CN103166114B - 具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜激光二极管的制造方法 - Google Patents

具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜激光二极管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的激光二极管，该激光二极管的结构为：n型氧化镍薄膜，其形成在蓝宝石衬底的上表面上；氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜，其形成在所述n型氧化镍薄膜的上表面上，以及底电极，其形成在所述n型氧化镍薄膜下表面上，顶电极，其形成在所述氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的上表面上。

Description

具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜激光二极管的制造方法
技术领域
本发明属于半导体领域，具体来说涉及一种具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜激光二极管的制造方法。
背景技术
氧化锌（ZnO）无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与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、激光器及其相关光电器件方面的应用有巨大的潜力。在室温下，氧化锌（ZnO）的禁带宽度为3.37eV，自由激子结合能高达60meV，远大于GaN的激子结合能25meV和室温热离化能26meV，因此更容易在室温或更高温度下实现激子增益。但是，ZnO走向光电器件应用的关键是实现稳定可靠且低阻的p型ZnO薄膜。ZnO由于存在诸多本征施主缺陷(如Zni，Vo等)和非故意掺杂的H等杂质，通常表现为n型。这些施主缺陷的存在能对掺入的受主杂质产生强烈的自补偿效应，所以难以实现ZnO的P型掺杂。ZnO同质结紫外激射二极管需要做多层量子阱结构，而且所用p-ZnO迁移率较低、稳定性较差。发展结构简单、成本低廉、光增益高的紫外激光二极管具有重要的应用价值。
目前，业内已有通过共掺杂的方式来得到p型氧化锌薄膜的报道。例如，在氧化锌中掺入镁和锑来形成Mg-Sb共掺杂p型ZnO薄膜，其中镁(Mg)作为ZnO的掺杂剂可以有效地增大ZnO的禁带宽度，于是ZnO中的本征浅施主能级便会远离导带边，从而增大了其电离能，减弱了ZnO的n型导电特性。但是由于ZnO中存在的本征浅施主缺陷的自补偿作用，使得Sb很难被用来掺杂制备p型ZnO材料。
附图说明
图1是本发明提出制造方法所制得的激光二极管的结构示意图；
发明内容：
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的激光二极管的制造方法，依次包括如下步骤：
第一步，选取蓝宝石作为衬底，将该衬底放置到具有无水乙醇的超声波振荡器中进行清洗，以去除衬底表面的油脂，然后再将其放置到具有去离子水的超声波振荡器中进行清洗，以去除残余的无水乙醇；
第二步，将所述衬底放入磁控溅射反应室中，通过射频磁控溅射工艺在所述衬底上形成300-600nm厚度的氧化镍薄膜；
第三步，将纯度为99.99％的氧化锌粉末、镁的摩尔含量为5-11%的氧化镁粉末进行混合，然后压制形成靶材；
第四步，将完成第一步工艺的衬底放入磁控溅射反应室中，向该磁控溅射反应室通入氮的摩尔含量为0.8-1.7％的NO、NO2混合气体后施加射频功率，该射频功率使得NO和NO2气体活化，并将靶材溅射沉积在衬底之上，从而在衬底上形成厚度为300-400nm的氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜；
第五步，对完成第四步的衬底进行热退火，退火气氛为氧气，退火温度为700℃，退火时间为40分钟，退火后自然冷却；
第六步，在所述衬底的下表面上和所述氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的上表面上溅射电极材料，从而分别形成底电极和顶电极。
其中，所述氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜中Mg的摩尔百分含量是5-11％，砷的摩尔百分含量是0.8-1.7％；并且，在常温下，氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的压电常数d33大于16pC/N，其电阻率大于2×1010Ω·cm。
具体实施方式：
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
参加图1，一种具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的激光二极管的制造方法，依次包括如下步骤：
第一步，选取蓝宝石作为衬底2，将该衬底2放置到具有无水乙醇的超声波振荡器中进行清洗，以去除衬底2表面的油脂，然后再将其放置到具有去离子水的超声波振荡器中进行清洗，以去除残余的无水乙醇；
第二步，将所述衬底2放入磁控溅射反应室中，通过射频磁控溅射工艺在所述衬底上形成300-600nm厚度的氧化镍薄膜3；
第三步，将纯度为99.99％的氧化锌粉末、镁的摩尔含量为5-11%的氧化镁粉末进行混合，然后压制形成靶材；
第四步，将完成第二步工艺的衬底2放入磁控溅射反应室中，向该磁控溅射反应室通入氮的摩尔含量为0.8-1.7％的NO、NO2混合气体后施加射频功率，该射频功率使得NO和NO2气体活化，并将靶材溅射沉积在氧化镍薄膜3之上，从而在氧化镍薄膜3上形成厚度为300-400nm的氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜4；
第五步，对完成第四步的衬底2进行热退火，退火气氛为氧气，退火温度为700℃，退火时间为40分钟，退火后自然冷却；
第六步，在所述衬底的下表面上和所述氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的上表面上溅射电极材料，从而分别形成底电极1和顶电极5。
其中，在常温下，氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的压电常数d33大于16pC/N，其电阻率大于2×1010Ω·cm。
其中，可以采用多种金属材料来构成底电极1和顶电极5的材料，例如金、银或铜。也可以采用金属化合物材料来构成所述底电极1和顶电极5，例如ITO。
实施例2
参加图1，一种具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的激光二极管的制造方法，依次包括如下步骤：
第一步，选取蓝宝石作为衬底2，将该衬底2放置到具有无水乙醇的超声波振荡器中进行清洗，以去除衬底2表面的油脂，然后再将其放置到具有去离子水的超声波振荡器中进行清洗，以去除残余的无水乙醇；
第二步，将所述衬底2放入磁控溅射反应室中，通过射频磁控溅射工艺在所述衬底上形成400nm厚度的氧化镍薄膜3；
第三步，将纯度为99.99％的氧化锌粉末、镁的摩尔含量为9%的氧化镁粉末进行混合，然后压制形成靶材；
第四步，将完成第二步工艺的衬底2放入磁控溅射反应室中，向该磁控溅射反应室通入氮的摩尔含量为1.2％的NO、NO2混合气体后施加射频功率，该射频功率使得NO和NO2气体活化，并将靶材溅射沉积在氧化镍薄膜3之上，从而在氧化镍薄膜3上形成厚度为360nm的氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜4；
第五步，对完成第四步的衬底2进行热退火，退火气氛为氧气，退火温度为700℃，退火时间为40分钟，退火后自然冷却；
第六步，在所述衬底的下表面上和所述氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的上表面上溅射电极材料，从而分别形成底电极1和顶电极5。
其中，在常温下，氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的压电常数d33大于16pC/N，其电阻率大于2×1010Ω·cm。
其中，可以采用多种金属材料来构成底电极1和顶电极5的材料，例如金、银或铜。也可以采用金属化合物材料来构成所述底电极1和顶电极5，例如ITO。
以上实施方式已经对本发明进行了详细的介绍，但上述实施方式并非为了限定本发明的范围，本发明的保护范围由所附的权利要求限定。

Claims (2)

1.具有氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜的激光二极管的制造方法，该方法依次包括如下步骤：
第一步，选取蓝宝石作为衬底，将该衬底放置到具有无水乙醇的超声波振荡器中进行清洗，以去除衬底表面的油脂，然后再将其放置到具有去离子水的超声波振荡器中进行清洗，以去除残余的无水乙醇；
第二步，将所述衬底放入磁控溅射反应室中，通过射频磁控溅射工艺在所述衬底上形成300-600nm厚度的氧化镍薄膜；
第三步，将纯度为99.99％的氧化锌粉末、镁的摩尔含量为5-11％的氧化镁粉末进行混合，然后压制形成靶材；
第四步，将完成第一步工艺的衬底放入磁控溅射反应室中，向该磁控溅射反应室通入氮的摩尔含量为0.8-1.7％的NO、NO2混合气体后施加射频功率，该射频功率使得NO和NO2气体活化，并将靶材溅射沉积在衬底之上，从而在衬底上形成厚度为300-400nm的氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜；
第五步，对完成第四步的衬底进行热退火，退火气氛为氧气，退火温度为700℃，退火时间为40分钟，退火后自然冷却；
第六步，在所述衬底的下表面上和所述氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的上表面上溅射电极材料，从而分别形成底电极和顶电极；
其中，所述氮镁共掺杂p型氧化锌薄膜中Mg的摩尔百分含量是5-11％，氮的摩尔百分含量是0.8-1.7％；在常温下，氮镁共掺杂的p型ZnO晶体薄膜的压电常数d33大于16pC/N，其电阻率大于2×1010Ω·cm。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：
采用金、银、铜或ITO来构成底电极和顶电极。
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