[发明专利]一种ZnO纳米棒/p‑GaN薄膜异质结及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于紫外LED领域，特别涉及一种采用GaN量子点制备用于紫外LED的ZnO纳米棒/p-GaN薄膜异质结的方法。

背景技术

紫外发光器件在民用和军事领域拥有极大的应用潜力。目前普遍使用的传统紫外光源是气体激光器和汞灯，存在着效率低、体积大、不环保和电压高等缺点。而半导体紫外光源是一种固态紫外光源、它具有无汞污染、波长可调、体积小、集成性好、能耗低、寿命长等诸多优势。民用上，半导体深紫外光源在杀菌消毒、癌症检测、皮肤病治疗等医疗卫生领域，以及水与空气净化等环保领域，在高显色指数白光照明能源领域，大容量信息传输和存储等信息领域都具有广泛应用。军用上，半导体深紫外光源在非视距隐蔽战术通讯、生化预警、野外便携式水净化设备等军事领域具有重要意义。

目前基于AlGaN基量子阱结构的紫外发光二极管(LED)外量子效率还比较低，且提升难度较大。这主要是由于外延AlGaN量子阱过程中缺乏同质衬底，异质外延引入的晶格失配和热失配导致量子阱区中的位错密度很高，在蓝宝石衬底上生长优化后的AlGaN外延层的位错密度一般为2～5×10⁹cm^-2，辐射复合效率很低。另外，AlGaN量子阱内极化电场引发的“量子局域化斯塔克效应”降低发光效率，而且由于AlGaN材料的折射率较大，出光面的全反射临界角很小(20°)，传统c面AlGaN基紫外LED正面出光效率很低，器件外量子效率仅仅10％左右。ZnO是一种直接带隙N型半导体材料，具有优良的光学特性，由于其禁带宽度(3.37eV)和高的激子束缚能(60meV)，使其成为室温工作的UV-发射器件(如紫外激光器，紫外LED灯)的优选材料之一。而基于ZnO纳米结构的LED将成为获得高效、低成本和大面积LED的有效途径之一。并且生长ZnO纳米棒相比制备薄膜避免了晶界的出现，从而大大减少了位错密度，并且纳米棒两个维度上的尺寸和激子的波尔半径相比拟，具有较强的量子限域效应，电子态密度成孤立的尖峰，有效抑制了电子向非辐射复合中心的扩散。从而提高了紫外LED的发光效率。

ZnO和GaN具有相同的纤锌矿晶体结构，并且二者具有很小的晶格失配(仅为1.9％)和相类似的热失配，所以将GaN薄膜作为ZnO纳米棒的外延模版可以提高纳米棒晶体质量和改善阵列方向性以及分布。特别是ZnO和GaN的禁带宽度十分相近，分别为3.37eV和3.39eV，且本征ZnO材料为n型，在p-GaN薄膜上外延ZnO纳米棒可作为PN结来作为紫外LED的有源区。室温下ZnO的激子束缚能高达60meV，而在室温下热离化能只有26meV，ZnO的激子可以受激发并且稳定存在，这一点保证了ZnO材料在很低的激活下就能进行紫外发光。且ZnO具有良好的导热性能、化学稳定性等特点。然而目前基于ZnO纳米棒的紫外LED的研究并不是很成功，存在一个很重要的问题：ZnO和衬底材料之间的接触界面晶体质量很差。无论采用哪种方法合成ZnO纳米棒，在将ZnO纳米棒直接生长在异质衬底上(包括GaN薄膜)时，都会在界面处形成一个晶体质量很差且杂乱无章的区域，即所谓的“死层”，严重影响了器件的光电性能。而普遍采用的“两步法”也存在较多问题。所谓“两步法”即在GaN薄膜上面首先生长一层ZnO作为形核层，随后在形核层上面生长ZnO纳米棒，该种方法可以得到排列整齐的ZnO纳米棒阵列，但是这种方法制备的器件发光性能不稳定且工作电压较高。更为不足的是，采用“两步法”制备的基于ZnO纳米棒的PN结，其电致发光基本上处于可见光波段。因此，ZnO纳米棒和衬底接触界面问题已成为目前一个迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明将GaN量子点作为形核点并驱动ZnO纳米棒的生长，提供一种采用GaN量子点作为ZnO的形核层来制备ZnO纳米棒/p-GaN薄膜异质结的方法。

首先在金属有机化学气相沉积(MOCVD)中在蓝宝石沉底上生长p-GaN薄膜，再在薄膜上生长GaN量子点样品，然后采用水热法在量子点表面进行ZnO纳米棒阵列的生长，其过程见示意图1。最后，ZnO纳米棒阵列间隙采用PMMA填充，在ZnO纳米棒顶部沉积ITO低阻导电薄膜，ITO低阻导电薄膜表面制备Al/Pt金属引出电极，以Au/Ti合金作为p型GaN层电极，最后在ITO薄膜上盖一层玻璃，即为紫外LED原型器件结构，如图1(c)所示。

本发明所提供的技术方案具体如下：

一种ZnO纳米棒/p-GaN薄膜异质结的制备方法，包括以下步骤：