CN111755579A - 一种氧化锌基发光二极管及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的氧化锌基发光二极管及制造方法，包括P型硅衬底、圆柱形金属纳米颗粒阵列层、电子阻挡层和氧化锌(ZnO)层，通过金属纳米颗粒的局域表面等离子体效应增强ZnO的发光强度。本发明还公开所述发光二极管的制造方法，利用阳极氧化铝(AAO)薄膜制备纳米颗粒，可精确控制纳米颗粒的尺寸和间距。本发明的关键点在于利用AAO膜制备圆柱形金属纳米颗粒阵列，通过精确控制纳米颗粒阵列的形状、尺寸和间距，得到金属局域表面等离子体能量与ZnO激元能量最匹配的颗粒分布，最大程度增强ZnO发光，提高二极管的发光性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种新型的氧化锌(ZnO)基发光二 极管及其制造方法。
技术背景
近年来，由于体积小、重量轻、可抵抗磁场干扰、良好的线性特性及可高频 工作等优点，以宽禁带半导体为基础的紫外光电器件成为了未来发展的主要方 向。II-VI族氧化物ZnO因其直接宽带隙(3.37eV)和较大的激子束缚能(60meV)， 被广泛用于研制发光二极管、激光二极管、光探测器等紫外光电器件。然而， ZnO内部存在的本征缺陷如氧空位、锌间隙等限制了氧化锌(ZnO)紫外发光性 能，器件的发光强度一直备受影响。因此，抑制ZnO的缺陷发光，增强近带边 发光强度，提高发光二极管的发光性能，是学者研究的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化锌(ZnO)基发光二极管及制备方法，解决现 有技术中ZnO紫外发光较弱的问题。本发明还提供了一种新型的ZnO基发光二 极管的制造方法，工艺简单，成本较低，适合大批量生产。
一种新型的氧化锌(ZnO)基发光二极管，包括P型硅衬底、圆柱形金属纳 米颗粒阵列层、电子阻挡层和氧化锌(ZnO)层，且所述金属颗粒的尺寸和间距 精确可控。本发明的关键点在于圆柱形金属纳米颗粒阵列层，通过控制圆柱形金 属纳米颗粒的尺寸和间距，使得金属局域表面等离子体能量与ZnO激元能量相 匹配。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步地，所述电子阻挡层为三氧化二铝(Al2O3)或二氧化铪(HfO2)， 采用本步的有益效果是电子阻挡层可阻止金属颗粒与ZnO间非辐射耦合，同时 也不影响空穴从p型Si向ZnO层中转移。
实现本发明目的技术关键是：
通过阳极氧化铝薄膜(AAO)制备圆柱形金属纳米颗粒阵列，精确控制纳 米颗粒阵列的分布、尺寸和间距，利用金属纳米颗粒的局域表面等离子体效应增 强氧化锌基发光二极管的发光强度。
本发明还提供了一种新型的ZnO基发光二极管的制造方法，包括以下步骤：
S1：将AAO薄膜转移到P型硅衬底；
S2：在AAO薄膜上沉积金属层；
S3：移除AAO薄膜，保留金属纳米颗粒；
S4：在金属纳米颗粒上沉积电子阻挡层和ZnO层。
在该制造方法中，作为优选，所述金属纳米颗粒可以为Ag、Au、Al、Cu、 Ni、Ti、Pt中任意一种金属；
作为优选，所述金属层采用水热法、磁控溅射、溶胶-凝胶法和原子层沉积 中任意一种方法制备。
作为优选，所述AAO薄膜的孔直径范围为5～1000nm，间距为10～5000nm；
作为优选，所述金属层、电子阻挡层和ZnO层的厚度范围为1～500nm；
作为优选，所述电子阻挡层和ZnO层采用磁控溅射、电子束蒸发、溶胶-凝 胶法和原子层沉积中任意一种方法制备。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明提供一种新型的ZnO基发光二极管及其制造方法，这种二极管采用 三氧化二铝(Al2O3)或二氧化铪(HfO2)为电子阻挡层，ZnO为发光层。关键 点在于圆柱形金属纳米颗粒阵列，通过控制纳米颗粒阵列的形状、尺寸和间距， 得到与ZnO激元能量最匹配的分布，最大程度增强ZnO发光。
同时，本发明的制备方法，相较于现有方法而言，采用AAO膜实现纳米颗 粒阵列的形状、尺寸和间距可控，该制备方式成本较低，更适合大批量生产。相 比较常规的发光二极管，本发明设计的二极管ZnO发光强度有明显增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对 具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施例所述的一种新型的ZnO基发光二极管的制备流程 图；
图2是本发明具体实施例所述的一种新型的ZnO基发光二极管的结构示意 图。
图3是本发明实施例1制备的有圆柱形Ag纳米颗粒阵列的ZnO的紫外光致 发光强度与无金属颗粒的ZnO的紫外光致发光强度对比图。
图中：1-衬底；2-圆柱形金属纳米颗粒阵列层；3-电子阻挡层；4-ZnO层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅 用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本 发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为 本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本发明通过将金属纳米颗粒制备为圆柱形，精确控制纳米阵列的尺寸和间 距，当金属局域表面等离子体能量与ZnO激元能量相匹配时，金属颗粒激子与 ZnO激元会产生能量耦合。采用本步的有益效果是可找到吸收峰与氧化锌(ZnO) 紫外发光峰相匹配的金属颗粒阵列分布，通过局域表面等离子体耦合效应增强氧 化锌(ZnO)的紫外发光，改善氧化锌基发光二极管的性能。其中，采用的金属 颗粒不同，需要的纳米阵列的尺寸和间距不同，但是均要求金属纳米颗粒为圆柱 形，这可能与金属纳米粒子的局域表面等离子体波长与金属颗粒的形状有关，具 体的机理还需要进一步探究。以下从Ag、Au、Pt、Ni四种金属举例说明。
需要说明的是，本发明所指的“间距”，指的是相邻圆柱形金属纳米颗粒圆 心之间的距离。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种ZnO基发光二极管的制造方法，包括：
S1：从上到下，选择2英寸P型硅作为衬底，采用丙酮、异丙醇超声3分 钟，并用气枪吹干。将孔径为20nm、间距为50nm的AAO膜转移到衬底上。
S2：使用磁控溅射方式在AAO膜上生长一层Ag，溅射功率为50W，厚度 为20nm。
S3：使用Kapton胶带移除AAO膜，保留Ag纳米颗粒。
S4：在100℃下，采用原子层沉积(ALD)方式在纳米颗粒上生长Al2O3阻 挡层，生长厚度为20nm。用同样的方式在Al2O3阻挡层上生长ZnO层，厚度为 50nm。此时器件的基本结构完成，结构图如图2所示。
相较于无金属颗粒的ZnO，该实施例中有圆柱形Ag纳米颗粒阵列的ZnO 的紫外光致发光强度增强了近2倍，具体增强情况见下图3。
实施例2
本实施例提供一种ZnO基发光二极管的制造方法，具体步骤如实施例1，包 括：
S1：从上到下，选择2英寸P型硅作为衬底，采用丙酮、异丙醇超声3分 钟，并用气枪吹干。
S2：将孔径为50nm、间距为120nm的AAO膜转移到衬底上。使用磁控溅 射方式在AAO膜上生长一层Au，溅射功率为100W，厚度为100nm。
S3：使用Kapton胶带移除AAO膜，保留Au纳米颗粒。
S4：在150℃下，采用原子层沉积(ALD)方式在纳米颗粒上生长Al2O3阻 挡层，生长厚度为50nm。用同样的方式在Al2O3阻挡层上生长ZnO层，厚度为 150nm。此时器件的基本结构完成。
相较于无金属颗粒的ZnO，该实施例中有圆柱形Au纳米颗粒阵列的ZnO 的紫外光致发光强度增强了近1.5倍。
实施例3
本实施例提供一种ZnO基发光二极管的制造方法，具体步骤如实施例1，包 括：
S1：从上到下，选择2英寸P型硅作为衬底，采用丙酮、异丙醇超声3分 钟，并用气枪吹干。
S2：将孔径为100nm、间距为180nm的AAO膜转移到衬底上。使用水热 法在AAO膜上生长一层Pt，厚度为150nm。
S3：使用Kapton胶带移除AAO膜，保留Pt纳米颗粒。
S4：在室温下，采用磁控溅射方式在纳米颗粒上生长Al2O3阻挡层，溅射功 率为200W，生长厚度为100nm。用同样的方式在Al2O3阻挡层上生长ZnO层， 厚度为300nm。此时器件的基本结构完成，结构图如图2所示。
相较于无金属颗粒的ZnO，该实施例中有圆柱形Pt纳米颗粒阵列的ZnO的 紫外光致发光强度增强了近1.8倍。
实施例4
本实施例提供一种ZnO基发光二极管的制造方法，具体步骤如实施例1，包 括：
S1：从上到下，选择2英寸P型硅作为衬底，采用丙酮、异丙醇超声3分 钟，并用气枪吹干。
S2：将孔径为200nm、间距为450nm的AAO膜转移到衬底上。使用原子 层沉积在AAO膜上生长一层Ni，厚度为200nm。
S3：使用Kapton胶带移除AAO膜，保留Ni纳米颗粒。
S4：采用溶胶-凝胶法在纳米颗粒上生长HfO2阻挡层，生长厚度为150nm。 用同样的方式在HfO2阻挡层上生长ZnO层，厚度为400nm。此时器件的基本 结构完成，结构图如图2所示。
相较于无金属颗粒的ZnO，该实施例中有圆柱形Ni纳米颗粒阵列的ZnO的 紫外光致发光强度增强了近1.5倍。
Claims (9)
1.一种氧化锌基发光二极管，其特征在于，从上至下依次包括P型硅衬底、圆柱形金属纳米颗粒阵列层、电子阻挡层和ZnO层；
其中，圆柱形金属纳米颗粒阵列层的金属纳米颗粒为圆柱形，通过控制圆柱形金属纳米颗粒的尺寸和间距，使得金属局域表面等离子体能量与ZnO激元能量相匹配，所述圆柱形金属纳米颗粒的尺寸直径范围为5～1000nm，间距为10～5000nm。
2.如权利要求1所述氧化锌基发光二极管，其特征在于，所述金属纳米颗粒包括Ag、Au、Al、Cu、Ni、Ti、Pt中的任意一种金属。
3.一种氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，对于权利要求1所述的圆柱形金属纳米颗粒阵列层通过阳极氧化铝薄膜制备，制备出的金属纳米颗粒为圆柱形，可精确控制圆柱形金属纳米颗粒的尺寸和间距。
4.如权利要求3所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，具体包括：
S1：将阳极氧化铝薄膜转移到P型硅衬底；
S2：在阳极氧化铝薄膜上沉积金属层；
S3：移除阳极氧化铝薄膜，保留圆柱形金属纳米颗粒；
S4：在金属纳米颗粒上依次沉积电子阻挡层和ZnO层。
5.如权利要求3或4所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述圆柱形金属纳米颗粒的尺寸直径范围为5～1000nm，间距为10～5000nm。
6.如权利要求3或4所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层包括三氧化二铝或二氧化铪中的一种。
7.如权利要求3或4所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述圆柱形金属纳米颗粒阵列层的制备采用水热法、磁控溅射、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种。
8.如权利要求3或4所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述圆柱形金属纳米颗粒阵列层、电子阻挡层和ZnO层的厚度范围均为1～500nm。
9.如权利要求3或4所述氧化锌基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层和ZnO层的制备均采用磁控溅射、电子束蒸发、溶胶-凝胶法和原子层沉积中任意一种。
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| Title |
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| 刘姿 等: ""Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究"", 《物理学报》 * |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201009 |
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