CN102623604B - ZnO纳米棒发光二极管及其制作方法 - Google Patents
ZnO纳米棒发光二极管及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种ZnO纳米棒发光二极管，包括：一衬底；一p-GaN层，该p-GaN层制作在衬底上；一ZnO纳米棒阵列，该ZnO纳米棒阵列制作在p-GaN层上面的一侧，另一侧为台面；一石墨烯层，该石墨烯层制作在ZnO纳米棒阵列上；一上电极，该上电极制作在石墨烯层的一侧边缘上；一下电极，该下电极制作在p-GaN层一侧的台面上。石墨烯具有高达97％的可见光透射率和优异的导电性及机械性能，可以自然铺展于纳米棒之间而不轻易断裂，形成良好的接触和连接作用，因此是一种良好的透明电极材料。将化学气相沉积生长的大面积连续石墨烯转移到ZnO纳米棒阵列的上方，石墨烯在ZnO纳米棒的支撑下自然铺展，简单地形成发光二极管的电极层，同时还能起到电流扩展层的作用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种氧化锌纳米棒发光二极管的电极结构。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种II-VI族半导体材料，室温下具有较大的直接带隙(3.4eV)和较大的激子束缚能(60meV)，在光电子领域有广泛的应用。ZnO的p型掺杂难以实现，因此在光电子器件的设计上通常采取在其他的p型衬底材料上生长n型的ZnO的方式。相比连续的外延薄膜，生长ZnO纳米结构更容易获得近似无缺陷的晶体，这是因为纳米结构的大量表面有利于应力和应变的释放。出于这个原因，在ZnO基发光二极管当中，为了形成高结晶质量的ZnO的有效发光，其中一种重要的器件结构是在p型GaN衬底上生长n型ZnO纳米棒的有序阵列。空穴通过纳米棒与衬底形成的p-n结从GaN扩散到ZnO中，在ZnO纳米棒内部电子和空穴复合发光。由于是一系列分立的纳米棒，与一般连续平面的情况不同，ZnO端的电极制作不能采用简单的直接淀积，而需要特殊的工艺设计。其中一种方法是先涂布绝缘的物质如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)使其填充纳米棒的间隙，然后刻蚀多余的PMMA使纳米棒尖端露出，最后淀积透明导电的氧化铟锡(ITO)层作为电极。然而，这套电极制作工艺较为繁琐不易控制，复杂的处理还可能对器件的性能有不利影响。因此有必要寻求一种新的电极制作方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种ZnO纳米棒发光二极管及其制作方法，其是采用石墨烯作为ZnO端的电极材料。石墨烯具有高达97％的可见光透射率和优异的导电性及机械性能，可以自然铺展于纳米棒之间而不轻易断裂，形成良好的接触和连接作用，因此是一种良好的透明电极材料。将化学气相沉积生长的大面积连续石墨烯转移到ZnO纳米棒阵列的上方，石墨烯在ZnO纳米棒的支撑下自然铺展，简单地形成发光二极管的电极层，同时还能起到电流扩展层的作用。
本发明提供一种一种ZnO纳米棒发光二极管，包括：
一衬底；
一p-GaN层，该p-GaN层制作在衬底上；
一ZnO纳米棒阵列，该ZnO纳米棒阵列制作在p-GaN层上面的一侧，另一侧为台面；
一石墨烯层，该石墨烯层制作在ZnO纳米棒阵列上；
一上电极，该上电极制作在石墨烯层的一侧边缘上；
一下电极，该下电极制作在p-GaN层一侧的台面上。
本发明还提供一种ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底10上生长一p-GaN层；
步骤2：在p-GaN层上面的一侧制备一ZnO纳米棒阵列，另一侧为台面；
步骤3：取一铜衬底，在其上使用化学气相沉积的方法生长连续的石墨烯层；
步骤4：在石墨烯层上涂布一层PMMA，作为机械支撑膜；
步骤5：腐蚀去除石墨烯层的铜衬底；
步骤6：将石墨烯层清洗后覆盖到ZnO纳米棒阵列上；
步骤7：在室温下晾干，采用丙酮溶解石墨烯层上的PMMA，反复清洗；
步骤8：在石墨烯层上的一侧边缘制备上电极；
步骤9：在p-GaN层一侧的台面上制备下电极，完成ZnO纳米棒发光二极管的制作。
显而易见，本发明将已成型的连续石墨烯直接转移放置到ZnO纳米棒阵列之上，工艺原理和操作都非常简单，避免了以前制备电极时填充聚合物及刻蚀过程。特别是整个电极制作过程几乎没有对ZnO纳米棒施加作用，因此可以保留ZnO纳米棒的最佳晶体质量，发挥ZnO纳米棒发光二极管的最佳性能。此外，石墨烯层还可以起到电流扩展层的作用。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是ZnO纳米棒发光二极管的结构示意图。
图2是使用了石墨烯作为电极的ZnO纳米棒发光二极管的电致发光谱图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种ZnO纳米棒发光二极管，包括：
一衬底10，该衬底10的材料为Al2O3单晶，(0001)晶面；
一p-GaN层20，该p-GaN层20制作在衬底10上，为单晶结构，表面为(0001)晶面；
一ZnO纳米棒阵列30，该ZnO纳米棒阵列30制作在p-GaN层20上面的一侧，另一侧为台面21；
一石墨烯层40，该石墨烯层40制作在ZnO纳米棒阵列30上；
一上电极50，该上电极50制作在石墨烯层40的一侧边缘上，所述上电极50为阴极；
一下电极60，该下电极60制作在p-GaN层20一侧的台面21上，所述下电极60为阳极。
请再参阅图1所示，本发明还提供一种ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底10上通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)生长一p-GaN层20，该衬底10的材料为Al2O3单晶，该p-GaN层20的晶向为(0001)；
步骤2：在p-GaN层20上面的一侧通过反向自组装模板以水热法生长制备一ZnO纳米棒阵列30，另一侧为台面21，该ZnO纳米棒阵列的晶向为(0001)；
步骤3：取一铜衬底，例如25微米厚的铜箔片，在其上使用化学气相沉积的方法生长连续的石墨烯层40，该生长过程使用甲烷作为前驱体，在1000摄氏度环境下进行；
步骤4：在石墨烯层40上涂布一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为机械支撑膜，该PMMA使用苯甲醚作为溶剂，质量分数8％，通过旋涂的方法进行涂布，转速3000转/分，时间60秒，旋涂后置于热板上以180摄氏度烘烤10分钟使其固化；
步骤5：将石墨烯层40漂浮在腐蚀液液面，铜衬底朝下，腐蚀去除石墨烯层40的铜衬底，腐蚀剂使用三氯化铁溶液，浓度为0.6摩尔/升，时间为6小时；
步骤6：将腐蚀液反复置换成去离子水，石墨烯层40清洗后覆盖到ZnO纳米棒阵列30上，覆盖的实施通过ZnO纳米棒阵列30在去离子水液面下向上平移托起石墨烯层40而实现；
步骤7：在室温下晾干，时间为12小时，采用丙酮溶解石墨烯层40上的PMMA，反复清洗，所述反复清洗是采用去离子水清洗；
步骤8：在石墨烯层40的一侧边缘上制备上电极50，所述上电极50为阴极，是100纳米厚的金；
步骤9：在p-GaN层20一侧的台面21上制备下电极60，所述下电极60为阳极，其结构为20纳米厚的镍上方再覆盖100纳米厚的金，完成ZnO纳米棒发光二极管的制作。
图2显示使用了石墨烯作为电极的ZnO纳米棒发光二极管的电致发光谱图。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在一衬底上生长一p-GaN层；
步骤2：在p-GaN层上面的一侧制备一ZnO纳米棒阵列，另一侧为台面；
步骤3：取一铜衬底，在其上使用化学气相沉积的方法生长连续的石墨烯层；
步骤4：在石墨烯层上涂布一层PMMA，作为机械支撑膜；
步骤5：腐蚀去除石墨烯层的铜衬底；
步骤6：将石墨烯层清洗后覆盖到ZnO纳米棒阵列上；
步骤7：在室温下晾干，采用丙酮溶解石墨烯层上的PMMA，反复清洗；
步骤8：在石墨烯层上的一侧边缘制备上电极；
步骤9：在p-GaN层一侧的台面上制备下电极，完成ZnO纳米棒发光二极管的制作。
2.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，其中衬底的材料为Al2O3。
3.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，其中上电极为阴极。
4.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，其中下电极为阳极。
5.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒发光二极管的制作方法，其中反复清洗是采用去离子水清洗。
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