[发明专利]一种基于PIN异质结构的短波长紫外发光材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及短波长紫外发光材料制备领域，尤其是在p-GaN或p-AlGaN衬底上通过插入一层氧化物绝缘体材料制备n-ZnO或n-MgZnO薄膜，从而获得基于PIN异质结构的短波长紫外发光材料的方法。 

背景技术

作为第三代半导体的核心基础材料，室温禁带宽度为3.37eV的ZnO具有非常优越的光电性能，自由激子结合能为60meV，与ZnSe(22meV)、ZnS(40meV)和GaN(25meV)等相比，可以在室温或更高温度下实现激子增益，是一种更适合用于室温或更高温度下的紫外光发射材料，在制备高性能短波长光电子器件方面有着极为广阔的应用前景。然而，由于ZnO在p型掺杂过程中具有很强的自补偿效应(可以由掺杂原子造成，也可以是本征缺陷)，稳定可靠的p-ZnO材料很难获得。目前，基于ZnO的同质p-n结光电器件在国际上只有极少数研究小组予以报道(Na tureMaterials，4，42，2005；Jpn.J.Appl.Phys.44，L643，2005)，由此可见，ZnO p型掺杂的瓶颈问题极大地限制了它的应用研究与发展。作为p型层的另一个选择——宽禁带半导体材料GaN及其合金AlGaN，与ZnO在晶格结构方面有很多相似之处：均为六角纤锌矿结构，具有相同的原子堆垛顺序，面内晶格失配仅为-1.8％(针对GaN而言)，因此可以和n-ZnO形成高质量的异质p-n结，从而实现短波波段发光。而且，利用Mg掺杂可形成MgZnO三元合金，通过改变Mg组分可使其禁带宽度在3.37eV(ZnO)至7.8eV(MgO)之间变化，从而有望实现更短波段的发光。 

然而，已有研究发现n-ZnO/p-GaN异质结发光通常都包括很强的界面缺陷发光，并且复合发光往往发生在p-GaN区域，导致ZnO高自由激子结合能的优势不能得到充分发挥。为抑制缺陷发光并充分发挥ZnO高自由激子结合能的优势，台湾国立成功大学研究小组通过插入本征ZnO层(Appl.Phys.Lett.91，231113，2007)，使得电子空穴对的复合限制在ZnO本征区域，有效地抑制了缺陷发光。进一步实现更短波段的来自MgZnO层发光，依靠本征ZnO层显然不能满足要求。高介电常数的立方相氧化物(如MgO、CaO、SrO等)已作为良好的绝缘材料得到了广泛 的应用，通过适当控制其厚度，即可以实现对p型层与n型层的空穴和电子不同程度的限制，使得电子空穴对的复合主要发生在n型层，从而充分利用ZnO及其合金材料高自由激子结合能的优势并达到更短波段发光的目的(Appl.Phys.Lett.94，113508，2009)。但是，由于晶格结构上的巨大差异，直接在纤锌矿结构的p型层上很难获得高质量的立方相单晶氧化物薄膜(phys.stat.sol.(b)241，No.3,599 602，2004)，其后n型外延薄膜的质量及器件的发光效率将会受到极大的影响。 

因此，开发一种能高效释放六角纤锌矿及立方岩盐结构之间应变的界面工程技术，获得适合n型薄膜外延生长的单晶氧化物绝缘层，从而得到高质量的PIN异质结构，是制备短波长紫外波段光电器件的基础及关键。 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于PIN异质结构的短波长紫外发光材料的制备方法，该方法分5步依次在超高真空环境下热处理及活性氮等离子体处理衬底获得清洁表面、低温沉积1～5nm厚的镁、钙、锶等金属单晶薄膜、低温氧化金属膜以获得岩盐相氧化物单晶层、高温沉积岩盐相氧化物绝缘层以及n型外延层，从而获得高质量的可用于短波长紫外发光材料的PIN异质结构。 

为实现上述目的，本发明一种基于PIN异质结构的短波长紫外发光材料的制备方法，具体为： 

1)通过丙酮、酒精及去离子水超声清洗去除p型衬底表面的有机物，然后导入超高真空制膜系统； 

2)在超高真空下，升温至700～950℃进行高温热处理10～30min，以去除表面吸附的杂质，然后降温至400～800℃，进一步利用活性氮等离子体处理10～30min以获得清洁表面； 

3)将衬底降温至250～0℃，沉积1～5nm厚金属单晶层，然后利用氧气或活性氧源对金属单晶层进行氧化处理5～20min，获得岩盐相氧化物单晶层； 

4)在400～750℃下，在岩盐相单晶氧化层上继续沉积5～50nm氧化物绝缘层； 

5)在400～700℃温度下，沉积300～1000nm n型外延层，即可得到高质量PIN异质结构。 

进一步，所述步骤1)中的p型衬底为p-GaN或者p-AlGaN。