成長於氧化鋅緩衝層之自發性P型氮化鎵

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吳承翰(Cheng-Han Wu) 查詢紙本館藏

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照明與顯示科技研究所

論文名稱

成長於氧化鋅緩衝層之自發性P型氮化鎵
(Spontaneous p-type GaN grown on a ZnO buffer layer)

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摘要(中)

成長於氧化鋅緩衝層的氮化鎵，會因鋅離子的擴散，自發性地成為p型半導體。此自發性的p型氮化鎵，有助於形成p-side-down的發光二極體。由於內建電場反向的關係，p-side-down的發光二極體在理論上有更低的驅動電壓、更高的內部量子效率。然而，在磊晶的過程中，鎂離子(氮化物最常見的p型摻雜)極易殘留在反應爐內，造成n型氮化物的汙染問題。因此，目前的氮化物磊晶技術難以實現p-side-down的元件結構。

在本研究中，我們利用光致激發光譜與電容-電壓曲線圖，確認成長於氧化鋅緩衝層的氮化鎵為自發性的p型半導體，並比較薄膜式及奈米陣列式的緩衝層效果，同時也探討退火溫度與時間所造成的差異。為了評估氮化鎵表面下的電洞濃度，我們將氮化鎵磊晶層製成蕭特基二極體，並且利用電容-電壓的量測結果，換算出電洞濃度在磊晶層中的縱深分佈。量測結果顯示:850 ºC以上的退火溫度能使鋅離子(與電洞)往磊晶層表面擴散。此外，我們也以二次離子質譜儀分析不同退火條件下的鋅離子縱深分佈，質譜儀顯示的離子縱深分佈與電容-電壓曲線所推算的結果一致。這些成果為p-side-down發光二極體提供一個新的研究方向。

摘要(英)

The spontaneous p-type GaN grown on a ZnO buffer holds great promise for the realization of p-side-down light emitting diodes (LEDs), which are not achievable with convention growth techniques because of the memory effect of Mg ions (the most commonly used acceptor for p-type III-nitrides). In light of the reverse junction field, LEDs with the p-side-down structure can in principle exhibit higher internal quantum efficiencies and lower turn-on voltages, compared to their p-side-up counterparts.

In this study, the p-type behavior of the GaN/ZnO structure is confirmed with photoluminescence (PL) spectroscopy and capacitance-voltage (C-V) measurements. The effects of buffer geometry (ZnO film vs. ZnO nanorods) and annealing conditions on p-type doping are also investigated. In order to evaluate the hole concentrations buried under the surface, we fabricated GaN Schottky contacts, through which the depth profiles of hole concentration can be estimated using the C-V results. It is found that the annealing temperature above 850 °C increases the diffusion of Zn acceptors toward the epitaxial surface. The depth profiles of hole concentration are compared with those of Zn ions obtained with secondary ion mass spectroscopy (SIMS). Consistent results of these two characterization techniques are obtained. These studies open a new pathway for the research on p-side-down LEDs.

關鍵字(中)

★ 自發性P型氮化鎵
★ 矽基板
★ 氧化鋅奈米柱
★ 電容電壓量測

關鍵字(英)

★ Spontaneous p-type GaN
★ Si substrate
★ ZnO nanorods
★ capacitance and voltage measurement

論文目次

目錄

中文摘要 I

ABSTRACT II

誌謝 III

目錄 IV

圖目錄 VI

表目錄 IX

中英文名詞縮寫對照表 X

第一章、緒論 1

1.1前言 1

1.2氮化物材料結構與特性 5

1.2.1氮化物晶體結構 5

1.2.2氮化物極化效應 6

1.3 P-SIDE-DOWN LEDS 的優勢與挑戰 9

1.4研究動機與章節架構 12

第二章、實驗原理、製程與儀器 13

2.1金屬半導體接面 13

2.2電壓電容量測法與雜質縱深圖原理 16

2.3鋅離子擴散特性與分析....... ...18

2.4實驗儀器介紹....... ...21

2.5試片結構及元件製作流程....... ...23

第三章、分析與討論 25

3.1 TEM極化方向分析 25

3.2氮化鎵光致激發光譜(PL)量測分析 27

3.3鋅離子擴散於氮化鎵分析 30

3.4 CV量測分析 33

3.5雜質縱深圖分析 39

3.6 P-SIDE-DOWN 與 P-SIDE-UP 模擬分析 42

第四章、結論與未來發展 46

4.1結論 46

4.2未來發展 47

參考文獻 48

參考文獻

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指導教授

賴昆佑(Kun-Yu Lai)

審核日期

2015-8-26

推文