CN103400919B

CN103400919B - 一种场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法

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Publication number: CN103400919B
Application number: CN201310279611.XA
Authority: CN
Inventors: 李春; 宋科田; 兰长勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103400919A

Abstract

本发明公开了一种场电子激励下的紫外光源结构，其特征在于：包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空为间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层。该结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。

Description

一种场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体紫外发光器件技术领域，具体涉及基于宽禁带半导体纳米结构的场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法。

背景技术

据统计，人类约1/3的电能消耗用于发光，因此，发掘更高效能、更低成本、环境友好型发光器件是光电子产业发展的基本目标之一。在节能减排、绿色环保的时代主题下，传统紫外汞灯和汞荧光灯带来的环境污染问题已备受关注。紫外光源在环境净化、有机聚合、荧光激发源、半导体工艺等领域有着重要应用。以ZnO、GaN、AlN等为代表的宽禁带半导体材料是制备新型高效率半导体紫外发光器件的基础。

对于半导体发光，除了外部间接光激发、固态器件的电流直接注入外，真空中能量电子激发发光也是实现半导体电光转换的重要途径，特别是功率型光源器件的有效实现方式。宽禁带本征半导体的高熔点、高热导率、耐电子束辐照特性确保了其在电子激励发光过程中的稳定性。

影响宽禁带复合紫外发光的关键在于制备高质量、低缺陷密度的单晶材料。分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积等传统物理薄膜沉积的方法虽然可以制备高质量的外延薄膜，但其设备昂贵，且生长温度和衬底要求较高，材料合成的低效率导致器件制备的高成本。

发明内容

本发明的目的在于针对于现有技术中的紫外发光结构成本高、环境污染大且发光效率低的问题，提供一种场电子激励下的紫外光源结构，该结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种场电子激励下的紫外光源结构，包括

阴极发射体和与阴极发射体之间以真空间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层。

所述场发射阵列单元高度为0.5～10μm，形状为柱形、圆锥形或棱锥形；场发射阵列周期为1～20μm；场发射阵列采用纳米冷阴极材料制成，所述纳米冷阴极材料为硅尖锥、碳纳米纤维、石墨烯或六硼化镧尖锥。

所述透明衬底的材质为绝缘材料。

所述导电层的厚度为100～1000μm，导电层的材质为掺铝氧化锌、氧化铟锡、石墨烯、金属纳米网格或纳米线薄膜材料。

所述宽禁带半导体纳米晶层的材质为氮化铝、氮化镓、氧化锌、氧化锌镁或锗酸锌纳米材料。

所述金属反射层的厚度为20～50nm，材质为反射系数高的铝或银。

所述阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行设置。

所述受激发光体为钟罩结构，阴极发射体为柱状结构，阴极发射体位于受激发光体几何中心。

上述场电子激励下的紫外光源结构的制备方法，包括以下步骤：

1)阴极发射体的制备，包括：

a、利用光刻法和热蒸发法在金属或半导体衬底表面镀催化剂，制备出厚度为2-10nm的催化剂薄膜阵列；其中，催化剂为Fe或Ni或Co，或者含有Fe、Ni和Co中的至少两种的复合薄膜；

b、再利用微波等离子体化学气相沉积法在步骤a制得的催化剂薄膜阵列上生长形成碳纳米管阵列，最终形成阴极发射体。

2)受激发光体的制备，包括：

i、利用射频磁控溅射法在透明衬底表面沉积一层导电层；

ii、再在导电层上制备一层宽禁带半导体纳米晶层；

iii、最后利用直流磁控溅射法在宽禁带半导体纳米晶层上制备一层金属反射层，形成受激发光体。

步骤ii中，利用射频磁控溅射法、水热生长法或化学气相沉积法在导电层上制备宽禁带半导体纳米晶层。

综上所述，本发明的紫外光源结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的阴极发射体的结构示意图。

图2为本发明的受激发光体的结构示意图。

图3为本发明-实施例1的紫外光源结构的结构示意图。

图4为本发明-实施例2的紫外光源结构的结构示意图。

图5为本发明-实施例3的阴极发射体的I-V特性曲线图。

图6为本发明-实施例3的阴极发射体的扫描电子显微镜(SEM)图。

图7为本发明-实施例4制得的紫外光源结构的发光光谱图。

图8A为本发明-实施例4制得的ZnO纳米晶层的SEM图。

图8B为本发明-实施例4制得的紫外光源结构的发光实物图。

图9为本发明-实施例5制得的紫外光源结构的发光光谱图。

图10为本发明-实施例5制得的GaN纳米晶的SEM图。

图11为本发明-实施例6制得的紫外光源结构的发光光谱图。

图12为本发明-实施例6制得的Zn₂GeO₄纳米晶的SEM图。

其中，1、场发射阵列；2、半导体衬底；3、透明衬底；4、导电层；5、宽禁带半导体纳米晶层；6、金属反射层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细地描述：

如图1所示，阴极发射体由半导体衬底2和场发射阵列1构成，半导体衬底2通常采用高纯硅片，也可采用其它稳定性好的半导体材料；场发射阵列1采用发射性能佳的纳米冷阴极材料如碳纳米管、硅尖锥、碳纳米纤维、石墨烯或六硼化镧尖锥等制成；场发射阵列1单元高度为0.5～10μm，单元形状为柱形，也可为圆锥、棱锥等其它立体形状；场发射阵列周期为1～20μm，覆盖于整个衬底表面，也可设置成允许范围内的其它任何覆盖模式(如部分覆盖或以某种图案覆盖等)。

如图2所示，受激发光体由透明衬底3、导电层4、宽禁带半导体纳米晶层5和金属反射层6构成；透明衬底3为透过率高、强度高、导热性能好的绝缘材料(如高纯石英玻璃、Al₂O₃蓝宝石晶圆)，透过率高是为了提高光出射效率，强度高是为了耐粒子束轰击，导热性能好是为了避免轰击点的局部高温导致发射光谱发生偏移；导电层4材料为掺铝氧化锌(AZO)、氧化铟锡(ITO)、石墨烯、金属纳米网格、纳米线薄膜或其它任何透过率高、导电性好的材料，导电层厚度为100～1000nm；宽禁带半导体纳米晶层5可为氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氧化锌镁(MgZnO)、锗酸锌(Zn₂GeO₄)等纳米线、纳米管、纳米带等纳米材料晶体，其横向长度为1～10μm，纵向尺度为50～500nm；宽禁带半导体纳米晶层5上设有金属反射层6，其在保证电子能够穿越的前提下反射该面的出射光以提高光出射效率；金属反射层6材料为反射系数较高的金属(如Al、Ag等)，金属反射层的厚度为20～50nm。

将上述阴极发射体与受激发光体相结合组成紫外光源结构，具体实施方式如下：

实施例1

如图3所示，阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行放置，它们之间间隔为高真空环境，间距为100～1000μm；工作状态下，阴极发射体与受激发光体之间加有1500V或以上高压(受激发光体为高电势)。

实施例2

如图4所示，受激发光体为钟罩结构，从外到内依次为透明衬底3、导电层4、宽禁带半导体纳米晶层5和金属反射层6；阴极发射体为柱状结构，位于受激发光体几何中心；场发射阵列1均匀覆盖在阴极发射体柱体表面；钟罩内为高真空环境，阴极发射体与受激发光体之间的间距为100～1000μm；工作状态下阴极发射体与受激发光体之间加有1500V或以上高压(受激发光体为高电势)。

上述紫外光源结构的制备方法，具体如下：

实施例3

阴极发射体的制备，包括：

1)使用匀胶机在半导体衬底2表面旋涂一层光刻胶并烘干，烘干后的光刻胶厚度约为1～2μm；其中，匀胶机转速为3600rpm，使用时，预旋10s，旋涂30秒；

2)根据预先设定的场发射阵列的周期选择对应的掩膜，利用光刻法对光刻胶进行曝光和显影，形成光刻胶阵列结构。其中，选用紫外光刻机进行光刻，其光源为350W直流高压汞灯，曝光波长为365nm，曝光时间为10s；选用的显影液为0.5％NaOH溶液；

3)利用热蒸发法在步骤2)制得的光刻胶表面镀铁催化剂层；蒸镀完成后，铁催化剂层均匀附着在光刻形成的坑道内和光刻胶表面。

4)清洗除去光刻胶及附着在光刻胶表面的铁催化剂，形成厚度为2～10nm的铁催化剂薄膜阵列；具体过程为：将样品置入丙酮中超声10～20min，除去光刻胶及附着在光刻胶表面的铁催化剂层，留下附着在光刻形成的坑道内的催化剂层形成铁催化剂薄膜阵列；

5)利用微波等离子体化学气相沉积法(MWPCVD)，以甲烷(CH₄)为碳源气体，氢气(H₂)为稀释气体，在催化剂的作用下使铁催化剂薄膜阵列生长形成碳纳米管阵列；具体步骤为：将图5中所示的带有铁催化剂薄膜阵列的基片洗净吹干后置入反应室，抽真空，然后通入H₂(速率为180sccm)，并施加微波使其在反应室中产生等离子体；对半导体衬底2加热到660℃并维持10min，然后通入CH₄(速率为20sccm)，这时碳纳米管开始生长，整个过程保持反应室真空度不变，5～10min后关闭微波源，停止加热并停止通入CH₄，待冷却至室温时关闭H₂，然后通入氩气冲开反应室即可取出样品碳纳米管阵列。

6)反应完成后即可制成阴极发射体，其I-V特性曲线如图5所示，扫描电子显微镜(SEM)图像如图6所示。

实施例4

以ZnO为宽禁带半导体材料制备受激发光体的过程如下：

1)利用射频磁控溅射法在透明衬底3表面沉积一层导电层4；溅射工艺条件为：靶材选用掺3％Al₂O₃(质量分数)的AZO靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa，氩气通入速率为20sccm；射频功率为100W；沉积时间为15min；镀膜完成后，形成厚度约为200nm的AZO导电层。

2)在导电层4上利用射频磁控溅射法沉一层ZnO籽晶层；溅射工艺条件为：靶材选用纯度为99.99％的ZnO靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa，氩气通入速率为20sccm；射频功率为100W；沉积时间为25s，此时尚未形成连续膜；

或者利用恒温水热生长法制备一层ZnO纳米晶层，具体过程为：

配置浓度为0.05mol/L的等摩尔比无水乙酸锌和六亚甲基四胺(HMT)的混合水溶液，其中，无水乙酸锌作为锌源，HMT作为稳定剂；将基片放入其中(注意有籽晶层的一侧斜向下放置)，整个体系置入90℃的恒温水浴箱中，生长时间为1h～2h，生长完成后即可形成长度为2μm的ZnO纳米棒。

3)利用直流磁控溅射法在ZnO纳米晶层上制备一层金属反射层6；溅射工艺为：靶材选用纯度为99.99％的Al靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa；工作电流为0.3A保持不变，电压初始值350V并随着溅射的进行逐渐增大；沉积速率约为2nm/min，溅射时间为10min，最终形成受激发光体。

将实施例3制得的阴极发射体和上述受激发光体组合成基于ZnO纳米晶的场电子激励下的紫外光源结构，加上电压后测得发光光谱如图7所示：其峰值波长为384nm并且没有杂散峰，半峰全宽(FWHM)仅为19nm，能量高度集中在期望的波长段ZnO纳米晶的SEM图像如图8A所示；该紫外发光结构在测试过程中的光源发光的实物图如图8B所示。

实施例5

以GaN为宽禁带半导体材料制备受激发光体的过程如下：

1)利用射频磁控溅射法在透明衬底3表面沉积一层导电层4；溅射工艺条件为：靶材选用掺3％Al₂O₃(质量分数)的AZO靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa，氩气通入速率为20sccm；射频功率为100W；沉积时间为15min；镀膜完成后，形成厚度约为200nm的AZO导电层。

2)利用化学气相沉积法(CVD)在导电层4上制备一层GaN纳米晶层；用电子束蒸发法在透明衬底和导电层上沉积一层5nm厚的金(Au)催化剂层；用等摩尔比的Ga₂O₃和石墨混合粉末作为材料源，放置在镀有反射层的透明衬底上方，整个体系置于管式炉中；设置NH₃通入速率为100sccm并保持不变，以25℃/min的加热速率对反应室进行加热到1050℃并维持4h，待反应室自然冷却到室温后，即可取出样品；

3)利用直流磁控溅射法在GaN纳米晶层上制备一层金属反射层6；溅射工艺为：靶材选用纯度为99.99％的Al靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa；工作电流为0.3A保持不变，电压初始值350V并随着溅射的进行逐渐增大；沉积速率约为2nm/min，溅射时间为10min，制得受激发光体。

将实施例3制得的阴极发射体和上述受激发光体组合成基于GaN纳米晶的场电子激励下的紫外光源结构，加上电压后测得该光源结构的发光光谱如图所9示。另外，GaN纳米晶的SEM图像如图10所示。

实施例6

以Zn₂GeO₄为宽禁带半导体材料制备受激发光体的过程如下：

2)利用化学气相沉积法(CVD)在导电层4上制备一层Zn₂GeO₄纳米晶层；用电子束蒸发法在透明衬底和导电层上沉积一层9nm厚的金(Au)催化剂层；用摩尔比为2∶1∶2的ZnO、Ge和碳粉作为材料源，放置在镀有反射层的透明衬底旁边，整个体系置于石英试管中(其中混合粉末位于试管底，衬底位于试管口)，将试管放入管式炉中加热；其中，设置氩气流量为200sccm并在整个制备过程中保持不变，以15℃/min的加热速率对作为材料源的混合粉末区域进行加热到1000℃并维持1h(注意衬底应置于材料源旁边温度为400～500℃的区域以获得较佳结晶质量)，待反应室自然冷却到室温后，即可取出样品。

3)利用直流磁控溅射法在Zn₂GeO₄纳米晶层上制备一层金属反射层6；溅射工艺为：靶材选用纯度为99.99％的Al靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa；工作电流为0.3A保持不变，电压初始值350V并随着溅射的进行逐渐增大；沉积速率约为2nm/min，溅射时间为10min，最终形成受激发光体。

将实施例3制备的阴极发射体和上述受激发光体组合成基于Zn₂GeO₄纳米晶的场电子激励下的紫外光源结构，加上电压后测得该光源结构的发光光谱如图11所示。另外，Zn₂GeO₄纳米晶的SEM图像如图12所示。

虽然结合具体实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但并非是对本专利保护范围的限定。在权利要求书所限定的范围内，本领域的技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改或调整仍受本专利的保护。

Claims

1.一种场电子激励下的紫外光源结构，其特征在于：包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空为间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体之间的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层；

所述场发射阵列单元高度为0.5～10μm，形状为柱形、圆锥形或棱锥形；场发射阵列周期为1～20μm；场发射阵列采用纳米冷阴极材料制成，所述纳米冷阴极材料为硅尖锥或六硼化镧尖锥；

所述透明衬底的材质为绝缘材料；

所述导电层的厚度为100～1000nm，导电层的材质为掺铝氧化锌、氧化铟锡、石墨烯、金属纳米网格或纳米线薄膜材料；

所述宽禁带半导体纳米晶层的材质为氮化镓；

所述金属反射层的厚度为20～50nm，材质为铝或银；

所述阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行设置；

所述受激发光体为钟罩结构，阴极发射体为柱状结构，阴极发射体位于受激发光体的几何中心。

2.一种场电子激励下的紫外光源结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)阴极发射体的制备，包括：

a、利用光刻法和热蒸发法在金属或半导体衬底表面镀催化剂，制备出厚度为2-10nm的催化剂薄膜阵列；其中，催化剂为Fe或Ni或Co，或含有Fe、Ni和Co中的至少两种的复合薄膜；

b、再利用微波等离子体化学气相沉积法在步骤a制得的催化剂薄膜阵列上生长形成碳纳米管阵列，最终形成阴极发射体；

2)受激发光体的制备，包括：

以GaN为宽禁带半导体材料制备受激发光体的过程如下：

1)利用射频磁控溅射法在透明衬底（3）表面沉积一层导电层（4）；溅射工艺条件为：靶材选用掺3％Al₂O₃(质量分数)的AZO靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa，氩气通入速率为20sccm；射频功率为100W；沉积时间为15min；镀膜完成后，形成厚度约为200nm的AZO导电层；

2)利用化学气相沉积法(CVD)在导电层（4）上制备一层GaN纳米晶层；用电子束蒸发法在透明衬底和导电层上沉积一层5nm厚的金(Au)催化剂层；用等摩尔比的Ga₂O₃和石墨混合粉末作为材料源，放置在镀有反射层的透明衬底上方，整个体系置于管式炉中；设置NH₃通入速率为100sccm并保持不变，以25℃/min的加热速率对反应室进行加热到1050℃并维持4h，待反应室自然冷却到室温后，即可取出样品；

3)利用直流磁控溅射法在GaN纳米晶层上制备一层金属反射层（6）；溅射工艺为：靶材选用纯度为99.99％的Al靶，靶直径为90mm，靶厚为5mm；基片与靶材之间的距离为150mm；本底真空度小于5.0×10^-4Pa，工作氩气压为0.3～0.5Pa；工作电流为0.3A保持不变，电压初始值350V并随着溅射的进行逐渐增大；沉积速率约为2nm/min，溅射时间为10min，制得受激发光体。