透明柔性GaN纳米棒阵列发光二极管器件及其制备方法与流程

本发明属于发光二极管器件领域，具体涉及一种透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(led)作为目前全球最受瞩目的第四代光源，因其高亮度、低热量、长寿命、无毒等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。氮化镓作为直接宽带隙(3.4ev)无机化合物半导体和第三代半导体材料的典型代表，因其有着很多优于有机材料的特性，包括很高的载流子迁移率、热导率、辐射复合率和优良的化学稳定性，在led的应用上有着很好的前景。

但是，如今，无论是商业化的led，还是实验室研究阶段的led，gan生长的衬底几乎都是蓝宝石、sic、gan或si，这些衬底不能兼具透明和柔性双重功效。所以，高质量的gan薄膜在大尺寸、透明柔性衬底上的生长，对于gan基led在透明柔性显示器件上的应用上一直是一个很大的障碍。此外，透明导电电极一直是困扰着半导体器件透明化的另一关键影响因素，目前gan基led的电极材料多用ito覆盖在p型gan上作为电流扩散层，ni/au和ti/au金属分别淀积在ito和n型gan上作为led的p型电极和n型电极。然而，由于金属铟的稀少使得ito的价格越来越贵，并且ito在短波长范围内并不透明，这对紫外光gan基led来说并不适合。另一方面，覆盖在有源区的ni/au和ti/au电极不仅阻碍了器件的透明，而且电极的区域也阻挡了器件本身的发光，使得发光效率降低。

近年来，石墨烯，一种由单层碳原子组成的材料，由于其从紫外到红外很高的光学透过率、极其优异的电导率、热导率，以及很高的机械强度和柔韧性，作为一种很有前景的下一代透明柔性电极材料引起了人们极大的关注。并且，石墨烯与衬底由较弱的原子键连接，这也使得石墨烯很容易转移到其他衬底。

为了达到柔性led的要求，lee等人直接在石墨烯上制备出了zno/gan共轴纳米棒核/壳结构的gan柔性led，其led弯曲半径达到3.9mm的时候仍可正常发光。由于相对于块状或者平面二维结构来说，一维纳米棒结构在纳米棒的侧壁表面增加了散射并降低了反射，使得光的提取效率增加。另外，一维的纳米结构可以降低由于较大晶格失配产生的应力，因此可以有效的减小量子阱中的压电场，可以有效降低量子束缚stark效应，从而提高内量子效率。但由于lee等人生长的gan纳米棒阵列并不规整，大部分也并不垂直，可发光gan纳米棒阵列并不多，且不均匀。而且，其核/壳结构很容易造成侧面电流短路，因此导致电致发光的效率较低。并且，其p型电极采用的依旧是ni/au金属，虽然led可弯曲但达不到不工作时透明的要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，在现有技术的基础上，本发明的目的是提供一种透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件结构及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，自下而上依次为：透明柔性衬底、石墨烯第一透明柔性电极、gan纳米棒阵列、石墨烯第二透明柔性电极、透明柔性材料；其中，gan纳米棒阵列自下而上依次为：n型gan、ingan/gan多层量子阱、p型gan。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，透明柔性衬底和透明柔性材料为聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氨酯薄膜或聚二甲基硅烷薄膜，厚度为500纳米至1毫米。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，石墨烯第一透明柔性电极中石墨烯为1～10层，石墨烯第二透明柔性电极具有1～10层单原子石墨层。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，n型gan为硅掺杂gan，p型gan为镁、锌或铍掺杂gan，ingan/gan多层量子阱为2～10层。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，n型gan为纳米棒阵列结构。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件的制备方法，包括以下步骤：

1)利用化学气相沉积的方法在cu箔片上生长石墨烯第一透明柔性电极；

2)在石墨烯第一透明柔性电极上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯；

3)将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯第一透明柔性电极/cu箔片放入fecl3溶液中腐蚀掉cu箔片；

4)将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯第一透明柔性电极转移到sio2/si衬底上；

5)用丙酮将聚甲基丙烯酸甲酯去除掉；

6)在石墨烯第一透明柔性电极上旋涂一层光刻胶；

7)利用光刻的方法在光刻胶上刻蚀出规则的阵列孔；

8)在阵列孔中生长n型gan纳米棒阵列；

9)在n型gan纳米棒阵列上生长ingan/gan多层量子阱；

10)在ingan/gan多层量子阱上生长p型gan；

11)转移光刻胶/gan纳米棒阵列/石墨烯第一透明柔性电极至透明柔性衬底；

12)利用去胶液去除光刻胶；

13)利用化学气相沉积方法在另一cu箔片上生长石墨烯第二透明柔性电极，并将石墨烯第二透明柔性电极转移至透明柔性材料；

14)将石墨烯第二透明柔性电极/透明柔性材料转移至p型gan上方，并使石墨烯第二透明柔性电极紧密接触p型gan。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件的制备方法，规则的阵列孔为正六边形、圆形、正方形、三角形或菱形，孔的间距为30纳米至5微米。

所述的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件的制备方法，生长n型gan纳米棒阵列、ingan/gan多层量子阱和p型gan纳米棒阵列的方法为金属有机物化学气相沉积、氢化物气相沉积或原子层沉积。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明克服已有的led结构以及技术存在的不足，结合光刻的技术，在石墨烯衬底上光刻出规则的窗口阵列，并在每个窗口里生长垂直结构的gan纳米棒ingan/gan量子阱，这样就不会造成类似于核/壳结构的侧面漏电。而且，由于光刻的图形转移技术，可发光的纳米棒阵列不仅排列规则，还可以排列成任意图形的发光点。同时，因为纳米棒都是垂直的且长度均匀，几乎所有的点都可以发光，这样就可以大大提高led的发光效率。最后在其顶端利用石墨烯作为p型电极和电流扩散层，制备成既透明又可弯曲的gan基纳米棒阵列led。利用石墨烯作为电极和电流扩散层，使得gan纳米棒阵列led既可弯曲又可在不工作时是透明状态。

2、本发明的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管在生活中将产生巨大的潜在应用。例如，可以集成到商用橱窗或者家用玻璃当中，作为照明或者显示屏；集成在汽车或飞机的挡风玻璃上作为抬头数字或图像显示；甚至集成在手机或者显示器中作为未来全透明柔性显示屏的透明点光源，等等。从而，使我们以往在科幻电影中看到的一幕幕变为现实，让我们的照明世界更加美丽、丰富多彩。

附图说明

为进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为透明柔性gan发光二极管的截面结构示意图；图中，1、透明柔性衬底；2、石墨烯第一透明柔性电极；3、n型gan；4、ingan/gan多层量子阱；5、p型gan；6、石墨烯第二透明柔性电极；7、透明柔性材料。

图3为透明柔性gan发光二极管的俯视结构示意图；图中，5、p型gan；7、透明柔性材料。

图4为透明柔性gan发光二极管受外力弯曲后的3d示意图。图中，1、透明柔性衬底；2、石墨烯第一透明柔性电极；3、n型gan；4、ingan/gan多层量子阱；5、p型gan；6、石墨烯第二透明柔性电极；7、透明柔性材料。

具体实施方式

如图1所示，透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件的制备方法，包括如下步骤：

1、利用化学气相沉积(cvd)的方法在cu衬底上制备单层石墨烯第一透明柔性电极；

2、将石墨烯层转移至sio2/si衬底上；

3、利用光刻的方法刻蚀出规则的阵列孔。规则的阵列孔为正六边形、圆形、正方形、三角形或菱形，孔的间距为30纳米至5微米。

4、在规则的阵列孔中生长gan纳米棒阵列led结构：n型gan纳米棒阵列、ingan/gan多层量子阱、p型gan，形成复合结构；生长n型gan纳米棒阵列、ingan/gan多层量子阱和p型gan纳米棒阵列的方法为金属有机物化学气相沉积(mocvd)、氢化物气相沉积(hvpe)或原子层沉积(ald)。

5、将gan纳米棒阵列/石墨烯第一透明柔性电极从sio2/si衬底转移到柔性透明衬底上，在gan纳米棒阵列的顶端转移一层石墨烯电极/柔性透明材料(石墨烯第一透明柔性电极)。

如图2-图4所示，本发明的透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件，自下而上依次为：透明柔性衬底1、石墨烯层(石墨烯第一透明柔性电极2)、gan纳米棒阵列(n型gan3、ingan/gan多层量子阱4、p型gan5自下而上复合结构)、石墨烯层(石墨烯第二透明柔性电极6)、透明柔性材料7。其中，透明柔性衬底1和透明柔性材料7为聚氯乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氨酯薄膜或聚二甲基硅烷薄膜，厚度为500纳米至1毫米。n型gan3为硅(si)掺杂gan，p型gan5为镁(mg)、锌(zn)或铍(be)掺杂gan，ingan/gan多层量子阱4为2～10层。石墨烯第一透明柔性电极2中石墨烯为1～10层，石墨烯第二透明柔性电极6具有1～10层单原子石墨层。石墨烯层既可以作为器件的电极，又可以作为电流扩散层。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例

如图1-图4所示，本实施例中透明柔性gan纳米棒阵列发光二极管器件的制备方法，具体步骤如下：

1)采用化学气相沉积的方法在cu箔片上生长单层石墨烯第一透明柔性电极2。

2)在石墨烯第一透明柔性电极2上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，pmma的厚度约为500纳米。

3)将pmma/石墨烯第一透明柔性电极2/cu箔片整体放入fecl3水溶液(0.6mol/l)中腐蚀掉cu。

4)将二氧化硅/硅衬底清洗干净并吹干，把pmma/石墨烯第一透明柔性电极2整体转移硅片覆盖有二氧化硅的一面上，二氧化硅层的厚度为100nm。

5)利用丙酮去除掉pmma。

6)在石墨烯第一透明柔性电极2上旋涂一层光刻胶，利用光刻的方法刻蚀出规整的正六边形阵列孔，正六边形的边长为100nm。

7)利用氢化物气相外延的方法，首先在正六边形窗口中生长硅掺杂的纳米棒阵列n型gan3(载流子浓度为5×10¹⁸cm^-3)，纳米棒长度控制在5微米。然后，在n型gan3顶部生长5个循环的ingan/gan多层量子阱4，ingan的厚度为3纳米，gan的厚度为12纳米。最后在ingan/gan多层量子阱4顶部生长厚度为400纳米的镁掺杂p型gan5(载流子浓度为6×10¹⁷cm^-3)。

8)将石墨烯第一透明柔性电极2/gan纳米棒阵列从sio2/si衬底转移到聚氯乙烯薄膜透明柔性衬底1上，之后利用去胶液去除光刻胶。

9)在gan纳米棒阵列的顶端转移石墨烯第二透明柔性电极6/聚氯乙烯柔性透明材料7，利用范德华力使石墨烯第二透明柔性电极6与p型gan5紧密接触，得到最终器件。

实施例结果表明，本发明垂直结构的gan纳米棒阵列，不仅不会造成类似于核/壳结构的侧面漏电。而且由于光刻的图形转移技术，可发光的纳米棒阵列排列规则，还可以排列成任意图形的发光点。同时，因为纳米棒都是垂直的且长度均匀，几乎所有的点都可以发光，这样就可以大大提高led的发光效率。利用石墨烯作为电极和电流扩散层，使得gan纳米棒阵列led既可弯曲又可在不工作时是透明状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。