CN108258086B - 一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，本发明使用水热法制备p型ZnO纳米柱，可以很好的控制掺杂的掺杂，提高掺杂浓度；同时，可以避免H原子进入ZnO当中，从而避免了Mg‑H复合体的产生，有利于提高Mg原子的激活浓度；此外，有利于进行多元素的复合掺杂，为高空穴浓度p型ZnO的制备创造有利条件；并且该水热法可控性好，设备简单，成本低廉，有利于降低生产成本；另一方面，Zn完全取消了Ga源和In源，有利于节约宝贵资源，提高贵重资源的有效利用率；同时，ZnO是无毒的，有利于实现绿色生产，保护环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED技术领域，尤其是一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法。
背景技术
由于发光二极管(LED)具有节能、环保、寿命长等众多优点，LED在各种彩色显示屏、LCD背光源、指示灯、白光照明灯等方面得到了广泛的应用。
目前，LED大多是基于GaN半导体材料的，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，由于LED材料自身折射率高(GaN折射率n≈2.5)，全内反射和菲涅尔损耗非常严重，只有少部分光从LED中提取出来，限制了LED的发光效率。针对这个问题，人们通过在LED表面构造微结构以提高光提取效率，有以下几种思路：中国专利文献CN101110461公开的《利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管》，是在p型GaN上等离子体耦合刻蚀(ICP)微米柱阵列结构，通过微米柱衍射效应提高LED发光效率；Jeong等人在LED表面制作了一圈高6um宽2微米ZnO墙，可以提高LED光功率30％，虽然前者能得到p型GaN微米柱，但是众所周知p型GaN非常薄(通常在200nm左右)，ICP刻蚀后极易导致漏电或电压升高，而且刻蚀深度很浅，光栅衍射效果非常不明显，对于提高LED发光效率不明显，再者ICP设备价格昂贵，成本高；后者只用了一圈ZnO微米墙，相对LED出光面太小，对LED提取没有充分发挥出来。
另一方面，虽然ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构。然而，非极性ZnO异质结LED的发光效率较低，极大地限制了它的发展。ZnO的内部点缺陷非常多，对p型掺杂的补偿效应非常大，因而高质量p型掺杂ZnO制备十分困难。高质量p型ZnO是目前ZnO基器件发展的重要障碍。目前一般是通过在p型GaN薄膜上外延n型ZnO薄膜制备LED器件，首先使用MOCVD或者MBE制备出薄膜型n-ZnO/p-GaN基LED，然后通过掩膜刻蚀的方法，获得了纳米柱n-ZnO/p-GaN基LED器件，有效提高了ZnO基器件的效率。然而，ZnO纳米柱的制备工艺较复杂，成本较高，而且并没有完全替代GaN。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法。
本发明的技术方案为：一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：
S1)、在p型衬底上旋涂光刻胶；
S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得微米/纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底；
S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长p型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S4)、将上步骤中生长p型ZnO微米/纳米柱的样品转移到掺杂有n型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长n型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S5)、生长完成后除去光刻胶；
S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO微米/纳米柱外表面上沉积一层厚度为20-200nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)，其中，溅射功率为350-550W，沉积温度为200-500℃，沉积气氛为0.1-10Pa的氧气，沉积靶材为掺杂5-10％Al的ZnO陶瓷靶；
S7)、减薄衬底，然后在AZO和衬底背面镀上电极，即可获得结构完整的ZnO微米/纳米柱LED。
优选的，步骤S1)中，所述的p型衬底为单晶Si、LaAlO3、GaN、AlN中的任一种。
优选的，步骤S2)中，生长窗口的形状可为圆形或方形或正多边形，更优选的，生长窗口的形状为圆形，并且其直径为50-500000nm，微米/纳米柱中心距离为0.5-300微米。
优选的，步骤S3)中，所述的p型掺杂原子为Mg、Na、Mn中的一种或者几种。
优选的，步骤S4)中，所述的n型掺杂原子为Al、Cu、Sn中的一种或者几种。
本发明的有益效果为：
1、使用水热法制备p型ZnO纳米柱，可以很好的控制掺杂的掺杂，提高掺杂浓度；同时，可以避免H原子进入ZnO当中，从而避免了Mg-H复合体的产生，有利于提高Mg原子的激活浓度；此外，有利于进行多元素的复合掺杂，为高空穴浓度p型ZnO的制备创造有利条件；
2、水热法可控性好，设备简单，成本低廉，有利于降低生产成本；
3、Zn完全取消了Ga源和In源，有利于节约宝贵资源，提高贵重资源的有效利用率；同时，ZnO是无毒的，有利于实现绿色生产，保护环境。
附图说明
图1为本实施例生长微米/纳米柱的图形化衬底的制备过程示意图；
图2为本实施例制备的ZnO纳米柱LED的结构示意图；
图3为本实施例中p型ZnO的XRC半峰宽值示意图，其值为260arcsec，
图4为本实施例中n型ZnO的XRC半峰宽值示意图，及值为220arcsec；
图5为本实施例制备的纳米柱LED的XRC半峰宽值示意图，其PL半峰宽为22nm，EL半峰宽为24nm。
图中，1-p型Si衬底，2-p型ZnO纳米柱，3-n型ZnO纳米柱，4-AZO薄膜，5-电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1和图2所示，一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：
S1)、在p型衬底1上旋涂光刻胶，其中，衬底为2英寸的单晶LaAlO3；
S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底，其生长窗口为圆形，并且直径为150nm，纳米柱中心距离为0.5微米；
S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子Mg、Na原子的ZnO溶液当中，在80℃下生长p型ZnO纳米柱2八小时，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S4)、将生长p型ZnO纳米柱2的样品转移到掺杂有n型掺杂原子Al原子的ZnO溶液当中，在80℃下生长n型ZnO纳米柱3八小时，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S5)、生长完成后除去光刻胶；
S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO上面沉积一层厚度为30nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)4，溅射功率为450W，沉积温度为300℃，沉积气氛为0.1Pa的氧气，沉积靶材为掺杂7.5％Al的ZnO陶瓷靶；
S7)、减薄衬底，然后采用标准制备工艺在AZO和衬底背面镀上电极5，即可获得结构完整的ZnO纳米柱LED，如图2所示。
本实施例制备的ZnO纳米柱LED具有良好的晶体质量，其p型ZnO和n型ZnO的XRC半峰宽分别为260和220arcsec，如图3、图4所示；
其中，p型ZnO的空穴浓度为5×1018cm-3；同时，纳米柱LED具有较好的光电性能，其PL半峰宽为22nm，EL半峰宽为24nm，如图5所示。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、在p型衬底上旋涂光刻胶；
S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得微米/纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底；
S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长p型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S4)、将上步骤中生长p型ZnO微米/纳米柱的样品转移到掺杂有n型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长n型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；
S5)、生长完成后除去光刻胶；
S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO微米/纳米柱外表面上沉积一层厚度为20-200nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜AZO；
S7)、减薄衬底，然后在AZO和衬底背面镀上电极，即可获得结构完整的ZnO微米/纳米柱LED。
2.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：步骤S1)中，所述的p型衬底为单晶Si、LaAlO3、GaN、AlN中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：步骤S2)中，生长窗口的形状可为圆形或正多边形。
4.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：步骤S3)中，所述的p型掺杂原子为Mg、Na、Mn中的一种或者几种。
5.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：步骤S4)中，所述的n型掺杂原子为Al、Cu、Sn中的一种或者几种。
6.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：步骤S6)中，溅射功率为350-550W，沉积温度为200-500℃，沉积气氛为0.1-10Pa的氧气。
7.根据权利要求3所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于：生长窗口的形状为圆形，并且其直径为50-500000nm，微米/纳米柱中心距离为0.5-300微米。
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