CN107681028A - 一种垂直结构ZnO基LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构ZnO基LED芯片及其制备方法,芯片结构包括:由下至上依次排列的作为p型电极的金属Al反射电极、p型ZnxMg1‑xO衬底层、i型Al2O3薄膜层、n型ZnO薄膜层和n型电极。采用高质量的p型ZnxMg1‑xO衬底层,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高LED的光效,制备的LED芯片结构简单,简化了工艺,采用垂直结构,使用金属Al反射电极,对光具有极强的反射作用,有利于提高出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片及其制备方法,特别是一种垂直结构ZnO基LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)具有节能、环保、寿命长等众多优点,是未来照明和显示的必然发展趋势。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,且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点。
但ZnO的内部点缺陷非常多,对p型掺杂的补偿效应非常大,因而高质量p型掺杂ZnO制备十分困难。目前一般是通过在p型GaN薄膜上外延n型ZnO薄膜,但二者之间的界面存在非常多的点缺陷,严重影响发光效率,且外延结构复杂。为了促进ZnO基LED的发展,采用一种简单而有效的方案来提高ZnO基LED的性能显得极为重要。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种垂直结构ZnO基LED芯片及其制备方法,芯片结构简单,制备方法可以有效提高LED的出光效率。
本发明解决其问题所采用的技术方案是:
一种垂直结构ZnO基LED芯片,包括:由下至上依次排列的作为p型电极的金属Al反射电极、p型ZnxMg1-xO衬底层、i型Al2O3薄膜层、n型ZnO薄膜层和n型电极。采用高质量的p型ZnxMg1-xO衬底层,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高ZnO基LED的光效,该LED芯片结构简单,简化了工艺,采用垂直结构,使用金属Al反射电极,对光具有极强的反射作用,有利于提高LED的出光效率。
优选地,所述p型ZnxMg1-xO衬底层中x取值范围为:0<x<0.3。
进一步,所述i型Al2O3薄膜层包含一层Ag纳米层。通过Ag纳米层抑制缺陷辐射,提高带边发射,同时利用Ag纳米层的反射特性,增强出光效率,从而有效提高LED的出光效率。
进一步,所述i型Al2O3薄膜层厚度为2-15nm。
进一步,所述n型ZnO薄膜层厚度为300-1500nm。
优选地,所述n型电极选用Al单晶或者Cu单晶材料。直接使用Al单晶或者Cu单晶作为支撑衬底,同时起到n电极的作用,而且金属散热性能非常好,有利于实现超大功率LED芯片。
一种垂直结构ZnO基LED芯片制备方法,包括以下步骤:
A、将清洗干净的p型ZnxMg1-xO衬底层放到分子束外延设备当中,抽真空至2-8×10-10Torr,然后在600-850℃退火30-60min,获得原子级平整表面;
B、制备i型Al2O3薄膜层:在温度700-900℃,纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来,在p型ZnxMg1-xO衬底层上使用分子束外延设备生长2-15nm的Al2O3薄膜;
C、制备n型ZnO薄膜:在温度300-600℃、纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Zn源的加热到850-1200℃使锌原子挥发出来,在i型Al2O3薄膜层上生长300-1500nm的n型ZnO薄膜层;
D、对p型ZnxMg1-xO衬底层进行减薄,然后蒸镀金属Al反射电极作为p电极;
E、对n型ZnO薄膜层镀n型电极,并进行剥离;
F、然后进行激光切割获得一种垂直结构ZnO基LED芯片。
本方法采用高质量的p型ZnxMg1-xO衬底层,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高LED的光效,制备的LED芯片结构和工艺简单,采用垂直结构,使用金属Al反射电极,对光具有极强的反射作用,有利于提高出光效率。
进一步,步骤B制备i型Al2O3薄膜层后,还包括制备Ag纳米层:将Ag源的加热到900℃使银原子挥发出来,室温和6×10-8Torr真空条件下沉积10nm的Ag膜,在750℃温度下退火1min形成Ag纳米层。通过Ag纳米层抑制缺陷辐射,提高带边发射,同时利用Ag纳米层的反射特性,增强出光效率,从而有效提高LED的器件效率。
优选地,所述p型ZnxMg1-xO衬底层中x取值范围为:0<x<0.3。
优选地,所述n型电极选用Al单晶或者Cu单晶材料。直接使用Al单晶或者Cu单晶作为支撑衬底,同时起到n电极的作用,而且金属散热性能非常好,有利于实现超大功率LED芯片。
本发明的有益效果是:本发明采用的一种垂直结构ZnO基LED芯片及其制备方法,采用高质量的p型ZnxMg1-xO衬底层,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高LED的光效,制备的LED芯片结构简单,简化了工艺,采用垂直结构,使用金属Al反射电极,对光具有极强的反射作用,有利于提高出光效率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种垂直结构ZnO基LED芯片的结构示意图;
图2是本发明一种垂直结构ZnO基LED芯片的结构示意图(含Ag纳米层);
图3是本发明一种垂直结构ZnO基LED芯片制备方法的流程图。
具体实施方式
参照图1-图2,本发明的一种垂直结构ZnO基LED芯片,包括:由下至上依次排列的作为p型电极的金属Al反射电极11、p型ZnxMg1-xO衬底层12、i型Al2O3薄膜层13、n型ZnO薄膜层14和n型电极15。采用高质量的p型ZnxMg1-xO衬底层12,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高LED的光效,结构简单,简化了工艺,采用垂直结构,使用金属Al反射电极11,对光具有极强的反射作用,有利于提高出光效率。
优选地,所述p型ZnxMg1-xO衬底层12中x取值范围为:0<x<0.3。
进一步,所述i型Al2O3薄膜层13包含一层Ag纳米层16。通过Ag纳米层16抑制缺陷辐射,提高带边发射,同时利用Ag纳米层16的反射特性,增强出光效率,从而有效提高LED的器件效率。
进一步,所述i型Al2O3薄膜层13厚度为2-15nm。
进一步,所述n型ZnO薄膜层14厚度为300-1500nm。
优选地,所述n型电极15选用Al单晶或者Cu单晶材料。直接使用Al单晶或者Cu单晶作为支撑衬底,同时起到n电极的作用,而且金属散热性能非常好,有利于实现超大功率LED芯片。
参照图3,本发明的一种垂直结构ZnO基LED芯片制备方法,包括以下步骤:
A、将清洗干净的p型ZnxMg1-xO衬底层12放到分子束外延设备当中,抽真空至2-8×10-10Torr,然后在600-850℃退火30-60min,获得原子级平整表面;
B、制备i型Al2O3薄膜层13:在温度700-900℃,纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来,在p型ZnxMg1-xO衬底层12上使用分子束外延设备生长2-15nm的Al2O3薄膜;
C、制备n型ZnO薄膜14:在温度300-600℃、纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Zn源的加热到850-1200℃使锌原子挥发出来,在i型Al2O3薄膜层13上生长300-1500nm的n型ZnO薄膜层14;
D、对p型ZnxMg1-xO衬底层12进行减薄,然后蒸镀金属Al反射电极11作为p电极;
E、对n型ZnO薄膜层14镀n型电极15,并进行剥离;
F、然后进行激光切割获得一种垂直结构ZnO基LED芯片。
本方法采用高质量的p型ZnxMg1-xO衬底层12,解决了难以制备高质量p型ZnO的困难,可以在较大程度上提高LED的光效,制备的LED芯片结构和工艺简单,采用垂直结构,使用金属Al反射电极,对光具有极强的反射作用,有利于提高出光效率。
进一步,步骤B制备i型Al2O3薄膜层13后,还包括制备Ag纳米层16:将Ag源的加热到900℃使银原子挥发出来,室温和6×10-8Torr真空条件下沉积10nm的Ag膜,在750℃温度下退火1min形成Ag纳米层16。通过Ag纳米层16抑制缺陷辐射,提高带边发射,同时利用Ag纳米层16的反射特性,增强出光效率,从而有效提高LED的器件效率。
优选地,所述p型ZnxMg1-xO衬底层12中x取值范围为:0<x<0.3。
优选地,所述n型电极15选用Al单晶或者Cu单晶材料。直接使用Al单晶或者Cu单晶作为支撑衬底,同时起到n电极的作用,而且金属散热性能非常好,有利于实现超大功率LED芯片。
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
一种垂直结构ZnO基LED芯片制备方法,包括以下步骤:
A、将清洗干净的p型ZnxMg1-xO(0<x<0.3)衬底层12放到分子束外延设备当中,抽真空至4×10-10Torr,然后在650℃退火30min,获得原子级平整表面;
B、制备i型Al2O3薄膜层13:在温度800℃,纯度99.999%以上的O等离子体流量为5sccm条件下,将Al源加热到1100℃使铝原子挥发出来,在p型ZnxMg1-xO衬底层12上使用分子束外延设备生长5nm的Al2O3薄膜;
C、制备n型ZnO薄膜14:在温度450℃、纯度99.999%以上的O等离子体流量为10sccm条件下,将Zn源的加热到900℃使锌原子挥发出来,在i型Al2O3薄膜层13上生长500nm的n型ZnO薄膜层14;
D、对p型ZnxMg1-xO衬底层12进行减薄,然后蒸镀金属Al反射电极11作为p电极;
E、对n型ZnO薄膜层14镀n型电极15,并进行剥离;
F、然后进行激光切割获得一种垂直结构ZnO基LED芯片。
实施例2
一种垂直结构ZnO基LED芯片制备方法,包括以下步骤:
A、将清洗干净的p型ZnxMg1-xO(0<x<0.3)衬底层12放到分子束外延设备当中,抽真空至6×10-10Torr,然后在650℃退火30min,获得原子级平整表面;
B、制备i型Al2O3薄膜层13:在温度850℃,纯度99.999%以上的O等离子体流量为5sccm条件下,将Al源加热到1100℃使铝原子挥发出来,在p型ZnxMg1-xO衬底层12上使用分子束外延设备生长5nm的Al2O3薄膜;
C、制备Ag纳米层16:将Ag源的加热到900℃使银原子挥发出来,室温和6×10-8Torr真空条件下沉积10nm的Ag膜,750℃退火1min形成Ag纳米层16;
D、制备n型ZnO薄膜14:在温度500℃、纯度99.999%以上的O等离子体流量为2sccm条件下,将Zn源的加热到1000℃使锌原子挥发出来,在i型Al2O3薄膜层13上生长400nm的n型ZnO薄膜层14;
E、对p型ZnxMg1-xO衬底层12进行减薄,然后蒸镀金属Al反射电极11作为p电极;
F、对n型ZnO薄膜层14镀n型电极15,并进行剥离;
G、然后进行激光切割获得一种垂直结构ZnO基LED芯片。
以上所述,只是本发明的较佳实施例而已,本发明并不局限于上述实施方式,只要其以相同的手段达到本发明的技术效果,都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,包括:由下至上依次排列的作为p型电极的金属Al反射电极(11)、p型ZnxMg1-xO衬底层(12)、i型Al2O3薄膜层(13)、n型ZnO薄膜层(14)和n型电极(15)。
2.根据权利要求1所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,所述p型ZnxMg1-xO衬底层(12)中x取值范围为:0<x<0.3。
3.根据权利要求1所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,所述i型Al2O3薄膜层(13)包含一层Ag纳米层(16)。
4.根据权利要求1所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,所述i型Al2O3薄膜层(13)厚度为2-15nm。
5.根据权利要求1所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,所述n型ZnO薄膜层(14)厚度为300-1500nm。
6.根据权利要求1所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片,其特征在于,所述n型电极(15)选用Al单晶或者Cu单晶材料。
7.一种垂直结构ZnO基LED芯片的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
A、将清洗干净的p型ZnxMg1-xO衬底层(12)放到分子束外延设备当中,抽真空至2-8×10-10Torr,然后在600-850℃退火30-60min,获得原子级平整表面;
B、制备i型Al2O3薄膜层(13):在温度700-900℃,纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Al源加热到1000-1200℃使铝原子挥发出来,在p型ZnxMg1-xO衬底层(12)上使用分子束外延设备生长2-15nm的Al2O3薄膜;
C、制备n型ZnO薄膜(14):在温度300-600℃、纯度99.999%以上的O等离子体流量为0.5-20sccm条件下,将Zn源的加热到850-1200℃使锌原子挥发出来,在i型Al2O3薄膜层(13)上生长300-1500nm的n型ZnO薄膜层(14);
D、对p型ZnxMg1-xO衬底层(12)进行减薄,然后蒸镀金属Al反射电极(11)作为p电极;
E、对n型ZnO薄膜层(14)镀n型电极(15),并进行剥离;
F、然后进行激光切割获得一种垂直结构ZnO基LED芯片。
8.根据权利要求7所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片的制备方法,其特征在于,步骤B制备i型Al2O3薄膜层(13)后,还包括制备Ag纳米层(16):将Ag源的加热到900℃使银原子挥发出来,室温和6×10-8Torr真空条件下沉积10nm的Ag膜,在750℃温度下退火1min形成Ag纳米层(16)。
9.根据权利要求7所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片的制备方法,其特征在于,所述p型ZnxMg1-xO衬底层(12)中x取值范围为:0<x<0.3。
10.根据权利要求7所述的一种垂直结构ZnO基LED芯片的制备方法,其特征在于,所述n型电极(15)选用Al单晶或者Cu单晶材料。
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