一种基于斜向ZnO纳米线/GaNpn结的LED及制备方法与流程

本发明涉及半导体的技术领域，特别涉及一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led及其制备方法。

背景技术：

目前，半导体材料和器件的研究已经进入了以gan和zno为代表的第三代半导体时代，它们作为宽禁带半导体的代表，禁带宽度远大于si、ge、gaas等，具有直接带隙，是制备蓝光led的首选材料，使得白光led成为可能，有希望实现更持久，高效的led灯光代替原来的普通照明。虽然gan和zno分属iii-v族和ii-iv族，但它们的晶体结构相同，晶格常数相差不大(二者的晶格失配率仅1.8％)，都具有较高的化学稳定性，耐高温，耐击穿等特性。可直接利用化学气相沉积或水热法在gan的c极性面生长垂直结构的zno纳米线阵列，这种zno纳米线/gan异质结结构可以有效地提高载流子注入效率，提高光取出率。同时，zno纳米线具有高的比表面积，表面效应显著增强，其表面效应增强了zno材料的发光性能。然而，现有的zno纳米线/gan异质结结构的led中zno纳米线均为垂直生长的纳米线阵列，但垂直的纳米线阵列存在出光面积小和上电极难制备困难等问题，并不能最大程度上利用zno纳米线提高led的光取出率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led及制备方法，提高led的光取出率，增大led的发光面积。

本发明提供一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led，其特征在于，n型斜向生长的zno纳米线阵列生长于p型半极性(11-22)面gan外延层，斜向zno纳米线阵列中的空隙被聚合物填充，聚合物填充的斜向zno纳米线阵列的上面为一层导电薄膜，作为负极，斜向生长的zno纳米线阵列的顶端伸入到导电薄膜内；正极位于斜向生长的zno纳米线阵列侧旁的p-gan层台面上。

本发明的n型斜向生长的zno纳米线阵列生长于p型半极性(11-22)面gan外延层结构：最底层为al2o3衬底，在al2o3衬底上依次为未掺杂半极性面(11-22)的gan外延层、掺mg半极性面(11-22)的p-gan外延层，在掺mg的p型gan层上生长有n型斜向生长的zno纳米线阵列。

所述的n型斜向zno纳米线阵列与生长平面掺mg半极性面(11-22)的p-gan外延层的夹角为30～35度。

所述的n型斜向zno纳米线阵列中纳米线的尺寸均匀一致，长度和粗细可根据需要调控。

所述的未掺杂半极性面(11-22)的gan外延层厚度为2～5μm。

所述的掺mg半极性面(11-22)的p-gan外延层的厚度为0.2～1μm。

所述的掺mg半极性面(11-22)的p-gan外延层的载流子浓度为1～3×10¹⁷cm^-3。

本发明还提供一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led的制作方法，本发明采取以下技术方案，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依次生长未掺杂半极性面(11-22)的gan层和掺mg半极性面(11-22)的p-gan层；

步骤2：采用水热法在掺mg半极性面(11-22)的p-gan层上制备斜向生长的zno纳米线阵列；

步骤3：在斜向zno纳米线阵列上旋凃填充透明、绝缘的聚合物；

步骤4：刻蚀聚合物，使斜向zno纳米线露出顶端部分；

步骤5：在斜向zno纳米线阵列上制备一层导电薄膜，作为负极；

步骤6：在掺mg半极性面(11-22)的p-gan层的上表面一侧制备正极，完成斜向zno纳米线/ganpn结的led的制作。

本发明与现有技术相比具有的优点：

本发明利用zno与gan晶格失配度低的特点直接在半极性面(11-22)的gan外延层上直接生长密度均匀的斜向zno纳米线阵列。相对于垂直生长的zno纳米线阵列，斜向zno纳米线阵列增大了出光面积，能更大程度的提高了led的光取出率。并且器件的工艺步骤少，成本低，易于实现大规模生产。

附图说明

图1本发明的剖面图；

图2本发明的制备流程；

(a)-(f)为制备过程的步骤示意图。

图中：1-衬底2-未掺杂gan外延层3-掺mgp-gan外延层4-斜向zno纳米线阵列5-聚合物6-导电薄膜(负极)7-正极；

图3为本发明中实施例1制备的斜向zno纳米线阵列的扫面电子显微镜照片。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供了一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led。所述n型斜向生长的zno纳米线阵列4生长于p型半极性(11-22)面gan外延层3，斜向zno纳米线阵列被聚合物5填充，其上一层为导电薄膜6，作为负极，正极7位于p-gan层上斜向生长的zno纳米线阵列的另一侧的台面；

所述半极性面(11-22)的gan层包括掺mg的p型gan层和生长在m面al2o3衬底1上未掺杂的gan层2。

在本发明中，所述n型斜向zno纳米线阵列与生长平面p-gan层的夹角为30～35度。

所述n型斜向zno纳米线阵列中纳米线的尺寸均匀一致，长度和粗细可控。所述斜向zno纳米线长度优选为5～6μm；所述n型斜向zno纳米线的直径优选为100～200nm。

在本发明中，所述n型斜向zno纳米线阵列被聚合物填充。所述聚合物应具有的特性为透明、绝缘，优选材料为pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)。

在本发明中，所述半极性面(11-22)的gan层包括掺mg的p型gan层和生长在m面al2o3上未掺杂的gan层。本发明对衬底厚度没有要求，使用本领域人员熟知的厚度即可；在本发明中，所述未掺杂半极性面(11-22)的gan外延层的厚度优选为2～5μm；所述的掺mg半极性面(11-22)的p-gan外延层厚度为0.2～1μm；所述的掺mg的p-gan外延层的载流子浓度优选为1～3×10¹⁷cm^-3。

在本发明中，所述导电薄膜位于斜向zno纳米线阵列之上，作为负极。本发明对所述正极的材质没有特殊要求，使用本领域中常规的电极即可；所述导电薄膜的材质优选为ito(氧化铟锡)；所述导电薄膜的厚度优选为80～180nm。

在本发明中，所述正极位于p-gan层另一侧的台面。本发明对所述正极的材质没有特殊要求，使用本领域中常规的电极即可；所述正极材质优选为ni/au；所述ni层的厚度优选为10～60nm；所述au层厚度优选为30～300nm。

请参阅图2并结合参阅图1所示，本发明还提供一种基于斜向zno纳米线/ganpn结的led的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：通过mocvd(金属有机化学气相沉积)在m面al2o3衬底上依次生长未掺杂半极性面(11-22)的gan层和掺mg半极性面(11-22)的p-gan层，如附图2(a)所示；

步骤2：采用水热法在p-gan层上制备斜向生长的zno纳米线阵列，取一定量用于zno纳米线生长的前体液于水热反应釜中，将样品的gan层一侧朝下放置，使其漂浮在溶液中，在一定温度下反应生长斜向zno纳米线，如附图2(b)所示；

步骤3：在斜向zno纳米线阵列上旋凃透明、绝缘的聚合物，如附图2(c)所示；

步骤4：通过icp(感应耦合等离子刻蚀)来刻蚀聚合物，刻蚀深度为50～100nm，使斜向zno纳米线露出顶端部分，如附图2(d)所示；

步骤5：在斜向zno纳米线阵列上制备导电薄膜，作为负极，使其将斜向zno纳米线头部覆盖，完成斜向zno纳米线/ganpn结的led的制作，如附图2(e)所示。

步骤6：采用电子束蒸发法在p-gan层另一侧台面上制备正极，如附图2(f)所示。

本发明对上述方案中采用的电子束蒸发法、感应耦合等离子刻蚀的具体操作方法和条件没有特殊的要求，使用本领域人员熟知的操作方法和条件即可。

在本发明中，所述水热法所使用的溶液为锌盐和六亚甲基四胺组成的前体液。在本发明中，所述锌盐优选为zn(no3)2·6h2o(六水合硝酸锌)；所述锌盐和六亚甲基四胺的摩尔比优选为1：1～1：2；所述锌盐的浓度优选为2.5～20mmol/l；所述六亚甲基四胺的浓度优选为2.5～40mmol/l，其作用为封端剂并提供碱性环境，调节zno纳米线长径比的同时促进zno纳米线的生长。

在本发明中，所述水热反应的温度优选为70～90℃；所述水热反应的时间优选为7～24h。

下面通过实施例对本发明进行进一步说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例。

实施例1

通过金属有机化学气相沉积(mocvd)在m面al2o3衬底上依次生长4μm厚的未掺杂半极性面(11-22)的gan层和0.4μm掺mg半极性面(11-22)的p-gan层；

在gan外延片上进行光刻，光刻出用于斜向zno纳米线阵列生长的区域；

将zn(no3)2·6h2o10mmol和hmta10mmol溶解于1l去离子水中，搅拌均匀，作为斜向zno纳米线阵列生长的前体液；取100ml前体液于水热反应釜中，将样品gan层一侧朝下放置，使其漂浮在液面上，在80℃下持续生长8h；将长有斜向zno纳米线阵列的样品用去离子水冲洗，之后用氮气吹干；

使用扫描电子显微镜对得到的斜向zno纳米线阵列进行观察，如图3所示；由图3看出斜向zno纳米线阵列的倾斜角度为30～35度，平均直径为200nm，平均长度为2μm；

采用甩胶机把pmma涂覆与斜向zno纳米线阵列间隙，使pmma将斜向zno纳米线阵列覆盖；

通过感应耦合等离子刻蚀(icp)来刻蚀pmma，刻蚀深度为80nm，使斜向zno纳米线露出顶端部分；

采用电子束蒸发在斜向zno纳米线阵列头部溅射150nm厚的ito薄膜，使其将斜向zno纳米线阵列顶端覆盖，作为负极；

在gan外延片上进行光刻，依次通过甩胶、前烘、曝光、显影在p-gan层一侧台面上制备出正极电极区域，然后采用电子束蒸发制备ni/au(20nm/100nm)，在400℃的空气氛围下退火5分钟，作为正极，完成斜向zno纳米线/ganpn结的led的制作。

实施例2

通过金属有机化学气相沉积(mocvd)在m面al2o3衬底上依次生长4μm厚的未掺杂半极性面(11-22)的gan层和0.4μm掺mg半极性面(11-22)的p-gan层；

在gan外延片上进行光刻，光刻出用于斜向zno纳米线阵列生长的区域；

将zn(no3)2·6h2o15mmol和hmta15mmol溶解于1l去离子水中，搅拌均匀，作为斜向zno纳米线阵列生长的前体液；取100ml前体液于水热反应釜中，将样品gan层一侧朝下放置，使其漂浮在液面上，在80℃下持续生长20h；将长有斜向zno纳米线阵列的样品用去离子水冲洗，之后用氮气吹干；

在扫描电子显微镜下观察，得到斜向zno纳米线阵列的倾斜角度为30～35度，平均直径为300nm，平均长度为4μm；

采用甩胶机把su8光刻胶涂覆与斜向zno纳米线阵列间隙，使光刻胶将斜向zno纳米线阵列覆盖；

通过感应耦合等离子刻蚀(icp)来刻蚀光刻胶，刻蚀深度为80nm，使斜向zno纳米线露出顶端部分；

采用电子束蒸发在斜向zno纳米线阵列头部溅射150nm厚的ito薄膜，使其将斜向zno纳米线阵列顶端覆盖，作为负极；

在gan外延片上进行光刻，依次通过甩胶、前烘、曝光、显影在p-gan层一侧台面上制备出正极电极区域，然后采用电子束蒸发制备ni/au(20nm/100nm)，在400℃的空气氛围下退火5分钟，作为正极，完成斜向zno纳米线/ganpn结的led的制作。