專利名稱：增強(qiáng)n-ZnO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種通過(guò)金屬表面等離激元來(lái)增強(qiáng)n-aiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法。
背景技術(shù)：
ZnO之所以能夠成為寬禁帶半導(dǎo)體材料和光電子器件領(lǐng)域中的熱門(mén)材料，原因在于ZnO具有較大的禁帶寬度( 3. 37eV)和高的激子束縛能( 60meV)，濕法化學(xué)腐蝕容易，可以大面積外延生長(zhǎng)，以及其具有與GaN相近的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。由于ZnO的自補(bǔ)償效應(yīng)，目前獲得穩(wěn)定、重復(fù)性好的高質(zhì)量P型ZnO材料非常困難，從而大大制約了 ZnO基器件的發(fā)展。近年來(lái)，關(guān)于ZnO基發(fā)光二極管(LED)的器件制備和性能提高方面人們開(kāi)展了大量的研究工作，但是器件的電致發(fā)光性能一直不理想。金屬表面等離激元，即是位于金屬表面附近的自由電子，在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的一種表面電子的集體振蕩行為。類似于固體晶格原子的集體振蕩量子化形成聲子，金屬表面自由電子的集體運(yùn)動(dòng)的量子化被稱作金屬表面等離激元。關(guān)于金屬表面等離激元增強(qiáng) ZnO薄膜的光致發(fā)光方面人們已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，也取得了一系列有意義的成果。在本文中，我們通過(guò)在n-SiO/AlN/p-GaN LEDs器件中ZnO的內(nèi)部插入一層Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，顯著提高了 n-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的電致發(fā)光強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題針對(duì)當(dāng)前ZnO基p-i-n發(fā)光二極管開(kāi)啟電壓高，發(fā)光效率低，缺陷發(fā)光明顯的現(xiàn)狀，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用金屬表面等離激元來(lái)增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，該方法是在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，來(lái)提高n-aiO/ AIN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管電致發(fā)光性能。上述方案中，所述在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的η_Ζη0薄膜中插入一層Ag 納米顆粒是通過(guò)反浸潤(rùn)法實(shí)現(xiàn)的。所述通過(guò)反浸潤(rùn)法在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的 n-ΖηΟ薄膜中插入一層Ag納米顆粒，包括首先利用射頻磁控濺射裝置在p_GaN襯底上高溫生長(zhǎng)AlN薄膜，接著利用射頻磁控濺射系統(tǒng)在AlN薄膜上生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，再送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜，然后送入射頻磁控濺射系統(tǒng)中進(jìn)行真空熱退火，形成Ag納米顆粒。上述方案中，所述在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜的步驟中，使用主離子源，采用Ar+離子轟擊Ag靶，離子束輔助沉積系統(tǒng)屏極電壓為500-1500V，離子束流為5_50mA，沉積 Ag薄膜時(shí)的襯底溫度為室溫，Ar氣體流量為3-lOsccm(標(biāo)況毫升每分鐘)，Ag薄膜沉積時(shí)間為50-500S，Ag薄膜初始厚度為5-50nm。上述方案中，所述P-GaN襯底，其空穴濃度為1017-1018/Cm3，空穴遷移率為 10-50cm2/V*S。所述在p-GaN襯底上高溫生長(zhǎng)AlN薄膜，AlN薄膜的生長(zhǎng)溫度為400-1000°C， 工作氣體為體積比為1 1的Ar和隊(duì)的混合氣體，生長(zhǎng)室內(nèi)壓強(qiáng)為l.OPa，生長(zhǎng)功率為80W， 沉積時(shí)間為5-12min，AlN薄膜的厚度為5 50nm。上述方案中，所述在AlN薄膜上生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，n-ZnO薄膜的沉積溫度為 400-700°C，工作氣體為Ar，壓強(qiáng)為1. OPa，生長(zhǎng)功率為80W，沉積時(shí)間為30-120min，n-SiO薄膜的厚度為150-700nm。上述方案中，所述進(jìn)行真空熱退火的步驟中，退火前背景真空為1.0X IO-5Pa,退火溫度為100-900°C，退火時(shí)間為10-60min。上述方案中，所述形成Ag納米顆粒之后，還包括利用射頻磁控濺射裝置在形成的Ag納米顆粒之上繼續(xù)生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，以覆蓋生成的Ag納米顆粒；采用濕法腐蝕， 將p-GaN襯底上的AlN薄膜和插入有一層Ag納米顆粒的n-ZnO薄膜的一側(cè)腐蝕掉，露出 P-GaN襯底，形成臺(tái)面；在剩余的n-ZnO薄膜上制作電極TiAu合金，在形成的臺(tái)面上制作電極NiAu合金。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，通過(guò)在器件中n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒后，器件仍然能夠保持優(yōu)良的電學(xué)性能。2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，通過(guò)在器件中n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒后通過(guò)Ag局域態(tài)表面等離激元SiO的近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，器件的電致發(fā)光性能明顯提高，同時(shí)缺陷發(fā)光明顯減弱。3、通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ag納米顆粒的局域態(tài)表面等離激元共振峰位于 410nm，與ZnO 近帶邊發(fā)光峰的位置相近，滿足共振耦合條件，而粗糙的Ag納米顆粒的表面有利于等離激元有效耦合成光且能夠明顯提高光的抽取效率。利用本發(fā)明，極大地提高了 n-ZnO/AIN/ P-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能。在注入電流為6mA時(shí)器件電致發(fā)光強(qiáng)度有近三倍的提高，同時(shí)缺陷發(fā)光被明顯抑制。我們的結(jié)果提供了一條解決ZnO及其它半導(dǎo)體材料低發(fā)光效率的可行途徑，為高效ZnO基發(fā)光二極管的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明提供的n-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為在石英襯底上生長(zhǎng)的Ag納米顆粒的吸收光譜；圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例制備的n-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管在插入Ag 納米顆粒前后在注入電流為6mA時(shí)的室溫電致發(fā)光譜。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明提供通過(guò)金屬表面等離激元增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，是在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層 Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，來(lái)提高 n-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管電致發(fā)光性能。其中，所述在n-^O/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n_ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒是通過(guò)反浸潤(rùn)法實(shí)現(xiàn)的。所述通過(guò)反浸潤(rùn)法在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒，包括首先利用射頻磁控濺射裝置在P-GaN襯底上高溫生長(zhǎng)AlN 薄膜，接著利用射頻磁控濺射系統(tǒng)在AlN薄膜上生長(zhǎng)n-aiO薄膜，再送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜，然后送入射頻磁控濺射系統(tǒng)中進(jìn)行真空熱退火，形成Ag納米顆粒。所述在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜的步驟中，使用主離子源，采用Ar+離子轟擊 Ag靶，離子束輔助沉積系統(tǒng)屏極電壓為500-1500V，離子束流為5-50mA，沉積Ag薄膜時(shí)的襯底溫度為室溫，Ar氣體流量為3-lOsccm(標(biāo)況毫升每分鐘)，Ag薄膜沉積時(shí)間為50_500s， Ag薄膜初始厚度為5-50nm。為了更加詳細(xì)地描述本發(fā)明通過(guò)金屬表面等離激元增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，下面結(jié)合制備n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的方法對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明制備n-^O/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的方法，具體包括如下步驟步驟1、在Al2O3襯底10上沉積p-GaN薄膜20，所用的生長(zhǎng)設(shè)備是MOCVD系統(tǒng)， P-GaN薄膜20的空穴濃度為1017-1018cnT3，空穴遷移率為10-80cm2/V · s ；步驟2、在p-GaN薄膜20上生長(zhǎng)AlN薄膜30，所用的生長(zhǎng)設(shè)備是射頻磁控濺射系統(tǒng)，包括進(jìn)樣室、沉積室、真空系統(tǒng)、射頻電源及匹配系統(tǒng)、襯底加熱及控溫系統(tǒng)、樣品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等； 步驟3、生長(zhǎng)AlN薄膜30所用工作氣體為體積比為1 1的Ar和N2的混合氣體， 氣體混合比例為1 1，AlN薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中氣體壓強(qiáng)為l.OPa，射頻濺射功率為80W，襯底溫度為700°C，濺射時(shí)間為7min，生長(zhǎng)期間樣品托自轉(zhuǎn)使成膜均勻；步驟4、在AlN薄膜30上沉積n-ZnO薄膜40，所用的生長(zhǎng)設(shè)備是射頻磁控濺射系統(tǒng)，n-ZnO薄膜40的沉積溫度為600°C，工作氣體為Ar，壓強(qiáng)為1. OPa,生長(zhǎng)功率為80W，沉積時(shí)間為10min，Zn0薄膜的厚度為40nm，電子濃度為1017-1018cnT3，電子遷移率為5-20cm2/ V · s ；步驟5、在n-ZnO薄膜40上沉積Ag薄膜31，所用的生長(zhǎng)設(shè)備是離子束輔助沉積系統(tǒng)，沉積Ag薄膜31時(shí)的離子束輔助沉積系統(tǒng)屏極電壓為1000V，離子束流為IOmA ；步驟6、沉積Ag薄膜31時(shí)的襯底溫度為室溫，Ar氣體流量為3sCCm(標(biāo)況毫升每分鐘)，沉積時(shí)間為140s，Ag薄膜31的初始厚度為IOnm ；步驟7、利用射頻磁控濺射系統(tǒng)對(duì)Ag薄膜31進(jìn)行真空退火，Ag薄膜31轉(zhuǎn)變?yōu)锳g 納米顆粒32 ；步驟8、沉積Ag薄膜31后退火前射頻磁控濺射系統(tǒng)的背景真空為1. OX 10_5Pa。沉積Ag薄膜31后退火時(shí)的退火溫度為600°C，退火時(shí)間為30min ；步驟9、在Ag納米顆粒32上繼續(xù)生長(zhǎng)n-ZnO薄膜40，所用的生長(zhǎng)設(shè)備是射頻磁控濺射系統(tǒng)，n-ZnO薄膜40的沉積溫度為600°C，工作氣體為Ar，壓強(qiáng)為1. OPa,生長(zhǎng)功率為 80W，沉積時(shí)間為50min，n-ZnO薄膜40的厚度為300nm，電子濃度為1017-1018cnT3，電子遷移率為 5-20cm2/V · s ；步驟10、采用濕法腐蝕，將p-GaN薄膜20上的AlN層30和n-ZnO薄膜40的一側(cè)腐蝕掉，露出P-GaN薄膜20，形成臺(tái)面21 ；步驟11、在p-GaN薄膜20的臺(tái)面21上制作ρ型電極60，ρ型電極60的材料為 NiAu合金，在n-ZnO薄膜40上制作η型電極50，η型電極50所用材料為T(mén)iAu合金。測(cè)試結(jié)果與分析按照上述實(shí)施例中提供的工藝條件，利用射頻磁控濺射系統(tǒng)在GaN(OOOl)襯底上制備出n-ZnO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。器件的示意圖如圖1所示，通過(guò)在器件中 n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與n-ZnO帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用來(lái)改善器件的電致發(fā)光性能。圖2為在石英襯底上生長(zhǎng)的Ag納米顆粒的吸收光譜，我們可以發(fā)現(xiàn)Ag的吸收峰的位置位于419nm附近，對(duì)應(yīng)于Ag納米顆粒的局域態(tài)等離激元的吸收峰。圖3為n-ZnO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管在插入Ag納米顆粒前后在注入電流為6mA時(shí)的室溫電致發(fā)光譜。從圖中可以看出，參比器件的電致發(fā)光峰位于387nm附近，來(lái)源于ZnO中的近帶邊復(fù)合發(fā)光。在器件中ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒后，器件的電致發(fā)光明顯增強(qiáng)，在正向注入電流為6mA時(shí)器件的電致發(fā)光強(qiáng)度有三倍的增強(qiáng)，同時(shí) 500-700nm之間較寬的缺陷發(fā)光被明顯抑制。此外，在SiO中插入一層Ag納米顆粒后器件的電致發(fā)光峰位明顯紅移(387-400nm)。我們將器件性能的提高歸因于^Vg局域態(tài)表面等離激元與n-ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合導(dǎo)致的器件內(nèi)量子效率的提高。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)n-aiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，該方法是在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，來(lái)提高n-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管電致發(fā)光性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒是通過(guò)反浸潤(rùn)法實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述通過(guò)反浸潤(rùn)法在n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層 Ag納米顆粒，包括首先利用射頻磁控濺射裝置在P-GaN襯底上高溫生長(zhǎng)AlN薄膜，接著利用射頻磁控濺射系統(tǒng)在AlN薄膜上生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，再送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜，然后送入射頻磁控濺射系統(tǒng)中進(jìn)行真空熱退火，形成Ag納米顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述在n-ZnO薄膜上沉積一層Ag薄膜的步驟中，使用主離子源，采用Ar+離子轟擊Ag靶，離子束輔助沉積系統(tǒng)屏極電壓為500-1500V，離子束流為5-50mA，沉積Ag薄膜時(shí)的襯底溫度為室溫，Ar氣體流量為3-10sCCm(標(biāo)況毫升每分鐘)，Ag薄膜沉積時(shí)間為 50-500s, Ag薄膜初始厚度為5-50nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述P-GaN襯底，其空穴濃度為1017-1018/Cm3，空穴遷移率為10-50cm2/V · s。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述在P-GaN襯底上高溫生長(zhǎng)AlN薄膜，AlN薄膜的生長(zhǎng)溫度為400-1000°C， 工作氣體為體積比為1 1的Ar和隊(duì)的混合氣體，生長(zhǎng)室內(nèi)壓強(qiáng)為l.OPa，生長(zhǎng)功率為80W， 沉積時(shí)間為5-12min，AlN薄膜的厚度為5 50nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述在AlN薄膜上生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，n-ZnO薄膜的沉積溫度為400-700°C，工作氣體為Ar，壓強(qiáng)為1. OPa，生長(zhǎng)功率為80W，沉積時(shí)間為30-120min，n-ZnO薄膜的厚度為 150-700nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述進(jìn)行真空熱退火的步驟中，退火前背景真空為1.0 X 10_5Pa，退火溫度為 100-900°C，退火時(shí)間為 10-60min。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)n-SiO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法， 其特征在于，所述形成Ag納米顆粒之后，還包括利用射頻磁控濺射裝置在形成的Ag納米顆粒之上繼續(xù)生長(zhǎng)n-ZnO薄膜，以覆蓋生成的 Ag納米顆粒；采用濕法腐蝕，將P-GaN襯底上的AlN薄膜和插入有一層Ag納米顆粒的n-ZnO薄膜的一側(cè)腐蝕掉，露出P-GaN襯底，形成臺(tái)面；在剩余的n-ZnO薄膜上制作電極TiAu合金，在形成的臺(tái)面上制作電極NiAu合金。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種增強(qiáng)n-ZnO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光性能的方法，該方法是在n-ZnO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的n-ZnO薄膜中插入一層Ag納米顆粒，利用Ag局域態(tài)表面等離激元與ZnO近帶邊發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用，來(lái)提高n-ZnO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管電致發(fā)光性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ag納米顆粒的局域態(tài)表面等離激元共振峰與ZnO近帶邊發(fā)光峰的位置相近，滿足共振耦合條件，且粗糙的Ag納米顆粒的表面有利于等離激元有效耦合成光且能夠明顯提高光的抽取效率。利用本發(fā)明，顯著提高了n-ZnO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管電致發(fā)光性能。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102394263SQ20111037354
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者尹志崗, 張興旺, 張曙光, 施輝東, 董敬敬, 高紅麗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所