改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法

摘要

本发明公开了一种改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法，该方法是采用对n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管进行氢等离子体处理的方式，来改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能，具体包括如下步骤：使用掩膜将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管盖住，露出需要进行氢等离子体处理的ZnO部分；将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管送入电容耦合等离子体系统中进行氢等离子体处理；氢等离子体处理过程中器件的温度为T，射频功率为W

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是一种改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法。

背景技术

发光二极管(LEDs)被认为是继白炽灯、日光灯之后的第三代半导体照明器件，其高效长寿命的优势引起了人们极大的研究热情。目前主流的发光二极管是由MOCVD外延GaN/InGaN量子阱制成。尽管GaN基LEDs取得了迅速的发展，器件在生长工艺方面仍面临着很大的技术瓶颈，如材料中的缺陷浓度一直居高不下，基片散热性有待提高，器件成本过高，且器件在大的注入电流条件下存在外量子效率降低的“Droop”效应。

ZnO是继硅、锗及砷化镓之后的第三代半导体材料，是一种重要的II-VI族宽禁带直接带隙材料。ZnO与GaN有着相同的晶体结构和较小的晶格失配，但是ZnO较大的禁带宽度(～3.37eV)和高的激子束缚能(～60meV)使其有望取代GaN成为短波长发光器件的潜在应用材料。

鉴于ZnO的上述优势，近几年来，ZnO基LEDs引起了人们极大的研究热情。而高效稳定的p型ZnO材料的制备一直是科学界的一个难题，因此ZnO基同质结LEDs的制备受到极大的限制。由于GaN的p型掺杂已经非常成熟且性能稳定，许多人将研究的目光集中在n-ZnO/p-GaN上面。然而单纯的异质结发光很弱且缺陷发光十分明显，于是人们想到在异质结中间插入一薄层高阻层，从而将载流子有效限制在结区，提高辐射复合的几率。但是势垒层增加了器件的串阻，降低器件的开启电压，不利于器件整体性能的提高。解决该问题的途径之一是提高ZnO薄膜的电学性能从而提高器件的发光性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对当前ZnO基p-i-n发光二极管串阻很大，开启电压高，发光效率低的现状，本发明的主要目的在于提供一种改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法，该方法是采用对n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管进行氢等离子体处理的方式，来改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能。

上述方案中，该方法具体包括如下步骤：使用掩膜将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管盖住，露出需要进行氢等离子体处理的ZnO部分；将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管送入电容耦合等离子体系统中进行氢等离子体处理；氢等离子体处理过程中器件的温度为T，射频功率为W_H，气路中氢气的流量为F，氢气的压强为P_H，处理时间为t_H。

上述方案中，所述氢等离子体处理之前，该电容耦合等离子体系统的背景真空被抽至1×10^-4Pa以下。

上述方案中，所述氢等离子体处理之前，该电容耦合等离子体系统被通入氢气，调整气体流量计使气路中氢气的流量F为50-120sccm，调整气体压强P_H为50至200Pa。

上述方案中，所述氢等离子体处理温度T为室温。

上述方案中，所述氢等离子体处理射频功率W_H为10至100W。

上述方案中，所述氢等离子体处理时间t_H为20至200分钟。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过对器件中ZnO一侧进行氢等离子体处理，ZnO中的电子浓度和迁移率有了较大提高，而高阻的AlN层可以阻止氢原子向GaN中扩散，使氢等离子体处理后GaN层仍保持优良的电学性能。

2、通过实验发现，本发明对器件进行氢等离子体处理后，器件的串阻减小两倍，开启电压明显降低。氢等离子体处理80分钟后，器件的电致发光性能得到了明显提高，在相同的注入电流下，其室温电致发光强度是处理前的三倍。

附图说明

图1是本发明提供的改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法流程图；

图2为在蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜氢等离子体处理前和处理后的拉曼光谱；

图3为依照本发明实施例制备的n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管氢等离子体处理前和处理后不同注入电流下的室温电致发光谱；其中，a是氢等离子体处理前不同注入电流下的室温电致发光谱，b是氢等离子体处理80分钟后不同注入电流下的室温电致发光谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明采用氢等离子体处理n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管，可以有效提高ZnO基LEDs的电致发光性能，氢处理后在相同的注入电流下器件的发光强度是处理前的三倍，同时器件的串联电阻降低两倍，开启电压明显下降。因此，氢等离子体处理是增强ZnO基LEDs电致发光性能的一种简单而有效的方法。

如图1所示，本发明提供的改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法，是采用对n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管进行氢等离子体处理的方式，来改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能，具体包括如下步骤：

步骤1：使用掩膜将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管盖住，露出需要进行氢等离子体处理的ZnO部分；

步骤2：将n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管送入电容耦合等离子体系统中进行氢等离子体处理；

步骤3：氢等离子体处理过程中器件的温度为T，射频功率为W_H，气路中氢气的流量为F，氢气的压强为P_H，处理时间为t_H。

其中，在氢等离子体处理之前，该电容耦合等离子体系统的背景真空被抽至1×10^-4Pa以下；该电容耦合等离子体系统被通入氢气，氢气的流量F为50-120sccm，调整气体的压强P_H为50至200Pa。氢等离子体处理温度T为室温；氢等离子体处理射频功率W_H为10至100W；氢等离子体处理时间t_H为20至200分钟。

基于图1所示的改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法，本发明提供的改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法所采用的技术方案是：

1、利用MOCVD系统在c-Al₂O₃衬底上生长高质量的p-GaN薄膜；

2、样品室背景真空为3×10^-5Pa；

3、沉积AlN薄膜时使用的设备是射频磁控溅射系统，所用靶材为Al靶，生长室中通入Ar和N₂的混合气体，气体比例为1∶1，气体压强为1Pa，生长温度为700℃，生长时间为12分钟；

4、沉积n-ZnO薄膜时所用设备是射频磁控溅射系统，所用靶材为纯度为99.99％的ZnO陶瓷靶，生长室中通入Ar气，压强为1Pa，生长温度为600℃，生长时间为60分钟；

5、采用湿法腐蚀，将p-GaN薄膜上的AlN薄膜和ZnO薄膜的一侧腐蚀掉，露出p-GaN薄膜，形成台面；

6、氢等离子体处理采用电容耦合等离子体刻蚀系统，背景真空抽至1×10^-4Pa；

7、使用掩膜将器件盖住，露出需要进行氢等离子体处理的ZnO部分，然后将器件送入电容耦合等离子体刻蚀系统中，氢等离子体刻蚀处理过程中保持气体流量为80sccm，气体压强为180Pa，刻蚀温度为室温，刻蚀功率为80W，刻蚀时间为20至180分钟。

8、在p-GaN薄膜的台面上制备p型电极，p型电极的材料为NiAu合金，在ZnO薄膜上制作n型电极，所用材料为TiAu合金。

基于上述本发明提供的改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光性能的方法所采用的技术方案，以下结合一个具体实施例来描述改善n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管电致发光的方法，具体制备工艺如下：

1、在c-Al₂O₃衬底上沉积p-GaN薄膜，所用的生长设备是MOCVD系统，p-GaN薄膜的空穴浓度为10¹⁶-10¹⁸/cm³，空穴迁移率为8-300cm²/V·s；

2、在p-GaN薄膜上生长AlN薄膜，所用的生长设备是射频磁控溅射系统，包括进样室、沉积室、真空系统、射频电源及匹配系统、衬底加热及控温系统、样品旋转系统等；

3、生长AlN薄膜所用工作气体为Ar和N₂的混合气体，气体混合比例为1∶1，AlN薄膜生长过程中气体压强为1.0Pa，射频溅射功率为80W，衬底温度为700℃，溅射时间为12分钟，生长期间样品托自转使成膜均匀；

4、在AlN薄膜上生长ZnO薄膜，所用的生长设备是射频磁控溅射系统，ZnO薄膜的沉积温度为600℃，工作气体为Ar，压强为1.0Pa，生长功率为80W，沉积时间为60分钟，ZnO薄膜的厚度为300nm，电子浓度为10¹⁷-10¹⁸/cm³，电子迁移率为5-20cm²/V·s；

5、氢等离子体刻蚀采用电容耦合等离子体刻蚀系统，背景真空抽至1×10^-4Pa；

6、使用掩膜将器件盖住，露出需要进行氢等离子体处理的ZnO部分，然后将器件送入电容耦合等离子体刻蚀系统中，氢等离子体刻蚀处理过程中保持气体流量为80sccm，气体压强为180Pa，器件刻蚀温度为室温，刻蚀功率为80W，刻蚀时间为20-180分钟；

7、采用湿法腐蚀，将p-GaN薄膜上的ZnO薄膜和AlN薄膜的一侧腐蚀掉，露出p-GaN薄膜，形成台面；

8、在p-GaN薄膜的台面上制作p型电极，p型电极的材料为NiAu合金，在ZnO薄膜上制作n型电极，n型电极为TiAu合金。

测试结果与分析

按照上述实施例中提供的工艺条件，利用射频磁控溅射系统在GaN(0001)衬底上制备出n-ZnO/AlN/p-GaN异质结发光二极管。AlN层的加入大大降低了结区的缺陷密度，提高了异质结界面质量。

图2为在蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜在氢等离子体处理前和处理后的拉曼光谱，氢等离子体处理前，从曲线中可以看出四个明显的拉曼峰，位于98，332，438，577cm^-1，分别对应ZnO四种不同的声子振动模式。氢等离子体处理后，图中出现了两个与氢相关的振动模式峰，分别位于275和510cm^-1，表明氢原子已经进入到ZnO薄膜中。

图3是器件氢等离子体处理前和处理后不同注入电流下的室温电致发光谱，从图3的a中可以看出，器件发光峰位于403nm，缺陷发光被完全抑制，随着注入电流的增大，发光逐渐增强。氢等离子体处理80分钟后器件在不同注入电流下的室温电致发光谱如图3的b所示，氢处理后器件在相同的注入电流下电致发光大大增强，注入电流为8mA时发光峰峰位没有明显移动，发光强度是氢等离子体处理前的三倍。一方面，AlN层的插入减少了界面非辐射复合中心的数量，提高了异质结界面质量；另一方面，氢等离子体处理有利于ZnO中电子浓度和迁移率的提高，同时高阻AlN层可以阻止氢原子向GaN层中的扩散，保持GaN薄膜良好的电学性能。因此，氢等离子体处理后器件界面质量的提高以及ZnO层优良的电学性能是器件电致发光增强的原因。

常规的ZnO基LEDs由于界面质量不理想，界面处存在较多的非辐射复合中心，导致器件发光效率比较低，尽管在异质结中间插入一层势垒层可以在一定程度上提高器件的发光性能，但是高阻势垒层的插入大大增加了器件的串联电阻，提高了器件的开启电压。我们采用氢等离子体处理的方法，使器件在相同的注入电流情况下电致发光强度提高了三倍，通过采用不同的处理时间以及氢等离子体处理后退火工艺，我们发现氢在器件中有相对较高的稳定性。器件理想的界面质量以及氢等离子体处理后ZnO中电子浓度和迁移率的提高是器件发光性能提高的主要原因。该方法简单有效，成本较低，增强发光效果明显，是一种提高ZnO基LEDs发光性能的有效方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。