[发明专利]一种多波长GaN基核壳纳米棒LED器件结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多波长GaN基核壳纳米棒LED器件结构及其制备方法。利用高温氨气退火形成的自组织Ni纳米岛作为模板来制备高度一致性的GaN纳米棒，然后使用湿法腐蚀技术，修复纳米棒表面的干法刻蚀损伤，在所得的GaN纳米棒阵列上进行n型GaN再生长，形成具有顶部锥的六面柱，然后依次层叠包覆在GaN纳米棒阵列每个表面上的多量子阱层和P型GaN层，获得多波长GaN基核壳纳米棒LED器件结构。GaN纳米棒阵列与包覆其每个表面的多量子阱层、P型GaN层构成三维核壳结构，在相同的电流密度下可以产生更多的光子数，提高了LED外延结构的内量子效率。本发明的方法无需图形化的衬底，工艺成本低，简单易行，适合规模化制，所得核壳纳米棒阵列可广泛应用于光电子器件和微电子器件。

技术领域

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种多波长GaN基核壳纳米棒LED器件结构及其制备方法。

背景技术

在宽禁带直接带隙半导体中，GaN基半导体最具开发潜力和发展前景，它凭借着宽广的带隙［0.64 eV (InN)、3.4eV (GaN)、6.2eV、(AlN)］和优越的性能（热稳定、化学稳定和高导热等），已经成为近年来光电子材料和器件研究的热点和重点。GaN基白光LED具有使用寿命长、体积小、光电转换效率高和发热低等优点，已在仪器设备照明、飞机照明、汽车照明、移动电话、装饰照明得到广泛应用。

传统的白光LED主要采用紫外/紫色/蓝色的LED来激发黄色或多色荧光粉，由此获得混合的白光；也有部分研究采用多种颜色的LED来实现混合白光。而单芯片白色无荧光粉的光发射研究，主要是通过横向分布的蓝色和绿色的InGaN/GaN多量子阱或通过级联组成的InGaN和AlGaInP的多量子阱来实现，其难度较大，而且各色的发光效率难以匹配，成为单芯片白光研究的主要难题。对于普通照明应用，影响发光效率问题最主要的两个影响因素是强极化场和高铟In_xGa_1-xN结晶品质差，这是导致绿色极性LED内部量子效率难以提高的主要原因。因为极化场主要产生并存在于极性生长方向[(0002) c轴方向]，为了克服极化场影响，在半极性/非极性面上外延InGaN有源层可降低/消除极化场对发光的负面影响。而具有非极性面和半极性面的GaN纳米棒成为研究热点。

GaN纳米结构发展至今，已经有很多国内外科学家通过不同的途径合成。例如，Kim等人分别在2004年与2005年用金属有机氢化物气相外延（MOHVPE）制备出GaN双量子阱纳米棒阵列和高亮度LED器件；2006年，J. Goldberger 和 T. kuykendall等小组都通过金属有机气相外延（MOCVD）的方法合成了单晶一维GaN纳米管和纳米柱阵列；R. Calarco与 L. W.Tu等人先后用分子束外延（MBE）合成GaN纳米线；Deb等使用二氧化硅做为模板，MOVPE法制备出垂直对齐的GaN纳米棒。上述的这些方法就是所谓的“由下至上”法，这些方法需要从原子或者分子级别开始生长，然后到分子簇，再到纳米结构。虽然很多人研究并取得一定的成果，但是这些方法在GaN纳米柱的尺寸、长度与晶体方向上都很难控制而难以成功，“由下至上”法在大规模制备GaN纳米柱方面遇到了挑战。不同于上述这些生长的方法，另一种“由上至下”的方法获得GaN纳米结构是另一个选择，本发明仅介绍其中的一种用电感耦合等离子刻蚀（ICP）方法来制备GaN纳米柱。关于电感耦合等离子刻蚀（ICP）GaN的具体方法，已经有很多报告，例如，Shul等人用Cl₂/H₂/Ar混合气体刻蚀GaN薄膜获得其刻蚀速率约为 0.5μm/min；Smith等发现用Cl₂/Ar作为刻蚀气体的最高速率为980nm/min；Shul小组又发现Cl₂/N₂/Ar混合气体中，刻蚀速率随着N₂分压的增大而减小；Kim等人也研究了在Cl₂/BCl₃等离子刻蚀GaN的相关问题。在ICP之前需要获得尺寸，形貌分布均匀的纳米颗粒做掩膜，虽然像电子束光刻与光刻技术等可以用在制备纳米模板上，但是高昂的费用也阻止了其在大规模制备的应用。