CN105742190A - ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法 - Google Patents

ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZnO基不对称量子阱隧穿同质pn二极管的制备方法，其步骤包括：在1050摄氏度下烧结ZnO、ZnLiO、ZnMgO靶材；利用物理沉积方法，在真空度104Pa以上，生长温度不超过500℃的条件下实现对ZnO材料的LiN复合掺杂；在Si衬底上实现沉积LiN复合掺杂pZnO薄膜；使用Mg作为能带调节元素，设计ZnO/ZnMgO结构宽窄势垒和等距势垒两种超晶格结构；将超晶格安置于pn结构中；pZnO/nZnO同质结厚度控制在300nm以内；制备Ag电极；完成量子阱器件的制备，进行性能测试。本发明实现了稳定优质的p型掺杂ZnO，构造高质量的pZnO/nZnO同质结物理器件；利用超晶格结构实现室温下的载流子局域效应，优化了pZnO/nZnO同质结器件的性能。

Description

ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，属于半导体量子阱器件领域。
背景技术
相比原料昂贵的GaN基半导体材料，性能相似的ZnO因为其独一无二的优点，从上世纪九十年代起开始重新受到很多关注。它是宽禁带直接半导体，带隙(3.36eV)，在绿、蓝光以及白光发光器件方面有重要的应用。它拥有较高电子迁移率和高激子束缚能(60meV)，这使得其中的激子能够在室温下稳定存在(室温能量在26meV)，并且实现低阈值的受激发射。以上这些特性都使ZnO在室温下就能具有优异的光电子特性。它同时还是一种很好的透明导电材料。同时具有热稳定性高、化学性能稳定、生物兼容性好等优点。同时对比GaN的最佳制备温度1000℃，ZnO最佳制备温度只需要500℃左右，衬底与制备工艺都相对简单，因此它一直是第三代新型半导体材料中最重要的一类功能材料，成为材料界及光电子领域的研究热点。目前最新和最具吸引力的研究方向是通过加入多个量子阱或是量子势垒形成超晶格结构来调制器件光电性能，实现器件的高增益、深波段光电子发射。
这些先进物理器件的实现都面临两个主要困难:一是鉴于Ⅱ-Ⅵ族ZnO本征缺陷的n型导电类型，要实现ZnO在器件上的应用，急需解决的问题便是利用掺杂实现稳定可靠的高质量的p型掺杂ZnO材料；二是如何实现其室温下的超晶格结构的量子效应，由于ZnO禁带宽度宽，则电子隧穿几率很低，量子效率大大降低，若一味地通过增加隧道结两端的电压来提高隧穿几率，则会造成载流子的严重泄漏或隧道结反向击穿，最终毁坏器件。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，在宽禁带半导体ZnO的器件上实现了高几率的电子隧穿，使其出现了室温下量子效应造成的隧穿现象，实现了低压ZnO基量子阱的隧穿二极管。
本发明的技术方案如下：
一种ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在1050摄氏度下烧结ZnO、ZnLiO、ZnMgO靶材，同时完成基片的清洗，氮气气源的准备；
步骤2：利用物理沉积方法，在真空度10-4Pa以上，生长温度不超过500℃的条件下实现对ZnO材料的Li-N复合掺杂；在Si衬底上实现沉积Li-N复合掺杂p-ZnO薄膜，实现p-ZnO薄膜生长；使用Mg作为能带调节元素，设计ZnO/ZnMgO结构宽窄势垒和等距势垒两种超晶格结构；将超晶格安置于p-n结构中；p-ZnO/n-ZnO同质结厚度控制在300nm以内；
步骤3：制备Ag电极；
步骤4：完成量子阱器件的制备，进行性能测试。
进一步，步骤1中，将ZnO、MgO、LiO的化学纯试剂，分别按照Mg＝0.15at.％、0.25at.％、0.35at.％的配比混合、研磨、预烧和压片成型，在1050℃下烧结12h，制备成不同Mg含量的ZnMgO、ZnLiO陶瓷靶和纯ZnO靶。
进一步，步骤2中，采用本征ZnO薄膜作为n型层，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定。
进一步，步骤2中，制备ZnMgO/ZnO结构的条件为，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定。
进一步，步骤2中，采用Zn(Li，N)层作为p型层，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定，镀膜时通入气压为2.3Pa的氮气。
进一步，步骤3中，采用纯度为99.999％的Ag靶，工艺条件为，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定，冷镀完成电极制备。
本发明的有益效果如下：
(1)实现了稳定优质的p型掺杂ZnO，构造高质量的p-ZnO/n-ZnO同质结物理器件。
(2)利用超晶格结构实现室温下的载流子局域效应，优化了p-ZnO/n-ZnO同质结器件的性能。在宽禁带半导体ZnO的器件上实现了高几率的电子隧穿，量子效率大大提高，使其出现了室温下量子效应造成的隧穿现象，隧穿电压仅为-0.69V，实现了低压ZnO基量子阱的隧穿二极管。
附图说明
图1是加入量子阱的ZnO同质p-n结结构图；
图2是ZnO基二极管器件的I-V曲线图；
图3是本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法步骤如图3所示，包括：
(1)1050摄氏度烧结ZnO，ZnLiO，ZnMgO靶材，同时完成基片的清洗，氮气气源的准备。
(2)利用物理沉积方法，在真空度在10-4Pa以上，生长温度不超过500℃的条件下实现对ZnO材料的Li-N复合掺杂。在Si衬底上实现可重复性较高的沉积Li-N复合掺杂p-ZnO薄膜，实现p-ZnO薄膜生长。使用Mg作为能带调节元素，设计ZnO/ZnMgO结构宽窄势垒和等距势垒两种超晶格结构。将超晶格安置于p-n结构中。p-ZnO/n-ZnO同质结厚度控制在300nm以内，
(3)并制备Ag电极，如图1所示。
(4)完成量子阱器件的制备，进行性能测试。
本发明的具体实施方案如下：
(1)采用氧化物方法制备靶材。ZnO、MgO、LiO(99.9％)为化学纯试剂，分别按照Mg＝0.15at.％；0.25at.％；0.35at.％的配比混合、研磨、预烧和压片成型，在1050℃下烧结12h，制备成不同Mg含量的ZnMgO、ZnLiO陶瓷靶和纯ZnO靶。
(2)本征ZnO薄膜作为n型层。采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定。
(3)制备ZnMgO/ZnO量子阱多层结构。具体条件如上。
(4)Zn(Li，N)层作为p型层。采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，其它条件如上，镀膜时通入气压为2.3Pa的氮气。该ZnO p-n结器件结构示意图如图1所示。
(5)使用了Ag(99.999％)靶，工艺条件如(2)冷镀完成电极制备。
在Accent HL5500PC霍尔效应测量仪上测试其势阱内的霍尔效应：包括势阱内的霍尔迁移率，载流子类型和浓度以及电阻率如表1所示，在不同磁场下，器件都保持着较高的霍尔迁移率和载流子浓度，说明室温下器件的寿命和性能都有很好的保证。
表1霍尔迁移率，载流子类型和浓度以及电阻率
ZnO基二极管器件的I-V曲线如图2所示。Q1-2是ZnO量子阱p-n结，从图中可以明显看出，反向偏压下，ZnO量子阱器件出现了明显的隧穿二极管的特征。这说明在宽禁带半导体ZnO的器件上实现了电子隧穿几率高，量子效率大大提高，使其出现了室温下量子效应造成的隧穿现象，隧穿电压仅为-0.69V，实现了低压ZnO基量子阱的隧穿二极管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在1050摄氏度下烧结ZnO、ZnLiO、ZnMgO靶材，同时完成基片的清洗，氮气气源的准备；
步骤2：利用物理沉积方法，在真空度10-4Pa以上，生长温度不超过500℃的条件下实现对ZnO材料的Li-N复合掺杂；在Si衬底上实现沉积Li-N复合掺杂p-ZnO薄膜，实现p-ZnO薄膜生长；使用Mg作为能带调节元素，设计ZnO/ZnMgO结构宽窄势垒和等距势垒两种超晶格结构；将超晶格安置于p-n结构中；p-ZnO/n-ZnO同质结厚度控制在300nm以内；
步骤3：制备Ag电极；
步骤4：完成量子阱器件的制备，进行性能测试。
2.根据权利要求1所述的ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，其特征在于：步骤1中，将ZnO、MgO、LiO的化学纯试剂，分别按照Mg＝0.15at.％、0.25at.％、0.35at.％的配比混合、研磨、预烧和压片成型，在1050℃下烧结12h，制备成不同Mg含量的ZnMgO、ZnLiO陶瓷靶和纯ZnO靶。
3.根据权利要求1所述的ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，其特征在于：步骤2中，采用本征ZnO薄膜作为n型层，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定。
4.根据权利要求1所述的ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，其特征在于：步骤2中，制备ZnMgO/ZnO结构的条件为，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定。
5.根据权利要求1所述的ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，其特征在于：步骤2中，采用Zn(Li，N)层作为p型层，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定，镀膜时通入气压为2.3Pa的氮气。
6.根据权利要求1所述的ZnO基不对称量子阱隧穿同质p-n二极管的制备方法，其特征在于：步骤3中，采用纯度为99.999％的Ag靶，工艺条件为，采用脉冲激光积法在Si(100)衬底上制备，衬底温度Ts＝450℃，靶间距d＝50mm，激光能量Epulse＝190mJ/pulse，激光频率f＝4Hz，本底真空P＝5×10-4Pa，沉积时间t以膜厚而定，冷镀完成电极制备。
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