CN101692751B - 一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构，在p型硅衬底的正面自下而上依次生长有第一SiO2薄膜、ZnO薄膜、第二SiO2薄膜和半透明电极，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。本发明同时公开了该器件的制备方法。利用该器件结构在反向偏压下(p型硅接负极)成功实现了p型硅上的ZnO薄膜纯紫外电致发光，器件结构简单、制备工艺成熟、重复性较好、与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外电致发光器件，具体为一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种宽禁带化合物半导体材料，由于ZnO在室温下具有3.37eV的直接带隙和60meV的激子束缚能，因此在紫外发光二极管和紫外激光二极管方面有重要的应用前景，引起了人们广泛的关注和研究热情。在过去的十年中，研究者制备了同质结、异质结以及金属-绝缘层-半导体等多种器件结构，实现了来自于ZnO的电致发光。然而，在已报道的ZnO电致发光中，大部分以与ZnO中缺陷相关的可见发光为主，来自于ZnO近带边辐射的紫外发光比较弱。迄今为止，关于ZnO纯紫外电致发光的报道还非常少(Y.Ryu，T.-S.Lee，J.A.Lubguban，H.W.White，B.-J.Kim，Y.-S.Park，C.-J.Youn，Appl.Phys.Lett.88(2006)241108；P.Chen，X.Ma，D.Yang，Appl.Phys.Lett.89(2006)111112)。
在本发明人的中国发明专利“一种硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法(ZL 200510061603.3)”中，描述了在n型硅衬底上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构及其制备方法。另一方面，实现p型硅上的纯紫外电致发光也具有同样重要的意义。但是，该项专利中的器件结构并不适用于p型硅衬底。此外，在本发明人的另一项中国发明专利“氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件的方法(ZL 200610049178.0)”中，氧化锌/p型硅异质结的电致发光中仍然存在比较强的可见发光。
因此，如果想要实现p型硅上的ZnO薄膜纯紫外电致发光，需要一种新的器件结构。
发明内容
本发明提供一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构及其制备方法。
本发明的在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构，在p型硅衬底的正面自下而上依次生长有第一SiO2薄膜、ZnO薄膜、第二SiO2薄膜和半透明电极，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。
所述的第一SiO2薄膜的厚度为3～10nm，第二SiO2薄膜的厚度为50～200nm。
所述的半透明电极为现有技术中的半透明Au电极；与硅衬底背面形成欧姆接触的电极为现有技术中的Al电极。
本发明的在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构的制备方法，包括以下步骤：
1)利用电子束蒸发或等离子体增强化学气相沉积法在清洗后的电阻率为0.005-10欧姆·厘米的p型硅片上沉积厚度为3～10nm的第一SiO2薄膜；
2)利用直流反应磁控溅射或溶胶-凝胶法在第一SiO2薄膜上生长ZnO薄膜；
3)利用电子束蒸发或等离子体增强化学气相沉积法或溶胶-凝胶法在ZnO薄膜上沉积厚度为50～200nm的第二SiO2薄膜；
4)在第二SiO2薄膜上溅射半透明电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
本发明的有益效果在于：
利用该器件结构在反向偏压下(p型硅接负极)成功实现了p型硅上的ZnO薄膜纯紫外电致发光，器件结构简单、制备工艺成熟、重复性较好、与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
附图说明
图1是在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构的示意图；
图2是p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件在不同的反向偏压下的电致发光谱。
具体实施方式
如图1所示，一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构，在p型硅衬底1的正面自下而上依次生长有第一SiO2薄膜2、ZnO薄膜3、第二SiO2薄膜4和半透明电极5，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极6。
采取如下工艺步骤制备图1所示的器件结构：
1)清洗p型、电阻率为0.005欧姆·厘米、大小为15×15mm2、厚度为525微米的硅片，然后放入电子束蒸发装置的腔体中，腔体真空度抽至3×10-3Pa，以石英颗粒为蒸发源，在硅片上沉积厚度约为5nm的第一SiO2薄膜；
2)利用直流反应磁控溅射法在SiO2薄膜上沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，在溅射时，采用纯Zn靶(纯度为99.99％)、衬底温度为500℃、溅射功率为100W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为1∶2，工作压强为10Pa；
3)在ZnO薄膜上利用离子体增强化学气相沉积法沉积厚度约为100nm的第二SiO2薄膜，在沉积时，反应室真空度抽至1×10-3Pa，以硅烷(SiH4)和笑气(N2O)为气源，硅烷和笑气的流量比为1∶15，沉积温度为400℃、工作压强为50Pa；
4)在第二SiO2薄膜上和硅衬底背面分别溅射20nm的Au薄膜和100nm厚的Al薄膜，其中前者的面积10×10mm2；
获得如图1所示的在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构。
图2给出了获得的器件结构在不同的正向偏压(p型硅衬底接负极)下的电致发光谱，图中曲线从下至上依次代表电压为8.0V、9.5V和11.0V时器件的电致发光谱。从图中可以看到，器件在正向偏压下，发射出相当纯的来自于ZnO近带边辐射的位于383nm处的紫外发光，同时，与ZnO缺陷相关的可见发光基本上探测不到。随着正向偏压的增大，紫外发光不断增强。
Claims (2)
1.一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构，其特征在于：在p型硅衬底(1)的正面自下而上依次生长有第一SiO2薄膜(2)、ZnO薄膜(3)、第二SiO2薄膜(4)和半透明电极(5)，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极(6)；
所述的第一SiO2薄膜(2)的厚度为3～10nm，所述的第二SiO2薄膜(4)的厚度为50～200nm。
2.一种在p型硅上实现ZnO薄膜纯紫外电致发光的器件结构的制备方法，包括以下步骤：
1)利用电子束蒸发或等离子体增强化学气相沉积法在清洗后的电阻率为0.005-10欧姆·厘米的p型硅片上沉积厚度为3～10nm的第一SiO2薄膜；
2)利用直流反应磁控溅射或溶胶-凝胶法在第一SiO2薄膜上生长ZnO薄膜；
3)利用电子束蒸发或等离子体增强化学气相沉积法或溶胶-凝胶法在ZnO薄膜上沉积厚度为50～200nm的第二SiO2薄膜；
4)在第二SiO2薄膜上溅射半透明电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
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