制备氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件的方法

摘要

本发明公开了制备氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件的方法，步骤如下：1)将电阻率为0.005－0.02欧姆.厘米的P型重掺杂硅片清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至1～5×10－3Pa，以Zn为靶材，以O2和Ar作为溅射气氛，在5～20Pa压强下，衬底温度为300℃～500℃，进行溅射生长，得到ZnO薄膜；2)在ZnO薄膜上溅射半透明电极，在P型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。本发明方法简单，不需要采用复杂的分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等手段。且所用的设备与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。

说明书

技术领域

本发明涉及以ZnO薄膜为紫外发光层的电致发光器件的制备方法，尤其是氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件的制备方法。

背景技术

由于ZnO在室温下具有3.37eV的直接带隙和60mev的激子束缚能，因此它是实现紫外发光的理想的光电子材料。但是，ZnO的电致紫外发光二极管以及激光二极管很难实现，它遇到的最大障碍是ZnO高浓度的P型掺杂存在相当的困难。Toru Aoki等人报道了用激光掺杂实现ZnO二极管，并在110K下获得了紫外发光(参考文献T.Aoki，Y.Hatanaka，and D.C.Look，Appl.Phys.Lett.76，3257(2000))；Xin-Li Guo等人利用N₂O等离子增强脉冲激光反应沉积法实现了ZnO的P型掺杂，从而获得ZnO发光二极管，不过在紫外光区的发光很微弱(参考文献X.L.Guo，J.H.Choi，H.Tabata，and T.Kawai，Jpn.J.Appl.Phys.40，L177(2001))；Atsushi Tsukazaki等人报道了重复温度调制外延法实现P型掺杂，从而制备了ZnO二极管，并获得了从紫外到绿光区域的电致发光，然而紫外区域的发光依然比较弱(参考文献A.Tsukazaki，A.Ohtomo，T.Onuma，M.Ohtani，T.Makino，M.Sumiya，K.Ohtani，S.F.Chichibu，S.Fuke，Y.Segawa，H.Ohno，H.Koinuma，and M.Kawasaki，Nature Mater.4，42(2005))。

在ZnO的可实用化P型掺杂目前还没有彻底解决的情况下，为了避开这个困难，人们曾尝试了多种ZnO基的异质结结构，如：p-SrCu₂O₂/n-ZnO，p-GaN/n-ZnO纳米棒，p-AlGaN/n-ZnO，p-GaN/i-ZnO/n-ZnO和n-MgZnO/n-ZnO/p-AlGaN/p-GaN，并成功地实现了ZnO的紫外电致发光。报道文献有：H.Ohta，M.Orita，and M.Hirano，and H.Hosono，J.Appl.Phys.89，5720(2001)；Won Il Park and Gyu-Chui Yi，Adv.Mater.16，87(2004)；Ya.I.Alivov，E.V.Kalinina，A.E.Cherenkov，D.C.Look，B.M.Ataev，A.K.Omaev，M.V.Chukichev，D.M.Bagnall，Appl.Phys.Lett.83，4719(2003)；H.Y.Xu，Y.C.Liu，Y.X.Liu，C.S.Xu，C.L.Shao，R.Mu，Appl.Phys.B 00，1-4(2005)；A.Osinsky，J.W.Dong，M.Z.Kauser，B.Hertog，A.M.Dabiran，P.P. Chow，S.J.Pearton，O.Lopatiuk and L.Chemyak，Appl.Phys.Lett.85，4272(2004)。

在ZnO的异质结中，由于Si在半导体行业中的主导地位，使得p-Si/n-ZnO异质结有更大的应用潜力。但是，迄今为止制备出的p-Si/n-ZnO异质结多应用于光电器件，并没有实现p-Si/n-ZnO异质结的电致发光。(参考文献：S.E.Nikitin，Yu.A.Nikolaev，I.K.Polushina，V.Yu.Rud，Yu.V.Rud，and E.I.Terukov，Semiconductor 37(11)，1291-1295(2003)；Munizer Purica，Elena Budianu，EmilRusu，Microelectronic Engineering 51-52，425-431(2000)；H.Y.Kim，M.O.Park，J.H.Kim，S.Im，Optical Materials 17，141(2001)；J.Y.Lee，Y.S.Choi，W.H.Choi，H.W.Yeom，Y.K.Yoon，J.H.Kim，S.Im，Thin Solid Films 420-421，112-116(2002)；C.H.Park，I.S.Jeong，J.H.Kim，and Seongil Im，Applied Physics Letters 82(22)，3973-3975(2003))

发明内容

本发明的目的是提出一种制备氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件的方法。

本发明制备的氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件，在硅衬底的正面生长一层ZnO薄膜，在ZnO薄膜上沉积半透明薄膜电极，在硅片背面沉积欧姆接触电极，其具体的工艺步骤如下：

1)将电阻率为0.005-0.02欧姆.厘米的P型重掺杂硅片清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至1～5×10^-3Pa，以Zn为靶材，以O₂和Ar作为溅射气氛，O₂和Ar的流量比为O₂∶Ar＝1∶2～1∶5，在5～20Pa压强下，衬底温度为300℃～500℃，溅射功率60～120W，进行溅射生长，得到ZnO薄膜；

2)在ZnO薄膜上溅射半透明电极，在P型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。

本发明中，溅射在ZnO薄膜上的半透明电极可以是Au或者ITO薄膜。ZnO薄膜的厚度为50～500nm。

本发明用重掺P型硅片与ZnO形成异质结，在反向偏压下(负压加在硅衬底上)可以得到ZnO的室温紫外电致发光。

本发明的有益效果在于：器件的结构和制备方法简单，不需要采用复杂的分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等手段。而且该器件结构及其制备方法与现行的成熟的硅器件平面工艺兼容。

附图说明

图1是氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件示意图；

图2是氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件在反向偏置下获得的电致发光谱。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

图1示出了发明的氧化锌/p型硅异质结紫外电致发光器件，在硅衬底1的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜2和电极3，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极4。

实施例1

采取如下工艺步骤：(1)清洗P型<100>重掺硼，电阻率为0.005欧姆.厘米、大小为15×15mm、厚度为675微米的硅片；(2)将硅片放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至5×10^-3Pa，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度300℃、溅射功率60W，通以O₂和Ar混合气体，O₂和Ar的流量比为O₂∶Ar＝1∶2，工作压强为5Pa，进行溅射生长，沉积厚度约为50nm的ZnO薄膜；(3)在ZnO薄膜上溅射面积10×10mm²、厚度10nm的Au膜，在硅衬底背面溅射厚度100nm的Au膜。

实施例2

采取如下工艺步骤：(1)清洗P型<100>重掺硼，电阻率为0.01欧姆.厘米、大小为15×15mm、厚度为675微米的硅片；(2)将硅片放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度400℃、溅射功率100W，通以O₂和Ar混合气体，O₂和Ar的流量比为O₂∶Ar＝1∶3，工作压强为10Pa，进行溅射生长，沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜；(3)在ZnO薄膜上溅射面积10×10mm²、厚度10nm的Au膜，在硅衬底背面溅射厚度100nm的Au膜。

实施例3

采取如下工艺步骤：(1)清洗P型<100>重掺硼，电阻率为0.02欧姆.厘米、大小为15×15mm、厚度为675微米的硅片，(2)将硅片放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度500℃、溅射功率120W，通以O₂和Ar混合气体，O₂和Ar的流量比为O₂∶Ar＝1∶5，工作压强为20Pa，进行溅射生长，沉积厚度约为500nm的ZnO薄膜；(3)在ZnO薄膜上溅射面积10×10mm²、厚度10nm的Au膜，在硅衬底背面溅射厚度100nm的Au膜。

图2给出了通过上述方法获得的器件在室温下测得的不同驱动电压/电流下的电致发光(EL)谱，正向偏置时，正压加在硅衬底上。从图中可以看出，随着电流/电压的增大，电致发光的强度也随着增大，这是典型的电致发光的特征。此外，主要发光峰的位置在386nm附近，这来源于ZnO近带边跃迁产生的紫外光发射。