專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子材料與器件工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光
和低閾值激光的新方法。
背景技術(shù)：
氧化鋅是一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下能隙寬度約為3. 37eV，激子束縛 能高達(dá)60meV。由于其大的激子束縛能，有望在室溫甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)高效藍(lán)紫色發(fā)光 和低閾值激光，因此，ZnO成為國(guó)際光電子領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。此外，與ZnSe、GaN、SiC 等其它的寬帶隙材料相比，ZnO有很高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、更好的抗輻射損傷的能力、較低 的生長(zhǎng)溫度、適合作長(zhǎng)壽命器件等優(yōu)勢(shì)。 目前，雖然有個(gè)別研究組已經(jīng)報(bào)道了 ZnO同質(zhì)pn結(jié)的電致發(fā)光結(jié)果，但ZnO的p型 摻雜仍然是阻礙ZnO基材料和器件應(yīng)用的瓶頸。為了克服這一瓶頸，研究人員嘗試?yán)闷?它已有的P型材料與n-Zn0形成pn結(jié)。在這些p型材料中，GaN因其與Zn0具有相同的晶 體結(jié)構(gòu)和相似的晶格常數(shù)而受到特別的關(guān)注。但由于III-V和II-VI互為摻雜劑，直接把 GaN與Zn0結(jié)合到一起形成的pn結(jié)往往只顯示出GaN的施主受主對(duì)(DAP)的發(fā)光，而ZnO 的發(fā)光很多時(shí)候觀察不到。這樣ZnO高激子束縛能的優(yōu)勢(shì)完全沒有得到利用。
另外國(guó)際上ZnO電泵激光只有很少的幾個(gè)研究小組有報(bào)道，從報(bào)道的結(jié)果來看， 發(fā)光區(qū)都是采用ZnO納米晶或是無序的ZnO顆粒薄膜，同時(shí)利用了 ZnO無序體系產(chǎn)生的隨 機(jī)光學(xué)反饋來實(shí)現(xiàn)光的相干放大。但是這些器件中都存在很大的缺點(diǎn)首先，由于顆粒之間 的光學(xué)反射損耗較大，使得器件的閾值電流較高；其次，由于ZnO顆粒之間的無序性直接導(dǎo) 致了光學(xué)模式的單色性較弱和方向性差，給實(shí)際應(yīng)用帶來極大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法，其簡(jiǎn)單易
行，擴(kuò)展了制備高效率發(fā)光器件的范圍，為發(fā)光器件的研究和制備開辟了新道路。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法，包括如下步驟利用具有相同晶 體結(jié)構(gòu)和相似晶格常數(shù)的P型材料與n型材料，把p型材料作為n型材料層的空穴源；通過 能帶的設(shè)計(jì)，采用介電層來調(diào)節(jié)P型材料與n型材料之間的能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的輸運(yùn)特性 進(jìn)行控制，使電子在n型材料層中積累而空穴從p型材料向n型材料層注入，從而實(shí)現(xiàn)在n 型材料中高效電致發(fā)光和低閾值的激光發(fā)射。 本發(fā)明的方法適用于利用介電層調(diào)節(jié)同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)中載流子的輸運(yùn)，使電子或 空穴單向注入，從而實(shí)現(xiàn)高效率的電致發(fā)光或低閾值激光發(fā)射的情形。上述的P型材料包 括但不限于P-Si、p-GaAs、p-GaN、p-ZnO、 p-SiC、p-InP、p-GaP，所述的介電層包括但不限于 MgO、 Si02，所述的n型材料包括但不限于ZnO、 GaN、 GaAs、 Si、 SiC。 本發(fā)明利用氧化鋅(ZnO)高的激子束縛能60meV來制備紫外發(fā)光二極管及低閾值
3激光器；通過能帶工程的剪裁設(shè)計(jì)，并對(duì)載流子的輸運(yùn)進(jìn)行控制，使ZnO中的電致發(fā)光顯著 增強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)了低閾值受激發(fā)射。具體采用MgO介電插入層來調(diào)節(jié)p-GaN和n-ZnO之間的 能帶結(jié)構(gòu)，首次在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)電泵浦ZnO垂直表面激光發(fā)射。ZnO的高光學(xué)增益 和自行成的微諧振腔使激光的閾值達(dá)到0. 8mA，與同類的GaN基激光二極管相比閾值電流 降低了 l-2個(gè)量級(jí)。 本發(fā)明充分利用了 p-GaN已經(jīng)商品化，且其與ZnO具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的 晶格常數(shù)的特點(diǎn)，把P-GaN作為ZnO層的空穴源。通過能帶的設(shè)計(jì)，巧妙地采用MgO介電層 來調(diào)節(jié)p-GaN和n-ZnO之間的能帶結(jié)構(gòu)，使電子在ZnO層中積累而空穴可以從p-GaN向ZnO 層的注入，從而實(shí)現(xiàn)了在ZnO中高效紫外發(fā)光和低閾值的激光發(fā)射。 在器件制作上，本發(fā)明利用等離子體輔助分子束外延(P-MBE)設(shè)備，采用高純金 屬鋅、鎂和高純02作反應(yīng)源，在p-GaN的襯底上生長(zhǎng)MgO電子阻擋層和高質(zhì)量的非摻雜 n-ZnO發(fā)光層。對(duì)器件的光學(xué)和電學(xué)特性進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)器件具有較好的整流特性。在室 溫條件下對(duì)器件進(jìn)行直流電致發(fā)光測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沒有MgO介電層時(shí)，結(jié)構(gòu)的發(fā)光以GaN中的施 主受主對(duì)發(fā)光和ZnO中的深缺陷發(fā)光為主；而有了 MgO層以后，在相同電流驅(qū)動(dòng)下，器件的 發(fā)光強(qiáng)度提高了將近兩個(gè)量級(jí)，并出現(xiàn)了受激發(fā)射現(xiàn)象，分析得出激光發(fā)射的閾值電流為 0. 8mA。 本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明適于寬帶隙II-VI族、III-V族及其它半導(dǎo)體材料 異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)和器件制備，是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件的一種簡(jiǎn)單易行的方法；極大地?cái)U(kuò) 展了制備高效率發(fā)光器件的范圍，為發(fā)光器件的研究和制備開辟了新道路。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光新方法的實(shí)施過程如下( 一 )、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能帶工程裁剪 在設(shè)計(jì)器件時(shí)為了克服ZnO隨機(jī)激光的缺點(diǎn)，我們采用ZnO六角柱上下兩個(gè)面 作為光學(xué)的諧振腔，可以使ZnO中的復(fù)合發(fā)光在這樣的六角微腔中得到很好的受激放大， 同時(shí)這種諧振腔使激光的諧振方向?yàn)榱墙Y(jié)構(gòu)的c軸，可以得到垂直于襯底表面的激光發(fā) 射，使器件具有很好的方向性。 在異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到ZnO和GaN較小的導(dǎo)帶和價(jià)帶階躍以及實(shí)現(xiàn)激 光發(fā)射時(shí)所需要的高載流子濃度，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)中具體的測(cè)試結(jié)果，對(duì)ZnO/GaN直接匹配 的異質(zhì)結(jié)器件和引入MgO介電插入層的器件相比較，分析得出MgO介電層的作用主要有兩
點(diǎn) 1.可以避免ZnO/GaN直接接觸界面上的高密度缺陷對(duì)發(fā)光的淬滅作用，改善界面 處的結(jié)晶質(zhì)量。 2.在異質(zhì)界面處引進(jìn)MgO介電層可以對(duì)ZnO層中電子進(jìn)行很好的限制，獲得高的 電子濃度，而不影響P-GaN中的空穴向ZnO層的注入從而實(shí)現(xiàn)了載流子的單向注入，獲得來 自于ZnO中的高效復(fù)合發(fā)光，為實(shí)現(xiàn)器件的高效發(fā)光和低閾值激光發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。
( 二 )、高質(zhì)量薄膜材料生長(zhǎng)通過P-MBE設(shè)備，在p-GaN襯底上生長(zhǎng)不同厚度的MgO介電層(20 40nm)，非摻
4雜n-Zn0薄膜的生長(zhǎng)溫度控制在700 850°C ，生長(zhǎng)的氧氣流量控制在0. 6 1. Osccm。
(三)、器件的電極制備 p-GaN的電極采用Ni/Au合金，金屬Ni和Au采用真空鍍膜機(jī)熱蒸發(fā)方法，通過在 空氣中退火實(shí)現(xiàn)Ni/Au合金化，退火溫度控制在400 500°C ，退火時(shí)間在3 8分鐘，Hall 測(cè)試表明得到良好的歐姆接觸。n-ZnO的電極采用在真空條件下燒結(jié)高純金屬In作為歐姆 接觸，電流-電壓(I-V)曲線表明器件具有良好的整流特性，開啟電壓為7V。
下面通過具體的實(shí)施例來說明本發(fā)明的應(yīng)用與效果 實(shí)施例l，在固定的生長(zhǎng)室真空和氣體流量條件下，尋找最佳的襯底溫度區(qū)間，生 長(zhǎng)高質(zhì)量ZnO薄膜。 利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的ZnO異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)，通過P-MBE設(shè)備，在p-GaN襯底上生長(zhǎng) MgO介電層30nm，非摻雜n-ZnO薄膜300nm。將p-GaN襯底裝入樣品架，射頻功率為300W， Zn源溫度245t:， Mg源溫度為28(TC，氧氣的流量為0.8sccm。經(jīng)30min生長(zhǎng)，得到了高質(zhì) 量MgO薄膜，接著生長(zhǎng)2小時(shí)的ZnO薄膜。 采用不同的生長(zhǎng)溫度A-70(TC， B-800°C， C-85(TC，制備了三個(gè)不同的樣品。利用 X射線衍射譜(XRD)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，衍射峰(002)的峰值半高寬B < C < A。其中B 樣品的峰值半高寬最窄(<0.2° )，說明生長(zhǎng)的ZnO薄膜具有明顯的c軸擇優(yōu)取向和良好 的結(jié)晶質(zhì)量，ZnO薄膜生長(zhǎng)的最佳溫度為80(TC。 霍爾測(cè)試表明B樣品中電子濃度為2. 5X 1017cm—3，電子遷移率為5cm2V—5—1 ;p-GaN 中空穴濃度為3X1017cm—3，空穴遷移率為10cm2V—5—、 光致發(fā)光譜(PL)指出ZnO中的發(fā)光主要來自于自由激子復(fù)合發(fā)光，深能級(jí)缺陷發(fā)
光幾乎探測(cè)不到。利用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征，樣品具有很
好的結(jié)晶質(zhì)量。ZnO薄膜由很多表面平整的六角柱緊密的排列而成。每一個(gè)六角柱都可以
起到一個(gè)很好的光學(xué)諧振腔的作用從而實(shí)現(xiàn)ZnO中輻射發(fā)光的相干放大。 實(shí)施例2，在固定的生長(zhǎng)室真空和溫度條件下，采用不同的氣體流量，進(jìn)行高質(zhì)量
ZnO薄膜的生長(zhǎng)。 采用P-MBE設(shè)備，在固定的生長(zhǎng)室真空和溫度條件下，采用不同的氧氣流量，生長(zhǎng) 三個(gè)樣品A-O. 6sccm， B-O. 8sccm， C-1. Osccm，生長(zhǎng)時(shí)間為120分鐘。 利用X射線衍射譜(XRD)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，衍射峰(002)的峰值半高寬B < C < A。其中B樣品衍射峰(002)的峰值半高寬較窄(< 0. 2° )，說明在0. 8sccm條件下生 長(zhǎng)的ZnO薄膜具有明顯的c軸擇優(yōu)取向和良好的結(jié)晶質(zhì)量。 利用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征，樣品具有很好的結(jié)晶 質(zhì)量。B樣品薄膜表面平整，結(jié)晶質(zhì)量較高，表面的平整度最高。 利用本發(fā)明，在p-GaN襯底上采用不同的氧氣流量生長(zhǎng)了高質(zhì)量的ZnO薄膜，說明 在0. 8sccm條件下生長(zhǎng)的ZnO薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量。 實(shí)施例3，在固定的壓力、氧氣流量和溫度條件下，采用不同厚度的MgO介電層 (20-50nm)，進(jìn)行異質(zhì)結(jié)器件的制備。 采用P-MBE設(shè)備，在固定的生長(zhǎng)室真空、氧氣流量和溫度條件下，采用不同的MgO 介電層厚度，制備三個(gè)樣品A-20nm， B-30nm， C-40nm。 利用霍爾測(cè)試儀對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行表征，其中B樣品的反向漏電流最小、整流特性
5最好，開啟電壓為7V。說明采用30nm厚Mg0薄膜的效果最好，器件具有最好的P_N結(jié)效應(yīng)。
在正向電流驅(qū)動(dòng)下B樣品得到了很強(qiáng)的紫外發(fā)光，主峰在390nm左右，實(shí)現(xiàn)了良好 的紫外發(fā)光二極管。同時(shí)對(duì)器件進(jìn)行變電流測(cè)試，獲得了紫外激光發(fā)射，閾值電流為O. 8mA。
本發(fā)明巧妙地回避了制備高質(zhì)量穩(wěn)定p-ZnO的困難，利用已經(jīng)商品化的p-GaN作 為它的空穴源，并通過MgO介電層實(shí)現(xiàn)了把電子限制在ZnO中，而空穴可以從GaN中向ZnO 注入，從而實(shí)現(xiàn)了 ZnO中高效的電致發(fā)光器件和低閾值激光器件。該結(jié)構(gòu)與通常實(shí)現(xiàn)半導(dǎo) 體發(fā)光或激光二極管相比，非常簡(jiǎn)單易行，在半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件方面有非常明顯的潛 在應(yīng)用。 實(shí)施例4，在固定的溫度條件下，采用不同的退火時(shí)間，進(jìn)行低阻歐姆電極接觸的 制備。 采用國(guó)產(chǎn)真空鍍膜機(jī)設(shè)備，首先選用高純金屬鎳金(Ni/Au)作為p-GaN的歐姆接 觸材料，蒸鍍?cè)赑-GaN的樣品上。 利用本發(fā)明，在固定的空氣和溫度條件下，采用三個(gè)不同的退火時(shí)間3分鐘(A) ，5 分鐘(B)，8分鐘(C)，進(jìn)行低阻歐姆電極接觸的制備。在45(TC條件下，三個(gè)樣品金屬接觸 電阻率A〉OB。通過霍爾表征，B樣品為理想金屬歐姆電極接觸。同樣通過真空蒸發(fā)工 藝蒸鍍金屬銦(In)得到了良好的n-ZnO歐姆接觸，電流-電壓(I_V)曲線表明器件具有很 好的整流特性。通過以上的結(jié)果，說明低阻P-GaN材料金屬歐姆電極接觸最佳退火溫度在 45(TC，退火時(shí)間5分鐘。
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法，其特征在于，該方法包括如下步驟利用具有相同晶體結(jié)構(gòu)和相似晶格常數(shù)的p型材料與n型材料，把p型材料作為n型材料的空穴源；通過能帶的設(shè)計(jì)，采用介電層來調(diào)節(jié)p型材料與n型材料之間的能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的輸運(yùn)特性進(jìn)行控制，使電子在n型材料層中積累而空穴從p型材料向n型材料層注入，從而實(shí)現(xiàn)在n型材料中高效電致發(fā)光和低閾值的激光發(fā)射。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法，其特征在于，所述的P型材料包括P-Si 、 p-GaAs、 p-GaN、 p-ZnO、 p-SiC、 p-InP、 p-GaP，所述的介電層包括MgO、 Si02，所述的n型材料包括Zn0、 GaN、 GaAs、 Si、 SiC。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法，其特征在于，利用p-GaN與ZnO具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的晶格常數(shù)的特點(diǎn)，把p-GaN作為ZnO層的空穴源；通過能帶的設(shè)計(jì)，采用MgO介電插入層來調(diào)節(jié)p-GaN和n_ZnO之間的能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的輸運(yùn)特性進(jìn)行控制，使電子在ZnO層中積累而空穴從p-GaN向ZnO層的注入，從而實(shí)現(xiàn)在ZnO中高效電致發(fā)光和低閾值的激光發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子材料與器件工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種實(shí)現(xiàn)高效電致發(fā)光和低閾值激光的新方法。該方法為利用具有相同晶體結(jié)構(gòu)和相似晶格常數(shù)的p型材料與n型材料，把p型材料作為n型材料的空穴源；通過能帶的設(shè)計(jì)，采用介電層來調(diào)節(jié)p型材料與n型材料之間的能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的輸運(yùn)特性進(jìn)行控制，使電子在n型材料層中積累而空穴從p型材料向n型材料層注入，從而實(shí)現(xiàn)在n型材料中高效電致發(fā)光和低閾值的激光發(fā)射。本發(fā)明適于寬帶隙II-VI族、III-V族及其它半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)生長(zhǎng)和器件制備，是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體發(fā)光和激光器件的一種簡(jiǎn)單易行的方法；極大地?cái)U(kuò)展了制備高效率發(fā)光器件的范圍，為發(fā)光器件的研究和制備開辟了新道路。
文檔編號(hào)H01S5/30GK101707231SQ200910207830
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者單崇新, 張吉英, 張振中, 朱海, 李炳輝, 申德振, 范希武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所