一种基于斜向ZnO纳米线/GaN pn结的LED及制备方法技术

一种基于斜向ZnO纳米线/GaN pn结的LED及制备方法，涉及半导体的技术领域。本发明专利技术通过在半极性GaN外延层上生长斜向ZnO纳米线阵列，提高LED的光取出率和发光面积，实现在蓝紫光波段的高效发光。其中，半极性面(11‑22)的GaN层包括生长在m面Al2O3衬底上未掺杂的GaN层和其上掺Mg的p型GaN层；ZnO纳米线阵列直接由水热法生长在半极性GaN面上，为n型掺杂，斜向生长，与生长平面的夹角为30～35度；将斜向ZnO纳米线阵列用聚合物填充后，再在其上一层制作导电薄膜，作为负极，而正极位于GaN层上。

LED based on oblique ZnO nanowire /GaN PN junction and its preparation method

A method based on oblique ZnO nanowires /GaN PN junction LED and a preparation method thereof, and relates to the technical field of semiconductor. The oblique ZnO nanowire array is grown on the semi polar GaN epitaxial layer to improve the light extraction rate and the luminous area of the LED, so as to realize the high efficiency luminescence in the blue violet band. Among them, the semi polar surface (11 22) GaN layer includes a GaN layer grown on M substrate surface Al2O3 undoped and the Mg doped P type GaN layer; ZnO nanowires directly grown by the hydrothermal method in semi polar GaN surface, n doped, oblique growth with the growth of the plane, the angle is 30 ~ 35; the oblique ZnO nanowire arrays with polymer filling, on which a layer of conductive film as anode, cathode, and is located in the GaN layer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体的
，特别涉及一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED及其制备方法。
技术介绍
目前，半导体材料和器件的研究已经进入了以GaN和ZnO为代表的第三代半导体时代，它们作为宽禁带半导体的代表，禁带宽度远大于Si、Ge、GaAs等，具有直接带隙，是制备蓝光LED的首选材料，使得白光LED成为可能，有希望实现更持久，高效的LED灯光代替原来的普通照明。虽然GaN和ZnO分属III-V族和II-IV族，但它们的晶体结构相同，晶格常数相差不大(二者的晶格失配率仅1.8％)，都具有较高的化学稳定性，耐高温，耐击穿等特性。可直接利用化学气相沉积或水热法在GaN的c极性面生长垂直结构的ZnO纳米线阵列，这种ZnO纳米线/GaN异质结结构可以有效地提高载流子注入效率，提高光取出率。同时，ZnO纳米线具有高的比表面积，表面效应显著增强，其表面效应增强了ZnO材料的发光性能。然而，现有的ZnO纳米线/GaN异质结结构的LED中ZnO纳米线均为垂直生长的纳米线阵列，但垂直的纳米线阵列存在出光面积小和上电极难制备困难等问题，并不能最大程度上利用ZnO纳米线提高LED的光取出率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED及制备方法，提高LED的光取出率，增大LED的发光面积。本专利技术提供一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，n型斜向生长的ZnO纳米线阵列生长于p型半极性(11-22)面GaN外延层，斜向ZnO纳米线阵列中的空隙被聚合物填充，聚合物填充的斜向ZnO纳米线阵列的上面为一层导电薄膜，作为负极，斜向生长的ZnO纳米线阵列的顶端伸入到导电薄膜内；正极位于斜向生长的ZnO纳米线阵列侧旁的p-GaN层台面上。本专利技术的n型斜向生长的ZnO纳米线阵列生长于p型半极性(11-22)面GaN外延层结构：最底层为Al2O3衬底，在Al2O3衬底上依次为未掺杂半极性面(11-22)的GaN外延层、掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层，在掺Mg的p型GaN层上生长有n型斜向生长的ZnO纳米线阵列。所述的n型斜向ZnO纳米线阵列与生长平面掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层的夹角为30～35度。所述的n型斜向ZnO纳米线阵列中纳米线的尺寸均匀一致，长度和粗细可根据需要调控。所述的未掺杂半极性面(11-22)的GaN外延层厚度为2～5μm。所述的掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层的厚度为0.2～1μm。所述的掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层的载流子浓度为1～3×1017cm-3。本专利技术还提供一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED的制作方法，本专利技术采取以下技术方案，包括以下步骤：步骤1：在衬底上依次生长未掺杂半极性面(11-22)的GaN层和掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN层；步骤2：采用水热法在掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN层上制备斜向生长的ZnO纳米线阵列；步骤3：在斜向ZnO纳米线阵列上旋凃填充透明、绝缘的聚合物；步骤4：刻蚀聚合物，使斜向ZnO纳米线露出顶端部分；步骤5：在斜向ZnO纳米线阵列上制备一层导电薄膜，作为负极；步骤6：在掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN层的上表面一侧制备正极，完成斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED的制作。本专利技术与现有技术相比具有的优点：本专利技术利用ZnO与GaN晶格失配度低的特点直接在半极性面(11-22)的GaN外延层上直接生长密度均匀的斜向ZnO纳米线阵列。相对于垂直生长的ZnO纳米线阵列，斜向ZnO纳米线阵列增大了出光面积，能更大程度的提高了LED的光取出率。并且器件的工艺步骤少，成本低，易于实现大规模生产。附图说明图1本专利技术的剖面图；图2本专利技术的制备流程；(a)-(f)为制备过程的步骤示意图。图中：1-衬底2-未掺杂GaN外延层3-掺Mgp-GaN外延层4-斜向ZnO纳米线阵列5-聚合物6-导电薄膜(负极)7-正极；图3为本专利技术中实施例1制备的斜向ZnO纳米线阵列的扫面电子显微镜照片。具体实施方式请参阅图1所示，本专利技术提供了一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED。所述n型斜向生长的ZnO纳米线阵列4生长于p型半极性(11-22)面GaN外延层3，斜向ZnO纳米线阵列被聚合物5填充，其上一层为导电薄膜6，作为负极，正极7位于p-GaN层上斜向生长的ZnO纳米线阵列的另一侧的台面；所述半极性面(11-22)的GaN层包括掺Mg的p型GaN层和生长在m面Al2O3衬底1上未掺杂的GaN层2。在本专利技术中，所述n型斜向ZnO纳米线阵列与生长平面p-GaN层的夹角为30～35度。所述n型斜向ZnO纳米线阵列中纳米线的尺寸均匀一致，长度和粗细可控。所述斜向ZnO纳米线长度优选为5～6μm；所述n型斜向ZnO纳米线的直径优选为100～200nm。在本专利技术中，所述n型斜向ZnO纳米线阵列被聚合物填充。所述聚合物应具有的特性为透明、绝缘，优选材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。在本专利技术中，所述半极性面(11-22)的GaN层包括掺Mg的p型GaN层和生长在m面Al2O3上未掺杂的GaN层。本专利技术对衬底厚度没有要求，使用本领域人员熟知的厚度即可；在本专利技术中，所述未掺杂半极性面(11-22)的GaN外延层的厚度优选为2～5μm；所述的掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层厚度为0.2～1μm；所述的掺Mg的p-GaN外延层的载流子浓度优选为1～3×1017cm-3。在本专利技术中，所述导电薄膜位于斜向ZnO纳米线阵列之上，作为负极。本专利技术对所述正极的材质没有特殊要求，使用本领域中常规的电极即可；所述导电薄膜的材质优选为ITO(氧化铟锡)；所述导电薄膜的厚度优选为80～180nm。在本专利技术中，所述正极位于p-GaN层另一侧的台面。本专利技术对所述正极的材质没有特殊要求，使用本领域中常规的电极即可；所述正极材质优选为Ni/Au；所述Ni层的厚度优选为10～60nm；所述Au层厚度优选为30～300nm。请参阅图2并结合参阅图1所示，本专利技术还提供一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED的制备方法，包括如下步骤：步骤1：通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)在m面Al2O3衬底上依次生长未掺杂半极性面(11-22)的GaN层和掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN层，如附图2(a)所示；步骤2：采用水热法在p-GaN层上制备斜向生长的ZnO纳米线阵列，取一定量用于ZnO纳米线生长的前体液于水热反应釜中，将样品的GaN层一侧朝下放置，使其漂浮在溶液中，在一定温度下反应生长斜向ZnO纳米线，如附图2(b)所示；步骤3：在斜向ZnO纳米线阵列上旋凃透明、绝缘的聚合物，如附图2(c)所示；步骤4：通过ICP(感应耦合等离子刻蚀)来刻蚀聚合物，刻蚀深度为50～100nm，使斜向ZnO纳米线露出顶端部分，如附图2(d)所示；步骤5：在斜向ZnO纳米线阵列上制备导电薄膜，作为负极，使其将斜向ZnO纳米线头部覆盖，完成斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED的制作，如附图2(e)所示。步骤6：采用电子束蒸发法在p-GaN层另一侧台本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于斜向ZnO纳米线/GaN pn结的LED，其特征在于，n型斜向生长的ZnO纳米线阵列生长于p型半极性面(11‑22)GaN外延层，斜向ZnO纳米线阵列中的空隙被聚合物填充，聚合物填充的斜向ZnO纳米线阵列的上面为一层导电薄膜，作为负极，斜向生长的ZnO纳米线阵列的顶端伸入到导电薄膜内；正极位于斜向生长的ZnO纳米线阵列侧旁的p‑GaN层台面上。

【技术特征摘要】
1.一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，n型斜向生长的ZnO纳米线阵列生长于p型半极性面(11-22)GaN外延层，斜向ZnO纳米线阵列中的空隙被聚合物填充，聚合物填充的斜向ZnO纳米线阵列的上面为一层导电薄膜，作为负极，斜向生长的ZnO纳米线阵列的顶端伸入到导电薄膜内；正极位于斜向生长的ZnO纳米线阵列侧旁的p-GaN层台面上。2.按照权利要求1所述的一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，n型斜向生长的ZnO纳米线阵列生长于p型半极性面(11-22)GaN外延层结构：最底层为Al2O3衬底，在Al2O3衬底上依次为未掺杂半极性面(11-22)的GaN外延层、掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层，在掺Mg的p型GaN层上生长有n型斜向生长的ZnO纳米线阵列。3.按照权利要求2所述的一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，n型斜向ZnO纳米线阵列与生长平面掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层的夹角为30～35度。4.按照权利要求2所述的一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，n型斜向ZnO纳米线阵列中纳米线的尺寸均匀一致，长度和粗细可根据需要调控。5.按照权利要求2所述的一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，未掺杂半极性面(11-22)的GaN外延层厚度为2～5μm。6.按照权利要求2所述的一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED，其特征在于，掺Mg半极性面(11-22)的p-GaN外延层的厚度为0.2～1μm。7.按照权利要求2所述的一种基于斜向Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志远，赵立欢，张洁，薛晓玮，邹德恕，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11