[發明專利]一種基于PIN異質結構的短波長紫外發光材料的制備方法

無效

• 申請號: 201010191983.3
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN101958376A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: 梁會力;梅增霞;崔秀芝;劉章龍;李俊強;杜小龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本發明涉及短波長紫外發光材料制備領域，尤其是在p-GaN或p-AlGaN襯底上通過插入一層氧化物絕緣體材料制備n-ZnO或n-MgZnO薄膜，從而獲得基于PIN異質結構的短波長紫外發光材料的方法。?

背景技術

作為第三代半導體的核心基礎材料，室溫禁帶寬度為3.37eV的ZnO具有非常優越的光電性能，自由激子結合能為60meV，與ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)和GaN(25meV)等相比，可以在室溫或更高溫度下實現激子增益，是一種更適合用于室溫或更高溫度下的紫外光發射材料，在制備高性能短波長光電子器件方面有著極為廣闊的應用前景。然而，由于ZnO在p型摻雜過程中具有很強的自補償效應(可以由摻雜原子造成，也可以是本征缺陷)，穩定可靠的p-ZnO材料很難獲得。目前，基于ZnO的同質p-n結光電器件在國際上只有極少數研究小組予以報道(Na?tureMaterials，4，42，2005；Jpn.J.Appl.Phys.44，L643，2005)，由此可見，ZnO?p型摻雜的瓶頸問題極大地限制了它的應用研究與發展。作為p型層的另一個選擇——寬禁帶半導體材料GaN及其合金AlGaN，與ZnO在晶格結構方面有很多相似之處：均為六角纖鋅礦結構，具有相同的原子堆垛順序，面內晶格失配僅為-1.8％(針對GaN而言)，因此可以和n-ZnO形成高質量的異質p-n結，從而實現短波波段發光。而且，利用Mg摻雜可形成MgZnO三元合金，通過改變Mg組分可使其禁帶寬度在3.37eV(ZnO)至7.8eV(MgO)之間變化，從而有望實現更短波段的發光。?

然而，已有研究發現n-ZnO/p-GaN異質結發光通常都包括很強的界面缺陷發光，并且復合發光往往發生在p-GaN區域，導致ZnO高自由激子結合能的優勢不能得到充分發揮。為抑制缺陷發光并充分發揮ZnO高自由激子結合能的優勢，臺灣國立成功大學研究小組通過插入本征ZnO層(Appl.Phys.Lett.91，231113，2007)，使得電子空穴對的復合限制在ZnO本征區域，有效地抑制了缺陷發光。進一步實現更短波段的來自MgZnO層發光，依靠本征ZnO層顯然不能滿足要求。高介電常數的立方相氧化物(如MgO、CaO、SrO等)已作為良好的絕緣材料得到了廣泛?的應用，通過適當控制其厚度，即可以實現對p型層與n型層的空穴和電子不同程度的限制，使得電子空穴對的復合主要發生在n型層，從而充分利用ZnO及其合金材料高自由激子結合能的優勢并達到更短波段發光的目的(Appl.Phys.Lett.94，113508，2009)。但是，由于晶格結構上的巨大差異，直接在纖鋅礦結構的p型層上很難獲得高質量的立方相單晶氧化物薄膜(phys.stat.sol.(b)241，No.3,599?602，2004)，其后n型外延薄膜的質量及器件的發光效率將會受到極大的影響。?

因此，開發一種能高效釋放六角纖鋅礦及立方巖鹽結構之間應變的界面工程技術，獲得適合n型薄膜外延生長的單晶氧化物絕緣層，從而得到高質量的PIN異質結構，是制備短波長紫外波段光電器件的基礎及關鍵。?

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種基于PIN異質結構的短波長紫外發光材料的制備方法，該方法分5步依次在超高真空環境下熱處理及活性氮等離子體處理襯底獲得清潔表面、低溫沉積1～5nm厚的鎂、鈣、鍶等金屬單晶薄膜、低溫氧化金屬膜以獲得巖鹽相氧化物單晶層、高溫沉積巖鹽相氧化物絕緣層以及n型外延層，從而獲得高質量的可用于短波長紫外發光材料的PIN異質結構。?

為實現上述目的，本發明一種基于PIN異質結構的短波長紫外發光材料的制備方法，具體為：?

1)通過丙酮、酒精及去離子水超聲清洗去除p型襯底表面的有機物，然后導入超高真空制膜系統；?

2)在超高真空下，升溫至700～950℃進行高溫熱處理10～30min，以去除表面吸附的雜質，然后降溫至400～800℃，進一步利用活性氮等離子體處理10～30min以獲得清潔表面；?

3)將襯底降溫至250～0℃，沉積1～5nm厚金屬單晶層，然后利用氧氣或活性氧源對金屬單晶層進行氧化處理5～20min，獲得巖鹽相氧化物單晶層；?

4)在400～750℃下，在巖鹽相單晶氧化層上繼續沉積5～50nm氧化物絕緣層；?

5)在400～700℃溫度下，沉積300～1000nm?n型外延層，即可得到高質量PIN異質結構。?

進一步，所述步驟1)中的p型襯底為p-GaN或者p-AlGaN。?