一种基于MoS2的薄层紫外发光二极管及其制作方法与流程

本发明涉及一种紫外发光二极管，具体涉及一种基于mos2的薄层紫外发光二极管及其制作方法。

背景技术：

现有技术中，通过在gan中掺al可形成algan三元体材料，并通过改变量子阱中al组分，可使algan的禁带宽度在3.4ev~6.2ev的范围内连续变化，algan紫外发光二极管的工作波长能从365nm变化到200nm。但是，随着algan材料al组分的增大，材料外延的难度也会增大，与高al组分晶格匹配的aln单晶衬底价格异常昂贵。为了解决这个问题，通常的做法是在生长发光多量子阱之前通过两步生长法生长一层很厚的aln缓冲层，然后再生长n-algan，但是这种方式生长出来的n-algan有非常多的穿透位错，而且在深紫外波段n-algan质量很差。除此之外，为了隔绝下层穿透位错相对于发光量子阱的影响，n-algan层一般生长的比较厚，这也限制了gan基深紫外led在柔性衬底以及生物衬底上的发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于mos2的薄层紫外发光二极管及其制作方法，以降低外延生长成本，对晶格匹配衬底的依赖性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于mos2的薄层紫外发光二极管，包括自下而上依次设置的衬底、mos2层、n型渐变al组分algan层、algan量子阱层、p型渐变al组分algan层和p电极，所述n型渐变al组分algan层的侧上方设有n电极，所述mos2层由多层平铺的mos2材料构成。

其中，所述mos2层的厚度为2-5nm。

其中，所述n型渐变al组分algan层的厚度为100-120nm，所述n型渐变al组分algan层中al组分线性递增渐变，si掺杂浓度为5´10¹⁸cm^-3。

其中，所述algan量子阱层的厚度为40-60nm；

所述p型渐变al组分algan层的厚度为100-120nm，所述p型渐变al组分algan层中al组分线性递增渐变，mg掺杂浓度为1´10¹⁹cm^-3。

本发明还提供一种基于mos2的薄层紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

（1）在衬底上，利用cvd工艺，生长厚度为2-5nm的mos2层；

（2）在铺满衬底的mos2层上，利用mocvd工艺，采用线性增加al源流量的方式生长厚度为100-120nm的n型渐变al组分algan层，其si掺杂浓度为5´10¹⁸cm^-3；

（3）在n型渐变al组分algan层上，利用mocvd工艺，生长厚度为40-60nm的algan量子阱层；

（4）在algan量子阱层上，利用mocvd工艺，采用线性减少al源流量的方式生长厚度为100-120nm的p型渐变al组分algan层，其mg掺杂浓度为1´10¹⁹cm^-3；

（5）采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型渐变al组分algan层刻蚀至n型渐变al组分algan层，形成n型algan台面；

（6）在n型a1gan台面上光刻出n型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀n型电极；

（7）在p型渐变al组分algan层上光刻出p型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀p型电极，完成基于mos2的薄层紫外发光二极管的制作。

其中，步骤（1）中生长mos2层的工艺条件为：反应室温度为650-850℃，保持反应室压力为20-75torr，向反应室同时通入流量为250-300sccm的氮气，在生长之前将一滴还原氧化石墨烯溶液悬涂在衬底的基板表面，然后在50℃下干燥，将mo3粉末放入cvd陶瓷舟皿中，并将衬底面朝下安装在舟皿顶部，将单独的硫粉的陶瓷舟皿放置在mo3粉末旁边。

其中，步骤（2）中生长n型渐变al组分algan层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为10-75torr，向反应室通入流量为50-200sccm的铝源，在生长过程中铝源流量从50sccm-200sccm之间均匀递增。

其中，步骤（3）中生长algan量子阱层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为15-75torr，向反应室通入流量为120-240sccm的铝源。

其中，步骤（4）中生长p型渐变al组分algan层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为10-75torr，向反应室通入流量为50-240sccm的铝源，在生长过程中铝源流量从240sccm-50sccm之间均匀递减。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、本发明在mos2上异质外延表面没有悬挂键，晶体质量高。传统algan基紫外发光二极管一般生长在c面蓝宝石衬底上，因为蓝宝石衬底与gan和aln均有很大的晶格失配和热失配，同时因为蓝宝石衬底表面存在的大量悬挂键导致衬底应力向上传递，导致上层aln/algan产生晶格畸变，产生大量位错，严重降低了外延层的结晶质量。本发明中采用在mos2层上进行外延，mos2是一种类石墨烯二维材料，相比较于石墨烯，优势在于：mos2是一种直接带隙半导体，单层mos2禁带宽度为1.8ev，在光电器件中有十分光明的应用前景。因为mos2为类石墨烯材料，表面同样没有悬挂键，衬底应力不会向上层传递，al原子在mos2表面迁移势垒很低可以生长均匀性良好的高al组分algan薄膜。

2、本发明的外延方式为范德华外延，可在多种衬底实现外延生长。在mos2上生长外延结构，外延层与mos2之间结合方式为范德华力，并不是传统的蓝宝石、sic或者si衬底生长时以化学键结合的方式。因为外延层与衬底间没有直接的化学键，在mos2上面外延生长algan对衬底要求很低，可以实现其他单晶或者多晶衬底的外延生长。

3、本发明基于mos2的薄层紫外发光二极管整体厚度较小，应用领域广泛。本发明采用al组分渐变层作为n型层与p型层，通过在生长过程中调节al源流量来控制渐变层渐变方向，促进电子和空穴在量子阱中的复合。传统发光二极管中在p型区域需要一层电子阻挡层来抑制电子越过量子阱向p型区域扩散，本发明采用的al组分渐变层在增强空穴注入的同时抑制了电子向p型区域扩散，提升了辐射复合率，降低了外延层厚度。

4、因为mos2的薄层紫外发光二极管整体厚度较小，外延结构剥离工艺较为简单，可以应用到生物柔性衬底等这些新兴领域中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于mos2的薄层紫外发光二极管的结构示意图；

图2为本发明中基于蓝宝石衬底上生长的三角mos2；

图3为本发明中基于蓝宝石衬底上生长的单层mos2；

图4为本发明中295nm深紫外led变温pl谱。

附图标记说明：

1、衬底；2、mos2层；3、n型渐变al组分algan层；4、algan量子阱层；5、p型渐变al组分algan层；6、n电极；7、p电极。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种基于mos2的薄层紫外发光二极管，包括自下而上依次设置的衬底1、mos2层2、n型渐变al组分algan层3、algan量子阱层4、p型渐变al组分algan层5和p电极7，所述n型渐变al组分algan层3的侧上方设有n电极6，所述mos2层2为多层平铺mos2材料。

其中，所述mos2层2的厚度为2-5nm。所述n型渐变al组分algan层3的厚度为100-120nm，所述n型渐变al组分algan层3中al组分线性递增渐变，si掺杂浓度为5´10¹⁸cm^-3。

所述algan量子阱层4的厚度为40-60nm。所述p型渐变al组分algan层5的厚度为100-120nm，所述p型渐变al组分algan层5中al组分线性递增渐变，mg掺杂浓度为1´10¹⁹cm^-3。

本发明还提供一种基于mos2的薄层紫外发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

（1）在衬底上，利用cvd工艺，生长厚度为2-5nm的mos2层，工艺条件为：反应室温度为650-850℃，保持反应室压力为20-75torr，向反应室同时通入流量为250-300sccm的氮气，在生长之前将一滴还原氧化石墨烯溶液悬涂在衬底的基板表面，然后在50℃下干燥，将mo3粉末放入cvd陶瓷舟皿中，并将衬底面朝下安装在舟皿顶部，将单独的硫粉的陶瓷舟皿放置在mo3粉末旁边。

（2）在铺满衬底的mos2层上，利用mocvd工艺，采用线性增加al源流量的方式生长厚度为100-120nm的n型渐变al组分algan层，其si掺杂浓度为5´10¹⁸cm^-3；

本步骤中，生长n型渐变al组分algan层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为10-75torr，向反应室通入流量为50-200sccm的铝源，在生长过程中铝源流量从50sccm-200sccm之间均匀递增。

（3）在n型渐变al组分algan层上，利用mocvd工艺，生长厚度为40-60nm的algan量子阱层；

本步骤中生长algan量子阱层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为15-75torr，向反应室通入流量为120-240sccm的铝源。

（4）在algan量子阱层上，利用mocvd工艺，采用线性减少al源流量的方式生长厚度为100-120nm的p型渐变al组分algan层，其mg掺杂浓度为1´10¹⁹cm^-3；

本步骤中生长p型渐变al组分algan层的工艺条件为：反应室温度为900-1350℃，保持反应室压力为10-75torr，向反应室通入流量为50-240sccm的铝源，在生长过程中铝源流量从240sccm-50sccm之间均匀递减。

（5）采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型渐变al组分algan层刻蚀至n型渐变al组分algan层，形成n型algan台面；

（6）在n型a1gan台面上光刻出n型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀n型电极；

（7）在p型渐变al组分algan层上光刻出p型电极的图形，使用镀膜机，蒸镀p型电极，完成基于mos2的薄层紫外发光二极管的制作。

下面结合两个具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。

实施例1、在c面蓝宝石衬底上制备发光波长为320nm的mos2薄层紫外发光二极管，包括如下步骤：

步骤一、对衬底进行预处理

将c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于化学气相淀积cvd反应室中，将反应室的真空度降低至1×10^-1torr；向反应室通入氢气，在cvd反应室压力达到为200torr条件下，将衬底加热到温度为800℃，并保持15min，完成对衬底基片的热处理；

步骤二、生长mos2层

在处理后的衬底上将一滴还原氧化石墨烯溶液悬涂在衬底基板表面，然后在50℃下干燥，将mo3粉末放入cvd陶瓷舟皿中，并将衬底面朝下安装在舟皿顶部。将单独的硫粉的陶瓷舟皿放置在mo3粉末旁边，采用cvd工艺在反应室温度为800℃的条件下，同时通入流量为250sccm的氮气作为载气，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为2-5nm的mos2层。

步骤三、生长n型渐变al组分algan层

在mos2层上采用mocvd工艺在反应室温度为1080℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为47sccm的镓源和流量为50sccm的铝源这三种气体，在生长过程中铝源流量从50sccm-200sccm之间均匀递增，在保持压力为30torr的条件下生长厚度为100nm的n型渐变al组分algan层。

步骤四、生长algan量子阱层

在n型渐变al组分algan层上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为60sccm的镓源和流量为180sccm的铝源这三种气体，在保持压力为35torr的条件下生长厚度为7nm的algan量子势垒。通入流量为1000sccm的氨气、流量为67sccm的镓源和流量为168sccm的铝源这三种气体，在保持压力为35torr的条件下生长厚度为1nm的algan量子势垒；

重复以上条件生长8周期algan量子阱垒。

步骤五、生长p型渐变al组分algan层

在algan量子阱层上采用mocvd工艺在反应室温度为1090℃的条件下，同时通入流量为1200sccm的氨气、流量为58sccm的镓源、流量为200sccm的铝源和流量为16sccm的mg源，在保持压力为40torr的条件下生长厚度为120nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的p型渐变al组分algan层。

步骤六、刻蚀并制作电极

采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型渐变al组分algan层刻蚀至n型渐变al组分algan层，形成n型algan台面淀积电极。采用溅射金属的方法分别在n型渐变al组分algan层上沉积n型电极，在p型渐变al组分algan层沉积p型电极，完成c面蓝宝石衬底上发光波长为320nm的mos2薄层紫外发光二极管的制作。

实施例2、在c面蓝宝石衬底上制备发光波长为295nm的mos2薄层紫外发光二极管，包括如下步骤：

步骤一、对衬底进行预处理

将c面蓝宝石衬底经过清洗之后，置于化学气相淀积cvd反应室中，将反应室的真空度降低至1×10^-1torr；向反应室通入氢气，在cvd反应室压力达到为200torr条件下，将衬底加热到温度为800℃，并保持15min，完成对衬底基片的热处理。

步骤二、生长mos2层

在处理后的衬底上将一滴还原氧化石墨烯溶液悬涂在衬底基板表面，然后在50℃下干燥，将mo3粉末放入cvd陶瓷舟皿中，并将衬底面朝下安装在舟皿顶部。将单独的硫粉的陶瓷舟皿放置在mo3粉末旁边，采用cvd工艺在反应室温度为800℃的条件下，同时通入流量为250sccm的氮气作为载气，在保持压力为20torr的条件下生长厚度为2-5nm的mos2层。

步骤三、生长n型渐变al组分algan层

在mos2层上采用mocvd工艺在反应室温度为1080℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为37sccm的镓源和流量为70sccm的铝源这三种气体，在生长过程中铝源流量从70sccm-300sccm之间均匀递增，在保持压力为30torr的条件下生长厚度为100nm的n型渐变al组分algan层。

步骤四、生长algan量子阱层

在n型渐变al组分algan层上采用mocvd工艺在反应室温度为1100℃的条件下，同时通入流量为1000sccm的氨气、流量为60sccm的镓源和流量为180sccm的铝源这三种气体，在保持压力为35torr的条件下生长厚度为7nm的algan量子势垒。通入流量为1000sccm的氨气、流量为67sccm的镓源和流量为168sccm的铝源这三种气体，在保持压力为35torr的条件下生长厚度为1nm的algan量子势垒；

重复以上条件生长8周期algan量子阱垒。

步骤五、生长p型渐变al组分algan层

在algan量子阱层上采用mocvd工艺在反应室温度为1090℃的条件下，同时通入流量为1200sccm的氨气、流量为50sccm的镓源、流量为300sccm的铝源和流量为16sccm的mg源，在保持压力为40torr的条件下生长厚度为120nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的p型渐变al组分algan层。

步骤六、刻蚀并制作电极

采用感应耦合等离子体或者反应离子刻蚀从顶部p型渐变al组分algan层刻蚀至n型渐变al组分algan层，形成n型algan台面淀积电极。采用溅射金属的方法分别在n型渐变al组分algan层上沉积n型电极，在p型渐变al组分algan层沉积p型电极，完成c面蓝宝石衬底上发光波长为295nm的mos2薄层紫外发光二极管的制作。

如图2所示为基于蓝宝石衬底上生长的三角mos2，其中图2a为放大倍数10000x下三角mos2的sem图片，图2b为放大倍数为500x下三角mos2的sem图片。图3所示为基于蓝宝石衬底上生长的单层mos2，其中图3a为放大倍数10000x下单层mos2薄膜的sem图片，图3b为放大倍数为500x下单层mos2薄膜的sem图片。图4所示为295nm深紫外led变温pl谱。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。