ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法，该发光二极管包括衬底，衬底上从下往上依次设有n型ZnO薄膜层、ZnO纳米杆阵列、ZnO/Zn1‑xMgxO量子阱有源层、p型NiO薄膜层和第一电极；第二电极与ZnO纳米杆阵列并列位于n型ZnO薄膜层上；ZnO/Zn1‑xMgxO量子阱有源层包覆ZnO纳米杆阵列，且0.1≤x≤0.3。该发光二极管电致发光峰值波长在374nm附近，发光峰半高宽约为17nm，该发光二极管结构能充分发挥ZnO材料直接宽带隙和高激子束缚能等优势，有效减弱极化效应、提高材料与界面质量、增大有源层有效面积、提升光取出效率、提高光谱单色性，并且可实现低温制备，成本低廉，易于实现产业化。

ZnO nano rod / quantum well composite ultraviolet light emitting diode and preparation method thereof

The invention discloses a ZnO nano rod / quantum well composite ultraviolet light emitting diode and a preparation method thereof, the light emitting diode includes a substrate, the substrate from the bottom is provided with a n type ZnO film layer, ZnO nano rod array, ZnO/Zn1 xMgxO quantum well active layer, P type NiO film layer and the first electrode second; electrode and ZnO nanorod array are located in N type ZnO film layer; ZnO/Zn1 xMgxO quantum well active layer coated ZnO nano rod array, and 0.1 = x = 0.3. The light emitting diode light-emitting peak wavelength in the vicinity of 374nm, peak half width is about 17nm, the light emitting diode structure can make full use of ZnO material direct wide band gap and high exciton binding energy and other advantages, effectively reduce the polarization effect, improve the quality of materials and interfaces, the active layer increases the effective area, improving light extraction efficiency, improve spectrum monochromaticity, and can realize the low temperature preparation, low cost, easy to realize industrialization.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子器件，具体地指一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)是由半导体材料制成的发光元件，是一种固态电致发光冷光源。由于发光二极管具备低能耗和环境友好等特点，其大规模的应用会减少煤炭石油等高碳能源消耗，符合可持续发展要求和低碳经济的理念。发光二极管以其功耗低、寿命长、光效高、无辐射、便携性好等众多优势，受到了极大的青睐，相关研究和产业得到了极大的支持与发展。在LED研究领域，短波长的紫外(Ultraviolet,UV)LED的实现与发展是相关领域科研人员和产业界关注的热点之一，被认为是继白光之后LED的又一应用新大陆，前景可谓十分乐观。尽管目前已有一些采用铝镓氮(AlGaN)和铟铝镓氮(InAlGaN)作为有源层材料制备UVLED的报道，但普遍存在材料缺陷密度过大、单色性欠佳、发光效率偏低、使用寿命过短、我国核心专利技术缺乏等问题，而UVLED在光通信、日盲区探测、生物医药、印刷包装、高密度存储等领域的巨大应用需求使得相关科学问题的解决和产品技术的研发迫在眉睫。ZnO是一种II-VI族直接带隙宽禁带半导体材料，室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV，对应发光波长在370nm附近，在紫外光波长范围内。ZnO的晶格结构、晶胞参数以及禁带宽度均与常规光电功能材料氮化镓(GaN)相似，但ZnO具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，且具有较低的光致发光和受激辐射阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性，材料易得、制备成本低廉、环境友好。因而，ZnO被认为是GaN理想的替代材料，在短波长发光二极管、激光器及相关光电器件方面的应用有巨大的潜力。此外，通过对ZnO进行镁(Mg)掺杂，可调节其禁带宽度，实现能带工程；且低掺杂的氧化锌镁(ZnMgO)与ZnO的晶格失配度小，可应用于ZnO/ZnMgO量子阱结构，拓展了ZnO材料的应用领域。目前也有一些关于将ZnO作为紫外发光器件材料的报道，如：中国专利申请200810120346.X公开了一种ZnO基多量子阱发光二极管，其提供的Zn1-xMgxO/Zn1-yCdyO多量子阱有源层为传统平面结构，具有较强极化效应，且有源层面积有限，影响其发光效率。该方案提供的氧化锌单晶衬底成本高昂，而单晶硅衬底则会导致强烈的晶格失配，影响有源层材料质量，此外稳定性好的高质量p型ZnO仍是目前业界努力解决的重要难题，还存在迁移率、载流子浓度偏低以及稳定性较差等问题。另外，刘为振(ZnO纳米线异质结紫外光发射器件研究[D].长春:东北师范大学,2013.)采用脉冲激光沉积和水热法制备了MgZnO/ZnO核壳异质结构纳米线阵列，并和p型GaN构成发光器件。该方案将水热法制备的ZnO纳米线作为发光有源层，其较多的缺陷和杂质将严重影响发光效率。总的来说，现有的ZnO基紫外发光器件普遍存在以下问题：1)晶格失配和极化效应引起的量子限域斯塔克效应导致了发光二极管内量子效率较低；2)较差的界面质量和材料缺陷引起的深能级发光，导致LED紫外单色性较差；3)传统的平面结构导致的光取出效率偏低；4)制备工艺复杂、条件控制严格、需要高温制备等因素导致的制备成本高昂。前述这些问题限制了ZnO基紫外发光器的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法，该紫外发光二极管发光性能好，实现了发光峰位位于374nm附近的纯净紫外电致发光。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，包括衬底，所述衬底上从下往上依次设有n型ZnO薄膜层、ZnO纳米杆阵列、ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层、p型NiO薄膜层和第一电极；第二电极与所述ZnO纳米杆阵列并列位于所述n型ZnO薄膜层上；所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层包覆所述ZnO纳米杆阵列，且0.1≤x≤0.3。进一步地，所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层由2～10个周期的ZnO薄膜和Zn1-xMgxO薄膜交替沉积而成。进一步地，所述第一电极为Au、Pt、Pt/Ni或Au/Ni。进一步地，所述第二电极为In、Al、Ga或Ag。更进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底。一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：1)清洗衬底；2)采用射频磁控溅射工艺在衬底上溅射n型ZnO薄膜层；3)采用水热法在n型ZnO薄膜层上生长ZnO纳米杆阵列；4)采用射频磁控溅射工艺在所述ZnO纳米杆阵列上交替溅射ZnO薄膜和Zn1-xMgxO薄膜形成包覆于所述ZnO纳米杆阵列上的ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层；5)在所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层上反应溅射p型NiO薄膜层；6)采用射频磁控溅射工艺在所述p型NiO薄膜层表面镀上第一电极，并在所述n型ZnO薄膜层边缘镀上第二电极。进一步地，所述步骤2)中，溅射靶材为ZnO：Al陶瓷靶，溅射时本底气压≤10-3Pa，衬底温度为200～400℃，沉积时气压为0.5～8Pa，溅射气体为Ar，溅射功率为20～150W，溅射时间为5～20min。进一步地，所述步骤3)中，水热法制备所述ZnO纳米杆阵列采用的前驱体为0.01～0.1mol/L的六水合硝酸锌和六亚甲基四胺混合溶液，水热反应温度为80～120℃，反应时间为1～3h。进一步地，所述步骤4)中，所述ZnO薄膜的溅射靶材为ZnO陶瓷靶，所述Zn1-xMgxO薄膜的溅射靶材为Mg与ZnO混合靶，且Mg金属靶和ZnO陶瓷靶的面积比为1：0.5～1.5；溅射时本底气压≤10-3Pa，衬底温度为200～400℃，沉积时气压为0.5～8Pa，相对氧分压O2/(O2+Ar)为15～40％，溅射功率为20～150W，所述ZnO薄膜和所述Zn1-xMgxO薄膜每层溅射时间为1～3min。更进一步地，所述步骤5)中，溅射靶材为Ni金属靶，相对氧分压O2/(O2+Ar)为50～70％，溅射前的腔体本底气压≤10-3Pa，衬底温度为150～250℃，溅射气压为0.5～8Pa，溅射功率20～150W，溅射时间为20～60min。本专利技术利用ZnO量子阱结构所具有的量子限域作用，同时引入ZnO纳米材料独有的小尺寸效应和表面效应，将基于ZnO的量子阱结构(ZnO/ZnMgO)与ZnO一维纳米杆相结合，形成ZnO纳米杆/量子阱的核壳结构作为发光有源层，构筑基于该结构的ZnO基发光二极管，实现发光峰位位于374nm附近的纯净紫外电致发光，与现有技术相比，呈现出如下优势：其一，减弱极化效应：利用ZnO纳米杆材料的特点，在ZnO纳米杆外生长量子阱结构，在其侧向非极性m面上同质外延生长薄膜，可以大幅减弱极化效应；同时纳米材料大的比表面积可以较好的释放层间应力，从而使得异质界面处大的晶格失配得到缓解，进一步降低该效应，从而获得器件性能提升。其二，提高材料与界面质量：当ZnO在具备一定晶格失配衬底表面异质成核生长时，(0001)面具有最高的能量致使其强烈倾向于形成三维柱状结构，在薄膜内形成大量的晶界并积累大量的缺陷和杂质，难以获得平整的表面，不利于量子阱结构的应用，而本专利技术可获得低缺陷浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，包括衬底(1)，其特征在于：所述衬底(1)上从下往上依次设有n型ZnO薄膜层(2)、ZnO纳米杆阵列(3)、ZnO/Zn1‑xMgxO量子阱有源层(4)、p型NiO薄膜层(5)和第一电极(6)；第二电极(7)与所述ZnO纳米杆阵列(3)并列位于所述n型ZnO薄膜层(2)上；所述ZnO/Zn1‑xMgxO量子阱有源层(4)包覆所述ZnO纳米杆阵列(3)，且0.1≤x≤0.3。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，包括衬底(1)，其特征在于：所述衬底(1)上从下往上依次设有n型ZnO薄膜层(2)、ZnO纳米杆阵列(3)、ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层(4)、p型NiO薄膜层(5)和第一电极(6)；第二电极(7)与所述ZnO纳米杆阵列(3)并列位于所述n型ZnO薄膜层(2)上；所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层(4)包覆所述ZnO纳米杆阵列(3)，且0.1≤x≤0.3。2.根据权利要求1所述ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，其特征在于：所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层(4)由2～10个周期的ZnO薄膜和Zn1-xMgxO薄膜交替沉积而成。3.根据权利要求1或2所述ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，其特征在于：所述第一电极(6)为Au、Pt、Pt/Ni或Au/Ni。4.根据权利要求1或2所述ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，其特征在于：所述第二电极(7)为In、Al、Ga或Ag。5.根据权利要求1或2所述ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管，其特征在于：所述衬底(1)为蓝宝石衬底。6.一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管的制备方法，包括以下步骤：1)清洗衬底；2)采用射频磁控溅射工艺在衬底上溅射n型ZnO薄膜层；3)采用水热法在n型ZnO薄膜层上生长ZnO纳米杆阵列；4)采用射频磁控溅射工艺在所述ZnO纳米杆阵列上交替溅射ZnO薄膜和Zn1-xMgxO薄膜形成包覆于所述ZnO纳米杆阵列上的ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层；5)在所述ZnO/Zn1-xMgxO量子阱有源层上反应溅射p型NiO薄膜层；6)采用射频磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙浩，顾锦华，钟志有，王皓宁，杨春勇，侯金，李颂战，杨艳芹，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42