CN101359706A - 一种ZnO基多量子阱发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的ZnO基多量子阱发光二极管，在衬底自下而上依次有ZnO缓冲层、n型ZnO膜层、n型Zn1－xMgxO限域层、由Zn1－xMgxO和Zn1－yCdyO交替沉积形成的Zn1－xMgxO/Zn1－yCdyO多量子阱层、Na掺杂p型Zn1－xMgxO薄膜、Na掺杂p型ZnO薄膜层和第二电极，第一电极与n型Zn1－xMgxO限域层并列并沉积在n型ZnO膜层上。本发明的ZnO基多量子阱发光二极管具有较好的晶体质量，光学性能和电学性能，发光效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZnO基多量子阱发光二极管。
背景技术
ZnO做为宽禁带半导体，有着其独特的优势，在室温下的能带宽度为3.37eV，激子结合能为60meV，远大于GaN的激子结合能25meV和室温分子热运动能26meV，因此很有潜力实现高亮度的半导体发光二极管和高功率的半导体激光器件。ZnO走向光电器件应用的一大难题是p型掺杂问题。V族元素掺杂p型ZnO已经大量被研究。但是，理论计算表明，相比较V族元素，I族元素Li和Na有着较浅的受主能级。相比较Li来说，Na更不容易形成间隙态Na，而且H也不容易钝化Na受主。因此，Na是一种非常有前景的p型掺杂元素。另一方面，能带工程对于设计现代半导体光电子器件有着非常重要的作用，这表现在能带工程可以实现量子阱中的势垒层和势阱层的带隙控制。MgO的禁带宽度为7.7eV，CdO的禁带宽度为2.3eV，两者都可以和ZnO形成互溶合金，调节ZnO的能带。ZnMgO和ZnCdO合金的晶格常数和ZnO晶格失配都很小，可以实现高发光复合效率的量子阱结构。ZnMgO和ZnCdO合金的晶格常数都随着Mg含量或Cd含量的增加，因此可以选用合适的ZnMgO合金做为势垒层，ZnCdO合金作为势阱层，实现无晶格失配的多量子阱层。从以上观点阐述，选用Na作用p型ZnO和ZnMgO的掺杂源，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO形成多周期量子阱，制备多量子阱LED器件将有着很高的电发光效率。而国际上没有开展过这方面的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的ZnO基多量子阱发光二极管。
本发明的ZnO基多量子阱发光二极管，在衬底自下而上依次有ZnO缓冲层、n型ZnO膜层、n型Zn1-xMgxO限域层、由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替沉积形成的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层、Na掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜、Na掺杂p型ZnO薄膜层和第二电极，第一电极与n型Zn1-xMgxO限域层并列并沉积在n型ZnO膜层上，其中n型Zn1-xMgxO限域层的0.1≤x≤0.4，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层的0≤x≤0.3，0≤y≤0.1，且x和y不同时为0，p型Zn1-xMgxO薄膜的0.1≤x≤0.4。
上述的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层可以由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替6-16个周期形成。
所说的衬底可以是单晶氧化锌或单晶硅。第一电极可以为Al电极，第二电极可以为Ni-Au合金。
本发明的ZnO基多量子阱发光二极管的制备方法，步骤如下：
1)将清洗后的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室抽真空到至少6×10-4pa，然后加热衬底到300-500℃，调节氧压在0.1-50Pa，沉积ZnO缓冲层；
2)升温到500-800℃并保持氧压不变，依次沉积n型ZnO膜层，n型Zn1-xMgxO限域层，交替沉积Zn1-xMgxO层和Zn1-yCdyO层以形成6～16个周期的多量子阱层、Na掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜和Na掺杂p型ZnO薄膜层；
3)将步骤2)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空抽到至少10-1Pa，在100-400℃下，在Na掺杂p型ZnO薄膜层上沉积第二电极，第一电极与n型Zn1-xMgxO限域层并列并沉积在n型ZnO膜层上；
上述n型Zn1-xMgxO限域层的0.1≤x≤0.4，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层的0≤x≤0.3，0≤y≤0.1，且x和y不同时为0，p型Zn1-xMgxO薄膜的0.1≤x≤0.4。
本发明的优点：
1)使用Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱，可以有效降低量子阱中势垒层和势阱层的晶格失配，从而提高发光二极管的发光效率。
2)使用Na掺杂制备的p型ZnO薄膜具有较好的晶体质量，光学性能和电学性能，Na在ZnO中的受主能级低，Na受主不容易被施主补偿，从而提高空穴注入效率和二极管的发光效率。
附图说明
图1是ZnO多量子阱发光二极管示意图。
图2是ZnO多量子阱发光二极管的整流I-V特性图。
图3是ZnO多量子阱发光二极管室温电注入发光图。
具体实施方式
参照图1，本发明的ZnO基多量子阱发光二极管，在衬底1自下而上依次有ZnO缓冲层2、n型ZnO膜层3、n型Zn1-xMgxO限域层4、由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替沉积形成的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层5、Na掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜6、Na掺杂p型ZnO薄膜层7和第二电极9，第一电极8与n型Zn1-xMgxO限域层4并列并沉积在n型ZnO膜层3上，其中n型Zn1-xMgxO限域层4的0.1≤x≤0.4，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层5的0≤x≤0.3，0≤y≤0.1，且x和y不同时为0，p型Zn1-xMgxO薄膜6的0.1≤x≤0.4。第一电极为Al电极，第二电极为Ni-Au合金。
实施例1
1)以2英寸单晶硅(111)抛光片为衬底，先用酒精超声波清洗，然后用HF清洗表面的自然氧化层。接着将衬底放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室抽真空至6×10-4pa.然后加热衬底到300℃，调节氧气质量流量计使氧压控制在0.1Pa，设定激光参数为280mJ，5Hz，在此条件下沉积一层50nm的ZnO缓冲层2。
2)升温到600℃并保持氧压不变，依次沉积1000nm的Al掺杂n型ZnO膜层3和400nm的Al掺杂n型Zn0.8Mg0.2O限域层4，交替沉积Zn0.9Mg0.1O层和Zn0.95Cd0.05O层，形成7个周期的多量子阱层5，此例，Zn0.9Mg0.1O层和Zn0.95Cd0.05O层晶格失配度为0。接着沉积100nm的Na掺杂p型Zn0.85Mg0.15O薄膜层6和400nm的Na掺杂p型ZnO薄膜层7。
3)将步骤2)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空抽至10-2Pa，在100℃下，在n型ZnO膜层上并列于Al掺杂n型Zn0.8Mg0.2O限域层4沉积第一电极，在Na掺杂p型ZnO薄膜层上沉积第二电极。第一电极是Al，第二电极是Ni-Au合金。
图2显示了ZnO多量子阱发光二极管的室温整流特性图，可以看出该发光二极管有着明显的整流特性。
图3是ZnO多量子阱发光二极管的室温电注入发光图，显示了在380nm附近有着强烈的激子发光，而缺陷发光微弱，表明发光效率比较高。
实施例2
1)以2英寸ZnO单晶为衬底，先用酒精超声波清洗，然后用HF清洗表面的自然氧化层。接着将衬底放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室抽真空至2×10-4pa.然后加热衬底到400℃，调节氧气质量流量计使氧压控制在0.5Pa，设定激光参数为280mJ，5Hz，在此条件下沉积一层50nm的ZnO缓冲层2。
2)升温到600℃并保持氧压不变，依次沉积1000nm的Al掺杂n型ZnO膜层3和400nm的Al掺杂n型Zn0.6Mg0.4O限域层4，交替沉积Zn0.7Mg0.3O层和Zn0.9Cd0.1O层，形成10个周期的多量子阱层5，此例，Zn0.7Mg0.3O层和Zn0.9Cd0.1O层晶格失配度为0。接着沉积200nm的Na掺杂p型Zn0.6Mg0.4O薄膜层6和300nm的Na掺杂p型ZnO薄膜层7。
3)将步骤2)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空抽至10-4Pa，在200℃下，在n型ZnO膜层上并列于Al掺杂n型Zn0.6Mg0.4O限域层4沉积第一电极，在Na掺杂p型ZnO薄膜层上沉积第二电极。第一电极是Al，第二电极是Ni-Au合金。
实施例3
1)以2英寸ZnO单晶为衬底，先用酒精超声波清洗，然后用HF清洗表面的自然氧化层。接着将衬底放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室抽真空至5×10-5pa.然后加热衬底到400℃，调节氧气质量流量计使氧压控制在20Pa，设定激光参数为280mJ，5Hz，在此条件下沉积一层50nm的ZnO缓冲层2。
2)升温到600℃并保持氧压不变，依次沉积800nm的Al掺杂n型ZnO膜层3和400nm的Al掺杂n型Zn0.7Mg0.3O限域层4，交替沉积Zn0.8Mg0.2O层和ZnO层，形成16个周期的多量子阱层5，此例，Zn0.8Mg0.2O层和ZnO层晶格失配度＜5％。接着沉积100nm的Na掺杂p型Zn0.7Mg0.3O薄膜层6和400nm的Na掺杂p型ZnO薄膜层7。
3)将步骤2)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空抽至10-1Pa，在400℃下，在n型ZnO膜层上并列于Al掺杂n型Zn0.7Mg0.3O限域层4沉积第一电极，在Na掺杂p型ZnO薄膜层上沉积第二电极。第一电极是Al，第二电极是Ni-Au合金。
实施例4
1)以2英寸ZnO单晶为衬底，先用酒精超声波清洗，然后用HF清洗表面的自然氧化层。接着将衬底放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室抽真空至5×10-5pa.然后加热衬底到400℃，调节氧气质量流量计使氧压控制在10Pa，设定激光参数为280mJ，5Hz，在此条件下沉积一层50nm的ZnO缓冲层2。
2)升温到600℃并保持氧压不变，依次沉积800nm的Al掺杂n型ZnO膜层3和400nm的Al掺杂n型Zn0.9Mg0.1O限域层4，交替沉积ZnO层和Zn0.9Cd0.1O层，形成6个周期的多量子阱层5，此例，Zn0.9Cd0.1O层和ZnO层晶格失配度＜5％。接着沉积100nm的Na掺杂p型Zn0.9Mg0.1O薄膜层6和400nm的Na掺杂p型ZnO薄膜层7。
3)将步骤2)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空抽至10-1Pa，在200℃下，在n型ZnO膜层上并列于Al掺杂n型Zn0.9Mg0.1O限域层4沉积第一电极，在Na掺杂p型ZnO薄膜层上沉积第二电极。第一电极是Al，第二电极是Ni-Au合金。
Claims (4)
1.一种ZnO基多量子阱发光二极管，其特征是在衬底(1)自下而上依次有ZnO缓冲层(2)、n型ZnO膜层(3)、n型Zn1-xMgxO限域层(4)、由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替沉积形成的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层(5)、Na掺杂p型Zn1-xMgxO薄膜(6)、Na掺杂p型ZnO薄膜层(7)和第二电极(9)，第一电极(8)与n型Zn1-xMgxO限域层(4)并列并沉积在n型ZnO膜层(3)上，其中n型Zn1-xMgxO限域层(4)的0.1≤x≤0.4，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层(5)的0≤x≤0.3，0≤y≤0.1，且x和y不同时为0，p型Zn1-xMgxO薄膜(6)的0.1≤x≤0.4。
2.根据权利要求1所述的ZnO基多量子阱发光二极管，其特征在于所说的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱层(5)由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替6-16个周期形成。
3.根据权利要求1所述的ZnO基多量子阱发光二极管，其特征是所说的衬底是单晶氧化锌或单晶硅。
4.根据权利要求1所述的ZnO基多量子阱发光二极管，其特征是所说的第一电极为Al电极，第二电极为Ni-Au合金。
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