專利名稱：氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于其在許多科學(xué)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域例如壓電傳感器、光波導(dǎo)、聲光介質(zhì)、傳導(dǎo)氣體探測、透明導(dǎo)電電極、變阻器等的應(yīng)用，氧化鋅已經(jīng)在長時間內(nèi)吸引了研究的注意力。現(xiàn)在其更加受到重視，被認(rèn)為很有希望應(yīng)用在紫外光電子方面。和GaN材料相比較，ZnO材料有以下相對優(yōu)勢其有現(xiàn)成的單晶體材料；其較大的激子束縛能(～60meV，GaN～25meV)。近來在體材料和外延膜的質(zhì)量及導(dǎo)電性控制方面的進(jìn)展提高了人們用此材料制作短波長發(fā)光器件和透明電子器件的興趣。此外，在In含量為22％時，ZnO跟InGaN是晶格匹配的，這提高了集成這兩種材料以增強功能性的可能性。作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，ZnO是制作固態(tài)藍(lán)光至紫外光電子器件乃至激光器的可能的基體材料。這在高密度數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，固態(tài)光源(白光是由藍(lán)光或紫外發(fā)光二極管激發(fā)磷光劑而成的)，安全通訊和生物探測方面有重要的應(yīng)用。對可見光的透明性提供了在此材料上開發(fā)透明電子器件、紫外光電子器件和集成傳感器的可能。在一些方面，ZnO的半導(dǎo)體性質(zhì)超過了GaN體系的。ZnO是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度Eg＝3.2eV。其禁帶寬度可通過其他二價陽離子替代Zn離子而調(diào)制。氧化鋅(ZnO)是一種理想的短波長固體發(fā)光器件材料。以ZnO基的發(fā)光二極管(LED)或激光器(LD)，利用摻雜技術(shù)，其波長可覆蓋紫外光、紫光、綠光、藍(lán)光等區(qū)域。目前，以ZnO為基的發(fā)光二極管(LED)有異質(zhì)結(jié)形式的，如p-MgxZn(1-x)O/ZnO/n-MgxZn(1-x)O，這種LED結(jié)構(gòu)由于界面的失配，盡管勢壘對載流子的限制作用，非輻射復(fù)合中心的存在，使其發(fā)光效率受到很大的限制。而采用同質(zhì)結(jié)p-i-n發(fā)光層，界面匹配好，制作工藝簡單，還具有以下優(yōu)點(1)該器件的外延生長過程都在金屬有機氣相沉積設(shè)備中一次性連續(xù)生長完成，不必中途打開反應(yīng)室，有效的減少了一般工藝條件下容易形成的界面污染，減少了非輻射復(fù)合中心，提高了發(fā)光效率。
(2)將金/鎳電極和環(huán)形金/鈦電極制作在同側(cè)，采用正面采光，克服了傳統(tǒng)工藝將電極做在異側(cè)發(fā)光效率低的弊端。
(3)將n型電極制作成圓環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，在n-氧化鋅層中可電流均勻流過，避免了異側(cè)電極電流的不均勻分布，有利于二極管的發(fā)光。
(4)p型電極采用一層很薄的金/鎳層加上厚的金/鎳電極，既保證了導(dǎo)線的連接，又對透光性影響不的大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管及其制備方法，具有同質(zhì)結(jié)p-ZnO/i-ZnO/n-ZnO發(fā)光層，頂端半透明電極底端圓環(huán)型同軸電極，且具有發(fā)光效率高的優(yōu)點。
本發(fā)明一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，包括一襯底，該襯底為圓形；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上，該緩沖層有利于提高材料的外延生長質(zhì)量；一n-氧化鋅層，該n-氧化鋅層制作在緩沖層上，在該n-氧化鋅層的邊緣刻蝕出環(huán)形臺階，該n-氧化鋅層有利于作出環(huán)形金/鈦電極；一i-氧化鋅有源層，該i-氧化鋅有源層制作在n-氧化鋅層上，該i-氧化鋅有源層的主要作用是電子空穴復(fù)合；一p-氧化鋅層，該p-氧化鋅層制作在i-氧化鋅層上，該p-氧化鋅層提供注入的空穴；一金/鎳層，該金/鎳層制作在p-氧化鋅層上，該金/鎳層有利于注入電流的擴散；一金/鎳電極，該金/鎳電極制作在金/鎳層上，該金/鎳電極提供與導(dǎo)線的接觸；一環(huán)形金/鈦電極，該環(huán)形金/鈦電極制作在n-氧化鋅層的環(huán)形臺階上。
其中所述的緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層均采用有機金屬氣相沉積方法生長。
其中所述的p-氧化鋅層中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種。
其中所述的襯底是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4。
本發(fā)明一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1選擇一襯底，該襯底為圓形；步驟2在襯底上依次生長緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層、一金/鎳層；步驟3刻蝕，將依次生長的n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層、金/鎳層的邊緣刻蝕，使n-氧化鋅層形成一環(huán)形臺階；步驟4在金/鎳層上制作一金/鈦電極；步驟5在n-氧化鋅層的環(huán)形臺階上制作一環(huán)形金/鈦電極。
其中所述的緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層均采用有機金屬氣相沉積方法生長。
其中所述的p-氧化鋅層中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種。
其中所述的襯底是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4。
本發(fā)明ZnO基發(fā)光二極管有如下優(yōu)點a)該器件的薄膜外延過程都在金屬有機氣相沉積設(shè)備中一次性連續(xù)生長完成，不必中途打開反應(yīng)室，有效的減少了一般工藝條件下容易形成的界面污染，減少了非輻射復(fù)合中心，提高了發(fā)光效率。
b)將電極制作在同側(cè)，采用正面采光，克服了傳統(tǒng)工藝將電極做在異側(cè)發(fā)光效率低的弊端。
c)將n型電極制作成圓環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，在n-ZnO層中可電流均勻流過，避免了異側(cè)電極電流的不均勻分布，有利于二極管的發(fā)光。
d)p型電極采用一層很薄的Au/Ni薄膜加上厚的Au/Ni上端接觸電極，既保證了導(dǎo)線的連接，又對透光性影響不的大。
e)采用同質(zhì)結(jié)p-i-n發(fā)光層，界面匹配好，制作工藝簡單。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為氧化鋅基藍(lán)光發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明1、一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，包括一襯底1，該襯底1為圓形，該襯底1是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4；一緩沖層2，該緩沖層2制作在襯底1上，該緩沖層2有利于提高材料的外延生長質(zhì)量；一n-氧化鋅層3，該n-氧化鋅層3制作在緩沖層2上，在該n-氧化鋅層3的邊緣刻蝕出環(huán)形臺階31，該n-氧化鋅層3有利于作出環(huán)形金/鈦電極8；一i-氧化鋅有源層4，該i-氧化鋅有源層4制作在n-氧化鋅層3上，該i-氧化鋅有源層4的主要作用是電子空穴復(fù)合；一p-氧化鋅層5，該p-氧化鋅層5制作在i-氧化鋅層4上，該p-氧化鋅層5提供注入的空穴，該p-氧化鋅層5中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種；其中所述的緩沖層2、n-氧化鋅層3、i-氧化鋅有源層4、p-氧化鋅層5均采用有機金屬氣相沉積方法生長；一金/鎳層6，該金/鎳層6制作在p-氧化鋅層5上，該金/鎳層6有利于注入電流的擴散；一金/鎳電極7，該金/鎳電極7制作在金/鎳層6上，該金/鎳電極7提供與導(dǎo)線的接觸；一環(huán)形金/鈦電極8，該環(huán)形金/鈦電極8制作在n-氧化鋅層3的環(huán)形臺階31上。
請再參閱圖1所示，本發(fā)明一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1選擇一襯底1，該襯底1為圓形，該襯底1是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4；步驟2在襯底1上依次生長緩沖層2、n-氧化鋅層3、i-氧化鋅有源層4、p-氧化鋅層5、一金/鎳層6，該p-氧化鋅層5中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種；其中所述的緩沖層2、n-氧化鋅層3、i-氧化鋅有源層4、p-氧化鋅層5均采用有機金屬氣相沉積方法生長；步驟3刻蝕，將依次生長的n-氧化鋅層3、i-氧化鋅有源層4、p-氧化鋅層5、金/鎳層6的邊緣刻蝕，使n-氧化鋅層3形成一環(huán)形臺階31；步驟4在金/鎳層6上制作一金/鈦電極7；步驟5在n-氧化鋅層3的環(huán)形臺階31上制作一環(huán)形金/鈦電極8。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及方法，請再參見附圖1，本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管在襯底1上依次沉積緩沖層2、n-氧化鋅層3、i-氧化鋅有源層4、p-氧化鋅層5、一金/鎳層6、n-氧化鋅層3、環(huán)形金/鈦電極8。
1、襯底1，該襯底1為圓形；該襯底1是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4。襯底的選擇十分的關(guān)鍵，它影響到外延生長的質(zhì)量，進(jìn)而影響到器件的性能。襯底晶格常數(shù)要求盡量與氧化鋅的晶格常數(shù)匹配，以減少失配，減少界面態(tài)的形成。上述襯底1中，氧化鋅是最好的，ScAlMgO4其次，但它們的價格昂貴，不符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求。藍(lán)寶石是最常用的襯底，用緩沖層外延質(zhì)量較好。硅片則因晶格失配較大，外延質(zhì)量一般。
2、緩沖層2，該緩沖層2制作在襯底1上，該緩沖層2有利于提高材料的外延生長質(zhì)量。緩沖層一般用低溫生長的氧化鋅，其多晶的結(jié)構(gòu)形成一模板，為以后的外延提供取向。三元鎂鋅氧也可用作為緩沖層，由于鎂的加入，使外延膜與襯底的失配減小，有利于提高外延膜的質(zhì)量。此外，緩沖層可用不同的方法生長，如激光脈沖沉積，這樣生長的緩沖層有利于有機金屬氣相外延。
3、n-氧化鋅層3，該n-氧化鋅層3制作在緩沖層2上，在該n-氧化鋅層3的邊緣刻蝕出環(huán)形臺階31。該層為i-氧化鋅有源層4提供電子。該才層的摻雜濃度要求盡可能的高，以減小電流經(jīng)過時產(chǎn)生的電壓降，減少器件的發(fā)熱量。
4、i-氧化鋅有源層4，該i-氧化鋅有源層4制作在n-氧化鋅層3上。該i-氧化鋅有源層4的主要作用是電子空穴復(fù)合。該i-氧化鋅有源層4是本征氧化鋅，要求本征電子濃度非常的低，在1015/cm3以下，以減少空穴的非輻射復(fù)合，提高發(fā)光效率。該i-氧化鋅有源層4的上下界面要求非常平整，表面粗糙度在1個納米量級，以減小對電子空穴的散射。而且該i-氧化鋅有源層4要求厚度在10個納米左右，不能過厚，否則電子空穴復(fù)合的效率會大大減低，發(fā)光效率因而降低。
5、p-氧化鋅層5，該p-氧化鋅層5制作在i-氧化鋅層4上。該p-氧化鋅層5提供注入的空穴。該p-氧化鋅層5的空穴濃度應(yīng)該在1018/cm3以上，能提供有效的空穴注入。P型摻雜一直是氧化鋅生長中急待解決的關(guān)鍵問題，不太容易實現(xiàn)的。采用三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種，進(jìn)行單摻雜或共摻雜有利于p型的實現(xiàn)。此外，對氣體摻雜劑進(jìn)行離化，可有效促進(jìn)五族元素的并入。P型生長完成后，高溫對其退火，可有效激活摻雜劑，使空穴濃度大幅度提高。
6、金/鎳層6，該金/鎳層6制作在p-氧化鋅層5上。該金/鎳層6用真空蒸鍍的方法制作。該金/鎳層6有利于注入電流的擴散，使電子空穴接觸的空間擴大、均勻。該金/鎳層6要求厚度非常薄，大約在10納米左右，因為這一層是需要透光的，雖然金/鎳的透光性叫好，但厚了還是會影響透光性。
7、金/鎳電極7，該金/鎳電極7制作在金/鎳層6上。該金/鎳電極7用真空蒸鍍的方法制作，采用lift-off技術(shù)刻蝕出所需的性狀。該金/鎳電極7既保證了導(dǎo)線的連接，又對透光性影響不的大。
8、環(huán)形金/鈦電極8，該環(huán)形金/鈦電極8制作在n-氧化鋅層3的環(huán)形臺階31上。該環(huán)形金/鈦電極8寬度在0.5微米左右，高約200納米。該環(huán)形金/鈦電極8能使n極電流的分布均勻，避免了側(cè)電極電流非均勻分布的情況，有利于提高器件反對發(fā)光性能，有助于提高器件的壽命。
9、采用光刻和Ar離子刻蝕制作出圓形臺階。用Ar離子刻蝕制作出圓形臺階制作圓臺階，能形成陡峭的刻蝕界面，控制精度很高。離子的能量要選擇適當(dāng)，最好能達(dá)到效果而又不使晶體質(zhì)量受到過分的傷害。
10、在各層的生長過程中，要盡量保持連貫，減少氣氛對界面的影響，以提高生長的質(zhì)量。由于各層生長參數(shù)是不一致，調(diào)整的過程要盡量縮短，可在每層生長完畢后用氣體沖刷反應(yīng)室，減少上次生長殘留是雜質(zhì)。
11、光刻中所采用的腐蝕液為H3PO4或HCl或HNO3。要針對各層材料不同的物理化學(xué)特性來選擇合適的腐蝕液。一般而言，氧化鋅的腐蝕速率比較快，需要精心加以控制。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，包括一襯底，該襯底為圓形；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上，該緩沖層有利于提高材料的外延生長質(zhì)量；一n-氧化鋅層，該n-氧化鋅層制作在緩沖層上，在該n-氧化鋅層的邊緣刻蝕出環(huán)形臺階，該n-氧化鋅層有利于作出環(huán)形金/鈦電極；一i-氧化鋅有源層，該i-氧化鋅有源層制作在n-氧化鋅層上，該i-氧化鋅有源層的主要作用是電子空穴復(fù)合；一p-氧化鋅層，該p-氧化鋅層制作在i-氧化鋅層上，該p-氧化鋅層提供注入的空穴；一金/鎳層，該金/鎳層制作在p-氧化鋅層上，該金/鎳層有利于注入電流的擴散；一金/鎳電極，該金/鎳電極制作在金/鎳層上，該金/鎳電極提供與導(dǎo)線的接觸；一環(huán)形金/鈦電極，該環(huán)形金/鈦電極制作在n-氧化鋅層的環(huán)形臺階上。
2.按權(quán)利要求1所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，其中所述的緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層均采用有機金屬氣相沉積方法生長。
3.按權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，其中所述的p-氧化鋅層中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種。
4.按權(quán)利要求1所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，其特征在于，其中所述的襯底是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4。
5.一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1選擇一襯底，該襯底為圓形；步驟2在襯底上依次生長緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層、一金/鎳層；步驟3刻蝕，將依次生長的n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層、金/鎳層的邊緣刻蝕，使n-氧化鋅層形成一環(huán)形臺階；步驟4在金/鎳層上制作一金/鈦電極；步驟5在n-氧化鋅層的環(huán)形臺階上制作一環(huán)形金/鈦電極。
6.按權(quán)利要求5所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，其中所述的緩沖層、n-氧化鋅層、i-氧化鋅有源層、p-氧化鋅層均采用有機金屬氣相沉積方法生長。
7.按權(quán)利要求5或6所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，其中所述的p-氧化鋅層中的p型摻雜劑為三甲基鋁和NH3、N2O、NO、NO2、N2中的一種或幾種。
8.按權(quán)利要求5所述的氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，其中所述的襯底是玻璃、硅片、藍(lán)寶石、氧化鋅或ScAlMgO4。
全文摘要
一種氧化鋅基的藍(lán)光發(fā)光二極管，包括一襯底，該襯底為圓形；一緩沖層制作在襯底上，該緩沖層有利于提高材料的外延生長質(zhì)量；一n－氧化鋅層制作在緩沖層上，在該n－氧化鋅層的邊緣刻蝕出環(huán)形臺階，該n－氧化鋅層有利于作出環(huán)形金/鈦電極；一i－氧化鋅有源層制作在n－氧化鋅層上，該i－氧化鋅有源層的主要作用是電子空穴復(fù)合；一p－氧化鋅層制作在i－氧化鋅層上，該p－氧化鋅層提供注入的空穴；一金/鎳層制作在p－氧化鋅層上，該金/鎳層有利于注入電流的擴散；一金/鎳電極制作在金/鎳層上，該金/鎳電極提供與導(dǎo)線的接觸；一環(huán)形金/鈦電極制作在n－氧化鋅層的環(huán)形臺階上。
文檔編號H01L33/00GK1964081SQ20051008684
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者張攀峰, 叢偉光, 魏鴻源, 劉祥林 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所