[发明专利]一种ZnO纳米棒阵列发光二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种ZnO纳米棒阵列发光二极管，包括p‑GaN衬底、n‑ZnO纳米棒阵列、AlN薄膜壳层、Ag纳米颗粒和金属电极；方法包括如下步骤：在p‑GaN衬底上生长n‑ZnO纳米棒阵列；在n‑ZnO纳米棒上溅射一层AlN薄膜壳层；在ZnO‑AlN核壳纳米棒上溅射Ag纳米颗粒；在n‑ZnO和p‑GaN一端制备具有欧姆接触的金属电极，形成发光二极管。通过AlN薄膜表面钝化纳米棒，抑制ZnO的表面态和表面缺陷，提高了纳米棒载流子注入效率，提升了发光二极管的稳定性；在纳米棒上溅射Ag纳米颗粒，通过Ag表面等离激元与发光二极管电致发光强的相互耦合作用，电致发光性能明显提高，同时缺陷发光被抑制。

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，涉及发光二极管，具体涉及一种ZnO纳米棒阵列发光二极管及其制备方法。

背景技术

GaN、ZnO等第三代宽禁带半导体材料被广泛地应用于蓝光、紫外波段的发光二极管或探测器。与GaN相比，ZnO具有高达60meV的激子束缚能，远高于室温热(26meV)。另外，ZnO还具有原材料丰富、成膜特性好、热稳定性好等优势，在制备室温蓝紫光发光二极管、紫外探测器以及紫外半导体激光器等方面具有重要应用前景。但由于ZnO材料自身存在大量锌填隙和氧空位缺陷，背景电子浓度高达1018，本征点缺陷的自补偿效应，ZnO材料的p型掺杂异常困难，使得目前ZnO基发光器件的发光效率普遍较低。

就提高ZnO基紫外发光器件的发光效率，人们开展了大量的研究工作，其中单晶的ZnO纳米棒具有优异的载流子输运特性和载流子限域能力，利用其构造的纳米级异质结构表现出了良好的光学特性，并能有效地提高载流子注入效率，提升器件的稳定性。但是，由于一维ZnO纳米棒高的比表面，使得存在表面态和表面缺陷，从而影响发光效率。

发明内容

发明目的：为了解决现有的ZnO发光二极管发光效率低，缺陷发光明显的问题，本发明提供了一种ZnO纳米棒阵列发光二极管，进一步地提供了上述发光二极管的及制备方法。

技术方案：本发明所述一种ZnO纳米棒阵列发光二极管的制备方法，包括以下步骤：

(1)在p-GaN衬底上生长n-ZnO纳米棒阵列，形成p-GaN-n-ZnO异质结构；

(2)在步骤(1)得到的异质结构中的n-ZnO纳米棒阵列上溅射一层AlN薄膜，形成p-GaN-n-ZnO-AlN复合体系；

(3)在步骤(2)得到的复合体系中的n-ZnO-AlN上溅射Ag纳米颗粒，形成p-GaN-n-ZnO-AlN-Ag复合体系；

(4)在步骤(3)得到的复合体系中p-GaN一端和n-ZnO纳米棒阵列一端分别制备金属电极，即得。

步骤(1)所述n-ZnO纳米棒阵列的生长方法如下：

(1)将ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1～3混合得到混合粉末，放入一端开口的石英管底部；

(2)将p-GaN衬底切块、清洗作为生长基底；其中，使用掩膜板遮住p-GaN衬底上部的一部分，防止在该部位生长n-ZnO纳米棒阵列；

(3)将步骤(2)得到的p-GaN衬底放入步骤(1)的石英管内，将石英管水平推入管式炉中，抽真空然后通入氩气和氧气进行高温反应，反应结束生成n-ZnO纳米棒阵列。所述高温反应的反应温度为1000～1200℃，反应时间为10～60min；所述氩气流量为130～180sccm，氧气流量为13～18sccm。其中，步骤(1)中ZnO粉末和碳粉末的纯度为99.97～99.99％；步骤(2)中p-GaN衬底切块、清洗的步骤为：将p-GaN衬底切成1.5cm×1cm，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干作为生长基底，其中p-GaN面留有0.5cm×1cm一面用掩膜板遮住；步骤(3)中石英管为一端开口的长度30cm、直径3cm石英管；将清洗好的p-GaN衬底放置距管口5cm位置处的石英管内。