专利名称：一种ZnO基发光二极管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及ZnO基发光二极管及其制备方法。
背景技术：
ZnO由于其室温下3.37 eV的直接带宽和60 meV的激子束缚能，被认为是 一种理想的短波长发光器件材料。制备性能可控的n型和p型ZnO导电晶体薄 膜是实现ZnO基光电器件应用的关键。目前，人们对于n型ZnO晶体薄膜的研 究已经比较成熟，已经能够实现具有优异性能的n型ZnO晶体薄膜的实时掺杂 生长。然而，ZnO的p型掺杂却遇到诸多困难，这主要是由于受主元素在ZnO 中的固溶度很低，受主能级一般很深，而且ZnO本身存在着诸多本征施主缺陷， 对受主会产生高度的自补偿效应。氮作为一种研究最为广泛的受主元素，同样 面临上述的掺杂困难。目前，ZnO中的氮掺杂广泛采用等离子体辅助生长方法， 通过提高氮源的反应能力以提高氮的固溶度。然而，等离子体辅助生长技术一 般成本较高，设备维护较困难，生长条件不易控制。并且所生长的p型ZnO薄 膜的性能仍有待提高。因此，如何实现可控，高效的p型掺杂己成为目前制备 ZnO基发光二极管中关键而又亟待解决的一项技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种p型掺杂可控、成本低，利于提高器件性能的ZnO 基发光二极管及其制备方法。
本发明的ZnO基发光二极管是以ZnO为基，在衬底的一面自下而上依次沉 积有n-ZnO薄膜层、n-Zni_xMgxO薄膜层、0<x<0.6， ZnO量子阱层、p-Zni.xMgxO 薄膜层、0<x<0.6， p-ZnO薄膜层和第二电极，在衬底的另一面沉积有第一电极, 其中ZnO量子阱层由z个周期的ZnO/Zni_yMgyO量子阱层构成，0<y<0.5， z值 为5 10。
上述的衬底可以是硅、氧化锌或氮化镓。第一电极为Ti/Au合金，第二电极 为Ni/Au合金。
本发明的ZnO基发光二极管的制备方法，步骤如下
将衬底表面清洗后放入金属有机物化学气相沉积系统的生长室中，生长室 抽真空至10—4Pa，加热衬底至300 60(TC，通入有机锌源、氧气，生长压强为 50Torr，在衬底上沉积n-ZnO薄膜层；通入有机锌源、有机镁源、氧气，生长 压强为50Torr，在n-ZnO薄膜层上沉积n-Zni.xMgxO薄膜层、0<x<0.6;交替通
入有机锌源、氧气以及有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，沉积 ZnO层和Zm-yMgyO层，0<y<0.5，以形成5 10个周期的ZnO量子阱层；然 后通入有机锌源、有机镁源、氧气、 一氧化氮，NO/O2的摩尔比为0.3 0.7，生 长压强为30Pa，在ZnO量子阱层上生长p-Zin.xMgxO薄膜层、0<x<0.6;接着 通入有机锌源、氧气、 一氧化氮，NO/02的摩尔比为0.3 0.7，生长压强为20Pa， 生长p-ZnO薄膜层；最后采用电子束蒸发法在p-ZnO薄膜层上沉积第二电极， 在衬底的另一面沉积第一电极。
制备过程中，沉积n-ZnO薄膜层和n-Zni.x MgxO薄膜层，可以用Ga或Al 源作为n型掺杂剂。
本发明的有益效果在于
1) 本发明生长成本低，生长条件易控，有利于产业化生产；
2) 采用02/NO混合气体的非等离子体辅助氮掺杂生长p-ZnO和p-Zni.x Mg》薄膜，通过优化NO/02比例可以提高氮掺杂浓度，有利于提高器件性能， 并且有效提高可重复性；
3) 量子阱作为有源层，利于提高发光效率；
4) ZnO同质结结构，界面晶格匹配性好，有利于提高器件的性能。
图1是本发明ZnO基发光二极管的结构示意图。
具体实施例方式
参照图l，本发明的ZnO基发光二极管是以ZnO为基，在衬底l的一面自 下而上依次沉积有n-ZnO薄膜层2、 n-Zni.xMgxO薄膜层3、 0<x<0.6， ZnO量子 阱层4、 p-Zn^MgxO薄膜层5、 0<x<0.6， p-ZnO薄膜层6和第二电极8，在衬 底1的另 一面沉积有第一 电极7，其中ZnO量子阱层由z个周期的ZnO/ZriLyMgyO 量子阱层构成，0<y<0.5， z值为5 10。
实施例1:
将硅衬底表面清洗后放入金属有机物化学气相沉积系统的生长室中，生长
室抽真空至10—4Pa，加热衬底至50(TC，通入有机锌源、氧气，以Ga为掺杂源 在衬底的一面沉积n-ZnO薄膜层，生长压强为50Torr，薄膜层厚2 (am;然后通 入有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50 Torr，在n-ZnO薄膜层上沉积 n-Zn。.8Mg。,20薄膜层，薄膜层厚50nm;接着交替通入有机锌源、氧气以及有机 锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，沉积ZnO层和Zn^MgcuO层，形 成5个周期的ZnO/Zna9Mg(nO量子阱层，ZnO和ZnQ.9MgaiO宽度分别为5nm
和6nm;然后降低温度至400。C，通入有机锌源、有机镁源、氧气、 一氧化氮， NO/02的摩尔比为0.5，生长压强为30 Pa，在ZnO/ZnG.9MgalO量子阱层上生长 p-Zn。"Mg(HO薄膜层，薄膜厚度50nm;接着通入有机锌源、氧气、 一氧化氮， NO/02的摩尔比为0.5，生长压强为20Pa，生长p-ZnO薄膜层，薄膜厚度1 |iim; 最后采用电子束蒸发法在p-ZnO薄膜层上沉积第二电极Ni/Au合金，在衬底的 另一面沉积第一电极Ti/Au合金。本例制得的ZnO基发光二极管的p-ZnO薄膜 层和p-Zn。.9MgaiO薄膜层氮掺杂浓度为1.5%。
实施例2:
将氧化锌衬底表面清洗后放入金属有机物化学气相沉积系统的生长室中，
生长室抽真空至10—4Pa，加热衬底至55(TC，通入有机锌源、氧气，以Ga为掺 杂源在衬底的一面沉积n-ZnO薄膜层，生长压强为50 Torr，薄膜层厚1.5 然后通入有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，在n-ZnO薄膜层上 沉积n-Zno."Mgo.2sO薄膜层，薄膜层厚50nm;接着交替通入有机锌源、氧气以 及有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，沉积ZnO层和Zna8Mg0.2O 层，形成7个周期的ZnO/Zn。.8Mga20量子阱层，ZnO和Zna8Mga20宽度分别为 5nm和5nm;然后降低温度至400°C ，通入有机锌源、有机镁源、氧气、 一氧化 氮，NO/O2的摩尔比为0.4，生长压强为30Pa，在ZnO/Zn。.8Mg。.20量子阱层上 生长p-Zn。.85Mg(U50薄膜层，薄膜厚度50nm;接着通入有机锌源、氧气、 一氧 化氮，NO/O2的摩尔比为0.4，生长压强为20 Pa，生长p-ZnO薄膜层，薄膜厚 度1 |im;最后采用电子束蒸发法在p-ZnO薄膜层上沉积第二电极Ni/Au合金， 在衬底的另一面沉积第一电极Ti/Au合金。本例制得的ZnO基发光二极管的 p-ZnO薄膜层和p-Zn。.9Mg(nO薄膜层氮掺杂浓度为1.3%。
实施例3:
将氮化镓衬底表面清洗后放入金属有机物化学气相沉积系统的生长室中，
生长室抽真空至10—4Pa，加热衬底至60(TC，通入有机锌源、氧气，以A1为掺 杂源在衬底的一面沉积n-ZnO薄膜层，生长压强为50Torr，薄膜层厚2|im;然 后通入有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，在n-ZnO薄膜层上沉 积n-Zn。.5Mga50薄膜层，薄膜层厚30 nm;接着交替通入有机锌源、氧气以及 有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr，沉积ZnO层和Zna6Mgo.40层， 形成10个周期的ZnO/ZnQ.6Mga40量子阱层，ZnO和ZnQ.6MgQ.40宽度分别为4nm 和4nm;然后降低温度至40(TC，通入有机锌源、有机镁源、氧气、 一氧化氮， NO/02的摩尔比为0.7，生长压强为30 Pa，在ZnO/Zna6Mgo.40量子阱层上生长
p-Zn。.6Mg。.40薄膜层，薄膜厚度30nm;接着通入有机锌源、氧气、 一氧化氮， NO/O2的摩尔比为0.7，生长压强为20Pa，生长p-ZnO薄膜层，薄膜厚度1 |nm; 最后采用电子束蒸发法在p-ZnO薄膜层上沉积第二电极Ni/Au合金，在衬底的 另一面沉积第一电极Ti/Au合金。本例制得的ZnO基发光二极管的p-ZnO薄膜 层和p-Zn。.9Mg(uO薄膜层氮掺杂浓度为1.8%。
权利要求
1.一种ZnO基发光二极管，其特征是以ZnO为基，在衬底(1)的一面自下而上依次沉积有n-ZnO薄膜层(2)、n-Zn1-xMgxO薄膜层(3)、0＜x＜0.6，ZnO量子阱层(4)、p-Zn1-xMgxO薄膜层(5)、0＜x＜0.6，p-ZnO薄膜层(6)和第二电极(8)，在衬底(1)的另一面沉积有第一电极(7)，其中ZnO量子阱层由z个周期的ZnO/Zn1-yMgyO量子阱层构成，0＜y＜0.5，z值为5～10。
2. 根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征是衬底为硅、氧化锌 或氮化镓。
3. 根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管，其特征是第一电极(7)为Ti/Au 合金，第二电极(8)为Ni/Au合金。
4. 根据权利要求1所述的ZnO基发光二极管的制备方法，其特征是步骤如下将衬底(l)表面清洗后放入金属有机物化学气相沉积系统的生长室中，生长 室抽真空至10—4Pa，加热衬底至300 60(TC，通入有机锌源、氧气，生长压强 为50Torr，在衬底上沉积n-ZnO薄膜层(2);通入有机锌源、有机镁源、氧气， 生长压强为50 Torr，在n-ZnO薄膜层(2)上沉积n-Zni.xMgxO薄膜层(3)、(Xx0.6; 交替通入有机锌源、氧气以及有机锌源、有机镁源、氧气，生长压强为50Torr， 沉积ZnO层和Zn卜y MgyO层，0<y<0.5，以形成5 10个周期的ZnO量子阱层 (4);然后通入有机锌源、有机镁源、氧气、 一氧化氮，NO/O2的摩尔比为0.3 0.7，生长压强为30Pa，在ZnO量子阱层(4)上生长p-ZriLxMgxO薄膜层(5)、 0<x<0.6;接着通入有机锌源、氧气、 一氧化氮，NO/O2的摩尔比为0.3 0.7， 生长压强为20 Pa，生长p-ZnO薄膜层(6);最后采用电子束蒸发法在p-ZnO薄 膜层(6)上沉积第二电极(8)，在衬底的另一面沉积第一电极(7)。
全文摘要
本发明的ZnO基发光二极管是以ZnO为基，在衬底的一面自下而上依次沉积有n-ZnO薄膜层、n-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜层、0＜x＜0.6，ZnO量子阱层、p-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜层、0＜x＜0.6，p-ZnO薄膜层和第二电极，在衬底的另一面沉积有第一电极，其中ZnO量子阱层由z个周期的ZnO/Zn<sub>1-y</sub>Mg<sub>y</sub>O量子阱层构成，0＜y＜0.5，z值为5～10。采用金属有机物化学气相沉积法生长，其中，p-ZnO和p-Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜层用O<sub>2</sub>/NO混合气体的非等离子体辅助氮掺杂。通过优化NO/O<sub>2</sub>比例可以提高氮掺杂浓度，有利于提高器件性能。ZnO基发光二极管以量子阱作为有源层，利于提高发光效率。
文档编号H01L33/00GK101097979SQ20071007001
公开日2008年1月2日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者卢洋藩, 叶志镇, 徐伟中, 曾昱嘉 申请人:浙江大学