CN1949554A - 一种ZnO基纳米线发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ZnO基纳米线发光二极管及其制备方法。ZnO基纳米线发光二极管是以ZnO为基，在衬底的一面自下而上依次沉积p－ZnO薄膜层，p－ Zn_1－xMg_xO薄膜层、0＜X＜0.5，ZnO纳米线阵列层和第二电极，在衬底的另一面沉积第一电极构成。其中的ZnO纳米线阵列层由垂直于衬底生长的n－ZnO纳米线构成，纳米线之间的间隙由有机光刻胶填充。本发明的发光二极管以ZnO纳米线作为有源层，发光效率高；ZnO同质结结构，界面晶格匹配性好，有利于提高器件的性能；通过对ZnO纳米线尺寸的调节，可得不同波段的出射光，制得紫外光、紫光或蓝光等多种发光器件。

Description

一种ZnO基纳米线发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管及其制备方法，尤其是ZnO基纳米线发光二极管及其制备方法。

背景技术

ZnO由于其室温下3.37eV的带宽和60meV的激子束缚能，被认为是一种理想的短波长发光器件材料。目前，p-ZnO薄膜的制备取得了重大进展，使得实现ZnO基发光二极管成为可能。

另一方面，半导体纳米线由于其自组装的生长机理，单根纳米线具有优异的结晶质量。更由于量子局域效应，纳米线具有比体材料更高的激子束缚能和更好的发光性能。因此以纳米线作为发光二极管的有源层，可以大大提高发光效率。并且根据量子尺寸效应，通过对纳米线尺寸的调节，可得不同波段的出射光。

发明内容

本发明的目的是提供一种ZnO基纳米线发光二极管及其制备方法，为发光二极管增加新品种。

本发明的ZnO基纳米线发光二极管是以ZnO为基，在衬底的一面自下而上依次沉积有p-ZnO薄膜层，p-Zn_1-xMg_xO薄膜层、0＜X＜0.5，ZnO纳米线阵列层和第二电极，在衬底的另一面沉积有第一电极，其中的ZnO纳米线阵列层由垂直于衬底生长且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线构成，在n-ZnO纳米线之间的间隙填充有有机光刻胶。

本发明中，所说的n-ZnO纳米线的直径为10～200nm，长度为300nm～2μm。通过改变n-ZnO纳米线的直径，可以得到不同波段的出射光，从而制得紫外光、紫光或蓝光等多种发光器件。

本发明中，所说的第一电极和第二电极均可以为Ti/Au合金或Ni/Au合金。衬底可以采用硅、氧化锌或氮化镓。

ZnO基纳米线发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

1)采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，以NO气体作为ZnO的受主N掺杂源，于400～450℃，10Pa压强，Zn/O流量比为20∶10条件下，在衬底的一面自下而上依次沉积p-ZnO薄膜层、p-Zn_1-xMg_xO薄膜层、0＜X＜0.5，然后升高温度至600～700℃，生长压强调为50Torr，Zn/O流量比为30∶10～50∶10，以Ga作为施主掺杂源，生长垂直于衬底且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线，形成ZnO纳米线阵列层；

2)采用旋转涂敷工艺将有机光刻胶填充于纳米线之间的间隙，并采用氧等离子体刻蚀法刻蚀露出纳米线阵列的上表面；

3)采用溅射法在纳米线阵列上表面沉积第二电极，在衬底的另一面沉积第一电极。

本发明中，p-ZnO薄膜层及p-Zn_1-xMg_xO薄膜层的厚度由生长时间控制。制备过程中，在本发明给出的600～700℃生长温度和Zn/O流量比为30∶10～50∶10条件下，使得ZnO沿C轴方向生长加快，形成具有间隙的n-ZnO纳米线。纳米线的直径由生长温度和Zn/O比控制，长度由生长时间控制；

本发明的有益效果在于：

1)ZnO基纳米线发光二极管中的p-Zn_1-xMg_xO作为空穴阻挡层，使得发光区域更有效地集中在纳米线阵列，纳米线作为有源层，发光效率高；

2)ZnO同质结结构，界面晶格匹配性好，有利于提高器件的性能；

3)通过对ZnO纳米线直径的调节，可得不同波段的出射光，制得紫外光、紫光或蓝光等多种发光器件。

附图说明

图1是本发明ZnO基纳米线发光二极管的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的ZnO基纳米线发光二极管是以ZnO为基，在衬底1的一面自下而上依次沉积有p-ZnO薄膜层2，p-Zn_1-xMg_xO薄膜层3、0＜X＜0.5，ZnO纳米线阵列层4和第二电极7，在衬底1的另一面沉积有第一电极6，其中的ZnO纳米线阵列层由垂直于衬底生长且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线构成，在n-ZnO纳米线之间的间隙填充有有机光刻胶5。

实施例1：

采用MOCVD方法，以NO气体作为ZnO的受主N掺杂源，在硅衬底的一面依次沉积p-ZnO薄膜层(薄膜层厚900nm)和p-Zn_0.9Mg_0.1O薄膜层(薄膜层厚50nm)。两层薄膜的生长温度均为450℃，生长压强为10pa，Zn/O流量比为20∶10。然后升高温度至650℃，生长压强调为50Torr，Zn/O流量比为30∶10，以Ga作为施主掺杂源，生长垂直于衬底且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线，形成ZnO纳米线阵列层；纳米线直径为20nm，长度为1μm，出射光波长为380nm。生长完毕后采用旋转涂敷工艺将有机光刻胶填充于纳米线之间的间隙，并采用常用的氧等离子体刻蚀法刻蚀露出纳米线阵列的上表面。刻蚀完毕后采用溅射法在纳米线阵列上表面沉积第二电极Ni/Au合金，在硅衬底的另一面沉积第一电极Ni/Au合金，电极厚度均为50nm。最后曝光清洗去除光刻胶。

实施例2：

采用MOCVD方法，以NO气体作为ZnO的受主N掺杂源，在氧化锌衬底的一面依次沉积p-ZnO薄膜层(薄膜层厚800nm)和p-Zn_0.65Mg_0.35O薄膜层(薄膜层厚35nm)。两层薄膜的生长温度均为400℃，生长压强为10pa。然后升高温度至700℃，生长压强调为50Torr，Zn/O流量比为50∶10，以Ga作为施主掺杂源，生长垂直于衬底且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线，形成ZnO纳米线阵列层；纳米线直径为10nm，长度为800nm，出射光波长为370nm。生长完毕后采用旋转涂敷工艺将有机光刻胶填充于纳米线之间的间隙，并采用常用的氧等离子体刻蚀法刻蚀露出纳米线阵列的上表面。刻蚀完毕后采用溅射法在纳米线阵列上表面沉积第二电极Ni/Au合金，在氧化锌衬底的另一面沉积第一电极Ti/Au合金，电极厚度均为50nm。最后曝光清洗去除光刻胶。

Claims (6)

1.一种ZnO基纳米线发光二极管，其特征是以ZnO为基，在衬底(1)的一面自下而上依次沉积有p-ZnO薄膜层(2)，p-Zn_1-xMg_xO薄膜层(3)、0＜X＜0.5，ZnO纳米线阵列层(4)和第二电极(7)，在衬底(1)的另一面沉积有第一电极(6)，其中的ZnO纳米线阵列层(4)由垂直于衬底生长且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线构成，在n-ZnO纳米线之间的间隙填充有有机光刻胶(5)。

2.根据权利要求1所述的ZnO基纳米线发光二极管，其特征是所说的ZnO纳米线的直径为10～200nm，长度为300nm～2μm。

3.根据权利要求1所述的ZnO基纳米线发光二极管，其特征是衬底为硅、氧化锌或氮化镓。

4.根据权利要求1所述的ZnO基纳米线发光二极管，其特征是第一电极(6)和第二电极(7)均为Ti/Au合金或Ni/Au合金。

5.根据权利要求1所述的ZnO基纳米线发光二极管，其特征是所述发光二极管发射紫外光、紫光或蓝光。

6.权利要求1所述的ZnO基纳米线发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

1)采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)，以NO气体作为ZnO的受主N掺杂源，于400～450℃，10Pa压强，Zn/O流量比为20∶10条件下，在衬底的一面自下而上依次沉积p-ZnO薄膜层、p-Zn_1-xMg_xO薄膜层、0＜X＜0.5，然后升高温度至600～700℃，生长压强调为50Torr，Zn/O流量比为30∶10～50∶10，以Ga作为施主掺杂源，生长垂直于衬底且彼此具有间隙的n-ZnO纳米线，形成ZnO纳米线阵列层；

2)采用旋转涂敷工艺将有机光刻胶填充于纳米线之间的间隙，并采用氧等离子体刻蚀法刻蚀露出纳米线阵列的上表面；

3)采用溅射法在纳米线阵列上表面沉积第二电极，在衬底的另一面沉积第一电极。

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