CN102185071B - 一种非极性ZnO基发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的非极性ZnO基发光器件自下而上依次有衬底、ZnO低温缓冲层、n型ZnO层、ZnO/ZnMgO多量子阱层和p型ZnO层。其制备方法如下：将清洗处理的衬底放入分子束外延设备中，以纯O2为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，金属Al源或金属Ga源为n型掺杂源，在衬底上依次生长ZnO低温缓冲层、n型ZnO层和ZnO/ZnMgO多量子阱层；然后采用激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，生长Na掺杂p型ZnO层。本发明通过采用合适的衬底，结合分子束外延技术，生长高质量的非极性ZnO薄膜，在此基础上制备非极性ZnO基发光器件，可去除极化电场对器件性能的影响，提高器件发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种非极性ZnO基发光器件及其制备方法，属于半导体发光器件技术领域。
背景技术
ZnO是一种继GaN之后的新型宽禁带半导体材料，具有直接宽禁带（3.37 eV）和高激子束缚能（60 meV）等优点，在短波长发光器件中极具应用潜力，有望成为下一代节能环保与廉价的光电材料。通常，ZnO材料沿着其极性轴c轴方向生长，由于自发极化和压电效应，在量子阱中会产生强大的内建电场，该内建电场将引起电子和空穴波函数在空间上分离，减少电子-空穴的复合几率，大大降低ZnO基发光器件的发光效率；此外，还会引发量子约束Stark效应，导致器件发光波长发生红移。为了解决上述问题，迫切需要开展垂直于c轴方向的ZnO薄膜生长研究，即非极性ZnO薄膜生长研究。目前，非极性ZnO的p型掺杂和发光器件的制备已成为新的研究热点。如果能够制备非极性ZnO基发光器件，可有效去除极化电场对器件性能的影响，提高器件发光效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种质量好、工艺简单的非极性ZnO基发光器件及其制备方法。
本发明的非极性ZnO基发光器件，自下而上依次有衬底，5～15纳米厚的ZnO低温缓冲层，200～500纳米厚的n型ZnO层，5～9个周期、阱宽3～6纳米、垒宽5～8纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层和200～500纳米厚的p型ZnO层。
非极性ZnO基发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1）将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备，在300～350℃温度，调节生长室压力为1×10-5～3×10-5Torr，以纯O2为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为5～15纳米的ZnO低温缓冲层；
2）在生长有ZnO低温缓冲层的基片上，调节生长室压力为1×10-5～3×10-5Torr，以纯O2为O源，金属Zn源为反应源，金属Al源或金属Ga源为n型掺杂源，在400～600℃温度下生长厚度为200～500纳米的n型ZnO层；
3）在n型ZnO层上，以纯O2为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，在400～600℃温度下，生长5～9个周期，阱宽3～6纳米、垒宽5～8纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层作为ZnO基发光层；
4）采用频率为1～5Hz、能量为200～400mJ的激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，其中靶材中Na的摩尔百分含量为0.1～1％，在400～600℃温度下生长厚度为200～500纳米的p型ZnO层。
上述的衬底可以是m面蓝宝石或r面蓝宝石或（100）面γ-LiAlO2 。
本发明的有益效果在于：
本发明方法简单，易于实现。通过采用m面蓝宝石或r面蓝宝石或（100）面γ-LiAlO2 衬底，实现非极性ZnO薄膜生长。采用激光增强非平衡手段提高p型掺杂效率，获得高空穴浓度的稳定Na掺杂p型ZnO。整个非极性ZnO基发光器件材料均在分子束外延沉积系统中制备，减少可能的沾污。非极性ZnO基发光器件的实现，有利于去除极化电场对器件性能的影响，从而提高器件发光效率。
附图说明
图1是本发明的非极性ZnO基发光器件结构示意图。
图中：1为衬底、2为ZnO低温缓冲层、3为n型ZnO层、4为ZnO/ZnMgO多量子阱层、5为p型ZnO层。
具体实施方式
以下结合附图详细叙述本发明。
参照图1，本发明的非极性ZnO基发光器件，自下而上依次有衬底1，5～15纳米厚的ZnO低温缓冲层2，200～500纳米厚的n型ZnO层3，5～9个周期、阱宽3～6纳米、垒宽5～8纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层4和200～500纳米厚的p型ZnO层5。
实施例1
1）将m面蓝宝石进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至300℃，调节生长室压力为1×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为5纳米的ZnO低温缓冲层；
2）在生长有ZnO低温缓冲层的基片上，调节生长室压力为1×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，金属Al源为n型掺杂源，在500℃温度下生长厚度为200纳米的n型ZnO层；
3）在n型ZnO层上，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，在500℃温度下，生长5个周期，阱宽3纳米、垒宽5纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层作为ZnO基发光层；
4）采用频率为3Hz、能量为300mJ的激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，其中靶材中Na的摩尔百分含量为0.1％，在500℃温度下生长厚度为200纳米的p型ZnO层。
实施例2
1）将r面蓝宝石进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至350℃，调节生长室压力为2×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为10纳米的ZnO低温缓冲层；
2）在生长有ZnO低温缓冲层的基片上，调节生长室压力为2×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，金属Ga源为n型掺杂源，在550℃温度下生长厚度为350纳米的n型ZnO层；
3）在n型ZnO层上，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，在550℃温度下，生长7个周期，阱宽4纳米、垒宽7纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层作为ZnO基发光层；
4）采用频率为4Hz、能量为350mJ的激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，其中靶材中Na的摩尔百分含量为0.3％，在550℃温度下生长厚度为400纳米的p型ZnO层。
实施例3
1）将（100）面γ-LiAlO2 进行清洗处理后放入分子束外延设备，衬底温度加热至310℃，调节生长室压力为3×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为15纳米的ZnO低温缓冲层；
2）在生长有ZnO低温缓冲层的基片上，调节生长室压力为3×10-5Torr，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源为反应源，金属Al源为n型掺杂源，在600℃温度下生长厚度为500纳米的n型ZnO层；
3）在n型ZnO层上，以纯O2（纯度99.9999%）为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，在600℃温度下，生长9个周期，阱宽5纳米、垒宽8纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层作为ZnO基发光层；
4）采用频率为5Hz、能量为400mJ的激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，其中靶材中Na的摩尔百分含量为0.5％，在600℃温度下生长厚度为500纳米的p型ZnO层。
Claims (1)
1.非极性ZnO基发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1）将经清洗处理的衬底放入分子束外延设备，在300～350℃温度，调节生长室压力为1×10-5～3×10-5Torr，以纯O2为O源，金属Zn源为反应源，生长厚度为5～15纳米的ZnO低温缓冲层；
2）在生长有ZnO低温缓冲层的基片上，调节生长室压力为1×10-5～3×10-5Torr，以纯O2为O源，金属Zn源为反应源，金属Al源或金属Ga源为n型掺杂源，在400～600℃温度下生长厚度为200～500纳米的n型ZnO层；
3）在n型ZnO层上，以纯O2为O源，金属Zn源和金属Mg源为反应源，在400～600℃温度下，生长5～9个周期，阱宽3～6纳米、垒宽5～8纳米的ZnO/ZnMgO多量子阱层作为ZnO基发光层；
4）采用频率为1～5Hz、能量为200～400mJ的激光轰击掺Na的ZnO陶瓷靶，其中靶材中Na的摩尔百分含量为0.1～1％，在400～600℃温度下生长厚度为200～500纳米的p型ZnO层。
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