成大研發快訊 - 文摘 成大研發快訊 第十九卷 第二期 - 2011年七月一日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20110701/1.html ]
p-i-n
結構氧化鋅發光二極體之研究
李清庭
國立成功大學微電子工程研究所 ctlee@ee.ncku.edu.tw 1.簡
介 氧化鋅為一寬直接能隙材料，被視為增進光電元件特性的理想材料，然而目前對於獲 得p型氧化鋅和i型氧化鋅尚有難度，原因在於氧化鋅材料本身的氧原子缺位或鋅原子間 隙引起的補償效應，造成材料易形成n型。本研究使用兩種創新的方式得到p型與i型氧 化鋅薄膜，以氧化鋅摻雜氮化鋁的共濺鍍方法得到p型氧化鋅薄膜，而以氣相冷凝方法 來沉積i型氧化鋅薄膜。本實驗室成功以上述方法研究出世界上第一個的薄膜式p-i-n結 構氧化鋅發光二極體，先使用氧化鋅及氮化鋁作為濺鍍材料，以共濺鍍方法沉積p型氧 化鋅薄膜於藍寶石基板上，再以氣相冷凝法分別成長i型氧化鋅薄膜與摻雜銦金屬的n型氧化鋅薄膜。 2.實驗流程 P型氧化鋅薄膜使用高純度的氧化鋅(99.99%)與氮化鋁(99.99%)作為濺鍍材料，射頻功率分別為100 W及25 W，通入氮氣及氬氣，並保持氮氣與總流量比例為4 %的狀態下濺鍍薄膜，最後以快速熱退火系統在氮氣氛圍 下以450˚C做活化熱處理十分鐘，得到載子移動率1.35 cm2/Vs、濃度達1.17×1018 cm-3的p型氧化鋅薄膜，並 經X光繞射分析研究，薄膜呈(0002)的纖鋅礦結構，其繞射訊號、半高寬及晶格常數分別為34.34˚、0.39˚以 及5.221Å。 再分別使用鎢舟裝盛氧化鋅粉末與氧化鋅/銦金屬做加熱，以氣相冷凝法製作i型氧化鋅薄膜與摻雜銦金屬的n 型氧化鋅薄膜，結合製作薄膜式p-i-n結構氧化鋅發光二極體。氣相冷凝法為本實驗室獨創系統，蒸鍍材料受 熱由固相轉為氣相，沿著抽氣幫浦之氣流沉積於元件，並經由液態氮冷卻基板溫度。可得載子移動率3.2 cm2/ Vs、濃度達7.6×1015 cm-3的i型氧化鋅薄膜以及載子移動率5.0 cm2/Vs、濃度達1.7×1020 cm-3的n型氧化鋅薄 膜。而以低溫沉積高品質i型氧化鋅的機制本實驗室首先發表在文獻[1]中。 圖一、i型氧化鋅薄膜對溫度的光激發光譜，內圖則 為自由激子對溫度的峰值位置變化 3. 實驗結果與討論 為研究i型氧化鋅的紫外發射對溫度的光激發關係，使用 He-Cd雷射作為激子源，圖一針對由氣相冷凝法製作的i 型氧化鋅薄膜對不同溫度的光激發光譜量測，在低溫可 清楚觀測到自由激子(FX)的訊號，顯示薄膜擁有良好的 光學特性，此外，如圖一之附圖所示，自由激子之輻射 光譜由低溫至高溫產生一紅移的現象，從10 K的3.375 eV 移動至300 K的3.325 eV，為受束縛的激子轉化為自由激 子的過程，起因於較高溫時的熱游離所造成。 圖二為本研究所製作的薄膜式p-i-n結構氧化鋅發光二極 體結構圖，圖三為在室溫中於元件注入不同電流下之電 激發光強度對光子能量作圖，附圖為使用HP4156C半導 體參數分析儀的電壓電流特性量測，其起始電壓與崩潰 1 of 2成大研發快訊 - 文摘 電壓分別為2 V與−6 V，發光二極體發光波段位於紫外發光的3.2 eV，且不包含深層能階發射。 4. 結論 本研究在藍寶石基板上，以共濺鍍法及氣相冷凝法成長製作高品質的p型氧化鋅、i型氧化鋅薄膜，與n型摻雜 銦 金屬之氧化鋅薄膜，並由此結構製作薄膜式p-i-n結構的氧化鋅發光二極體。電激發光量測結果顯示薄膜式p-i-n結構的氧化鋅發光二極體擁有良好的特性表現，其電激發光位於紫外發光的3.2 eV，乃歸因於利用氣相冷凝 法所成長之具少量深層能階缺陷之高品質i型氧化鋅薄膜。 圖二、薄膜式p-i-n氧化鋅發光二極體結構圖 圖三、室溫時薄膜式p-i-n氧化鋅發光二極體電激發 光譜，內圖為二極體電壓電流特性圖 參考文獻
1. H. Y. Lee, S. D. Xia, W. P. Zhang, L. R. Lou, J. T. Yan and C. T. Lee “Mechanisms of high quality i-ZnO thin films deposition at low temperature by vapor cooling condensation technique”, J. Appl. Phys. 108, 073119 (2010).
