申请/专利权人：中国科学院理化技术研究所

申请日：2018-09-28

公开（公告）日：2021-01-05

公开（公告）号：CN109285912B

主分类号：H01L31/103(20060101)

分类号：H01L31/103(20060101);H01L31/032(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.05#授权;2019.03.01#实质审查的生效;2019.01.29#公开

摘要：本发明公开了一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件。所述基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括：衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极；所述P型半导体薄膜或所述N型半导体薄膜位于所述衬底上；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜相对设置；所述第一电极与所述N型半导体薄膜电连接；所述第二电极与所述P型半导体薄膜电连接；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5；其中，所述第一电极和所述第二电极分别电连接电源的负极和正极。本发明实施例提供的技术方案，使得利用LiB3O5作为主体材料制备的二极管器件能够高效地产生或探测深紫外波段的光，实现深紫外波段应用的二极管光电器件的构建。

主权项：1.一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，包括：衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极；所述P型半导体薄膜或所述N型半导体薄膜位于所述衬底上；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜相对设置；所述第一电极与所述N型半导体薄膜电连接；所述第二电极与所述P型半导体薄膜电连接；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5；其中，所述第一电极和所述第二电极分别电连接电源的负极和正极；LiB3O5为超宽直接带隙半导体。

全文数据：一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件技术领域本发明实施例涉及二极管技术，尤其涉及一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件。背景技术半导体光电子器件是指利用半导体材料的光-电转换效应制成的各种功能器件，其产品包括发光二极管LED、激光二极管LD、光电探测器、光电接收器以及太阳能电池等。光电子半导体器件的功能核心部件是利用半导体材料制备的。紫外光电子技术要求其所利用的半导体材料要具有短的响应波长，即材料应具有宽的带隙，称之为宽禁带半导体材料。现有技术中常用的宽禁带半导体材料金刚石、氮化铝及六方氮化硼具有禁带宽度大，迁移率高、介电常数小、导热性能好等优点点，适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，尤其在短波领域中的应用优势显著。宽禁带直接带隙半导体材料的一个基本的要求是需要材料是直接带隙，用以保证高的发光及光电转换效率。氮化铝以及六方氮化硼制备的二极管器件填补了先前无紫外波段应用的二极管器件的空白。但目前为止还没有深紫外波长小于200nm波段应用的宽禁带半导体材料。发明内容本发明提供一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，以提供一种深紫外波段应用的二极管器件。本发明实施例提供了一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，包括：衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极；所述P型半导体薄膜或所述N型半导体薄膜位于所述衬底上；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜相对设置；所述第一电极与所述N型半导体薄膜电连接；所述第二电极与所述P型半导体薄膜电连接；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5；其中，所述第一电极和所述第二电极分别电连接电源的负极和正极。本发明实施例提供的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极，P型半导体薄膜或N型半导体薄膜位于衬底上，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜相对设置，第一电极与N型半导体薄膜电连接，第二电极与P型半导体薄膜电连接，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5，其中，第一电极和第二电极分别电连接电源的负极和正极。由于LiB3O5为超宽直接带隙半导体，使得利用LiB3O5作为主体材料制备的二极管器件能够高效地产生或探测深紫外波段的光，实现深紫外波段应用的二极管光电器件的构建。附图说明为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。图1是本发明实施例提供的一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图；图2是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种纯LiB3O5晶体的能带图；图4是本发明实施例提供的一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的俯视结构示意图；图5是沿图4中虚线AB的剖面结构示意图；图6是沿图4中虚线CD的剖面结构示意图；图7是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的俯视结构示意图；图8是沿图7中虚线EF的剖面结构示意图；图9是沿图7中虚线GH的剖面结构示意图；图10是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图；图11是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图。具体实施方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。本发明实施例提供了一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，包括：衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极；所述P型半导体薄膜或所述N型半导体薄膜位于所述衬底上；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜相对设置；所述第一电极与所述N型半导体薄膜电连接；所述第二电极与所述P型半导体薄膜电连接；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5；其中，所述第一电极和所述第二电极分别电连接电源的负极和正极。本发明实施例提供的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极，P型半导体薄膜或N型半导体薄膜位于衬底上，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜相对设置，第一电极与N型半导体薄膜电连接，第二电极与P型半导体薄膜电连接，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5，其中，第一电极和第二电极分别电连接电源的负极和正极。由于LiB3O5为超宽直接带隙半导体，使得利用LiB3O5作为主体材料制备的二极管器件能够高效地产生与探测深紫外波段的光，实现深紫外波段应用的二极管光电器件的构建。以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他实施方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置器件结构的示意图并非按照一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及高度的三维空间尺寸。图1是本发明实施例提供的一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图。如图1所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述P型半导体薄膜120位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。可选的，图2是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图。如图2所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述N型半导体薄膜110位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。图3是本发明实施例提供的一种纯LiB3O5晶体的能带图。如图3所示，价带顶和导带底对应的两个点的横坐标相同，说明纯LiB3O5晶体为直接带隙半导体。具体的，在图3所示能带图中，电子是垂直跃迁的，在跃迁过程中，动量保持不变，电子与空穴的直接复合时，电能几乎全部转化为光能，保证了高的发光效率。此外，继续参见图3，纯LiB3O5晶体的禁带宽度为8.0eV，为超宽禁带半导体，采用LiB3O5制备的二极管器件发出的光波长在155纳米附近，为深紫外波段的光。需要说明的是，图1和图2所示基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件为发光二极管，该发光二极管由于采用了超宽直接带隙半导体材料LiB3O5，使得其发出的光的波长处于深紫外波段。本实施例提供的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极，P型半导体薄膜或N型半导体薄膜位于衬底上，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜相对设置，第一电极与N型半导体薄膜电连接，第二电极与P型半导体薄膜电连接，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5，其中，第一电极和第二电极分别电连接电源的负极和正极。由于LiB3O5为超宽直接带隙半导体，使得利用LiB3O5作为主体材料制备的二极管器件能够高效地产生或探测深紫外波段的光，实现深紫外波段应用的二极管光电器件的构建。图4是本发明实施例提供的一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的俯视结构示意图。图5是沿图4中虚线AB的剖面结构示意图。图6是沿图4中虚线CD的剖面结构示意图。如图4至图6所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述P型半导体薄膜120位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。进一步的，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件还包括位于所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120之间的有源层310，所述N型半导体薄膜110、所述有源层310以及所述P型半导体薄膜120构成的整体结构中相对的第一侧和第二侧分别设置有高反射膜410和部分反射膜420。图7是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的俯视结构示意图。图8是沿图7中虚线EF的剖面结构示意图。图9是沿图7中虚线GH的剖面结构示意图。如图7至图9所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述N型半导体薄膜110位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。进一步的，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件还包括位于所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120之间的有源层310，所述N型半导体薄膜110、所述有源层310以及所述P型半导体薄膜120构成的整体结构中相对的第一侧和第二侧分别设置有高反射膜410和部分反射膜420。需要说明的是，图4至图9所示基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件为激光二极管，为实现激光二极管的正常工作，需要满足粒子数反转条件。可以理解的是，基于上述纯LiB3O5晶体的特性，采用LiB3O5制备的激光二极管能够发射波长处于深紫外波段的激光。图10是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图。如图10所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述P型半导体薄膜120位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。进一步的，所述第一电极210包括分立的第一子部2101和第二子部2102，所述第一子部2101和所述第二子部2102之间露出的所述N型半导体薄膜110上可以设置有增透膜510。可选的，图11是本发明实施例提供的又一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件的结构示意图。如图11所示，基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件包括衬底100、N型半导体薄膜110、P型半导体薄膜120、第一电极210以及第二电极220，所述N型半导体薄膜110位于所述衬底100上，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120相对设置，所述第一电极210与所述N型半导体薄膜110电连接，所述第二电极220与所述P型半导体薄膜120电连接，所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120的主体材料为LiB3O5，其中，所述第一电极210和所述第二电极220分别电连接电源的负极Vb和正极Va。进一步的，所述第二电极220包括分立的第三子部2201和第四子部2202，所述第三子部2201和所述第四子部2202之间露出的所述P型半导体薄膜120上设置有增透膜510。需要说明的是，图10和图11所示基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件为光电二极管探测器，在光电二极管探测器工作时，被探测的光照射在增透膜510上，使得光电二极管探测器的电流增加。可以理解的是，基于上述纯LiB3O5晶体的特性，采用LiB3O5制备的光电二极管探测器能够探测波长处于深紫外波段的光。可选的，可以采用金属氧化物化学气相沉积工艺制备所述N型半导体薄膜110和所述P型半导体薄膜120。需要说明的是，金属氧化物化学气相沉积工艺能在较低的温度下制备高纯度的薄膜，减少了材料的热缺陷和本征杂质含量，且能够达到原子级精确控制的薄膜厚度，此外，采用质量流量计易于控制化合物的组分和掺杂量。因此为得到质量更好的N型半导体薄膜110和P型半导体薄膜120，本实施例较佳的设置采用金属氧化物化学沉积来制备N型半导体薄膜110和P型半导体薄膜120。可以理解的而是，在本实施例的其他实施方式中，还可以采用其他薄膜制备工艺形成N型半导体薄膜110和P型半导体薄膜120，本实施例对此不作具体限定。值得注意的是，LiB3O5的大尺寸晶体生长工艺成熟，可以做同质外延生长，且获得的薄膜几乎不存在晶格失配以及热膨胀系数失配的问题，使得本申请的技术方案与现有技术的兼容性高，实用性强。需要说明的是，在本实施例的其他实施方式中，光电二极管探测器可以不设置增透膜510，本实施例对此也不作具体限定。示例性的，所述P型半导体薄膜120的掺杂元素可以为Mg或Ca。示例性的，LiB3O5中B的化合价为+3价，Mg和Ca的化合价为+2价，采用Mg或Ca对LiB3O5进行掺杂时，Mg或Ca中的两个价电子与B三个价电子中的两个形成共价结合，B中剩余的一个价电子从周围的中性载流子对中获取电子与之形成共价结合，使得多余出一个空穴载流子，进而实现P型掺杂。可以理解的是，LiB3O5除了B元素外还包括Li元素和O元素，可采用其他合适价态的元素基于上述三种元素中的任一种元素进行掺杂，具体原理同上，因此，本实施例对用于进行P型掺杂的元素不作具体限定，仅以Mg或Ca为例进行示例性的说明。示例性的，所述N型半导体薄膜110的掺杂元素可以为N或Ge。示例性的，LiB3O5中B的化合价为+3价，Ge的化合价为+4价，采用Ge对LiB3O5进行掺杂时，Ge四个价电子中的三个价电子与B的三个形成共价结合，Ge剩余一个价电子，使得多余出一个电子载流子，进而实现N型掺杂。同理，LiB3O5中B的化合价为+3价，N的化合价为+5价，采用N对LiB3O5进行掺杂时，N五个价电子中的三个价电子与B的三个形成共价结合，N剩余两个价电子，使得多余出两个电子载流子，进而实现N型掺杂。可以理解的是，LiB3O5除了B元素外还包括Li元素和O元素，可采用其他合适价态的元素基于上述三种元素中的任一种元素进行掺杂，具体原理同上，因此，本实施例对用于进行N型掺杂的元素也不作具体限定，仅以N或Ge为例进行示例性的说明。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明所涉及的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所述技术领域的技术人员应该明了，只要是采用了LiB3O5作为N型半导体薄膜和P型半导体薄膜的主体材料形成的二极管器件，无论二极管器件为什么结构，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜采用什么化学元素进行掺杂，N型半导体薄膜和P型半导体薄膜采用什么工艺形成，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

权利要求：1.一种基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，包括：衬底、N型半导体薄膜、P型半导体薄膜、第一电极以及第二电极；所述P型半导体薄膜或所述N型半导体薄膜位于所述衬底上；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜相对设置；所述第一电极与所述N型半导体薄膜电连接；所述第二电极与所述P型半导体薄膜电连接；所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜的主体材料为LiB3O5；其中，所述第一电极和所述第二电极分别电连接电源的负极和正极。2.根据权利要求1所述的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，还包括位于所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜之间的有源层；所述N型半导体薄膜、所述有源层以及所述P型半导体薄膜构成的整体结构中相对的第一侧和第二侧分别设置有高反射膜和部分反射膜。3.根据权利要求1所述的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，所述P型半导体薄膜位于所述衬底上，所述第一电极包括分立的第一子部和第二子部，所述第一子部和所述第二子部之间露出的所述N型半导体薄膜上设置有增透膜；或者，所述N型半导体薄膜位于所述衬底上，所述第二电极包括分立的第三子部和第四子部，所述第三子部和所述第四子部之间露出的所述P型半导体薄膜上设置有增透膜。4.根据权利要求1所述的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，采用金属氧化物化学气相沉积工艺制备所述N型半导体薄膜和所述P型半导体薄膜。5.根据权利要求1所述的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，所述P型半导体薄膜的掺杂元素为Mg或Ca。6.根据权利要求1所述的基于LiB3O5晶体的深紫外二极管器件，其特征在于，所述N型半导体薄膜的掺杂元素为N或Ge。

百度查询： 中国科学院理化技术研究所 一种基于LiB₃O₅晶体的深紫外二极管器件

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