一种ZnO纳米棒阵列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纳米棒阵列发光二极管，包括p‑GaN衬底、n‑ZnO纳米棒阵列、AlN薄膜壳层、Ag纳米颗粒和金属电极；方法包括如下步骤：在p‑GaN衬底上生长n‑ZnO纳米棒阵列；在n‑ZnO纳米棒上溅射一层AlN薄膜壳层；在ZnO‑AlN核壳纳米棒上溅射Ag纳米颗粒；在n‑ZnO和p‑GaN一端制备具有欧姆接触的金属电极，形成发光二极管。通过AlN薄膜表面钝化纳米棒，抑制ZnO的表面态和表面缺陷，提高了纳米棒载流子注入效率，提升了发光二极管的稳定性；在纳米棒上溅射Ag纳米颗粒，通过Ag表面等离激元与发光二极管电致发光强的相互耦合作用，电致发光性能明显提高，同时缺陷发光被抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO纳米棒阵列发光二极管及其制备方法
本专利技术涉及半导体光电子器件
，涉及发光二极管，具体涉及一种ZnO纳米棒阵列发光二极管及其制备方法。
技术介绍
GaN、ZnO等第三代宽禁带半导体材料被广泛地应用于蓝光、紫外波段的发光二极管或探测器。与GaN相比，ZnO具有高达60meV的激子束缚能，远高于室温热(26meV)。另外，ZnO还具有原材料丰富、成膜特性好、热稳定性好等优势，在制备室温蓝紫光发光二极管、紫外探测器以及紫外半导体激光器等方面具有重要应用前景。但由于ZnO材料自身存在大量锌填隙和氧空位缺陷，背景电子浓度高达1018，本征点缺陷的自补偿效应，ZnO材料的p型掺杂异常困难，使得目前ZnO基发光器件的发光效率普遍较低。就提高ZnO基紫外发光器件的发光效率，人们开展了大量的研究工作，其中单晶的ZnO纳米棒具有优异的载流子输运特性和载流子限域能力，利用其构造的纳米级异质结构表现出了良好的光学特性，并能有效地提高载流子注入效率，提升器件的稳定性。但是，由于一维ZnO纳米棒高的比表面，使得存在表面态和表面缺陷，从而影响发光效率。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有的ZnO发光二极管发光效率低，缺陷发光明显的问题，本专利技术提供了一种ZnO纳米棒阵列发光二极管，进一步地提供了上述发光二极管的及制备方法。技术方案：本专利技术所述一种ZnO纳米棒阵列发光二极管的制备方法，包括以下步骤：(1)在p-GaN衬底上生长n-ZnO纳米棒阵列，形成p-GaN-n-ZnO异质结构；(2)在步骤(1)得到的异质结构中的n-ZnO纳米棒阵列上溅射一层AlN薄膜，形成p-GaN-n-ZnO-AlN复合体系；(3)在步骤(2)得到的复合体系中的n-ZnO-AlN上溅射Ag纳米颗粒，形成p-GaN-n-ZnO-AlN-Ag复合体系；(4)在步骤(3)得到的复合体系中p-GaN一端和n-ZnO纳米棒阵列一端分别制备金属电极，即得。步骤(1)所述n-ZnO纳米棒阵列的生长方法如下：(1)将ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1～3混合得到混合粉末，放入一端开口的石英管底部；(2)将p-GaN衬底切块、清洗作为生长基底；其中，使用掩膜板遮住p-GaN衬底上部的一部分，防止在该部位生长n-ZnO纳米棒阵列；(3)将步骤(2)得到的p-GaN衬底放入步骤(1)的石英管内，将石英管水平推入管式炉中，抽真空然后通入氩气和氧气进行高温反应，反应结束生成n-ZnO纳米棒阵列。所述高温反应的反应温度为1000～1200℃，反应时间为10～60min；所述氩气流量为130～180sccm，氧气流量为13～18sccm。其中，步骤(1)中ZnO粉末和碳粉末的纯度为99.97～99.99％；步骤(2)中p-GaN衬底切块、清洗的步骤为：将p-GaN衬底切成1.5cm×1cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干作为生长基底，其中p-GaN面留有0.5cm×1cm一面用掩膜板遮住；步骤(3)中石英管为一端开口的长度30cm、直径3cm石英管；将清洗好的p-GaN衬底放置距管口5cm位置处的石英管内。优选地，ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1混合得到混合粉末；所述高温反应的反应时间为10～45min。步骤(2)所述溅射使用的设备为磁控溅射仪，其中，溅射前使用铝箔纸遮住p-GaN衬底上部的一部分，防止将AIN喷在衬底上；溅射靶材为AlN靶材，规格为60×3mm，腔体气压为1～4Pa，氩气流量为30～50sccm，氮气流量为5～10sccm，溅射功率为80～150W，溅射时间为5～30min；步骤(3)所述溅射使用的设备为离子溅射仪，溅射靶材为Ag靶材，规格为50×3mm，工作气体是氮气，腔体气压为40～60Pa，溅射功率为10～60W，溅射时间为5～80s。优选地，步骤(2)中所述溅射时间为8～30min，步骤(3)所述溅射时间为5～45s。步骤(4)所述制备金属电极使用的方法为磁控溅射法或电子束蒸镀法，在p-GaN一端和n-ZnO纳米棒一端分别镀上两层电极形成Ni/Au合金电极。所述合金电极为欧姆接触电极。本专利技术进一步的目的是提供上述制备方法制备得到的ZnO纳米棒阵列发光二极管。其中，所述p-GaN衬底厚度为2～10μm，空穴浓度为1017～1019/cm3，空穴迁移率为5～100cm2/V·s。其中，所述n-ZnO纳米棒的电子浓度为1017～1019/cm3，电子迁移率为5～100cm2/V·s。其中，所述AlN薄膜的厚度为5～50nm，所述Ag纳米颗粒的粒径为5～30nm。其中，所述n-ZnO纳米棒阵列一端的金属电极为阴极，所述p-GaN一端的金属电极为阳极，所述金属电极的厚度为20～40nm。有益效果：本专利技术通过引入表面修饰技术抑制表面态和表面缺陷，进一步提升纳米级器件的效率：通过AlN薄膜表面钝化ZnO纳米棒，抑制ZnO的表面态和表面缺陷，提高了ZnO纳米棒载流子注入效率，提升了发光二极管的稳定性；在ZnO-AlN纳米棒上溅射Ag纳米颗粒，通过Ag表面等离激元与发光二极管电致发光强的相互耦合作用，发光二极管的电致发光性能明显提高，同时缺陷发光被抑制。附图说明图1为本专利技术实施例1合成的n-ZnO纳米棒阵列扫描电子显微镜示意图；图2为本专利技术实施例1合成的Ag纳米颗粒修饰的n-ZnO/AlN纳米棒透射电子显微镜示意图；图3为本专利技术实施例1合成的Ag纳米颗粒修饰的n-ZnO/AlN纳米棒阵列/p-GaN异质结发光二极管的结构示意图，其中1为p-GaN衬底，2为n-ZnO纳米棒阵列，3为AlN薄膜；4为Ag纳米颗粒；5为金镍合金电极；图4为本专利技术实施例1合成的Ag纳米颗粒修饰的n-ZnO/AlN核壳纳米棒阵列/p-GaN异质结发光二极管的电致发光(EL)谱图。具体实施方式所述ZnO纳米棒阵列发光二极管中，所述p-GaN衬底厚度为2～10μm，空穴浓度为1017～1019/cm3，空穴迁移率为5～100cm2/V·s；所述n-ZnO纳米棒的电子浓度为1017～1019/cm3，电子迁移率为5～100cm2/V·s；所述AlN薄膜的厚度为5～50nm，所述Ag纳米颗粒的粒径为5～30nm；所述n-ZnO一端的金属电极为阴极，所述p-GaN一端的金属电极为阳极，所述金属电极的厚度为20～40nm。实施例1第一步：将纯度均为99.99％的ZnO末和碳粉末按照质量比1:1混合研磨，填入陶瓷舟内；将p-GaN衬底切成1.5cm×1cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底，使用掩膜板遮住p-GaN衬底上部的一部分，然后放入一端开口的长度30cm，直径3cm的石英管封闭端，将清洗好的p-GaN衬底放置距管口5cm位置处的石英管内。将石英管整体推入设置温度为1050℃的水平管式炉中，封闭管式炉，抽真空，并通入氩气流量150sccm和氧气流量15sccm。经过30min反应后，ZnO纳米米棒阵列生长于p-GaN表面，见图1；第二步：用铝箔纸将p-GaN一面遮挡，利用磁控溅射仪在其中ZnO纳米棒阵列溅射一层AlN薄膜，以AlN靶材为溅射源，规格为60×3mm，腔体气压为2Pa，氩气流量为50sccm，氮气流量为10sccm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO纳米棒阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在p‑GaN衬底上生长n‑ZnO纳米棒阵列，形成p‑GaN‑n‑ZnO异质结构；(2)在步骤(1)得到的异质结构中的n‑ZnO纳米棒阵列上溅射一层AlN薄膜，形成p‑GaN‑n‑ZnO‑AlN复合体系；(3)在步骤(2)得到的复合体系中的n‑ZnO‑AlN上溅射Ag纳米颗粒，形成p‑GaN‑n‑ZnO‑AlN‑Ag复合体系；(4)在步骤(3)得到的复合体系中p‑GaN一端和n‑ZnO纳米棒阵列一端分别制备金属电极，即得。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO纳米棒阵列发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在p-GaN衬底上生长n-ZnO纳米棒阵列，形成p-GaN-n-ZnO异质结构；(2)在步骤(1)得到的异质结构中的n-ZnO纳米棒阵列上溅射一层AlN薄膜，形成p-GaN-n-ZnO-AlN复合体系；(3)在步骤(2)得到的复合体系中的n-ZnO-AlN上溅射Ag纳米颗粒，形成p-GaN-n-ZnO-AlN-Ag复合体系；(4)在步骤(3)得到的复合体系中p-GaN一端和n-ZnO纳米棒阵列一端分别制备金属电极，即得。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述n-ZnO纳米棒阵列的生长方法如下：(1)将ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1～3混合得到混合粉末，放入一端开口的石英管底部；(2)将p-GaN衬底切块、清洗作为生长基底；其中，使用掩膜板遮住p-GaN衬底上部的一部分；(3)将步骤(2)得到的p-GaN衬底放入步骤(1)的石英管内，将石英管水平推入管式炉中，抽真空然后通入氩气和氧气进行高温反应，反应结束生成n-ZnO纳米棒阵列。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述高温反应的反应温度为1000～1200℃，反应时间为10～60min；所述氩气流量为130～180sccm，氧气流量为13～18sccm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述溅射使用的设备为磁控溅射仪，其中，溅射前使用铝箔纸遮住p-GaN衬底上部的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春祥，游道通，石增良，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32