CN103794692A - 一种氧化锌基异质结发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氧化锌基异质结发光器件，包括衬底、在衬底上外延生长的GaN外延层、设置在GaN外延层上的正电极、ZnO发光层和设置在ZnO发光层上的负电极，GaN外延层上还设置有一个独立于正电极的电流限制层，ZnO发光层设置在电流限制层上，该电流限制层为i型NiO薄膜，GaN外延层为p型GaN薄膜，ZnO发光层为n型ZnO薄膜。本发明制得的氧化锌基异质结发光器件，使用NiO作为电流限制夹层能够有效的将电子阻挡在ZnO一侧，能进一步增加向ZnO发光层一侧注入的空穴数量，提高了n型ZnO层的紫外发光效率，进一步拓展了器件的应用范围和使用性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光器件技术领域，具体涉及带有NiO电子阻挡层的n-ZnO /p-GaN异质结发光器件的结构及其制作方法。
背景技术
GaN系材料在固态照明领域有着很广泛的应用前景。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数十分接近，有相近的光电特性。但是，与GaN相比，ZnO具有更高的熔点和激子束缚能、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使得对外延片的后续加工更容易，使器件的制备更方便等等。因此，ZnO基发光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光电器件，有着更广阔的应用前景，特别是ZnO紫外光电器件更为人们所重视。
由于ZnO单晶薄膜的外延制备目前还不成熟，非常完整且一致连续的ZnO单晶薄膜很难获得。目前制备的ZnO单晶薄膜大多数是C轴取向生长的薄膜，由于晶粒边界和缺陷的存在，使得ZnO同质p-n结型的发光器件发光效率非常低。同时往往伴随着和缺陷相关的深能级发光，这一深能级发光波长在可见光波段，它往往比紫外带边发射更强。于是人们开始用薄膜外延制备技术制备比较成熟的GaN材料和ZnO材料结合制备发光器件。但是，目前制备的p型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，因而器件串联电阻也大，器件工作电压高，器件输出功率低。而且，p型GaN由于杂质能级的影响光子跃迁的能量小于禁带宽度很多，发光波长较长，达不到紫外波段；同时，如将载流子限制在n型ZnO发光层复合发光，克服上述ZnO基发光器件的这一困难，就需要制备一层电流限制层。
发明内容
为了解决现有技术中ZnO发光器件发光效率低，电阻较大，器件输出功率低等技术问题，本发明提供了一种氧化锌基异质结发光器件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种氧化锌基异质结发光器件，包括衬底、在衬底上外延生长的GaN外延层、设置在GaN外延层上的正电极、ZnO发光层和设置在ZnO发光层上的负电极，所述的GaN外延层上还设置有一个独立于正电极的电流限制层，ZnO发光层设置在电流限制层上，该电流限制层为i型NiO薄膜，所述的GaN外延层为p型GaN薄膜，ZnO发光层为n型ZnO薄膜。
所述的GaN外延层、电流限制层和ZnO发光层均由MOCVD工艺制备，且电流限制层的禁带宽度大于ZnO发光层的禁带宽度。
所述负电极和正电极的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au中的任意一种。
所述的衬底为蓝宝石衬底。
一种氧化锌基异质结发光器件的制备方法，包括以下工艺步骤：
1)、衬底的清洗：将衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声波清洗3~8min，之后采用高纯氮气将衬底吹干，并放入MOCVD设备中准备生长；
2)、样品的制备：利用MOCVD制备技术在衬底上依次制备出p型GaN薄膜、i型NiO薄膜和n型ZnO薄膜，其中，所述p型GaN薄膜的制备过程中的载流子浓度为5×1018cm-3；
3)、n-ZnO接触电极的制备：将步骤二制得的样品放入真空镀膜机内，通过掩膜板热蒸发的方法在n型ZnO薄膜表面制备负电极；
4)、p-GaN接触电极的制备：用湿法腐蚀的方法将n型ZnO薄膜和i型NiO薄膜的一部分腐蚀掉，将p型GaN薄膜暴露出来，然后在露出的p型GaN薄膜上设置正电极，所述的湿法腐蚀的的试剂为HCl与H2O体积比为1:20的盐酸溶液；
5)、器件的退火处理：设置好正电极后，在N2保护下进行退火处理，控制退火处理的时间为2min，温度为380℃。
本发明的有益效果：
本发明采用n型ZnO和p型GaN组合作为发光器件，可以克服p型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，器件串联电阻也大，器件工作电压高，器件输出功率低等缺点；同时能够克服p型GaN禁带宽度窄，发光波长较长，达不到紫外波段等问题。使用NiO作为电流限制夹层能够有效的将电子阻挡在ZnO一侧，能进一步增加向ZnO发光层一侧注入的空穴数量，提高了n型ZnO层的紫外发光效率，进一步拓展了器件的应用范围和使用性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意俯视图；
附图标记：1、衬底，2、GaN外延层，3、电流限制层，4、ZnO发光层，5、负电极，6、正电极。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
一种氧化锌基异质结发光器件，包括衬底1、在衬底1上外延生长的GaN外延层2、设置在GaN外延层2上的正电极6、ZnO发光层4和设置在ZnO发光层4上的负电极5，所述的GaN外延层2上还设置有一个独立于正电极6的电流限制层3，ZnO发光层4设置在电流限制层3上，该电流限制层3为i型NiO薄膜，所述的GaN外延层2为p型GaN薄膜，ZnO发光层4为n型ZnO薄膜。
所述的GaN外延层2、电流限制层3和ZnO发光层4均由MOCVD工艺制备，且电流限制层3的禁带宽度大于ZnO发光层4的禁带宽度。
所述负电极5和正电极6的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au中的任意一种。
所述的衬底1为蓝宝石衬底。
一种氧化锌基异质结发光器件的制备方法，包括以下工艺步骤：
1)、衬底的清洗：将衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声波清洗3~8min，之后采用高纯氮气将衬底吹干，并放入MOCVD设备中准备生长；
2)、样品的制备：利用MOCVD制备技术在衬底上依次制备出p型GaN薄膜、i型NiO薄膜和n型ZnO薄膜，其中，所述p型GaN薄膜的制备过程中的载流子浓度为5×1018cm-3；
3)、n-ZnO接触电极的制备：将步骤二制得的样品放入真空镀膜机内，通过掩膜板热蒸发的方法在n型ZnO薄膜表面制备负电极5；
4)、p-GaN接触电极的制备：用湿法腐蚀的方法将n型ZnO薄膜和i型NiO薄膜的一部分腐蚀掉，将p型GaN薄膜暴露出来，然后在露出的p型GaN薄膜上设置正电极6，所述的湿法腐蚀的的试剂为HCl与H2O体积比为1:20的盐酸溶液；
5)、器件的退火处理：设置好正电极后，在N2保护下进行退火处理，控制退火处理的时间为2min，温度为380℃。
本发明的氧化锌基异质结发光器件采用n型ZnO和p型GaN组合的方式不仅克服了p型GaN外延层载流子浓度偏低，电阻大，器件串联电阻也大，器件工作电压高，器件输出功率低等技术缺点，也解决了p型GaN禁带宽度窄，发光波长较长，达不到紫外波段等问题。使用NiO作为夹层能够有效的将电子阻挡在ZnO一侧，能进一步增加向ZnO发光层一侧注入的空穴数量，提高了n型ZnO层的紫外发光效率，进一步拓展了器件的应用范围和使用性能。
Claims (5)
1.一种氧化锌基异质结发光器件，包括衬底（1）、在衬底（1）上外延生长的GaN外延层（2）、设置在GaN外延层（2）上的正电极（6）、ZnO发光层（4）和设置在ZnO发光层（4）上的负电极（5），其特征在于：所述的GaN外延层（2）上还设置有一个独立于正电极（6）的电流限制层（3），ZnO发光层（4）设置在电流限制层（3）上，该电流限制层（3）为i型NiO薄膜，所述的GaN外延层（2）为p型GaN薄膜，ZnO发光层（4）为n型ZnO薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种氧化锌基异质结发光器件，其特征在于：所述的GaN外延层（2）、电流限制层（3）和ZnO发光层（4）均由MOCVD工艺制备，且电流限制层（3）的禁带宽度大于ZnO发光层（4）的禁带宽度。
3.根据权利要求1所述的一种氧化锌基异质结发光器件，其特征在于：所述负电极（5）和正电极（6）的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种氧化锌基异质结发光器件，其特征在于：所述的衬底（1）为蓝宝石衬底。
5.根据权利要求1所述的一种氧化锌基异质结发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
1)、衬底的清洗：将衬底依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声波清洗3~8min，之后采用高纯氮气将衬底吹干，并放入MOCVD设备中准备生长；
2)、样品的制备：利用MOCVD制备技术在衬底上依次制备出p型GaN薄膜、i型NiO薄膜和n型ZnO薄膜，其中，所述p型GaN薄膜的制备过程中的载流子浓度为5×1018cm-3；
3)、n-ZnO接触电极的制备：将步骤二制得的样品放入真空镀膜机内，通过掩膜板热蒸发的方法在n型ZnO薄膜表面制备负电极（5）；
4)、p-GaN接触电极的制备：用湿法腐蚀的方法将n型ZnO薄膜和i型NiO薄膜的一部分腐蚀掉，将p型GaN薄膜暴露出来，然后在露出的p型GaN薄膜上设置正电极（6），所述的湿法腐蚀的的试剂为HCl与H2O体积比为1:20的盐酸溶液；
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