[发明专利]氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构黄绿光、近红外光发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料和光电子器件技术领域，尤其涉及一种氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构黄绿光、近红外光发光二极管。

背景技术

氮化镓（GaN）是具有直接带隙的宽带隙（3.39 eV）化合物半导体，它具有热导率高、电子迁移率高和化学稳定性好等特点，被公认为一种理想的发光材料，且被广泛应用于制造紫外和蓝绿光等短波长发光二极管。硅是当代电子器件的核心材料，具有制备工艺成熟、易于实现器件集成等优点。然而，由于氮化镓和硅之间存在较大的晶格失配（16.9%），从技术层面上讲很难在硅衬底上直接生长氮化镓，进而制备硅基氮化镓发光器件。氮化镓自身在生长过程中会产生大量缺陷，并由此构成缺陷能级发光中心，在其光致发光谱中出现很宽的“黄光”发射带。因此，多数情况下所制备的GaN/Si异质结构电致发光器件，会由于大量缺陷的存在而导致发光效率低、“黄光”发射带宽较大等缺点。

近红外光（780 nm～2526 nm）是一种重要的发光波段，近红外发光二极管在光纤通信、环境监控、生物成像及生物医药等方面有着广阔而重要的应用。目前的近红外发光二极管类型主要有有机电致发光二极管（OLED）和镧系掺杂半导体发光二极管（LED）等。但是，由于OLED的热稳定性差、镧系掺杂LED效率较低和光谱范围受限等缺点，限制其只能在有限的特定波段范围内使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构黄绿光、近红外光发光二极管及其制备方法，所制出的黄绿光与近红外光二极管发光强度强，稳定性高。

本发明采用下述技术方案：一种氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构黄绿光、近红外光发光二极管，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、氮化镓、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，氮化镓与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在氮化镓的表面，金属导电薄膜层沉积在p型单晶硅层底面。

所述的氮化镓是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。

所述金属导电薄膜层为金属铝膜。

所述的一种氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构黄绿光发光二极管的制备方法，包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积氮化镓，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在氮化镓表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，然后沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。

所述步骤（5）中制备好上下接触电极后对黄绿光发光二极管进行进行退火形成欧姆电极接触。

所述氮化镓是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。

所述步骤（4）中金属导电薄膜层为金属铝膜。

所述的一种氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构近红外光发光二极管制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积氮化镓，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、将氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结构在600～900℃惰性气体气氛下退火0.5～6小时；（4）、在氮化镓表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（5）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，然后沉积金属导电薄膜层作为背电极；（6）、制备上、下接触电极。

所述步骤（6）中制备好上下接触电极后对发光二极管进行退火形成欧姆电极接触。

所述氮化镓是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。

所述步骤（5）中金属导电薄膜层为金属铝膜。

本发明将p型单晶硅通过水热腐蚀形成具有微米-纳米结构特征的硅纳米孔柱阵列（Si-NPA），然后在其上生长氮化镓纳米结构，形成GaN/Si异质结构高质量发光二极管，能够实现黄绿光发射和近红外光发射，且具有开启电压和工作电压低、发光效率高、稳定性强且耐腐蚀等一系列优点。氮化镓/硅纳米孔柱阵列异质结黄绿光发光二极管，与通常的硅基氮化镓异质结构发光二极管相比具有明显的优点：

1、氮化镓与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结构，硅纳米孔柱阵列在发光二极管中既作为衬底层又作为功能层使用；