ZnO/GaN異質結發光二極管光譜改善研究進展

劉 輝 史敏娜 王小峰

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

ZnO/GaN異質結發光二極管光譜改善研究進展

劉 輝 史敏娜 王小峰

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

ZnO缺陷發光及ZnO/GaN界面發光嚴重降低了n-ZnO/p-GaN發光二極管的性能。本文概述n-ZnO/ p-GaN異質結的結構和發光存在的問題，詳細介紹該方面的最新研究成果。通過引入界面層、利用量子限制效應等技術，使n-ZnO/p-GaN發光二極管的光譜質量和發光效率得到改善。

ZnO/GaN發光二極管；界面層；量子限制效應

半導體發光二極管具有節能環保等優點，是未來照明技術的發展方向［1，2］。GaN基LED是目前唯一商業化的藍光發光二極管，在白光照明、大屏顯示等方面得到了廣泛的應用。但是GaN制備困難，對襯底的依賴性很強，人們亟待研究新的藍光發光材料來替代GaN［3，4］。ZnO是直接帶隙寬禁帶半導體，禁帶寬度為3.37eV，被認為是最具潛力替代GaN用于藍光發光及激光的材料。其激子束縛能高達60meV，遠高于室溫熱離化能，可以得到與GaN媲美的室溫發光。

由于未摻雜的ZnO都表現出n型導電的特性，只有獲得穩定高效的p型ZnO，才可以實現ZnO同質結LED的室溫下發光［5］。但是，目前p型ZnO的載流子濃度仍不能滿足需求，人們把目光轉向ZnO基異質結LED的研究。GaN禁帶寬度為3.4eV，與ZnO都為六方纖鋅礦結構，晶格常數相近，失配度小于5%，是替代p型ZnO的理想材料。

但是，對n-ZnO/p-GaN LED施加高的偏壓時，p-GaN內空穴注入到n-ZnO的同時，n-ZnO中電子也會注入到p-GaN中［6］。而且，電子比空穴具有更高的遷移速率，導致n-ZnO/p-GaN LED的發光中心集中在p-GaN側，而ZnO的發光較弱，單色性差，發光峰通常在400nm以上［7］。

1 n-ZnO/p-GaN LED

由于p-ZnO受限于載流子濃度和遷移率問題，異質結成為ZnO LED應用的重要方向，研究者選擇采用其他p型材料代替p-ZnO作為空穴注入層。2003年，YI Alivov等［7］首次采用p-GaN材料替代p-ZnO，制備了n-ZnO/p-GaN異質結LED，得到了波長為430nm的電致發光，半高寬為40nm，如圖1所示。

值得注意的是，ZnO光致發光峰位通常在380nm左右，而電致發光的峰位在430nm。一方面，由于n-ZnO/p-GaN在強的電場作用下，電子越過勢壘向GaN中傳輸，在GaN內與空穴復合得到GaN發光；另一方面，在GaN表面生長ZnO時，GaN與ZnO的界面發生擴散，界面處形成Zn-Ga-O層，從而得到界面處的發光。為了改善n-ZnO/ p-GaN LED的發光質量，得到高質量的純ZnO發光，研究者從多個角度進行大量的研究。

圖1 n-ZnO/p-GaN異質結LED電致發光光譜

2 阻擋層優化的n-ZnO/p-GaN LED

在ZnO與p型材料之間插入寬帶隙的界面層，可以阻止電子向p型層注入，而不影響空穴向n型層注入，有效地解決p-GaN發光的問題，使發光中心集中在ZnO層；還可以避免ZnO與GaN的直接接觸，避免了Zn-Ga-O界面層的形成，減少界面處電子空穴的復合。常用的電子阻擋層材料有AlN、MgO、NiO、HfO2和Al2O3等。

2010年，XW Zhang等［8］采用在ZnO與GaN之間插入AlN層的方法，得到了ZnO的電致發光。采用MOCVD生長Mg：p-GaN，采用磁控濺射生長AlN和ZnO，LED的發光譜如圖2所示，未插入AlN層的LED發光峰位于650nm左右，由ZnO的缺陷發光和GaN的發光組成；插入AlN層之后，得到位于405nm窄的發光峰。該峰來自于ZnO中淺施主到價帶的躍遷或者施主受主復合的發光。Y Ma在界面處插入i-NiO阻擋層，制備了n-ZnO/i-NiO/p-GaN發光二極管。LED的開啟電壓為7.5V，主發光峰位于370nm。

采用阻擋層雖然可以提高異質結ZnO層發光的質量，但是也會引入開啟電壓升高等問題。插入層帶隙過大還會阻擋空穴向ZnO中的注入，降低發光效率。而價帶位置過低，在界面處形成空穴的勢阱，將空穴限制在勢阱內，無法擴散到ZnO中，同樣會降低發光效率。

3 ZnO納米結構/GaN異質結LED

當材料的尺度減小到可以與德布羅意波長相當的時候，則材料中電子的運動受到限制，電子態將呈現量子化分布，連續的能帶將分解為離散的能級，這種效應稱為量子限制效應。量子限制效應使材料的帶隙變寬，發光藍移；對電子的限制作用可以提高電子空穴在材料內部的復合效率。

圖2 電致發光光譜和照片

圖3 ZnO NWs/p-GaN LED電致發光光譜

2010年，O Lupan采用電化學在p-GaN薄膜上生長ZnO納米線陣列，得到了低閾值、高發光質量的ZnO NWs/ p-GaN異質結發光二極管，開啟電壓4.2V，發光峰位于397nm，如圖3所示。2015年，D Zhao等采用化學浴生長了ZnO QDs，量子點的直徑為5nm左右，制備了ZnO QDs/GaN異質結LED，得到了發光峰位于382nm的紫外電致發光，GaN的發光和界面發光得到了抑制。GJ Fang等［9］制備了ZnO QDs/HfO2/GaN發光二極管，將界面阻擋層與量子限制效應結合起來改善ZnO/GaN異質結發光二極管的性能。

4 結語

ZnO以其良好的半導體性質成為制造高效率短波長發光二極管及激光二極管的首選材料，但是ZnO的p型摻雜仍存在問題，使同質p-n結的制備存在巨大的挑戰，也使n-ZnO/p-GaN異質結得到快速的發展。本文概述了n-ZnO/p-GaN異質結LED的制備及其發光改善的研究進展，總結了n-ZnO/p-GaN異質結LED目前存在的問題，以及研究人員所采取的解決辦法，為提高n-ZnO/p-GaN異質結LED的發光性能提供思路。

［1］MC Newton，R Shaikhaidarov.ZnO tetrapod p-n junction diodes［J］.Applied Physics Letters，2009（15）：426-470.

［2］S Chu，G Wang，W Zhou，et al.Electrically pumped waveguide lasing from ZnO nanowires［J］.Nature Nanotechnology，2011（8）：506-510.

［3］P Tchoulfian，F Donatini，F Levy，et al.Direct imaging of p-n junction in core-shell GaN wires［J］.Nano Letters，2014（6）：3491-3498.

［4］YR Ryu，JA Lubguban，TS Lee，et al.Excitonic ultraviolet lasing in ZnO-based light emitting devices［J］.Applied Physics Letters，2007（13）：052103.

［5］H Lee，D Hwang，SM Jo，et al.Low-temperature fabrication of TiO2electrodes for flexible dye-sensitized solar cells using an electrospray process［J］.Acs Appl Mater Interface，2012（6）：3308-3315.

［6］B Goldenberg，JD Zook，RJ Ulmer.Ultraviolet and violet light-emitting GaN diodes grown by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition［J］.Applied Physics Letters，1993（4）：381-383.

［7］YI Alivov，EV Kalinina，AE Cherenkov，et al.Fabrication and characterization of n-ZnO/p-AlGaN heterojunction light-emitting diodes on 6H-SiC substrates［J］.Applied Physics Letters，2003（23）：4719-4721.

［8］JB You，XW Zhang，SG Zhang，et al.Improved electroluminescence from n-ZnO/AlN/p-GaN heterojunction light-emitting diodes［J］.Applied Physics Letters，2010（20）：624.

［9］H Huang，G Fang，Y Li，et al.Improved and color tunable electroluminescence from n-ZnO/HfO2/p-GaN heterojunction light emitting diodes［J］.Applied Physics Letters，2012（23）：383-387.

Research Progress in Spectral Improvement of ZnO/GaN Heterojunction Light Emitting Diode

Liu HuiShi Minna Wang Xiaofeng
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office,SIPO,Henan，Zhengzhou Henan 450000）

The ZnO defects emission and the ZnO/GaN interface emission have reduced the performance of n-ZnO/p-GaN light emitting diode.In this paper,the problems of structure and electroluminescence were introduced briefly, the last results on this point were expounded detailed.The spectra quality and luminescence efficiency of n-ZnO/p-GaN light emitting diode have been improved by using the methods of interface layer,quantum confinement effects and localized states bound.

ZnO/GaN light emitting diode；interface；quantum confinement effects

TN312.8

A

1003-5168（2017）07-0144-03

2017-06-02

劉輝（1987-），女，碩士，研究實習員，研究方向：半導體器件；史敏娜（1986-），女，碩士，研究實習員，研究方向：半導體器件（等同第一作者）；王小峰（1990-），男，碩士，助理研究員，研究方向：半導體器件。