專利名稱：一種ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術：
ZnO是一種新型寬禁帶半導體材料，具有較高的激子束縛能，是未來一種理想的短波長發(fā)光器件材料。日本東北大學于2005年首先采用高低溫調(diào)節(jié)實現(xiàn)ZnO同質結電致發(fā)光LED。浙江大學也于當年用MOCVD技術制備出ZnO-LED原型器件，實現(xiàn)了室溫電致發(fā)光。但到目前為止，已報道的ZnO基LED發(fā)光效率都很低，亮度也很弱。要使器件走向實用化，必須優(yōu)化LED結構設計。如果將周期厚度為1/4波長的由不同折射率的兩種半導體材料交替組成的分布布拉格反射鏡(DBR)應用于ZnO基LED，將大大減少光強度由于透射和吸收引起的損失，提高LED的發(fā)光效率。而如果進一步把DBR和多量子阱結合起來，將會更有利于發(fā)光效率的提高，這無疑是一項很有意義的工作。而目前關于這種結構的LED的設計與制備的研究國際上還沒有出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法。
發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管，在襯底上自下而上依次沉積ZnO同質緩沖層、n型ZnO接觸層、n型Zn1-xMgxO層、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層、p型Zn1-xMgxO層、p型ZnO接觸層和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層，第一電極并列于n型ZnMgO層沉積在n型ZnO接觸層上，第二電極并列于多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層沉積在p型ZnO接觸層上，其中多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層的X值為0＜X＜0.4，多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層的X值為0～0.4，Y值為0～0.4，且X值與Y值不相同，n型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2。
上述的多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層可以由Zn1-xMgxO和ZnO交替10～20周期形成。多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層可以由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替10～40周期形成。
所說的襯底可以是硅、藍寶石或ZnO單晶。所說的第一電極可以是摻Ga的n-ZnO透明導電膜或ITO膜。第二電極可以為InZn或InSn合金。
ZnO基發(fā)光二極管的制備方法，包括以下步驟1)將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至200～600℃，輸入氧氣，氧壓調(diào)至0.1～10Pa，設定激光參數(shù)為300mJ、3Hz，襯底與靶材間距4.5cm，依次變換靶材沉積ZnO緩沖層，n型ZnO接觸層，n型Zn1-xMgxO層，繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn1-xMgxO與ZnO層以形成10～20周期的多量子阱結構，然后再依次沉積p型Zn1-xMgxO層與p型ZnO接觸層，繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn1-xMgxO與Zn1-yMgyO層以形成10～40周期的布拉格反射鏡結構；2)將步驟1)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽至10-3Pa，室溫條件下在n型ZnO接觸層上沉積并列于n型ZnMgO層的第一電極，在p型ZnO接觸層上沉積并列于多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層的第二電極。
各層的厚度通過調(diào)節(jié)生長時間控制。其中布拉格反射鏡中Zn1-xMgxO與Zn1-yMgyO層的厚度由λ/n決定，λ為LED出射光的波長，n為布拉格反射鏡中各層的折射率。
各層的組分由靶材中的摻雜劑量決定，其中多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層的X值為0＜X＜0.4，多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層的X值為0～0.4，Y值為0～0.4，且X值與Y值不相同，n型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管引入了多量子阱和分布布拉格結構，因此可以減少由于光強度透射和吸收引起的損失，從而可以提高LED的發(fā)光效率。


圖1是本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管結構示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發(fā)明的ZnO基發(fā)光二極管ZnO基發(fā)光二極管，在襯底1上自下而上依次沉積有ZnO同質緩沖層2、n型ZnO接觸層3、n型Zn1-xMgxO層4、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層5、p型Zn1-xMgxO層6、p型ZnO接觸層7和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層8，第一電極9并列于n型ZnMgO層4沉積在n型ZnO接觸層3上，第二電極10并列于多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層8沉積在p型ZnO接觸層7上，其中多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層的X值為0＜X＜0.4，多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層的X值為0～0.4，Y值為0～0.4，且X值與Y值不相同，n型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2。
實施例11)以2英寸藍寶石(Al2O3)拋光片作為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至400℃，輸入氧氣，氧壓調(diào)至1Pa，，設定激光參數(shù)為300mJ、3Hz，襯底與靶材間距4.5cm，在此條件下沉積一層約100nm的ZnO緩沖層，繼續(xù)升溫至600℃并退火5分鐘，保持氧壓不變，依次沉積一層50nm的Al摻雜n型ZnO接觸層，一層50nm的Al摻雜n型Zn0.65Mg0.35O層。繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn0.9Mg0.1O與ZnO層以形成10個周期的多量子阱結構，其中Zn0.9Mg0.1O層厚度為10nm，ZnO層厚度為3nm。然后在多量子阱上依次沉積一層50nm的Li摻雜的p型Zn0.65Mg0.35O層和p型ZnO接觸層。在p型ZnO接觸層上繼續(xù)交替沉積ZnO和Zn0.64Mg0.36O層以形成20個周期分布式布拉格反射鏡(DBR)結構，ZnO層厚為48.8nm，Zn0.64Mg0.36O層厚為52.9nm；2)將步驟1)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽至10-3Pa，室溫條件下在n型ZnO接觸層上沉積一層與n型Zn0.65Mg0.35O層并列的第一電極，在p型ZnO接觸層上沉積一層與ZnO/Zn0.64Mg0.36O分布布拉格反射鏡結構層并列的第二電極，此例中，第一電極為摻Ga的n-ZnO透明導電膜，第二電極為InZn合金薄膜。
實施例21)以ZnO單晶作為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至200℃，輸入氧氣，氧壓調(diào)至0.1Pa，設定激光參數(shù)為300mJ、3Hz，襯底與靶材間距4.5cm，在此條件下沉積一層約100nm的ZnO緩沖層。繼續(xù)升溫至600℃并退火5分鐘，保持氧壓不變，依次沉積一層50nm的Al摻雜n型ZnO接觸層，一層50nm的Al摻雜n型Zn0.85Mg0.15O層。繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn0.9Mg0.1O與ZnO層以形成10個周期的多量子阱結構，其中Zn0.9Mg0.1度為10nm，ZnO層厚度為3nm。然后在多量子阱上依次沉積一層50nm的P摻雜的p型Zn0.85Mg0.15O層和p型ZnO接觸層。在p型ZnO接觸層上繼續(xù)交替沉積ZnO和Zn0.64Mg0.36O層以形成20個周期分布式布拉格反射鏡(DBR)結構，ZnO層厚為48.8nm，Zn0.64Mg0.36O層厚為52.9nm；2)將步驟1)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽至10-3Pa，室溫條件下在n型ZnO接觸層上沉積與n型Zn0.85Mg0.15O層并列的第一電極，在p型ZnO接觸層上沉積一層與ZnO/Zn0.64Mg0.36O分布布拉格反射鏡結構層并列的第二電極，此例中，第一電極為ITO膜，第二電極為InSn合金薄膜。
實施例3
1)以ZnO單晶作為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至600℃，輸入氧氣，氧壓調(diào)至10Pa，設定激光參數(shù)為300mJ、3Hz，襯底與靶材間距4.5cm，在此條件下沉積一層約100nm的ZnO緩沖層。繼續(xù)升溫至600℃并退火5分鐘，保持氧壓不變，依次沉積一層50nm的Al摻雜n型ZnO接觸層，一層50nm的Al摻雜n型Zn0.85Mg0.15O層。繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn0.9Mg0.1O與ZnO層以形成10個周期的多量子阱結構，其中Zn0.9Mg0.1O層厚度為10nm，ZnO層厚度為3nm。然后在多量子阱上依次沉積一層50nm的P摻雜的p型Zn0.85Mg0.15O層和p型ZnO接觸層。在p型ZnO接觸層上繼續(xù)交替沉積Zn0.64Mg0.36O和ZnO層以形成20個周期分布式布拉格反射鏡(DBR)結構，ZnO層厚為48.8nm，Zn0.64Mg0.36O層厚為52.9nm；2)將步驟1)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽至10-3Pa，室溫條件下在n型ZnO接觸層上沉積與n型Zn0.85Mg0.15O層并列的第一電極，在p型ZnO接觸層上沉積一層與Zn0.64Mg0.36O/ZnO分布布拉格反射鏡結構層并列的第二電極，此例中，第一電極為ITO膜，第二電極為InSn合金薄膜。
權利要求
1.一種ZnO基發(fā)光二極管，其特征是在襯底(1)上自下而上依次沉積ZnO同質緩沖層(2)、n型ZnO接觸層(3)、n型Zn1-xMgxO層(4)、由Zn1-xMgxO和ZnO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層(5)、p型Zn1-xMgxO層(6)、p型ZnO接觸層(7)和由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替沉積形成的多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層(8)，第一電極(9)并列于n型ZnMgO層(4)沉積在n型ZnO接觸層(3)上，第二電極(10)并列于多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層(8)沉積在p型ZnO接觸層(7)上，其中多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層的X值為0＜X＜0.4，多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層的X值為0～0.4，Y值為0～0.4，且X值與Y值不相同，n型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2，p型Zn1-xMgxO層的X值為0＜X＜0.2。
2.根據(jù)權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征在于所說的多層Zn1-xMgxO/ZnO多量子阱結構層(5)由Zn1-xMgxO和ZnO交替10～20周期形成。
3.根據(jù)權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征在于所說的多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層(8)由Zn1-xMgxO和Zn1-yMgyO交替10～40周期形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征在于所說的襯底為硅、藍寶石或ZnO單晶。
5.根據(jù)權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征在于所說的第一電極(9)為摻Ga的n-ZnO透明導電膜或ITO膜。
6.根據(jù)權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管，其特征在于所說的第二電極(10)為InZn或InSn合金。
7.權利要求1所述的ZnO基發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將襯底(1)表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至4.0×10-4Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至200～600℃，輸入氧氣，氧壓調(diào)至0.1～10Pa，設定激光參數(shù)為300mJ、3Hz，襯底與靶材間距4.5cm，依次變換靶材沉積ZnO緩沖層(2)，n型ZnO接觸層(3)，n型Zn1-xMgxO層(4)，繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn1-xMgxO與ZnO層以形成10～20周期的多量子阱結構(5)，然后再依次沉積p型Zn1-xMgxO層(6)與p型ZnO接觸層(7)，繼續(xù)保持相同的生長條件，交替沉積Zn1-xMgxO與Zn1-yMgyO層以形成10～40周期的布拉格反射鏡結構(8)；2)將步驟1)制品放入磁控濺射裝置的反應室中，反應室真空度抽至10-3Pa，室溫條件下在n型ZnO接觸層(3)上沉積并列于n型ZnMgO層(4)的第一電極(9)，在p型ZnO接觸層(7)上沉積并列于多層Zn1-xMgxO/Zn1-yMgyO分布布拉格反射鏡結構層(8)的第二電極(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及ZnO基發(fā)光二極管及其制備方法，首先采用脈沖激光沉積法在襯底上依次沉積ZnO同質緩沖層、n型ZnO接觸層、n型Zn
文檔編號H01S5/34GK1945867SQ20061015447
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權日2006年11月2日
發(fā)明者朱麗萍, 顧修全, 葉志鎮(zhèn), 趙炳輝 申請人:浙江大學