硅基红光发射增强异质结二极管及其制备方法与流程

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，涉及发光二极管，具体涉及金银合金纳米结构诱导硅基红光发射增强异质结二极管及其制备方法。

背景技术：

高纯硅是重要的半导体材料，其在太阳能电池、二极管、三极管、场效应管和集成电路等领域得到了广泛的应用。由于硅元素在地壳中储量巨大，仅次于氧元素，因此，硅基发光二极管具有极大的潜在应用价值。zno作为一种直接带隙半导体，在常温具有较高的激子束缚能(60ev)，同时，cvd方法制备的zno微纳结构具有良好的结晶度和四边形或六边形截面结构，这种天然的光学谐振腔使得zno微纳结构可用于制备微型发光器件。虽然许多研究小组对n-zno/p-si构筑的异质结发光二极管进行研究和改进，但由于si为间接带隙半导体，其表面也易形成一层绝缘的氧化物薄膜，使得所制备的发光二极管效率很低。在基础科学和应用技术，尤其是微型发光器件的研究中，微纳发光器件的研制及其发光强度与发光波长的调制成为研究热点之一。近年来，随着微纳米材料合成技术的发展，实现了金、银等贵金属纳米结构的可控合成，贵金属纳米结构因其具有良好的等离激元光学效应，尤其是局域场增强特性已被用于光电子、能源、生物医学等领域。其中，金银合金纳米棒(auagnrs)不仅具有可调的光学特性，而且具有高的化学稳定性和热稳定性。本发明通过表面旋涂的方式，构筑了auagnrs@n-zno:ga/p-si复合结构异质结二极管，实现了对si基异质结发光二极管发光强度的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅基红光发射增强异质结二极管及其制备方法。将auagnrs旋涂在结晶质量优异的n-zno:ga微米线表面，以p-si为基底构筑异质结发光二极管。利用auagnrs等离激元共振，实现了si基二极管红光发射的增强。由于大气和生物组织的红光与红外窗口效应，该红光发射增强二极管可被应用于制作生物医学、探测等微型器件的光源。

为实现上述目的，本发明所述硅基红光发射增强异质结二极管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将p-si基底退火，之后对其进行清洗，保持其平整干净；

(2)在清洗过的p-si基底上镀ni/au电极；

(3)在n-zno:ga微米线上旋涂制备好的auagnrs；

(4)将ito清洗，保持其平整干净；

(5)将在步骤(3)中得到的auagnrs@n-zno:ga复合结构微米线放置在步骤(2)中得到的p-si基底上，再将步骤(4)中清洗完毕的ito覆盖在结构微米线上，即可构筑硅基红光发射增强异质结二极管。

步骤(1)所述p-si基底退火、清洗的方法：将p-si基底置于高温管式炉中，保持ar气气氛，以600℃～650℃退火，退火时间为20min。之后将p-si基底从高温管式炉中取出，以氮气枪使其迅速冷却。再将其放入三氯乙烯中，再放入超声清洗仪中清洗20min，清洗完成后将其分别放入丙酮、乙醇、超纯水中以同样的方法清洗20分钟。最后，将清洗过的基底以氮气枪吹干。其中，p-si基底的尺寸为2cm*2cm。

步骤(2)所述p-si基底ni/au电极的制备：用掩模板将p-si基底覆盖住一部分，利用电子束蒸镀仪，在裸露部分蒸镀上ni/au电极，电极的厚度为20～40nm。所得到的电极与p-si基底为欧姆接触，作为异质结的阳极。

步骤(3)所述在n-zno:ga微米线上旋涂制auagnrs的制作：将合成的auagnrs以超纯水离心清洗，取一根结晶质量完好的zno:ga微米线，将清洗后的auagnrs滴在微米线上后烘干。

步骤(4)所述清洗ito的方法：将ito置入玻璃烧杯中，分别以三氯乙烯、丙酮、乙醇和超纯水清洗，之后以氮气枪吹干。

步骤(5)所述构筑红光发射增强异质结的方法：在光学显微镜下，将复合结构微米线置于p-si基底上，使微米线和基底充分接触，再将ito置于微米线上。ito为阴极，同时使器件实现良好接触。ni/au电极和微米线、导电玻璃不接触。电子是从ito传递到n-zno:ga微米线，空穴是从ni/au电极传递到p-si基底，电子和空穴在n-zno:ga微米线和p-si基底接触区域复合发光，形成异质结结构。

本发明的有益效果为：通过构筑auagnrs@n-zno:ga/p-si异质结结构，当施加正向偏压时，出现了明显的红光增强现象。本发明通过等离激元共振的方式，极大的改善了si基发光二极管发光强度弱的问题。

附图说明

图1为本发明硅基红光发射增强异质结二极管的示意图，(a)蒸镀在p-si基底上的ni/au电极；(b)p-si基底；(c)ito导电玻璃；(d)auagnrs@n-zno:ga复合结构微米线。

图2为本发明硅基红光发射增强异质结二极管的整流特性曲线。

图3为本发明n-zno:ga/p-si异质结(a)与auagnrs@n-zno:ga/p-si异质结(b)的发光照片的对比。

图4为本发明n-zno:ga/p-si异质结与auagnrs@n-zno:ga/p-si异质结在同一电流下发光光谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述。

所述硅基红光发射增强异质结二极管中，所采用的金属纳米结构为auagnrs；采用的基底为p-si，其厚度为365～385μm，尺寸为2cm*2cm，电阻率为0.001～0.005ω·cm，晶向为<100>方向；p-si基底上电极厚度20～40nm；所述n-zno:ga微米线的电子浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³，电子迁移率为5～100cm²/v·s；采用ito的尺寸为1.5cm*2cm。

实施例1：

第一步：将p-si基底置于高温管式炉中进行热退火，退火时间为20min，退火温度为600℃。退火之后，将基底从管式炉中取出，立即以氮气枪将其冷却。再将其分别以三氯乙烯、丙酮、乙醇、超纯水超声清洗20min，清洗后用氮气枪将其吹干，保持其平整干燥，之后放入干燥柜中备用。

第二步：将清洗好的p-si基底用掩模板覆盖住一部分，将其置入电子束蒸镀仪中，将裸露部分蒸镀ni/au电极，形成35nm厚的电极，并测试电极与p-si基底之间的导电特性，确定其是否为欧姆接触。

第三步：将制备好的auagnrs样品以离心机离心清洗一次，分散在超纯水中。再取一根六边形n-zno:ga微米线，确保其结晶质量完好，放于干净的载玻片上，将其置于光学显微镜下，取一滴清洗好的auagnrs样品滴在微米线上，再将其放入真空干燥箱中，抽真空并以60℃干燥一小时，再将其取出备用。

第四步：取一块ito，将其裁成1.5cm*2cm，用无尘布将其表面碎玻璃擦拭干净，将其置入干净的烧杯中，分别以三氯乙烯、丙酮、乙醇和超纯水超声清洗20min，之后将其以氮气枪吹干，放入干燥柜中备用。

第五步：取一片处理完成的p-si基底，置于显微镜下，在用镊子取一根旋涂auagnrs的六边形微米线，置于p-si基底未蒸镀ni/au电极的部分，保证其充分接触。取一片处理完成的ito，压在复合结构微米线上，确保微米线与ito、微米线与p-si基底之间接触良好，即可构筑硅基红光发射增强异质结二极管。

第六步：重复上述第一、二、四、五步，制备一个未旋涂auagnrs的n-zno:ga/p-si异质结发光二极管作为对照组，与步骤五制备的auagnrs@n-zno:ga/p-si异质结发光二极管形成对比。

第七步：测量第五步和第六步制备的异质结发光二极管的整流性质，拍摄发光视频，测量发光光谱，并将发光照片、发光光谱进行对比，如图2、3、4所示。随着注入电流的增加，两种异质结二极管的发光强度都得到提高，但是旋涂auagnrs的auagnrs@n-zno:ga/p-si异质结发光二极管的发光强度明显强于对照组。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。