CN111504523B - 一种自发光式压光电器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自发光式压光电器件及制备方法，包括：S1：在Si衬底上生长高阻GaN缓冲层；S2：在高阻GaN缓冲层上生长p型GaN层；S3：在所述p型GaN层上生长本征掺杂InxGa1‑xN层；S4：在本征掺杂InxGa1‑xN层上生长n型GaN层；S5：在n型GaN层上淀积生长SiO2层；S6：选择性刻蚀所述SiO2层、所述本征掺杂InxGa1‑xN层和所述n型GaN层，形成刻蚀槽；S7：在刻蚀槽内生长ZnO纳米阵列棒，所述阵列棒竖直向上排布；S8：制备金属接触电极和ITO透明电极。本发明利用ZnO材料的压电极化效应和InGaN材料的发光特性，通过外部压力使ZnO纳米阵列棒产生极化电压，然后经过外部电极在InGaN材料内分别注入正负电荷，使其复合产生光信号，其优势在于无需外部电源和功率消耗即可实现压力传感、探测和显示。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，具体为一种自发光式压光电器件及制备方法。
背景技术
随着触控技术的发展，目前触摸显示已广泛应用于公共信息查询、工业控制、电子游戏以及多媒体教学等领域。它是一种简单、方便、自然的人机交互方式。目前触摸显示一般都需要外加电源来控制发光器件或者提供额外背显示光源，导致系统体积庞大并消耗大量功耗。因此为了满足轻便化以及低功耗的要求，需要开发一种新型光电显示器件，自发光式压光电器件就是其中一种。由于ZnO具有显著的压电极化效应，受到一定的压力作用下，ZnO棒的两端极化出现正负电荷富集形成端电压信号。
近些年来，一维ZnO棒阵列薄膜的研究和应用也受到了广泛的关注，且其在传感器、探测器、发光器件、光催化、热电器件、压电器件等方面具有极大的应用前景。
发明内容
基于上述提到的应用和开发前景，利用一维ZnO纳米棒阵列薄膜的压电极化效应设计出新型的压力光电传感器，将外界压力信号转化成光信号输出，从而实现对压力的传感和探测以及显示。本发明创新性的提出了一种自发光式压光电器件及制备方法，能够实现快速、灵敏的压力传感和显示。
一种自发光式压光电器件及制备方法，包括
S1：在Si衬底上生长高阻GaN缓冲层；
S2：在所述高阻GaN缓冲层上生长p型GaN层；
S3：在所述p型GaN层上生长本征掺杂InxGa1-xN层；
S4：在所述本征掺杂InxGa1-xN层上生长n型GaN层；
S5：在所述n型GaN层上淀积生长SiO2层；
S6：选择性刻蚀所述SiO2层、所述本征掺杂InxGa1-xN层和所述n型GaN层，形成刻蚀槽；
S7：在所述刻蚀槽内生长ZnO纳米阵列棒，所述阵列棒竖直向上排布；
S8：制备金属接触电极和ITO透明电极。
优选地，所述GaN缓冲层S2厚度为0.5μm～3μm。
优选地，所述p型GaN层S3厚度为0.1μm～1.0μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为镁。
优选地，所述本征掺杂InxGa1-xN层厚度为0.5μm～3.0μm，In组分百分比为5％～35％。
优选地，所述n型GaN层厚度为0.1μm～1.0μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
优选地，所述SiO2层厚度为20nm～200nm。
优选地，所述S7包括：利用热蒸发法或CVD的方法选择性生长ZnO纳米阵列棒；所述ZnO纳米阵列棒直径为10-100nm，其高度为从p型GaN层顶部到ITO透明电极底部的距离。
因为相对而言，该ZnO纳米阵列棒直径直径范围内比较容易生长，而且质量容易控制，缺陷较少。
一种自发光式压光电器件，自发光式压光电器件包括:Si衬底，GaN缓冲层，SiO2介质层，金属接触电极，ITO透明电极，p型GaN层,本征掺杂InxGa1-xN层，n型GaN层，ZnO纳米阵列棒，所述ZnO纳米阵列棒位于p型GaN层上方中部区域，所述阵列棒竖直向上排布，直径为10-100nm，其高度为从p型GaN层顶部到ITO(掺锡氧化铟，IndiumTinOxide)透明电极底部的距离。
ZnO为n型材料，必须要和衬底的p型材料才能构成PN结。这样所形成的PN结质量并不好，会存在很多缺陷或者杂质从而影响发光特性。而本发明所提出的PIN结构完全是基于GaN外延生长，具有良好的界面和材料性能，能保证较高的发光效率。我们这里的ZnO只是作为压电材料而用，不涉及到载流子的复合。
优选地，Si衬底上方为GaN缓冲层，所述GaN缓冲层上方为p型GaN层，所述p型GaN层中部区域上侧为ZnO纳米阵列棒，所述p型GaN层边缘两端区域上侧依次为本征掺杂InxGa1-xN层、n型GaN层，所述n型GaN层上方中部为金属接触电极，两端为SiO2介质层，在金属接触电极及SiO2介质层上方为ITO透明电极。
本发明的有益效果至少包括:
A.本发明利用压电极化效应来实现压光电信号转化，因此具有较高的响应灵敏度。
B.本发明利用p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN势阱内的空穴电子对直接跃迁复合发射光信号，呈现出快速响应的特点。
C.由于几乎不需要外加电压或输入功率，因此该发明具有极低功耗的优点。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的二维剖面结构示意图；
图2为p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN的能带结构示意图；
图3、4、5为本发明的制备工艺流程图。
图中，Si衬底1，GaN缓冲层2，p型GaN层3，本征InxGa1-xN层4，n型GaN层5，SiO2介质层6，金属接触电极7，ZnO纳米阵列棒8，ITO透明电极9。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
本实施例提供一种新型栅控PIN结构GaN紫外探测器及其制备方法，器件的剖面如图1所示，它由Si衬底1、GaN缓冲层2、p型GaN层3、本征InxGa1-xN层4、n型GaN层5、SiO2介质层6、金属接触电极7、ZnO柱8和ITO透明电极9组成。
本发明的结构示意图如图1所示，其中在刻蚀槽内是ZnO纳米阵列棒填充，在有压力的作用下，ZnO阵列棒会发生极化现象，并在阵列棒两端会产生正负电荷。通过导电ITO电极和金属接触电极，这些极化产生的正负电荷会注入p-GaN/i-InxGa1-xN/n-GaN形成的PIN结构中。InxGa1-xN材料是InN和GaN的三元系合金，其发光波长受In组分控制。
PIN的能带结构如图2所示，图中显示在PN GaN层内形成了一个InxGa1-xN势阱结构，导带电子和价带空穴最终会注入到InxGa1-xN势阱中，然后电子空穴对在势阱中通过直接跃迁复合并发射光子。最终，外加的压力信号被转化成光信号，实现快速、灵敏度的压力传感、探测和显示。
实施例1
具体制备工艺流程如图3所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长1μm GaN缓冲层2、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的p型GaN层3、0.5μm厚In组分为0.07的本征In0.07Ga0.93N层4、0.1μm掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaN层5；
3)使用感应耦合等离子体沉积(ICPCVD)或者等离子体增强沉积(PECVD)设备淀积50nm厚的SiO2层6；
4)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀SiO2层、本征In0.07Ga0.93N层和n型GaN层，形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至p型GaN层3；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在SiO2层6刻蚀出电极孔，通过金属蒸镀技术制备出金属接触电极7；
6)利用热蒸发法或CVD的方法选择性生长，在刻蚀槽内生长ZnO阵列柱；
7)最后在ZnO阵列柱和金属接触电极上制备一层ITO透明电极9。
实施例2
具体制备工艺流程如图4所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长2μm GaN缓冲层2、0.3μm掺杂浓度为2×1018cm-3的p型GaN层3、1.0μm厚In组分为0.27的本征In0.27Ga0.73N层4、0.3μm掺杂浓度为2×1018cm-3的n型GaN层5；
3)使用感应耦合等离子体沉积(ICPCVD)或者等离子体增强沉积(PECVD)设备淀积100nm厚的SiO2层6；
4)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀SiO2层、本征In0.27Ga0.73N层和n型GaN层形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至p型GaN层3；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在SiO2层6刻蚀出电极孔，通过金属蒸镀技术制备出金属接触电极7；
6)利用热蒸发法或CVD的方法选择性生长，在刻蚀槽内生长ZnO阵列柱；
7)最后在ZnO阵列柱和金属接触电极上制备一层ITO透明电极9。
实施例3
具体制备工艺流程如图5所示，包括：
1)取样Si衬底，并用合适的溶液对其表面进行预处理。
2)在衬底之上依次外延生长3μm GaN缓冲层2、0.5μm掺杂浓度为3×1018cm-3的p型GaN层3、1.5μm厚In组分为0.38的本征In0.38Ga0.62N层4、0.5μm掺杂浓度为3×1018cm-3的n型GaN层5；
3)使用感应耦合等离子体沉积(ICPCVD)或者等离子体增强沉积(PECVD)设备淀积150nm厚的SiO2层6；
4)使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备，结合刻蚀掩膜，选择性刻蚀SiO2层、本征In0.38Ga0.62N层和n型GaN层形成刻蚀台面和台阶，其中台阶刻蚀深度至p型GaN层3；
5)通过光刻和选择性刻蚀工艺，在SiO2层6刻蚀出电极孔，通过金属蒸镀技术制备出金属接触电极7；
6)利用热蒸发法或CVD的方法选择性生长，在刻蚀槽内生长ZnO阵列柱；
7)最后在ZnO阵列柱和金属接触电极上制备一层ITO透明电极9。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于，Si衬底(1)上方为GaN缓冲层(2)；所述GaN缓冲层(2)上方为p型GaN层(3)；所述p型GaN层(3)中部区域上侧为ZnO纳米阵列棒(8)；所述p型GaN层(3)边缘两端区域上侧依次为本征掺杂InxGa1-xN层(4)、n型GaN层(5)；所述n型GaN层(5)上方中部为金属接触电极(7)，两端为SiO2介质层(6)，在所述金属接触电极(7)及所述SiO2介质层(6)上方为ITO透明电极(9)；
包括，
S1：在Si衬底(1)上生长高阻GaN缓冲层(2)；
S2：在所述高阻GaN缓冲层(2)上生长p型GaN层(3)；
S3：在所述p型GaN层(3)上生长本征掺杂InxGa1-xN层；
S4：在所述本征掺杂InxGa1-xN层(4)上生长n型GaN层(5)；
S5：在所述n型GaN层(5)上淀积生长SiO2层；
S6：选择性刻蚀所述SiO2层、所述本征掺杂InxGa1-xN层(4)和所述n型GaN层(5)，形成刻蚀槽；
S7：在所述刻蚀槽内生长ZnO纳米阵列棒，所述阵列棒竖直向上排布；
S8：通过光刻和选择性刻蚀工艺，在所述SiO2层刻蚀出电极孔，通过金属蒸镀技术制备金属接触电极(7)，在ZnO阵列棒和金属接触电极上制备ITO透明电极(9)。
2.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述GaN缓冲层S2厚度为0.5μm～3μm。
3.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述p型GaN层S3厚度为0.1μm～1.0μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为镁。
4.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述本征掺杂InxGa1-xN(4)层厚度为0.5μm～3.0μm，In组分百分比为5％～35％。
5.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述n型GaN层(5)厚度为0.1μm～1.0μm，掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3，掺杂元素为硅。
6.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述SiO2层厚度为20nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的自发光式压光电器件的制备方法，其特征在于：所述S7包括：利用热蒸发法或CVD的方法选择性生长ZnO纳米阵列棒；所述ZnO纳米阵列棒直径为10-100nm，其高度为从p型GaN层(3 )顶部到ITO透明电极(9)底部的距离。
8.一种自发光式压光电器件，其特征在于,所述自发光式压光电器件包括:Si衬底(1)，GaN缓冲层(2)，SiO2介质层(6)，金属接触电极(7)，ITO透明电极(9)，p型GaN层(3)，本征掺杂InxGa1-xN层(4)，n型GaN层(5)，ZnO纳米阵列棒(8)，所述ZnO纳米阵列棒(8)位于p型GaN层(3)上方中部区域，所述阵列棒竖直向上排布，直径为10-100nm，其高度为从p型GaN层(3 )顶部到ITO透明电极(9)底部的距离；所述Si衬底(1)上方为GaN缓冲层(2)，所述GaN缓冲层(2)上方为p型GaN层(3)；所述p型GaN层(3)中部区域上侧为ZnO纳米阵列棒(8)；所述p型GaN层(3)边缘两端区域上侧依次为本征掺杂InxGa1-xN层(4)、n型GaN层(5)；所述n型GaN层(5)上方中部为金属接触电极(7)，两端为SiO2介质层(6)，在金属接触电极(7)及SiO2介质层(6)上方为ITO透明电极(9)。
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