[發明專利]一種實現高效電致發光和低閾值激光的新方法

無效

• 申請號: 200910207830.0
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN101707231A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 朱海;單崇新;張振中;李炳輝;張吉英;申德振;范希武
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01S5/30
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 南小平

技術領域

本發明屬于半導體光電子材料與器件工藝技術領域，涉及一種實現高效電致發光和低閾值激光的新方法。

背景技術

氧化鋅是一種重要的寬帶隙半導體材料，室溫下能隙寬度約為3.37eV，激子束縛能高達60meV。由于其大的激子束縛能，有望在室溫甚至更高溫度下實現高效藍紫色發光和低閾值激光，因此，ZnO成為國際光電子領域研究的前沿和熱點。此外，與ZnSe、GaN、SiC等其它的寬帶隙材料相比，ZnO有很高的化學和熱穩定性、更好的抗輻射損傷的能力、較低的生長溫度、適合作長壽命器件等優勢。

目前，雖然有個別研究組已經報道了ZnO同質pn結的電致發光結果，但ZnO的p型摻雜仍然是阻礙ZnO基材料和器件應用的瓶頸。為了克服這一瓶頸，研究人員嘗試利用其它已有的p型材料與n-ZnO形成pn結。在這些p型材料中，GaN因其與ZnO具有相同的晶體結構和相似的晶格常數而受到特別的關注。但由于III-V和II-VI互為摻雜劑，直接把GaN與ZnO結合到一起形成的pn結往往只顯示出GaN的施主受主對(DAP)的發光，而ZnO的發光很多時候觀察不到。這樣ZnO高激子束縛能的優勢完全沒有得到利用。

另外國際上ZnO電泵激光只有很少的幾個研究小組有報道，從報道的結果來看，發光區都是采用ZnO納米晶或是無序的ZnO顆粒薄膜，同時利用了ZnO無序體系產生的隨機光學反饋來實現光的相干放大。但是這些器件中都存在很大的缺點：首先，由于顆粒之間的光學反射損耗較大，使得器件的閾值電流較高；其次，由于ZnO顆粒之間的無序性直接導致了光學模式的單色性較弱和方向性差，給實際應用帶來極大的困難。

發明內容

本發明的目的是提供一種實現高效電致發光和低閾值激光的新方法，其簡單易行，擴展了制備高效率發光器件的范圍，為發光器件的研究和制備開辟了新道路。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種實現高效電致發光和低閾值激光的新方法，包括如下步驟：利用具有相同晶體結構和相似晶格常數的p型材料與n型材料，把p型材料作為n型材料層的空穴源；通過能帶的設計，采用介電層來調節p型材料與n型材料之間的能帶結構，對載流子的輸運特性進行控制，使電子在n型材料層中積累而空穴從p型材料向n型材料層注入，從而實現在n型材料中高效電致發光和低閾值的激光發射。

本發明的方法適用于利用介電層調節同質或異質結構中載流子的輸運，使電子或空穴單向注入，從而實現高效率的電致發光或低閾值激光發射的情形。上述的p型材料包括但不限于p-Si、p-GaAs、p-GaN、p-ZnO、p-SiC、p-InP、p-GaP，所述的介電層包括但不限于MgO、SiO₂，所述的n型材料包括但不限于ZnO、GaN、GaAs、Si、SiC。

本發明利用氧化鋅(ZnO)高的激子束縛能60meV來制備紫外發光二極管及低閾值激光器；通過能帶工程的剪裁設計，并對載流子的輸運進行控制，使ZnO中的電致發光顯著增強，并實現了低閾值受激發射.具體采用MgO介電插入層來調節p-GaN和n-ZnO之間的能帶結構，首次在室溫條件下實現了連續電泵浦ZnO垂直表面激光發射.ZnO的高光學增益和自行成的微諧振腔使激光的閾值達到0.8mA，與同類的GaN基激光二極管相比閾值電流降低了1-2個量級.

本發明充分利用了p-GaN已經商品化，且其與ZnO具有相同的晶體結構和相似的晶格常數的特點，把p-GaN作為ZnO層的空穴源。通過能帶的設計，巧妙地采用MgO介電層來調節p-GaN和n-ZnO之間的能帶結構，使電子在ZnO層中積累而空穴可以從p-GaN向ZnO層的注入，從而實現了在ZnO中高效紫外發光和低閾值的激光發射。

在器件制作上，本發明利用等離子體輔助分子束外延(P-MBE)設備，采用高純金屬鋅、鎂和高純O₂作反應源，在p-GaN的襯底上生長MgO電子阻擋層和高質量的非摻雜n-ZnO發光層。對器件的光學和電學特性進行了表征，發現器件具有較好的整流特性。在室溫條件下對器件進行直流電致發光測試，發現沒有MgO介電層時，結構的發光以GaN中的施主受主對發光和ZnO中的深缺陷發光為主；而有了MgO層以后，在相同電流驅動下，器件的發光強度提高了將近兩個量級，并出現了受激發射現象，分析得出激光發射的閾值電流為0.8mA。