CN100353578C - 一种硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法。该器件在硅衬底的正面自下而上依次沉积ZnO薄膜、SiO2薄膜和电极，在硅衬底背面沉积欧姆接触电极。其制备步骤如下：先将N型硅片清洗后放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室抽真空，以Zn为靶材，以O2和Ar作为溅射气氛，进行溅射生长，得到ZnO薄膜；然后用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶—凝胶方法在ZnO薄膜上沉积SiO2薄膜；再在SiO2薄膜上溅射电极，在硅衬底背面溅射欧姆接触电极。本发明器件的结构和实现方式简单，不需要采用P型ZnO薄膜，因而避开了ZnO薄膜P型掺杂困难的问题。且制备方法所用的设备与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。

Description

一种硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法。
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。为了避开这个困难，人们曾尝试了多种异质结结构以实现ZnO基的电致发光，如：n-ZnO/p-GaN，p-AlGaN/n-ZnO和p-SrCu2O2/n-ZnO，报道文献有：Ya.I.Alivov，J.E.Van Nostrand，D.C.Look，M.V.Chukichev，and B.M.Ataev，Appl.Phys.Lett.83，2943(2003)；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.Ohta，M.Orita，and M.Hirano，and H.Hosono，J.Appl.Phys.89，5720(2001)。在ZnO的同质发光二极管方面，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，NatureMater.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，采用基于ZnO的MIS结构仍然是实现ZnO电致发光的一条途径。事实上，在1970年代就报道了Ag/SiO/ZnO和Au/SiO/ZnO结构的紫外发光，应该指出的是，在这些结构中采用的是ZnO单晶体，而且发光是在高偏压(几十伏甚至200V)下产生的(参考文献B.W.Thomas and D.Walsh，Electron.Lett.9，362(1973)；T.Minami，M.Tanigawa，M.Yamanishi，and T.Kawamura，Jpn.J.Appl.Phys.13，1475(1974))。最近，Ya.I.Alivov等人利用氮离子注入在Al2O3基n型ZnO薄膜中形成绝缘层，从而形成ZnO基MIS结构并得到了紫外发光(参考文献Ya.I.Alivov，D.C.Look，B.M.Ataev，M.V.Chukichev，V.V.Mamedov，V.I.Zinenko，Yu.A.Agafonov，and A.N.Pustovit，Solid-State Electron.48，2343(2004))。到目前为止，虽然基于ZnO的电致紫外发光器件的开发取得了一些进展，但是都采用了较为复杂的实现方法，比如：用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法制备P型化合物半导体薄膜。
发明内容
本发明的目的是提出一种简单的硅基氧化锌紫外电致发光器件及其制备方法。
本发明的硅基氧化锌紫外电致发光器件，其特征是在硅衬底的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜、SiO2薄膜和电极，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极。
发明的硅基氧化锌紫外电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)将电阻率为0.005-50欧姆.厘米的N型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10～20Pa压强下，衬底温度为300℃～600℃，进行溅射生长，得到ZnO薄膜；
2)利用常规的化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜上沉积SiO2薄膜；
3)在SiO2薄膜上溅射半透明电极，在N型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
上述的半透明电极可以是ITO薄膜或者是2-10nm厚的金膜。
本发明可以通过调节衬底温度来改变ZnO薄膜的结晶状态，通过调整溅射时间来改变ZnO薄膜的厚度。
本发明的有益效果在于：器件的结构和实现方式简单，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。该器件无需采用P型ZnO薄膜，因而避开了ZnO薄膜P型掺杂困难的问题。此外，该器件的制备方法所用的设备与现行成熟的硅器件平面工艺兼容。
附图说明
图1是硅基氧化锌紫外电致发光器件示意图；
图2是硅基氧化锌紫外电致发光器件在不同正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。
参照图1，发明的硅基氧化锌紫外电致发光器件，在硅衬底1的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜2、SiO2薄膜3和电极4，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极5。
实施例1
采取如下工艺步骤：1)清洗N型<100>，电阻率为0.005欧姆.厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的硅片，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1×10-3Pa；在硅片上利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，在溅射时，采用Zn靶、衬底温度300℃、溅射功率120W、通以O2和Ar混合气体，O2和Ar的流量比为1∶2，工作压强为10Pa；2)采用摩尔比为正硅酸四乙酯(TEOS)∶乙醇(EtOH)∶H2O＝1∶10∶10的前驱体溶液，并加入适量的HCl作为催化剂，利用溶胶一凝胶方法在ZnO薄膜上旋涂沉积厚度约为200nm的SiO2薄膜，旋涂后在80℃下烘干20分钟，然后在650℃于氧气下热处理2小时；3)在SiO2薄膜上和硅衬底背面分别溅射10nm和100nm厚的Au膜，其中前者的面积10×10mm2。
实施例2
采取如下工艺步骤：1)清洗N型<100>，电阻率为0.5欧姆.厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的硅片，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5×10-3Pa；在硅片上利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，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1∶3，工作压强为20Pa，2)以SiO2为靶材，利用射频溅射方法在ZnO薄膜上沉积厚度约为100nm的SiO2薄膜，溅射功率为100W，工作气体为氩气，工作压强为10Pa；3)在SiO2薄膜上溅射沉积50nm厚的ITO薄膜，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜，其中前者的面积10×10mm2。
实施例3
采取如下工艺步骤：1)清洗N型<100>，电阻率为50欧姆.厘米、大小为15×15mm2、厚度为675微米的硅片，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3×10-3Pa；在硅片上利用反应直流溅射的方法沉积厚度约为300nm的ZnO薄膜，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1∶3，工作压强为20Pa；2)以正硅酸四乙酯(TEOS)为气源，利用化学气相沉积方法在ZnO薄膜上沉积厚度约为100nm的SiO2薄膜，沉积温度为500℃，工作压强为100Torr；3)在SiO2薄膜上溅射沉积50nm厚的ITO薄膜，在硅衬底背面溅射100nm厚的Au膜，其中前者的面积10×10mm2。
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，负压加在硅衬底上。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，发光峰的位置在388nm附近，这来源于ZnO近带边跃迁产生的紫外光发射。

Claims (2)

1.硅基氧化锌紫外电致发光器件，其特征是在硅衬底(1)的正面自下而上依次沉积有ZnO薄膜(2)、SiO2薄膜(3)和电极(4)，在硅衬底背面沉积有欧姆接触电极(5)。
2.根据权利要求1所述的硅基氧化锌紫外电致发光器件的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)将电阻率为0.005-50欧姆·厘米的N型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＝i∶2～1∶3，在10～20Pa压强下，衬底温度为300℃～500℃，进行溅射生长，得到ZnO薄膜；
2)利用化学气相沉积法或蒸发法或溅射法或溶胶-凝胶方法在ZnO薄膜上沉积SiO2薄膜；
3)在SiO2薄膜上溅射半透明电极，在N型硅衬底背面溅射欧姆接触电极。
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