[发明专利]ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法，该发光二极管包括衬底，衬底上从下往上依次设有n型ZnO薄膜层、ZnO纳米杆阵列、ZnO/Zn_1‑xMg_xO量子阱有源层、p型NiO薄膜层和第一电极；第二电极与ZnO纳米杆阵列并列位于n型ZnO薄膜层上；ZnO/Zn_1‑xMg_xO量子阱有源层包覆ZnO纳米杆阵列，且0.1≤x≤0.3。该发光二极管电致发光峰值波长在374nm附近，发光峰半高宽约为17nm，该发光二极管结构能充分发挥ZnO材料直接宽带隙和高激子束缚能等优势，有效减弱极化效应、提高材料与界面质量、增大有源层有效面积、提升光取出效率、提高光谱单色性，并且可实现低温制备，成本低廉，易于实现产业化。

技术领域

本发明涉及光电子器件，具体地指一种ZnO基纳米杆/量子阱复合紫外发光二极管及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)是由半导体材料制成的发光元件，是一种固态电致发光冷光源。由于发光二极管具备低能耗和环境友好等特点，其大规模的应用会减少煤炭石油等高碳能源消耗，符合可持续发展要求和低碳经济的理念。发光二极管以其功耗低、寿命长、光效高、无辐射、便携性好等众多优势，受到了极大的青睐，相关研究和产业得到了极大的支持与发展。在LED研究领域，短波长的紫外(Ultraviolet,UV)LED的实现与发展是相关领域科研人员和产业界关注的热点之一，被认为是继白光之后LED的又一应用新大陆，前景可谓十分乐观。尽管目前已有一些采用铝镓氮(AlGaN)和铟铝镓氮(InAlGaN)作为有源层材料制备UVLED的报道，但普遍存在材料缺陷密度过大、单色性欠佳、发光效率偏低、使用寿命过短、我国核心专利技术缺乏等问题，而UV LED在光通信、日盲区探测、生物医药、印刷包装、高密度存储等领域的巨大应用需求使得相关科学问题的解决和产品技术的研发迫在眉睫。

ZnO是一种II-VI族直接带隙宽禁带半导体材料，室温下ZnO的禁带宽度为3.37eV，对应发光波长在370nm附近，在紫外光波长范围内。ZnO的晶格结构、晶胞参数以及禁带宽度均与常规光电功能材料氮化镓(GaN)相似，但ZnO具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，且具有较低的光致发光和受激辐射阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性，材料易得、制备成本低廉、环境友好。因而，ZnO被认为是GaN理想的替代材料，在短波长发光二极管、激光器及相关光电器件方面的应用有巨大的潜力。此外，通过对ZnO进行镁(Mg)掺杂，可调节其禁带宽度，实现能带工程；且低掺杂的氧化锌镁(ZnMgO)与ZnO的晶格失配度小，可应用于ZnO/ZnMgO量子阱结构，拓展了ZnO材料的应用领域。

目前也有一些关于将ZnO作为紫外发光器件材料的报道，如：中国专利申请200810120346.X公开了一种ZnO基多量子阱发光二极管，其提供的Zn_1-xMg_xO/Zn_1-yCd_yO多量子阱有源层为传统平面结构，具有较强极化效应，且有源层面积有限，影响其发光效率。该方案提供的氧化锌单晶衬底成本高昂，而单晶硅衬底则会导致强烈的晶格失配，影响有源层材料质量，此外稳定性好的高质量p型ZnO仍是目前业界努力解决的重要难题，还存在迁移率、载流子浓度偏低以及稳定性较差等问题。另外，刘为振(ZnO纳米线异质结紫外光发射器件研究[D].长春:东北师范大学,2013.)采用脉冲激光沉积和水热法制备了MgZnO/ZnO核壳异质结构纳米线阵列，并和p型GaN构成发光器件。该方案将水热法制备的ZnO纳米线作为发光有源层，其较多的缺陷和杂质将严重影响发光效率。

总的来说，现有的ZnO基紫外发光器件普遍存在以下问题：1)晶格失配和极化效应引起的量子限域斯塔克效应导致了发光二极管内量子效率较低；2)较差的界面质量和材料缺陷引起的深能级发光，导致LED紫外单色性较差；3)传统的平面结构导致的光取出效率偏低；4)制备工艺复杂、条件控制严格、需要高温制备等因素导致的制备成本高昂。前述这些问题限制了ZnO基紫外发光器的应用。

发明内容