客服热线:0755-32806662

退火温度和气氛对GZO薄膜和LED器件性能影响

2017-08-10 16:55 浏览:796    评论:0       
核心摘要:[退火温度和气氛对GZO薄膜和LED器件性能影响]退火温度和气氛对GZO薄膜和LED器件性能影响王万晶 李喜峰 张建华 张金松 (上海大学
[退火温度和气氛对GZO薄膜和LED器件性能影响]

退火温度和气氛对GZO薄膜和LED器件
性能影响

王万晶 李喜峰 张建华 张金松
(上海大学机电工程与自动化学院 新型显示技术及应用集成教育部重点实验室,上海 200072)

摘要:采用磁控溅射的方法将掺杂了三氧化二镓的氧化锌薄膜(GZO)沉积在p型氮化镓衬底上并通过离子刻蚀制备出LED芯片,研究在空气和氮气氛围不同温度退火后的透过率和LED芯片在氮气氛围400℃退火后的性能。得如下结论:在氮气氛围下,400℃退火后透过率最高,为90.17%;空气退火后GZO薄膜的透过率比氮气退火的高;LED芯片400℃退火后,芯片的电压电流曲线有所改善,但芯片的亮度曲线和强度曲线均变差,说明磁控溅射的GZO电极的LED芯片不适合氮气氛围400℃退火。

关键词:LED GZO薄膜 退火温度 退火氛围

1 引言
ZnO是一种Ⅱ一Ⅵ族具有较大的禁带宽度(室温下为3.4eV的半导体材料,其电子亲和势为3.0eV,激子结合能为60eV,且导电性好,可以用作透明导电薄膜,由于其载流子浓度大、霍尔迁移率高、载流子迁移率高等特性,使其在薄膜场效应管上有很大的应用潜力,同时ZnO具有优异的光电,压电性能,使其在低压荧光,短波激光器,化学传感器,太阳能电池,场发射显示器等领域有着广泛的应用前景。[1~5]

制备ZnO薄膜的方法有很多如:磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束热蒸发、脉冲激光沉积(PLD)等,几乎所有的制膜方法都可以用来制备ZnO薄膜。每种方法的制备原理不同,各有优缺点。其中磁控溅射法镀膜可调节制备工艺参数;薄膜与衬底的附着性好;磁控溅射镀膜法获得的薄膜致密性好、纯度高,膜厚可控和重复性好。[6~7]

本文通过磁控溅射法制备出GZO薄膜在氮化镓外延片和玻璃基板上,在通过光刻刻蚀等基本工艺获得GZO电极的芯片,在不同的退火氛围和温度下研究了退火对透过率,晶体结构以及方块电阻的影响在400℃退火

2 实验方法
本文中,先使用硫酸:双氧水:去离子水的比列为5:5:1在常温下清泡外延片15mins,对氮化镓蓝光LED外延片表面进行氧化层的表面处理,然后依次在异丙醇溶液中超声清洗10mins,丙酮溶液中超声清洗10mins,然后在去离子水中超声清洗10mins,最后用氮气吹干。

GZO 透明导电薄膜是在 SME-200E 磁控溅射系统上沉积的。溅射的功率为350W,溅射氛围是氩气,气压为0.55Pa,生长时间25mins, 电极厚度约180nm。

溅射了GZO 薄膜的外延片通过正常的光刻刻蚀方法获得GZO电极的外延片。光刻机的型号是OAI-800,离子束刻蚀机的型号是:LKJ-1C-150I。

退火实验室是在RTP-300 快速退火炉上进行的。首先将样品放在硅片基板上推入炉中,然后快速升温,在特定的温度下保持15 mins 后,快速降温至常温,取出样品。

为研究退火温度和退火氛围对p-GaN与GZO透明导电薄膜的影响,采用 D/Max-2200X 射线衍射(XRD)系统和四探针测试分析手段,GZO 薄膜的透过率是U-3000 紫外可见光分光光度计测量的;芯片测试是在Hewlett–Packard 4140B和PR-650芯片测试系统上进行的。

3 实验结果与讨论
3.1 不同退火条件对薄膜透过率的影响
图1.1是GZO导电薄膜在氮气和空气氛围中不同温度退火后的透过率曲线图;图1.2是GZO导电

图1.1 GZO透明导电薄膜在氮气氛围退火后的透过率

薄膜在空气氛围中不同温度退火后的透过率曲线图。由图1的透过率曲线可知,GZO 透明导电薄膜在可见光区均有很高的透过率(80%),且在350nm呈现左右出现了一个强烈的吸收边沿。在氮气中退火后,所有的透过率曲线的吸收边沿都发生了蓝移,使得在紫外光区的高透过率区有所扩展,且其扩展程度随着退火温度的增加先增大后减小;在空气中退火后,所有的透过率曲线的吸收边沿都发生了红移,使得在紫外光区的高透过率区有所缩小,且其缩小程度随着退火温度的增加而增加。发生蓝移的主要原因是众所周知的Burstein-Moss (BM)效应[8];发生红移的主要原因是禁带宽度变窄[9]。

图1.2 GZO透明导电薄膜在空气气氛围退火后的透过率


由图1.1和1.2曲线可知在400~450nm之间,GZO薄膜会有一个最高透过率。随着退火温度的升高,最高点均向波长更长的方向漂移。由于LED芯片的蓝光是438nm的,所以需要在438nm波长 有最高值。所有氮气退火的透过率曲线中400℃氮气退火的GZO薄膜在438nm有最高的透过率,为90.165%;所有空气退火的透过率曲线中500℃空气退火的GZO薄膜在438nm有最高的透过率,为91.862%。从两图的对比中可知,空气退火后的透过率比氮气退火后的略高。.

3.2 不同退火条件对方块电阻的影响
图2是不同的退火氛围下GZO薄膜在不同温度退火后的方块电阻曲线。从图中可以明显看出:随着温度的增加,空气中退火后的GZO薄膜的方块电阻急剧增大,尤其是400℃以后;而在氮气氛围中,GZO薄膜的方块电阻随着温度的增加,先减小后增加,在400℃退火后可得最小方块电阻11.031Ω/。对于GZO电极,由于所有膜厚均为180nm,所以方块电阻越小,电阻率就越低,膜的电学性能越好。

图2 不同退火条件与方块电阻变化关系


3.3不同退火条件下对薄膜晶体结构的影响
图3.1和图3.2分别是氮气气氛和空气气氛p-GaN上GZO薄膜退火后的衍射图。从图中看出在氮气氛围退火GZO薄膜的衍射峰比没有退火的衍射峰值强度小,而在空气中退火的GZO薄膜的衍射峰比没有退火的衍射峰强度大。而且在氮气退火后的GaN峰和ZnO峰完全重合,而在空气退火中的GaN峰和ZnO峰不完全重合。没有退火时,GZO薄膜的衍射峰的2角为34.72°,而ZnO薄膜的本征衍射角为34.379˚。由于GZO薄膜是掺在了Ga元素的

ZnO,且是磁控溅射法制备的,所以已具有了一定的内部应力。在空气退火后,其2角分别变成了34.64°、34.76°、34.66°在200℃、400℃和600℃退火后。在氮气退火后,其2角分别变成了34.76°、34.62°、34.64°在200℃、400℃和500℃退火后。由公式斯托克2dsinθ=nλ所以可以看出在氮气400℃退火后,其应力最小。

3.4 退火对GZO电极LED器件性能影响

图4.1 不同退火的GZO电极的LED的I-V曲线


图4.1是LED芯片在400℃氮气氛围退火15 mins后与没退火的电流电压曲线。从曲线上可以看出,在相同电流为20mA时,其驱动电压分别3.8V和3.7V,退火过的驱动电压比不退火的驱动电压小0.1V。在相同的驱动电流为10V时,其电流分别为71.8mA和132mA,退火过的电流比不退火的电流高出近1倍。由此可知,通过氮气氛围400℃15分钟退火,芯片的电压电流曲线得到极大的改善.

图4.2 不同退火的GZO电极的LED的B-I曲线


图4.2 是LED芯片在400℃氮气氛围退火15 mins后与没退火的亮度电流曲线。从图中可知,经过退火,LED芯片的驱动电流增大了,由原来的10mA已发光变成了20mA才开始发光。且在驱动电流为100mA时,其退火的亮度与不退火的分别为16600cd/m2和23400cd/m2。其亮度值在相同的驱动电流下都降低了约6000cd/m2,由此可得出,400℃氮气退火虽然能够改善LED的电压电流特性,却降低了LED的发光亮度。

图4.3不同退火的GZO电极的LED在100mA电流下的I-W曲线


图4.3给出了在驱动电流为100mA时,光的在不同波段的强度曲线。从图上可知,退火前后其发光波长没有明显变化,几乎都为438nm。在波长为438nm,退火后的LED其光输出强度降低为原来的70%。由此可知:氮气氛围400℃退火15分钟后,GZO透明电极的LED芯片光输出强度降低,光效降低,性能变差。

4 结论
综合上述结果,可以得到如下结论:

1. 退火可以改善GZO薄膜的透过率,增大透过率,空气退火后的透过率比氮气退火后的均高一些;氮气退火中400℃退火的GZO薄膜在438nm有最高的透过率,为90.165%;空气退火中500℃退火的GZO薄膜在438nm有高的透过率,为91.862%;

2. 氮气氛围中,GZO薄膜的方块电阻随着温度的增加,先减小后增加,在400℃退火后可得最小方块电阻11.031Ω/;随着温度的增加,空气中退火

(责任编辑:小编)
下一篇:

首届APE亚洲光电博览会在新加坡盛大开幕,聚焦光电前沿创新科技及新兴应用市场

上一篇:

纳米“森林”可将光和水转化为氢燃料

打赏
免责声明
• 
本文仅代表作者个人观点,本站未对其内容进行核实,请读者仅做参考,如若文中涉及有违公德、触犯法律的内容,一经发现,立即删除,作者需自行承担相应责任。涉及到版权或其他问题,请及时联系我们
 
0相关评论