製作ZnO基異質結髮光二極體的方法

2023-12-07 19:37:31 6

專利名稱：製作ZnO基異質結髮光二極體的方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電子器件技術領域，具體涉及一種製作ZnO基異質結髮光二 極管的方法。
背景技術：
發光二極體被認為是繼白熾燈、日光燈之後的第三代半導體照明器件，其高效長 壽命的優勢引起了人們極大的研究熱情。目前，InGaN/GaN基的發光二極體已經進入產 業化階段。ZnO是一種重要的II -VI族寬禁帶直接帶隙半導體材料，其較大的禁帶寬度 (-3. 37eV)和高的激子束縛能(-60meV)，使其成為短波長發光器件的潛在應用材料，在半 導體白光照明、光通信、高密度信息存儲等領域具有廣泛的用途。由於高空穴濃度、高遷移 率、高重複性的P型ZnO製備難題迄今尚未完全解決，大大制約了 ZnO基同質發光二極體的 製備。而GaN與ZnO具有極其相似的物理性質，並且p_GaN已商業化，因此在有關n_ZnO/ P-GaN異質結髮光二極體的製備和性質研究方面人們開展了大量的工作。當前限制n-ZnO/ P-GaN異質結髮光二極體獲得大規模應用的瓶頸是其發光效率不高，因此，如何提高ZnO異 質結髮光二極體的發光效率成為當前研究的重點。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，該方法可以 大大增強異質結髮光二極體的發光效率，具有成本低、操作簡單、適用廣泛、實用性強等特 點ο本發明提供一種一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底上沉積ρ-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生長ZnO薄膜；3)採用溼法腐蝕，將P-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一側腐蝕掉，露出p_GaN薄膜，形 成臺面；4)在p-GaN薄膜的檯面上製作pi型電極；5)在ZnO薄膜上製作η型電極。其中襯底為Al2O3材料。其中p-GaN薄膜的空穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-100cm2/V · S。其中ZnO薄膜的沉積溫度為300_900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa，生長功率為 80W，沉積時間為10-60min，ZnO薄膜的厚度為100_2000nm。其中ZnO薄膜的電子濃度為1017-1019/cm3，電子遷移率為5-10000ccmm2/V · s。其中ρ型電極的材料為NiAu，η型電極50為TiAu合金。本發明還提供一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底上沉積p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生長AlN層；
3)在P-GaN薄膜上生長ZnO薄膜；4)採用溼法腐蝕，將P-GaN薄膜上的AlN層和ZnO薄膜的一側腐蝕掉，露出p_GaN 薄膜，形成臺面；5)在p-GaN薄膜的檯面上製作P型電極；6)在ZnO薄膜上製作η型電極。其中襯底為Al2O3材料。其中p-GaN薄膜的空穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-10000ccmm2/V · S。其中ZnO薄膜的沉積溫度為300_900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa，生長功率為 80W，沉積時間為10-60min，ZnO薄膜的厚度為100_2000nm。其中ZnO薄膜的電子濃度為1017-1019/cm3，電子遷移率為5-100cm2/V · S。其中ρ型電極的材料為NiAu，型電極為TiAu合金。其中沉積AlN層的溫度為400-1000°C，工作氣體為Ar和N2的混合氣體，生長室內 壓強為1. OPa，長功率為80W，沉積時間為5-12min。其中AlN層的厚度為5_50nm。


為進一步說明本發明的特徵和技術方案，以下結合應用實例對本發明作詳細的描 述，其中圖IA為本發明第一實施例n-ZnO/p-GaN異質結髮光二極體的結構示意圖。圖IB為本發明第二實施例n-ZnO/AlN/p-GaN異質結髮光二極體的結構示意圖。圖2為依照本發明實施例製備的AlN薄膜的X射線衍射(XRD)譜。圖3為依照本發明實施例製備的n-ZnO/p-GaN異質結髮光二極體的室溫電致發光 (EL)譜。圖4為依照本發明實施例製備的n-ZnO/AlN/p-GaN異質結髮光二極體的室溫電致 發光(EL)譜。
具體實施例方式請參閱圖I(A)所示，為本發明第一實施例，本發明提供一種製作ZnO基異質結髮 光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底10上沉積p-GaN薄膜20，該襯底10為Al2O3材料，p-GaN薄膜20的空 穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-100cm2/V · s ；2)在p-GaN薄膜20上生長ZnO薄膜30，所用的生長設備是射頻磁控濺射系統， 包括進樣室、沉積室、真空系統、射頻電源及匹配系統、襯底加熱及控溫系統、樣品旋轉系統 等；3)用ZnO陶瓷靶作濺射靶，靶材裝入生長室中的射頻靶臺上，調整靶材和基片的 距離為80mm ；4)該ZnO薄膜30的沉 積溫度為300-900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa,生長功 率為80W，沉積時間為10-60min，ZnO薄膜30的厚度為100_2000nm，電子濃度為IO17-IO19/ cm3,電子遷移率為5-100cm2/V · s ；
5)採用溼法腐蝕，將P-GaN薄膜20上的ZnO薄膜30的一側腐蝕掉，露出p_GaN薄 膜20，形成臺面21 ；6)在p-GaN薄膜20的臺面21上製作ρ型電極40，該ρ型電極40的材料為NiAu ；7)在ZnO薄膜30上製作η型電極50，該η型電極50為TiAu合金。參閱圖I(B)所示，為本發明第二實施例，本發明一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底10上沉積p-GaN薄膜20，該襯底10為Al2O3材料，p-GaN薄膜20的空 穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-100cm2/V · s ；2)在p-GaN薄膜20上生長AlN層22，所用的生長設備是射頻磁控濺射系統，包括 進樣室、沉積室、真空系統、射頻電源及匹配系統、襯底加熱及控溫系統、樣品旋轉系統等；3)生長AlN層22所用工作氣體為Ar和N2的混合氣體，比例為1 1，生長室內 壓強為1. OPa，射頻濺射功率為80W，襯底溫度為750°C，濺射時間為12min，生長期間樣品託 自轉使成膜均勻。4)在p-GaN薄膜20上生長ZnO薄膜30，所用的生長設備是射頻磁控濺射系統，該 ZnO薄膜30的沉積溫度為300-900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa,生長功率為80W，沉積 時間為10-60min，Zn0薄膜30的厚度為100_2000nm，電子濃度為1017-1019/cm3，電子遷移率 為 5-100cm2/V · s ；5)採用溼法腐蝕，將P-GaN薄膜20上的AlN層22和ZnO薄膜30的一側腐蝕掉， 露出p-GaN薄膜20，形成臺面21 ；6)在p-GaN薄膜20的臺面21上製作ρ型電極40，ρ型電極40的材料為NiAu合 金，在ZnO薄膜30上製作η型電極50，η型電極50為TiAu合金。生長結果按照上述工藝條件，在GaN(OOOl)襯底上製備n-ZnO/AlN/p-GaN三明治結構器件， 並在相同的實驗條件下製備簡單的n-ZnO/p-GaN器件作為比較(如圖1所示)。ρ-GaN/藍 寶石襯底上生長的AlN的XRD結果(圖2)表明除了 GaN和藍寶石的衍射峰之外，只有36. Io 和76. 6ο處的兩個峰，分別歸因於Α1Ν(0002)和(0004)衍射峰，這說明AlN的結晶質量較 好且沿W002]方向生長。電致發光譜測試(圖3，圖4)表明常規的n-ZnO/p-GaN發光二極 管即使在大的注入電流下發光仍然較弱，表明我們製備的異質結器件界面附近缺陷很多， 注入的電子和空穴大部分通過非輻射複合中心複合。插入AlN中間層以後，即使在較小的 注入電流下，發光仍然得到了極大的增強，並且器件中由材料缺陷引起的發光得到了很好 的抑制。發明與背景技術相比所具有的有意義的結果常規的ZnO/GaN異質結髮光二極體的發光效率很低，並且以缺陷發光為主，本發 明通過在ZnO和GaN之間插入一層薄的AlN中間層，AlN與Zn0、GaN —樣同為纖鋅礦結構， 且晶格常數極為接近，可確保材料的外延質量。AlN的插入有兩個明顯優勢= (I)AlN具有 良好的化學穩定性，可以有效抑制n-ZnO/p-GaN異質結界面處0原子和N原子的互擴散， 減少界面附近非輻射複合中心的形成，提高異質結界面的晶體質量；(2) AlN大的禁帶寬度 (6. 2eV)可以提高異質結界面電子和空穴的勢壘，對電子和空穴起到很好的限制作用，從而 提高界面附近電子和空穴的濃度，提高電子和空穴的複合速率。通過插入AlN層，可以有效解決n-ZnO/p-GaN發光二極體的現存問題，從而大大提高器件發光效率。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底上沉積p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生長ZnO薄膜；3)採用溼法腐蝕，將p-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一側腐蝕掉，露出p-GaN薄膜，形成臺面；4)在p-GaN薄膜的檯面上製作p型電極；5)在ZnO薄膜上製作n型電極。
2.根據權利要求1所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中襯底為A1203材料。
3.根據權利要求1所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中p-GaN薄膜的空 穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-100cm2/V s。
4.根據權利要求1所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中ZnO薄膜的沉積 溫度為300-900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa，生長功率為80W，沉積時間為10-60min， ZnO薄膜的厚度為100-2000nm。
5.根據權利要求1所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中ZnO薄膜的電子 濃度為1017-1019/cm3，電子遷移率為5-100cm2/V s。
6.根據權利要求1所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中p型電極的材料 為NiAu，n型電極50為TiAu合金。
7.一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底上沉積P-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生長A1N層；3)在p-GaN薄膜上生長ZnO薄膜；4)採用溼法腐蝕，將p-GaN薄膜上的A1N層和ZnO薄膜的一側腐蝕掉，露出p_GaN薄 膜，形成臺面；5)在p-GaN薄膜的檯面上製作p型電極；6)在ZnO薄膜上製作n型電極。
8.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中襯底為A1203材料。
9.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中p-GaN薄膜的空 穴濃度為1017-1019/cm3，空穴遷移率為10-100cm2/V s。
10.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中ZnO薄膜的沉 積溫度為300-900°C，工作氣體為Ar，壓強為1. OPa,生長功率為80W，沉積時間為10-60min， ZnO薄膜的厚度為100-2000nm。
11.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中ZnO薄膜的電子 濃度為1017-1019/cm3，電子遷移率為5-100cm2/V s。
12.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中p型電極的材料 為NiAu，型電極為TiAu合金。
13.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中沉積A1N層的溫 度為400-1000°C，工作氣體為Ar和N2的混合氣體，生長室內壓強為l.OPa，長功率為80W，沉積時間為5-12min。
14.根據權利要求7所述的製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，其中A1N層的厚度為 5_50nmo
全文摘要
本發明提供一種製作ZnO基異質結髮光二極體的方法，包括如下步驟1)在襯底上沉積p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生長ZnO薄膜；3)採用溼法腐蝕，將p-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一側腐蝕掉，露出p-GaN薄膜，形成臺面；4)在p-GaN薄膜的檯面上製作p型電極；5)在ZnO薄膜上製作n型電極。
文檔編號H01L33/02GK101866999SQ201010183370
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月19日 優先權日2010年5月19日
發明者尹志崗, 張興旺, 張曙光, 遊經碧 申請人:中國科學院半導體研究所