CN100555690C - 一种GaN基自旋发光二极管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种GaN基自旋发光二极管(Spin-LED)，具有如下结构：在导电衬底之上依次是P型欧姆接触电极、P型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、N型GaN层、掺杂过渡金属元素的ITO磁性层、N型欧姆接触电极。该GaN基Spin-LED是将ITO基磁性材料作为自旋注入源和现有GaN基LED照明技术结合起来制备的，相对于目前提出的GaMnN基Spin-LED的多项生长技术结合的繁琐制备程序，该方法将磁性层改在透明电极部分，制备方法简单易行，可灵活快捷地得到各种新型自旋发光二极管，并能有效地进行自旋注入效率的探测，同时还可望用于研制和设计其他各种自旋电子学器件。

Description

一种GaN基自旋发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明属于自旋电子学领域，涉及一种基于ITO磁性电极技术制备的自旋发光二极管(Spin-LED)。
背景技术
自旋电子器件具有消耗少、速度快、非挥发性、高集成密度等优点，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景。因此自旋电子学领域有望在下一代电子器件的发展中扮演着重要的角色。
稀磁半导体(DMS)是自旋电子学领域中的重要材料。但是传统的DMS，例如GaMnAs，由于居里温度较低，限制了室温下工作器件的应用。自从2000年T.Dietl等人用平均场近似的Zenner模型([1]T.Dietl，H.Ohno，et al.，Science Vol.287，1019(2000))预言GaMnN等稀磁半导体材料其居里温度可以超过室温，此后GaN基稀磁半导体材料进入了研究热潮。同时，GaN基半导体发光二极管作为第三代半导体材料的照明光源在室内照明、平板显示、短程通信到计算机内光互连等各方面具有广泛的应用，是节约能源、利于环保和实现人类固态照明革命的关键性光源。因此如何更好地将GaN基材料与器件应用在自旋电子学领域具有重要意义。更重要的是目前半导体照明技术已相对成熟并逐渐的工业化和实用化，但是这些传统的照明光源的偏振度都很低，很难满足现代的光学通讯以及液晶显示领域对光源偏振度的要求，因此如何发展具有一定偏振度的半导体照明光源对于这些领域至关重要。同时如何有效的探测自旋仍是目前自旋电子学领域研究的难点和热点，具有丰富的物理信息和研究价值。而GaN基自旋发光二极管(Spin-LED)的概念就是在这种情况下提出和发展起来的。
科学家也试想用GaMnN半导体材料进行Spin-LED器件的设计，但是由于Mn在GaN中形成深受主能级，使得掺杂Mn后的GaN材料的载流子浓度以及迁移率等电学性质难以满足器件的要求。同时这种方法材料生长步骤多，需要多种生长技术交叉使用，周期长、技术难度大。利用GaMnN稀磁半导体材料制备GaN基Spin-LED遇到了一定的挑战，可实用的GaMnN基Spin-LED目前还未见报道。
而氧化铟锡薄膜(Indium tin oxide，简称ITO薄膜)作为一种透明的N型半导体导电薄膜具有优良的导电性。同时兼具化学稳定性、热稳定性等优点，广泛的被用于制备光电器件的透明电极。在GaN基LED白光照明领域，由于其导电性好透明率高而成为电极制作的关键技术之一。最近，掺杂过渡金属元素的ITO薄膜由于其室温铁磁性再一次颇受关注，例如：[2]J.Philip，N.Theodoropoulou，G.Berera，et al.，Appl.Phys.Lett.85，777(2004)；[3]G.Peleckis，X.L.Wang，S.X.Dou，Appl.Phys.Lett.89，022501(2006)；[4]T.Nakamura，K.Tanabe，et al.，J.Appl.Phys.101，09H105(2007)。因为掺杂过渡金属的ITO材料具有制备简单，良好的电学、磁学和光学等性质同时更易于集成半导体电子学等优点，因此它将是一个很好的选择。鉴于此，本发明提出一种应用磁性ITO透明电极技术直接制备Spin-LED的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有GaN基稀磁半导体作为自旋极化层在电学性质上的不足以及工艺的复杂性，提供了一种将ITO基磁性材料作为自旋注入源的GaN基Spin-LED，其制备方法工艺简单、快捷有效，即应用掺杂过渡金属元素的氧化铟锡薄膜(ITO薄膜)透明电极技术直接制备可应用于室温自旋探测和偏振光源的Spin-LED。
本发明的GaN基Spin-LED具有如下结构：在导电衬底之上依次是P型欧姆接触电极、P型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、N型GaN层、掺杂过渡金属元素的ITO磁性层、N型欧姆接触电极。
上述的导电衬底优选Cu；P型欧姆接触电极一般为Ni/Au电极；ITO磁性层中掺杂的过渡金属元素优选Mn，其中Mn的掺杂浓度范围为1-10at.％(即Mn在金属元素中的原子百分含量为1-10％)，优选5at.％；N型欧姆接触电极一般为Cr/Au电极。
本发明以掺杂过渡金属元素的ITO磁性薄膜材料作为自旋注入源，这样电子经过磁性层ITO薄膜后被极化，经过N型GaN层扩散到多量子阱有源层中和来自P型GaN层的空穴复合，根据量子跃迁选择定则将发出偏振光。如图1所示，在导带(CB)中自旋方向向下(mj＝-1/2)的电子和价带(VB)中mj＝+3/2的空穴复合，将发出右旋圆偏振光(σ+)；同理，在导带(CB)中自旋方向向上(mj＝+1/2)的电子和价带(VB)中mj＝-3/2的空穴复合，将发出左旋圆偏振光(σ-)。当添加ITO磁性层后，导带中的大部分电子被极化为一种自旋方向(mj＝-1/2或+1/2)，使得器件发出具有一定偏振度的偏振光。
上述结构的器件不仅可以作为极化光源，还可以作为室温探测自旋的有效工具。
本发明制备上述GaN基自旋发光二极管的方法包括下列步骤：
1)制备垂直结构的GaN基LED芯片；
2)去除非掺杂GaN层并减薄N型GaN层；
3)将掺杂过渡金属元素的ITO磁性材料镀在减薄后的N型GaN层上；
4)在ITO磁性层上作N型欧姆接触电极。
上述步骤2)中优选将N型GaN层厚度减薄至100nm-200nm。
步骤3)中ITO磁性材料中掺杂的过渡金属元素优选Mn，其中Mn的掺杂浓度范围为1-10at.％，优选5at.％；镀ITO磁性材料的方法优先选择用电子束蒸发方法。
步骤4)优选以Cr/Au作为N型欧姆接触电极。
本发明将ITO基磁性材料作为自旋注入源和现有GaN基LED照明技术结合起来制备Spin-LED，相对于目前提出的GaMnN基Spin-LED的多项生长技术结合的繁琐制备程序，该方法将磁性层改在透明电极部分，制备方法简单易行，一次完成了多个步骤所需达到的效果。本发明方法可运用于研制各种新型自旋发光二极管，并能有效地进行自旋注入效率的探测，同时还可望用于研制和设计其他各种自旋电子学器件，比如说自旋场效应晶体管(Spin-FET)。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明Spin-LED发光原理示意图。
图2是典型的垂直结构的GaN基发光二极管结构示意图。
图3是含ITO:Mn磁性材料的Spin-LED结构示意图。
其中：
1——Cu衬底                         2——Ni/Au电极    3——P型GaN层
4——InGaN/GaN多量子阱有源层        5——N型GaN层     6——非掺杂GaN层
7——掺杂过渡金属元素的ITO磁性层    8——Cr/Au电极
具体实施方式
ITO材料作为光电子材料的透明电极被广泛的应用，而垂直结构的GaN基LED技术现正在发展并逐渐成熟起来，成为半导体照明领域发展中的一个必然趋势。本发明结合ITO磁性材料和垂直结构LED技术制备Spin-LED，包括以下主要内容和步骤：
1)垂直GaN基LED的制备：
a)传统GaN基LED的制备
在蓝宝石衬底上用金属有机化合物气相外延方法(MOCVD)生长GaN基LED芯片结构。
b)P型欧姆接触的制备
在P-GaN上淀积Ni/Au电极，经过合金得到欧姆接触。
c)衬底转移
在Ni/Au电极上电镀Cu，转移衬底。
d)激光剥离蓝宝石衬底
将电镀Cu的样品粘在竖直的样品台上，紫外脉冲激光通过透镜聚焦以一定的能量密度从蓝宝石一侧入射GaN基外延片，通过移动样品台实现激光脉冲在整个样品上的扫描，使得GaN基外延层与蓝宝石分离。从而得到如图2所示的垂直结构的GaN基发光二极管。
2)去除非掺杂GaN层并减薄N型GaN层
电感应耦合等离子体(ICP)刻蚀非掺杂GaN层和N型GaN层，刻蚀区域达到N型区，并保留N型区厚度为100-200nm。
3)将掺杂过渡金属元素ITO磁性材料镀在减薄层上
用电子束蒸发方法在减薄的N型层上制备掺Mn的ITO磁性材料，其中Mn的掺杂浓度为5at.％。
4)用Cr/Au在磁性ITO薄膜上作N型欧姆接触。
经过上述步骤1)～4)，获得如图3所示的含ITO:Mn磁性材料的Spin-LED。
当然，本发明并不局限于上述ITO:Mn磁性材料的制备参数，本领域技术人员完全可以根据需要选择能在GaN基发光二极管实现直接自旋注入的ITO的磁性材料。
尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，而本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种GaN基自旋发光二极管，具有如下结构：在导电衬底之上依次是P型欧姆接触电极、P型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、N型GaN层、掺杂Mn的氧化铟锡磁性层、N型欧姆接触电极。
2.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光二极管，其特征在于：所述导电衬底为Cu衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光二极管，其特征在于：所述P型欧姆接触电极为Ni/Au电极。
4.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光二极管，其特征在于：所述掺杂Mn的氧化铟锡磁性层中Mn的掺杂浓度范围为1-10at.％。
5.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光二极管，其特征在于：所述N型欧姆接触电极为Cr/Au电极。
6.一种制备GaN基自旋发光二极管的方法，包括下列步骤：
1)制备垂直结构的GaN基LED芯片；
2)去除非掺杂GaN层并减薄N型GaN层；
3)将掺杂Mn的氧化铟锡磁性材料镀在减薄后的N型GaN层上；
4)在氧化铟锡磁性层上作N型欧姆接触电极。
7.根据权利要求6所述的制备GaN基自旋发光二极管的方法，其特征在于：所述步骤2)通过电感应耦合等离子体刻蚀非掺杂GaN层和N型GaN层。
8.根据权利要求6或7所述的制备GaN基自旋发光二极管的方法，其特征在于：所述步骤2)中将N型GaN层厚度减薄至100nm-200nm。
9.根据权利要求6所述的制备GaN基自旋发光二极管的方法，其特征在于：所述步骤3)中掺杂Mn的氧化铟锡磁性材料中Mn的掺杂浓度范围为1-10at.％。
10.根据权利要求6或9所述的制备GaN基自旋发光二极管的方法，其特征在于：所述步骤3)用电子束蒸发方法蒸镀掺杂Mn的氧化铟锡磁性材料。
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