專利名稱：一種ZnO基多量子阱發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種ZnO基多量子阱發(fā)光二極管。
背景技術：
2110做為寬禁帶半導體，有著其獨特的優(yōu)勢，在室溫下的能帶寬度為3.37^， 激子結合能為60meV,遠大于GaN的激子結合能25 meV和室溫分子熱運動能 26 meV,因此很有潛力實現(xiàn)高亮度的半導體發(fā)光二極管和高功率的半導體激光 器件。ZnO走向光電器件應用的一大難題是p型摻雜問題。V族元素摻雜p型 ZnO已經大量被研究。但是，理論計算表明，相比較V族元素，I族元素Li和 Na有著較淺的受主能級。相比較Li來說，Na更不容易形成間隙態(tài)Na,而且H 也不容易鈍化Na受主。因此，Na是一種非常有前景的p型摻雜元素。另一方 面，能帶工程對于設計現(xiàn)代半導體光電子器件有著非常重要的作用，這表現(xiàn)在 能帶工程可以實現(xiàn)量子阱中的勢壘層和勢阱層的帶隙控制。MgO的禁帶寬度為 7.7 eV， CdO的禁帶寬度為2.3 eV，兩者都可以和ZnO形成互溶合金，調節(jié)ZnO 的能帶。ZnMgO和ZnCdO合金的晶格常數(shù)和ZnO晶格失配都很小，可以實現(xiàn) 高發(fā)光復合效率的量子阱結構。ZnMgO和ZnCdO合金的晶格常數(shù)都隨著Mg 含量或Cd含量的增加，因此可以選用合適的ZnMgO合金做為勢壘層，ZnCdO 合金作為勢阱層，實現(xiàn)無晶格失配的多量子阱層。從以上觀點闡述，選用Na作 用p型ZnO和ZnMgO的摻雜源，Zn^MgxO/Zm.yCdyO形成多周期量子阱，制 備多量子阱LED器件將有著很高的電發(fā)光效率。而國際上沒有開展過這方面的 研究。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種新的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管。 本發(fā)明的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，在襯底自下而上依次有ZnO緩沖層、 n型ZnO膜層、n型ZnLxMg"限域層、由Zni.xMgxO和Zni.yCdyO交替沉積形 成的Zni.xMgxO/Zni.yCdyO多量子阱層、Na摻雜p型Zni_xMgxO薄膜、Na摻雜p 型ZnO薄膜層和第二電極，第一電極與n型Zni.xMgxO限域層并列并沉積在n 型ZnO膜層上，其中n型Zni.xMgxO限域層的0.1《x《0.4， Zn^MgxO/ZnLyCdyO 多量子阱層的0《x《0.3, 0《y《0.1，且x和y不同時為O, p型Zm.xMgxO薄 膜的0.1《x《0.4。
上述的Zni.xMgxO/Zni-yCdyO多量子阱層可以由Zni.xMgxO和Zni.yCdyO交
替6-16個周期形成。
所說的襯底可以是單晶氧化鋅或單晶硅。第一電極可以為A1電極，第二電 極可以為Ni-Au合金。
本發(fā)明的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管的制備方法，步驟如下
1) 將清洗后的襯底放入脈沖激光沉積裝置的生長室中，生長室抽真空到至 少6X1(T4pa，然后加熱襯底到300—500°C,調節(jié)氧壓在0.1 —50Pa，沉積ZnO 緩沖層；
2) 升溫到500-800°C并保持氧壓不變，依次沉積n型ZnO膜層，n型 Zni.xMgxO限域層，交替沉積Zni-xMgxO層和Zni.yCdyO層以形成6 16個周期 的多量子阱層、Na摻雜p型Zni.xMgxO薄膜和Na摻雜p型ZnO薄膜層；
3) 將步驟2)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空抽到至少10"Pa, 在100—400 。C下，在Na摻雜p型ZnO薄膜層上沉積第二電極，第一電極與n 型Zni.xMgxO限域層并列并沉積在n型ZnO膜層上；
上述n型Zni.xMgxO限域層的0.1《x《0.4， Zn!.xMgxO/ZnLyCdyO多量子阱 層的0《x《0.3， 0《y《0.1，且x和y不同時為O， p型Zni_xMgxO薄膜的0.1《 x《0.4。
本發(fā)明的優(yōu)點
1) 使用Zni-xMgxO/Zni_yCdyO多量子阱，可以有效降低量子阱中勢壘層和勢 阱層的晶格失配，從而提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
2) 使用Na摻雜制備的p型ZnO薄膜具有較好的晶體質量，光學性能和電 學性能，Na在ZnO中的受主能級低，Na受主不容易被施主補償，從而提高空 穴注入效率和二極管的發(fā)光效率。
圖1是ZnO多量子阱發(fā)光二極管示意圖。 圖2是ZnO多量子阱發(fā)光二極管的整流I一V特性圖。 圖3是ZnO多量子阱發(fā)光二極管室溫電注入發(fā)光圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，在襯底1自下而上依次 有ZnO緩沖層2、 n型ZnO膜層3、 n型Zni.xMgxO限域層4、由Zni.xMgxO和 Zni.yCdyO交替沉積形成的Zni.xMgxO/Zni.yCdyO多量子阱層5、 Na摻雜p型 Zni.xMgxO薄膜6、 Na摻雜p型ZnO薄膜層7和第二電極9，第一電極8與n 型Zni-xMgxO限域層4并列并沉積在n型ZnO膜層3上，其中n型Zm.xMgxO
限域層4的0.1《x《0.4， Zm-xMgxO/ZriLyCdyO多量子阱層5的0《x《0.3, 0《y 《0.1，且x和y不同時為0， p型Zn^MgxO薄膜6的0.1《x《0.4。第一電極為 Al電極，第二電極為Ni-Au合金。 實施例1
1) 以2英寸單晶硅(lll)拋光片為襯底，先用酒精超聲波清洗，然后用HF 清洗表面的自然氧化層。接著將襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長 室抽真空至6Xl(^pa.然后加熱襯底到300 °C，調節(jié)氧氣質量流量計使氧壓控 制在0.1 Pa,設定激光參數(shù)為280 mJ， 5Hz,在此條件下沉積一層50nm的ZnO緩 沖層2。
2) 升溫到600°C并保持氧壓不變，依次沉積1000 nm的Al摻雜n型ZnO 膜層3和400 nm的Al摻雜n型Zna8Mg。.20限域層4，交替沉積Zn^Mg^O層 和Zn。.95Cdo.()50層，形成7個周期的多量子阱層5，此例，ZnQ.9MgaiO層和 Zna95Cd,0層晶格失配度為0。接著沉積lOOnm的Na摻雜p型Zn。.85Mgo.150 薄膜層6和400nm的Na摻雜p型ZnO薄膜層7。
3) 將步驟2)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空抽至l(T2Pa，在 100 °C下，在n型ZnO膜層上并列于Al摻雜n型Zn^Mg^O限域層4沉積第 一電極，在Na摻雜p型ZnO薄膜層上沉積第二電極。第一電極是A1，第二電 極是Ni-Au合金。
圖2顯示了ZnO多量子阱發(fā)光二極管的室溫整流特性圖，可以看出該發(fā)光 二極管有著明顯的整流特性。
圖3是ZnO多量子阱發(fā)光二極管的室溫電注入發(fā)光圖，顯示了在380nm附 近有著強烈的激子發(fā)光，而缺陷發(fā)光微弱，表明發(fā)光效率比較高。 實施例2
1) 以2英寸ZnO單晶為襯底，先用酒精超聲波清洗，然后用HF清洗表面 的自然氧化層。接著將襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室抽真空 至2X 10"Va.然后加熱襯底到400°C，調節(jié)氧氣質量流量計使氧壓控制在0.5 Pa, 設定激光參數(shù)為280 mJ， 5Hz，在此條件下沉積一層50nm的ZnO緩沖層2。
2) 升溫到600°C并保持氧壓不變，依次沉積1000 nm的Al摻雜n型ZnO 膜層3和400 nm的Al摻雜n型Zna6Mga40限域層4，交替沉積Zna7Mga30層 和Zna9CdaiO層，形成10個周期的多量子阱層5，此例，Zno。7Mga30層和 Zno,9Cd(uO層晶格失配度為0。接著沉積200nm的Na摻雜p型ZnQ.6MgQ.40薄膜 層6和300nm的Na摻雜p型ZnO薄膜層7。 3)將步驟2)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空抽至l{T4Pa，在 200 °C下，在n型ZnO膜層上并列于Al摻雜n型Zno.6Mga40限域層4沉積第 一電極，在Na摻雜p型ZnO薄膜層上沉積第二電極。第一電極是Al,第二電 極是Ni-Au合金。 實施例3
1) 以2英寸ZnO單晶為襯底，先用酒精超聲波清洗，然后用HF清洗表面 的自然氧化層。接著將襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室抽真空 至5X l(T5pa.然后加熱襯底到400°C，調節(jié)氧氣質量流量計使氧壓控制在20 Pa， 設定激光參數(shù)為280 mJ， 5Hz,在此條件下沉積一層50nm的ZnO緩沖層2。
2) 升溫到600°C并保持氧壓不變，依次沉積800 nm的Al摻雜n型ZnO膜 層3和400 nm的Al摻雜n型Zna7Mga30限域層4，交替沉積Zna8Mga20層和 ZnO層，形成16個周期的多量子阱層5，此例，Zn。.8Mgo.20層和ZnO層晶格失 配度<5% 。接著沉積lOOnm的Na摻雜p型Zn^MgasO薄膜層6和400nrn的 Na摻雜p型ZnO薄膜層7。
3) 將步驟2)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空抽至10"Pa，在 400 °C下，在n型ZnO膜層上并列于Al摻雜n型Zno.7Mga30限域層4沉積第 一電極，在Na摻雜p型ZnO薄膜層上沉積第二電極。第一電極是A1，第二電 極是Ni-Au合金。
實施例4
1) 以2英寸ZnO單晶為襯底，先用酒精超聲波清洗，然后用HF清洗表面 的自然氧化層。接著將襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室抽真空 至5 X l(T5pa.然后加熱襯底到400°C，調節(jié)氧氣質量流量計使氧壓控制在10 Pa, 設定激光參數(shù)為280mJ， 5Hz，在此條件下沉積一層50nm的ZnO緩沖層2。
2) 升溫到600°C并保持氧壓不變，依次沉積800 nm的Al摻雜n型ZnO膜 層3和400 nm的Al摻雜n型Zna9MgalO限域層4，交替沉積ZnO層和Zno.9CdaiO 層，形成6個周期的多量子阱層5，此例，Zno,9Cd(nO層和ZnO層晶格失配度 <5% 。接著沉積lOOnm的Na摻雜p型Zn^MgojO薄膜層6和400nm的Na摻 雜p型ZnO薄膜層7。
3) 將步驟2)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空抽至10"Pa,在 200 °C下，在n型ZnO膜層上并列于Al摻雜n型Zn<).9MgaiO限域層4沉積第 一電極，在Na摻雜p型ZnO薄膜層上沉積第二電極。第一電極是A1，第二電 極是Ni-Au合金。
權利要求
1.一種ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，其特征是在襯底(1)自下而上依次有ZnO緩沖層(2)、n型ZnO膜層(3)、n型Zn1-xMgxO限域層(4)、由Zn1-xMgxO和Zn1-yCdyO交替沉積形成的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱層(5)、Na摻雜p型Zn1-xMgxO薄膜(6)、Na摻雜p型ZnO薄膜層(7)和第二電極(9)，第一電極(8)與n型Zn1-xMgxO限域層(4)并列并沉積在n型ZnO膜層(3)上，其中n型Zn1-xMgxO限域層(4)的0.1≤x≤0.4，Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱層(5)的0≤x≤0.3，0≤y≤0.1，且x和y不同時為0，p型Zn1-xMgxO薄膜(6)的0.1≤x≤0.4。
2. 根據(jù)權利要求1所述的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，其特征在于所說的 ZnkMgxO/ZriLyCdyO多量子阱層(5)由Zn^Mg"和Zn^CdyO交替6-16個周期形成。
3. 根據(jù)權利要求1所述的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，其特征是所說的襯 底是單晶氧化鋅或單晶硅。
4. 根據(jù)權利要求1所述的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，其特征是所說的第 一電極為Al電極，第二電極為Ni-Au合金。
全文摘要
本發(fā)明公開的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管，在襯底自下而上依次有ZnO緩沖層、n型ZnO膜層、n型Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O限域層、由Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O和Zn<sub>1-y</sub>Cd<sub>y</sub>O交替沉積形成的Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O/Zn<sub>1-y</sub>Cd<sub>y</sub>O多量子阱層、Na摻雜p型Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O薄膜、Na摻雜p型ZnO薄膜層和第二電極，第一電極與n型Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>O限域層并列并沉積在n型ZnO膜層上。本發(fā)明的ZnO基多量子阱發(fā)光二極管具有較好的晶體質量，光學性能和電學性能，發(fā)光效率高。
文檔編號H01L33/00GK101359706SQ20081012034
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月22日 優(yōu)先權日2008年8月22日
發(fā)明者何海平, 葉志鎮(zhèn), 林時勝, 趙炳輝, 陳凌翔, 顧修全, 黃靖云 申請人:浙江大學