CN101710605A - 一种基于n-ZnO/n-GaN异质nN结的紫外发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结的紫外发光二极管及其制备方法。该异质nN结的紫外发光二极管至少包括nN结和欧姆接触电极，其是在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结，或在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上先生长一中间层薄膜，再生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结。本发明制备的n-ZnO/n-GaN异质nN结二极管具有较好的发光性能、以及较低的阈值电压，其阈值电压最低可达2.5V，所发光波长在370nm附近，线宽小于8.8nm，并且发光强度极高。

Description

一种基于n-ZnO/n-GaN异质nN结的紫外发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料和光电子器件领域，尤其涉及一种基于n-ZnO/n-GaN异质nN结的紫外发光二极管及其制备方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种新型的II-VI族直接带隙宽禁带半导体材料。ZnO的禁带宽度在室温为3.37eV，发射波长相当于近紫外光波长，非常适合用于制作短波长发光与光敏器件。ZnO的晶格结构、晶胞参数和禁带宽度等都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。因而在蓝紫光发光二极管、紫外发光二极管、激光器及其相关光电器件方面的应用有巨大的潜力。ZnO被认为是GaN理想的替代材料。随着纳米材料的一些独特的特性被发现以来，ZnO的低维纳米结构也期望具有多晶薄膜及体单晶所不拥有的物理及化学性质。已报道的(Ju Young Lee，et al.，A study on the origin of emission of the annealedn-ZnO/p-GaNheterostructure LED，Thin Solid Films 517(2009)5157-5160)异质pn结紫外发光二极管的发光强度较低，而且所用p-GaN迁移率较低、稳定性较差、成本昂贵。WO2006/080099A公开了一种光敏二极管，该二极管是以半绝缘性氧化锌半导体薄膜与n型或p型的硅的异质结形成受光部的光敏二极管。该二极管形成的是异质pn结，稳定性较差，所得二极管阈值电压较高。

目前，发展发光强度高、低阈值电压、结构简单、成本低廉的紫外发光二极管具有重要的应用价值。本发明申请人申请的中国专利200910061031.7公开了一种n-氧化锌/p-氧化镍异质pn结的紫外发光二极管，该二极管具有较低的正向开启电压和大的正向电流密度，以及较好的发光性质，所发光波长在375±3nm，线宽在1nm以下。但是，该发明仍旧是异质pn结，阈值电压较高。

迄今为止，基于异质nN结(两个都是n型导电的不同半导体材料)的紫外发光二极管仍未见报道。

发明内容

本发明的目的就是为了改善传统的紫外发光二极管的发光强度低，阈值电压高的缺陷。并提供了一种基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管及其制备方法。本发明制备的n-ZnO/n-GaN异质nN结二极管具有较好的发光性能、以及较低的阈值电压，其阈值电压最低可达2.5V，所发光波长在370nm附近，线宽小于8.8nm，并且发光强度极高。

本发明的技术方案为：一种基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结的紫外发光二极管，至少包括nN结和欧姆接触电极，在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结，或在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上先生长一中间层薄膜，再生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结。

所述中间层是i型MgO或MgZnO或ZnO绝缘层。

所述异质nN结紫外发光二极管在电致激励作用下产生紫外发光，其阈值电压最低可到2.5V。

所述异质nN结紫外发光二极管在电致激励作用下，发出波长在370±3纳米的紫外光，线宽小于8.8纳米。

上述的n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管的制备方法，采用如下具体步骤：

首先，用射频磁控溅射工艺在n型氮化镓/蓝宝石衬底上直接生长n型氧化锌薄膜，形成异质nN结；或在n型氮化镓/蓝宝石衬底上生长中间层，然后在中间层上溅射沉积n型氧化锌薄膜，形成异质nN结；

然后，采用溅射法或热蒸发法制作nN结电极；其中，ZnO表面溅射银电极或金电极或铝电极，在GaN边缘镀上铟电极或铝电极；电极通过后退火合金化形成欧姆接触，即得所述二极管。

其中，用射频磁控溅射工艺在衬底上制备i型MgO或MgZnO或ZnO中间层时，首先用半导体工艺清洗衬底；然后用射频磁控溅射工艺制成，射频磁控溅射工艺条件为：靶材是Mg  金属靶或Mg金属靶上叠放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶，溅射时本底真空度优于10^-3Pa，衬底温度为150～400℃，沉积时气压为0.5～5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/5～1/2，溅射功率80～130W，溅射时间为8～15分钟。

所述在n型氮化镓/蓝宝石衬底或i型中间层上溅射生长n型ZnO薄膜层形成异质nN结是采用ZnO陶瓷靶，在相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/9～1/6、溅射前的本底真空度优于5×10^-3Pa、溅射气压为0.5～5.0Pa，溅射功率80～130W，衬底温度为150～450℃，溅射时间为15～45分钟。

由上述技术方案可知，本发明利用n-ZnO薄膜，与n-GaN薄膜复合形成了异质nN结结构。通过对ZnO薄膜制备等条件的控制、nN结结构的优化等，提高了异质nN结性能，尤其使其在紫外发光、光敏方面的性能得到提高。充分发挥在GaN衬底上生长高质量ZnO薄膜的优势，提高ZnO异质结的紫外发光性能，降低器件的阈值电压。

附图说明

图1是本发明实施例1和实施例2的结构示意图；

其中，

1-GaN；2-n型ZnO；3-n型ZnO上的欧姆接触电极；4-GaN上的欧姆接触电极。

图2是实施例1所得二极管的发光光谱图；

图3是实施例2所得二极管的发光光谱图；

图4本发明实施例3、实施例4和实施例5的结构示意图；

其中，

1-GaN，2-i型层，3-n型ZnO；4-n型ZnO上的欧姆接触电极，5-GaN上的欧姆接触电极。

图5是实施例3所得二极管的发光光谱图；

图6是实施例4所得二极管的发光光谱图；

图7是实施例5所得二极管的发光光谱图。

具体实施方式

本发明n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管，至少包括nN结和欧姆接触电极，所述nN结是由n型ZnO薄膜与沉底材料n型GaN薄膜复合而得到的异质nN结紫外发光二极管。

其具体制备步骤如下：

(1)采用半导体工艺中的清洗方法清洗衬底(基片)并烘干；

(2)i型中间层的制备。射频磁控溅射工艺条件：靶材是Mg金属靶或Mg金属靶上叠放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶。溅射时本底真空度优于10^-3Pa，衬底温度为150～400℃，沉积时气压为0.5～5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/5～1/2，溅射功率范围80～130W，溅射时间为8～15分钟；

(3)生长n型ZnO薄膜层。进行射频磁控溅射时所用条件参数为：靶材是ZnO陶瓷靶。溅射时本底真空度优于5×10^-3Pa，衬底温度为150～450℃，沉积时气压为0.5～5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/9～1/6，溅射功率范围80～130W，溅射时间为15～45分钟(如文献GuojiaFang，et al.，Influence of post-deposition annealing on the properties of transparent conductivenanocrystalline AZO(ZnO:Al)thin films prepared by RF magnetron sputtering with highlyconductive ceramic target，Thin Solid Films，2002，418(2)：156-162)；

(4)电极的制备：采用溅射法或热蒸发等方法在ZnO的表面和GaN边缘制作电极。ZnO表面溅射银或金或铝电极，GaN边缘镀上铟电极或铝电极。电极通过后退火合金化形成欧姆接触。

(5)测试：采用一恒压恒流电源及EL谱测试系统测量二极管的发光特性。

上述衬底(基片)为生长有n型氮化镓的蓝宝石。

下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。

实施例1：

1.衬底清洗：采用n型氮化镓/蓝宝石为衬底，将其切成25mm×30mm大小，

采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3分钟，最后用氮气枪吹干。

2.n型层ZnO的生长：使用射频磁控溅射的方法在GaN层上(1)沉积ZnO薄膜(2)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度300℃，沉积时气压1.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/6，功率80W，溅射时间45分钟。

3.电极的制备：采用直流溅射方法在ZnO薄膜表面制备Au电极(3)，衬底温度为120℃，沉积时间为1分钟。采用热蒸发工艺在GaN薄膜表面制备Al电极(4)，沉积时间为2分钟。最后得到的结构示意图如图1所示。

5.测试：测得该异质nN结二极管的发光光谱如图2所示。其峰位在367.5nm，线宽为4.87nm，阈值电压是3.0V。

实施例2：

1.衬底清洗：采用n型氮化镓/蓝宝石为衬底，将其切成25mm×30mm大小，

采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3分钟，最后用氮气枪吹干。

2.n型层ZnO的生长：使用射频磁控溅射的方法在GaN层上(1)沉积ZnO薄膜(2)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度150℃，沉积时气压0.5Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/9，功率130W，溅射时间30分钟。

3.电极的制备：采用直流溅射方法在ZnO薄膜表面制备Ag电极(3)，衬底温度为100℃，沉积时间为2分钟。采用热蒸发工艺在GaN薄膜表面制备In电极(4)，沉积时间为2分钟。最后得到的结构示意图如图1所示。

5.测试：测得该异质nN结二极管的发光光谱如图3所示。其峰位在368.1nm，线宽为7.67nm，阈值电压是3.0V。

实施例3：

1.衬底清洗：采用n型氮化镓/蓝宝石为衬底，将其切成25mm×30mm大小，

采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3分钟，最后用氮气枪吹干。

2.i型中间层的制备：采用射频磁控溅射的方法在GaN层上(1)沉积i-ZnO薄膜(2)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度150℃，沉积时气压5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/2，功率130W，溅射时间8分钟。

3.n型层的生长：使用射频磁控溅射的方法在i-ZnO薄膜(2)上沉积n-ZnO薄膜(3)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度350℃，沉积时气压5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/9，功率130W，溅射时间30分钟。

4.电极的制备：采用直流溅射方法在ZnO薄膜表面制备Ag电极(4)，衬底温度为100℃，沉积时间为2分钟。采用热蒸发工艺在GaN薄膜表面制备In电极(5)，沉积时间为2分钟。最后得到的结构图如图4所示。

5.测试：测得该异质nN结二极管的发光光谱如图5所示。其峰位在373.1nm，线宽为8.16nm，阈值电压是2.7V。

实施例4：

1.衬底清洗：采用n型氮化镓/蓝宝石为衬底，将其切成25mm×30mm大小，

采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3分钟，最后用氮气枪吹干。

2.i型中间层的制备：采用射频磁控溅射的方法在GaN层上(1)沉积i-MgZnO薄膜(2)。靶材选用Mg金属靶上叠放ZnO小陶瓷片，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度300℃，沉积时气压1.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/5，功率80W，溅射时间15分钟。

3.n型层的生长：使用射频磁控溅射的方法在i-MgZnO薄膜(2)上沉积n-ZnO薄膜(3)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度300℃，沉积时气压1.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/6，功率130W，溅射时间30分钟。

4.电极的制备：采用直流溅射方法在ZnO薄膜表面制备Al电极(4)，衬底温度为100℃，沉积时间为2分钟。采用直流溅射方法在GaN薄膜表面制备Al电极(5)，沉积时间为2分钟。最后得到的结构图如图4所示。

5.测试：测得该异质nN结二极管的发光光谱如图6所示。其峰位在369.3nm，线宽为8.72nm，阈值电压是2.5V。

实施例5：

1.衬底清洗：采用n型氮化镓/蓝宝石为衬底，将其切成25mm×30mm大小，

采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗3分钟，最后用氮气枪吹干。

2.i型中间层的制备：采用射频磁控溅射的方法在GaN层上(1)沉积i-MgO薄膜(2)。靶材选用Mg金属靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度400℃，沉积时气压0.5Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/2，功率130W，溅射时间15分钟。

3.n型层的生长：使用射频磁控溅射的方法在i-MgO薄膜(2)上沉积n-ZnO薄膜(3)。靶材选用ZnO陶瓷靶，本底真空为1.0×10^-3Pa，沉积衬底温度450℃沉积时气压1.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/6，功率130W，溅射时间15分钟。

4.电极的制备：采用直流溅射方法在ZnO薄膜表面制备Ag电极(4)，衬底温度为100℃，沉积时间为2分钟。采用射频溅射方法在GaN薄膜表面制备Al电极(5)，沉积时间为2分钟。最后得到的结构图如图4所示。

5.测试：测得该异质nN结二极管的发光光谱如图7所示。其峰位在370.8nm，线宽为7.58nm，阈值电压是2.5V。

Claims (7)

1.一种基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结的紫外发光二极管，至少包括nN结和欧姆接触电极，其特征在于：在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结，或在生长有n型氮化镓的蓝宝石衬底上先生长一中间层薄膜，再生长n型氧化锌薄膜形成异质nN结。

2.根据权利1要求所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结的紫外发光二极管，其特征在于：所述中间层是i型MgO或MgZnO或ZnO绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管，其特征在于：所述异质nN结紫外发光二极管在电致激励作用下产生紫外发光，其阈值电压最低可到2.5V。

4.根据权利要求3所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管，其特征在于：所述异质nN结紫外发光二极管在电致激励作用下，发出波长在370±3纳米的紫外光，线宽小于8.8纳米。

5.根据权利要求1所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管的制备方法，其特征在于采用如下具体步骤：

首先，用射频磁控溅射工艺在n型氮化镓/蓝宝石衬底上直接生长n型氧化锌薄膜，形成异质nN结；或在n型氮化镓/蓝宝石衬底上生长中间层，然后在中间层上溅射沉积型氧化锌薄膜，形成异质nN结；

然后，采用溅射法或热蒸发法制作nN结电极；其中，ZnO表面溅射银电极或金电极或铝电极，在GaN边缘镀上铟电极或铝电极；电极通过后退火合金化形成欧姆接触，即得所述二极管。

6.根据权利要求5所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管的制备方法，其特征在于：用射频磁控溅射工艺在衬底上制备中间层时，首先用半导体工艺清洗衬底；然后用射频磁控溅射工艺制成，射频磁控溅射工艺条件为：靶材是Mg金属靶或Mg金属靶上叠放ZnO小陶瓷片或ZnO陶瓷靶，溅射时本底真空度优于10^-3Pa，衬底温度为150～400℃，沉积时气压为0.5～5.0Pa，相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/5～1/2，溅射功率80～130W，溅射时间为8～15分钟。

7.根据权利要求5或6所述的基于n-氧化锌/n-氮化镓异质nN结紫外发光二极管的制备方法，其特征在于：所述在n型氮化镓/蓝宝石衬底或i型中间层上溅射生长n型ZnO薄膜层形成异质nN结是采用ZnO陶瓷靶，在相对氧分压O₂/(O₂+Ar)＝1/9～1/6、溅射前的本底真空度优于5×10^-3Pa、溅射气压为0.5～5.0Pa，溅射功率80～130W，衬底温度为150～450℃，溅射时间为15～45分钟。

Images