CN108831969A - 利用空气作为绝缘介质的半导体纳米线电注入发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种利用空气作为绝缘介质的半导体纳米线电注入发光器件，包括上、下电极层，在上、下电极层之间是P型(或N型)半导体层和置于其上的多根N型(或P型)半导体纳米线，半导体纳米线与半导体层的接触面构成PN异质结，且半导体纳米线对上电极层起支撑作用，从而在上、下电极层之间形成一层空气层作为绝缘层。该发光器件避免了传统纳米线电注入结构的不足，极大地简化了器件的制备流程和工艺，可以有效改善其电注入并提高器件的光学性质。

Description

利用空气作为绝缘介质的半导体纳米线电注入发光器件

技术领域

本发明涉及半导体材料光电器件，具体涉及一种利用空气作为绝缘层介质的半导体纳米线电注入的发光器件。

背景技术

随着时代的发展和科技的进步，对低维纳米光电子器件的需求与日俱增。其中，GaN材料作为第三代半导体材料的代表之一，其具有热稳定性高、迁移率优异、耐击穿电压高的诸多的优势，因此，该材料受到广泛的关注和研究。基于GaN材料，可以制作出多种光电子器件，比如GaN基LD、LED、传感器等等。基于GaN材料制作的发光器件在光电通讯等领域有着广泛的应用前景。

目前，基于GaN材料生长的纳米柱已经可以获得较高的晶体质量，这有利于纳米发光器件。但是，由于通常的纳米柱直径低于5μm，利用纳米柱实现电注入发光不太容易。因此，目前针对GaN纳米柱发光器件基本上都还局限于光泵浦，比如通过光泵浦使得GaN纳米柱半导体激光器激射。但是，这不利于光电子器件的集成和有效工作。

因此，为了获得电注入式的GaN纳米柱发光器件，需要解决的关键技术之一就是如何针对GaN纳米柱构建PN结，进而可以使得载流子复合发光。传统的解决方案是在n-GaN纳米线侧壁包裹一层p-GaN，进而在n-GaN和p-GaN的界面处形成PN结，如图1所示。然而，这种core-shell结构的纳米线对于电极的制作极为不利，尤其是针对内层的n-GaN，无法有效引出电极，进而阻碍了纳米线发光器件进行电注入。其结构示意图如图1所示：

另一个需要解决的关键问题就是如何设计有效的器件结构和电极以利于实现纳米线发光器件的电注入。传统的方式是将单根GaN纳米线放在P-Si上并利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行旋涂掩埋，然后再进行表面ICP离子刻蚀，露出纳米线侧壁后进行电极的蒸镀，进而实现纳米线的电注入发光，传统纳米线电注入结构示意图如图2所示。这种方法的不足之处在于制作工艺环节复杂，成功率不高。在旋涂PMMA的过程中容易导致纳米线与下层的P-Si绝缘而导致电注入失败(如图2中的A处)。此外，在进行ICP离子刻蚀时，刻蚀深度不易把握，容易出现刻蚀不足而无法露出纳米线侧壁，进而导致后续蒸镀的电极无法有效工作((如图2中的B处))。此外，刻蚀过度容易损伤纳米线侧壁晶体质量，进而降低发光器件的光场限制。

发明内容

本发明主要针对GaN纳米线等发光器件实现电注入过程中的上述两个关键问题，提出了一种创新的器件结构，进而获得一种可以实现电注入的半导体纳米线发光器件。该发光器件避免了传统纳米线电注入结构的不足，极大地简化了器件的制备流程和工艺，可以有效改善其电注入并提高器件的光学限制。

本发明的技术方案如下：

一种半导体纳米线电注入发光器件，包括上、下电极层，在上、下电极层之间是P型半导体层和水平放置于P型半导体层上的多根N型半导体纳米线，或者是N型半导体层和水平放置于N型半导体层上的多根P型半导体纳米线；该N型或P型半导体纳米线与其下对应的P型或N型半导体层的接触面构成PN异质结；所述半导体纳米线对上电极层起支撑作用，从而在上、下电极层之间形成一层空气层。

上述发光器件中，所述上、下电极层可以是ITO层，也可以是FTO层，或者是采用LED或者LD电极的传统工艺，蒸镀Ni/Au层或者Cr/Pt/Au层来实现电极层，进而实现电流注入。

上述发光器件中，位于下电极层上的P型半导体层可以是P-Si层，也可以是P-GaN层，或者其他P型半导体材料，相应的，放置于其上的多根N型半导体纳米线可以是N型GaN纳米线，也可以是N型ZnO纳米线，或者其他N型半导体纳米线(比如：AlN、InN等等材料的纳米线)。多根N型半导体纳米线和P型半导体层在它们的接触面构成PN结，进而实现空穴和电子复合发光。同理，也可以利用N-Si层或者N型GaN等半导体层与P型GaN等纳米线构成PN结，实现空穴和电子复合发光。

所述纳米线的直径优选≥500nm，每根纳米线的长度优选≥5μm。多根纳米线可以相互平行放置，也可以组成三角形、四边形等多边形放置方式。为了实现上下电极层之间绝缘，可通过纳米线的不同放置方式对上电极层进行支撑，进而在上下电极层之间形成一层空气层。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，器件的最下面是一层ITO层作为P电极；其上放置P-Si层，起到支撑GaN纳米线的作用；然后，在P-Si层上平行放置一对N型GaN纳米线，N型GaN纳米线和P-Si层的接触面就构成了PN异质结，如图3(b)中的A和B两处；紧接着，再用ITO导电玻璃覆盖在N型GaN纳米线上，作为N电极。当电流分别从ITO层和P-Si层注入到N型GaN纳米线时，A和B两处的PN异质结就会发生载流子复合发光并经由纳米线的端面出射。

本发明的技术优势体现在：本发明同时有效解决了纳米线电注入发光的两个关键问题，即构建纳米线PN异质结以及提出了一种创新器件结构以利于实现纳米线发光器件的电注入。此外，由于VLS模式沿[0001]方向生长的GaN纳米线通常为六棱柱结构，因此GaN纳米线的侧壁与P-Si层接触处将形成PN异质结，本发明改变了通过外裹P-GaN才能得到PN结的传统方式。针对横截面为三角形、圆形或者其他形状的的半导体材料纳米线而言，本发明均适用。而利用多根水平放置的纳米线实现对上电极层的支撑，在上电极层和半导体层之间形成一层空气层作为绝缘层，不用旋涂PMMA作为绝缘层。而且，无需利用ICP离子刻蚀以及电子束蒸发制作上电极。本发明的发光器件结构更易于实现且无需复杂的工艺流程和加工步骤。

附图说明

图1.传统的含有PN结的GaN纳米线发光器件的结构示意图，其中：11、n-GaN，12、p-GaN，13、PN结；

图2.传统纳米线电注入发光器件的截面示意图，其中：21、P-Si下电极，22、PMMA，23、上电极，24、纳米线；

图3.本发明实施例的GaN纳米线发光器件的结构示意图，其中(a)是立体示意图，(b)是器件断面示意图，31、下ITO层，32、P-Si层，33、GaN纳米线，34、上ITO层。

具体实施方式

下面将通过实施例详细描述本发明的实施方式。

本发明的实施例描述的GaN纳米线电注入发光器件的具体结构可参考图3。具体包括以下几个部分：下ITO层31，P-Si层32，N-GaN纳米线33，上ITO层34。如图3(a)所示，在P-Si层32上平行放置一对几何尺寸相同的N-GaN纳米线33，然后再在N-GaN纳米线33的上表面堆叠一层ITO导电层。这些层构成发光器件的基本堆叠结构，其制备过程和具体参数如下：

下ITO层31主要作为电极，厚度约180nm，其面电阻在10Ω左右，表面平整度小于0.05μm/20mm。下ITO层31主要是作为P电极进行电流注入。

其次，在下ITO层31上堆叠一层P-Si层32。该P-Si层32厚度约200μm，先对其进行双面抛光，然后再堆叠到下ITO层31之上。该P-Si层32主要起到以下三个作用：一、作为P型半导体材料和N-GaN纳米线33构成PN异质结；二、作为导电层将下ITO层31注入的载流子导入到PN结中；三、作为GaN纳米线33的支撑层。

紧接着，在P-Si层32上平行放置一对N-GaN纳米线33，其间距1mm左右。N-GaN纳米线33的直径约2μm左右，长大约30μm。由于闪锌矿结构的GaN纳米线沿着[0001]方向生长出来均为六棱柱结构。因此，其中的一个侧壁将与P-Si层32接触而构成PN异质结。

然后，再在GaN纳米线33上面堆叠一层厚度约为180nm的ITO导带层，该上ITO层34表面平整度小于0.05μm/20mm，电阻约为10Ω。

最后，将该纳米线发光器件放入退火炉进行退火，退火条件设置为退火温度200℃，退火时长10分钟。这样可以使得ITO和GaN纳米线以及P-Si层之间形成有效的欧姆接触，进而改善发光器件的电注入性能。

至此，已完成了依照本发明的GaN纳米线电注入的发光器件。尽管上述实施例例举了基于N-GaN纳米线、P-Si以及ITO层而实现GaN纳米线电注入发光器件，但是本领域的技术人员依照本发明的宗旨可以合理变更并将其转用于其他基于氮化物纳米线以及其他氧化物纳米线的发光器件。例如可基于上述器件结构制备基于ZnO纳米线的电注入发光器件、或者基于N-Si以及P-GaN纳米线的电注入发光器件。

最后需要注意的是，在利用本发明的各个方面时，对本领域的技术人员将显而易见的是，可以采用以上实施例的组合或变型来制造多种纳米线发光器件。公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例中所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种半导体纳米线电注入发光器件，包括上、下电极层，在上、下电极层之间是P型半导体层和水平放置于P型半导体层上的多根N型半导体纳米线，或者是N型半导体层和水平放置于N型半导体层上的多根P型半导体纳米线；该N型或P型半导体纳米线与其下对应的P型或N型半导体层的接触面构成PN异质结；所述半导体纳米线对上电极层起支撑作用，从而在上、下电极层之间形成一层空气层。

2.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，所述上、下电极层是ITO层、FTO层、Ni/Au层或者Cr/Pt/Au层。

3.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，所述P型半导体层是P-Si层、P-GaN层或者其他P型半导体层，所述N型半导体纳米线是N型GaN纳米线、N型ZnO纳米线、N型AlN纳米线或N型InN纳米线。

4.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，所述N型半导体层是N-Si层或N型GaN层，所述P型半导体纳米线是P型GaN纳米线。

5.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，所述纳米线的直径≥500nm，每根纳米线的长度≥5μm。

6.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，多根半导体纳米线相互平行放置，或者组成多边形放置。

7.如权利要求1所述的半导体纳米线电注入发光器件，其特征在于，所述上、下电极层为ITO层，以下ITO层作为P电极，其上放置P-Si层；在P-Si层上平行放置一对N型GaN纳米线，N型GaN纳米线和P-Si层的接触面构成了PN异质结；上ITO层覆盖在N型GaN纳米线上作为N电极。