CN107644900B - 一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构及其制备方法、应用 - Google Patents
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构及其制备方法、应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了p‑AlN/i‑AlN/n‑ZnO结构，包括由下至上依次排列的衬底、p‑AlN层、i‑AlN层和n‑ZnO层；本发明还公开了上述p‑AlN/i‑AlN/n‑ZnO结构的制备及应用；本发明制备得到的p‑AlN/i‑AlN/n‑ZnO结构具有结构简单、光电性能好等特点，制备方法具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构及其制备方法、应用。
背景技术
光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
目前，LED大多是基于GaN半导体材料的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展。因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，因此ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构，主要以p氧化物/n型ZnO和p型GaN/n型ZnO为主。与p型氧化物相比，p型GaN具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点，因此，p型GaN/n型ZnO异质结LED成为主流发展方向。然而，p型GaN/n型ZnO异质结LED并没有达到使用ZnO完全替代GaN的目的。
那么，如何才能实现在ZnO基LED器件中完全替代GaN呢？研究发现，AlN同样具有热稳定性高、化学稳定性好、技术成熟等优点。此外，与GaN相比，AlN的原材料非常丰富。以AlN取代GaN，发展p型AlN/n型ZnO基LED是一种较为理想的技术方案。理论研究和实验测试证实，AlN的费米能级约为3.3eV，而ZnO的费米能级为3.3eV。而且二者的晶格失配仅为2％。因此，从理论上来说，发展p型AlN/n型ZnO基LED是可行的。
因此，以AlN和ZnO取代GaN，发展p型AlN/n型ZnO基LED，可以大量节约宝贵的Ga资源，并促进AlN和ZnO基器件的发展。
发明内容
针对现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的之一在于提供一种可用于LED、激光二极管(LD)、太阳能电池等器件的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，具有结构简单、光电性能好的优点。
本发明的目的之二在于提供上述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法。
本发明的目的之三在于提供上述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，包括依次排列的p型AlN层、i型AlN层和n型ZnO层
优选地，所述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构包括由下至上依次排列的衬底、p型AlN层、i型AlN层和n型ZnO层，所述衬底包括Si、蓝宝石或掺钇氧化锆。
优选地，所述p型AlN层的掺杂元素包括Mg、Ti、C、Si中的至少一种；所述n型ZnO层的掺杂元素包括Al、Si、Cu、Ag中的至少一种。
优选地，所述p型AlN层的厚度为150-3500nm。
优选地，所述i-AlN层的厚度为2-30nm。
优选地，所述n型ZnO层的厚度为150-500nm。
上述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将预处理后的衬底置于真空室中，真空度为2×10-8-9×10-8Pa，在温度为700-1200℃的条件下退火30-120min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
(2)p-AlN的制备：在温度为200～900℃的高真空条件下，真空度为2×10-7-9×10-6Pa，在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积p型AlN层；
(3)i-AlN的制备：在温度为200～900℃的高真空条件下，真空度为2×10-7-9×10-6Pa，在p型AlN层上沉积i型AlN层；
(4)n-ZnO的制备：在温度为200～600℃的高真空条件下，真空度为2×10-7-9×10-6Pa，在i型AlN层上沉积n型ZnO层。
优选地，步骤(1)中预处理包括将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干。
优选地，步骤(2)、(4)、(4)中沉积的方法包括磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或分子束外延。
上述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构可用于制备LED、LD和太阳能电池。
本发明的有益效果：
(1)本发明的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构适用范围广，可以在多种衬底(如Si、蓝宝石、掺钇氧化锆(YSZ)等)上实现p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的可控生长，有利于降低生产成本；此外，AlN和ZnO的费米能级相近(AlN的费米能级约为3.3eV，ZnO的费米能级为3.3eV)，通过控制掺杂元素可以实现激发光或者吸收光波段的可控调节，可广泛应用于制备LED、LD和太阳能电池等器件；
(2)本发明制备得到的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构完全不需要用到Ga，节约了宝贵的Ga资源，降低生产成本；
(3)本发明制备的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构具有结构简单、光电性能优异的优点，有利于制备低成本、高质量光电器件。
附图说明
图1是实施例1制备得到的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的截面示意图；
图2是实施例1制备得到的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的p型AlN层的反射高能电子衍射(RHEED)图谱；
图3是实施例5的LED器件结构的截面示意图；
图4是实施例6的太阳能电池器件结构的截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；然后将衬底置于真空室中，真空度为5×10-8Pa，在温度为800℃的条件下退火30min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
(2)p-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，，真空度为7×10-7Pa，采用磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、分子束外延等方法在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积一层1500nm厚的p型AlN薄膜，所述p-AlN薄膜的掺杂元素为Mg；
(3)i-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，真空度为7×10-7Pa，采用磁控溅射方法在p型AlN层上沉积一层3nm厚的i型AlN薄膜；
(4)n-ZnO薄膜的制备：在温度为500℃的高真空条件下，真空度为4×10-7Pa，采用磁控溅射方法在i型AlN层上沉积一层300nm厚的n型ZnO层，所述n型ZnO薄膜的掺杂元素为Al。
如图1所示，本实施例制备得到的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，包括由下至上依次排列的衬底11和p-AlN层12、i-AlN层13以及n-ZnO层14。
图2是本实施例制备的高质量p-AlN薄膜的反射高能电子衍射(RHEED)图谱，图中表明当p-AlN薄膜的厚度达到300nm时，RHEED图谱为条状图样，说明在衬底上长出了高结晶度的p-AlN薄膜。
实施例2
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；然后将衬底置于真空室中，真空度为6×10-8Pa，在温度为800℃的条件下退火30min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
(2)p-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，，真空度为8×10-7Pa，采用等离子体增强化学气相沉积方法在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积一层1800nm厚的p型AlN薄膜，所述p-AlN薄膜的掺杂元素为Si和C；
(3)i-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，真空度为8×10-7Pa，采用等离子体增强化学气相沉积方法在p型AlN层上沉积一层2nm厚的i型AlN薄膜；
(4)n-ZnO薄膜的制备：在温度为500℃的高真空条件下，真空度为5×10-7Pa，采用等离子体增强化学气相沉积方法在i型AlN层上沉积一层350nm厚的n型ZnO层，所述n型ZnO薄膜的掺杂元素为Ag。
通过上述步骤获得了高质量p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构。
实施例3
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；然后将衬底置于真空室中，真空度为1×10-7Pa，在温度为1200℃的条件下退火120min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
(2)p-AlN薄膜的制备：在温度为900℃的高真空条件下，真空度为9×10-6Pa，采用磁控溅射方法在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积一层3500nm厚的p型AlN薄膜，所述p-AlN薄膜的掺杂元素为Si和C；
(3)i-AlN薄膜的制备：在温度为900℃的高真空条件下，真空度为9×10-6Pa，采用等离子体增强化学气相沉积方法在p型AlN层上沉积一层2nm厚的i型AlN薄膜；
(4)n-ZnO薄膜的制备：在温度为600℃的高真空条件下，真空度为9×10-6Pa，采用磁控溅射方法在i型AlN层上沉积一层150nm厚的n型ZnO层，所述n型ZnO薄膜的掺杂元素为Ag。
通过上述步骤获得了高质量p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构。
实施例4
一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干；然后将衬底置于真空室中，真空度为9×10-8Pa，在温度为800℃的条件下退火30min，除去衬底表面的残留碳化物，从而获得干净且平整的表面；
(2)p-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，真空度为8×10-7Pa，采用磁控溅射方法在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积一层150nm厚的p型AlN薄膜，所述p-AlN薄膜的掺杂元素为Ti；
(3)i-AlN薄膜的制备：在温度为750℃的高真空条件下，真空度为8×10-7Pa，采用磁控溅射方法在p型AlN层上沉积一层30nm厚的i型AlN薄膜；
(4)n-ZnO薄膜的制备：在温度为500℃的高真空条件下，真空度为3×10-7Pa，采用磁控溅射方法在i型AlN层上沉积一层500nm厚的n型ZnO层，所述n型ZnO薄膜的掺杂元素为Al和Si。
通过上述步骤获得了高质量p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构。
实施例5
将实施例1制备得到的生长在衬底上的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构用于制备LED：将制备得到的生长在衬底上的高质量p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，继续制备LED器件(其结构截面示意图如图3所示)，其包括p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构以及p电极15和n电极16，其中所述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构包括由下至上依次排列的衬底11和p-AlN12、i-AlN13以及n-ZnO14。具体的制备过程为：在p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构上使用掩膜、刻蚀和电子束蒸发形成欧姆接触p电极15和n电极16。在此基础上通过在N2气氛下退火，提高了n型ZnO薄膜的载流子浓度和迁移率。所制备的具有p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的LED器件，在20mA的工作电流下，光输出功率为4.0mW，开启电压值为3.2V。
实施例6
将实施例1制备的生长在衬底上的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构用于制备太阳能电池：将制备得到的生长在衬底上的高质量p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，继续制备太阳能电池器件(其结构截面示意图如图4所示)，其包括p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构以及电极15，其中所述p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构包括由下至上依次排列的衬底11和p-AlN12、i-AlN13、n-ZnO14。具体的制备过程为：在p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构上使用掩膜、刻蚀和电子束蒸发形成欧姆接触电极15。在此基础上通过在N2气氛下退火，提高了n型ZnO薄膜的载流子浓度和迁移率。所制备的太阳能电池器件室温下的光电转化效率为7.5％，短路光电流密度为30mA/cm2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，其特征在于，包括依次排列的p型AlN层、i型AlN层和n型ZnO层；
其中，所述p型AlN层的掺杂元素包括Mg、Ti、C、Si中的至少一种；所述n型ZnO层的掺杂元素包括Al、Si、Cu、Ag中的至少一种；所述p型AlN层的厚度为150-3500nm；所述i-AlN层的厚度为2-30nm；所述n型ZnO层的厚度为150-500nm。
2.根据权利要求1所述的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构，其特征在于，包括由下到上依次排列的衬底、p型AlN层、i型AlN层和n型ZnO层，所述衬底包括Si、蓝宝石或掺钇氧化锆。
3.权利要求1或2所述的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)衬底的处理：将预处理后的衬底置于真空室中，在温度为700-1200℃的条件下退火30-120min；
(2)p-AlN的制备：在温度为200～900℃的高真空条件下，在经过步骤(1)处理后的衬底上沉积p型AlN层；
(3)i-AlN的制备：在温度为200～900℃的高真空条件下，在p型AlN层上沉积i型AlN层；
(4)n-ZnO的制备：在温度为200～600℃的高真空条件下，在i型AlN层上沉积n型ZnO层。
4.根据权利要求3所述的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，其特征在于，步骤(1)中预处理包括将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5min，再依次经过盐酸、丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，用高纯干燥氮气吹干。
5.根据权利要求3所述的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)、(3)、(4)中沉积的方法包括磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积或分子束外延。
6.根据权利要求1或2所述的p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构可用于制备LED、LD和太阳能电池。
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