专利名称：制作ZnO基异质结发光二极管的方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种制作ZnO基异质结发光二 极管的方法。
背景技术：
发光二极管被认为是继白炽灯、日光灯之后的第三代半导体照明器件，其高效长 寿命的优势引起了人们极大的研究热情。目前，InGaN/GaN基的发光二极管已经进入产 业化阶段。ZnO是一种重要的II -VI族宽禁带直接带隙半导体材料，其较大的禁带宽度 (-3. 37eV)和高的激子束缚能(-60meV)，使其成为短波长发光器件的潜在应用材料，在半 导体白光照明、光通信、高密度信息存储等领域具有广泛的用途。由于高空穴浓度、高迁移 率、高重复性的P型ZnO制备难题迄今尚未完全解决，大大制约了 ZnO基同质发光二极管的 制备。而GaN与ZnO具有极其相似的物理性质，并且p_GaN已商业化，因此在有关n_ZnO/ P-GaN异质结发光二极管的制备和性质研究方面人们开展了大量的工作。当前限制n-ZnO/ P-GaN异质结发光二极管获得大规模应用的瓶颈是其发光效率不高，因此，如何提高ZnO异 质结发光二极管的发光效率成为当前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，该方法可以 大大增强异质结发光二极管的发光效率，具有成本低、操作简单、适用广泛、实用性强等特 点ο本发明提供一种一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底上沉积ρ-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生长ZnO薄膜；3)采用湿法腐蚀，将P-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p_GaN薄膜，形 成台面；4)在p-GaN薄膜的台面上制作pi型电极；5)在ZnO薄膜上制作η型电极。其中衬底为Al2O3材料。其中p-GaN薄膜的空穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-100cm2/V · S。其中ZnO薄膜的沉积温度为300_900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa，生长功率为 80W，沉积时间为10-60min，ZnO薄膜的厚度为100_2000nm。其中ZnO薄膜的电子浓度为1017-1019/cm3，电子迁移率为5-10000ccmm2/V · s。其中ρ型电极的材料为NiAu，η型电极50为TiAu合金。本发明还提供一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底上沉积p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生长AlN层；
3)在P-GaN薄膜上生长ZnO薄膜；4)采用湿法腐蚀，将P-GaN薄膜上的AlN层和ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p_GaN 薄膜，形成台面；5)在p-GaN薄膜的台面上制作P型电极；6)在ZnO薄膜上制作η型电极。其中衬底为Al2O3材料。其中p-GaN薄膜的空穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-10000ccmm2/V · S。其中ZnO薄膜的沉积温度为300_900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa，生长功率为 80W，沉积时间为10-60min，ZnO薄膜的厚度为100_2000nm。其中ZnO薄膜的电子浓度为1017-1019/cm3，电子迁移率为5-100cm2/V · S。其中ρ型电极的材料为NiAu，型电极为TiAu合金。其中沉积AlN层的温度为400-1000°C，工作气体为Ar和N2的混合气体，生长室内 压强为1. OPa，长功率为80W，沉积时间为5-12min。其中AlN层的厚度为5_50nm。
为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合应用实例对本发明作详细的描 述，其中图IA为本发明第一实施例n-ZnO/p-GaN异质结发光二极管的结构示意图。图IB为本发明第二实施例n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管的结构示意图。图2为依照本发明实施例制备的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)谱。图3为依照本发明实施例制备的n-ZnO/p-GaN异质结发光二极管的室温电致发光 (EL)谱。图4为依照本发明实施例制备的n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管的室温电致 发光(EL)谱。
具体实施例方式请参阅图I(A)所示，为本发明第一实施例，本发明提供一种制作ZnO基异质结发 光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底10上沉积p-GaN薄膜20，该衬底10为Al2O3材料，p-GaN薄膜20的空 穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-100cm2/V · s ；2)在p-GaN薄膜20上生长ZnO薄膜30，所用的生长设备是射频磁控溅射系统， 包括进样室、沉积室、真空系统、射频电源及匹配系统、衬底加热及控温系统、样品旋转系统 等；3)用ZnO陶瓷靶作溅射靶，靶材装入生长室中的射频靶台上，调整靶材和基片的 距离为80mm ；4)该ZnO薄膜30的沉 积温度为300-900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa,生长功 率为80W，沉积时间为10-60min，ZnO薄膜30的厚度为100_2000nm，电子浓度为IO17-IO19/ cm3,电子迁移率为5-100cm2/V · s ；
5)采用湿法腐蚀，将P-GaN薄膜20上的ZnO薄膜30的一侧腐蚀掉，露出p_GaN薄 膜20，形成台面21 ；6)在p-GaN薄膜20的台面21上制作ρ型电极40，该ρ型电极40的材料为NiAu ；7)在ZnO薄膜30上制作η型电极50，该η型电极50为TiAu合金。参阅图I(B)所示，为本发明第二实施例，本发明一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底10上沉积p-GaN薄膜20，该衬底10为Al2O3材料，p-GaN薄膜20的空 穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-100cm2/V · s ；2)在p-GaN薄膜20上生长AlN层22，所用的生长设备是射频磁控溅射系统，包括 进样室、沉积室、真空系统、射频电源及匹配系统、衬底加热及控温系统、样品旋转系统等；3)生长AlN层22所用工作气体为Ar和N2的混合气体，比例为1 1，生长室内 压强为1. OPa，射频溅射功率为80W，衬底温度为750°C，溅射时间为12min，生长期间样品托 自转使成膜均勻。4)在p-GaN薄膜20上生长ZnO薄膜30，所用的生长设备是射频磁控溅射系统，该 ZnO薄膜30的沉积温度为300-900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa,生长功率为80W，沉积 时间为10-60min，Zn0薄膜30的厚度为100_2000nm，电子浓度为1017-1019/cm3，电子迁移率 为 5-100cm2/V · s ；5)采用湿法腐蚀，将P-GaN薄膜20上的AlN层22和ZnO薄膜30的一侧腐蚀掉， 露出p-GaN薄膜20，形成台面21 ；6)在p-GaN薄膜20的台面21上制作ρ型电极40，ρ型电极40的材料为NiAu合 金，在ZnO薄膜30上制作η型电极50，η型电极50为TiAu合金。生长结果按照上述工艺条件，在GaN(OOOl)衬底上制备n-ZnO/AlN/p-GaN三明治结构器件， 并在相同的实验条件下制备简单的n-ZnO/p-GaN器件作为比较(如图1所示)。ρ-GaN/蓝 宝石衬底上生长的AlN的XRD结果(图2)表明除了 GaN和蓝宝石的衍射峰之外，只有36. Io 和76. 6ο处的两个峰，分别归因于Α1Ν(0002)和(0004)衍射峰，这说明AlN的结晶质量较 好且沿W002]方向生长。电致发光谱测试(图3，图4)表明常规的n-ZnO/p-GaN发光二极 管即使在大的注入电流下发光仍然较弱，表明我们制备的异质结器件界面附近缺陷很多， 注入的电子和空穴大部分通过非辐射复合中心复合。插入AlN中间层以后，即使在较小的 注入电流下，发光仍然得到了极大的增强，并且器件中由材料缺陷引起的发光得到了很好 的抑制。发明与背景技术相比所具有的有意义的结果常规的ZnO/GaN异质结发光二极管的发光效率很低，并且以缺陷发光为主，本发 明通过在ZnO和GaN之间插入一层薄的AlN中间层，AlN与Zn0、GaN —样同为纤锌矿结构， 且晶格常数极为接近，可确保材料的外延质量。AlN的插入有两个明显优势= (I)AlN具有 良好的化学稳定性，可以有效抑制n-ZnO/p-GaN异质结界面处0原子和N原子的互扩散， 减少界面附近非辐射复合中心的形成，提高异质结界面的晶体质量；(2) AlN大的禁带宽度 (6. 2eV)可以提高异质结界面电子和空穴的势垒，对电子和空穴起到很好的限制作用，从而 提高界面附近电子和空穴的浓度，提高电子和空穴的复合速率。通过插入AlN层，可以有效解决n-ZnO/p-GaN发光二极管的现存问题，从而大大提高器件发光效率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底上沉积p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生长ZnO薄膜；3)采用湿法腐蚀，将p-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p-GaN薄膜，形成台面；4)在p-GaN薄膜的台面上制作p型电极；5)在ZnO薄膜上制作n型电极。
2.根据权利要求1所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中衬底为A1203材料。
3.根据权利要求1所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中p-GaN薄膜的空 穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-100cm2/V s。
4.根据权利要求1所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中ZnO薄膜的沉积 温度为300-900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa，生长功率为80W，沉积时间为10-60min， ZnO薄膜的厚度为100-2000nm。
5.根据权利要求1所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中ZnO薄膜的电子 浓度为1017-1019/cm3，电子迁移率为5-100cm2/V s。
6.根据权利要求1所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中p型电极的材料 为NiAu，n型电极50为TiAu合金。
7.一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底上沉积P-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生长A1N层；3)在p-GaN薄膜上生长ZnO薄膜；4)采用湿法腐蚀，将p-GaN薄膜上的A1N层和ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p_GaN薄 膜，形成台面；5)在p-GaN薄膜的台面上制作p型电极；6)在ZnO薄膜上制作n型电极。
8.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中衬底为A1203材料。
9.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中p-GaN薄膜的空 穴浓度为1017-1019/cm3，空穴迁移率为10-100cm2/V s。
10.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中ZnO薄膜的沉 积温度为300-900°C，工作气体为Ar，压强为1. OPa,生长功率为80W，沉积时间为10-60min， ZnO薄膜的厚度为100-2000nm。
11.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中ZnO薄膜的电子 浓度为1017-1019/cm3，电子迁移率为5-100cm2/V s。
12.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中p型电极的材料 为NiAu，型电极为TiAu合金。
13.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中沉积A1N层的温 度为400-1000°C，工作气体为Ar和N2的混合气体，生长室内压强为l.OPa，长功率为80W，沉积时间为5-12min。
14.根据权利要求7所述的制作ZnO基异质结发光二极管的方法，其中A1N层的厚度为 5_50nmo
全文摘要
本发明提供一种制作ZnO基异质结发光二极管的方法，包括如下步骤1)在衬底上沉积p-GaN薄膜；2)在p-GaN薄膜上生长ZnO薄膜；3)采用湿法腐蚀，将p-GaN薄膜上的ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p-GaN薄膜，形成台面；4)在p-GaN薄膜的台面上制作p型电极；5)在ZnO薄膜上制作n型电极。
文档编号H01L33/02GK101866999SQ201010183370
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者尹志岗, 张兴旺, 张曙光, 游经碧 申请人:中国科学院半导体研究所