本发明涉及纳米阵列led领域，特别涉及垂直结构纳米阵列led及其制备方法。
背景技术
发光二极管(led)作为一种新型固态照明光源和绿色光源，具有体积小、高亮度、低能耗、环保、使用寿命长等显著优点，在军、民用照明、装饰工程、农业种植、边防牧哨等领域均有广泛的应用。
目前的主流的led材料便是以iii族氮化物为主，该种材料相比于前两代照明材料更为优异的材料特性是led性能优良的前提与保障。但也是由于iii族氮化物单晶制备困难，导致gan基薄膜需采用异质外延方法生长，生产成本高、衬底选择性窄，薄膜外延生长质量受限于iii族氮化物材料与衬底材料之间晶格匹配，进一步限制了iii族氮化物基led的性能提升。除此之外，由传统横向结构导致的led器件发光面积与电流拓展性能受限也严重限制水平结构led光效的提升。因此，急需寻找一种可同时满足高光效又可实现良好电流拓展的新型led器件制备方法。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供有效发光区域大、可满足垂直结构电流分布的垂直结构纳米阵列led。
本发明的目的之二在于提供该垂直结构纳米阵列led的制备方法。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种垂直结构纳米阵列led，包括在衬底上依次复合的底电极层、第一石墨烯层、伞状gan纳米柱阵列层、p型gan薄膜、alxinyga1-x-yn薄膜、第二石墨烯层和顶电极层；所述第一石墨烯层上复合有图形化隔离层；其中，x＝0-0.35，y＝0-0.07；所述伞状gan纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的gan纳米柱芯、n型gan纳米内壳和in(al)gan纳米外壳。
进一步地，所述伞状gan纳米柱阵列层的高度为400-800nm，内壳的厚度为15-50nm，外壳的厚度为5-15nm。
进一步地，所述底电极层厚度为50-300nm、所述伞状gan纳米柱阵列层的高度400-800nm、所述p型gan薄膜的厚度为30-100nm、所述alxinyga1-x-yn薄膜的厚度为20-100nm、所述顶电极层的厚度为3-12nm。
进一步地，所述伞状gan纳米柱的柄部与第一石墨烯层电性连接、顶部与p型gan薄膜电性连接。
进一步地，所述底电极层的材料为au、pt或au/ni/al/ti复合金属。
进一步地，所述图形化隔离层的材质为sin、sin2、sio2或al2o3。
进一步地，所述图形化隔离层是通过对隔离层材料掩膜、喷金属硬膜、刻蚀、去金属硬膜洗涤而成，所述金属硬膜材料为zn、ti或cu。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种制备上述的垂直结构纳米阵列led的制备方法，依次包括：
制备底电极层步骤：采用电子束蒸发方法在衬底上蒸镀金属电极，形成底电极层；
复合第一石墨烯层步骤：在底电极层上贴附多层石墨烯膜形成第一石墨烯层；
制备图形化隔离层步骤：通过磁控溅射或等离子体辅助化学气相沉积在第一石墨烯层的表面溅射隔离层，掩膜在隔离层上溅射金属硬膜，对金属硬膜进行刻蚀，湿法腐蚀去金属硬膜，得到图形化隔离层；
制备伞状gan纳米柱阵列层步骤：通过mocvd，在5×10-7-8×10-10pa真空度、腔体温度为800-880℃、反应室压力为150-200torr条件下，在图形化隔离层上生长伞状gan纳米柱芯；将腔体温度升至1000-1100℃、反应室压力降为100-150torr，在伞状gan纳米柱芯外生长n型gan纳米内壳；将腔体温度降至750-900℃、反应室压力降为50-100torr，通入in源和al源，在n型gan纳米内壳外生长in(al)gan纳米外壳；
生长p型gan薄膜步骤：将反应腔温度升至1000-1150℃，以cp2mg为掺杂源，在伞状gan纳米柱阵列层生长掺杂浓度为3×1013-8×1015p型gan薄膜；
生长alxinyga1-x-yn薄膜步骤：将反应腔温度降至900-950℃，在p型gan薄膜上生长alxinyga1-x-yn薄膜，厚度为20-100nm，x＝0-0.35，y＝0-0.07；
复合第二石墨烯层步骤：在alxinyga1-x-yn薄膜贴附多层石墨烯膜形成第二石墨烯层；
制备顶电极层步骤：采用磁控溅射/电子束蒸发法，在5×10-5-8×10-8pa真空度下制备顶电极层；顶电极层材料为au或pt，厚度为3-12nm。
进一步地，制备底电极层步骤中，腔室真空度为5×10-4-8×10-6pa，蒸镀厚度为50-300nm金属电极，金属材料为au、pt或au/ni/al/ti复合金属。
进一步地，制备伞状gan纳米柱阵列层步骤中，in组分浓度为3-9％，al的组分浓度为3-9％。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明的垂直结构纳米阵列led，通过结合石墨烯铺层、复合图形化隔离层选区生长伞状gan纳米柱阵列层，可有效解决ii族氮化物材料外延生长受限的情况，大幅降低生产成本；可适用于多种材料的衬底，有别于传统的外延方法受限于衬底与材料间晶格匹配问题；
2)本发明的垂直结构纳米阵列led采用伞形gan纳米柱阵列，可有效增加led有效发光面积并降低器件电极加工难度，增大led整体打光面积、利用其生长自限性避免膜层材料中器件性能受结晶质量限制并某种程度上增大led散热，利于高光效高功率led应用；
3)本发明通过复合图形化隔离层的选区作用，使伞状gan纳米柱阵列生长过程的自限，有效控制伞形led生长的分布和密度，限定生长取向垂直向上，实现伞形纳米结构生长可控从而能有效减少失配造成大面积材料缺陷对led光电性能影响；
4)本发明采用石墨烯复合顶电极，大幅增大led有效发光面积，有利于实现高光效led的制备；
5)本发明垂直结构纳米阵列led，有效解决led电流扩展性受限导致发光暗区现象，有效提高led器件性能。
附图说明
图1为实施例1的层叠结构示意图；
图2为实施例1的俯视结构示意图；
图中，各附图标记：1、衬底；2、底电极层；3、第一石墨烯层；4、图形化隔离层；5、纳米外壳；6、n型gan纳米内壳；7、gan纳米柱芯；8、p型gan薄膜；9、alxinyga1-x-yn薄膜；10、第二石墨烯层；11、顶电极层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
以下具体实施例中记载的“第一”和“第二”仅用于区别，而并非隶属或先后逻辑关系。
本发明制备一种垂直结构纳米阵列led，如图1所示，包括在衬底1上依次复合的底电极层2、第一石墨烯层3、伞状gan纳米柱阵列层、p型gan薄膜8、alxinyga1-x-yn薄膜9、第二石墨烯层10和顶电极层11；所述第一石墨烯层3上复合有图形化隔离层4；其中，x＝0-0.35，y＝0-0.07；所述伞状gan纳米柱阵列层自核向壳包括依次复合的gan纳米柱芯7、n型gan纳米内壳6和in(al)gan纳米外壳5。其中，in(al)gan纳米外壳5是由in、ga、al三种金属元素形成的三元合金化合物。
第一石墨烯层3主要用于缓解gan生长过程中的晶格失配，突破该生长工艺对衬底1选择的限制；图形化隔离层4用于限制伞状gan纳米柱阵列层的生长，有效控制伞形led生长的分布和密度，限定生长取向垂直向上；伞状gan纳米柱阵列层增加led有效发光面积并降低器件电极加工难度。
本发明中的底电极层2或顶电极层11为单层的金属箔或是由多层金属依次复合而成的复合金属片。
本发明制备的垂直结构微观阵列led平面示意图如图2所示，伞状gan纳米柱阵列层中，阵列间距为150-1000nm。
实施列1：
一种垂直结构纳米阵列led的制备方法，依次包括：
制备底电极层2步骤：清洗衬底1表面，采用电子束蒸发法，腔室真空度为9×10-4pa，在衬底1上蒸镀50nm的au，形成底电极层2；
复合第一石墨烯层3步骤：在底电极层2上贴附多层石墨烯膜形成第一石墨烯层3；
制备图形化隔离层4步骤：通过磁控溅射在第一石墨烯层3的表面溅射200nmsio2隔离层，在sio2隔离层盖掩膜板在隔离层上溅射50nm的图形化钛膜，对钛膜进行干法刻蚀，湿法腐蚀去钛膜，5％稀盐酸与去离子水超声清洗，得到图形化隔离层4；
制备伞状gan纳米柱阵列层步骤：通过mocvd，在8×10-10pa真空度、腔体温度为850℃、反应室压力为200torr条件下，在图形化隔离层4上生长伞状gan纳米柱芯7；将腔体温度升至1100℃、反应室压力降为100torr，在伞状gan纳米柱芯7外生长15nm厚n型gan纳米内壳6，掺杂源为sih4，掺杂浓度为8×1019cm-2；将腔体温度降至900℃、反应室压力降为50torr，入tmin作为in源，tmal作为al源，富in气氛下，在n型gan纳米内壳6外生长5nm厚in(al)gan纳米外壳5，in组分浓度为7％，al组分浓度为5％；
生长p型gan薄膜8步骤：将反应腔温度升至1150℃，以cp2mg为掺杂源，在伞状gan纳米柱阵列层生长厚度为35nmp型gan薄膜8，掺杂浓度为3×1013cm-2；
生长alxinyga1-x-yn薄膜9步骤：将反应腔温度降至900℃，在p型gan薄膜8上生长alxinyga1-x-yn薄膜9，厚度为20nm，x＝0.35，y＝0；
复合第二石墨烯层10步骤：在alxinyga1-x-yn薄膜9贴附多层石墨烯膜形成第二石墨烯层10；
制备顶电极层11步骤：采用磁控溅射/电子束蒸发法，在5×10-5pa真空度下制备顶电极层11；顶电极层11材料为au，厚度为8nm。
实施列2：
一种垂直结构纳米阵列led的制备方法，依次包括：
制备底电极层2步骤：清洗衬底1表面，采用电子束蒸发法，腔室真空度为6×10-6pa，在衬底1上蒸镀150nm的au，形成底电极层2；
复合第一石墨烯层3步骤：在底电极层2上贴附多层石墨烯膜形成第一石墨烯层3；
制备图形化隔离层4步骤：通过磁控溅射在第一石墨烯层3的表面溅射250nm的sin隔离层，在sin隔离层盖掩膜板在隔离层上溅射80nm的图形化铜膜，对铜膜域进行干法刻蚀，湿法腐蚀去铜膜，5％稀盐酸与去离子水超声清洗，得到图形化隔离层4；
制备伞状gan纳米柱阵列层步骤：通过mocvd，在9×10-9pa真空度、腔体温度为880℃、反应室压力为180torr条件下，在图形化隔离层4上生长伞状gan纳米柱芯7；将腔体温度升至1050℃、反应室压力降为130torr，在伞状gan纳米柱芯7外生长25nm厚n型gan纳米内壳6，掺杂源为sih4，掺杂浓度为8×1017cm-2；将腔体温度降至800℃、反应室压力降为80torr，通入tmin作为in源，tmal作为al源，富in气氛下，在n型gan纳米内壳6外生长10nm厚in(al)gan纳米外壳5，in组分浓度为3％，al组分浓度为6％；
生长p型gan薄膜8步骤：将反应腔温度升至1100℃，以cp2mg为掺杂源，在伞状gan纳米柱阵列层生长厚度为80nm的p型gan薄膜8，掺杂浓度为8×1014cm-2；
生长alxinyga1-x-yn薄膜9步骤：将反应腔温度降至920℃，在p型gan薄膜8上生长alxinyga1-x-yn薄膜9，厚度为80nm，x＝0.20，y＝0.04；
复合第二石墨烯层10步骤：在alxinyga1-x-yn薄膜9贴附多层石墨烯膜形成第二石墨烯层10；
制备顶电极层11步骤：采用磁控溅射/电子束蒸发法，在5×10-5pa真空度下制备顶电极层11；顶电极层11材料为pt，厚度为12nm。
实施列3：
一种垂直结构纳米阵列led的制备方法，依次包括：
制备底电极层2步骤：清洗衬底1表面，采用电子束蒸发法，腔室真空度为5×10-4pa，在衬底1上蒸镀300nm的au/ni/al/ti复合金属，形成底电极层2；
复合第一石墨烯层3步骤：在底电极层2上贴附多层石墨烯膜形成第一石墨烯层3；
制备图形化隔离层4步骤：通过磁控溅射在第一石墨烯层3的表面溅射300nm的al2o3隔离层，在al2o3隔离层盖掩膜板在隔离层上溅射100nm的图形化铜膜，对铜膜进行干法刻蚀，湿法腐蚀去铜膜，5％稀盐酸与去离子水超声清洗，得到图形化隔离层4；
制备伞状gan纳米柱阵列层步骤：通过mocvd，在9×10-9pa真空度、腔体温度为880℃、反应室压力为180torr条件下，在图形化隔离层4上生长伞状gan纳米柱芯7；将腔体温度升至1050℃、反应室压力降为150torr，在伞状gan纳米柱芯7外生长30nm厚n型gan纳米内壳6，，掺杂源为sih4，掺杂浓度为6×1017cm-2；将腔体温度降至800℃、反应室压力降为80torr，通入tmin作为in源，tmal作为al源，富in气氛下，在n型gan纳米内壳6外生长12nm厚in(al)gan纳米外壳5，in组分浓度为9％，al组分浓度为3％；
生长p型gan薄膜8步骤：将反应腔温度升至1000℃，以cp2mg为掺杂源，在伞状gan纳米柱阵列层生长厚度为80nm的p型gan薄膜8，掺杂浓度为3×1013/cm-2；
p型gan薄膜8退火激活:在p型gan薄膜8生长完成后，反应腔降至500℃，在反应室压力为100torr、纯n2气氛条件下，将p型gan薄膜8进行退火激活，激活时间为8-10min；
生长alxinyga1-x-yn薄膜9步骤：将反应腔温度降至900℃，在p型gan薄膜8上生长alxinyga1-x-yn薄膜9，厚度为80nm，x＝0.10，y＝0.06；
复合第二石墨烯层10步骤：在alxinyga1-x-yn薄膜9贴附多层石墨烯膜形成第二石墨烯层10；
制备顶电极层11步骤：采用磁控溅射/电子束蒸发法，在8×10-6pa真空度下制备顶电极层11；顶电极层11材料为au，厚度为5nm。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。