一种垂直结构纳米阵列LED及其制备方法技术

本发明专利技术公开了垂直结构纳米阵列LED，包括在衬底上依次复合的底电极层、第一石墨烯层、伞状GaN纳米柱阵列层、P型GaN薄膜、AlxInyGa1‑x‑yN薄膜、第二石墨烯层和顶电极层；所述第一石墨烯层上复合有图形化隔离层；其中，x＝0‑0.35，y＝0‑0.07；所述伞状GaN纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的GaN纳米柱芯、n型GaN纳米内壳和In(Al)GaN纳米外壳。该垂直结构纳米阵列LED有效解决了外延生长受限的情况，大幅降低生产成本，光效高，性能高。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构纳米阵列LED及其制备方法
本专利技术涉及纳米阵列LED领域，特别涉及垂直结构纳米阵列LED及其制备方法。
技术介绍
发光二极管(LED)作为一种新型固态照明光源和绿色光源，具有体积小、高亮度、低能耗、环保、使用寿命长等显著优点，在军、民用照明、装饰工程、农业种植、边防牧哨等领域均有广泛的应用。目前的主流的LED材料便是以III族氮化物为主，该种材料相比于前两代照明材料更为优异的材料特性是LED性能优良的前提与保障。但也是由于III族氮化物单晶制备困难，导致GaN基薄膜需采用异质外延方法生长，生产成本高、衬底选择性窄，薄膜外延生长质量受限于III族氮化物材料与衬底材料之间晶格匹配，进一步限制了III族氮化物基LED的性能提升。除此之外，由传统横向结构导致的LED器件发光面积与电流拓展性能受限也严重限制水平结构LED光效的提升。因此，急需寻找一种可同时满足高光效又可实现良好电流拓展的新型LED器件制备方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供有效发光区域大、可满足垂直结构电流分布的垂直结构纳米阵列LED。本专利技术的目的之二在于提供该垂直结构纳米阵列LED的制备方法。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种垂直结构纳米阵列LED，包括在衬底上依次复合的底电极层、第一石墨烯层、伞状GaN纳米柱阵列层、P型GaN薄膜、AlxInyGa1-x-yN薄膜、第二石墨烯层和顶电极层；所述第一石墨烯层上复合有图形化隔离层；其中，x＝0-0.35，y＝0-0.07；所述伞状GaN纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的GaN纳米柱芯、n型GaN纳米内壳和In(Al)GaN纳米外壳。进一步地，所述伞状GaN纳米柱阵列层的高度为400-800nm，内壳的厚度为15-50nm，外壳的厚度为5-15nm。进一步地，所述底电极层厚度为50-300nm、所述伞状GaN纳米柱阵列层的高度400-800nm、所述P型GaN薄膜的厚度为30-100nm、所述AlxInyGa1-x-yN薄膜的厚度为20-100nm、所述顶电极层的厚度为3-12nm。进一步地，所述伞状GaN纳米柱的柄部与第一石墨烯层电性连接、顶部与P型GaN薄膜电性连接。进一步地，所述底电极层的材料为Au、Pt或Au/Ni/Al/Ti复合金属。进一步地，所述图形化隔离层的材质为SiN、SiN2、SiO2或Al2O3。进一步地，所述图形化隔离层是通过对隔离层材料掩膜、喷金属硬膜、刻蚀、去金属硬膜洗涤而成，所述金属硬膜材料为Zn、Ti或Cu。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种制备上述的垂直结构纳米阵列LED的制备方法，依次包括：制备底电极层步骤：采用电子束蒸发方法在衬底上蒸镀金属电极，形成底电极层；复合第一石墨烯层步骤：在底电极层上贴附多层石墨烯膜形成第一石墨烯层；制备图形化隔离层步骤：通过磁控溅射或等离子体辅助化学气相沉积在第一石墨烯层的表面溅射隔离层，掩膜在隔离层上溅射金属硬膜，对金属硬膜进行刻蚀，湿法腐蚀去金属硬膜，得到图形化隔离层；制备伞状GaN纳米柱阵列层步骤：通过MOCVD，在5×10-7-8×10-10Pa真空度、腔体温度为800-880℃、反应室压力为150-200Torr条件下，在图形化隔离层上生长伞状GaN纳米柱芯；将腔体温度升至1000-1100℃、反应室压力降为100-150Torr，在伞状GaN纳米柱芯外生长n型GaN纳米内壳；将腔体温度降至750-900℃、反应室压力降为50-100Torr，通入In源和Al源，在n型GaN纳米内壳外生长In(Al)GaN纳米外壳；生长p型GaN薄膜步骤：将反应腔温度升至1000-1150℃，以Cp2Mg为掺杂源，在伞状GaN纳米柱阵列层生长掺杂浓度为3×1013-8×1015p型GaN薄膜；生长AlxInyGa1-x-yN薄膜步骤：将反应腔温度降至900-950℃，在p型GaN薄膜上生长AlxInyGa1-x-yN薄膜，厚度为20-100nm，x＝0-0.35，y＝0-0.07；复合第二石墨烯层步骤：在AlxInyGa1-x-yN薄膜贴附多层石墨烯膜形成第二石墨烯层；制备顶电极层步骤：采用磁控溅射/电子束蒸发法，在5×10-5-8×10-8Pa真空度下制备顶电极层；顶电极层材料为Au或Pt，厚度为3-12nm。进一步地，制备底电极层步骤中，腔室真空度为5×10-4-8×10-6Pa，蒸镀厚度为50-300nm金属电极，金属材料为Au、Pt或Au/Ni/Al/Ti复合金属。进一步地，制备伞状GaN纳米柱阵列层步骤中，In组分浓度为3-9％，Al的组分浓度为3-9％。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术的垂直结构纳米阵列LED，通过结合石墨烯铺层、复合图形化隔离层选区生长伞状GaN纳米柱阵列层，可有效解决II族氮化物材料外延生长受限的情况，大幅降低生产成本；可适用于多种材料的衬底，有别于传统的外延方法受限于衬底与材料间晶格匹配问题；2)本专利技术的垂直结构纳米阵列LED采用伞形GaN纳米柱阵列，可有效增加LED有效发光面积并降低器件电极加工难度，增大LED整体打光面积、利用其生长自限性避免膜层材料中器件性能受结晶质量限制并某种程度上增大LED散热，利于高光效高功率LED应用；3)本专利技术通过复合图形化隔离层的选区作用，使伞状GaN纳米柱阵列生长过程的自限，有效控制伞形LED生长的分布和密度，限定生长取向垂直向上，实现伞形纳米结构生长可控从而能有效减少失配造成大面积材料缺陷对LED光电性能影响；4)本专利技术采用石墨烯复合顶电极，大幅增大LED有效发光面积，有利于实现高光效LED的制备；5)本专利技术垂直结构纳米阵列LED，有效解决LED电流扩展性受限导致发光暗区现象，有效提高LED器件性能。附图说明图1为实施例1的层叠结构示意图；图2为实施例1的俯视结构示意图；图中，各附图标记：1、衬底；2、底电极层；3、第一石墨烯层；4、图形化隔离层；5、纳米外壳；6、n型GaN纳米内壳；7、GaN纳米柱芯；8、P型GaN薄膜；9、AlxInyGa1-x-yN薄膜；10、第二石墨烯层；11、顶电极层。具体实施方式下面，结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。以下具体实施例中记载的“第一”和“第二”仅用于区别，而并非隶属或先后逻辑关系。本专利技术制备一种垂直结构纳米阵列LED，如图1所示，包括在衬底1上依次复合的底电极层2、第一石墨烯层3、伞状GaN纳米柱阵列层、P型GaN薄膜8、AlxInyGa1-x-yN薄膜9、第二石墨烯层10和顶电极层11；所述第一石墨烯层3上复合有图形化隔离层4；其中，x＝0-0.35，y＝0-0.07；所述伞状GaN纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的GaN纳米柱芯7、n型GaN纳米内壳6和In(Al)GaN纳米外壳5。其中，In(Al)GaN纳米外壳5是由In、Ga、Al三种金属元素形成的三元合金化合物。第一石墨烯层3主要用于缓解GaN生长过程中的晶格失配，突破该生长工艺对衬底1选择的限制；图形化隔离层4用于限制伞状GaN纳米柱阵列层的生长，有效控制伞形LED生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，包括在衬底上依次复合的底电极层、第一石墨烯层、伞状GaN纳米柱阵列层、P型GaN薄膜、AlxInyGa1‑x‑yN薄膜、第二石墨烯层和顶电极层；所述第一石墨烯层上复合有图形化隔离层；其中，x＝0‑0.35，y＝0‑0.07；所述伞状GaN纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的GaN纳米柱芯、n型GaN纳米内壳和In(Al)GaN纳米外壳。

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，包括在衬底上依次复合的底电极层、第一石墨烯层、伞状GaN纳米柱阵列层、P型GaN薄膜、AlxInyGa1-x-yN薄膜、第二石墨烯层和顶电极层；所述第一石墨烯层上复合有图形化隔离层；其中，x＝0-0.35，y＝0-0.07；所述伞状GaN纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的GaN纳米柱芯、n型GaN纳米内壳和In(Al)GaN纳米外壳。2.如权利要求1所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述伞状GaN纳米柱阵列层的高度为400-800nm，内壳的厚度为15-50nm，外壳的厚度为5-15nm。3.如权利要求1所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述底电极层厚度为50-300nm、所述伞状GaN纳米柱阵列层的高度400-800nm、所述P型GaN薄膜的厚度为30-100nm、所述AlxInyGa1-x-yN薄膜的厚度为20-100nm、所述顶电极层的厚度为3-12nm。4.如权利要求1所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述伞状GaN纳米柱的柄部与第一石墨烯层电性连接、顶部与P型GaN薄膜电性连接。5.如权利要求1所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述底电极层的材料为Au、Pt或Au/Ni/Al/Ti复合金属。6.如权利要求1所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述图形化隔离层的材质为SiN、SiN2、SiO2或Al2O3。7.如权利要求6所述的垂直结构纳米阵列LED，其特征在于，所述图形化隔离层是通过对隔离层材料掩膜、喷金属硬膜、刻蚀、去金属硬膜洗涤而成，所述金属硬膜材料为Zn、Ti或Cu。8.一种制备如权利要求1-7任一项所述的垂直结构纳米阵列LED的制备方法，其特征在于，依次包括：制备底电极层步骤：采用电子束蒸发方法在衬底上蒸镀金属电极，形成底电极层；复合第一石墨烯层步骤：在底电极层...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：河源市众拓光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44