專利名稱：一種基于n-ZnO/n-GaN異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料和光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于n-ZnO/n-GaN異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅(ZnO)是一種新型的II-VI族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。ZnO的禁帶寬度在室溫為3. 37eV，發(fā)射波長相當(dāng)于近紫外光波長，非常適合用于制作短波長發(fā)光與光敏器件。ZnO的晶格結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)和禁帶寬度等都與GaN相似，且具有比GaN更高的熔點和更大的激子束縛能，又具有較低的光致發(fā)光和受激輻射的閾值以及良好的機(jī)電耦合特性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。因而在藍(lán)紫光發(fā)光二極管、紫外發(fā)光二極管、激光器及其相關(guān)光電器件方面的應(yīng)用有巨大的潛力。ZnO被認(rèn)為是GaN理想的替代材料。隨著納米材料的一些獨特的特性被發(fā)現(xiàn)以來，ZnO的低維納米結(jié)構(gòu)也期望具有多晶薄膜及體單晶所不擁有的物理及化學(xué)性質(zhì)。已矛艮道的(Ju Young Lee，et al. ，A study on the origin of emission of theannealedn-ZnO/p-GaNheterostructure LED,Thin Solid Films 517(2009)5157-5160)異質(zhì)pn結(jié)紫外發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度較低，而且所用p-GaN遷移率較低、穩(wěn)定性較差、成本昂貴。W02006/080099A公開了一種光敏二極管，該二極管是以半絕緣性氧化鋅半導(dǎo)體薄膜與n型或p型的硅的異質(zhì)結(jié)形成受光部的光敏二極管。該二極管形成的是異質(zhì)pn結(jié)，穩(wěn)定性較差，所得二極管閾值電壓較高。 目前，發(fā)展發(fā)光強(qiáng)度高、低閾值電壓、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的紫外發(fā)光二極管具有重要的應(yīng)用價值。本發(fā)明申請人申請的中國專利200910061031. 7公開了一種n_氧化鋅/P-氧化鎳異質(zhì)pn結(jié)的紫外發(fā)光二極管，該二極管具有較低的正向開啟電壓和大的正向電流密度，以及較好的發(fā)光性質(zhì)，所發(fā)光波長在375士3nm，線寬在lnm以下。但是，該發(fā)明仍舊是異質(zhì)pn結(jié)，閾值電壓較高。 迄今為止，基于異質(zhì)nN結(jié)(兩個都是n型導(dǎo)電的不同半導(dǎo)體材料)的紫外發(fā)光二極管仍未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了改善傳統(tǒng)的紫外發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度低，閾值電壓高的缺陷。并提供了一種基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管及其制備方法。本發(fā)明制備的n-Zn0/n-GaN異質(zhì)nN結(jié)二極管具有較好的發(fā)光性能、以及較低的閾值電壓，其閾值電壓最低可達(dá)2. 5V，所發(fā)光波長在370nm附近，線寬小于8. 8nm，并且發(fā)光強(qiáng)度極高。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于n_氧化鋅/n_氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管，至少包括nN結(jié)和歐姆接觸電極，在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)，或在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上先生長一中間層薄膜，再生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)。
所述中間層是i型Mg0或MgZnO或ZnO絕緣層。 所述異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管在電致激勵作用下產(chǎn)生紫外發(fā)光，其閾值電壓最低可到2. 5V。 所述異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管在電致激勵作用下，發(fā)出波長在370±3納米的紫外光，線寬小于8.8納米。 上述的n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管的制備方法，采用如下具體步驟 首先，用射頻磁控濺射工藝在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底上直接生長n型氧化鋅薄膜，形成異質(zhì)nN結(jié)；或在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底上生長中間層，然后在中間層上濺射沉積n型氧化鋅薄膜，形成異質(zhì)nN結(jié)； 然后，采用濺射法或熱蒸發(fā)法制作nN結(jié)電極；其中，ZnO表面濺射銀電極或金電極或鋁電極，在GaN邊緣鍍上銦電極或鋁電極；電極通過后退火合金化形成歐姆接觸，即得所
述二極管。 其中，用射頻磁控濺射工藝在襯底上制備i型MgO或MgZnO或ZnO中間層時，首先用半導(dǎo)體工藝清洗襯底；然后用射頻磁控濺射工藝制成，射頻磁控濺射工藝條件為靶材是Mg 金屬靶或Mg金屬靶上疊放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶，濺射時本底真空度優(yōu)于10—3Pa，襯底溫度為150 400°C，沉積時氣壓為0. 5 5. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar)=1/5 1/2，濺射功率80 130W，濺射時間為8 15分鐘。 所述在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底或i型中間層上濺射生長n型ZnO薄膜層形成異質(zhì)nN結(jié)是采用ZnO陶瓷靶，在相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/9 1/6、濺射前的本底真空度優(yōu)于5X 10—3pa、濺射氣壓為0. 5 5. OPa，濺射功率80 130W，襯底溫度為150 450°C，濺射時間為15 45分鐘。 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明利用n-ZnO薄膜，與n-GaN薄膜復(fù)合形成了異質(zhì)nN結(jié)結(jié)構(gòu)。通過對ZnO薄膜制備等條件的控制、nN結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，提高了異質(zhì)nN結(jié)性能，尤其使其在紫外發(fā)光、光敏方面的性能得到提高。充分發(fā)揮在GaN襯底上生長高質(zhì)量ZnO薄膜的優(yōu)勢，提高ZnO異質(zhì)結(jié)的紫外發(fā)光性能，降低器件的閾值電壓。


圖1是本發(fā)明實施例1和實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中， 1-GaN ;2-n型ZnO ;3_n型ZnO上的歐姆接觸電極；4_GaN上的歐姆接觸電極。 圖2是實施例1所得二極管的發(fā)光光譜圖； 圖3是實施例2所得二極管的發(fā)光光譜圖； 圖4本發(fā)明實施例3、實施例4和實施例5的結(jié)構(gòu)示意0022] 其中， l-GaN，2-i型層，3-n型ZnO ;4_n型ZnO上的歐姆接觸電極，5_GaN上的歐姆接觸電極。 圖5是實施例3所得二極管的發(fā)光光譜圖； 圖6是實施例4所得二極管的發(fā)光光譜 圖7是實施例5所得二極管的發(fā)光光譜圖。
具體實施例方式
本發(fā)明n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管，至少包括nN結(jié)和歐姆接 觸電極，所述nN結(jié)是由n型Zn0薄膜與沉底材料n型GaN薄膜復(fù)合而得到的異質(zhì)nN結(jié)紫 外發(fā)光二極管。 其具體制備步驟如下 (1)采用半導(dǎo)體工藝中的清洗方法清洗襯底(基片)并烘干； (2)i型中間層的制備。射頻磁控濺射工藝條件靶材是Mg金屬靶或Mg金屬靶上 疊放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶。濺射時本底真空度優(yōu)于10—3Pa，襯底溫度為150 400°C ， 沉積時氣壓為0. 5 5. 0Pa，相對氧分壓02/ (02+Ar) = 1/5 1/2，濺射功率范圍80 130W， 濺射時間為8 15分鐘； (3)生長n型ZnO薄膜層。進(jìn)行射頻磁控濺射時所用條件參數(shù)為靶材是ZnO陶 瓷靶。濺射時本底真空度優(yōu)于5X10—3pa，襯底溫度為150 45(TC，沉積時氣壓為0. 5 5. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/9 1/6，濺射功率范圍80 130W，濺射時間為15 45分鐘(如文獻(xiàn)GuojiaFang， et al. ， Influence of post—deposition annealing on the properties of transparent conductivenanocrystalline AZ0(ZnO:Al)thin films prepared by RF magnetron sputtering with highlyconductive ceramic target, Thin Solid Films,2002，418(2) :156—162); (4)電極的制備采用濺射法或熱蒸發(fā)等方法在ZnO的表面和GaN邊緣制作電極。 ZnO表面濺射銀或金或鋁電極，GaN邊緣鍍上銦電極或鋁電極。電極通過后退火合金化形成 歐姆接觸。 (5)測試采用一恒壓恒流電源及EL譜測試系統(tǒng)測量二極管的發(fā)光特性。
上述襯底(基片)為生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石。 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)一步描述，該描述只是為了更好的說明本發(fā)明而不是 對其進(jìn)行限制。本發(fā)明并不限于這里所描述的特殊實例和實施方案。任何本領(lǐng)域中的技術(shù) 人員很容易在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，都落入本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
實施例1 : 1.襯底清洗采用n型氮化鎵/藍(lán)寶石為襯底，將其切成25mmX30mm大小，
采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干。
2. n型層ZnO的生長使用射頻磁控濺射的方法在GaN層上(1)沉積ZnO薄膜(2)。 靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. 0X 10—3Pa，沉積襯底溫度300°C ，沉積時氣壓1. 0Pa，相 對氧分壓02/ (02+Ar) = 1/6，功率80W，濺射時間45分鐘。 3.電極的制備采用直流濺射方法在ZnO薄膜表面制備Au電極(3)，襯底溫度為 12(TC，沉積時間為l分鐘。采用熱蒸發(fā)工藝在GaN薄膜表面制備Al電極(4)，沉積時間為 2分鐘。最后得到的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 5.測試測得該異質(zhì)nN結(jié)二極管的發(fā)光光譜如圖2所示。其峰位在367. 5nm，線 寬為4. 87nm，閾值電壓是3. 0V。
實施例2 : 1.襯底清洗采用n型氮化鎵/藍(lán)寶石為襯底，將其切成25mmX30mm大小，
采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干。
2. n型層ZnO的生長使用射頻磁控濺射的方法在GaN層上(1)沉積ZnO薄膜(2)。 靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. 0 X 10—3pa，沉積襯底溫度150°C ，沉積時氣壓0. 5Pa，相 對氧分壓02/(02+Ar) = 1/9，功率130W，濺射時間30分鐘。 3.電極的制備采用直流濺射方法在ZnO薄膜表面制備Ag電極(3)，襯底溫度為 IO(TC，沉積時間為2分鐘。采用熱蒸發(fā)工藝在GaN薄膜表面制備In電極(4)，沉積時間為 2分鐘。最后得到的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 5.測試測得該異質(zhì)nN結(jié)二極管的發(fā)光光譜如圖3所示。其峰位在368. lnm，線 寬為7. 67nm，閾值電壓是3. 0V。
實施例3 : 1.襯底清洗采用n型氮化鎵/藍(lán)寶石為襯底，將其切成25mmX30mm大小，
采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干。
2. i型中間層的制備采用射頻磁控濺射的方法在GaN層上(1)沉積i-ZnO薄 膜(2)。靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. OX 10—3pa，沉積襯底溫度15(TC，沉積時氣壓 5. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/2，功率130W，濺射時間8分鐘。 3. n型層的生長使用射頻磁控濺射的方法在i-ZnO薄膜(2)上沉積n-ZnO薄 膜(3)。靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. OX 10—3pa，沉積襯底溫度35(TC，沉積時氣壓 5. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/9，功率130W，濺射時間30分鐘。 4.電極的制備采用直流濺射方法在ZnO薄膜表面制備Ag電極(4)，襯底溫度為 IO(TC，沉積時間為2分鐘。采用熱蒸發(fā)工藝在GaN薄膜表面制備In電極(5)，沉積時間為 2分鐘。最后得到的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 5.測試測得該異質(zhì)nN結(jié)二極管的發(fā)光光譜如圖5所示。其峰位在373. lnm，線 寬為8. 16nm，閾值電壓是2. 7V。
實施例4 : 1.襯底清洗采用n型氮化鎵/藍(lán)寶石為襯底，將其切成25mmX30mm大小，
采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干。
2. i型中間層的制備采用射頻磁控濺射的方法在GaN層上(1)沉積i-MgZnO薄 膜(2)。靶材選用Mg金屬靶上疊放ZnO小陶瓷片，本底真空為1.0X10—卞a，沉積襯底溫度 30(TC，沉積時氣壓1. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/5，功率80W，濺射時間15分鐘。
3. n型層的生長使用射頻磁控濺射的方法在i-MgZnO薄膜(2)上沉積n-ZnO薄 膜(3)。靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. OX 10—卞a，沉積襯底溫度30(TC，沉積時氣壓 1. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/6，功率130W，濺射時間30分鐘。 4.電極的制備采用直流濺射方法在ZnO薄膜表面制備Al電極(4)，襯底溫度為 10(TC，沉積時間為2分鐘。采用直流濺射方法在GaN薄膜表面制備Al電極(5)，沉積時間 為2分鐘。最后得到的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 5.測試測得該異質(zhì)nN結(jié)二極管的發(fā)光光譜如圖6所示。其峰位在369. 3nm，線 寬為8. 72nm，閾值電壓是2. 5V。
實施例5 : 1.襯底清洗采用n型氮化鎵/藍(lán)寶石為襯底，將其切成25mmX30mm大小， 采用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗3分鐘，最后用氮氣槍吹干。 2. i型中間層的制備采用射頻磁控濺射的方法在GaN層上(1)沉積i_MgO薄膜
(2) 。靶材選用Mg金屬靶，本底真空為1. 0X10—卞a，沉積襯底溫度40(TC，沉積時氣壓0. 5Pa， 相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/2，功率130W，濺射時間15分鐘。 3. n型層的生長使用射頻磁控濺射的方法在i-MgO薄膜(2)上沉積n-ZnO薄膜
(3) 。靶材選用ZnO陶瓷靶，本底真空為1. OX 10—3pa，沉積襯底溫度45(TC沉積時氣壓1. OPa， 相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/6，功率130W，濺射時間15分鐘。 4.電極的制備采用直流濺射方法在ZnO薄膜表面制備Ag電極(4)，襯底溫度為 10(TC，沉積時間為2分鐘。采用射頻濺射方法在GaN薄膜表面制備Al電極(5)，沉積時間 為2分鐘。最后得到的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。 5.測試測得該異質(zhì)nN結(jié)二極管的發(fā)光光譜如圖7所示。其峰位在370. 8nm，線 寬為7. 58nm，閾值電壓是2. 5V。
權(quán)利要求
一種基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管，至少包括nN結(jié)和歐姆接觸電極，其特征在于在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)，或在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上先生長一中間層薄膜，再生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利l要求所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管，其 特征在于所述中間層是i型Mg0或MgZnO或ZnO絕緣層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管， 其特征在于所述異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管在電致激勵作用下產(chǎn)生紫外發(fā)光，其閾值電壓 最低可到2. 5V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管，其特 征在于所述異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管在電致激勵作用下，發(fā)出波長在370士3納米的紫外 光，線寬小于8.8納米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管的制備 方法，其特征在于采用如下具體步驟首先，用射頻磁控濺射工藝在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底上直接生長n型氧化鋅薄膜，形 成異質(zhì)nN結(jié)；或在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底上生長中間層，然后在中間層上濺射沉積型氧 化鋅薄膜，形成異質(zhì)nN結(jié)；然后，采用濺射法或熱蒸發(fā)法制作nN結(jié)電極；其中，ZnO表面濺射銀電極或金電極或鋁 電極，在GaN邊緣鍍上銦電極或鋁電極；電極通過后退火合金化形成歐姆接觸，即得所述二 極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管的制 備方法，其特征在于用射頻磁控濺射工藝在襯底上制備中間層時，首先用半導(dǎo)體工藝清洗 襯底；然后用射頻磁控濺射工藝制成，射頻磁控濺射工藝條件為靶材是Mg金屬靶或Mg金 屬靶上疊放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶，濺射時本底真空度優(yōu)于10—卞a，襯底溫度為150 40(TC，沉積時氣壓為0. 5 5. OPa，相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/5 1/2，濺射功率80 130W，濺射時間為8 15分鐘。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)紫外發(fā)光二極管的 制備方法，其特征在于所述在n型氮化鎵/藍(lán)寶石襯底或i型中間層上濺射生長n型ZnO 薄膜層形成異質(zhì)nN結(jié)是采用ZnO陶瓷靶，在相對氧分壓02/(02+Ar) = 1/9 1/6、濺射前 的本底真空度優(yōu)于5X 10—卞a、濺射氣壓為0. 5 5. 0Pa，濺射功率80 130W，襯底溫度為 150 45(TC，濺射時間為15 45分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于n-氧化鋅/n-氮化鎵異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管及其制備方法。該異質(zhì)nN結(jié)的紫外發(fā)光二極管至少包括nN結(jié)和歐姆接觸電極，其是在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)，或在生長有n型氮化鎵的藍(lán)寶石襯底上先生長一中間層薄膜，再生長n型氧化鋅薄膜形成異質(zhì)nN結(jié)。本發(fā)明制備的n-ZnO/n-GaN異質(zhì)nN結(jié)二極管具有較好的發(fā)光性能、以及較低的閾值電壓，其閾值電壓最低可達(dá)2.5V，所發(fā)光波長在370nm附近，線寬小于8.8nm，并且發(fā)光強(qiáng)度極高。
文檔編號H01L33/26GK101710605SQ200910272929
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者方國家, 李頌戰(zhàn), 莫小明, 黃暉輝, 龍浩 申請人:武漢大學(xué)