[发明专利]一种Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种与其他元素共掺的ZnO基发光二极管及其制备方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)作为一种直接宽带隙化合物半导体材料，其室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，高于室温热能26meV，也远高于其它半导体材料，另外ZnO还具有热稳定性好，外延生长温度低，抗辐射能力强，来源丰富，成本低廉，无毒无污染等优点。在发光器件方面得到广泛应用前景。ZnO中的激子束缚能为60meV，能够在室温及以上温度下稳定存在，而且由激子-激子散射诱发的受激辐射的阈值要比电子-空穴等离子体复合的受激辐射阈值低得多，故ZnO是制备室温和更高温度下的发光二极管(LED)的理想材料。但已报道的ZnO基LED制备方法复杂，且发光效率都很低，亮度也很弱。要使器件走向实用化，必须提高效率和亮度。而目前关于ZnO基发光二极管的研究，国际上还没有关于可以在室温条件下发高亮度和发光较长时间的原型器件的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备方法简单、亮度高的Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管包括p型层、n型层和电极，其中，所述p型层为Mg-Na共掺的ZnO薄膜，所述n型层为n型ZnO单晶衬底。

进一步地，本发明所述p型层中Mg的摩尔百分含量是5-20％，所述p型层中Na的摩尔百分含量是0.1-1％。

进一步地，本发明所述n型ZnO单晶衬底是晶体取向为(0001)的n型ZnO单晶。

进一步地，本发明所述p型层电极为Ni/Au电极，所述n型层电极为Ti/Au电极。

本发明制备Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管的方法包括以下步骤：

(1)称量纯ZnO、MgO和Na₂CO₃粉末，其中Mg的摩尔百分含量为5-20％，Na的摩尔百分含量为0.1-1％，将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得Mg-Na共掺的ZnO陶瓷靶；

(2)将制得的ZnO陶瓷靶和n-ZnO单晶衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室真空度抽至10^-3Pa以下，衬底加热升温到350-700℃，生长室通入O₂气体，控制压强为30-50Pa，开启激光器，频率为5Hz，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管，将此原型器件在压强为30-50Pa的氧气气氛下冷却至室温；然后用磁控溅射分别在n型ZnO层沉积电极，在p型ZnO层沉积电极。

进一步地，本发明所述n型ZnO层沉积电极为Ti/Au电极，所述p型ZnO层沉积电极为Ni/Au电极。

进一步地，本发明所述n型ZnO层电极和p型ZnO层电极在沉积后经过快速退火。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)由于Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管含有Mg和Na两种元素掺杂，可产生更多的晶格缺陷，有利于缺陷发光的产生，大多发出的光位于可见光波段且亮度高；

(2)由于Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管采用背电极模式，特别是n型ZnO层沉积电极为Ti/Au电极，Ti与n型ZnO可形成良好的欧姆基础；且p型ZnO层沉积电极为Ni/Au电极，Ni与p型ZnO也可形成良好的欧姆基础，此结构提高了注入电流的效率，在小面积2mm×2mm的基底上功率可达到3-5W，因此会进一步提高发光二极管的亮度；

(3)Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管的n型层可直接选用n型晶体取向为(0001)的ZnO低阻单晶衬底，减少了制备n型ZnO的生长步骤，节约工序和时间；

(4)Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管的p型层选用Mg和Na两种元素共掺杂，提高了p型层性能的稳定性，p型层ZnO的空穴浓度可高达5.0×10¹⁶cm^-3-1.0×10¹⁸cm^-3，高的空穴载流子浓度也是室温发光很强的重要原因；

(5)n型ZnO层电极和p型ZnO层电极在沉积后快速退火可更有效保证电极与n型层和p型层之间形成欧姆接触，进一步提高整个Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管的效率。

附图说明

图1是本发明Mg-Na共掺的ZnO基发光二极管结构示意图；

具体实施方式

实施例1