本发明专利技术公开了一种Ta2O5/ZnO/HfO2非对称双异质结发光二极管及其制备方法。该发光二极管在衬底自下而上依次为HfO2电子阻挡层、本征ZnO有源层、Ta2O5空穴阻挡层和第一电极，第二电极和HfO2电子阻挡层并列沉积在衬底上。采用Ta2O5作为空穴阻挡层，与HfO2电子阻挡层配合作用将载流子限制在ZnO有源层中，能有效地抑制p-GaN衬底侧的发光、提高ZnO有源层的发光强度。Ta2O5/ZnO/HfO2非对称双异质结发光二极管发光峰值波长在680nm附近，半高宽约为150nm。制备工艺简单、成本低廉，易于实现产业化。
【技术实现步骤摘要】
—种Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管及其制备方法
本专利技术涉及一种Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管及其制备方法，属于纳米材料和光电子器件领域。
技术介绍
氧化锌(ZnO)是一种新型的I1-VI族直接带隙宽禁带半导体材料。ZnO在室温下的禁带宽度为3.37eV,其激子束缚能可达60meV，远高于GaN的25meV以及室温热能(26meV),因此非常适合用于制作室温或更高温度下的发光、光敏等光电子器件。ZnO的晶体结构、禁带宽度与GaN比较相近，但其具有比GaN更大的激子束缚能和更高的熔点。良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性加上低廉的成本且环境友好，使其在发光二极管及相关光电器件方面具有巨大的应用潜力，被认为是GaN理想的替代材料。HfO2和Ta2O5都是新型的高-k栅介质材料。从能带上来看，HfO2和ZnO的导带带阶(ΔΕ。)高达2.29eV,而价带带阶(AEv)仅为0.14eV，可以起到很好的电子阻挡、空穴传输的作用，将电子限制在ZnO内，提高福射复合的效率；而Ta2O5和ZnO之间的导带带阶为0.6eV,价带带阶为0.68eV,可以起到较好的空穴阻挡作用。利用HfO2作为电子阻挡层、Ta2O5作为空穴阻挡层而形成的Ta2O5/Zn0/Hf02非对称双异质结结构将很大程度上提高载流子在ZnO有源层中的复合几率，实现高效的电致发光。国际国内还没有Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管及其制备方法的报道。空穴阻挡层的设计在ZnO基发光二极管中还没有报道。现有的ZnO基发光二极管普遍存在发光强度不高，阈值电流过大导致器件发热从而影响器件稳定性级发光性能等问题，限制了其实用化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管及其制备方法。制备的Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管具有较好的整流特性和发光性能。发光峰值波长在680 nm附近,半高宽约为150 nm。本专利技术的Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管，包括衬底，在衬底自下而上依次有HfO2电子阻挡层，本征ZnO有源层，Ta2O5空穴阻挡层，η型ZnO掺Al薄膜层和第一电极，第二电极与HfO2电子阻挡层并列沉积在衬底上。所述的衬底可以是生长在蓝宝石上的P型GaN。所述的第一电极可以为银(Ag)电极，所述第二电极可以为铟(In)电极。本专利技术提供的Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管的制备方法，具体步骤如下:首先用半导体工艺清洗衬底，然后用射频磁控溅射工艺在衬底上依次溅射HfO2薄膜、本征ZnO薄膜和Ta2O5薄膜形成非对称双异质结结构；在管式炉中进行退火；在Ta2O5薄膜之上派射η型ZnO掺Al薄膜层；最后制作电极；其中η型ZnO表面派射第一电极,在P型GaN衬底边缘镀上第二电极。用管式炉对衬底上制备的非对称双异质结结构进行退火的条件为:温度为600-800?，退火时的气氛环境为空气，退火时间为0.5^2 h。用射频磁控溅射工艺在衬底上制备Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结结构的工艺条件为:制备HfO2薄膜、本征ZnO薄膜和Ta2O5薄膜的靶材分别是HfO2陶瓷靶、ZnO陶瓷靶、Ta金属靶，溅射时本底真空度高于10_3Pa，衬底温度为20(T400°C，沉积时气压为0.5~5 Pa，相对氧分压O2/ (02+Ar) =20~60%，溅射功率6(Tl50W，每层溅射时间分别为20-60 min,5-20min、10-30 min。在Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结结构上溅射η型ZnO薄膜层的工艺条件为:采用掺杂Al (质量分数2~4%)的ZnO陶瓷靶，溅射时本底真空高于10_3Pa，衬底温度为100^4000C，沉积时气压为0.5~5 Pa，相对氧分压O2/ (02+Ar) =0~20%，溅射功率60~150 W,溅射时间为20~60 min。 本专利技术的有益效果和优点在于: 1.使用Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结结构，利用HfO2电子阻挡层和Ta2O5空穴阻挡层将载流子限制在ZnO有源层中，大大提高了载流子在ZnO中的复合几率，可以充分利用ZnO半导体材料大的激子结合能的优势，提高了发光效率。通过合理的设计与材料制备工艺的优化，实现了峰值波长在650 nm附近的可见光发光； 2.采用Al掺杂(质量分数2~4%)的ZnO作为η型薄膜层，掺杂Al后ZnO的导电性得到极大的改善，载流子浓度大幅提高，可以起到很好的电流扩撒及电子注入的作用，使器件的发光效率得到提高； 3.本专利技术采用射频磁控溅射系统制备非对称双异质结发光层，大大降低了成本，有利于实现产业化生产。【附图说明】图1是本专利技术Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管结构示意图(1-蓝宝石，2-p型GaN，3-Hf02薄膜层，4-本征ZnO薄膜层，5_Ta205薄膜层，6-A1掺杂ZnO薄膜层，7_Ag电极，8-1n电极)； 图2是实施例1室温电致发光光谱图； 图3是实施例2室温电致发光光谱图； 图4是实施例3室温电致发光光谱图。【具体实施方式】参照图1，本专利技术的Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管，在衬底自下而上依次有HfO2电子阻挡层3，本征ZnO有源层4，Ta2O5空穴阻挡层5，η型ZnO掺Al薄膜层6和第一电极7，第二电极8与Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结并列沉积在衬底上。衬底为生长在蓝宝石I上的P型GaN 2。实施例1: 1、衬底清洗:采用生长在蓝宝石上的P型GaN为衬底，将其切成15 mmX15 mm大小，采用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗5 min，最后用氮气枪吹干。2、Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结的生长:将表面清洗后的衬底放入射频磁控溅射系统的生长室中，生长室抽至本底真空5 X 10_4 Pa，加热衬底至其温度达到200°C。选用HfO2陶瓷靶、ZnO陶瓷靶和Ta金属靶分别作为制备HfO2薄膜、本征ZnO薄膜和Ta2O5薄膜的靶材。在镀每层膜之前，均预溅射10 min以去除靶材表面的杂质。使用射频磁控溅射的方法，首先在P型GaN衬底上沉积HfO2薄膜，沉积衬底温度200°C，沉积时气压0.5 Pa，相对氧分压O2/ (02+Ar) =60%,功率120 W，溅射时间60 min ;然后沉积ZnO薄膜层，沉积衬底温度200°C，沉积时气压1.0 Pa，相对氧分压02/(02+Ar)=40%，功率150 W，溅射时间5 min ;最后沉积Ta2O5薄膜层，沉积衬底温度200°C，沉积时气压5.0 Pa，相对氧分压O2/ (02+Ar) =20%,功率60 W，溅射时间30 min。3、Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结的后退火处理:将沉积了 Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结结构的样品从真空室中取出后，迅速放入管式炉中，设置退火温度为600°C并保温2 h,炉中气氛环境为空气。4、n型ZnO掺Al薄膜的制备:将退火完毕后的样品放入射频磁控溅射系统的生长室中，生长室抽至本底真空IX 10_3 Pa，加热衬底至温度为3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Ta2O5/ZnO/HfO2非对称双异质结发光二极管，包括衬底，在衬底自下而上依次有HfO2电子阻挡层（3），本征ZnO有源层（4），Ta2O5空穴阻挡层（5），n型ZnO掺Al薄膜层（6）和第一电极（7），第二电极（8）与HfO2电子阻挡层并列沉积在衬底上。
【技术特征摘要】
1.一种Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管，包括衬底，在衬底自下而上依次有HfO2电子阻挡层(3)，本征ZnO有源层(4)，Ta2O5空穴阻挡层(5)，η型ZnO掺Al薄膜层(6)和第一电极(7)，第二电极(8)与HfO2电子阻挡层并列沉积在衬底上。2.根据权利要求1所述的所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底是生长在蓝宝石(I)上的 P 型 GaN (2)。3.根据权利要求1所述的所述的发光二极管，其特征在于，所述的第一电极(7)为银电极，所述第二电极(8)为铟电极。4.权利要求1所述的Ta205/Zn0/Hf02非对称双异质结发光二极管的制备方法，其特征在于，首先用半导体工艺清洗衬底，然后用射频磁控溅射工艺在衬底上依次溅射HfO2薄膜(3)、本征ZnO薄膜(4)和Ta2O5薄膜(5)形成非对称双异质结结构；在管式炉中进行退火；在Ta2O5薄膜之上派射η型ZnO掺Al薄膜层(6);最后制作电极,其中η型ZnO掺Al薄膜层表面溅射第一电极(7 )，在P型GaN边缘镀上...
【专利技术属性】
技术研发人员：方国家，王皓宁，龙浩，李颂战，莫小明，陈昭，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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