[發(fā)明專利]一種ZnO納米棒/p?GaN薄膜異質(zhì)結(jié)及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611104904.4
• 申請(qǐng)日: 2016-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN106784178A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田玉;奇志強(qiáng);朱小龍;鄭廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江漢大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L33/00
• 分類號(hào): H01L33/00;H01L33/06;H01L33/16;H01L33/32;B82Y20/00
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 馬麗娜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于紫外LED領(lǐng)域，特別涉及一種采用GaN量子點(diǎn)制備用于紫外LED的ZnO納米棒/p-GaN薄膜異質(zhì)結(jié)的方法。

背景技術(shù)

紫外發(fā)光器件在民用和軍事領(lǐng)域擁有極大的應(yīng)用潛力。目前普遍使用的傳統(tǒng)紫外光源是氣體激光器和汞燈，存在著效率低、體積大、不環(huán)保和電壓高等缺點(diǎn)。而半導(dǎo)體紫外光源是一種固態(tài)紫外光源、它具有無(wú)汞污染、波長(zhǎng)可調(diào)、體積小、集成性好、能耗低、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)勢(shì)。民用上，半導(dǎo)體深紫外光源在殺菌消毒、癌癥檢測(cè)、皮膚病治療等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，以及水與空氣凈化等環(huán)保領(lǐng)域，在高顯色指數(shù)白光照明能源領(lǐng)域，大容量信息傳輸和存儲(chǔ)等信息領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。軍用上，半導(dǎo)體深紫外光源在非視距隱蔽戰(zhàn)術(shù)通訊、生化預(yù)警、野外便攜式水凈化設(shè)備等軍事領(lǐng)域具有重要意義。

目前基于AlGaN基量子阱結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管(LED)外量子效率還比較低，且提升難度較大。這主要是由于外延AlGaN量子阱過(guò)程中缺乏同質(zhì)襯底，異質(zhì)外延引入的晶格失配和熱失配導(dǎo)致量子阱區(qū)中的位錯(cuò)密度很高，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)優(yōu)化后的AlGaN外延層的位錯(cuò)密度一般為2～5×10⁹cm^-2，輻射復(fù)合效率很低。另外，AlGaN量子阱內(nèi)極化電場(chǎng)引發(fā)的“量子局域化斯塔克效應(yīng)”降低發(fā)光效率，而且由于AlGaN材料的折射率較大，出光面的全反射臨界角很小(20°)，傳統(tǒng)c面AlGaN基紫外LED正面出光效率很低，器件外量子效率僅僅10％左右。ZnO是一種直接帶隙N型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的光學(xué)特性，由于其禁帶寬度(3.37eV)和高的激子束縛能(60meV)，使其成為室溫工作的UV-發(fā)射器件(如紫外激光器，紫外LED燈)的優(yōu)選材料之一。而基于ZnO納米結(jié)構(gòu)的LED將成為獲得高效、低成本和大面積LED的有效途徑之一。并且生長(zhǎng)ZnO納米棒相比制備薄膜避免了晶界的出現(xiàn)，從而大大減少了位錯(cuò)密度，并且納米棒兩個(gè)維度上的尺寸和激子的波爾半徑相比擬，具有較強(qiáng)的量子限域效應(yīng)，電子態(tài)密度成孤立的尖峰，有效抑制了電子向非輻射復(fù)合中心的擴(kuò)散。從而提高了紫外LED的發(fā)光效率。

ZnO和GaN具有相同的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，并且二者具有很小的晶格失配(僅為1.9％)和相類似的熱失配，所以將GaN薄膜作為ZnO納米棒的外延模版可以提高納米棒晶體質(zhì)量和改善陣列方向性以及分布。特別是ZnO和GaN的禁帶寬度十分相近，分別為3.37eV和3.39eV，且本征ZnO材料為n型，在p-GaN薄膜上外延ZnO納米棒可作為PN結(jié)來(lái)作為紫外LED的有源區(qū)。室溫下ZnO的激子束縛能高達(dá)60meV，而在室溫下熱離化能只有26meV，ZnO的激子可以受激發(fā)并且穩(wěn)定存在，這一點(diǎn)保證了ZnO材料在很低的激活下就能進(jìn)行紫外發(fā)光。且ZnO具有良好的導(dǎo)熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。然而目前基于ZnO納米棒的紫外LED的研究并不是很成功，存在一個(gè)很重要的問題：ZnO和襯底材料之間的接觸界面晶體質(zhì)量很差。無(wú)論采用哪種方法合成ZnO納米棒，在將ZnO納米棒直接生長(zhǎng)在異質(zhì)襯底上(包括GaN薄膜)時(shí)，都會(huì)在界面處形成一個(gè)晶體質(zhì)量很差且雜亂無(wú)章的區(qū)域，即所謂的“死層”，嚴(yán)重影響了器件的光電性能。而普遍采用的“兩步法”也存在較多問題。所謂“兩步法”即在GaN薄膜上面首先生長(zhǎng)一層ZnO作為形核層，隨后在形核層上面生長(zhǎng)ZnO納米棒，該種方法可以得到排列整齊的ZnO納米棒陣列，但是這種方法制備的器件發(fā)光性能不穩(wěn)定且工作電壓較高。更為不足的是，采用“兩步法”制備的基于ZnO納米棒的PN結(jié)，其電致發(fā)光基本上處于可見光波段。因此，ZnO納米棒和襯底接觸界面問題已成為目前一個(gè)迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明將GaN量子點(diǎn)作為形核點(diǎn)并驅(qū)動(dòng)ZnO納米棒的生長(zhǎng)，提供一種采用GaN量子點(diǎn)作為ZnO的形核層來(lái)制備ZnO納米棒/p-GaN薄膜異質(zhì)結(jié)的方法。

首先在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)中在藍(lán)寶石沉底上生長(zhǎng)p-GaN薄膜，再在薄膜上生長(zhǎng)GaN量子點(diǎn)樣品，然后采用水熱法在量子點(diǎn)表面進(jìn)行ZnO納米棒陣列的生長(zhǎng)，其過(guò)程見示意圖1。最后，ZnO納米棒陣列間隙采用PMMA填充，在ZnO納米棒頂部沉積ITO低阻導(dǎo)電薄膜，ITO低阻導(dǎo)電薄膜表面制備Al/Pt金屬引出電極，以Au/Ti合金作為p型GaN層電極，最后在ITO薄膜上蓋一層玻璃，即為紫外LED原型器件結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案具體如下：

一種ZnO納米棒/p-GaN薄膜異質(zhì)結(jié)的制備方法，包括以下步驟：