專利名稱：增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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，特別是一種通過金屬表面等離激元來增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法。
背景技術(shù)：
ZnO是一種重要的寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，其較大的禁帶寬度( 3. 37eV) 和高的激子束縛能( 60meV)使其成為短波長發(fā)光器件的潛在應(yīng)用材料。鑒于上述優(yōu)勢， ZnO基發(fā)光器件在信息、光通信、白光照明、醫(yī)學(xué)以及生物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此必將成為半導(dǎo)體器件研究的熱點(diǎn)。近年來，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展了大量的研究工作。但由于ZnO本征缺陷，ρ型摻雜困難使得空穴濃度不高，ZnO的自吸收以及全反射損失等，使得目前ZnO基發(fā)光器件的發(fā)光效率普遍較低。就提高GaN/InGaN量子阱LED芯片的光效、壽命及可靠性而言人們開展了大量的研究工作，相繼開發(fā)出了圖形襯底、透明電極、全方位反射鏡、出光表面的粗化工藝、倒裝結(jié)構(gòu)以及引入光子晶體等一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，器件的綜合性能也有了顯著提高。但是，上述工藝都會使得器件的制備成本大大提高并使器件的良率明顯下降。近期，人們發(fā)現(xiàn)利用金屬表面等離激元，可以顯著提高半導(dǎo)體材料或相關(guān)器件的發(fā)光效率。研究發(fā)現(xiàn)通過將Ag納米顆粒插入P-GaN層的內(nèi)部，器件的光輸出功率會有明顯提高，同時(shí)器件的“Droop”效應(yīng)也會有明顯的改善。我們通過在n-SiO/AlN/p-GaN LEDs器件的&ι0/Α1Ν界面插入由反浸潤法制備的 Ag納米顆粒，明顯提高了 n-ZnO/AlN/p-GaN發(fā)光二極管的電致發(fā)光效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明器件的性能與Ag納米顆粒的大小和分散度密切相關(guān)，我們制備的Ag納米顆粒的等離激元共振峰位于410nm左右，由于器件的電致發(fā)光和Ag表面等離激元之間的耦合作用，導(dǎo)致器件的內(nèi)量子效率提高，在注入電流為8mA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)展奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對當(dāng)前ZnO基p-i-n發(fā)光二極管開啟電壓高，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Ag表面等離激元來增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，該方法是在aiO/ΑΙΝ界面插入一層Ag納米顆粒，通過Ag局域態(tài)表面等離激元與器件的電致發(fā)光相互耦合，提高ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能。上述方案中，所述在&10/A1N界面插入一層Ag納米顆粒是通過反浸潤法實(shí)現(xiàn)的。所述通過反浸潤法在aiO/ΑΙΝ界面插入一層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AlN薄膜，接著送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在AlN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AlN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 10-80cm2/V*S。所述在p-GaN襯底上高溫生長AlN薄膜，AlN薄膜的生長溫度為400-1000°C， 工作氣體為體積比為1 1的Ar和隊(duì)的混合氣體，生長室內(nèi)壓強(qiáng)為l.OPa，生長功率為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納米顆粒之上生長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、Ag薄膜和n-ZnO薄膜的一側(cè)腐蝕掉，露出p_GaN襯底，形成臺面；在剩余的n-ZnO薄膜上制作電極TiAu合金，在形成的臺面上制作電極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)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，通過在器件中 ZnO/AIN界面插入一層Ag納米顆粒后，器件仍然能夠保持優(yōu)良的電學(xué)性能。2、通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，通過在器件中&10/A1N界面插入一層Ag納米顆粒后通過Ag表面等離激元與器件電致發(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)光被抑制。


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的ZnO薄膜在插入Ag納米顆粒前后的紫外-可見 (UV-Vis)透射光譜；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8mA時(shí)的室溫電致發(fā)光譜。
具體實(shí)施例方式為使本發(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，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明提供通過金屬表面等離激元增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，是在&10/A1N界面插入一層Ag納米顆粒，通過Ag局域態(tài)表面等離激元與器件的電致發(fā)光相互耦合，提高ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能。其中，所述在&10/A1N界面插入一層Ag納米顆粒是通過反浸潤法實(shí)現(xiàn)的。所述通過反浸潤法在SiO/AlN界面插入一層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AlN薄膜，接著送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在AlN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AlN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。為了更加詳細(xì)地描述本發(fā)明通過金屬表面等離激元增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，下面結(jié)合制備ZnO基發(fā)光二極管的方法對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明提供的制備ZnO基發(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AlN薄膜30，所用的生長設(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AlN薄膜30所用工作氣體為Ar和N2的混合氣體，氣體混合比例為 1 1(體積比)，A1N薄膜生長過程中氣體壓強(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7分鐘，生長期間樣品托自轉(zhuǎn)使成膜均勻；步驟4 在AlN薄膜30上沉積Ag薄膜31，所用的生長設(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500-1500V，離子束流為5_50mA ；步驟5 沉積Ag薄膜時(shí)31的襯底溫度為室溫，Ar氣體流量為3-lOsccm (標(biāo)況毫升每分鐘)，沉積時(shí)間為50-500S，Ag薄膜31初始厚度為5-50nm ；步驟6 利用射頻磁控濺射系統(tǒng)對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7 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100-900°C，退火時(shí)間為10-60min ；步驟8 在Ag納米顆粒32上生長n-ZnO薄膜40，所用的生長設(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,生長功率為80W， 沉積時(shí)間為60分鐘，ZnO薄膜的厚度為300nm，電子濃度為1017-1018cm_3，電子遷移率為 5-20cm2/V · s ；步驟9 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，形成臺面21 ；步驟10 在p-GaN薄膜20的臺面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TiAu合金。測試結(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-SiO/AlN/p-GaN異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管。通過在AIN/ZnO界面插入一層Ag納米顆粒， 利用Ag表面等離激元與器件電致發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用來提高器件的內(nèi)量子效率。圖2為在石英襯底上生長的ZnO薄膜在插入Ag納米顆粒前后的紫外可見透射光譜，從圖中可以看出ZnO薄膜在紫外光區(qū)間存在較強(qiáng)的吸收，在368nm(即3. 37eV)附近存在陡峭的吸收邊，對應(yīng)于ZnO電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的本征吸收，在460-800nm的可見光范圍兩樣品的平均透過率均達(dá)到85%以上，這表明我們生長的ZnO具有較高的結(jié)晶質(zhì)量和較低的缺陷密度。從對比結(jié)果可以看出，ZnO薄膜在插入一層Ag納米顆粒后在390-460nm范圍內(nèi)透過率有所減弱，原因在于Ag納米顆粒在此波長范圍內(nèi)存在較強(qiáng)的吸收。從Ag納米顆粒的吸收譜中我們可以發(fā)現(xiàn)Ag的吸收峰的位置位于410nm附近，對應(yīng)于Ag納米顆粒的局域態(tài)等離激元的吸收峰。圖3為n-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8mA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384nm附近，來源于SiO中的激子復(fù)合發(fā)光。在器件中SiO/AlN界面處插入一層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8mA時(shí)器件的電致發(fā)光強(qiáng)度有近三倍的增強(qiáng)，同時(shí) 560nm附近來源于SiO的缺陷發(fā)光被明顯抑制。此外，在有源區(qū)插入一層Ag納米顆粒后器件的電致發(fā)光峰位明顯紅移(384-400nm)。我們將器件性能的提高歸因于Ag表面等離激元與器件電致發(fā)光強(qiáng)的相互耦合作用導(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)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，該方法是在 ZnO/AIN界面插入一層Ag納米顆粒，通過Ag局域態(tài)表面等離激元與器件的電致發(fā)光相互耦合，提高ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，所述在SiO/AlN界面插入一層Ag納米顆粒是通過反浸潤法實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，所述通過反浸潤法在aiO/ΑΙΝ界面插入一層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AlN薄膜，接著送入離子束輔助沉積系統(tǒng)中在AlN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)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，所述在AlN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。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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10-80cm2/V · s。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，其特征在于，所述在P-GaN襯底上高溫生長AlN薄膜，AlN薄膜的生長溫度為400-1000°C，工作氣體為體積比為1 1的Ar和N2的混合氣體，生長室內(nèi)壓強(qiáng)為1. OPa,生長功率為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)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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. OX 10_5Pa，退火溫度為 100-900°C，退火時(shí)間為 10-60min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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納米顆粒之上生長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、Ag薄膜和n-ZnO薄膜的一側(cè)腐蝕掉，露出 P-GaN襯底，形成臺面；在剩余的n-ZnO薄膜上制作電極TiAu合金，在形成的臺面上制作電極NiAu合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能的方法，該方法是在ZnO/AlN界面插入一層Ag納米顆粒，通過Ag局域態(tài)表面等離激元與器件的電致發(fā)光相互耦合，提高ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(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ZnO基發(fā)光二極管紫光電致發(fā)光性能。
文檔編號H01L33/00GK102394264SQ201110373908
公開日2012年3月28日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所