表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，在基片中刻蚀形成贯穿p‑GaN层，深至多量子阱有源层的纳米柱结构，所述纳米柱之间在多量子阱有源层的位置填充有等离金属。并公开了其在作为太阳能光电化学电池的工作电极中的应用，制得的太阳能光电化学电池以及其制备方法。本发明专利技术采用自组装Ni掩模自上而下的刻蚀方法调控等离金属与多量子阱之间的距离，使之能产生近场耦合，在表面等离激元效应产生的电磁场与p‑n区高掺杂浓度形成的内建电场的共同作用下，多量子阱有源区表面的电子空穴对产生和输运的效率有效提高。该方法适用于InGaN类带隙可调并与太阳光谱匹配的光电极材料。

Surface plasmon enhanced InGaN / GaN multiple quantum well electrodes and their preparation

【技术实现步骤摘要】
表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极及其制备方法
本专利技术涉及一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极、用表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极制得的太阳能光电化学电池及其制备方法，属于太阳能电池

技术介绍
随着人口和经济的迅速增长，煤、石油、天然气等矿物燃料随着开发的加剧已日趋枯竭，长此以往，将无法满足人们生活所需的能源需求，因此，寻找新型的替代能源已成为人类未来发展的紧要任务。太阳能作为绿色、低碳环保的可再生能源，成为众多新兴能源中最有潜力的能源之一。但是到目前为止，太阳能的利用效率仍然很低，而且从太阳能转换而成的电能在存储方面存在一定的技术难度，而通过利用太阳能光电化学电池将太阳能转换成便于存储的氢气是有效利用太阳能的方式之一。太阳能光电化学电池的基本原理是光电极材料吸收一定波长的太阳光能量，在材料内部产生电子空穴对，在外加电压或者内电场的作用下相互分离，空穴向阳极表面移动进行电解液氧化反应，电子向阴极附近移动进行电解液还原反应，产生我们所需要的氢气能源。对于太阳能光电化学电池，半导体光电极材料是其核心部件，可分为光阳极和光阴极两种，由于较低的太阳能转化效率，光阳极材料的选择成为太阳能光电池研究的热点问题。III族氮化物材料由于其物理、化学性质稳定，电子迁移率高且能带能够满足水氧化还原电势需求等优势被广泛关注，尤其是InGaN及其合金材料的带隙从0.7eV到3.4eV连续可调，能够按需求设计出符合要求的电极材料。而贵金属如Au、Ag、Cu等纳米颗粒在可见光区表现出很强的宽带光吸收特征，这是由于金属表面的电子在电磁场的驱动下发生振荡，产生表面等离激元。当金属与半导体耦合时，产生的表面等离激元效应会在半导体表面区域形成很强的电磁场，表面产生的电子空穴对会在电磁场的作用下快速分离，发生氧化还原反应，降低电子空穴对的复合效率，有效提高太阳能光电化学电池的效率。关于表面等离激元增强太阳能光电化学电池效率的研究有很多，但对于InGaN基半导体材料与等离金属的耦合的研究却不多，如何利用等离激元效应增加InGaN/GaN多量子阱太阳能光电化学电池效率的同时利用p-n区高掺杂浓度形成的内建电场加速电子空穴对的分离成为一个难点。因此，我们采用自组装Ni掩模自上而下的刻蚀方法调控等离金属与InGaN/GaN多量子阱之间的距离，使之能产生近场耦合。而且这种自组装Ni掩模的刻蚀方法大大节约了成本，并且有效提高了太阳能光电化学电池的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极。本专利技术采用的技术方案为：一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，通过控制纳米柱刻蚀深度，露出InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层，在InxGa1-xN/GaN纳米柱之间的多量子阱有源层的位置填充等离金属，其中0≤x≤1。所述等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，其衬底材料为一般蓝光/绿光LED外延片，所述基片刻蚀形成贯穿p-GaN层，深至InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的纳米柱结构，纳米柱直径为70～500nm，InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层厚度150～250nm。优选的，所述等离金属为球形或圆柱形，球型直径10～200nm，圆柱型直径10～50nm，高度50～200nm，等离金属从Au、Ag、Cu中选择。上述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极在作为太阳能光电化学电池的工作电极中的应用。本专利技术还公开了一种太阳能光电化学电池，包括工作电级、对电极、参考电极、电解池、外电路，所述外电路包括正负电极，负电极连接对电极，正电极并联工作电极和参考电极，所述电解池中填充电解液，工作电级、对电极、参考电极均插入电解液中，其特征在于：所述工作电极为权利要求1-3中任一项所述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极。本专利技术还公开了一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极的制备方法，其步骤包括：(1)、在InGaN/GaN多量子阱LED基片上采用PECVD技术生长一层SiO2绝缘层；(2)、采用电子束蒸发技术，在绝缘层表面上蒸镀Ni金属膜层；(3)、采用快速热退火技术，使绝缘层表面的Ni金属膜层在高温下退火形成Ni金属颗粒，作为纳米柱刻蚀掩模；(4)、采用RIE技术，以Ni金属颗粒为掩模，通入CF4和O2的混合气体，各向异性刻蚀SiO2绝缘层，得到无序的SiO2纳米柱阵列结构；(5)、采用ICP技术，以SiO2绝缘层为掩模，通入Cl2和CF4的混合气体，各向异性刻蚀p型氮化镓层、InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层，形成贯穿p型氮化镓层，深至InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的InGaN/GaN多量子阱纳米柱阵列，将样品放置在无机酸、碱溶液水浴去除刻蚀损伤，然后去除残余的绝缘层；(6)、采用ICP技术，以适当大小的硅片为掩模，通入Cl2和CF4的混合气体，各向异性刻蚀p-GaN层、InxGa1-xN/GaN量子阱有源层、n-GaN层，露出n型GaN，形成n型GaN台阶；(7)、采用电子束蒸发技术，在n型台阶上蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属电极；(8)、采用快速热退火技术，在N2氛围下对步骤7中所得的样品进行快速热退火处理，形成欧姆接触；(9)、将等离金属分散在乙醇溶剂中，超声，使等离金属在溶液中尽可能均匀分布，制得等离金属悬浊液，浓度为1×1010ml-1；(10)、将制备的InGaN/GaN多量子阱基片置于热台上，将等离金属悬浊液滴在样品表面，然后烘烤，将等离金属悬浊液蒸干，使得等离金属分散在InGaN/GaN多量子阱纳米柱之间。本专利技术还公开了一种太阳能光电化学电池的制备方法，包括以下步骤：A、在电解池中倒入电解液；B、连接外电路，外电路的负电极连接对电极，正电极并联工作电极和参考电极，其中权利要求7制得的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极作为工作电极，贵金属为对电极，Ag/AgCl为参考电极；C、将对电极、工作电极和参考电极插入NaCl电解液中，形成太阳能光电化学电池。优选的，所述电解液为水或酸碱盐溶液，包括NaCl、HBr、NaOH或KOH。所述的对电极，可选用铂、金贵金属。选择贵金属的时候需要满足：一是提供很好的导电性；二是金属材料几乎不与任何酸碱盐溶液反应，具有较高的化学稳定性；三是金属的金属功函数与常用的电解液溶液费米能级接近，在金属与电解液界面不易形成能量势垒，故不会对光电化学反应造成阻碍。所述的参考电极为Ag/AgCl，主要用于对半导体电极和Pt电极处的相对电势差进行测定。所述的电解液，不仅要提供合适的氧化还原电位，还要避免与光电极材料产生光化学反应。可选用水或酸碱盐溶液，包括但不限于NaCl、HBr、NaOH、KOH。所述的用于表面等离激元增强的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，其特征在于：通过控制纳米柱刻蚀深度，露出In

【技术特征摘要】
1.一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，其特征在于：通过控制纳米柱刻蚀深度，露出InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层，在InxGa1-xN/GaN纳米柱之间的多量子阱有源层的位置填充等离金属，其中0≤x≤1。


2.根据权利要求1所述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，其特征在于：其衬底材料为蓝光/绿光LED外延片，基片刻蚀形成贯穿p-GaN层，深至InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层的纳米柱结构，纳米柱直径为70～500nm，InxGa1-xN/GaN多量子阱有源层厚度150～250nm。


3.根据权利要求1或2所述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极，其特征在于：所述等离金属为球形或圆柱形，球型直径10～200nm，圆柱型直径10～50nm，高度50～200nm，等离金属从Au、Ag、Cu中选择。


4.权利要求1-3中任一项所述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极在作为太阳能光电化学电池的工作电极中的应用。


5.一种太阳能光电化学电池，包括工作电级、对电极、参考电极、电解池、外电路，所述外电路包括正负电极，负电极连接对电极，正电极并联工作电极和参考电极，所述电解池中填充电解液，工作电级、对电极、参考电极均插入电解液中，其特征在于：所述工作电极为权利要求1-3中任一项所述的表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极。


6.根据权利要求5所述的太阳能光电化学电池，其特征在于：所述电池的偏压设置-5V～20V，所述电解液为水或酸碱盐溶液，包括NaCl、HBr、NaOH或KOH。


7.一种表面等离激元增强型InGaN/GaN多量子阱光电极的制备方法，其步骤包括：
(1)、在InGaN/GaN多量子阱LED基片上采用PECVD技术生长一层SiO2绝缘层；
(2)、采用电子束蒸发技术，在绝缘层表面上蒸镀Ni金属膜层；
(3)、采用快速热退...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢自力，桑艺萌，刘斌，
申请(专利权)人：南京集芯光电技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32