CN110137315A - 单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件及制备方法 - Google Patents

单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件及制备方法，属于半导体光电子器件技术领域，器件包括石英底座、p‑GaN衬底、p‑GaN衬底上方设置的AgNPs@ZnO:Ga复合体系，AgNPs@ZnO:Ga复合体系包括ZnO:Ga单根微米线、Ag纳米颗粒层，Ag纳米颗粒层可控的制作在单根ZnO:Ga单根微米线表面，形成Ag包裹ZnO:Ga微米线的复合结构。在微米线表面溅射或旋涂化学合成Ag纳米颗粒，可抑制ZnO的表面缺陷，提高微米线载流子的有效注入率，同时Ag纳米颗粒的表面等离子体激元具有极强的场的限域性与场增强特性，能够将能量限域于一点，同时将载流子复合区域调控至同一区域，构筑低维点发光二极管。

Description

单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，涉及发光二极管，具体涉及单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源的制作。
背景技术
ZnO作为Ⅱ-Ⅵ族的直接带隙、宽禁带半导体材料，其禁带宽度约3.37eV，室温下激子束缚能高达60meV，被广泛应用于紫外波段的发光二极管和探测器。另外，ZnO的微纳结构具有优异的单晶，天然的光学谐振腔，可控的结构与形貌，有望实现高效发光和低阈值激光器件。但由于ZnO材料自身存在大量锌填隙和氧空位缺陷，p型掺杂异常困难，载流子的有效注入率低等，使得目前ZnO基发光器件的发光效率普遍较低。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，基于金属纳米结构的包裹构筑一维谐振腔，利用金属局域表面等离激元独特的近场增强特性和场的局限性，将光子能量局域在纳米尺度的微结构中共振耦合增强，实现光子能量的长程传输，将结区耗尽层局域于微米线的一点，从而实现电子的高效注入，以及将结区耗尽层局域于一点，实现发光区局域于一点的新型发光二极管。
本发明的发明内容为：
一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件，其特征在于，所述的器件包括石英底座、石英底座上方设置的p-GaN衬底、p-GaN衬底上方设置的AgNPs@ZnO:Ga复合体系、AgNPs@ZnO:Ga复合体系上方设置的ITO导电玻璃；所述的AgNPs@ZnO:Ga复合体系包括：ZnO:Ga单根微米线，ZnO:Ga单根微米线表面的Ag纳米颗粒层，形成AgNPs@ZnO:Ga微米线；在高结晶质量的单根ZnO:Ga微米线的特定区域包裹一层Ag纳米颗粒，提高ZnO:Ga微米线的局部导电能力；同时利用Ag纳米颗粒局域表面等离激元独特的近场增强特性和场的局限性，实现金属纳米颗粒局域表面等离子体激元与ZnO激子之间的耦合，将结区耗尽层限域于微米线一点，实现发光区局域于一点的新型发光二极管。AgNPs@ZnO:Ga微米线的包覆端制作有铟电极；所述的p-GaN衬底一侧台面制作有Ni/Au电极。
进一步，所述的石英底座的厚度0.8～1.2mm，石英底座的长-宽设置为2.5-1.6cm；p-GaN衬底的厚度2～10um，p-GaN衬底的长-宽设置为0.8-1.0cm，空穴浓度为1017～1019/cm3，空穴迁移率为5～100cm2/V·s。
其中，石英底座长-宽设置为2.5-1.6cm，p-GaN衬底的长-宽设置为0.8-1.0cm，要保证黏贴用PMMA在石英片和p-GaN衬底之间透明，无气泡；所述的ZnO:Ga单根微米线的电子浓度为1017～1019/cm3，电子迁移率为5～100cm2/V·s；所述的ZnO:Ga单根微米线的长度为0.5cm～1cm；所述的Ag纳米颗粒层的厚度为15～60nm，所述的Ag纳米颗粒层大于ZnO:Ga单根微米线长度一半或者裸露一端端口不定向溅射或旋涂Ag纳米线。
本发明还公开了一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系：在单根ZnO:Ga单根微米线的表面定向溅射或旋涂Ag纳米颗粒，形成AgNPs@ZnO:Ga复合体系；
步骤二、在石英底座上制作p-GaN衬底，实现p-GaN衬底与石英底座的透明且无缝接触；
步骤三、在p-GaN衬底上按压AgNPs@ZnO:Ga复合体系，形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结构，实现微米线一面与p-GaN衬底面与面的接触；
步骤四、上述步骤三得到的AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结构中，在p-GaN一端和AgNPs@ZnO:Ga微米线一端分别制备金属电极；
步骤五、在异质结构的表面再按压一层ITO导电玻璃，即构成完整的单根ZnO微米线异质结基点光源器件。
进一步，步骤一中利用定向溅射方式制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系具体步骤如下：
1.1，将玻璃片清洗、吹干备用；
1.2，将单根ZnO:Ga单根微米线用铟粒按压在上述玻璃片上，用掩模版遮挡一半微米线，利用等离子体溅射仪在ZnO微米线表面溅射一层致密Ag纳米颗粒；溅射靶材为Ag靶材，规格50.8*1.0mm，纯度99.99％，工作气体为氩气，腔体气压28～32Pa，溅射电流27～31mA，溅射时间200～300s，溅射厚度15～60nm，溅射区域为长度一半或者裸露一端端口不溅射Ag纳米颗粒，形成Ag纳米颗粒层。
进一步，步骤一中利用旋涂方式制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系具体步骤如下：
1.1，将玻璃片清洗、吹干备用；
1.2，将单根ZnO:Ga单根微米线用铟粒按压在上述玻璃片上，利用旋涂方式将Ag纳米线，旋涂在ZnO:Ga微米线的表面，形成Ag纳米线层；其中，旋涂方法采用自制旋涂仪，旋涂区要为微米线长度一半或者裸露一端端口不旋涂Ag纳米线；旋涂用Ag纳米线溶液浓度0.03～0.2g/mL，旋涂速率0.05mm/min，Ag纳米线长度3-100um，宽度30～130nm，旋涂次数1～6次六个样品，旋涂后在真空干燥箱中80℃烘干。
进一步，所述的ZnO:Ga单根微米线为六边形或四边形；所述的ZnO:Ga单根微米线的长度为0.5cm～1cm。
进一步，所述的步骤二具体为：将石英片和p-GaN衬底洗净、吹干，利用PMMA将p-GaN衬底粘在石英片底座上。
进一步，所述的步骤四具体为：利用电子束蒸镀法，在p-GaN衬底一端蒸镀两层电极形成Ni/Au合金电极，AgNPs@ZnO:Ga微米线一端按压铟粒，其中AgNPs@ZnO:Ga微米线一端的金属电极铟电极为阴极，p-GaN衬底一端的金属电极Ni/Au电极为阳极；所述的合金电极为欧姆接触电极；所述的金属电极的厚度为20～40nm。
进一步，所述的步骤五具体为：将ITO洗净、用氮气吹干，然后置于真空干燥箱中120～200℃干燥1h，取出，按压在微米线表面。
本发明与现有技术的有益效果在于：本发明通过在ZnO:Ga微米线的特定区域包裹一层致密Ag纳米结构，可抑制ZnO的表面缺陷，提高微米线载流子的有效注入率，进而提高ZnO:Ga微米线的局部导电能力；同时利用Ag纳米颗粒局域表面等离激元独特的近场增强特性和场的局限性，实现金属纳米颗粒局域表面等离子体激元与ZnO激子之间的耦合，将结区耗尽层限域于微米线一点，实现光子能量的长程传输，得到发光位于包覆截止区处的点光源。
附图说明
图1为本发明单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的示意图；
图2为本发明Ag包裹ZnO:Ga微米线模型(a)和(b)示意图；
图3为本发明实施例1中AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管的I-V特性曲线；
图4为本发明实施例1中AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管微米线中心点发光示意图；
图5为本发明实施例2中AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管微米线端口点发光示意图；
其中，1-石英底座，2-p-GaN衬底，3-ZnO:Ga单根微米线，4-Ag纳米颗粒层或者Ag纳米线层，5-Ni/Au电极，6-铟电极，7-ITO导电玻璃，8-垫片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件包括石英底座1、p-GaN衬底2、ZnO:Ga单根微米线3、致密的Ag纳米颗粒层4或者Ag纳米线层4、蒸镀在p-GaN上的金属Ni/Au电极5、按压在AgNPs@ZnO:Ga单根微米线包覆端的铟电极6、ITO导电玻璃7、垫片8。其中AgNPs@ZnO:Ga单根微米线按压在p-GaN衬底上形成异质结。具体的位置关系如下：本发明单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件包括石英底座1；p-GaN衬底2，该p-GaN衬底2制作在石英底座1上；p-GaN衬底2上方设置的AgNPs@ZnO:Ga复合体系，AgNPs@ZnO:Ga复合体系包括ZnO:Ga单根微米线3、Ag纳米颗粒层4。ZnO:Ga单根微米线制作在p-GaN衬底2上面一侧，另一侧为台面；Ag纳米颗粒层4可控的制作在单根ZnO:Ga单根微米线3表面，形成Ag包裹ZnO:Ga微米线的复合结构。上电极铟电极6制作在AgNPs@ZnO:Ga微米线一侧，下电极Ni/Au电极5制作在p-GaN一侧台面；AgNPs@ZnO:Ga复合体系上方设置的ITO导电玻璃7。
石英底座1厚度0.8～1.2mm，石英底座1的长-宽设置为2.5-1.6cm；所述p-GaN衬底2厚度2～10um，p-GaN衬底2的长-宽设置为0.8-1.0cm，空穴浓度为1017～1019/cm3，空穴迁移率为5～100cm2/V·s；所述ZnO:Ga单根微米线3的电子浓度为1017～1019/cm3，电子迁移率为5～100cm2/V·s；所述Ag纳米颗粒的粒径为5～60nm，Ag纳米线长度3-100um，宽度30～130nm；所述ZnO:Ga单根微米线一端为金属电极阴极，即铟电极6；所述p-GaN一端为金属电极阳极，即Ni/Au电极5；所述的金属电极厚度20～40nm，垫片8的厚度为1～2mm。
以下通过具体的实验叙述本发明单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法：
实施例1
第一步：将p-GaN衬底置于高温管式炉中700～900℃退火1～2h，紧接着对退火后p-GaN衬底依次使用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水清洗，用氮气吹干，最后利用电子束蒸镀在p-GaN一端上蒸镀两层电极，形成30nm厚的Ni/Au电极，并测试电极的欧姆特性。
第二步：取四边形ZnO:Ga单根微米线，长度0.5cm～1cm，利用等离子体溅射仪在ZnO:Ga微米线表面溅射一层致密的、厚度为30nm的Ag纳米颗粒。其中，溅射前使用的掩模版为金属材质，具有不同规格，利于在微米线表面任何区域遮挡溅射；溅射靶材为Ag靶材，规格50.8*1.0mm，纯度99.99％，工作气体为氩气，腔体气压28～32Pa，溅射电流27～31mA，溅射时间200～300s，溅射厚度15～60nm，溅射区域为0.25cm～0.5cm；并在溅射Ag纳米颗粒端口按压铟金属电极，作为阴极。具体溅射后微米线模型如图2(a)所示，溅射区域为长度一半。
第三步：将步骤二所得微米线转移至p-GaN表面，在光学显微镜下操作，将半包覆的四边形ZnO:Ga单根微米线一面紧贴在p-GaN表面，使得微米线四面的其中一面与p-GaN面面接触，最后形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管。
第四步：将步骤三最后形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管进行电学测试，并测试电致发光光谱和拍摄发光视频，如图3、4所示，随着注入电流的增加，我们可以看到异质结发光中心位于包覆截止点处，呈现为局域于一点的高效发光二极管。
实施例2
第一步：将p-GaN衬底置于高温管式炉中700～900℃退火1～2h，紧接着对退火后p-GaN衬底依次使用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水清洗，用氮气吹干，最后利用电子束蒸镀在p-GaN一端上蒸镀两层电极，形成30nm厚的Ni/Au电极，并测试电极的欧姆特性。
第二步：取四边形ZnO:Ga单根微米线，长度0.5cm～1cm，利用等离子体溅射仪在ZnO:Ga微米线表面溅射一层致密的、厚度为30nm的Ag纳米颗粒。其中，溅射前使用的掩模版为金属材质，具有不同规格，利于在微米线表面任何区域遮挡溅射；溅射靶材为Ag靶材，规格50.8*1.0mm，纯度99.99％，工作气体为氩气，腔体气压28～32Pa，溅射电流27～31mA，溅射时间200～300s，溅射厚度15～60nm，溅射区域为0.4cm～0.9cm；并在溅射Ag纳米颗粒端口按压铟金属电极，作为阴极。具体溅射后微米线模型如图2(b)所示，裸露一端端口不溅射Ag纳米颗粒。
第三步：将步骤二所得微米线转移至p-GaN表面，在光学显微镜下操作，将半包覆的四边形ZnO:Ga单根微米线一面紧贴在p-GaN表面，使得微米线四面的其中一面与p-GaN面面接触，最后形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管。
第四步：将步骤三最后形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管进行电学测试，并测试电致发光光谱和拍摄发光视频，如图5所示，随着注入电流的增加，我们可以看到异质结发光中心位于包覆截止点处，呈现为局域于端口一点的高效发光二极管。
实施例3
第一步：将p-GaN衬底置于高温管式炉中700～900℃退火1～2h，紧接着对退火后p-GaN衬底依次使用三氯乙烯、丙酮、乙醇、去离子水清洗，用氮气吹干，最后利用电子束蒸镀在p-GaN一端上蒸镀两层电极，形成30nm厚的Ni/Au电极，并测试电极的欧姆特性。
第二步：取六边形ZnO:Ga单根微米线，长度0.8cm～1.5cm，在其一端按压铟粒，按压铟粒端放置于自制旋涂仪夹口处固定，设置旋涂时间20min，提拉速度0.05mm/min，所用Ag纳米线溶液浓度约0.03～0.2g/mL，Ag纳米线长度3-100um，宽度30～130nm，然后置于干燥箱中80℃干燥10min。
第三步：将步骤二所得微米线转移至p-GaN表面，在光学显微镜下操作，将半包覆和端点未包覆的六边形ZnO:Ga单根微米线一面紧贴在p-GaN表面，使得微米线六面的其中一面与p-GaN面面接触，最后形成AgNWs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管。
第四步：将步骤三最后形成AgNWs@ZnO:Ga/p-GaN异质结发光二极管进行电学测试，并测试电致发光光谱和拍摄发光视频，随着注入电流的增加，我们可以看到异质结发光中心位于包覆截止点处，呈现为局域于一点的高效发光二极管。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件，其特征在于，所述的器件包括石英底座(1)、石英底座(1)上方设置的p-GaN衬底(2)、p-GaN衬底(2)上方设置的AgNPs@ZnO:Ga复合体系、AgNPs@ZnO:Ga复合体系上方设置的ITO导电玻璃(7)；
所述的AgNPs@ZnO:Ga复合体系包括：ZnO:Ga单根微米线(3)，ZnO:Ga单根微米线(3)表面的Ag纳米颗粒层或者Ag纳米线层(4)，形成AgNPs@ZnO:Ga微米线；所述的AgNPs@ZnO:Ga微米线的包覆端制作有铟电极(6)；所述的p-GaN衬底(2)一侧台面制作有Ni/Au电极(5)。
2.根据权利要求1所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件，其特征在于，所述的石英底座(1)的厚度0.8～1.2mm，石英底座(1)的长-宽设置为2.5-1.6cm；p-GaN衬底(2)的厚度2～10um，p-GaN衬底(2)的长-宽设置为0.8-1.0cm，空穴浓度为1017～1019/cm3，空穴迁移率为5～100cm2/V·s；所述的ZnO:Ga单根微米线(3)的电子浓度为1017～1019/cm3，电子迁移率为5～100cm2/V·s；所述的ZnO:Ga单根微米线(3)的长度为0.5cm～1cm；所述的Ag纳米颗粒层或者Ag纳米线层(4)的厚度为15～60nm，所述的Ag纳米颗粒层或者Ag纳米线层(4)大于ZnO:Ga单根微米线(3)长度一半或者裸露一端端口不定向溅射或旋涂Ag纳米线。
3.一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系：在单根ZnO:Ga单根微米线的表面定向溅射或旋涂Ag纳米颗粒，形成AgNPs@ZnO:Ga复合体系；
步骤二、在石英底座上制作p-GaN衬底，实现p-GaN衬底与石英底座的透明且无缝接触；
步骤三、在p-GaN衬底上按压AgNPs@ZnO:Ga复合体系，形成AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结构，实现微米线一面与p-GaN衬底面与面的接触；
步骤四、上述步骤三得到的AgNPs@ZnO:Ga/p-GaN异质结构中，在p-GaN一端和AgNPs@ZnO:Ga微米线一端分别制备金属电极；
步骤五、在异质结构的表面再按压一层ITO导电玻璃，即构成完整的单根ZnO微米线异质结基点光源器件。
4.根据权利要求3所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，步骤一中利用定向溅射方式制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系具体步骤如下：
1.1，将玻璃片清洗、吹干备用；
1.2，将单根ZnO:Ga单根微米线用铟粒按压在上述玻璃片上，用掩模版遮挡一半微米线，利用等离子体溅射仪在ZnO微米线表面溅射一层致密Ag纳米颗粒；溅射靶材为Ag靶材，规格50.8*1.0mm，纯度99.99％，工作气体为氩气，腔体气压28～32Pa，溅射电流27～31mA，溅射时间200～300s，溅射厚度15～60nm，溅射区域为长度一半或者裸露一端端口不溅射Ag纳米颗粒。
5.根据权利要求3所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，步骤一中利用旋涂方式制备AgNPs@ZnO:Ga复合体系具体步骤如下：
1.1，将玻璃片清洗、吹干备用；
1.2，将单根ZnO:Ga单根微米线用铟粒按压在上述玻璃片上，利用旋涂方式将Ag纳米线，旋涂在ZnO:Ga微米线的表面；其中，旋涂方法采用自制旋涂仪，旋涂区要为微米线长度一半或者裸露一端端口不旋涂Ag纳米线；旋涂用Ag纳米线溶液浓度0.03～0.2g/mL，旋涂速率0.05mm/min，Ag纳米线长度3-100um，宽度30～130nm，旋涂次数1～6次六个样品，旋涂后在真空干燥箱中80℃烘干。
6.根据权利要求4或5所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，所述的ZnO:Ga单根微米线为六边形或四边形；所述的ZnO:Ga单根微米线(3)的长度为0.5cm～1cm。
7.根据权利要求3所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：将石英片和p-GaN衬底洗净、吹干，利用PMMA将p-GaN衬底粘在石英片底座上。
8.根据权利要求3所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：利用电子束蒸镀法，在p-GaN衬底一端蒸镀两层电极形成Ni/Au合金电极，AgNPs@ZnO:Ga微米线一端按压铟粒，其中AgNPs@ZnO:Ga微米线一端的金属电极铟电极为阴极，p-GaN衬底一端的金属电极Ni/Au电极为阳极；所述的合金电极为欧姆接触电极；所述的金属电极的厚度为20～40nm。
9.根据权利要求3所述的一种单根ZnO:Ga微米线异质结基点光源器件的制备方法，其特征在于，所述的步骤五具体为：将ITO洗净、用氮气吹干，然后置于真空干燥箱中120～200℃干燥1h，取出，按压在微米线表面。
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