CN107302044A - 一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体光电器件技术领域，具体为一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管。该发光二极管包括：衬底、缓冲层、n型ZnO、多量子阱MQWs、和p型ZnO。其中多量子阱MQWs由具有Cd组份周期锯齿形状变化的CdxZn1‑xO/ZnO组成，通过调节量子阱层中的Cd组份周期性变化，使得：形成周期性富Cd组份聚集区，降低载流子非辐射复合效率；相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，有利于载流子的集体振荡，提升辐射复合效率；调节能带结构，降低极化效应，提升量子阱中电子和空穴的波函数交叠，最终实现发光二极管的发光强度和量子效率大幅度提升。

Description

一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及一种周期性量子阱耦合调控增强型ZnO基发光二极管。
背景技术
近些年来，发光二极管（LED）已经被市场证明为一种具有巨大潜力的发光器件，广泛应用于显示屏、背光、照明等领域，也被国家定位为未来新能源、新材料发展领域里面的一个发展方向。目前ZnO被认为是有望实现下一代LED发光器件的主要材料，受到了国内外科研机构的广泛关注。对于ZnO基LED来说，多量子阱层的生长至关重要，该层通过载流子在量子阱中的量子限制效应来提升器件的发光效率。目前在ZnO基发光二极管的多量子阱中，阱层的材料是CdxZn1-xO。但是由于CdO和ZnO的物理特性（晶格常数、热导率系数、极化强度、化学键能等）相差较大，量子阱中的缺陷密度往往较大，形成非辐射复合中心，降低了LED的发光效率；另外多量子阱中各阱层中空穴和电子的复合并没有关联，不利于实现载流子级联振荡耦合，从而发光效率得不到进一步提升。因此，有必要提出一种周期性量子阱耦合调控增强型ZnO基发光二极管。
发明内容
针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，包括衬底1、衬底上面的缓冲层2、n型ZnO层3，在n型GaN层上面的CdxZn1-xO/ZnO多量子阱4，在多量子阱层上面的p型ZnO层5，在p型层和n型层上的金属接触电极6；其中多量子阱层中阱层由Cd组份具有周期锯齿状变化的CdxZn1-xO组成，垒层则由ZnO组成。
进一步地，所述的衬底1可为蓝宝石（Al2O3）、单晶硅（Si）、单晶氮化镓（GaN）、单晶砷化镓（GaAs）和单晶碳化硅（SiC）等。
进一步地，所述的缓冲层2可以是Mg、MgO、ZnO、CdxZn1-xO中的一种或多种组合材料复合组成。
进一步地，所述的n型ZnO层通过掺Al或Ga实现，载流子浓度控制在1016 cm-3~1020cm-3之间，厚度为50 nm~5 μm。
进一步地，所述的多量子阱MQWs对数为3~15对，由具有Cd组份周期锯齿形状变化的CdxZn1-xO/ZnO组成，通过调节量子阱层中的Cd组份周期性变化，形成周期性的富In组份聚集区，使相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，并调节能带结构。CdxZn1-xO阱层中调制的Cd组份波动不超过发光主波长特定Cd组份的20%。
所述的多量子阱结构具有以下三个优势：1，形成周期性的富Cd组份聚集区，降低载流子非辐射复合效率；2，相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，有利于载流子的集体振荡，提升辐射复合效率；3，调节能带结构，降低极化效应，提升量子阱中电子和空穴的波函数交叠，最终实现发光二极管的发光强度和量子效率大幅度提升。
进一步地，所述的多量子阱层中的CdxZn1-xO层具有周期性应力。
进一步地，所述的p型ZnO层通过掺N、P、As或Li实现，载流子浓度控制在1016 cm-3~1019 cm-3之间，厚度为50 nm~500 nm。
进一步地，所述的接触金属电极为钛（Ti）、铂（Pt）、金（Au）、银（Ag）、铝（Al）等单层金属或金属复合层；接触电极层的厚度为30 nm~500 nm，然后在接触电极上再蒸镀一层10nm~500 nm厚的金（Au）层，起到防止接触金属氧化和优化导电性能的作用。
上述量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
① 在生长前先对衬底进行清洗，其中Si衬底的清洗步骤为：先在硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸（HF）中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO2氧化层腐蚀掉，紧接着在氨水（NH3.H2O）和双氧水（H2O2）中清洗3 min~15 min，再继续在氢氟酸（HF）中清洗1 min~ 3 min，最后在盐酸（HCl）中清洗3 min~15 min后用去离子水冲干净，用氮气枪吹干然后装入生长腔直接生长；Al2O3、GaN单晶、ZnO单晶和SiC衬底则不需要生长前清洗；
② 在衬底处理完后，开始缓冲层的生长，根据生长方法的不同，可用的方法包括磁控溅射法（sputter）、分子束外延法（MBE）、金属有机气相沉积法（MOCVD）和激光脉冲沉积法（PLD）；
③ 生长完缓冲层后，开始n型ZnO层的生长，其厚度可通过生长时间的长短控制，掺杂元素为Al或Ga；接着开始多量子阱CdxZn1-xO/ZnO层的生长，通过控制生长的衬底温度或Cd源的束流周期线性变化来控制Cd组份含量；接着开始p型ZnO层的生长，掺杂元素为N、P、As或Li等；根据生长方法的不同，可用的方法包括磁控溅射法（sputter）、分子束外延法（MBE）、金属有机气相沉积法（MOCVD）和激光脉冲沉积法（PLD）；
④ 薄膜制备完后先用丙酮、异丙醇IPA（丙醇）等化学试剂对薄膜的表面进行清洗，得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用标准ICP刻蚀的方法把裸露部分的p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来；
⑤ 再次把刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净，然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀（热蒸发）的方法在上面镀上金属电极，所制备的电极金属包括前面提及的各种金属，根据所需接触的不同进行选择。
附图说明
图1：本发明一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管的结构示意图。
图2：多量子阱的结构示意图。
图3：量子阱的阱层能带结构的示意图。
图中标号：1为衬底，2为缓冲层，3为n型ZnO层，4为CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层，5为p型ZnO层，6为金属接触电极。
具体实施方式
实施例1，一种如图1所示的一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，包括衬底1、衬底上面的缓冲层2、n型ZnO层3，；在n型ZnO层上面的CdxZn1-xO/ZnO多量子阱4，在多量子阱层上面的p型ZnO层5，在p型层和n型层上的金属接触电极6。
本实施例采用分子束MBE外延的方法生长，具体的制备方法如下：
1）在生长前先对衬底进行清洗，其中Si衬底的清洗步骤为：先在硫酸（H2SO4）和双氧水（H2O2）中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸（HF）中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO2氧化层腐蚀掉，紧接着进一步在氨水（NH3.H2O）和双氧水（H2O2）中清洗3 min~15 min，接着再继续在氟酸（HF）中清洗1 min~ 3 min，最后在盐酸（HCl）中清洗3 min~15 min后用去离子水冲干净，在氮气枪下吹干后装入生长腔直接生长。GaN、SiC、Al2O3和ZnO单晶衬底则不需要生长前清洗。
2）开始缓冲层的生长,各固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，气体源或金属有机源则通过质量流量计来控制；缓冲层的厚度为10 nm ~500 nm，厚度可通过生长时间精确控制。
3）生长完缓冲层后，开始n型ZnO层的生长，掺杂元素为Al或Ga，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，金属有机源或气体源则通过质量流量计来控制；n型ZnO层的厚度为50 nm~5 μm，厚度可通过生长时间的长短精确控制。
4）生长完n型ZnO层后，接着生长CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层，阱层CdxZn1-xO中的Cd组份通过控制衬底温度周期锯齿线性变化来调控，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，金属有机源或气体源则通过质量流量计来控制。
5）生长完CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层后，接着开始p型ZnO层的生长，掺杂元素为N、P、As或Li等，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，气体源则通过质量流量计来控制；p型层的厚度为10 nm~500 nm，厚度可通过生长时间的长短控制。
6）薄膜制备完后先后用丙酮、异丙醇IPA（丙醇）等化学试剂对薄膜的表面进行清洗，以得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用标准ICP刻蚀的方法把p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来。
7）刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净。然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀（热蒸发）的方法在其上面镀上金属电极，完成器件的制备，所制备的电极包括权利要求7所提及的各种金属。
实施例2，缓冲层、n型ZnO层、CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层、p型ZnO层通过金属有机气相沉积（MOCVD）的方法来实现。
实施例3，缓冲层、n型ZnO层、CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层、p型ZnO层通过脉冲激光沉积（PLD）的方法来实现。
实施例4，缓冲层、n型ZnO层、CdxZn1-xO/ZnO多量子阱层、p型ZnO层通过通过磁控溅射（Sputter）的方法来实现。

Claims (8)

1.一种量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，包括衬底、衬底上面的缓冲层、n型ZnO层，在n型ZnO层上面的CdxZn1-xO/ZnO多量子阱，在多量子阱层上面的p型ZnO层，在p型层和n型层上的金属接触电极；其中多量子阱层中阱层由Cd组份具有周期锯齿状变化的CdxZn1-xO组成，垒层则由ZnO组成。
2.根据权利要求1所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、单晶硅、单晶氮化镓、单晶氧化锌或单晶砷化镓。
3.根据权利要求1所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，所述缓冲层是Mg、MgO、ZnO和CdxZn1-xO之中的一种或多种材料复合组成。
4.根据权利要求1、2或3所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，所述n型ZnO层通过掺Al或Ga实现，载流子浓度控制在1016 cm-3~1020 cm-3之间，厚度为50 nm~5 μm。
5.根据权利要求4所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，其中多量子阱MQWs对数为3~15对，由具有Cd组份周期锯齿形状变化的CdxZn1-xO/ZnO组成，通过调节量子阱层中的Cd组份周期性变化，形成周期性的富In组份聚集区，使相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，并调节能带结构。
6. 根据权利要求1、2、3或5所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，所述p型ZnO层通过掺N、P、As或Li实现，载流子浓度控制在1016 cm-3~1019 cm-3之间，厚度为50 nm~500 nm。
7.根据权利要求6所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管，其特征在于，所述接触金属电极为钛、铂、金、银、铝单层金属或金属复合层；接触电极层的厚度为30 nm~500 nm，在接触电极上蒸镀有一层10 nm~500 nm厚的金层。
8.根据权利要求1-7之一所述的量子阱耦合增强型ZnO基发光二极管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
① 衬底清洗，其清洗步骤为：先在硫酸和双氧水中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO2氧化层腐蚀掉，紧接着在氨水和双氧水中清洗3 min~15 min，再继续在氢氟酸中清洗1 min~ 3 min，最后在盐酸中清洗3 min~15 min后用去离子水冲干净，用氮气枪吹干然后装入生长腔直接生长；Al2O3、GaN单晶、ZnO单晶和SiC衬底则不需要生长前清洗；
②先生长缓冲层，方法为磁控溅射法、分子束外延法、金属有机气相沉积法或激光脉冲沉积法；
③制备薄膜：生长n型ZnO层，其厚度通过生长时间的长短控制，掺杂元素为Al或Ga；接着生长多量子阱CdxZn1-xO/ZnO层，通过控制生长的衬底温度或Cd源的束流周期线性变化来控制Cd组份含量；接着生长开始p型ZnO层，掺杂元素为N、P、As或Li；方法为磁控溅射法、分子束外延法、金属有机气相沉积法或激光脉冲沉积法；
④ 然后，用丙酮、异丙醇化学试剂对薄膜的表面进行清洗，得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用ICP刻蚀的方法把裸露部分的p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来；
⑤ 把刻蚀完的样品再次用丙酮、异丙醇和去离子水清洗干净，然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀的方法在上面镀上金属电极。
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