CN107681031B - 一种十字棱台图形化衬底、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种十字棱台图形化衬底，包括由下往上依次层叠的衬底底部和十字棱台图案，所述十字棱台图案的直径为500‑950nm，高度为150‑500nm。本发明的十字棱台图形化衬底制备方法简单易操作，有利于降低生产成本；纳米微球可以多次重复使用，且通过更换直径不同的微球，即可获得规格不同的十字棱台图案，有利于降低生产成本；制备的十字棱台图形化蓝宝石衬底，能够促进薄膜的横向生长，有利于后续生长高质量低缺陷的薄膜，可大幅度提高LED的发光效率；制备的十字棱台图形化衬底能够增加光的反射从而提高LED、LD器件的出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种图形化衬底，具体地，涉及一种十字棱台图形化衬底、制备方法及其在制备LED、光电探测器和太阳能电池中的应用。
背景技术
光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，其在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的形势下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题，以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。
目前，LED大多是基于GaN半导体材料制成的。然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题限制其持续性发展，因此及时研发下一代LED半导体材料是十分必要和急迫的。ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的激子束缚能(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且ZnO半导体材料还具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，ZnO半导体材料的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，ZnO有望成为GaN的理想替代材料之一。然而，目前的ZnO基器件的质量还需大幅度提高。图形化衬底是提高薄膜器件质量的一种有效途径。目前制备图形化衬底的工序繁琐，成本较为昂贵。
因此，减少图形化衬底的制备工序对抑制其生产成本具有重要的意义。另一方面，合理的设计图案，可以有效提高LED的出光效率，进而提高LED器件的性能。所以，优化图案也是图形化衬底发展的一个重要方向。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明提供了尺寸可控、分布均匀性好的十字棱台图形化衬底，该衬底适用于LED、LD、APD等领域。
本发明的另一个目的在于提供上述十字棱台图形化衬底的制备方法。
本发明的另一个目的在于提供上述十字棱台图形化衬底的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种十字棱台图形化衬底，包括由下往上依次层叠的衬底底部和十字棱台图案，所述十字棱台图案的直径为500-950nm，高度为150-500nm。
其中，所述十字棱台图案由多个形状相同的首尾连接的十字棱台图形组成，每个十字棱台图形的直径为500-950nm，高度为150-500nm。
优选的，所述十字棱台图形的宽度由十字棱台图形的中心往十字棱台图形的四角逐渐变小。
优选的，所述十字棱台图形的中心的宽度a为100-200nm，十字棱台图形的四角的宽度b为5-20nm。
本发明还提供十字棱台图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一个放置衬底和纳米微球的凹型模具，凹型模具的深度略大于衬底的厚度和纳米微球的两者直径之和；
2)将清洗干净的衬底放入凹型模具中；
3)放入纳米微球，将纳米微球在衬底上面均匀铺满一层；
4)在凹型模具上，正对衬底和纳米微球喷涂胶料，使胶料沿着纳米微球之间的空隙沉积到衬底上，生成十字棱台图案；
5)将喷涂胶料后的衬底和纳米微球曝光于紫外光下，将胶料固化；
6)移除纳米微球；
7)采用ICP刻蚀工艺将生成的十字棱台图案转移到衬底上，去除固化的胶料，即可得到十字棱台图形化衬底。
优选的，所述纳米微球为SiO2微球、SnO2微球或ZnO微球。
优选的，所述纳米微球的直径为500-950nm。
优选的，所述衬底是蓝宝石衬底。
优选的，步骤2)中清洗的具体操作为：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3-5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次采用丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，并使用甩干机甩干。
优选的，步骤4)中，控制沉积到衬底的胶料的高度为10-150nm。
本发明还提供了十字棱台图形化衬底用于制备LED、光电探测器和太阳能电池的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明简单易操作，有利于降低生产成本。
(2)纳米微球可以多次重复使用，且通过更换直径不同的微球，即可获得规格不同的十字棱台图案，有利于降低生产成本。
(3)制备的十字棱台图形化蓝宝石衬底，能够促进薄膜的横向生长，有利于后续生长高质量低缺陷的薄膜，可大幅度提高LED的发光效率。
(4)本发明制备的十字棱台图形化衬底能够增加光的反射从而提高LED、LD器件的出光效率。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的十字棱台图形化衬底的截面示意图；
图2是本发明实施例1制备的十字棱台图形化衬底的俯视图；
图3是实施例3制备得到的ZnO基LED器件的结构截面示意图；
图4是实施例4制备得到的ZnO紫外光电探测器的结构截面示意图；
图5是实施例5制备得到的ZnO基太阳能电池器件的结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种十字棱台图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一个放置蓝宝石衬底和ZnO纳米微球的凹型模具，凹型模具的深度略大于蓝宝石衬底的厚度和纳米微球的两者直径之和；
2)将蓝宝石衬底放入去离子水中室温下超声清洗3min，去除蓝宝石衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，并使用甩干机甩干，然后将清洗干净的蓝宝石衬底放入凹型模具中；
3)放入直径为500nm的ZnO纳米微球，将ZnO纳米微球在蓝宝石衬底上面均匀铺满一层；
4)在凹型模具上，正对蓝宝石衬底和ZnO纳米微球喷涂胶料，使胶料沿着ZnO纳米微球之间的空隙沉积到蓝宝石衬底上，生成十字棱台图案，控制沉积到衬底的胶料的高度为50nm；
5)将喷涂胶料后的蓝宝石衬底和ZnO纳米微球曝光于紫外光下，将胶料固化；
6)移除ZnO纳米微球；
7)采用ICP刻蚀工艺将生成的十字棱台图案转移到蓝宝石衬底上，去除固化的胶料，即可得到十字棱台图形化衬底。
本实施例制备得到的十字棱台图形化衬底的结构示意图如图1所示，俯视图如图2所示，其包括由下往上依次层叠的衬底底部11和十字棱台图案12，所述十字棱台图案12的直径为500nm，高度为400nm；所述十字棱台图形的中心的宽度a为200nm，十字棱台图形的四角的宽度b为20nm。
实施例2
一种十字棱台图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一个放置蓝宝石衬底和SiO2纳米微球的凹型模具，凹型模具的深度略大于蓝宝石衬底的厚度和纳米微球的两者直径之和；
2)将蓝宝石衬底放入去离子水中室温下超声清洗4min，去除蓝宝石衬底表面粘污颗粒，再依次经过丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，并使用甩干机甩干，然后将清洗干净的蓝宝石衬底放入凹型模具中；
3)放入直径为540nm的SiO2纳米微球，将SiO2纳米微球在蓝宝石衬底上面均匀铺满一层；
4)在凹型模具上，正对蓝宝石衬底和SiO2纳米微球喷涂胶料，使胶料沿着SiO2纳米微球之间的空隙沉积到蓝宝石衬底上，生成十字棱台图案，控制沉积到衬底的胶料的高度为30nm；
5)将喷涂胶料后的蓝宝石衬底和SiO2纳米微球曝光于紫外光下，将胶料固化；
6)移除SiO2纳米微球；
7)采用ICP刻蚀工艺将生成的十字棱台图案转移到蓝宝石衬底上，去除固化的胶料，即可得到十字棱台图形化衬底。
本实施例制备得到的十字棱台图形化衬底的结构示意图如图1所示，俯视图如图2所示，其包括由下往上依次层叠的衬底底部11和十字棱台图案12，所述十字棱台图案12的直径为540nm，高度为450nm；所述十字棱台图形的中心的宽度a为150nm，十字棱台图形的四角的宽度b为10nm。
实施例3
本实施例为在实施例1制备的十字棱台图形化衬底上，继续外延生长并制备ZnO基LED器件，将实施例1制备的十字棱台图形化衬底用于制备LED的方法如下：在十字棱台图形化衬底上生长Mg掺杂的p型NiO薄膜，外延层的厚度约为480nm，其载流子的浓度为9.2×1018cm-3。接着生长Al掺杂的n型ZnO薄膜，厚度约为320nm，其载流子浓度为2.49×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在O2气氛下退火，提高了n型ZnO薄膜的载流子浓度和迁移率。
所制备得到的ZnO基LED器件的结构截面示意图如图3所示，其包括衬底底部11，十字棱台图案12，p型NiO 13，n型ZnO 14和电极15。
在20mA的工作电流下，所制备得到的ZnO基LED器件的光输出功率为3.85mW，开启电压值为3.6V。
实施例4
本实施例为在实施例1制备的十字棱台图形化衬底上，继续外延生长ZnO并制备紫外光电探测器，将实施例1制备的十字棱台图形化衬底用于制备光电探测器的方法如下：在十字棱台图形化衬底上生长Al掺杂的n型ZnO薄膜，厚度约为1500nm，其载流子浓度为6.2×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触和肖特基结。在此基础上通过在O2气氛下退火，提高了n型ZnO薄膜的载流子浓度和迁移率。
所制备得到的ZnO紫外光电探测器的结构截面示意图如图4所示，其中包括衬底底部11，十字棱台图案12，n型ZnO 21和电极22。
所制备的ZnO紫外光电探测器在1V偏压下,暗电流仅为38.2pA,且ZnO紫外光电探测器在1V偏压下，在361nm处响应度的最大值达到了0.72A/W。
实施例5
本实施例为在实施例1制备的十字棱台图形化衬底上，继续外延生长并制备了ZnO基太阳能电池器件，将实施例1制备的十字棱台图形化衬底用于制备ZnO基太阳能电池器件的方法如下：在十字棱台图形化衬底上生长高质量的ZnO薄膜，具有成分梯度的MgxZn1-xO缓冲层，x的值可以在0-0.27之间可调，然后生长n型掺硅MgxZn1-xO外延层，厚度约为3.8μm,其载流子的浓度为8.6×1018cm-3。接着生长MgxZn1-xO多量子阱层，厚度约为300nm,周期数为10，其中Mg0.2Zn0.8O阱层为2nm，Mg0.08Zn0.92N垒层为8nm。再生长Mg掺杂的p型MgxZn1-xO层,厚度约为300nm，其载流子浓度为3.9×1016cm-3，最后电子束蒸发形成欧姆接触。在此基础上通过在O2气氛下退火，提高了n型ZnO薄膜的载流子浓度和迁移率。
所制备得到的ZnO基太阳能电池器件的结构截面示意图如图5所示，其中包括衬底底部11，十字棱台图案12，生长在图形化衬底上的ZnO薄膜31，和具有成分梯度的MgxZn1-xO缓冲层32，n型掺硅MgxZn1-xO 33,MgxZn1-xO多量子阱层34，p型掺镁的MgxZn1-xO 35。
所制备的ZnO基太阳能电池器件室温下的光电转化效率为6.5％，短路光电流密度为39mA/cm2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种十字棱台图形化衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供一个放置衬底和纳米微球的凹型模具，凹型模具的深度略大于衬底的厚度和纳米微球的直径之和；
2)将清洗干净的衬底放入凹型模具中；
3)放入纳米微球，将纳米微球在衬底上面均匀铺满一层；
4)在凹型模具上，正对衬底和纳米微球喷涂胶料，使胶料沿着纳米微球之间的空隙沉积到衬底上，生成十字棱台图案；
5)将喷涂胶料后的衬底和纳米微球曝光于紫外光下，将胶料固化；
6)移除纳米微球；
7)采用ICP刻蚀工艺将生成的十字棱台图案转移到衬底上，去除固化的胶料，即可得到十字棱台图形化衬底。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米微球为SiO2微球、SnO2微球或ZnO微球。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米微球的直径为500-950nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底底部是蓝宝石衬底。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中清洗的具体操作为：将衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3-5min，去除衬底表面粘污颗粒，再依次采用丙酮、乙醇洗涤，去除表面有机物，并使用甩干机甩干。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，控制沉积到衬底的胶料的高度为10-150nm。
7.权利要求1-6任一项所述的制备方法制备的十字棱台图形化衬底，其特征在于，包括由下往上依次层叠的衬底底部和十字棱台图案，所述十字棱台图案的直径为500-950nm，高度为150-500nm。
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