InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件及其制备方法，属于半导体照明领域。
【背景技术】
[0002]近年来，半导体纳米线/柱、纳米点等低维量子结构受到国内外学术界及产业界的广泛关注，以期许能够在力学、生化、电磁以及光电子方面表现出特殊性能，并在微观体系中探究载流子运输机制。纳米尺度异质结因其具有较高几何限制效应，新颖的功能性，在光电子器件领域发展迅速，具体表现在LED发光二极管，激光器，太阳能电池，探测器等。亚波长发光器件和高偏振度发光光源是发展光显示的关键因素，尤其体现在发展高分辨的光源上。纵观众多半导体材料，III族氮化物材料为直接带隙半导体，其带隙覆盖了从红外可见光到紫外波段，是实现固态照明和低功耗显示器的理想材料。
[0003]纳米尺度的InGaN/GaN多量子阱LED器件相较于常规平面LED器件而言，其光学性能有很大的提升，其应力很大程度得以释放，弱化的压电极化可以相应地削减量子限制效应。其次，这种一维结构的InGaN/GaN多量子阱LED器件的光的提取效率得到增强。再次，由于结构上的各向异性，一维纳米柱LED可以产生偏振度很高的线偏振光。由于几何尺寸小可实现超高分辨，发光光源。这些显著的优势使得单纳米柱LED极有望替代现有的商业化平面LED用于显示屏幕的背光源，而目前LED背景光源的形成依然依赖于在液晶显示中附加的偏振光学元件。
[0004]对于如何实现I维单根LED纳米器件，各国研究者们采用了很多方法，如在图形化衬底上选择外延生长纳米阵列，这种二次外延技术难点在于形成η型、P型掺杂，一旦无法形成重掺杂，将会直接影响形成P-N结乃至影响其电学性能。其次，在这种外延生长在Si衬底上的核壳结构InGaNOGaN纳米柱，因其具有较大的晶格失配和热膨胀系数，易形成较多缺陷。另外，需要强调的是，纳米柱的纵横比在光学器件的偏振度上起重要作用，而如何更好的控制纳米柱的纵横比也是二次外延的又一难点。
[0005]其次，如何实现纳米器件电注入也是该课题的另一难点，这不但制约了对其性能的进一步研究发掘，也阻碍了纳米器件的发展和应用。目前，专利文献CN103077888A公开了一种基于电子束曝光工艺的用于在单纳米线上制备电极的方法，这里需要注意的是，这种电子束曝光工艺较为复杂，制备单根费用较高，且在剥离等环节纳米线易剥落，因此成品率比较低。Applied Physics Letter期刊报道了采用紫外光光刻方式制备InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件，表现出了良好的发光特性，但在这种单一紫外光光刻技术其局限性在于衍射极限，对于小于I微米长的单纳米线，这种加工工艺并不能实现。
[0006]目前，专利文献CN103383980A公开了一种利用紫外软纳米压印技术(UV-NIL)来制备有序氮化镓纳米阵列的方法。该方法采用PMMA和紫外固化胶双层胶技术紫外软压印制备大面积、低缺陷的氮化镓纳米柱，从而实现阵列有序且具有均匀直径长度的氮化镓纳米阵列。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有低维量子结构的InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件。
[0008]本发明采用的技术方案为:一种InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件，包括
[0009]器件基片；
[0010]沉积在器件基片上的器件绝缘层；
[0011]镀在器件绝缘层上的金属电极膜层；
[0012]所述金属电极膜层表面光刻出一条或多条纵横的沟槽将金属电极膜分割成多个互相隔离的区域，还包括至少一根InGaN/GaN多量子阱纳米柱，所述InGaN/GaN多量子阱纳米柱至少包括在蓝宝石衬底上依次生长的η型GaN层，InxGa1 xN/GaN量子阱有源层和P型GaN层，所述沟槽的宽度小于整根个InGaN/GaN多量子阱纳米柱的长度，所述InGaN/GaN多量子阱纳米柱转移至具有沟槽图形的金属电极膜层，并横跨于沟槽，两端的η型GaN层和ρ型GaN层距离两个不同隔离区域的金属电极膜的距离在10nm以内或直接接触两个不同隔离区域的金属电极膜，且中间的InxGa1 xN/GaN量子阱有源层与金属电极膜隔离，在InGaN/GaN多量子阱纳米柱两端与金属电极膜接触的部位通过聚焦离子束系统二次沉积金属电极形成欧姆接触。优选的，所述InxGa1 xN/GaN量子阱有源层的周期数为10?15个，所述x范围:0.12彡X彡0.35，发光波长在430?550nm，ρ型GaN层的厚度300?500nm，η型GaN层的厚度1.5?3 μπι。
[0013]优选的，所述InGaN/GaN多量子阱纳米柱的直径为70?500nm，长度为0.8?3.5 μ mD
[0014]优选的，所述器件基片为具有良好表面平整度的材料，包括硬质材料和柔性材料。
[0015]优选的，所述器件绝缘层为S12层或Si 3C4层，厚度为50?lOOOnm。
[0016]优选的，所述金属电极膜层为电子蒸发沉积获得的Ni/Au或Ti/Au双层或多层金属膜，厚度为10?500nmo
[0017]优选的，所述二次沉积的金属电极为Pt电极，尺寸为200-500nmX200-500nm，沉积高度为200-500nmo
[0018]本发明还公开了上述InGaN/GaN多量子阱单纳米柱LED器件的制备方法，其步骤包括:
[0019]A、制备InGaN/GaN多量子阱纳米柱，并分散在溶剂中得到纳米柱悬浊液，制得的InGaN/GaN多量子阱纳米柱至少包括在蓝宝石衬底上依次生长的η型GaN层，InxGa1 xN/GaN量子阱有源层和P型GaN层；
[0020]B、选取具有良好表面平整度的器件基片，清洗基片:采用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗，每个步骤各3?5分钟；
[0021]C、在器件基片上采用等离子增强化学气相沉积法沉积一层介质膜绝缘层；
[0022]D、在器件绝缘层上旋涂上光刻胶，紫外曝光制作出图形；
[0023]E、将完成光刻的样品放入电子束蒸发台内，在光刻胶上蒸镀一层金属电极膜层，将镀膜后的样品中置于丙酮溶液中浸泡，并辅以超声清洗，使光刻胶上的图形转移到金属电极膜上，在金属电极膜上形成缝隙；
[0024]F、将纳米柱悬浊液滴在样品的金属电极膜层上，然后烘烤，将纳米柱悬浊液的溶剂蒸干，使得纳米柱分散在基底上；
[0025]G、将样品放入聚焦离子束系统，选择合适的InGaN/GaN多量子阱纳米柱，在其两端与金属电极膜接触的部位离子束轰击二次沉积金属电极，其中合适的InGaN/GaN多量子阱纳米柱是指:InGaN/GaN多量子阱纳米柱横跨沟槽，两端的η型GaN层和ρ型GaN层离两个不同隔离区域的金属电极膜的距离在10nm以内或直接接触两个不同隔离区域的金属电极膜，并且中间的InxGa1 xN/GaN量子阱有源层与金属电极膜隔离，隔离是指InxGa1 xN/GaN量子阱有源层不接触到金属电极膜，二次沉积的金属电极是为了连接P型GaN层/n型GaN层与样品的金属电极膜，其大小以能覆盖P型GaN层/n型GaN层顶端且不能越过ρ型GaN层/n型GaN层为准；
[0026]H、将样品置于快速退火炉中，在氧气环境下退火。
[0027]优选的，所述步骤A是通过以下步骤实现的:
[0028]Al、在发光波长为430?550nm的InGaN/GaN多量子阱LED基片上生长一层绝缘层，将PMMA胶和紫外固化胶依次旋涂在绝缘层表面；
[0029]A2、利用紫外软纳米压印技术，使用软模板在紫外固化胶上形成全面积的有序纳米柱阵列；
[0030]A3、利用反应离子束刻蚀技术，通入CHFJP O 2的混合气体刻蚀紫外固化胶的残余层，然后以紫外固化胶为掩膜，利用RIE技术，通入02对PMMA层进行刻蚀，将纳米柱阵列结构转移至PMMA层；
[0031]A4、采用电子束蒸发技术，在PMMA层上蒸镀Ni金属膜层，随后将样品置于丙酮溶液浸泡或者超声剥离，剥离PMMA层从而得到大面积有序的金属纳米柱阵列；
[0032]A5、采用RIE技术，以金属纳米柱为掩模，通入CHFjP O 2的混合气体，各向异性刻蚀绝缘层，将金属纳米阵列结构转移至绝缘层上；
[0033]A6、采用ICP技术，以绝缘层纳