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 PDF

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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

一种p-AlN/i-AlN/n-ZnO结构及其制备方法、应用
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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