ZnO/GaN异质结发光二极管光谱改善研究进展

刘 辉 史敏娜 王小峰

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

ZnO/GaN异质结发光二极管光谱改善研究进展

刘 辉 史敏娜 王小峰

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

ZnO缺陷发光及ZnO/GaN界面发光严重降低了n-ZnO/p-GaN发光二极管的性能。本文概述n-ZnO/ p-GaN异质结的结构和发光存在的问题，详细介绍该方面的最新研究成果。通过引入界面层、利用量子限制效应等技术，使n-ZnO/p-GaN发光二极管的光谱质量和发光效率得到改善。

ZnO/GaN发光二极管；界面层；量子限制效应

半导体发光二极管具有节能环保等优点，是未来照明技术的发展方向［1，2］。GaN基LED是目前唯一商业化的蓝光发光二极管，在白光照明、大屏显示等方面得到了广泛的应用。但是GaN制备困难，对衬底的依赖性很强，人们亟待研究新的蓝光发光材料来替代GaN［3，4］。ZnO是直接带隙宽禁带半导体，禁带宽度为3.37eV，被认为是最具潜力替代GaN用于蓝光发光及激光的材料。其激子束缚能高达60meV，远高于室温热离化能，可以得到与GaN媲美的室温发光。

由于未掺杂的ZnO都表现出n型导电的特性，只有获得稳定高效的p型ZnO，才可以实现ZnO同质结LED的室温下发光［5］。但是，目前p型ZnO的载流子浓度仍不能满足需求，人们把目光转向ZnO基异质结LED的研究。GaN禁带宽度为3.4eV，与ZnO都为六方纤锌矿结构，晶格常数相近，失配度小于5%，是替代p型ZnO的理想材料。

但是，对n-ZnO/p-GaN LED施加高的偏压时，p-GaN内空穴注入到n-ZnO的同时，n-ZnO中电子也会注入到p-GaN中［6］。而且，电子比空穴具有更高的迁移速率，导致n-ZnO/p-GaN LED的发光中心集中在p-GaN侧，而ZnO的发光较弱，单色性差，发光峰通常在400nm以上［7］。

1 n-ZnO/p-GaN LED

由于p-ZnO受限于载流子浓度和迁移率问题，异质结成为ZnO LED应用的重要方向，研究者选择采用其他p型材料代替p-ZnO作为空穴注入层。2003年，YI Alivov等［7］首次采用p-GaN材料替代p-ZnO，制备了n-ZnO/p-GaN异质结LED，得到了波长为430nm的电致发光，半高宽为40nm，如图1所示。

值得注意的是，ZnO光致发光峰位通常在380nm左右，而电致发光的峰位在430nm。一方面，由于n-ZnO/p-GaN在强的电场作用下，电子越过势垒向GaN中传输，在GaN内与空穴复合得到GaN发光；另一方面，在GaN表面生长ZnO时，GaN与ZnO的界面发生扩散，界面处形成Zn-Ga-O层，从而得到界面处的发光。为了改善n-ZnO/ p-GaN LED的发光质量，得到高质量的纯ZnO发光，研究者从多个角度进行大量的研究。

图1 n-ZnO/p-GaN异质结LED电致发光光谱

2 阻挡层优化的n-ZnO/p-GaN LED

在ZnO与p型材料之间插入宽带隙的界面层，可以阻止电子向p型层注入，而不影响空穴向n型层注入，有效地解决p-GaN发光的问题，使发光中心集中在ZnO层；还可以避免ZnO与GaN的直接接触，避免了Zn-Ga-O界面层的形成，减少界面处电子空穴的复合。常用的电子阻挡层材料有AlN、MgO、NiO、HfO2和Al2O3等。

2010年，XW Zhang等［8］采用在ZnO与GaN之间插入AlN层的方法，得到了ZnO的电致发光。采用MOCVD生长Mg：p-GaN，采用磁控溅射生长AlN和ZnO，LED的发光谱如图2所示，未插入AlN层的LED发光峰位于650nm左右，由ZnO的缺陷发光和GaN的发光组成；插入AlN层之后，得到位于405nm窄的发光峰。该峰来自于ZnO中浅施主到价带的跃迁或者施主受主复合的发光。Y Ma在界面处插入i-NiO阻挡层，制备了n-ZnO/i-NiO/p-GaN发光二极管。LED的开启电压为7.5V，主发光峰位于370nm。

采用阻挡层虽然可以提高异质结ZnO层发光的质量，但是也会引入开启电压升高等问题。插入层带隙过大还会阻挡空穴向ZnO中的注入，降低发光效率。而价带位置过低，在界面处形成空穴的势阱，将空穴限制在势阱内，无法扩散到ZnO中，同样会降低发光效率。

3 ZnO纳米结构/GaN异质结LED

当材料的尺度减小到可以与德布罗意波长相当的时候，则材料中电子的运动受到限制，电子态将呈现量子化分布，连续的能带将分解为离散的能级，这种效应称为量子限制效应。量子限制效应使材料的带隙变宽，发光蓝移；对电子的限制作用可以提高电子空穴在材料内部的复合效率。

图2 电致发光光谱和照片

图3 ZnO NWs/p-GaN LED电致发光光谱

2010年，O Lupan采用电化学在p-GaN薄膜上生长ZnO纳米线阵列，得到了低阈值、高发光质量的ZnO NWs/ p-GaN异质结发光二极管，开启电压4.2V，发光峰位于397nm，如图3所示。2015年，D Zhao等采用化学浴生长了ZnO QDs，量子点的直径为5nm左右，制备了ZnO QDs/GaN异质结LED，得到了发光峰位于382nm的紫外电致发光，GaN的发光和界面发光得到了抑制。GJ Fang等［9］制备了ZnO QDs/HfO2/GaN发光二极管，将界面阻挡层与量子限制效应结合起来改善ZnO/GaN异质结发光二极管的性能。

4 结语

ZnO以其良好的半导体性质成为制造高效率短波长发光二极管及激光二极管的首选材料，但是ZnO的p型掺杂仍存在问题，使同质p-n结的制备存在巨大的挑战，也使n-ZnO/p-GaN异质结得到快速的发展。本文概述了n-ZnO/p-GaN异质结LED的制备及其发光改善的研究进展，总结了n-ZnO/p-GaN异质结LED目前存在的问题，以及研究人员所采取的解决办法，为提高n-ZnO/p-GaN异质结LED的发光性能提供思路。

［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

刘辉（1987-），女，硕士，研究实习员，研究方向：半导体器件；史敏娜（1986-），女，硕士，研究实习员，研究方向：半导体器件（等同第一作者）；王小峰（1990-），男，硕士，助理研究员，研究方向：半导体器件。