氧化锌同质结基紫外激子极化发光二极管及其制备方法

1.本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种氧化锌同质结基紫外激子极化发光二极管及其制备方法。


背景技术：

2.近几十年来，紫外光源在生物分析、农业生产、水净化、通信、医学诊断等方面得到了广泛的应用。基于有机材料的紫外光源虽然有着大的输出面积以及多样化的结构，但是其发光强度低、光谱稳定性差、并且相应发光材料难以制备，所以其大规模应用仍然受限。得益于重量轻、高响应速度、体积小等优点，宽禁带半导体材料例如氮化镓(gan)、硫化镉(cds)、氧化镍(nio)、氧化锌(zno)等得到了广泛的应用。其中zno作为典型的宽禁带半导体(带隙3.37ev)，较gan基材料具有更高的激子束缚能(60mev)，可以在室温甚至高于室温的情况下实现与激子相关的发射。此外，zno还具有丰富的微纳结构、优异的光电特性和天然的光学谐振腔，并且其制造成本低，因此被广泛应用于发光二极管和探测器。与常见的异质结基光电器件相比，基于zno同质结的光电器件避免了异质结构产生的晶格失配以及缺陷等问题，但是目前通过各种方法(溶液合成、分子束外延、脉冲激光沉积等)制备的p型zno材料仍然存在产出不稳定、可重复性差、载流子浓度低、结晶质量差等问题。这些问题也严重地制约了zno同质结基光电器件的发展以及大规模应用。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的在于提供一种基于zno同质结构的紫外激子极化发光二极管的制备方法。选取具有六边形横截面、粗细均一、表面光滑的p-zno:sb微米线与n-zno薄膜结合构筑成高品质的同质结，从而避免常规异质结构生长或者构筑过程中产生的晶格失配及缺陷问题。
4.技术方案：本发明的氧化锌同质结基紫外激子极化发光二极管，包括n-zno衬底、石英片、p-zno:sb微米线、mgo绝缘层、au电极；在n-zno衬底平面的上端、下端、左端分别蒸镀mgo绝缘层，在左端mgo绝缘层上以及n-zno衬底平面的右端分别蒸镀au薄膜电极，在n-zno衬底中央固定p-zno:sb微米线并在其处于mgo绝缘层的一端上制备au薄膜电极，最后将石英片固定在p-zno:sb微米线上方。
5.其中p-zno:sb微米线的作用是提供高品质的谐振腔以及空穴，且其载流子浓度与迁移率均低于n-zno薄膜的载流子浓度与迁移率，因此载流子的辐射复合发生在微米线中，随之产生的光子也被限域在p-zno:sb微米线中，从而与激子(电子-空穴对)发生耦合相互作用，实现激子极化激元发光。
6.进一步地，所述p-zno:sb微米线具有六边形横截面，其直径约为10～15μm，载流子浓度10
17
～10
18
/cm3，载流子迁移率为1～5cm2/v
·
s。保证其低于n-zno衬底的载流子迁移率；此外本发明采用的p-zno:sb微米线拥有高的结晶质量，可以实现光泵浦激光，其天然的谐振腔也可以保证较长的激子寿命从而增加光子与激子耦合相互作用几率。
7.进一步地，所述n-zno衬底的厚度为440～460μm，其中zno层厚度为2.5～3μm，大小为1.2cm
×
0.6cm，载流子浓度为10
19
/cm3，载流子迁移率为25～50cm2/v
·
s，禁带宽度为3.37ev。
8.进一步地，左端的mgo绝缘层的厚度为0.08～0.1μm，蒸镀速率为上端和下端的mgo绝缘层的厚度为5～6μm，蒸镀速率为
9.进一步地，蒸镀在n-zno衬底上以及mgo绝缘层上的au薄膜电极的厚度为40～60nm，蒸镀速率为
10.进一步地，蒸镀在p-zno:sb微米线上方的au电极的厚度为0.1～0.15μm，蒸镀速率为微米线上下表面皆有au电极，可以更好保证载流子的注入。进一步地，所述石英片使用金属夹子固定在p-zno:sb微米线上方。
11.本发明还公开一种氧化锌同质结基紫外激子极化发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
12.步骤1、选取p-zno:sb微米线；
13.步骤2、清洗石英片以及n-zno衬底；
14.步骤3、将p-zno:sb微米线放置于在n-zno衬底上，并在p-zno:sb微米线上制备au电极；
15.步骤4、将石英片置于p-zno:sb微米线上方，利用金属夹子固定即完成p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外激子极化发光二极管的制备。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
17.1)本发明选取的p-zno:sb微米线具有良好的导电性且具有天然的高品质的谐振腔，通过选择载流子浓度与迁移率均低于n-zno薄膜的p-zno:sb微米线，使载流子的辐射复合发生在微米线中，实现了对光的限域，为光子与激子(电子-空穴对)发生耦合相互作用提供了良好的条件。
18.2)本发明结合p-zno:sb微米线与n-zno衬底，成功构筑了zno同质结，在正向偏压下实现了稳定的紫外发光，避免了传统异质结构器件构筑或者生长过程中导致的晶格失配、器件光谱稳定性差等问题，显著提高了发光二极管的可靠性，为构筑稳定可靠的紫外光源提供了新的解决方案；
19.3)本发明所构筑的p-zno:sb mw/n-zno同质结器件在正向偏压下的紫外发光呈现出典型的激子极化激元发光特性，为短波长的低阈值相干光源、同质结激光器和非线性光电器件的设计与构筑提供了重要参考。
附图说明
20.图1为本发明利用化学气相沉积法制备的p-zno:sb微米线的光学照片和sem图像；
21.图2为本发明制备的p-zno:sb微米线激发的光泵浦激光；
22.图3为本发明p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的制备流程图；
23.图4为本发明实施例一所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的i-v特性曲线；
24.图5为本发明实施例一所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的电致
发光光谱；
25.图6为在显微镜下拍摄本发明实施例一所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的发光图像；
26.图7为本发明实施例一所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管中p-zno:sb微米线的群折射率；
27.图8为本发明实施例一所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管能量-波矢色散曲线，其中数据点与共振峰峰值一一对应；
28.图9为本发明实施例二所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的电致发光光谱；
29.图10为本发明实施例二所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管中p-zno:sb微米线的群折射率；
30.图11为本发明实施例二所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管能量-波矢色散曲线，其中数据点与共振峰峰值一一对应；
31.图12为本发明实施例三所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管的电致发光光谱；
32.图13为本发明实施例三所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管中p-zno:sb微米线的群折射率；
33.图14为本发明实施例三所制备p-zno:sb mw/n-zno同质结紫外发光二极管能量-波矢色散曲线，其中数据点与共振峰峰值一一对应。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
35.实施例一：
36.选取的n-zno衬底总厚度为450μm，其中zno层厚度为3μm，大小为1.2cm
×
0.6cm，载流子浓度为2.6
×
10
19
/cm3，载流子迁移率为35cm2/v
·
s；所述p-zno:sb微米线的直径为10μm，长度为0.35cm，载流子(空穴)浓度为5.8
×
10
17
/cm3，载流子迁移率为3cm2/v
·
s；器件的阳极和阴极电极均为au电极。
37.以下为器件具体的制备方法：
38.第一步：选取具有六边形横截面、粗细均一、表面光滑的p-zno:sb微米线，直径为10μm，长度为0.35cm，载流子(空穴)浓度为5.8
×
10
17
/cm3，载流子迁移率为3cm2/v
·
s，其光学照片和sem图像如图1所示。
39.第二步：将n-zno衬底与石英片使用三氯乙烯溶液、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20分钟，接着使用氮气枪吹掉表面水分，最后放入干燥箱中烘干备用。
40.第三步：使用电子束蒸镀仪在干燥洁净的n-zno衬底(载流子浓度2.6
×
10
19
/cm3，电子迁移率35cm2/v
·
s)上制备mgo绝缘层，具体位置如图3中
①
所示(1处厚度为100nm，速率为2和3处厚度为5μm，速率为)；然后在mgo绝缘层以及n-zno衬底上沉积au薄膜，厚度为50nm，速率为具体位置可见图3中
②
。
41.第四步：将p-zno:sb微米线固定于n-zno衬底上，再用掩模板遮挡4/5长度，然后使用电子束蒸镀仪，在p-zno:sb微米线裸露的部分沉积au电极，厚度约为100nm，速率为
zno衬底注入的电子与p-zno:sb微米线中空穴复合几率变高，从而降低了激子的平均寿命。此外，n-zno衬底电子浓度的降低也影响了p-zno:sb微米线中激子的形成。因此，实施例二所制备发光二极管呈现出较低的激子-光子耦合强度，这一点也可以由高能区较低的群折射率(图10)以及(图11)能量-波矢色散曲线中展现的较低的拉比分裂能(379mev)所证实。
55.实施例三：
56.选取的n-zno衬底总厚度为450μm，其中zno层厚度为3μm，大小为1.2cm
×
0.6cm，载流子浓度为3.7
×
10
19
/cm3，载流子迁移率为31cm2/v
·
s；所述p-zno:sb微米线的直径为10μm，长度为0.35cm，载流子(空穴)浓度为5.8
×
10
17
/cm3，载流子迁移率为3cm2/v
·
s；器件的阳极和阴极电极均为au电极。
57.第一步：选取具有六边形横截面、粗细均一、表面光滑的p-zno:sb微米线，直径为10μm，长度为0.35cm，载流子(空穴)浓度为4.2
×
10
17
/cm3，载流子迁移率为3.6cm2/v
·
s。
58.第二步：将n-zno衬底与石英片使用三氯乙烯溶液、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20分钟，接着使用氮气枪吹掉表面水分，最后放入干燥箱中烘干备用。
59.第三步：使用电子束蒸镀仪在干燥洁净的n-zno衬底(载流子浓度3.7
×
10
19
/cm3，电子迁移率31cm2/v
·
s)，mgo绝缘层制备过程可完全参考实施例一。
60.第四、五步可完全参考实施例一。
61.完成器件的制备后，将制备好的单根zno同质结紫外发光二极管通入电源，采集并分析电致发光光谱等相关发光特性。
62.如图12所示，相较于实施例一与实施例二，实施例三所制备发光二极管的电致发光光谱呈现出较多且振荡较强的振荡峰。这可以归因于n-zno衬底中较高的载流子浓度。当器件在正向偏压下工作时，大量的电子由n-zno衬底一侧注入p-zno:sb微米线中，电子与空穴由于库仑相互作用形成激子的概率增加，激子的平均寿命变长。因此，实施例三所制备发光二极管中更容易发生激子-光子耦合相互作用，呈现出更强的激子-光子耦合强度。同样地，图13中展示的高能区较高的群折射率以及根据图14计算出的较高的拉比分裂能(437mev)也可以证明其相对于实施例一与实施例二较强的激子-光子耦合强度。
63.从以上三个实施例我们可以看出，本发明采用高结晶质量具有六边形横截面的p-zno:sb微米线，结合具有较高载流子浓度和迁移率的n-zno衬底构造p-zno:sb mw/n-zno同质结，保证了电子从n-zno衬底向p-zno:sb微米线的有效注入。并且利用p-zno:sb微米线天然的谐振腔对光的限域性，实现了光与物质的相互作用。对器件的发光光谱以及群折射率的分析证实了激子与光子的强耦合相互作用。本发明提供的zno同质结基紫外发光二极管的制备方法为短波长的低阈值相干光源、同质结激光器和非线性光电器件的设计与构筑提供了重要参考。