CN104638079B - 基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外led - Google Patents

基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外led Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，包括阴极、阳极和连接阳极的有源发光体，还包括一微纳结构，所述微纳结构的一端与阴极相连，另一端与有源发光体接触形成肖特基结。本发明结构简单，成本低廉，发光波长短，波长不随电流升高变化，效率较高，可工作在连续电流或脉冲电流下使用微纳结构克服了传统肖特基结LED中出射光被金属电极吸收和散射的难题，在保证廉价制作成本的同时极大提高了器件的发光效率。

Description

基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED
技术领域
本发明涉及半导体及微光学元件，尤其是涉及一种基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED。
背景技术
紫外LED光源在工业生产和日常生活中有着广泛的应用，例如用于信息存储、水净化、医用器械杀菌、紫外固化、医疗诊断等领域。现阶段可以实现紫外LED的结构主要包括量子阱、p-n结、金属-氧化物-半导体结和肖特基结。
例如，申请号为201110063867.8的专利申请提供了一种紫外LED的制作方法，用于制作多量子阱层结构的紫外LED光源，包括步骤：取一衬底，并在衬底上依次生长成核层和n型层，然后在n型层上生长多量子阱层；最后在多量子阱层上生长电子阻挡层和p型层，完成结构的生长。
另外，申请号为201310168605.7的专利申请提供了一种半导体紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：至少一个N-型层、至少一个P-型层和至少一个发光区，所述发光区在所述N-型层和所述P-型层之间且包含至少一个量子阱，所述量子阱至少被量子垒所包裹，所述器件的外延结构还至少包含一正离子区于所述发光区一侧；一负离子区于所述发光区另一侧，所述正离子区与负离子区产生的外加电场抵消或减小量子阱中的极化电场。
在这些结构中，肖特基结因其结构简单而且对掺杂要求低有最低的制作成本。但是，之前报道的肖特基结LED受困于较低的外量子效率，这主要是由于构成肖特基结的金属薄膜会吸收和散射绝大部分的出射光。所以，如何克服这个难题实现成本低且发光效率高的紫外LED一直是工业界的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制作成本低廉且发光效率较高的紫外LED。金属微纳结构通过范德华力与氮化镓薄膜形成肖特基异质结，微纳结构的小尺寸使得出射光受到很少的衰减，提高了器件的外量子效率。在氮化镓薄膜正偏压，微纳结构负偏压的情况下可以获得异质结区高效的紫外发光。目前此器件获得了0.9％外量子效率，而之前报道的基于肖特基结LED的最好效率仅为0.05％。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，包括阴极、阳极和连接阳极的有源发光体，还包括一微纳结构，所述微纳结构的一端与阴极相连，另一端与有源发光体接触形成肖特基结。
其中，所述的紫外LED还包括镀有有源发光体的衬底，所述有源发光体上部分区域内镀合金金属膜作为所述的阳极。有源发光体根据LED发光性质确定，本发明中的紫外LED所对应的有源发光体为氮化镓薄膜。
所述的合金金属膜可以为Cr/Au、Pt/Au、Pd/Au，优选使用Ni(20nm)/Au(50nm)合金金属膜，相比其他金属膜可以形成低电阻的欧姆接触。
本发明中，阴极有两种实施方式，第一种为：所述的阴极为镀在蓝宝石衬底上的ITO薄膜，所述镀有有源发光体的衬底和蓝宝石衬底隔开放置，且两者之间的间隙应不大于30μm。第二种为：所述镀有有源发光体的衬底上的另一区域内镀有绝缘层，该绝缘层上表面镀金膜构成所述的阴极。
阴极可以是ITO薄膜，也可以采用金属薄膜，例如：Au、Pt、Al等。
其中，所述的微纳结构为通过热溶剂法生长得到的单条或多条银纳米线。
另外，所述的微纳结构还可以为银微纳阵列，具有纵横交错的银纳米线，且纵向银纳米线或横向银纳米线一端与阴极相连，另一端与有源发光体接触形成肖特基结。
微纳结构除了采用银纳米线外，也可采用金纳米线和铜纳米线，银纳米线的优势在于其导电能力强，热导率高。单根银纳米线可用于构建微纳尺度的光源，其在集成光学，光通信等领域有重要应用。银微纳阵列可实现大面积的高效发光，对于照明，紫外消毒等领域有应用。
在本发明中，所述微纳结构的电阻率应小于5μΩ·cm，电阻率小有利于促进电子载流子的扩散，使辐射复合在更大范围内进行。
本发明具有的有益效果是：结构简单，成本低廉，发光波长短，波长不随电流升高变化，效率较高，可工作在连续电流或脉冲电流下；在正向偏压下，来自银微纳结构的电子直接注入氮化镓薄膜并与其中的空穴发生辐射复合；在低驱动电流下，此器件即发光，主峰的位置位于紫外区域，半高全宽小于10nm，且为氮化镓的自由激子发光；自由激子发光稳定，主峰位置不随电流增加而偏移；使用银微纳结构克服了传统肖特基结LED中出射光被金属电极吸收和散射的难题，在保证廉价制作成本的同时极大提高了器件的发光效率。
附图说明
图1是实施例1中的器件结构示意图。
图2是实施例2中的器件结构示意图。
图3是实施例3中的器件结构示意图。
图4是器件在-6V到6V之间的电流电压特性曲线。
图5是测量得到的光谱图和CCD拍摄的发光照片。
图6是光谱中的发光峰位置随电流变化的曲线。
图7是器件的输出光强随电流变化曲线。
具体实施方式
一种基于一维银微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的高效紫外LED，其一般的实施方式包括：镀有氮化镓3的衬底1用去离子水冲洗并用在氮气环境下吹干，接着采用热蒸发的方法在部分氮化镓上镀上一层Ni(20nm)/Au(50nm)合金金属膜2。器件阴极部分既可以是ITO薄膜也可以是金薄膜。这里所使用的银微纳结构既可以是通过热溶剂法生长得到的纳米线也可以是通过打印的方法得到的微纳阵列结构。
实例1的结构示意图如图1，阴极为蓝宝石衬底6上镀的ITO薄膜5。将此衬底贴近镀有氮化镓3的衬底1放置，两者之间的间隙可以通过微纳操作控制在30μm之内。然后，将银纳米线溶液滴到干净的玻片上，待乙醇挥发完全后，通过微纳操作将银纳米线4转移到制作完成的衬底上，使得银纳米线4一端在ITO薄膜5上，另一端在氮化镓3上。银纳米线4通过范德华力与衬底牢固接触形成肖特基结。
实例2的结构示意图如图2，此方法不需另外制作阴极衬底，而在相同的镀有氮化镓3的衬底1一部分上镀绝缘层7，并在绝缘层7上表面镀金膜8构成阴极，银纳米线4一端与阴极相连，另一端与氮化镓3接触形成肖特基结。
实例3的结构示意图如图3，阴极结构与实例2中采用相同的制作方法。使用银微纳阵列9代替实例2中的单根银纳米线4，这里的微纳阵列为打印的方法制作或微操纵或微流控等方法进行排布，阵列的形貌可控。微纳阵列9大部分位于氮化镓薄膜的表面，同时也与阴极部分相连。
以实例1中的器件为例，图4是器件的电流电压特性曲线，可以看出在反向偏置下基本没有电流，正向偏置下电流很快上升，表现出了良好的整流特性。图5是器件发光的CCD照片和测量得到的光谱。可以看出银纳米线与氮化镓形成的肖特基结区产生强烈的发光，光谱数据说明主峰位于深紫外区362.5nm。图6进一步说明器件发光稳定，主峰波长不随电流的升高变化。图7说明随着电流增强，器件发光不断增强，并在25μA的驱动电流下获得了目前报道的基于肖特基结LED最高的外量子效率。

Claims (9)

1.一种基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，包括阴极、阳极和连接阳极的有源发光体，其特征在于，还包括一金属微纳结构，所述金属微纳结构的一端与阴极相连，另一端与有源发光体接触形成肖特基结；
所述的紫外LED还包括镀有有源发光体的衬底，所述有源发光体上部分区域内镀合金金属膜作为所述的阳极。
2.如权利要求1所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的阴极为镀在蓝宝石衬底上的ITO薄膜，所述镀有有源发光体的衬底和蓝宝石衬底隔开放置，且两者之间的间隙应不大于30μm。
3.如权利要求1所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述镀有有源发光体的衬底上的另一区域内镀有绝缘层，该绝缘层上表面镀金膜构成所述的阴极。
4.如权利要求2或3所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的金属微纳结构为单条或多条银纳米线。
5.如权利要求4所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的银纳米线通过热溶剂法生长得到。
6.如权利要求5所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的金属微纳结构为银微纳阵列，具有纵横交错的银纳米线，且纵向银纳米线或横向银纳米线一端与阴极相连，另一端与有源发光体接触形成肖特基结。
7.如权利要求1所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的有源发光体为氮化镓薄膜。
8.如权利要求1所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述的合金金属膜为Ni/Au合金金属膜。
9.如权利要求1所述的基于一维微纳结构/氮化镓薄膜肖特基结的紫外LED，其特征在于，所述金属微纳结构的电阻率应小于5μΩ·cm。
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