CN1964081A

CN1964081A - 氧化锌基的蓝光发光二极管及其制备方法

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Publication number: CN1964081A
Application number: CNA2005100868443A
Authority: CN
Inventors: 张攀峰; 丛伟光; 魏鸿源; 刘祥林
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-16

Abstract

一种氧化锌基的蓝光发光二极管，包括：一衬底，该衬底为圆形；一缓冲层制作在衬底上，该缓冲层有利于提高材料的外延生长质量；一n－氧化锌层制作在缓冲层上，在该n－氧化锌层的边缘刻蚀出环形台阶，该n－氧化锌层有利于作出环形金/钛电极；一i－氧化锌有源层制作在n－氧化锌层上，该i－氧化锌有源层的主要作用是电子空穴复合；一p－氧化锌层制作在i－氧化锌层上，该p－氧化锌层提供注入的空穴；一金/镍层制作在p－氧化锌层上，该金/镍层有利于注入电流的扩散；一金/镍电极制作在金/镍层上，该金/镍电极提供与导线的接触；一环形金/钛电极制作在n－氧化锌层的环形台阶上。

Description

氧化锌基的蓝光发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是指一种氧化锌基的蓝光发光二极管及其制备方法。

背景技术

由于其在许多科学和产业领域例如压电传感器、光波导、声光介质、传导气体探测、透明导电电极、变阻器等的应用，氧化锌已经在长时间内吸引了研究的注意力。现在其更加受到重视，被认为很有希望应用在紫外光电子方面。和GaN材料相比较，ZnO材料有以下相对优势：其有现成的单晶体材料；其较大的激子束缚能(～60meV，GaN～25meV)。近来在体材料和外延膜的质量及导电性控制方面的进展提高了人们用此材料制作短波长发光器件和透明电子器件的兴趣。此外，在In含量为22％时，ZnO跟InGaN是晶格匹配的，这提高了集成这两种材料以增强功能性的可能性。作为一种宽禁带半导体，ZnO是制作固态蓝光至紫外光电子器件乃至激光器的可能的基体材料。这在高密度数据存储系统，固态光源(白光是由蓝光或紫外发光二极管激发磷光剂而成的)，安全通讯和生物探测方面有重要的应用。对可见光的透明性提供了在此材料上开发透明电子器件、紫外光电子器件和集成传感器的可能。在一些方面，ZnO的半导体性质超过了GaN体系的。ZnO是直接带隙的半导体材料，禁带宽度Eg＝3.2eV。其禁带宽度可通过其他二价阳离子替代Zn离子而调制。氧化锌(ZnO)是一种理想的短波长固体发光器件材料。以ZnO基的发光二极管(LED)或激光器(LD)，利用掺杂技术，其波长可覆盖紫外光、紫光、绿光、蓝光等区域。目前，以ZnO为基的发光二极管(LED)有异质结形式的，如p-Mg_xZn_(1-x)O/ZnO/n-MgxZn_(1-x)O，这种LED结构由于界面的失配，尽管势垒对载流子的限制作用，非辐射复合中心的存在，使其发光效率受到很大的限制。而采用同质结p-i-n发光层，界面匹配好，制作工艺简单，还具有以下优点：

(1)该器件的外延生长过程都在金属有机气相沉积设备中一次性连续生长完成，不必中途打开反应室，有效的减少了一般工艺条件下容易形成的界面污染，减少了非辐射复合中心，提高了发光效率。

(2)将金/镍电极和环形金/钛电极制作在同侧，采用正面采光，克服了传统工艺将电极做在异侧发光效率低的弊端。

(3)将n型电极制作成圆环对称结构，在n-氧化锌层中可电流均匀流过，避免了异侧电极电流的不均匀分布，有利于二极管的发光。

(4)p型电极采用一层很薄的金/镍层加上厚的金/镍电极，既保证了导线的连接，又对透光性影响不的大。

发明内容

本发明的目的是提供氧化锌基的蓝光发光二极管及其制备方法，具有同质结p-ZnO/i-ZnO/n-ZnO发光层，顶端半透明电极底端圆环型同轴电极，且具有发光效率高的优点。

本发明一种氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，包括：

一衬底，该衬底为圆形；

一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，该缓冲层有利于提高材料的外延生长质量；

一n-氧化锌层，该n-氧化锌层制作在缓冲层上，在该n-氧化锌层的边缘刻蚀出环形台阶，该n-氧化锌层有利于作出环形金/钛电极；

一i-氧化锌有源层，该i-氧化锌有源层制作在n-氧化锌层上，该i-氧化锌有源层的主要作用是电子空穴复合；

一p-氧化锌层，该p-氧化锌层制作在i-氧化锌层上，该p-氧化锌层提供注入的空穴；

一金/镍层，该金/镍层制作在p-氧化锌层上，该金/镍层有利于注入电流的扩散；

一金/镍电极，该金/镍电极制作在金/镍层上，该金/镍电极提供与导线的接触；

一环形金/钛电极，该环形金/钛电极制作在n-氧化锌层的环形台阶上。

其中所述的缓冲层、n-氧化锌层、i-氧化锌有源层、p-氧化锌层均采用有机金属气相沉积方法生长。

其中所述的p-氧化锌层中的p型掺杂剂为三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种。

其中所述的衬底是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄。

本发明一种氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择一衬底，该衬底为圆形；

步骤2：在衬底上依次生长缓冲层、n-氧化锌层、i-氧化锌有源层、p-氧化锌层、一金/镍层；

步骤3：刻蚀，将依次生长的n-氧化锌层、i-氧化锌有源层、p-氧化锌层、金/镍层的边缘刻蚀，使n-氧化锌层形成一环形台阶；

步骤4：在金/镍层上制作一金/钛电极；

步骤5：在n-氧化锌层的环形台阶上制作一环形金/钛电极。

其中所述的衬底是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄。

本发明ZnO基发光二极管有如下优点：

a)该器件的薄膜外延过程都在金属有机气相沉积设备中一次性连续生长完成，不必中途打开反应室，有效的减少了一般工艺条件下容易形成的界面污染，减少了非辐射复合中心，提高了发光效率。

b)将电极制作在同侧，采用正面采光，克服了传统工艺将电极做在异侧发光效率低的弊端。

c)将n型电极制作成圆环对称结构，在n-ZnO层中可电流均匀流过，避免了异侧电极电流的不均匀分布，有利于二极管的发光。

d)p型电极采用一层很薄的Au/Ni薄膜加上厚的Au/Ni上端接触电极，既保证了导线的连接，又对透光性影响不的大。

e)采用同质结p-i-n发光层，界面匹配好，制作工艺简单。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为氧化锌基蓝光发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明1、一种氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，包括：

一衬底1，该衬底1为圆形，该衬底1是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄；

一缓冲层2，该缓冲层2制作在衬底1上，该缓冲层2有利于提高材料的外延生长质量；

一n-氧化锌层3，该n-氧化锌层3制作在缓冲层2上，在该n-氧化锌层3的边缘刻蚀出环形台阶31，该n-氧化锌层3有利于作出环形金/钛电极8；

一i-氧化锌有源层4，该i-氧化锌有源层4制作在n-氧化锌层3上，该i-氧化锌有源层4的主要作用是电子空穴复合；

一p-氧化锌层5，该p-氧化锌层5制作在i-氧化锌层4上，该p-氧化锌层5提供注入的空穴，该p-氧化锌层5中的p型掺杂剂为三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种；

其中所述的缓冲层2、n-氧化锌层3、i-氧化锌有源层4、p-氧化锌层5均采用有机金属气相沉积方法生长；

一金/镍层6，该金/镍层6制作在p-氧化锌层5上，该金/镍层6有利于注入电流的扩散；

一金/镍电极7，该金/镍电极7制作在金/镍层6上，该金/镍电极7提供与导线的接触；

一环形金/钛电极8，该环形金/钛电极8制作在n-氧化锌层3的环形台阶31上。

请再参阅图1所示，本发明一种氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择一衬底1，该衬底1为圆形，该衬底1是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄；

步骤2：在衬底1上依次生长缓冲层2、n-氧化锌层3、i-氧化锌有源层4、p-氧化锌层5、一金/镍层6，该p-氧化锌层5中的p型掺杂剂为三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种；

步骤3：刻蚀，将依次生长的n-氧化锌层3、i-氧化锌有源层4、p-氧化锌层5、金/镍层6的边缘刻蚀，使n-氧化锌层3形成一环形台阶31；

步骤4：在金/镍层6上制作一金/钛电极7；

步骤5：在n-氧化锌层3的环形台阶31上制作一环形金/钛电极8。

为进一步说明本发明的结构及方法，请再参见附图1，本发明的ZnO基发光二极管在衬底1上依次沉积：缓冲层2、n-氧化锌层3、i-氧化锌有源层4、p-氧化锌层5、一金/镍层6、n-氧化锌层3、环形金/钛电极8。

1、衬底1，该衬底1为圆形；该衬底1是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄。衬底的选择十分的关键，它影响到外延生长的质量，进而影响到器件的性能。衬底晶格常数要求尽量与氧化锌的晶格常数匹配，以减少失配，减少界面态的形成。上述衬底1中，氧化锌是最好的，ScAlMgO₄其次，但它们的价格昂贵，不符合大规模生产的要求。蓝宝石是最常用的衬底，用缓冲层外延质量较好。硅片则因晶格失配较大，外延质量一般。

2、缓冲层2，该缓冲层2制作在衬底1上，该缓冲层2有利于提高材料的外延生长质量。缓冲层一般用低温生长的氧化锌，其多晶的结构形成一模板，为以后的外延提供取向。三元镁锌氧也可用作为缓冲层，由于镁的加入，使外延膜与衬底的失配减小，有利于提高外延膜的质量。此外，缓冲层可用不同的方法生长，如激光脉冲沉积，这样生长的缓冲层有利于有机金属气相外延。

3、n-氧化锌层3，该n-氧化锌层3制作在缓冲层2上，在该n-氧化锌层3的边缘刻蚀出环形台阶31。该层为i-氧化锌有源层4提供电子。该才层的掺杂浓度要求尽可能的高，以减小电流经过时产生的电压降，减少器件的发热量。

4、i-氧化锌有源层4，该i-氧化锌有源层4制作在n-氧化锌层3上。该i-氧化锌有源层4的主要作用是电子空穴复合。该i-氧化锌有源层4是本征氧化锌，要求本征电子浓度非常的低，在10¹⁵/cm³以下，以减少空穴的非辐射复合，提高发光效率。该i-氧化锌有源层4的上下界面要求非常平整，表面粗糙度在1个纳米量级，以减小对电子空穴的散射。而且该i-氧化锌有源层4要求厚度在10个纳米左右，不能过厚，否则电子空穴复合的效率会大大减低，发光效率因而降低。

5、p-氧化锌层5，该p-氧化锌层5制作在i-氧化锌层4上。该p-氧化锌层5提供注入的空穴。该p-氧化锌层5的空穴浓度应该在10¹⁸/cm³以上，能提供有效的空穴注入。P型掺杂一直是氧化锌生长中急待解决的关键问题，不太容易实现的。采用三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种，进行单掺杂或共掺杂有利于p型的实现。此外，对气体掺杂剂进行离化，可有效促进五族元素的并入。P型生长完成后，高温对其退火，可有效激活掺杂剂，使空穴浓度大幅度提高。

6、金/镍层6，该金/镍层6制作在p-氧化锌层5上。该金/镍层6用真空蒸镀的方法制作。该金/镍层6有利于注入电流的扩散，使电子空穴接触的空间扩大、均匀。该金/镍层6要求厚度非常薄，大约在10纳米左右，因为这一层是需要透光的，虽然金/镍的透光性叫好，但厚了还是会影响透光性。

7、金/镍电极7，该金/镍电极7制作在金/镍层6上。该金/镍电极7用真空蒸镀的方法制作，采用lift-off技术刻蚀出所需的性状。该金/镍电极7既保证了导线的连接，又对透光性影响不的大。

8、环形金/钛电极8，该环形金/钛电极8制作在n-氧化锌层3的环形台阶31上。该环形金/钛电极8宽度在0.5微米左右，高约200纳米。该环形金/钛电极8能使n极电流的分布均匀，避免了侧电极电流非均匀分布的情况，有利于提高器件反对发光性能，有助于提高器件的寿命。

9、采用光刻和Ar离子刻蚀制作出圆形台阶。用Ar离子刻蚀制作出圆形台阶制作圆台阶，能形成陡峭的刻蚀界面，控制精度很高。离子的能量要选择适当，最好能达到效果而又不使晶体质量受到过分的伤害。

10、在各层的生长过程中，要尽量保持连贯，减少气氛对界面的影响，以提高生长的质量。由于各层生长参数是不一致，调整的过程要尽量缩短，可在每层生长完毕后用气体冲刷反应室，减少上次生长残留是杂质。

11、光刻中所采用的腐蚀液为H₃PO₄或HCl或HNO₃。要针对各层材料不同的物理化学特性来选择合适的腐蚀液。一般而言，氧化锌的腐蚀速率比较快，需要精心加以控制。

Claims

1、一种氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，包括：

一衬底，该衬底为圆形；

2、按权利要求1所述的氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，其中所述的缓冲层、n-氧化锌层、i-氧化锌有源层、p-氧化锌层均采用有机金属气相沉积方法生长。

3、按权利要求1或2所述的氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，其中所述的p-氧化锌层中的p型掺杂剂为三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种。

4、按权利要求1所述的氧化锌基的蓝光发光二极管，其特征在于，其中所述的衬底是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄。

5、一种氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择一衬底，该衬底为圆形；

步骤4：在金/镍层上制作一金/钛电极；

步骤5：在n-氧化锌层的环形台阶上制作一环形金/钛电极。

6、按权利要求5所述的氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，其中所述的缓冲层、n-氧化锌层、i-氧化锌有源层、p-氧化锌层均采用有机金属气相沉积方法生长。

7、按权利要求5或6所述的氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，其中所述的p-氧化锌层中的p型掺杂剂为三甲基铝和NH₃、N₂O、NO、NO₂、N₂中的一种或几种。

8、按权利要求5所述的氧化锌基的蓝光发光二极管的制备方法，其特征在于，其中所述的衬底是玻璃、硅片、蓝宝石、氧化锌或ScAlMgO₄。