專(zhuān)利名稱(chēng)：具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，特別是涉及一種具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅(ZnO)基發(fā)光器件。
技術(shù)背景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(diǎn)和激子束縛能、激子增益更高、外延生長(zhǎng)溫度低、成本低、容易刻蝕而使外 延片的后道加工更方便等等。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(huì)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。通常的電注入p-n結(jié)型ZnO基發(fā)光器件和ZnO基激光器的芯片材料是由襯 底1 、 ZnO基材料緩沖層2、 ZnO基材料下限制層3、 ZnO基材料有源層4、 ZnO 基材料上限制層5、 ZnO基材料蓋層6等部件構(gòu)成。這里所述的ZnO基材料包 括ZnO、 ZnMgO、 ZnBeO、 ZnCdO等材料。其中有源層4位于p-n結(jié)的結(jié)區(qū)， 即，如果ZnO基材料緩沖層2和下限制層3是n型ZnO基材料，上限制層5 和蓋層6則是p型ZnO基材料；反之，如果ZnO基材料緩沖層2和下限制層3 是p型ZnO基材料，上限制層5和蓋層6則是n型ZnO基材料；有源層4和 上、下限制層5、 3可以是同一種材料，即是同質(zhì)結(jié)型電注入p-n結(jié)ZnO基發(fā)光 器件，也可以是不同材料，即是異質(zhì)結(jié)型電注入p-n結(jié)ZnO基發(fā)光器件，有源 層4可以是單一的ZnO基材料，也可以是ZnO基量子阱材料，如圖1所示。目前，生長(zhǎng)ZnO基薄膜材料的方法很多，如，脈沖激光沉積(PLD)、分 子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、濺射(Sputtering)、 電子束蒸發(fā)、噴涂熱解和溶膠凝膠(Sol-gel)等方法。但是，通常生長(zhǎng)的ZnO 基薄膜材料由于偏離化學(xué)計(jì)量比而存在固有的氧空位和間隙鋅原子，使材料呈n 型。這樣p型ZnO基薄膜材料的制取就成為研制電注入p-n結(jié)型ZnO光電器件 必須解決的難點(diǎn)。另外，人為摻雜獲得n型ZnO材料的工藝也是十分必要的。 本發(fā)明提出一種利用摻雜夾層進(jìn)行可控?fù)诫s的摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是克服ZnO基材料p型摻雜難的問(wèn)題，提供一種具有摻雜 夾層結(jié)構(gòu)的ZnO基發(fā)光器件。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材料(見(jiàn)附圖2、圖3和
)，由襯底1、 ZnO基材料緩沖層2、 ZnO基材料下限制層3、 ZnO基 材料有源層4、 ZnO基材料上限制層5、 ZnO基材料蓋層6部件構(gòu)成，其特征在 于添加了摻雜夾層101。慘雜夾層101含有可在ZnO基材料中起受主作用雜質(zhì)， 能對(duì)ZnO基材料進(jìn)行p型擴(kuò)散摻雜。摻雜夾層101可以是GaAs、 InP、 Zn3As2 等材料，其制備方法可以是濺射法、PLD法、MBE法或蒸發(fā)法，其厚度要薄， 為5 150納米，其他層的厚度可視具體情況而定。在器件的制備過(guò)程中通過(guò)退 火加熱擴(kuò)散的方法，使摻雜夾層101周?chē)腪nO基材料成為p型材料。退火溫 度在400 1000攝氏度之間，時(shí)間可根據(jù)p型限制層的厚度掌握， 一般為1~5 小時(shí)。ZnO基材料的生長(zhǎng)方法可以是脈沖激光沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、濺射(Sputtering)、電子束蒸發(fā)、噴 涂熱解和溶膠凝膠(Sol-gel)等方法。ZnO基材料包括ZnO、 ZnMgO、 ZnBeO、 ZnCdO等材料，其與GaAs、 InP、 ZnsAs2等構(gòu)成的夾層材料可以根據(jù)不同目的 適當(dāng)組合，制作不同材料的發(fā)光器件。襯底材料可以是Al203、 Si、 ZnO、 GaF 等常用單晶襯底。本發(fā)明的效果和益處本發(fā)明通過(guò)引入夾層結(jié)構(gòu)，可以克服ZnO基材料p型摻雜難的問(wèn)題；還可 根據(jù)需要，使摻雜夾層含有在ZnO基材料中起受主作用的雜質(zhì)(如N、 As和P 等V族元素，或者Li等I族元素)或者含有起稀磁作用的雜質(zhì)(如磁性過(guò)渡金 屬M(fèi)n、 Fe、 Co、 Ni)，以改變ZnO基材料特性；再有，可以利用夾層材料的 表面特性誘導(dǎo)生長(zhǎng)出所需的納米結(jié)構(gòu)ZnO基材料層；更有，此種摻雜方法工藝 簡(jiǎn)單，容易形成突變結(jié)且操作安全性高。
圖1:通常的電注入p-n結(jié)型ZnO基發(fā)光器件芯片材料結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2:下?lián)诫s夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材料結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3:上摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖4:圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材料結(jié)構(gòu)示意圖(其中圖4a為下圖形摻雜夾層型，圖4b為上圖形摻雜夾層型)；圖中部件1為襯底，2為ZnO基材料緩沖層，3為ZnO基材料下限制層， 4為ZnO基材料有源層，5為ZnO基材料上限制層，6為ZnO基材料蓋層，101 為摻雜夾層。
具體實(shí)施方式
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(shí)施例。實(shí)施例1:下?lián)诫s夾層型ZnO基發(fā)光器件。這種下?lián)诫s夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材 料結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖2，其特征在于慘雜夾層101位于襯底1和ZnO基材料緩沖層2 之間。其制備過(guò)程為，以"203襯底為例，將襯底1化學(xué)清洗，其步驟為甲苯 超聲清洗5分鐘，丙酮超聲清洗5分鐘，乙醇超聲清洗5分鐘，然后再循環(huán)一 次，之后用去離子水沖洗干凈后，將襯底放入恒溫16CTC的H2S04:HP03=3:1 (體 積比)的混合液中腐蝕10分鐘，最后再用去離子水洗干凈，經(jīng)高純氮?dú)獯蹈珊?備用。在處理后的襯底片上淀積一薄層摻雜夾層101，層厚為50納米左右，淀 積的方法這里以用濺射法為例，我們采用中科院研制的SP—4型多功能磁控濺 射設(shè)備，以高純多晶GaAs為靶材，以高純氬氣為濺射氣體，制作GaAs摻雜夾 層101 ，然后再采用MOCVD方法，特別是用02100436.6號(hào)ZL200410011164.0 號(hào)專(zhuān)利所述的ZnO薄膜專(zhuān)用生長(zhǎng)MOCVD設(shè)備外延生長(zhǎng)5nm厚ZnO緩沖層2 禾口 500nm厚ZnMgO下限制層3 (Sfucfy on tte prape/t/es of MgxZA7,-xO-jbaseof /7omq/t/A7C //gW-em/Wng cf/oafes fajbn'cated by iWOCV。； Jouma/ of PA ys/.cs O: /\pp〃ec/ P/7ysZcs, 40 7298-7307, 2007)，然后加熱到50(TC退火1小時(shí)，使ZnO緩沖層2 和ZnMgO下限制層3擴(kuò)散進(jìn)摻雜夾層101中的摻雜元素As而轉(zhuǎn)變成p型，然 后再利用上述專(zhuān)利技術(shù)和方法外延生長(zhǎng)300nm厚的ZnO有源層4、 500nm厚 的ZnMgO上限制層5和50nm厚的ZnO蓋層6;其工藝過(guò)程也可以是，在摻 雜夾層101淀積完后連續(xù)外延生長(zhǎng)ZnO基材料緩沖層2、 ZnO基材料下限制層 3， ZnO基材料有源層4、 ZnO基材料上限制層5和ZnO基材料蓋層6，最后加 熱退火，通過(guò)控制摻雜夾層101的層厚和退火的溫度與時(shí)間，使慘雜夾層101中的摻雜元素As擴(kuò)散進(jìn)ZnO基材料緩沖層2和ZnO基材料下限制層3中，并 使其轉(zhuǎn)變成p型。實(shí)施例2:上摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。這種上摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材 料結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖3，其特征在于摻雜夾層101位于ZnO基材料蓋層6之上。其制 備過(guò)程中相應(yīng)各層的生長(zhǎng)和處理同實(shí)施例1?？刂仆嘶鸬臏囟扰c時(shí)間，使ZnO 基材料上限制層5和ZnO基材料蓋層6擴(kuò)散進(jìn)摻雜夾層101中的摻雜元素轉(zhuǎn)變 成p型；這種器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，摻雜夾層101是最后淀積的，不會(huì)影響前面 ZnO基材料生長(zhǎng)的質(zhì)量，同時(shí)摻雜夾層101的厚度可以適當(dāng)厚一些，可以到150 納米左右。實(shí)施例3:圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。這種圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯 片材料結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖4，圖中給出的圖形是雙條形形狀，是采用常規(guī)的光刻工藝流 程，在清洗好的襯底上形成光刻膠掩膜圖形后，經(jīng)過(guò)常規(guī)濺射方法覆蓋GaAs 層后，經(jīng)進(jìn)一步去掉掩膜光刻膠所形成的，或者用掩模方法，即制作相應(yīng)圖形掩 膜，放置在連續(xù)生長(zhǎng)好的外延片上，采用濺射等方法淀積摻雜夾層101。這種摻 雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材料結(jié)構(gòu)可以是實(shí)施例1的下?lián)诫s夾層型ZnO基 發(fā)光器件，可稱(chēng)為下圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件；也可以是實(shí)施例2的上 摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件，可稱(chēng)為上圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。在此實(shí)施例中，圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件除摻雜夾層的制作與實(shí)施 例1和2不同外，其它各層均相同。這種器件的特點(diǎn)是只在有摻雜夾層的區(qū)域 引入夾層摻雜物質(zhì)，使器件發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)所設(shè)計(jì)的圖形形狀，實(shí)現(xiàn)圖形形狀發(fā)光。 另外，其圖形可以設(shè)計(jì)成數(shù)字、字母、漢字或圖畫(huà)等形狀；還可以將圖形設(shè)計(jì)成 點(diǎn)陣陣列，制備成顯示屏，通過(guò)控制電路，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)發(fā)光；由于這種器件可在圖 形摻雜夾層周?chē)纬蓀-n結(jié)，所以還可以制備成其它種橫向p-n結(jié)型半導(dǎo)體器件。實(shí)施例4:InP摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。這種摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯片材 料結(jié)構(gòu)可以是實(shí)施例1的下?lián)诫s夾層型ZnO基發(fā)光器件，也可以是實(shí)施例2的上摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件和實(shí)施例3的圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件結(jié) 構(gòu)，其特征是摻雜夾層101材料是InP。其制備方法可以是濺射法、PLD法、 MBE法或蒸發(fā)法等常規(guī)方法。實(shí)施例5:Zri3As2摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件。這種摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件芯 片材料結(jié)構(gòu)可以是實(shí)施例1的下?lián)诫s夾層型ZnO基發(fā)光器件，也可以是實(shí)施例 2的上摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器件和實(shí)施例3的圖形摻雜夾層型ZnO基發(fā)光器 件結(jié)構(gòu)，其特征是摻雜夾層101材料是ZnsAs。其制備方法可以是濺射法、PLD 法、MBE法或蒸發(fā)法等常規(guī)方法。
權(quán)利要求
1、具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，由襯底(1)、ZnO基材料緩沖層(2)、ZnO基材料下限制層(3)、ZnO基材料有源層(4)、ZnO基材料上限制層(5)、ZnO基材料蓋層(6)構(gòu)成，其特征在于在襯底(1)和ZnO基材料緩沖層(2)間具有摻雜夾層(101)，摻雜夾層(101)的材料為GaAs、InP或Zn3As2，其厚度為5～150納米。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，其特征在于: 摻雜夾層(101)為雙條形、數(shù)字、字母、漢字、圖畫(huà)或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，其特征 在于摻雜夾層(101)是以濺射法、PLD法、MBE法或蒸發(fā)法制備，在 400 1000攝氏度退火1~5小時(shí)。
4、 具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，由襯底(1) 、 ZnO基材料緩沖 層(2) 、 ZnO基材料下限制層(3) 、 ZnO基材料有源層(4) 、 ZnO基 材料上限制層(5) 、 ZnO基材料蓋層(6)構(gòu)成，其特征在于在ZnO基 材料蓋層(6)上具有摻雜夾層(101)，摻雜夾層(101)的材料為GaAs、 InP或ZnaAs2，其厚度為5 150納米。
5、 如權(quán)利要求4所述的具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，其特征在于-摻雜夾層(101)為雙條形、數(shù)字、字母、漢字、圖畫(huà)或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的具有慘雜夾層結(jié)構(gòu)的氧化鋅基發(fā)光器件，其特征 在于摻雜夾層(101)是以濺射法、PLD法、MBE法或蒸發(fā)法制備，在 400 1000攝氏度退火1~5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件領(lǐng)域，特別是涉及一種具有摻雜夾層結(jié)構(gòu)的ZnO基發(fā)光器件。由襯底、ZnO基材料緩沖層、ZnO基材料下限制層、ZnO基材料有源層、ZnO基材料上限制層、ZnO基材料蓋層、摻雜夾層構(gòu)成；摻雜夾層位于襯底和ZnO基材料緩沖層之間，或位于ZnO基材料蓋層上面，摻雜夾層材料為GaAs、InP或Zn<sub>3</sub>As<sub>2</sub>，其厚度為5～150納米，采用濺射法、PLD法、MBE法或蒸發(fā)法，在400～1000攝氏度退火1～5小時(shí)制備得到。摻雜夾層還可以為雙條形、數(shù)字、字母、漢字、圖畫(huà)或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)引入夾層結(jié)構(gòu)，可以克服ZnO基材料p型摻雜難的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101237016SQ200810050429
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者夏曉川, 張寶林, 張?jiān)礉? 杜國(guó)同, 艷 馬 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)