一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管及其制备方法，属于半导体材料及光电器件制备工艺技术领域。光晶体管包括从下而上依次设置的衬底(100)、缓冲层(200)、介质层(300)、氮化镓层(400)、n型铝镓氮层(500)、量子点发光层(600)、空穴传输层(700)、源极(810)及漏极(820)，氮化镓层(400)和n型铝镓氮层(500)接触共同形成异质结，异质结用于产生二维电子气(2DEG)；源极(810)、漏极(820)相对设置在空穴传输层(700)的上表面两端。本发明专利技术可有效解决现有发光场效应晶体管发光效率低、电子迁移率低的问题，通过AlGaN/GaN异质结形成的二维电子气，改善空穴的注入效率、降低非辐射复合、提高量子点发光晶体管的发光效率。提高量子点发光晶体管的发光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料及光电器件制备工艺
，尤其涉及一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管及其制备方法。

技术介绍

[0002]量子点是准零维的材料，量子点在三维空间被限制到极小的临界尺寸，其特殊的形态特性导致了它有特殊的光学特性，量子点相比其它的纳米材料具有独特的量子限域效应和表面效应，表现出良好的荧光纳米效应。量子点的光学特性具体表现为，量子点的尺寸越大越偏向光谱中的紫色域、越小则越偏向红色。
[0003]目前大多数发光场效应晶体管的电子传输层采用的是ZnO材料，由于ZnO薄膜中存在本征施主缺陷，如间隙Zn原子、O空位等，使得ZnO薄膜天然呈弱n型导电，因此ZnO薄膜的电阻率一般较高，导致电子迁移率与电子浓度不高，因此影响光晶体管的发光效率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管及其制备方法，通过采用GaN/AlGaN异质结代替ZnO作为电子传输层，提高光晶体管的电子迁移率与电子浓度，从而提高光晶体管的发光效率。
[0005]本专利技术实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管，包括从下而上依次设置的衬底(100)、缓冲层(200)、介质层(300)、氮化镓层(400)、n型铝镓氮层(500)、量子点发光层(600)、空穴传输层(700)、源极(810)及漏极(820)；所述衬底(100)的上表面通过MOCVD方法设置有所述缓冲层(200)，所述缓冲层(200)的上表面通过MOCVD方法设置有所述介质层(300)，所述介质层(300)的上表面通过MOCVD方法设置有所述氮化镓层(400)，所述氮化镓层(400)的上表面通过MOCVD方法设置有所述n型铝镓氮层(500)，所述n型铝镓氮层(500)的上表面通过溶液旋涂法设置有所述量子点发光层(600)，所述量子点发光层(600)的上表面通过溶液旋涂法设置有所述空穴传输层(700)，所述空穴传输层(700)的上表面通过真空蒸镀法设置有所述源极(810)及所述漏极(820)；所述缓冲层(200)厚度取值范围为485~565nm；所述介质层(300)厚度取值范围为1~2μm；所述氮化镓层(400)厚度取值范围为100~200nm；所述n型铝镓氮层(500)厚度取值范围为20~25nm；所述量子点发光层(600)厚度取值范围为20~25nm；所述空穴传输层(700)厚度取值范围为30~40nm；所述源极(810)、所述漏极(820)厚度取值范围均为80~100nm；所述氮化镓层(400)和所述n型铝镓氮层(500)接触共同形成异质结，所述异质结用于产生二维电子气(2DEG)；所述源极(810)、所述漏极(820)相对设置在所述空穴传输层(700)的上表面两端。
[0006]较优地，所述衬底(100)采用磷元素重掺杂的硅片；
所述缓冲层(200)采用低温AlN、高温AlN和AlN/GaN超晶格；所述介质层(300)采用原位C掺杂的GaN层；所述氮化镓层(400)采用GaN薄膜；所述n型铝镓氮层(500)采用n型掺杂的AlGaN薄膜；所述量子点发光层(600)采用含镉量子点材料或不含镉量子点材料；所述空穴传输层(700)采用的材料为PVK、TCTA、CBP中至少一种；所述源极(810)采用低功函数材料Al，所述漏极(820)采用高功函数材料Au。
[0007]进一步地，本专利技术还提供一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管的制备方法，制备方法包括以下步骤：步骤S100，清洗衬底(100)、并对所述衬底(100)作干燥预处理和使用磷元素进行重掺杂，所述衬底(100)采用n型重掺杂硅，所述衬底(100)作为所述光晶体管的栅极；步骤S200，通过MOCVD方法，在硅上沉积制备缓冲层(200)；步骤S300，通过MOCVD方法，在所述缓冲层(200)上制备介质层(300)；步骤S400，通过MOCVD方法，在所述介质层(300)上制备氮化镓层(400)；步骤S500，通过MOCVD方法，在所述氮化镓层(400)上制备n型铝镓氮层(500)，其中，所述氮化镓层(400)和所述n型铝镓氮层(500)共同形成异质结，所述异质结用于产生二维电子气；步骤S600，通过溶液旋涂法，在所述n型铝镓氮层(500)上制备量子点发光层(600)；步骤S700，通过溶液旋涂法，在所述量子点发光层(600)上制备空穴传输层(700)；步骤S800，通过真空蒸镀法在空穴传输层(700)上制备源极(810)和漏极(820)，得到所述光晶体管，其中，所述源极(810)采用低功函数材料Al，所述漏极(820)采用高功函数材料Au，所述源极(810)、所述漏极(820)相对设置在所述空穴传输层(700)的上表面两端，所述光晶体管为高电子迁移率量子点发光场效应晶体管。
[0008]较优地，所述缓冲层200从下而上依次包括低温AlN层、高温AlN层、AlN/GaN超晶格结构层，所述步骤S200包括：步骤S201，将步骤S100中完成的所述衬底(100)装入MOCVD预处理室中，然后对所述MOCVD预处理室抽真空至少30分钟；而后将所述衬底(100)经机械手送入MOCVD生长室，向所述生长室持续通入H2以使所述生长室保持有流动的H2气氛；将所述生长室升温至1080℃，对所述衬底(100)进行10分钟的热处理；步骤S202，将所述生长室温度降至1000℃，向所述生长室通入TMAl和NH3，其中，TMAl流量为270sccm，NH3流量为6slm；调节所述生长室的生长压力为45Torr，然后退火10min，使所述衬底(100)的上表面位置生长出45nm的所述低温AlN层；步骤S203，将所述生长室温度升至1100℃，保持TMAl和NH3的通入，将生长压力降至40Torr，使所述低温AlN层上生长120nm的所述高温AlN层；步骤S204，将所述生长室温度降至1030℃，保持生长压力为40Torr，保持通入TMGa、TMAl和NH3，使所述高温AlN层上生长80周期的所述AlN/GaN超晶格结构层，其中，一个周期内AlN生长1.5nm，GaN生长2.5nm，所述缓冲层(200)制备完毕。
[0009]较优地，所述步骤S300包括：
步骤S301，将所述生长室的温度调至1025℃，生长压力调至为50Torr，向所述生长室持续通入H2以所述生长室内保持有流动的H2气氛，通入TMGa和NH3，V/III为2400，使所述缓冲层(200)上生长出2μm的GaN层；步骤S302，使用原位C掺杂所述GaN层，得到的高阻半绝缘GaN层作为所述介质层(300)，其中，掺杂浓度为2
×
10
18
个cm
‑3。
[0010]6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S400包括：保持所述步骤S301的生长条件，在所述介质层(300)上生长出100nm的GaN薄膜作为所述氮化镓层(400)。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管，其特征在于，包括从下而上依次设置的衬底(100)、缓冲层(200)、介质层(300)、氮化镓层(400)、n型铝镓氮层(500)、量子点发光层(600)、空穴传输层(700)、源极(810)及漏极(820)；所述衬底(100)的上表面通过MOCVD方法设置有所述缓冲层(200)，所述缓冲层(200)的上表面通过MOCVD方法设置有所述介质层(300)，所述介质层(300)的上表面通过MOCVD方法设置有所述氮化镓层(400)，所述氮化镓层(400)的上表面通过MOCVD方法设置有所述n型铝镓氮层(500)，所述n型铝镓氮层(500)的上表面通过溶液旋涂法设置有所述量子点发光层(600)，所述量子点发光层(600)的上表面通过溶液旋涂法设置有所述空穴传输层(700)，所述空穴传输层(700)的上表面通过真空蒸镀法设置有所述源极(810)及所述漏极(820)；所述缓冲层(200)厚度取值范围为485~565nm；所述介质层(300)厚度取值范围为1~2μm；所述氮化镓层(400)厚度取值范围为100~200nm；所述n型铝镓氮层(500)厚度取值范围为20~25nm；所述量子点发光层(600)厚度取值范围为20~25nm；所述空穴传输层(700)厚度取值范围为30~40nm；所述源极(810)、所述漏极(820)厚度取值范围均为80~100nm；所述氮化镓层(400)和所述n型铝镓氮层(500)接触共同形成异质结，所述异质结用于产生二维电子气(2DEG)；所述源极(810)、所述漏极(820)相对设置在所述空穴传输层(700)的上表面两端。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管，其特征在于：所述衬底(100)采用磷元素重掺杂的硅片；所述缓冲层(200)采用低温AlN、高温AlN和AlN/GaN超晶格；所述介质层(300)采用原位C掺杂的GaN层；所述氮化镓层(400)采用GaN薄膜；所述n型铝镓氮层(500)采用n型掺杂的AlGaN薄膜；所述量子点发光层(600)采用含镉量子点材料或不含镉量子点材料；所述空穴传输层(700)采用的材料为PVK、TCTA、CBP中至少一种；所述源极(810)采用低功函数材料Al，所述漏极(820)采用高功函数材料Au。3.一种氮化镓和二维发光材料结合的光晶体管的制备方法，其特征在于，所述光晶体管为权利要求1
‑
2所述的光晶体管，制备方法包括以下步骤：步骤S100，清洗衬底(100)、并对所述衬底(100)作干燥预处理和使用磷元素进行重掺杂，所述衬底(100)采用n型重掺杂硅，所述衬底(100)作为所述光晶体管的栅极；步骤S200，通过MOCVD方法，在硅上沉积制备缓冲层(200)；步骤S300，通过MOCVD方法，在所述缓冲层(200)上制备介质层(300)；步骤S400，通过MOCVD方法，在所述介质层(300)上制备氮化镓层(400)；步骤S500，通过MOCVD方法，在所述氮化镓层(400)上制备n型铝镓氮层(500)，其中，所述氮化镓层(400)和所述n型铝镓氮层(500)共同形成异质结，所述异质结用于产生二维电子气；步骤S600，通过溶液旋涂法，在所述n型铝镓氮层(500)上制备量子点发光层(600)；步骤S700，通过溶液旋涂法，在所述量子点发光层(600)上制备空穴传输层(700)；步骤S800，通过真空蒸镀法在空穴传输层(700)上制备源极(810)和漏极(820)，得到所述光晶体管，其中，所述源极(810)采用低功函数材料Al，所述漏极(820)采用高功函数材料
Au，所述源极(810)、所述漏极(820)相对设置在所述空穴传输层(700)的上表面两端，所述光晶体管为高电子迁移率量子点发光场效应晶体管。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述缓冲层(200)从下而上依次包括低温AlN层、高温AlN层、AlN/GaN超晶格结构层，所述步骤S200包括：步骤S201，将步骤S100中完成的所述衬底(100)装入MOCVD预处理室中，然后对所述MOCVD预处理室抽真空至少30分...

【专利技术属性】
技术研发人员：马占红，李亚洲，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：