一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法技术

本发明专利技术提供一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，本发明专利技术使用水热法制备p型ZnO纳米柱，可以很好的控制掺杂的掺杂，提高掺杂浓度；同时，可以避免H原子进入ZnO当中，从而避免了Mg‑H复合体的产生，有利于提高Mg原子的激活浓度；此外，有利于进行多元素的复合掺杂，为高空穴浓度p型ZnO的制备创造有利条件；并且该水热法可控性好，设备简单，成本低廉，有利于降低生产成本；另一方面，Zn完全取消了Ga源和In源，有利于节约宝贵资源，提高贵重资源的有效利用率；同时，ZnO是无毒的，有利于实现绿色生产，保护环境。

A preparation method of ZnO micron / nanometers LED

The invention provides a preparation method of ZnO micron / nanoscale LED. The invention uses hydrothermal method to prepare P ZnO nanoscale, which can well control doping doping and increase doping concentration; at the same time, it can avoid H atoms entering ZnO, thus avoiding the production of Mg H complex and improving the activation concentration of Mg atoms; In addition, it is beneficial to multielement compound doping to create favorable conditions for the preparation of P type ZnO at high altitude, and the hydrothermal method has good controllability, simple equipment and low cost, which is beneficial to reducing the cost of production. On the other hand, Zn completely cancels the source of Ga and the source of In, which is beneficial to saving precious resources and raising valuable resources. At the same time, ZnO is non-toxic, which is conducive to achieving green production and protecting the environment.

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法
本专利技术涉及一种LED
，尤其是一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法。
技术介绍
由于发光二极管(LED)具有节能、环保、寿命长等众多优点，LED在各种彩色显示屏、LCD背光源、指示灯、白光照明灯等方面得到了广泛的应用。目前，LED大多是基于GaN半导体材料的，然而，GaN材料由于制造设备相对昂贵、资源有限、薄膜外延困难等问题，限制其持续性发展，由于LED材料自身折射率高(GaN折射率n≈2.5)，全内反射和菲涅尔损耗非常严重，只有少部分光从LED中提取出来，限制了LED的发光效率。针对这个问题，人们通过在LED表面构造微结构以提高光提取效率，有以下几种思路：中国专利文献CN101110461公开的《利用衍射效应的表面微柱阵列结构高效率发光二极管》，是在p型GaN上等离子体耦合刻蚀(ICP)微米柱阵列结构，通过微米柱衍射效应提高LED发光效率；Jeong等人在LED表面制作了一圈高6um宽2微米ZnO墙，可以提高LED光功率30％，虽然前者能得到p型GaN微米柱，但是众所周知p型GaN非常薄(通常在200nm左右)，ICP刻蚀后极易导致漏电或电压升高，而且刻蚀深度很浅，光栅衍射效果非常不明显，对于提高LED发光效率不明显，再者ICP设备价格昂贵，成本高；后者只用了一圈ZnO微米墙，相对LED出光面太小，对LED提取没有充分发挥出来。另一方面，虽然ZnO半导体材料的激子束缚能高达60meV，远远大于GaN的(25meV)，有利于实现室温下的激光发射，且具有外延生长温度低、成膜性能好、原材料丰富、无毒等优点，且ZnO的制备及其器件应用研究也成为近年来的热点，由于ZnO材料高浓度p型掺杂困难，目前非极性ZnO基LED大多是基于异质结构。然而，非极性ZnO异质结LED的发光效率较低，极大地限制了它的发展。ZnO的内部点缺陷非常多，对p型掺杂的补偿效应非常大，因而高质量p型掺杂ZnO制备十分困难。高质量p型ZnO是目前ZnO基器件发展的重要障碍。目前一般是通过在p型GaN薄膜上外延n型ZnO薄膜制备LED器件，首先使用MOCVD或者MBE制备出薄膜型n-ZnO/p-GaN基LED，然后通过掩膜刻蚀的方法，获得了纳米柱n-ZnO/p-GaN基LED器件，有效提高了ZnO基器件的效率。然而，ZnO纳米柱的制备工艺较复杂，成本较高，而且并没有完全替代GaN。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法。本专利技术的技术方案为：一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：S1)、在p型衬底上旋涂光刻胶；S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得微米/纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底；S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长p型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S4)、将上步骤中生长p型ZnO微米/纳米柱的样品转移到掺杂有n型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长n型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S5)、生长完成后除去光刻胶；S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO微米/纳米柱外表面上沉积一层厚度为20-200nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)，其中，溅射功率为350-550W，沉积温度为200-500℃，沉积气氛为0.1-10Pa的氧气，沉积靶材为掺杂5-10％Al的ZnO陶瓷靶；S7)、减薄衬底，然后在AZO和衬底背面镀上电极，即可获得结构完整的ZnO微米/纳米柱LED。优选的，步骤S1)中，所述的p型衬底为单晶Si、LaAlO3、GaN、AlN中的任一种。优选的，步骤S2)中，生长窗口的形状可为圆形或方形或正多边形，更优选的，生长窗口的形状为圆形，并且其直径为50-500000nm，微米/纳米柱中心距离为0.5-300微米。优选的，步骤S3)中，所述的p型掺杂原子为Mg、Na、Mn中的一种或者几种。优选的，步骤S4)中，所述的n型掺杂原子为Al、Cu、Sn中的一种或者几种。本专利技术的有益效果为：1、使用水热法制备p型ZnO纳米柱，可以很好的控制掺杂的掺杂，提高掺杂浓度；同时，可以避免H原子进入ZnO当中，从而避免了Mg-H复合体的产生，有利于提高Mg原子的激活浓度；此外，有利于进行多元素的复合掺杂，为高空穴浓度p型ZnO的制备创造有利条件；2、水热法可控性好，设备简单，成本低廉，有利于降低生产成本；3、Zn完全取消了Ga源和In源，有利于节约宝贵资源，提高贵重资源的有效利用率；同时，ZnO是无毒的，有利于实现绿色生产，保护环境。附图说明图1为本实施例生长微米/纳米柱的图形化衬底的制备过程示意图；图2为本实施例制备的ZnO纳米柱LED的结构示意图；图3为本实施例中p型ZnO的XRC半峰宽值示意图，其值为260arcsec，图4为本实施例中n型ZnO的XRC半峰宽值示意图，及值为220arcsec；图5为本实施例制备的纳米柱LED的XRC半峰宽值示意图，其PL半峰宽为22nm，EL半峰宽为24nm。图中，1-p型Si衬底，2-p型ZnO纳米柱，3-n型ZnO纳米柱，4-AZO薄膜，5-电极。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：如图1和图2所示，一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，包括以下步骤：S1)、在p型衬底1上旋涂光刻胶，其中，衬底为2英寸的单晶LaAlO3；S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底，其生长窗口为圆形，并且直径为150nm，纳米柱中心距离为0.5微米；S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子Mg、Na原子的ZnO溶液当中，在80℃下生长p型ZnO纳米柱2八小时，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S4)、将生长p型ZnO纳米柱2的样品转移到掺杂有n型掺杂原子Al原子的ZnO溶液当中，在80℃下生长n型ZnO纳米柱3八小时，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S5)、生长完成后除去光刻胶；S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO上面沉积一层厚度为30nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)4，溅射功率为450W，沉积温度为300℃，沉积气氛为0.1Pa的氧气，沉积靶材为掺杂7.5％Al的ZnO陶瓷靶；S7)、减薄衬底，然后采用标准制备工艺在AZO和衬底背面镀上电极5，即可获得结构完整的ZnO纳米柱LED，如图2所示。本实施例制备的ZnO纳米柱LED具有良好的晶体质量，其p型ZnO和n型ZnO的XRC半峰宽分别为260和220arcsec，如图3、图4所示；其中，p型ZnO的空穴浓度为5×1018cm-3；同时，纳米柱LED具有较好的光电性能，其PL半峰宽为22nm，EL半峰宽为24nm，如图5所示。上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利技术的原理和最佳实施例，在不脱离本专利技术精神和范围的前提下，本专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利技术范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)、在p型衬底上旋涂光刻胶；S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得微米/纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底；S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60‑100℃下生长p型ZnO微米/纳米柱2‑12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S4)、将上步骤中生长p型ZnO微米/纳米柱的样品转移到掺杂有n型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60‑100℃下生长n型ZnO微米/纳米柱2‑12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S5)、生长完成后除去光刻胶；S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO微米/纳米柱外表面上沉积一层厚度为20‑200nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)；S7)、减薄衬底，然后在AZO和衬底背面镀上电极，即可获得结构完整的ZnO微米/纳米柱LED。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)、在p型衬底上旋涂光刻胶；S2)、采用预先制备好的掩膜板进行紫外曝光显影处理，获得微米/纳米柱生长的窗口，即获得图形化衬底；S3)、将图形化衬底放入掺杂有p型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长p型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S4)、将上步骤中生长p型ZnO微米/纳米柱的样品转移到掺杂有n型掺杂原子的ZnO溶液当中，在60-100℃下生长n型ZnO微米/纳米柱2-12h，在生长过程中采用磁力搅拌机不断搅拌，保证溶液的均匀性；S5)、生长完成后除去光刻胶；S6)、采用磁控溅射设备在n型ZnO微米/纳米柱外表面上沉积一层厚度为20-200nm的高导电率、透明性好的Al掺杂ZnO薄膜(AZO)；S7)、减薄衬底，然后在AZO和衬底背面镀上电极，即可获得结构完整的ZnO微米/纳米柱LED。2.根据权利要求1所述的一种ZnO微米/纳米柱LED的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨为家，何鑫，刘俊杰，王诺媛，刘铭全，刘艳怡，越韵婷，肖俊东，段峰，刘均炎，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东,44