结构，其晶粒尺寸在6～8nm之间，样品具有很强的紫外可见比。加上正向偏压后，由于n-ZnO电子浓度太大，主要在p-GaN中发光，若在二者间加入AlGaN阻挡层，则实现电子的导带势垒比对于空穴的价带势垒大得多，抑制了电子向p-GaN中的注入，实现ZnO层激子发光。
【参考文献】
【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.
【摘 要】随着社会的发展，新材料器件越来越多的应用于社会生活中。论文在p-GaN衬底上利用水热法制备了n-ZnO/p-GaN异质结构，制备的ZnO具有多晶纤锌矿结构，在380nm具有明显的紫外发光峰，在正向偏压下，该结构发出蓝紫光。
【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.
【关键词】氧化锌；氮化镓；异质结
【Keywords】 ZnO； GaN； heterojunction
【中图分类号】TN304 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0152-02
1 引言
进入21世纪后，新材料技术的发展日新月异，以宽带隙半导体为代表的第三代半导体材料在能源、信息存储、照明等方面有着极为重要的应用。ZnO作为一种纤锌矿结构的宽带隙化合物半导体，激子束缚能高达60meV[1]，十分适合短波长低阈值激光器的制备，而且ZnO的原材料易于获取，容易腐蚀且无毒，在器件工艺方面优势明显。尤其是其纳米晶体具有特殊的压电和光电特性，是当前材料科学研究中的热点之一。但是ZnO材料因其是本征的n型材料，自补偿效应十分明显，很难获得p型，因而在制作光电器件时多研究异质结构。GaN与ZnO具有相同的晶体结构，且3.40eV的带隙十分接近ZnO，并且p-GaN已经商业化，n-ZnO/p-GaN结构具有极大的应用潜力。本文利用水热法在p-GaN上制备ZnO纳米结构，并研究该异质结构的特性。
2 实验
本研究采用MOCVD生长的商用p-GaN作为衬底，利用水热法在其上生长ZnO纳米结构。在生长前，将p-GaN衬底依次利用丙酮、酒精、稀盐酸、去离子水超声清洗，清洗时间均是10min。将衬底放入磁控溅射中进行ZnO籽晶层的沉积，籽晶层厚度约15nm。随后进行ZnO纳米结构的生长：将衬底竖直浸入在摩尔比1：1的Zn（CH3COO）22H2O和C6H12N4混合溶液中，在95℃下生长5h。随后将样品取出，用去离子水将样品冲干净，用氮气枪吹干。随后光刻出图形，然后在利用稀盐酸溶液对无掩模保护的ZnO进行湿法刻蚀，刻蚀至露出GaN衬底，吹干后送至电子束中进行Ni电极制备，最后洗去光刻胶。随后进行第二次光刻，在ZnO上制备出图形，在电子束中同样进行ZnO上Al电极的制备，洗去光刻胶，吹干后得到了n-ZnO/p-GaN异质结构，如图1所示。用掠入射XRD分析样品的结构特性，用室温PL谱表征样品的光学特性，EL谱用来测试样品的电学特性。
3 结果与分析
3.1 结构分析
图2是样品的XRD图，扫描范围为20～50o。由图中可知，样品为六角纤锌矿多晶结构，2θ=31.850、34.540 、36.280分别对应的为 （100）、 （002） 、（101）晶面，其半峰宽（FWHM）分别是1.120、1.270、1.040。利用Scherer公式计算其晶粒尺寸： D=0.9λ/Bcosθ，其中λ是X衍射Cuα的波长（0.154nm），B是半峰宽，θ是衍射角。得到各晶面晶粒的尺寸分别是7.4nm，6.55nm，8.03nm，表明晶粒的尺寸在6～8nm之间。
图3是样品的PL图，由图中可知，样品具有一个很强的近紫外发光峰，其峰位在380nm附近，一般認为是由ZnO的激子辐射复合产生的。在550～650nm有一个较弱的可见光发光带，通常被认为是由缺陷发光引起的。样品具有很高的紫外可见比，说明具有很好的光学性质。
3.3 电学性质
在样品的GaN电极上加上正电压，在ZnO面电极上加上负电压，样品略微发出蓝紫光，峰位在415nm左右，一般认为是来源于GaN中与Mg能级相关的DAP对[2]，分析主要原因在于n-ZnO的载流子的浓度（1019cm-3）要远高于p-GaN中载流子的浓度（1017cm-3），导致电子很容易进入GaN中发光，而空穴则很难进入到ZnO中实现ZnO的发光。因此，可以在二者之间设计一个阻挡层，使得电子向GaN中注入的势垒要高于空穴向ZnO中注入的势垒，将电子阻挡在ZnO中，实现ZnO的电致发光。设计一个带隙为3.9eV的AlGaN阻挡层，利用Anderson模型，在n-ZnO/AlGaN/p-GaN异质结中有：ΔEC=xZnO-xAlGaN=0.47eV，对于AlGaN/p-GaN结则有： ΔEV= EgGaN+xGaN- Eg AGaN-xAlGaN=0.05eV。结果说明，对于电子的导带势垒比对于空穴的价带势垒大得多，从抑制了电子向p-GaN中的注入，并使得p-GaN中空穴注入n-ZnO中，实现ZnO层激子发光。
4 结语
本文利用水热法在p-GaN上生长了纳米n-ZnO/p-GaN异质结构。n-ZnO结构对应了（100）、 （002） 、（101）三个晶面，为多晶结构，其晶粒尺寸在6～8nm之间，样品具有很强的紫外可见比。加上正向偏压后，由于n-ZnO电子浓度太大，主要在p-GaN中发光，若在二者间加入AlGaN阻挡层，则实现电子的导带势垒比对于空穴的价带势垒大得多，抑制了电子向p-GaN中的注入，实现ZnO层激子发光。
【参考文献】
【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.
