基于Be辅助掺杂技术的高亮度紫外LED及其制备方法与流程

本发明涉及一种紫外LED，属于半导体发光器件及其制备方法技术领域，涉及一种p型氧化锌薄膜的制备并将其应用到制作氧化锌基高亮度紫外发光二极管的方法。

背景技术：

在过去的10多年里，GaN体系在近紫外以及蓝绿光发光管和激光二极管的研究和产业上取得巨大成功，但在更短波的紫外波段仍然遇到很大困难，这主要是由于以GaN为有源层时不再像InGaN那样能够在高位错密度下仍然有很高发光效率。紫外发光二极管的研制被认为是未来半导体照明完全取代日光灯照明的重要保证。而以ZnO为发光层的薄膜和量子阱已经被证明在紫外波段具有更高发光效率和低激射阈值，ZnO是所有半导体材料中唯一能在室温下拥有稳定激子的半导体，所以ZnO被认为是目前在紫外波段最有可能取代GaN的一个体系之一。

2005年，日本Kawasaki研究组首先在ScAlMgO₄衬底上观察到了pn结的发光。2006年，我国长春光机所也发表了在Al₂O₃衬底上的ZnO发光二极管的结果。但由于p-ZnO的很多结果还存在受主元素掺杂量偏低，受主离化能高，材料的稳定性和生长的可重复性差的问题。ZnO的p型掺杂最大的障碍其实是来自于V族元素在ZnO中的溶解度较低，其本质是由于Zn-N键或者Zn-P键在高温下不能稳定的存在。

为了提高受主浓度，我们一般都需要降低生长温度，但为了抑制ZnO中补偿施主的产生，又需要在700-800℃的高温下生长。所以现有的掺杂工艺中，增加受主浓度和降低施主浓度之间具有不可调和的矛盾。

技术实现要素：

为了克服现有紫外LED技术中p型ZnO基薄膜及其器件可重复率低、稳定性差和受主元素固溶度低等技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于Be辅助掺杂技术的高亮度紫外LED，稳定可重复的p型氧化锌，并将其应用在同质p-i-n型二极管中以实现高效、高亮度的紫外电致发光。

本发明的另一目的在于提供一种p型氧化锌薄膜的制备并将其应用到氧化锌基高亮度紫外发光二极管的方法。

一种基于Be辅助掺杂技术的高亮度紫外LED，包括：生长衬底、衬底上先沉积缓冲层，接着生长n型薄膜层，在n型薄膜层上生长有源发光层，最后生长p型薄膜层；n型薄膜层上制作有金属电极的负极，p型薄膜层上生长有金属电极的正极。

本发明的高亮度紫外LED，所述生长衬底可以为单晶氧化锌、氮化镓、砷化镓、氧化镁、单面或双面抛光的蓝宝石；所述蓝宝石其取向可以是c、r、m和a取向。

本发明的高亮度紫外LED，所述n型薄膜层为在氧化锌单晶薄膜基础上生长高质量掺镓(或者铝和铟)氧化锌薄膜作为n型电子注入层。

本发明的高亮度紫外LED，所述p型薄膜层为生长厚度为200-500nm的铍辅助氮掺杂p型氧化锌薄膜作为空穴注入层。

本发明的高亮度紫外LED，所述n型薄膜层与p型薄膜层均为ZnO、BeZnO或者BeMgZnO薄膜层；所述有源发光层为本征ZnO、BeZnO/ZnO、MgZnO/ZnO或者BeMgZnO/ZnO多量子阱结构，通过调节铍、镁和锌三种元素的原子配比来调节禁带宽度。

另外，本发明还提出一种上述氧化锌基p-i-n紫外发光二极管的制备方法，具体包括以下步骤：

1)使用分子束外延设备，首先使用高纯度锌为锌源，离化的氧等离子体为氧源在衬底上生长高质量低背景电子浓度的氧化锌单晶薄膜；

2)然后在氧化锌单晶薄膜基础上生长高质量掺镓(或者铝和铟)氧化锌薄膜作为n型电子注入层；

3)再在n型电子注入层上生长厚度为30-100nm的本征ZnO作为发光层；

4)最后生长厚度为200-500nm的铍辅助氮掺杂p型氧化锌薄膜作为空穴注入层，然后通过湿法或者干法刻蚀将n型区域暴露出来，分别蒸镀n型和p型区域金属电极，制成氧化锌基p-i-n发光二极管。

本发明高亮度紫外LED的制备方法，步骤1)中，具体生长参数设置为锌源温度为320-350℃，氧气流量为1.5-3sccm，射频功率为350-420W，生长温度为550-700℃。

本发明高亮度紫外LED的制备方法，步骤2)中，具体生长参数设置为锌源温度为320-350℃，氧气流量为1.5-3sccm，射频功率为350-420W，生长温度为550-700℃。

本发明高亮度紫外LED的制备方法，步骤3)中，具体生长参数设置为锌源温度为320-350℃，氧气流量为1.5-3sccm，射频功率为350-420W，生长温度为600-700℃。

本发明高亮度紫外LED的制备方法，步骤4)中，具体生长参数设置为锌源温度为320-350℃，铍源温度为1000-1050℃，一氧化氮流量为2-4sccm，射频功率为200-400W，生长温度为400-600℃。

本发明高亮度紫外LED的制备方法具有如下优点和有益效果：

1)本发明通过引入与氮结合力强的铍原子(Be)，实现受主氮原子在氧化锌中的高效、稳定掺杂，从而实现稳定可重复的p型氧化锌，并将其应用在同质p-i-n型二极管中以实现高效、高亮度的紫外电致发光。

2)相比于现有制备p型氧化锌薄膜的方法，本发明的优点是制备出的p型氧化锌薄膜的重复性很高，薄膜电学稳定性很好，薄膜的光电性能非常优异，适合做空穴注入层实现p-i-n型同质节的电注入紫外发光。

附图说明

图1为本发明所述高亮度紫外发光二极管的结构示意图；

图2为高质量单晶ZnO薄膜的X射线衍射图；

图3为本发明所述方法制备出的n-ZnO/p-ZnO同质节的发光光谱图；

图4为本发明所述方法制备出的n-ZnO/i-ZnO/p-ZnO同质节的发光实物图；

图5为本发明所述方法制备出的n-ZnO/i-ZnO/p-ZnO同质节的发光光谱图。

10：衬底 20：缓冲层

30：电子注入层 40：n型区域(金属)电极

50：有源发光层 60：空穴注入层

70：p型区域(金属)电极

具体实施方式

我们经过长时间的研究和分析，提出利用Be-N键的高温稳定特性来解决受主浓度偏低的问题。由于Be-N键几乎和Zn-O键一样稳定，所以在ZnO可以生长的条件下也能够有效的掺入受主原子，从而既可以增加受主浓度，又可以降低自补偿施主的浓度。

另外，我们通过第一原理计算表明：由于Be的掺入使得ZnBeO的价带顶上移，所以还会降低受主的离化能，这将有助于提高空穴的离化率。所以铍辅助氮掺杂技术可以解决ZnO体系p-型掺杂的难题。

因此，本发明提出一种p型氧化锌薄膜的制备并将其应用到氧化锌基高亮度紫外发光二极管的方法。利用Be-N间强的结合能力，提高N元素的掺杂浓度，该方法具体生长包括：

通过分子束外延仪器，使用高纯度的Zn、Be和Mg作为金属源，以高纯度气体离化出的N和O原子为材料生长的气态源，在蓝宝石衬底上制备氧化锌基高亮度紫外发光二极管。通过高功率射频等离子体设备，将高纯度气体进行离化后获得活性的N和O原子。

高纯气体源为高纯度氮气(99.99％)和高纯度氧气(99.99％)的混合气、高纯度NO(99.99％)或者高纯度一氧化氮和高纯度氧气的混合气中的一种。

如图1所示，本发明氧化锌基高亮度紫外发光二极管器件，其结构包括：生长衬底10、在该生长衬底10上先沉积一缓冲层20，接着在该缓冲层20上生长一n型薄膜层(n型ZnO电子注入层30)，在该n型薄膜层30上生长i型ZnO有源发光层50，最后，生长p型薄膜层(p型ZnO空穴注入层60)；n型薄膜层30上制作有n型区域金属电极40的负极，p型薄膜层60上生长有p型区域金属电极70的正极。

以下通过具体较佳实施例结合附图对本发明氧化锌基高亮度紫外发光二极管器件及其制备方法作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。

实施例1

为验证上述Be辅助掺杂技术制备p型薄膜和紫外发光LED的有效性，构建了p-ZnO/n-ZnO结构。具体包括以下步骤：

1、氧化锌基紫外发光器件结构的外延生长：

第一步：在c面蓝宝石衬底10上生长缓冲层20和高质量单晶ZnO薄膜作为基础层。缓冲层20的厚度为30nm，单晶ZnO薄膜厚度为300nm，具体生长参数设置为锌源温度为320℃，氧气流量为1.6sccm，射频功率为380W，生长温度为650℃，生长完后在750℃对薄膜进行高温退火5分钟。X射线衍射(如图2所示)表明该ZnO薄膜具有单晶结构并且是c轴取向的。其背景电子浓度低于10^-16cm^-3。

第二步：在该单晶ZnO薄膜基础层上面生长n型掺镓ZnO单晶薄膜作为电子注入层。具体生长参数设置为：锌源温度为320℃，镓源温度为670℃，氧气流量为1.6sccm，射频功率为380W，生长温为600℃，厚度为800nm，生长完后在750℃对薄膜进行高温退火5分钟。

第三步：在n型掺镓ZnO单晶薄膜上面生长铍辅助氮掺杂p型ZnO薄膜空穴注入层。具体生长参数设置为锌源温度为350℃，铍源温度为1025℃，一氧化氮流量为4sccm，射频功率为350W，生长温为500℃，厚度为500nm，生长完成后将样品以每分钟25℃降至室温。

2、氧化锌基紫外发光器件的制作工艺：

第一步：利用匀胶机在样品上面旋涂上AZ1500型光刻胶，旋涂速度在10秒钟内由静止状态加速到3000转/分钟，随后保持40秒，形成厚度为2um均匀的光刻胶薄膜，去除边角过后的光刻胶，在烘胶台上进行前烘，温度为110℃，烘烤时间为2分钟，掩膜曝光，曝光强度为16.5mW/cm²,曝光时间为8秒，在烘胶台上进行后烘，温度为110℃，烘烤时间为1分钟，在DP2000显影液中显影30秒去除器件p型出光区域之外的光刻胶，在烘胶台上进行固胶，温度为110℃，烘烤时间为3分钟。

第二步：配置PH＝4的盐酸水溶液作为刻蚀液，将样品放入其中进行刻蚀，刻蚀过程中对刻蚀液进行搅拌避免浓度不均匀。刻蚀速率为500nm每小时，刻蚀时间为2小时，将n型氧化锌区域暴露出来。

第三步：重复第一步中的光刻步骤，将p型电极区域暴露出来，其他区域覆盖上光刻胶，蒸镀上5nm镍+65nm金作为p型区域的电极，去除光刻胶；重复第一步中的光刻步骤，将n型区域电极的区域暴露出来，其他区域覆盖上光刻胶，蒸镀上50nm铟作为n型区域电极。

第四步：对器件电极进行快速退火，减小电极接触电阻，退火温度为400℃，时间为1分钟。

第五步：对制得的氧化锌基紫外发光二极管器件进行电流-电压(I-V)测试，结果表明器件具有明显的整流效应，其开启电压为3V左右。n-n、p-p电极间I-V曲线均为直线，表明n区电极接触和p区电极接触均为欧姆接触，证明整流效应来自于pn结区。器件发光光谱如图3所示，由紫外带边发射占主导，伴有少量缺陷发光非常微弱，说明铍辅助掺氮技术实现p型掺杂的可行性和有效性。

实施例2

为了验证上述Be辅助掺杂技术制备高亮度紫外LED的有效性，进一步提高器件的紫外发光性能，构建了p-ZnO/i-ZnO/n-ZnO结构。主要包括以下步骤：

1、氧化锌基紫外发光器件结构的外延生长：

第一步：在c面蓝宝石衬底10上生长缓冲层20和高质量单晶ZnO薄膜作为基础层。缓冲层20的厚度为30nm，单晶ZnO薄膜厚度为300nm，具体生长参数设置为锌源温度为320℃，氧气流量为1.6sccm，射频功率为380W，生长温度为650℃，生长完后在750℃对薄膜进行高温退火5分钟。X射线衍射表明该ZnO薄膜具有单晶结构并且是c轴取向的。其背景电子浓度低于10^-16cm^-3。

第二步：在该单晶ZnO薄膜基础层上面生长n型掺镓氧化锌单晶作为电子注入层30。具体生长参数设置为：锌源温度为325℃，镓源温度为670℃，氧气流量为1.6sccm，射频功率为380W，生长温为600℃，厚度为800nm，生长完后在750℃对薄膜进行高温退火5分钟。

第三步：在n型氧化锌上生长高质量本征氧化锌作为有源发光层50。具体生长参数设置为锌源温度为320℃，氧气流量为1.6sccm，射频功率为380W，生长温为550℃，厚度为100nm。

第四步：在有源发光层50上面生长铍辅助氮掺杂p型氧化锌空穴注入层60。具体生长参数设置为锌源温度为350℃，铍源温度为1025℃，一氧化氮流量为4sccm，射频功率为350W，生长温为500℃，厚度为500nm，生长完成后将样品以每分钟25℃降至室温。

2、氧化锌基紫外发光器件的制作工艺：

第一步：利用匀胶机在样品上面旋涂上AZ1500型光刻胶，旋涂速度在10秒钟内由静止状态加速到3000转/分钟，随后保持40秒，形成厚度为2um均匀的光刻胶薄膜，去除边角过后的光刻胶，在烘胶台上进行前烘，温度为110℃，烘烤时间为2分钟，掩膜曝光，曝光强度为16.5mW/cm²,曝光时间为8秒，在烘胶台上进行后烘，温度为110℃，烘烤时间为1分钟，在DP2000显影液中显影30秒去除器件p型出光区域之外的光刻胶，在烘胶台上进行固胶，温度为110℃，烘烤时间为3分钟。

第二步：配置PH＝4的盐酸水溶液作为刻蚀液，将样品放入其中进行刻蚀，刻蚀过程中对刻蚀液进行搅拌避免浓度不均匀。刻蚀速率为500nm每小时，刻蚀时间为2小时，将n型氧化锌区域暴露出来。

第三步：重复第一步中的光刻步骤，将p型电极区域暴露出来，其他区域覆盖上光刻胶，蒸镀上5nm镍+65nm金作为p型区域的电极，去除光刻胶；重复第一步中的光刻步骤，将n型区域电极40的区域暴露出来，其他区域覆盖上光刻胶，蒸镀上50nm铟作为n型区域电极40。

第四步：对器件电极进行快速退火，减小电极接触电阻，退火温度为400℃，时间为1分钟。

第五步：对制得的氧化锌基紫外发光二极管器件进行电流-电压(I-V)测试，结果表明器件具有明显的整流效应，其开启电压为3V。n-n、p-p电极间I-V曲线均为直线，表明n区电极接触和p区电极接触均为欧姆接触，证明整流效应来自于pn结区。排除电极与半导体间肖特基结的影响。

如图4和图5所示，对器件进行电致发光测试，器件发光光谱由紫外带边发射占主导，发光强度较实施例1有很大的增强，并且缺陷发光非常微弱，说明铍辅助掺氮技术制备高亮度紫外LED的有效性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。