專利名稱：一種ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
ZnO由于其室溫下3.37 eV的直接帶寬和60 meV的激子束縛能，被認(rèn)為是 一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料。制備性能可控的n型和p型ZnO導(dǎo)電晶體薄 膜是實(shí)現(xiàn)ZnO基光電器件應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，人們對(duì)于n型ZnO晶體薄膜的研 究已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)異性能的n型ZnO晶體薄膜的實(shí)時(shí)摻雜 生長(zhǎng)。然而，ZnO的p型摻雜卻遇到諸多困難，這主要是由于受主元素在ZnO 中的固溶度很低，受主能級(jí)一般很深，而且ZnO本身存在著諸多本征施主缺陷， 對(duì)受主會(huì)產(chǎn)生高度的自補(bǔ)償效應(yīng)。氮作為一種研究最為廣泛的受主元素，同樣 面臨上述的摻雜困難。目前，ZnO中的氮摻雜廣泛采用等離子體輔助生長(zhǎng)方法， 通過提高氮源的反應(yīng)能力以提高氮的固溶度。然而，等離子體輔助生長(zhǎng)技術(shù)一 般成本較高，設(shè)備維護(hù)較困難，生長(zhǎng)條件不易控制。并且所生長(zhǎng)的p型ZnO薄 膜的性能仍有待提高。因此，如何實(shí)現(xiàn)可控，高效的p型摻雜己成為目前制備 ZnO基發(fā)光二極管中關(guān)鍵而又亟待解決的一項(xiàng)技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種p型摻雜可控、成本低，利于提高器件性能的ZnO 基發(fā)光二極管及其制備方法。
本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管是以ZnO為基，在襯底的一面自下而上依次沉 積有n-ZnO薄膜層、n-Zni_xMgxO薄膜層、0<x<0.6， ZnO量子阱層、p-Zni.xMgxO 薄膜層、0<x<0.6， p-ZnO薄膜層和第二電極，在襯底的另一面沉積有第一電極, 其中ZnO量子阱層由z個(gè)周期的ZnO/Zni_yMgyO量子阱層構(gòu)成，0<y<0.5， z值 為5 10。
上述的襯底可以是硅、氧化鋅或氮化鎵。第一電極為Ti/Au合金，第二電極 為Ni/Au合金。
本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管的制備方法，步驟如下
將襯底表面清洗后放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)室中，生長(zhǎng)室 抽真空至10—4Pa，加熱襯底至300 60(TC，通入有機(jī)鋅源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為 50Torr，在襯底上沉積n-ZnO薄膜層；通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng) 壓強(qiáng)為50Torr，在n-ZnO薄膜層上沉積n-Zni.xMgxO薄膜層、0<x<0.6;交替通
入有機(jī)鋅源、氧氣以及有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，沉積 ZnO層和Zm-yMgyO層，0<y<0.5，以形成5 10個(gè)周期的ZnO量子阱層；然 后通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣、 一氧化氮，NO/O2的摩爾比為0.3 0.7，生 長(zhǎng)壓強(qiáng)為30Pa，在ZnO量子阱層上生長(zhǎng)p-Zin.xMgxO薄膜層、0<x<0.6;接著 通入有機(jī)鋅源、氧氣、 一氧化氮，NO/02的摩爾比為0.3 0.7，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為20Pa， 生長(zhǎng)p-ZnO薄膜層；最后采用電子束蒸發(fā)法在p-ZnO薄膜層上沉積第二電極， 在襯底的另一面沉積第一電極。
制備過程中，沉積n-ZnO薄膜層和n-Zni.x MgxO薄膜層，可以用Ga或Al 源作為n型摻雜劑。
本發(fā)明的有益效果在于
1) 本發(fā)明生長(zhǎng)成本低，生長(zhǎng)條件易控，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；
2) 采用02/NO混合氣體的非等離子體輔助氮摻雜生長(zhǎng)p-ZnO和p-Zni.x Mg》薄膜，通過優(yōu)化NO/02比例可以提高氮摻雜濃度，有利于提高器件性能， 并且有效提高可重復(fù)性；
3) 量子阱作為有源層，利于提高發(fā)光效率；
4) ZnO同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，界面晶格匹配性好，有利于提高器件的性能。
圖1是本發(fā)明ZnO基發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管是以ZnO為基，在襯底l的一面自 下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層2、 n-Zni.xMgxO薄膜層3、 0<x<0.6， ZnO量子 阱層4、 p-Zn^MgxO薄膜層5、 0<x<0.6， p-ZnO薄膜層6和第二電極8，在襯 底1的另 一面沉積有第一 電極7，其中ZnO量子阱層由z個(gè)周期的ZnO/ZriLyMgyO 量子阱層構(gòu)成，0<y<0.5， z值為5 10。
實(shí)施例1:
將硅襯底表面清洗后放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)室中，生長(zhǎng)
室抽真空至10—4Pa，加熱襯底至50(TC，通入有機(jī)鋅源、氧氣，以Ga為摻雜源 在襯底的一面沉積n-ZnO薄膜層，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，薄膜層厚2 (am;然后通 入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50 Torr，在n-ZnO薄膜層上沉積 n-Zn。.8Mg。,20薄膜層，薄膜層厚50nm;接著交替通入有機(jī)鋅源、氧氣以及有機(jī) 鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，沉積ZnO層和Zn^MgcuO層，形 成5個(gè)周期的ZnO/Zna9Mg(nO量子阱層，ZnO和ZnQ.9MgaiO寬度分別為5nm
和6nm;然后降低溫度至400。C，通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣、 一氧化氮， NO/02的摩爾比為0.5，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為30 Pa，在ZnO/ZnG.9MgalO量子阱層上生長(zhǎng) p-Zn。"Mg(HO薄膜層，薄膜厚度50nm;接著通入有機(jī)鋅源、氧氣、 一氧化氮， NO/02的摩爾比為0.5，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為20Pa，生長(zhǎng)p-ZnO薄膜層，薄膜厚度1 |iim; 最后采用電子束蒸發(fā)法在p-ZnO薄膜層上沉積第二電極Ni/Au合金，在襯底的 另一面沉積第一電極Ti/Au合金。本例制得的ZnO基發(fā)光二極管的p-ZnO薄膜 層和p-Zn。.9MgaiO薄膜層氮摻雜濃度為1.5%。
實(shí)施例2:
將氧化鋅襯底表面清洗后放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)室中，
生長(zhǎng)室抽真空至10—4Pa，加熱襯底至55(TC，通入有機(jī)鋅源、氧氣，以Ga為摻 雜源在襯底的一面沉積n-ZnO薄膜層，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50 Torr，薄膜層厚1.5 然后通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，在n-ZnO薄膜層上 沉積n-Zno."Mgo.2sO薄膜層，薄膜層厚50nm;接著交替通入有機(jī)鋅源、氧氣以 及有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，沉積ZnO層和Zna8Mg0.2O 層，形成7個(gè)周期的ZnO/Zn。.8Mga20量子阱層，ZnO和Zna8Mga20寬度分別為 5nm和5nm;然后降低溫度至400°C ，通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣、 一氧化 氮，NO/O2的摩爾比為0.4，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為30Pa，在ZnO/Zn。.8Mg。.20量子阱層上 生長(zhǎng)p-Zn。.85Mg(U50薄膜層，薄膜厚度50nm;接著通入有機(jī)鋅源、氧氣、 一氧 化氮，NO/O2的摩爾比為0.4，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為20 Pa，生長(zhǎng)p-ZnO薄膜層，薄膜厚 度1 |im;最后采用電子束蒸發(fā)法在p-ZnO薄膜層上沉積第二電極Ni/Au合金， 在襯底的另一面沉積第一電極Ti/Au合金。本例制得的ZnO基發(fā)光二極管的 p-ZnO薄膜層和p-Zn。.9Mg(nO薄膜層氮摻雜濃度為1.3%。
實(shí)施例3:
將氮化鎵襯底表面清洗后放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)室中，
生長(zhǎng)室抽真空至10—4Pa，加熱襯底至60(TC，通入有機(jī)鋅源、氧氣，以A1為摻 雜源在襯底的一面沉積n-ZnO薄膜層，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，薄膜層厚2|im;然 后通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，在n-ZnO薄膜層上沉 積n-Zn。.5Mga50薄膜層，薄膜層厚30 nm;接著交替通入有機(jī)鋅源、氧氣以及 有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr，沉積ZnO層和Zna6Mgo.40層， 形成10個(gè)周期的ZnO/ZnQ.6Mga40量子阱層，ZnO和ZnQ.6MgQ.40寬度分別為4nm 和4nm;然后降低溫度至40(TC，通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣、 一氧化氮， NO/02的摩爾比為0.7，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為30 Pa，在ZnO/Zna6Mgo.40量子阱層上生長(zhǎng)
p-Zn。.6Mg。.40薄膜層，薄膜厚度30nm;接著通入有機(jī)鋅源、氧氣、 一氧化氮， NO/O2的摩爾比為0.7，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為20Pa，生長(zhǎng)p-ZnO薄膜層，薄膜厚度1 |nm; 最后采用電子束蒸發(fā)法在p-ZnO薄膜層上沉積第二電極Ni/Au合金，在襯底的 另一面沉積第一電極Ti/Au合金。本例制得的ZnO基發(fā)光二極管的p-ZnO薄膜 層和p-Zn。.9Mg(uO薄膜層氮摻雜濃度為1.8%。
權(quán)利要求
1.一種ZnO基發(fā)光二極管，其特征是以ZnO為基，在襯底(1)的一面自下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層(2)、n-Zn1-xMgxO薄膜層(3)、0＜x＜0.6，ZnO量子阱層(4)、p-Zn1-xMgxO薄膜層(5)、0＜x＜0.6，p-ZnO薄膜層(6)和第二電極(8)，在襯底(1)的另一面沉積有第一電極(7)，其中ZnO量子阱層由z個(gè)周期的ZnO/Zn1-yMgyO量子阱層構(gòu)成，0＜y＜0.5，z值為5～10。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征是襯底為硅、氧化鋅 或氮化鎵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征是第一電極(7)為Ti/Au 合金，第二電極(8)為Ni/Au合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管的制備方法，其特征是步驟如下將襯底(l)表面清洗后放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的生長(zhǎng)室中，生長(zhǎng) 室抽真空至10—4Pa，加熱襯底至300 60(TC，通入有機(jī)鋅源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng) 為50Torr，在襯底上沉積n-ZnO薄膜層(2);通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣， 生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50 Torr，在n-ZnO薄膜層(2)上沉積n-Zni.xMgxO薄膜層(3)、(Xx0.6; 交替通入有機(jī)鋅源、氧氣以及有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為50Torr， 沉積ZnO層和Zn卜y MgyO層，0<y<0.5，以形成5 10個(gè)周期的ZnO量子阱層 (4);然后通入有機(jī)鋅源、有機(jī)鎂源、氧氣、 一氧化氮，NO/O2的摩爾比為0.3 0.7，生長(zhǎng)壓強(qiáng)為30Pa，在ZnO量子阱層(4)上生長(zhǎng)p-ZriLxMgxO薄膜層(5)、 0<x<0.6;接著通入有機(jī)鋅源、氧氣、 一氧化氮，NO/O2的摩爾比為0.3 0.7， 生長(zhǎng)壓強(qiáng)為20 Pa，生長(zhǎng)p-ZnO薄膜層(6);最后采用電子束蒸發(fā)法在p-ZnO薄 膜層(6)上沉積第二電極(8)，在襯底的另一面沉積第一電極(7)。
全文摘要
本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管是以ZnO為基，在襯底的一面自下而上依次沉積有n-ZnO薄膜層、n-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜層、0＜x＜0.6，ZnO量子阱層、p-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜層、0＜x＜0.6，p-ZnO薄膜層和第二電極，在襯底的另一面沉積有第一電極，其中ZnO量子阱層由z個(gè)周期的ZnO/Zn<sub>1-y</sub>Mg<sub>y</sub>O量子阱層構(gòu)成，0＜y＜0.5，z值為5～10。采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)，其中，p-ZnO和p-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜層用O<sub>2</sub>/NO混合氣體的非等離子體輔助氮摻雜。通過優(yōu)化NO/O<sub>2</sub>比例可以提高氮摻雜濃度，有利于提高器件性能。ZnO基發(fā)光二極管以量子阱作為有源層，利于提高發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101097979SQ20071007001
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者盧洋藩, 葉志鎮(zhèn), 徐偉中, 曾昱嘉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)