退火温度和气氛对gzo薄膜和led器件性能影响王万晶真空镀膜设备.doc

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