一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體的製作方法

2023-10-22 16:41:17 2

一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體,包括自下而上依次設置的藍寶石襯底(101)、二氧化矽絕緣層(102)、氮化鎵緩衝層(103)，所述氮化鎵緩衝層(103)的矩形刻蝕槽一側邊上設置有p區電極(106)，而與該側邊相對的另一側邊上設置有塊狀n+-ZnO(104)，所述塊狀n+-ZnO(104)上設置有ITO-ZnO薄膜的n區電極(105)，還包括ZnO納米棒陣列(107)，所述ZnO納米棒陣列的兩端分別設置有n型區和p型區，同時所述ZnO納米棒陣列通過p型區、n型區分別與p區電極(106)、塊狀n+-ZnO(104)連接,本發明不僅光提取效率高，而且電子的注入效率高同時成本低。
【專利說明】一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種以橫向氧化鋅納米棒陣列結構作為有源發光區結構的LED晶片， 本發明屬於光電子材料與器件製造領域。

【背景技術】
[0002] 近年來，LED作為新型的固體光源，因為其節能、環保、壽命長、高效、體積小、易於 和微電子器件集成、易於批量生產、低工作電壓等優點而得到廣泛關注，在全世界範圍內迅 速發展並獲得廣泛應用。
[0003] 傳統的LED通常採用垂直結構，文獻：陸大成，段樹坤.金屬有機物化合物氣相外 延基礎及應用.[M].北京：科學出版社，2009,公開了一種LED結構，其LED結構是通過自下 而上生長多層薄膜並根據需要對薄膜進行摻雜的方法得到。如圖1所示，在藍寶石襯底上 生長GaN薄膜，分別採用Si和Mg對GaN進行摻雜形成η型區和p型區。用量子阱或超晶 格作為有源發光區，能夠有效地提高發光效率。但在大注入電流情況下，會出現發光波長的 藍移。解決方法是通過增加量子阱的厚度或量子阱的個數來減小能帶填充效應，以此降低 光譜藍移程度，而這勢必會大大增加成本。另外，要將LED作為光源使用，LED必須具有高 的光提取效率，為此有人採取了在LED晶片頂層製作圖形化透明導電材料或表面等離子激 元的方法，有效地提高了光提取效率。但這種結構的LED，通常以上表面作為出光區，並且由 於P區電極焊接在上表面，覆蓋了很大的出光面積，導致有效出光面積減少，降低了光提取 效率。目前多數LED採用Ni/Au等合金作為η極電極，其電子的注入效率較低。


【發明內容】

[0004] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種不僅光提取效率高， 而且電子的注入效率高同時成本低的具有橫向ΖηΟ納米棒陣列結構的LED。
[0005] 為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光 二極體，包括自下而上依次設置的藍寶石襯底（101)、二氧化矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝 層（103)，所述氮化鎵緩衝層（103)的中心開設有矩形刻蝕槽，所述矩形刻蝕槽一側邊上 設置有P區電極（106)，而與該側邊相對的另一側邊上設置有塊狀n+-ZnO (104)，所述塊狀 n+-ZnO (104)上設置有η區電極（105)，且所述η區電極為ITO-ZnO薄膜；還包括ΖηΟ納米棒 陣列（107)，所述ΖηΟ納米棒陣列的兩端分別設置有η型區和ρ型區，且η型區和ρ型區分 別進行Ρ型、η型摻雜，同時所述ΖηΟ納米棒陣列通過ρ型區、η型區分別與ρ區電極（106)、 塊狀η+-Ζη0(104)連接。
[0006] 優選的：所述納米棒的η型區採用Al、In或Ga進行摻雜，而所述ρ型區採用Ν進 行摻雜。
[0007] 優選的：所述ΖηΟ納米棒陣列的氧化鋅納米棒的個數為3-10個。
[0008] 優選的：所述ΖηΟ納米棒陣列由5條ΖηΟ納米棒構成。
[0009] 優選的：所述氧化鋅納米棒的長度均為10 μ m，直徑均為200nm。
[0010] 優選的：所述有P區電極、n+-ZnO的尺寸均為3· 2 μ mXO. 3 μ mX L 5 μ m ;所述η區 電極尺寸為 3· 2X0. 3μπιΧ0· 02μπι。
[0011] 優選的：所述ΖηΟ納米棒陣列間的縫隙寬度大於藍光的波長。
[0012] 優選的：所述納米棒陣列的縫隙尺寸為500nm
[0013] 本發明提供的一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，相比現有技術，具有以下 有益效果：
[0014] 1.利用橫向ΖηΟ納米棒陣列作為有源發光區能夠改善傳統LED出光面積小的不 足。載流子的複合光經有源區直接出射避免了因 P+半導體層、n+半導體層、緩衝層以及電 極層等結構對光的吸收所造成的損耗。並且，由於ΖηΟ納米棒自身具有良好的光透過率以 及良好的載流子導電擴散性，所以具有該結構的LED可以獲得很高的光輸出功率。另外，以 ITO-ZnO薄膜作為η區電極具有很好的歐姆接觸特性，能夠有效地降低開啟電壓。這些優點 對於製備高功率LED具有重要價值。
[0015] 2.由於氧化鋅（ΖηΟ)具有大的禁帶寬度（3. 37eV)和大的激子結合能（60meV)， 在製作藍光和紫外波段LED方面具有很大的效果。ΖηΟ納米棒具有優良的載流子擴散導電 性和良好的電子限域性，將其作為LED的有源區可以獲得很高的複合發光效率。在光的提 取效率方面，本發明所採用的橫向ΖηΟ納米棒陣列結構有源發光區具有很大的有效出光面 積，並且ΖηΟ本身對從近紫外波段到紅外波段的光具有良好的透過率，因此該結構的LED能 夠獲得很高的光提取效率。本發明將兩個電極分別設置於ΖηΟ納米棒的兩端，不會在有源 發光區發生電流擁擠現象而降低發光效率。
[0016] 3.由於所述塊狀η+-Ζη0(104)上設置有η區電極（105),且所述η區電極為 ITO-ZnO薄膜，因此ITO-ZnO薄膜作為電極使用，塊狀η+-Ζη0中的氧原子向ITO-ZnO擴散， 增加了電極和η+-Ζη0之間的載流子流動，能形成良好的歐姆接觸。因而其電阻率很低，因 此具有良好的電流注入效率。
[0017] 4.由於設置有ΖηΟ納米棒陣列，橫向ΖηΟ納米棒陣列作為有源發光區使用能夠使 出光面積得到最大程度的利用，因為光線從ΖηΟ納米棒直接射出，避免了傳統LED有源發光 區的光線因穿過多層膜以及覆蓋其上的金屬電極層被部分吸收而造成的能量損失。並且 ΖηΟ本身對於紫外及藍光都有良好的透過率，使得以橫向氧化鋅納米棒陣列作有源發光區 的LED能夠獲得極高的光提取效率。而從有源區向下射出的光經二氧化矽絕緣層反射後會 從ΖηΟ納米棒陣列的縫隙射出。
[0018] 5.由於以ΖηΟ納米棒陣列作為有源發光區替代傳統的薄膜異質結有源發光區，能 夠獲得很高的載流子複合效率，同時採用橫向ΖηΟ納米棒陣列結構大大增加了 LED的有效 出光面積，加上ΖηΟ材料本身對從近紫外到紅外波段的光具有良好的透過率，能夠有效地 改善傳統垂直結構的LED光提取效率低下的不足。
[0019] 6.用ITO-ZnO薄膜代替Ni/Au合金作為電極材料，可有效地改善歐姆接觸，進一步 提高LED的發光效率。
[0020] 7.由於ΖηΟ納米棒陣列間的縫隙寬度大於藍光的波長，因此能夠避免發生衍射現 象。
[0021] 8.由於納米棒陣列的縫隙尺寸為500nm，因此一方面其能夠有效的避免發生衍射 現象，另一方面能夠兼顧LED晶片的尺寸不能太大。
[0022] 綜上所述，本發明以ZnO納米棒陣列作為有源發光區替代傳統的薄膜異質結有源 發光區，能夠獲得很高的載流子複合效率。用ITO-ZnO薄膜代替Ni/Au合金作為電極材料， 可有效地改善歐姆接觸，進一步提高LED的發光效率。而且，本發明所採用的橫向ZnO納米 棒陣列結構大大增加了 LED的有效出光面積，加上ZnO材料本身對從近紫外到紅外波段的 光具有良好的透過率，能夠有效地改善傳統垂直結構的LED光提取效率低下的不足。因此 本發明不僅光提取效率高，而且電子的注入效率高同時成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為現有技術製備的藍寶石襯底GaN基LED的剖面圖。
[0024] 圖2為本發明提供的一種具有橫向ZnO納米棒陣列結構的LED的俯視圖。
[0025] 圖3為本發明提供的一種具有橫向ZnO納米棒陣列結構的LED的剖面圖。
[0026] 其中，101為藍寶石襯底，102為二氧化矽絕緣層，103為氮化鎵緩衝層，104為塊狀 η+-Ζη0,105為η區電極，106為p區電極，107為納米棒陣列，110為藍寶石襯底，111為η型 GaN，112為η區電極，113為量子阱，114為ρ型GaN，115為透明導電材料，116為ρ區電極。

【具體實施方式】
[0027] 為了使本發明所闡述的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合 實施例，對本發明進行進一步的說明。應當理解，此處所描述的實施例僅用於具體解釋本發 明，而並不用於限定本發明權利要求的範疇。
[0028] 如圖2、3所示為一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，包括自下而上依次設 置的藍寶石襯底（101)、二氧化矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝層（103)，所述氮化鎵緩衝層 (103)的中心開設有矩形刻蝕槽，所述矩形刻蝕槽一側邊上設置有ρ區電極（106)，而與該 側邊相對的另一側邊上設置有塊狀η+-Ζη0 (104)，所述塊狀η+-Ζη0 (104)上設置有η區電極 (105)，且所述η區電極為ITO-ZnO薄膜；還包括ZnO納米棒陣列（107)，所述ZnO納米棒陣 列的兩端分別設置有η型區和ρ型區，且η型區和ρ型區分別進行ρ型、η型摻雜，同時所 述ZnO納米棒陣列通過ρ型區、η型區分別與ρ區電極（106)、塊狀η+-Ζη0 (104)連接。
[0029] 所述納米棒的η型區採用Al、In或Ga進行摻雜，而所述ρ型區採用Ν進行摻雜。
[0030] 所述ZnO納米棒陣列的氧化鋅納米棒的個數為3-10個。
[0031] 所述ZnO納米棒陣列由5條ZnO納米棒構成。
[0032] 所述氧化鋅納米棒的長度均為10 μ m，直徑均為200nm。
[0033] 所述有ρ區電極、n+_Zn0的尺寸均為3. 2 μ mXO. 3 μ mX 1. 5 μ m ;所述η區電極尺 寸為 3· 2X0. 3μπιΧ0· 02μπι。
[0034] 實例
[0035] -種具有橫向ZnO納米棒陣列結構的LED，其構成要素包括：藍寶石襯底（101)、二 氧化矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝層（103)、ρ區電極（106)、塊狀η+-Ζη0(104)、ρ區電極和 塊狀η+-Ζη0之間的納米棒陣列（107)、η+-Ζη0上作為η區電極的ITO-ZnO薄膜（105)。
[0036] 其中ZnO納米棒採用高溫熱蒸鍍方法得到，然後將其等間距製備在由ρ區電極和 η+-Ζη0構築的兩個臺子之間，再採用聚焦離子束法把納米棒兩端修整成規則的形狀。
[0037] ZnO材料具有很寬的禁帶寬度和很高的激子結合能，並具有良好的化學穩定性和 抗氧化、耐潮、耐高溫性能，適於製作紫外和藍光LED。通過調節塊狀n+-ZnO和ZnO納米棒 η極的Ga摻雜量、ZnO納米棒P極的N摻雜量對光的波長進行調控。而且，ZnO納米棒具 有良好的載流子擴散導電性，有利於載流子的複合。另外，由於ZnO納米棒是一維結構，能 夠將載流子的活動有效地限制在電場方向，加上ZnO良好的導電性，使其在作為有源區使 用時具有很高的載流子複合效率。ITO-ZnO薄膜作為電極使用，塊狀n+-ZnO中的氧原子向 ITO-ZnO擴散，增加了電極和n+-ZnO之間的載流子流動，能形成良好的歐姆接觸。橫向ZnO 納米棒陣列作為有源發光區使用能夠使出光面積得到最大程度的利用，因為光線從ZnO納 米棒直接射出，避免了傳統LED有源發光區的光線因穿過多層膜以及覆蓋其上的金屬電極 層被部分吸收而造成的能量損失。並且ZnO本身對於紫外及藍光都有良好的透過率，使得 以橫向氧化鋅納米棒陣列作有源發光區的LED能夠獲得極高的光提取效率。而從有源區向 下射出的光經二氧化矽絕緣層反射後會從ZnO納米棒陣列的縫隙射出。為了避免發生衍射 現象，需要使ZnO納米棒陣列間的縫隙寬度大於藍光的波長，因此縫隙的尺寸必須在450nm 以上。又考慮到LED晶片的尺寸不能太大，故一般將納米棒陣列的縫隙尺寸定為500nm左 右。
[0038] 如參考圖2所示，本發明所提供的LED晶片結構包括：藍寶石襯底（101)、二氧化 矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝層（103)、p區電極（106)、塊狀n+-ZnO (104)、p區電極和塊狀 η+-Ζη0之間的納米棒陣列（107)、η+-Ζη0上作為η區電極的ITO-ZnO薄膜（105)。其中對兩 端分別進行了 P型和η型摻雜的氧化鋅納米棒陣列置於p區電極和塊狀η+-Ζη0之間構成 圖1中所示的橫向有源發光區。
[0039] 圖3為具有橫向ZnO納米棒陣列結構的LED晶片的剖面圖。自下而上依次為 藍寶石襯底（101)、二氧化矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝層（103)、p區電極（106)、塊狀 η+-Ζη0 (104)、ZnO 納米棒陣列（107)、η 區電極（105)。
[0040] 作為一種具體的實施例，圖1中的ZnO納米棒陣列由5條ZnO納米棒構成。當然， 本發明的氧化鋅納米棒陣列並不局限於此，本領域的技術人員可根據需要設置氧化鋅納米 棒的數量。優選的，所述的氧化鋅納米棒的個數為3-10個，這樣可以在工藝難度較低的情 況下增加載流子的通道數量，獲得較高的載流子複合效率。
[0041] 優選的，所述氧化鋅納米棒的長度均為10 μ m，直徑均為200nm，具有良好的載流 子限域性，可有效地提高載流子複合效率。
[0042] 納米棒的η型區和p型區分別採用Ga和N進行摻雜，所獲得的電子和空穴濃度分 別可以達到lX10 21cnT3和4X1019cnT3。為滿足實現不同波長的需求，還可以分別採用A1、 In對納米棒的η型區進行摻雜。
[0043] 本實例所提供的橫向ZnO納米棒陣列LED的ρ區電極和η+-Ζη0的尺寸均為 3. 2 μ mXO. 3 μ mX 1. 5 μ m。採用該尺寸能夠保證納米棒之間的間隙不小於500nm，使得原本 向下出射，但又經二氧化矽絕緣層反射回來的光線經過納米棒陣列的縫隙時發生衍射的程 度較小。並且，由於此時P區電極能夠較好地覆蓋ZnO納米棒，技術人員可以根據對電阻率 要求的不同，對該尺寸進行調整。η區電極尺寸為3. 2X0. 3 μ mXO. 02 μ m，即只在厚度上與 η+_Ζη0 不同。
[0044] 針對以上問題，本發明提出了一種具有橫向氧化鋅納米棒陣列結構的LED。氧化 鋅（ZnO)具有大的禁帶寬度（3. 37eV)和大的激子結合能^OmeV)，在製作藍光和紫外波段 LED方面極具潛力。ZnO納米棒具有優良的載流子擴散導電性和良好的電子限域性，將其作 為LED的有源區可以獲得很高的複合發光效率。在光的提取效率方面，本發明所採用的橫 向ZnO納米棒陣列結構有源發光區具有很大的有效出光面積，並且ZnO本身對從近紫外波 段到紅外波段的光具有良好的透過率，因此該結構的LED能夠獲得很高的光提取效率。本 發明將兩個電極分別設置於ZnO納米棒的兩端，不會在有源發光區發生電流擁擠現象而降 低發光效率，傳統LED的發光效率在30 %左右，而本發明提供的LED發光效率高達85%以 上。。且η區電極採用ITO-ZnO薄膜材料，和位於其下方的塊狀n+-ZnO之間具有良好的歐 姆接觸，電阻率很低，具有良好的電流注入效率，傳統的LEDn極的電子濃度在10 19cnT3左右， 本發明提供的LED電流注入效率高達1 X 1021cm_3。
[0045] 如下表所示：為本發明提供的LED光提取效率與垂直結構LED光提取效率：
[0046]

【權利要求】
1. 一種橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：包括自下而上依次設置的藍 寶石襯底（101)、二氧化矽絕緣層（102)、氮化鎵緩衝層（103)，所述氮化鎵緩衝層（103)的 中心開設有矩形刻蝕槽，所述矩形刻蝕槽一側邊上設置有P區電極（106)，而與該側邊相對 的另一側邊上設置有塊狀n+-Zn0(104)，所述塊狀n+-Zn0(104)上設置有η區電極（105)，且 所述η區電極為ITO-ZnO薄膜；還包括ΖηΟ納米棒陣列（107)，所述ΖηΟ納米棒陣列的兩端 分別設置有η型區和ρ型區，且η型區和ρ型區分別進行ρ型、η型摻雜，同時所述ΖηΟ納 米棒陣列通過Ρ型區、η型區分別與Ρ區電極（106)、塊狀η+-Ζη0(104)連接。
2. 根據權利要求1所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述納米 棒的η型區採用Al、In或Ga進行摻雜，而所述ρ型區採用Ν進行摻雜。
3. 根據權利要求2所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述ΖηΟ 納米棒陣列的氧化鋅納米棒的個數為3-10個。
4. 根據權利要求3所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述ΖηΟ 納米棒陣列由5條ΖηΟ納米棒構成。
5. 根據權利要求4所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述氧化 鋅納米棒的長度均為l〇ym，直徑均為200nm。
6. 根據權利要求5所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所 述有P區電極、n+-ZnO的尺寸均為3. 2 μ mXO. 3 μ mX 1. 5 μ m ;所述η區電極尺寸為 3· 2X0. 3μπιΧ0· 02μπι。
7. 根據權利要求5所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述ΖηΟ 納米棒陣列間的縫隙寬度大於藍光的波長。
8. 根據權利要求5所述的橫向氧化鋅納米棒陣列發光二極體，其特徵在於：所述納米 棒陣列的縫隙尺寸為500nm。
【文檔編號】H01L33/28GK104051589SQ201410287509
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】張 雄, 王翼, 崔一平 申請人:東南大學