專利名稱：p型ZnO和n型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于ZnO基材料的發(fā)光器件結(jié)構(gòu)及其制作方法。
背景技術(shù)：
GaN系材料在固態(tài)照明領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用前景。ZnO和GaN的能帶間隙和晶格常數(shù)十分接近，有相近光電特性。但是，與GaN相比，ZnO具有更高的熔點和激子束縛能、激子增益更高、外延生長溫度低、成本低、容易刻蝕而使對外延片的后道加工更容易，使器件的制備更方便等等。因此，ZnO基發(fā)光管、激光器等研制成功有可能取代或部分取代GaN基光電器件，會有更大的應(yīng)用前景，特別是ZnO紫、紫外光電器件更為人們所重視。由于ZnO單晶薄膜的外延制備目前還不成熟，非常完整的一致連續(xù)的ZnO單晶薄膜很難獲得，目前制備的ZnO單晶薄膜大多數(shù)是C軸取向生長的薄膜，由于晶粒邊界和缺陷的存在，使得ZnO同質(zhì)ρ-η結(jié)型的發(fā)光器件發(fā)光效率非常低，同時往往伴隨著和缺陷相關(guān)的深能級發(fā)光，這一深能級發(fā)光波長在可見光波段，它往往比紫外帶邊發(fā)射更強。于是人們開始用薄膜外延制備技術(shù)制備的比較成熟的GaN材料和ZnO材料結(jié)合制備發(fā)光器件。H. Zhu 等人在文獻(xiàn)“Adv. Mater. 21，1613 (2009) ”就報道了一種GaN材料和ZnO材料結(jié)合的激光器件。這種器件如圖1所示，由Al2O3襯底1，襯底1上外延生長的ρ型GaN外延層2，外延層 2上制備的MgO電流下限制層3，電流下限制層3上制備的η型ZnO發(fā)光層4，ZnO發(fā)光層4 上面制備的上電極6，外延層2上面制備的下電極5等部件構(gòu)成。但是，由于目前制備的ρ型GaN外延層載流子濃度偏低，電阻大，因而器件串聯(lián)電阻也大，器件工作電壓高，器件輸出功率低。還有，P型GaN由于雜質(zhì)能級的影響光子躍遷的能量小于禁帶寬度很多，發(fā)光波長較長，達(dá)不到紫外波段；同時，如將載流子限制在η型SiO 發(fā)光層復(fù)合發(fā)光，就必須制備一層MgO電流限制層，而MgO是立方結(jié)構(gòu)晶體，和GaN與ZnO 的六角結(jié)構(gòu)晶體不匹配，影響發(fā)光層η型SiO的晶體質(zhì)量。為了克服上述ZnO基發(fā)光器件的這一困難，本發(fā)明提出一種ρ型ZnO和η型GaN 組合的ZnO基發(fā)光器件及其制備方法。因為η型GaN材料系制備技術(shù)比較成熟，載流子濃度高，電阻低。還有，η型GaN禁帶寬度比ZnO略寬，不用制備電流限制層，就可以對載流子進(jìn)行一些限制；同時發(fā)光波長較短，能達(dá)到紫外波段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是解決上述ZnO基發(fā)光器件的這一問題，利用η型GaN材料系制備技術(shù)比較成熟、載流子濃度高、電阻低、同時和ZnO材料晶格匹配較好的特點，提供一種新型的ZnO基發(fā)光器件及其制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明所設(shè)計的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件(見附圖1和附圖說
3明)，依次由襯底1、在襯底1上外延生長的GaN外延層2、在外延層2上制備的相互分立的電流下限制層3和下電極5、在電流下限制層3上制備的ZnO基發(fā)光層4、在ZnO基發(fā)光層 4上面制備的上電極6構(gòu)成，其特征在于GaN外延層2為η型GaN薄膜，電流下限制層3為 η型的AWaN或Ga2O3薄膜，ZnO基發(fā)光層4為ρ型ZnO基薄膜。進(jìn)一步地為了簡化工藝，本發(fā)明又提出一種沒有電流下限制層的P型ZnO和η型 GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)(見附圖2和


)，依次由襯底1、在襯底1上外延生長的GaN外延層2、在GaN外延層2上制備的相互分立的下電極5和ZnO基發(fā)光層4、在 ZnO基發(fā)光層4上面制備的上電極6構(gòu)成，其特征在于GaN外延層2為η型GaN薄膜，ZnO 基發(fā)光層4為ρ型ZnO基薄膜。進(jìn)一步地為了對載流子有更良好地限制，本發(fā)明又提出一種有電流上限制層的P 型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)(見附圖3和

)，依次由襯底1、在襯底1上外延生長的GaN外延層2、在外延層2上制備的相互分立的電流下限制層3和下電極5、在電流下限制層3上制備的ZnO基發(fā)光層4、在ZnO基發(fā)光層4上面制備的上電極 6構(gòu)成，其特征在于GaN外延層2為η型GaN薄膜，電流下限制層3為η型AlGaN或Gei2O3 薄膜，ZnO發(fā)光層4為ρ型ZnO基薄膜，并且在ZnO基發(fā)光層4和上電極6的中間再生長一層電流上限制層7，電流上限制層7為ρ型ZnO基三元薄膜，其禁帶寬度大于ZnO基發(fā)光層 4的禁帶寬度。GaN和AKiaN外延層用目前工藝較成熟的常規(guī)MOCVD工藝制備。ZnO基薄膜(含 ZnO基三元薄膜)的生長方法可以是分子束外延(MBE)、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、 脈沖激光沉積(PLD)、濺射(Sputtering)、電子束蒸發(fā)、噴涂熱解和溶膠凝膠(Sol-gel)等方法。ZnO基發(fā)光層4為ZnO基薄膜材料，如SiO、ZnMgO, ZnBeO, ZnCdO, ZnNiO等；襯底材料可以是Al2O3，還可以用和GaN材料晶格匹配較好的η型SiC單晶襯底；電流上限制層7 為ZnO基三元薄膜材料，如ZnMgO、ZnBeO, ZnCdO, ZnNiO等，在材料的選擇上要使其禁帶寬度大于發(fā)光層4的禁帶寬度；上、下電極材料可用Au、Ni-Au、Ti-Au、Si-Au或Pt-Au等合金材料。本發(fā)明所述的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件的制備方法，其特征在于GaN外延層2、作為ZnO發(fā)光層4的ρ型ZnO基薄膜、作為電流上限制層7的ρ型ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法進(jìn)行制備，電流上限制層7的禁帶寬度大于ZnO基發(fā)光層4的
禁帶寬度。前面所述器件的各層材料的厚度、摻雜粒子的種類及摻雜粒子的濃度均可采用常規(guī)技術(shù)。本發(fā)明的效果和益處本發(fā)明可以克服ρ型GaN外延層載流子濃度偏低，電阻大，器件串聯(lián)電阻也大，器件工作電壓高，器件輸出功率低的缺點；同時克服P型GaN禁帶寬度窄，發(fā)光波長較長，達(dá)不到紫外波段等問題，進(jìn)一步拓展了器件的應(yīng)用范圍。

圖1 :ρ(η)型ZnO和η (ρ)型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 沒有電流下限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 有電流上限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 實施例3制備的ZnO基發(fā)光器件的激射光譜圖。圖中部件1為襯底，2為GaN外延層，3為電流下限制層，4為ZnO基材料發(fā)光層，5 為下電極，6為上電極，7為電流上限制層。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例和實施工藝。實施例1 沒有電流下限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件。這種沒有電流下限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)見附圖2，其特征在于GaN外延層2為η型GaN薄膜材料，不制備電流下限制層3，ZnO發(fā)光層4為ρ型ZnO基薄膜材料，η 型GaN外延層2上直接制備ρ型ZnO基材料發(fā)光層4。其制備過程為，以Al2O3襯底為例，用目前成熟的常規(guī)MOCVD工藝在Al2O3襯底生長 1 10微米的η型(如摻Si) GaN外延層2，載流子濃度為IOw 102°/cm3，然后采用MOCVD 方法，特別是用02100436. 6號和ZL200410011164. 0號專利所述的ZnO薄膜專用生長MOCVD 設(shè)備在η型GaN外延層2上直接制備ρ型ZnO基材料發(fā)光層4，ρ型ZnO基材料發(fā)光層4的厚度為10納米 5微米，ZnO基材料的ρ型制備技術(shù)和ρ型摻雜方法，可采用我們申請并已獲批準(zhǔn)的 ZL200510119039. 6 號、ZL 200510046906. 8 號和 ZL 200810010104. 5 號專利方法， 也可以采用我們申請正在審查的200810010103. 0號專利方法；然后光刻和刻蝕去掉部分ρ 型ZnO基材料發(fā)光層4薄膜，在這個區(qū)域露出的η型GaN外延層2上制備下電極5 ；最后用熱蒸發(fā)臺或電子束蒸發(fā)臺蒸鍍金屬在ZnO發(fā)光層4上面制備的上電極6 ；這種結(jié)構(gòu)器件還可以采用和GaN材料晶格匹配較好的η型SiC單晶襯底。上、下電極材料可用Au、Ni-Au, Ti-Au, Zn-Au或Pt-Au等合金材料中的一種，其厚度為100 600納米。實施例2 AlGaN薄膜材料電流下限制層ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件。這種 AlGaN薄膜材料電流下限制層ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)見附圖1，GaN 外延層2和ZnO發(fā)光層4的結(jié)構(gòu)與制備工藝與實施例1相同，其特征在于GaN外延層2上面生長制備了一層電流下限制層3，這層電流限下制層3為η型Alx^vxN材料薄膜，其中χ值在0. 01 0. 5范圍；其制備過程為，以Al2O3襯底為例，用目前成熟的常規(guī)MOCVD工藝方法在Al2O3襯底生長1 10微米包括緩沖層的η型GaN外延層2，載流子濃度為IOw 102°/ cm3，η型GaN外延層2上接著生長η型AlxGai_xN電流下限制層3，其載流子濃度為IOw 102°/cm3，接下來的工藝和實施例1相同；這種結(jié)構(gòu)器件也可以采用η型SiC單晶襯底。實施例3 Ga2O3薄膜材料電流下限制層ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件。這種 Ga2O3薄膜材料電流下限制層ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)見附圖l，GaN 外延層2和ZnO發(fā)光層4的結(jié)構(gòu)與制備工藝與實施例1相同，其特征在于GaN外延層2上制備了一層(^a2O3材料薄膜電流下限制層3 ；其制備過程除了 Ga2O3材料薄膜電流下限制層 3制備工藝過程不同外，其余工藝過程和實施例2相同；這種結(jié)構(gòu)器件也可以采用η型SiC單晶襯底。Ga2O3材料薄膜電流下限制層3的制備工藝有兩種方法一種是用MOCVD方法制備，Ga源用三甲基鎵(TMGa)和三乙基鎵(TEGa)均可，用氬氣或氮氣攜帶進(jìn)入MOCVD系統(tǒng)反應(yīng)室，同時將氧源通入MOCVD系統(tǒng)反應(yīng)室，生長襯底的加熱溫度為100 900°C，Ga2O3材料薄膜厚度為5納米 3微米。另一種是摻雜夾層方法制備，即采用我們已經(jīng)申請，正在審查的2008100504 . 6 號專利方法，在η型GaN外延層2上面濺射上一層GaAs薄膜，然后生長ZnO發(fā)光層4，再退火，使GaAs薄膜中的As擴散到ZnO中進(jìn)行摻雜，使ZnO發(fā)光層4變成ρ型，GaAs薄膜中的 Ga被氧化成Gii2O3留在η型GaN外延層2上面，形成Gii2O3材料薄膜電流下限制層3。圖4給出了實施例3制備的ZnO基激光器件的激射光譜圖，其閾值為45mA，正向電壓僅6. 3V，上、下電極均為1.5mm的圓形金片，可以計算出閾值電流密度僅2. 6A/cm2。這一器件特性比文獻(xiàn)“Adv. Mater. 21，1613(2009) ”報道的器件結(jié)果改進(jìn)了許多。實施例4 具有電流上限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件。這種具有電流上限制層的ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)見附圖3，其特征在于ZnO 發(fā)光層4上面再生長一層ρ型電流上限制層7，ρ型電流上限制層7可以是MgSiO、ZnBeO, ZnCdO, SiNiO等薄膜材料；其余的各層結(jié)構(gòu)和制備工藝可以同實施例1，也可以同實施例 2，還可以同實施例3，電流上限制層7的制備方法采用MOCVD方法，在02100436. 6號和 ZL200410011164. 0號專利所述的ZnO薄膜專用生長MOCVD設(shè)備中，在完成ZnO發(fā)光層4生長后，接著生長。
權(quán)利要求
1.一種P型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件，依次由襯底(1)、在襯底(1)上外延生長的GaN外延層O)、在GaN外延層( 上制備的相互分立的電流下限制層(3)和下電極(5)、在電流下限制層( 上制備的ZnO基發(fā)光層、在ZnO基發(fā)光層(4)上面制備的上電極(6)構(gòu)成，其特征在于GaN外延層⑵為η型GaN薄膜，電流下限制層(3)為η型的AWaN或Ga2O3薄膜，ZnO基發(fā)光層⑷為ρ型ZnO基薄膜。
2.—種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，其特征在于依次由襯底(1)、在襯底(1)上外延生長的GaN外延層O)、在GaN外延層( 上制備的相互分立的下電極(5)和ZnO基發(fā)光層、在ZnO基發(fā)光層(4)上面制備的上電極(6) 構(gòu)成，GaN外延層⑵為η型GaN薄膜，ZnO基發(fā)光層⑷為ρ型ZnO基薄膜。
3.—種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件，依次由襯底(1)、在襯底(1)上外延生長的GaN外延層O)、在GaN外延層( 上制備的相互分立的電流下限制層(3)和下電極(5)、在電流下限制層( 上制備的ZnO基發(fā)光層、在ZnO基發(fā)光層(4)上面制備的上電極(6)構(gòu)成，其特征在于GaN外延層⑵為η型GaN薄膜，電流下限制層(3)為η型 AlGaN或Ga2O3薄膜，ZnO發(fā)光層(4)為ρ型ZnO基薄膜，并且在ZnO基發(fā)光層(4)和上電極 (6)的中間再生長一層電流上限制層(7)，電流上限制層(7)為ρ型ZnO基三元薄膜，其禁帶寬度大于ZnO基發(fā)光層G) ZnO基薄膜的禁帶寬度。
4.如權(quán)利要求1 3任何一項所述的一種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件，其特征在于=ZnO基發(fā)光層(4)為ρ型&ι0、ZnMgO, ZnBeO, ZnCdO或SiNiO。
5.如權(quán)利要求1 3任何一項所述的一種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件，其特征在于電流上限制層(7)為ρ型ZnMgO、ZnBeO, ZnCdO或SiNiO。
6.權(quán)利要求1 3任何一項所述的一種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件的制備方法，其特征在于GaN外延層O)、作為ZnO發(fā)光層的ρ型ZnO基薄膜、作為電流上限制層(7)的ρ型ZnO基三元薄膜均使用MOCVD方法進(jìn)行制備，電流上限制層(7)的禁帶寬度大于ZnO基發(fā)光層的禁帶寬度。
7.如權(quán)利要求6所述的一種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件的制備方法， 其特征在于ΖηΟ基發(fā)光層(4)為ρ型SiO、ZnMgO、ZnBeO, ZnCdO或SiNiO。
8.如權(quán)利要求6所述的一種ρ型ZnO和η型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件的制備方法， 其特征在于電流上限制層(7)為ρ型ZnMgO、ZnBeO, ZnCdO或SiNiO。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及幾種p型ZnO和n型GaN組合的ZnO基發(fā)光器件及其制備方法。器件由襯底、在襯底上外延生長的GaN外延層、在外延層上制備的相互分立的電流下限制層和下電極、在電流下限制層上制備的ZnO基發(fā)光層、在ZnO基發(fā)光層上面制備的上電極構(gòu)成；特別地，GaN外延層為n型GaN薄膜，電流下限制層為n型的AlGaN或Ga2O3薄膜，ZnO基發(fā)光層為p型ZnO基薄膜。本發(fā)明還涉及一種沒有電流下限制層和一種有電流上限制層的ZnO基發(fā)光器件。本發(fā)明克服了p型GaN外延層載流子濃度偏低，器件串聯(lián)電阻大，器件工作電壓高，器件輸出功率低的缺點，進(jìn)一步拓展了器件的應(yīng)用范圍。
文檔編號H01L33/26GK102194943SQ20101012441
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者夏曉川, 張寶林, 杜國同, 梁紅偉, 趙旺 申請人:吉林大學(xué)