CN1945867A - 一种ZnO基发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及ZnO基发光二极管及其制备方法，首先采用脉冲激光沉积法在衬底上依次沉积ZnO同质缓冲层、n型ZnO接触层、n型Zn1－xMgxO层、多层Zn1－xMgxO/ZnO多量子阱结构层、p型Zn1－xMgxO层、p型ZnO接触层和多层Zn1－x MgxO/Zn1－yMgyO分布布拉格反射镜结构层，然后采用磁控溅射法在n型ZnO接触层上沉积与n型Zn1－xMgxO层并列的第一电极，在p型ZnO接触层上沉积与多层Zn1－xMgxO/Zn1－yMgyO分布布拉格反射镜结构层并列的第二电极。本发明的ZnO基发光二极管引入了多量子阱和分布布拉格结构，因此可以减少由于光强度透射和吸收引起的损失，从而可以提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZnO基发光二极管及其制备方法。
背景技术
ZnO是一种新型宽禁带半导体材料，具有较高的激子束缚能，是未来一种理想的短波长发光器件材料。日本东北大学于2005年首先采用高低温调节实现ZnO同质结电致发光LED。浙江大学也于当年用MOCVD技术制备出ZnO-LED原型器件，实现了室温电致发光。但到目前为止，已报道的ZnO基LED发光效率都很低，亮度也很弱。要使器件走向实用化，必须优化LED结构设计。如果将周期厚度为1/4波长的由不同折射率的两种半导体材料交替组成的分布布拉格反射镜(DBR)应用于ZnO基LED，将大大减少光强度由于透射和吸收引起的损失，提高LED的发光效率。而如果进一步把DBR和多量子阱结合起来，将会更有利于发光效率的提高，这无疑是一项很有意义的工作。而目前关于这种结构的LED的设计与制备的研究国际上还没有出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的ZnO基发光二极管及其制备方法。
发明的ZnO基发光二极管，在衬底上自下而上依次沉积ZnO同质缓冲层、n型ZnO接触层、n型Zn1-xMgxO层、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层、p型Zn1-xMgxO层、p型ZnO接触层和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层，第一电极并列于n型ZnMgO层沉积在n型ZnO接触层上，第二电极并列于多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层沉积在p型ZnO接触层上，其中多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层的X值为0＜X＜0.4，多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层的X值为0～0.4，Y值为0～0.4，且X值与Y值不相同，n型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2。
上述的多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层可以由Zn1-xMgxO和ZnO交替10～20周期形成。多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层可以由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替10～40周期形成。
所说的衬底可以是硅、蓝宝石或ZnO单晶。所说的第一电极可以是掺Ga的n-ZnO透明导电膜或ITO膜。第二电极可以为InZn或InSn合金。
ZnO基发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
1)将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至200～600℃，输入氧气，氧压调至0.1～10Pa，设定激光参数为300mJ、3Hz，衬底与靶材间距4.5cm，依次变换靶材沉积ZnO缓冲层，n型ZnO接触层，n型Zn1-xMgxO层，继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn1-xMgxO与ZnO层以形成10～20周期的多量子阱结构，然后再依次沉积p型Zn1-xMgxO层与p型ZnO接触层，继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn1-xMgxO与Zn1-yMgyO层以形成10～40周期的布拉格反射镜结构；
2)将步骤1)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至10-3Pa，室温条件下在n型ZnO接触层上沉积并列于n型ZnMgO层的第一电极，在p型ZnO接触层上沉积并列于多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层的第二电极。
各层的厚度通过调节生长时间控制。其中布拉格反射镜中Zn1-xMgxO与Zn1-yMgyO层的厚度由λ/n决定，λ为LED出射光的波长，n为布拉格反射镜中各层的折射率。
各层的组分由靶材中的掺杂剂量决定，其中多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层的X值为0＜X＜0.4，多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层的X值为0～0.4，Y值为0～0.4，且X值与Y值不相同，n型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2。
本发明的有益效果在于：
本发明的ZnO基发光二极管引入了多量子阱和分布布拉格结构，因此可以减少由于光强度透射和吸收引起的损失，从而可以提高LED的发光效率。
附图说明
图1是本发明的ZnO基发光二极管结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的ZnO基发光二极管ZnO基发光二极管，在衬底1上自下而上依次沉积有ZnO同质缓冲层2、n型ZnO接触层3、n型Zn1-xMgxO层4、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层5、p型Zn1-xMgxO层6、p型ZnO接触层7和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层8，第一电极9并列于n型ZnMgO层4沉积在n型ZnO接触层3上，第二电极10并列于多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层8沉积在p型ZnO接触层7上，其中多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层的X值为0＜X＜0.4，多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层的X值为0～0.4，Y值为0～0.4，且X值与Y值不相同，n型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2。
实施例1
1)以2英寸蓝宝石(Al2O3)抛光片作为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至400℃，输入氧气，氧压调至1Pa，，设定激光参数为300mJ、3Hz，衬底与靶材间距4.5cm，在此条件下沉积一层约100nm的ZnO缓冲层，继续升温至600℃并退火5分钟，保持氧压不变，依次沉积一层50nm的Al掺杂n型ZnO接触层，一层50nm的Al掺杂n型Zn0.65Mg0.35O层。继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn0.9Mg0.1O与ZnO层以形成10个周期的多量子阱结构，其中Zn0.9Mg0.1O层厚度为10nm，ZnO层厚度为3nm。然后在多量子阱上依次沉积一层50nm的Li掺杂的p型Zn0.65Mg0.35O层和p型ZnO接触层。在p型ZnO接触层上继续交替沉积ZnO和Zn0.64Mg0.36O层以形成20个周期分布式布拉格反射镜(DBR)结构，ZnO层厚为48.8nm，Zn0.64Mg0.36O层厚为52.9nm；
2)将步骤1)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至10-3Pa，室温条件下在n型ZnO接触层上沉积一层与n型Zn0.65Mg0.35O层并列的第一电极，在p型ZnO接触层上沉积一层与ZnO/Zn0.64Mg0.36O分布布拉格反射镜结构层并列的第二电极，此例中，第一电极为掺Ga的n-ZnO透明导电膜，第二电极为InZn合金薄膜。
实施例2
1)以ZnO单晶作为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至200℃，输入氧气，氧压调至0.1Pa，设定激光参数为300mJ、3Hz，衬底与靶材间距4.5cm，在此条件下沉积一层约100nm的ZnO缓冲层。继续升温至600℃并退火5分钟，保持氧压不变，依次沉积一层50nm的Al掺杂n型ZnO接触层，一层50nm的Al掺杂n型Zn0.85Mg0.15O层。继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn0.9Mg0.1O与ZnO层以形成10个周期的多量子阱结构，其中Zn0.9Mg0.1度为10nm，ZnO层厚度为3nm。然后在多量子阱上依次沉积一层50nm的P掺杂的p型Zn0.85Mg0.15O层和p型ZnO接触层。在p型ZnO接触层上继续交替沉积ZnO和Zn0.64Mg0.36O层以形成20个周期分布式布拉格反射镜(DBR)结构，ZnO层厚为48.8nm，Zn0.64Mg0.36O层厚为52.9nm；
2)将步骤1)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至10-3Pa，室温条件下在n型ZnO接触层上沉积与n型Zn0.85Mg0.15O层并列的第一电极，在p型ZnO接触层上沉积一层与ZnO/Zn0.64Mg0.36O分布布拉格反射镜结构层并列的第二电极，此例中，第一电极为ITO膜，第二电极为InSn合金薄膜。
实施例3
1)以ZnO单晶作为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至600℃，输入氧气，氧压调至10Pa，设定激光参数为300mJ、3Hz，衬底与靶材间距4.5cm，在此条件下沉积一层约100nm的ZnO缓冲层。继续升温至600℃并退火5分钟，保持氧压不变，依次沉积一层50nm的Al掺杂n型ZnO接触层，一层50nm的Al掺杂n型Zn0.85Mg0.15O层。继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn0.9Mg0.1O与ZnO层以形成10个周期的多量子阱结构，其中Zn0.9Mg0.1O层厚度为10nm，ZnO层厚度为3nm。然后在多量子阱上依次沉积一层50nm的P掺杂的p型Zn0.85Mg0.15O层和p型ZnO接触层。在p型ZnO接触层上继续交替沉积Zn0.64Mg0.36O和ZnO层以形成20个周期分布式布拉格反射镜(DBR)结构，ZnO层厚为48.8nm，Zn0.64Mg0.36O层厚为52.9nm；
2)将步骤1)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至10-3Pa，室温条件下在n型ZnO接触层上沉积与n型Zn0.85Mg0.15O层并列的第一电极，在p型ZnO接触层上沉积一层与Zn0.64Mg0.36O/ZnO分布布拉格反射镜结构层并列的第二电极，此例中，第一电极为ITO膜，第二电极为InSn合金薄膜。
Claims (7)
1.一种ZnO基发光二极管，其特征是在衬底(1)上自下而上依次沉积ZnO同质缓冲层(2)、n型ZnO接触层(3)、n型Zn1-xMgxO层(4)、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层(5)、p型Zn1-xMgxO层(6)、p型ZnO接触层(7)和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉积形成的多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层(8)，第一电极(9)并列于n型ZnMgO层(4)沉积在n型ZnO接触层(3)上，第二电极(10)并列于多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层(8)沉积在p型ZnO接触层(7)上，其中多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层的X值为0＜X＜0.4，多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层的X值为0～0.4，Y值为0～0.4，且X值与Y值不相同，n型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO层的X值为0＜X＜0.2。
2.根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征在于所说的多层Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱结构层(5)由Zn1-xMgxO和ZnO交替10～20周期形成。
3.根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征在于所说的多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层(8)由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替10～40周期形成。
4.根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征在于所说的衬底为硅、蓝宝石或ZnO单晶。
5.根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征在于所说的第一电极(9)为掺Ga的n-ZnO透明导电膜或ITO膜。
6.根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征在于所说的第二电极(10)为InZn或InSn合金。
7.权利要求1所述的ZnO基发光二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将衬底(1)表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至200～600℃，输入氧气，氧压调至0.1～10Pa，设定激光参数为300mJ、3Hz，衬底与靶材间距4.5cm，依次变换靶材沉积ZnO缓冲层(2)，n型ZnO接触层(3)，n型Zn1-xMgxO层(4)，继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn1-xMgxO与ZnO层以形成10～20周期的多量子阱结构(5)，然后再依次沉积p型Zn1-xMgxO层(6)与p型ZnO接触层(7)，继续保持相同的生长条件，交替沉积Zn1-xMgxO与Zn1-yMgyO层以形成10～40周期的布拉格反射镜结构(8)；
2)将步骤1)制品放入磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至10-3Pa，室温条件下在n型ZnO接触层(3)上沉积并列于n型ZnMgO层(4)的第一电极(9)，在p型ZnO接触层(7)上沉积并列于多层Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射镜结构层(8)的第二电极(10)。
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