一種矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件及其製備方法

2023-06-25 13:28:51

專利名稱：一種矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件及其製備方法。
技術背景氧化鋅(ZnO)是一種寬禁帶化合物半導體材料，由於ZnO在室溫下具有 3.37eV的直接帶隙和60meV的激子束縛能，因此在紫外發光二極體和紫外雷射 二極體方面有重要的應用前景，引起了人們廣泛的關注和研究熱情。在過去的 十年中，研究者已經利用分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積，脈衝雷射沉 積、磁控濺射等方法製備了同質結、異質結以及金屬一絕緣層一半導體等多種 器件結構，並成功地實現了來自於ZiiO的紫外電致發光，有如下文獻報導(J.-H. Lim， C.-K. Kang， K.誦K. Kim, I,K. Park, D,K. Hwang, and S,J. Park, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.) 18 (2006) 2720-2724;Y. Ryu， T.-S. Lee， J. A. Lubguban， H. W. White, B.-J. Kim， Y,S. Park, and C,J. Youn， Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 241108;X. Dong, H. C. Zhu， B. L. Zhang, X. P. Li， and G. T. Du， Semicond. Sci. Technol. 22 (2007) 1111-1114;J. C. Sun, J. Z. Zhao, H. Liang,丄M. Bian， L. Z. Hu, H. Q. Zhang, X. P. Liang， W. F. Liu, and G. T. Du， Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 121128;H. Ohta， K. Kawamura， M. Orita， M. Hirano, N. Sarukura， and H. Hosono， Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 475-477;Y I. Ali麗，E. V. Kalinina, A. E. Cherenkov， D. C. Look, B. M. Ataev, A. K. Omaev, M. V. Chukichev, and D. M. Bagnall， Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 4719-4721;C. Yuen, S. F. Yu, S. P. Lau， Rusli, and T. R Chen， Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 241111;P. L. Chen， X. Y. Ma， and D. R. Yang, J. Appl. Phys. 101 (2007) 053103;Y. I. Alivov， D. C. Look, B. M. Ataev, M. V. Chukichev, V. V. Mamedov， V. I. Zinenko， Y. A. Agafonov, and A. N. Pustovit, Solid畫State Electron. 48 (2004) 2343-2346;H,T. Wang， B. S. Kang， J,J. Chen， T. Anderson, S. Jang, F. Ren， H. S. Kim， Y. J. Li， D. P. Norton, and S. J. Pearton， Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 102107;P. L. Chen, X. Y. Ma， and D. R. Yang, Applied Physics Letters 89 (2006) 111112; D.-K, Hwang, M.-S. Oh， J.-H. Lim， Y.-S. Choi, and S.國J. Park, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 121113)。但是，以上這些器件的紫外發光或者是在直流正向偏壓下產生的、或者是 在直流反向偏壓下產生的，迄今為止，還沒有實現在直流正向和反向偏壓下都 可以產生紫外電致發光(即雙向直流紫外電致發光)的器件。 發明內容本發明的目的是提出一種矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件及其製備 方法。本發明的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件，其特徵是在矽襯底的正 面自下而上依次沉積有Si02薄膜、ZnO薄膜、MgxZm.xO (0<XS0.3)薄膜和半 透明電極，在矽襯底背面沉積有歐姆接觸電極。發明的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件的製備方法，包括以下步驟1) 利用電子束蒸發或等離子體增強化學氣相沉積法在清洗後的電阻率為 0.005-50歐姆.釐米的n型矽片上生長厚度為3~10nm的Si02薄膜；2) 利用直流反應磁控濺射或溶膠一凝膠法在Si02薄膜上生長ZnO薄膜， 然後在氧氣氛下於800°C熱處理2小時；3) 利用直流反應磁控濺射或溶膠一凝膠法在ZnO薄膜上生長MgxZni.xO薄 膜、0〈X^).3;4) 在MgxZiiLxO薄膜上濺射半透明電極，在n型矽襯底背面濺射歐姆接觸 電極。上述製備方法中各步驟，可以按如下方式進行步驟l)中所說的電子束蒸發法，是以石英顆粒為蒸發源，利用電子束蒸發 方法沉積Si02薄膜；通過改變沉積時間，可以調節SiCV薄膜的厚度。步驟l)中所說的等離子體增強化學氣相沉積法，以矽烷(SiH4)和笑氣(N20) 為氣源，矽烷和笑氣的流量比為1:15，在沉積溫度為300-500°C、工作壓強為 50-100Pa的條件下，沉積得到Si(V薄膜；通過改變沉積溫度、工作壓強以及沉積時間，可以調節Si02薄膜的厚度。步驟2)中所說的直流反應磁控濺射法，是以純Zn (純度為99.99%)為靶 材，在沉積溫度為200-600°C、濺射功率為100-160 W、 02和Ar的流量比為 1:2-3:1、工作壓強為5-15Pa的條件下，沉積得到c軸取向性生長的ZnO薄膜； 通過改變沉積溫度、濺射功率、02和Ar的流量比以及工作壓強，可以調節ZnO薄膜的晶體質量和厚度。步驟2)中所說的溶膠一凝膠法，是將醋酸鋅(Zn(Ac)2.2H20)溶於乙二醇 甲醚溶液中，並加入乙醇胺作為穩定劑，攪拌得到Zn的摩爾濃度為0.6-1.5M的 前驅體溶液，然後在轉速為3000-5000轉/分鐘下旋塗30-60秒，烘乾進行下一 次旋塗，如此重複數次，得到非取向性生長的ZnO薄膜；通過改變旋塗前驅體 溶液中Zn的摩爾濃度、旋塗轉速和時間、以及重複旋塗次數，可以調節ZnO 薄膜的晶體質量和厚度。經過步驟2)得到的不論是c軸取向性生長的ZnO薄膜還是非取向性生長 的ZnO薄膜均為n型，其晶體質量較好、缺陷濃度較低。步驟3)中所說的直流反應磁控濺射法，是以MgxZni.x (0<x$0.3)合金為 靶材，在沉積溫度為200-400°C、濺射功率為80-120 W、 02和Ar的流量比為 1:3-1:1、工作壓強為5-15Pa的條件下，沉積得到c軸取向性生長的MgxZni.xO 薄膜;通過改變靶材中Mg的含量可以調節得到的MgxZni.xO薄膜中Mg的含量， 即x值，(Kx^).3;通過改變沉積溫度、濺射功率、02和Ar的流量比以及工作 壓強，可以調節MgxZn^O薄膜的電學性能和厚度。步驟3)中所說的溶膠一凝膠法，是將醋酸鋅(Zn(AC)2 2H20)和醋酸鎂 (Mg(Ac)2.4H20)溶於乙二醇甲醚溶液中，溶液中Zn和Mg的濃度之和為1.2M, 並加入乙醇胺作為穩定劑，攪拌得到MgxZm.xO前驅體溶液，通過改變前驅體溶 液中醋酸鋅和醋酸鎂的相對含量可以調節得到的MgxZni.xO薄膜中Mg的含量， 即x值，0<x^0.3;然後在轉速為3000-5000轉/分鐘下旋塗30-60秒，烘乾，在 400。C於氧氣下熱處理2小時，得到非取向性生長的MgxZn,《0薄膜；通過改變 旋塗前驅體溶液中Mg和Zn的摩爾濃度、以及旋塗轉速和時間，可以調節 MgxZni.xO薄膜的電學性能和厚度。經過步驟3)得到的不論是c軸取向性生長的MgxZni.xO薄膜還是非取向性 生長的MgxZrikO薄膜，薄膜的絕緣性能較好。本發明中，所說的半透明電極可以是半透明Au電極或ITO電極。通常使 Si(V薄膜的厚度為3 10nm。本發明的有益效果在於該矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件在直流正向和反向偏壓下都可以 獲得來自於ZnO薄膜的紫外電致發光，並且器件結構簡單、製備工藝成熟、重 復性較好。


圖1是矽基ZnO雙向直流紫外電致發光器件的結構示意圖。 圖2是矽基ZnO雙向直流紫外電致發光器件在不同的直流(a)正向偏壓和 (b)反向偏壓下的電致發光譜。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本發明。參照圖l，發明的矽基ZnO雙向直流紫外電致發光器件，在矽襯底l的正 面自下而上依次沉積有Si02薄膜2、 ZnO薄膜3、 MgxZni_xO (0<x￡0.3)薄膜4 和半透明電極5，在矽襯底背面沉積有歐姆接觸電極6。實施例1採取如下工藝步驟1) 清洗n型〈100，電阻率為0.005歐姆'釐米、大小為15xl5mm2、厚度為 525微米的矽片，然後放入電子束蒸發裝置的腔體中，腔體真空度抽至3xlO'3Pa， 以石英顆粒為蒸發源，在矽片上沉積厚度約為3nm的Si02薄膜；2) 利用直流反應磁控濺射法在Si02薄膜上沉積厚度約為300nm的ZnO薄 膜，在濺射時，採用純Zn靶(純度為99.99%)、襯底溫度為300°C、濺射功率 為120 W、通以02和Ar混合氣體，02和Ar的流量比為1:2，工作壓強為10Pa; 然後用管式退火爐將薄膜在氧氣氛下800°C熱處理2小時；3) 在ZnO薄膜上利用直流反應磁控濺射法沉積厚度約為lOOnm的 MgxZm-xO (x=0.2)薄膜。在濺射時，以MgxZni.x (x=0.2)合金為靶材，沉積 溫度為300。C、濺射功率為80W、 02和Ar的流量比為1:2、工作壓強為10Pa;4) 在MgxZni.xO薄膜上和矽襯底背面分別濺射20nm和100nm厚的Au膜， 其中前者的面積10x10mm2;獲得如圖1所示的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件。 圖2給出了獲得的矽基ZnO雙向直流紫外電致發光器件在不同的直流(a) 正向偏壓(負壓加在矽襯底上)和(b)反向偏壓(正壓加在矽襯底上)下的電 致發光譜。從圖(a)中可以看到，在直流正向偏壓下，當正向注入電流為20mA 時，電致發光譜中只存在峰位位於約381nm處的來自於ZnO近帶邊輻射的紫外 發光；隨著正向注入電流的增大，紫外發光不斷增強，同時電致發光譜中出現 峰位位於約520nm的與ZnO缺陷相關的可見發光，其強度也隨著正向注入電流 的增大而增強。從圖(b)中可以看到，在直流反向偏壓下，當反向注入電流為 30mA時，電致發光譜中只存在峰位位於約600和670nrn處的與ZnO缺陷相關 的可見發光；當反向注入電流增大到60mA時，電致發光譜中出現峰位位於約420和520nrn處的與ZnO缺陷相關的可見發光；當反向注入電流增大到120mA 時，電致發光譜中出現峰位位於約381nm處的來自於ZnO近帶邊輻射的紫外發 光，並隨著反向注入電流的增大而增強。由此可以看到，該器件在直流正向和 反向偏壓下都產生了來自於ZnO的紫外電致發光，即雙向直流紫外電致發光。 實施例2採取如下工藝步驟1) 清洗11型，電阻率為0.05歐姆'釐米、大小為15xl5mm2、厚度為 625微米的矽片，清洗後放入等離子體增強化學氣相沉積裝置的反應室中，反應 室真空度抽至lxl(T3Pa;在矽片上利用等離子體增強化學氣相沉積法沉積厚度 約為5nm的Si02薄膜，在沉積時，以矽垸(SiH4)和笑氣(N20)為氣源，矽 垸和笑氣的流量比為1:15，沉積溫度為400。C、工作壓強為50Pa;2) 利用直流反應磁控濺射法在Si02薄膜上沉積厚度約為200nm的ZnO薄 膜，在濺射時，採用純Zn靶(純度為99.99%)、襯底溫度為600°C、濺射功率 為160 W、通以02和Ar混合氣體，02和Ar的流量比為3:l，工作壓強為15Pa; 然後用管式退火爐將薄膜在氧氣氛下800°C熱處理2小時；3 )在ZnO薄膜上利用直流反應磁控濺射法沉積厚度約為50nrn的MgxZm.xO (x=0.3)薄膜。在濺射時，以MgxZni.x (x=0.3)合金為靶材，沉積溫度為400°C、 濺射功率為120 W、 02和Ar的流量比為1:3、工作壓強為5Pa;4)在MgxZm—xO薄膜上濺射沉積50nm厚的ITO薄膜，在矽襯底背面濺射 沉積100nm厚的Au膜，其中前者的面積10x10mm2;獲得的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件在直流正向和反向偏壓下都 可以產生紫外電致發光。實施例3釆取如下工藝步驟)清洗n型，電阻率為50歐姆'釐米、大小為15xl5mm2、厚度為675 微米的矽片；然後放入電子束蒸發裝置的腔體中，腔體真空度抽至6xl(T3Pa， 以石英顆粒為蒸發源，在矽片上沉積厚度約為8nm的Si02薄膜；2)將醋酸鋅(Zn(Ac)2'2H20)溶於乙二醇甲醚溶液中，並加入乙醇胺作為 穩定劑，攪拌得到Zn的摩爾濃度為0.6M的前驅體溶液，然後以3000轉/分鐘 的轉速在已沉積Si02薄膜的矽片上旋塗30秒，旋塗後在300°C下烘乾20分鐘 後進行下一次旋塗，如此重複3次，最後在800°C於氧氣下熱處理2小時，從 而得到非取向性生長的ZnO薄膜；3) 將醋酸鋅(Zn(Ac)2'2H20)和醋酸鎂(Mg(Ac)2'4H20)溶於乙二醇甲醚 溶液中(醋酸鋅和醋酸鎂的摩爾濃度之比為9:1)，然後加入乙醇胺作為穩定劑， 攪拌得到MgxZni-xO(x=0.1 )前驅體溶液(溶液中Zn和Mg的濃度之和為1.2M), 然後以3000轉/分鐘的轉速在樣品上旋塗30秒，旋塗後在300°C下烘乾20分鐘， 最後在400°C於氧氣下熱處理2小時，從而得到非取向性生長的MgxZni.xO薄 膜；4) 在Si02薄膜上和矽襯底背面分別濺射30nm和150nm厚的Au膜，其中 前者的面積10x10mm2;獲得的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件在直流正向和反向偏壓下都 可以產生紫外電致發光。
權利要求
1.一種矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件，其特徵是在矽襯底(1)的正面自下而上依次沉積有SiO2薄膜(2)、ZnO薄膜(3)、MgxZn1-xO薄膜(4)、0＜x≤0.3，和半透明電極(5)，在矽襯底背面沉積有歐姆接觸電極(6)。
2. 根據權利要求1所述的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件，其特徵 是SKV薄膜(2)的厚度為3 10nm。
3. 根據權利要求1所述的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件，其特徵 是半透明電極(5)為半透明Au電極或ITO電極。4. 根據權利要求1所述的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件的製備方 法，其特徵是包括以下步驟1) 利用電子束蒸發或等離子體增強化學氣相沉積法在清洗後的電阻率為 0.005-50歐姆.釐米的n型矽片上沉積厚度為3 10nrn的Si02薄膜；2) 利用直流反應磁控濺射或溶膠一凝膠法在Si02薄膜上生長ZnO薄膜， 然後在氧氣氛下於800°C熱處理2小時；3 )利用直流反應磁控濺射或溶膠一凝膠法在ZnO薄膜上生長MgxZn1-xO薄 膜、0<xS0.3;4)在MgxZn1-xO薄膜上濺射半透明電極，在n型矽襯底背面濺射歐姆接觸 電極。
全文摘要
本發明的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件，在n型矽襯底的正面自下而上依次沉積SiO2薄膜、ZnO薄膜、MgxZn1-xO(0＜x≤0.3)薄膜和半透明電極，在矽襯底背面沉積歐姆接觸電極。製備步驟依次為用電子束蒸發或等離子體增強化學氣相沉積法在清洗的n型矽片上生長SiO2薄膜；用直流反應磁控濺射或溶膠-凝膠法在SiO2薄膜上生長ZnO薄膜並在氧氣氛下進行熱處理；用直流反應磁控濺射或溶膠-凝膠法在ZnO薄膜上生長MgxZn1-xO薄膜；在MgxZn1-xO薄膜和矽襯底背面分別濺射半透明電極和歐姆接觸電極。本發明的矽基氧化鋅雙向直流紫外電致發光器件結構簡單，在直流正向和反向偏壓下均可產生紫外電致發光。
文檔編號H01L33/00GK101404313SQ20081012222
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月4日 優先權日2008年11月4日
發明者李東升, 楊德仁, 陳培良, 馬向陽 申請人:浙江大學